苏北盆地高邮凹陷古近系阜宁组断层形成过程及其砂箱物理模拟

唐 旭，孙永河，胡慧婷，于雯泉，唐海氢

[1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318; 2. 中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249; 3. 东北石油大学 “断裂控藏”CNPC重点实验室，黑龙江 大庆 163318; 4. 中国石化 江苏油田分公司 勘探开发研究院，江苏 扬州 225009; 5. 中国石油 华北油田分公司 第三采油厂，河北 河间 062450]

高邮凹陷作为苏北盆地探明程度最高的凹陷，其构造演化特征一直是研究焦点[1-5]。高邮凹陷阜宁组为重要的油气富集层位，其发育的大量断层对油气的运移及圈闭的形成起到了重要作用。前人对于阜宁组断层的研究侧重于断层的几何学特征，然而对于该时期凹陷结构及断层成因机制上，不同观点尚未统一。陈安定[6]认为高邮凹陷在泰州组-阜宁组沉积期为拗陷结构，吴堡运动使凹陷局部发生剥蚀；能源等[7]认为高邮凹陷在泰州组-阜宁组沉积期经历拗断-断拗两个阶段；朱光等[8]、姜芹芹等[9]认为泰州组-阜宁组沉积期为分散断陷阶段。在阜宁组断裂成因上，朱光等[8]认为真①、吴①两条边界断裂为两组不同走向的基底断裂复活形成，凹陷内大量断裂也为基底复活产生；吴林和陈清华[10]认为高邮凹陷基底断裂发育密度低，并将真①、吴①断层合并考虑，认为吴①断层为真①断层的派生断层，活动时期晚于真①断层。对于阜宁组发育的不同组合样式的次级断层成因，前人研究中暂未给出合理解释。本文在高精度三维地震解释资料的基础上，通过对不整合面及残余地层识别，明确了主干边界断层在阜宁组沉积期的活动特征，确定边界断层与次级断层相互作用关系，同时总结了阜宁组断层的几何学特征，并通过断层位移-埋深曲线及生长指数对断层活动规律进行定量表征，厘定断层形成时期，结合物理模拟实验对阜宁组断层的初次活动成因进行验证。

1 区域地质概况

苏北盆地位于扬子板块北缘，自三叠纪开始经历多期次挤压、伸展等构造作用，最终形成中-新生代伸展型盆地[1-5]。成盆前复杂的构造演化形成大量NNE-NEE走向基底断裂，其中规模较大的基底断裂作为凹陷边界断裂，将苏北盆地分割为多个次级凹陷[9]；部分规模较小的基底断裂在晚期伸展作用下再活动，控制盆地内部次级断层走向和分布[8]。

高邮凹陷位于苏北盆地南部，北接柘垛低凸起，南临通扬隆起，西至菱塘桥低凸起，东至吴堡低凸起，是典型的单断式凹陷[11-13](图1)。凹陷内部自南向北可划分为断阶带、深凹带和斜坡带3个次级构造单元。断阶带主要发育于真①与真②断层、吴①与吴②断层之间，断层剖面呈北掉式阶梯状组合；深凹带为真②、汉留断层上盘形成的地堑式构造；深凹带以北为北部斜坡带。本文所研究的阜宁组断层主要发育于斜坡带。

图1 高邮凹陷构造简图(a)及地层柱状图(b)Fig.1 Structure diagram (a) and stratigraphic column (b) of Gaoyou Sag

地震剖面显示(图2)，在高邮凹陷西部，阜宁组产状趋近于水平，地层厚度基本保持一致；东部阜宁组产状逐渐转为倾斜，地层厚度变化不大，直到北部高部位阜宁组厚度减薄，这与阜宁组沉积后吴堡运动造成的局部剥蚀有关。该时期地层为全凹陷近等厚广泛沉积，标志着阜宁组沉积期高邮凹陷处于相对稳定的沉积环境，构造运动不强烈，边界大断层(真①、吴①断层)在这一时期活动不明显。

