渤中地区基底构造多期叠加变形物理模拟及意义

何泽亮; 刘晓健; 贾业; 刘重江; 涂国煜; 郭虹兵; 徐宏远; 邓宾

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500551

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :1854-1866 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500551

天文学、地球科学

渤中地区基底构造多期叠加变形物理模拟及意义

何泽亮 ¹ ,
刘晓健 ² ,
贾业 ² ,
刘重江 ¹ ,
涂国煜 ¹ ,
郭虹兵 ¹ ,
徐宏远 ³ ,
邓宾 ¹^,³^,^*

作者信息 +

Physical Simulation of Multi-stage Superimposed Deformation of Basement Structure in Central Bozhong Area and Its Significance

HE Ze-liang ¹ ,
LIU Xiao-jian ² ,
JIA Ye ² ,
LIU Chong-jiang ¹ ,
TU Guo-yu ¹ ,
GUO Hong-bing ¹ ,
XU Hong-yuan ³ ,
DENG Bin ¹^,³^,^*

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摘要

渤中凹陷是中国油气最为富集的生烃凹陷之一,其渤中19-6气田是中国东部第一个大型、整装千亿方大气田,渤中19-6气田基岩储层发育印支期-燕山期多期复杂断裂体系与网状裂缝,但其裂缝展布与成因机制仍具有较大争议。结合渤中凹陷印支期和燕山期两期叠加变形过程,基于砂箱物理模拟实验相似性原理和实验模拟手段,揭示两期叠加构造变形对渤中凹陷构造变形特征的控制影响作用。砂箱物理模拟实验结果表明:早期挤压作用形成多条前展式逆冲断层及其相关褶皱;晚期叠加变形作用使早期断层活化,且第一期断层断距增大和走向发生偏转,形成构造转换带;定量应变标志体长短轴比由1.0增加到1.5左右,长轴走向由90°转变为45°~60°,及东西走向转变为北东-南西走向,发生近45°叠加旋转变形,断层断距普遍增加0.2 cm以上,特别是强叠加区断距增加尤为明显;两期挤压构造叠加区域构造样式复杂多样,发育有叠瓦式逆冲推覆构造、背冲构造、逆冲双重构造以及逆冲相关褶皱等;结合典型地震剖面与实验结果进行对比,真实情况下燕山期构造运动使印支期断裂走向发生30°~45°的旋转变形,断距普遍增加。实验结果与真实地层具有较高相似性,断裂深入基底,为油气运移进入基底储集提供通道,是进一步形成油气藏的关键要素之一。

Abstract

The Bozhong Sag is one of the most hydrocarbon-generating sags with the richest oil and gas in China, and the Bozhong 19-6 gas field is the first large-scale, 100-billion-square-meter atmospheric field in eastern China. Combined with the superimposed deformation process of the Indosinian and Yanshan periods in the Bozhong Sag, based on the principle of similarity of sand box physical simulation experiments and experimental simulation methods, the controlling influence of the superimposed tectonic deformation of the two phases on the tectonic deformation characteristics of the Bozhong Sag was revealed. The results of physical simulation experiments of the sand box show that multiple pre-developed thrust faults and their related folds were formed by early compression. The early faults were activated by superimposed deformation in the late stage, and the fault spacing and strike deflection of the faults in the first stage increased, forming a tectonic transition zone. The ratio of the length and short axis of the quantitative strain marker increases from 1.0 to about 1.5, the long axis trend changes from 90° to 45°~60°, the east-west trend changes to the north-east-south-west trend, the superimposed rotational deformation of nearly 45° occurs, and the fault distance generally increases by more than 0.2 cm, especially in the strong superposition area. The structural styles of the superimposed area of the two-stage extrusion structure are complex and diverse, and there are shingle-type thrust thrust structures, backthrust structures, thrust dual structures and thrust-related folds. Combined with the typical seismic profile and the experimental results, the tectonic movement of the Yanshan period caused the rotational deformation of the Indosinian fault strike by 30°~45°, and the fault distance generally increases by 20%. The experimental results have a high similarity with the real strata, and the fault penetrates deep into the basement, providing a channel for oil and gas migration into the basement reservoir, which is one of the key elements for further formation of oil and gas reservoirs.

