伸展断层相关褶皱恢复方法及应用

任启强，戴俊生，徐珂，商琳，王硕，刘超

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛266580；2.中国石油冀东油田研究院，河北 唐山063004）

断层相关褶皱是指褶皱的成因与断层活动密切相关，是自然界中比较常见的现象［1］。Suppe［2］首次将断层转折褶皱定量化，建立了挤压环境下褶皱形态与断层滑动和断层形态之间的定量关系。学者们进一步建立和完善了挤压环境下的断层相关褶皱的几何学和运动学模型，对伸展断层相关褶皱的几何学和运动学特征进行分析，并为解析复杂构造和含油气盆地的研究提供了指导。研究发现，伸展环境下同样可以产生断层相关褶皱。但是，前人主要集中研究断层相关褶皱的形成机理和模型模拟过程，对断层相关褶皱的恢复方法的研究尚不够全面，仍没有统一认识。笔者从恢复原理出发，总结出适用不同环境下断层相关褶皱的恢复方法，重点是伸展断层相关褶皱的恢复手段，试图模拟2D和3D 环境下伸展断层相关褶皱的恢复，将其应用于具体工区，对油田的勘探工作具有一定的指导意义［3］。

1 断层相关褶皱分类

断层相关褶皱的分类有很多种，根据断层的性质，可以分为冲断作用的断层相关褶皱和伸展作用的断层相关褶皱。

1.1 冲断作用的断层相关褶皱

冲断作用下的断层相关褶皱主要有断展褶皱、断弯褶皱和断滑褶皱［4］。断展褶皱（即断层传播褶皱）是指由冲断层终端扩展所形成沿着断坡向上变为未错断的岩层。断展褶皱和断坡大致同时形成，所以一般不对称，前翼陡，后翼缓（见图1a）。断弯褶皱（即断层转折褶皱）指冲断岩席在断坡上滑动而产生的褶皱，褶皱在断层形成之后形成（见图1b）。断滑褶皱（即断层滑脱褶皱，也称滑脱褶皱）是指发育在顺层滑脱面上或冲断面上的褶皱，与断展褶皱类似，也产生于断层终端，但冲断层是断坪，褶皱不需要断坡，形成于断层产生之前（见图1c）。滑脱褶皱需要塑性滑脱层，这些塑性层能充填由褶皱底部产生的空间。滑脱层是无根的，并且常是不协调的［4］。

图1 冲断作用的断层相关褶皱

1.2 伸展作用的断层相关褶皱

伸展作用的断层相关褶皱主要包括伸展断层传播褶皱和伸展断层转折褶皱。伸展断层传播褶皱（见图2a）是伸展环境中一种重要的褶皱类型，是由于隐伏基底正断层活化向上传播而引起上覆地层发生的弯曲［5］。该类褶皱在形态上具有不对称性，前翼比较陡窄，后翼较宽缓；在断层面两盘的活动边界形成一个三角形区域，在区域内，发生任意变形，即不均一变形；三角形区域外，不发生变形，离断层越近，变形越强烈，褶皱越紧闭。伸展断层转折褶皱（见图2b）是由于断层面的角度发生变化，导致岩层产生弯曲，如反冲断层向斜［6-9］。此外，伸展作用下的断层相关褶皱类型还包括牵引褶皱、逆牵引褶皱、 反转构造和压实披盖褶皱等 （见图2c，2d，2e）。

图2 与伸展作用有关的断层相关褶皱

2 断层相关褶皱恢复方法

Wilkerson［10］实现了把断层相关褶皱从2D 向3D的转换，何登发等［11］用正演方法对三角剪切断层相关褶皱进行了相应的研究和恢复，张猛等［12］对斜向逆冲断层相关褶皱进行了正演法建立模型和恢复研究，吴时国等［13］对褶皱恢复方法进行了研究。笔者将对伸展断层相关褶皱和挤压断层相关褶皱的恢复方法分别进行阐述，重点介绍伸展断层相关褶皱的恢复手段。

2.1 伸展断层相关褶皱恢复方法

2.1.1 斜剪切法恢复断层相关褶皱斜剪切法主要用来针对伸展作用下的断层相关褶皱进行恢复，斜剪切将断层的几何特征和断层上盘的变形特征加以联系进行分析。斜剪切法在正演时先扩展上盘，通过上盘的运动形成空隙区（见图3a），上盘地层由于自身重力作用易形成滚动背斜，即逆牵引褶皱。斜剪切法可以通过控制褶皱作用消除断层上下两盘的断距，实现该过程的反演恢复（见图3b）。斜剪切法假定在变形过程中，沿着上盘的一系列平行剪切钉线（钉线方向可以与断层面垂直、同向或者反向，钉线是上盘地层与断层面之间的连线）发生，其水平距离由水平断距的参数确定，剪切钉线的长度保持不变，断层面的地形传递给上盘地层成为褶皱。

