馮建偉，王志坤，商 琳

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

我國(guó)內(nèi)陸大部分含油氣盆地基本上都屬于疊合盆地，其形成和發(fā)展演化受控于中國(guó)區(qū)域大地構(gòu)造的發(fā)展具有多旋回性[1-2]。南堡凹陷是作為渤海灣盆地北側(cè)的一個(gè)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、復(fù)式聚集的含油氣特點(diǎn)[3]。南堡凹陷3區(qū)位于凹陷東南部，為凹陷內(nèi)的一個(gè)局部構(gòu)造帶，自白堊紀(jì)以來，經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷發(fā)育和新近紀(jì)拗陷發(fā)育兩個(gè)階段(圖1)，最終形成了沙河街組一段頂部區(qū)域不整合和以此為分界的上、下兩套斷裂體系，如沙河街組的地塹-地壘體系為和東營(yíng)組的半地塹體系，兩者在垂向上構(gòu)成“X”型和“Y”型疊加構(gòu)造，共同控制著油氣的運(yùn)移和空間分布。前人多認(rèn)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[4-5]，也有人認(rèn)為它可以分為對(duì)稱性和非對(duì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有效驗(yàn)證，還有人認(rèn)為這是由于基底先存構(gòu)造對(duì)裂陷盆地?cái)嗔训膹?qiáng)烈控制作用所致[6]，并應(yīng)用脆性斷裂新理論闡述了其中的力學(xué)機(jī)理。本次研究主要在南堡凹陷3區(qū)東營(yíng)組和沙河街組構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(duì)裂陷盆地?cái)嗔研纬珊脱莼目刂谱饔靡?guī)律，為下一步的中深層油氣勘探和成藏模式建立提供指導(dǎo)。

1 基本地質(zhì)特征

根據(jù)斷裂幾何特征和成因機(jī)制分析，南堡凹陷3區(qū)斷裂樣式主要?jiǎng)澐譃?種基本類型，分別為伸展構(gòu)造樣式、張扭構(gòu)造樣式和擠壓構(gòu)造樣式，進(jìn)一步可細(xì)分為12種局部構(gòu)造樣式，即“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(shí)型、韌性剪切帶、垂向剪切型和反轉(zhuǎn)型。從層間分布來看，上部東營(yíng)組單斷裂類型主要為板狀和鏟狀形態(tài)，前者活動(dòng)時(shí)間較短，后者時(shí)間較長(zhǎng)，且斷裂樣式在剖面上的特有形態(tài)與平面上的形態(tài)一一對(duì)應(yīng)，如剖面上的“Y”形或反“Y”形斷裂[8-9]，在平面上則表現(xiàn)為斜交式組合，剖面上的同向斷階組合斷裂，在平面上則表現(xiàn)為雁列式展布，剖面上的反向斷階組合斷裂，在平面上則呈平行式排列，剖面上為的地塹或白菜心式斷裂，在平面則呈平行式或斜交式展布，剖面上的調(diào)節(jié)型斷裂，平面上則呈正交式或分叉式組合等(圖2)。下部沙河街組單斷裂類型主要為鏟式和躺椅式，代表了長(zhǎng)期活動(dòng)特征，且后者比前者活動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)。剖面上的“入”字型的斷裂，在平面上則為斜交式組合，剖面上的地壘式組合斷裂，在平面上則呈平行式排列，剖面上的垂向剪切型斷裂，在平面上則呈雁列式展布等。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(yíng)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(jī)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(jī)制為單剪，總體上構(gòu)成了一套“X”型深淺疊加變形組合，中間存在短期的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖2)。根據(jù)南堡凹陷中央隆起帶剖面斷裂特征，“X”型斷裂組合具有非對(duì)稱與對(duì)稱兩種形式，一種表現(xiàn)為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；另一種表現(xiàn)為下部?jī)芍Ь鶠榇髷嗑鄶嗔?，上部?jī)芍в啥鄺l小斷裂構(gòu)成，最后這些斷裂及其組合相互連鎖構(gòu)成更復(fù)雜的“X”構(gòu)造樣式[3]。

