劉露，孫永河，陳昌，婁瑞，王琦

（1. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2. 重慶科技學(xué)院非常規(guī)油氣開發(fā)研究院，重慶 401331；3. 復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；4. 中國石油遼河油田公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

先存構(gòu)造活化或再活動(dòng)這一現(xiàn)象在渤海灣盆地[1]、塔里木盆地[2-3]、Phitsanulok盆地[4]和渤海海域[5]等含油氣盆地或海域中普遍存在。通過野外露頭、地震資料及物理模擬研究發(fā)現(xiàn)，先存構(gòu)造再活動(dòng)強(qiáng)烈影響盆地結(jié)構(gòu)及演化，主要表現(xiàn)在 3個(gè)方面：①先存構(gòu)造再活動(dòng)是促使斷層生長傳播的重要因素[6-8]。②先存構(gòu)造再活動(dòng)影響晚期新生斷裂成核點(diǎn)位置[9]。③先存構(gòu)造再活動(dòng)還會(huì)改變或擾動(dòng)局部應(yīng)力場，進(jìn)而從根本上影響、改變區(qū)域的變形特征及構(gòu)造樣式[9-12]。如中國渤海灣盆地新生代演化受基底先存郯廬斷裂帶再活動(dòng)強(qiáng)烈影響，造成盆地部分地區(qū)繼承了基底走滑斷裂變形，形成了大量變換帶，同時(shí)影響了新生斷裂的發(fā)育[1]。然而，前人關(guān)于先存構(gòu)造再活動(dòng)的研究主要集中于裂谷系統(tǒng)中先存低角度正斷層和逆斷層的繼承性活動(dòng)[13-17]，而對(duì)裂谷系統(tǒng)中走滑斷裂的再活動(dòng)研究卻相對(duì)匱乏。究其原因，主要有兩方面：①由于走滑變形獨(dú)特的力學(xué)機(jī)制及伴生多種類型次級(jí)構(gòu)造，使得走滑斷裂再活動(dòng)的成因機(jī)制難于判斷。②走滑構(gòu)造在陸內(nèi)伸展、收縮應(yīng)力場下通常會(huì)與鄰區(qū)新生斷裂帶發(fā)生相互作用，導(dǎo)致變形特征極其復(fù)雜。

渤海灣盆地前新生界基底廣泛發(fā)育大量不同走向的先存斷裂[18]，其中北西向走滑斷裂在新生代再活動(dòng)控制了渤海灣盆地局部地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造變形[19-20]，起到了明顯的分區(qū)效應(yīng)。例如，南堡凹陷內(nèi)發(fā)育的北西向F4號(hào)斷裂于新生代再活動(dòng)控制了南堡凹陷4號(hào)構(gòu)造帶的形成與演化[21-24]。近年來的油藏評(píng)價(jià)表明南堡凹陷 4號(hào)構(gòu)造帶淺層具有良好的勘探潛力，多口井獲得油氣顯示，但僅在局部構(gòu)造的高部位油氣相對(duì)富集。南堡凹陷 4號(hào)構(gòu)造帶的結(jié)構(gòu)樣式較為復(fù)雜，不同時(shí)期構(gòu)造帶內(nèi)斷裂的性質(zhì)、變形特征、空間組合樣式存在顯著差異，然而作為控制 4號(hào)構(gòu)造帶演化的基底先存F4號(hào)斷裂在新生代如何發(fā)生再活動(dòng)、如何控制 4號(hào)構(gòu)造帶的形成和演化及其與鄰區(qū)2號(hào)、3號(hào)構(gòu)造帶如何發(fā)生相互作用等方面尚未有明確認(rèn)識(shí)，因而制約了油氣勘探效果。

南堡凹陷4號(hào)構(gòu)造帶包括4號(hào)斷裂帶及其相關(guān)構(gòu)造變形，其中4號(hào)斷裂帶是指基底先存F4號(hào)走滑斷裂及其派生的次級(jí)斷裂組合。本文以南堡凹陷 4號(hào)構(gòu)造帶為研究區(qū)，通過對(duì) 4號(hào)斷裂帶構(gòu)造樣式的解剖和斷裂活動(dòng)期次的厘定，分析F4號(hào)斷裂在新生代再活動(dòng)變形特征及生長方式；然后根據(jù)斷裂變形的幾何學(xué)特征、位移特征，結(jié)合砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)等手段，重新厘定F4號(hào)斷裂在新生代再活動(dòng)形成的 4號(hào)斷裂帶與鄰區(qū) 2號(hào)、3號(hào)斷裂帶演化相關(guān)關(guān)系；通過構(gòu)建斜交先存構(gòu)造走向的伸展作用下先存斷裂再活動(dòng)變形機(jī)制判別圖版，判斷F4號(hào)斷裂在不同時(shí)期再活動(dòng)的成因機(jī)制和變形方式；最后分析北西向F4號(hào)前新生代基底斷裂再活動(dòng)對(duì)油氣藏的控制作用，以期揭示渤海灣盆地北西向基底先存走滑構(gòu)造再活動(dòng)與油氣成藏的內(nèi)在聯(lián)系，指導(dǎo)油氣勘探潛力評(píng)價(jià)和有利區(qū)帶優(yōu)選。

