蘇北盆地高郵凹陷古近系阜寧組斷層形成過(guò)程及其砂箱物理模擬

唐 旭，孫永河，胡慧婷，于雯泉，唐海氫

[1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249; 3. 東北石油大學(xué) “斷裂控藏”CNPC重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318; 4. 中國(guó)石化 江蘇油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009; 5. 中國(guó)石油 華北油田分公司 第三采油廠，河北 河間 062450]

高郵凹陷作為蘇北盆地探明程度最高的凹陷，其構(gòu)造演化特征一直是研究焦點(diǎn)[1-5]。高郵凹陷阜寧組為重要的油氣富集層位，其發(fā)育的大量斷層對(duì)油氣的運(yùn)移及圈閉的形成起到了重要作用。前人對(duì)于阜寧組斷層的研究側(cè)重于斷層的幾何學(xué)特征，然而對(duì)于該時(shí)期凹陷結(jié)構(gòu)及斷層成因機(jī)制上，不同觀點(diǎn)尚未統(tǒng)一。陳安定[6]認(rèn)為高郵凹陷在泰州組-阜寧組沉積期為拗陷結(jié)構(gòu)，吳堡運(yùn)動(dòng)使凹陷局部發(fā)生剝蝕；能源等[7]認(rèn)為高郵凹陷在泰州組-阜寧組沉積期經(jīng)歷拗?jǐn)?斷拗兩個(gè)階段；朱光等[8]、姜芹芹等[9]認(rèn)為泰州組-阜寧組沉積期為分散斷陷階段。在阜寧組斷裂成因上，朱光等[8]認(rèn)為真①、吳①兩條邊界斷裂為兩組不同走向的基底斷裂復(fù)活形成，凹陷內(nèi)大量斷裂也為基底復(fù)活產(chǎn)生；吳林和陳清華[10]認(rèn)為高郵凹陷基底斷裂發(fā)育密度低，并將真①、吳①斷層合并考慮，認(rèn)為吳①斷層為真①斷層的派生斷層，活動(dòng)時(shí)期晚于真①斷層。對(duì)于阜寧組發(fā)育的不同組合樣式的次級(jí)斷層成因，前人研究中暫未給出合理解釋。本文在高精度三維地震解釋資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不整合面及殘余地層識(shí)別，明確了主干邊界斷層在阜寧組沉積期的活動(dòng)特征，確定邊界斷層與次級(jí)斷層相互作用關(guān)系，同時(shí)總結(jié)了阜寧組斷層的幾何學(xué)特征，并通過(guò)斷層位移-埋深曲線及生長(zhǎng)指數(shù)對(duì)斷層活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定量表征，厘定斷層形成時(shí)期，結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)阜寧組斷層的初次活動(dòng)成因進(jìn)行驗(yàn)證。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北盆地位于揚(yáng)子板塊北緣，自三疊紀(jì)開(kāi)始經(jīng)歷多期次擠壓、伸展等構(gòu)造作用，最終形成中-新生代伸展型盆地[1-5]。成盆前復(fù)雜的構(gòu)造演化形成大量NNE-NEE走向基底斷裂，其中規(guī)模較大的基底斷裂作為凹陷邊界斷裂，將蘇北盆地分割為多個(gè)次級(jí)凹陷[9]；部分規(guī)模較小的基底斷裂在晚期伸展作用下再活動(dòng)，控制盆地內(nèi)部次級(jí)斷層走向和分布[8]。

高郵凹陷位于蘇北盆地南部，北接柘垛低凸起，南臨通揚(yáng)隆起，西至菱塘橋低凸起，東至吳堡低凸起，是典型的單斷式凹陷[11-13](圖1)。凹陷內(nèi)部自南向北可劃分為斷階帶、深凹帶和斜坡帶3個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。斷階帶主要發(fā)育于真①與真②斷層、吳①與吳②斷層之間，斷層剖面呈北掉式階梯狀組合；深凹帶為真②、漢留斷層上盤(pán)形成的地塹式構(gòu)造；深凹帶以北為北部斜坡帶。本文所研究的阜寧組斷層主要發(fā)育于斜坡帶。