圖1 南堡凹陷區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional structural diagram of Nanpu Sag

2 疊加斷裂形成機(jī)制

疊加斷裂實(shí)際上屬于一種縱向上先存斷裂與晚期斷裂之間相互影響、改造的疊合系統(tǒng)，其形成機(jī)制在于兩套地質(zhì)力學(xué)層之間的強(qiáng)度差異及應(yīng)力狀態(tài)的改變。

圖2 南堡凹陷3區(qū)疊加斷裂體系地震解釋結(jié)果(南北向剖面)Fig.1 Superimposed fault systems interpreted on seismic section (south-north) in Block 3 of Nanpu Saga—d.地震剖面位置如圖1中所示Ed1.東營(yíng)組一段底；Ed2.東營(yíng)組二段底；Ed3(s).東營(yíng)組三段上砂層組底；Ed3(x).東營(yíng)組三段下砂層組底；Es1(s).沙河街組一段上砂層組底；Es1(z).沙河街組二段中砂層組底；Es1(x).沙河街組一段下砂層組底；Es2.沙河街組二段底； Es3.沙河街組三段底

具有先存斷裂的地層在受到后期應(yīng)力作用下發(fā)生破裂，有時(shí)可以沿先存斷裂擴(kuò)展，有時(shí)是完整的地層產(chǎn)生新的破裂[10]。從破裂機(jī)理來看，此種情況可細(xì)分為兩類：張破裂和剪破裂。

2.1 晚期張破裂

根據(jù)原始地層的強(qiáng)度變化以及應(yīng)力方向與先存斷裂之間的夾角關(guān)系，張破裂又可以細(xì)分為兩種成因類型：沿先存斷裂張開型和完整地層破裂型。當(dāng)先存斷裂被后期流體或角礫巖膠結(jié)充填時(shí)，有一定的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)先存斷裂未被充填而開啟時(shí)，抗拉強(qiáng)度幾乎為零。因此由于先存斷裂的存在，會(huì)造成地層抗張強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低，當(dāng)受到后期張應(yīng)力作用時(shí)，如果張應(yīng)力方向與先存斷裂走向垂直，最容易發(fā)生沿先存斷裂擴(kuò)展的張破裂[10]。在三向不等的應(yīng)力場(chǎng)作用下，也可以造成地層發(fā)生張破裂，條件是在最小主應(yīng)力方向上產(chǎn)生張應(yīng)變，張破裂的延伸方向與最大主應(yīng)力方向平行。

2.2 晚期剪破裂

在受到后期三軸不等壓應(yīng)力場(chǎng)作用下，具有先存斷裂的地層既可以發(fā)生沿先存斷裂的剪切破裂，也可以發(fā)生完整地層的剪切破裂，而產(chǎn)生新的斷裂。沿先存斷裂的剪切破裂主要取決于先存斷裂的強(qiáng)度，完整地層的剪切破裂主要取決于地層的強(qiáng)度，而且與后期應(yīng)力場(chǎng)方向與先存斷裂的夾角有關(guān)。假設(shè)地層中有一組與最大主平面呈α角的先存斷裂(圖3a)，先存斷裂的強(qiáng)度曲線為圖3a中斜線1，地層強(qiáng)度曲線為圖中斜線2。在最小主應(yīng)力不變時(shí)，在最大主應(yīng)力作用下地層發(fā)生剪切破裂具有以下幾種情況。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1=σmin時(shí)，應(yīng)力圓與先存斷裂的強(qiáng)度曲線相切。若斷裂與最大主平面的夾角α=1/2∠DO1C時(shí)，將沿先存斷裂發(fā)生剪切破裂，若α≠1/2∠DO1C，地層不會(huì)發(fā)生破裂。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1繼續(xù)增大，處于σmin≤σ1≤σmax范圍內(nèi)，如圖3a中應(yīng)力圓②所示，應(yīng)力圓與先存斷裂強(qiáng)度曲線交于A,B兩點(diǎn)，若1/2∠BO2C≤α<1/2∠AO2C時(shí)，地層將發(fā)生沿先存斷裂的剪切破裂。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1超過σmax時(shí)，應(yīng)力圓可以與地層的強(qiáng)度曲線相切甚至相交，可以達(dá)到完整地層發(fā)生剪切破裂的條件，會(huì)有新的斷裂產(chǎn)生。由此分析認(rèn)為，具有先存斷裂的地層發(fā)生破裂的方式，即發(fā)生沿先存斷裂的破裂還是產(chǎn)生新的斷裂，與后期應(yīng)力場(chǎng)和先存斷裂走向的夾角及后期應(yīng)力大小密切相關(guān)。

