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(1.中國石油冀東油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004；2.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

基于物理-數(shù)值聯(lián)合模擬的多期斷裂形成機制及演化研究

卿穎1，馮建偉2，楊少春2，任啟強2

(1.中國石油冀東油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004；2.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

針對多期疊加構(gòu)造體系形成機制研究中存在的問題，以南堡凹陷3號構(gòu)造古近系中大量存在的“X”型斷裂樣式為例，應(yīng)用構(gòu)造體系復(fù)合理論、構(gòu)造物理-數(shù)值聯(lián)合模擬分析裂陷盆地深部先期構(gòu)造對晚期斷裂形成和演化控制作用以及疊加構(gòu)造形成力學(xué)機理，建立空間展布幾何模式。研究認為：兩期斷裂系統(tǒng)的疊加規(guī)律主要受控于先期斷裂的力學(xué)強度、晚期應(yīng)力強度、先期斷裂走向與后期應(yīng)力方向之間的關(guān)系；先期斷裂可以影響局部應(yīng)力場的分布以及地層的力學(xué)強度，進而影響后期發(fā)育斷裂的分布，后期應(yīng)力場既可以使早期斷裂繼續(xù)擴展，也可以導(dǎo)致地層發(fā)生破裂產(chǎn)生新的斷裂；伸展背景下，當后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角小于30°時，只沿先期斷裂擴展而不產(chǎn)生新的斷裂；以不整合面分割形成的空間地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)層，受后期強烈作用時，容易發(fā)生“變形不協(xié)調(diào)”現(xiàn)象，垂向上斷裂系統(tǒng)具有明顯不連續(xù)性，產(chǎn)狀發(fā)生改變。因此，多期疊加斷裂系統(tǒng)的形成和發(fā)育直接受控于郯廬斷裂古近紀以來地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

南堡凹陷；疊加斷裂；形成機制；物理模擬；數(shù)值模擬

我國內(nèi)陸大部分含油氣盆地屬疊合盆地[1]，其形成和發(fā)展演化受控于中國區(qū)域大地構(gòu)造的發(fā)展，具有多旋回性。南堡凹陷作為渤海灣盆地北側(cè)一個小型含油氣凹陷，油氣資源十分豐富，具有多期成盆、多期成藏的復(fù)式油氣聚集特點[2]。南堡凹陷3號構(gòu)造簡稱為南堡3區(qū)，位于凹陷東南部，屬于凹陷內(nèi)的一個局部構(gòu)造帶，自白堊紀以來，經(jīng)歷了古近紀斷陷和新近紀拗陷兩個階段(圖1)，并控制形成了以沙一段頂部不整合為界的上下兩套斷裂體系，如深部沙河街組為地塹-地壘斷裂體系，東營組為半地塹斷裂體系，兩者在垂向上疊加成“X”型和“Y” 型樣式，控制著油氣的運移和空間分布。前人[3-4]多認為這種剖面“X”型斷裂樣式屬于正常均勻伸展背景下的一種“共軛”斷裂類型，也有人認為“X”型斷裂組合可以分為對稱性和非對稱性兩種形態(tài)，主要受控于地殼的純剪變形，并以構(gòu)造物理模擬實驗進行了有效驗證，還有人認為這是由于基底先存構(gòu)造對裂陷盆地斷裂的強烈控制作用所致[5-7]，并應(yīng)用脆性斷裂新理論闡述了其中的力學(xué)機理，確定了基底先存構(gòu)造活動的變化規(guī)律。本研究在南堡凹陷3號東營組和沙河街組構(gòu)造解釋基礎(chǔ)上[1]，分析斷裂幾何特征及組合關(guān)系，結(jié)合構(gòu)造演化恢復(fù)構(gòu)造關(guān)鍵期應(yīng)力狀態(tài)，基于構(gòu)造復(fù)合疊加理擬實驗和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，定量研究變化應(yīng)力場環(huán)境下不同地質(zhì)力學(xué)層之間的“變形不協(xié)調(diào)效應(yīng)”[7]，探討基底先存構(gòu)造對裂陷盆地斷裂形成和演化的控制規(guī)律，為下一步中深層油氣勘探和成藏模式的建立提供指導(dǎo)。

