苏北盆地高邮凹陷深凹带生长断层特征与主控因素分析

顾玉超,戴俊生

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580)

0 引 言

生长正断层是盆地内伸展构造的主要表现形式。正断层的生长体现在倾向上断层位移的累积和走向上断层长度的增加(Anders and Schlische,1994)。断陷盆地中规模较大的生长正断层通常具有分段性,其生长过程表现为早期各断层段通过一个或多个中心独立生长发育,晚期断层段之间互相连接使断层在运动学和动力学上形成一个整体(Gupta and Scholz,2000;Cowie and Roberts,2001;Mansfield and Cartwright,2001;Young et al.,2001;Gawthorpe et al.,2003;Schlagenhauf et al.,2008)。断层的生长特征对认识盆地演化及油气勘探具有重要意义(窦立荣,2000;王林等,2011)。

苏北盆地高邮凹陷深凹带是高邮凹陷的重要油气富集区,高邮凹陷深凹带在古近纪多期伸展构造运动的作用下,发育了多条走向多变,活动强烈的油源断层,控制了深凹带的演化及油气运聚成藏。对于这些走向多变断层的生长特征以及控制其发育的构造因素,目前尚无明确的认识。因此,本文在高精度三维资料解释的基础上,确定了各断层的几何学特征,并根据断层的位移-长度曲线和断层落差对断层的生长过程进行了定量分析,进而结合构造应力场数值模拟分析探讨了断层生长的主控因素。

1 区域地质及构造背景

苏北盆地位于扬子板块下扬子区,北临苏鲁造山带,东接郯庐断裂,南邻通扬隆起,是在中古生界基底上发育起来的中-新生代断陷盆地。盆地由北向南依次为盐阜坳陷、建湖隆起和东台坳陷,形成“两坳一隆”的构造格局,其中位于东台坳陷南部的高邮凹陷是苏北盆地最大的油气富集区。高邮凹陷中的次级构造单元由南向北依次为南断阶、深凹带和北斜坡(图1)。研究区所在的深凹带是一个由北倾的真②断层与南倾的汉留断层所夹持的地堑构造,在高邮凹陷内呈NEE向线状延伸,至吴堡断裂带西端终止。

图1 研究区断层系统与构造位置图Fig.1 Faulting system and structural location of the study area

晚白垩世末期仪征运动是苏北盆地区域坳陷成盆期向拉张断陷箕状盆地机制转换的转折点(舒良树等,2005;陈安定,2010)。晚白垩世至古新世,高邮凹陷进入分散断陷时期,断裂以北倾的阶梯状正断层组合为特点,凹陷内沉积了较厚的古新统泰州组和阜宁组,阜宁组沉积末期的吴堡运动使盆地内早期沉积经受了少量的剥蚀(刘玉瑞等,2004;朱光等,2013)。吴堡运动后,高邮凹陷进入集中断陷时期,断裂活动集中在地堑式的深凹带内,其间充填了巨厚的始新统戴南组和三垛组,此时高邮凹陷的结构发生明显的分异,南断阶、深凹带和北斜坡的构造格局基本定型。始新世末期区域性挤压事件三垛运动使盆地整体抬升,造成渐新世沉积间断(刘玉瑞等,2004;舒良树等,2005;陈安定,2010)。至新近纪盐城组沉积期高邮凹陷的构造活动逐渐收敛,高邮凹陷进入稳定沉降发育时期(表1)。

2 断层几何学特征

高邮凹陷深凹带以北倾的真②断层为南界,如图1所示,真②断层是由三段相对独立的断层拼接而成,自西向东分别为真②-1断层、真②-2断层和真②-3断层(李宝刚,2008)。其中真②-3断层延伸长、活动强、几何形态复杂,是研究区的边界断层也是本文的主要研究对象。通过高精度三维地震数据的解释还原出真②-3断层(以下均称真②断层)现今三维断面形态(图2)。真②断层在走向上呈宽缓波状弯曲,整体 NEE向延伸,基本平行于控盆的边界断层真①断层的走向。沿走向方向真②断层由NWW向和 NE向的断层段交替出现,相互拼接组成内凹断面和外凸断面交替排列的断面形态。

