構造-沉積耦合過程的數值模擬：以南海北部陽江凹陷為例

李法坤，戴黎明，杜曉東，蔡國富，李三忠，董昊，王宇

1. 深海圈層與地球系統教育部前沿科學中心，海底科學與探測技術教育部重點實驗室，中國海洋大學海洋地球科學學院，青島 266100

2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266237

3. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518000

海洋油氣勘探成本高、難度大，特別是在地震勘探資料有限的海域，勘探風險也巨大。隨著新技術發展，現代超算技術和流固耦合技術的結合，有助于實現沉積“源-匯”過程動態模擬，以再現盆地構造演化過程中的內外地貌景觀和四維層序結構演變，從而實現精準勘探。為此，本文以南海北部陸緣的珠江口盆地陽江凹陷為例，進行技術探索，并試圖揭示構造-沉積耦合過程，以開拓數字油氣勘探新技術、新途徑。

南海位于歐亞板塊、印澳板塊和太平洋板塊的交匯處，發育有多條NW向的大型斷裂帶，斷裂帶對其周緣的新生代沉積充填和地層堆疊樣式有重要的控制作用[1-11]。陽江-一統暗沙斷裂帶便是切過南海北部陽江凹陷的一條NW向深大斷裂帶，它活動時間長，切割深度大，對上覆地層沉降中心的遷移有重要的控制作用。定量分析陽江凹陷新生代構造形變和沉積“源-匯”的耦合過程，對理解該斷裂帶的運動性質及其與周緣構造-沉積的響應關系具有重要意義，也有助于巖性油氣藏的精準勘探。

關于陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代的運動學性質迄今還存在爭論，目前主要有三種觀點：第一種觀點認為陽江-一統暗沙斷裂帶目前只表現出一條構造轉換帶的特征，并沒有足夠的證據證明其是一條走滑斷裂帶。第二種觀點認為，進入新生代后，歐亞、印澳、太平洋板塊之間的相互作用以及巖石圈深部的動力變化改變了南海北緣的區域應力場，使該斷裂帶從中生代時的左行走滑斷裂帶轉變為一條右行走滑斷裂帶[12-13]。第三種觀點則認為，在新生代初期，陽江-一統暗沙斷裂帶是一條調節盆地內NE-NEE向伸展構造的差異變形的轉換調節帶，在始新世末開始左行走滑，并在漸新世末期形成左行左階拉分斷裂體系[14-17]。上述三種觀點都是基于區域應力場的宏觀分析或現今的地震剖面定性研究得出的，并沒有定量研究斷裂帶的特征。而定性分析有一定的主觀因素，對于斷裂帶的性質仍沒有形成統一意見。因此，如何定量分析陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代的運動學性質是解決爭議的關鍵。

為了解決上述問題，本文利用Badlands沉積數值模擬方法，對陽江-一統暗沙斷裂帶的運動學性質開展了定量化數值模擬研究。研究過程中，可視化了陽江凹陷自始新世以來構造-沉積的耦合過程，通過與地球物理資料和地質資料的對比，確定了陽江-一統暗沙斷裂帶的運動學性質，探討了在斷裂帶控制下恩平19洼沉降中心的遷移規律。

1 區域地質背景

陽江凹陷位于珠江口盆地（西部）珠三坳陷的北東端，是一個在古生界變質巖基底上發育起來的新生代陸緣拉張型斷陷盆地，其西部以陽江凸起為界，東部毗鄰恩平凹陷，南北兩端被夾持在北部隆起帶和神狐隆起之間（圖1）。受多期構造運動的影響，陽江凹陷內部發育9個次級洼陷和多條控洼斷層[18-23]，其中，陽江33洼由于缺乏必要的數據資料，不在本次研究范圍內；恩平19洼位于陽江凹陷中西部，主要受一條NE向斷層（F3）的控制，是陽江凹陷新生代主要沉降中心之一[24]。

