渤海灣盆地惠民凹陷臨北地區(qū)帚狀構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

賈紅義，譚明友，韓 波，湯夢靜

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院，山東東營 257022)

構(gòu)造物理模擬是在研究構(gòu)造變形力學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于地質(zhì)構(gòu)造變形研究已有200多年的歷史。作為一種獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法，可以在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)已經(jīng)缺失或不復(fù)存在的含油氣構(gòu)造體系的形成演化過程，追蹤它們形成的動力學(xué)成因機(jī)制，論證油氣分布的有利層段和區(qū)域，是目前研究構(gòu)造變形過程與成因機(jī)制最為有效的手段[1－5］。

渤海灣盆地惠民凹陷臨北地區(qū)緊鄰臨南生油洼陷，劇烈的構(gòu)造運(yùn)動使沙四段以上儲層抬升到洼陷主力生油巖之上，勘探潛力大，目前油氣勘探程度屬中等。多年來勝利油田在該區(qū)投入了大量基礎(chǔ)學(xué)科的研究工作[6－8］，但至今還沒有針對平面揭示的帚狀構(gòu)造模式進(jìn)行過構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，臨北地區(qū)構(gòu)造變形和演化過程的研究仍基于地震剖面解釋和鉆孔資料分析進(jìn)行，大部分地質(zhì)認(rèn)識還處于推斷階段。本文通過對高精度三維地震資料解釋，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究，總結(jié)前人研究成果，對臨南洼陷臨北地區(qū)主要構(gòu)造形成期的構(gòu)造格局和斷裂特征進(jìn)行討論，進(jìn)而開展構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，以期再現(xiàn)帚狀構(gòu)造變形的歷史過程，為構(gòu)造變形的發(fā)育過程和構(gòu)造樣式的建立尋找實(shí)驗(yàn)證據(jù)，最終對該區(qū)油氣的勘探開發(fā)提供一定的指導(dǎo)作用。

1 臨北地質(zhì)構(gòu)造特征

臨北地區(qū)地處惠民凹陷中央隆起帶臨邑斷層?xùn)|部撒開端，發(fā)育多組不同級別的斷層。其中臨邑控洼斷裂深切基底，平面上主干斷裂北西向凸出、北北東向延伸，與其末端發(fā)散的一組近東西向四級斷裂構(gòu)成馬尾狀、羽狀或“卷心菜”狀，整體呈向西收斂、向東撒開右行左階的帚狀斷裂系[9］(圖1)。

臨南洼陷北端的臨北地區(qū)，發(fā)育以北東東向平行展布為主的斷層，其他方向次之。該帶地層斷塊破碎，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜[10］。其中主干斷層形成于古近紀(jì)始新世早期，持續(xù)活動到新近紀(jì)，地震剖面揭示向下斷切至基底。次級斷層南傾，呈西南端收斂、北東端撒開的帚狀;撒開端分支斷層平面上亦呈弧形，皆南傾，斷距以中段最大;自北向南呈平行狀—雁行狀排列，控制了臨邑洼陷沙河街組—東營組地層沉積和滾動構(gòu)造的形成。

1.1 斷裂的剖面發(fā)育特征

在地震剖面上，單個斷層的形態(tài)有板式、鏟式和坡坪式等3種構(gòu)造樣式，板式斷層上下產(chǎn)狀變化不大，規(guī)模較小。該帶斷層的剖面組合形態(tài)有:馬尾狀、羽狀、階梯狀、卷心菜狀、地壘型和“Y”字形、“倒Y”字形等7種組合樣式(圖2)。卷心菜狀(地塹型)由走向大致平行、傾向相反、性質(zhì)相同的多條斷層組成;地壘型則恰好相反;“Y”字形斷層有主干斷層和與其對應(yīng)的上盤低序級斷層組合而成，此種組合形式在研究區(qū)發(fā)育較廣[11－14］。

圖1 渤海灣盆地惠民凹陷古近系構(gòu)造綱要Fig.1 Paleocene tectonic pattern in Huimin Sag，Bohai Bay Basin