圖1 高郵凹陷構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a)及地層柱狀圖(b)Fig.1 Structure diagram (a) and stratigraphic column (b) of Gaoyou Sag

地震剖面顯示(圖2)，在高郵凹陷西部，阜寧組產(chǎn)狀趨近于水平，地層厚度基本保持一致；東部阜寧組產(chǎn)狀逐漸轉(zhuǎn)為傾斜，地層厚度變化不大，直到北部高部位阜寧組厚度減薄，這與阜寧組沉積后吳堡運(yùn)動(dòng)造成的局部剝蝕有關(guān)。該時(shí)期地層為全凹陷近等厚廣泛沉積，標(biāo)志著阜寧組沉積期高郵凹陷處于相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈，邊界大斷層(真①、吳①斷層)在這一時(shí)期活動(dòng)不明顯。

2 阜寧組斷層發(fā)育特征和活動(dòng)規(guī)律

2.1 斷層發(fā)育特征

高郵凹陷全區(qū)阜寧組發(fā)育約900條斷層，斷層發(fā)育最為密集(圖3)。南側(cè)邊界斷層為真①和吳①斷層。其中真①斷層大致可分為兩段，西段斷層走向近EW向，東段斷層走向有一定偏轉(zhuǎn)，但整體保持NEE-NE走向；吳①斷層在平面走向上也有一定偏轉(zhuǎn)，整體為NE-NNE走向。吳①斷層端部與真②斷層弧形連接。除去邊界斷層及控陷斷層，其余阜寧組斷層具有發(fā)育數(shù)量多、平面延伸短、發(fā)育密度大的特點(diǎn)。這些斷層整體走向?yàn)镹E-NEE，局部地區(qū)發(fā)育近EW向斷層；平面延伸長(zhǎng)度在10 km以下的斷層發(fā)育數(shù)量眾多，延伸長(zhǎng)度10 km以上斷層發(fā)育較少；由于深凹帶的影響，凹陷西部斷層發(fā)育密度相對(duì)較小，約為0.18條/km2，東部斜坡區(qū)斷層發(fā)育密度大，約為0.24條/km2。斷層主要為平行式平面組合，局部地區(qū)發(fā)育帚狀、網(wǎng)狀、斜交及弧形連接式組合，這些組合模式在高郵凹陷東部、西部均有發(fā)育，平面分帶特征不明顯。

圖2 高郵凹陷地震解釋剖面對(duì)比Fig.2 Section correlation of seismic interpretations in the Gaoyou Saga—d.高郵凹陷自西向東不同位置地震解釋剖面；e. DD′地震剖面吳①斷層下盤(pán)局部放大

圖3 高郵凹陷反射層(阜寧組一段頂部)斷裂分布及斷裂走向統(tǒng)計(jì)Fig.3 Fault distribution and strikes on layer (top of the first member of the Funing Formation) in Gaoyou Sag

2.2 邊界斷層活動(dòng)性

一般而言，斷陷盆地的邊界斷層具有發(fā)育規(guī)模大、斷層斷距大、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的特征。斷陷期邊界斷層的同沉積活動(dòng)控制著凹陷整體形態(tài)，且對(duì)凹陷內(nèi)部次級(jí)斷層的產(chǎn)狀也有一定影響。判斷邊界斷層的同沉積活動(dòng)時(shí)期，主要依據(jù)各時(shí)期沉積地層結(jié)構(gòu)特征，以及該時(shí)期斷層上盤(pán)地層厚度是否大于下盤(pán)地層厚度兩方面分析。但造成斷層上盤(pán)厚度大于下盤(pán)的原因也可能與剝蝕作用有關(guān)，若斷層在地層沉積后發(fā)生活動(dòng)，同時(shí)斷層下盤(pán)地層遭受較大剝蝕，此時(shí)形成的剖面結(jié)構(gòu)與斷層同沉積活動(dòng)形成的剖面結(jié)構(gòu)基本一致。因此，判斷邊界斷層是否為同沉積斷層，還需考慮剝蝕作用的影響。

