東營凹陷東辛斷裂帶聯合應力機制構造物理模擬

王瑾，馮建偉，蔣榕韜，張鵬飛，任啟強

（1.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營 257000）

0 引言

東營凹陷中央隆起帶是由一系列不同層系、不同類型、不同成因的構造組成的地質條件十分復雜的復式斷裂帶[1]。東辛斷裂帶位于渤海灣盆地濟陽坳陷的東營凹陷中央隆起帶中東段，斷層數量多，同生斷層的發育較為復雜。受控于二級正斷層影響的下降盤常形成逆牽引構造，組成負花狀地塹斷裂區帶。這些斷裂區帶將東辛斷裂帶分割為一系列小斷塊。于建國等[2]認為，中央隆起帶中的東辛斷裂帶斷塊組合構造主要為局部鹽底辟作用的結果，包心狀的復雜斷裂構造形態由牽引作用形成。在地震數據體上，構造底部普遍發育一個上拱脊狀雜亂反射體，表現出底辟特點，底辟構造可分為低幅度隆起和隱刺穿構造，形成時期主要為沙河街組二段沉積期開始到館陶組沉積前，底辟物質由以鹽巖為主的塑性層組成[3-4]。

隨著構造物理模擬手段的不斷完善，構造物理模擬已成為地質學家認識構造變形過程、分析構造成因機制的重要手段[5-8]。本文選取東辛斷裂帶為研究對象，采取構造物理模擬的技術方法對區域構造發育特征、斷層發育特征的控制因素進行探索，進而對區域構造樣式的力學成因機制進行研究。

1 區域地質背景

東辛斷裂帶主要包括辛鎮背斜和東營構造，以NE或EW走向為主，位于東營凹陷的中央，是中央隆起帶的主要斷裂體系（見圖1）。

圖1 東辛斷裂帶沙二段頂面斷層分布

東營凹陷內東辛斷裂帶古近系地層自下而上為孔店組（Ek）、沙河街組（Es）和東營組（Ed）。 孔店組上部與沙四段下部發育以鹽膏巖為主的塑性層，沙四段塑性層之上主要為砂礫巖夾薄層泥巖沉積，沙三段—沙一段主要發育砂巖與泥巖，東營組發育泥巖和砂巖，局部發育含礫砂巖和薄層碳酸鹽巖[9]。辛鎮背斜位于斷裂帶東部，是一個軸向近EW不對稱的狹長背斜，南翼傾角為 10°，北翼傾角為 25°～30°，構造頂部發育一組平行軸向復雜的負花狀的地塹斷裂系統，并伴生了許多次級NE向和NW向的小斷裂[2]。東營構造位于斷裂西北部，頂部凹凸不平，有明顯拱張現象，斷裂形態主要呈放射狀地塹，也是區域北西、北東與近東西向3組斷裂的交會點[10-11]。東部的辛鎮背斜與西部的東營構造共同構成了整個斷裂體系。

2 東辛斷裂帶構造特征

2.1 斷裂系統特征

按照楊滿萍等[12]提出的斷層分級原則，并結合斷層切割深度、平面延伸長度、最大斷距及對構造的控制關系等因素，將斷裂帶內斷層劃分為5個等級。斷裂帶中并未出現一級控盆斷層，但有Ying8，Ying1，Xin23，Xin1，Xin120，Ying31等6條二級控洼正斷層，其斷層走向均以EW向發育，控制了斷裂帶的地層格架和區域構造格局，同時也控制了次級斷裂的發育位置。三級斷層17條，控制了東辛地區的區塊劃分和油氣的分布范圍。四級斷層及次級小斷層200余條，數量繁多，將區塊進一步復雜化，其分布影響了油氣的二次運聚和分布，決定了最終的油氣分布特點。

辛鎮構造在受力上比較單一，以SN向伸展為主，底辟拱升為輔，在持續拉張作用下辛鎮長軸近EW向斷層發育程度最高，EW向與NNW—SSE向伴生斷層次之（見圖2a）。東營構造由于塑性層上拱使斷層在平面上呈弧形放射狀，東營構造東部與辛鎮構造方向之間由于張扭力形成了以Ying31斷層為主的過渡帶，有少量NW—SE向斷層伴生（見圖2b）。

