苏北盆地高邮凹陷汉留断裂带应力场数值模拟及断层成因分析

杨海盟，邹 娟，马士磊，赵宗波，卢宁宁

(1.中国石化中原油田分公司采油三厂，河南 清丰 457000； 2.中国石油冀东油田分公司勘探开发研究院，河北 唐山 063004； 3.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069；4.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引 言

高邮凹陷是苏北盆地东台坳陷中部的一个次级凹陷，凹陷内部由南向北依次划分为南部断阶带、中部深凹带和北部斜坡带。该凹陷先后经历了仪征运动、吴堡运动、真武运动和三垛运动，沉积了白垩系泰山组，古近系阜宁组、戴南组、三垛组，新近系盐城组及第四系东台组地层。

汉留断裂带位于苏北盆地高邮凹陷东南部，是高邮凹陷主要的油气聚集带之一。汉留断裂带在平面上延伸长度约70 km，宽度约5 km，是发育于真①断层上盘的反向断层，受重力补偿作用形成[1-2]。沿断裂带自西向东依次发育赤岸、马家嘴、联盟庄、永安和富民等多个油田。凹陷内主要发育NEE向真武断裂带、汉留断裂带和NE向吴堡断裂带，其中吴堡断裂带与真武断裂带构成了高邮凹陷南部主要边界，这两条断裂带对高邮凹陷的构造格局演变和沉积中心迁移具有重要影响[3-5]。

前人对苏北盆地构造演化进行了研究[6-8]。张克鑫等认为苏北盆地构造演化先后经历了坳陷式伸展(K2t—E1f1)、断陷期(E1f2—E1f4)、单向伸展转为双向伸展(E2d—E2s)、坳陷期(N-Q)[6]；李学慧等运用断层落差法和平衡剖面技术对高邮凹陷南断阶断层形成时期和断层活动强弱特征进行了分析[9-11]。此外，构造应力场数值模拟技术也得到广泛应用[12-17]。例如，戴俊生等运用该技术分析构造应力对断层的控制作用，在高邮凹陷南断阶东部阜宁期模拟取得了良好的效果[18]；张继标等运用数值模拟技术对各级别断层成因进行探讨，认为真①断层和真②断层发育主要受区域伸展和郯庐断裂带影响，真①断层和真②断层之间的三级断层主要受真①断层派生的古局部构造应力场控制[19]。汉留断裂带平面上具有明显的分段特征，剖面上不同断层段的断层组合样式也存在一定的差异[20]。李鹤永对汉留断裂带西、中、东段断层几何学特征、构造样式、断层活动性等进行研究，认为构造应力场方向的转变和岩浆侵入控制了汉留断裂带自西向东发育的不同构造样式[21]。目前，通过建立研究区的地质模型和力学模型，利用构造应力场数值模拟技术解释断裂成因机制、预测断层或裂缝的发育是一种比较可靠的断裂成因机制解释方法[22-24]。因此，本文在分析构造演化和断层活动性的基础上，选取阜宁期和三垛期进行构造应力场数值模拟，从动力学角度分析主体断层成因机制，以期为汉留断裂带油气勘探开发提供借鉴。

1 断层特征

汉留断裂带西部断层分叉发育，形成了NEE向正断层和一系列次级断层组成的复杂断裂带(图1)。断层级别上，汉留断裂带属于高邮凹陷内部二级断层，其余NNE向断层属于三级断层，南部NWW向断层划为四级断层，主断层之间小断层划为五级断层。平面上，最北部一条断层西部走向NEE，东部走向近EW，转折处发育一条次级断层，往南3条主断层走向NEE，汉留断裂带次级断层走向以NWW为主，发育断层组合样式有平行式、羽状和斜交式。剖面上，NEE向主断层切割古近系，倾向SSE，倾角约40°，呈阶梯状展布，并且发育“Y”字形和复“Y”字形断层组合。断层性质和构造样式表明研究区断层在以伸展作用为主的应力场作用下形成。

古近系阜宁组二段底部图1 苏北盆地高邮凹陷汉留断裂带构造位置与断裂分布Fig.1 Structure Position and Fault Distribution of Hanliu Fault Zone in Gaoyou Sag of Subei Basin

1.1 构造演化剖面分析

平衡剖面经众多学者研究[25-27]，技术和理论日趋完善。本文采用旋转法[28]，遵循剖面中层长守恒的原则，将相当点归位，进行构造演化分析。

由Inline570构造演化剖面(图2)可以看出，阜宁期汉留断裂带断层发育，断层倾向SE，真武断裂带断层强烈活动，断层倾向NW。戴南期汉留断裂带断层继续发育，断层活动性增强，派生次级断层；真武断裂带断层持续强烈活动，中部地层水平沉积。三垛期汉留断裂带断层持续强烈活动，次级断层较发育；真武断裂带经历断层活动性由强变弱的过程。盐城期至今，断层微弱活动后停止。

