顧玉超,戴俊生

(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

生長(zhǎng)正斷層是盆地內(nèi)伸展構(gòu)造的主要表現(xiàn)形式。正斷層的生長(zhǎng)體現(xiàn)在傾向上斷層位移的累積和走向上斷層長(zhǎng)度的增加(Anders and Schlische,1994)。斷陷盆地中規(guī)模較大的生長(zhǎng)正斷層通常具有分段性,其生長(zhǎng)過(guò)程表現(xiàn)為早期各斷層段通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中心獨(dú)立生長(zhǎng)發(fā)育,晚期斷層段之間互相連接使斷層在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上形成一個(gè)整體(Gupta and Scholz,2000;Cowie and Roberts,2001;Mansfield and Cartwright,2001;Young et al.,2001;Gawthorpe et al.,2003;Schlagenhauf et al.,2008)。斷層的生長(zhǎng)特征對(duì)認(rèn)識(shí)盆地演化及油氣勘探具有重要意義(竇立榮,2000;王林等,2011)。

蘇北盆地高郵凹陷深凹帶是高郵凹陷的重要油氣富集區(qū),高郵凹陷深凹帶在古近紀(jì)多期伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下,發(fā)育了多條走向多變,活動(dòng)強(qiáng)烈的油源斷層,控制了深凹帶的演化及油氣運(yùn)聚成藏。對(duì)于這些走向多變斷層的生長(zhǎng)特征以及控制其發(fā)育的構(gòu)造因素,目前尚無(wú)明確的認(rèn)識(shí)。因此,本文在高精度三維資料解釋的基礎(chǔ)上,確定了各斷層的幾何學(xué)特征,并根據(jù)斷層的位移-長(zhǎng)度曲線和斷層落差對(duì)斷層的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了定量分析,進(jìn)而結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬分析探討了斷層生長(zhǎng)的主控因素。

1 區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造背景

蘇北盆地位于揚(yáng)子板塊下?lián)P子區(qū),北臨蘇魯造山帶,東接郯廬斷裂,南鄰?fù)〒P(yáng)隆起,是在中古生界基底上發(fā)育起來(lái)的中-新生代斷陷盆地。盆地由北向南依次為鹽阜坳陷、建湖隆起和東臺(tái)坳陷,形成“兩坳一隆”的構(gòu)造格局,其中位于東臺(tái)坳陷南部的高郵凹陷是蘇北盆地最大的油氣富集區(qū)。高郵凹陷中的次級(jí)構(gòu)造單元由南向北依次為南斷階、深凹帶和北斜坡(圖1)。研究區(qū)所在的深凹帶是一個(gè)由北傾的真②斷層與南傾的漢留斷層所夾持的地塹構(gòu)造,在高郵凹陷內(nèi)呈NEE向線狀延伸,至吳堡斷裂帶西端終止。

圖1 研究區(qū)斷層系統(tǒng)與構(gòu)造位置圖Fig.1 Faulting system and structural location of the study area

晚白堊世末期儀征運(yùn)動(dòng)是蘇北盆地區(qū)域坳陷成盆期向拉張斷陷箕狀盆地機(jī)制轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(舒良樹(shù)等,2005;陳安定,2010)。晚白堊世至古新世,高郵凹陷進(jìn)入分散斷陷時(shí)期,斷裂以北傾的階梯狀正斷層組合為特點(diǎn),凹陷內(nèi)沉積了較厚的古新統(tǒng)泰州組和阜寧組,阜寧組沉積末期的吳堡運(yùn)動(dòng)使盆地內(nèi)早期沉積經(jīng)受了少量的剝蝕(劉玉瑞等,2004;朱光等,2013)。吳堡運(yùn)動(dòng)后,高郵凹陷進(jìn)入集中斷陷時(shí)期,斷裂活動(dòng)集中在地塹式的深凹帶內(nèi),其間充填了巨厚的始新統(tǒng)戴南組和三垛組,此時(shí)高郵凹陷的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的分異,南斷階、深凹帶和北斜坡的構(gòu)造格局基本定型。始新世末期區(qū)域性擠壓事件三垛運(yùn)動(dòng)使盆地整體抬升,造成漸新世沉積間斷(劉玉瑞等,2004;舒良樹(shù)等,2005;陳安定,2010)。至新近紀(jì)鹽城組沉積期高郵凹陷的構(gòu)造活動(dòng)逐漸收斂,高郵凹陷進(jìn)入穩(wěn)定沉降發(fā)育時(shí)期(表1)。