高郵凹陷東部邊界斷層為吳①斷層，斷層下盤(pán)泰州、阜寧組厚度明顯小于上盤(pán)(圖2c,d)。對(duì)DD′剖面局部放大(圖2e)，可識(shí)別到斷層下盤(pán)阜寧組與上覆地層呈明顯角度不整合接觸，剝蝕作用強(qiáng)烈，這說(shuō)明吳①斷層在阜寧組沉積期為非同沉積斷層。將吳①斷層兩盤(pán)地層對(duì)比發(fā)現(xiàn)，斷層兩盤(pán)的次級(jí)斷層在形態(tài)、斷距、組合樣式上基本一致，為同一條件下形成，吳①斷層對(duì)次級(jí)斷層的影響較小。阜寧組沉積后吳①斷層發(fā)生活動(dòng)，使下盤(pán)地層遭受剝蝕，剝蝕作用由東向西逐漸增強(qiáng)，斷層下盤(pán)殘余地層厚度逐漸減薄。

高郵凹陷西部邊界斷層為真①斷層，通過(guò)AA′剖面(圖2a)可知，真①斷層傾角較低，可能為三疊紀(jì)擠壓時(shí)期形成的逆沖基底斷裂，在處于伸展環(huán)境的阜寧組沉積期，斷層發(fā)生拆離滑脫作用，水平斷距較大，但對(duì)凹陷結(jié)構(gòu)影響較小。為了進(jìn)一步探究凹陷不同地區(qū)演化的差異性，在凹陷東、西部選擇兩條典型剖面對(duì)泰州、阜寧組沉積期編制構(gòu)造演化剖面，明確凹陷演化過(guò)程(圖4，圖5)。

圖4 高郵凹陷東部DD′測(cè)線構(gòu)造演化剖面Fig.4 Structural evolution section of seismic line DD′ in eastern Gaoyou Saga.泰州組、阜一段沉積后；b.阜二段-阜四段沉積后；c.阜四段變形后；d.阜四段剝蝕后；e.戴南組沉積后；f.現(xiàn)今；

高郵凹陷東部斷層相對(duì)密集。沉積初始時(shí)期，有少量先存斷層。阜寧組沉積后，斷層增多，隨后經(jīng)歷一期快速伸展變形時(shí)期，產(chǎn)生大量NW傾向斷層；在吳堡運(yùn)動(dòng)時(shí)邊界斷層快速活動(dòng)，斷層下盤(pán)遭受剝蝕，同時(shí)凹陷東北部發(fā)生抬升，部分地區(qū)出露地表，遭受剝蝕，此凸起便為柘垛低凸起。在柘垛低凸起南部，所有斷層傾向均為NW向，多條斷層構(gòu)成多米諾式斷層組合。凹陷內(nèi)也發(fā)育SE傾向斷層，在柘垛低凸起以北。因而此時(shí)期趨向于全凹陷均勻伸展，邊界斷層強(qiáng)活動(dòng)時(shí)期為其他斷層形成之后，為非同沉積活動(dòng)。

與東部相比，高郵凹陷西部斷層發(fā)育相對(duì)較為稀疏，泰州組沉積后存在部分小而少的斷層，這些斷層為盆內(nèi)先存基底斷層；阜寧組沉積后，產(chǎn)生部分新生斷層，斷層傾向?yàn)镹W和SE向，在局部地區(qū)出現(xiàn)斷層搭接現(xiàn)象，多條對(duì)傾斷層在局部構(gòu)成“V”字型對(duì)傾組合。從AA′演化剖面上看(圖5)，在凹陷北部，SE傾向斷層數(shù)量要大于NW傾向斷層；而在凹陷南部，NW傾向斷層數(shù)量要大于SE傾向斷層。真①斷層活動(dòng)性較弱，對(duì)凹陷結(jié)構(gòu)影響較小。

圖5 高郵凹陷西部AA′測(cè)線構(gòu)造演化剖面Fig.5 Structural evolution section of seismic line AA′ in western Gaoyou Saga.泰州組、阜一段沉積后；b.阜二段-阜四段沉積后；c.三垛組沉積后；d.現(xiàn)今

