任健，呂丁友，陳興鵬，劉朋波，官大勇，蘇凱，張宏國(guó)

（1.中海石油（中國(guó)）天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

“斜向拉伸”構(gòu)造形成機(jī)制最早由Withjack以及Mckenzie等人在研究多期伸展裂谷盆地時(shí)提出[1-2]，主要用來(lái)描述裂谷盆地邊界與伸展方向不垂直相交時(shí)的構(gòu)造發(fā)育模式。后續(xù)不同學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于斜向裂谷拉伸的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m然設(shè)置不完全相同，有剛性和塑性基底之分，有單次拉伸、多次拉伸之分，但均反映了盆地邊界尺度的基底先存斷裂斜向拉伸情況，記錄并描述了盆地邊界以及內(nèi)部構(gòu)造的發(fā)育情況[3-9]。Tron、Clifton以及Bonini等人的模擬實(shí)驗(yàn)均顯示，先存裂谷邊界斷裂與晚期拉伸角度在45°左右可能是正斷層發(fā)育與斜向滑移、走滑斷層發(fā)育的重要分界點(diǎn)，大于45°主要發(fā)育正斷層和少量斜滑斷層，小于45°則可能發(fā)育走滑斷層和斜滑斷層[3-4,6]；McClay、Bechis等人也通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)不同斜向拉伸角度的裂谷盆地發(fā)育過(guò)程中的調(diào)節(jié)區(qū)或者轉(zhuǎn)換帶的構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行了分析[7-9]。另外，盆地內(nèi)部的先存構(gòu)造斜向拉伸也是斜向拉伸模式的重要組成部分，這種模式與前文提到的盆地邊界尺度的斜向裂谷模式在成因機(jī)理類似，但更強(qiáng)調(diào)盆地內(nèi)部更小尺度的先存薄弱帶在不同期拉伸情況下斷裂復(fù)活可能性與復(fù)活后的構(gòu)造發(fā)育情況。Morley等[10-12]進(jìn)行過(guò)大量關(guān)于盆地內(nèi)部先存薄弱帶晚期斜向拉伸的研究，對(duì)其構(gòu)造樣式進(jìn)行了詳細(xì)論證并與純伸展、純走滑等作用形成的構(gòu)造樣式進(jìn)行對(duì)比；童亨茂等[13-14]將先存構(gòu)造的斜向拉伸表述為“不協(xié)調(diào)伸展”，從先存構(gòu)造的選擇性復(fù)活應(yīng)力機(jī)制角度進(jìn)行了論證。關(guān)于先存薄弱構(gòu)造斜向拉伸的構(gòu)造物理模擬更多強(qiáng)調(diào)多期伸展過(guò)程中盆地內(nèi)部先存斷裂的晚期活動(dòng)情況[14-16]，這些實(shí)驗(yàn)集中分析早期伸展產(chǎn)生的先存構(gòu)造薄弱帶對(duì)晚期伸展構(gòu)造發(fā)育的影響。

先存構(gòu)造斜向拉伸背景下發(fā)育的應(yīng)力模式并非簡(jiǎn)單的純剪切模型，其斷層發(fā)育與經(jīng)典的Anderson模式并不完全相同，斜向拉伸的應(yīng)力發(fā)育是復(fù)雜化的剪切應(yīng)力模式。先存構(gòu)造的存在使后期施加的宏觀純剪切性質(zhì)的三軸應(yīng)力發(fā)生空間方向和大小的變化，從而在先存構(gòu)造區(qū)附近產(chǎn)生純剪切和簡(jiǎn)單剪切復(fù)合發(fā)育的應(yīng)力狀態(tài)，這也解釋了隨著先存斷裂走向與晚期斜向拉伸方向夾角的增大，構(gòu)造樣式由純剪切的伸展構(gòu)造樣式向簡(jiǎn)單剪切的走滑構(gòu)造樣式過(guò)渡[3-5,16-17]的物理模擬結(jié)果，而且因?yàn)橄却鏀嗔言谛毕蚶斓倪^(guò)程中必然產(chǎn)生斜向滑移效果[4,10,16-18]，導(dǎo)致了不同走向角度復(fù)活的斷裂具有不同大小的走滑-伸展相對(duì)分量。

盡管斜向拉伸形成機(jī)制方面的研究已經(jīng)相對(duì)深入和成熟，但是對(duì)于盆地內(nèi)部斜向拉伸構(gòu)造的斷裂活動(dòng)規(guī)律方面研究相對(duì)較少，對(duì)其石油地質(zhì)意義更是鮮有提及。本文通過(guò)對(duì)渤海海域東部地區(qū)的構(gòu)造樣式進(jìn)行解剖并對(duì)斷裂活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其先存構(gòu)造斜向拉伸作用發(fā)育特征及成因，對(duì)比實(shí)鉆井油氣顯示情況，明確斜向拉伸作用對(duì)油氣富集的控制。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)所在的渤海灣盆地為發(fā)育在華北克拉通之上的陸內(nèi)裂陷-坳陷盆地[19-20]。晚中生代至古近紀(jì)，大規(guī)模的地幔上涌和巖石圈減薄形成的引張作用使渤海灣盆地發(fā)生主動(dòng)裂陷作用[21-22]，同時(shí)疊加有太平洋板塊俯沖和印度洋板塊與亞歐板塊碰撞造成的郯廬斷裂帶走滑作用[23-25]，形成了走滑-拉張雙動(dòng)力模式的復(fù)合效應(yīng)。古近紀(jì)的主動(dòng)裂陷作用使渤海灣盆地不同構(gòu)造位置形成不同走向的拉張斷層[26]，疊加的走滑作用也在郯廬斷裂帶附近產(chǎn)生了方向各異的派生斷層。總體而言，渤海灣盆地在古近紀(jì)發(fā)育有走向不同、數(shù)量眾多的先存斷裂體系，這一點(diǎn)在被郯廬斷裂帶貫穿的研究區(qū)顯得尤為明顯。新近紀(jì)，渤海灣盆地進(jìn)入裂后熱沉降階段[27]，關(guān)于該時(shí)期渤海灣盆地的應(yīng)力發(fā)育模式并無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，有研究認(rèn)為近東西向水平擠壓造成了郯廬斷裂壓扭性右旋走滑[28-30]；也有學(xué)者認(rèn)為該時(shí)期日本海的弧后擴(kuò)張[31-32]或太平洋板塊的海溝向洋后退[33]引起了近南北向的拉張作用，而東西向擠壓作用只在第四紀(jì)以來(lái)發(fā)生[34]。

