楊海盟，鄒 娟，馬士磊，趙宗波，盧寧寧

(1.中國石化中原油田分公司采油三廠，河南 清豐 457000； 2.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004； 3.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引 言

高郵凹陷是蘇北盆地東臺坳陷中部的一個(gè)次級凹陷，凹陷內(nèi)部由南向北依次劃分為南部斷階帶、中部深凹帶和北部斜坡帶。該凹陷先后經(jīng)歷了儀征運(yùn)動、吳堡運(yùn)動、真武運(yùn)動和三垛運(yùn)動，沉積了白堊系泰山組，古近系阜寧組、戴南組、三垛組，新近系鹽城組及第四系東臺組地層。

漢留斷裂帶位于蘇北盆地高郵凹陷東南部，是高郵凹陷主要的油氣聚集帶之一。漢留斷裂帶在平面上延伸長度約70 km，寬度約5 km，是發(fā)育于真①斷層上盤的反向斷層，受重力補(bǔ)償作用形成[1-2]。沿?cái)嗔褞ё晕飨驏|依次發(fā)育赤岸、馬家嘴、聯(lián)盟莊、永安和富民等多個(gè)油田。凹陷內(nèi)主要發(fā)育NEE向真武斷裂帶、漢留斷裂帶和NE向吳堡斷裂帶，其中吳堡斷裂帶與真武斷裂帶構(gòu)成了高郵凹陷南部主要邊界，這兩條斷裂帶對高郵凹陷的構(gòu)造格局演變和沉積中心遷移具有重要影響[3-5]。

前人對蘇北盆地構(gòu)造演化進(jìn)行了研究[6-8]。張克鑫等認(rèn)為蘇北盆地構(gòu)造演化先后經(jīng)歷了坳陷式伸展(K2t—E1f1)、斷陷期(E1f2—E1f4)、單向伸展轉(zhuǎn)為雙向伸展(E2d—E2s)、坳陷期(N-Q)[6]；李學(xué)慧等運(yùn)用斷層落差法和平衡剖面技術(shù)對高郵凹陷南斷階斷層形成時(shí)期和斷層活動強(qiáng)弱特征進(jìn)行了分析[9-11]。此外，構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用[12-17]。例如，戴俊生等運(yùn)用該技術(shù)分析構(gòu)造應(yīng)力對斷層的控制作用，在高郵凹陷南斷階東部阜寧期模擬取得了良好的效果[18]；張繼標(biāo)等運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對各級別斷層成因進(jìn)行探討，認(rèn)為真①斷層和真②斷層發(fā)育主要受區(qū)域伸展和郯廬斷裂帶影響，真①斷層和真②斷層之間的三級斷層主要受真①斷層派生的古局部構(gòu)造應(yīng)力場控制[19]。漢留斷裂帶平面上具有明顯的分段特征，剖面上不同斷層段的斷層組合樣式也存在一定的差異[20]。李鶴永對漢留斷裂帶西、中、東段斷層幾何學(xué)特征、構(gòu)造樣式、斷層活動性等進(jìn)行研究，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力場方向的轉(zhuǎn)變和巖漿侵入控制了漢留斷裂帶自西向東發(fā)育的不同構(gòu)造樣式[21]。目前，通過建立研究區(qū)的地質(zhì)模型和力學(xué)模型，利用構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)解釋斷裂成因機(jī)制、預(yù)測斷層或裂縫的發(fā)育是一種比較可靠的斷裂成因機(jī)制解釋方法[22-24]。因此，本文在分析構(gòu)造演化和斷層活動性的基礎(chǔ)上，選取阜寧期和三垛期進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，從動力學(xué)角度分析主體斷層成因機(jī)制，以期為漢留斷裂帶油氣勘探開發(fā)提供借鑒。

1 斷層特征

漢留斷裂帶西部斷層分叉發(fā)育，形成了NEE向正斷層和一系列次級斷層組成的復(fù)雜斷裂帶(圖1)。斷層級別上，漢留斷裂帶屬于高郵凹陷內(nèi)部二級斷層，其余NNE向斷層屬于三級斷層，南部NWW向斷層劃為四級斷層，主斷層之間小斷層劃為五級斷層。平面上，最北部一條斷層西部走向NEE，東部走向近EW，轉(zhuǎn)折處發(fā)育一條次級斷層，往南3條主斷層走向NEE，漢留斷裂帶次級斷層走向以NWW為主，發(fā)育斷層組合樣式有平行式、羽狀和斜交式。剖面上，NEE向主斷層切割古近系，傾向SSE，傾角約40°，呈階梯狀展布，并且發(fā)育“Y”字形和復(fù)“Y”字形斷層組合。斷層性質(zhì)和構(gòu)造樣式表明研究區(qū)斷層在以伸展作用為主的應(yīng)力場作用下形成。

