張希晨 ，羅良 ，楊克基 ，于小霞 ，解榮波 ，羅凌煙

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

0 引言

鹽巖在構(gòu)造變形中的特殊性及其對地震反射的屏蔽作用［1-2］，導(dǎo)致鹽巖內(nèi)部各夾層在剖面上難以標(biāo)定，因此，對塑性層內(nèi)部變形特征的研究顯得尤為重要。近20 a來，前人已對庫車坳陷的構(gòu)造樣式、收縮量等開展大量研究［3-6］，并結(jié)合物理模擬和數(shù)值模擬，對影響鹽構(gòu)造生長發(fā)育的因素進(jìn)行了探討［7-9］。以往研究將庫姆格列木組塑性層看作單一的膏鹽巖，最新的鉆井、測井資料顯示，這套塑性層由4套夾層組成，不同巖性夾層在塑性層內(nèi)所處位置和厚度不同，力學(xué)性質(zhì)各異。塑性層包含白云巖脆性夾層，其增厚段在鉆井中容易誘發(fā)卡鉆和鉆井液漏失，設(shè)計鉆井方案應(yīng)盡量避開。

本文在最新層位數(shù)據(jù)和地震解釋的基礎(chǔ)上，設(shè)計出含夾層塑性層模型，分別模擬膏泥巖段、白云巖段、膏鹽巖段和泥巖段。通過模型分析各夾層差異變形規(guī)律及其與圍巖的相互作用，進(jìn)一步分析脆性夾層變形機(jī)理，為勘探評價以及優(yōu)化鉆井方案提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)庫車坳陷位于塔里木盆地北緣的盆山過渡帶（見圖1），北靠天山造山帶，南鄰塔北隆起，面積約2.85×104km2。在晚白堊世隆升剝蝕下，形成新生代沉積坳陷［10］，具有“南北分帶、東西分區(qū)”的地質(zhì)特征，構(gòu)造帶走向呈NEE—SWW。新生代以來參與變形的地層有3層：1）鹽下層。三疊系至下白堊統(tǒng)，上白堊統(tǒng)普遍缺失，下白堊統(tǒng)與庫姆格列木組呈平行不整合接觸，是油氣勘探的重點(diǎn)層系［11-12］。2）鹽層。庫姆格列木組的1套塑性鹽層，自下而上發(fā)育膏泥巖、白云巖、膏鹽巖和泥巖。3）鹽上層。自下而上發(fā)育漸新統(tǒng)蘇維依組、中新統(tǒng)吉迪克組和康村組、上新統(tǒng)庫車組及第四系。

圖1 庫車坳陷構(gòu)造單元

庫姆格列木組為重要的滑脫界面，使鹽上和鹽下變形不協(xié)調(diào)，鹽上在滑脫褶皺基礎(chǔ)上發(fā)育相關(guān)斷層，鹽下發(fā)育楔狀疊瓦構(gòu)造［13］，收縮變形表現(xiàn)出上下分層。塑性層作為蓋層，與下伏白堊系油氣藏關(guān)系密切，豐富的鹽構(gòu)造及鹽下圈閉直接影響油氣運(yùn)聚［14］，使其成為研究的熱點(diǎn)區(qū)域［15-16］。

2 模型設(shè)計

干燥的石英砂抗張強(qiáng)度幾乎為0，變形特性遵循摩爾-庫倫破裂準(zhǔn)則，破裂內(nèi)摩擦角為 25°～30°，接近淺部沉積地層的脆性形變，適合模擬強(qiáng)度較大的能干層。硅膠是牛頓流體，可在較小的差異應(yīng)力下形變，是模擬自然界中膏鹽類塑性層的理想材料。微玻璃珠的內(nèi)摩擦角約為25°，塑性介于硅膠和石英砂之間，適合模擬強(qiáng)度較小的滑脫層［17］。