圖1 南堡凹陷區(qū)域構(gòu)造簡圖

1 基本地質(zhì)特征

根據(jù)斷裂幾何特征和成因機制，南堡凹陷3號構(gòu)造斷裂樣式主要劃分為三種區(qū)域構(gòu)造樣式：伸展、張扭和擠壓構(gòu)造樣式，進一步細分為12種局部構(gòu)造樣式，如 “Y”形組合、“入”字形組合、斷階組合、地塹組合、地壘組合、調(diào)節(jié)型、逆牽引型、差異壓實型、韌性剪切帶、垂向剪切型和反轉(zhuǎn)型。從層間分布來看：①東營組單斷裂類型主要為板狀和鏟狀形態(tài)，前者活動時間較短，后者較長，且斷裂樣式在剖面上的特有形態(tài)與平面形態(tài)一一對應(yīng)，如：剖面上為“Y”形或反“Y”形的斷裂[8]，在平面上表現(xiàn)為斜交式分布；剖面上為同向斷階組合類型的斷裂，平面上表現(xiàn)為雁列式展布；剖面上為反向斷階組合類型的斷裂，平面上呈平行式排列；剖面上為地塹或白菜心式斷裂，平面上呈平行式或斜交式展布；剖面上為調(diào)節(jié)型斷裂，平面上呈正交式或分叉式組合等(圖2)。②沙河街組單斷裂類型主要為鏟式和躺椅式，代表了長期活動特征，且后者比前者活動時間更長。斷裂在剖面上為“入”字型斷裂，在平面上呈斜交式；剖面上為地壘組合的斷裂，平面上呈平行式特征；剖面上為垂向剪切型斷裂，平面上呈雁列式展布等。

由此可見，研究區(qū)以沙河街頂部不整合面為界分為上下兩套斷裂系統(tǒng)，上部東營組為一套SN向伸展兼具左旋走滑的復(fù)合斷裂系統(tǒng)，力學(xué)機制為純剪；下部沙河街組為一套NW-SE向伸展斷裂系統(tǒng)，力學(xué)機制為單剪，總體上構(gòu)成了一套“X”型深淺疊加變形組合構(gòu)造，中間存在短期反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖2)。根據(jù)南堡凹陷中央隆起帶剖面斷裂特征，復(fù)雜“X”型斷裂組合具有非對稱與對稱兩種形式：下部一支由一條大斷距斷裂構(gòu)成，其余各支均由多條小斷距斷裂構(gòu)成；或下部兩支均為大斷距斷裂構(gòu)成，上部兩支由多條小斷裂構(gòu)成。另外，多個X型斷裂可能相互連接構(gòu)成更復(fù)雜的“X”構(gòu)型[3]。

圖2 三維地震資料顯示的X型疊加斷裂組合(南北向剖面)

