紅旗凹陷典型構造變形特征及物理模擬

彭 楊, 李忠權*, 劉恒麟, 蒙啟安, 陳鈞亮, 鐘榮全, 李勤勤

(1.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610059； 2.成都理工大學自然資源部構造成礦成藏重點實驗室， 成都 610059； 3.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院， 大慶 163712)

紅旗凹陷作為海拉爾盆地眾多斷陷中勘探潛力較大的凹陷之一，受到眾多學者的關注，并對凹陷的構造樣式、形成機制進行了系統的研究[1-2]。凹陷是在海西褶皺基底之上發育起來的中新生代斷陷盆地，早期受到伸展作用發生強烈斷陷，中期受到多次伸展和擠壓作用發生復雜變形，原型構造遭到劇烈破壞，原型盆地遭受了不同程度的改造，導致現今見到的構造樣式極為復雜。凹陷的復雜構造樣式控制了油氣的運移和分布，對油氣成藏有重要的影響，因此展開構造分析是油氣資源評估的關鍵，理清構造演化過程對油氣勘探具有重要意義。在前人研究的基礎上，全面分析盆地的幾何學和運動學規律，并結合構造物理模擬實驗來研究動力學規律。在伸展條件下物理模擬實驗能直觀地復現構造的發生發展、繼承與改造、盆地形成演化動力學等多種構造現象，因此被很多盆地構造研究者采用，也是盆地動力學研究的常用方法之一。在伸展和擠壓實驗模型中，由于砂箱兩側為透明玻璃，可以直接觀察地層在平面和剖面上的變形、變位情況。實驗過程中，使用相機間歇性拍照對剖面和平面變化情況進行記錄；實驗結束后，對剖面進行切片以便于觀察地質體內部的變化。實驗根據最新的地震解釋資料，設計邊界模型為犁式斷層，模擬了犁式控陷斷層控制作用下的斷陷在伸展構造和疊加反轉構造條件下的構造及沉積演化過程，并將盆地的構造演化與沉積演化聯系起來，闡明構造對沉積的控制作用，為研究區的油氣勘探開發提供可靠方向和理論依據。

1 區域地質特征

紅旗凹陷是海拉爾盆地貝爾湖坳陷北部的一個二級構造單元，北為赫爾洪德凹陷的東南端，西以嵯崗隆起為界，東南接新寶力格凹陷。凹陷總體呈狹長的帶狀，其長軸大致呈北東方向展布，是一個受北西部邊界紅西斷層控制的北西斷南東超的箕狀斷陷，面積約為840 km2(圖1)。其形成演化過程跟整個盆地的演化一致，經歷了斷陷期、斷坳轉換期、坳陷期三個構造演化階段[3-5]。

圖1 紅旗凹陷位置Fig.1 Location of Hongqi Sag

1.1 地層特征

海拉爾盆地是疊置在海西褶皺基底上的中新生代的斷陷—坳陷型疊合盆地。研究表明，凹陷內地層發育齊全[6]，自下而上分別發育了古生界的基底，中上侏羅統塔木蘭溝組，下白堊統扎賚諾爾群銅缽廟組(K1t)、南屯組(K1n)、大磨拐河組(K1d)、伊敏組(K1y)，上白堊統貝爾湖群青元崗組(K2qy)以及第三系、第四系地層。塔木蘭溝組為火山碎屑巖沉積，主要為凝灰巖，與下伏地層(基底)呈角度不整合接觸。銅缽廟組沉積地層具有斷陷早期充填性質，巖性以雜色砂礫巖為主。南屯組屬于斷陷快速沉降階段的產物，地層在凹陷全區普遍發育，是一套暗色的砂泥巖組合，整體呈下粗上細的正粒序；南屯組分為南屯組一段和南屯組二段，南屯組一段頂面為早期最大的一套不整合面，南屯組二段只在南北洼槽區局部發育，在隆起帶被剝蝕，沉積厚度不大，以細粒沉積為主，含有少量粗碎屑沉積。大磨拐河組由大磨拐河組一段和大磨拐河組二段組成，大磨拐河組一段以厚層黑色泥巖為主，夾薄層泥質粉細砂巖。大磨拐河組二段在凹陷內廣泛發育，灰色泥巖與粉細砂巖互層，剖面上整體呈反韻律。伊敏組為湖相沉積的產物，巖性以灰淺綠色砂泥巖為主，與下伏地層呈整合接觸。青元崗組為紅棕色泥巖夾細粉砂巖，與下伏地層呈角度不整合接觸。第三系、第四系地層在研究區沉積厚度薄、分布范圍較小，空間上相對穩定。