2 斷層幾何學(xué)特征

高郵凹陷深凹帶以北傾的真②斷層為南界,如圖1所示,真②斷層是由三段相對(duì)獨(dú)立的斷層拼接而成,自西向東分別為真②-1斷層、真②-2斷層和真②-3斷層(李寶剛,2008)。其中真②-3斷層延伸長(zhǎng)、活動(dòng)強(qiáng)、幾何形態(tài)復(fù)雜,是研究區(qū)的邊界斷層也是本文的主要研究對(duì)象。通過(guò)高精度三維地震數(shù)據(jù)的解釋還原出真②-3斷層(以下均稱(chēng)真②斷層)現(xiàn)今三維斷面形態(tài)(圖2)。真②斷層在走向上呈寬緩波狀彎曲,整體 NEE向延伸,基本平行于控盆的邊界斷層真①斷層的走向。沿走向方向真②斷層由NWW向和 NE向的斷層段交替出現(xiàn),相互拼接組成內(nèi)凹斷面和外凸斷面交替排列的斷面形態(tài)。

表1 研究區(qū)地層與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)表Table1 Stratigraphic and tectonic movements of the study area

圖2 真②斷層斷面形態(tài)及分段圖Fig.2 Fault plane morphology and fault segmentation of the Zhen 2 fault

按幾何形態(tài)真②斷層可以劃分為四個(gè)亞段:第一亞段位于斷層西端,走向 NEE轉(zhuǎn)為 NWW,為一傾角相對(duì)較緩的斷面坡;第二亞段位于斷層西側(cè),走向 NEE,斷面上陡下緩呈鏟式,深部交于真①斷層之上,該亞段在工區(qū)內(nèi)切割深度最大,約 6 km;第三亞段位于斷層?xùn)|側(cè),走向 NE,為一陡傾的斷層瀑布面,向東傾角逐漸變緩,南側(cè)與紀(jì) 3斷層相交;第四亞段位于斷層?xùn)|端,走向 NW,與第三亞段的東側(cè)相連構(gòu)成外凸的斷面緩坡,向東交于盆地的另一條邊界斷層吳①斷層之上(見(jiàn)圖1、2)。

真②斷層的上盤(pán)發(fā)育有多條走向多變的的次級(jí)斷層(圖1)。對(duì)次級(jí)斷層各段走向的統(tǒng)計(jì)表明(圖3),次級(jí)斷層由NEE走向和近EW走向的斷層段交替出現(xiàn)。其中NEE向的斷層段數(shù)量與近EW向斷層段數(shù)量基本相同,這些斷層段平面上相互連接呈鋸齒狀,走向上延伸較遠(yuǎn),剖面上大多上陡下緩呈鏟式。

3 斷層生長(zhǎng)特征

3.1 斷層生長(zhǎng)特征的定量研究方法

斷層的生長(zhǎng)是斷層面在空間內(nèi)不斷擴(kuò)張的結(jié)果,對(duì)于斷層生長(zhǎng)的定量研究的最重要的方法是斷層的位移-長(zhǎng)度曲線法,該方法將斷層的二維研究擴(kuò)展到三維(董進(jìn)等,2004;王林等,2011)。斷層的位移-長(zhǎng)度曲線是以斷層的軌跡長(zhǎng)度為橫坐標(biāo),以斷層的視位移量(地震測(cè)線上計(jì)算的斷層的兩個(gè)相當(dāng)點(diǎn)的歐式距離)為縱坐標(biāo),定量反映斷層的位移量沿走向變化的研究方法。目前一般認(rèn)為,斷層的位移-長(zhǎng)度關(guān)系是D=cLn,其中n變化很大,且斷層發(fā)育不同時(shí)期具有不同的數(shù)值(Kim and Sanderson,2005)。

