先存斷層產(chǎn)狀及其組合關(guān)系對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形影響的離散元數(shù)值模擬研究

孫倩倩, 劉志娜*, 余一欣, 唐賢君, 陳 石, 彭 浩

先存斷層產(chǎn)狀及其組合關(guān)系對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形影響的離散元數(shù)值模擬研究

孫倩倩1, 2, 劉志娜1, 2*, 余一欣1, 2, 唐賢君3, 陳 石1, 2, 彭 浩1, 2

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249; 3. 中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司, 上海 200335)

反轉(zhuǎn)構(gòu)造在我國(guó)含油氣盆地中廣泛發(fā)育, 對(duì)于油氣勘探具有重要意義。本文采用離散元顆粒流方法研究了先存正斷層的陡緩程度、傾向組合關(guān)系和距離擠壓端的遠(yuǎn)近等因素對(duì)斷層的反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育及其反轉(zhuǎn)量的影響。模擬結(jié)果顯示, 先存斷層的產(chǎn)狀及其距離擠壓端的遠(yuǎn)近會(huì)影響先存斷層的反轉(zhuǎn)次序、反轉(zhuǎn)量, 進(jìn)而影響蓋層內(nèi)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的發(fā)育。當(dāng)先存正斷層傾向指向擠壓端時(shí), 若緩傾正斷層靠近擠壓端, 則緩傾斷層發(fā)生反轉(zhuǎn), 而遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層未發(fā)生反轉(zhuǎn); 若陡傾斷層靠近擠壓端, 則緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)先存正斷層傾向背離擠壓端時(shí), 無(wú)論靠近還是遠(yuǎn)離擠壓端, 緩傾斷層和陡傾斷層均發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)先存正斷層傾向相對(duì)(地塹)時(shí), 若緩傾正斷層更靠近擠壓端, 則緩傾斷層發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 而陡傾斷層未發(fā)生反轉(zhuǎn); 若陡傾正斷層靠近擠壓端, 緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)。在先存斷層均發(fā)生反轉(zhuǎn)的模型中, 無(wú)論先存斷層傾角大小, 靠近擠壓端的先存斷層的反轉(zhuǎn)量最終均大于遠(yuǎn)離擠壓端的先存斷層的反轉(zhuǎn)量。最終, 離散元模擬結(jié)果還與西湖凹陷垂直于反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶走向的地震剖面進(jìn)行對(duì)比, 有很好的吻合性。

離散元模擬; 反轉(zhuǎn)構(gòu)造; 先存斷層產(chǎn)狀; 反轉(zhuǎn)次序; 西湖凹陷

0 引 言

反轉(zhuǎn)構(gòu)造在我國(guó)含油氣盆地中廣泛發(fā)育, 具有良好的聚烴能力和優(yōu)越的圈閉條件, 因此成為油氣勘探的首選(徐子英等, 2012)。運(yùn)用物理模擬和數(shù)值模擬的方法對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育的影響因素進(jìn)行研究, 對(duì)于提高反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育特征的認(rèn)識(shí), 輔助盆地構(gòu)造演化特征分析, 提高勘探成功率具有重要意義。

為了更清楚地了解反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育的運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)影響因素, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用物理模擬和數(shù)值模擬方法進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn), 研究了邊界條件(Buchanan and Mcclay, 1991; 閆淑玉等, 2016)、基底先存斷層(Buchanan and Mcclay, 1992; Marques and Nogueira, 2008; Adel, 2014; Smith et al., 2017)、構(gòu)造應(yīng)力(Ventisette et al., 2006; 馬寶軍等, 2006)、巖性層的強(qiáng)弱(Brun and Nalpas, 1996)、沉積和剝蝕作用(Panien et al., 2005; 吳珍云等, 2018)和巖漿作用(Martíne et al., 2018)等地質(zhì)因素對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育的影響。其中先存斷層產(chǎn)狀是重要的主控因素之一, 前人對(duì)此進(jìn)行了大量研究, Brun and Nalpas (1996)通過(guò)物理模擬發(fā)現(xiàn), 擠壓方向與地塹夾角小于45°時(shí)先存斷層才能反轉(zhuǎn); Marques and Nogueira (2008)采用物理模擬研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)多條先存斷層存在時(shí), 斷層反轉(zhuǎn)程度與其距離擠壓端的遠(yuǎn)近有關(guān); 閆淑玉等(2016)采用物理模擬研究發(fā)現(xiàn), 擠壓邊界與先存正斷層之間距離對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式具有明顯影響; Adel (2014)認(rèn)為, 早期伸展斷層系統(tǒng)的幾何形態(tài)明顯影響了倒轉(zhuǎn)斷層的滑移量和倒轉(zhuǎn)背斜的幾何形態(tài); Ventisette et al. (2006)通過(guò)物理模擬認(rèn)為, 邊界斷層與傾斜角的大小對(duì)后期擠壓構(gòu)造的形態(tài)演化具有明顯控制作用; 陳均亮等(2009)通過(guò)砂箱模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)為, 斷面較緩的率先變形, 其對(duì)應(yīng)的背斜帶翼部陡且褶皺幅度大。前人對(duì)于先存斷層產(chǎn)狀對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造影響的研究多對(duì)單條斷層進(jìn)行, 然而對(duì)于多條不同產(chǎn)狀組合的先存斷層所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形還沒(méi)有系統(tǒng)地研究。

離散元模擬是研究構(gòu)造動(dòng)力學(xué)的有效方法。自1971年以來(lái)的研究實(shí)踐表明, 其適用于非連續(xù)介質(zhì)的破裂問(wèn)題研究(Cundall, 1971; Cundall and Strack, 1979), 已廣泛用于研究構(gòu)造地質(zhì)中的大變形問(wèn)題, 如巖塊的節(jié)理破裂(Zhao et al., 2007; Ren et al., 2012)、斷層及斷層相關(guān)褶皺(Strayer and Suppe, 2002; 周易等, 2019; 辛文等, 2020)、變換構(gòu)造發(fā)育機(jī)制(Imbera et al., 2004)、鹽構(gòu)造(Yin et al., 2009; 徐雯嶠等, 2020)等諸多地質(zhì)構(gòu)造演化過(guò)程。

