基于物理-数值联合模拟的多期断裂形成机制及演化研究

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

基于物理-数值联合模拟的多期断裂形成机制及演化研究

卿颖1，冯建伟2，杨少春2，任启强2

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

针对多期叠加构造体系形成机制研究中存在的问题，以南堡凹陷3号构造古近系中大量存在的“X”型断裂样式为例，应用构造体系复合理论、构造物理-数值联合模拟分析裂陷盆地深部先期构造对晚期断裂形成和演化控制作用以及叠加构造形成力学机理，建立空间展布几何模式。研究认为：两期断裂系统的叠加规律主要受控于先期断裂的力学强度、晚期应力强度、先期断裂走向与后期应力方向之间的关系；先期断裂可以影响局部应力场的分布以及地层的力学强度，进而影响后期发育断裂的分布，后期应力场既可以使早期断裂继续扩展，也可以导致地层发生破裂产生新的断裂；伸展背景下，当后期张应力与早期断裂夹角小于30°时，只沿先期断裂扩展而不产生新的断裂；以不整合面分割形成的空间地质力学结构层，受后期强烈作用时，容易发生“变形不协调”现象，垂向上断裂系统具有明显不连续性，产状发生改变。因此，多期叠加断裂系统的形成和发育直接受控于郯庐断裂古近纪以来地质力学性质的转变。

南堡凹陷；叠加断裂；形成机制；物理模拟；数值模拟

我国内陆大部分含油气盆地属叠合盆地[1]，其形成和发展演化受控于中国区域大地构造的发展，具有多旋回性。南堡凹陷作为渤海湾盆地北侧一个小型含油气凹陷，油气资源十分丰富，具有多期成盆、多期成藏的复式油气聚集特点[2]。南堡凹陷3号构造简称为南堡3区，位于凹陷东南部，属于凹陷内的一个局部构造带，自白垩纪以来，经历了古近纪断陷和新近纪拗陷两个阶段(图1)，并控制形成了以沙一段顶部不整合为界的上下两套断裂体系，如深部沙河街组为地堑-地垒断裂体系，东营组为半地堑断裂体系，两者在垂向上叠加成“X”型和“Y” 型样式，控制着油气的运移和空间分布。前人[3-4]多认为这种剖面“X”型断裂样式属于正常均匀伸展背景下的一种“共轭”断裂类型，也有人认为“X”型断裂组合可以分为对称性和非对称性两种形态，主要受控于地壳的纯剪变形，并以构造物理模拟实验进行了有效验证，还有人认为这是由于基底先存构造对裂陷盆地断裂的强烈控制作用所致[5-7]，并应用脆性断裂新理论阐述了其中的力学机理，确定了基底先存构造活动的变化规律。本研究在南堡凹陷3号东营组和沙河街组构造解释基础上[1]，分析断裂几何特征及组合关系，结合构造演化恢复构造关键期应力状态，基于构造复合叠加理拟实验和有限元数值模拟相结合的方法，定量研究变化应力场环境下不同地质力学层之间的“变形不协调效应”[7]，探讨基底先存构造对裂陷盆地断裂形成和演化的控制规律，为下一步中深层油气勘探和成藏模式的建立提供指导。

图1 南堡凹陷区域构造简图

1 基本地质特征

根据断裂几何特征和成因机制，南堡凹陷3号构造断裂样式主要划分为三种区域构造样式：伸展、张扭和挤压构造样式，进一步细分为12种局部构造样式，如 “Y”形组合、“入”字形组合、断阶组合、地堑组合、地垒组合、调节型、逆牵引型、差异压实型、韧性剪切带、垂向剪切型和反转型。从层间分布来看：①东营组单断裂类型主要为板状和铲状形态，前者活动时间较短，后者较长，且断裂样式在剖面上的特有形态与平面形态一一对应，如：剖面上为“Y”形或反“Y”形的断裂[8]，在平面上表现为斜交式分布；剖面上为同向断阶组合类型的断裂，平面上表现为雁列式展布；剖面上为反向断阶组合类型的断裂，平面上呈平行式排列；剖面上为地堑或白菜心式断裂，平面上呈平行式或斜交式展布；剖面上为调节型断裂，平面上呈正交式或分叉式组合等(图2)。②沙河街组单断裂类型主要为铲式和躺椅式，代表了长期活动特征，且后者比前者活动时间更长。断裂在剖面上为“入”字型断裂，在平面上呈斜交式；剖面上为地垒组合的断裂，平面上呈平行式特征；剖面上为垂向剪切型断裂，平面上呈雁列式展布等。