采用斜剪切法进行反演恢复时，上盘地层沿着剪切钉线的方向进行运动，消除断距作用和上盘形成逆牵引褶皱过程中的褶皱作用。斜剪切法需要遵循2 原则：体积守恒原则，保持地层体积不变；长度不变原则，保持剪切的矢量长度（断层和上盘的标志层沿剪切矢量方向的距离）不变。

2.1.2 恢复到基准面的方法

恢复到基准面的方法是指允许地层在垂向上恢复到一个预基准平面（即目标水平层面）或者目标表面，恢复过程中主要考虑垂直剪切作用（见图3c，3d），适用于断距恢复之后或者没有断距的相关褶皱，一般在斜剪切方法恢复断距后采用。恢复过程中，模板层发生变化被展开，被动层位与模板层之间对应点的垂直距离保持不变。恢复过程需遵循恢复前后的层位体积保持不变的原则，恢复前后去褶皱方向上的长度会发生变化，层位的面积会发生相应的变化。

2.2 挤压环境恢复方法

2.2.1 弯曲去褶皱

弯曲去褶皱恢复方法适用于近似平行褶皱，其内部的平行滑动系统起着十分重要的作用，滑动系统控制着其他层的去褶皱，并保持厚度变化。去褶皱时仅沿着钉线或钉面（去褶皱作用的中心面，该面所有点不发生去褶皱作用）平移到基准面，钉线或钉面和与它们相交的点不去褶皱或剪切。钉线应和褶皱的轴面对应，或方位与地层垂直。弯曲滑动分量随离开钉面的距离而减少，而平行剪切分量随之增加（见图4）。弯曲去褶皱方法遵循： 模板层的长度在去褶皱这个方向上保持不变；面积守恒原则；厚度基本保持恒定。

2.2.2 断层平行流法

断层平行流法是依托于颗粒沿着断层斜面流动的思想进行的，断层面被分割成许多不连续的倾斜层段，当遇到倾角变化的位置时，标记一个平分线，断层平行流的流线是由距断层面等距离的点连接构成的，这样下来断层两侧的相关褶皱都由一层一层平行的流线组成，上盘的地层颗粒将沿着这些流线运动，进而恢复断层形成和运动过程中的褶皱作用，从而达到恢复断层相关褶皱的目的。断层平行流主要是针对处理在收缩褶皱和冲断带的复杂断层的形态，但是同样适用于伸展作用下的滚动背斜（犁式断层之上产生）。

图3 伸展断层相关褶皱恢复方法示意

图4 挤压断层褶皱恢复方法示意

3 实例应用分析

3.1 3 号构造断层剖面特征

南堡凹陷位于华北板块东北部，燕山台褶带南缘，是渤海湾盆地北侧的一个经中、 新生代块断活动发育起来的小型断陷富油气凹陷［14］。凹陷地处渤海湾盆地北东向构造与北西向构造的交会部位，控制凹陷的西南庄和柏各庄断层是张家口—蓬莱断裂带的组成部分，凹陷东部为郯庐断裂带，西部为沧东断裂带［15］。

南堡凹陷3 号构造西部以南倾断层控制为主，发育部分北倾次级断层（起斜向调节作用），主控断层具明显分段性，下部断层密度小，为单剪，上部断层密度大，为纯剪，以Es1为界划分为2 套构造体系，北部的主控断层发育逆牵引构造；中部主要发育典型的“X”型拉张构造，剖面上部呈“白菜心”式断层组合，为地堑构造，下部2 条主控断层中间表现为差异补偿背斜，在Es1末期发生构造反转，为负反转，Ed3沉积中期重新拉张；东部主要为阶梯状断层，主控断层长期活动，地层分为上下2 套沉积体系，阶梯状断层发育在垂向剪切作用下，形成首尾相接的雁列式组合。

3.2 2D 环境下恢复手段应用

2D环境下模拟主要选取了Ng—Nm，Ed1，Ed2，Ed3，Es1，Es2和Es3等7 套地层进行恢复 （见图5），断层是由于近南北向伸展作用形成的正断层，形成明显的断距，断层的上盘发生轻微褶皱现象，结合“地层回剥”的思想，运用斜剪切的方法对此类伸展断层相关褶皱进行断距的恢复，断距恢复之后采用恢复到基准面法生成某套地层沉积之前的构造，最终形成南堡凹陷3 号构造该地震测线下的构造演化过程图（见图5）。