圖2 渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷過田306井南北向地震剖面Fig.2 Seismic profile crossing well Tian 306(SN)in Linnan sub-Sag，Huimin Sag，Bohai Bay Basin

1.2 斷裂的平面發(fā)育特征

利用臨北田家高精度三維地震資料進(jìn)行構(gòu)造解釋成圖，地質(zhì)界面構(gòu)造特征反映比較客觀。從臨北斷階帶沙三下頂面(T6)構(gòu)造圖(圖3)上可清楚看出，研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，斷層多而密，斷塊多而小。斷裂的展布具有明顯的方向性，一是發(fā)育控制該帶構(gòu)造格局的近東西向的4條規(guī)模較大的主干斷層(①號斷層、②號斷層、③號斷層和④號斷層)，單個南掉主干斷裂的形態(tài)呈弧形彎曲，即同一條斷層的展布方向沿斷層的走向發(fā)生變化，主干斷裂從南到北延伸距離逐漸增加，呈階梯狀平行分布，致使從南到北斷階帶的面積依次向東延伸擴(kuò)大，地層從南到北節(jié)節(jié)抬升;二是在各個斷階上，各主干斷層派生發(fā)育了近南北向、北北西向、北東向的低序級斷層，延伸短、斷距小，這些眾多的低序級斷層與近東西向主干斷層組合配置，將該帶分隔成50多個墻角式斷塊。平面構(gòu)造圖上顯示，構(gòu)造高部位處于區(qū)塊的西北部，南東端則埋深相對變大，即整體呈南東向低洼、北西向高凸的構(gòu)造景觀，從而形成了東西差異成帶、南北條塊分割、地層南東傾沒的構(gòu)造格局。

1.3 問題提出

上述可見，該帶地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造活動劇烈。反映在該區(qū)勘探上，表現(xiàn)在以往發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要是構(gòu)造、構(gòu)造—巖性油氣藏，且成藏主要受構(gòu)造、巖性的雙重控制，其中斷裂活動的不均衡性影響了油氣富集成藏[15］。

現(xiàn)今所見的地殼表層及地震剖面揭示的結(jié)構(gòu)型式和組合系統(tǒng)是構(gòu)造同時性和歷時性的綜合圖像，構(gòu)造動力作用在特定時期發(fā)生，形成特定的時空結(jié)構(gòu)型式，必將改造前一時期形成的時空構(gòu)造格局，并將地殼切割成一些塊段，使它們或裂離、或會聚、或斜向滑移，改組成大小不等的地殼構(gòu)造基體群。據(jù)此，臨邑帚狀斷裂體系是如何產(chǎn)生的以及主干和分支斷裂形成順序和機(jī)制如何，一直是困擾研究人員的基礎(chǔ)地質(zhì)問題。

定量表征帚狀斷裂的活動性，明確斷裂形成的先后順序，確定后期斷裂與先期斷裂的沿承關(guān)系，理清后期斷裂系統(tǒng)與先期斷裂系統(tǒng)的繼承與改造關(guān)系;反演其產(chǎn)生、發(fā)展、改造、定型的整個形成與疊合過程，對地質(zhì)研究和油田勘探生產(chǎn)意義重大?？陀^、真實(shí)地揭示斷裂帶產(chǎn)生、發(fā)育及活動規(guī)律，是本區(qū)油氣勘探突破的關(guān)鍵。

在對臨邑帚狀斷層系統(tǒng)的形成演化背景和惠民凹陷的構(gòu)造格局研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了此次實(shí)驗(yàn)，試圖再現(xiàn)斷層構(gòu)造的形成過程，揭示帚狀斷層系統(tǒng)形成的力學(xué)機(jī)制和發(fā)育演化，剖析帚狀斷層的構(gòu)造特征。

2 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)

圖3 渤海灣盆地惠民凹陷臨北斷階帶T6構(gòu)造Fig.3 T6structural map of Linbei fault zone in Huimin Sag，Bohai Bay Basin