表1 研究区地层与构造运动简表Table1 Stratigraphic and tectonic movements of the study area

图2 真②断层断面形态及分段图Fig.2 Fault plane morphology and fault segmentation of the Zhen 2 fault

按几何形态真②断层可以划分为四个亚段:第一亚段位于断层西端,走向 NEE转为 NWW,为一倾角相对较缓的断面坡;第二亚段位于断层西侧,走向 NEE,断面上陡下缓呈铲式,深部交于真①断层之上,该亚段在工区内切割深度最大,约 6 km;第三亚段位于断层东侧,走向 NE,为一陡倾的断层瀑布面,向东倾角逐渐变缓,南侧与纪 3断层相交;第四亚段位于断层东端,走向 NW,与第三亚段的东侧相连构成外凸的断面缓坡,向东交于盆地的另一条边界断层吴①断层之上(见图1、2)。

真②断层的上盘发育有多条走向多变的的次级断层(图1)。对次级断层各段走向的统计表明(图3),次级断层由NEE走向和近EW走向的断层段交替出现。其中NEE向的断层段数量与近EW向断层段数量基本相同,这些断层段平面上相互连接呈锯齿状,走向上延伸较远,剖面上大多上陡下缓呈铲式。

3 断层生长特征

3.1 断层生长特征的定量研究方法

断层的生长是断层面在空间内不断扩张的结果,对于断层生长的定量研究的最重要的方法是断层的位移-长度曲线法,该方法将断层的二维研究扩展到三维(董进等,2004;王林等,2011)。断层的位移-长度曲线是以断层的轨迹长度为横坐标,以断层的视位移量(地震测线上计算的断层的两个相当点的欧式距离)为纵坐标,定量反映断层的位移量沿走向变化的研究方法。目前一般认为,断层的位移-长度关系是D=cLn,其中n变化很大,且断层发育不同时期具有不同的数值(Kim and Sanderson,2005)。

断层落差法是根据生长正断层上下两盘的地层厚度不等提出的定量分析断层活动性的方法,其定义为下降盘地层厚度与上升盘地层厚度之差(赵勇和戴俊生,2003)。在精细的地震解释基础上,本文计算了各地震测线位置的断层位移和断层落差沿断层走向变化的特征,定量的恢复了研究区边界断层和次级断层的生长特征。

图3 次级断层各段走向玫瑰花图Fig.3 Strike rose diagram of the secondary faults

3.2 边界断层生长特征

由上述方法计算真②断层的位移-长度关系(图4a),真②断层在始新世戴南期形成时,位移长度曲线表现为剧烈变化的锯齿形,具有六个极值,可分为六个小的亚段,表明真②断层的形成初期具有六个小的生长中心,其中第 2、3亚段的位移量最大,分别为1927 m和2134 m,各段的相接的位置位移量相对较小。真②断层位移大的位置伴随着强的断层活动,体现在其断层落差相对较大(图4b),如 2、3亚段断层落差分别达到1363 m和1509 m,而断层位移量较小的位置断层落差没有出现高值,表明在各断层段之间的位置断层的活动性较弱。断层沿多个中心同时生长,各条断层分支保持独立的生长特征,在几何形态上没有发生明显的硬连接。

图4 真②断层生长特征图Fig.4 Growth characteristics of the Zhen 2 fault

当断层演化进入始新世三垛期时,戴南期各条断层分支相连的部位的活动性显著增大,3、4亚段连接处断层落差值为1288 m;4、5亚段的连接处断层落差值为1421 m,其余各相连处的断层落差均有不同程度的增加。戴南期位移-长度曲线上的位移亏损点(位移-长度曲线上的位移极小值处)的强活动性表明:3、4、5亚段发生断层硬连接成为一个整体,形成了真②断层的第三亚段。四个亚段之间的三个连接位置断层落差的增加表明真②断层在三垛期发生硬连接,但各亚段在连接初期运动学上保持相对独立。