2 阜宁组断层发育特征和活动规律

2.1 断层发育特征

高邮凹陷全区阜宁组发育约900条断层，断层发育最为密集(图3)。南侧边界断层为真①和吴①断层。其中真①断层大致可分为两段，西段断层走向近EW向，东段断层走向有一定偏转，但整体保持NEE-NE走向；吴①断层在平面走向上也有一定偏转，整体为NE-NNE走向。吴①断层端部与真②断层弧形连接。除去边界断层及控陷断层，其余阜宁组断层具有发育数量多、平面延伸短、发育密度大的特点。这些断层整体走向为NE-NEE，局部地区发育近EW向断层；平面延伸长度在10 km以下的断层发育数量众多，延伸长度10 km以上断层发育较少；由于深凹带的影响，凹陷西部断层发育密度相对较小，约为0.18条/km2，东部斜坡区断层发育密度大，约为0.24条/km2。断层主要为平行式平面组合，局部地区发育帚状、网状、斜交及弧形连接式组合，这些组合模式在高邮凹陷东部、西部均有发育，平面分带特征不明显。

图2 高邮凹陷地震解释剖面对比Fig.2 Section correlation of seismic interpretations in the Gaoyou Saga—d.高邮凹陷自西向东不同位置地震解释剖面；e. DD′地震剖面吴①断层下盘局部放大

图3 高邮凹陷反射层(阜宁组一段顶部)断裂分布及断裂走向统计Fig.3 Fault distribution and strikes on layer (top of the first member of the Funing Formation) in Gaoyou Sag

2.2 边界断层活动性

一般而言，断陷盆地的边界断层具有发育规模大、断层断距大、活动时间长的特征。断陷期边界断层的同沉积活动控制着凹陷整体形态，且对凹陷内部次级断层的产状也有一定影响。判断边界断层的同沉积活动时期，主要依据各时期沉积地层结构特征，以及该时期断层上盘地层厚度是否大于下盘地层厚度两方面分析。但造成断层上盘厚度大于下盘的原因也可能与剥蚀作用有关，若断层在地层沉积后发生活动，同时断层下盘地层遭受较大剥蚀，此时形成的剖面结构与断层同沉积活动形成的剖面结构基本一致。因此，判断边界断层是否为同沉积断层，还需考虑剥蚀作用的影响。

高邮凹陷东部边界断层为吴①断层，断层下盘泰州、阜宁组厚度明显小于上盘(图2c,d)。对DD′剖面局部放大(图2e)，可识别到断层下盘阜宁组与上覆地层呈明显角度不整合接触，剥蚀作用强烈，这说明吴①断层在阜宁组沉积期为非同沉积断层。将吴①断层两盘地层对比发现，断层两盘的次级断层在形态、断距、组合样式上基本一致，为同一条件下形成，吴①断层对次级断层的影响较小。阜宁组沉积后吴①断层发生活动，使下盘地层遭受剥蚀，剥蚀作用由东向西逐渐增强，断层下盘残余地层厚度逐渐减薄。

高邮凹陷西部边界断层为真①断层，通过AA′剖面(图2a)可知，真①断层倾角较低，可能为三叠纪挤压时期形成的逆冲基底断裂，在处于伸展环境的阜宁组沉积期，断层发生拆离滑脱作用，水平断距较大，但对凹陷结构影响较小。为了进一步探究凹陷不同地区演化的差异性，在凹陷东、西部选择两条典型剖面对泰州、阜宁组沉积期编制构造演化剖面，明确凹陷演化过程(图4，图5)。

图4 高邮凹陷东部DD′测线构造演化剖面Fig.4 Structural evolution section of seismic line DD′ in eastern Gaoyou Saga.泰州组、阜一段沉积后；b.阜二段-阜四段沉积后；c.阜四段变形后；d.阜四段剥蚀后；e.戴南组沉积后；f.现今；

高邮凹陷东部断层相对密集。沉积初始时期，有少量先存断层。阜宁组沉积后，断层增多，随后经历一期快速伸展变形时期，产生大量NW倾向断层；在吴堡运动时边界断层快速活动，断层下盘遭受剥蚀，同时凹陷东北部发生抬升，部分地区出露地表，遭受剥蚀，此凸起便为柘垛低凸起。在柘垛低凸起南部，所有断层倾向均为NW向，多条断层构成多米诺式断层组合。凹陷内也发育SE倾向断层，在柘垛低凸起以北。因而此时期趋向于全凹陷均匀伸展，边界断层强活动时期为其他断层形成之后，为非同沉积活动。

