王衍迪，王毛毛*，閆 兵，湯夢(mèng)靜，賈紅義

1. 河海大學(xué) 海洋學(xué)院，南京 210098；

2. 中國(guó)石化 勝利油田有限公司物探研究院，東營(yíng) 257022

1 引言

張扭構(gòu)造是指在同時(shí)發(fā)生在沿走向方向的走滑運(yùn)動(dòng)和垂直走向方向的伸展運(yùn)動(dòng)的復(fù)合作用下形成的構(gòu)造類型（Fossen, 2010）。前人通過(guò)構(gòu)造解析、物理模擬與數(shù)值模擬等方法，系統(tǒng)研究了從地表破裂、沉積盆地到板塊邊界的多種尺度的張扭構(gòu)造的變形特征，探討了走滑或張扭構(gòu)造發(fā)育過(guò)程中的拉分盆地、擠壓雙重構(gòu)造的形成及其應(yīng)變分配機(jī)制（Allen et al., 1998；Basile et al., 1999；Fossen, 2016；Rotstein et al., 2005；Yuan et al., 2022）。張扭構(gòu)造通常由剪切斷裂帶起源，同時(shí)在伸展應(yīng)力場(chǎng)中進(jìn)一步生長(zhǎng)發(fā)育、拓寬規(guī)模，最終形成盆地或半地塹的構(gòu)造樣式（Waldron et al., 2005；Tsampouraki et al.,2021）。統(tǒng)計(jì)表明，張扭盆地是重要的含油氣盆地類型，其發(fā)育通常伴隨著內(nèi)部斷裂體系和構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的形成與破壞，對(duì)流體運(yùn)移和油氣圈閉成藏有重要影響，因此研究其形成與演化對(duì)油氣勘探具有重要的啟示意義（Fossen et al., 2016；Reading, 1980；Peacock, 2002；Williams et al., 2020；Wang, 2021）。

惠民凹陷位于渤海灣盆地南緣濟(jì)陽(yáng)坳陷西部，古近紀(jì)時(shí)期受近南北向伸展應(yīng)力的影響，盆地內(nèi)中生代北東東向基底斷裂發(fā)生復(fù)活，形成了典型的張扭構(gòu)造體系（肖煥欽，2006; 封東曉，2015）。惠民凹陷內(nèi)部發(fā)育的臨邑?cái)嗔?、夏口斷裂等表現(xiàn)出伸展分量為主，走滑分量為輔的特征，是一個(gè)具有張扭特性的斷陷盆地。中央隆起帶是惠民凹陷油氣聚集的有利構(gòu)造帶，已累計(jì)探明儲(chǔ)量約為3 億噸，約占整個(gè)惠民凹陷的80%。因此，研究惠民凹陷的張扭構(gòu)造特征及其演化對(duì)油氣勘探和開發(fā)具有重要意義。然而，目前對(duì)惠民凹陷的構(gòu)造研究仍主要以定性的斷裂分類和形態(tài)描述為主，對(duì)這一復(fù)雜張扭斷裂體系的形成機(jī)制和演化的探討不足。因此，目前對(duì)于惠民凹陷中央隆起帶的斷裂沿走向的構(gòu)造差異性的成因還存在不同認(rèn)識(shí)（蔡娜等，2010；李理等，2017；Wang, 2021）。

砂箱構(gòu)造物理模擬是一種在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)自然界大尺度構(gòu)造變形及其演化過(guò)程的技術(shù)手段（沈禮等，2016；陳竹新等，2019）。通過(guò)遵循一定比例的相似性系數(shù)，選取合適實(shí)驗(yàn)材料，可以提供一個(gè)真實(shí)可見的構(gòu)造模型的演化過(guò)程（Koyi,1997）。本文以惠民凹陷中央隆起帶為例，基于物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段并結(jié)合粒子測(cè)速技術(shù)（PIV）（White et al., 2003；Adam et al., 2005；沈禮，2016），研究惠民中央隆起帶張扭斷裂體系的發(fā)育、連接和貫通過(guò)程，并探討其沿走向的構(gòu)造差異性的形成機(jī)制。