斷層落差法是根據(jù)生長(zhǎng)正斷層上下兩盤(pán)的地層厚度不等提出的定量分析斷層活動(dòng)性的方法,其定義為下降盤(pán)地層厚度與上升盤(pán)地層厚度之差(趙勇和戴俊生,2003)。在精細(xì)的地震解釋基礎(chǔ)上,本文計(jì)算了各地震測(cè)線位置的斷層位移和斷層落差沿?cái)鄬幼呦蜃兓奶卣?定量的恢復(fù)了研究區(qū)邊界斷層和次級(jí)斷層的生長(zhǎng)特征。

圖3 次級(jí)斷層各段走向玫瑰花圖Fig.3 Strike rose diagram of the secondary faults

3.2 邊界斷層生長(zhǎng)特征

由上述方法計(jì)算真②斷層的位移-長(zhǎng)度關(guān)系(圖4a),真②斷層在始新世戴南期形成時(shí),位移長(zhǎng)度曲線表現(xiàn)為劇烈變化的鋸齒形,具有六個(gè)極值,可分為六個(gè)小的亞段,表明真②斷層的形成初期具有六個(gè)小的生長(zhǎng)中心,其中第 2、3亞段的位移量最大,分別為1927 m和2134 m,各段的相接的位置位移量相對(duì)較小。真②斷層位移大的位置伴隨著強(qiáng)的斷層活動(dòng),體現(xiàn)在其斷層落差相對(duì)較大(圖4b),如 2、3亞段斷層落差分別達(dá)到1363 m和1509 m,而斷層位移量較小的位置斷層落差沒(méi)有出現(xiàn)高值,表明在各斷層段之間的位置斷層的活動(dòng)性較弱。斷層沿多個(gè)中心同時(shí)生長(zhǎng),各條斷層分支保持獨(dú)立的生長(zhǎng)特征,在幾何形態(tài)上沒(méi)有發(fā)生明顯的硬連接。

圖4 真②斷層生長(zhǎng)特征圖Fig.4 Growth characteristics of the Zhen 2 fault

當(dāng)斷層演化進(jìn)入始新世三垛期時(shí),戴南期各條斷層分支相連的部位的活動(dòng)性顯著增大,3、4亞段連接處斷層落差值為1288 m;4、5亞段的連接處斷層落差值為1421 m,其余各相連處的斷層落差均有不同程度的增加。戴南期位移-長(zhǎng)度曲線上的位移虧損點(diǎn)(位移-長(zhǎng)度曲線上的位移極小值處)的強(qiáng)活動(dòng)性表明:3、4、5亞段發(fā)生斷層硬連接成為一個(gè)整體,形成了真②斷層的第三亞段。四個(gè)亞段之間的三個(gè)連接位置斷層落差的增加表明真②斷層在三垛期發(fā)生硬連接,但各亞段在連接初期運(yùn)動(dòng)學(xué)上保持相對(duì)獨(dú)立。

斷層的剖面形態(tài)也反映了斷層的生長(zhǎng)特征(剖面位置見(jiàn)圖1):在始新世戴南期,真②邊界斷層位移量大,剖面形態(tài)成板式,顯示出真②斷層在形成初期快速成核、生長(zhǎng)的特征。進(jìn)入始新世三垛期后,斷層的位移量與戴南期相近,真②邊界斷層剖面形態(tài)由板式轉(zhuǎn)化為鏟式,斷層生長(zhǎng)特征表現(xiàn)為在戴南期基礎(chǔ)上的位移量持續(xù)增大,斷層繼續(xù)快速生長(zhǎng)。至新近紀(jì)鹽城期真②邊界斷層位移量小,表現(xiàn)為少量的繼承性生長(zhǎng)(圖5)。

真②斷層的總的位移長(zhǎng)度曲線顯示,真②斷層現(xiàn)今的 4個(gè)亞段中,其中三亞段位移量最大,在古近紀(jì)的活動(dòng)性也最強(qiáng),這與真②斷層在斷面形態(tài)上具有非常一致的匹配性:斷層位移極大處代表斷層的生長(zhǎng)中心,斷層位移極小處代表斷層的連接點(diǎn),體現(xiàn)為斷面形態(tài)上斷面走向和傾角的突變點(diǎn)。同時(shí),分段發(fā)育的正斷層上在位移極小處形成橫向凸起,位移極大處形成向斜(孫思敏,2003;李寶剛,2008)。因此,體現(xiàn)在深凹帶的結(jié)構(gòu)上,第一、三、四亞段的位移極大處分別形成了邵伯、樊川、劉五舍三個(gè)次凹,位移與對(duì)應(yīng)次凹的沉降幅度呈正相關(guān);第一、二亞段連接處和二、三亞段連接處以及三、四亞段連接處分別形成了真武-曹莊構(gòu)造帶、肖劉莊構(gòu)造帶和富民背斜帶三個(gè)正向構(gòu)造帶(圖1)。