2 斷裂活動差異

2.1 斷裂走向

2.2 斷裂活動性

圖3 南堡3區(qū)不同層位斷裂走向統(tǒng)計及伸展方向圖

圖4 南堡3區(qū)不同層位斷裂密度及不同時期斷裂生長指數(shù)統(tǒng)計圖

3 疊加斷裂體系物理模擬

綜上分析，結(jié)合前人研究成果，確定了構(gòu)造物理模擬實驗的相似系數(shù)、實驗材料和邊界、基底條件。南堡3區(qū)實際面積約15 352×8 951 m2，沙河街組厚度約790 m，東營組厚度約630 m，取相似系數(shù)為672，故上、下模型為23 cm×13 cm×2 cm和23 cm×13 cm×2.5 cm。利用聚苯塑料塊進行處理使其邊緣形狀與沙河街組沉積末凹陷周邊的凸起形狀吻合：在南側(cè)設(shè)置聚苯塑料模擬沙北斷裂及沙壘田凸起，東側(cè)、西側(cè)設(shè)置固定鐵板模擬曹妃甸洼陷和2區(qū)，北側(cè)設(shè)置活動聚苯塑料，提供實驗材料位移空間，代表凹陷北部沉積區(qū)(圖5)。選用延展性較好的橡膠皮來模擬凹陷基底，通過橡膠皮的引張帶動上覆地層實現(xiàn)拉張和剪切作用?？紤]到實際地層的巖性特征，且為了保證實驗材料與實際地層的流變性質(zhì)相似，并減少流變性差異對破裂帶幾何形態(tài)的影響，本次實驗選取密度為4.0 g/cm3的沙子，加一定量的粘土混合均勻，加適量水，在垂直力作用下輕微壓實成層。在實驗中按地質(zhì)歷史時期再現(xiàn)地質(zhì)運動與構(gòu)造變形是不可想象和不可能的，但卻可以從材料的應(yīng)力、時間與變形的關(guān)系式中找出作用力的時間常數(shù)，從而達到實驗過程中形變與時間的對應(yīng)關(guān)系與地質(zhì)情況相吻合。結(jié)合前人實驗，選擇1 min代表自然界中的1 Ma，沙河街組沉積末到東營組關(guān)鍵變形期所經(jīng)歷的時間約為13.5 Ma，本次實驗中沙河街組NW-SE向拉伸時間取10 min，再疊加?xùn)|營組SN向拉伸兼具左旋剪切取6 min，另外根據(jù)3區(qū)斷裂活動性定量計算結(jié)果，從沙三段沉積末開始到東三段沉積末經(jīng)歷了“強—弱—強—弱—強—弱”的演化歷程。

圖5 構(gòu)造物理模擬實驗過程及結(jié)果

實驗初始，設(shè)定地層為水平狀態(tài)，彈性布四周粘結(jié)在實驗設(shè)備的圓形底座上，準備就緒后，左邊拉桿以0.04 mm/s速率進行北西-南東向拉伸。過程如下：

實驗進行3 min后，在沙北斷裂的控制下，開始發(fā)育一條NE走向斷裂，說明在NW-SE向伸展作用下產(chǎn)生近垂直的正斷裂。

實驗進行6 min后，新產(chǎn)生兩條NE-SW向斷裂，且前期南部斷裂逐漸擴展在尾端產(chǎn)生次級斷裂，3條主斷裂從南向北依次展布形成階梯狀排列，根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，由于斷裂部位(尤其是端部)會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷裂之間常以橫向調(diào)節(jié)斷裂近似連接。

實驗進行9 min后，在前期變形基礎(chǔ)上添加新的東營組地層，調(diào)整拉伸速率為0.02 mm/s，輕微順時針旋轉(zhuǎn)一定角度。繼續(xù)拉伸2 min，然后轉(zhuǎn)動圓形底盤，使拉伸方向較沙河街期旋轉(zhuǎn)45°，近南北方向。

到11 min時，研究區(qū)在前期斷裂的位置開始出現(xiàn)斷裂痕跡，同時在斷裂尾端出現(xiàn)一系列左旋雁列式斷裂，進一步增大拉伸速率為0.05 mm/s。

直至16 min結(jié)束后，先期的NE-SW向主斷裂繼承發(fā)育，在斷裂之間出現(xiàn)大量次級斷裂，近東西向展布，伴隨產(chǎn)生的還有一定數(shù)量的橫向調(diào)節(jié)斷裂(圖5)。

4 疊加斷裂體系數(shù)值模擬

南堡凹陷3區(qū)自古近紀以來，縱向上經(jīng)歷了沙河街期的NW-SE向強烈伸展斷陷階段、東營期的S-N向弱伸展兼具走滑斷拗階段，其中深部太古界-古生界潛山的發(fā)育也在一定程度影響著上覆地層的變形。由此，引入有限元數(shù)值模擬手段，基于相似材料比例法，設(shè)置地質(zhì)模型的尺寸、材料強度參數(shù)、力學(xué)邊界條件、加載速率，并將地質(zhì)歷史時期的兩期構(gòu)造運動綜合起來，采用“統(tǒng)一模型、分段施力”的原則，最終實現(xiàn)縱向斷裂系統(tǒng)的疊加過程模擬和次級斷裂產(chǎn)生機制研究(圖6)。