2 地質(zhì)概況

惠民凹陷位于濟(jì)陽(yáng)坳陷的西南區(qū)域，北部以寧南斷層為界，南部為魯西隆起，東部和西部分別與東營(yíng)凹陷和臨清坳陷相鄰?；菝癜枷菘梢詣澐譃樽替?zhèn)洼陷、陽(yáng)信洼陷、中央隆起帶、林樊家凸起、臨南洼陷與南部緩坡帶6 個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元（圖1）（Feng，2017；趙利，2015）?；菝癜枷葜醒肼∑饚е饕杀睎|向的盤河構(gòu)造帶和東西向的臨邑構(gòu)造帶組成，在平面上構(gòu)成一個(gè)具有張扭構(gòu)造性質(zhì)的帚狀斷裂體系。惠民凹陷在古近紀(jì)主要為斷陷發(fā)育階段，新近紀(jì)至第四紀(jì)為拗陷發(fā)育期，主要發(fā)育的沉積地層如表1 所示。

表1 惠民凹陷地層年代與地震反射層位表Table 1 Stratigraphic sequences and seismic reflectors of Huimin Sag

圖1 惠民凹陷構(gòu)造綱要圖（據(jù)封東曉，2015）Fig. 1 Structural outline map of Huimin Sag

圖2 惠民中央隆起帶沙三段、沙二段、館陶組斷裂平面分布圖Fig. 2 Fault distribution of Es3, Es2, N1g formation in Central Uplift Belt, Huimin Sag

惠民中央隆起帶T6、T3、T1 反射層位的斷裂分布如圖4 所示，分別對(duì)應(yīng)沙三段、沙二段和館陶組的底界。T6 層位包含一系列呈雁列式分布的主干斷層，包括臨邑?cái)鄬右约氨P河、臨北和商河地區(qū)的近E-W 向斷層，其走向由北東向逐漸轉(zhuǎn)為東西向，并在其兩側(cè)分布著各類分支斷裂，總體呈帚狀樣式（樊瑞，2010）。T3 層位的主干和分支斷裂數(shù)量明顯減少，其中臨北和商河的主干斷裂發(fā)生了連接，而盤河與臨北地區(qū)的斷層則依然呈雁列式分布。T1 層位的主干斷裂完全連接，在平面上處于貫通狀態(tài)。

惠民凹陷內(nèi)前古近紀(jì)基底斷裂主要有NNE、NEE 與NWW 三個(gè)走向。其中NNE 向基底斷裂形成于侏羅世晚期，是太平洋板塊俯沖到中國(guó)東部陸緣之下造成的壓剪性質(zhì)的斷裂，這些斷裂通常與郯廬斷裂帶保持平行（朱光等，2001；Qi et al.，2010）。而NEE 向斷裂是NNE 向斷裂左旋運(yùn)動(dòng)中同期形成的旁側(cè)逆沖斷裂（封東曉，2015）。古近紀(jì)時(shí)期在區(qū)域南北向構(gòu)造伸展的背景下，NEE 向基底斷裂處于有利的伸展方位，發(fā)生復(fù)活并持續(xù)活動(dòng)，是惠民凹陷右行張扭構(gòu)造形成的重要構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件（肖煥欽，2006；Feng，2017）。基底斷裂的分布如圖3 所示，包括寧南斷層、臨邑?cái)鄬雍拖目跀鄬拥戎饕獢嗔?。其中臨邑?cái)鄬映蔔EE 約70°度走向，是一條連續(xù)分布的基底斷裂，位于中央隆起帶的底部，因此臨邑?cái)鄬釉谛律幕顒?dòng)對(duì)中央隆起帶斷裂樣式的演化起著重要作用。

