塔中隆起走滑断裂分层变形机制研究的物理模拟实验

彭梓俊，冯 磊，罗彩明，陈 石，宋兴国，梁鑫鑫，周小蓉

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

塔中隆起位于塔里木盆地中央隆起带中部，是塔里木盆地油气勘探的重点区块之一。近年来，塔里木盆地中部发现了一系列奥陶系碳酸盐岩走滑断裂和断控油气藏，逐渐形成塔北隆起—塔中凸起连片的大油气区，成为塔里木盆地重点油气勘探领域之一[1-5]。近期，围绕着走滑断裂系统部署的井位也获得许多重要的发现，中石化顺北油田及塔中Ⅲ区均发现位于走滑断裂带附近的高产油气田，其油藏主要受走滑断裂的控制，针对走滑断裂形成机制的研究对塔中油气藏的开采具有十分重要的指导意义。前人对塔里木盆地塔中隆起的走滑断裂特征、控储控藏作用已有较多的研究，通过地震剖面上断层切割地层关系、地层不整合界面和平面组合规律等的研究，大多数学者认为塔中隆起走滑断裂在古生代形成，并且经历两期活动[1, 6-10]。关于塔中隆起的动力学成因，前人做了大量的工作，但是还没有形成统一的看法，邬光辉等认为塔北—塔中地区的走滑断裂是在晚奥陶世来自东南方向强烈斜向挤压作用形成的统一差异走滑系统[11- 12]，杨勇等认为塔中隆起走滑断裂的演化过程经历了两个阶段，中奥陶世末受塔里木盆地周缘的造山带作用形成压扭走滑断裂。晚志留世—中泥盆世塔里木南缘仍处于挤压环境，盆地西北缘南天山洋发育弧后盆地，来自西北的伸展应力作用于塔中地区，使塔中处于张扭应力环境，早期的走滑断裂在这种区域应力作用下继续活动并且发展为张扭变形[7, 9]。韩晓影[13]认为在晚奥陶世古昆仑洋俯冲形成的挤压应力作用于塔中地区基底薄弱带上形成北东向压扭走滑断裂，中志留—中泥盆世，在盆地东南缘阿尔金构造域的强烈活动下使早期走滑断裂复活形成同沉积雁列正断层。根据前人的研究可以看出塔里木盆地塔中隆起走滑断裂的发育具有多期次的特点，通过对塔中隆起三维地震资料剖面和沿层相干属性图的研究以及前人资料的收集，可以发现塔中隆起走滑断裂在垂向上具有明显的分层性，因此，笔者为了探讨垂向上地层性质变化和多期活动这两个因素如何具体对走滑断裂产生影响，基于塔中隆起断裂带的构造特征结合物理模拟实验来对其分层变形机制进行研究，为塔中油气勘探提供理论依据。

1 区域地质概况

1.1 区域构造背景

塔里木板块的雏形是一个古生代小型陆壳板块，在海西-燕山期与欧亚板块碰撞拼接之后，才有了如今的面貌。塔里木板块与欧亚板块碰撞拼贴的过程十分复杂，时间也十分漫长。塔里木盆地与周缘两大构造体系(阿尔泰和特提斯构造体系)的对接始于元古代阿尔泰洋盆和特提斯洋盆的关闭，终于新生代青藏高原的隆升，在此过程中，塔里木盆地周缘有着许多强烈的构造活动，形成了许多著名的造山带，塔里木盆地的北部为天山造山带，南部为西昆仑-阿尔金弧形造山带，现今的塔里木盆地被复杂的环形造山带环绕。而塔里木盆地在此过程中也发生了许多改变，塔里木板块的很大一部分俯冲消减到了周缘的造山带之下，现今塔里木盆地的面积远小于原来的面积[14-16]。塔中地区发育于塔里木盆地满加尔坳陷周缘[17-18](图1)，是塔里木盆地内有利的油气富集区，经过多年勘探已建成塔中古生界碳酸盐岩富油气区带。塔中低凸起是目前塔里木盆地的主力探区之一，多种类型的油气藏在垂向上复合叠置，横向上连片成带，共同构成了一个典型的复式油气聚集区。研究区构造上位于塔里木盆地中央隆起带中部，西临巴楚凸起，东接古城低凸起，北部以斜坡形式连接北部坳陷，隆起最南边与塘古坳陷相接，是早古生代开始发育的呈 NW-SE 展布的隆起带，整体向东南收敛，面积约24 500 km2。

