王瑾，馮建偉，蔣榕韜，張鵬飛，任啟強(qiáng)

（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)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

東營(yíng)凹陷中央隆起帶是由一系列不同層系、不同類型、不同成因的構(gòu)造組成的地質(zhì)條件十分復(fù)雜的復(fù)式斷裂帶[1]。東辛斷裂帶位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷的東營(yíng)凹陷中央隆起帶中東段，斷層數(shù)量多，同生斷層的發(fā)育較為復(fù)雜。受控于二級(jí)正斷層影響的下降盤常形成逆牽引構(gòu)造，組成負(fù)花狀地塹斷裂區(qū)帶。這些斷裂區(qū)帶將東辛斷裂帶分割為一系列小斷塊。于建國(guó)等[2]認(rèn)為，中央隆起帶中的東辛斷裂帶斷塊組合構(gòu)造主要為局部鹽底辟作用的結(jié)果，包心狀的復(fù)雜斷裂構(gòu)造形態(tài)由牽引作用形成。在地震數(shù)據(jù)體上，構(gòu)造底部普遍發(fā)育一個(gè)上拱脊?fàn)铍s亂反射體，表現(xiàn)出底辟特點(diǎn)，底辟構(gòu)造可分為低幅度隆起和隱刺穿構(gòu)造，形成時(shí)期主要為沙河街組二段沉積期開始到館陶組沉積前，底辟物質(zhì)由以鹽巖為主的塑性層組成[3-4]。

隨著構(gòu)造物理模擬手段的不斷完善，構(gòu)造物理模擬已成為地質(zhì)學(xué)家認(rèn)識(shí)構(gòu)造變形過(guò)程、分析構(gòu)造成因機(jī)制的重要手段[5-8]。本文選取東辛斷裂帶為研究對(duì)象，采取構(gòu)造物理模擬的技術(shù)方法對(duì)區(qū)域構(gòu)造發(fā)育特征、斷層發(fā)育特征的控制因素進(jìn)行探索，進(jìn)而對(duì)區(qū)域構(gòu)造樣式的力學(xué)成因機(jī)制進(jìn)行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

東辛斷裂帶主要包括辛鎮(zhèn)背斜和東營(yíng)構(gòu)造，以NE或EW走向?yàn)橹?，位于東營(yíng)凹陷的中央，是中央隆起帶的主要斷裂體系（見圖1）。

圖1 東辛斷裂帶沙二段頂面斷層分布

東營(yíng)凹陷內(nèi)東辛斷裂帶古近系地層自下而上為孔店組（Ek）、沙河街組（Es）和東營(yíng)組（Ed）。 孔店組上部與沙四段下部發(fā)育以鹽膏巖為主的塑性層，沙四段塑性層之上主要為砂礫巖夾薄層泥巖沉積，沙三段—沙一段主要發(fā)育砂巖與泥巖，東營(yíng)組發(fā)育泥巖和砂巖，局部發(fā)育含礫砂巖和薄層碳酸鹽巖[9]。辛鎮(zhèn)背斜位于斷裂帶東部，是一個(gè)軸向近EW不對(duì)稱的狹長(zhǎng)背斜，南翼傾角為 10°，北翼傾角為 25°～30°，構(gòu)造頂部發(fā)育一組平行軸向復(fù)雜的負(fù)花狀的地塹斷裂系統(tǒng)，并伴生了許多次級(jí)NE向和NW向的小斷裂[2]。東營(yíng)構(gòu)造位于斷裂西北部，頂部凹凸不平，有明顯拱張現(xiàn)象，斷裂形態(tài)主要呈放射狀地塹，也是區(qū)域北西、北東與近東西向3組斷裂的交會(huì)點(diǎn)[10-11]。東部的辛鎮(zhèn)背斜與西部的東營(yíng)構(gòu)造共同構(gòu)成了整個(gè)斷裂體系。