圖 1 陽江凹陷區域構造單元及走滑斷層位置[15,23]Fig.1 Regional tectonic units and strike-slip faults in the Yangjiang Sag[15,23]

珠江口盆地新生代沉積地層主要經歷了早期（文昌組和恩平組）的湖泊相沉積、中期（珠海組）的海灣過渡相沉積以及晚期（珠江組及以后）的開闊海相沉積三個階段[25-33]。其中，文昌組和恩平組處于盆地斷陷期，經歷過多次區域性升降，斷層活動頻繁，非常適合研究斷層對構造-沉積的控制作用，是本研究模擬的主要時期。同時，文昌組沉積時期中小型物源輸入為烴源巖的發育提供了良好的條件，恩平組則發育辮狀河三角洲相沉積地層，這兩組地層是陽江凹陷新生代烴源巖發育的主要地層，是該地區重要的生油層[34-36]。

陽江-一統暗沙斷裂帶位于南海北部，呈NWSE向延展，向陸地方向可延伸至紫羅埡斷裂，是橫切珠江口盆地的重要斷裂帶之一[37]。該斷裂帶屬于潛伏深大斷裂帶，自陸架至洋陸邊界可分為北段的陽江東凹段、中段的神弧隆起東緣開平東洼段和南段的云開低凸起段[38]，全長超過400 km，寬度約30 km，在陽江凹陷地區也有所出露，航磁異常和巖漿展布顯示，其主斷裂切割了盆地基底地層[39-40]。陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代由多條NW向分支斷裂組成，各單支斷裂在平面上多表現為右階雁列構造或馬尾狀構造，整體上則呈左階展布。在平面上，根據遙感資料和派生斷裂的平面組合樣式，陽江-一統暗沙斷裂帶在恩平19洼的表現形式為多條NW向、近平行的分支斷層，分別切割陽江24東洼東部和恩平19洼的中西部；在地震剖面上，陽江-一統暗沙斷裂帶在恩平19洼周圍表現為高角度板式或鏟式斷層，單支斷裂陡立，整體呈“Y”字型展布，對斷裂帶周緣新生代地層分布有較強的控制作用[27]；但目前對陽江-一統暗沙斷裂帶如何影響周緣地層的分布特征及沉降中心的遷移規律并不清楚。

2 模擬方法和模型構建

2.1 模擬方法

Badlands數值模型是一款基于盆地淺部構造控制的地貌和深部構造誘發的動力地形疊加的動態效應，并結合古氣候、古侵蝕/古沉積速率、古海平面變化等因素，模擬盆地“4D”沉積充填過程和盆地地貌演變的軟件[41-45]。基于地形演化數據，利用該數值模型還可精細刻畫陽江-一統暗沙斷裂帶對陽江凹陷恩平19洼的控制作用。模擬過程中，模型主要遵循質量守恒方程，方程如下：

其中，公式左側為z（地面高程）的單位時間增量，u表示構造運動引起的地形變化，單位是m/a； ?表示梯度；qs表示在深度上整合為一體的、每單位寬度的總體積沉積物通量，單位是m2/a。

山坡滑移是指山坡上的部分物質在重力作用下沿一軟弱面整體向下移動，其過程由簡單蠕移法則定義[46-48]，方程如下：

其中，κ表示擴散系數，其值取決于巖性及平均降水量、河道寬度、洪水頻率以及其他潛在的參數和過程[49-52]。

巖石圈的撓曲是在外動力作用下彈性地球外殼彎曲的一個過程，不同于流體靜力學方法，撓曲模型假設巖石圈是一個復合層，上地殼近似于彈性板塊，而下地殼和上地幔的行為則和黏性流體相似[53-55]。地表過程造成的沉積物再分配改變了地球彈性外殼上地表沉積物載荷的分配[56-57]。在抗彎剛度統一且不考慮水平作用力的情況下，控制彈性變形的方程如下：