圖6 疊加構(gòu)造地質(zhì)模型建立及力學(xué)邊界條件設(shè)置圖

為了獲取地層圍壓條件下的巖石力學(xué)特征，對研究區(qū)8口井13塊巖心進行分組力學(xué)實驗，巖性涵蓋含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖和細砂巖等，按實際地質(zhì)情況，圍壓等級設(shè)計為10、20 MPa。有圍壓存在時，破裂形態(tài)為張剪性，隨圍壓增大剪切作用增強，破裂角增大，破裂形態(tài)變得復(fù)雜，甚至出現(xiàn)破裂不連續(xù)的現(xiàn)象。從另一角度來看，研究區(qū)圍壓小于某值時，內(nèi)摩擦角φ較大，換算出的破裂角θ=45°-φ/2相對較小，以張性破裂為主，圍壓大于某值時，內(nèi)摩擦角φ變小，破裂角逐漸增大，且由張性破裂逐漸變?yōu)閺埣粜陨踔翂杭粜云屏选?/p>

以構(gòu)造形跡統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定沙一段末期和東三段末期兩期應(yīng)力方向：NW48°、47 MPa和 SN、47 MPa，鑒于東三段末期存在一定左旋剪切應(yīng)力場，剪應(yīng)力設(shè)置為14 MPa。由于缺少斷裂帶內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)，本次研究采用前人研究成果[11-12]，斷裂泊松比取0.27，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3；邊框的斷裂泊松比取0.22，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3。根據(jù)試驗結(jié)果繪制應(yīng)力摩爾圓，求取不同巖石類型的內(nèi)摩擦角、內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力，沙河組頂部一段和東營組下部三段的密度接近，盡管東三段以湖相泥巖為主，沙一段以三角洲前緣砂巖為主，由于不整合面的長期風(fēng)化淋濾作用，地層變得疏松，密度平均減小為2.38 g/cm3，東三段為2.507 g/cm3，不整合面附近密度為2.39 g/cm3，沙一段峰值強度平均為171.34 MPa，東三段峰值強度平均為213.41 MPa，不整合面附近強度平均為191.73 MPa，相比來看，東三段泥巖峰值強度要高于沙一段，不整合面強度居中，而且圍壓越大，峰值強度越高(表1)。由于缺少斷裂帶內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)，本研究采用前人研究成果[11-12]，斷裂泊松比取0.27，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3；邊框的斷裂泊松比取0.22，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3。以構(gòu)造形跡統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定沙一段末期和東三段末期兩期應(yīng)力方向：NW48°、47 MPa和 SN、47 MPa，鑒于東三段末期存在一定左旋剪切應(yīng)力場，剪應(yīng)力設(shè)置為14 MPa。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

模擬結(jié)果顯示：東營組最小主應(yīng)力分布不規(guī)則(圖7)，整體為張應(yīng)力，斷裂F5西段應(yīng)力值最高，F(xiàn)6斷裂西段次之，以此為中心向四周呈降低趨勢，應(yīng)力等值線的走向與凹陷邊界或斷裂帶近于平行。此種張應(yīng)力環(huán)境下發(fā)育的斷裂以拉張性質(zhì)為主，應(yīng)力高值和較高值集中區(qū)是斷裂發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)域。東營組最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為負值，即為擠壓力環(huán)境，只在F4和F5交叉部位以及F6西段為張應(yīng)力。最大主應(yīng)力具東西分帶特征，西部和東部為高值區(qū)，中部為低值區(qū)，代表了底部上拱構(gòu)造環(huán)境。由于南堡凹陷在古近紀期間受控于郯廬斷裂的正斷活動，兼有右行滑動，加上基底斷裂影響，總體上以伸展作用為主，主斷裂之間存在左旋剪切作用，部分斷裂呈雁列式展布。如東營組變形期左旋、右旋應(yīng)力并存，以斷裂F4和F6為界，西側(cè)和東側(cè)以左旋剪應(yīng)力為主，西北側(cè)和南側(cè)則以右旋剪應(yīng)力為主(圖7)。此類應(yīng)力環(huán)境與圖中東三段次級雁列式斷裂體系分布特征十分吻合。