通過(guò)上述分析可知，高郵凹陷在阜寧組沉積期近似于自由邊界伸展，邊界斷層對(duì)凹陷內(nèi)次級(jí)斷層的形成及演化不起到?jīng)Q定性作用。因此，為明確不同區(qū)段斷層組合模式的差異性，應(yīng)對(duì)凹陷東、西部次級(jí)斷層進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，探究不同區(qū)段斷層活動(dòng)性是否存在差異，明確斷層形成演化歷史及成因。

2.3 斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

位移-埋深曲線及生長(zhǎng)指數(shù)是識(shí)別斷層活動(dòng)時(shí)期及斷層垂向生長(zhǎng)性的有效手段[14-15]。不同類(lèi)型斷層在曲線上會(huì)顯示出不同形態(tài)。單一期次持續(xù)活動(dòng)斷層的位移-埋深曲線顯示為“C”型形狀(圖6a2)，而多期次活動(dòng)斷層的活動(dòng)期之間存在靜止期，此時(shí)的位移-埋深曲線有明顯近垂直段(圖6a4)。當(dāng)斷層活動(dòng)時(shí)，生長(zhǎng)指數(shù)大于1，生長(zhǎng)指數(shù)越大斷層活動(dòng)性越強(qiáng)；斷層靜止時(shí)，生長(zhǎng)指數(shù)等于1。本文斷層位移-埋深曲線及生長(zhǎng)指數(shù)的數(shù)據(jù)是基于精細(xì)地震解釋成果，對(duì)各個(gè)地震反射標(biāo)志層及典型反射軸進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。對(duì)凹陷內(nèi)部分阜寧組內(nèi)斷層(平面位置見(jiàn)圖3)進(jìn)行活動(dòng)性分析，探究不同組合類(lèi)型之間斷層活動(dòng)性是否存在差異。

F1—F6斷層發(fā)育于凹陷東部區(qū)域，通過(guò)斷層位移-埋深曲線(圖6b1—b6)可知，各斷層曲線形態(tài)為“C”型，為單一期次活動(dòng)斷層，由斷層生長(zhǎng)指數(shù)可確定各斷層阜寧組沉積期活動(dòng)強(qiáng)烈。其中F3—F6斷層自北向南地勢(shì)逐漸降低，但各斷層活動(dòng)性依然保持一致，說(shuō)明凹陷東部斷層活動(dòng)性不受控于斜坡背景。而凹陷西部區(qū)域“V”字型組合的斷層斷穿層位更多，活動(dòng)時(shí)期更長(zhǎng)，在戴南、三垛組沉積期依然具有較強(qiáng)活動(dòng)性，如F7—F11斷層(圖6b7—b11)。由斷層生長(zhǎng)指數(shù)可知，斷層初次活動(dòng)時(shí)期為阜寧組沉積期，這與該時(shí)期凹陷東部斷層活動(dòng)性具有一致性。

圖6 高郵凹陷斷層位移-埋深曲線及生長(zhǎng)指數(shù)Fig.6 Fault displacement-depth curves and growth index in the Gaoyou Saga1.典型單期活動(dòng)斷層地震剖面，數(shù)字編號(hào)為斷層兩盤(pán)可對(duì)比的反射軸編號(hào); a2.圖a1中斷層位移-埋深及生長(zhǎng)指數(shù)圖; a3.典型多期活動(dòng)斷層地震剖面，數(shù)字編號(hào)為斷層兩盤(pán)可對(duì)比的反射軸編號(hào); a4.圖6a3中斷層位移-埋深及生長(zhǎng)指數(shù)圖; b1—b12.斷層F1—F12位移-埋深曲線及生 長(zhǎng)指數(shù)圖(斷層平面位置見(jiàn)圖3)