研究區(qū)位于渤海灣盆地海域部分的東部，包括渤東低凸起南段、渤東凹陷以及部分渤中凹陷等構(gòu)造單元（見(jiàn)圖1）。郯廬走滑斷裂帶呈北北東向縱貫研究區(qū)，古近紀(jì)的走滑及其派生作用產(chǎn)生了走向多變的斷裂，渤東低凸起南段的西側(cè)邊界斷裂呈北東向，東側(cè)邊界斷裂呈北北東向，兩者在凸起北緣發(fā)生交匯，共同控制了渤東低凸起南段兩側(cè)凹陷古近系的沉積作用（見(jiàn)圖1a）。在淺層新近系，大量斷裂走向呈北東東向展布，部分凸起邊界斷裂呈北東向繼續(xù)發(fā)育，但對(duì)沉積的控制作用已經(jīng)不明顯；在邊界斷裂末端，斷裂“甩尾”現(xiàn)象明顯，發(fā)育弧形斷層，其斷層走向由北向南逐漸轉(zhuǎn)變，由北東向轉(zhuǎn)為北東東向（見(jiàn)圖1b）。相比古近紀(jì)，新近紀(jì)明顯發(fā)生了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)變?？傮w來(lái)看，渤東地區(qū)古近紀(jì)發(fā)育有走向多變、數(shù)量眾多的先存斷裂，同時(shí)晚期新近紀(jì)發(fā)生了明顯的應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變，這兩個(gè)條件為新近紀(jì)斜向拉伸構(gòu)造的發(fā)育提供了條件。

研究區(qū)新生界沉積較全，從下至上發(fā)育有古近系的沙河街組、東營(yíng)組（一段—三段）以及新近系的館陶組（下段+上段）、明化鎮(zhèn)組（下段+上段）和第四系的平原組。新近紀(jì)該區(qū)域由于鄰近渤中坳陷沉積沉降中心，沉積厚度較大，將近4 000 m；近年來(lái)，該區(qū)域在新近系相繼發(fā)現(xiàn)多個(gè)大中型油田，展現(xiàn)了巨大的石油勘探潛力[35-36]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及斷裂體系

2 研究區(qū)先存構(gòu)造斜向拉伸作用證據(jù)及特征

2.1 構(gòu)造樣式

根據(jù)構(gòu)造樣式的差異可以將研究區(qū)劃為北、中、南3個(gè)分區(qū)。北區(qū)（見(jiàn)圖2a）的渤東低凸起東支斷裂（F1）東傾，與西傾的西支斷裂（F2）共同控制低凸起壘塊的發(fā)育；南區(qū)（見(jiàn)圖2c）則位于渤東低凸起南段的南傾末端，西支斷裂仍連續(xù)發(fā)育，而東傾的東支斷裂在新近紀(jì)對(duì)低凸起發(fā)育的控制作用已經(jīng)不明顯，另一條西傾斷裂（F3）變?yōu)橥蛊饢|支的主要斷層；東支的東傾斷裂與西傾斷裂的轉(zhuǎn)換位置為中區(qū)（見(jiàn)圖2b），具有東傾斷裂在新近紀(jì)活動(dòng)減弱，而西傾斷裂新近紀(jì)活動(dòng)增強(qiáng)，兩組斷裂在此交匯的特點(diǎn)。

2.1.1 斷裂類型及展布特征

按照斷裂活動(dòng)類型，研究區(qū)斷裂可分為早期消亡型、晚期新生型和繼承發(fā)育型。早期消亡型是指斷裂在古近紀(jì)活動(dòng)，但在新近紀(jì)停止活動(dòng)，斷裂最多向上切穿至東營(yíng)組二段下亞段，如F4、F5、F6斷裂（見(jiàn)圖2），多發(fā)育在凸起邊界或者渤東、渤中兩個(gè)凹陷內(nèi)部，斷裂走向?yàn)楸北睎|或近北南向，且斷裂的橫向連續(xù)性好，基本貫穿北、中、南三區(qū)；晚期新生型是指新近紀(jì)才開始發(fā)育的斷裂，斷距垂向上中間大，兩頭小，或者上大下小，最多向下切穿至東營(yíng)組三段（見(jiàn)圖2），如F7、F8斷裂，多發(fā)育在凹陷內(nèi)部和凸起邊界，斷裂走向呈北東東向或近東西向，在北、中、南三區(qū)廣泛分布，平面組合呈“雁列”型；繼承發(fā)育型在古近紀(jì)至新近紀(jì)持續(xù)發(fā)育，斷裂在垂向上基本貫穿整個(gè)新生界，如F1、F2、F3斷裂（見(jiàn)圖2），多發(fā)育在凸起邊界，斷裂走向多呈北東向，包括渤東低凸起西支斷裂以及南區(qū)和北區(qū)的凸起東支斷裂，在繼承性發(fā)育斷層端部通常有新生斷層與其搭接，組成平面弧形斷層（見(jiàn)圖1b）。

