昆北断阶带断裂形成机制构造模拟实验

王海琦，窦小雨，王林

（1.甘肃省地质矿产勘查开发局，兰州 730000；2.甘肃省地质勘查基金管理中心，兰州 730000；3.中国石油 新疆油田分公司 监理公司，新疆 克拉玛依 834000）

截至2012年，昆北油田累计探明石油地质储量1.07×108t，目前已建成产能50.00×104t[1]，其意义不仅仅是柴达木盆地继尕斯库勒油田发现后的又一个亿吨级油田，更成功明确了“富烃凹陷周缘古隆起”、“盆内晚期构造带”、“盆地基岩”及“古斜坡致密岩性区”四大潜在油气勘探领域，为青海油田具备规模发现和可持续发展奠定了基础[2]。由于断裂配置关系和储集层条件是昆北断阶带油气富集成藏的主要控制因素[3-4]，探究断裂特征，恢复断裂形成、演化过程，了解其形成机制尤为重要。因此，笔者从构造模拟的角度，设计2组实验，探究昆北断阶带区域构造演化模式，剖析油气富集规律，为油气勘探工作提供借鉴。

1 地质背景

昆北断阶带位于柴达木盆地西南缘昆仑山前，随着中—新生代以来昆北地区西侧阿尔金山的走滑作用和南缘昆仑山的强烈挤压作用，特别是受喜马拉雅运动期南北向构造动力的控制，发育了一系列压扭性多级断裂体系[4]，在平面上呈向北凸出的弧形，近平行分布[5]。昆北断阶带断裂总体有2个特点：①一、二级主控断裂均为逆断裂，普遍规模大，在平面上呈弧形或反“S”形展布，主要为北西—南东向和北西西—南东东向；②由一、二级主控断裂派生的三级及次级断裂，主要为近南北向和北东—南西向，是控制研究区构造圈闭的主要断裂（图1）。

图1 昆北断阶带区域构造纲要与油气富集区

昆北断阶带基底主要为古生代变质岩和海西运动期花岗岩，其上自下而上发育古近系古新—始新统路乐河组（E1+2l）、渐新统下干柴沟组（E3xg），新近系中新统上干柴沟组（N1sg）以及第四系更新统七个泉组（Q1+2q）。研究区切16井区、切6井区、切12井区和切4井区均已证实为油气富集区，油气主要赋存于路乐河组—下干柴沟组[5-6]。

2 构造模拟实验原理、仪器和材料

构造模拟实验是构造地质研究的一个重要方面。国内外构造模拟实验主要有2类装置：第一类是离心机模拟装置，此类装置一般多采用具有黏性的物质作为材料，主要用来模拟褶皱、各种重力构造以及黏性熔岩的侵入等；另一类装置主要是砂箱，是传统的平台变形装置，可以用来进行挤压、伸展、剪切等构造模拟，在研究盆地构造演化方向应用广泛，其形态一般呈无盖的箱状体[7]。

大量研究证明，对于构造模拟实验，在实验过程中只需遵循相似性原则，尽可能在边界几何学形态的拾取、材料的选择及运动学特征、动力学机制等重要因素上相似；简化模型，提高可操作性，忽略次要因素[7-11]。

选择合适的模型材料是模拟实验的关键环节之一。通过对昆北断阶带的岩性统计得出，古近系—新近系多以砂泥岩组合为主，陆源泥岩发育[12]。本次实验根据具体储集层岩性的差异，多次调整材料的配比，确定了最优选方案。模拟砂层总厚度为6 cm，划分为4层，模拟材料主要为粒径0.3 mm的石英砂、染色石英砂及黏土，内摩擦角约为31°，橡皮泥粉和凡士林可以增加材料的塑性，更易形成褶皱；滑石粉和熟石膏粉可以让材料松散，易形成裂缝、断层。具体砂层划分和材料配比方案如表1所示。

3 构造模拟实验

如图1所示，昆北断阶带北缘的昆北断裂形态为弧形，南缘的昆前断裂相对平直，原因主要是盆山及古构造边界条件、基底及上覆沉积地层岩石力学性质等均为不均衡，同时受喜马拉雅运动期昆仑山由南向北不均衡的强烈挤压及西侧阿尔金山左行走滑断裂体系的制约[13]。为提高构造模拟实验精度，通过区域资料研究和多次实验模拟，尽可能在边界几何形态、运动学特征及动力学机制等重要因素满足相似性原则。有关构造模拟实验参数见表2.