1.2 構造特征

1.2.1 平面構造特征

紅旗凹陷在平面上呈北東向展布，其形成主要受北西側的紅西斷裂控制。紅西斷層構成了凹陷的NW邊界，該邊界斷層傾角較小，是一個長期活動、走向NE的控陷斷層，并控制了地層的沉積與構造演化，使凹陷形成洼隆相間的構造格局。根據構造特征及演化過程，將紅旗凹陷劃分為靠近紅西斷裂的紅西陡坡帶，中部的崗崗突洼槽、舒特諾爾洼槽、中部斷隆帶、紅旗牧場洼槽和遠離紅西斷層的紹爾包格斜坡帶6個三級構造單元。整體上表現為“兩凹夾一隆”的構造格局[7](圖2)。

圖2 紅旗凹陷構造單元劃分Fig.2 Division of structural units in Hongqi Sag

1.2.2 剖面構造特征

剖面上凹陷呈半地塹式構造，根據剖面形態特征劃分為靠近紅西斷層的陡坡帶、中部洼陷區和斜坡帶(圖3)。將邊界斷層及其所控制的上盤稱為陡坡帶，上盤由滾動背斜、超覆、斷塊和斷鼻等構造圈閉及一系列與邊界斷層傾向相同的次級正斷層共同組成，這些構造控制了砂體及圈閉的發育，常常是油氣聚集的主要場所。中部洼陷帶呈尖底鍋狀，沉積厚度大，是凹陷的主要沉積中心。遠離控陷斷層一側的緩坡稱為斜坡帶，在斜坡帶地層可見到明顯的上超現象，并發育多組地塹組合。

圖3 紅旗凹陷458測線構造格架剖面圖Fig.3 Structural profile of 458 survey lines in Hongqi Sag

由于構造運動頻繁，紅旗凹陷蓋層中主要發育三個明顯的構造層序界面(T5、T23和T04)，層序界面上下兩套地層表現為角度不整合接觸，根據不整合面可把地層劃分為3大構造層。T5反射界面為古生代基底與中-上侏羅統塔木蘭溝組之間的界面，界面上下兩套地層結構明顯不協調。T23反射界面為南屯組一段的頂界，由于南屯組一段末期的擠壓反轉，地層產狀發生變化導致南屯組二段的地層上超在T23界面之上，下伏地層削截終止在反射界面上。T04反射界面是伊敏組與青元崗組的分界面，由于下伏地層遭受擠壓發生褶皺變形，導致上下兩套地層產狀不一致，呈角度不整合接觸，青元崗組上超在T04不整合面上。

1.2.3 斷裂特征

凹陷經歷多期建造和改造后，發育不同級次、不同規模和不同性質的斷層，斷裂系統十分復雜。凹陷內部的斷裂主要呈北東向展布，在全區都有發育；其次發育北西向斷裂，該方向的斷裂僅在斜坡帶發育；在斜坡帶還發育少量的南北向斷裂。北東向斷層展布規模大、發育早、繼承性強，其中規模最大的是凹陷西北邊界的紅西斷層，其活動時間最長、延伸最廣并控制凹陷整體呈北東向展布。紅西斷層剖面上呈犁式，斷距較大，最大超過2 000 m，在凹陷內延伸約68 km，是由一系列斷裂連鎖而成。該斷裂控制了凹陷的沉積和沉降，尤其是控制了塔木蘭溝組、銅缽廟和南屯組一段的沉積。陡坡帶發育一系列跟控陷斷層傾向一致的次級正斷層，這些斷層控制了凹陷的形成和演化以及凹陷內地層的沉積沉降。此外在緩坡帶還發育一系列由次級正斷層組成的地塹，這些次級正斷層斷面呈鏟狀且坡度較緩，大部分跟邊界斷層傾向相反，并具有明顯的期次性。