依據(jù)幾何相似、材料相似、時間相似、動力相似、邊界相似等條件，選用干燥的石英砂（80～120目）來模擬塑性層內(nèi)部的脆性夾層以及上下的脆性圍巖；用硅膠（相對分子質(zhì)量為2×106）模擬塑性層中的膏鹽巖層和膏泥巖層；由于鹽下存在煤層和不整合面等多套軟弱界面［18］，模型底部用微玻璃珠（80～100 目）模擬中侏羅統(tǒng)煤系滑脫層，以減少模型與基底間的摩擦；塑性層頂部的泥巖夾層也用微玻璃珠代替。實驗材料和原型中的巖層具有相似的流變特性，具體物性特征見表1。

表1 物理模擬參數(shù)

在地震解釋和層位數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合塑性層內(nèi)的夾層特征，在水平放置的砂箱中根據(jù)不同的實驗?zāi)康墓苍O(shè)計2組實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

含夾層塑性層模型初始長寬均為60 cm×20 cm，包括7層，自下而上分別為微玻璃珠層（厚度6 mm）、3層石英砂層（總厚度18 mm）、4種夾層組成的 1個塑性層（包括3 mm厚的硅膠層、2 mm厚的石英砂夾層、3 mm厚的硅膠層以及2 mm厚的微玻璃珠層）、2層16 mm厚的石英砂層。

模型左側(cè)擋板固定，右側(cè)擋板在可以精確定速馬達(dá)的推動下向左推進(jìn)（見圖2），模型擠壓方向與受力邊界間的夾角為90°。側(cè)面用相機(jī)按固定的時間間隔拍照，記錄模型剖面的變形過程。

圖2 含夾層實驗?zāi)Ｐ褪疽?/p>

根據(jù)相似比設(shè)定，模型中1 cm代表自然界的2km，1 h代表自然界中4.3×105a，擠壓時間16.25 h，擠壓速率0.2 mm/min，縮短量19.5 cm，縮短率32.5%。按照平衡地質(zhì)恢復(fù)測算，以鹽上層長度計算出庫車坳陷新生界的收縮量為12～15km。普遍認(rèn)可的“分層收縮構(gòu)造模型”方案中，中生界收縮量大致與新生界相當(dāng)。在庫車坳陷西段，構(gòu)造平衡與恢復(fù)及同構(gòu)造沉積層分析顯示縮短約23km。有研究表明，庫車盆地縮短量為18～40km，因此實驗?zāi)軌蚍从硨嶋H地質(zhì)過程。

3 結(jié)果分析

3.1 不含夾層塑性層擠壓模型

分別截取擠壓擋板推進(jìn)至 40，80，120，150，195 mm時的砂箱剖面（見圖3），在傳統(tǒng)的不含夾層塑性層變形中，硅膠使上、下石英砂層的變形具有不協(xié)調(diào)性。

圖3 實驗過程剖面

鹽上層變形傳播距離較遠(yuǎn)，發(fā)育箱狀褶皺和倒轉(zhuǎn)褶皺，斷裂作用不明顯。鹽下變形傳播距離近，變形集中于擠壓端附近，斷層向擠壓方向逆沖，逐步向前擴(kuò)展，以發(fā)育前展式逆沖疊瓦扇和反沖斷層為主。塑性層變形范圍介于鹽上層和鹽下層之間，發(fā)生明顯的層內(nèi)流動，增厚處表現(xiàn)為沿擠壓方向形成次生鹽聚集，減薄處鹽上層與鹽下層接觸，形成鹽焊接構(gòu)造。

3.2 含夾層塑性層擠壓模型

將上述模型的單一塑性層替換為含夾層塑性層，鹽上和鹽下層的材料、厚度保持不變（見圖4）。實驗結(jié)果表明，4套不同巖性的夾層出現(xiàn)差異變形特征，與鹽上層和鹽下層也有緊密聯(lián)系。

圖4 實驗過程剖面和石英夾層小構(gòu)造

3.2.1 底部硅膠層

該層緊鄰鹽下逆斷層，吸收大量斷層逆沖位移量，鹽下斷層刺入后轉(zhuǎn)為韌性斷層。在擠壓端附近的遞進(jìn)變形中不斷聚集增厚，向前陸方向逐漸被壓扁，刺穿上覆脆性層進(jìn)入上部硅膠層，2層塑性層連同中間的脆性層相互混雜，并繼續(xù)向上發(fā)生底辟作用。雖然是塑性層，但是變形傳播距離最短，滑脫作用不顯著，除被壓扁外，向前陸方向無明顯變形，后期未出現(xiàn)鹽聚集。