圖3 惠民凹陷基底斷裂平面分布圖Fig. 3 Fault distribution of basement horizon in Huimin Sag

寧南斷層與臨邑?cái)鄬臃謩e是惠民凹陷的控凹斷裂和臨南洼陷的控洼斷裂，兩者的活動(dòng)期限存在明顯的交替性。研究表明寧南斷層在孔店期至沙四期呈現(xiàn)活動(dòng)速率快速上升的趨勢(shì)，沙四上到沙三期間斷層活動(dòng)性維持在較高水平，沙三期之后，斷層活動(dòng)性快速下降，沙二期后基本停止活動(dòng)（圖4），總體活動(dòng)速率一般在100~350 m/Ma 左右（封東曉，2015）。臨邑?cái)鄬釉诳椎昶诘缴乘钠谔幱谳^弱活動(dòng)性階段，在沙三期活動(dòng)性顯著增強(qiáng)，沙一至東營(yíng)期速率開始大幅下降。

圖4 惠民凹陷寧南斷層與臨邑?cái)鄬踊顒?dòng)性對(duì)比（據(jù)封東曉，2015）Fig. 4 Fault activity rate of Ningnan and Linyi faults, Huimin Sag (after Feng, 2015)

惠民凹陷兩條代表性的南北向構(gòu)造剖面（圖5）展示了中央隆起帶斷裂與臨南洼陷發(fā)育的斷裂構(gòu)造樣式及其組合關(guān)系。如圖5a 所示，惠民中央隆起帶中部的斷裂構(gòu)造主要由底部的滑脫層和臨邑?cái)鄬铀鶉?，發(fā)育的斷層總體表現(xiàn)為共軛斷裂樣式，斷距較小，但斷層的數(shù)量眾多。而惠民中央隆起帶東部的斷裂構(gòu)造則由一系列階梯狀、南傾正斷層構(gòu)成（圖5b）。

圖5 惠民凹陷兩條代表性南北向構(gòu)造剖面（1064和2312測(cè)線）（據(jù)封東曉，2015）Fig. 5 Structural profile of Huimin Sag

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c設(shè)置

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)惠民凹陷中央隆起帶的構(gòu)造剖面，結(jié)合基底斷裂走向、主要斷層的活動(dòng)時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一組張扭構(gòu)造兩階段演化的物理模擬實(shí)驗(yàn)（圖6-8）。本次設(shè)計(jì)的砂箱模型與自然原型的長(zhǎng)度相似比為10-5，也即實(shí)驗(yàn)中1 cm 代表自然界1 km。砂箱模型寬度為30 cm，高度為10 cm，總長(zhǎng)為42.7 cm，分別代表自然界寬度為30 km，地殼厚度為10 km，剖面長(zhǎng)度42.7 km。本次使用的實(shí)驗(yàn)材料為60~80目的干石英砂，具有較小的內(nèi)聚強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角約為30°，被認(rèn)為是模擬上地殼巖石破裂行為的理想材料（Rahe, 1998；McClay et al., 1991, 1995；Wu et al., 2009；Jagger et al., 2018）。

圖6 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖Fig. 6 Setup of analogue experimental model

實(shí)驗(yàn)中砂箱的右側(cè)為固定端，左側(cè)為牽引移動(dòng)端（圖6），模型伸展的速率為4 cm/h，代表自然界的伸展速率為220 m/Ma，兩者的相似性比為1.6×107。在進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅使用石英砂等脆性變形材料，而不使用硅膠等塑性材料時(shí)，變形速率對(duì)最終形成的構(gòu)造樣式的影響很?。↘rantz，1991），因此實(shí)驗(yàn)中不同階段的伸展速率的改變基本不會(huì)影響剖面和平面上的構(gòu)造變形樣式。本次物理模擬實(shí)驗(yàn)還考慮了其他幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三個(gè)方面的相似性（Hubbert, 1937），相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 物理模擬實(shí)驗(yàn)相似性參數(shù)表Table 2 Similarity coefficient of analogue modeling experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了模擬古近紀(jì)基底中臨邑?cái)鄬拥幕顒?dòng)，探究它對(duì)中央隆起帶斷裂樣式發(fā)育的影響過(guò)程，我們采用聚乙烯塑料布與石英砂作為材料，通過(guò)一個(gè)兩階段活動(dòng)的方案來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。臨邑?cái)鄬釉诠沤o(jì)是一條大致呈NEE70°走向的連續(xù)斷層，其主要的活動(dòng)高峰時(shí)期在沙三期以后。而與之相對(duì)應(yīng)，北部寧南斷層在沙三期之后活動(dòng)趨于平靜。因此，本實(shí)驗(yàn)采取了寧南斷層與臨邑?cái)鄬臃謨蓚€(gè)時(shí)期活動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。

