邊緣海盆地?cái)鄬硬町愌莼梢虻臄?shù)值模擬：以西湖凹陷平北斜坡帶為例

馬皓然，蘇金寶，王毛毛，任培罡，談明軒

1. 河海大學(xué)海洋學(xué)院，南京 210098

2. 中石化華東石油工程有限公司科技發(fā)展分公司，南京 210098

邊緣海盆地的成盆演化對(duì)認(rèn)識(shí)盆山構(gòu)造體系、油氣成藏分布等具有重要意義，是能源需求與科學(xué)研究中的重要課題[1-2]。東亞陸緣受太平洋構(gòu)造域影響，邊緣海盆地展現(xiàn)出巨大差異：黃海盆地整體呈NNE 近E-W 走向，以發(fā)育塹壘構(gòu)造為主要特征[3-4]；渤海灣盆地為“Z”型展布的北斷南超半地塹盆地[5]；南海北部的北部灣、瓊東南等盆地，平面呈NEE 向或NE 向展布，且均為半地塹或不對(duì)稱的地塹，控盆斷層向海傾斜，珠江口盆地南部則發(fā)育大量陸傾斷裂[6-7]。東海陸架盆地整體呈NNE 向展布。成盆過程中，盆地中心向東遷移。盆地內(nèi)發(fā)育大量半地塹和地塹，并以陸傾斜斷層為主[8-9]。盡管前人提出大量模型解釋各盆地的成盆過程[10-12]，但對(duì)盆地間差異演化機(jī)制仍缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。

盆地的形成受控于斷層的發(fā)育，斷層系統(tǒng)的差異演化強(qiáng)烈地影響了成盆演化、盆地沉積充填、盆地遷移等過程，還影響了海底滑坡、海嘯地震等事件的發(fā)生頻率[13-16]。大陸邊緣發(fā)育的低角度正斷層可能還是加劇地殼減薄和地幔物質(zhì)折返的關(guān)鍵[17-18]。前人認(rèn)為應(yīng)力方向、基底拉伸方式、滑脫面傾角、基底表面地形、先存構(gòu)造等因素均能影響斷層系統(tǒng)的幾何形態(tài)[19-24]。但物理模擬使用的砂或黏土等材料強(qiáng)度較低，無法精細(xì)地模擬出高強(qiáng)度巖石的變形。此外，在數(shù)值模擬中前人關(guān)注巖石強(qiáng)度差異對(duì)擠壓環(huán)境中斷層發(fā)育的影響[25-26]，但對(duì)伸展環(huán)境斷層發(fā)育影響因素仍缺乏深入研究。考慮到伸展背景下斷層發(fā)育的差異性與復(fù)雜性，需要對(duì)伸展斷層形成機(jī)制控制因素進(jìn)行進(jìn)一步探討。這有助于更好地理解盆地成盆過程，為盆地差異演化機(jī)制提供啟示和約束。

西湖凹陷平北斜坡帶的斷層幾何形態(tài)變化較大，其北部是NNE 向?yàn)橹鞯暮A斷層構(gòu)成的斷階區(qū)，南部則是受控于NE 向陸傾斷層的半地塹區(qū)域。其斷層幾何形態(tài)的變化過程是東海陸架盆地成盆過程的縮影，構(gòu)造演化指示著未來盆地的發(fā)育格局。前人關(guān)注斜坡帶差異演化特征[27-28]，但對(duì)其成因仍缺乏足夠認(rèn)識(shí)。因此，深入研究平北斜坡帶差異演化形成機(jī)制，對(duì)于研究東海陸架盆地等邊緣海盆地?cái)嗔洋w系差異具有指示意義。

離散元方法（DEM）是一種基于顆粒性質(zhì)的數(shù)值模擬方法，可以用來研究構(gòu)造變形并定量觀測(cè)和分析變形系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變演化，揭示斷層活動(dòng)性與力學(xué)性質(zhì)[25-26,29]。基于此，本文考慮斷層發(fā)育的影響因素，通過離散元數(shù)值模擬和地震反射數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，模擬基底巖性、應(yīng)力方向、基底表面坡度、應(yīng)力作用位置變化等差異，分析平北斜坡帶構(gòu)造差異演化的形成機(jī)制，進(jìn)而探討東海陸架盆地等邊緣海盆地成盆演化過程。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

西湖凹陷位于東海陸架盆地東部坳陷帶，是發(fā)育在火成巖基底上的新生代斷陷盆地[30]。凹陷西部與虎皮礁隆起、海礁隆起、漁山東隆起、長(zhǎng)江坳陷及錢塘凹陷相接，東部以釣魚島隆褶帶為界，南部與釣北凹陷相鄰，北部毗鄰福江凹陷。凹陷內(nèi)部東西分塊，自西向東為西部緩坡帶、中央反轉(zhuǎn)帶、東部斷階帶，并局部發(fā)育東西兩個(gè)次凹。平北斜坡帶位于西部斜坡帶中段、平湖斜坡帶北段（圖1）。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造區(qū)劃示意圖[31]Fig.1 Schematic tectonic map of the Xihu Sag[31]