古近系阜寧組二段底部圖1 蘇北盆地高郵凹陷漢留斷裂帶構(gòu)造位置與斷裂分布Fig.1 Structure Position and Fault Distribution of Hanliu Fault Zone in Gaoyou Sag of Subei Basin

1.1 構(gòu)造演化剖面分析

平衡剖面經(jīng)眾多學(xué)者研究[25-27]，技術(shù)和理論日趨完善。本文采用旋轉(zhuǎn)法[28]，遵循剖面中層長守恒的原則，將相當(dāng)點(diǎn)歸位，進(jìn)行構(gòu)造演化分析。

由Inline570構(gòu)造演化剖面(圖2)可以看出，阜寧期漢留斷裂帶斷層發(fā)育，斷層傾向SE，真武斷裂帶斷層強(qiáng)烈活動，斷層傾向NW。戴南期漢留斷裂帶斷層繼續(xù)發(fā)育，斷層活動性增強(qiáng)，派生次級斷層；真武斷裂帶斷層持續(xù)強(qiáng)烈活動，中部地層水平沉積。三垛期漢留斷裂帶斷層持續(xù)強(qiáng)烈活動，次級斷層較發(fā)育；真武斷裂帶經(jīng)歷斷層活動性由強(qiáng)變?nèi)醯倪^程。鹽城期至今，斷層微弱活動后停止。

結(jié)合大地構(gòu)造背景，將漢留斷裂帶構(gòu)造演化分為4個(gè)階段：阜寧期斷層發(fā)育弱活動階段；戴南期斷層較強(qiáng)活動階段；三垛期次級斷層發(fā)育逆牽引形成階段；鹽城期至今穩(wěn)定沉降階段。

1.2 斷層落差分析

大量的鉆井資料表明，戴南組和三垛組地震反射界面標(biāo)定較準(zhǔn)確，斷層落差計(jì)算數(shù)據(jù)較可靠，但阜寧組鉆井揭示較少且地震反射雜亂，因此，斷層落差數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)有資料大致推測得到。

斷層落差法是定量分析斷層活動性的常用方法[29-30]，即通過加密地震測線，統(tǒng)計(jì)覆蓋研究區(qū)12條地震解釋剖面各條斷層上、下盤地層厚度之差，并繪制斷層落差直方圖(圖3)。

由圖3可知：阜寧期斷層活動性強(qiáng)烈，阜二期f4斷層開始活動，阜四期f1、f3斷層形成；戴南期f1、f3斷層活動性增強(qiáng)，f4斷層持續(xù)強(qiáng)烈活動，f2斷層形成；三垛期f1、f2、f3斷層活動性最強(qiáng)，垛二期f3斷層落差約170 m，f4斷層活動性在三垛期呈斷崖式減弱。綜上所述，研究區(qū)主斷層在阜寧期發(fā)育，三垛期活動性強(qiáng)烈，垛二期f3斷層落差約170 m。

2 構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬

斷層活動受控于構(gòu)造應(yīng)力場，因此，研究構(gòu)造應(yīng)力場對于油氣運(yùn)聚具有重要意義[31-32]。由構(gòu)造演化剖面和斷層落差分析可知，阜寧期和三垛期斷層發(fā)育。本文運(yùn)用Ansys軟件建立有限元地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，以此來解釋斷層發(fā)育特征及成因機(jī)制等。

2.1 構(gòu)造應(yīng)力場方向

共軛節(jié)理、共軛斷層面、斷層產(chǎn)狀、擦痕、褶皺及縫合線等構(gòu)造形跡都可以作為判斷構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)的依據(jù)[33]。由阜寧期和三垛期斷層走向玫瑰花圖(圖4)可知：阜寧期斷層走向總體近EW向，判斷阜寧期最小主應(yīng)力方向近SN向；三垛期斷層發(fā)育方向近EW向，三垛期最小主應(yīng)力方向?yàn)榻黃N向。

2.2 模型建立與加載

阜寧期地質(zhì)模型的建立主要參考了阜寧組二段底面構(gòu)造圖，選擇真①斷層作為先存斷層,綜合地質(zhì)資料、地震剖面解釋結(jié)果和古構(gòu)造恢復(fù)結(jié)果，設(shè)置真①斷層走向?yàn)?3°，傾角為13°，阜寧組厚度為3 000 m[圖5(a)]。

Q為第四系；Ny為新近系鹽城組；E1f1為阜寧組一段；E1f2為阜寧組二段；E1f3為阜寧組三段；E1f4為阜寧組四段；E2d1為戴南組一段；E2d2為戴南組二段；E2s1為三垛組一段；E2s2為三垛組二段；K2t為泰山組圖2 Inline570構(gòu)造演化剖面Fig.2 Tectonic Evolution Profiles of Inline570

