張迎朝，李長圣，朱繼田，尹宏偉，熊小峰，吳珍云

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；3.東華理工大學(xué) a.核資源與環(huán)境國家重點實驗室; b.地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013)

0 引 言

南海的油氣藏資源約占我國總資源量的三分之一，其中大部分資源蘊藏于深水區(qū)。隨著瓊東南盆地深水區(qū)研究和勘探的進(jìn)一步推進(jìn)，理清盆地基底性質(zhì)對瓊東南盆地斷裂組合發(fā)育的影響，明確深水區(qū)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造樣式發(fā)育的動力學(xué)機制成為了亟待解決的重要問題之一。瓊東南盆地是在張性應(yīng)力動力學(xué)背景下形成的裂谷盆地，前人已通過多種研究方法對裂谷盆地的形成演化動力學(xué)模型機制進(jìn)行了大量研究[1-6]。張佳星[7]和李長圣等[8]結(jié)合盆地地球物理資料、地震剖面圖特征解析，對瓊東南盆地區(qū)域構(gòu)造差異及凹陷內(nèi)部斷裂系統(tǒng)的構(gòu)造演化過程進(jìn)行模擬分析，認(rèn)為瓊東南盆地深水區(qū)斷裂性質(zhì)的差異性控制了凹陷的沉積模式。

通過鉆孔溫度數(shù)據(jù)，推算出瓊東南盆地地溫梯度分布特征，研究結(jié)果表明，盆地東、西部及深、淺水區(qū)存在顯著差異。其中，東部地區(qū)地溫梯度相對偏高，在60～80 ℃/km之間，西部地區(qū)低于50 ℃/km；北部淺水區(qū)梯度則在40～50 ℃/km，而南部深水區(qū)梯度約為60 ℃/km，深刻揭示了盆地地溫場的區(qū)域差異性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石熱物性參數(shù)，進(jìn)一步推算出盆地現(xiàn)今大地?zé)崃鳌７治鼋Y(jié)果表明，在空間上顯示出一定的熱流分布規(guī)律，在垂直于海岸線的方向上，從淺水陸架區(qū)向深水區(qū)，熱流逐漸增加，北部坳陷帶熱流﹤65 mW/m2，南部長昌凹陷熱流>85 mW/m2。而在平行岸線方向，東、西部熱流分布也存在顯著差異。其中，東部區(qū)熱流為80～105 mW/m2，西部區(qū)熱流為50～70 mW/m2 [9]。此外，根據(jù)地球物理數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示，自中新世以來，南海周邊存在大量巖漿活動，熱模擬的結(jié)果顯示巖漿活動對瓊東南盆地東部熱流的影響大于盆地西部(見圖 1)，推測盆地東部和西部的區(qū)域構(gòu)造可能受到巖漿晚期熱效應(yīng)導(dǎo)致瓊東南盆地東部的高熱流值作用[10-11]。東熱西冷的熱流差異刻畫了盆地基底的特性：東部為韌性基底，西部為剛性基底。張佳星等[12]通過物理模擬研究了基底性質(zhì)對瓊東南盆地斷裂構(gòu)造的影響，模擬結(jié)果顯示韌性基底的上覆地層拉伸演化為復(fù)式半地塹構(gòu)造，而剛性基底的上覆地層呈鏟狀半地塹構(gòu)造，一定程度上說明了基底性質(zhì)的差異對瓊東南盆地東部和西部凹陷在斷裂組合形態(tài)差異方面具有影響作用。本文設(shè)計了兩組離散元數(shù)值模擬實驗，探討基底性質(zhì)對瓊東南盆地斷裂組合發(fā)育的影響。

圖1 瓊東南盆地?zé)崃鞣謪^(qū)簡圖[9]

1 實驗設(shè)計

Cundall等[13]基于分子動力學(xué)原理首先提出了對顆粒物質(zhì)進(jìn)行離散模擬的思路，用于研究巖土體的各種力學(xué)行為，其基本思想是將顆粒材料內(nèi)部微觀尺度的單個離散顆粒視為一個離散單元，通過一系列離散的單元來模擬顆粒材料的力學(xué)行為。離散元的迭代計算可以概括為兩部分：① 找到相互接觸的顆粒，應(yīng)用接觸力學(xué)模型(即力-位移法則)計算顆粒間的接觸力，進(jìn)而得到所有顆粒受到的合力與合力矩；② 已知的顆粒所受合力和合力矩，由牛頓第二定律更新每個顆粒的位置。反復(fù)執(zhí)行這兩個步驟，直到計算結(jié)束[14-16]。