其中，ω代表板塊的垂直偏轉量； Δρ=ρm?ρf表示地幔和充填物（沉積物、空氣、水或是它們的組合）之間的密度差； ql=ρlghl表示每單位面積上所施加的載荷的合力；ρl是載荷物的密度；hl是載荷物的高度 ；g為重力加速度；D是彈性板塊的抗彎強度。

2.2 模型構建

在構建模型時，本文考慮的主要參數有構造地形、古氣候、侵蝕率系數和陽江-一統暗沙斷裂帶在陽江凹陷地區的走滑性質及走滑位移量等。

（1）構造地形

構造地形是地質構造形態的外部表現，它由構造運動直接影響產生，控制著盆地的沉積作用[58-62]。為保證模擬的精度，使模型最大程度地貼合實際地質構造，本文基于精確的三維數據體，結合測井數據和平衡剖面等，利用三維平衡恢復法（包括剝蝕量恢復、去斷層、層拉平、去壓實和熱沉降等），對陽江凹陷進行三維構造恢復，以恢復后的基底古地形為初始模型，根據基底沉降量和地層的沉積時間，加載相應的構造地形數據（圖2）。

根據陽江-一統暗沙斷裂帶在陽江凹陷的基本特征，模型設置了3條走滑斷層（1號、2號和3號走滑斷層），各斷層平面分布位置如圖1所示；并按照走滑斷層的性質及位移量的不同，設置了6組模型，具體參數見表1。整個模型的模擬時間為18.4 Ma，對應于始新世到漸新世早期（47.8～29.4 Ma）。其中，在33.9 Ma時，模型開始進入走滑斷層活動期，此時1號走滑斷層開始活動（圖2a），2號走滑斷層在32.4 Ma時開始活動（圖2b），3號走滑斷層在30.9 Ma時開始活動（圖2c）；到29.4 Ma時，所有斷層均停止走滑，至此模擬結束（圖2d）。

表 1 模型參數Table 1 Model parameters

圖 2 模型基底走滑斷裂演化Fig.2 The evolution of strike-slip faults in the basement

（2）古氣候

在Badlands中，古氣候變化對沉積作用的影響主要通過古海平面和降水量的變化來體現。由于珠江口盆地文昌組和恩平組為陸相沉積建造，其沉積時全部位于海平面之上，因此，海平面的絕對位置對模型的控制作用有限。本文以Haq等[63]恢復的全球海平面變化曲線為基礎，設置模型的海平面變化。區域降水量也是體現古氣候的重要參數，它可以影響巖石的風化速率以及河流的徑流量，從而驅動河流侵蝕和河流體系的演化，對此，根據前人的經驗值，本文將模型降水量設置為1 m/a。

（3）侵蝕率系數

侵蝕率系數直接控制盆地侵蝕和沉積速率的大小，對地層的沉積有很強的控制作用。本文設置了多組侵蝕率系數進行模擬分析，對比地震剖面和沉積厚度等地球物理資料后發現，當侵蝕率系數為3×10?7a?1時，模擬結果和實際地質資料的匹配度最高。由于模型不深入討論地層的沉積速率，因此設置所有模型均加載此統一的侵蝕率系數。

由于陽江凹陷的沉積范圍有限，本文認為能顯著影響盆地構造格局變化的是構造地形，而深部動力地形對盆地的影響很小，且研究區在文昌組和恩平組沉積時期并未發生大的熱沉降事件，在本文中不討論深部動力地形對模型的影響。