在實(shí)驗(yàn)中，砂箱右側(cè)固定的犁形模塊用以模擬寧南斷層的下盤構(gòu)造，其上覆蓋聚乙烯塑料布用來(lái)模擬寧南斷層。如圖6 所示，聚乙烯塑料布共分為兩層（I 和II 層），其中較長(zhǎng)的Ⅱ?qū)訌睦缧螇K體頂端鋪設(shè)至牽引端并固定，用以模擬寧南斷層及其延伸的滑脫層。Ⅰ層塑料布較短，其尾端與砂箱的固定端呈20°夾角，用于在實(shí)驗(yàn)第二階段模擬古近紀(jì)基底臨邑?cái)鄬拥幕顒?dòng)。塑料布上方充填60~80 目的白色干石英砂作為主要材料，為了方便觀測(cè)模型的變形情況，其間鋪設(shè)紅色和綠色的石英砂作為標(biāo)志層。為了提高PIV 計(jì)算和處理的精度，在充填的石英砂中還混有一定比例的雜色石英砂。實(shí)驗(yàn)共分兩階段進(jìn)行：第一階段時(shí)（圖7a; 8a），由于塑料布I 和II 層上覆大量石英砂，使得兩層塑料布之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)等同于僅鋪設(shè)了較長(zhǎng)的塑料布Ⅱ，直至模型伸展到10 cm；第二階段時(shí)（圖7b; 8b），將Ⅰ層塑料布固定，此時(shí)Ⅱ?qū)铀芰喜祭^續(xù)運(yùn)動(dòng)，兩層之間形成相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生速度不連續(xù)界限，導(dǎo)致NEE 向斷層開始活動(dòng)，直至模型伸展至20 cm 時(shí)結(jié)束。第二階段開始每伸展1 cm 對(duì)地塹部位施以藍(lán)色標(biāo)志層覆蓋，模擬同構(gòu)造沉積。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃椒较蚺c垂直方向架設(shè)相機(jī)，每30 s 同時(shí)進(jìn)行一次拍照。同沉積以每15 min 添加一組的頻率共添加20 組。本實(shí)驗(yàn)伸展速率為4 cm/h，總伸展量為20 cm。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后以3 cm 每段對(duì)模型剖面進(jìn)行浸水切片處理，以獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片對(duì)比中央隆起帶東西兩側(cè)實(shí)際剖面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用PIV 軟件分析砂粒的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)獲取各點(diǎn)的速度矢量，進(jìn)而生成模型變形的速度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)等信息。

圖7 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)剖面設(shè)置Fig. 7 Section view of analogue experiment

圖8 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)平面設(shè)置Fig. 8 Plan view of analogue experiment

