基于构造物理模拟实验的走滑量求取

吴 奎 何 京 张中巧 张江涛 张金辉

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

构造物理模拟实验是再现含油气构造体系形成、演化过程的一种主要方法，可以追踪其形成的动力学成因机制，论证油气分布的有利层段和区域[1-6]，对于盆地演化[7-8]、构造变形[9]以及断裂成因[10-13]机制研究具有简单可行、直观高效的优势。估算走滑断裂走滑量的方法各有利弊，需根据实际地质情况和现有资料选择使用。

走滑断裂两盘地质体对比法[14-17]是估算走滑量的最直观方法，在理论上最准确，其关键在于寻找可靠的地质参考点，但是难度较大，尤其是在盆地区往往由于地层覆盖而难以找寻。此外，还有古地磁法[18]、地壳变形速度法[19]等。针对盆地区，可以依据拉分盆地中盆地沉降(或抬升)速率与边界断层走滑速率之间的数值关系计算走滑量[20-22]，如彭文绪等[23]采用半地堑模型计算莱州湾坳陷新生代的水平走滑量。需要指出的是，上述方法都有局限性和适用范围。近年来，构造物理模拟实验被广泛用于盆地构造的半定量—定量研究，如单家增等[8]根据模型相似系数得到辽河坳陷新近纪的右旋走滑量，童亨茂等[24]采用构造解析和物理模拟实验相结合的方法计算辽河西部凹陷新生代的右旋走滑量。

辽中凹陷是渤海海域的富烃凹陷之一，其剩余资源规模达到11.9×108t，迄今为止已经发现了旅大21-2、金县1-1等多个大中型油气田，是中海石油最重要的勘探区块之一。位于中国东部的郯庐断裂带贯穿辽中凹陷，走滑活动异常活跃，对早期构造具有强烈改造作用。现有研究成果证实，辽中凹陷与辽河盆地相同，具有古近纪早期大陆裂谷拉张变形和后期右行走滑变形的两期演化特征[7,25]。因此，研究辽中凹陷走滑断裂的典型特征，对于该区构造认识、断裂解释以及了解油气成藏规律至关重要。本文利用现有钻井资料、地震解释成果，结合区域特殊断裂特征，运用构造物理模拟方法深入研究辽中凹陷走滑断裂典型特征、断裂演化以及形成机理，同时计算了主干断裂走滑量，为类似地区走滑量计算提供一种新思路。

1 区域概况

辽东湾坳陷是下辽河坳陷的海域延伸，构造整体呈北东走向，凸起与凹陷相间分布，自西向东分别发育辽西南凸起、辽西凹陷、辽西凸起、辽中凹陷、辽东凸起以及辽东凹陷共6个二级构造单元，表现为“三堑夹三垒”的构造格局，其中辽中凹陷位于辽西凸起与辽东凸起之间，主要发育LZ1走滑断裂，地层表现为“东断西超”特征(图1)。

图1 区域构造图

钻井资料以及地震解释结果表明，辽东湾坳陷新生界发育较齐全。新生代以来渤海湾盆地主要存在6期构造运动[26-27]： ①古新世—始新世早期，即孔店组—沙四段沉积时期发育裂陷Ⅰ幕(65～42Ma)；②始新世沙三段沉积期为裂陷Ⅱ幕(42～38Ma)；③始新世沙一段、沙二段沉积期的盆地第一裂后热沉降拗陷阶段(38.0～32.0Ma)；④渐新世东营组沉积期为裂陷Ⅲ幕(32.0～23.3Ma)；⑤馆陶组至明下段沉积期的第二裂后热沉降阶段(23.3～5.3Ma)；⑥上新世明化镇组—第四系沉积期，发生新构造运动(5.3Ma至今)。新生代以来共发育孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组以及第四系平原组地层。辽东湾坳陷局部地区由于构造活动差异导致部分沉积地层缺失，这也是构造演化分析的证据。

1.1 断裂体系平面特征

一级断裂控制了凸起和凹陷的形成和演化。连片地震资料精细解释结果表明，在辽中凹陷发育3条一级断裂，自西向东分别为LZ1、LZ2、LD1。LZ1在辽东湾坳陷南部海域控制了辽东凸起南块，北部延伸进入辽中凹陷；LD1和LZ2分别为辽东凸起的东、西两侧边界(图1)。辽中凹陷南部洼陷同时发育一系列二级断裂，自西向东分别为LD21、LD16、中央断裂，这3条断裂相互叠置，走滑特征明显，共同控制了辽中凹陷南洼反转带的形成。