本文以離散元原理為基礎(chǔ), 使用顆粒流數(shù)值模擬方法(PFC2D)構(gòu)建二維離散元模型, 模擬反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形過(guò)程, 明確早期正斷層的陡緩程度、傾向組合關(guān)系和距離擠壓端的遠(yuǎn)近等因素對(duì)正斷層反轉(zhuǎn)過(guò)程中斷背斜形成的影響。模擬結(jié)果對(duì)尋找與反轉(zhuǎn)構(gòu)造相關(guān)的斷背斜圈閉具有一定指導(dǎo)作用。

1 模型設(shè)置

在盆地伸展過(guò)程中, 往往產(chǎn)生一系列同傾與對(duì)傾斷層, 為探究其傾角、傾向和距離擠壓端的遠(yuǎn)近對(duì)后期反轉(zhuǎn)構(gòu)造的影響, 本文采用顆粒流離散元模擬方法建立了6個(gè)模型。每個(gè)模型包含兩條先存斷層, 遠(yuǎn)離擠壓端的斷層命名為F1, 靠近擠壓端的斷層命名為F2。通過(guò)改變兩個(gè)先存斷層F1和F2的傾角(60°和45°)和傾向(朝向或背離擠壓端), 共設(shè)計(jì)3組模型(表1和圖1)。在模型1和模型2中, 兩斷層同傾, 傾向朝向擠壓端; 在模型3和模型4中, 兩斷層同傾, 傾向背離擠壓端; 在模型5和模型6中, 兩斷層對(duì)傾。模型1、模型3和模型5中, F1為陡傾斷層, F2為緩傾斷層; 模型2、模型4和模型6中F1為緩傾斷層, F2為陡傾斷層(表1和圖1)。

模型以圓形剛性顆粒集合體模擬主體地層, 兩側(cè)以及底部以墻體作為邊界, 通過(guò)右側(cè)墻體以0.05 m/s固定速度向左運(yùn)動(dòng)模擬擠壓過(guò)程。6個(gè)模型均設(shè)定長(zhǎng)120 m, 高20 m。巖層之間設(shè)有薄層的軟弱層來(lái)模擬地層層理面, 巖層厚度為3 m, 軟弱層厚度為1 m。模型1～6從底部到頂部分布著5層巖層(3 m)及其中的薄弱層(1 m), 其中最底層為塑性層。先存斷層F1和F2設(shè)置在塑性層的上方。所有模型內(nèi), 坐標(biāo)原點(diǎn)為模型的左下角, 右方為方向正方向, 上方為方向正方向。先存斷層F1底部位于=40 m、=4 m處, 先存斷層F2位于=80 m、=4 m處, 并將不同斷塊設(shè)定以不同顏色。

表1 離散元數(shù)值模型參數(shù)表

圖1 反轉(zhuǎn)構(gòu)造離散元模型示意圖

顆粒流模擬方法所賦予模型內(nèi)顆粒的微觀力學(xué)參數(shù)與宏觀巖石力學(xué)參數(shù)是不同的, 兩者之間有一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通過(guò)賦予顆粒微觀力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬雙軸壓縮實(shí)驗(yàn), 以便獲取宏觀力學(xué)參數(shù)。所得的宏觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)際巖體的宏觀巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比, 通過(guò)一定的規(guī)律反復(fù)嘗試, 當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際巖體巖石力學(xué)參數(shù)相吻合時(shí), 所賦予顆粒的微觀力學(xué)參數(shù)即可用在模型中。前人研究已經(jīng)詳細(xì)闡述了微觀力學(xué)參數(shù)的獲取方法, 在此不再贅述(Chenget al., 2009; Liu and Koyi, 2013)。本文采用相同的方法, 現(xiàn)將模型地層的巖石力學(xué)參數(shù)設(shè)置如下: 所有巖層密度均為2630 kg/m3, 所有層顆粒均服從高斯分布。對(duì)于3 m厚的脆性巖層, 顆粒粒徑分布范圍為0.144～0.230 m, 微觀顆粒間摩擦系數(shù)為1(相當(dāng)于巖層摩擦系數(shù)0.57, 即內(nèi)摩擦角30°), 粘結(jié)強(qiáng)度為3×106N, 切向剛度(s)為1×109N/m, 法向剛度(n)為4×109N/m(相當(dāng)于巖層粘結(jié)強(qiáng)度為10 MPa, 楊氏彈性模量為30 GPa, 泊松比為0.25, 符合砂巖力學(xué)性質(zhì))。對(duì)于1 m厚的軟弱層, 顆粒粒徑分布范圍為0.083～0.133 m, 摩擦系數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度均為0, 切向剛度為1×109N/m, 法向剛度為4×109N/m; 法向剛度與切向剛度比值(泊松比)為0.25。模型底部塑性層粒徑分布于0.144～0.230 m之間, 摩擦系數(shù)為1, 切向和法向粘結(jié)強(qiáng)度均為3×106N/m, 切向剛度為5×106N/m, 法向剛度為1.5×107N/m(相當(dāng)于巖石楊氏模量為30 GPa, 泊松比為0.33, 符合泥巖的力學(xué)性質(zhì))。在先存斷層位置設(shè)置厚度為1 m的斷層面, 切向剛度為1×109N/m, 法向剛度為4×109N/m, 顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)均為0(表2)。模型內(nèi)所有墻體摩擦系數(shù)為1, 切向剛度為1×109N/m, 法向剛度為3×109N/m。