3 結果

3.1 陽江-一統暗沙斷裂帶運動學性質的剖面對比

為了分析陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代的運動學性質，本文在陽江凹陷自西向東提取了3條模擬剖面與真實的地震剖面進行對比（圖3），各剖面位置如圖1所示。其中，圖3a、3b、3c為轉換帶模式（模型1）下的模擬剖面，圖3d、3e、3f為右行走滑模式（模型2）下的模擬剖面，圖3g、3h、3i為左行走滑模式（模型3）下的模擬剖面，圖3j、3m、3n為真實的地震剖面，陰影區為走滑斷層活動的主要區域。與地震剖面不同，在模擬剖面中，斷層主要是通過地層產狀的變化來體現的。模擬結果顯示，轉換帶模式和右行走滑模式下的模擬剖面形態相似，在陰影區，地層發育平緩，沒有產狀上的變化，即沒有斷層發育的跡象，3條剖面的沉積厚度都為300～2000 m。左行走滑模式下模擬剖面的地層在傾角上有明顯的突變，顯示有多條斷層發育，剖面受到強烈的改造作用，形態呈近“W”型；A-A’剖面的地層厚度為1000 m左右，B-B’和C-C’剖面的地層厚度為800～2000 m。對比3條測線的模擬剖面和地震剖面，發現地震剖面的陰影區無論是在地層厚度（尤其是A-A’剖面的厚度都為1000 m）、剖面形態（明顯受斷層的改造作用）還是地層產狀（有多處發生產狀突變）等方面都和左行走滑模式下模擬剖面的陰影區相一致。

圖 3 不同位置的模擬剖面和地震解釋對比Fig.3 Comparison of simulated sections and seismic sections at different locations

圖 4 不同走滑位移量的剖面對比Fig.4 comparison of strike-slip displacements in different sections

3.2 陽江-一統暗沙斷裂帶走滑位移量的剖面對比

根據上述三組剖面的對比結果，左行走滑模式更符合始新世末期陽江-一統暗沙斷裂帶在陽江凹陷的走滑特征，但該斷裂帶的走滑位移量還不清楚。這里設置了四組模型（模型3、4、5、6），以研究斷層在始新世末期時的走滑位移量，各模型在AA’位置的模擬剖面如圖4所示。圖4a表示走滑量為1500 m（模型4）時的模擬剖面，模擬結果顯示，該模式下模擬剖面在演化過程中的整體形態基本保持不變，陰影區的地層厚度約為1200 m。圖4b表示走滑量為2000 m（模型3）時的模擬剖面，該模式下為根據地球物理資料得出的陽江凹陷現今真實的地層厚度。從全區來看，模擬厚度和真實地層厚度都顯示，陽江凹陷自西向東共發育有陽江24西洼等8個沉降中心，且西部的平均沉積厚度大于東部；其中，恩平19洼和恩平28洼的沉積厚度最大，沉降中心的厚度超過3000 m；恩平27洼的沉積厚度最小，平均沉積厚度不到2000 m。從走滑斷層周緣的沉降中心來看，真實地層厚度顯示陽江24東洼內部又可分為3個更次級的洼陷，模擬結果也顯示出相似的特征，并且中部和東部的次級洼陷被1號走滑斷層切過，中部的次級洼陷呈NE走向，東部的次級洼陷靠近北部邊界，這可能與1號走滑斷層的左行走滑作用有關。陽江24東洼東部邊界和恩平19洼西部邊界都被2號走滑斷層切過，且兩者的邊界線幾乎處于同一直線上，這可能是受2號走滑斷層NW向牽引作用的結果。恩平19洼被3號走滑斷層切割為東、西兩部分，東部沉積厚度較大；模擬厚度和真實地層厚度在恩平19洼的展布方向（近NE向）、沉降中心范圍（約30 km2）、平均沉積厚度（約2500 m）和最大沉積厚度（約3000 m）等方面都有很好的一致性。這也說明模型3的模擬結果在平面和剖面上都較好地反映了陽江-一統暗沙斷裂帶在始新世末對陽江凹陷的控制作用。

陰影區的剖面形態有明顯改變，最終呈現為“W”型，地層厚度大約為1000 m。圖4c表示走滑量為2500 m（模型5）時的模擬剖面，該模型的模擬結果和模型3相似，陰影區的地層厚度也為1000 m左右。圖4d表示走滑量為3000 m（模型6）時的模擬剖面，陰影區內的剖面地層被斷層切割成“V”字型，地層厚度約1200 m。將模擬剖面（圖4）和地震剖面（圖4e）進行對比后發現，模型4與模型6的模擬剖面形態和地震剖面有較大差別，且地層厚度大于地震剖面（厚度約1000 m）的地層厚度；模型5的地層厚度和地震剖面相吻合，但剖面形態和地震剖面稍有差別，模擬剖面受斷層的改造作用更強烈，模型3的模擬結果無論是在地層厚度還是在剖面形態上都和地震剖面有較好的一致性。