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 平面結(jié)果分析

本文選取了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中伸展量為11 cm、13 cm、14 cm、15 cm、17 cm、19 cm 六個(gè)階段對(duì)應(yīng)的頂面照片，其中上圖是原始未解釋版本，下圖是對(duì)應(yīng)的斷層解釋圖（圖9）。在伸展量為11 cm 時(shí)，平面上共發(fā)育了4 條呈左階雁列式排列的正斷層（S1-S4），其走向由NEE 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻麰-W 向。在伸展量為13 cm 時(shí)，S1 與S2、S3 與S4 斷層分別發(fā)生連接，且在S2 與S3 之間則形成了對(duì)應(yīng)的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶。其中原S2 斷層演變成兩個(gè)呈雁列式分布的斷層段。伸展量為14 cm 時(shí)，S1-S2 斷裂與S3-S4斷裂形成了表層的連接，而S2 較小的分支斷層趨于不再活動(dòng)；到伸展量達(dá)到17 cm 時(shí)，S2 與S3 斷層發(fā)生連接，模型頂面上的斷裂整體貫通。

圖9 構(gòu)造物理模擬的平面演化Fig. 9 Plan view evolution of analog models

如圖10-11，上圖為PIV 剪切應(yīng)變場(chǎng)疊加于頂面灰度照片，下圖是對(duì)應(yīng)的斷層解釋方案。圖10分別選自伸展量為10~11 cm 期間的第100~200 s、200~300 s、300~400 s，圖10 分別選自伸展量為10~11cm、12~13cm、16~17 cm 期間的第100~200 s、100~200 s、0~100 s。圖10展示了利用PIV方法獲取的伸展量10~11 cm期間的斷層連接過(guò)程：在第200秒時(shí)，PIV顯示實(shí)驗(yàn)頂面分別形成四個(gè)獨(dú)立的、雁列式分布的斷層S1至S4（圖10a, d）；300至400 s時(shí)，PIV顯示S1和S2逐漸發(fā)生連接，而S3與S4之間則形成了一個(gè)構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶。PIV反映的剪切應(yīng)變場(chǎng)與上述頂面實(shí)驗(yàn)照片的構(gòu)造解釋基本一致，但所展現(xiàn)的斷層剪切應(yīng)變場(chǎng)更為精細(xì)。圖11分別展示了S1與S2、S3與S4斷層逐漸連接到合并，最終貫通成一條斷裂過(guò)程中的剪切應(yīng)變場(chǎng)變化。我們注意到在早期伸展量10~11 cm期間，應(yīng)變不僅分布在主斷層如S1與S2上，也有小部分應(yīng)變分布在主斷層周邊的小斷層上。這部分變形屬于斷層外變形（offfault deformation，OFD）,一般被定義為次級(jí)斷層、撓曲、顆粒流或其他脆性變形等（Milliner et al.,2016）。隨著伸展實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，部分?jǐn)鄬油庾冃危∣FD）分布范圍逐漸減小并與主斷層靠近而被合并，應(yīng)變主要被主斷層吸收。需要注意的是，S3與S4斷層是通過(guò)其OFD逐漸連接，而原主斷層S4及S3右側(cè)部分則不再活動(dòng)。

圖10 伸展量10~11 cm階段斷層連接的PIV分析Fig. 10 PIV analysis of fault linkage in the 10-11 cm stage of extension volume

圖11 伸展量10~11 cm、12~13 cm、16~17 cm階段斷層連接的PIV分析Fig. 11 PIV analysis of fault linkage in the 10-11 cm, 12-13 cm and 16-17 cm stages of extension volume

4.2 剖面結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，我們以3 cm 為間距獲取了砂箱模擬內(nèi)部的切片（圖9e），如圖12 所示，分別為距擋板0/3/6/9 cm 處的結(jié)構(gòu)切片。模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了三類結(jié)構(gòu)要素：（I）白色線條代表盆地的犁式斷層——“寧南斷層”；（II）兩條紫色線條代表臨南洼陷的夏口和臨邑?cái)鄬樱唬↖II）紅色線條代表發(fā)育中央隆起帶的斷裂系。（Ⅳ）黑色虛線代表臨南洼陷近夏口斷裂一側(cè)發(fā)育的階梯狀斷裂系。

圖12 砂箱模型內(nèi)部0/3/6/9 cm處的切片F(xiàn)ig. 12 Slices at 0/3/6/9 cm within the sandbox model