為了進(jìn)一步探討基底性質(zhì)對瓊東南盆地斷裂組合發(fā)育的影響，設(shè)計了如圖 2所示的兩個離散元數(shù)值模擬試驗，分別對瓊東南盆地東部和西部可能存在的韌性和剛性基底在伸展應(yīng)力場中的斷裂發(fā)育情況進(jìn)行模擬。實驗1中，不連續(xù)點是固定不變的，不會隨紅色墻移動，模擬剛性基底；實驗2基底由相互有一定疊合量的顆粒組成，隨著拉張進(jìn)行，疊合的顆粒逐漸分散開，模擬韌性基底擴張。

(a)實驗1，剛性基底

(b)實驗2，韌性基底

數(shù)值模擬使用課題組自主研發(fā)的離散元程序VBOX[14-18]，采用Hertz-Mindlin接觸力學(xué)模型更新顆粒間的接觸力，該模型在力的計算方面精確且高效，構(gòu)造模擬中應(yīng)用效果良好[15, 19-20]。隨機在矩形盒子內(nèi)隨機生成一定數(shù)量的顆粒，使其在重力作用下沉積生成，得到長30 km高7 km的初始模型。

顆粒的細(xì)觀參數(shù)參考了Morgan[19]取值，其中，顆粒的剪切模量2.9 GPa，泊松比0.2，密度2 500 kg·m-3，摩擦系數(shù)為0.3，重力加速度10.0 m·s-2，時間步長50 ms，局部阻尼系數(shù)為0.4[21]。顆粒間設(shè)置粘結(jié)，其中，彈性模量200 MPa，剪切模量 200 MPa，抗拉強度20 MPa，剪切強度40 MPa，其他顏色顆粒間無粘結(jié)。李長圣[15]通過雙軸試驗標(biāo)定了該微觀參數(shù)集下巖石的宏觀力學(xué)參數(shù)，其中，巖石的黏聚力Co為19.0 MPa，內(nèi)摩擦角φ為19.3°。紅色墻及基底(黑色韌性基底和紅色剛性基底)以2.0 m·s-1的速度開始拉張，每拉張3 km，沉積約1～2 km地層，并剝蝕掉7 km以上的地層。最終，拉張12 km計算停止。

2 實驗結(jié)果

實驗1模擬剛性基底影響下,斷陷盆地的構(gòu)造過程。模型初始沉積如圖 3(a)所示，地層中無斷裂分布。實驗開始后，紅色移動墻和基底向右活動，隨著拉張量的增加，基底不連續(xù)點處斷裂開始發(fā)育。當(dāng)拉張量到達(dá)3 km時，兩條邊界正斷層明顯發(fā)育，形成地塹式斷陷構(gòu)造(見圖 3(b))。但是，在地塹構(gòu)造內(nèi)部，仍然可以看到邊緣斷裂開始發(fā)育，形成數(shù)個小型的塹壘構(gòu)造。隨兩邊的拉伸量增加，斷陷進(jìn)一步發(fā)育，內(nèi)部開始發(fā)育新的斷裂，但斷裂數(shù)量總體較少，斷裂傾向以背離拉張方向為主(見圖 3(c))。隨著拉張量的持續(xù)增大，斷陷內(nèi)部斷層逐步向沉積蓋層延伸發(fā)育，但均沒有切穿同構(gòu)造沉積蓋層。同時，構(gòu)造變形由正斷層控制的塹壘構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)閴K體的旋轉(zhuǎn)翹傾構(gòu)造變形(見圖 3(d))。構(gòu)造變形整體轉(zhuǎn)化為一個大型半地塹構(gòu)造樣式，沉積方式由均勻沉積向左側(cè)遷移，使得同沉積地層的厚度呈現(xiàn)出左厚右薄的特征。凹陷內(nèi)部自下而上開始發(fā)育斷層，斷層上切至頂部同沉積層，形成內(nèi)部多個小型半地塹(見圖 3(e))。斷陷盆地中同構(gòu)造沉積蓋層總體呈楔體形態(tài)，靠近拉張端沉積地層較薄，遠(yuǎn)離拉張端沉積地層較厚，但沉積中心基本穩(wěn)定在不連續(xù)點所在的位置。

