走滑构造差异变形特征及其主控因素分析——基于砂箱模拟实验

李艳友，漆家福，周 赏

(1.中国石油 东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072750；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.中国石油 东方地球物理勘探有限责任公司 研究院地质研究中心，河北 涿州 072750)

走滑构造差异变形特征及其主控因素分析
——基于砂箱模拟实验

李艳友1,2，漆家福2，周 赏3

(1.中国石油 东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072750；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.中国石油 东方地球物理勘探有限责任公司 研究院地质研究中心，河北 涿州 072750)

走滑断裂及其相关构造与油气聚集分布有着密切联系。受基底性质、断层形态及地层能干性影响，走滑断层具有明显分段特征，深、浅断裂组合样式也存在明显差异。利用砂箱实验讨论基底走滑断层形态、软弱层对盖层走滑变形带的影响。模拟实验表明：基底断层走滑位移量对盖层构造变形强度、构造变形样式有明显控制作用。地层岩性、盖层厚度控制浅层走滑剪切范围及变形幅度。走滑变形带宽度与软弱层厚度成正比，断层受阻部位软弱层厚度大则形成褶皱，反之发育断块构造。基底断层走向变化导致的局部应力条件差异是走滑断裂分段及构造变形差异的重要控制因素。

走滑断层；走滑主位移带；地层能干性；差异变形；砂箱实验

走滑变形是一种常见构造类型，也是盆地构造研究的热点[1-5]。走滑构造的识别是研究沉积盆地应力场、划分构造演化期次的重要环节，同时走滑构造变形区也是富油气区勘探的重点目标[6-9]。构造物理模拟也称砂箱模拟，是依据相似性原理研究构造变形过程、揭示构造变形控制因素的有效方法[10-12]。前人利用砂箱模拟在走滑变形分段性、分期叠加及成因机制等方面做了大量工作，还有学者通过物理模拟与数值砂箱进行参照实验，取得一些有益的结论和认识[13-18]。而关于基底、盖层走滑构造要素空间配置、深、浅层调节方式及走滑应力状态转换方式的研究还相对缺乏。利用构造物理模拟方法，分析影响走滑差异变形的主控因素，对盆地区走滑构造带内部结构精细解析有一定的参考价值。

本文通过设计系列砂箱对比实验，讨论如下问题：(1)走滑变形强度对盖层构造变形的影响；(2)基底走滑断层形态、盖层能干性对走滑变形的影响；(3)基底、盖层走滑变形带构造要素的空间配置。

1 砂箱模型设置及模拟结果分析

本文采用粒径为0.2～0.3 mm的石英砂模拟脆性地层、硅胶模拟软弱地层，垂向上通过设置硅胶层模拟盖层能干性差异。模型底部设置厚度2 mm厚橡皮，其内侧边界作为底部走滑断层形态。

实验为2D平面砂箱模型，单侧马达驱动模拟走滑作用，右侧挡板为驱力端。模型中通过改变硅胶层厚度及底部断层平面形态，设计系列对比砂箱实验，砂箱实验均在中国石油大学(北京)构造物理模拟实验室完成。

1.1基底走滑位移量对盖层变形的影响

模型基底断裂为斜向平直断层，铺设性质均匀的厚砂层模拟上覆地层，模型中间层不设置软弱层。走滑位移方向与基底断裂走向呈18°夹角，模型总走滑位移量为4 cm，讨论基底走滑断层位移量与盖层走滑变形强度、构造类型关系。

图1是走滑位移分别为1 cm，2 cm和4 cm时砂箱实验结果。实验结果表明：走滑位移为1 cm时，表层标志线发生轻微错断，中部发育一组左阶斜列的走滑正断层组。垂向上盖层断裂与基底断裂位置重合，具有“分层变形、垂向叠置”的变形特征(图1a)。随着位移量的增加，盖层次级断裂数量明显增多，盖层断裂走向发生偏转，平面呈现弧形结构，且模型驱动端走滑断裂范围明显变宽(图1b)。当走滑位移量达到4 cm时，模型盖层断裂平面上呈现交切关系，已从早期的斜列断层组演化为马尾状断层组合样式。垂向上盖层主位移带与基底主干断层渐趋贯通连接，断层两盘垂向落差显著变大，平面上剪切变形带宽度呈现“两端大、中间小”的特点(图1c)。

1.2基底断裂产状、地层能干性对盖层走滑变形的影响

图2是平直型断层模型的3组对比实验解释结果。3组实验中，上、下砂层厚度均设置为3 cm和1 cm，中部增加了软弱的硅胶层，硅胶层厚度从左向右依次以0.5 cm递增，模型总走滑位移量均为10 cm。