區(qū)域地球物理調(diào)查表明，西湖凹陷斷陷作用始于新生代早期，并持續(xù)到始新世晚期，期間發(fā)育大量的正斷層。受海洋作用影響，該時(shí)期環(huán)境由河沼相向海灣-潮坪相過渡，先后沉積了古新統(tǒng)（T40），下始新統(tǒng)寶石組(T34)，主要成分為泥巖、細(xì)砂巖及泥砂互層，以及上始新統(tǒng)平湖組（T30），主要成分為灰質(zhì)泥巖和粉砂巖。隨后，該區(qū)域自晚始新世進(jìn)入斷-拗轉(zhuǎn)換期。拗陷早期的漸新統(tǒng)花港組（T24）以湖盆沉積為主，砂巖和礫巖自南向北增加。中新世時(shí)期，由于沖繩海槽的開放，凹陷內(nèi)發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，先后沉積了以泥巖、砂巖及泥沙互層為主的下中新統(tǒng)龍井組（T23）、中中新統(tǒng)玉泉組（T22）及上中新統(tǒng)柳浪組（T20），該時(shí)期仍為河湖相沉積環(huán)境。最后，在區(qū)域沉降的作用下沉積了上新統(tǒng)三潭組（T10）及第四系東海群[8,31]（表1）。

表1 西湖凹陷構(gòu)造演化簡(jiǎn)表Table 1 Tectonic evolution of the Xihu Sag

西湖凹陷裂谷前基底構(gòu)成與其他構(gòu)造單元相似。鉆井?dāng)?shù)據(jù)表明，東海陸架盆地基底以大量的變質(zhì)巖、火成巖為主，局部分布中—古生界地層。其中，變質(zhì)巖基底以變沉積巖為主，火成巖基底以花崗巖為主[32]。西湖凹陷內(nèi)部基底重磁數(shù)據(jù)顯示南北兩個(gè)高磁性異常體，指示該區(qū)域?yàn)榛鸪蓭r基底，而低磁性異常指示為變沉積巖基底[32]（圖2a）。

圖2 研究區(qū)化極航磁異常及斷層展布[27, 32]a：西湖凹陷化極航磁異常，b：平北斜坡帶斷層展布。Fig.2 Aeromagnetic anomaly and fault distribution in the study area[27,32]a: Aeromagnetic anomaly in the Xihu Sag, b: fault distribution in Pingbei Slope.

1.2 平北斜坡帶斷裂構(gòu)造

平北斜坡帶斷層平面展布具有明顯的分塊特征。該區(qū)域始新世進(jìn)入強(qiáng)烈斷陷期，活動(dòng)正斷層數(shù)量多、斷距大，具有復(fù)雜的平面組合樣式（圖2b）。區(qū)內(nèi)斷層走向和傾向差異較大，北部發(fā)育一系列平行和亞平行的海傾斷層，斷層總體呈NNE-NE 向；南部由陸傾斷層組成，大型陸傾斷裂呈NE 向。NWW 向和近N-S 向小型斷裂集中發(fā)育在該區(qū)域，部分?jǐn)嗔驯憩F(xiàn)出弧狀特征。此外，該區(qū)域西南發(fā)育了少量的海傾斷層，呈NNE 向或近N-S 向。

剖面上，北部區(qū)域發(fā)育密集的海傾斷裂，斷裂下斷至基底并長(zhǎng)期活動(dòng)，陸傾斷層大都為拉張后期形成的調(diào)節(jié)斷層。北部的斷層組合較為簡(jiǎn)單，整體呈斷階樣式（圖3a）。在新生代斷陷過程中，區(qū)內(nèi)構(gòu)造演化明顯受控于海傾斷層（圖3b）。區(qū)域伸展始于古新世，較大的海傾斷層形成于該時(shí)期。始新世早期，隨著區(qū)域進(jìn)一步伸展，正斷層間的轉(zhuǎn)換帶產(chǎn)生新斷裂并形成旋轉(zhuǎn)翹傾斷塊。始新世中后期，區(qū)內(nèi)產(chǎn)生少量陸傾調(diào)節(jié)斷層，這些斷層大多在平湖組沉積期形成并活動(dòng)。

圖3 平北斜坡帶北部區(qū)域典型構(gòu)造剖面剖面位置見圖2b。a：地震反射剖面，b：構(gòu)造演化圖，c：主要斷層斷距。Fig.3 Typical structural profile of the northern area of the Pingbei SlopeSee Fig. 2b for location. a: seismic profile; b: tectonic evolution; c: displacement of main fault.