試驗2是模擬韌性基底下，斷陷盆地構(gòu)造演化過程。實驗開始后，模型兩側(cè)墻分別向左右兩側(cè)開始拉張，在此應(yīng)力作用下，韌性基底開始擴展，導(dǎo)致基底上覆地層整體伸展活動，形成地塹地壘式斷陷盆地，盆地內(nèi)部發(fā)育主要斷裂共7條(見圖 4(b))。隨著兩側(cè)拉張量的持續(xù)增大，各斷層斷距持續(xù)增大，且在地塹內(nèi)部新的正斷層發(fā)育，但數(shù)量明顯較少。斷裂上盤沿著正斷層活動形成鏟狀斷層，形成半地塹構(gòu)造樣式，而斷裂下盤基本保持穩(wěn)定，逐漸成為構(gòu)造高點形成地壘(見圖 4(c))。隨著兩側(cè)拉張量的不斷增大，斷陷盆地內(nèi)部主要斷裂數(shù)量基本保持不變，但斷裂旋轉(zhuǎn)明顯，傾角逐漸變小，內(nèi)部逐漸發(fā)育新的正斷層，整體形成連續(xù)分布的地塹半地塹構(gòu)造格局，內(nèi)部形成多個連續(xù)排列的次級凹陷(見圖 4(d))。隨著拉伸距離的增大，整體構(gòu)造樣式保持不變，內(nèi)部次級凹陷進(jìn)一步發(fā)育，接受同構(gòu)造沉積(見圖 4(e))。

(a)0 km

(b)3 km

(c)6 km

(d)9 km

(e)12 km

(a)0 km

(b)6 km

(c)12 km

(d)18 km

(e)24 km

相比較實驗1(見圖 3(e))，實驗2(見圖 4(e))中斷陷內(nèi)部斷層向沉積蓋層延伸發(fā)育明顯較弱，導(dǎo)致蓋層中斷裂發(fā)育非常不明顯。此外，多個沉積中心的發(fā)育也是本模型的主要特征之一，且沉積中心的底部往往分布有基底斷裂，與實驗1形成明顯的構(gòu)造形態(tài)差異。

3 討論

瓊東南盆地主要經(jīng)歷了斷陷期和坳陷期兩個構(gòu)造演化階段，其中斷陷期作為盆地的主要斷裂發(fā)育期，對盆地的斷陷發(fā)育和后期的構(gòu)造演化都具有重要作用[12]。圖 5中的剖面1(圖 5(a))位于熱流值較低的西部，而剖面2(圖 5(b))位于熱流值較高的中部(剖面1和剖面2位置見圖 1)。對比剖面1和剖面2可見，在縱向上，盆地的凹陷內(nèi)部斷裂構(gòu)造的密集程度有明顯差異。盆地西部(圖 5(a))的樂東凹陷剖面上呈不對稱的單側(cè)臺階狀地塹，斷陷一側(cè)為緩坡，另一側(cè)邊界發(fā)育有坡度較大的正斷層，斷層數(shù)量較少，單一斷層的斷距較小，樂東凹陷內(nèi)部深度最大，同構(gòu)造沉積最厚，崖南凹陷變形較弱(圖 5(a))，與實驗1剛性基底實驗結(jié)果相符。盆地中部(圖 5(b))的凹陷呈“V”字型，地塹和半地塹構(gòu)造發(fā)育，凹陷和凸起間隔分布，形成3個大型地塹或半地塹。凹陷內(nèi)多發(fā)于次級斷層，斷層數(shù)量多，單一斷層的斷距較小(圖 5(b))，同時3個大型地塹或半地塹規(guī)模相似，與實驗2塹壘構(gòu)造均勻聯(lián)系分布的結(jié)果相符，表明剖面2構(gòu)造變形主要受到韌性基底的控制。

(a)剖面1

(b)剖面2

4 結(jié) 語

通過兩組離散元數(shù)值模擬可見，瓊東南盆地基底性質(zhì)控制了瓊東南盆地斷裂組合的發(fā)育。受到瓊東南盆地?zé)崃鞑町愑绊?，盆地不同區(qū)域基底性質(zhì)有一定的差異，熱流低的區(qū)域基底偏剛性，熱流高的區(qū)域基底偏韌性，這種基底性質(zhì)差異進(jìn)而對上部地層斷裂組合產(chǎn)生影響。剛性基底凹陷發(fā)育不對稱的單側(cè)臺階狀地塹，斷陷一側(cè)為緩坡，另一側(cè)邊界發(fā)育有坡度較大的正斷層，斷層數(shù)量較少，單一斷層的斷距較??；韌性基底控制區(qū)域，盆地內(nèi)凹陷和凸起間隔分布，凹陷內(nèi)多發(fā)于次級斷層，斷層數(shù)量多，單一斷層的斷距較小。另外，位于凹陷內(nèi)部發(fā)育的2級斷層和3級斷層傾向還受到基底剛、韌性的影響，剛性基底上部凹陷內(nèi)主要發(fā)育與伸展應(yīng)力相同傾向的正傾向斷層，韌性基底上部則發(fā)育多組傾向相反的斷層。