由此可见，研究区以沙河街顶部不整合面为界分为上下两套断裂系统，上部东营组为一套SN向伸展兼具左旋走滑的复合断裂系统，力学机制为纯剪；下部沙河街组为一套NW-SE向伸展断裂系统，力学机制为单剪，总体上构成了一套“X”型深浅叠加变形组合构造，中间存在短期反转现象(图2)。根据南堡凹陷中央隆起带剖面断裂特征，复杂“X”型断裂组合具有非对称与对称两种形式：下部一支由一条大断距断裂构成，其余各支均由多条小断距断裂构成；或下部两支均为大断距断裂构成，上部两支由多条小断裂构成。另外，多个X型断裂可能相互连接构成更复杂的“X”构型[3]。

图2 三维地震资料显示的X型叠加断裂组合(南北向剖面)

2 断裂活动差异

2.1 断裂走向

2.2 断裂活动性

图3 南堡3区不同层位断裂走向统计及伸展方向图

图4 南堡3区不同层位断裂密度及不同时期断裂生长指数统计图

3 叠加断裂体系物理模拟

综上分析，结合前人研究成果，确定了构造物理模拟实验的相似系数、实验材料和边界、基底条件。南堡3区实际面积约15 352×8 951 m2，沙河街组厚度约790 m，东营组厚度约630 m，取相似系数为672，故上、下模型为23 cm×13 cm×2 cm和23 cm×13 cm×2.5 cm。利用聚苯塑料块进行处理使其边缘形状与沙河街组沉积末凹陷周边的凸起形状吻合：在南侧设置聚苯塑料模拟沙北断裂及沙垒田凸起，东侧、西侧设置固定铁板模拟曹妃甸洼陷和2区，北侧设置活动聚苯塑料，提供实验材料位移空间，代表凹陷北部沉积区(图5)。选用延展性较好的橡胶皮来模拟凹陷基底，通过橡胶皮的引张带动上覆地层实现拉张和剪切作用。考虑到实际地层的岩性特征，且为了保证实验材料与实际地层的流变性质相似，并减少流变性差异对破裂带几何形态的影响，本次实验选取密度为4.0 g/cm3的沙子，加一定量的粘土混合均匀，加适量水，在垂直力作用下轻微压实成层。在实验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地质情况相吻合。结合前人实验，选择1 min代表自然界中的1 Ma，沙河街组沉积末到东营组关键变形期所经历的时间约为13.5 Ma，本次实验中沙河街组NW-SE向拉伸时间取10 min，再叠加东营组SN向拉伸兼具左旋剪切取6 min，另外根据3区断裂活动性定量计算结果，从沙三段沉积末开始到东三段沉积末经历了“强—弱—强—弱—强—弱”的演化历程。

图5 构造物理模拟实验过程及结果

实验初始，设定地层为水平状态，弹性布四周粘结在实验设备的圆形底座上，准备就绪后，左边拉杆以0.04 mm/s速率进行北西-南东向拉伸。过程如下：

实验进行3 min后，在沙北断裂的控制下，开始发育一条NE走向断裂，说明在NW-SE向伸展作用下产生近垂直的正断裂。

实验进行6 min后，新产生两条NE-SW向断裂，且前期南部断裂逐渐扩展在尾端产生次级断裂，3条主断裂从南向北依次展布形成阶梯状排列，根据断裂力学理论可知，由于断裂部位(尤其是端部)会产生应力集中现象，断裂之间常以横向调节断裂近似连接。