Graphical abstract

关键词

渤中19-6 / 多期构造叠加 / 构造样式 / 构造转换带 / 多期网状裂缝体系

Key words

Bozhong 19-6 / multi-stage structural superposition / structural style / construct conversion belts / multi-stage reticulated fracture system

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何泽亮, 刘晓健, 贾业, 刘重江, 涂国煜, 郭虹兵, 徐宏远, 邓宾. 渤中地区基底构造多期叠加变形物理模拟及意义[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 1854-1866 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500551

HE Ze-liang, LIU Xiao-jian, JIA Ye, LIU Chong-jiang, TU Guo-yu, GUO Hong-bing, XU Hong-yuan, DENG Bin. Physical Simulation of Multi-stage Superimposed Deformation of Basement Structure in Central Bozhong Area and Its Significance[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 1854-1866 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500551

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渤中凹陷位于渤海湾盆地,是中国三大一级超级盆地之一,油气资源丰富。截至2020年,渤海湾盆地累计产油近28亿t,占全国的38.6%。并且,渤海首个千亿方大气田——渤中19-6气田,截至2024年8月累计天然气产量超10亿m³。渤中19-6气田勘探目的层系较多,研究区经历多期构造运动的改造而发生了复杂的构造格局转型和构造机制转换。多期构造运动导致地层内多期裂缝性储层发育,岩层的孔隙主要有风化淋滤孔(缝)、矿物颗粒晶内裂缝和构造裂缝3大类,但整体来看构造裂缝占主导地位。并且由于渤中19-6气田中生界所处深度较大,古生界缺失严重,因此对其构造变形和演化过程研究难度较大,前人总结出“源控论”^[1]和“新构造运动控制油气成藏” ^[2]等多种勘探理论。后来有学者利用光弹物理模拟实验再现了近北北东向和近东西向断裂在晚近构造格局下的应力状态及分布^[3];也有学者通过物理模拟实验发现反转变形都更容易在软弱区集中,软弱区所处构造位置及其所受应力性质对反转构造发育起着重要的控制作用^[4]。但是光弹材料的力学性质(如弹性模量)与真实岩石存在差异,且模型比例缩小可能导致应力传递规律失真;多层软弱体的变形机制尚未明确。

现利用构造砂箱物理模拟实验主要聚焦于印支期与早燕山期构造变形,利用石英砂为主要材料且不设置软弱体,明确论证多期叠加变形的特征。通过实验正演模拟两期构造运动叠加作用,利用实验模型顶面应变标志体变化、实验模型内断层发育情况、实验模型叠加构造样式等分析实验结果并与渤中19-6气田真实情况对照,以揭示研究区多期网状裂缝系统的生成机制、分布规律与演化过程。

1 区域地质背景

渤海湾盆地东部以郯庐断裂为界,与辽东隆起和鲁东隆起相邻,西北邻燕山褶皱带,西部为太行山隆起区,南部邻鲁西隆起区,它是中国目前五大超级含油气盆地之一。渤海湾盆地内部可划分为6坳3隆[图1(a)],由北向南可分为辽河坳陷、冀中坳陷、黄骅坳陷、渤中坳陷、济阳坳陷、临清坳陷,隆起带主要为沧县隆起、内黄隆起、堤宁隆起,盆缘、盆内的坳陷和隆起受到多条大型断裂带的控制。BZ19-6构造带位于渤中凹陷西南部深层构造脊上,东南与渤南低凸起相邻,西部与埕北低凸起相邻,南部与黄河口凹陷相接,北为渤中凹陷主洼^[5-8],为渤中凹陷西南背斜转换构造带^[8-9]。深部地震剖面表面渤海湾盆地具有典型多断层分隔的嵌垒构造组合特征,如:沙南凹陷、渤中19-6、渤中凹陷、427构造、石白坨凸起、秦南凹陷等构造,深部发育多条叠瓦逆冲断层[图1(b)],断层向上普遍消失于平原镇组,向下断层切入太古界地层之中,冲断构造叠瓦构造发育典型的反向冲断及断层相关褶皱发育,剖面特征显示整体呈新生代翘倾式后成潜山构造,剖面整体呈“波浪式旋回”特征,南部呈向形特征、中部呈背形特征、北部呈向形特征。