断层的剖面形态也反映了断层的生长特征(剖面位置见图1):在始新世戴南期,真②边界断层位移量大,剖面形态成板式,显示出真②断层在形成初期快速成核、生长的特征。进入始新世三垛期后,断层的位移量与戴南期相近,真②边界断层剖面形态由板式转化为铲式,断层生长特征表现为在戴南期基础上的位移量持续增大,断层继续快速生长。至新近纪盐城期真②边界断层位移量小,表现为少量的继承性生长(图5)。

真②断层的总的位移长度曲线显示,真②断层现今的 4个亚段中,其中三亚段位移量最大,在古近纪的活动性也最强,这与真②断层在断面形态上具有非常一致的匹配性:断层位移极大处代表断层的生长中心,断层位移极小处代表断层的连接点,体现为断面形态上断面走向和倾角的突变点。同时,分段发育的正断层上在位移极小处形成横向凸起,位移极大处形成向斜(孙思敏,2003;李宝刚,2008)。因此,体现在深凹带的结构上,第一、三、四亚段的位移极大处分别形成了邵伯、樊川、刘五舍三个次凹,位移与对应次凹的沉降幅度呈正相关;第一、二亚段连接处和二、三亚段连接处以及三、四亚段连接处分别形成了真武-曹庄构造带、肖刘庄构造带和富民背斜带三个正向构造带(图1)。

3.3 次级断层生长特征

研究区内的次级断层延伸距离较长,活动较强,切穿主力烃源岩层,是划分断块和控制油气分布的重要断层。对于次级断层的生长特征,分析选取了工区内两条走向多变,规模较大的生长断层——F2和F4断层,对其位移-长度关系进行了分析(图6a)。

图5 断层生长剖面图Fig.5 Cross sections for the fault growth

图6 次级断层位置(a)及位移-长度关系(b)图Fig.6 Location (a)and displacement-length curves of the secondary faults (b)

F2断层位于工区中部,走向上由 NEE向和近EW向交替出现,断面上陡下缓呈铲式,深部逐渐收敛于真②断层。F2断层的位移-长度曲线显示(图6b),F2断层在戴南期形成时有三个小的生长中心,三垛期互相连接形成两个亚段。断层的位移最小值出现在 EW 走向段的 840测线处,位移最大的两个极值出现在 NEE走向段的 801测线和 901测线处。F4断层位置与F2断层接近,走向呈由NEE向和近EW向交替出现的锯齿形(图6b)。F4断层的位移长度曲线显示,四号断层在戴南期由三个独立生长中心,三垛期位移比较均匀,总位移特征与戴南期相似,位移极小处位于近EW走向段的881和901测线处,位移极大值位于NEE走向段的870和921测线处。

联系 F2、F4断层的走向变化图(图6a),在位移长度曲线上出现位移亏损的测线位于近EW的走向段,而位移的极大值出现在 NEE向的走向段,因此这些次级断层在发育的过程中,NEE走向的断层段首先发育,近EW向的断层段发育晚,对NEE向的断层段可能起到连接的作用。

4 断层生长的主控因素分析

4.1 区域应力状态

区域构造应力的方向是影响断层发育的最重要的因素。高邮凹陷晚白垩世以来经历了多期构造变化,并主要受控于东部太平洋板块的运动(朱光等,2001)。高邮凹陷下构造层沉积期(泰州期-阜宁期),受太平洋板块斜向高角度俯冲的影响,高邮凹陷处于弧后扩张环境,地幔上涌岩石圈减薄使区域产生了NNW-SSE方向的伸展,形成了NEE走向的高邮凹陷,同时下构造层的断层形迹也显示NEE向断层占绝对优势(侯明金等,2007;朱光等,2013)。古新世末期吴堡运动后,高邮凹陷中构造层沉积期(戴南-三垛期)区域的构造应力方向发生轻微偏转,转为近SN向,体现在 NEE向的真②边界断层出现走滑分量,形成三条右旋右列的分支。此时近 EW 向的断层活动强度有所上升,这可能是由于太平洋俯冲角度变化(相当于三垛期,50 Ma)以及郯庐断裂右旋活动派生的近SN向的伸展应力场有关(朱光等,2001;能源等,2012)。