3.3 次級(jí)斷層生長(zhǎng)特征

研究區(qū)內(nèi)的次級(jí)斷層延伸距離較長(zhǎng),活動(dòng)較強(qiáng),切穿主力烴源巖層,是劃分?jǐn)鄩K和控制油氣分布的重要斷層。對(duì)于次級(jí)斷層的生長(zhǎng)特征,分析選取了工區(qū)內(nèi)兩條走向多變,規(guī)模較大的生長(zhǎng)斷層——F2和F4斷層,對(duì)其位移-長(zhǎng)度關(guān)系進(jìn)行了分析(圖6a)。

圖5 斷層生長(zhǎng)剖面圖Fig.5 Cross sections for the fault growth

圖6 次級(jí)斷層位置(a)及位移-長(zhǎng)度關(guān)系(b)圖Fig.6 Location (a)and displacement-length curves of the secondary faults (b)

F2斷層位于工區(qū)中部,走向上由 NEE向和近EW向交替出現(xiàn),斷面上陡下緩呈鏟式,深部逐漸收斂于真②斷層。F2斷層的位移-長(zhǎng)度曲線顯示(圖6b),F2斷層在戴南期形成時(shí)有三個(gè)小的生長(zhǎng)中心,三垛期互相連接形成兩個(gè)亞段。斷層的位移最小值出現(xiàn)在 EW 走向段的 840測(cè)線處,位移最大的兩個(gè)極值出現(xiàn)在 NEE走向段的 801測(cè)線和 901測(cè)線處。F4斷層位置與F2斷層接近,走向呈由NEE向和近EW向交替出現(xiàn)的鋸齒形(圖6b)。F4斷層的位移長(zhǎng)度曲線顯示,四號(hào)斷層在戴南期由三個(gè)獨(dú)立生長(zhǎng)中心,三垛期位移比較均勻,總位移特征與戴南期相似,位移極小處位于近EW走向段的881和901測(cè)線處,位移極大值位于NEE走向段的870和921測(cè)線處。

聯(lián)系 F2、F4斷層的走向變化圖(圖6a),在位移長(zhǎng)度曲線上出現(xiàn)位移虧損的測(cè)線位于近EW的走向段,而位移的極大值出現(xiàn)在 NEE向的走向段,因此這些次級(jí)斷層在發(fā)育的過(guò)程中,NEE走向的斷層段首先發(fā)育,近EW向的斷層段發(fā)育晚,對(duì)NEE向的斷層段可能起到連接的作用。

4 斷層生長(zhǎng)的主控因素分析

4.1 區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的方向是影響斷層發(fā)育的最重要的因素。高郵凹陷晚白堊世以來(lái)經(jīng)歷了多期構(gòu)造變化,并主要受控于東部太平洋板塊的運(yùn)動(dòng)(朱光等,2001)。高郵凹陷下構(gòu)造層沉積期(泰州期-阜寧期),受太平洋板塊斜向高角度俯沖的影響,高郵凹陷處于弧后擴(kuò)張環(huán)境,地幔上涌巖石圈減薄使區(qū)域產(chǎn)生了NNW-SSE方向的伸展,形成了NEE走向的高郵凹陷,同時(shí)下構(gòu)造層的斷層形跡也顯示NEE向斷層占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(侯明金等,2007;朱光等,2013)。古新世末期吳堡運(yùn)動(dòng)后,高郵凹陷中構(gòu)造層沉積期(戴南-三垛期)區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力方向發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)為近SN向,體現(xiàn)在 NEE向的真②邊界斷層出現(xiàn)走滑分量,形成三條右旋右列的分支。此時(shí)近 EW 向的斷層活動(dòng)強(qiáng)度有所上升,這可能是由于太平洋俯沖角度變化(相當(dāng)于三垛期,50 Ma)以及郯廬斷裂右旋活動(dòng)派生的近SN向的伸展應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)(朱光等,2001;能源等,2012)。