圖2 東辛斷裂帶斷層走向

2.2 構造演化特征

東辛斷裂帶孔店組—沙四段沉積期為東營凹陷發育初期，在 SN向伸展作用下，Ying8，Ying1，Ying31，Xin120滑脫斷層系構成了東辛斷裂帶的雛形[12]。沙三早期，隨著SN向伸展作用，Ying8斷層斷距加深，在與反向斷層Xin120斷層之間，Ying8斷層開始控制發育多組平行軸向復雜小型地塹式斷裂。沙三中期—末期，東營構造的斷裂活動強度逐漸加強，郯廬斷裂帶右旋走滑作用形成的張扭性斷層疊加在早期的伸展斷裂之上，東辛斷裂帶基本格架初步形成[13-14]。

沙四段—孔店組的鹽巖和石膏塑性層，隨著上覆負載層的厚度進一步增大，在沙二沉積期上拱，形成普遍的隱刺穿構造；但由于塑形層上拱的巖脊形態不同，辛鎮構造形成長軸背斜，東營構造為穹窿背斜[11]。在沙二期，隨著SN向伸展構造活動相對減弱，NE向伸展及右旋走滑構造活動相對增強，斷裂帶西部似帚狀生長斷層開始發育并復雜化[15]。隨著底辟拱升和張扭力的逐漸增強，斷裂帶在沙一期發展成形（見圖3）。

圖3 東辛斷裂帶構造演化

3 構造物理模擬實驗

3.1 實驗材料

構造物理模擬實驗遵循相似原則，即幾何學相似、動力學相似、運動學相似，實驗材料物性、模型尺寸等需要與自然界中實際的相應參數保持一定比值[16-17]。本次實驗所用材料為石英砂、黏土、硅膠。

石英砂用于模擬脆性上覆巖層，其物理性質為脆性且遵循庫倫-莫爾破壞準則，內摩擦角為31°左右，內聚力極小[18]。硅膠為透明高黏度的材料，用于模擬上地殼的塑性變形，在低應變速率下具有牛頓流體性質，且具有非常低的屈服強度[19]。本次實驗選用80～120目的干燥石英砂模擬沙四段上部—東營組以泥巖、砂巖為主的上覆脆性巖層[20]，微濕潤石英砂黏土混合物（石英砂（80～120 目）、黏土、水的質量分數比為 500∶60∶1）模擬孔店組下部以泥巖為主的下伏壓實巖層。室溫下黏度為1.2×104Pa·s，密度為0.96 g/cm3的硅膠模擬孔店組—沙四段以鹽膏巖為主的塑形滑脫層。

3.2 模型設計

東辛斷裂帶東西長24 km，南北寬9.5 km，斷層數量較多，斷層結構過于復雜。故本次實驗采用“先分后合，化難為易”的思想，共設計3組實驗，從而更好地描述該區域斷層的發育與分布。

3.2.1 辛鎮構造帶實驗模型

初始實驗模型尺寸為380 mm×240 mm，底板水平，木板為邊界。在底板上鋪設較為結實的塑料膜，并使邊界向外有一定延伸，將其延伸部分與硬紙板黏合并在黏合部位打上孔，穿上尼龍繩，孔與孔之間的距離為60 mm，單側可調節尼龍繩凝成一股。這樣既可以模擬受力穩定、均一的張扭力，又可通過調節單根繩長控制力的方向。將微濕石英黏土混合物均勻平鋪于塑料膜上，層厚為20 mm，模擬下伏壓實地層。將光滑的硬紙板（摩擦因數 0.1，厚度 1 mm）預置該層中，模擬Ying8，Xin120斷層。在石英黏土混合層上鋪設一層厚為10 mm的硅膠層，模擬塑形滑脫層，并將長方形真空帶（長350 mm，寬60 mm，最大高度差8 mm）置于該層中，往袋中注入硅膠的過程是模擬塑形層上拱。將干燥的石英砂鋪設于硅膠層上，層厚30 mm，模擬脆性上覆地層（見圖 4a）。

圖4 物理模擬實驗模型示意

3.2.2 東營構造帶實驗模型

初始實驗模型尺寸為720 mm×360 mm，底板、邊界、沙層等設置均與辛鎮構造帶實驗模型相同，不同的是在石英黏土混合層中用光滑的硬紙板模擬Ying1，Ying31斷層，在硅膠層中將橢圓形真空袋（a軸72 mm，b軸50 mm，最大高度差10 mm）置于該層中（見圖4b），以模擬塑性層。