1.2 区域地层

塔中地区中—新生代地层发育齐全，厚度稳定，为灰褐色—灰黄色泥岩、砂泥岩和砂砾等不均一互层。中生界主要发育三叠系和白垩系，缺失侏罗系，岩性以大套砂岩和泥岩为主。走滑断裂发育的古生代地层自下而上有寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二叠系[19]。塔中隆起奥陶系、志留系和泥盆系由北西向南东整体抬升，遭受到不同程度的剥蚀。寒武系与前寒武系之间为低角度不整合接触，寒武系与下奥陶统之间为整合接触，两者沉积环境为开阔台地相，寒武系岩性以灰色白云岩和膏盐岩为主，厚度为1 600～2 000 m。下奥陶统主要沉积由灰岩和白云岩构成的碳酸盐岩，厚度为900～1 800 m；中、上奥陶统沉积环境也为开阔台地相，厚度为0～2 300 m，隆起区以碳酸盐岩为主。奥陶系在构造高部位剥蚀严重，与上覆志留系为不整合接触。志留系与泥盆系是在滨浅海环境下沉积，岩性为陆源碎屑岩，志留系主要发育泥质粉砂岩、泥岩、杂砂岩和页岩。泥盆系主要沉积细砂岩。志留系和泥盆系厚度为600～800 m，志留系与泥盆系在隆起的构造高点也遭受剥蚀，与石炭系之间为不整合接触。塔中隆起石炭系分布广泛，以滨海—潮坪三角洲沉积物为主，岩性由碎屑岩和碳酸盐岩为主，厚度为400～1 200 m。二叠系与石炭系之间为假整合接触，下二叠统发育碎屑岩和火山岩，厚度为200～800 m。上二叠统与下伏地层之间为平行不整合接触，为一套滨湖相沉积的碎屑岩(表1)。

表1 塔中地区古生界地层简表(据文献[13])

2 塔中隆起走滑断裂分层变形特征

通过对塔中隆起三维地震资料剖面和沿层相干属性图的研究以及前人资料的收集，发现塔中隆起走滑断裂基本都在石炭系以下发育，部分在三叠纪仍然活动，塔中走滑断裂非常直立地将寒武系到志留系断穿，并且垂向上表现为三层结构(图2)。在动力学上，塔中隆起断裂并不是一次形成的，而是有着漫长而复杂的发育史，其断裂发育具有明显的分期性。

2.1 走滑断裂几何分层特征

塔中隆起的走滑断裂断面普遍为高陡直立，断裂向上发育分支断层，剖面上呈花状构造，分支断裂向下汇聚为一根主干断裂。塔中隆起的几何分层特征主要体现在剖面上的几何形态差异，根据走滑断裂在剖面上表现的性质和特点可以将走滑断裂分为上中下三层，各层的几何形态和力学机制都有差异(图3) 。

中构造层为寒武系盐上-奥陶系碳酸盐岩构造层，顶界为TO3s界面，底界为T3界面，主要包括上寒武统、下奥陶统和中奥陶统地层，整个构造层基本由碳酸盐岩组成，其中白云岩居多，碳酸盐岩的顶面为TO3s界面。中构造层的走滑断裂受碳酸盐岩的岩性影响较大，一是中构造层的走滑断裂平面样式多以线状为主，二是走滑断裂受一间房组长时间暴露地表的影响，后期改造强烈。