圖3 斷層落差柱狀圖Fig.3 Histograms of Fault Throw

圖4 阜寧期和三垛期三、四級斷層走向玫瑰花圖Fig.4 Strike Rose Diagrams of the Third and Fourth Faults During Funing Period and Sanduo Period

圖5 阜寧期和三垛期地質(zhì)模型Fig.5 Geological Models During Funing Period and Sanduo Period

不同構(gòu)造單元力學(xué)性質(zhì)有所差異，一般斷裂帶較正常沉積地層單元強(qiáng)度更弱[34-35]。本文將不同地質(zhì)單元賦予不同的巖石力學(xué)參數(shù)，參數(shù)大小參照文獻(xiàn)[18]和[19](表1)。采用Solid45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分出61 939個(gè)單元，參與運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)共12 667個(gè)。綜合斷層平面展布和其他地質(zhì)因素的影響，確定阜寧期主拉張方向?yàn)镾N，次拉張方向?yàn)镋W。

表1 不同地質(zhì)單元巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock Mechanical Parameters of Different Geological Units

由于難以得知阜寧期實(shí)際構(gòu)造應(yīng)力場的大小，模擬過程中外力通過類比施加虛擬值來實(shí)現(xiàn)，在符合客觀規(guī)律的前提下，模擬結(jié)果便可與實(shí)際構(gòu)造應(yīng)力場足夠接近，而構(gòu)造應(yīng)力場的變化趨勢則是完全相同的。經(jīng)過不斷調(diào)整模型加載方式，選擇最合理的加載方式，即施加9.8 m·s-2重力，在北邊界施加10 MPa拉張力，同時(shí)，為滿足有限元分析要求，在北邊界施加z方向約束，南邊界施加y方向約束，真①斷層及上升盤底面施加z方向約束。

漢留斷裂帶三垛期地質(zhì)模型的建立是以三垛組一段底面構(gòu)造圖為基礎(chǔ)，將f1、f2、f3、f4和真②斷層等設(shè)為先存斷裂，斷層傾向及傾角根據(jù)地質(zhì)和地震資料確定，綜合古構(gòu)造恢復(fù)結(jié)果，將三垛組厚度設(shè)置為2 000 m[圖5(b)]。根據(jù)斷層的巖石力學(xué)參數(shù)(表1)，采用Solid45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分出48 171個(gè)單元，參與運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)共17 177個(gè)。經(jīng)過不斷模型加載，最終確定施加9.8 m·s-2重力，在南、北邊界施加6 MPa拉張力，為滿足有限元分析要求，在真②、韋5斷層底面及上升盤底面施加z方向約束，西邊界施加z方向約束。

圖6 阜寧期應(yīng)力分布Fig.6 Stress Distributions During Funing Period

2.3 模擬結(jié)果

阜寧期模擬結(jié)果[圖6(a)]顯示，最小主應(yīng)力基本為正值，向南、北兩側(cè)呈條帶狀遞減，方向整體為近SN向。最大主應(yīng)力全為負(fù)值，高值區(qū)位于研究區(qū)北部，向南部呈帶狀遞減[圖6(b)]。平面剪應(yīng)力在研究區(qū)南部為負(fù)值，北部為正值[圖6(c)]。

三垛期模擬結(jié)果顯示，最小主應(yīng)力基本為正值，在南、北兩處各有一個(gè)高值，分別向南、北兩側(cè)呈條帶狀遞減，方向整體為近SN向[圖7(a)]。最大主應(yīng)力幾乎全為負(fù)值，在中部最大主應(yīng)力值最高，向兩側(cè)遞減[圖7(b)]。平面剪應(yīng)力北部為負(fù)值，南部局部區(qū)域也為負(fù)值，中部為正值[圖7(c)]。

圖7 三垛期應(yīng)力分布Fig.7 Stress Distributions During Sanduo Period

2.4 應(yīng)力場分布對斷層的控制

2.4.1 主差應(yīng)力對斷層的控制

戴俊生等研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造應(yīng)力場對斷層控制作用明顯[18,36-38]。構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬中涉及的張破裂計(jì)算通常采用格里菲斯準(zhǔn)則，剪切破裂計(jì)算通常采用庫侖-莫爾準(zhǔn)則[39-40]。研究區(qū)發(fā)生的破裂主要是剪切破裂，根據(jù)庫侖-莫爾準(zhǔn)則[40]，τ=(σ1-σ3)/(2sin(2α))，其中，τ為主差應(yīng)力，σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力，α為破裂面法線與最大主應(yīng)力間的交角，巖石剪切破裂程度隨主差應(yīng)力增大而增大[36]。漢留斷裂帶阜寧期主差應(yīng)力呈帶狀分布，大1井附近出現(xiàn)高值區(qū)，北部高值區(qū)發(fā)育兩條NE向斷層[圖8(a)]。三垛期主差應(yīng)力在中部較高，向東、西側(cè)主差應(yīng)力變大，巖石剪切破裂強(qiáng)度大，發(fā)育了一系列低級序斷層[圖8(b)]。