4.2 邊界斷層生長(zhǎng)的控制因素

伸展邊界的形態(tài)是影響伸展盆地構(gòu)造形成特征的主要因素(周建勛和漆家福,1999;周建勛,2000;王璽等,2013)。為研究高郵凹陷真①控盆邊界斷層的作用,采用了有限元法對(duì)始新世戴南期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。有限元法數(shù)值模擬是將一個(gè)地質(zhì)體離散成有限個(gè)連續(xù)的單元,為每個(gè)單元內(nèi)賦予實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù),通過(guò)分析地質(zhì)條件決定邊界受力和節(jié)點(diǎn)平衡條件,建立并求解以節(jié)點(diǎn)位移為未知量,進(jìn)而計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變值(王紅才等,2002)。

本文根據(jù)古新統(tǒng)阜寧組頂面構(gòu)造圖與平衡剖面恢復(fù)該時(shí)期的斷層位置與形態(tài),建立了始新世戴南期的地質(zhì)模型:預(yù)設(shè)斷層為戴南期已形成并強(qiáng)烈活動(dòng)的真①斷層和戴南初期形成的真②斷層(圖7),模型地層厚度通過(guò)測(cè)井資料設(shè)定為深凹帶阜寧組和戴南組一段的平均厚度之和約1500 m,其中真①斷層切深1500 m,真②斷層切深500 m,真實(shí)還原戴南初期的地質(zhì)條件。材料的巖石力學(xué)參數(shù)由巖心三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得,對(duì)斷層帶單元和地層單元分別加載了不同的力學(xué)參數(shù),其中斷層帶具有相對(duì)大的泊松比和相對(duì)小的彈性模量及密度(表2)。本次模擬采用 ANSYS有限元分析軟件,采用 SOLⅠD45網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分。通過(guò)上文分析,戴南初期區(qū)域伸展方向?yàn)榻?SN向,因此在模型南北方向兩個(gè)面上施加了6 MPa的張應(yīng)力(略高于巖石破裂強(qiáng)度,反復(fù)加載得出變形結(jié)果最接近現(xiàn)今構(gòu)造的加載方式),垂向應(yīng)力由模型自身的重力產(chǎn)生,戴南初期模型反映的地質(zhì)體處于地表狀態(tài),因此頂面未施加上覆巖層的重力。約束真①斷層下盤(pán)Z方向的位移以減少盆地基底的活動(dòng),由有限元分析軟件計(jì)算輸出戴南期最小主應(yīng)力的分布和方向。本次模擬研究區(qū)橫向尺度與垂向尺度比較大(大于10∶1),因此將研究區(qū)簡(jiǎn)化為一平板模型,平板模型在反映地質(zhì)體局部構(gòu)造的應(yīng)力分布上精度略顯不足,但能宏觀的反映較大區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征,為斷層生長(zhǎng)研究提供指導(dǎo)。

圖7 戴南期深凹帶最小主應(yīng)力分布圖(a)及方向圖(b)Fig.7 Maps showing the distribution (a)and directional pattern (b)of the minimum principal stress in the Dainan Period

表2 應(yīng)力場(chǎng)模擬力學(xué)參數(shù)表Table2 Mechanical parameters in simulating structural stress field

通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬表明:首先在真①斷層上盤(pán)的真②斷層附近,最小主應(yīng)力呈條帶狀分布(圖7a),其數(shù)值由南向北先增大后減小,最大值位于真②斷層的凸形邊界處,最小主應(yīng)力的變化方向與伸展邊界真①斷層的走向垂直,伸展邊界發(fā)生走向變化的部位,最小主應(yīng)力也發(fā)生相應(yīng)變化。在真②斷層形成前后,最小主應(yīng)力的高值區(qū)是有利于斷層生長(zhǎng)的位置,沿伸展邊界方向帶狀展布的最小主應(yīng)力高值決定了真②斷層的類(lèi)似于真①斷層波狀彎曲的幾何形態(tài)。其次,在伸展邊界附近,最小主應(yīng)力的方向與伸展邊界的方向基本垂直(圖7b);略遠(yuǎn)于伸展邊界的位置,最小主應(yīng)力方向仍與伸展邊界的方向(NEE)近于垂直,但發(fā)生了向區(qū)域伸展方向(近 SN)的偏移;而在遠(yuǎn)離伸展邊界的位置上,最小主應(yīng)力的方向與區(qū)域的伸展方向是一致的。因此真②斷層的發(fā)育位置與伸展邊界距離較近,受到的伸展作用方向與伸展邊界方向垂直,也決定了在斷層走向在生長(zhǎng)過(guò)程中保持了與真①斷層的高度一致性。