实验进行9 min后，在前期变形基础上添加新的东营组地层，调整拉伸速率为0.02 mm/s，轻微顺时针旋转一定角度。继续拉伸2 min，然后转动圆形底盘，使拉伸方向较沙河街期旋转45°，近南北方向。

到11 min时，研究区在前期断裂的位置开始出现断裂痕迹，同时在断裂尾端出现一系列左旋雁列式断裂，进一步增大拉伸速率为0.05 mm/s。

直至16 min结束后，先期的NE-SW向主断裂继承发育，在断裂之间出现大量次级断裂，近东西向展布，伴随产生的还有一定数量的横向调节断裂(图5)。

4 叠加断裂体系数值模拟

南堡凹陷3区自古近纪以来，纵向上经历了沙河街期的NW-SE向强烈伸展断陷阶段、东营期的S-N向弱伸展兼具走滑断拗阶段，其中深部太古界-古生界潜山的发育也在一定程度影响着上覆地层的变形。由此，引入有限元数值模拟手段，基于相似材料比例法，设置地质模型的尺寸、材料强度参数、力学边界条件、加载速率，并将地质历史时期的两期构造运动综合起来，采用“统一模型、分段施力”的原则，最终实现纵向断裂系统的叠加过程模拟和次级断裂产生机制研究(图6)。

图6 叠加构造地质模型建立及力学边界条件设置图

为了获取地层围压条件下的岩石力学特征，对研究区8口井13块岩心进行分组力学实验，岩性涵盖含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩和细砂岩等，按实际地质情况，围压等级设计为10、20 MPa。有围压存在时，破裂形态为张剪性，随围压增大剪切作用增强，破裂角增大，破裂形态变得复杂，甚至出现破裂不连续的现象。从另一角度来看，研究区围压小于某值时，内摩擦角φ较大，换算出的破裂角θ=45°-φ/2相对较小，以张性破裂为主，围压大于某值时，内摩擦角φ变小，破裂角逐渐增大，且由张性破裂逐渐变为张剪性甚至压剪性破裂。

以构造形迹统计结果为基础，经过反复试验，最终确定沙一段末期和东三段末期两期应力方向：NW48°、47 MPa和 SN、47 MPa，鉴于东三段末期存在一定左旋剪切应力场，剪应力设置为14 MPa。由于缺少断裂带内岩石力学参数，本次研究采用前人研究成果[11-12]，断裂泊松比取0.27，弹性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3；边框的断裂泊松比取0.22，弹性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3。根据试验结果绘制应力摩尔圆，求取不同岩石类型的内摩擦角、内摩擦系数和内聚力，沙河组顶部一段和东营组下部三段的密度接近，尽管东三段以湖相泥岩为主，沙一段以三角洲前缘砂岩为主，由于不整合面的长期风化淋滤作用，地层变得疏松，密度平均减小为2.38 g/cm3，东三段为2.507 g/cm3，不整合面附近密度为2.39 g/cm3，沙一段峰值强度平均为171.34 MPa，东三段峰值强度平均为213.41 MPa，不整合面附近强度平均为191.73 MPa，相比来看，东三段泥岩峰值强度要高于沙一段，不整合面强度居中，而且围压越大，峰值强度越高(表1)。由于缺少断裂带内岩石力学参数，本研究采用前人研究成果[11-12]，断裂泊松比取0.27，弹性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3；边框的断裂泊松比取0.22，弹性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3。以构造形迹统计结果为基础，经过反复试验，最终确定沙一段末期和东三段末期两期应力方向：NW48°、47 MPa和 SN、47 MPa，鉴于东三段末期存在一定左旋剪切应力场，剪应力设置为14 MPa。