圖3 先存構(gòu)造破裂機(jī)理及地質(zhì)力學(xué)層應(yīng)變不協(xié)調(diào)效應(yīng)圖(據(jù)Mclamore，1967)Fig.3 Diagrams showing mechanisms of shear rupture and uncoordinated deformational effect in geomechanical layers (Mclamore，1967)a.擠壓條件下先存構(gòu)造破裂三維莫爾圓；b.拉張條件下巖石強(qiáng)度隨應(yīng)力變化關(guān)系曲線；c.地質(zhì)力學(xué)層變形示意圖

2.3 疊加斷裂形成機(jī)制

先存斷裂的走向與后期應(yīng)力場(chǎng)方向之間的關(guān)系，影響兩期斷裂的疊加。Donath[11]，Mclamore[12],Jahanian[13]通過對(duì)具有先存斷裂的地層進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角β小于30°時(shí)，地層的抗張強(qiáng)度最小，僅為地層無斷裂時(shí)抗張強(qiáng)度的22%～28%(圖3b)。由此認(rèn)為當(dāng)后期張應(yīng)力與先存斷裂夾角β小于30°時(shí)，地層只沿先存斷裂擴(kuò)展而不產(chǎn)生新的斷裂。Mclamore[12]對(duì)具有先存斷裂的地層在不同圍壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)先存斷裂走向與最大主應(yīng)力夾角β在30°～60°時(shí)，地層抗剪強(qiáng)度最低，容易沿先存斷裂發(fā)生擴(kuò)展而不形成新斷裂；當(dāng)β小于30°或β大于60°時(shí)，可以產(chǎn)生新斷裂。

當(dāng)下伏或深部地層中的斷裂系統(tǒng)在垂向重力作用下，受晚期應(yīng)力場(chǎng)影響較小且主應(yīng)力方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，新破裂主要發(fā)生在上覆地層中，由于上、下兩套地層地質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度存在差異，從而導(dǎo)致接觸截面“應(yīng)變不協(xié)調(diào)效應(yīng)”和橫向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖3c)[14]。在σ1，σ2，σ3三軸應(yīng)力作用下的復(fù)合地層，認(rèn)為兩者是緊密粘合的，受力變形后地層界面不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，上覆地層的彈性模量用Es表示，泊松比用μs表示，下伏地層的彈性模量用Em表示，泊松比用μm表示。一般情況下，Es>Em，μm>μs，在三軸擠壓應(yīng)力作用下，深部地層由于壓實(shí)作用較強(qiáng)烈，變形量相對(duì)較小，在地層界面處，會(huì)因橫向應(yīng)變約束條件派生出張、壓應(yīng)力，下伏地層的側(cè)壓應(yīng)力σ1m將會(huì)增加，而上覆地層的側(cè)壓應(yīng)力σ1s將會(huì)明顯減小。從而使復(fù)合地層界面處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可以得出在界面處的各應(yīng)力分量：

(4)

脆性地層斷裂的最大應(yīng)變能準(zhǔn)則認(rèn)為：當(dāng)巖石內(nèi)部積累的彈性應(yīng)變能大于產(chǎn)生斷裂體表面所需要的能量時(shí)，便發(fā)生斷裂[16-17]。由于下伏地層中的應(yīng)力、應(yīng)變減小，上覆地層中應(yīng)變會(huì)相應(yīng)增大，對(duì)比不難看出，上覆壓實(shí)較弱的巖層使界面處單位體積的彈性應(yīng)變能較深部壓實(shí)較強(qiáng)地層明顯小，從而產(chǎn)生斷裂的難度增大?？梢?，在軟硬疊置型的地層中，若兩者面積相差不大，那么破裂是繼承性發(fā)展還是沿著上覆地層產(chǎn)生新的破裂，與先存斷裂展布、應(yīng)力性質(zhì)以及兩套地層之間的力學(xué)性質(zhì)差異程度密切相關(guān)。