圖13 伸展量10~11 cm、12~13 cm階段斷層應(yīng)變分布演化Fig. 13 Evolution of fault strain distribution in the 10-11 cm and 12-13 cm stages of extension

圖14 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩個(gè)左階、雁列式正斷層在連接過(guò)程中的應(yīng)變變化Fig. 14 Strain changes during two segmented, sinistral normal faulting in experiment

這些結(jié)構(gòu)要素在總體上與惠民凹陷的二級(jí)構(gòu)造特征基本一致；從0 到9 cm，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)部切片展示了中央隆起帶的斷裂結(jié)構(gòu)樣式沿走向的變化。在0~3 cm 處（圖12a, b），剖面上發(fā)育的斷層呈兩組傾向相反的共軛斷層系，左側(cè)發(fā)育的正斷層被臨邑?cái)鄬铀厍?。同時(shí)在臨南洼陷夏口斷裂一側(cè)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M出了一系列階梯狀斷層，并伴有少量?jī)A向相反的共軛斷層。對(duì)比圖5a 地震剖面中所顯示的構(gòu)造現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)臨邑?cái)鄬忧懈钪醒肼∑饚嗔严档奈恢门c方式十分吻合，而且夏口斷層以南也發(fā)育了大量階梯式斷裂與少量與之反向的小型斷裂，與剖面資料展現(xiàn)的內(nèi)容具有較高相似性。而在6~9 cm處中央隆起帶左側(cè)發(fā)育的正斷層數(shù)量明細(xì)減少，右側(cè)發(fā)育的階梯狀正斷層則明顯增多。圖5b 剖面顯示臨邑?cái)鄬佑覀?cè)發(fā)育了一系列階梯式斷層。實(shí)驗(yàn)展示的從共軛斷裂結(jié)構(gòu)到階梯狀斷裂的轉(zhuǎn)變與惠民凹陷的實(shí)際構(gòu)造剖面的樣式一致。

5 討論

5.1 斷層生長(zhǎng)與連接模式

近幾十年來(lái)，地質(zhì)學(xué)家注意到大型正斷層在形成初期往往是分段的（Anders et al., 1994；Faulds et al., 1998），它們通常由幾個(gè)傾向、位移量不同的小斷層組成，這些不同的斷層段具有相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。大量學(xué)者對(duì)正斷層的生長(zhǎng)模式展開研究，并提出了正斷層的生長(zhǎng)模式（Walsh, 2003；Morley,2016；Childs et al., 2017；Bramham et al., 2021；Yuan et al., 2022）。目前，斷層生長(zhǎng)有兩種常用的解釋模型，即傳播斷層模型與恒定斷層長(zhǎng)度傳播模型。傳播斷層模型認(rèn)為斷層在生長(zhǎng)時(shí)斷層位移量和斷層長(zhǎng)度同步增長(zhǎng)。而恒定斷層長(zhǎng)度模型認(rèn)為斷層在滑動(dòng)早期就確定了它們的終期長(zhǎng)度，此后它們主要通過(guò)斷層位移量累積作用生長(zhǎng)（Rotevatn et al., 2019）。

斷裂的橫向連接可以從幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面來(lái)分析和重建。一般將斷層的幾何學(xué)連接根據(jù)斷層面的物理連接情況分為三種：（I）無(wú)連接；（II）軟連接，斷層并沒(méi)有發(fā)生物理連接，但由于應(yīng)力場(chǎng)互相影響而產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)學(xué)聯(lián)系；（III）硬連接，即斷層面發(fā)生了物理連接。斷層橫向連接的動(dòng)力學(xué)模型主要以孤立型斷層連接模型和耦合型斷層連接模型來(lái)區(qū)分。在前者中，每一個(gè)獨(dú)立的斷層從發(fā)育開始就已經(jīng)是具有動(dòng)力學(xué)相關(guān)性，即該斷層是一個(gè)具有動(dòng)力學(xué)相關(guān)性的斷層陣列（fault array）的一部分。這些斷層在發(fā)育過(guò)程中通常形成硬連接模式，但也存在軟連接的斷層段也表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)相關(guān)性。在后者中，斷層之間沒(méi)有動(dòng)力學(xué)聯(lián)系，可以視為獨(dú)立的構(gòu)造。在孤立模型的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)，位移量發(fā)生虧損，而在耦合型模型的轉(zhuǎn)換區(qū)中，累積位移量沒(méi)有改變位移量在走向上的趨勢(shì)，即仍舊保持?jǐn)鄬釉诤瞬课灰屏孔畲?，并逐漸向終端減小。