1 地質(zhì)背景

渤海灣盆地是發(fā)育在華北陸塊上的中生代—新生代裂陷盆地[25-26]，晚侏羅世—早白堊世為中生代盆地的主要成盆期，在北西—南東向伸展作用下盆地主要發(fā)育北東—北北東向伸展構(gòu)造和北西向變換構(gòu)造[27-28]。南堡凹陷位于渤海灣盆地北部（見圖1a），控制凹陷東部邊界的北西向柏各莊斷層和北部邊界的北東—北東東向西南莊斷層均為自中生代開始活動(dòng)的斷裂[29]。此外，南堡凹陷內(nèi)部還發(fā)育北北東向F1、F1-5、F2、F3、F3-1、北東東向F5和北西向F4共7條主要的前新生代基底先存斷裂（見圖1b）。新生代南堡凹陷構(gòu)造演化具有多幕發(fā)育的特點(diǎn)，多期不同方向的區(qū)域伸展或多種構(gòu)造體制的疊加形成了現(xiàn)今凹陷內(nèi)復(fù)雜的構(gòu)造格局[21,30-31]。關(guān)于南堡凹陷的成因，前人提出了多種成因模式[21,30-33]，但都很難用統(tǒng)一應(yīng)力場解釋斷裂的分布、組合樣式及斷裂活動(dòng)。童亨茂等[24]和梁杰等[34]分別基于斷裂解析和物理模擬實(shí)驗(yàn)提出了分期異向伸展疊加模式，認(rèn)為新生代構(gòu)造應(yīng)力場存在一次轉(zhuǎn)變，由北西—南東向伸展轉(zhuǎn)為南北向伸展，這種模式解決了上述存在的問題，并由此將南堡凹陷構(gòu)造演化史分為裂陷Ⅰ幕、裂陷Ⅱ幕和后裂陷期。

圖1 渤海灣盆地區(qū)域構(gòu)造位置（a）、南堡凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D（b）及地層綜合柱狀圖[24]（c）

南堡凹陷是受西南莊斷層、柏各莊斷層和沙北斷層控制的三角形不對(duì)稱地塹結(jié)構(gòu)。北接老王莊凸起、西南莊凸起；南鄰沙壘田凸起；東連柏各莊凸起和馬頭營凸起。內(nèi)部發(fā)育北北東向、北西向基底先存斷裂和北東向、近東西向新生代新生斷裂，控制了 3個(gè)次洼和 5個(gè)復(fù)雜構(gòu)造帶的形成，總體呈現(xiàn)“五凸三凹、凸凹相間”的構(gòu)造格局，其中北西走向的 4號(hào)構(gòu)造帶位于凹陷東南部（見圖1b）。

根據(jù)古近系沙三段底界角度不整合面、古近系東營組底界微角度不整合面和新近系館陶組底界微角度不整合面，南堡凹陷自下而上劃分 4套構(gòu)造層[31]：前新生界基底構(gòu)造層、古近系裂陷Ⅰ幕構(gòu)造層（沙河街組）、裂陷Ⅱ幕構(gòu)造層（東營組）和新近系坳陷構(gòu)造層（館陶組—明化鎮(zhèn)組）（見圖1c）。

2 南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)證據(jù)及特征

本文通過對(duì)研究區(qū)南堡凹陷 4號(hào)斷裂帶靜態(tài)構(gòu)造樣式的描述和解析、動(dòng)態(tài)活動(dòng)性的分析和總結(jié)、斷距回剝恢復(fù)4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶的相互作用過程，為F4號(hào)斷裂作為前新生界基底先存斷裂在新生代再活動(dòng)提供可靠依據(jù)。