3 疊加斷裂物理模擬

綜合以上分析，同時(shí)結(jié)合前人研究成果，確定了構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似系數(shù)、實(shí)驗(yàn)材料和邊界、基底條件。南堡3區(qū)實(shí)際面積約為15 352×8 951 m2，沙河街組厚度約790 m，東營(yíng)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。利用聚苯塑料塊并進(jìn)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(dòng)聚苯塑料，提供實(shí)驗(yàn)材料位移空間，代表凹陷北部沉積區(qū)(圖4a,b)。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(dòng)上覆地層實(shí)現(xiàn)拉張和剪切作用?？紤]到實(shí)際地層的巖性特征，且為了保證實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)際地層的流變性質(zhì)相似，以及減少流變性差異對(duì)破裂帶幾何形態(tài)的影響，本次實(shí)驗(yàn)選取密度為2.4 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(shí)成層。在實(shí)驗(yàn)中按地質(zhì)歷史時(shí)期再現(xiàn)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(shí)間與變形的關(guān)系式中找出作用力的時(shí)間常數(shù)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)過程中形變與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系與地質(zhì)情況相吻合。依據(jù)多數(shù)前人的實(shí)驗(yàn)，選擇1分鐘代表自然界中的1 Ma，沙河街組沉積末到東營(yíng)組關(guān)鍵變形期所經(jīng)歷的時(shí)間約為13.5 Ma，本次實(shí)驗(yàn)中沙河街組NW-SE向拉伸時(shí)間取10 min，再疊加?xùn)|營(yíng)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(dòng)性定量計(jì)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(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱”的演化歷程。

圖4 南堡3區(qū)疊加斷裂構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果Fig.4 Structural physical simulation of superimposed fault systems in Block 3 of Nanpu Saga.南堡3號(hào)構(gòu)造Es1底斷裂系統(tǒng)；b.南堡3號(hào)構(gòu)造Ed2底斷裂系統(tǒng)；c1,c2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 min結(jié)果；d1,d2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6 min結(jié)果；e1,e2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行11 min結(jié)果；f1,f2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行16 min結(jié)果

實(shí)驗(yàn)初始，設(shè)定地層為水平狀態(tài)，彈性布四周粘結(jié)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的圓形底座上，準(zhǔn)備就緒后，左邊拉桿以0.04 mm/s速率進(jìn)行北西-南東向拉伸。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 min后，在沙北斷裂的控制下，開始發(fā)育一條NE走向的斷裂，說明在NW-SE向的伸展作用下產(chǎn)生近垂直的正斷裂(圖4c)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6 min后，新產(chǎn)生兩條NE-SW向的斷裂，且前期南部斷裂逐漸擴(kuò)展在尾端產(chǎn)生次級(jí)斷裂，3條主斷裂從南向北依次展布形成階梯狀排列(圖4d)，根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，由于斷裂部位(尤其是端部)會(huì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行9 min后，在前期變形的基礎(chǔ)上添加新的東營(yíng)組，調(diào)整拉伸速率為0.02 mm/s，輕微順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，繼續(xù)拉伸2 min，然后轉(zhuǎn)動(dòng)圓形底盤，使拉伸方向較沙河街期旋轉(zhuǎn)45°，近南北方向(圖4e)，到11 min時(shí)，研究區(qū)在前期斷裂的位置開始出現(xiàn)斷裂痕跡，同時(shí)在斷裂尾端出現(xiàn)一系列左旋雁列式斷裂，進(jìn)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(jí)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4f)。