上构造层为上奥陶统碎屑岩构造层，顶界为TS界面，底界为TO3s界面，主要包括上奥陶统地层，上构造层的主要特点是整个构造层主要由泥岩和砂岩组成。上构造层多为张扭应力下形成的负花状“下掉”变形。上构造层的走滑断裂受岩性的影响较大，具有雁列状构造的走滑断裂在此构造层较为多见。

2.2 走滑断裂活动分期特征

塔中隆起走滑断裂的多期性特征在剖面上的表现尤为明显(图4)，走滑断裂在三个构造层的顶界(T1、TO3s和TS)附近通常会出现分支断裂，形成花状构造，分支断裂通常都出现在T1、TO3s和TS界面附近。走滑断裂在剖面的某一界面附近出现分支断裂，通常意味着在这一界面附近走滑断裂的能量得以释放，也就意味着这一期次的走滑断裂在这一界面终止发育。而在这一界面之上的走滑断裂往往是后期形成的走滑断裂。

早中寒武世：逆冲断层与走滑断层交互分布，逆冲断层为NW向，走滑断层为NE向，延伸较短，走滑断层多沿逆冲断层的走向变化部位分布，具有明显的撕裂断层特征。

中晚奥陶世：逆冲断层主要集中于塔中隆起边界，内部多为走滑断层活动，主干走滑断层的规模增强，古隆起内部持续活动逆冲断层数量减少。

志留-泥盆纪：以走滑断层为主，多表现为雁列式断层特征，沿袭早期NE向走滑断层，雁列构造主要发育在走滑断裂的北端，逆冲断裂在南端少量活动，指示断裂发生左旋走滑运动。断裂带在不同时期的活动差异性体现了塔中走滑断裂的活动分期特征。

3 构造物理模拟实验

3.1 实验原则

为了真实地再现塔中隆起走滑断裂分层发育的过程，利用构造物理模拟实验对研究区进行模拟。目前，构造物理模拟实验遵循相似性原理，其相似指标主要包括时间相似、材料相似、模型尺寸相似、组合方式相似、边界条件相似[20-22]。以相似条件为基础，在单组实验中将单因素变量固定分离，采用逐步逼近的方法和控制变量法进行多组实验，将实验结果进行对比，以此来提高实验的准确度和可信度。

3.2 实验相似条件及模型设计

实验成功的关键是模型与地质体之间的相似性问题，因此本次实验是建立在相似原理的基础之上进行的[20, 23-24]。构造物理模拟实验采用东北石油大学构造物理模拟国家重点实验室的构造变形物理模拟综合实验三维平台的实验装置。实验区域长度沿北西向约为205 km，宽度约为72 km，建立长:宽为60 cm:40 cm的实验模型，模型的相似系数为0.423×10-2。模拟地层的平均厚度约为2 773.6 m，实验模型中地层厚度设置为3 cm，构造物理模拟实验中地层厚度的相似系数为1.08×10-5。模型厚度缩小比例往往较低，以便于操作与观察，模型厚度1 cm代表0.9 km地层厚度。

自然界的岩石按照流变学特征通常可以分为脆性和韧性岩石，脆性岩层的变形特征类似摩尔库伦破裂特征，包括一些常见的沉积岩如灰岩、砂岩等，而韧性岩层的变形特征接近牛顿流体的变形特征，如膏岩、盐岩等。在具体的实验过程中，采用松散石英砂模拟地壳浅层次脆性构造变形，基地模拟由刚性的铁板模拟，在电机的工作下驱动基底两块不连续的刚性底板做剪切运动，带动盖层发生走滑作用。实验的边界条件：两侧采用的是自由边界。

走滑断层的多期活动性以及垂向地层分层性都会对走滑断裂的剖面变形特征造成影响。环满加尔凹陷地区走滑断层受到周围造山带多期活动的影响，具有典型的多期活动性特征；中寒武世，研究区广泛发育厚层膏盐岩，造成垂向地层发育具有典型分层差异性。为了探究研究区走滑断裂分层变形特征的发育过程以及形成机制，设计并完成了4组三维沙箱物理模拟实验(表2)。实验以两块2 cm×20 cm×60 cm铁板作为基底(图5)，模型双侧均可挤压，刚性铁板传递动力带动上覆砂层发生位移；两块铁板相向运动，模拟走滑断层的相对滑动。垂向上铺设石英砂和硅胶，用于模拟垂向岩层分层差异性；使用彩色石英砂作为标志层，区分各层变形特征；实验模型如图所示。在实验结束后浇水后切片。