2 實驗相似條件及模型設計

構造物理模擬實驗是在實驗室條件下以實際地質背景為依據來模擬研究區構造樣式的形成和演化過程[8]。實驗不但能夠提供與實際地質體相似的最終構造樣式，而且還能再現構造的演化階段。近年來該方法在國內得到了廣泛的運用[9-14]，但對伸展盆地進行構造物理模擬的并不多。實驗首次對海拉爾盆地紅旗凹陷進行構造物理模擬，并深入探討其構造變形過程和成因機制。

2.1 相似條件

實驗成功的關鍵是模型與地質體之間的相似性問題，因此本次實驗是建立在相似原理的基礎之上進行的，具體模擬實驗過程中滿足如下的三點束縛條件[15-17]。①幾何學相似：實驗模型設計與地質實例滿足幾何相似才能說明實驗模型設計具有反映真實地質構造的能力，因此實驗設計的先存斷裂性質，地層厚度、長度以及體積的比例都必須與實際地質體吻合；②運動學相似：實驗材料與真實地質體的特性滿足運動相似，采用粒徑200～400 μm、內摩擦角約為30°的松散彩色石英砂來模擬淺部沉積地層，石英砂變形遵循莫爾-庫倫破裂準則，非常接近地殼淺部巖層的脆性變形行為；③動力條件相似，實驗模型與實際地質體符合受力方向相同、大小相似，這樣才能根據實驗測得的作用力的大小和相似系數推測所模擬的實際地質體的受力情況。

2.2 模型設計

在構造物理模擬實驗中，嚴格控制實驗的初始形態和邊界條件，其設置的準確性直接影響實驗的合理性[18]。

構造物理模擬實驗采用成都理工大學構造成礦成藏國家重點實驗室構造變形物理模擬綜合實驗平臺的裝置，模擬在犁式控陷斷層的控制作用下的伸展、反轉構造變形。實驗依據紅西斷層的實際產狀和比例來制作模型，模型選用1:600 000的幾何比例，即實驗中的1 cm代表實際地質體中的 600 m。在砂箱底部放置一塊聚苯乙烯泡沫基底來模擬先存基底，通過等比例計算，設計基底下底界長度為300 mm，上邊界長度為170 mm，寬度為 300 mm，高度為100 mm(表1)。

表1 實驗模型參數Table 1 Experimental model parameters

如圖4所示，模型中擋板AA′-BB′分別代表紅旗凹陷的北西側-南東側兩邊界，實驗通過擋板兩側的電動缸提供力源，施力方向、大小和速度都嚴格按照實際地質體的受力情況來設置。在基底表層放置一塊非彈性布，然后把非彈性布固定在右側活動擋板BB′上，這樣右側活動擋板BB′可以帶動非彈性布移動(圖4)。實驗過程中在基底與右側擋板之間鋪設石英砂來模擬地層沉積，通過右側擋板的帶動即可模擬犁式基底斷層在伸展活動過程中上覆脆性巖層的構造變形情況。

3 實驗過程及結果

基于設計好的模型，再根據幾何學、運動學、動力學相似性原則指導下設計物理模擬實驗地層參數如表2所示。在實驗過程中共鋪設了8層不同顏色石英砂模擬8套地層，每層厚度根據實際地質體厚度等比例求得，累計垂直厚度為100 mm。

表2 實驗模擬地層Table 2 Experimental simulation of strata

實驗根據實際受力情況，將左側活動擋板固定，右側活動擋板可在右側驅動電缸力的作用下產生伸展和擠壓，伸展和擠壓速度都設置為 0.025 mm·s-1。實驗中，模擬同沉積生長地層，即在每一次變形之后都以初始模型高度為基準面，在凹陷內增鋪彩色石英砂。根據實驗操作步驟，可分為以下18個階段。