2.1.2 斷裂特征

在剖面上（見(jiàn)圖2），早期消亡斷層大多較為陡直，傾角較大，部分早期斷層之間有一定的搭接和組合關(guān)系；晚期新生斷層則常呈掀斜斷塊、塹壘構(gòu)造以及對(duì)傾的“無(wú)根花”狀等伸展構(gòu)造樣式；繼承發(fā)育型斷層通常持續(xù)控制凸起發(fā)育，作為主枝與旁側(cè)的新生型次級(jí)斷層相搭接，組成“似花狀”構(gòu)造、多級(jí)“Y”字型等走滑-伸展或伸展構(gòu)造樣式。對(duì)剖面構(gòu)造樣式研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)大量發(fā)育的弧形斷裂實(shí)際上由兩部分構(gòu)成（見(jiàn)圖3）：北東向分段斷裂為繼承性發(fā)育斷裂，而北東東向的部分則向下切穿層位較淺，為晚期斷裂，如F1斷裂。

在不同位置，古近系斷層對(duì)新近系變形的控制作用有明顯差異：在凹陷區(qū)域，先存斷層基本未直接影響新近系變形，掀斜、翹傾、牽引和逆牽引等新近系變形主要受到新生斷層影響；而在凸起邊界區(qū)域，古近紀(jì)斷層在新近紀(jì)選擇性復(fù)活，控制凸起邊界新近系的變形，大量的牽引、逆牽引以及復(fù)雜斷塊發(fā)育，為后期油氣聚集提供了構(gòu)造圈閉。通過(guò)大量對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，控制古近紀(jì)斷層是否復(fù)活的因素并非斷層規(guī)模（如F4、F5、F6斷裂規(guī)模較大），也并非斷層的傾向（如F1、F3斷裂傾向不同），而是早期斷裂的走向，這一點(diǎn)將在后文進(jìn)行探討。

圖2 渤東地區(qū)構(gòu)造剖面特征（剖面位置見(jiàn)圖1）

2.1.3 新近紀(jì)斷裂發(fā)育機(jī)理

對(duì)研究區(qū)構(gòu)造樣式的解剖表明，其新近紀(jì)構(gòu)造發(fā)育情況符合于先存斷裂受到晚期近南北向斜向拉伸的結(jié)果。在古近系先存斷裂斜向拉伸的過(guò)程中，盆地邊界新生斷裂易受到邊界先存斷裂的影響，斷裂走向逐漸趨近于與繼承性斷裂走向一致，并形成“雁列”狀斷層組合，而在繼承性斷裂端部，則可以發(fā)生繼承性斷裂與新生斷裂的生長(zhǎng)結(jié)合，由于新生斷層和繼承性斷層走向不同，形成平面上走向漸變的弧形斷層，這兩個(gè)特征在McClay等人的物理模擬實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證[7-8]。在受到邊界斷裂影響較小的盆地中心（渤東凹陷、渤中凹陷）位置，新生斷裂走向則更加偏向于與實(shí)際的拉伸方向垂直，但仍受到凹陷邊界整體走向的影響[1,15]，斷裂組合也呈“雁列”狀。先存構(gòu)造在斜向拉伸過(guò)程中，通常會(huì)選擇性復(fù)活，根據(jù)“不協(xié)調(diào)伸展”準(zhǔn)則[13-14]，斷裂走向與拉伸方向夾角過(guò)小，或者斷裂在垂向上的傾角過(guò)大或過(guò)?。ň唧w數(shù)值取決于區(qū)域主應(yīng)力大小以及巖層內(nèi)摩擦系數(shù)），都較難以在斜向拉伸過(guò)程中復(fù)活，這也解釋了傾角較大的近南北向或北北東向斷層沒(méi)有在淺層繼續(xù)發(fā)育的原因。在剖面上，研究區(qū)的凸起邊界斷裂表現(xiàn)為以繼承性發(fā)育斷層為主枝而新生斷層呈正向或反向與其搭接的特點(diǎn)，這種“似花狀”構(gòu)造樣式是先存斷裂的斜向滑移的結(jié)果[18]，而盆地內(nèi)部受先存構(gòu)造影響較小區(qū)域，則發(fā)育伸展構(gòu)造樣式，這些構(gòu)造樣式發(fā)育特點(diǎn)是斜向拉伸作用的重要表現(xiàn)。

2.2 斷裂活動(dòng)性及活動(dòng)分量

研究區(qū)靜態(tài)構(gòu)造樣式分析符合于古近紀(jì)先存斷裂在新近紀(jì)斜向拉伸的結(jié)果，筆者進(jìn)而利用斷層的大量動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律統(tǒng)計(jì)，對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步求證。