對(duì)比凹陷不同區(qū)域斷層的活動(dòng)特征可知，高郵凹陷在泰州組沉積期構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，新生斷層較少，直至阜寧組沉積期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，在凹陷全區(qū)產(chǎn)生大量新生斷層。不同區(qū)域新生斷層組合樣式有所差異，但斷層平面走向均以NE為主，說(shuō)明該時(shí)期凹陷各區(qū)域均受NW-SE方向伸展應(yīng)力場(chǎng)控制。

3 物理模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

前人通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，若在斜坡背景下進(jìn)行伸展，會(huì)形成一系列順向斷層[16],而高郵凹陷東部阜寧組斷層均為反向斷層，因此斜坡背景不是高郵凹陷東部產(chǎn)生大量反向斷層的成因，即斜坡的形成不會(huì)早于斷層形成時(shí)期。基于這一認(rèn)識(shí)，結(jié)合前文對(duì)斷層活動(dòng)性和活動(dòng)規(guī)律解析，設(shè)置兩組自由邊界物理模擬實(shí)驗(yàn)。

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于盆地的構(gòu)造研究，能有效地模擬出構(gòu)造變形的過(guò)程[17-23]。針對(duì)不同先存構(gòu)造，國(guó)外學(xué)者已進(jìn)行多組物理模擬。McClay[21]對(duì)不同形態(tài)邊界斷層開(kāi)展一系列物理模擬實(shí)驗(yàn)；Buchanan和McClay[24]采用先存構(gòu)造研究多米諾式斷層反轉(zhuǎn)作用；McClay和White[25]對(duì)裂谷進(jìn)行三維物理模擬。然而前人的研究成果并不能完全適用于本地區(qū)，并且先存斷層控制產(chǎn)生的盆地形態(tài)與高郵凹陷阜寧組形態(tài)不符，這也說(shuō)明了針對(duì)阜寧組演化階段，可設(shè)計(jì)為無(wú)先存邊界斷層的自由邊界。本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)200 cm，寬20 cm，高30 cm的砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，砂箱前、后兩側(cè)為固定擋板，左、右兩端為活動(dòng)擋板，可利用計(jì)算機(jī)內(nèi)置軟件操縱活動(dòng)擋板，使擋板前進(jìn)或后退。兩端活動(dòng)擋板可獨(dú)立運(yùn)行。兩組實(shí)驗(yàn)均采用橡膠板作為基底，兩端與活動(dòng)擋板固定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均勻傳遞伸展變形。實(shí)驗(yàn)材料為無(wú)內(nèi)聚力的干燥石英砂，平均粒徑約為100 μm。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突字箱佋O(shè)10 cm厚砂層，同時(shí)用染色石英砂鋪設(shè)標(biāo)志層，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)基于砂箱物理模擬中的相似性原理，在各實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇上均與實(shí)際地區(qū)具有較好對(duì)應(yīng)，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度(表1)。

表1 構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際地區(qū)相似性對(duì)比Table 1 Similarity comparison of structural experiment model and natural condition

由斷層活動(dòng)性分析可知，阜寧組沉積期次級(jí)斷層的形成不受邊界斷層控制。不同區(qū)域的次級(jí)斷層走向、活動(dòng)時(shí)期一致，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向也保持一致。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用控制變量法，將先存構(gòu)造與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向兩組變量統(tǒng)一，只改變伸展模式，設(shè)置兩組自由邊界，伸展模式不同的對(duì)比實(shí)驗(yàn)(圖7)。實(shí)驗(yàn)組1為一端固定、另一端后退的單側(cè)伸展模型，實(shí)驗(yàn)組2為兩端均后退的雙側(cè)伸展模型，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)圖7。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每間隔2min用相機(jī)拍照，記錄模型伸展變形過(guò)程。為了排除偶然因素影響，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)兩次以上，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