渤海湾地区经历了变质岩结晶基底的形成(太古代-古元古代,>1 800 Ma)以及燕辽裂陷槽大陆裂谷盆地发育期(中-新元古代,1 800~600 Ma),形成太古代发育花岗岩与变质岩和早元古代发育浅变质岩基底,随后进入稳定的古生代克拉通盆地发育期。加里东运动影响下渤海湾盆地所在的华北板块整体构造抬升,进入海退、沉积缺失剥蚀期,其周期约140 Ma^[10]。渤海中部地区中-新生代共经历了多个构造演化阶段,印支期与燕山期的叠加构造作用是形成现今构造格局的主要因素^[11-12]。印支期华北和扬子板块闭合造成的近N-S向强烈挤压形成潜山雏形;燕山早期古太平洋板块NWW向俯冲,形成一系列NNE向左行走滑断裂,导致先存的NW向断裂活化形成逆冲断层,印支期古潜山遭受NE向走滑断裂的切割改造;新生代拉张构造进一步改造形成现今裂谷盆地体系^[13],在强烈的断陷作用下,渤海地区一系列箕状半地堑得以形成,与基底掀斜断块一起构成古近系的“盆岭”结构。

2 物理模拟实验

2.1 实验设计

砂箱物理模型模拟地壳浅表构造变形作用过程,必须遵循摩尔-库伦破裂准则^[14-16]。砂箱物理模型和实际自然界“原型”之间的相似性主要限制于3个因素:守恒法则、边界条件以及实验材料属性。首先守恒法则即质量守恒、能量守恒、动量守恒,属于基本的物理守恒法则,对于砂箱物质在变形过程中所受到的挤压过程或者拉张过程来说,其本身就遵循守恒法则。

为了得到一个合理的模拟试验结果,必须遵循实验模型和自然“原型”之间几何学、运动学和动力学之间的相似性^[17-18]。为此,须根据渤海海域地区的实际地层展布特征和区域构造演化,对砂箱物理模型进行边界条件的设计。选定渤中19-6构造为靶区,自主设计并系统开展了中生代构造正演模拟,从而揭示研究区不同组系断裂生成机制、分布规律和演化过程,明确了关键构造期构造变形样式。

根据区内大致范围,确定以900 mm×600 mm的矩形作为模拟实验的边界条件(图2)。对于材料属性,需考虑材料本身的力学性质、所处温度以及压力等^[19],本次砂箱物理模拟所使用石英砂普遍具有近似线性的摩尔-库伦破裂变形行为和近似为零的内聚力值(20~100 Pa),能够有效模拟 0~10 km 地壳浅表构造变形过程^[20]。石英砂材料普遍具有中等磨圆和较好分选性,平均粒度为0.2~0.4 mm,平均密度为1.55 g/cm³,内摩擦角和摩擦因数分别为29°~31°和0.58^[21-22]。基底存在变质岩、花岗岩与碳酸盐岩不同岩性且各个层层厚不一,所以设置不同厚度石英砂模拟不同基底的复杂情况,并在每层均质砂之间铺设不同颜色标志层便于实验过程及结果分析时进行区分。同时,实验模型顶部铺设圆形应变标志体,进行定量观察变形过程中实验模型构造变形特征。

实验进行时选择对不同构造期次构造挤压模式进行模拟,及模拟不同构造方向(南-北向与北西-南东向)挤压叠加。在构造挤压变形过程中, 楔形体通过内部和外部构造变形调整其几何形态, 最终达到并保持稳态平衡状态, 即自相似性生长过程^[22],当前一个楔形体处于稳定状态时才能生成下一个楔形体。因此为便于应变叠加区出现在中心位置以方便观察,以及充分满足构造叠加作用过程,确定实验南北向缩短量与北西-南东向缩短量为300 mm与200 mm。根据缩短量与印支期-燕山期构造作用时间计算可得挤压速度,因此实验中的伸展速率 0.003 mm/s 代表典型底辟构造区平均6.2 m/年的平均拉张速率^[23]。为减小砂箱物理模型边界挡板等材料的边界效应对砂体变形的影响,铺设石英砂前使用有机去泡剂润滑模型周围玻璃隔板。