4 疊加斷裂數(shù)值模擬

南堡凹陷3區(qū)自古近紀(jì)以來，縱向上經(jīng)歷了沙河街期的NW-SE向強(qiáng)烈伸展斷陷階段、東營(yíng)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)育也一定程度上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(qiáng)度參數(shù)、力學(xué)邊界條件、加載速率，并將地質(zhì)歷史時(shí)期的兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合起來，采用“統(tǒng)一模型、分段施力”的原則，最終實(shí)現(xiàn)縱向斷裂系統(tǒng)的疊加過程模擬和次級(jí)斷裂產(chǎn)生機(jī)制研究(圖5a)。

為了獲得地層圍壓條件下的巖石力學(xué)特征，對(duì)研究區(qū)8口井13塊巖心進(jìn)行分組力學(xué)實(shí)驗(yàn)，巖性涵蓋含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖等，按實(shí)際地質(zhì)情況，圍壓等級(jí)設(shè)計(jì)為10 MPa和20 MPa。有圍壓存在時(shí)，破裂形態(tài)為張剪性，隨圍壓增大剪切作用增強(qiáng)，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(shí)，內(nèi)摩擦角φ較大，換算出的破裂角θ=45°-φ/2相對(duì)較小，以張性破裂為主，圍壓大于某值時(shí)，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?。根?jù)試驗(yàn)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，沙河組一段和東營(yíng)組三段的密度接近，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，由于不整合面長(zhǎng)期的風(fēng)化林慮作用，地層變得疏松，密度減小，平均為2.38 g/cm3，東三段為2.507 g/cm3，不整合附近密度為2.39 g/cm3，沙一段峰值強(qiáng)度平均為171.34 MPa，東三段峰值強(qiáng)度平均為213.41 MPa，不整合附近強(qiáng)度平均為191.73 MPa，相比來看，東三段泥巖峰值強(qiáng)度要高于沙一段，不整合面強(qiáng)度居中，而且圍壓越大，峰值強(qiáng)度越高(表1)。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[18-19]，取斷裂泊松比為0.27，彈性模量取18.0 GPa，密度取2.40 g/cm3，邊框的斷裂泊松比取0.22，彈性模量取18.0 GPa，密度取2.40 g/cm3。以構(gòu)造形跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了沙一段末和東三段末兩期古應(yīng)力方向及大小：NW48°,49 MPa和SN,47 MPa，鑒于東三段末存在一定的左旋剪切應(yīng)力場(chǎng)，剪應(yīng)力設(shè)置為14 MPa。

模擬結(jié)果顯示：凹陷內(nèi)東營(yíng)組最小主應(yīng)力分布不規(guī)則(圖5b)，整體為張應(yīng)力，在斷裂F5的西段應(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(shì)，應(yīng)力等值線的走向與凹陷的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(shì)區(qū)域。東營(yíng)組最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為負(fù)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(jì)期間受控于郯廬斷裂的正斷活動(dòng)，兼有右行滑動(dòng)，加上基底斷裂的影響，總體上以伸展作用為主，主斷裂之間存左在旋剪切作用，部分?jǐn)嗔殉恃懔惺秸共?。如在東營(yíng)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5c)。此類應(yīng)力環(huán)境與圖中東三段次級(jí)雁列式斷裂體系分布特征十分吻合。

表1 南堡3區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Rock mechanical parameters of Block 3 in Nanpu Sag