LZ1的北部为发育于辽中凹陷内部的重要走滑断裂，南部取代LZ2成为辽中凹陷的东界控凹断裂，延伸距离约为125km，平面上呈NNE向，延伸较远，贯穿整个辽中凹陷。LZ1北段走滑弱，次级断裂较多，与主断裂构成帚状体系(图2)；LZ1中段走滑强，局部具走滑双重特征，走滑断裂平行展布，断裂带紧闭，连续性好；LZ1南段走滑弱，断裂带较宽，断面不连续，由一系列近EW向次级断裂构成；LZ1在辽中凹陷南洼段走滑强，断裂带紧闭，浅部发育雁列式断裂体系。

LZ2为辽中凹陷北洼的东界控凹断裂，延伸距离约为120km，平面上呈NNE向，整体呈弱弯曲的“S”形。LZ2北段连续性好，南段在深层发育明显，浅层特征不明显，对地层控制作用减弱。

LD1为辽东凹陷的控凹断裂，延伸距离约为130km，平面上延伸较远，呈NNE向，整体发生弱弯曲，断面连续。在浅部LD1北段的断面紧闭，而南段略宽；深部断面不清晰，断裂带发育较宽。

LD21、LD16、中央断裂是二级走滑断裂，平面上LD21与LD16相交，LD16与中央断裂呈近似平行右旋左接叠置。浅层由一系列近EW向次级断裂沿走向呈密集雁列式展布(图3)；中深层断裂连续性较好，次级断裂数量减少；深部断面不清晰。

图3 展示雁列式断裂的相干切片(辽中凹陷南部)

1.2 断裂体系剖面特征

LZ1断面陡立，切割深度大，断面倾向多变，北部为SE倾，中部和南部为NW倾，具有“丝带效应”；主断裂与上部次级断裂组成花状构造或似花状组合。

LZ2与LD1控制了辽东凸起的结构特征，辽东凸起整体表现为东西“双断式”结构。剖面上主断面倾向NW，倾角较大，自北向南倾角逐渐变小，上部与次级断层形成“Y”字型组合或似花状构造，具张扭性质。地震剖面解释成果(图4、图5)表明，辽东凸起向南逐渐消失，辽中凹陷的东界控凹断层转为LZ1。根据差异性将LD1在剖面上分为南、北两段：北段为辽东凹陷的西部边界断裂，倾角较大，次级断裂少；南段为凸起的走滑断裂，断裂近直立，发育花状构造。

图4 Inline 8720地震剖面

图5 Inline 7230地震剖面

LZ1、LZ2、LD1等3条一级断裂控制了辽中凹陷主体区，至辽中凹陷南洼一级断裂逐渐消亡，转换为中央断裂、LD16、LD21等3条二级断裂(图6)。对研究区上述6条主干断裂沿断裂走向选取多个计算点，通过统计分析各时期地层厚度差，并结合各套地层的沉积时间，进而计算每条断裂在不同时期的平均垂向活动速率(图7)。结果表明：沙三段及东三段沉积期是断裂垂向活动的两个高峰；一级断裂总体垂向活动性较强，以LZ1、LZ2活动性最强，二级断裂活动性较弱，以中央断裂活动性最强。上述结果证明LZ1、LZ2、中央断裂在沙三段和东三段沉积时期存在强烈的伸展运动。结合断裂体系平面特征及方差切片，综合前人关于辽中凹陷以及辽河东部凹陷的构造演化认识，将新生代构造演化分为三个主要阶段[28-30]。

(1)古近纪早期(孔店组—沙三段沉积期)的弱走滑、强拉张时期。太平洋板块以NNW向俯冲于欧亚板块，俯冲速率为10cm/a，印度板块以17cm/a的速率高速向欧亚大陆俯冲，这种不对称的俯冲作用导致软流圈向东“蠕散”，对岩石圈产生拖拽作用，致使岩石圈减薄[31]。始新世时期，太平洋板块、印度板块俯冲速率降低，大洋板块伸展到华北地区岩石圈下方，发生熔融，引起地幔上涌，导致岩石圈上隆，诱发NW—SE向裂陷伸展。辽东湾坳陷内主干断裂多呈NNE向，次级断裂呈NNE或NE向，盆地整体表现为NE向的“堑垒”构造格局。

图6 Inline 4880地震剖面

图7 主干断裂垂直活动速率

(2)古近纪中晚期(东营组沉积期)的强走滑、弱拉张时期。太平洋板块以NWW向俯冲于欧亚板块，同时印度板块仍以17cm/a的速率向欧亚板块俯冲，对其施加NE向的挤压力，致使华北板块向东移动，沿先存断裂带产生右行张剪运动，诱发NE—SW向挤压、NW向拉张作用。辽东湾坳陷整体的格局与前期相差不大，但断裂连续性变差，LZ1、LZ2和LD1发育走滑构造；辽中南洼断裂体系由一系列NE、近EW向次级断裂沿走向呈雁列式排列；全区次级断裂体系极其发育，构造样式丰富，走滑派生构造发育。东部辽中凹陷受走滑影响更大。