2.1 南堡凹陷4號(hào)斷裂帶幾何學(xué)特征

2.1.1 斷裂平面展布特征

南堡凹陷4號(hào)斷裂帶受控于北西向F4號(hào)斷裂，在基底頂界面F4號(hào)斷裂表現(xiàn)為1條平直斷裂呈線性延伸（見圖1b），淺層則表現(xiàn)為由若干個(gè)右階雁列式斷層組成的疊瓦扇構(gòu)造，斷層南端沿F4號(hào)斷裂走向逐漸收斂，北端向外撒開，且與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶相交復(fù)合在一起（見圖2a），斷裂帶延伸長度和寬度向上均逐漸變大。其總體特征與先存高角度走滑斷裂再活動(dòng)在蓋層中主要呈現(xiàn)間隔較小的、多斷層段雁行排列的疊瓦扇構(gòu)造幾何特征相一致。此外，南堡凹陷 4號(hào)斷裂帶由南向北斷層段間距逐漸增大、斷裂規(guī)模變大、斷裂帶寬度逐漸變寬，呈現(xiàn)顯著的馬尾狀構(gòu)造特征（見圖2a），由南向北走滑變形強(qiáng)度逐漸減弱，伸展變形強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

圖2 南堡凹陷4號(hào)構(gòu)造帶明化鎮(zhèn)組底界平面斷裂分布圖（a）和剖面結(jié)構(gòu)樣式（b）

2.1.2 斷裂剖面結(jié)構(gòu)樣式

南堡凹陷 4號(hào)斷裂帶在剖面上表現(xiàn)為負(fù)花狀構(gòu)造特征，F(xiàn)4號(hào)斷裂南部斷距大，向下切穿基底，深部近于直立，向上傳播逐漸分叉形成花狀構(gòu)造或半花狀構(gòu)造，其最外部邊界斷裂作為基底先存斷裂與下部直立段構(gòu)成“椅狀”樣式，斷裂兩側(cè)地層厚度差異大，沙河街組西盤厚度明顯大于東盤，斷裂帶變形較強(qiáng)，寬度較窄，走滑變形特征明顯（見圖2b中 AA′、BB′、CC′剖面）；向北部F4號(hào)斷裂斷距逐漸變小、斷裂向下仍切穿基底，但深部斷裂傾角變平緩，斷層向西傾，向上與淺層新生分支斷裂構(gòu)成負(fù)花狀構(gòu)造，西盤和東盤的沙河街組厚度幾乎相同，變形相對(duì)較弱（見圖2b中 DD′、EE′剖面），但斷裂帶寬度變大，伸展變形特征顯著。此外，4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶在淺部復(fù)合交織在一起，但斷裂樣式明顯不同。2號(hào)和3號(hào)斷裂帶主干斷裂剖面形態(tài)為鏟式，斷裂帶剖面組合樣式主要為復(fù)合“y”字形，為伸展斷裂系統(tǒng)（見圖2b中BB′、CC′剖面），而4號(hào)斷裂帶剖面組合樣式為花狀構(gòu)造或半花狀構(gòu)造，屬于走滑斷裂系統(tǒng)。

2.2 南堡凹陷4號(hào)斷裂帶位移特征

基于精細(xì)地震解釋及構(gòu)造層序界面，讀取、計(jì)算得到F4號(hào)斷裂在新生代各時(shí)期的活動(dòng)斷距和斷層上、下盤地層厚度，編制F4號(hào)斷裂走向位移-距離曲線、斷距-埋深曲線和生長指數(shù)曲線，厘定F4號(hào)斷裂的生長方式、活動(dòng)期次及活動(dòng)強(qiáng)度，為F4號(hào)斷裂作為前新生界基底先存斷裂在新生代再活動(dòng)提供可靠依據(jù)。

F4號(hào)斷裂作為南堡凹陷 4號(hào)構(gòu)造帶的主控?cái)嗔眩谛律煌练e時(shí)期F4號(hào)斷裂的活動(dòng)特征存在明顯差異，其走向位移-距離曲線顯示F4號(hào)斷裂具有顯著的分段性，為“兩大段、多亞段”式分段生長模式（見圖3）。根據(jù)沙三段—沙一段底界F4號(hào)斷裂的位移-距離曲線，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)明顯分段點(diǎn)，在前新生界頂界（Es3底界），F(xiàn)4號(hào)斷裂主要由 F41和 F42兩大段組成，F(xiàn)41在北部還包含1個(gè)分支斷層F41-2亞段，圖3灰色和紅色陰影代表的位移差分別為 F41-2亞段在沙三段和沙一段底界面的活動(dòng)斷距，F(xiàn)41段在沙河街組沉積時(shí)期南部活動(dòng)斷距最大，由南向北逐漸減小并在末端形成一個(gè)分支斷層，最終斷距減小至 0，即為從南向北傳播生長；F42段中部斷距最大，向兩端逐漸減小，由中部向兩端傳播生長。根據(jù)東營組底界—明化鎮(zhèn)組底界 F4號(hào)斷裂的位移-距離曲線，發(fā)現(xiàn)F4號(hào)斷裂延伸長度逐漸變長，在淺部東一段底界面存在6個(gè)斷層段，南部由F41段向上傳播形成的3個(gè)斷層亞段（F41-1、F41-2和F41-3）活動(dòng)斷距大，北部 F42段向上傳播形成的 3個(gè)斷層亞段（F42-1、F42-2和F42-3）斷距較?。ㄒ妶D3）。