為了研究先存斷層傾角、傾向和位置的變化對(duì)其在之后擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)量的影響, 我們選取初始模型中先存斷層F1上盤分布的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3, 先存斷層F2上盤分布的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6, 依據(jù)坐標(biāo)位置確定6個(gè)顆粒并追蹤監(jiān)測(cè)其在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的位移變化規(guī)律(圖1)。在擠壓過(guò)程中, 巖層隨著右側(cè)墻體的擠壓而移動(dòng), 顆粒在方向的位移不能表示斷層上盤在方向的反轉(zhuǎn)位移量, 因此, 我們用斷層上盤不同深度的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)方向的位移變化趨勢(shì), 來(lái)分析先存斷層的反轉(zhuǎn)量的變化趨勢(shì)。

2 模擬結(jié)果

2.1 兩斷層同傾且傾向指向擠壓端

2.1.1 模型反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形過(guò)程

模型1中, 在擠壓初期(壓縮率為1.67%時(shí)), 模型的變形集中在靠近擠壓端的緩斷層F2處, 先存正斷層F2發(fā)生反轉(zhuǎn), 形成不對(duì)稱背斜(圖2a)。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行, 在壓縮率為3.33%～6.67%時(shí), F2反轉(zhuǎn)量進(jìn)一步增大, 同時(shí), 靠近擠壓端地層開(kāi)始發(fā)生變形(圖2b～d)。當(dāng)壓縮率為8.33%時(shí), F2反轉(zhuǎn)量持續(xù)增加, 切穿上部巖層, 形成隆起幅度較大的背斜, 靠近擠壓端的巖層內(nèi)發(fā)育多條逆沖斷層(圖2e)。在擠壓過(guò)程中, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡斷層F1未發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)(圖2)。模型1結(jié)果揭示, 當(dāng)模型內(nèi)含有兩條同傾斷層(傾向指向擠壓端)且傾角較小的斷層靠近擠壓端時(shí), 構(gòu)造變形主要集中在靠近擠壓端的緩斷層F2上盤, 同時(shí), 在靠近擠壓端的巖層內(nèi)也有逆沖斷層F3～F4產(chǎn)生(圖2)。

模型2中, 在擠壓初期(壓縮率為1.67%時(shí)), 遠(yuǎn)離擠壓端的緩斷層F1和靠近擠壓端的陡斷層F2均發(fā)生小幅度反轉(zhuǎn)(圖3a)。隨著擠壓量的增加, 當(dāng)壓縮率為3.33%～6.67%時(shí), 兩先存斷層的反轉(zhuǎn)量繼續(xù)增加, 其中F2反轉(zhuǎn)量相對(duì)較大, 另外, 靠近擠壓端地層發(fā)生變形, 產(chǎn)生逆沖斷層F3～F5(圖3b～d)。當(dāng)壓縮率為8.33%時(shí), 兩斷層上盤均形成非常明顯的背斜構(gòu)造, 其中F1上盤背斜構(gòu)造較陡, F2上盤背斜構(gòu)造更為寬緩(圖3e)。模型2結(jié)果揭示, 當(dāng)模型內(nèi)含有兩條同傾斷層(傾向指向擠壓端)且傾角較小的斷層遠(yuǎn)離擠壓端時(shí), 兩斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 且隨著壓縮率的增大, 靠近擠壓端一側(cè)陡傾斷層F2的反轉(zhuǎn)幅度相對(duì)更大, 在靠近擠壓端的巖層內(nèi)也有逆沖斷層F3～F5產(chǎn)生(圖3)。

表2 離散元模型微觀力學(xué)參數(shù)表

圖2 離散元數(shù)值模型1變形過(guò)程解釋圖

2.1.2 先存斷層F1和F2的位移變化

在模型1和模型2中, 我們監(jiān)測(cè)了先存斷層F1和F2上盤在擠壓過(guò)程中方向上位移的變化趨勢(shì)。

在模型1中, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靠近擠壓端的緩傾斷層F2的反轉(zhuǎn)量(圖4)。F1和F2的反轉(zhuǎn)量隨著深度的增加而減少(圖4)。在壓縮率為8.33%時(shí), F1上盤的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3在方向位移分別為0.05 m、0.4 m和0.4 m; F2上盤分布的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6在方向位移分別為2.2 m、4 m和5.7 m(圖4)。因此, 在模型1中, 靠近擠壓端的緩傾斷層F2發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 而遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1未發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)。

圖3 離散元數(shù)值模型2變形過(guò)程解釋圖

圖4 模型1中同傾斷層F1(60°)和F2(45°)在Y方向上位移隨壓縮率變化圖

在模型2中, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1和靠近擠壓端的陡傾斷層F2在方向上的位移量隨著壓縮率的增加同時(shí)增大, 且F1和F2同時(shí)發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)(圖5)。F1的反轉(zhuǎn)量小于F2的反轉(zhuǎn)量。F1和F2的反轉(zhuǎn)量(方向位移)隨著深度的增加而減少(圖5)。在壓縮率為8.33%時(shí), F1上盤分布的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3在方向位移分別為0.8 m、1 m和1.6 m; F2上盤分布的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6在方向位移分別為1.2 m、1.4 m和4.4 m(圖5)。因此, 在模型2中, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1和靠近擠壓端的陡傾斷層F2同時(shí)發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 且斷層F2反轉(zhuǎn)量大于斷層F1反轉(zhuǎn)量。