(3)新近纪(馆陶组—明化镇组沉积期)的弱走滑、弱挤压时期。太平洋板块加速向欧亚板块俯冲，致使渤海湾盆地内的走滑作用仍然活跃；印度—澳大利亚板块和菲律宾海板块碰撞，造成菲律宾海板块顺时针旋转并向北快速运动，日本海大规模扩张，印度板块向欧亚板块俯冲速率较低，渤海湾盆地主要受NEE—SWW向挤压。由于岩石圈的均衡作用及地幔隆起降温，地壳沉降，盆地的伸展作用明显减弱，渤海湾盆地从此进入拗陷阶段，成为全区统一的大型坳陷[31-32]。走滑断裂继承性发育，但强度较弱，主断裂连续性很差，近EW向断裂全区发育且更加密集。

2 物理模拟实验

为了模拟辽中凹陷走滑作用，设计了3组沙箱模拟实验。实验材料选取干燥石英砂，其变形遵循库仑破坏准则，是模拟上地壳变形的理想材料，已经被大量用于构造物理模拟实验[7-8,33-36]。本文所有实验均选取160～200目干燥石英砂作为模拟材料，底部铺设橡胶皮作为应力传递介质。为更直观、准确地反映伸展量，将石英砂染色作为标志层进行分层铺设，模型砂层厚度为5cm，研究区地层厚度为5.0km，即相似比为1×10-5。研究区纵向延伸约130km，实验模型长度为30cm，即此方向的相似比为2.3×10-6。实验过程中驱动单元匀速运动，两侧驱动单元速度相同，实验每隔一分钟拍照、记录一次(走滑量为0.2cm)。实验结束后，使用明胶过饱和溶液对砂箱进行固结，获得实验结果剖面，进而对平面和剖面伸展量进行统计，每组实验均重复两次，以保证可重复性。

2.1 两条主走滑断裂平行侧列模型

设计实验模型(图8)模拟LZ1中部走滑双重断裂(图1、图5)。由实验过程(图9)可见：当走滑量为1.20cm时，叠置区内发育雁列式次级断裂，中部最先开始活动；随着走滑量的增大，叠置区内次级断裂发育数量增多，平面组合样式复杂化，并不断沿走滑运动方向向两侧增生；当走滑量为6.00cm时，主走滑断裂的断面清晰，侧接区域内次级断裂十分发育。沿受力方向在叠置区域切一条实验结果剖面，可见一系列小型正断层组成的翘倾断块、堑垒或“Y”字形组合样式(图10)。经测量可知，本次实验共计走滑量为7.20cm，叠置区内次级断裂累计水平伸展量为4.84cm，即伸展量与走滑量比率为67.22%。

图8 两条走滑断裂平行侧列的实验模型

图9 两条主走滑断裂平行侧列实验过程照片(d为走滑量)

图10 两条主走滑断裂平行侧列实验结果

2.2 两条主走滑断裂不平行侧列模型

设计实验模型(图11)模拟辽中凹陷南部LD16与LD21断裂不平行侧列(图1、图6)。由实验过程(图12)可见：当双侧走滑量为1.2cm时，侧接区域中部雁列状断裂开始活动；当走滑量为2.8cm时，左、右两侧主走滑断裂的断面连续，侧接区次级断裂数量增多，由中间沿走滑运动方向向两侧增生；当走滑量为6.0cm时，主走滑断裂的断面连续且清晰，侧接区域内次级断裂十分发育。由实验结果剖面可见一系列小型正断层组成“Y”字形组合样式或翘倾断块构造样式(图13)。经测量可知，实验两侧基底总走滑量为6.80cm，累计水平伸展量为4.62cm，即伸展量与走滑量比率为67.94%。

2.3 单条主走滑断裂模型

设计一条纯剪切模式(图14)主断裂，其走向与走滑运动方向平行，主要模拟LZ1断裂尾部(图1、图4)。由实验过程(图15)可见： 走滑运动初期次级断裂靠近活动单元一侧(即靠近主断裂、远离断裂尾端一侧)发育；随着走滑量不断增大，当走滑量为1.8cm时，平面上次级断裂逐渐向断裂尾端增生，且数量变多、规模逐渐增大、平面延伸距离变长；当单侧走滑量为2.6cm时，主走滑断面贯通，次级断裂继续向尾端增生；当走滑量为4.8cm时，主断裂一侧的派生次级断裂十分发育，形成帚状次级断裂体系，与主断裂共同组成“拉张马尾扇”构造。由实验结果剖面可见一系列小型正断层组成“Y”字形、多级“Y”字形组合或翘倾断块构造样式(图16)。对最终结果进行统计计算可知，实验中总走滑量为4.8cm，总水平伸展量为3.1cm，即伸展量与走滑量比率为64.58%。