结合大地构造背景，将汉留断裂带构造演化分为4个阶段：阜宁期断层发育弱活动阶段；戴南期断层较强活动阶段；三垛期次级断层发育逆牵引形成阶段；盐城期至今稳定沉降阶段。

1.2 断层落差分析

大量的钻井资料表明，戴南组和三垛组地震反射界面标定较准确，断层落差计算数据较可靠，但阜宁组钻井揭示较少且地震反射杂乱，因此，断层落差数据根据现有资料大致推测得到。

断层落差法是定量分析断层活动性的常用方法[29-30]，即通过加密地震测线，统计覆盖研究区12条地震解释剖面各条断层上、下盘地层厚度之差，并绘制断层落差直方图(图3)。

由图3可知：阜宁期断层活动性强烈，阜二期f4断层开始活动，阜四期f1、f3断层形成；戴南期f1、f3断层活动性增强，f4断层持续强烈活动，f2断层形成；三垛期f1、f2、f3断层活动性最强，垛二期f3断层落差约170 m，f4断层活动性在三垛期呈断崖式减弱。综上所述，研究区主断层在阜宁期发育，三垛期活动性强烈，垛二期f3断层落差约170 m。

2 构造应力场数值模拟

断层活动受控于构造应力场，因此，研究构造应力场对于油气运聚具有重要意义[31-32]。由构造演化剖面和断层落差分析可知，阜宁期和三垛期断层发育。本文运用Ansys软件建立有限元地质力学模型进行构造应力场数值模拟，以此来解释断层发育特征及成因机制等。

2.1 构造应力场方向

共轭节理、共轭断层面、断层产状、擦痕、褶皱及缝合线等构造形迹都可以作为判断构造应力场状态的依据[33]。由阜宁期和三垛期断层走向玫瑰花图(图4)可知：阜宁期断层走向总体近EW向，判断阜宁期最小主应力方向近SN向；三垛期断层发育方向近EW向，三垛期最小主应力方向为近SN向。

2.2 模型建立与加载

阜宁期地质模型的建立主要参考了阜宁组二段底面构造图，选择真①断层作为先存断层,综合地质资料、地震剖面解释结果和古构造恢复结果，设置真①断层走向为83°，倾角为13°，阜宁组厚度为3 000 m[图5(a)]。

Q为第四系；Ny为新近系盐城组；E1f1为阜宁组一段；E1f2为阜宁组二段；E1f3为阜宁组三段；E1f4为阜宁组四段；E2d1为戴南组一段；E2d2为戴南组二段；E2s1为三垛组一段；E2s2为三垛组二段；K2t为泰山组图2 Inline570构造演化剖面Fig.2 Tectonic Evolution Profiles of Inline570

图3 断层落差柱状图Fig.3 Histograms of Fault Throw

图4 阜宁期和三垛期三、四级断层走向玫瑰花图Fig.4 Strike Rose Diagrams of the Third and Fourth Faults During Funing Period and Sanduo Period

图5 阜宁期和三垛期地质模型Fig.5 Geological Models During Funing Period and Sanduo Period

不同构造单元力学性质有所差异，一般断裂带较正常沉积地层单元强度更弱[34-35]。本文将不同地质单元赋予不同的岩石力学参数，参数大小参照文献[18]和[19](表1)。采用Solid45单元进行网格划分，共划分出61 939个单元，参与运算的节点共12 667个。综合断层平面展布和其他地质因素的影响，确定阜宁期主拉张方向为SN，次拉张方向为EW。

表1 不同地质单元岩石力学参数Tab.1 Rock Mechanical Parameters of Different Geological Units

由于难以得知阜宁期实际构造应力场的大小，模拟过程中外力通过类比施加虚拟值来实现，在符合客观规律的前提下，模拟结果便可与实际构造应力场足够接近，而构造应力场的变化趋势则是完全相同的。经过不断调整模型加载方式，选择最合理的加载方式，即施加9.8 m·s-2重力，在北边界施加10 MPa拉张力，同时，为满足有限元分析要求，在北边界施加z方向约束，南边界施加y方向约束，真①断层及上升盘底面施加z方向约束。

汉留断裂带三垛期地质模型的建立是以三垛组一段底面构造图为基础，将f1、f2、f3、f4和真②断层等设为先存断裂，断层倾向及倾角根据地质和地震资料确定，综合古构造恢复结果，将三垛组厚度设置为2 000 m[图5(b)]。根据断层的岩石力学参数(表1)，采用Solid45单元进行网格划分，共划分出48 171个单元，参与运算的节点共17 177个。经过不断模型加载，最终确定施加9.8 m·s-2重力，在南、北边界施加6 MPa拉张力，为满足有限元分析要求，在真②、韦5断层底面及上升盘底面施加z方向约束，西边界施加z方向约束。