2.2.1 斷裂活動(dòng)性分析

本文使用斷層垂向活動(dòng)性統(tǒng)計(jì)方法，得到了研究區(qū)不同時(shí)期的活動(dòng)斷裂，將其制作成古近紀(jì)（沙河街組沉積期）和新近紀(jì)（明化鎮(zhèn)組沉積期）的活動(dòng)斷裂圖，用以展示不同時(shí)期的斷裂活動(dòng)情況（見(jiàn)圖4）。結(jié)果顯示，古近紀(jì)活動(dòng)斷裂主要為北北東向至近南北向以及北東向斷裂（見(jiàn)圖4a），這一點(diǎn)與渤海海域古近紀(jì)的整體活動(dòng)規(guī)律相符。古近紀(jì)，北北東向郯廬斷裂右旋走滑派生北東向斷層[37-38]，同時(shí)疊加有裂陷作用，主斷裂垂向活動(dòng)速率較大（見(jiàn)圖4a中的活動(dòng)速率統(tǒng)計(jì)），起到控凹作用，其結(jié)果是走向各異、數(shù)量眾多的先存斷裂得以形成，為新近紀(jì)斜向拉伸作用的發(fā)生提供了條件。新近紀(jì)的活動(dòng)斷裂則主要呈北東向、北東東向，北東向斷層多為繼承性發(fā)育，北東東向多為新生斷層，而且北東東向斷層的活動(dòng)速率要明顯高于其他走向斷層，這一點(diǎn)在走向變化的弧形斷層中對(duì)比更加明顯（見(jiàn)圖4b中F1、F2、F3）：由北東東向分段和北東向分段組成的弧形斷層明顯具有北東東向分段位置比北東向分段位置垂向活動(dòng)性更高的特征（見(jiàn)圖4b中的活動(dòng)速率統(tǒng)計(jì)）。

2.2.2 斷裂活動(dòng)規(guī)律統(tǒng)計(jì)

大量的實(shí)例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，成熟正斷層的垂向位移量與斷層平面延伸長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系[39-43]，而成熟的走滑斷層則通常兩盤發(fā)生平移，斷層平面長(zhǎng)度可以延伸較長(zhǎng)距離，但不會(huì)產(chǎn)生明顯的垂向位移量[44]?；谶@一原理，斜向滑移斷層的垂向位移和平面延伸長(zhǎng)度之間的關(guān)系應(yīng)該是介于正斷層和走滑斷層之間，兩者比值小于正斷層而大于走滑斷層，具有的走滑分量越大，則兩者比值越小，具有的拉張分量越大，則兩者的比值越高。利用這種方法可以判斷斷層的走滑-拉張相對(duì)比例，對(duì)研究區(qū)不同走向的新近紀(jì)活動(dòng)斷裂的平均垂向位移量與平面延伸長(zhǎng)度的比值即單位延伸長(zhǎng)度垂向位移量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與常規(guī)的斷裂數(shù)量走向玫瑰花圖進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖5a、圖5b）?？梢园l(fā)現(xiàn)，新近紀(jì)活動(dòng)斷裂數(shù)量走向玫瑰花圖呈雙峰狀態(tài)，表明斷裂主要走向?yàn)楸睎|東向和北東向兩個(gè)方向，而活動(dòng)斷裂的單位延伸長(zhǎng)度垂向位移量玫瑰花圖則呈單峰狀態(tài)，北東東向斷裂具有最大的拉伸分量，并且向著與其垂直的北北西方向拉伸分量遞進(jìn)減少，走滑分量遞進(jìn)增強(qiáng)。這也表明，北東向斷裂雖在新近紀(jì)繼承性發(fā)育，但是無(wú)論繼承性斷裂還是新生斷裂均符合同一個(gè)總體規(guī)律：隨著斷層走向與拉張方向夾角變小，走滑分量逐漸增強(qiáng)，拉張分量逐漸減弱。

圖3 渤東地區(qū)新近系斷裂體系圖

圖4 渤東地區(qū)活動(dòng)斷裂分布圖

圖5 渤東地區(qū)活動(dòng)斷裂活動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)

本文也統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)古近紀(jì)活動(dòng)斷裂的走向以及單位延伸長(zhǎng)度垂向位移量，用以與新近紀(jì)活動(dòng)斷層對(duì)比（見(jiàn)圖5c、圖5d）?？梢园l(fā)現(xiàn)，古近紀(jì)的活動(dòng)斷裂走向在南北向至東西向之間的較大范圍內(nèi)展布，同時(shí)，拉張-走滑相對(duì)分量的變化規(guī)律也不如新近紀(jì)明顯，北北東向斷層的拉張分量最高。這表明研究區(qū)古近紀(jì)的裂陷作用以南東東—北西西向的區(qū)域引張為主[26]，同時(shí)疊加有北北東向的走滑派生伸展作用，對(duì)整體的斷裂走向及活動(dòng)規(guī)律性具有一定的擾動(dòng)，這與新近紀(jì)斷裂活動(dòng)規(guī)律明顯不同。