2 東辛斷裂帶構(gòu)造特征

2.1 斷裂系統(tǒng)特征

按照楊滿萍等[12]提出的斷層分級(jí)原則，并結(jié)合斷層切割深度、平面延伸長(zhǎng)度、最大斷距及對(duì)構(gòu)造的控制關(guān)系等因素，將斷裂帶內(nèi)斷層劃分為5個(gè)等級(jí)。斷裂帶中并未出現(xiàn)一級(jí)控盆斷層，但有Ying8，Ying1，Xin23，Xin1，Xin120，Ying31等6條二級(jí)控洼正斷層，其斷層走向均以EW向發(fā)育，控制了斷裂帶的地層格架和區(qū)域構(gòu)造格局，同時(shí)也控制了次級(jí)斷裂的發(fā)育位置。三級(jí)斷層17條，控制了東辛地區(qū)的區(qū)塊劃分和油氣的分布范圍。四級(jí)斷層及次級(jí)小斷層200余條，數(shù)量繁多，將區(qū)塊進(jìn)一步復(fù)雜化，其分布影響了油氣的二次運(yùn)聚和分布，決定了最終的油氣分布特點(diǎn)。

辛鎮(zhèn)構(gòu)造在受力上比較單一，以SN向伸展為主，底辟拱升為輔，在持續(xù)拉張作用下辛鎮(zhèn)長(zhǎng)軸近EW向斷層發(fā)育程度最高，EW向與NNW—SSE向伴生斷層次之（見圖2a）。東營(yíng)構(gòu)造由于塑性層上拱使斷層在平面上呈弧形放射狀，東營(yíng)構(gòu)造東部與辛鎮(zhèn)構(gòu)造方向之間由于張扭力形成了以Ying31斷層為主的過(guò)渡帶，有少量NW—SE向斷層伴生（見圖2b）。

圖2 東辛斷裂帶斷層走向

2.2 構(gòu)造演化特征

東辛斷裂帶孔店組—沙四段沉積期為東營(yíng)凹陷發(fā)育初期，在 SN向伸展作用下，Ying8，Ying1，Ying31，Xin120滑脫斷層系構(gòu)成了東辛斷裂帶的雛形[12]。沙三早期，隨著SN向伸展作用，Ying8斷層斷距加深，在與反向斷層Xin120斷層之間，Ying8斷層開始控制發(fā)育多組平行軸向復(fù)雜小型地塹式斷裂。沙三中期—末期，東營(yíng)構(gòu)造的斷裂活動(dòng)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，郯廬斷裂帶右旋走滑作用形成的張扭性斷層疊加在早期的伸展斷裂之上，東辛斷裂帶基本格架初步形成[13-14]。

沙四段—孔店組的鹽巖和石膏塑性層，隨著上覆負(fù)載層的厚度進(jìn)一步增大，在沙二沉積期上拱，形成普遍的隱刺穿構(gòu)造；但由于塑形層上拱的巖脊形態(tài)不同，辛鎮(zhèn)構(gòu)造形成長(zhǎng)軸背斜，東營(yíng)構(gòu)造為穹窿背斜[11]。在沙二期，隨著SN向伸展構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)減弱，NE向伸展及右旋走滑構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)增強(qiáng)，斷裂帶西部似帚狀生長(zhǎng)斷層開始發(fā)育并復(fù)雜化[15]。隨著底辟拱升和張扭力的逐漸增強(qiáng)，斷裂帶在沙一期發(fā)展成形（見圖3）。

圖3 東辛斷裂帶構(gòu)造演化

3 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)遵循相似原則，即幾何學(xué)相似、動(dòng)力學(xué)相似、運(yùn)動(dòng)學(xué)相似，實(shí)驗(yàn)材料物性、模型尺寸等需要與自然界中實(shí)際的相應(yīng)參數(shù)保持一定比值[16-17]。本次實(shí)驗(yàn)所用材料為石英砂、黏土、硅膠。

石英砂用于模擬脆性上覆巖層，其物理性質(zhì)為脆性且遵循庫(kù)倫-莫爾破壞準(zhǔn)則，內(nèi)摩擦角為31°左右，內(nèi)聚力極小[18]。硅膠為透明高黏度的材料，用于模擬上地殼的塑性變形，在低應(yīng)變速率下具有牛頓流體性質(zhì)，且具有非常低的屈服強(qiáng)度[19]。本次實(shí)驗(yàn)選用80～120目的干燥石英砂模擬沙四段上部—東營(yíng)組以泥巖、砂巖為主的上覆脆性巖層[20]，微濕潤(rùn)石英砂黏土混合物（石英砂（80～120 目）、黏土、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為 500∶60∶1）模擬孔店組下部以泥巖為主的下伏壓實(shí)巖層。室溫下黏度為1.2×104Pa·s，密度為0.96 g/cm3的硅膠模擬孔店組—沙四段以鹽膏巖為主的塑形滑脫層。

3.2 模型設(shè)計(jì)