昆北断阶带发育复杂多级构造格局，为研究区内构造变形的应力作用机制，笔者针对一、二级主控断裂和三级及次级断裂分别设计了2组构造模拟实验，都是利用砂箱，通过液压步进电机带动推覆模块模拟昆仑山由南向北的挤压作用。不同的是，模拟三级及次级断裂的第二组实验以昆北断裂作为先存边界断裂，依据其形态制作了砂箱的边界作为限制条件，主要依据有2点：一是昆北断裂由基底断裂继承发育而来，活动期次多、时间长，对次级断裂的形成有重要的控制作用[14-15]；二是前人研究证实边界形态的差异直接关系到构造应力作用强度与作用机制。

表1 构造模拟实验砂层划分及材料配比方案

表2 构造模拟实验参数

3.1 一、二级主控断裂构造模拟实验

构造模拟实验砂箱内径400 mm×700 mm×10 mm（图2a），液压步进电机带动砂箱活动挡板，另一端设定为砂箱固定挡板，模拟地层严格按表1的材料配比制作。地貌上昆仑山边界明显向柴达木盆地方向凸出（图1），设计使用聚苯塑料制作的模块固定在活动挡板端模拟昆仑山先存刚性边界条件。研究区长度、推覆体长度、密度、挤压速度、挤压时间等数据见表2.由于不均衡挤压的应力学和模拟地层的材料力学的差异，推覆体外的1号和5号纵切剖面与推覆体上的2号、3号和4号纵切剖面（图2b）分别产生了2种构造形式：第一种以1号纵切剖面为例，变形较弱，样式相对简单，为叠瓦状逆冲断裂组成的前展式单斜断块样式，在各模拟砂层中均有发育，其发育表现为挤压开始时，推挤段至砂层中段先出现整体的褶皱，随着位移不断增加，模拟地层进一步缩短，褶皱的波长变短，轴面倾角变小，开始发育楔形体，随楔形体不断向前进展，形成低角度逆冲推覆断裂F1，随着地层缩短量进一步加大，冲断作用逐渐向盆地方向发展，并发育逆冲推覆断裂F2，与F1近平行分布，构成前展式单斜断块；第二种以3号纵切剖面为例，变形更加强烈，其逆冲推覆断裂F1和F2的发育过程与1号纵切剖面基本一致，在逐渐增强的水平剪切应力与垂向剪切应力持续作用下，F1上盘浅部地层低角度滑脱，F1上盘深部地层高角度反冲，构成高角度冲起断裂F3，滑脱层对推挤段的构造有明显的调节作用，随着地层缩短量继续增加，F1断裂产状变陡，在塑性较强的Ⅲ—Ⅳ模拟砂层中（对应路乐河组—上干柴沟组下段）发育多套背斜，产生了断裂—皱褶叠加的组合样式（图2c—图2g），为沟通油源提供了良好的条件。

图2 实验模拟昆北断阶带前展式逆冲断裂不均衡发育模式

图3 昆北断阶带地震构造解释剖面

昆北断阶带自西向东5条地震构造解释剖面（图3）显示，西侧98182测线和CDM07测线反映在不均衡前陆冲断应力作用下发育简单断裂，构造变形弱，样式较简单，为一系列叠瓦状逆冲断裂；中东部Line2500测线和Line3200测线反映挤压作用明显增强，构造变形强烈，除叠瓦状逆冲断裂外，还发育褶皱断裂冲断体系，并在构造的一翼沉积生长层序[14]。表明昆北断阶带构造变形存在明显的不均衡性。根据昆北断裂地震构造解释剖面，计算得到98182测线、CDM07测线、Line2500测线、Line3200测线和070测线地震构造解释剖面的平均缩短率分别为12.21%，16.03%，18.12%，17.20%和13.09%.由于不均衡推覆体的存在，构造模拟实验设计的5条纵切剖面的实际水平缩短量并不一致，变形程度不同。推覆体外的1号和5号纵切剖面水平缩短量为14 cm，水平缩短率为20.90%；推覆体上的2号、3号以及4号纵切剖面的水平缩短量为17 cm，水平缩短率为25.40%.通过与昆北断裂地震构造解释剖面平均缩短率对比得出，昆北断阶带西部98182测线和东部070测线与模拟实验1号和5号纵切剖面的水平缩短率均偏低，反映构造变形较弱；中东部的Line2500测线和Line3200测线与模拟实验2号、3号和4号纵切剖面水平缩短率均明显增大，反映挤压作用明显增强，构造变形更加强烈。

综上所述，昆北断裂地震构造解释剖面与构造模拟实验纵切剖面对比，无论是平均缩短率的不均衡特征还是形成的构造样式，均高度相似，实验模拟效果较好。

3.2 三级及次级断裂构造模拟实验

以不均衡挤压模拟实验为基础，除利用模块模拟的边界条件（A型、B型）不同以外，砂箱的其他设计参数和硬件配置保持不变（图4）。通过研究不均衡挤压推覆体在不同边界作用下造成的应力差异，进一步研究其他展布方向的三级及次级断裂特征和形成机制。