本文還提取了各同構(gòu)造沉積階段斷裂沿走向的PIV 平面應(yīng)變值分布，用于討論中央隆起帶斷裂體系的橫向連接模式。圖12a 展示了伸展量10~11cm（100~200 s）期間的應(yīng)變沿走向分布，符合典型的單個(gè)斷層的應(yīng)變—距離關(guān)系，因而分別對(duì)應(yīng)四個(gè)未連接的、雁列式分布的斷層段（S1-S4）。S1 和S2斷層在200~400 s 的期間發(fā)生了連接，連接前的應(yīng)變分布如虛線所示，而連接后的應(yīng)變分布如實(shí)線所示。將連接前的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)的應(yīng)變相加，得到累計(jì)位移量總體上符合耦合型連接模式，而連接以后的應(yīng)變分布同樣符合這一模式。在伸展量12~13 cm 期間100~200 s，S1-S2 斷層與S3-S4 斷層之間，盡管沒(méi)有發(fā)生物理連接，但累加應(yīng)變表明其在運(yùn)動(dòng)學(xué)上符合耦合型連接模式。

5.2 構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的破壞

構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的破壞形式往往取決于諸多因素，如斷層活動(dòng)性、斷層間重疊量大小、斷層尖端處的應(yīng)力場(chǎng)等特征。Crider 和Pollard（1998）年利用三維邊界元數(shù)值模擬方法，考慮地層的力學(xué)性質(zhì)等，研究了左階、雁列式正斷層體系連接過(guò)程中的轉(zhuǎn)換帶的應(yīng)力場(chǎng)變化。模擬表明上覆正斷層面上的滑動(dòng)干擾了其下伏區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)，形成一個(gè)穿越轉(zhuǎn)換區(qū)連接斷層端點(diǎn)的高應(yīng)力“橋”，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)換帶“Z”字型破裂的形成。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們也觀測(cè)到S1 與S2、S2 與S3 這些左階雁列式斷裂在橫向連接過(guò)程中的類似現(xiàn)象。如圖12 所示，在早期階段，兩個(gè)獨(dú)立的左階雁列式斷裂段之間形成了一個(gè)窄的高應(yīng)變“橋”，后期逐漸加寬而完成兩個(gè)斷裂的側(cè)向連接，完成了構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的單側(cè)破壞。隨著模型的持續(xù)變形，這些“Z”字型破裂與主斷裂持續(xù)發(fā)生連接，并最終貫通形成一個(gè)統(tǒng)一的斷層，完成了斷層的硬連接過(guò)程。