3.2.3 東辛斷裂帶全區實驗模型

初始實驗模型尺寸為720 mm×300 mm，大部分設置與辛鎮構造帶實驗模型相同，不同的是用光滑硬紙板模擬 Ying1，Ying8，Ying31，Xin120 斷層， 在硅膠層中插入長方形真空袋（長340 mm，寬55 mm，最大高度差8mm）與橢圓形真空袋（a軸60mm，b軸30 mm，最大高度差9 mm），模擬塑形層上拱（見圖4c）。

4 實驗結果及分析

4.1 辛鎮構造帶構造物理模擬

為了真實還原辛鎮構造帶所經歷的復雜構造運動過程，實驗分3期進行，并預設了孔店組—沙四組沉積期形成的Ying8，Xin120斷層雛形。

4.1.1 第1期

在實驗東邊界北部與西邊界南部分別施加平穩持續的EW向拉張力，模擬右旋走滑，北邊界與南邊界分別施加SN向拉張力，模擬SN向伸展作用。在持續拉伸近4.3 min后（相當于沙四上—中沉積期Xin1，Xin23斷層受到Ying8，Xin120斷層的共同影響），平面上初步顯現不規則波浪形斷裂（見圖5a，5b），辛鎮構造二級斷層開始形成，構造帶初顯雛形。

沙四上—沙三下沉積期（8.6～10.8 min），在持續受到右旋走滑與拉張作用下，隨著構造帶內二級斷層規模持續加大，多組平行軸向小型地塹式斷層逐漸伴生于 Ying8，Xin120 斷層之間（見圖 5c，5d）。

圖5 辛鎮構造帶構造物理模擬實驗結果示意

4.1.2 第2期

模擬增強右旋走滑作用，但控制SN向伸展力相對減弱，NE向伸展力開始增強。沙三中—沙三上沉積期（14.5～15.3 min），隨著右旋走滑作用持續加劇，Xin1與Xin120斷層間開始形成次一級張扭性斷層，張扭性斷層常常終止于EW向斷層（見圖5e）。

4.1.3 第3期

模擬再次增強右旋走滑作用，控制SN向伸展逐步減弱，NE向伸展持續增強，并向硅膠層長方形真空袋中緩慢注入硅膠，模擬塑形層上拱。沙二—東營組沉積期（17.6～18.4 min），由于塑形層差異沉降，東西兩側塑形層向中央聚攏，造成塑形層上拱。在底辟拱升、張扭、伸展共同作用下，低序級斷層發育開始復雜化，辛鎮長軸背斜發育成形（見圖5f）。

4.2 東營構造帶構造物理模擬

本次實驗同樣分3期進行，每期所施加力的方向、方式及硅膠充注方式與東部辛鎮構造帶物理模擬實驗基本相同，并預設了孔店組—沙四組沉積時期所形成的Ying1，Ying31斷層雛形。

4.2.1 第1期

在持續穩定的張扭力下，孔店組—沙四上沉積期Ying1與Ying31斷層出現雛形（2.3 min），2條二級斷層呈側列式分布，有效控制其間小型調節斷層發育形態與構造樣式（見圖 6a）。沙三下沉積期（9.1～10.5 min）張扭作用增強，Ying1與Ying31斷層首尾間開始逐漸發育NW向次級斷層（見圖6b）。

4.2.2 第2期

隨著塑形層滑脫，張扭作用加劇，在沙三上—沙三中沉積期（15.9～16.2 min），東營構造開始發育放射狀斷層，Ying1與Ying31斷層之間的小型斷層進一步發育復雜化，開始逐漸構成2條側列式展布主干斷層之間的疊覆型調節區（見圖6c，6d）。

4.2.3 第3期

向硅膠層橢圓形真空帶內緩慢注入硅膠模擬塑性層上拱。在沙二—沙一組沉積期（17.1～17.8 min），由于SN向伸展逐步減弱、NE向伸展持續增強，右旋走滑活動增強，Ying31斷層開始派生出NNE—SSW向斷層，同時隨著塑形層加速上拱，放射狀斷層進一步發育，東營穹窿發育成形（見圖6e）。東營組—明化鎮組沉積期（18.6 min），隨著構造活動減弱，東營造帶基本定形（見圖6f）。

4.3 東辛斷裂帶全區構造物理模擬

本次實驗將結合上述2組實驗，實現東辛斷裂帶從局部到全區的構造物理模擬。本組實驗同樣分3期進行，每期所施加力的方向、方式、硅膠充注方式與辛鎮構造帶構造物理模擬實驗基本相似，并預設了孔店組—沙四組沉積所形成的Ying8，Ying1，Ying31，Xin120 斷層雛形。