沙河街組最小主應(yīng)力只在研究區(qū)東南部顯示為擠壓性質(zhì)，其他地區(qū)皆為拉張性質(zhì)，且拉/壓邊界受NE走向主斷裂影響顯著，尤其在斷裂F2附近存在強烈伸展應(yīng)力環(huán)境，控制產(chǎn)生了F2和F1之間的橫向斷裂。沙河街組平面剪應(yīng)力性質(zhì)具有明顯分區(qū)特點，在斷裂F1和F3之間為右旋拉伸，其他地區(qū)為左旋拉伸，且在F2西段存在強烈剪切走滑趨勢，總體趨勢與東營組正好相反。作為巖石變形或破裂的主導(dǎo)因素，應(yīng)力強度(最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力)在東營組和沙河街組分布差異大(圖8)。盡管兩者高值區(qū)都位于F2和F5斷裂西段，但東營組高值區(qū)主要分布在斷裂F5和F6之間，呈近東西向條狀展布。另外，東南部作為斷裂發(fā)育的有利部位，高應(yīng)力強度區(qū)分布呈環(huán)形特征。結(jié)合地質(zhì)特征分析，由于深部潛山上拱以及不整合面這一力學(xué)界面的存在，先存基底斷裂受力后，不僅會繼承性延伸，還會在上覆地層形成新的次級斷裂。早期地層在深部潛山和古地貌的影響下，發(fā)育一系列不對稱的地壘或單斷構(gòu)造，當晚期地層內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生改變后，首先會以不整合面為薄弱帶發(fā)生兩套力學(xué)層之間的“應(yīng)力-應(yīng)變不協(xié)調(diào)”效應(yīng)，促使能量消耗一部分，然后優(yōu)選與張應(yīng)力方向夾角小于30°的斷裂發(fā)生繼承性活動并在平面內(nèi)延伸[4,13]，又可以消耗一部分能量。當先存斷裂不能繼續(xù)活動時，則累計的構(gòu)造能量會在上部地層產(chǎn)生新的主斷裂，并進一步影響局部應(yīng)力場產(chǎn)生次級斷裂，如左旋剪切應(yīng)力場下易產(chǎn)生一系列雁列式斷裂。最終，由于內(nèi)摩擦角和力學(xué)環(huán)境的差異，上、下層的斷裂產(chǎn)狀不僅會產(chǎn)生差異，而且受潛山的頂托作用，張應(yīng)力會發(fā)生局部集中，在F2和F5斷裂重疊部位構(gòu)造活動尤其強烈，最終形成了研究區(qū)特殊的“X”型斷裂垂向疊加現(xiàn)象(圖8)。

圖7 疊加斷裂系統(tǒng)模擬主應(yīng)力及剪應(yīng)力平面分布圖

圖8 疊加斷裂系統(tǒng)模擬應(yīng)力強度剖面分布圖

5 區(qū)域動力學(xué)背景

南堡凹陷在屬性上具有典型主動裂谷特征，在演化上具有多幕拉張，中、新生代繼承性發(fā)育的特點，是一個中新生代上下疊置的復(fù)合型凹陷[14]。渤海灣盆地的多期裂谷作用，通常劃分為三個裂谷演化階段：即早侏羅世斷陷期、早白堊世斷陷期和古近紀孔店組、沙河街組、東營組斷陷期。中、新生代以來南堡凹陷與渤海灣盆地構(gòu)造演化規(guī)律大體相似[15-16]，但其新生代構(gòu)造演化還具有許多新的特點，主要表現(xiàn)在兩個方面：新生代裂谷演化具有明顯的多幕發(fā)育特點；新近紀中新世中期以來的構(gòu)造性質(zhì)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，即由中新世早期的構(gòu)造衰弱期轉(zhuǎn)化為新的構(gòu)造活化期。主要表現(xiàn)為斷裂作用加劇、拉張作用增強、沉積速率加快等特點。

對于郯廬斷裂帶在新生代的活動，大多數(shù)觀點認為郯廬斷裂古近紀以來發(fā)生右旋走滑拉張和左旋走滑擠壓，現(xiàn)今以右旋走滑擠壓為主[17]，不同時期的構(gòu)造活動，對于南堡凹陷的形成、演化和改造均具有重要影響。其活動時間可分為五期：即古新世至早始新世、中始新世至漸新世、中新世至早更新世、中更新世、晚更新世至今五個活動階段[18]，平面上可分為三段(北段：肇興—沈陽；中段：沈陽—宿遷；南段：宿遷—廣濟)。尤其是近年來斷裂帶附件頻繁發(fā)生的地震表明，郯廬大斷裂具有明顯的壓扭特征，時而左旋，時而右旋?？梢哉J為：渤海灣盆地新生代發(fā)育的NNE-NE向、NWW-EW向控陷斷裂是分期伸展變形疊加的結(jié)果。