東辛斷裂帶東西長(zhǎng)24 km，南北寬9.5 km，斷層數(shù)量較多，斷層結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。故本次實(shí)驗(yàn)采用“先分后合，化難為易”的思想，共設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)，從而更好地描述該區(qū)域斷層的發(fā)育與分布。

3.2.1 辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

初始實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?80 mm×240 mm，底板水平，木板為邊界。在底板上鋪設(shè)較為結(jié)實(shí)的塑料膜，并使邊界向外有一定延伸，將其延伸部分與硬紙板黏合并在黏合部位打上孔，穿上尼龍繩，孔與孔之間的距離為60 mm，單側(cè)可調(diào)節(jié)尼龍繩凝成一股。這樣既可以模擬受力穩(wěn)定、均一的張扭力，又可通過(guò)調(diào)節(jié)單根繩長(zhǎng)控制力的方向。將微濕石英黏土混合物均勻平鋪于塑料膜上，層厚為20 mm，模擬下伏壓實(shí)地層。將光滑的硬紙板（摩擦因數(shù) 0.1，厚度 1 mm）預(yù)置該層中，模擬Ying8，Xin120斷層。在石英黏土混合層上鋪設(shè)一層厚為10 mm的硅膠層，模擬塑形滑脫層，并將長(zhǎng)方形真空帶（長(zhǎng)350 mm，寬60 mm，最大高度差8 mm）置于該層中，往袋中注入硅膠的過(guò)程是模擬塑形層上拱。將干燥的石英砂鋪設(shè)于硅膠層上，層厚30 mm，模擬脆性上覆地層（見圖 4a）。

圖4 物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

3.2.2 東營(yíng)構(gòu)造帶實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

初始實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?20 mm×360 mm，底板、邊界、沙層等設(shè)置均與辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?，不同的是在石英黏土混合層中用光滑的硬紙板模擬Ying1，Ying31斷層，在硅膠層中將橢圓形真空袋（a軸72 mm，b軸50 mm，最大高度差10 mm）置于該層中（見圖4b），以模擬塑性層。

3.2.3 東辛斷裂帶全區(qū)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

初始實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?20 mm×300 mm，大部分設(shè)置與辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?，不同的是用光滑硬紙板模擬 Ying1，Ying8，Ying31，Xin120 斷層， 在硅膠層中插入長(zhǎng)方形真空袋（長(zhǎng)340 mm，寬55 mm，最大高度差8mm）與橢圓形真空袋（a軸60mm，b軸30 mm，最大高度差9 mm），模擬塑形層上拱（見圖4c）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶構(gòu)造物理模擬

為了真實(shí)還原辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶所經(jīng)歷的復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)分3期進(jìn)行，并預(yù)設(shè)了孔店組—沙四組沉積期形成的Ying8，Xin120斷層雛形。

4.1.1 第1期

在實(shí)驗(yàn)東邊界北部與西邊界南部分別施加平穩(wěn)持續(xù)的EW向拉張力，模擬右旋走滑，北邊界與南邊界分別施加SN向拉張力，模擬SN向伸展作用。在持續(xù)拉伸近4.3 min后（相當(dāng)于沙四上—中沉積期Xin1，Xin23斷層受到Y(jié)ing8，Xin120斷層的共同影響），平面上初步顯現(xiàn)不規(guī)則波浪形斷裂（見圖5a，5b），辛鎮(zhèn)構(gòu)造二級(jí)斷層開始形成，構(gòu)造帶初顯雛形。

沙四上—沙三下沉積期（8.6～10.8 min），在持續(xù)受到右旋走滑與拉張作用下，隨著構(gòu)造帶內(nèi)二級(jí)斷層規(guī)模持續(xù)加大，多組平行軸向小型地塹式斷層逐漸伴生于 Ying8，Xin120 斷層之間（見圖 5c，5d）。

圖5 辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意

4.1.2 第2期

模擬增強(qiáng)右旋走滑作用，但控制SN向伸展力相對(duì)減弱，NE向伸展力開始增強(qiáng)。沙三中—沙三上沉積期（14.5～15.3 min），隨著右旋走滑作用持續(xù)加劇，Xin1與Xin120斷層間開始形成次一級(jí)張扭性斷層，張扭性斷層常常終止于EW向斷層（見圖5e）。