與東營(yíng)組相比，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)，其它地區(qū)皆為拉張性質(zhì)，且拉/壓邊界受NE走向主斷裂的影響明顯，尤其在斷裂F2附近存在強(qiáng)烈的伸展應(yīng)力環(huán)境，控制產(chǎn)生了F2和F1之間的橫向斷裂(圖5d)。沙河街組平面剪應(yīng)力性質(zhì)具有明顯的分區(qū)特點(diǎn)，在斷裂F1和F3之間為右旋拉伸，其它地區(qū)為左旋拉伸，且在F2西段存在強(qiáng)烈剪切走滑趨勢(shì)，總體趨勢(shì)與東營(yíng)組正好相反。作為巖石變形或破裂的主導(dǎo)因素，應(yīng)力強(qiáng)度(最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力)在東營(yíng)組和沙河街組內(nèi)分布差異大(圖5e—j)。盡管兩者高值區(qū)都位于F2和F5斷裂的西段，但東營(yíng)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(qiáng)度區(qū)分布呈環(huán)形特征。結(jié)合以上地質(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(huì)繼承性延伸，同時(shí)會(huì)在上覆地層內(nèi)形成新的次級(jí)斷裂。早期地層在深部潛山和古地貌的影響下，會(huì)發(fā)育一系列不對(duì)稱的地壘或單斷構(gòu)造，當(dāng)晚期地層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變后，首先會(huì)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(dòng)并在平面內(nèi)延伸[20,9]，又可以消耗一部分能量。當(dāng)先存斷裂不能夠繼續(xù)活動(dòng)時(shí)，則累計(jì)的構(gòu)造能量會(huì)在上部地層內(nèi)產(chǎn)生新的主斷裂，并進(jìn)一步影響局部應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生次級(jí)斷裂，如左旋剪切應(yīng)力場(chǎng)下容易產(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(huì)產(chǎn)生差異，而且受潛山的頂托作用，張應(yīng)力會(huì)發(fā)生局部集中，在F2和F5斷裂重疊部位構(gòu)造活動(dòng)尤其強(qiáng)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5 南堡3區(qū)疊加斷裂體系有限元模擬及應(yīng)力分布Fig.5 Finite element simulation for superimposed fault systems and the distribution map of stresses in Block 3 of Nanpu Saga.有限元多層地質(zhì)模型；b東營(yíng)組最小主應(yīng)力；c.東營(yíng)組平面剪應(yīng)力；d.沙河街組最小主應(yīng)力；e—j.應(yīng)力強(qiáng)度剖面

前人研究表明，南堡凹陷在屬性上它具有典型主動(dòng)裂谷的特征，在演化上具有多幕拉張，中、新生代繼承性發(fā)育的特點(diǎn)，是一個(gè)中新生代上下疊置的復(fù)合型凹陷[21]。對(duì)渤海灣盆地的多期裂谷作用，前人早有論述，通常劃分為3個(gè)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(jì)孔店組、沙河街組、東營(yíng)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[22-23]，但其古近紀(jì)構(gòu)造演化還賦有許多新的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：新生代裂谷演化具有明顯的多幕發(fā)育特點(diǎn)，新近紀(jì)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)在：斷裂作用加劇、拉張作用增強(qiáng)、沉積速率加快。

對(duì)于郯廬斷裂帶在新生代的活動(dòng)，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為郯廬斷裂古近紀(jì)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[24]，不同時(shí)期的構(gòu)造活動(dòng)，對(duì)于南堡凹陷的形成、演化和改造都有著重要的影響。其活動(dòng)時(shí)間上可分為5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5個(gè)活動(dòng)階段[19]，平面上可分為3段(北段：肇興—沈陽(yáng)；中段：沈陽(yáng)—宿遷；南段：宿遷—廣濟(jì))。尤其是近年來沿?cái)嗔褞ьl繁發(fā)生的地震表明，郯廬大斷裂具有明顯的壓扭特征，時(shí)而左旋，時(shí)而右旋?？梢哉J(rèn)為：渤海灣盆地內(nèi)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。

郯廬大斷裂在古近紀(jì)早期的活動(dòng)性質(zhì)及強(qiáng)度在不同的地段具有不同的表現(xiàn)，可劃分為4段；南段張裂活動(dòng)、中段(沂沭斷裂帶)右行走滑運(yùn)動(dòng)、北段張裂活動(dòng)，最北端斷裂活動(dòng)不明顯，在相當(dāng)于凹陷孔店組沉積時(shí)期，斷裂中段對(duì)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6)。