近年來，由于在選擇實(shí)驗(yàn)材料方面取得的進(jìn)展，使得物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃妥匀辉椭g的比例愈加精確，物理模擬實(shí)驗(yàn)從而被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造變形與演化歷史研究及石油勘探研究領(lǐng)域中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)為油氣勘探研究提供了一個由定性描述跨入半定量分析乃至定量分析的有效途徑。

2.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)遵循的理論及原則

為了使構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)再現(xiàn)構(gòu)造變形過程，提高構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)可靠性，相似理論被應(yīng)用到構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)中來，從而使模擬結(jié)果與自然界真實(shí)的構(gòu)造變形之間能夠互為相似。模型與原型之間的相似性問題是物理模擬的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诙啻蟪潭壬吓c原形具有可比性是模擬實(shí)驗(yàn)成敗的重要判斷依據(jù)，因此相似理論成為構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)，是構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)思想，是提高實(shí)驗(yàn)精度的有效保證[16］。

物理模擬實(shí)驗(yàn)必須遵偱相似理論。一般情況下，應(yīng)從以下幾個方面考慮實(shí)際地質(zhì)條件與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨菩?(1)材料相似;(2)時間相似;(3)組合形式相似;(4)邊界條件相似;(5)受力方式相似;(6)幾何尺寸相似。

由于目前對在高溫、長時間、低應(yīng)變速率的構(gòu)造變形條件下的巖石力學(xué)性質(zhì)了解得還很不夠，相關(guān)的力學(xué)方程中仍有很多不確定的參數(shù)，因此目前對相似條件還無法做到很精確，大部分情況下只能處于半定量狀態(tài)，需要經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)的歸納總結(jié)，最終以模型的構(gòu)造形態(tài)變化達(dá)到與實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象近似為主要判據(jù)。自然界實(shí)際地質(zhì)情況十分復(fù)雜，影響構(gòu)造變形的因素很多，往往無法同時滿足相似性原則，可在實(shí)驗(yàn)中只考慮對構(gòu)造變形影響最大的主控因素進(jìn)行分析，即依據(jù)選擇原則;同時，需要采取分解的原則，即設(shè)計多組實(shí)驗(yàn)，每一組只考慮一個主要因素，固定其他因素，在分解研究各個因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析，以達(dá)到簡化模型設(shè)計的目的;其次，實(shí)驗(yàn)室條件有時只能做到大致相似，可采取逐步逼近原則;最后，物理模擬實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)論是純經(jīng)驗(yàn)的，特別是每個實(shí)驗(yàn)不可能保證條件精確相同，因此需要依據(jù)統(tǒng)計的原則來評價它的可信度與準(zhǔn)確度[17］。

2.2 地質(zhì)模型的建立

模擬區(qū)域根據(jù)研究區(qū)及模具尺寸來確定，本次實(shí)驗(yàn)區(qū)定為臨南洼陷，包括了臨南雙帚狀斷層系統(tǒng)主體。臨南雙帚狀斷層系統(tǒng)是由臨商帚狀斷層和夏口斷層組成的，北部的臨商帚狀斷層為北東東走向，由西收斂、向東撒開，由一系列北東東向的斷層左行雁列組成;南部的夏口帚狀斷層平面上呈向南凸出的弧形，呈北東東向延伸，由東向西撒開，表現(xiàn)為右行斜列狀。

區(qū)域背景設(shè)定為:南抵齊河斷層，為南部邊界;西至黃驊—東明走滑斷層，為西部邊界，作為主走滑斷層;北至中央隆起帶，為一長方形區(qū)域(圖4)。

模擬對象為臨南雙帚狀斷層的形成演化機(jī)制，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段及實(shí)驗(yàn)工藝的限制，在模擬過程中不考慮地層的不均一性。

區(qū)域地質(zhì)資料分析表明，臨南雙帚狀斷層系統(tǒng)是新生代右旋剪切作用的產(chǎn)物，先存斷層的存在必定在斷層處形成地殼中的薄弱帶，從而對后期的變形造成影響，基于這一點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蓄A(yù)置基底走滑斷層。