郯廬大斷裂古近紀早期的活動性質(zhì)及強度在不同地段具有不同表現(xiàn)：南段張裂活動、中段(沂沭斷裂帶)右行走滑運動、北段張裂活動，最北端斷裂活動不明顯。在相當于孔店組沉積時期，斷裂中段對南堡凹陷產(chǎn)生了重要影響，派生的北西向拉張力形成了一系列北東向斷裂，這些斷裂的發(fā)育一直延續(xù)到沙河街沉積期(圖9)。

圖9 郯廬大斷裂中始新世至漸新世活動對南堡3區(qū)斷裂發(fā)育的控制模式

中始新世初期，太平洋板塊開始向西俯沖，造成了我國東部構(gòu)造應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變，以SE102°～NW 282°的主壓應(yīng)力為主，郯廬斷裂帶活動性質(zhì)也隨之改變?；疽匀R州灣為界，分為南、北兩段：南段由于受近東西向擠壓應(yīng)力作用，以擠壓-逆沖活動特征為主[19]；北段具有一定繼承性，以正斷活動為主，兼有右行滑動，但活動強度較前一時期弱。這個時期相當于南堡凹陷的沙河街期和東營期，其中沙河街早中期是應(yīng)力場發(fā)生轉(zhuǎn)化時期，由北東向拉張逐漸轉(zhuǎn)換為南北向拉張兼具走滑特征，因此，在東營組沉積開始后，便在早期北東向斷裂基礎(chǔ)上繼承性發(fā)育形成一系列近東西向斷裂，活動主斷裂之間發(fā)育了一系列左旋走滑雁列式斷裂。中新世至早更新世時期，我國東部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方向為NE170°～NW350°，郯廬斷裂帶發(fā)生了正斷或走滑運動，其活動強度南弱北強，以渤海灣活動最強烈。

根據(jù)地震解釋結(jié)果，南堡3區(qū)主要發(fā)育三組斷裂體系：邊界弧形斷裂體系(新近紀趨于停止)、北東向斷裂體系(為二級斷裂，分支斷裂北西向，極為發(fā)育，漸新世早期開始發(fā)育，晚期斷裂活動加劇，至新生代斷裂活動趨于停止)、東西向斷裂體系(形成于漸新世，結(jié)束于新生代末期，是控制晚期疊加構(gòu)造演化的主要因素。根據(jù)里德爾剪切發(fā)育模式，沙二段沉積期主要以北東向一級主控斷裂為主(相對級別)，容易派生形成斜交斷裂，同時斷裂間伴生左旋走滑次級雁列斷裂，但不代表區(qū)域應(yīng)力場。進入東營期，由于拉張活動強度的逐漸減弱和右旋走滑活動的產(chǎn)生，斷裂體系也發(fā)生相應(yīng)改變，在郯廬大斷裂整體南北向拉張兼具右旋走滑的背景下，早期北東向沙河街斷裂及古潛山構(gòu)造派生次級右旋走滑分力，東營組蓋層容易變形，發(fā)生左旋剪切成雁列式斷裂。根據(jù)格里菲斯準則，北東向斷裂在尾端部位發(fā)生繼承性活動，與早期斷裂呈近45°斜交，平面上整體呈“S”形或反“S”形特征。同時由于研究區(qū)厚層泥巖中包裹了透鏡體砂巖，在上覆地層重力作用下容易形成差異壓實型斷裂，但空間延伸距離短，一般在層內(nèi)發(fā)育。當早期斷階式主控斷裂繼承性發(fā)育時，往往形成弱垂向剪切作用下的雁列式斷裂，造成了垂向上斷裂的不連續(xù)發(fā)育現(xiàn)象(圖2)。

6 結(jié)論

1) 南堡凹陷3區(qū)古近系東營組-沙河街地層中“X”型疊加斷裂體系普遍發(fā)育，主要呈對稱和不對稱兩種組合形式，下部先期斷裂主要以NE走向平行排列為主，斷距大，密度低，上部晚期斷裂以近EW走向平行排列和斜列式為主，斷距小，密度大，兩套斷裂系統(tǒng)在潛山和地壘重疊部位相交而不相連，具有明顯的多期疊加特征。