3.3 3D 环境下恢复手段运用

根据提供的南堡凹陷3 号构造位置的三维地震数据体，导入地质软件，建立相应的三维地质模型体。具体恢复步骤如下：1）采用斜剪切方法对每条断层进行断距恢复；2）弯曲去褶皱法或者恢复到基准面法恢复到水平基准面；3）对下面地层重复1，2 步骤，直到完全恢复。当然在每套地层恢复过程中，需要考虑其剥蚀量和压实程度，并进行相应的去压实，在此不作介绍。

图5 南堡地区3 号构造构造演化过程

结合“地层回剥”的思想，进行一层层的恢复。Ed1和Ed2两套地层正断层起主控作用，且产生明显的断距，运用斜剪切法进行反演恢复此类成因的断层相关褶皱的断距（见图6b，6d），利用恢复到基准面的方法进一步消除变形、 剥蚀得到某套地层沉积之前的构造模型（见图6c，6e）。Ed3—Es2地层中褶皱作用强于断层作用，地层中间呈背斜形态，运用弯曲去褶皱法恢复褶皱作用较强的地层（见图6f），恢复后Es1和Es2地层褶皱作用减弱，正断层起主控作用，方法与Ed1地层恢复相似。

图6 3D 环境下断层相关褶皱恢复过程

结合2D 和3D 环境下的恢复过程，得出3 号构造主要经历伸展—挤压—伸展的构造运动环境，在Es1末期发生一次反转，为负反转，在Ed3沉积期间重新转为拉张环境。2D 判断主要根据地层的伸展量，3D 判断依靠地层的厚度、长度（地层伸长、减薄受到拉张，缩短、变厚经历挤压）。

4 结论

1）断层、褶皱作用程度不同的相关褶皱恢复要采用适当的恢复方法，伸展断层相关褶皱最主要的恢复方法是斜剪切法，挤压环境形成的断层相关褶皱，主要采用断层平行流法和弯曲去褶皱的恢复手段，具体手段视模型的实际情况而定。

2）恢复结果表明南堡凹陷3 号构造主要经历了伸展—挤压—伸展的构造运动环境，Es1末发生构造反转，为负反转，Ed3沉积期间重新拉张。

3）斜剪切等方法适合比较理想的断层发育模式，对于断层十分发育、 复杂的地区，应该如何准确地恢复，需要进一步进行研究。

4）与常用的平衡剖面法进行比较，该方法操作简单，准确度高，可重复操作性强，主要是借助于软件进行恢复，适用于伸展作用的相关褶皱的演化过程恢复，对油田的勘探开发具有一定的指导意义。

［1］何登发，Suppe J，贾承造.断层相关褶皱理论与应用研究新进展［J］.地学前缘，2005，12（4）：353-364.

［2］Suppe J.Geometry and kinematics of fault-bend folding ［J］.American Journal of Science，1983，283：684-721.

［3］邬光辉，罗春树，胡太平，等.褶皱相关断层：以库车坳陷新生界盐上构造层为例［J］.地质科学，2007，42（3）：496-505.

［4］戴俊生.构造地质学及大地构造［M］.北京：石油工业出版社，2006：347-348.

［5］祁鹏，张俊霞.伸展断层传播褶皱研究现状［J］.高校地质学报，2009，15（3）：351-357.

［6］苏金宝，朱文斌，贾东，等.伸展断层相关褶皱的几何学分析及其在车镇凹陷中的应用［J］.地质学报，2011，85（10）：1563-1573.

［7］樊俊雷，曹远志，韩伟.伸展断层相关褶皱作用研究进展［J］.内蒙古石油化工，2009，35（22）：6-7.

［8］王胜利，卢华复，李刚，等.南黄海盆地北部凹陷古近纪伸展断层转折褶皱作用［J］.石油与天然气地质，2006，27（4）：495-503.

［9］陆克政.大地构造及油区构造基本教程［M］.东营：石油大学出版社，2001：245-248.

［10］Wilkerson M S，Fischer M P，Apotria T.Fault-related folds：The transition from 2-D to 3-D［J］.Journal of Structural Geology，2002，24（4）：591-592.

［11］何登发.三角剪切断层传播褶皱作用理论与应用［J］.地学前缘，2007，14（4）：66-73.

［12］张猛，贾东，王毛毛，等.斜向逆冲断层相关褶皱的正演模型与实例分析［J］.地质论评，2013，59（6）：1207-1217.

［13］吴时国，王秀玲，季玉新，等.3DMove 构造裂缝预测技术在古潜山的应用研究车［J］.中国科学：D 辑，2004，34（9）：818-824.

［14］黄曼宁，董月霞，庞雄奇，等.南堡凹陷构造型油气藏分布主控因素及预测方法［J］.石油与天然气地质，2012，33（5）：695-704.

［15］田涛，蒋有录，万涛，等.南堡凹陷断裂发育特征及其演化机制［J］.断块油气田，2012，19（4）：409-413.