与东部相比，高邮凹陷西部断层发育相对较为稀疏，泰州组沉积后存在部分小而少的断层，这些断层为盆内先存基底断层；阜宁组沉积后，产生部分新生断层，断层倾向为NW和SE向，在局部地区出现断层搭接现象，多条对倾断层在局部构成“V”字型对倾组合。从AA′演化剖面上看(图5)，在凹陷北部，SE倾向断层数量要大于NW倾向断层；而在凹陷南部，NW倾向断层数量要大于SE倾向断层。真①断层活动性较弱，对凹陷结构影响较小。

图5 高邮凹陷西部AA′测线构造演化剖面Fig.5 Structural evolution section of seismic line AA′ in western Gaoyou Saga.泰州组、阜一段沉积后；b.阜二段-阜四段沉积后；c.三垛组沉积后；d.现今

通过上述分析可知，高邮凹陷在阜宁组沉积期近似于自由边界伸展，边界断层对凹陷内次级断层的形成及演化不起到决定性作用。因此，为明确不同区段断层组合模式的差异性，应对凹陷东、西部次级断层进行运动学分析，探究不同区段断层活动性是否存在差异，明确断层形成演化历史及成因。

2.3 断层运动学特征

位移-埋深曲线及生长指数是识别断层活动时期及断层垂向生长性的有效手段[14-15]。不同类型断层在曲线上会显示出不同形态。单一期次持续活动断层的位移-埋深曲线显示为“C”型形状(图6a2)，而多期次活动断层的活动期之间存在静止期，此时的位移-埋深曲线有明显近垂直段(图6a4)。当断层活动时，生长指数大于1，生长指数越大断层活动性越强；断层静止时，生长指数等于1。本文断层位移-埋深曲线及生长指数的数据是基于精细地震解释成果，对各个地震反射标志层及典型反射轴进行数据读取。对凹陷内部分阜宁组内断层(平面位置见图3)进行活动性分析，探究不同组合类型之间断层活动性是否存在差异。

F1—F6断层发育于凹陷东部区域，通过断层位移-埋深曲线(图6b1—b6)可知，各断层曲线形态为“C”型，为单一期次活动断层，由断层生长指数可确定各断层阜宁组沉积期活动强烈。其中F3—F6断层自北向南地势逐渐降低，但各断层活动性依然保持一致，说明凹陷东部断层活动性不受控于斜坡背景。而凹陷西部区域“V”字型组合的断层断穿层位更多，活动时期更长，在戴南、三垛组沉积期依然具有较强活动性，如F7—F11断层(图6b7—b11)。由断层生长指数可知，断层初次活动时期为阜宁组沉积期，这与该时期凹陷东部断层活动性具有一致性。

图6 高邮凹陷断层位移-埋深曲线及生长指数Fig.6 Fault displacement-depth curves and growth index in the Gaoyou Saga1.典型单期活动断层地震剖面，数字编号为断层两盘可对比的反射轴编号; a2.图a1中断层位移-埋深及生长指数图; a3.典型多期活动断层地震剖面，数字编号为断层两盘可对比的反射轴编号; a4.图6a3中断层位移-埋深及生长指数图; b1—b12.断层F1—F12位移-埋深曲线及生 长指数图(断层平面位置见图3)

对比凹陷不同区域断层的活动特征可知，高邮凹陷在泰州组沉积期构造环境稳定，新生断层较少，直至阜宁组沉积期构造活动强烈，在凹陷全区产生大量新生断层。不同区域新生断层组合样式有所差异，但断层平面走向均以NE为主，说明该时期凹陷各区域均受NW-SE方向伸展应力场控制。

3 物理模拟实验

3.1 实验模型设计

前人通过物理模拟实验已经证明，若在斜坡背景下进行伸展，会形成一系列顺向断层[16],而高邮凹陷东部阜宁组断层均为反向断层，因此斜坡背景不是高邮凹陷东部产生大量反向断层的成因，即斜坡的形成不会早于断层形成时期。基于这一认识，结合前文对断层活动性和活动规律解析，设置两组自由边界物理模拟实验。