2.2 实验过程

(1)按照图2所示,搭建实验装置框架,装置顶部与侧面架设定时同步相机,拍照记录不同时间段构造变形特征。

(2)单层铺设均质石英砂厚度从下往上依次为7、10、5、5、5、3 mm,较厚层按3~4 mm间隔铺设1 mm 厚彩砂分隔标志层;顶面铺设应变标志体。

(3)第一期挤压速率为0.003 mm/s,挤压长度300 mm,模拟渤中凹陷印支期挤压构造运动;第二期挤压速率为0.003 mm/s,挤压长度200 mm,模拟早燕山期挤压构造运动。

(4)对实验砂模型进行顶面剥蚀,揭示内部地层结构变形特征,即顶部T0构造叠加变形特征,同时并可与未剥蚀前顶面对比明确叠加构造变形趋势。

(5)剥蚀后,顶面沉积充填石英砂,用以代表燕山构造运动后的沉积地层。

(6)淋水切片,间隔2 cm切片,分析内部断层构造变形特征。

(7)制作构造演化图、切片图、三维断层模型。

3 实验结果与分析

3.1 实验变形过程

通过实验模型顶面演化图可知(图3),随着第一期构造挤压作用的施加,由左向右逐步形成9条前展示铲式逆冲断层。大约20 mm缩短量时,在活动挡板前缘形成第一条断层相关褶皱和冲起构造组成的挤压增生楔形体,伴随匀速挤压作用至大约80 mm缩短量时,楔形体前缘形成T₂、T₃、T₄前陆向扩展变形逆冲断层,断层间距离逐渐减小,楔形体的高度和长度增加,即自相似性生长过程。当200 mm挤压缩短量时,楔形体前缘扩展形成T₆断层及其伴生冲起构造与楔形体。当300 mm缩短量时,形成第三块楔形体与T₇、T₈和T₉逆冲断层,至此第一期挤压构造结束。

第二期叠加挤压后砂箱物质变形与第一期挤压变形大致相似,发育前陆向冲断构造及其相伴扩展变形,但扩展变形过程明显受到早期冲断构造的控制和影响。第二期挤压缩短量90 mm时,在活动挡板前缘开始形成断层相关褶皱和冲起构造组成的挤压增生楔形体。缩短量为140 mm时,活动挡板前缘逆冲断层相关褶皱和冲起构造基本形成,逆冲断层与第一期挤压楔形体前缘断层相交,浅表叠加现象不明显。当200 mm挤压缩短量时,远端形成最后一条逆冲断层以及断层相关褶皱与冲起构造。

从演化过程来看,根据第二期构造作用叠加程度的不同划分了无构造叠加作用区、弱构造叠加作用区和强构造叠加作用区三类用以对比。无构造叠加作用区仅受到第一期南北向构造挤压作用的影响,形成三块楔形体与多条逆冲断层,主要表现为叠瓦似的逆冲推覆构造;弱构造叠加作用区受到两期叠加挤压,但第二期构造挤压作用对其作用程度较小,第一期形成三块楔形体与多条逆冲断层后发生进一步的改造,改造程度较小;强构造叠加作用区受到两期叠加挤压,且第二期构造挤压左右对其影响巨大,第一期形成的三块楔形体与多条逆冲断层被第二期构造挤压作用改造严重,断层走向转变且断距增大,还增添了逆冲双重构造等复杂构造样式。

3.2 定量应变特征分析

根据两期构造挤压作用叠加效果的不同将实验模型分为4个区域(图4),在4个区域内指定4个应变标志体并附上1~4的编号,它们分别代表:无构造叠加作用区(1号标志体)、弱构造叠加作用区(2号标志体)以及强构造叠加作用区(3、4号标志体),从而有效对比不同构造叠加对应变标志体变形的影响。当第一期缩短量D分别为82、204与300 mm时,代表形成前述3个不同的逆冲构造发育阶段;第二期挤压缩短量D分别为93、138、200 mm时,分别代表燕山期三块不同逆冲构造发育阶段,即燕山期与印支期叠加改造变形阶段。对1~4号标准体在这6个不同的关键时期的形态特征以及变化情况进行记录,得出标志体长轴走向的变化趋势以及长短轴比的变化趋势(图5)。