表1 岩石力学参数测试结果

模拟结果显示：东营组最小主应力分布不规则(图7)，整体为张应力，断裂F5西段应力值最高，F6断裂西段次之，以此为中心向四周呈降低趋势，应力等值线的走向与凹陷边界或断裂带近于平行。此种张应力环境下发育的断裂以拉张性质为主，应力高值和较高值集中区是断裂发育的优势区域。东营组最大主应力主要表现为负值，即为挤压力环境，只在F4和F5交叉部位以及F6西段为张应力。最大主应力具东西分带特征，西部和东部为高值区，中部为低值区，代表了底部上拱构造环境。由于南堡凹陷在古近纪期间受控于郯庐断裂的正断活动，兼有右行滑动，加上基底断裂影响，总体上以伸展作用为主，主断裂之间存在左旋剪切作用，部分断裂呈雁列式展布。如东营组变形期左旋、右旋应力并存，以断裂F4和F6为界，西侧和东侧以左旋剪应力为主，西北侧和南侧则以右旋剪应力为主(图7)。此类应力环境与图中东三段次级雁列式断裂体系分布特征十分吻合。

沙河街组最小主应力只在研究区东南部显示为挤压性质，其他地区皆为拉张性质，且拉/压边界受NE走向主断裂影响显著，尤其在断裂F2附近存在强烈伸展应力环境，控制产生了F2和F1之间的横向断裂。沙河街组平面剪应力性质具有明显分区特点，在断裂F1和F3之间为右旋拉伸，其他地区为左旋拉伸，且在F2西段存在强烈剪切走滑趋势，总体趋势与东营组正好相反。作为岩石变形或破裂的主导因素，应力强度(最大主应力减去最小主应力)在东营组和沙河街组分布差异大(图8)。尽管两者高值区都位于F2和F5断裂西段，但东营组高值区主要分布在断裂F5和F6之间，呈近东西向条状展布。另外，东南部作为断裂发育的有利部位，高应力强度区分布呈环形特征。结合地质特征分析，由于深部潜山上拱以及不整合面这一力学界面的存在，先存基底断裂受力后，不仅会继承性延伸，还会在上覆地层形成新的次级断裂。早期地层在深部潜山和古地貌的影响下，发育一系列不对称的地垒或单断构造，当晚期地层内应力场发生改变后，首先会以不整合面为薄弱带发生两套力学层之间的“应力-应变不协调”效应，促使能量消耗一部分，然后优选与张应力方向夹角小于30°的断裂发生继承性活动并在平面内延伸[4,13]，又可以消耗一部分能量。当先存断裂不能继续活动时，则累计的构造能量会在上部地层产生新的主断裂，并进一步影响局部应力场产生次级断裂，如左旋剪切应力场下易产生一系列雁列式断裂。最终，由于内摩擦角和力学环境的差异，上、下层的断裂产状不仅会产生差异，而且受潜山的顶托作用，张应力会发生局部集中，在F2和F5断裂重叠部位构造活动尤其强烈，最终形成了研究区特殊的“X”型断裂垂向叠加现象(图8)。

图7 叠加断裂系统模拟主应力及剪应力平面分布图

图8 叠加断裂系统模拟应力强度剖面分布图

5 区域动力学背景

南堡凹陷在属性上具有典型主动裂谷特征，在演化上具有多幕拉张，中、新生代继承性发育的特点，是一个中新生代上下叠置的复合型凹陷[14]。渤海湾盆地的多期裂谷作用，通常划分为三个裂谷演化阶段：即早侏罗世断陷期、早白垩世断陷期和古近纪孔店组、沙河街组、东营组断陷期。中、新生代以来南堡凹陷与渤海湾盆地构造演化规律大体相似[15-16]，但其新生代构造演化还具有许多新的特点，主要表现在两个方面：新生代裂谷演化具有明显的多幕发育特点；新近纪中新世中期以来的构造性质发生明显转变，即由中新世早期的构造衰弱期转化为新的构造活化期。主要表现为断裂作用加剧、拉张作用增强、沉积速率加快等特点。