构造物理模拟实验广泛应用于盆地的构造研究，能有效地模拟出构造变形的过程[17-23]。针对不同先存构造，国外学者已进行多组物理模拟。McClay[21]对不同形态边界断层开展一系列物理模拟实验；Buchanan和McClay[24]采用先存构造研究多米诺式断层反转作用；McClay和White[25]对裂谷进行三维物理模拟。然而前人的研究成果并不能完全适用于本地区，并且先存断层控制产生的盆地形态与高邮凹陷阜宁组形态不符，这也说明了针对阜宁组演化阶段，可设计为无先存边界断层的自由边界。本实验采用长200 cm，宽20 cm，高30 cm的砂箱物理模拟实验装置，砂箱前、后两侧为固定挡板，左、右两端为活动挡板，可利用计算机内置软件操纵活动挡板，使挡板前进或后退。两端活动挡板可独立运行。两组实验均采用橡胶板作为基底，两端与活动挡板固定，在实验过程中均匀传递伸展变形。实验材料为无内聚力的干燥石英砂，平均粒径约为100 μm。在实验模型基底之上铺设10 cm厚砂层，同时用染色石英砂铺设标志层，便于观察实验现象。该实验基于砂箱物理模拟中的相似性原理，在各实验参数选择上均与实际地区具有较好对应，确保实验结果的可信度(表1)。

表1 构造模拟实验模型与实际地区相似性对比Table 1 Similarity comparison of structural experiment model and natural condition

由断层活动性分析可知，阜宁组沉积期次级断层的形成不受边界断层控制。不同区域的次级断层走向、活动时期一致，区域应力场方向也保持一致。实验设计中采用控制变量法，将先存构造与区域应力场方向两组变量统一，只改变伸展模式，设置两组自由边界，伸展模式不同的对比实验(图7)。实验组1为一端固定、另一端后退的单侧伸展模型，实验组2为两端均后退的双侧伸展模型，具体实验参数见图7。实验过程中每间隔2min用相机拍照，记录模型伸展变形过程。为了排除偶然因素影响，每组实验均重复两次以上，保证实验结果的可重复性。

图7 构造物理模拟实验设计图及相关参数选择Fig.7 Analogue modelling design and selection of relevant parameters in experimental groupa.实验组1；b.实验组2；c.实验参数选择

3.2 实验过程及结果

实验组1模拟结果显示(图8)，在伸展变形的初始阶段，在伸展端附近地层略微倾斜，同时形成少量产状平直的反向正断层。当伸展量逐渐增大(10 cm)，模型内部产生大量反向断层，且越靠近伸展端，断层形成越早，累计断距越大。多条新形成的反向断层构成多米诺式断层组合。模型继续伸展至实验结束(15 cm)，断层数量继续增加，所有断层均保持一定活动性，靠近伸展端的部分断层剖面形态由平直式转为铲式。持续伸展作用造成地层旋转、减薄，越靠近伸展端地层旋转减薄特征越强烈，导致固定端地势略高于伸展端。

图8 构造物理模拟实验组1伸展变形模拟过程及结果Fig.8 Simulation process and results of extensional deformation in experimental group 1a.初始沉积；b.伸展变形初期，靠近伸展端形成少量平直断层；c.伸展量持续增大，断层发育数量逐渐增多；d.继续伸展至实验结束，断层数量继续增多，靠近伸展端断层变为铲式

实验组2模拟结果显示(图9)，在伸展变形的初始阶段(5 cm)，实验模型内部暂无断层产生；当伸展量逐渐增大(10 cm)，在两侧的伸展端附近地层发生轻微旋转，由实验模型两端向中心产生少量反向正断层，断层倾向也由实验模型端部指向中心部位。此阶段的新生断层也为多米诺式组合样式。模型继续伸展至实验结束(15 cm)，已形成的断层继续活动，断距持续增大，靠近伸展端的断层发生旋转，断层倾角变低。在实验模型内部还新产生部分与地层倾向相同的断层，与前期形成的断层组成“V”字、“y”字型断层组合。双侧伸展使模型两端地层旋转减薄，越靠近伸展端变形越强烈，而实验模型中部变形最弱，形成局部低凸起。

图9 构造物理模拟实验组2伸展变形模拟过程及结果Fig.9 Simulation process and results of extensional deformation in experimental group 2a.初始沉积；b.伸展变形初期，未形成新生断层；c.伸展量增大，模型两端形成少量平直断层；d.继续伸展至实验结束，断层数量持续增多，部分断层相互搭接