3.3 陽江凹陷始新世時期沉積厚度對比

通過斷裂帶走滑性質和走滑位移量的對比，發現模型3在剖面上最能反映陽江-一統暗沙斷裂帶對陽江凹陷的控制作用。為了驗證該模型在平面上與地質資料的吻合度，這里提取了模型3的模擬沉積厚度和真實地層厚度以進行對比（圖5）。其中，圖5a為陽江凹陷（模型3）的模擬沉積厚度，圖5b

圖 5 模擬的沉積厚度和真實沉積厚度對比Fig.5 Comparison of simulated thickness and real deposition thickness

4 討論

4.1 陽江-一統暗沙斷裂帶的走滑性質

根據前人的研究成果，關于陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代的運動學性質主要有三種觀點，其中，第一種觀點認為該斷裂帶在始新世末只是一條轉換帶，第二種觀點認為該斷裂帶是一條右行走滑斷裂帶。但模擬結果顯示，如果陽江-一統暗沙斷裂帶在始新世末是一條轉換帶或右行走滑斷裂帶，那該斷裂帶對周緣地層的控制作用非常弱，尤其是在走滑后期，模擬剖面內甚至無法識別出斷層，剖面形態主要受基底構造的影響。第三種觀點認為陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代初期是一條調節帶，但在始新世末受太平洋動力機制的控制轉變為左行走滑斷裂帶。模擬結果顯示，該模式下陽江-一統暗沙斷裂帶在走滑早期也具有一定的轉換帶特征，沒有明顯的走滑性質，但在模擬剖面上可識別出多條斷層，且斷距不斷增長，在走滑后期發育明顯的花狀構造，對剖面有強烈的改造作用，和地震剖面的特征很匹配。因此，本文認為陽江-一統暗沙斷裂帶在始新世末是一條左行走滑斷裂帶。

4.2 陽江-一統暗沙斷裂帶的走滑位移量

走滑斷層位移量的研究一直是走滑斷層研究的重點和難點[64]，針對大型走滑斷層，人們已經提出了多種走滑量的計算方法，如兩盤地質參考點對比法[65-68]、古地磁學研究方法[69-70]、地殼變形速度估算法[71]以及基于物理模擬實驗的方法[72]等。雖然近年來對陽江-一統暗沙斷裂帶和陽江凹陷的研究已經取得了一些重大進展[73-75]，但目前還未對該斷裂帶在新生代的走滑量進行過詳細分析。

根據模擬結果，當斷層的走滑量較小時（模型4），走滑速度的增加在模擬剖面上主要體現為分支斷層數量的增加，而斷距的變化并不大（圖6a）；在該模式下斷層有明顯的走滑性質，但對剖面形態的改造作用有限。當走滑量為2000 m時（模型3），按照斷層的走滑速度及其對地層的改造作用，斷層的活動主要可分為兩個階段：

第一階段為早期慢走滑階段，時間大約在33.9 Ma到30.9 Ma之間，斷層的走滑速度較慢，約為0.3 mm/a。在此階段內，模擬剖面的主要特點是斷距不斷增大（當斷層走滑量增加到2500 m和3000 m時，也有相同的規律，這可能和走滑量的增大能使各分支斷層持續活動有關）。第二階段為后期快走滑階段，時間大約在30.9 Ma到29.4 Ma之間，斷層的走滑速度約為0.8 mm/a；與早期相比，（在第二階段的模擬剖面內）斷層的數量增加，剖面具有明顯的走滑性質（圖6b），對應于地震剖面（圖4e）的花狀構造。