无构造叠加作用区伴随挤压缩短过程1号标志体,长短轴比R呈现逐渐增大并稳定的趋势,从第一期缩短量约80 mm时,R=1.1 逐渐增大至R=1.3 (缩短量为300 mm时),且第二期挤压缩短过程中应变标志体长短轴比基本不变,其长轴走向基本稳定在90°左右,说明该标志体只受到南北向的构造挤压作用,未受到北西-南东向的构造挤压,为无构造叠加作用区典型变形过程。

弱构造叠加作用区伴随挤压缩短过程2号标志体,长短轴比也呈现逐渐增大并稳定的趋势。当第一期挤压作用缩短量为80 mm左右时R=1.1,伴随前缘断层相关褶皱和冲起构造形成,逐渐增大至R=1.3 (缩短量为300 mm时)。第二期挤压作用过程中,当缩短量为90 mm左右时R=1.4,后续挤压过程中长短轴比基本保持在1.4左右(如缩短量为140 mm和200 mm时)。需要指出的是,标志体长轴走向发生了明显的旋转变形过程,即由第一期挤压作用时的90°左右减小到第二期挤压过程中的60°~45°,表面即弱构造叠加作用区叠加旋转变形过程。

强构造叠加作用区构造变形过程相对复杂,其3、4号标志体长短轴比R呈现逐渐增大又缓慢减小趋势,且走向旋转变形量较大。当第一期挤压缩短量为80 mm时,前缘断层相关褶皱和冲起构造初步形成,此时应变标志体长短轴比R=1.1,伴随缩短量增加应变标志体长短轴比增加到R=1.3。但第二期挤压作用过程中,长短轴比R=1.4(缩短量为90 mm),当缩短量逐步增加到140 mm与200 mm时,长短轴比减小R= 1.2。标志体长轴走向由开始的90°左右旋转到45°左右,说明该标志体先受到印支期南北向构造挤压作用再受到燕山期北西-南东向构造挤压作用,晚期构造挤压作用对早期构造挤压作用形成的构造样式进行改造,构造叠加旋转变形特征明显,且晚期裂缝带与印支期断裂高角度夹角,统计表明夹角呈30°夹角(图4),如早期的T₆断层走向为东西向(近90°),晚期走滑断裂带走向为北西-南东(约120°)。

3.3 实验构造样式分析

三维断层模型发现早期和晚期构造样式基本以叠瓦状冲断层、冲起构造、三角带等为主(图6)。早期构造变形与晚期构造变形叠加混合,两期构造叠加作用导致叠加区域形成复杂构造样式。第一期挤压作用形成东西走向的断层,第二期挤压作用形成北东-南西向断层,两期断层呈现出斜交的特点,并伴有相互穿插的现象,如T₇与T₁₂断层。叠加冲起构造:第一期挤压形成完整的多条断层以及断层相关褶皱与多个单一冲起构造,第二期挤压作用使得单一冲起构造之间发育新的逆冲断层,及第二期逆冲断层与先存发育的反冲断层叠加在一起构成更大的叠加冲起构造,如强构造叠加作用区。在弱叠加或无叠加构造变形区域,第二期挤压作用在楔形体远端形成倾角较小的逆冲断层,形成晚期低角度断层样式。