3.3 实验结果分析

两组对比实验结果显示，自由边界条件下，伸展模式的不同会导致断层形成时间、数量和组合样式的不同。由于实验只模拟阜宁组沉积期变形特征，可将现今剖面恢复至戴南组沉积之前，在与实验结果进行比较。实验组1实验过程及结果与凹陷东部演化剖面(图4)匹配关系较好，实际剖面中的断层形态、数量、组合样式，以及地层旋转特征和地势斜坡特征均与实验现象一致。实验组2实验过程及结果与凹陷西部演化剖面(图5)匹配关系较好，实际剖面中断层发育数量少，断层为“V”字、“y”字型组合的特征在双侧伸展实验中均得到较好验证。实验结果表明，在自由边界条件下，通过改变伸展方式，便可模拟出凹陷内东部、西部不同的断层组合形态，这与前文分析的边界断层对次级断层的形成没有控制作用的结论相一致。在NW-SE向区域伸展应力场下，凹陷内不同区域表现出的伸展形式不同：凹陷西部为NW-SE双向伸展，而东部则仅为SE方向的单侧伸展。两组对比实验结果充分证实了不同区域伸展方式的差异是造成断层组合样式的不同的主要原因。在单侧伸展实验过程中，地层地势逐渐发生变化，说明多米诺式断层的形成与地势斜坡背景无关，结合前人学者早期研究成果[16]，即可判断出高邮凹陷东部阜宁组断层的形成时期要早于柘垛低凸起形成时期。

4 讨论

物理模拟实验和结果分析证实，高邮凹陷在阜宁组受NW-SE向伸展作用，但在凹陷内不同位置表现形态不同：高邮凹陷西部向两端同时伸展，而东部仅向SE方向伸展，在同一伸展应力作用下，形成不同的断层组合样式。图10为过高邮凹陷和临泽凹陷的区域地质剖面(位置见图1)，剖面西侧临泽凹陷也发育多米诺式反向断层组合，断层倾向与高邮凹陷东部次级断层的倾向相反。由DD′构造演化剖面(图4)可知，柘垛低凸起形成于阜宁组沉积末期的吴堡运动，因此在吴堡运动之前，高邮凹陷与临泽凹陷为同一凹陷，凹陷形态西窄东宽。高邮凹陷东部、临泽凹陷在阜宁组沉积期分别为SE，NW单侧伸展变形，与同时期凹陷西部伸展应力状态一致。在同一伸展背景下，伸展应力由凹陷两端向中心传播，但受凹陷初始形态影响，凹陷西部较为狭窄，应力向中心传播速度快，两端应力在中部交汇，叠覆区域发育对倾断层组合样式；凹陷东部更宽，应力向中心传播速度慢，两端应力未在中部交汇，高邮凹陷和临泽凹陷的断层未出现叠覆，依旧保持初始断层组合样式(图11)。因此高邮凹陷西部断层叠覆范围明显大于东部，东部仅在柘垛低凸起处可识别到少量“V”字型对倾断层组合。

图10 高邮凹陷及临泽凹陷地质结构剖面(据江苏油田，有修改)Fig.10 Geological structure section of Gaoyou and Linze Sags (revised according to Jiangsu oilfield)

图11 高邮凹陷阜宁组演化模式Fig.11 Evolution model of the Funing Formation in Gaoyou Saga.变形初期；b.变形末期

5 结论

1) 高邮凹陷边界断层在泰州组和阜宁组沉积期为非同沉积断层，该时期高邮凹陷接近自由边界伸展。阜宁组沉积期NW-SE向伸展应力场形成大量断层，不同组合样式的断层初始形成时期具有一致性。

2) 伸展方式的不同是造成高邮凹陷东、西部阜宁组断层模式差异的根本原因。单侧伸展形成大量多米诺式反向断层组合，双侧伸展形成“V”字型对倾断层组合。

3) 在同一伸展背景下，高邮凹陷东部盆地宽，盆地两侧应力向中心传播越慢，仅在盆地中心区可能出现不同倾向断层叠覆现象；西部盆地窄，盆地两侧应力向中心传播越快，不同倾向断层叠覆区域越大。