首先模擬斷陷期的地層變形情況(圖5)。過程1在基底與右側活動擋板之間鋪設一層厚度為100 mm的白色石英砂，與左側泡沫基底持平[圖5(a)]，模擬紅旗凹陷的最底部的古生界基底地層。過程2在右側電動缸的驅動下水平向右伸展40 mm，非彈性布帶動白色石英砂運動，在靠近控陷斷層處受犁式斷層影響產生一滾動背斜(反牽引褶皺)，并呈現出楔形可容空間，地層厚度減薄、長度變長；遠離控陷斷層處出現由正斷層F1、F2組成的一組地塹，斷層傾角較陡[圖5(b)]。過程3在凹陷區域內鋪上一層藍色石英砂填平補齊，模擬塔木蘭溝組[圖5(c)]。過程4水平向右伸展20 mm，在靠近控陷斷層處繼續呈現出楔形可容空間；遠離控陷斷層的地塹中斷層斷距不斷增大；在先期形成的地塹內部再形成一條與控陷斷層傾向一致的正斷層F3[圖5(d)]。過程5在凹陷區域內鋪淺藍色石英砂填平補齊，模擬銅缽廟組[圖5(e)]。過程6水平向右伸展20 mm，地塹更加發育，斷層斷距不斷增大；在先期形成的地塹內部再形成一條與控陷斷層傾向相反的正斷層F4[圖5(f)]。過程7在凹陷區域內鋪上一層果綠色石英砂填平補齊，模擬南屯組一段[圖5(g)]。過程8水平向右伸展15 mm，繼續呈現楔形可容空間，前期形成的地塹繼續發育，斷距增大，傾角有變緩的趨勢；受犁式斷層控制的滾動背斜形態更加明顯[圖5(h)]。過程9伸展停止，進入本區第一次構造反轉期，在右側電動缸的驅動下帶動右側擋板產生向左側的擠壓力，模擬擠壓環境下的構造反轉階段。水平向左擠壓25 mm，可見果綠色砂層在靠近斷層側出現一斷層轉折褶皺現象，地層整體被擠壓抬升，內部的調節斷層傾角變陡[圖5(i)]。

圖5 斷陷期變形過程Fig.5 Deformation process in faulted period

模擬斷坳轉換期的地層變形情況(圖6)。過程10繼續水平向右伸展20 mm，南一段下凹效果明顯，遠離控陷斷層的地塹中發育的斷層斷距繼續增大；在先期形成的地塹基礎上再形成一組由正斷層F5、F6組成的地塹[圖6(a)]。過程11根據地震剖面所反映結果，在凹陷中央鋪設一層橘黃色砂，模擬南屯組二段，并上超在果綠色石英砂上(南屯組一段)[圖6(b)]。過程12水平向右伸展30 mm，繼續呈現出楔形可容空間，在遠離凹陷一端再發育一條正斷層F7，前期發育的斷層斷距不斷增大，傾角變緩[圖6(c)]。過程13在凹陷區域內鋪上一層粉紅色石英砂填平補齊，模擬大磨拐河組[圖6(d)]。過程14水平向右伸展15 mm，繼續呈現出楔形可容空間；在遠離控陷斷層一側再形成一組由斷層F8、F9組成的地塹，且斷面傾角較陡；而前期形成的斷層的斷面傾角變緩[圖6(e)]。過程15在凹陷區域內鋪上一層大紅色石英砂填平補齊，模擬伊敏組[圖6(f)]。過程16水平向右伸展10 mm，繼續呈現出楔形可容空間；在靠近控陷斷層一側的地塹中發育的斷層斷距不斷變大；前期形成的斷層的傾角繼續變緩[圖6(g)]。過程17伸展停止，進入本區第二次構造反轉期，通過右側電動缸驅動右側活動擋板，帶動右側的基底產生擠壓，模擬擠壓環境下的構造反轉，可見地層整體被擠壓抬升，出現寬緩背斜樣式。紅色石英砂在靠近控陷斷層處出現一斷層轉折褶皺現象；先期形成的調節斷層傾角變陡[圖6(h)]。

圖6 斷坳轉換期變形過程Fig.6 Deformation process in fault depression transition period

最后模擬坳陷期地層變形情況如圖7所示。過程18 在凹陷區域內鋪上一層白色石英砂填平補齊，模擬上覆青元崗組。

圖7 坳陷期變形過程Fig.7 Deformation process in depression period

從物理模擬實驗過程可以看出，犁式控陷斷層對凹陷的構造樣式有著重要的影響。在伸展作用力影響下，靠近控陷斷層一側，斷層上盤地層順鏟式斷面拉開拆離形成滾動背斜；遠離控陷斷層一側，發育一系列由正斷層組成地塹，隨著伸展距離的增大，斷層傾角有變緩的趨勢。在構造反轉階段地層內部的調節斷層傾角變陡，靠近控陷斷層一側地層有明顯加厚現象，呈喇叭狀，為典型的正反轉構造。