3.3 实验过程及结果

3.3.1 分层多期剪切模型

本组实验是垂向分层多期剪切模型，垂向上岩性差异分层，分为下部石英砂层、硅胶层以及上部石英砂层；走滑运动可分为三个阶段，每一阶段运动分别对应一个构造层的铺设。实验过程及结果如图6所示。在第一阶段剪切实验的过程中，沿先存基底走滑断裂部位砂层逐步发生上拱，发育主位移带；当第一阶段结束，走滑位移量为1.5 cm，我们可以观察到沿着主位移带发育R破裂以及P破裂，连接交错形成菱形辫状上拱断块，发育典型分段特征。在一阶段剪切运动之后，铺设1层0.5 cm厚的硅胶层，并进行第二阶段剪切运动。随着位移量的增加，在下部基底铁板的牵引下，上部硅胶层缓慢发生剪切变形，当第二阶段结束，上层走滑位移量为1.5 cm，下层走滑位移量为3 cm，标志圆发生明显剪切形变，具有典型左旋走滑特征，沿基底预设断层位置逐渐发育主位移带；相较于第一阶段，主位移带变形强度减小，R与P破裂发育程度减弱，且平面样式分段特征不明显。第二阶段结束后，在原有构造层基础上继续铺设石英砂层，而后开始第三阶段剪切实验。随着位移量的逐渐增加，标志圆被明显剪切错开，表现为左旋走滑特征；平面上主位移带逐渐发育，且处于拉张应力状态，砂层可见明显下掉；平面上发育有一系列R破裂，与主位移带小角度相交，尾端发育马尾构造。实验结束后，浇水切片。

选取了5个位置进行切片，切片结果和对应平面位置如图6所示。实验剖面切片结果表现为典型分层差异变形特征。沿主位移带部分段，下部砂层表现为平移走滑特征，砂层剖面上产状水平，断层直立，无明显变形特征(剖面1、2、3、5)；断裂带部分段下层砂层有明显上拱变形特征，表现为正花状构造，处于压扭状态(剖面4)。硅胶层表现出典型的流动变形特征，部分剖面上硅胶层受到挤压发生增厚上拱(剖面2、3、4)，发育盐丘构造；部分位置硅胶受剪切作用后，硅胶层发生减薄(剖面1)甚至破裂(剖面5)，发育盐焊接构造。上部砂层沿主位移带主要发育双断式地堑和负花状构造，整体处于张扭环境。

3.3.2 分层单期剪切模型

本组实验是垂向分层单期剪切模型，垂向上岩性差异分层，分为下部石英砂层、硅胶层以及上部石英砂层；走滑运动不分期，在石英砂层和硅胶层铺设完后，按设计活动速率进行走滑运动。实验过程及结果如图7所示。

走滑阶段初期，标志圆首先发生扭曲变形，表现为左旋走滑特征，表面砂体无明显破裂发育。随着走滑位移量的增加，一系列R破裂发育，平面上以右阶雁列式排列，断裂间逐渐发育P破裂并相互连接，共同构成主位移带。主位移带处于张扭环境，沿断裂带砂体发生明显下掉，发育典型地堑构造。随着位移量的增大，逐渐有T破裂与R’破裂发育，断裂与主位移带的夹角较大；T破裂与主位移带夹角为45°，并延伸较长，尾端逐渐弯曲，具有牵引构造特征；R’破裂与主位移带夹角近80°，断裂笔直延伸，且沿断裂发育典型地堑构造，上部砂层发生下掉。断裂右侧尾端砂层发生下掉，断裂层撒开的马尾状分布，发育马尾构造；断裂左侧砂体发生一定程度堆积，砂体发生上拱。实验结束后，浇水切片。