图4 2种边界形态砂箱的构造模拟实验示意图

三级及次级断裂构造模拟实验所使用的应力分析方法以滑移线场理论为基础，即通过构造模拟实验，在介质层面上均匀分布应变椭圆（图5），应变椭圆长短轴的单位长度一致，原始方位一致，遍布应变椭圆的介质层面构成了一个平面应变场。构造模拟实验使各应变椭圆发生了变形，变形后长轴的方位代表主正应力方位，连接起来为主正应力迹线，迹线上任何一点的切线方位，代表该点的主正应力方位；短轴的方位代表主剪切应力方位，连接起来为主剪切应力迹线，迹线上任何一点的切线方位，代表该点的主剪切应力方位；主正应力迹线与主剪切应力迹线为正交关系[9-10]。构造模拟实验结果如图5所示，基于A型、B型边界形态砂箱产生共轭型（A型）和撕裂型（B型）2种特征的最大剪切应力。

图5 2种砂箱构造模拟的主应力轨迹场（据文献［16］）

昆北断阶带T800ms时间切片上的断裂系统（图6），可明显划分出多组共轭型断裂系统和撕裂型断裂系统，较好地吻合了上述先存刚性边界条件下不均衡挤压模拟实验的分析结果。

图6 2种最大剪切应力模式与研究区T800 ms时间切片断裂系统分布

通过Marc三维构造应力分析软件对昆北断阶带先存弧形边界的挤压冲断进行了数值模拟。先存弧形边界不均衡挤压可产生一组共轭型的最大剪切应力（图7）。进一步用3Dmove构造模拟软件数值模拟昆北断阶带下干柴沟组下段底面最大剪切应力场，得到多组共轭型和撕裂型的最大剪切应力（图8）。

图7 Marc软件数值模拟昆北断阶带三级及次级断裂形成机制

图8 3Dmove软件数值模拟昆北断阶带下干柴沟组下段底面最大剪切应力场

Marc和3Dmove软件的数值模拟结果较吻合，表明共轭型和撕裂型2种次级断裂系统是由最大剪切应力控制。无论是共轭型还是撕裂型，应力大量集中均能产生多组次级断裂，使储集层产生更多的微裂缝，间接促进次生溶蚀，使储集层的储集性能显著改善，这与切6井区、切16井区、切12井区和切4井区富油气的事实较为吻合。

4 结论

（1）昆北断阶带构造格局较为复杂，构造的形成与发展受多种条件的限制，控制构造变形的应力作用机制也各有不同，因此，针对一、二级主控断裂和三级及次级断裂分别设计了2组构造模拟实验。

（2）通过一、二级主控断裂构造模拟实验揭示了喜马拉雅运动期，昆北断阶带在南北向构造动力不均衡挤压作用下，发育了一系列多级压扭性冲断断裂体系，主要有2种构造形式：一种样式较简单，由叠瓦状逆冲断裂组成的前展式单斜断块模式；另一种产生了断裂—皱褶叠加的组合样式，变形更为强烈；5条模拟实验的纵切剖面与5条地震构造解释剖面平均缩短率特征拟合较好，发育的断裂对沟通油源起到了积极作用。

（3）先存边界控制的不均衡挤压模式实验显示，最大剪切应力随着边界形态不同，表现为共轭型和撕裂型2种特征，与昆北断阶带T800 ms时间切片上断裂系统特征吻合；数值模拟结果进一步验证了实验结果，2种次级断裂系统均改善了储集层的储集性能。

（4）昆北油田切16井区、切6井区、切12井区和切4井区均已证实为油气富集区，实验结论与现实有较好的一致性，对油气勘探有较好指导和借鉴意义。

［1］ 付锁堂，马达德，陈琰，等.柴达木盆地油气勘探新进展［J］.石油学报，2016，37（增刊1）：1-10.FU Suotang，MA Dade，CHEN Yan，et al.New advance of petroleum and gas exploration in Qaidam basin［J］.Acta Petrolei Sinica，2016，37（Supp.1）：1-10.

［2］ 付锁堂.柴达木盆地油气勘探潜在领域［J］.中国石油勘探，2016，21（5）：1-10.FU Suotang.Potential oil and gas exploration areas in Qaidam basin［J］.China Petroleum Exploration，2016，21（5）：1-10.

［3］ 陈迎宾，袁剑英，陈启林，等.柴达木盆地西部南区断裂发育特征及对成藏的控制作用［J］.天然气地球科学，2006，l7（5）：645-648.CHEN Yingbin，YUAN Jianying，CHEN Qilin，et al.Fracture devel⁃opmental characteristics and control action of hydrocarbon accumu⁃lation in the southwest area of Qaidam basin［J］.Natural Gas Geosci⁃ence，2006，l7（5）：645-648.