圖8 主差應(yīng)力與斷層展布Fig.8 Distributions of Main Differential Stress and Fault

2.4.2 平面剪應(yīng)力對斷層走向的控制

平面應(yīng)變橢圓往往顯示兩組共軛剪切破裂線[41]。平面剪應(yīng)力的分布情況通常使左旋、右旋兩組斷層發(fā)育程度不同，一般以一種旋向的斷層發(fā)育為主。

阜寧期平面應(yīng)變橢圓長軸為NNW—SSE向，短軸為SWW—NEE向，右旋破裂線為NEE向，控制中、南部發(fā)育NEE向斷層，左旋破裂線為近EW向，控制最北部區(qū)域形成近EW向斷層[圖9(a)]。三垛期受平面應(yīng)變橢圓的控制，在北部和南部部分區(qū)域受右旋控制發(fā)育NEE向斷層，在中部區(qū)域受左旋破裂控制發(fā)育NW向斷層[圖9(b)]。

圖9 平面剪應(yīng)力與斷層展布Fig.9 Distributions of Plane Shearing Stress and Fault

2.4.3 剖面剪應(yīng)力對斷層傾向的控制

戴俊生等指出在剖面應(yīng)變橢球中，剪切破裂線可以代表斷層的視傾斜線，從而確定斷層傾向[28]。阜寧期剖面剪應(yīng)力長軸為NW向，為張應(yīng)力方向，短軸為重力方向，該時(shí)期NW—SE向剖面北部剪應(yīng)力為負(fù)值，受右旋控制發(fā)育SE傾向斷層，南部剪應(yīng)力為正值，控制發(fā)育NW傾向斷層(圖10)，與地震剖面解釋一致。三垛期剖面剪應(yīng)力在北部為正值，控制發(fā)育SE傾向斷層，南部變成負(fù)值，控制發(fā)育NW傾向斷層，往南在真②斷層南部剖面剪應(yīng)力為正值，控制發(fā)育SE傾向斷層(圖11)，與地震解釋剖面一致。

3 結(jié) 語

(1)漢留斷裂帶主要發(fā)育NEE、近EW、NW向斷層，斷層走向具有明顯的分區(qū)性。斷層組合樣式在平面上為平行式、斜交式和羽狀，在剖面上為階梯狀、“Y”字形和復(fù)“Y”字形。古近紀(jì)以來，漢留斷裂帶西部構(gòu)造演化經(jīng)歷了阜寧期斷層發(fā)育弱活動階段，戴南期斷層較強(qiáng)活動階段，三垛期次級斷層發(fā)育逆牽引形成階段，鹽城期至今穩(wěn)定沉降階段。構(gòu)造演化剖面和斷層落差表明，阜寧期SSE傾向斷層發(fā)育，三垛期構(gòu)造活動強(qiáng)烈，次級斷層發(fā)育。

地震剖面為Inline370圖10 NW—SE向剖面中阜寧期剖面剪應(yīng)力與對應(yīng)位置地震剖面Fig.10 Shear Stress Distribution of NW-SE Profile During Funing Period and Seismic Profile of Corresponding Location

地震剖面為Inline270圖11 NW—SE向剖面中三垛期剖面剪應(yīng)力與對應(yīng)位置地震剖面Fig.11 Shear Stress Distribution of NW-SE Profile During Sanduo Period and Seismic Profile of Corresponding Location

(2)阜寧期最小主應(yīng)力基本為近SN向張應(yīng)力，北部主差應(yīng)力高值區(qū)斷層發(fā)育；平面剪應(yīng)力在中、南部為負(fù)值，控制發(fā)育NEE向斷層，北部為正值，控制發(fā)育近EW向斷層；剖面剪應(yīng)力負(fù)值區(qū)斷層傾向SE。

(3)三垛期最小主應(yīng)力基本為近SN向張應(yīng)力，中部主差應(yīng)力高值區(qū)次級斷層發(fā)育；北部和南部部分地區(qū)平面剪應(yīng)力為負(fù)值，控制發(fā)育NEE向斷層，中部為正值，控制發(fā)育近EW、NW向斷層；剖面剪應(yīng)力在北部為正值，控制SE傾向斷層，其南部為負(fù)值，控制NW傾向斷層，真②斷層南部剖面剪應(yīng)力為正值，控制SE傾向斷層。