綜上, 當(dāng)模型中含有兩條同傾斷層且傾向指向擠壓端時(shí), 在緩傾斷層靠近擠壓端的模型(模型1)中, 緩傾斷層發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 而陡傾斷層未發(fā)生明顯反轉(zhuǎn); 在緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端的模型(模型2)中, 緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 靠近擠壓端的陡傾斷層的反轉(zhuǎn)量大于遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量。此外, 陡傾斷層在其靠近擠壓端的模型中的反轉(zhuǎn)量(1.2 m、1.4 m和4.4 m)大于其在遠(yuǎn)離擠壓端的模型中的反轉(zhuǎn)量(0.05 m、0.4 m和0.4 m); 緩傾斷層在其靠近擠壓端的模型中的反轉(zhuǎn)量(2.2 m、4 m和5.7 m)大于其在遠(yuǎn)離擠壓端的模型中的反轉(zhuǎn)量(0.8 m、1 m和1.6 m)。

2.2 兩斷層同傾且傾向背離擠壓端

2.2.1 模型反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形過(guò)程

模型3中, 在擠壓初期(壓縮率為1.67%), 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1和靠近擠壓端的緩傾斷層F2同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 但F2的反轉(zhuǎn)量比F1的反轉(zhuǎn)量大(圖6a)。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行, 在壓縮率為3.33%～6.67%時(shí), F1的反轉(zhuǎn)量增加緩慢, 而F2反轉(zhuǎn)量增加明顯, 同時(shí), 靠近擠壓端的巖層內(nèi)發(fā)育多條逆沖斷層F3～F4(圖6b～d)。當(dāng)壓縮率為8.33%時(shí), F1反轉(zhuǎn)量較前一階段無(wú)明顯增加, 而F2反轉(zhuǎn)量一直持續(xù)增加, 切穿上部巖層, 形成隆起幅度較大的背斜(圖6e)。模型3結(jié)果揭示, 當(dāng)模型內(nèi)含有兩條同傾斷層(傾向背離擠壓端)且傾角較小的斷層靠近擠壓端時(shí), 兩個(gè)先存斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 但靠近擠壓端的緩斷層F2的反轉(zhuǎn)量較大, 同時(shí), 在靠近擠壓端的巖層內(nèi)有逆沖斷層F3～F4產(chǎn)生(圖6)。

圖5 模型2中同傾斷層F1(45°)和F2(60°)Y方向位移隨壓縮率變化圖

模型4中, 在擠壓初期(壓縮率為1.67%), 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1最早開(kāi)始發(fā)生反轉(zhuǎn), 而靠近擠壓端的陡傾斷層F2未發(fā)生反轉(zhuǎn)(圖7a)。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行, 在壓縮率為3.33%時(shí), F1的反轉(zhuǎn)量持續(xù)增加, 而F2開(kāi)始發(fā)生反轉(zhuǎn), 同時(shí), 靠近擠壓端的巖層內(nèi)發(fā)育反沖斷層F3～F4(圖7b)。當(dāng)壓縮率為5.00%～6.67%時(shí), F1和F2的反轉(zhuǎn)量均繼續(xù)增大(圖6c、d)。當(dāng)壓縮率為8.33%時(shí), 兩個(gè)先存斷層發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 切穿上部巖層, 形成隆起幅度較大的背斜(圖7e)。模型4結(jié)果揭示, 當(dāng)模型內(nèi)含有兩條同傾斷層(傾向背離擠壓端)且傾角較大的斷層靠近擠壓端時(shí), 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1先發(fā)生反轉(zhuǎn), 靠近擠壓端的陡傾斷層F2隨后發(fā)生反轉(zhuǎn)。隨著擠壓作用的進(jìn)行, 在靠近擠壓端的巖層內(nèi)有反沖斷層F3～F4產(chǎn)生(圖7)。

圖6 離散元數(shù)值模型3變形過(guò)程解釋圖

2.2.2 先存斷層F1和F2的位移變化

在兩斷層同傾且傾向背離擠壓端的模型3和模型4中, 我們監(jiān)測(cè)了先存斷層F1和F2上盤在擠壓過(guò)程中方向上的位移變化趨勢(shì)。

在模型3中, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1和靠近擠壓端的緩傾斷層F2的方向上的位移量均隨著壓縮率的增加而增大, 即先存斷層F1和F2同時(shí)發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)(圖8)。F1的反轉(zhuǎn)量小于F2的反轉(zhuǎn)量。F1和F2的反轉(zhuǎn)量(方向位移)隨著深度的增加而減少(圖8)。在壓縮率為8.33%時(shí), F1上盤的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3的方向位移分別為1.2 m、1.3 m和1.6 m; F2上盤的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6的方向位移分別為1.9 m、4.2 m和4.1 m(圖8)。因此, 在模型3中, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1和靠近擠壓端的緩傾斷層F2均發(fā)生反轉(zhuǎn), 且斷層F2反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)大于斷層F1反轉(zhuǎn)量, 兩者反轉(zhuǎn)量均隨著深度的增加而減少。

在模型4中, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1位移量小于靠近擠壓端的陡傾斷層F2的位移量(圖9)。先存斷層F1和F2的反轉(zhuǎn)量(方向位移)隨著深度的增加而減少(圖9)。在壓縮率小于6.67%時(shí), F1的反轉(zhuǎn)量大于F2的反轉(zhuǎn)量; 在壓縮率大于6.67%時(shí), F2上部的反轉(zhuǎn)量快速增大, 反超了F1的反轉(zhuǎn)量(圖9)。在壓縮率為8.33%時(shí), F1上盤的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3的方向位移分別為2.1 m、2.3 m和2.6 m; F2上盤的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6的方向位移分別為0.9 m、2.7 m和3.6 m (圖9)。因此, 在模型4中, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1和靠近擠壓端的陡傾斷層F2同時(shí)反轉(zhuǎn), 且反轉(zhuǎn)量均隨著深度的增加而減少。在擠壓初期, 緩傾斷層F1的反轉(zhuǎn)量大于陡傾斷層F2的反轉(zhuǎn)量; 在擠壓后期, 陡傾斷層F2上部地層的反轉(zhuǎn)量反超緩傾斷層F1的反轉(zhuǎn)量。