圖 6 不同走滑分量模式下構造-沉積耦合過程Fig.6 Tectono-sedimentary coupling under different strike-slip displacements

隨著走滑量的繼續增大，斷層的走滑性質在模擬剖面上越來越明顯，斷層對剖面的控制作用也越來越強，當走滑位移量增大到2500 m時（模型5），模擬剖面受斷層的改造效應比真實的地震剖面（圖6c）更強烈，原因可能是此時模型的走滑量已經大于斷層的實際走滑量。當走滑量為3000 m時（模型6），相較于模型5，其模擬剖面的形態和地震剖面差別更大，且走滑斷層的控制作用有向東擴展的趨勢（圖6d），可能是隨著走滑量的增大，斷裂帶帶動了恩平19洼東部地層進行走滑，地震剖面也顯示發育在恩平19洼東側的分支斷層對地層有更強的控制作用。綜上所述，始新世末，陽江-一統暗沙斷裂帶在陽江凹陷地區的走滑位移量大約為2000 m。

4.3 陽江-一統暗沙斷裂帶對恩平19洼的改造作用

沉降中心的遷移方向和盆地的走滑方向一致是走滑盆地的顯著特征[76]。根據模擬剖面，走滑斷層對地層的控制作用可以分為兩個階段，恩平19洼沉降中心的遷移也顯示出相同的規律（圖7）。在早期慢走滑階段（33.9～30.9 Ma），沉降中心的遷移方向和走滑斷層的滑動方向幾乎完全一致，由于走滑量較小，沉降中心的遷移速度也較小，約為0.18 mm/a；在后期快走滑階段（30.9～29.4 Ma），走滑位移量的增大以及走滑速度的增快使沉降中心加速遷移，移動速度約為0.3 mm/a。與前期相比，在后期快走滑階段，恩平19洼的沉降中心向北遷移的趨勢更加明顯，而且沉降中心發生逆時針旋轉（圖7d），這可能與3條走滑斷層的移動速度不同有關。發育于最東側的3號走滑斷層走滑速度最大，其牽引作用帶動沉降中心加速向北遷移，同時，其與1號、2號走滑斷層的速度差導致沉降中心發生逆時針旋轉，這也與地震剖面上觀察到的恩平19洼東側的分支斷層對地層的控制最明顯相吻合。

圖 7 陽江凹陷恩平19洼沉降中心演化Fig.7 Evolution of depocenters of the Enping 19 Subsag in the Yangjiang Sag

走滑斷層控制的沉降中心的遷移和油氣賦存密切相關，大型走滑斷裂帶本就是油氣的富集地帶，其運動學性質對圈閉形成與分布及油氣的輸導與保存等有重要的控制作用。文昌組和恩平組沉積時期是陽江凹陷烴源巖發育的主要時期，而NW向的張扭斷裂帶有較好的側向封堵能力[39]，因此，恩平19洼沉降中心向北遷移，可能會改變烴源巖的存儲和油氣的運移規律，使靠近北部邊界的儲油構造存儲更多的烴源巖。

5 結論

（1）陽江-一統暗沙斷裂帶在新生代始新世末是一條左行走滑斷裂，其沿NW向穿過陽江凹陷恩平19洼，走滑量約為2000 m。

（2）陽江-一統暗沙斷裂帶在始新世末對陽江凹陷恩平19洼有明顯的改造作用，且在模型的走滑后期對其構造-沉積的控制作用明顯增強。在早期慢走滑階段，斷裂帶在陽江凹陷的走滑位移量約為800 m，恩平19洼的沉降中心沿斷裂帶走滑方向遷移；在后期快走滑階段，其走滑位移量約為1200 m，在剖面上可識別出明顯的花狀構造，恩平19洼的沉降中心加速向北遷移，并發生逆時針旋轉。對陽江凹陷恩平19洼精細沉積充填樣式的模擬有助于研究陽江-一統暗沙斷裂帶對沉降中心的改造作用，對巖性油氣藏精準勘探具有一定的指導意義。