差异升降运动的物理模拟及其对黄珏南地区构造解释

王彤达，戴俊生，张继标，张振，陈红磊，商 琳

（1.中国石化股份胜利油田分公司，地质科学研究院，山东东营 257015；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院,山东青岛 266555；3.中国石化股份胜利油田分公司，地质录井公司，山东东营 257064；4.中国石油新疆油田分公司，重油开发公司地质研究所，新疆克拉玛依 834000）

差异升降运动的物理模拟及其对黄珏南地区构造解释

王彤达1，戴俊生2，张继标2，张振3，陈红磊4，商 琳2

（1.中国石化股份胜利油田分公司，地质科学研究院，山东东营 257015；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院,山东青岛 266555；3.中国石化股份胜利油田分公司，地质录井公司，山东东营 257064；4.中国石油新疆油田分公司，重油开发公司地质研究所，新疆克拉玛依 834000）

为研究黄珏南地区阜宁组断裂平面组合及发育顺序，针对断阶带设计了两个系列的物理模拟实验模型。从不同湿度的沙、黏土、沙泥混合物中优选出干黏土作为实验材料，详细记录了实验过程，并做出相应的地质解释。实验结果表明：黄珏南地区阜宁早期在拉张力的作用下形成了东西向的断层，构成了断阶带的基本构造格架，阜宁晚期在拉张力和差异升降运动的共同作用下发育了近南北向的次级断层。另外,还讨论了实验模型的设计方法对实验结果的影响。

高邮凹陷；断阶带；断裂；模拟实验；差异升降

构造物理模拟是探讨自然界地质构造形成及演化的有效方法，已在构造成因机制方面的研究中得到广泛的应用。目前，物理模拟实验的设计大多比较重视模型的剖面演化[1-10]，而针对平面的实验相对较少[11-14]。黄珏南地区位于高邮凹陷南部断阶带中，夹持在真①断层和真②断层之间。该地区构造变形强烈，断层走向复杂多变，不同规模的断层相互叠加，导致断层平面组合关系不明确。因此，有必要通过对该地区进行平面物理模拟实验来重现构造变形演化史，探讨断层的成因机制，分析断层的组合关系，以实现本区地震剖面的精细解释。

1 地质概况及构造分析

高邮凹陷在构造上属于苏北盆地东台坳陷中部一个次一级凹陷，是在始新世末的吴堡运动基础上发展起来的，具有南断北超、南深北浅、南陡北缓的箕状结构[15]。真武断裂带包括真①断层、真②断层和一些与其平行、同性质的正断层，是高邮凹陷的南部边界，同时也是苏北盆地的南部边界断裂带，分隔了苏北盆地和苏南隆起区。真武断裂带的总体走向为北东-北北东向，倾向为北西向，总长度约为80 km。黄珏南地区位于真武断裂带的西段，是一个复杂的断块区（图1）。工区内自下而上分别发育有上白垩统泰州组(K2t)、古新统阜宁组(E1f)、始新统戴南组(E2d)、始新统三垛组(E2s)、上新统至中新统盐城组(Ny)以及第四系东台组(Qd)等地层。

图1 高邮凹陷构造区划图Fig.1 Structural sketch of the Gaoyou Depression

黄珏南地区T33反射层（E1f1的顶）上断层均为正断层，东西向和近南北向两组不同走向的断层构成了该地区主要的断裂系统（图2）。分析该地区的断层规模和走向可以看出，东西向断层规模较大，延伸较长，而近南北向小断层规模小，延伸距离短，且被东西向断层限制中止。这些近南北向的次级断层的成因问题一直没有得到合理的解释，给油田的生产实践带来了困难。笔者通过观察工区东西向地震剖面的构造解释，提出了一种可能的解释方案：黄珏南地区阜宁组地层在东北部是一个挠曲地段（图3），该地段在阜宁期由于差异升降运动产生了一系列正断层，其走向与挠曲面平行[16]，故应为近南北向。

图2 黄珏南地区阜宁组地层断裂分布Fig.2 Distribution of faults in Huangjuenan area during Funing tectonic stage

根据上述分析，黄珏南地区构造平面特征主要表现在以下几方面。

（1）真①断层作为一级控盆断层，在阜宁期之前已经存在，并作为边界断裂在阜宁期影响着次级断层的发育。

（2）东西向断层作为工区内较大的断层，延伸长，基本上呈平行式组合。

（3）近南北向断层规模小，延伸短，限制中止在东西向断层之间，且东北部发育较为密集。

本次物理模拟的对象处于阜宁期，此时整个苏北盆地正处于伸展断陷期间，且一级大断层真①断层在该地区的走向为东西向，区域应力场的方向应为近南北向的拉张。其复杂的构造产状除了受边界断裂影响之外，还受到差异升降运动作用的影响。通过分析现有的资料，结合以往物理模拟的经验，对其平面设计出一组沿综合考虑拉张力和重力差异影响的实验。