圖7 離散元數(shù)值模型4變形過(guò)程解釋圖

綜上, 當(dāng)模型中含有兩條同傾斷層且傾向背離擠壓端時(shí), 緩傾斷層和陡傾斷層均發(fā)生反轉(zhuǎn)。在緩傾斷層靠近擠壓端的模型(模型3)中, 靠近擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層的反轉(zhuǎn)量。在緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端的模型(模型4)中, 擠壓初期, 緩傾斷層反轉(zhuǎn)量較大; 擠壓后期, 陡傾斷層反轉(zhuǎn)量快速增加, 且其中上部地層反轉(zhuǎn)量反超了遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量。陡傾斷層在其靠近擠壓端的模型(模型4)中的反轉(zhuǎn)量(0.9 m、2.7 m和3.6 m)大于其在遠(yuǎn)離擠壓端的模型(模型3)中的反轉(zhuǎn)量(1.2 m、1.3 m和1.6 m); 緩傾斷層在其靠近擠壓端的模型(模型3)中的反轉(zhuǎn)量(1.9 m、4.2 m和4.1 m)大于其在遠(yuǎn)離擠壓端的模型(模型4)中的反轉(zhuǎn)量(2.1 m、2.3 m和2.6 m)。

圖8 模型3中同傾斷層F1(60°)和F2(45°)Y方向上位移隨壓縮率變化圖

圖9 模型4中同傾斷層F1(45°)和F2(60°)Y方向位移隨壓縮率變化圖

2.3 兩斷層對(duì)傾

2.3.1 模型反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形過(guò)程

在模型5中, 在擠壓初期(壓縮率為1.67%), 靠近擠壓端的緩斷層F2最早開(kāi)始發(fā)生反轉(zhuǎn), 而遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1未發(fā)生反轉(zhuǎn)(圖10a)。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行, 在壓縮率為3.33%時(shí), F2繼續(xù)反轉(zhuǎn), 擠壓端一側(cè)的地層產(chǎn)生變形, 發(fā)育斷層F3(圖10b)。當(dāng)壓縮率增大為5.00%～6.67%時(shí), 擠壓端一側(cè)地層繼續(xù)變形, F2下盤發(fā)育前沖斷層F4, 上盤發(fā)育前沖斷層F6, 而F1未發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)(圖10c、d)。當(dāng)壓縮率為8.33%時(shí), F2反轉(zhuǎn)量持續(xù)增加, 反沖斷層F4上盤變形強(qiáng)度持續(xù)增大(圖7e)。模型5結(jié)果揭示, 當(dāng)模型內(nèi)含有兩條對(duì)傾斷層(地塹)且傾角較小的斷層靠近擠壓端時(shí), 靠近擠壓端的緩傾斷層F2先發(fā)生反轉(zhuǎn), 并在其上盤發(fā)育前沖斷層F6, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1未發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 同時(shí), 在靠近擠壓端的巖層內(nèi)也有逆沖斷層F3～F5產(chǎn)生(圖10)。

在模型6中, 在擠壓初期(壓縮率為1.67%), 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1(傾向朝向擠壓端)最早開(kāi)始發(fā)生反轉(zhuǎn), 而靠近擠壓端的陡傾斷層F2(傾向背離擠壓端)未發(fā)生反轉(zhuǎn)(圖11a)。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行, 在壓縮率為3.33%時(shí), F2開(kāi)始反轉(zhuǎn), 擠壓端一側(cè)的地層產(chǎn)生變形發(fā)育斷層F3(圖11b)。當(dāng)壓縮率增大為5.00%～6.67%時(shí), F2的反轉(zhuǎn)作用增強(qiáng), 其上盤發(fā)育前沖斷層F4, 而F1反轉(zhuǎn)作用減弱(圖11c、d)。當(dāng)壓縮率為8.33%時(shí), F2反轉(zhuǎn)量持續(xù)增加(圖11e)。模型6結(jié)果揭示, 當(dāng)模型內(nèi)含有兩條對(duì)傾斷層(地塹)且傾角較大的斷層靠近擠壓端時(shí), 擠壓初期, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1先發(fā)生反轉(zhuǎn), 靠近擠壓端的陡傾斷層F2晚于斷層F1發(fā)生反轉(zhuǎn), 且反轉(zhuǎn)作用持續(xù)增加, 最終發(fā)育不對(duì)稱斷背斜構(gòu)造, 同時(shí), 在靠近擠壓端的巖層內(nèi)也有逆沖斷層F3和F5產(chǎn)生(圖11)。

2.3.2 先存斷層F1和F2的位移變化

在兩斷層同傾且傾向背離擠壓端的模型5和模型6中, 我們監(jiān)測(cè)了先存斷層F1和F2上盤在擠壓過(guò)程中方向的位移變化趨勢(shì)。

在模型5中, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1(傾向指向擠壓端)反轉(zhuǎn)量小于靠近擠壓端的緩傾斷層F2(傾向背離擠壓端)的反轉(zhuǎn)量(圖12)。F1的反轉(zhuǎn)量(方向位移)幾乎為0, 監(jiān)測(cè)其上盤的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3的方向位移分別為0 m、0.3 m和0 m(圖12)。F2的反轉(zhuǎn)量(方向位移)隨著深度的增加而減少, 監(jiān)測(cè)其上盤的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6的方向位移分別為2 m、2.6 m和4.2 m(圖12)。因此, 在模型5中, 遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層F1并未產(chǎn)生明顯反轉(zhuǎn), 而靠近擠壓端的緩傾斷層F2發(fā)生反轉(zhuǎn), 且反轉(zhuǎn)量隨著深度的增加而減少。