圖7 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖及相關(guān)參數(shù)選擇Fig.7 Analogue modelling design and selection of relevant parameters in experimental groupa.實(shí)驗(yàn)組1；b.實(shí)驗(yàn)組2；c.實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組1模擬結(jié)果顯示(圖8)，在伸展變形的初始階段，在伸展端附近地層略微傾斜，同時(shí)形成少量產(chǎn)狀平直的反向正斷層。當(dāng)伸展量逐漸增大(10 cm)，模型內(nèi)部產(chǎn)生大量反向斷層，且越靠近伸展端，斷層形成越早，累計(jì)斷距越大。多條新形成的反向斷層構(gòu)成多米諾式斷層組合。模型繼續(xù)伸展至實(shí)驗(yàn)結(jié)束(15 cm)，斷層數(shù)量繼續(xù)增加，所有斷層均保持一定活動(dòng)性，靠近伸展端的部分?jǐn)鄬悠拭嫘螒B(tài)由平直式轉(zhuǎn)為鏟式。持續(xù)伸展作用造成地層旋轉(zhuǎn)、減薄，越靠近伸展端地層旋轉(zhuǎn)減薄特征越強(qiáng)烈，導(dǎo)致固定端地勢(shì)略高于伸展端。

圖8 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)組1伸展變形模擬過(guò)程及結(jié)果Fig.8 Simulation process and results of extensional deformation in experimental group 1a.初始沉積；b.伸展變形初期，靠近伸展端形成少量平直斷層；c.伸展量持續(xù)增大，斷層發(fā)育數(shù)量逐漸增多；d.繼續(xù)伸展至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，斷層數(shù)量繼續(xù)增多，靠近伸展端斷層變?yōu)殓P式

實(shí)驗(yàn)組2模擬結(jié)果顯示(圖9)，在伸展變形的初始階段(5 cm)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部暫無(wú)斷層產(chǎn)生；當(dāng)伸展量逐漸增大(10 cm)，在兩側(cè)的伸展端附近地層發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn)，由實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢啥讼蛑行漠a(chǎn)生少量反向正斷層，斷層傾向也由實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投瞬恐赶蛑行牟课弧４穗A段的新生斷層也為多米諾式組合樣式。模型繼續(xù)伸展至實(shí)驗(yàn)結(jié)束(15 cm)，已形成的斷層繼續(xù)活動(dòng)，斷距持續(xù)增大，靠近伸展端的斷層發(fā)生旋轉(zhuǎn)，斷層傾角變低。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部還新產(chǎn)生部分與地層傾向相同的斷層，與前期形成的斷層組成“V”字、“y”字型斷層組合。雙側(cè)伸展使模型兩端地層旋轉(zhuǎn)減薄，越靠近伸展端變形越強(qiáng)烈，而實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁孔冃巫钊酰纬删植康屯蛊稹?/p>

圖9 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)組2伸展變形模擬過(guò)程及結(jié)果Fig.9 Simulation process and results of extensional deformation in experimental group 2a.初始沉積；b.伸展變形初期，未形成新生斷層；c.伸展量增大，模型兩端形成少量平直斷層；d.繼續(xù)伸展至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，斷層數(shù)量持續(xù)增多，部分?jǐn)鄬酉嗷ゴ罱?/p>

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，自由邊界條件下，伸展模式的不同會(huì)導(dǎo)致斷層形成時(shí)間、數(shù)量和組合樣式的不同。由于實(shí)驗(yàn)只模擬阜寧組沉積期變形特征，可將現(xiàn)今剖面恢復(fù)至戴南組沉積之前，在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)組1實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果與凹陷東部演化剖面(圖4)匹配關(guān)系較好，實(shí)際剖面中的斷層形態(tài)、數(shù)量、組合樣式，以及地層旋轉(zhuǎn)特征和地勢(shì)斜坡特征均與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。實(shí)驗(yàn)組2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果與凹陷西部演化剖面(圖5)匹配關(guān)系較好，實(shí)際剖面中斷層發(fā)育數(shù)量少，斷層為“V”字、“y”字型組合的特征在雙側(cè)伸展實(shí)驗(yàn)中均得到較好驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在自由邊界條件下，通過(guò)改變伸展方式，便可模擬出凹陷內(nèi)東部、西部不同的斷層組合形態(tài)，這與前文分析的邊界斷層對(duì)次級(jí)斷層的形成沒(méi)有控制作用的結(jié)論相一致。在NW-SE向區(qū)域伸展應(yīng)力場(chǎng)下，凹陷內(nèi)不同區(qū)域表現(xiàn)出的伸展形式不同：凹陷西部為NW-SE雙向伸展，而東部則僅為SE方向的單側(cè)伸展。兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證實(shí)了不同區(qū)域伸展方式的差異是造成斷層組合樣式的不同的主要原因。在單側(cè)伸展實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，地層地勢(shì)逐漸發(fā)生變化，說(shuō)明多米諾式斷層的形成與地勢(shì)斜坡背景無(wú)關(guān)，結(jié)合前人學(xué)者早期研究成果[16]，即可判斷出高郵凹陷東部阜寧組斷層的形成時(shí)期要早于柘垛低凸起形成時(shí)期。