南部區(qū)域發(fā)育以間隔陸傾斷裂及相間古隆起為特征的半地塹和不對(duì)稱地塹（圖4a）。陸傾斷層大多呈鏟狀，下降盤一側(cè)始新統(tǒng)具有顯著的背斜形態(tài)，同時(shí)局部發(fā)育似花狀構(gòu)造。該區(qū)域構(gòu)造演化過程受控于古新世形成并長(zhǎng)期活動(dòng)的陸傾斷裂（圖4b）。始新世時(shí)斷層活動(dòng)性開始逐漸減弱，多數(shù)斷層在早漸新世停止活動(dòng)。區(qū)域內(nèi)海傾斷層活動(dòng)性較弱，局限分布在西緣高帶及東側(cè)，形成時(shí)間晚于陸傾斷層，對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化影響較小。

圖4 平北斜坡帶南部區(qū)域典型構(gòu)造剖面剖面位置見圖2b。a：地震反射剖面，b：構(gòu)造演化圖，c：主要斷層斷距。Fig.4 Typical structural profile of the southern area of the Pingbei SlopeSee Fig. 2b for location. a: seismic profile; b: tectonic evolution; c: displacement of main fault.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 方法原理

離散元方法（Discrete Element method，DEM）通過對(duì)構(gòu)建的彈性顆粒系統(tǒng)施加外力后，應(yīng)用時(shí)間-位移的有限差分法，計(jì)算彈性-摩擦接觸顆粒在牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律下的移動(dòng)。顆粒間的接觸關(guān)系遵循Hertze-Mindlin 接觸準(zhǔn)則[33]。目前，離散元已被廣泛應(yīng)用于巖土與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造變形等研究中[25-26,34]。與基于相似性原理的砂箱物理模擬不同，離散元方法可做到對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單一變量的精確控制和應(yīng)用，通過調(diào)整材料的力學(xué)參數(shù)的方式模擬出與自然界相近的構(gòu)造變形特征[29]。

2.2 模型設(shè)置

本文首先設(shè)置模型1 為初始模型，在此基礎(chǔ)上修改邊界條件，設(shè)置對(duì)比模型（模型2—5），評(píng)估不同因素對(duì)斷層活動(dòng)變化的影響，分析斷層差異演化機(jī)制。

2.2.1 初始模型（模型1）

初始模型設(shè)置參考西湖凹陷平北斜坡帶南部地震反射剖面及其地層序列（圖4），模型設(shè)置見圖5。參考該剖面主要區(qū)域新生代伸展前13 km 的基底地層長(zhǎng)度及伸展過程中最大5 km 生長(zhǎng)斷層埋深，同時(shí)為減小邊界效應(yīng)的影響，模型設(shè)置一套15 km長(zhǎng)、5 km 厚的地層以模擬平北斜坡帶裂谷前的新生代基底。根據(jù)地層超覆關(guān)系，模型設(shè)置同沉積，在模擬古新世至始新世沉積的同時(shí)保持5 km 的地層厚度?；醉斆驿佋O(shè)一層極薄的紅色顆粒將基底與新生代沉積分隔，顆粒性質(zhì)與基底相同。

圖5 離散元數(shù)值模擬的模型邊界條件a：向海方向拉伸，模型1 強(qiáng)基底，模型2 弱基底；b：模型3 強(qiáng)基底，向陸方向拉伸；c：模型4，強(qiáng)基底表面斜坡，右側(cè)地層厚4 km、2 km；d：模型5 強(qiáng)基底，應(yīng)力作用位置向海方向遷移。韌性變形域：紅色，剛性板：藍(lán)色。Fig.5 Marginal conditions setup of the discrete element numerical simulationa: Extending toward the sea: Model 1: strong basemen rock; Model 2: weak basement rock; b: Model 3: strong basement rock extending toward the continent; c: Model 4: strong basement rock with topographic slope, 4 km and 2 km thickness of the stratum in the right; d: Model 5: strong basement rock with stress location migrating toward the sea. Deformed region: red;rigid region: blue.

由于西湖凹陷地處東海陸架地區(qū)，基于地形恢復(fù)，模型兩側(cè)設(shè)置100 m 高差代表陸架斜坡（圖5a），并以此定義海陸方向及斷裂傾向，向右低海拔方向傾斜為海傾，向左高海拔方向傾斜為陸傾。模型底部紅色部分為縱向固定、橫向可自由移動(dòng)的疊合顆粒，通過滑脫面顆粒的自由移動(dòng)使上覆地層變形，這一設(shè)置考慮了西湖凹陷基底韌性伸展的特點(diǎn)[35-36]。