对于郯庐断裂带在新生代的活动，大多数观点认为郯庐断裂古近纪以来发生右旋走滑拉张和左旋走滑挤压，现今以右旋走滑挤压为主[17]，不同时期的构造活动，对于南堡凹陷的形成、演化和改造均具有重要影响。其活动时间可分为五期：即古新世至早始新世、中始新世至渐新世、中新世至早更新世、中更新世、晚更新世至今五个活动阶段[18]，平面上可分为三段(北段：肇兴—沈阳；中段：沈阳—宿迁；南段：宿迁—广济)。尤其是近年来断裂带附件频繁发生的地震表明，郯庐大断裂具有明显的压扭特征，时而左旋，时而右旋。可以认为：渤海湾盆地新生代发育的NNE-NE向、NWW-EW向控陷断裂是分期伸展变形叠加的结果。

郯庐大断裂古近纪早期的活动性质及强度在不同地段具有不同表现：南段张裂活动、中段(沂沭断裂带)右行走滑运动、北段张裂活动，最北端断裂活动不明显。在相当于孔店组沉积时期，断裂中段对南堡凹陷产生了重要影响，派生的北西向拉张力形成了一系列北东向断裂，这些断裂的发育一直延续到沙河街沉积期(图9)。

图9 郯庐大断裂中始新世至渐新世活动对南堡3区断裂发育的控制模式

中始新世初期，太平洋板块开始向西俯冲，造成了我国东部构造应力场的转变，以SE102°～NW 282°的主压应力为主，郯庐断裂带活动性质也随之改变。基本以莱州湾为界，分为南、北两段：南段由于受近东西向挤压应力作用，以挤压-逆冲活动特征为主[19]；北段具有一定继承性，以正断活动为主，兼有右行滑动，但活动强度较前一时期弱。这个时期相当于南堡凹陷的沙河街期和东营期，其中沙河街早中期是应力场发生转化时期，由北东向拉张逐渐转换为南北向拉张兼具走滑特征，因此，在东营组沉积开始后，便在早期北东向断裂基础上继承性发育形成一系列近东西向断裂，活动主断裂之间发育了一系列左旋走滑雁列式断裂。中新世至早更新世时期，我国东部地区构造应力场的主压应力方向为NE170°～NW350°，郯庐断裂带发生了正断或走滑运动，其活动强度南弱北强，以渤海湾活动最强烈。

根据地震解释结果，南堡3区主要发育三组断裂体系：边界弧形断裂体系(新近纪趋于停止)、北东向断裂体系(为二级断裂，分支断裂北西向，极为发育，渐新世早期开始发育，晚期断裂活动加剧，至新生代断裂活动趋于停止)、东西向断裂体系(形成于渐新世，结束于新生代末期，是控制晚期叠加构造演化的主要因素。根据里德尔剪切发育模式，沙二段沉积期主要以北东向一级主控断裂为主(相对级别)，容易派生形成斜交断裂，同时断裂间伴生左旋走滑次级雁列断裂，但不代表区域应力场。进入东营期，由于拉张活动强度的逐渐减弱和右旋走滑活动的产生，断裂体系也发生相应改变，在郯庐大断裂整体南北向拉张兼具右旋走滑的背景下，早期北东向沙河街断裂及古潜山构造派生次级右旋走滑分力，东营组盖层容易变形，发生左旋剪切成雁列式断裂。根据格里菲斯准则，北东向断裂在尾端部位发生继承性活动，与早期断裂呈近45°斜交，平面上整体呈“S”形或反“S”形特征。同时由于研究区厚层泥岩中包裹了透镜体砂岩，在上覆地层重力作用下容易形成差异压实型断裂，但空间延伸距离短，一般在层内发育。当早期断阶式主控断裂继承性发育时，往往形成弱垂向剪切作用下的雁列式断裂，造成了垂向上断裂的不连续发育现象(图2)。

6 结论

1) 南堡凹陷3区古近系东营组-沙河街地层中“X”型叠加断裂体系普遍发育，主要呈对称和不对称两种组合形式，下部先期断裂主要以NE走向平行排列为主，断距大，密度低，上部晚期断裂以近EW走向平行排列和斜列式为主，断距小，密度大，两套断裂系统在潜山和地垒重叠部位相交而不相连，具有明显的多期叠加特征。