4 討論

物理模擬實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析證實(shí)，高郵凹陷在阜寧組受NW-SE向伸展作用，但在凹陷內(nèi)不同位置表現(xiàn)形態(tài)不同：高郵凹陷西部向兩端同時(shí)伸展，而東部?jī)H向SE方向伸展，在同一伸展應(yīng)力作用下，形成不同的斷層組合樣式。圖10為過(guò)高郵凹陷和臨澤凹陷的區(qū)域地質(zhì)剖面(位置見(jiàn)圖1)，剖面西側(cè)臨澤凹陷也發(fā)育多米諾式反向斷層組合，斷層傾向與高郵凹陷東部次級(jí)斷層的傾向相反。由DD′構(gòu)造演化剖面(圖4)可知，柘垛低凸起形成于阜寧組沉積末期的吳堡運(yùn)動(dòng)，因此在吳堡運(yùn)動(dòng)之前，高郵凹陷與臨澤凹陷為同一凹陷，凹陷形態(tài)西窄東寬。高郵凹陷東部、臨澤凹陷在阜寧組沉積期分別為SE，NW單側(cè)伸展變形，與同時(shí)期凹陷西部伸展應(yīng)力狀態(tài)一致。在同一伸展背景下，伸展應(yīng)力由凹陷兩端向中心傳播，但受凹陷初始形態(tài)影響，凹陷西部較為狹窄，應(yīng)力向中心傳播速度快，兩端應(yīng)力在中部交匯，疊覆區(qū)域發(fā)育對(duì)傾斷層組合樣式；凹陷東部更寬，應(yīng)力向中心傳播速度慢，兩端應(yīng)力未在中部交匯，高郵凹陷和臨澤凹陷的斷層未出現(xiàn)疊覆，依舊保持初始斷層組合樣式(圖11)。因此高郵凹陷西部斷層疊覆范圍明顯大于東部，東部?jī)H在柘垛低凸起處可識(shí)別到少量“V”字型對(duì)傾斷層組合。

圖10 高郵凹陷及臨澤凹陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面(據(jù)江蘇油田，有修改)Fig.10 Geological structure section of Gaoyou and Linze Sags (revised according to Jiangsu oilfield)

圖11 高郵凹陷阜寧組演化模式Fig.11 Evolution model of the Funing Formation in Gaoyou Saga.變形初期；b.變形末期

5 結(jié)論

1) 高郵凹陷邊界斷層在泰州組和阜寧組沉積期為非同沉積斷層，該時(shí)期高郵凹陷接近自由邊界伸展。阜寧組沉積期NW-SE向伸展應(yīng)力場(chǎng)形成大量斷層，不同組合樣式的斷層初始形成時(shí)期具有一致性。

2) 伸展方式的不同是造成高郵凹陷東、西部阜寧組斷層模式差異的根本原因。單側(cè)伸展形成大量多米諾式反向斷層組合，雙側(cè)伸展形成“V”字型對(duì)傾斷層組合。

3) 在同一伸展背景下，高郵凹陷東部盆地寬，盆地兩側(cè)應(yīng)力向中心傳播越慢，僅在盆地中心區(qū)可能出現(xiàn)不同傾向斷層疊覆現(xiàn)象；西部盆地窄，盆地兩側(cè)應(yīng)力向中心傳播越快，不同傾向斷層疊覆區(qū)域越大。