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料、邊界條件和驅(qū)動力作用方式等，均按照相似理論的原則，根據(jù)臨邑雙帚狀斷裂系統(tǒng)的實(shí)際地質(zhì)背景確定。

由于上地殼大多為脆性物質(zhì)，而天然石英砂是一種用于模擬淺部地殼脆性庫侖行為的很好的模擬物質(zhì)，因此本次實(shí)驗(yàn)中采用天然石英砂混入8%凡士林。為了能夠使剪切力更好地上傳到模型上覆地層，產(chǎn)生整體的右旋剪切力，在地質(zhì)模型的底層加上一層1 mm厚的具有彈性的塑料薄膜，薄膜四周在拉伸階段與活動擋板連接。

時間相似系數(shù)為 2.88 ～3.576Ma/min，即1 min 相當(dāng)于自然界中2.88 ～3.576 Ma。

模型中地層厚度為1cm，實(shí)際地層厚度為8.5 km，其相似比例系數(shù)為1.18×10－6。模擬區(qū)域南北距離約為40 km，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度為26 cm，此方向的相似比例系數(shù)為6.5×10－6。地層在一定垂直作用力下壓實(shí)成層，形成地質(zhì)模型。

圖4 渤海灣盆地惠民凹陷臨邑洼陷雙帚狀斷裂地質(zhì)模型Fig.4 Geological model for Linyi dual brush faults，Huimin Sag，Bohai Bay Basin

本次研究中只涉及到拉伸和剪切作用，因此選用拉剪模具。該實(shí)驗(yàn)?zāi)＞卟捎瞄L、寬、高38 cm×32 cm×8 cm的砂箱拉剪模具。實(shí)驗(yàn)中通過兩側(cè)的平流泵提供拉伸力，通過泵體中的蒸餾水流速控制面板來調(diào)節(jié)流速以達(dá)到調(diào)整拉伸力大小的目的。同時，通過泵體的拉伸作用，可以使模具中的基底走滑斷層產(chǎn)生走滑剪切作用，平流泵的拉伸力大小變化可以間接地控制基底走滑剪切作用的強(qiáng)弱。

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造演化總的背景構(gòu)造應(yīng)力場特征，新生代主要以右旋剪切力為主。實(shí)驗(yàn)中通過平流泵中蒸餾水的流速變化來調(diào)節(jié)施力大小，可以間接控制基底走滑剪切作用的強(qiáng)弱，從而達(dá)到半定量—定量控制。據(jù)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的“逐步逼近原則”，結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定實(shí)驗(yàn)中平流泵的流速采用20 mL/min。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)為均一薄層，由平流泵的單向拉伸使模型整體受右旋剪切作用。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到4.3 min，即相當(dāng)于沙四上沉積期，①號、②號和④號斷層發(fā)育，①號斷層附近的次級小斷層與之呈左行排列，并且可以看出臨北斷階帶發(fā)育的趨勢;②號和④號斷層規(guī)模變大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動性，而③號斷層規(guī)模變化微弱(圖5a)。模擬表明在沙四段沉積期，臨邑斷層、臨北斷階帶開始初具形態(tài)，主要表現(xiàn)為臨邑主干斷層的中、西段開始發(fā)育，呈右旋左行排列，而夏口斷層發(fā)育不明顯，③號斷層即夏口斷層控洼作用較小。

至沙三段沉積期(實(shí)驗(yàn)7～7.7 min)(圖5b)，隨著右旋剪切作用的持續(xù)進(jìn)行，上述斷層持續(xù)活動，規(guī)模變大，2號斷層(即臨邑斷層)靠近①號發(fā)育，斷層規(guī)模變大，①號和2號斷層大致呈帚狀排列;③號斷層繼續(xù)延伸變長，最終演變?yōu)?號斷層，即夏口斷層。模擬表明此期夏口斷層由西向東開始發(fā)育，且臨邑斷層繼續(xù)活動，④號斷層大致對應(yīng)玉皇廟斷層，但其活動較強(qiáng)。模擬表明臨邑、夏口雙帚狀斷層在沙三沉積期形成，此時雁列特征比較明顯，特別是臨邑斷層。夏口斷層附近，由于右旋剪切作用形成一系列次級斷層，走向與夏口斷層近一致。