2) 采用构造物理模拟和有限元数值模拟相结合的手段恢复叠加断裂体系的形成和演化过程，不仅能够实现叠合盆地内区域地质背景对多期构造形成和演化的控制作用，还能定量模拟应力场分布特征，揭示软硬互层地质力学层之间的“应力-应变不协调效应”，预测低级序断裂的有利发育位置。

3) 两期断裂系统的叠加规律主要受控于先期断裂的力学强度、晚期应力强度、先期断裂走向与后期应力方向之间的关系，当后期应力场发生改变时，可能引起构造(尤其是断裂)的叠加。平面上，当后期张应力与早期断裂夹角小于30°时，地层抗张强度最小，此时，只沿先期断裂扩展而不产生新的断裂；垂向上，沙河街组和东营组两套地质力学层间以不整合面为薄弱力学层，在后期受力作用较强时，容易发生“变形不协调”现象，并出现应力集中现象，导致断裂的快速发育。

4) 南堡凹陷“X”型叠加断裂系统的形成直接受控于郯庐大断裂古近纪以来活动的旋回性、分段性和力学性质转变，经历了古近纪地壳单元的单剪切变形和纯剪切变形机制的叠加，进入东营期后，在郯庐大断裂整体南北向拉张兼具右旋走滑的背景下，早期NE向沙河街断裂及古潜山上拱派生次级右旋走滑分力，东营组盖层容易变形，发生左旋剪切形成雁列式断裂。

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FormationMechanismandEvolutionofMulti-phaseFaultBasedonPhysicalandNumericalSimulation

QING Ying1, FENG Jianwei2, YANG Shaochun2，REN Qiqiang2

(1.Exploration and Development Research Institute, China Petroleum and Jidong Oilfield Branch,Tangshan, Hebei 063004, China; 2.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China)

To solve problems in studying the formation mechanism of multi-phrase superimposed structures, this paper took X-pattern normal faults in Nanpu No.3 region as the example to investigate the controlling role of pre-existing structure in the depth of rift basin on the formation and evolution of later fault and to analyze the mechanism of superimposed structures by using tectonic superposition theory and physical and numerical simulation. A geometric model of space distribution was established. Through these studies, several laws were obtained as follows. First, superposition manners mainly depend on the mechanical strength of pre-existing faults, the tectonic stress intensity of the later fauts, and the relation between the pre-existing fault strike and the stress orientation of late period. Secondly, the pre-existing faults, which can influence local distribution of stress field and the mechanical strength of stratum, influence the distribution of later fault development. In other words, the later stress field not only causes the further propagation of pre-existing faults, but also the generation of new rupture in overlying strata. However, under extension setting, the later stress field results in the propagation along pre-existing faults only without,generating new faults when the inclined angle is less than 30°. Besides, under the influence of strong later force, it is easy for the spatial mechanical stratigraphic sequences resulted from the segregation of plane of unconformity to produce the non-coordination strain phenomenon and to cause discontinuous faults vertically with changed occurrence. Therefore, the formation and development of the superimposed fault system is directly controlled by the change of geo-mechanical properties of Tan-Lu fault since Paleogene.

Nanpu sag; superimposed faults; formation mechanism; physical simulation; numerical simulation

卿颖,冯建伟,杨少春,等. 基于物理-数值联合模拟的多期断裂形成机制及演化研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2018,37(1):60-70.

QING Ying,FENG Jianwei,YANG Shaochun,et al.Formation mechanism and evolution of multi-phase fault based on physical and numerical simulation[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2018,37(1):60-70.

2016-06-06

中央高校基本科研业务费专项资金资助(14CX05016A)

卿 颖(1979—)，男，甘肃敦煌人，高级工程师，主要从事油气勘探及评价工作.E-mail:linqu_fengjw@126.com

冯建伟(1979—)，男，山东临朐人，副教授，博士后，主要从事构造地质学和岩石力学研究，本文通信作者.

E-mail:linqu_fengjw@126.com

P542；P554

A

1672-3767(2018)01-0060-11

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2018.01.006

高丽华)