對(duì)離散元法使用的摩擦材料而言，模型運(yùn)行時(shí)間與模型變形結(jié)果相互獨(dú)立。因此，在保證模型運(yùn)行中數(shù)值穩(wěn)定的前提下，速度的設(shè)置完全取決于其便利程度。例如，Morgan[26]設(shè)置2 m/s 的擠壓速度研究推覆褶皺中的變形，而Hardy[37]將速度設(shè)置為0.01 m/s 和0.05 m/s 檢驗(yàn)薄皮和厚皮拉伸。本實(shí)驗(yàn)中，模型單次計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為 50 ms，右側(cè)擋板以0.2 m/s 的速度向右移動(dòng)以模擬新生代的伸展。同時(shí)，伸展階段通過伸展量約束，根據(jù)斜坡帶實(shí)際的伸展量變化，規(guī)定模型0～1.5 km 對(duì)應(yīng)古新世伸展，1.5～2.5 km 對(duì)應(yīng)寶石組沉積期伸展，2.5～2.7 km 對(duì)應(yīng)平湖組沉積期伸展。

模型中顆粒微觀參數(shù)設(shè)置參考Morgan[26]的離散元實(shí)驗(yàn)設(shè)置，重力加速度為9.8 m/s2，顆粒密度設(shè)置為2 500 kg/m3，泊松比為0.2，局部阻尼系數(shù)為0.4，粘聚力設(shè)置為24.4 MPa，內(nèi)摩擦角φ為22.5°，摩擦系數(shù)選取0.3。據(jù)前人研究可知，平北斜坡帶南部基底巖性為花崗巖為主的火成巖，而新生代沉積層巖性為泥巖、砂巖及泥砂互層，參照Morgan[26]和Vora[38]的標(biāo)定設(shè)置了粘結(jié)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 模型粘結(jié)參數(shù)設(shè)置Table 2 The model parameters

2.2.2 對(duì)比模型（模型2—5）

前人研究表明，平北斜坡帶南部和北部所受應(yīng)力方向、基底表面坡度、基底巖性等均可能存在差異[30-32,39-40]。因此，本文設(shè)置4 組對(duì)比模型來研究斜坡帶差異演化的主導(dǎo)因素，模型見圖5。

（1）模型2：平北斜坡帶南北基底性質(zhì)存在根本差異，與南部火成巖基底不同，北部基底為低磁性的變沉積巖[32]。因此，根據(jù)研究區(qū)基底性質(zhì)差異修改了模型粘結(jié)參數(shù)，設(shè)置為低強(qiáng)度基底巖石，參數(shù)設(shè)置見表2。

（2）模型3：伸展方向改變應(yīng)力方向，從而影響區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。西湖凹陷新生代伸展過程中可能存在局部走滑作用[39]，從而改變了斜坡帶南北的應(yīng)力方向。模型3 左側(cè)擋板以0.2 m/s 的速度向左側(cè)拉張以模擬向陸方向伸展對(duì)斷層發(fā)育的影響（圖5b）。

（3） 模型4：平北斜坡帶緊鄰海礁隆起，基底在伸展前可能具有一個(gè)較大的表面坡度[40]。模型4 將右側(cè)高度分別設(shè)置為4 000 m 和2 000 m，以模擬基底伸展前高差1 000 m 和3 000 m 的表面斜坡對(duì)斷層的影響（圖5c）。

（4）模型5：模型拉張過程中，應(yīng)力作用位置始終位于變形區(qū)域右側(cè)。模型5 拉張前變形區(qū)域位于模型左側(cè)，初始長(zhǎng)4 km，此后每拉張1 km，變形區(qū)域總長(zhǎng)度向右增加5 km，以此模擬應(yīng)力作用位置向海方向遷移對(duì)斷層發(fā)育的影響（圖5d）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 初始模型（模型1）：強(qiáng)基底向海伸展

初始模型顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖6 所示。其中變形應(yīng)變的定義參考Morgan[26]的定義，色標(biāo)中的紅色表示順時(shí)針剪切，藍(lán)色表示逆時(shí)針剪切，顏色越深表示剪切越強(qiáng)。

圖6 模型1 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e：構(gòu)造變形；b, d, f：體積應(yīng)變；g：斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.6 Structural deformation and volume strain in Model 1a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

（1） 伸展0～1.5 km：伸展開始后，地層發(fā)生變形。伸展約1 km 時(shí)，陸傾斷層F1、F2 及F2 的調(diào)節(jié)斷層（圖6a）開始發(fā)育。伸展約1.1 km 時(shí)模型兩側(cè)形成陸傾斷層F3 及海傾斷層F4。該時(shí)期斷層活動(dòng)性較強(qiáng)，斷層F1 和F3 分別積累了約1 000 m 的斷距，占各斷層總斷距的60%。斷層F2 積累斷距600 m，占其總斷距的40%（圖6g）。

（2） 伸展1.5～2.5 km：該時(shí)期斷層活動(dòng)性逐漸減弱，斷層F1、F2、F3 分別積累了620、595、520 m 斷距，斷層活動(dòng)速率與前1.5 km 相比，分別下降了約60%、60%、70%。同時(shí)，伸展2 km 時(shí)（圖6c），陸傾斷層F2 頂部開始發(fā)育新調(diào)節(jié)斷層，但該斷層活動(dòng)時(shí)間較短，伸展約2.5 km 時(shí)活動(dòng)停止。