［4］ 陈国民，夏敏全，万云，等.柴达木盆地昆北断阶带构造特征及油气前景初步评价［J］.天然气地球科学，2011，22（1）：89-96.CHEN Guomin，XIA Minquan，WAN Yun，et al.Structural charac⁃teristics and exploration prospects of North-Kunlun faults zone in Qaidam basin［J］.Natural Gas Geoscience，2011，22（1）：89-96.

［5］ 官大勇，胡望水，张文军，等.柴西地区逆断层类型及其与油气运聚的关系［J］.新疆石油地质，2004，25（6）：621-623.GUAN Dayong，HU Wangshui，ZHANG Wenjun，et al.Types of re⁃verse faults and their relationship with hydrocarbon migration and accumulation in western Qaidam basin［J］.Xinjiang Petroleum Geol⁃ogy，2004，25（6）：621-623.

［6］ 刘桂珍，张德诗，李能武.昆北断阶带基岩储层特征及油气成藏条件［J］.岩性油气藏，2015，27（2）：62-69.LIU Guizhen，ZHANG Deshi，LI Nengwu.Characteristics of base⁃ment reservoirs and hydrocarbon accumulation conditions in the northern Kunlun fault zone［J］.Lithologic Reservoirs，2015，27（2）：62-69.

［7］ 时秀朋，李理，龚道好，等.构造物理模拟实验方法的发展与应用［J］.地球物理学进展，2007，22（6）：1 728-1 735.SHI Xiupeng，LI Li，GONG Daohao，et al.The development and ap⁃plication of structure physical modeling［J］.Progress in Geophysics，2007，22（6）：1 728-1 735.

［8］ 赵仕俊，赵锡奎，杨少春.地质构造物理模拟实验模型的相似分析［J］.西北地质，2005，38（4）：14-18.ZHAO Shijun，ZHAO Xikui，YANG Shaochun.Similar analysis of geological structure physical model［J］.Northwestern Geology，2005，38（4）：14-18.

［9］ 曾佐勋，刘立林.构造模拟［M］.武汉：中国地质大学出版社，1992.ZENG Zuoxun，LIU Lilin.Tectonic simulation［M］.Wuhan：China Geological University Press，1992.

［10］ MCCLAY K R.Extensional fault systems in sedimentary basins：a review of analogue model studies［J］.Marine&Petroleum Geolo⁃gy，1990，7（3）：206-233.

［11］ 王颖，王英民，赵锡奎.构造模拟实验在构造研究中的应用——以桩西潜山为例［J］.石油实验地质，2004，26（3）：308-312.WANG Ying，WANG Yingmin，ZHAO Xikui.Application of simu⁃lation experiment to the study of structural evolution—an example of the Zhuangxi buried hill［J］.Petroleum Geology&Experiment，2004，26（3）：308-312.

［12］ 吴颜雄，马达德，刘君林，等.柴西地区基岩油藏形成的石油地质条件分析［J］.天然气地球科学，2014，25（11）：1 689-1 696.WU Yanxiong，MA Dade，LIU Junlin，et al.Geological conditions of basement oil pools in western Qaidam basin［J］.Natural Gas Geoscience，2014，25（11）：1 689-1 696.

［13］ 张涛，宋春晖，王亚东，等.柴达木盆地西部地区晚新生代构造变形及其意义［J］.地学前缘，2012，19（5）：312-321.ZHANG Tao，SONG Chunhui，WANG Yadong，et al.The Late Ce⁃nozoic tectonic deformation in the western Qaidam basin and its im⁃plications［J］.Earth Science Frontiers，2012，19（5）：312-321.

［14］ 刘栋梁，方小敏，王亚东，等.平衡剖面方法恢复柴达木盆地新生代地层缩短及其意义［J］.地质科学，2008，43（4）：637-647.LIU Dongliang，FANG Xiaomin，WANG Yadong，et al.Cenozoic deformation history determined by restoration of the balanced sec⁃tion across the Qaidam basin［J］.Chinese Jourrnal of Geology，2008，43（4）：637-647.

［15］ 张菊梅，吴武军，郑希民，等.柴西地区构造样式与油气勘探领域［J］.石油地球物理勘探，2012，47（增刊1）：103-110.ZHANG Jumei，WU Wujun，ZHENG Ximin，et al.Structure styles in the west Qaidam basin and its hydrocarbon exploration prospec⁃tive［J］.Oil Geophysical Prospecting，2012，47（Supp.1）：103-110.

［16］ RAGAN D M.Structural geology［M］.John Wiley&Sons，Inc.，1973.