相对于叠加区域,叠加区域楔形体前缘反向冲断及其相关冲起构造较强,其主要原因是第二期挤压构造运动对第一期楔形体以及相关断层、褶皱具有改造作用,第一期断层多期活化,使得改造更容易实现。实验模型切片可见,T₉断层在未叠加区域的断距为0.6~1.2 cm明显小于其在叠加区域的断距,叠加区断距为1.2~2 cm。并且从实验模型顶面演化可见,在第二期挤压作用过程中大量第一期断层的走向均发生明显变化,由近东西走向变化到趋近于北东-南西走向,如T₃ 、T₄ 、T₅等。楔形体前缘前陆向断层断距和断层倾角具有逐渐减小的特征,活动挡板前缘逆冲断层断距以及断层倾角更大,远端更小,叠加区域断距进一步增大。T₄断层断距明显较大,大多在0.7~1.2 cm。T₆断层略小,断距在0.6~0.9 cm。T₉断层断距更小,大多处于0.5~0.8 cm。叠加区域断距明显大于未叠加区域,断距基本保持在1.1~2 cm。

沿砂箱模拟实验叠加方向走向断层结构及其变形量具有差异性,断层叠加区域断层变形强度明显大于未叠加区域。通过对3条断层不同构造区域位置上的断距统计可见(图7),断层从未叠加区域至构造叠加区域存在断层断距逐渐增大的趋势,T₄断层未叠加区域断距在0.8 cm左右,弱叠加区域断距增加到1.1 cm左右,强叠加区域断距在1.9 cm左右;T₆断层未叠加区域断距在0.7 cm左右,弱叠加区域断距增加到1 cm左右,强叠加区域断距在1.9 cm左右;T₇断层在未叠加区域断距在0.6 cm左右,弱叠加区域断距增加到0.8 cm左右,强叠加区域断距在1.5 cm左右。且早期断层走向发生改变,T₄断层在强叠加区的走向由90°变化为45°,T₆断层与T₇断层在强叠加区的走向由90°变化为近30°,这与顶面应变标志体长轴走向变化规律基本一致,揭示燕山期叠加作用将印支期先存断层构造活化与改造(断层走向和断距等发生变化),使构造变形强度增加。第一期构造挤压后T₁~T₄断层的倾角为60°~70°;T₅、T₆断层倾角为45°~50°;T₇~T₉断层倾角在40°左右。第二期构造挤压后T₁~T₄断层的倾角为65°~75°,普遍增加了5°左右;T₅、T₆断层倾角为50°~60°,普遍增加了5°左右;T₇~T₉断层倾角在45°左右,同样也普遍增加了5°左右。

4 讨论

4.1 斜向叠加形成断层转换带

转换带(Transfer zone)指的是位于两条或多条断层间应变和位移量守恒的一类构造带,包括褶皱、断层和两者复杂组合。最早由Dahlstrtom等在研究挤压环境下逆冲推覆构造时提出,后来相关概念被Morley等引入伸展断陷盆地研究^[24],并广泛应用。不同学者依据不同的分类标准将转换带进行了分类,主要包括动力学特征、几何学特征和运动学特征等。吴康军等^[25]依据构造应力的不同将转换带分为走滑型、拉分型和挤压型3种。挤压型转换带以“褶皱-冲断-埋藏”叠加作用为核心,一般发育背斜圈闭与逆冲断层带;在伸展地区,一般都伴随裂谷期后坳陷,转换带经裂谷期后沉积层覆盖就会形成披覆背斜,成为有利圈闭;走滑型转换带一般发育断层相关圈闭与岩性圈闭。通过对渤中凹陷印支期与燕山期构造运动作用下断裂体系物理模拟恢复与分析,表明全区存在典型的叠加构造转换带相关变形特征。

伴随早期挤压作用,逐步形成多条逆冲断层,分别选择T₄、T₆以及T₇三条断层构造进行解释,它们代表了早期(印支期)挤压作用形成的多个冲断楔形体。晚期北西—南东向挤压运动代表早燕山期构造挤压运动。晚期挤压均形成多条逆冲断层,早晚两期构造挤压应力方向同向低角度斜交(即45°),导致近东西走向逆冲断层与北东—南西向逆冲断层同向低角度斜交。实验模型切片观察分析,揭示单一挤压构造作用区域构造样式相对简单,如:叠瓦状构造、三角带、冲起构造等。两期挤压构造叠加区域构造样式复杂多样,发育有叠瓦式逆冲推覆构造、背冲构造、逆冲双重构造以及走滑转换构造等。