沙一段—東營組沉積期(實(shí)驗(yàn)10.3～12 min)，夏口斷層繼續(xù)活動，活動較強(qiáng)，規(guī)模變化較大，附近發(fā)育的②號和⑤號斷層也隨著夏口斷層的活動，規(guī)模也繼續(xù)變大，玉皇廟斷層繼續(xù)發(fā)育(圖5c)。

此次實(shí)驗(yàn)?zāi)M效果較好，與地質(zhì)模型比較相似。在整個演化過程中，夏口斷層和臨邑斷層一直在活動，但在沙三段—沙二段沉積期活動最強(qiáng)烈?？偟膩碚f，臨邑斷層的東端和夏口斷層的西端帚狀斷層首先形成，在此基礎(chǔ)上，臨邑斷層向西、夏口斷層向東分別發(fā)育，大致在沙三段—沙二段沉積期活動最劇烈，同時陸續(xù)發(fā)育臨南洼陷內(nèi)次級斷層，從而形成現(xiàn)今臨南洼陷雙帚狀斷層的構(gòu)造格局。

3 結(jié)論

圖5 渤海灣盆地惠民凹陷臨邑洼陷雙帚狀構(gòu)造物理模擬結(jié)果+表示局部相對掀隆帶，位置上處于興隆寺、江家店和瓦屋構(gòu)造帶Fig.5 Physical modeling results of Linyi dual brush structure in Huimin Sag，Bohai Bay Basin

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計要求，在預(yù)置斷層方式和方位、實(shí)驗(yàn)材料等略有變化的情況下進(jìn)行了多次構(gòu)造物理模擬，最終實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退蟮碾p帚狀構(gòu)造、洼陷及洼陷內(nèi)較大的次級斷層等發(fā)育演化特征都獲得再現(xiàn)。因此可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)半定量—定量地模擬了雙帚狀斷裂系統(tǒng)的發(fā)展演化過程?；镜刭|(zhì)結(jié)論如下:

1)臨南洼陷新生代2條控洼斷層在平面上主要表現(xiàn)為帚狀，在剖面上構(gòu)成地塹樣式，雙帚狀斷裂在力學(xué)機(jī)制上主要受控于新生代右旋走滑作用;

2)新生代雙帚狀斷裂主要活動時間為古近紀(jì)，且從沙四上亞段沉積期、沙三段—沙二段沉積期至沙一段—東營組沉積期，呈現(xiàn)弱—強(qiáng)—較強(qiáng)的活動變化規(guī)律;

3)在生長發(fā)育序列上，臨邑主干斷層由東向西、分支斷裂由北至南發(fā)育，活動強(qiáng)度西強(qiáng)東弱;與此相對應(yīng)，夏口主干斷層自西向東發(fā)育，向東活動性逐漸增強(qiáng)。

物理模擬存在的缺陷:

1)重力在大規(guī)模的構(gòu)造變形過程中起到極其重要的作用，因此，構(gòu)造物理模擬不能不考慮到重力的影響[18］，而本次實(shí)驗(yàn)缺少考慮重力因素的作用;

2)該模擬單純考慮地質(zhì)構(gòu)造因素，且實(shí)驗(yàn)材料與自然界實(shí)際地質(zhì)組構(gòu)間存在一定的差距。地質(zhì)作用過程應(yīng)該是塑性、粘彈性和剛性變化交替的過程。限于實(shí)驗(yàn)條件，在此方面缺乏考慮，還需進(jìn)一步完善改進(jìn);

3)構(gòu)造與流體作用過程及對油氣影響[19－22］，沒有體現(xiàn)出來。下一步實(shí)驗(yàn)可綜合構(gòu)造變遷、流體及油氣充注全方位實(shí)施。

致謝:物理模擬得到中國石油大學(xué)(華東)李理教授和她的學(xué)生及惠民研究室同仁的大力支持，謹(jǐn)此表示誠摯的謝意!

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