在模型6中, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1和靠近擠壓端的陡傾斷層F2的位移量隨著壓縮率的增加同時(shí)增大, 即先存斷層F1和F2同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)(圖13)。F1的位移量小于F2的位移量。先存斷層F1和F2的反轉(zhuǎn)量(方向位移)隨著深度的增加而減少(圖13)。在壓縮率為8.33%時(shí), F1上盤的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3的方向位移分別為0.9 m、1.3 m和1.7 m; F2上盤的點(diǎn)4、點(diǎn)5和點(diǎn)6的方向位移分別為1.8 m、3.3 m和4.4 m(圖13)。因此, 在模型6中, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層F1和靠近擠壓端的陡傾斷層F2同時(shí)發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 且斷層F2反轉(zhuǎn)量明顯大于斷層F1反轉(zhuǎn)量, 二者反轉(zhuǎn)量隨著深度的增加而減少。

綜上, 當(dāng)模型中含有兩條對(duì)傾斷層(地塹)時(shí), 在緩傾斷層靠近擠壓端的模型(模型5)中, 緩傾斷層發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn)量自下而上約為2 m、2.6 m和4.2 m), 而陡傾斷層基本未發(fā)生反轉(zhuǎn); 在緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端的模型(模型6)中, 緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 靠近擠壓端的陡傾斷層的反轉(zhuǎn)量(1.8 m、3.3 m和4.4 m)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量(0.9 m、1.3 m和1.7 m)。同時(shí), 緩傾斷層靠近擠壓端的模型中, 先存斷層的反轉(zhuǎn)量比緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端的模型要大。

3 討 論

3.1 先存斷層產(chǎn)狀對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形的影響

模擬結(jié)果揭示, 在基底滑脫層存在的情況下, 先存斷層的反轉(zhuǎn)量隨著深度的增加而降低, 并在淺層沉積層內(nèi)形成了不同幅度的背斜。無(wú)論斷層產(chǎn)狀如何, 在擠壓后期, 靠近擠壓端斷層的反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擠壓端斷層的反轉(zhuǎn)量, 因而, 先存斷層距離擠壓端的遠(yuǎn)近位置對(duì)其反轉(zhuǎn)量的影響更明顯。Marquesand Nogueira (2008)的物理模擬結(jié)果也顯示, 當(dāng)模型中含有多條先存斷層時(shí), 斷層反轉(zhuǎn)程度與其距離擠壓端的距離有關(guān)。閆淑玉等(2016)也提出擠壓邊界與先存正斷層之間距離對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式具有明顯影響。另外, 基底先存正斷層的產(chǎn)狀對(duì)斷層的反轉(zhuǎn)次序以及其上盤斷背斜的發(fā)育有更明顯的影響。

當(dāng)模型中含有兩條同傾斷層且傾向指向擠壓端時(shí), 在緩傾斷層靠近擠壓端的模型1中, 緩傾斷層由于其傾角小且距離擠壓端更近, 因而更容易發(fā)生反轉(zhuǎn), 吸收了絕大部分?jǐn)D壓量, 其上盤形成隆起幅度較大的背斜; 而傾角大且距離擠壓端距離較遠(yuǎn)的陡傾斷層幾乎未發(fā)生反轉(zhuǎn)。在緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端的模型2中, 緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 擠壓初期的兩斷層反轉(zhuǎn)量無(wú)太大差異; 擠壓中后期由于受到靠近擠壓端地層變形的影響, 靠近擠壓端的陡傾斷層上部地層的反轉(zhuǎn)量迅速增大, 最終其反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量。因此, 在靠近擠壓端的陡傾斷層上盤形成寬度較小兩翼較陡的背斜, 遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層上盤形成寬度較大兩翼較緩的背斜。

圖13 模型6中同傾斷層F1(45°)和F2(60°)Y方向位移隨壓縮率變化圖

當(dāng)模型中含有兩條同傾斷層且傾向背離擠壓端時(shí), 緩傾斷層和陡傾斷層均發(fā)生反轉(zhuǎn)。在緩傾斷層靠近擠壓端的模型3中, 靠近擠壓端的緩傾斷層由于其傾角小且距離擠壓端更近, 更容易發(fā)生快速反轉(zhuǎn); 最終緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層的反轉(zhuǎn)量, 緩傾斷層上盤形成了隆起幅度更大的背斜。在緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端的模型4中, 擠壓初期, 緩傾斷層由于傾角小, 更容易發(fā)生反轉(zhuǎn), 其反轉(zhuǎn)量較大; 擠壓后期, 受靠近擠壓端地層變形的影響, 陡傾斷層反轉(zhuǎn)量快速增加, 且其中上部地層反轉(zhuǎn)量反超了遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量。

當(dāng)模型中含有兩條對(duì)傾斷層且傾向相對(duì)(地塹)時(shí), 在緩傾斷層靠近擠壓端而傾向背離擠壓端的模型5中, 緩傾斷層發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 其上盤發(fā)育了前沖斷層和背斜構(gòu)造, 而陡傾斷層基本未發(fā)生反轉(zhuǎn)。在緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端而傾向指向擠壓端的模型6中, 緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn); 擠壓初期, 緩傾斷層由于傾角小更容易發(fā)生反轉(zhuǎn), 其反轉(zhuǎn)量稍大, 其上盤隆起幅度稍大; 擠壓中后期, 緩斷層的反轉(zhuǎn)速率逐漸減小, 反轉(zhuǎn)量增加極其緩慢, 陡傾斷層由于其距離擠壓端距離近, 繼續(xù)反轉(zhuǎn), 反轉(zhuǎn)量反超遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層, 并在其上盤生成新的逆沖斷層。

模型結(jié)果還揭示, 當(dāng)緩傾斷層靠近擠壓端且傾向指向擠壓端時(shí)(模型1), 緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量最大;當(dāng)陡傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端且其傾向指向擠壓端時(shí)(模型1和5), 無(wú)論靠近擠壓端的緩傾斷層傾向如何,陡傾斷層未發(fā)生反轉(zhuǎn); 當(dāng)緩傾斷層遠(yuǎn)離擠壓端且傾向指向擠壓端時(shí)(模型2和6), 無(wú)論靠近擠壓端的陡傾斷層的傾向如何, 緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量基本相同。