当基底与盖层岩性能干性相差较大时，初始阶段走滑位移不会立即导致盖层破裂，而是形成具有一定宽度的剪切变形带。盖层剪切带宽度受盖层厚度、岩性等因素影响，盖层厚度愈大、岩性能干性愈小(地层变形强度小)，则基底主干断层走滑位移在盖层中形成的剪切带则越宽。平直型走滑断层砂箱模拟对比结果可以看出，走滑断层位移两端变形存在明显差异，应力释放端盖层变形剪切带宽度大，而驱动端剪切带宽度相对较窄。盖层断裂由驱动端向应力释放端撒开，平面上呈马尾状断裂组合样式。值得注意的是，随着软弱层厚度增加，盖层断层的平面延伸长度明显增加，走向稳定性增强，形成一系列规模较大的断块或断—褶构造。

渐进走滑变形过程中，由于地质体的非均质性，基底走滑断裂走向发生改变，导致不同区段盖层变形性质和方式发生改变。沿主位移带断层两盘表现出张扭和压扭2种不同的变形方式，进而影响盖层构造变形要素的空间配置关系。“S”型断裂的走向同平直型断裂走向相比发生明显改变，沿走滑断层位移方向的前端处于压扭状态，而后端则呈张扭状态。通过基底设置“S”型断层，分析基底走滑断裂走向变化条件下，软弱层厚度差异对盖层变形的影响。模型上部砂层厚度均为3 cm，主要差别为中部硅胶层及下部砂层厚度。

图1 平直型斜向走滑断层砂箱模拟结果

图2 平直型走滑断层砂箱模拟结果

图3是3组“S”型走型断层砂箱对比实验的最终解释结果。模拟结果表明：当盖层中非能干的软弱层厚度较小时，盖层断裂数量较多,但延伸长度较短。受表层断裂的强烈分割，盖层发育一系列夹持在分支断层间的低幅断背斜或断块构造，但规模相对较小。随着软弱层厚度增大，盖层断裂数量明显减少，断裂平面延伸长度明显增长，构造幅度及规模明显增大。特别当总地层厚度变大时，背斜幅度达到最大，变形更为集中。压扭状态下，盖层断裂和褶皱是基底走滑位移的浅层反映。走滑位移量一定的条件下，盖层形成的褶皱规模、幅度与断裂数量具有此消彼长的特点，盖层总变形量基本保持平衡。

平直型和“S”型走滑砂箱模拟结果表明，基底走滑位移在盖层中形成的构造类型与盖层岩层能干性存在密切联系。随着软弱层厚度增加、走滑变形速率减慢(图1中v=3 mm/min，图2，3中v=2.5 mm/min)，使盖层变形带宽度逐渐增大。递进变形过程中，平面分支断层由平直变得弯曲并相互交织成网状，最终构成复杂的走滑断裂带。随着中部软弱层厚度增加，走滑位移受阻部位砂层变形隆起幅度显著增大，反之则容易形成受断裂分割相对破碎的断块隆起带。

1.3走滑断层垂向结构关系

垂直于主位移带的剖面上，走滑构造带内各构造要素可以形成典型的“花状构造”。当盖层含有较厚的非能干地层时，深、浅构造要素的空间组合平面上表现出明显的差异。如图4a所示：(1)走滑变形带部位的深部砂层，首先发生变形，形成平行于走滑位移方向的破裂，破裂面产状陡倾，剪切带呈线性、窄条状展布；(2)中部硅胶层，走滑变形带内形成断—褶组合样式，硅胶表层标志线发生明显错动，平面表现为马尾状断层组合样式。软弱层变形并不局限于主位移带，剪切变形带的范围明显增宽；(3)模型表层变形相对复杂，总体上形成一个由反映走滑或斜向剪切变形的斜列断层构成的走滑断裂带。远离走滑位移带，表层砂层形成的分支正断层走向与中部走滑位移带近直交或大角度斜交，表层走滑剪切带范围比中层进一步增大，平面上最终形成了典型的马尾状断裂组合样式。

图3 基底“S”型走滑砂箱模拟结果

图4 走滑砂箱实验垂向变形模拟结果

由于软弱层的存在，表层分支断裂下切深度受限于软弱层底界面位置。下部砂层主位移带变形集中，断层两盘表现为大规模水平错断，两盘地层变形较弱，未产生明显的褶皱变形。走滑位移量越大，盖层中形成的伴生构造越丰富。虽然深、浅层构造变形范围及样式存在明显差异，但盖层伴生构造与基底走滑断裂垂向上具有上、下叠置关系(图4b)，反映盖层伴生构造与基底走滑断层具有统一的应变场特征。