（3）伸展2.5～3 km：所有斷裂活動(dòng)性急劇降低，陸傾斷層F1、F2、F3 幾乎不再活動(dòng)，該階段斷距不超過100 m。

3.2 模型2：弱基底向海伸展

弱基巖強(qiáng)度模型的顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖7 所示。

圖7 模型2 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e：構(gòu)造變形；b, d, f：體積應(yīng)變；g：斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.7 Structural deformation and volume strain in Model 2a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

（1）伸展0～1.5 km：模型伸展約1 km 時(shí)，海傾斷層F1、F2、F3（圖7a）開始發(fā)育。伸展約1.1 km 時(shí)生成斷層F3 的陸傾調(diào)節(jié)斷層F4。該時(shí)期海傾斷層先后產(chǎn)生，快速積累了一段斷距后活動(dòng)性略微衰減。斷層F1、F2、F3 分別積累了560、560、430 m的斷距，超過各斷層總斷距的40%（圖7g）。

（2）伸展1.5～3 km：早期形成的斷層活動(dòng)性減弱。伸展2.5 km 后，斷層F2 和F3 幾乎不再活動(dòng)，而斷層F1 的滑移速率衰減為前1.5 km 的40%。但在該時(shí)期產(chǎn)生了新的海傾斷層F5。此外，部分?jǐn)鄬禹敳慨a(chǎn)生小型陸傾斷層調(diào)節(jié)地層變形（如斷層F1），但活動(dòng)性微弱，且活動(dòng)時(shí)間較短。

3.3 模型3：強(qiáng)基底向陸伸展

向陸伸展模型的顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖8 所示。

圖8 模型3 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e：構(gòu)造變形；b, d, f：體積應(yīng)變；g：斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.8 Structural deformation and volume strain in Model 3a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

（1）伸展0～1.5 km：模型伸展約1～1.1 km 時(shí)先后產(chǎn)生海傾斷層F1、F2 和F3。該時(shí)期斷層F1、F2、F3 分別積累了約600、520、400 m 的斷距（圖8g）。同時(shí)斷層F1、F2 頂部發(fā)育了調(diào)節(jié)斷層，但活動(dòng)性微弱。

（2）伸展1.5～3.0 km：斷層F2、F3 活動(dòng)性幾乎沒有變化，在該時(shí)期累積了700 m 斷距，但斷層F1 活動(dòng)性急劇降低（圖8g），伸展2.5 km 后不再活動(dòng)。

3.4 模型4：強(qiáng)基底表面坡度變化

基底表面坡度變化模型的顆粒變形與應(yīng)變結(jié)果如圖9 所示。

圖9 模型4 構(gòu)造變形與體積應(yīng)變左：構(gòu)造變形，右：體積應(yīng)變。 a-b：高差1 km ，c-d：高差3 km。Fig.9 Structural deformation (left) and volume strain (right) in Model 4Height difference: 1 km (a, b) or 3 km (c, d).

（1）緩坡：模型伸展過程中先后產(chǎn)生了3 條陸傾斷層F1、F2、F3，斷層間隔較大（圖9b）。

（2）陡坡：斷裂區(qū)域局限在模型左側(cè)，陸傾斷層F1、F2、F3 依次產(chǎn)生，斷層間隔較小，斷距較大（圖9d）。

3.5 模型5：強(qiáng)基底應(yīng)力作用位置遷移

應(yīng)力作用位置向海方向遷移模型的顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖10 所示。

圖10 模型5 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e：構(gòu)造變形；b, d, f：體積應(yīng)變；g：斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.10 Structural deformation and volume strain in Model 5a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

（1） 伸展0～1 km：伸展早期，變形區(qū)域集中在模型左側(cè)，依次產(chǎn)生陸傾斷層F1、F2，斷層快速活動(dòng)后活動(dòng)性減弱，該過程中斷層F1、F2 分別累積了1 200、700 km 的斷距。

（2）伸展1～2 km：隨著變形區(qū)域變大，右側(cè)產(chǎn)生了新陸傾斷層F3。同時(shí)，斷層F1 和F2 活動(dòng)性發(fā)生了不同程度的降低，其中左側(cè)斷層F1 滑移速率下降較為明顯，僅累積600 m 斷距。

（3）伸展2～3 km：隨著變形區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，斷層F3 活動(dòng)性幾乎不變，斷層F2 活動(dòng)性降低，該時(shí)期累積500 m 斷距，斷層F1 幾乎不再活動(dòng)（圖10g）。