由顶面演化图可见(图3),晚期断层走向并非受到北西—南东向挤压便形成北东—南西向逆冲断层,燕山期挤压作用形成的断层存在走向趋近于北东东—南西西特征(如:T₆断层与T₇断层在强叠加区的走向由90°变化为近30°,2号应变标志体长轴走向由90°转变到60°~45°),揭示燕山期挤压作用形成的逆冲推覆构造也受到早期逆冲推覆构造的限制作用,使得两期挤压构造之间形成典型的(断层)构造转换带。

因此,推测渤中凹陷印支期形成的断层持续活动,被早燕山期构造运动活化,使断层倾角变大、走向由东西向向北东—南西向与北东东—南西西向变化而且伴有断距增大等特征发生。通过物理模拟实验得出结果,断层转换带位于两期断层之间,起到类似于枢纽的作用,转换带区域断层断距较大但小于两期断层断距之和。

4.2 叠加变形与多期网状裂缝系统

通过对实验过程顶面监测数据进行粒子图像速度场仪(particle image velocity,PIV)统计(图8), 挤压变形前缘物质变形速度减小,速度沿断层陡变现象,呈前展式冲断变形特征。同时,燕山期构造挤压作用对印支期构造挤压作用形成的断裂存在活化改造的特征,不仅使断层走向以及断距发生改变,还使实验模型内部发生叠加走滑构造变形,从而导致走滑断裂带裂缝发育。

印支期挤压作用导致砂箱物理形成较多数量的逆冲断裂,这些断裂走向基本与挤压方向垂直,即东西走向逆冲断裂。但受边界条件影响,在断裂带边缘形成少量北西—南东与北东—南西向逆冲断裂。燕山期挤压作用让后缘部分先存断裂发生进一步抬升,使其走向变化、断距增加。PIV涡度场图(图8)中切线速度演化图显示断层左盘移动速率达到1.8×10^-6 m/s,断层右盘移动速率几乎为0 m/s,及走滑断层左盘受燕山期挤压作用影响发生位移,故具左旋走滑特征。燕山期挤压作用过程中,走滑断层左盘伴随挤压变形过程裂缝走向具有一定变化特征,易于形成多期网状裂缝系统。实验模型顶面应变标志体椭圆形状变化和应变涡度特征等,揭示变形强度和应力分布,为潜山裂缝预测提供借鉴。

基于地震剖面以及砂箱物理模拟实验结果,研究区早三叠世—早侏罗世的印支期构造运动,导致错断中生代下附地层以及潜山基底的早期断裂活动。该次近南北向挤压持续造山,大量近东西向逆冲断层发育(图9),早期逆冲断层具有倾角大与断距大的特点。早侏罗世—晚侏罗世的燕山早期构造运动,同早期断层相似,几乎错断基底至中生界以来的所有地层。该次北西—南东向挤压造山和局部挤压挠曲沉积,大量北东—南西向逆冲断层发育,对早期印支期断层存在错动与活化现象,也有部分断层随早期断层走向发育。

渤中19-6凝析气田探明储量超千亿立方米^[26],是渤海湾地区最大的凝析气田,储层类型以变质岩裂缝型储层为主,岩性为斜长片麻岩、二长片麻岩和混合片麻岩。受印支、燕山等多期构造运动的影响,该地区储层储集空间类型众多,规模不一,主要有粒间孔、溶蚀孔、构造裂缝及微裂缝^[27],其中,裂缝是主要的储集空间。裂缝不仅是潜山储层油气的储集空间,更是油气运移的通道,其渗流能力是影响潜山储层产能的重要因素之一。研究区受印支、燕山多期构造运动叠加改造,东西向与北东-南西向断裂错综复杂分布,为油气储集提供良好条件。实验模型顶面应变标志体椭圆形状变化和应变涡度特征等,揭示变形强度和应力分布,为潜山裂缝预测提供借鉴。

4.3 渤中凹陷多期叠加结构特征对比

渤海湾盆地印支期近南北向挤压与燕山早期北西向挤压使得大量近东西向与北东—南西向逆冲断层形成,这些断裂基本贯穿至太古宇潜山地层内,奠定了该地区初步的隆凹格局。燕山中期与喜山早期都是南北向拉张作用,多以对早期构造格局活化改造为主。