通過(guò)對(duì)古近紀(jì)先存斷裂的新近紀(jì)復(fù)活概率（即各個(gè)方向的新近紀(jì)繼承性發(fā)育斷層與對(duì)應(yīng)方向的古近紀(jì)活動(dòng)斷層比值）統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖6）發(fā)現(xiàn)，不同走向先存斷裂在斜向拉伸時(shí)復(fù)活能力不同，走向與晚期拉張方向接近垂直的北東東向斷層復(fù)活概率最高，但先存斷裂數(shù)量并不占優(yōu)勢(shì)，而先存斷裂數(shù)量更多的北北東向（近南北向）斷層（見(jiàn)圖5c），復(fù)活概率卻并不高。因而，在北東東向和北北東向之間的北東向先存斷層盡管復(fù)活概率處于兩者之間，卻因?yàn)橄却娴臄?shù)量?jī)?yōu)勢(shì)成為主要的繼承性發(fā)育斷裂，成為晚期活動(dòng)的走向“雙峰”之一（見(jiàn)圖5a），另一峰則為北東東向新生斷層。

圖6 古近紀(jì)先存斷裂新近紀(jì)復(fù)活概率統(tǒng)計(jì)

2.2.3 斜向拉伸構(gòu)造形成機(jī)制

綜合上述動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律統(tǒng)計(jì)，渤東地區(qū)新近紀(jì)受到近南北向斜向拉伸作用的觀點(diǎn)得到進(jìn)一步證實(shí)。當(dāng)在一定走向范圍內(nèi)的古近紀(jì)活動(dòng)斷裂在新近紀(jì)遭受近南北向斜向拉伸作用繼承性發(fā)育時(shí)，先存斷裂與近南北向拉伸方向的夾角越大，斷裂的伸展分量越強(qiáng)；反之，則走滑分量增強(qiáng)。當(dāng)近南北向拉伸直接作用于未受先存斷裂影響的淺層之時(shí)，形成北東東向至近東西向新生斷層，斷層性質(zhì)以伸展為主，垂向活動(dòng)性大。其形成機(jī)制如圖7所示。

圖7 先存斷裂斜向拉伸走滑-伸展應(yīng)力配比原理示意圖

2.3 構(gòu)造物理模擬

關(guān)于先存斷裂斜向拉伸的構(gòu)造物理模擬，已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。不同角度的先存斷裂在斜向拉伸作用下會(huì)產(chǎn)生不同的斷裂形態(tài)，盡管不同實(shí)驗(yàn)中的基底設(shè)置有所差異，但總體來(lái)說(shuō)，具有以下特點(diǎn)：①當(dāng)先存邊界斷裂走向與晚期拉伸方向夾角大于45°左右時(shí)，新生斷層主要形成正斷層或者以傾向滑移分量為主，主要的斷層走向處于與伸展方向垂直的方向和先存邊界斷裂的方向之間的某一方向[1,15]；如果先存邊界斷裂走向與晚期拉伸方向夾角小于45°左右時(shí)，則除了傾向滑移斷層，斜向滑移斷層和走滑斷層等走滑分量占主導(dǎo)的新生斷層開始出現(xiàn)，但是可能分化為兩個(gè)主要走向[3-4]。②對(duì)于復(fù)活的先存斷裂而言，隨著先存斷裂走向與晚期拉伸方向的夾角減小，斷裂的斜向滑移效果明顯增強(qiáng)，逐漸與走滑斷層構(gòu)造樣式一致[6,17]。③實(shí)驗(yàn)的剖面特征顯示，持續(xù)發(fā)育的先存斷裂主枝常與附近的新生斷裂交匯，形成“似花狀”構(gòu)造或者多級(jí)“Y”字型等構(gòu)造[5,17]。

本文則根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際斷裂發(fā)育情況，設(shè)計(jì)了特定的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖8），用以模擬渤東低凸起南段和東側(cè)的渤東凹陷的構(gòu)造發(fā)育情況，其原理與上述實(shí)驗(yàn)類似，只是更加符合于研究區(qū)實(shí)際先存構(gòu)造展布情況。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)（華東）構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室完成，該裝置可在二維平面內(nèi)疊加配比內(nèi)不同性質(zhì)、不同期次應(yīng)力作用并觀察其對(duì)沙箱作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置為研究區(qū)簡(jiǎn)化的古近系先存構(gòu)造模型，由硬質(zhì)泡沫模擬凸起部位，用軟橡膠模擬凹陷部位，硬質(zhì)泡沫和軟橡膠的交界位置模擬古近紀(jì)活動(dòng)近南北向走滑斷層，同時(shí)鋪設(shè)有泡沫條模擬走滑派生作用產(chǎn)生的北東向“先存斷裂”。為了更清楚的展現(xiàn)斷裂的開啟和封閉效果，實(shí)驗(yàn)用濕黏土作為實(shí)驗(yàn)材料，這種材料與松散石英砂一樣，也被大量構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)使用[38,45]。將3 cm厚的濕黏土平鋪于底部材料之上（約相當(dāng)于3 km的地層深度），驅(qū)動(dòng)馬達(dá)對(duì)兩盤進(jìn)行南北向的勻速拉伸，速度為10 cm/h，實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行多次，保證其可重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)基底設(shè)置如圖8a所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的3個(gè)階段如圖8b—圖8d所示。