4 討論

4.1 斷層差異演化形成機(jī)制

大量地質(zhì)調(diào)查、物理模擬和數(shù)值模擬揭示了基底剪切對(duì)斷層幾何形態(tài)的控制[20,41-42]。當(dāng)基底發(fā)生伸展時(shí)，應(yīng)變從應(yīng)力作用位置前端傳遞到整個(gè)模型底部，并從滑脫面?zhèn)鬟f到上覆基巖中。該過程使滑脫面對(duì)上覆基巖產(chǎn)生摩擦并施加反方向剪切。在剪切力偶的作用下，基巖中產(chǎn)生傾向與伸展方向相反的斷層。因此，對(duì)稱伸展將產(chǎn)生地塹和共軛斷層（圖11a）。單向伸展時(shí)，傾向與伸展反方向的多米諾式斷層容納了地層變形（圖11b）。模型1 和模型3 結(jié)果顯示出相似的現(xiàn)象，由于伸展方向改變基底剪切的方向，強(qiáng)度相同的基巖單向伸展時(shí)產(chǎn)生的斷層傾向總與伸展方向相反。

圖11 不同強(qiáng)度地層伸展示意圖[20]a, b：高強(qiáng)度巖石，c：低強(qiáng)度巖石。Fig.11 Extension mode of layers with different strengths [20]a, b: High strength rock; c: low strength rock.

脆性上地殼中，不同覆蓋單元（如花崗巖、頁(yè)巖和砂巖）間的強(qiáng)度差異導(dǎo)致了正斷層幾何特征的變化。通過定義離散元顆粒的粘聚力模擬自然界中巖石宏觀上的變形發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度巖層破裂時(shí)產(chǎn)生離散的斷層，表現(xiàn)出典型的脆性變形；低強(qiáng)度模型變形范圍廣，應(yīng)變分散[25-26]。此外，Abe 等[43]的實(shí)驗(yàn)中主斷層在高粘聚力和低粘聚力時(shí)具有相反的傾向。模型2 得到了類似的結(jié)果，低強(qiáng)度巖石向海伸展時(shí)，模型應(yīng)變分散，深部受基底剪切影響產(chǎn)生陸傾斷層，淺部則為海傾斷裂（圖7f）。其成因與深部韌性變形區(qū)域?qū)\部的剪切有關(guān)。巖石強(qiáng)度較低時(shí)，底部受基底剪切形成了一個(gè)陸傾斷層為主的剪切帶，該區(qū)域影響了淺部巖石的剪切方向，在重力的共同作用下，淺部產(chǎn)生海傾斷層（圖11c）。

研究表明，當(dāng)滑脫面傾角較大時(shí)，傾向與滑脫面坡向相同斷層的形成與基底的剪切作用緊密相關(guān)[41,44]，或受重力作用控制[45]。另一方面，基底表面斜坡對(duì)斷層演化也起類似的作用[20]。表面斜坡引起的剪應(yīng)力變化超過了來自滑脫面剪切的影響。在重力的共同作用下，淺部產(chǎn)生傾向與坡向相同的斷層。模型4 設(shè)置了一個(gè)較大的表面坡度，但斷層傾向仍與坡向相反，同時(shí)，右側(cè)較薄基底亦未產(chǎn)生斷層。該現(xiàn)象可能與基底強(qiáng)度有關(guān)，基底強(qiáng)度較高時(shí)，表面斜坡的作用不明顯，變形仍受滑脫面剪切影響。早期形成的反坡向斷層幾何形態(tài)可能對(duì)后期產(chǎn)生的斷層起限制作用。此外，巖石厚度影響了斷層的產(chǎn)生和滑動(dòng)[46]，右側(cè)較薄的基底不利于新斷層的形成。

在區(qū)域伸展過程中，基底先存斷層、滑脫層等幾何形態(tài)影響了新生斷層的走向和傾向[23,47]。模型5 中，應(yīng)力作用位置向海方向發(fā)生了遷移，從而使基底韌性變形區(qū)域不斷擴(kuò)大，新斷層總是在韌性變形的區(qū)域上方產(chǎn)生（圖10）。應(yīng)力作用位置變化雖然控制了斷層的構(gòu)造遷移，但沒有改變斷層的幾何形態(tài)。

4.2 對(duì)邊緣海盆地的斷層差異演化的啟示

模型結(jié)果顯示，模型1、4、5 以陸傾斷層為主。其中，模型1 設(shè)置了與地層沉積一致的較緩基底斜坡，且基巖性質(zhì)與實(shí)際區(qū)域基底強(qiáng)度較一致。而模型4 基底表面坡度較陡，遠(yuǎn)超斜坡帶伸展前不足2°的起始坡度，同時(shí)斜坡帶尺度的拉張過程較難與模型5 中應(yīng)力作用位置向海方向遷移對(duì)應(yīng)。因此，模型1 與實(shí)際地質(zhì)條件更為相近，與斜坡帶南部具有可比性。模型2、3 以海傾斷層為主，同時(shí)，模型2 較弱的基巖性質(zhì)和模型3 向陸的應(yīng)力方向均符合前人對(duì)斜坡帶邊界條件差異的研究[32,39]。因此，模型2、模型3 均與斜坡帶北部有可比性。