3.2 先存斷層與擠壓端的距離對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的影響

本文模擬結(jié)果顯示了先存斷層距離擠壓端的位置對(duì)其反轉(zhuǎn)量有更明顯的影響。Marques and Nogueira (2008)和閆淑玉等(2016)的物理模擬結(jié)果也指出, 多個(gè)先存正斷層存在時(shí), 遠(yuǎn)離擠壓端的正斷層也可以反轉(zhuǎn), 擠壓端與先存正斷層之間距離對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式具有明顯的影響, 擠壓端距離早期正斷層越遠(yuǎn), 反轉(zhuǎn)背斜核部離早期正斷層越近, 反之越遠(yuǎn)。因而, 本文測(cè)試了先存斷層與擠壓端的距離對(duì)模擬結(jié)果的影響。模型1～6中, 靠近擠壓端的先存斷層F2距離擠壓端的距離為40 m。在模型2的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步設(shè)計(jì)了靠近擠壓端的先存斷層F2與擠壓端的距離分別為50 m和60 m的模型7和模型8, 并將其模擬結(jié)果與模型2進(jìn)行對(duì)比。

模擬結(jié)果表明, 當(dāng)模型中包含的兩先存斷層同傾、且陡傾斷層更靠近擠壓端時(shí), 在先存斷層與擠壓端距離改變的情況下, 模型內(nèi)反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形過(guò)程及兩先存斷層反轉(zhuǎn)量的變化趨勢(shì)均相同(圖14、15)。在擠壓初期, 兩斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 且兩斷層的反轉(zhuǎn)量隨著壓縮率的增大而增大; 在擠壓中后期, 靠近擠壓端的陡傾斷層上部地層反轉(zhuǎn)速率增大, 反轉(zhuǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量(圖15)。對(duì)于模型中包含兩條同傾且傾向指向擠壓端的模型, 先存斷層距離擠壓端的距離對(duì)遠(yuǎn)離擠壓端的斷層F1反轉(zhuǎn)量影響不大, 而靠近擠壓端的斷層F2隨著其距離擠壓端距離的增大而增大(圖16)。在相同的壓縮率下, 先存斷層F2距離擠壓端距離越大的模型中, 其擠壓量越大, 因而造成靠近擠壓端的先存斷層的反轉(zhuǎn)量越大。模擬結(jié)果揭示, 同一個(gè)模型中, 先存斷層距離擠壓端越近, 其反轉(zhuǎn)量越大; 在不同模型中, 先存斷層與擠壓端的距離大小并不會(huì)影響反轉(zhuǎn)次序和反轉(zhuǎn)量變化趨勢(shì)以及反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形的演化。因此, 在擠壓端作為邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響中, 擠壓端距離先存斷層距離遠(yuǎn)近的選取是可以忽略。

3.3 與西湖凹陷反轉(zhuǎn)構(gòu)造對(duì)比

西湖凹陷是東海陸架盆地最重要的凹陷之一, 發(fā)育了玉泉、花港和龍井3次構(gòu)造反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(張建培等, 2008), 西湖凹陷中發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)量大都與反轉(zhuǎn)構(gòu)造有關(guān)(陳志勇和葛和平, 2003)。在凹陷中, 下部始新統(tǒng)平湖組頂部為大套灰色泥巖。上部始新統(tǒng)平湖組、漸新統(tǒng)、中新統(tǒng)各組均為泥沙互層。受龍井運(yùn)動(dòng)影響, 早期正斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)。離散元模型較好地再現(xiàn)了塑性層上部不同產(chǎn)狀組合正斷層的反轉(zhuǎn)過(guò)程。

由圖17a中的剖面可以看出, 兩斷層同傾且傾向指向擠壓端時(shí), 靠近南東方向擠壓端一側(cè)的陡傾斷層反轉(zhuǎn)幅度更大, 形成更高幅度背斜, 遠(yuǎn)離擠壓端一側(cè)的緩傾斷層反轉(zhuǎn)相對(duì)較弱。模型2中在擠壓后期也再現(xiàn)了兩先存斷層同傾且陡傾斷層靠近擠壓端時(shí)的反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育情況(圖17b)。對(duì)比離散元模型2的模擬結(jié)果與QY2地震剖面, 均可以發(fā)現(xiàn)靠近擠壓端一側(cè)的陡傾斷層F2反轉(zhuǎn)量更大且發(fā)育更高幅度背斜。

圖14 先存斷層與擠壓端不同距離的離散元數(shù)值模型變形過(guò)程解釋圖

圖15 模型中同傾斷層F1(45°)和F2(60°)Y方向位移隨壓縮率變化圖

由圖18a中的剖面可以看出, 兩斷層對(duì)傾且陡傾斷層靠近擠壓端時(shí), 靠近南東方向擠壓端一側(cè)的陡傾斷層F2反轉(zhuǎn)幅度更大, 形成較高幅度背斜, 遠(yuǎn)離擠壓端一側(cè)的緩傾斷層F1發(fā)生微弱反轉(zhuǎn)。模型6中在擠壓后期也再現(xiàn)了兩先存斷層對(duì)傾且陡傾斷層靠近擠壓端時(shí)的反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育情況(圖18b)。對(duì)比離散元模型6的模擬結(jié)果與西湖凹陷垂直于反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶走向的實(shí)際地質(zhì)剖面, 均可以發(fā)現(xiàn)靠近擠壓端一側(cè)的陡傾斷層F2反轉(zhuǎn)量更大且發(fā)育高幅度背斜, 兩者有很好的吻合性, 進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠度。