在斷層生長(zhǎng)過(guò)程中,斷層的相互作用也是影響其生長(zhǎng)的重要因素,在區(qū)域應(yīng)力變化不大的情況下,斷層周?chē)募魬?yīng)力變化是斷層相互作用最重要的影響因素(圖8a)。每個(gè)斷層由應(yīng)力增加區(qū)域和應(yīng)力下降區(qū)域環(huán)繞,斷層端應(yīng)力增加,斷層中心應(yīng)力降低(Gupta and Scholz,2000)。因此,在斷層生長(zhǎng)過(guò)程中,進(jìn)入另一條斷層的應(yīng)力降低區(qū)時(shí),會(huì)抑制斷層的生長(zhǎng),進(jìn)入應(yīng)力增加區(qū)時(shí),有利于斷層的生長(zhǎng)。

真②斷層第一、二亞段連接處的構(gòu)造形跡分析(圖8b),這兩個(gè)亞段在生長(zhǎng)連接的過(guò)程中經(jīng)歷了明顯的軟連接階段,在起連接作用的斜向斷層內(nèi)出現(xiàn)了斷階狀的單斜層,兩個(gè)亞段的距離小,重疊度較高,因此相互作用強(qiáng)烈,連接處在位移-長(zhǎng)度曲線上(測(cè)線360處)表現(xiàn)出很高的位移梯度。真②斷層的第三、四亞段連接時(shí),受到南側(cè)的北東走向北傾的紀(jì) 3斷層影響,靠近紀(jì)3斷層周?chē)鷳?yīng)力值較低,遠(yuǎn)離紀(jì)3斷層中心時(shí)應(yīng)力值相對(duì)增加,因此這兩個(gè)亞段在生長(zhǎng)過(guò)程中,生長(zhǎng)方向表現(xiàn)為在紀(jì)3斷層附近偏離伸展邊界的延伸方向,在靠近紀(jì) 3斷層端部時(shí),兩個(gè)亞段生長(zhǎng)方向又向中心靠攏,發(fā)生連接。第三、四亞段與紀(jì) 3斷層的相互作用使真②斷層在三、四亞段連接處的外凸形態(tài)明顯大于真①斷層且出現(xiàn)V字形的斷面(圖8b)。

圖8 真②斷層各亞段相互作用示意圖Fig.8 Interaction among segments of the Zhen 2 fault

4.3 次級(jí)斷層生長(zhǎng)主控因素

次級(jí)斷層的分布位置距離伸展邊界的真①斷層較遠(yuǎn),構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果也顯示,在次級(jí)斷層的發(fā)育位置,伸展方向與區(qū)域伸展方向保持了良好的一致性,幾乎沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)(圖7b)。次級(jí)斷層的發(fā)育過(guò)程中,受到伸展邊界斷層的影響很小。研究區(qū)內(nèi)次級(jí)斷層發(fā)育時(shí)間相對(duì)較晚,且深凹帶為古新世泰州-阜寧期斷裂活動(dòng)最弱的位置,基底斷層對(duì)次級(jí)斷層形成的影響也很小。因此,工區(qū)內(nèi)次級(jí)斷層的生長(zhǎng)過(guò)程可以真實(shí)的反映區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的變化。