选取6个位置进行切片，切片剖面结果与对应平面位置如图7所示。

实验剖面结果具有典型的分层变形特征。大部分剖面下部砂层基本不发生变形，断层直立(剖面3、5和6)；部分剖面结果显示，下部砂层发生弱挤压变形(剖面4)，表现为正花状构造；剖面1受上部硅胶层流动变形影响，下部砂层发生轻微下掉变形。硅胶层受到剪切作用，沿主位移带主要表现为挤压增厚(剖面2-6)，发育盐丘构造，与下部砂层中发育的走滑断裂共同组成正花状构造。

剖面1较靠近断裂尾端，受尾端马尾构造的影响，硅胶层发生轻微下掉，并且上部走滑断裂构造发育位置发生偏移。上部砂层均发生典型下掉，处于张扭环境，发育双断式地堑构造；部分剖面中，上部砂层中断层继承性发育于下部断裂系统的分支，表现为正花状构造。

3.3.3 单层分期剪切模型

本组实验是垂向单层分期剪切模型，垂向上岩性无差异，均为白色石英砂，采用彩色石英砂作为层间标志层，分层铺设，一共铺设三次；走滑运动分期，一共分三个阶段；每进行一次砂层铺设，按设计活动速率进行走滑运动。实验过程及结果如图8所示。

在第一阶段剪切实验的过程中，随着位移量的增大，砂层上部的标志层首先发生形变，逐渐表现为左旋走滑特征；随后表层砂体逐渐发育R破裂，并且有P破裂以小角度发育于R破裂之间，共同组成菱形断块；R破裂雁列式排布，叠接区域处于压扭应力状态，砂层发生上拱，平面上表现出典型的分段性；随后发育的Y破裂，将整个断裂系统连接，共同构成了主位移带。

第二阶段剪切过程与第一阶段相似，均发育有雁列式的R破裂，且R破裂间发育有P破裂，共同组成菱形上拱断块。相较于第一阶段，第二阶段R破裂之间砂体上拱幅度更大，褶皱隆起更明显，且在主断裂尾端有明显的马尾构造发育，砂层发生明显下掉。第三阶段实验结果与前两阶段相似，平面上也表现为典型辫状隆起结构，沿主位移带表现出明显分段性；较前两阶段，在断裂尾端发散性分布的次级断裂更多，马尾构造更明显，且顶部砂层下掉幅度更大。实验结束后，浇水切片。

选取6个位置进行切片，切片剖面结果与对应平面位置如图8所示。

不同位置断裂发育情况差异大，部分剖面上发育典型分层差异变形特征。剖面4和剖面6表现为下部走滑直立走滑，砂层基本不变形，上部砂层上拱变形，整体上为典型正花状构造特征。剖面5和剖面3表现为单一直立走滑断层，基本不发育分支断裂，上下砂层处于单一稳定应力环境，基本不发生形变。剖面1与剖面2表现为典型分层差异变形特征，下部砂层处于局部张扭应力状态，发生微弱下掉，发育负花状构造；中间砂层基本未发生形变，属于平移走滑；剖面1在上部砂层表现为微弱下掉，发育负花状构造，而剖面2则表现为砂层上拱，发育正花状构造；剖面分层差异变形特征受到断裂平面分段变形的影响，差异应力变形段的垂向叠加造成了剖面分层差异变形的特点。

3.3.4 单层单期剪切模型

本组实验是垂向单层单期剪切模型，垂向上岩性无差异，均为白色石英砂，采用彩色石英砂作为层间标志层，分层铺设，一次性铺设完成；走滑运动不分期，按设计活动速率进行一次走滑运动。实验过程及结果如图9所示。