圖16 先存斷層距離擠壓端距離不同的模型中Y方向位移對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)離散元顆粒流方法模擬了基底先存正斷層的反轉(zhuǎn)變形過(guò)程, 研究了陡緩程度、傾向組合關(guān)系和距離擠壓端位置等因素對(duì)先存正斷層的反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育及其反轉(zhuǎn)量的影響規(guī)律。模擬結(jié)果顯示, 先存正斷層的陡緩程度和傾向組合關(guān)系對(duì)其反轉(zhuǎn)過(guò)程中反轉(zhuǎn)次序、反轉(zhuǎn)量及蓋層內(nèi)斷背斜構(gòu)造的形成有重要影響。

(1) 當(dāng)先存正斷層傾向指向擠壓端時(shí), 若緩傾正斷層靠近擠壓端, 則其上盤形成隆起幅度較大的背斜, 而遠(yuǎn)離擠壓端的陡傾斷層未發(fā)生反轉(zhuǎn); 若陡傾斷層靠近擠壓端, 則緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)。

(2) 當(dāng)先存正斷層傾向背離擠壓端時(shí), 無(wú)論靠近還是遠(yuǎn)離擠壓端, 緩傾斷層和陡傾斷層均發(fā)生反轉(zhuǎn)。若緩傾斷層靠近擠壓端, 則緩傾斷層上盤形成隆起幅度更大的背斜; 若陡傾斷層靠近擠壓端, 則擠壓初期, 緩傾斷層因傾角小而有較大的反轉(zhuǎn)量, 擠壓后期, 陡傾斷層反轉(zhuǎn)量快速增加, 反超了遠(yuǎn)離擠壓端的緩傾斷層的反轉(zhuǎn)量。

(a) 西湖凹陷北部地區(qū)QY2剖面(據(jù)宋小勇等, 2010); (b) 模型2模擬結(jié)果(壓縮率8.33%)。

(a) 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶對(duì)傾斷層反轉(zhuǎn)剖面; (b)模型6模擬結(jié)果(壓縮率8.33%)。

(3) 當(dāng)先存正斷層傾向相對(duì)(地塹)時(shí), 若緩傾正斷層更靠近擠壓端, 則緩傾斷層發(fā)生明顯反轉(zhuǎn), 而陡傾斷層未發(fā)生反轉(zhuǎn); 若陡傾正斷層靠近擠壓端, 緩傾斷層和陡傾斷層同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn), 擠壓初期, 緩傾斷層由于傾角小有較大的反轉(zhuǎn)量, 擠壓后期, 陡傾斷層由于其距離擠壓端距離近, 反轉(zhuǎn)量反超了緩傾斷層。

(4) 本文還驗(yàn)證了擠壓端作為邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響, 結(jié)果顯示, 擠壓端距離先存斷層的遠(yuǎn)近對(duì)模擬結(jié)果并沒(méi)有影響。同時(shí), 離散元模擬結(jié)果與西湖凹陷垂直于反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶走向的地震剖面進(jìn)行對(duì)比, 有很好的吻合性, 進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠度。

致謝:感謝南京大學(xué)尹宏偉教授和中國(guó)石油大學(xué)(北京)陳書平教授對(duì)文章提出了寶貴的建設(shè)性意見(jiàn), 謹(jǐn)向他們致以最誠(chéng)摯的謝意！

陳均亮, 李忠權(quán), 應(yīng)丹琳, 林春華. 2009. 松遼盆地北部白堊紀(jì)末反轉(zhuǎn)變形的三維構(gòu)造物理模擬. 地質(zhì)科學(xué), 44(1): 63–73.

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Discrete Element Modelling of the Impacts of Attitudes and Geometric Parameters of Pre-existing Faults on Inversion Structures

SUN Qianqian1, 2, LIU Zhina1, 2*, YU Yixin1, 2, TANG Xianjun3, CHEN Shi1, 2, PENG Hao1, 2

(1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. College of Earth Sciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3. CNOOC China Limited, Shanghai Branch, Shanghai 200335, China)

Inversion structures are widely developed in China’s marine and continental basins, which are of great significance for oil and gas exploration. Using discrete element modeling, we investigated the influence of dip angles, dip directions and relative distances between pre-existing faults and the shortening boundary on the formation of inversion structures. The modelling results show that these factors have a great impact on the inversion order, inversion amount, and the kinematics of the inversion structures. When the pre-existing normal faults dip towards the shortening boundary, if the gently-dipping normal fault is closer to the shortening boundary, the inversion structures are mainly developed along the gently-dipping fault instead of the steeply-dipping fault; if the steeply-dipping fault is closer to the shortening boundary, the inversion structures are developed along both the steeply-dipping and the gently-dipping faults. When the pre-existing normal faults dip away from the shortening boundary, the inversion structures are developed along both the steeply-dipping and the gently- dipping faults, independent of the distance between the pre-existing fault and the shortening boundary. When the two pre-existing faults are dipping towards each other, the inversion structures are mainly developed along the gently-dipping fault instead of the steeply-dipping fault in the model containing a gently-dipping normal fault closer to the shortening boundary; the inversion structures are developed along both the steeply-dipping and the gently-dipping faults in the model containing a steeply-dipping fault closer to the shortening boundary. In models where both the gently-dipping and the steeply- dipping faults are inverted, the fault closer to the shortening boundary has a larger amount of inversion. The similarity between the modelling results and the seismic section in the central inversion zone of the Xihu Depression further demonstrates that the fault closer to the shortening boundary has larger amount of inversion.

discrete element method; inversion structure; attitude of preexisting faults; inversion order; Xihu Depression

2020-06-28;

2020-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42072149)資助。

孫倩倩(1996–), 女, 碩士研究生, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。E-mail: 13720014030@163.com

劉志娜(1982–), 女, 副教授, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與構(gòu)造物理研究。E-mail: zhina.liu@cup.edu.cn

P628.3

A

1001-1552(2022)01-0022-014