在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上,次級(jí)斷層的生長(zhǎng)是早期薄弱面先發(fā)育為 NEE向斷層段,后期斷層段追蹤連接的生長(zhǎng)模式。前文已述,盆地下構(gòu)造層沉積期的阜寧期區(qū)域的伸展方向?yàn)?NNW-SSE向,此時(shí)整個(gè)區(qū)域的伸展作用比較均勻(朱光等,2013),在整個(gè)區(qū)域里形成了大量 NEE走向的斷層,在構(gòu)造活動(dòng)最弱的深凹帶的位置,形成了 NEE走向的薄弱面或者斷距較小,地震剖面上難識(shí)別的小斷層。吳堡運(yùn)動(dòng)后,區(qū)域伸展方向轉(zhuǎn)為近 SN向,早期的NEE向斷層處于斜向伸展的應(yīng)力狀態(tài)(Morley et al.,2004;詹潤(rùn)等,2012),當(dāng)后期的伸展向與前期薄弱面方向高角度斜交時(shí),前期的薄弱面處于有利的活動(dòng)方位(Clifton and Schlische,2001;Moir et al.,2010;Henza et al.,2011)。因此,在戴南-三垛期進(jìn)入近SN向的拉張時(shí),NEE向的斷層段首先活動(dòng),近 EW向的斷層段僅對(duì)NEE向的斷層段起到連接作用,形成了NEE走向和近EW走向段交替出現(xiàn)的鋸齒形斷層(圖9)。

5 結(jié) 論

高郵凹陷深凹帶真②邊界斷層在始新世戴南期具有六個(gè)生長(zhǎng)中心且各斷層段獨(dú)立發(fā)育,三垛期斷層段發(fā)生連接形成真②斷層的幾何形態(tài)明顯不同的四個(gè)亞段,生長(zhǎng)過(guò)程表現(xiàn)為戴南期各斷層段長(zhǎng)度快速增加和三垛期斷層位移的持續(xù)增大。真②斷層在走向上受伸展邊界真①斷層的控制,斷層亞段的連接方式和連接點(diǎn)斷層結(jié)構(gòu)受到斷層的相互作用影響。高郵凹陷深凹帶內(nèi)的次級(jí)斷層是由NEE走向段和近EW走向段交替出現(xiàn)的鋸齒狀斷層。次級(jí)斷層在始新世戴南期形成時(shí)具有 NEE走向的生長(zhǎng)中心,由古新世阜寧期形成的先存薄弱面發(fā)育而來(lái),斷層生長(zhǎng)表現(xiàn)為 NEE走向段首先活動(dòng),后期發(fā)育的近EW走向段對(duì)其進(jìn)行追蹤連接。

圖9 次級(jí)斷層生長(zhǎng)機(jī)制圖Fig.9 Growth mechanism of the secondary faults

致謝:感謝三位匿名審稿人對(duì)論文進(jìn)行了審閱,并提出了寶貴的修改意見(jiàn)和建議。感謝編輯部在本文發(fā)表過(guò)程中所做的辛勤工作。

陳安定.2010.蘇北盆地構(gòu)造特征及箕狀斷陷形成機(jī)理.石油與天然氣地質(zhì),31(2):10-20.

董進(jìn),張世紅,姜勇彪.2004.正斷層位移長(zhǎng)度關(guān)系及其研究意義.地學(xué)前緣,11(4):247-256.

竇立榮.2000.二連盆地邊界斷層的生長(zhǎng)模型及其對(duì)含油氣系統(tǒng)形成的控制.石油勘探與開(kāi)發(fā),27(2):43-46.

侯明金,朱光,Jacques M,Pierre V,王永敏.2007.郯廬斷裂帶(安徽段)及鄰區(qū)的動(dòng)力學(xué)分析與區(qū)域構(gòu)造演化.地質(zhì)科學(xué),42(2):158-177.

李寶剛.2008.高郵凹陷斷裂調(diào)節(jié)帶發(fā)育特征及其石油地質(zhì)意義.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,32(1):27-31.

劉玉瑞,劉啟東,楊小蘭.2004.蘇北盆地走滑斷層特征與油氣聚集關(guān)系.石油與天然氣地質(zhì),25(3):44-48.

能源,漆家福,張春峰,張克鑫,任紅民,鄭元財(cái).2012.金湖凹陷斷裂特征及其石油地質(zhì)意義.大地構(gòu)造與成礦學(xué),36(1):16-23.

舒良樹(shù),王博,王良書(shū),何光玉.2005.蘇北盆地晚白堊世-新近紀(jì)原型盆地分析.高校地質(zhì)學(xué)報(bào),11(4):68-77.

孫思敏,彭仕宓,汪新文.2003.東濮凹陷長(zhǎng)垣斷層的生長(zhǎng)特征與半地塹演化.石油與天然氣地質(zhì),24(2):25-27.