2) 采用構(gòu)造物理模擬和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的手段恢復(fù)疊加斷裂體系的形成和演化過程，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)疊合盆地內(nèi)區(qū)域地質(zhì)背景對多期構(gòu)造形成和演化的控制作用，還能定量模擬應(yīng)力場分布特征，揭示軟硬互層地質(zhì)力學(xué)層之間的“應(yīng)力-應(yīng)變不協(xié)調(diào)效應(yīng)”，預(yù)測低級序斷裂的有利發(fā)育位置。

3) 兩期斷裂系統(tǒng)的疊加規(guī)律主要受控于先期斷裂的力學(xué)強度、晚期應(yīng)力強度、先期斷裂走向與后期應(yīng)力方向之間的關(guān)系，當后期應(yīng)力場發(fā)生改變時，可能引起構(gòu)造(尤其是斷裂)的疊加。平面上，當后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角小于30°時，地層抗張強度最小，此時，只沿先期斷裂擴展而不產(chǎn)生新的斷裂；垂向上，沙河街組和東營組兩套地質(zhì)力學(xué)層間以不整合面為薄弱力學(xué)層，在后期受力作用較強時，容易發(fā)生“變形不協(xié)調(diào)”現(xiàn)象，并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致斷裂的快速發(fā)育。

4) 南堡凹陷“X”型疊加斷裂系統(tǒng)的形成直接受控于郯廬大斷裂古近紀以來活動的旋回性、分段性和力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了古近紀地殼單元的單剪切變形和純剪切變形機制的疊加，進入東營期后，在郯廬大斷裂整體南北向拉張兼具右旋走滑的背景下，早期NE向沙河街斷裂及古潛山上拱派生次級右旋走滑分力，東營組蓋層容易變形，發(fā)生左旋剪切形成雁列式斷裂。

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FormationMechanismandEvolutionofMulti-phaseFaultBasedonPhysicalandNumericalSimulation

QING Ying1, FENG Jianwei2, YANG Shaochun2，REN Qiqiang2

(1.Exploration and Development Research Institute, China Petroleum and Jidong Oilfield Branch,Tangshan, Hebei 063004, China; 2.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China)

To solve problems in studying the formation mechanism of multi-phrase superimposed structures, this paper took X-pattern normal faults in Nanpu No.3 region as the example to investigate the controlling role of pre-existing structure in the depth of rift basin on the formation and evolution of later fault and to analyze the mechanism of superimposed structures by using tectonic superposition theory and physical and numerical simulation. A geometric model of space distribution was established. Through these studies, several laws were obtained as follows. First, superposition manners mainly depend on the mechanical strength of pre-existing faults, the tectonic stress intensity of the later fauts, and the relation between the pre-existing fault strike and the stress orientation of late period. Secondly, the pre-existing faults, which can influence local distribution of stress field and the mechanical strength of stratum, influence the distribution of later fault development. In other words, the later stress field not only causes the further propagation of pre-existing faults, but also the generation of new rupture in overlying strata. However, under extension setting, the later stress field results in the propagation along pre-existing faults only without,generating new faults when the inclined angle is less than 30°. Besides, under the influence of strong later force, it is easy for the spatial mechanical stratigraphic sequences resulted from the segregation of plane of unconformity to produce the non-coordination strain phenomenon and to cause discontinuous faults vertically with changed occurrence. Therefore, the formation and development of the superimposed fault system is directly controlled by the change of geo-mechanical properties of Tan-Lu fault since Paleogene.

Nanpu sag; superimposed faults; formation mechanism; physical simulation; numerical simulation

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QING Ying,FENG Jianwei,YANG Shaochun,et al.Formation mechanism and evolution of multi-phase fault based on physical and numerical simulation[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2018,37(1):60-70.

2016-06-06

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(14CX05016A)

卿 穎(1979—)，男，甘肅敦煌人，高級工程師，主要從事油氣勘探及評價工作.E-mail:linqu_fengjw@126.com

馮建偉(1979—)，男，山東臨朐人，副教授，博士后，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)研究，本文通信作者.

E-mail:linqu_fengjw@126.com

P542；P554

A

1672-3767(2018)01-0060-11

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2018.01.006

高麗華)