值得注意的是，斜坡帶南部與北部區(qū)域斷陷期均發(fā)育了十幾條斷層，但控制斜坡帶伸展的斷層僅有5 條左右。斜坡帶南部所有斷層斷陷期共累積5 500 m 斷距。其中，陸傾斷層F1、F2、F3、F5 和海傾斷層F4 分布占據(jù)南部區(qū)域主體，各斷層斷距最小480 m，最大1 800 m，分別占所有斷層斷距之和的8%～30%，總計(jì)85%。其他小斷層最大斷距不超過120 m，每條斷層占總量的2%以下。因此，斷層F1—F5 控制了斜坡帶南部構(gòu)造演化。模型1 產(chǎn)生了3 條大型陸傾斷層F1、F2、F3 及海傾斷層F4，相對(duì)于斜坡帶南部，未發(fā)育斷層F5。模型產(chǎn)生的斷層間隔為4 km，略大于實(shí)際剖面中主要斷層從右至左4、3.5、3.5、3 km 的間距。差異原因可能與模型中基底地層顆粒均一、地層強(qiáng)度與實(shí)際難以完全一致有關(guān)。但模擬出的斷層F1—F4 斷陷期分別累積1 710、1 080、1 580、490 m 斷距，與實(shí)際斷層相差90～140 m，斷距基本一致（圖12a）。因此，盡管構(gòu)造特征存在一定差異，模型1 總體反映出斜坡帶南部陸傾斷層控制的構(gòu)造特征。

圖12 斜坡帶與模型斷層斷距對(duì)比a：斜坡帶南部與模型1 斷層，斷層名稱見圖4a；b：斜坡帶北部與模型2 斷層，斷層名稱見圖3a。虛線為模型斷層，實(shí)線為剖面斷層。Fig.12 Comparison between slope belt and fault displacement in Model 1a: Between the southern area and fault displacement in Model 1 (see Fig.4a for names of the faults); b: between the northern area and fault displacement in Model 2 (see Fig.3a for names of the faults). Dotted line: faults in the models; solid line: faults in slope belt.

斜坡帶北部所有斷層斷陷期共累積6 400 m 斷距。其中，海傾斷層F1、F2、F3、F5、F6、F7 和陸傾斷層F4 對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化產(chǎn)生了較大影響，各斷層斷陷期斷距最小570 m，最大1 400 m，分別占所有斷層斷距之和的8%～21%，總計(jì)87%。其余小斷層最大斷距不超過150 m，占比不足3%，對(duì)區(qū)域演化影響不大。模型2 發(fā)育海傾斷層F1、F2、F3、F5 和陸傾斷層F4，未產(chǎn)生海傾斷層F6、F7。模型中斷層間隔2 km，與實(shí)際剖面一致。斷層差異原因可能與模型精度限制，或顆粒性質(zhì)與實(shí)際不完全一致有關(guān)。但模擬出的斷層F1—F5 斷陷期分別累積1 250、1 440、830、600、530 m 斷距，均與實(shí)際斷層斷距相差不到50 m（圖12b）。另一方面，模型3 僅產(chǎn)生3 條主要斷層，斷層間隔約4 km，遠(yuǎn)大于實(shí)際2 km 間隔，斷層較難與實(shí)際對(duì)應(yīng)，其構(gòu)造特征與實(shí)際剖面差別較大。因此，模型2 比模型3 更好地反映出斜坡帶北部海傾斷層控制的構(gòu)造特征。

平北斜坡帶南北構(gòu)造差異明顯，通過模型對(duì)比分析可知，巖性與應(yīng)力方向是控制斜坡帶差異演化的最主要因素。航磁數(shù)據(jù)顯示，平北斜坡帶南部可能為火成巖基底，北部可能為變沉積巖基底[32]。這與模型1、模型2 結(jié)果一致，基底巖性控制了斜坡帶南、北斷層傾向的變化。此外，盡管受太平洋板塊俯沖作用影響，東海陸架盆地伸展過程中，盆地向東遷移[8,48-49]，但東海陸架盆地亦存在走滑拉分[50]，西湖凹陷可能是由區(qū)域性的基底走滑斷層控制[39,51]。斜坡帶張扭式斷層分布指示了該區(qū)域可能存在基底走滑斷裂，古新世時(shí)的左旋走滑賦予了斜坡帶南北相反的應(yīng)力方向。由模型1 與模型3 結(jié)果可知，當(dāng)基底強(qiáng)度相同時(shí)，斜坡帶北部區(qū)域在向陸的應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生海傾斷層。

東海陸架盆地于晚白堊世開始斷陷，上中生界和新生界地層自西向東逐漸增厚，發(fā)育眾多凹陷斜坡。模型4 中，基巖表面斜坡坡度變化并沒有改變新生斷層的傾向，模型仍以陸傾斷層為主（圖9），基底坡度可能不是東海陸架盆地控盆斷層差異演化的主導(dǎo)因素。模型5 中，斷層發(fā)育隨應(yīng)力作用位置向海方向遷移而變化，新斷層在靠近應(yīng)力作用位置產(chǎn)生，且斷層活動(dòng)性在遠(yuǎn)離應(yīng)力作用位置的過程中降低?；诖?，東海陸架盆地的構(gòu)造遷移可能是由伸展過程中應(yīng)力作用位置向海盆移動(dòng)導(dǎo)致的。