4.1.3 第3期

模擬再次增強(qiáng)右旋走滑作用，控制SN向伸展逐步減弱，NE向伸展持續(xù)增強(qiáng)，并向硅膠層長(zhǎng)方形真空袋中緩慢注入硅膠，模擬塑形層上拱。沙二—東營(yíng)組沉積期（17.6～18.4 min），由于塑形層差異沉降，東西兩側(cè)塑形層向中央聚攏，造成塑形層上拱。在底辟拱升、張扭、伸展共同作用下，低序級(jí)斷層發(fā)育開始復(fù)雜化，辛鎮(zhèn)長(zhǎng)軸背斜發(fā)育成形（見圖5f）。

4.2 東營(yíng)構(gòu)造帶構(gòu)造物理模擬

本次實(shí)驗(yàn)同樣分3期進(jìn)行，每期所施加力的方向、方式及硅膠充注方式與東部辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶物理模擬實(shí)驗(yàn)基本相同，并預(yù)設(shè)了孔店組—沙四組沉積時(shí)期所形成的Ying1，Ying31斷層雛形。

4.2.1 第1期

在持續(xù)穩(wěn)定的張扭力下，孔店組—沙四上沉積期Ying1與Ying31斷層出現(xiàn)雛形（2.3 min），2條二級(jí)斷層呈側(cè)列式分布，有效控制其間小型調(diào)節(jié)斷層發(fā)育形態(tài)與構(gòu)造樣式（見圖 6a）。沙三下沉積期（9.1～10.5 min）張扭作用增強(qiáng)，Ying1與Ying31斷層首尾間開始逐漸發(fā)育NW向次級(jí)斷層（見圖6b）。

4.2.2 第2期

隨著塑形層滑脫，張扭作用加劇，在沙三上—沙三中沉積期（15.9～16.2 min），東營(yíng)構(gòu)造開始發(fā)育放射狀斷層，Ying1與Ying31斷層之間的小型斷層進(jìn)一步發(fā)育復(fù)雜化，開始逐漸構(gòu)成2條側(cè)列式展布主干斷層之間的疊覆型調(diào)節(jié)區(qū)（見圖6c，6d）。

4.2.3 第3期

向硅膠層橢圓形真空帶內(nèi)緩慢注入硅膠模擬塑性層上拱。在沙二—沙一組沉積期（17.1～17.8 min），由于SN向伸展逐步減弱、NE向伸展持續(xù)增強(qiáng)，右旋走滑活動(dòng)增強(qiáng)，Ying31斷層開始派生出NNE—SSW向斷層，同時(shí)隨著塑形層加速上拱，放射狀斷層進(jìn)一步發(fā)育，東營(yíng)穹窿發(fā)育成形（見圖6e）。東營(yíng)組—明化鎮(zhèn)組沉積期（18.6 min），隨著構(gòu)造活動(dòng)減弱，東營(yíng)造帶基本定形（見圖6f）。

4.3 東辛斷裂帶全區(qū)構(gòu)造物理模擬

本次實(shí)驗(yàn)將結(jié)合上述2組實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)東辛斷裂帶從局部到全區(qū)的構(gòu)造物理模擬。本組實(shí)驗(yàn)同樣分3期進(jìn)行，每期所施加力的方向、方式、硅膠充注方式與辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)基本相似，并預(yù)設(shè)了孔店組—沙四組沉積所形成的Ying8，Ying1，Ying31，Xin120 斷層雛形。

圖6 東營(yíng)構(gòu)造帶構(gòu)造實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意

4.3.1 第1期

在張扭力作用下，沙四沉積期（5.6 min）辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶在 Ying8，Xin120斷層的控制下開始形成 Xin23，Xin1 斷層（見圖 7a）。 沙三上沉積期（8.9～9.5 min），由于受到SN向伸展運(yùn)動(dòng)，辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶東西向地塹斷裂與西部Ying1斷層開始發(fā)育（見圖7b—7d）。

圖7 東辛斷裂帶全區(qū)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意

4.3.2 第2期

隨著右旋走滑作用及伸展作用增強(qiáng)，在沙三上—沙三中沉積期（14.7～16.2 min），斷裂帶內(nèi)主要斷層發(fā)育成形。在持續(xù)張扭力作用下，斷層形態(tài)逐步呈現(xiàn)波浪形（見圖 7e）。