图6 阜宁期应力分布Fig.6 Stress Distributions During Funing Period

2.3 模拟结果

阜宁期模拟结果[图6(a)]显示，最小主应力基本为正值，向南、北两侧呈条带状递减，方向整体为近SN向。最大主应力全为负值，高值区位于研究区北部，向南部呈带状递减[图6(b)]。平面剪应力在研究区南部为负值，北部为正值[图6(c)]。

三垛期模拟结果显示，最小主应力基本为正值，在南、北两处各有一个高值，分别向南、北两侧呈条带状递减，方向整体为近SN向[图7(a)]。最大主应力几乎全为负值，在中部最大主应力值最高，向两侧递减[图7(b)]。平面剪应力北部为负值，南部局部区域也为负值，中部为正值[图7(c)]。

图7 三垛期应力分布Fig.7 Stress Distributions During Sanduo Period

2.4 应力场分布对断层的控制

2.4.1 主差应力对断层的控制

戴俊生等研究发现，构造应力场对断层控制作用明显[18,36-38]。构造应力场数值模拟中涉及的张破裂计算通常采用格里菲斯准则，剪切破裂计算通常采用库仑-莫尔准则[39-40]。研究区发生的破裂主要是剪切破裂，根据库仑-莫尔准则[40]，τ=(σ1-σ3)/(2sin(2α))，其中，τ为主差应力，σ1、σ3分别为最大、最小主应力，α为破裂面法线与最大主应力间的交角，岩石剪切破裂程度随主差应力增大而增大[36]。汉留断裂带阜宁期主差应力呈带状分布，大1井附近出现高值区，北部高值区发育两条NE向断层[图8(a)]。三垛期主差应力在中部较高，向东、西侧主差应力变大，岩石剪切破裂强度大，发育了一系列低级序断层[图8(b)]。

图8 主差应力与断层展布Fig.8 Distributions of Main Differential Stress and Fault

2.4.2 平面剪应力对断层走向的控制

平面应变椭圆往往显示两组共轭剪切破裂线[41]。平面剪应力的分布情况通常使左旋、右旋两组断层发育程度不同，一般以一种旋向的断层发育为主。

阜宁期平面应变椭圆长轴为NNW—SSE向，短轴为SWW—NEE向，右旋破裂线为NEE向，控制中、南部发育NEE向断层，左旋破裂线为近EW向，控制最北部区域形成近EW向断层[图9(a)]。三垛期受平面应变椭圆的控制，在北部和南部部分区域受右旋控制发育NEE向断层，在中部区域受左旋破裂控制发育NW向断层[图9(b)]。

图9 平面剪应力与断层展布Fig.9 Distributions of Plane Shearing Stress and Fault

2.4.3 剖面剪应力对断层倾向的控制

戴俊生等指出在剖面应变椭球中，剪切破裂线可以代表断层的视倾斜线，从而确定断层倾向[28]。阜宁期剖面剪应力长轴为NW向，为张应力方向，短轴为重力方向，该时期NW—SE向剖面北部剪应力为负值，受右旋控制发育SE倾向断层，南部剪应力为正值，控制发育NW倾向断层(图10)，与地震剖面解释一致。三垛期剖面剪应力在北部为正值，控制发育SE倾向断层，南部变成负值，控制发育NW倾向断层，往南在真②断层南部剖面剪应力为正值，控制发育SE倾向断层(图11)，与地震解释剖面一致。

3 结 语

(1)汉留断裂带主要发育NEE、近EW、NW向断层，断层走向具有明显的分区性。断层组合样式在平面上为平行式、斜交式和羽状，在剖面上为阶梯状、“Y”字形和复“Y”字形。古近纪以来，汉留断裂带西部构造演化经历了阜宁期断层发育弱活动阶段，戴南期断层较强活动阶段，三垛期次级断层发育逆牵引形成阶段，盐城期至今稳定沉降阶段。构造演化剖面和断层落差表明，阜宁期SSE倾向断层发育，三垛期构造活动强烈，次级断层发育。

地震剖面为Inline370图10 NW—SE向剖面中阜宁期剖面剪应力与对应位置地震剖面Fig.10 Shear Stress Distribution of NW-SE Profile During Funing Period and Seismic Profile of Corresponding Location

地震剖面为Inline270图11 NW—SE向剖面中三垛期剖面剪应力与对应位置地震剖面Fig.11 Shear Stress Distribution of NW-SE Profile During Sanduo Period and Seismic Profile of Corresponding Location

(2)阜宁期最小主应力基本为近SN向张应力，北部主差应力高值区断层发育；平面剪应力在中、南部为负值，控制发育NEE向断层，北部为正值，控制发育近EW向断层；剖面剪应力负值区断层倾向SE。

(3)三垛期最小主应力基本为近SN向张应力，中部主差应力高值区次级断层发育；北部和南部部分地区平面剪应力为负值，控制发育NEE向断层，中部为正值，控制发育近EW、NW向断层；剖面剪应力在北部为正值，控制SE倾向断层，其南部为负值，控制NW倾向断层，真②断层南部剖面剪应力为正值，控制SE倾向断层。