圖6 東營構造帶構造實驗結果示意

4.3.1 第1期

在張扭力作用下，沙四沉積期（5.6 min）辛鎮構造帶在 Ying8，Xin120斷層的控制下開始形成 Xin23，Xin1 斷層（見圖 7a）。 沙三上沉積期（8.9～9.5 min），由于受到SN向伸展運動，辛鎮構造帶東西向地塹斷裂與西部Ying1斷層開始發育（見圖7b—7d）。

圖7 東辛斷裂帶全區構造物理模擬實驗結果示意

4.3.2 第2期

隨著右旋走滑作用及伸展作用增強，在沙三上—沙三中沉積期（14.7～16.2 min），斷裂帶內主要斷層發育成形。在持續張扭力作用下，斷層形態逐步呈現波浪形（見圖 7e）。

4.3.3 第3期

先向硅膠層內長方形真空袋中緩慢注入硅膠，然后向橢圓形真空袋內注入硅膠。隨著塑形層受力不均衡，其局部上拱，在沙二沉積期（17.3 min），東營構造放射形斷層發育明顯，辛鎮構造Xin1與Xin120斷層間低序級斷層進一步復雜化（見圖7f）。沙一沉積期（18.9 min），隨著NE向拉張力與右旋走滑運動增強，斷裂西南部開始派生出NNE—SSW向斷層，Ying1開始派生出“似帚狀斷層”，西部Ying1與Ying31斷層首尾間調節斷層發育成形，東辛斷裂帶發育成形（見圖7g）。隨著構造活動減弱，東營組（19.6 min）斷層活動減弱，東辛斷裂帶發育定形（見圖7h）。

5 討論

1）東辛斷裂帶內部主要發育東西向斷層，對應里德爾剪切中的張破裂和正斷層。Ying1斷層的西段對應張破裂，東段則對應R′反向剪切破裂，Ying1東南部與Ying31南部發育的NNE—SSW向斷裂對應主剪切帶中的里德爾剪切模式下的主剪切帶。里德爾剪切模式下的主剪切帶形成是后期NE向伸展作用與右旋走滑作用共同的結果（見圖8a）。

2）斷裂帶內調節帶的形成很大程度上受到了區域張扭應力的影響。在模擬東營構造帶中，Ying1斷層東段在右旋作用下開始走滑運動（見圖8a），隨著區域右旋走滑與伸展作用逐步增強，沙三沉積期Ying1與Ying31斷層首尾間應力蓄積到最高點逐步釋放，之間的NW—SE向斷層開始發育，最終形成帚狀疊覆調節帶（見圖 8b），與路智勇等[13]認識基本吻合。

3）塑性層滑脫造成局部底辟拱升，從而促使斷裂帶內低序級斷層發育數量增多、形態復雜。辛鎮構造帶物理模擬實驗很好地展示了塑性層滑脫對低序級斷層形成的影響。在沙四段—沙三段沉積期，構造存在伸展作用與右旋走滑作用，此時辛鎮構造內二級斷層發育完善但低序級斷層并未見明顯發育。沙二段—東營組沉積期塑性層滑脫所造成的局部底辟拱升促使鹽上構造低序級斷層開始發育。在底辟拱升和伸展作用共同作用下，Xin120與Xin1斷層間的復雜小型地塹式斷層系發育明顯，同時還受到區域右旋走滑作用，鹽上構造變得復雜（見圖8c）。

圖8 東辛斷裂帶斷層成因機制

6 結論

1）二級斷層控制著斷裂帶的地層格架和區域構造格局，三級、四級斷層發育形態受控于二級斷層形成的斷裂內局部構造。

2）辛鎮斷裂帶長軸與東營穹窿平面構造中，形態較為復雜的斷裂、低序級斷層是塑性層上拱和區域伸展共同作用的結果。右旋走滑與伸展作用在一定程度上影響并促使了斷裂帶中部Ying1與Ying31斷層首尾間疊覆型調節帶的形成與發育。

3）斷裂帶內NNE—SSW向斷層是受到晚始新世NE向伸展構造及右旋走滑構造2個構造系統綜合作用的結果。而沙三上亞段—沙二段沉積期是SN向伸展構造運動減弱、NE向伸展增強的過渡期。