實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果（見(jiàn)圖8d）與渤東低凸起和東側(cè)渤東凹陷的新近系下部實(shí)際的構(gòu)造發(fā)育情況（見(jiàn)圖3a）一致：“凹陷”位置塑性層發(fā)育，斷裂數(shù)量多，走向與拉伸方向近于垂直，且為新生斷裂；“凸起”位置為剛性基底，受到拉伸的情況下形變量很小，斷裂數(shù)量少；鋪設(shè)的泡沫條“先存斷裂”發(fā)生部分復(fù)活，形成“繼承性發(fā)育的斷裂”，且“繼承性發(fā)育斷裂”與凸起和凹陷部位的晚期新生斷層生長(zhǎng)結(jié)合，形成弧形斷裂彎曲，整體斷裂走向?yàn)椤癝”形。而模擬近南北向先存斷裂的泡沫和軟橡膠交界處則復(fù)活時(shí)間較晚，明顯晚于北東向先存斷裂。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)研究區(qū)斷裂體系的模擬是驗(yàn)證新近紀(jì)斷裂體系為斜向拉伸結(jié)果的有力證據(jù)。

圖8 渤東地區(qū)斜向拉伸構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

3 關(guān)于渤海斜向拉伸作用與壓扭走滑作用的探討

渤海新近紀(jì)的構(gòu)造背景包括東西向擠壓導(dǎo)致的壓扭性的右旋走滑[28-30]以及近南北向拉伸兩種觀點(diǎn)[31-34]，前者的動(dòng)力機(jī)制主要是由于渤海灣地區(qū)對(duì)太平洋板塊活動(dòng)的響應(yīng)[46-47]，而后者的動(dòng)力機(jī)制則主要來(lái)自于日本海的弧后擴(kuò)張[31-32,34]或太平洋板塊的海溝向洋后退作用[33-34]。盡管本文對(duì)渤海新近紀(jì)的構(gòu)造動(dòng)力機(jī)制或動(dòng)力源不作重點(diǎn)討論，但本文展示的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)構(gòu)造特征以及物理模擬證據(jù)支持后一種觀點(diǎn)。正是因?yàn)樾陆o(jì)持續(xù)的近南北向拉伸作用導(dǎo)致晚中生代—古近紀(jì)產(chǎn)生的大量先存斷層部分復(fù)活并遭受斜向拉伸作用。

Morley等人[10,12]已經(jīng)進(jìn)行過(guò)關(guān)于斜向拉伸作用、純走滑作用以及正向拉伸作用區(qū)別的探討。因?yàn)檫@些構(gòu)造作用都能形成“Z”字型、“雁列”型、側(cè)接型、弧形等相似的斷裂構(gòu)造樣式，所以無(wú)法通過(guò)該類構(gòu)造樣式來(lái)區(qū)分上述3種運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制，但可以通過(guò)其他相關(guān)構(gòu)造樣式的對(duì)比來(lái)解決這一問(wèn)題。本文則主要針對(duì)在渤海被混淆的斜向拉伸作用和壓扭走滑作用的區(qū)別進(jìn)行一些探討。

右旋壓扭走滑和斜向拉伸作用有著本質(zhì)的區(qū)別，從宏觀變形機(jī)制角度來(lái)看，前者是簡(jiǎn)單剪切（非共軸）變形，后者以純剪切（共軸）變形為主（拉伸角度不同以及局部應(yīng)力擾動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生局部簡(jiǎn)單剪切變形[9,12]）。筆者認(rèn)為，渤海新近系構(gòu)造變形并非源于壓扭走滑作用而是來(lái)自古近系先存構(gòu)造的斜向伸展作用，主要是基于渤海如下幾個(gè)重要的構(gòu)造特征：①壓扭性走滑作用產(chǎn)生的R剪切、P剪切以及褶皺和逆斷層等伴生斷層并未在渤海出現(xiàn)，也并沒(méi)有其他標(biāo)準(zhǔn)的壓性走滑派生構(gòu)造，只有大量正斷層發(fā)育（見(jiàn)圖2）；②渤海晚期北東東以及近東西向斷層在整個(gè)渤海海域大面積分布[25,34]，且并非只在郯廬斷裂帶發(fā)育的位置出現(xiàn)，顯然是在同一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下的產(chǎn)物，這只有在區(qū)域范圍的近南北向拉伸應(yīng)力場(chǎng)的作用下才能形成，而并非壓扭走滑作用能夠形成；③大量發(fā)育的“雁列”狀正斷層常被認(rèn)為是走滑斷層發(fā)育的最早期階段的R剪切，但實(shí)際上，其與主斷裂走向的交角明顯要比標(biāo)準(zhǔn)的R剪切大，而且這些斷層的傾向也并未發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)R剪切形成的變化[48-50]，應(yīng)為凹陷邊界走向控制的拉伸作用形成的“雁列”斷層，剖面上局部斷層傾向相反形成類似“無(wú)根花”的地塹構(gòu)造（見(jiàn)圖9a），并非壓扭產(chǎn)生的“花狀構(gòu)造”；④習(xí)慣上將由一條主斷層控制、由多條次級(jí)斷層與主斷層搭接的“似花狀”構(gòu)造（如F3斷層）識(shí)別為簡(jiǎn)單剪切作用形成的純走滑甚至是壓扭性走滑運(yùn)動(dòng)產(chǎn)物；但實(shí)際上，純剪切的斜向拉伸作用控制的斜向滑移乃至正向拉伸作用都可以在剖面上形成這種構(gòu)造樣式，這一點(diǎn)已被Schlische以及馬寶軍等人的物理模擬所證實(shí)[17,51]；⑤渤海的某些“壓扭性”構(gòu)造，如“背形負(fù)花”等（見(jiàn)圖9b），并非是壓扭作用的產(chǎn)物：斷層明顯為新近紀(jì)活動(dòng)的正斷層，且背斜并非同沉積背斜，背斜地層彎曲產(chǎn)生的角度不整合在接近海底的位置，可以推斷該類背斜形成時(shí)間應(yīng)當(dāng)非常晚，甚至為第四紀(jì)以來(lái)近東西向擠壓作用[34,52]的產(chǎn)物，與新近紀(jì)斷層活動(dòng)時(shí)期明顯不匹配。