2 实验因素的选取

2.1 模型几何尺寸的确定

构造模拟实验中，模型规模应该且必须依据原形的长、宽、高按比例缩小而确定，这是提高实验可信度和精度的重要环节之一。

实验中确定的长、宽、高几何尺寸相似系数必须是一致的，切不可长、宽和高各自为独立的常数系数，否则实验模型与原型之间构成畸形初始状态。同时模型的规模不宜过大或过小，过大不仅耗费实验材料，同时施加驱动力的实验装置也相应地成比例增大；过小不仅实验初始模型不易制作，同时驱动力与变形之间的关系难于表征。

黄珏南地区实际地质模型的大小为10 km×7 km×3 km，根据经验长度相似因子CL＝10-5，确定此次实验模型的规模为10 cm×7 cm×3 cm。

2.2 材料的选取

在实验材料的选择上，由于岩石的抗张强度比较小，各岩石间的强度相差更小，按照相似因子换算到物理模型中时基本上可以忽略，因此可以不考虑岩石层间的差异，以均匀的介质为材料。研究表明，实验材料中滚动颗粒（如沙）的含量增加有利于断裂的产生，但不利于断裂在平面上的保存，介质的湿度明显影响断裂的发育程度，湿度大不利于断裂产生。在针对平面构造的模拟中，颗粒小、粒间吸附力大的干黏土优于粒度较大的干沙作实验介质[12]。通过对泥、湿沙、沙泥混合介质、干沙、干黏土的多次实验对比，验证了上述观点，所以该实验使用干黏土作为实验材料。

图3 据地震剖面解释的黄珏南地区构造剖面图Fig.3 Structures of major sections in the Huangjuenan area based on seismic profile

2.3 作用时间的确定

在实验室中按地质历史时期再现地质运动与构造变形是不可想象和不可能的，但却可以从材料的应力、时间与变形的关系式中找出作用力的时间常数，从而达到实验过程中形变与时间的对应关系与实际地质情况相吻合。

依据实验经验，选择实验中的1 min代表自然界中的1 Ma，即时间相似因子Ct＝10-10。本次实验模拟从泰州组沉积初期大约27 Ma以来一系列构造运动及变形情况，通过时间相似因子的确定，实验大约持续27 min左右。

2.4 边界条件的确定

研究表明边界几何条件和裂陷伸展方向是控制裂陷盆地伸展构造形成特征的关键因素[17,18]，它不仅决定了构造的剖面样式，而且控制构造的平面展布特征及三维变化规律。应依据研究区域构造演化史和地质背景，建立实验模型边界条件，并使之力求与实际地质背景相吻合。

3 实验模型及结果分析

3.1 基底差异沉降裂陷伸展模型

模型固定端由泥块塑成，其边界形状由真①断层简化而来；通过与驱动端相连的基底弹性胶皮的伸展变形来实现盖层变形，胶皮一端覆盖在固定端之上，另一端与驱动端相连；在模型底部放置一个刚性块来实现基底差异沉降作用，即刚性块之上为地层相对高部位，而其他地区为低部位，中间的过渡部分作为挠曲（图4）。

依据上述的基本设计要求，调整基底结构特征做了多次实验，实验结果与工区实际情况存在明显差异。该模型的变形主要受拉张力作用所控制，所以可以形成延伸较长的东西向断层，且这些断层受隆起区影响，走向上有些许改变，而且在实验过程中能够出现些许南北向小断层，这与实际情况有一定的相符之处。但由于隆起区的位置太过固定，导致断层无法向预期的方向展布，且近南北向断层的发育位置与实际偏离过大。更严重的问题是，在挠曲部位，由于存在裂陷作用，先期形成的一些小断层后来都被覆盖，影响了解释效果（图5）。

3.2 上拱作用叠加伸展模型

3.2.1 实验模型的设计

由于上述模型存在诸多问题，所以需要通过分析原因并加以改进。差异升降运动的关键问题在于地层沉积过程中在不同地区所体现出的垂向上的相对运动方向有所差异，故而可以考虑利用上拱力施加在地层的高部位以期达到相同的效果。根据这一设想，在第一个模型基础上设计了一套综合拉张作用及上拱力作用的模型（图6）。在模型底部设计一个可自由活动的连动杆用以施加上拱力，这样可以调节上拱力施加的部位，用上拱作用替代第一个模型中的刚性块体，其它设计保持不变。

3.2.2 实验过程及解释

图4 基底差异沉降裂陷伸展模型Fig.4 The model of differential uplifting-subsidence with rifting extension substrate

图5 基底差异沉降裂陷伸展模型实验结果Fig.5 The experimental results of the differential uplifting-subsidence with rifting extension substrate

图6 上拱作用叠加伸展模型Fig.6 Unwrapping-extending model

依据之前选定的各种实验条件进行黄珏南地区构造物理模拟实验，若实验结果与实际情况不符，则需要调整上拱力施加部位，重新进行实验。经过反复实验，选出一组结果最为理想的实验，对实验中每一步的现象做地质上的对应，并给出合理的地质解释。其中实验过程按时间顺序分四步给出：

图7 上拱作用叠加伸展模型实验结果Fig.7 The experimental results of the unwrapping-extending model