2 差异走滑构造变形的类型划分

从深、浅层构造要素空间配置关系考虑，受走滑断层位移量、地层岩性影响，受非能干层分隔，构造要素垂向上形成3种端元类型：(1) Ⅰ型。盖层中发育较厚非能干地层，走滑位移强度小时，软弱层完全分隔深、浅走滑构造变形。浅层断裂向下收敛、滑脱于软弱层，基底断裂垂向位移未能切穿软弱层，垂向上以软连接方式实现深、浅结构的过渡；(2) Ⅱ型。随着走滑强度增大，基底位移使主位移带处的软弱层厚度剧烈减薄，基底断裂可以直接与盖层断裂通过断层上端点接触；(3) Ⅲ型。走滑中晚期，强烈的走滑位移向上可以切穿至浅层，主位移带部位形成的次级断裂与基底断面侧向相连，二者以硬连接方式调节深、浅层构造变形。

走滑变形中期或早期阶段，基底走滑断裂表现为隐伏断裂，盖层通常发育雁列展布的断层或褶皱，空间上形成Ⅰ型或Ⅱ型模式(图5a,b)，剖面形成“无根”的花状断裂组合。当基底走滑主断裂向上切穿至盖层时，主位移带与盖层断裂走向呈现大角度斜交，形成Ⅲ型模式(图5c)，剖面上形成“有根”的花状断裂组合样式。

盆地盖层走滑构造变形差异受多种因素影响，包括基底走滑断裂位移量、位移速率和上覆盖层的岩层性质和结构特征等。受地层结构、地层能干性及构造变形强度影响，走滑变形带沿断裂走向表现出分段特征，而走向变化部位形成的断—褶或断块构造，是油气区寻找油气圈闭的有利场所。

3 结论

(1)地层能干性、基底断裂形态控制盖层走滑构造样式、构造变形幅度。基底走滑断层走向改变产生的局部应力条件差异是导致走滑断裂组合样式、运动学性质及平面分段特征的主要控制因素。

图5 走滑断层空间组合模式

(2)基底断层控制的走滑实验模拟表明，“S”型基底断层走向改变形成的压扭和张扭状态，可诱导发育断块或断—褶等盖层构造类型。相同走滑位移条件下，盖层剪切带宽度与非能干层厚度成正比，盖层厚度愈大、岩性能干性愈小，盖层剪切带明显变宽。

(3)受统一走滑位移场控制，基底主干断裂与盖层弧形断裂组合具有“上下叠置、联动变形”的特点。依据基底断裂与盖层切割关系，应变调节方式及断裂组合空间关系，将走滑断裂带垂向结构划分为上下软连接、上下断点连接和侧向硬连接3种组合类型，走滑变形带内部变形样式及垂向结构差异是走滑变形强度、地层结构及演化阶段差异共同作用的结果。

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(编辑黄 娟)

Differentialdeformationanditsmaincontrolsonstrike-slipstructures: Evidence from sandbox experiments

Li Yanyou1,2, Qi Jiafu2, Zhou Shang3

(1.BGPInc,CNPC,Zhuozhou,Hebei072750,China; 2.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.GeologicalResearchCenter,GRI,BGPInc,CNPC,Zhuozhou,Hebei072750,China)

Strike-slip faults and associated structures have major influences on hydrocarbon accumulation and exploration. Pre-existing structures and the competence of sedimentary strata lead to differential deformation features and spatial distribution of strike-slip fault systems. The differential deformation of basement-involved strike-slip faults and the influence of incompetent layers on overlying layers were investigated using physical sandbox experiments. The displacement of basement-involved strike-slip faults controlled the deformation style and intensity of overlying layers. Lithology and cap rock thickness controlled strike-slip range and deformation intensity in shallow formations. The width of a strike-slip zone increased with incompetent layer thickness. Physical sandbox experiments showed that with contraction of strike-slip displacement, which kind of structural styles were formed, fold or fault block, was determined by the thickness of incompetent layer. The change of strike on basement fault caused extension or contraction stress fields. It is an important factor to control the segmentation of strike-slip faults and the differential deformation of vertical tectonics.

strike-slip fault zone; strike-slip displacement zone; competent of sedimentary strata; differential deformation; sandbox experiment

1001-6112(2017)05-0711-05

10.11781/sysydz201705711

TE121.2

：A

2017-03-02；

：2017-07-02。

李艳友(1982—)，男，博士后，主要从事油区构造解析与油气地质综合研究。E-mail: liyanyou1130@163.com。

国家科技重大专项课题(2011ZX05009-001)资助。