随着位移量的增大，位于砂层顶部的标志圆首先发生形变，表现为典型的左旋走滑变形特征。随后R破裂逐渐发育，平面上表现为右阶雁列式排布；R破裂表现为左旋右阶，断裂叠接区域处于挤压应力状态，砂层发生上拱形变；P破裂逐渐在R破裂间发育，与R破裂共同组成菱形断块，构成辫状构造，造成平面断裂分段性的发育。实验后期走滑位移量的逐渐增大，Y破裂沿基底先存断裂位置发育，沟通上部砂层断裂系统，组成主位移带。断裂尾端随着位移量的增大，逐渐向外发散的弧形次级断裂，并上部砂层逐渐发生下掉，处于张扭应力环境，发育马尾构造。实验结束后，浇水切片。

选取5个位置进行切片，切片剖面结果与对应平面位置如图9所示。

剖面切片表现为整体均一变形特征。剖面1靠近断裂尾端，整体处于拉张应力环境，上部砂层发生明显下掉，发育双断式地堑；断裂下部直立，直插基底；剖面1整体上表现为典型的负花状构造。剖面2-5变形特征具有相似性，均表现为上部砂层上拱形变，下部断层直插基底，总体表现为正花状构造；切片位置均位于平面上辫状构造发育位置；剖面5的正花状构造垂向隆升变形幅度较大，破碎带宽度大。

3.3.5 实验结果分析

通过对比各组实验平面结果(图10)，研究发现断裂发育特征具有一定差异性和相似性，且与垂向分层和走滑分期相关。分层单期与分层多期模型的平面特征相似，主位移带以下掉特征为主，R破裂呈雁列式分布，与主位移带斜交，断裂尾端马尾构造发育明显。单层单期与单层多期在平面上均发育典型辫状构造，平面分段性明显，R破裂雁列式分布，其间发育P破裂组成菱形断块；断裂叠接区处于压扭状态，地层发生挤压上拱变形。各组实验平面结果表明，走滑断裂的平面发育特征受垂向分层影响较大；塑性层流动性大，能干性弱，变形强度大，对上部能干层变形特征造成影响。

通过对比各组实验剖面结果(图11)，走滑断裂分层变形特征与垂向分层和走滑多期活动有关；分层与分期都能造成走滑断裂产生分层变形的特征。分层单期与分层分期剪切变形均表现出分层变形特征，但分层分期模型中分层差异变形特征更明显；单层单期模型没有分层差异变形特征，而单层分期模型剖面显示典型的差异分层变形特点。将实验剖面结果与实际地震剖面对比(图11)，研究发现研究区走滑断裂分层差异变形特征与分层分期走滑实验断裂特征相似，可以看出走滑断裂在垂向上表现为三层结构，可以分为深、中、浅三层，每层断裂在剖面特征上都有明显差异，深层砂层表现为平移走滑特征，砂层剖面上产状水平，断层直立。中层砂层表现为正花状构造，表明此时为压扭环境。浅层砂层表现为负花状构造，表明此时为张扭环境。实验结果表明走滑断裂的发育受地层垂向分层与多期构造活动的共同影响。

4 结 论

针对塔中隆起走滑断裂分层变形机进行了大量的三维物理模拟研究，通过控制变量法设计了大量对比实验，再现了走滑断裂发育的整体过程以及分层垂向上地层性质变化(分层)和多期活动(分期)如何具体的造成走滑断裂产生分层变形特征的过程，验证了塔中隆起走滑断裂分层变形机制。

(1)实验结果显示，走滑断裂分层变形特征的形成主要与垂向上地层性质变化(分层)和多期活动(分期)有关，垂向分层与走滑分期都能造成走滑断裂产生分层变形的特征。

(2)走滑断裂的平面发育特征受垂向分层影响较大，垂向上各层的性质和厚度发生变化会对走滑断裂的发育产生巨大影响。以单层不分期实验组没有分层差异变形特征为对照可以看出走滑断裂多期活动会造成走滑断层的分层差异特征。

(3)走滑断裂物理模拟实验为走滑断裂形成机制研究提供了可借鉴的模式，为塔中乃至整个塔里木盆地的断裂形成机制研究提供了有力的实际变形支持。