图11 两条走滑断裂不平行侧列的实验模型设置两条走滑断裂交角为12°，侧接长度(l1)为18cm，窄边宽为4cm，宽边宽为7.5cm

图12 两条主走滑断裂不平行侧列实验过程

图13 两条主走滑断裂不平行侧列实验结果

图14 单条主走滑断裂尾端的实验模型图

图15 “拉张马尾扇”模式及物理模拟实验结果图

图16 单条主走滑断裂尾端实验结果

3 走滑量计算

考虑辽东湾坳陷的地质特征，利用构造物理模拟实验确定了辽东湾坳陷主干断裂走滑量与派生次级断裂水平伸展量之间的定量转换关系，进而估算辽东湾坳陷走滑断裂的走滑量。

两条主走滑断裂平行侧列模型、两条主走滑断裂不平行侧列模型、单条主走滑断裂模型等3组实验结果的平面和剖面伸展量表明(表1)，两条侧接走滑断层之间、单条走滑断层尾端均发育与主走滑断层高角度斜交的大量次级断层，剖面上具有明显的垂向落差，体现了由走滑位移向伸展位移的转变，上述3组实验的伸展量与走滑量比率分别为67.22%、67.94%、64.58%。将模拟结果与实际相干切片对比后认为，辽东湾坳陷的实际走滑特征可由后2组实验过程所表征，即约有2/3的走滑量转化为水平伸展量。

表1 伸展量与走滑量转换关系结果

需要指出的是，上述水平伸展量是指走滑断裂派生次级断层的水平伸展量。由于新生代渤海海域乃至整个中国大陆东部发生了大规模的地幔上涌、岩石圈减薄，导致浅部地壳发生水平拉张，这种拉张同样对NNE向主干走滑断裂派生次级断裂的水平伸展具有贡献，因此由地震剖面得到的走滑断裂附近派生次级断裂的水平伸展量实际上还包含地幔上涌造成的水平拉张效应。因此，可以认为近EW(NWW—SEE)向测线反映的水平拉张量主要由地幔上涌所致，走滑的贡献较小。此外，从理论上讲，地幔上涌产生的水平拉张量在各个方向基本相近，而近SN(NNE—SSW)向测线反映的水平拉张量展示了地幔上涌与走滑作用的叠加效应，因此将近SN向测线反映的水平拉张量减去地幔上涌产生的水平拉张量，便得到走滑作用产生的水平拉张量。再依据前述构造物理模拟实验得到的走滑量与走滑派生断裂的水平伸展量的关系，可以推算研究区各走滑断裂水平位移量，具体公式为

L=L0(1-β)×(3/2)

(1)

式中：L为走滑断裂走滑量；L0为走滑派生断裂水平伸展量；β为水平伸展率，是盆地伸展量与沉积时间的比值，不同方向的伸展率揭示了不同演化阶段的应力强弱变化。辽东湾坳陷主要发育NNE向的走滑应力和NW—SE向的伸展应力。NW—SE向剖面垂直于构造单元，该方向的伸展率反映了辽东湾坳陷各地质时期伸展应力的强弱变化。综合已有研究成果，获得了盆地的伸展率，计算得到不同演化阶段主干断裂的走滑量(表2)。应用特殊地质体计算走滑量是十分可靠的手段[14-17]，表明LD1断裂北部馆陶组底部砂砾岩特殊岩性体自新近纪以来的走滑量(约为2.7km)与本文计算结果(3.07km，表2)差别不大，从而验证了文中结果的正确性。

表2 辽东湾坳陷主干断裂新生代各演化阶段的走滑量计算结果

4 结论

基于辽中凹陷断裂体系的平面、剖面特征，完成了两条主走滑断裂平行侧列、两条主走滑断裂不平行侧列、单条主走滑断裂等3组断裂样式的构造物理模拟。在平面上展现了雁列状、帚状断裂体系，在剖面上再现了“负花状”构造样式，在不同走滑量下定量统计了次级断裂伸展量与走滑量的关系，从而计算出辽东湾东部一级断裂的走滑量。通过模拟走滑断裂的演化过程，得到以下认识：

(1)辽中凹陷在平面发育一系列雁列、帚状断裂体系，主要发育在LZ1断裂尾端以及走滑断裂上部浅层，主要受控于渐新世右旋走滑活动。

(2)随着走滑量增加，先后形成雁列、帚状断裂体系、平面贯通断裂形态，雁列、帚状断裂体系可作为深层走滑断裂解释的基本依据。

(3)走滑量定量模拟统计分析表明，伸展量与走滑量比率约为3∶2，辽东湾坳陷三条一级断裂在东营期走滑作用最强，LZ1断裂走滑量最大。