由于太平洋板塊俯沖后撤的強(qiáng)烈影響[8]，東海陸架盆地的成盆過程受向海方向的伸展應(yīng)力控制。盆地的基巖性質(zhì)和應(yīng)力方向共同作用產(chǎn)生了以陸傾控盆斷層為主，海傾控盆斷層局部發(fā)育的盆地結(jié)構(gòu)，并造成了區(qū)域盆地?cái)嗔呀M合發(fā)育差異演化。與東海陸架盆地內(nèi)部差異演化類似，南海北緣盆地亦表現(xiàn)差異演化。北部灣盆地和瓊東南盆地緊鄰紅河斷裂，以海傾斷裂為主[6-7]，而珠江口盆地南部早期受陸傾斷層控制[24,52]。其原因可能與成盆過程中，伸展應(yīng)力方向差異有關(guān)。受原南海板塊向婆羅洲方向俯沖的影響，南海北緣在中生代晚期從擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺弓h(huán)境[10，53]。在俯沖拖曳作用的影響下，向海盆的應(yīng)力方向主導(dǎo)了南海北緣早期的斷陷作用。紅河斷裂同時(shí)期走滑運(yùn)動(dòng)[7,52]，賦予了南海北緣西側(cè)盆地幾乎相反的應(yīng)力方向。從模型結(jié)果而言，基巖性質(zhì)與應(yīng)力方向可能是邊緣海盆地差異演化的最主要原因。

邊緣海盆地差異演化過程中，盆地油氣運(yùn)聚亦存在較大差異。平北斜坡帶北部區(qū)域的油氣圈閉數(shù)量多，但規(guī)模小而分散；南部區(qū)域的油氣圈閉數(shù)量少，但圈閉規(guī)模大，儲(chǔ)量高，集中分布在半地塹內(nèi)[27-28,30-31]。一直以來，學(xué)者們從源、通、儲(chǔ)、蓋等多因素分析油氣分布差異原因。前人認(rèn)為，巖石物理性質(zhì)、構(gòu)造作用、斷裂帶特征是影響油氣運(yùn)聚的重要因素[30,54-56]，而斷層差異演化可能是控制油氣分布運(yùn)移的更重要因素。邊緣海盆地?cái)鄬硬町愌莼纬刹煌愋偷呐璧?，這些盆地內(nèi)油氣聚集亦存在較大差異，確定油氣分布顯然需要從盆地發(fā)育類型機(jī)制著手，從控盆因素分析油氣運(yùn)移。巖性與應(yīng)力差異導(dǎo)致平北斜坡帶同時(shí)期油氣的運(yùn)移過程與分布的差異，因此，邊緣海盆地差異演化機(jī)制的研究可能為尋找有利油氣儲(chǔ)層提供借鑒指導(dǎo)。當(dāng)然，這也需要進(jìn)一步研究以深入分析油氣運(yùn)移機(jī)制與盆地差異演化機(jī)制二者的相關(guān)性。

5 結(jié)論

（1）巖石強(qiáng)度與應(yīng)力方向是影響斷層傾向變化的主要因素，高強(qiáng)度巖石破裂產(chǎn)生與伸展方向相反的斷層，低強(qiáng)度巖石破裂產(chǎn)生與伸展方向同向的斷層。相同強(qiáng)度的巖石在相反方向的應(yīng)力影響下，產(chǎn)生的主斷層傾向完全相反?；鶐r表面坡度和應(yīng)力作用位置不是斷層差異演化的主導(dǎo)因素。

（2）中國(guó)東部邊緣海盆地差異演化可能受基底強(qiáng)度和應(yīng)力方向差異控制。平北斜坡帶南部和北部斷層差異演化可能是由基巖強(qiáng)度差異引起的，或是應(yīng)力方向差異導(dǎo)致的。東海陸架盆地的陸傾控盆斷層可能是向海盆的伸展應(yīng)力導(dǎo)致的，而南海陸緣盆地的斷層發(fā)育可能是其基底在不同的應(yīng)力方向共同作用下的結(jié)果。巖性和應(yīng)力方向差異可能導(dǎo)致盆地差異演化，從而影響同時(shí)期油氣運(yùn)聚，但仍需進(jìn)一步研究二者的相關(guān)性。

致謝：本文的數(shù)值計(jì)算是在南京大學(xué)高性能計(jì)算中心的計(jì)算集群上完成的, 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)使用東華理工大學(xué)李長(zhǎng)圣博士研發(fā)的離散元數(shù)值模擬軟件完成。文中采用的應(yīng)變計(jì)算代碼修改自萊斯大學(xué) Julia K Morgan 和 Thomas Fournier 的腳本，在此表示感謝。