4.3.3 第3期

先向硅膠層內(nèi)長(zhǎng)方形真空袋中緩慢注入硅膠，然后向橢圓形真空袋內(nèi)注入硅膠。隨著塑形層受力不均衡，其局部上拱，在沙二沉積期（17.3 min），東營(yíng)構(gòu)造放射形斷層發(fā)育明顯，辛鎮(zhèn)構(gòu)造Xin1與Xin120斷層間低序級(jí)斷層進(jìn)一步復(fù)雜化（見圖7f）。沙一沉積期（18.9 min），隨著NE向拉張力與右旋走滑運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，斷裂西南部開始派生出NNE—SSW向斷層，Ying1開始派生出“似帚狀斷層”，西部Ying1與Ying31斷層首尾間調(diào)節(jié)斷層發(fā)育成形，東辛斷裂帶發(fā)育成形（見圖7g）。隨著構(gòu)造活動(dòng)減弱，東營(yíng)組（19.6 min）斷層活動(dòng)減弱，東辛斷裂帶發(fā)育定形（見圖7h）。

5 討論

1）東辛斷裂帶內(nèi)部主要發(fā)育東西向斷層，對(duì)應(yīng)里德爾剪切中的張破裂和正斷層。Ying1斷層的西段對(duì)應(yīng)張破裂，東段則對(duì)應(yīng)R′反向剪切破裂，Ying1東南部與Ying31南部發(fā)育的NNE—SSW向斷裂對(duì)應(yīng)主剪切帶中的里德爾剪切模式下的主剪切帶。里德爾剪切模式下的主剪切帶形成是后期NE向伸展作用與右旋走滑作用共同的結(jié)果（見圖8a）。

2）斷裂帶內(nèi)調(diào)節(jié)帶的形成很大程度上受到了區(qū)域張扭應(yīng)力的影響。在模擬東營(yíng)構(gòu)造帶中，Ying1斷層?xùn)|段在右旋作用下開始走滑運(yùn)動(dòng)（見圖8a），隨著區(qū)域右旋走滑與伸展作用逐步增強(qiáng)，沙三沉積期Ying1與Ying31斷層首尾間應(yīng)力蓄積到最高點(diǎn)逐步釋放，之間的NW—SE向斷層開始發(fā)育，最終形成帚狀疊覆調(diào)節(jié)帶（見圖 8b），與路智勇等[13]認(rèn)識(shí)基本吻合。

3）塑性層滑脫造成局部底辟拱升，從而促使斷裂帶內(nèi)低序級(jí)斷層發(fā)育數(shù)量增多、形態(tài)復(fù)雜。辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶物理模擬實(shí)驗(yàn)很好地展示了塑性層滑脫對(duì)低序級(jí)斷層形成的影響。在沙四段—沙三段沉積期，構(gòu)造存在伸展作用與右旋走滑作用，此時(shí)辛鎮(zhèn)構(gòu)造內(nèi)二級(jí)斷層發(fā)育完善但低序級(jí)斷層并未見明顯發(fā)育。沙二段—東營(yíng)組沉積期塑性層滑脫所造成的局部底辟拱升促使鹽上構(gòu)造低序級(jí)斷層開始發(fā)育。在底辟拱升和伸展作用共同作用下，Xin120與Xin1斷層間的復(fù)雜小型地塹式斷層系發(fā)育明顯，同時(shí)還受到區(qū)域右旋走滑作用，鹽上構(gòu)造變得復(fù)雜（見圖8c）。

圖8 東辛斷裂帶斷層成因機(jī)制

6 結(jié)論

1）二級(jí)斷層控制著斷裂帶的地層格架和區(qū)域構(gòu)造格局，三級(jí)、四級(jí)斷層發(fā)育形態(tài)受控于二級(jí)斷層形成的斷裂內(nèi)局部構(gòu)造。

2）辛鎮(zhèn)斷裂帶長(zhǎng)軸與東營(yíng)穹窿平面構(gòu)造中，形態(tài)較為復(fù)雜的斷裂、低序級(jí)斷層是塑性層上拱和區(qū)域伸展共同作用的結(jié)果。右旋走滑與伸展作用在一定程度上影響并促使了斷裂帶中部Ying1與Ying31斷層首尾間疊覆型調(diào)節(jié)帶的形成與發(fā)育。

3）斷裂帶內(nèi)NNE—SSW向斷層是受到晚始新世NE向伸展構(gòu)造及右旋走滑構(gòu)造2個(gè)構(gòu)造系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。而沙三上亞段—沙二段沉積期是SN向伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)減弱、NE向伸展增強(qiáng)的過(guò)渡期。