中始新世初期，太平洋板塊開始向西俯沖，造成了我國(guó)東部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，以SE102°-NW 282°的主壓應(yīng)力為主，郯廬斷裂帶活動(dòng)性質(zhì)也隨之改變?；疽匀R州灣為界，分為南、北兩段，在南段，由于受近東西向擠壓應(yīng)力作用，以擠壓-逆沖活動(dòng)為特征為主[25]，北段具有一定的繼承性，以正斷活動(dòng)為主，兼有右行滑動(dòng)，但活動(dòng)強(qiáng)度較前一時(shí)期弱。這個(gè)時(shí)期相當(dāng)于南堡凹陷的沙河街和東營(yíng)期，其中沙河街早中期是應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)化的時(shí)期，由北東向伸展逐漸轉(zhuǎn)換為南北向伸展兼具走滑特征，因此，在東營(yíng)組沉積開始后，便在早期北東向斷裂的基礎(chǔ)上繼承性發(fā)育形成一系列近東西向斷裂，活動(dòng)主斷裂之間另外發(fā)育了一系列左旋走滑雁列式斷裂。中新世至早更新世時(shí)期，我國(guó)東部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E70°-SE170°，在這一背景下，郯廬斷裂帶發(fā)生了正斷或走滑運(yùn)動(dòng)，其活動(dòng)強(qiáng)度為南弱北強(qiáng)，且以渤海灣活動(dòng)最為強(qiáng)烈。

根據(jù)地震解釋結(jié)果，南堡3區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3組斷裂體系：邊界弧形斷裂體系(新近紀(jì)趨于停止)、北東向斷裂體系(為二級(jí)斷裂，分支斷裂為北西向，極為發(fā)育，漸新世早期開始發(fā)育，晚期斷裂活動(dòng)加劇，至古近紀(jì)斷裂活動(dòng)趨于停止)、東西向斷裂系(形成于漸新世，結(jié)束于古近紀(jì)末期，是控晚期疊加構(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(jí)主控?cái)嗔褳橹?相對(duì)級(jí)別)，容易派生形成斜交斷裂，同時(shí)斷裂間伴生左旋走滑次級(jí)斷裂，但不代表區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。進(jìn)入東營(yíng)期，由于拉張活動(dòng)強(qiáng)度的逐漸減弱和右旋走滑活動(dòng)的產(chǎn)生，斷裂體系也發(fā)生相應(yīng)的改變，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?jǐn)嗔鸭肮艥撋綐?gòu)造派生次級(jí)右旋走滑分力，東營(yíng)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(zhǔn)則，北東向斷裂在尾端部位發(fā)生繼承性活動(dòng)，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(shí)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(shí)型斷裂，但空間延伸距離短，一般在層內(nèi)發(fā)育。當(dāng)早期斷階式主控?cái)嗔牙^承性發(fā)育時(shí)，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)。

圖6 郯廬斷裂中始新世—漸新世活動(dòng)對(duì)南堡3區(qū)斷裂發(fā)育的控制模式Fig.6 Controlling mode of major Tan-Lu faulting on development of faults in Block 3 of Nanpu Sage from the Eocene to Oligocene

5 結(jié)論

1) 南堡凹陷3區(qū)古近系東營(yíng)組-沙河街組中“X”型疊加斷裂體系普遍發(fā)育，主要呈現(xiàn)為對(duì)稱和不對(duì)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(duì)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(chǎng)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(cè)低級(jí)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(qiáng)度、晚期應(yīng)力強(qiáng)度、先期斷裂走向與后期應(yīng)力方向之間的關(guān)系，當(dāng)后期應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，可能引起構(gòu)造(尤其是斷裂)的疊加，平面上，當(dāng)后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角小于30°時(shí)，地層抗張強(qiáng)度最小，此時(shí)，只沿先期斷裂擴(kuò)展而不產(chǎn)生新的斷裂，垂向上，沙河街和東營(yíng)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(qiáng)時(shí)，容易發(fā)生“變形不協(xié)調(diào)”和應(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(jì)以來活動(dòng)的旋回性、分段性和力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了古近紀(jì)地殼單元的單剪切變形和純剪切變形機(jī)制的疊加，進(jìn)入東營(yíng)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?jǐn)嗔鸭肮艥撋缴瞎芭缮渭?jí)右旋走滑分力，東營(yíng)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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