3.2.2 石英砂層

變形初期，該層在鹽下后緣隱伏斷層的頂部發(fā)育層間小褶皺（見圖4a），向前陸方向又逐漸消失。由于擠壓作用持續(xù)推進(jìn)，該層發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺彎曲，擠壓端附近的鹽下層后緣斷裂頂部折疊增厚，形成腸狀褶皺和倒轉(zhuǎn)褶皺。在前緣鹽聚集的位置也有輕微褶曲發(fā)育，除疊置也可見局部受到拉伸而減薄，甚至被鹽下逆斷層錯斷（見圖4b），最終在擠壓端與2套塑性夾層混為一體。在遠(yuǎn)離擠壓端的地方，該夾層明顯分隔上、下兩個塑性層，使變形樣式和滑脫作用產(chǎn)生顯著差異。

3.2.3 頂部硅膠層

該層層內(nèi)流動強(qiáng)烈且變形距離遠(yuǎn)，向前發(fā)育位置不定、規(guī)模不等的次生鹽聚集，向上的底辟拱升作用又促使上覆層發(fā)生褶皺變形。后期在前緣形成鹽推覆構(gòu)造，擠壓端處迅速增厚，會同向上刺入的底部塑性層（見圖4c），形成較大規(guī)模的鹽丘，并持續(xù)上拱，直接導(dǎo)致鹽上地層在擠壓端附近形成最大的背斜。

3.2.4 頂部微玻璃珠層

該層塑性較弱，介于膏鹽巖和白云巖之間，在遞進(jìn)變形中緊貼鹽上層，與鹽上層協(xié)同變形，頂部與鹽上層界線逐漸模糊。彎流作用使其在擠壓端附近和后期鹽底辟核部有所聚集，但由于該層厚度較薄，力學(xué)性質(zhì)與石英砂相對接近，產(chǎn)生的差異變形特征不明顯。

3.3 脆性夾層變形機(jī)理

值得關(guān)注的是作為塑性層中唯一的脆性夾層，石英砂層變形以褶皺作用為主，變形遠(yuǎn)比脆性圍巖劇烈，但變形范圍明顯小于鹽上層，與鹽下斷層逆沖作用的范圍大致相當(dāng)，受鹽下斷層逆沖位移量的控制。變形初期，鹽下斷塊的逆沖位移差異較小，頂部塑性層和底部塑性層發(fā)生不均等的層內(nèi)流動，中間的脆性夾層受到頂?shù)酌娌町惣羟凶饔?，在鹽下斷層頂部發(fā)育密集連續(xù)的小褶皺；隨著斷塊間逆沖位移差異不斷增大，脆性夾層在斷層下盤的弱應(yīng)力區(qū)折疊增厚，形成復(fù)雜形態(tài)的倒轉(zhuǎn)褶皺、腸狀褶皺，甚至被錯斷。相比于褶皺彎曲，擠壓端附近的鹽下疊瓦狀逆斷層可吸收更多的擠壓應(yīng)力，甚至刺入塑性層，因而變形傳播范圍?。畸}上層則受控于頂部塑性層的滑脫作用，在較大范圍通過褶皺來消耗擠壓應(yīng)力。

4 結(jié)論

1）實驗還原了庫姆格列木組塑性層的真實形態(tài)，4套不同巖性夾層表現(xiàn)出差異變形特征，與鹽上層和鹽下層聯(lián)系緊密，更新了單一塑性層的認(rèn)識，由此論證了含夾層塑性層是庫車地區(qū)鹽構(gòu)造研究的必要前提。

2）庫車坳陷發(fā)育以擠壓褶皺和斷裂為主，變形強(qiáng)度由擠壓端向前遞減，鹽上層變形傳播最遠(yuǎn)，受控于頂部塑性層的滑脫作用和底辟上拱作用。鹽下層變形范圍最小，相比于鹽上褶皺，斷層強(qiáng)烈的逆沖位移可吸收更多的擠壓應(yīng)力；夾層中石英砂層變形受鹽下斷塊逆沖位移差異控制。

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