（1）8 min后的模型。通过施加南北向的拉张，模型在拉张力的作用下伸展，最初沿固定端的弯曲边界产生断裂（图7(a)、7(b)）。这一过程相当于实际地质历史时期中真①断层的形成，接下来的实验便是在真①断层存在的情况下，模拟阜宁期黄珏南地区的构造变形。

（2）18 min后的模型。继续拉张，并施加轻微的上拱力，真①断层北部产生了一系列东西向和近东西向的次级断层，此时断层规模都较小（图7(c)、图7(d)）。这个过程相当于阜一期的作用时间，模型中的几条断裂相当于真①断层与真②断层之间的次级断层。由于此时沉积地层厚度相对较薄，差异升降运动并不是十分明显，故只施加轻微的上拱力。将模型上断裂出现的位置与现有的构造图进行比较可以发现，此时产生的一系列断裂层相当于真①断层与真②断层之间的2号、4号、5号及6号次级断层。

（3）23 min后的模型。持续拉张，并慢慢加大上拱力，东西向断层继续发育，基本上呈平行分布，断阶带基本构造格架形成（图7(e)、图7(f)）。该实验过程对应于阜二期作用时间。从模型上可以看出，此时真①断层与真②断层之间的东西向断层已经基本全部出现。

（4）27 min后的模型。拉张力继续施加的同时，加大上拱力，东西向断层之间派生出一系列南北向小断层，将模型分割成许多小断块（图7(g)、图7(h)）。该阶段相当于阜三期和阜四期作用时间。阜宁末期的吴堡运动导致工区沉积速率大于沉降速率，地层整体抬升，差异升降运动不可忽视，故需施加较大的上拱力。随着拉张作用和上拱力作用的不断进行，黄珏南地区发育了许多南北向断层，这些断层与先期形成的东西向断层共同将工区分割成断块区，黄珏南地区的构造格架至此已经基本形成。

3.2.3 实验结果分析

将本实验的模拟结果与实际工区的地质模型进行对照，可以看出，工区内规模较大的东西向断层在模拟结果上都得到了体现，近南北向的小断层在发育位置和形态上也有一定的相似性（对比图2）。通过物理模拟实验总结出的工区内断层发育特点是：（1）真①断层早在阜宁期之前就已出现，并对阜宁期的断层发育起到控制影响作用；（2）阜宁早期在拉张力的作用下形成了一系列东西向断层，这些断层呈平行式组合，构成了断阶带的基本构造格架；（3）阜宁晚期在拉张力和差异升降运动的共同作用下发育了近南北向的小断层，这些断层与先形成的东西向断层将工区分割成复杂的断块区。

4 结论与认识

（1）根据区域构造分析和物理模拟实验结果表明，黄珏南地区之所以成为一个复杂断块区，是由于阜宁期受到南北向的拉张和差异升降运动的共同作用。南北向的拉张产生了东西向断层，而拉张力与差异升降运动共同产生了近南北向小断层。

（2）通过物理模拟实验重现了工区的构造变形史，阐明了断层形成的先后顺序，并验证了不同级别断层的相互关系。阜宁早期，工区发育了平行组合的东西向断层，而到了阜宁晚期，才出现近南北向断层，且被东西向断层限制中止。

（3）对于差异升降运动的构造物理模拟实验，若要通过直接塑造挠曲地层来实现，这是非常困难的。而通过对地层高部位施加上拱力来等效基底差异造成的相对运动，则比较容易实现，是一个行之有效的办法。

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Physical Modeling of the Structures by Differential plifting-subsidence Movement and Its Implication for Formation of the Structures in Huangjuenan Area

WANG Tong-da1,DAI Jun-sheng2,ZHANG Ji-biao2,ZHANG Zhen3,CHEN Hong-lei4,SHANG Lin2
（1.Geological Research Institute,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying Shandong 257015,China;2.China University of Petroleum,School of Geosciences,Qingdao Shandong 266555,China;3.Geological logging company,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying Shandong 257015,China;4.Institute of Geology Oilfield,Heavy Oil Production Company,Xinjiang Oilfield Company,China National Petroleum Corporation,Karamy Xinjiang 834000,China）

Two sets of physical simulation experiments are designed for studying the plane combination and the development sequence of the faults in Huangjuenan area during Funing tectonic stage.Dry clay is chosen as the experimental material from the sand,the clay and their mixture with moisture.It is concluded from the results of experiment that Huangjuenan area is made up of east-west faults in early Funing period because of extensional stress,which constitutes the basic structural frame of step-fault zone,and develops almost south-north small faults due to extensional stress and differential uplifting-subsidence movement in the late stage of Funing period.In addition,the influences of the design of the experimental model on the experimental results are studied.

Gaoyou Depression;step-fault zone;fault;simulation experiment;differential uplifting-subsidence

P542+.3

A

1672－4135（2011）04－0268-06

2011-05-29

国家科技重大专项“精细油藏描述技术及剩余油赋存方式研究”（2011ZX05011-001）

王彤达（1986-），男，助理工程师，2011年毕业于中国石油大学（华东）地质学专业，主要从事油气勘探方面的科研工作，E-mail：wangtongda@sina.com。