綜上所述，作者認(rèn)為渤東地區(qū)乃至渤海灣盆地更大范圍內(nèi)的“雁列”型斷裂展布以及弧形斷層的發(fā)育并非由于新近紀(jì)的壓扭性走滑作用產(chǎn)生，而是先存構(gòu)造晚期斜向拉伸的結(jié)果。

圖9 渤東凹陷雁列狀斷層及“背形負(fù)花”構(gòu)造剖面（剖面位置見(jiàn)圖1）

4 先存斷裂斜向拉伸作用的石油地質(zhì)意義

斜向拉伸作用對(duì)新近系油氣富集的控制作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①斜向拉伸作用下的繼承性發(fā)育斷裂能夠起到良好的溝通油源作用：以研究區(qū)為例，繼承性發(fā)育的北東向斷裂（如F1、F2、F3斷裂）切穿新生界并通過(guò)與其搭接的次級(jí)新生斷層，很好的溝通渤東凹陷和渤中凹陷的古近系烴源，為深層油氣向淺層運(yùn)移提供了通道，新近系油氣也主要富集在繼承性發(fā)育的大斷裂附近。相比之下，北東東向的新生斷裂（如F7、F8），北北東向的早期消亡斷裂（如F4、F5、F6），切割層位或淺或深，對(duì)油氣淺層富集來(lái)說(shuō)“不上不下”，難以在這些斷裂附近獲得規(guī)模性的油氣藏；②新近紀(jì)的斜向拉伸作用形成了地層牽引、逆牽引、掀斜、翹傾等多種新近系蓋層變形，且新生斷層依附于繼承性活動(dòng)的邊界斷裂，具有搭接、生長(zhǎng)連接等等復(fù)雜的斷裂組合關(guān)系，形成了大量的斷鼻、斷背斜以及斷塊圈閉，為后期的油氣保存提供了重要場(chǎng)所，研究區(qū)的油氣勘探也主要集中在這些雖然規(guī)模不大但是數(shù)量眾多的構(gòu)造圈閉中；③斜向拉伸作用下形成的新近系斷裂具有不同的走滑-伸展相對(duì)分量，因而對(duì)油氣的相對(duì)運(yùn)移和封閉能力也不一致。前人關(guān)于斷裂帶結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及地應(yīng)力等方面的研究[53-55]還有渤海的油氣勘探實(shí)踐都表明[56-58]，張性構(gòu)造易形成開啟的斷裂帶結(jié)構(gòu)，是地應(yīng)力的釋放區(qū)，有利于油氣的運(yùn)移，而不利于斷層的封閉；而走滑構(gòu)造發(fā)育的走滑增壓帶是地應(yīng)力增大區(qū)域，斷裂結(jié)構(gòu)閉合程度好且碾磨細(xì)化致密，斷裂帶內(nèi)通常不利于油氣運(yùn)移，但卻有著比伸展斷層更好的封閉能力。與上述原理類似，斜向拉伸作用導(dǎo)致不同走向角度的先存斷裂存在走滑和拉張分量的差異：走滑分量比較強(qiáng)的斷裂封閉程度明顯強(qiáng)于伸展分量強(qiáng)的斷裂，而張性分量較強(qiáng)的斷裂對(duì)油氣的封閉能力相對(duì)于走滑斷層則稍顯不足，但其卻有利于油氣運(yùn)移。從圖7的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)也可以看出，走滑分量大的斷裂緊閉，而伸展分量大的斷裂則明顯呈張開狀態(tài)。

龍口7-6油田區(qū)的平面“S”型斷裂體系（見(jiàn)圖10）是新近紀(jì)斜向拉伸作用的典型“成果”，本文以此為例，對(duì)斜向拉伸控油機(jī)理進(jìn)行論證。該油田區(qū)位于渤東低凸起的南部?jī)A末端（見(jiàn)圖1），由繼承性發(fā)育的北東向斷層和兩端的北東東向新生斷層“生長(zhǎng)結(jié)合”形成“S型”的平面斷裂體系，油氣主要分布于溝通油源的繼承性發(fā)育斷裂或垂向與之搭接的新生斷層附近，油氣勘探集中在大量的新近系斷塊和斷鼻圈閉中。至2018年，該區(qū)域鉆探了10口勘探井，取得了不錯(cuò)的勘探效果，但不同部位成藏差異性明顯：在儲(chǔ)集層、圈閉條件相似的情況下，相距5 km以內(nèi)的某些探井油層厚度超過(guò)70 m，而另一些探井油層僅2～3 m。對(duì)其鉆探結(jié)果剖析發(fā)現(xiàn)，斜向拉伸作用決定的斷裂運(yùn)移和封閉能力差異是影響其成藏效果的重要因素，以A井和J井為例：A井在館陶組獲得超過(guò)70 m的測(cè)井解釋油層，油層厚度大，這是由于A井靠近弧形斷層，具有同一斷層自運(yùn)自封的能力，該弧形斷層南段的北東東向部分伸展分量大、運(yùn)移能力很強(qiáng)，油氣可以沿?cái)嗝婊驑?gòu)造脊向北北東走向部分（走滑分量較強(qiáng)、封閉能力較好的分段部位）運(yùn)移，聚集成藏。而其北側(cè)J井處的運(yùn)移斷層和封堵斷層均為拉張分量較強(qiáng)的新生斷層，拉張分量增強(qiáng)使運(yùn)移斷層具有較強(qiáng)的充注能力，但是封閉性卻比走滑分量強(qiáng)的斷層差很多，充注油氣容易發(fā)生漏失，該井錄井油氣顯示多達(dá)百米，最終在館陶組測(cè)井解釋油層卻僅有十余米，且含油水層和油水同層的數(shù)量很多，明顯是油氣充注之后發(fā)生大量漏失。不僅針對(duì)這兩口探井，本文利用上述分析原理對(duì)油田區(qū)的10口探井的運(yùn)移斷層和封閉斷層的走向角度與晚期拉張方向的夾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將兩者擬合為斜向拉伸富集因子，用F表示：