4.2 边界断层生长的控制因素

伸展边界的形态是影响伸展盆地构造形成特征的主要因素(周建勋和漆家福,1999;周建勋,2000;王玺等,2013)。为研究高邮凹陷真①控盆边界断层的作用,采用了有限元法对始新世戴南期的构造应力场进行了数值模拟。有限元法数值模拟是将一个地质体离散成有限个连续的单元,为每个单元内赋予实际的岩石力学参数,通过分析地质条件决定边界受力和节点平衡条件,建立并求解以节点位移为未知量,进而计算每个单元内应力和应变值(王红才等,2002)。

本文根据古新统阜宁组顶面构造图与平衡剖面恢复该时期的断层位置与形态,建立了始新世戴南期的地质模型:预设断层为戴南期已形成并强烈活动的真①断层和戴南初期形成的真②断层(图7),模型地层厚度通过测井资料设定为深凹带阜宁组和戴南组一段的平均厚度之和约1500 m,其中真①断层切深1500 m,真②断层切深500 m,真实还原戴南初期的地质条件。材料的岩石力学参数由岩心三轴力学实验结果获得,对断层带单元和地层单元分别加载了不同的力学参数,其中断层带具有相对大的泊松比和相对小的弹性模量及密度(表2)。本次模拟采用 ANSYS有限元分析软件,采用 SOLⅠD45网格单元进行划分。通过上文分析,戴南初期区域伸展方向为近 SN向,因此在模型南北方向两个面上施加了6 MPa的张应力(略高于岩石破裂强度,反复加载得出变形结果最接近现今构造的加载方式),垂向应力由模型自身的重力产生,戴南初期模型反映的地质体处于地表状态,因此顶面未施加上覆岩层的重力。约束真①断层下盘Z方向的位移以减少盆地基底的活动,由有限元分析软件计算输出戴南期最小主应力的分布和方向。本次模拟研究区横向尺度与垂向尺度比较大(大于10∶1),因此将研究区简化为一平板模型,平板模型在反映地质体局部构造的应力分布上精度略显不足,但能宏观的反映较大区域内的构造应力场特征,为断层生长研究提供指导。

图7 戴南期深凹带最小主应力分布图(a)及方向图(b)Fig.7 Maps showing the distribution (a)and directional pattern (b)of the minimum principal stress in the Dainan Period

表2 应力场模拟力学参数表Table2 Mechanical parameters in simulating structural stress field

通过应力场数值模拟表明:首先在真①断层上盘的真②断层附近,最小主应力呈条带状分布(图7a),其数值由南向北先增大后减小,最大值位于真②断层的凸形边界处,最小主应力的变化方向与伸展边界真①断层的走向垂直,伸展边界发生走向变化的部位,最小主应力也发生相应变化。在真②断层形成前后,最小主应力的高值区是有利于断层生长的位置,沿伸展边界方向带状展布的最小主应力高值决定了真②断层的类似于真①断层波状弯曲的几何形态。其次,在伸展边界附近,最小主应力的方向与伸展边界的方向基本垂直(图7b);略远于伸展边界的位置,最小主应力方向仍与伸展边界的方向(NEE)近于垂直,但发生了向区域伸展方向(近 SN)的偏移;而在远离伸展边界的位置上,最小主应力的方向与区域的伸展方向是一致的。因此真②断层的发育位置与伸展边界距离较近,受到的伸展作用方向与伸展边界方向垂直,也决定了在断层走向在生长过程中保持了与真①断层的高度一致性。