王紅才,王薇,王連捷,孫寶珊,夏柏如.2002.油田三維構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬與油氣運(yùn)移.地球?qū)W報(bào),23(2):175-178.

王林,田勤儉,李德文,張效亮.2011.京西北蔚縣-廣靈半地塹盆地南緣斷裂帶的斷層生長(zhǎng)研究.地震地質(zhì),33(4):92-102.

王璽,陳清華,朱文斌,馬婷婷,王曉蕾,劉寅.2013.蘇北盆地高郵凹陷邊界斷裂帶構(gòu)造特征及成因.大地構(gòu)造與成礦學(xué),37(1):20-28.

詹潤(rùn),楊貴麗,張盛,朱光.2012.青東凹陷復(fù)合型花狀構(gòu)造成因分析.大地構(gòu)造與成礦學(xué),36(4):473-482.

趙勇,戴俊生.2003.應(yīng)用落差分析研究生長(zhǎng)斷層.石油勘探與開(kāi)發(fā),30(3):14-16.

周建勛.2000.伸展方式對(duì)伸展構(gòu)造形成特征影響的相似模擬.大地構(gòu)造與成礦學(xué),24(1):71-75.

周建勛,漆家福.1999.伸展邊界方向?qū)ι煺古璧卣龜鄬幼呦虻挠绊憽獊?lái)自平面砂箱實(shí)驗(yàn)的啟示.地質(zhì)科學(xué),34(4):97-103.

朱光,姜芹芹,樸學(xué)峰,謝成龍.2013.基底斷層在斷陷盆地?cái)鄬酉到y(tǒng)發(fā)育中的作用——以蘇北盆地南部高郵凹陷為例.地質(zhì)學(xué)報(bào),87(4):3-14.

朱光,王道軒,劉國(guó)生,宋傳中,徐嘉煒,牛漫蘭.2001.郯廬斷裂帶的伸展活動(dòng)及其動(dòng)力學(xué)背景.地質(zhì)科學(xué),36(3):16-25.

Anders M H and Schlische R W.1994.Overlapping faults,intrabasin highs and the growth of normal faults.The Journal of Geology,102:165-180.

Clifton A E and Schlische R W.2001.Nucleation,growth,and linkage of faults in oblique rift zones:Results from experimental clay models and implications for maximum fault size.Geology,29:455-458.

Cowie P A and Roberts G P.2001.Constraining slip rates and spacings for active normal faults.Journal of Structural Geology,23:1901-1915.

Gawthorpe R L,Jackson C A,Young M J,Sharp Ⅰ R,Moustafa A R and Leppard C W.2003.Normal fault growth,displacement localisation and the evolution of normal fault populations:The Hammam Faraun fault block,Suez rift,Egypt.Journal of Structural Geology,25:883-895.

Gupta A and Scholz C H.2000.A model of fault interaction based on observations and theory.Journal of Structural Geology,22:865-879.

Henza A A,Withjack M O and Schlische R W.2011.How do the properties of a pre-existing normal-fault population influence fault development during a subsequent phase of extension.Journal of Structural Geology,22:1312-1324.Kim Y S and Sanderson D J.2005.The relationship between displacement and length of faults:A review.Earth-Science Reviews,68:317-334.

Mansfield C and Cartwright J.2001.Fault growth by linkage:Observations and implications from analogue models.Journal of Structural Geology,23:745-763.

Moir H,Lunn R J,Shipton Z K and Kirkpatrick J D.2010.Simulating brittle fault evolution from networks of pre-existing joints within crystalline rock.Journal of Structural Geology,32:1742-1753.

Morley C K,Haranya C,Phoosongsee W,Pongwapee S,Kornsawan A and Wonganan N.2004.Activation of rift oblique and rift parallel pre-existing fabrics during extension and their effect on deformation style:Examples from the rifts of Thailand.Journal of Structural Geology,26:1803-1829.

Schlagenhauf A,Manighettia Ⅰ and Malavieille J.2008.Ⅰncremental growth of normal faults:Ⅰnsights from a laser-equipped analog experiment.Earth and Planetary Science Letters,273:299-311.

Young M J,Gawthorpe R L and Hardy S.2001.Growth and linkage of a segmented normal fault zone:The Late Jurassic Murchison-Statfjord North Fault,northern North Sea.Journal of Structural Geology,23:1933-1952.