5.3 惠民中央隆起帶深淺構(gòu)造差異性探討

古近紀(jì)時(shí)期，惠民凹陷整體經(jīng)歷南北向的地殼伸展，先存的NEE 向基底斷裂的復(fù)活產(chǎn)生了現(xiàn)今惠民中央隆起帶張扭的帚狀構(gòu)造體系。惠民中央隆起帶深部總體呈現(xiàn)斷裂分段分布的特征，淺部總體呈現(xiàn)斷裂逐漸連接的特征，這種深淺構(gòu)造差異性主要是由斷裂演化過(guò)程中斷裂的活動(dòng)性及其應(yīng)變分配差異造成的。通過(guò)PIV 分析所揭示的不同時(shí)間段斷層的應(yīng)變狀態(tài)（圖10；圖11），可以觀察到分段斷層在斷裂連接的過(guò)程中應(yīng)變分配調(diào)整的現(xiàn)象。繼續(xù)活動(dòng)的主干斷層在其后的地層之上有較強(qiáng)的活動(dòng)性，而其他斷層則是自某一時(shí)間起不再活動(dòng)或者變成隱伏斷層，在此之后的地層中不再觀察到斷裂活動(dòng)與應(yīng)變分布的跡象。在圖11（a, d）中，可以看到S3與S4 起初通過(guò)應(yīng)變“橋”形成聯(lián)系，而應(yīng)變“橋”搭建的位置處于S3 斷裂中部。應(yīng)變連接在了S3 的左半部分使得S3 斷裂的右半部分失去應(yīng)變傳遞的作用而被逐漸廢棄，因此圖11（b, e）中在伸展量為13 cm 時(shí)已經(jīng)不見S3 右半段的出現(xiàn)。在此之后，S1-S2 與S3-S4 通過(guò)同樣的方式搭建應(yīng)變“橋”，使得S1-S2 的右半段停止活動(dòng)，最終形成連接。

我們采用相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置重新開展了一組構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)每伸展1 cm 時(shí)對(duì)斷層面添加紅色標(biāo)志層追蹤，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)石英砂浸水進(jìn)行水平切片處理。如圖15a 所示，這些水平切片分別展示了1、2、5、6 cm 深度的砂箱內(nèi)部平面斷裂結(jié)構(gòu)分布，圖15b 為對(duì)應(yīng)的砂箱內(nèi)部不同深度的斷裂解釋圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，淺部（1~2 cm）斷裂呈NEE 向連續(xù)貫通的分布特征，而在深部（5~6 cm）斷層上下盤界線并非如淺部一般呈較為筆直的NEE 走向，而是一條總體呈NEE 走向的不規(guī)則曲線，這條曲線則由一系列呈左階式雁列分布的的紅色標(biāo)志斷層構(gòu)成。這說(shuō)明深部的分段斷裂不會(huì)隨時(shí)間演化并攏到最后貫通的連接中，斷層連接只發(fā)生在了淺層部位，深部依舊保持原始的分段斷裂形態(tài)。最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部切片的斷裂樣式與惠民凹陷中央隆起帶不同深度反射層主干斷裂的構(gòu)造樣式具有很高的相似性。

圖15 砂箱模型內(nèi)部1/2/5/6 cm處的水平切片F(xiàn)ig. 15 Slices at 1/2/5/6 cm within the sandbox model

6 結(jié)論

針對(duì)惠民凹陷中央隆起帶的斷裂構(gòu)造樣式及其演化問(wèn)題，本文利用構(gòu)造物理模擬結(jié)合PIV 分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與研究區(qū)平面斷裂圖以及構(gòu)造剖面圖，取得以下認(rèn)識(shí)與結(jié)論。（1）本文設(shè)計(jì)的張扭構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)獲得的不同階段的同構(gòu)造沉積期的斷裂構(gòu)造樣式，與現(xiàn)今惠民凹陷不同層位斷裂的構(gòu)造樣式具有很好的對(duì)比性。（2）在南北向區(qū)域地殼伸展與盆地基底NEE 向先存斷裂活化的共同作用下，惠民凹陷中央隆起帶形成了具有張扭構(gòu)造特性的復(fù)雜斷裂體系。（3）惠民凹陷中央隆起帶的雁列式斷層的形成可能經(jīng)歷了（I）早期雁列式而無(wú)連接；（II）側(cè)向生長(zhǎng)至軟連接；（III）硬連接至最終貫通的三個(gè)階段。這些斷層連接的運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程可能符合“耦合型”連接模式，斷層的連接—貫通主要通過(guò)各段斷層之間的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的破壞而逐漸完成。