在断层生长过程中,断层的相互作用也是影响其生长的重要因素,在区域应力变化不大的情况下,断层周围的剪应力变化是断层相互作用最重要的影响因素(图8a)。每个断层由应力增加区域和应力下降区域环绕,断层端应力增加,断层中心应力降低(Gupta and Scholz,2000)。因此,在断层生长过程中,进入另一条断层的应力降低区时,会抑制断层的生长,进入应力增加区时,有利于断层的生长。

真②断层第一、二亚段连接处的构造形迹分析(图8b),这两个亚段在生长连接的过程中经历了明显的软连接阶段,在起连接作用的斜向断层内出现了断阶状的单斜层,两个亚段的距离小,重叠度较高,因此相互作用强烈,连接处在位移-长度曲线上(测线360处)表现出很高的位移梯度。真②断层的第三、四亚段连接时,受到南侧的北东走向北倾的纪 3断层影响,靠近纪3断层周围应力值较低,远离纪3断层中心时应力值相对增加,因此这两个亚段在生长过程中,生长方向表现为在纪3断层附近偏离伸展边界的延伸方向,在靠近纪 3断层端部时,两个亚段生长方向又向中心靠拢,发生连接。第三、四亚段与纪 3断层的相互作用使真②断层在三、四亚段连接处的外凸形态明显大于真①断层且出现V字形的断面(图8b)。

图8 真②断层各亚段相互作用示意图Fig.8 Interaction among segments of the Zhen 2 fault

4.3 次级断层生长主控因素

次级断层的分布位置距离伸展边界的真①断层较远,构造应力场数值模拟结果也显示,在次级断层的发育位置,伸展方向与区域伸展方向保持了良好的一致性,几乎没有发生偏转(图7b)。次级断层的发育过程中,受到伸展边界断层的影响很小。研究区内次级断层发育时间相对较晚,且深凹带为古新世泰州-阜宁期断裂活动最弱的位置,基底断层对次级断层形成的影响也很小。因此,工区内次级断层的生长过程可以真实的反映区域应力状态的变化。

在区域应力场分析的基础上,次级断层的生长是早期薄弱面先发育为 NEE向断层段,后期断层段追踪连接的生长模式。前文已述,盆地下构造层沉积期的阜宁期区域的伸展方向为 NNW-SSE向,此时整个区域的伸展作用比较均匀(朱光等,2013),在整个区域里形成了大量 NEE走向的断层,在构造活动最弱的深凹带的位置,形成了 NEE走向的薄弱面或者断距较小,地震剖面上难识别的小断层。吴堡运动后,区域伸展方向转为近 SN向,早期的NEE向断层处于斜向伸展的应力状态(Morley et al.,2004;詹润等,2012),当后期的伸展向与前期薄弱面方向高角度斜交时,前期的薄弱面处于有利的活动方位(Clifton and Schlische,2001;Moir et al.,2010;Henza et al.,2011)。因此,在戴南-三垛期进入近SN向的拉张时,NEE向的断层段首先活动,近 EW向的断层段仅对NEE向的断层段起到连接作用,形成了NEE走向和近EW走向段交替出现的锯齿形断层(图9)。

5 结 论

高邮凹陷深凹带真②边界断层在始新世戴南期具有六个生长中心且各断层段独立发育,三垛期断层段发生连接形成真②断层的几何形态明显不同的四个亚段,生长过程表现为戴南期各断层段长度快速增加和三垛期断层位移的持续增大。真②断层在走向上受伸展边界真①断层的控制,断层亚段的连接方式和连接点断层结构受到断层的相互作用影响。高邮凹陷深凹带内的次级断层是由NEE走向段和近EW走向段交替出现的锯齿状断层。次级断层在始新世戴南期形成时具有 NEE走向的生长中心,由古新世阜宁期形成的先存薄弱面发育而来,断层生长表现为 NEE走向段首先活动,后期发育的近EW走向段对其进行追踪连接。

图9 次级断层生长机制图Fig.9 Growth mechanism of the secondary faults

致谢:感谢三位匿名审稿人对论文进行了审阅,并提出了宝贵的修改意见和建议。感谢编辑部在本文发表过程中所做的辛勤工作。

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