基于地震剖面的平衡剖面恢复和物理模拟实验对比表明,渤中19-6构造带发育叠瓦式逆冲推覆构造、反冲构造、对冲构造、逆冲双重构造、逆冲相关褶皱等构造样式(图10)。渤中19-6基底受多期构造叠加作用导致基底抬升凸起呈背斜状,潜山基底厚度超1 km,中生代以来地层被剥蚀,上覆只有新生代地层。构造四周基底埋深大,以致中生代以来地层沉积厚度较大,三叠系整体缺失,侏罗系与白垩系沉积厚度均达到500 m以上,呈斜坡状分布于渤中19-6构造带四周。新生代地层均有1 000 m以上,但渤中19-6构造区明显薄于其他区域。

渤海海域作为渤海湾盆地新生代的沉降中心,其古近系发育厚层泥岩,自下而上形成沙河街组三段、沙河街组一段-二段和东营组三段3套主力烃源岩。现今沙河街组烃源岩基本都进入了热演化成熟阶段;而东营组烃源岩在不同凹陷的热演化程度差异巨大,但在渤中凹陷、辽中凹陷等主体凹陷,烃源岩已进入成熟阶段。沙河街组泥岩厚度大,热演化成熟度高,使其成为渤中凹陷最主要的烃源岩层系。

沙河街组和东营组烃源岩在晚期生烃过程中发育超压,使得盖层的压力系数达1.2~2.0,排替压力较大,从而可形成优越的盖层条件。渤海湾虽然经历了多期构造运动,生成深浅两套断裂系统,但所有断裂基本在东营组泥岩便截止了,所以古近系泥岩的封盖条件得以保存,成为很好的盖层。

多期构造作用叠加形成的两套断裂系统,在古近系盖层超压的驱使下,成为很好的油气运移通道。基底岩性特征以灰岩、白云岩和变质岩等为主,孔隙性较好,且构造运动也使其存在大量裂缝,都是储存油气的良好场所。

5 结论

(1)早期挤压作用形成多条前展式逆冲断层及其相关褶皱,砂箱楔形体变形特征具有明显的分段性,即后缘内部加积带、叠瓦变形带和前缘扩展变形带,这种分带性与自然界冲断带系统分带性也具有一致性。晚期挤压构造应力集中于早期断层,使早期断层活化,对早期构造进行改造,断距从0.7~1.2 cm增加到1.0~1.8 cm,增加了近40%。早期挤压作用形成的构造对晚期挤压存在限制作用,晚期挤压依旧形成多条前展式逆冲断层。

(2)无构造叠加作用区构造样式相对简单,切片内仅可见大量叠瓦似逆冲推覆构造;弱构造叠加作用区构造样式较为多样,除了发育有叠瓦式逆冲推覆构造外还有少量背冲构造与走滑构造;强构造叠加作用区构造样式复杂,发育有叠瓦式逆冲推覆构造、背冲构造、逆冲双重构造以及走滑构造等复杂叠加构造样式,与渤中坳陷构造样式具有很大的相似性。

(3)基于物理模拟实验顶面应变标志体变化定量分析,强叠加变形区应变标志体长短轴比发生强增量变形和旋转变形过程,即R=1.1增大至R=1.4,长轴走向变化普遍为45°旋转特征;弱叠加变形区以弱增量变形和强旋转变形过程为主,即R=1.1增大至R=1.3,长轴走向变化普遍为30°旋转特征,从而形成典型的构造转换带旋转走滑变形特征。结合顶面PIV速度与涡度场的速度陡增情况,可说明晚期应力加剧早期构造后存在应变走滑-左旋构造变形特征化。

(4)结合典型地震剖面,渤中凹陷经历了多期复杂的构造叠加作用,其中印支期与早燕山期的挤压构造运动奠定了基底的雏形,与实验结果进行对比,真实构造样式与实验结果具有较高相似性。断裂深入基底,形成多期网状裂缝系统为油气运移进入基底储集提供通道,是进一步形成油气藏的关键要素之一。

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