實驗過程結束后，使用灑水壺向砂體均勻灑水至全部濕透，靜止一段時間使用刀具對砂體進行等間距切片，每20 mm切一刀，共獲得切片15張，切片的同時用相機記錄每張剖面內部的變形特征[19]。由于切片數量較多，選取與實際地震剖面最相符的一張切片同實際地震剖面對比分析(圖8)，顯示出高度的相似性。圖8結果表明構造樣式主要是受犁式紅西斷層和反轉擠壓控制。地層在非彈性布伸展下發育為滾動背斜，同沉積地層的厚度在控陷斷層處最厚，遠離控陷側斷層逐漸減薄。遠離控陷斷層一側的調節斷層具有一定的規律性，前期形成的斷層F1、F2、F3、F4終止在T23界面上，后期形成的斷層F5、F6、F7、F8、F9終止在T04界面上。隨著伸展距離的增大地塹越來越發育，并逐漸向右發生遷移，導致越早形成的斷層越遠離紅西斷層。

圖8 地震剖面與實驗典型剖面對比Fig.8 Comparison between seismic profile and typical experimental profile

4 凹陷演化過程探討

研究表明紅旗凹陷構造演化與海拉爾盆地的區域性構造演化一致，經歷了斷陷期、斷坳轉換期和坳陷期3個建造期，在每個建造期末期盆地發生改造使構造格局進一步復雜化[7]。

4.1 斷陷期(塔木蘭溝組-南屯組一段)

由物理模擬實驗可以看出，斷陷期靠近紅西斷層地層的厚度最大，隨著拉張量的增大，往南東方向地層厚度逐漸減小，沉降中心靠近紅西斷層一側，地層的沉積主要受犁式控陷斷層影響。凹陷整體具有伸展斷陷盆地的特征，是一個呈NE向展布的受犁式紅西斷層控制的單斷型箕狀斷陷。在南屯組一段末期，凹陷整體受到擠壓應力的影響，內部調節斷層傾角變陡，地層被壓實的更緊致，并無逆斷層出現。

4.2 斷坳轉換期(南屯組二段-伊敏組)

南屯組二段、大磨拐河組和伊敏組沉積時期，受控陷斷層影響減弱，表現為在伸展作用下的基底沉降。從模擬實驗和地震剖面上都可見到南屯組二段上超在下伏地層上，沉積、沉降中心較斷陷期產生遷移，沉降中心由南東到北西逐漸變深，地層在陡坡帶和緩坡帶薄，中間洼槽厚。在伊敏組末期，凹陷受到第二次擠壓應力的影響，地層抬升遭到剝蝕，這時期凹陷構造格局基本成型。

4.3 坳陷期(青元崗組)

由于下伏地層的擠壓抬升，青元崗組與下伏地層呈局部角度不整合關系，沉積范圍較廣并遍布在整個凹陷區域，凹陷形態已經形成。

5 結論

首次在海拉爾地區利用構造物理模擬實驗再現原型盆地的演化序列和斷裂的發育特征，并利用紅旗凹陷地質特征及構造物理模擬實驗結果相互論證，明確了復雜斷陷的形成機理。①實驗結果顯示，由于研究區受到間歇性的北西-南東向伸展作用，所以斷裂的發育也呈一定的規律性，斷裂的發育經歷了塔木蘭溝組-南屯組一段、南屯組二段-伊敏組兩個階段，先期斷裂終止在南屯組一段的頂面(T23)，后期斷裂終止在伊敏組的頂面(T04)；②凹陷的變形主要受犁式控陷斷層、區域伸展作用和同沉積構造作用共同作用[20]，靠近控陷斷層(紅西斷層)一側的滾動背斜主要受同沉積作用和犁式控陷斷層的控制，而遠離控陷斷層一側形成的一系列地塹組合主要受區域伸展作用的控制；③物理模擬實驗結果為凹陷油氣勘探提供新的思路，為紅旗凹陷乃至海拉爾地區的斷裂形成機制研究提供了有力的實際變形支持。