圖10 龍口7-6油田館陶組頂面構(gòu)造圖

式中α——運(yùn)移斷層走向與拉伸方向的夾角，（°）；β——封閉斷層走向與拉伸方向的夾角，（°）。

以此表征斜向拉伸作用機(jī)制下，斷層方位角度影響的斷層運(yùn)移和封閉能力及其決定的油氣成藏條件優(yōu)劣。

將油田區(qū)探井的F值與測(cè)井解釋的油層厚度進(jìn)行交會(huì)制圖，結(jié)果如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)值與測(cè)井解釋油層厚度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，即富集因子越大，運(yùn)移和封堵斷層的匹配效果越好，最終獲得的油層厚度也越大。這一結(jié)果也證明了該模型在斜向拉伸區(qū)油藏評(píng)價(jià)過(guò)程中的適用性。

圖11 龍口7-6油田油層厚度與斜拉富集因子對(duì)應(yīng)關(guān)系

需要強(qiáng)調(diào)的是，斷裂的運(yùn)移和封閉能力是受到斷裂帶結(jié)構(gòu)、斷層巖性質(zhì)、圍巖物性等多種因素的共同影響，單單靠斷層性質(zhì)控制的應(yīng)力因素進(jìn)行判斷是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，本文在?duì)斜向拉伸構(gòu)造成藏區(qū)的油氣層統(tǒng)計(jì)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)塊間的斜向拉伸富集因子并不能進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，比如A區(qū)塊的斜向拉伸富集因子比相距較遠(yuǎn)的B區(qū)塊更大，但并不代表A區(qū)塊的油層厚度比B區(qū)塊更厚，這也正是因?yàn)橛蜌膺\(yùn)移和封閉是受到多種因素影響的結(jié)果。但是，對(duì)于巖性分布均勻，斷層晚期活動(dòng)性相似但是斷裂走向差異巨大的小面積單一區(qū)塊來(lái)說(shuō)，斷層性質(zhì)控制的應(yīng)力因素對(duì)油氣富集的影響將愈發(fā)明顯，通過(guò)斷層性質(zhì)對(duì)有利成藏位置進(jìn)行預(yù)測(cè)的適用性也愈強(qiáng)。

渤東地區(qū)乃至渤海灣盆地在新近紀(jì)斜向拉伸作用下先存構(gòu)造復(fù)活，形成了眾多新近系弧形斷層、斷塊、斷鼻等斜向拉伸構(gòu)造，而大量斷層的運(yùn)移與封堵能力尚有待研究，本文從斷層與拉伸方向夾角引出的應(yīng)力差異提出了分析上述問(wèn)題的一個(gè)角度，也為相似構(gòu)造發(fā)育目標(biāo)區(qū)的下步油氣勘探提供了借鑒。

5 結(jié)論

渤東地區(qū)古近紀(jì)遭受了郯廬斷裂帶走滑及其派生作用以及伸展裂陷的疊合作用，發(fā)育了數(shù)量眾多、走向多變的先存斷裂體系，新近紀(jì)又發(fā)生了明顯的構(gòu)造應(yīng)力方向的轉(zhuǎn)變，為先存斷裂在新近紀(jì)復(fù)活并發(fā)育斜向拉伸提供了條件。

斷裂體系可分為繼承發(fā)育型、早期消亡型和晚期新生型，在凸起邊界繼承發(fā)育型斷裂表現(xiàn)為走滑-伸展或伸展構(gòu)造樣式、在凹陷部位的晚期新生型斷裂表現(xiàn)為伸展構(gòu)造樣式，斷裂多呈“雁列”狀展布，構(gòu)造樣式屬于先存斷裂斜向拉伸構(gòu)造樣式。

渤東地區(qū)的斷裂體系在新近紀(jì)主要遭受近南北向的拉伸作用，而并非以簡(jiǎn)單剪切形成的壓扭性走滑作用為主。

不同走向角度的先存斷裂在晚期近南北向斜向拉伸過(guò)程中具有不同大小的走滑-伸展相對(duì)分量，走滑分量強(qiáng)的斷裂具有較好的流體封閉能力，而伸展分量強(qiáng)的斷裂具有更好的油氣運(yùn)移能力，該規(guī)律影響了斜向拉伸機(jī)制主控含油構(gòu)造的油氣富集程度。