圖3 南堡凹陷F4號(hào)斷裂走向位移-距離曲線

F4號(hào)斷裂不同斷層段的活動(dòng)強(qiáng)度和活動(dòng)期次也存在差異。由南向北選取不同位置典型剖面進(jìn)行解釋（見圖4a）并編制F4號(hào)斷裂不同段的斷距-埋深曲線和生長指數(shù)曲線，結(jié)果顯示：南部 F41（見圖4b）、北部 F42中段（見圖4c）均為長期活動(dòng)斷裂，累計(jì)斷距由上至下逐漸增大，斷距梯度一直保持正數(shù)，生長指數(shù)大于1，但是在沙河街組和東營組沉積期，F(xiàn)42段生長指數(shù)明顯小于F41段的生長指數(shù)，表明F4號(hào)斷裂由南到北活動(dòng)強(qiáng)度減弱；當(dāng)F4號(hào)斷裂傳播至斷裂北部末端時(shí)（F42北段），斷裂的斷距-埋深曲線存在 1個(gè)極大值點(diǎn)（見圖4d），斷裂成核點(diǎn)位于東營組內(nèi)，斷裂開始活動(dòng)的時(shí)期為東營組沉積期，表明F4號(hào)斷裂向北活動(dòng)時(shí)間逐漸變晚。

圖4 南堡凹陷F4號(hào)斷裂斷距-埋深曲線和生長指數(shù)曲線（剖面位置見圖2）

綜上，F(xiàn)4號(hào)斷裂在新生代發(fā)生了再活動(dòng)，沙河街組沉積期主要包括兩個(gè)斷層，南部F41段走滑變形特征顯著，斷距大，斷裂陡直，北部F42段走滑變形特征減弱，斷距小，斷裂傾角變?。粬|營組沉積期主要包括6個(gè)斷層段，南部F41段變形強(qiáng)度仍最大，同時(shí)具有走滑和伸展變形特征，向北F42段變形強(qiáng)度小于F41段變形強(qiáng)度，F(xiàn)42段斷裂末端向北持續(xù)傳播生長，且主要表現(xiàn)為伸展變形。館陶組—明化鎮(zhèn)組沉積期，由南向北，位移逐漸減小，至斷裂北部末端僅表現(xiàn)為伸展變形特征。

2.3 南堡凹陷4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶相互作用關(guān)系

現(xiàn)今南堡凹陷4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶復(fù)合交織在一起，通過編制跨帶斷裂走向位移-距離曲線發(fā)現(xiàn)，這些斷裂的斷距均存在明顯的低值點(diǎn)，即分段點(diǎn)，斷距回剝顯示跨帶斷裂為館陶組或東一段沉積時(shí)期斷裂通過分段生長連接而成（見圖5a—圖5c）。此外，跨帶斷裂分段點(diǎn)位置主要位于斷裂走向“彎轉(zhuǎn)”部位，即過分段點(diǎn)向 4號(hào)斷裂帶方向斷裂走向發(fā)生變化，由北西西向變?yōu)楸睎|東向，最后逐漸收斂于北東向斷裂帶（見圖5d）。因此4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶間存在構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，以此為界，東部的弧形彎曲帶為 4號(hào)斷裂帶，西部為2號(hào)、3號(hào)斷裂帶（見圖5d）。沿4號(hào)斷裂帶走向地震剖面發(fā)現(xiàn)，4號(hào)斷裂帶內(nèi)新生次級(jí)斷裂均收斂于東營組內(nèi)的F4號(hào)斷裂面上（見圖5e）。

圖5 南堡凹陷4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶相互作用關(guān)系圖

綜上所述，南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)控制4號(hào)斷裂帶演化并不是孤立運(yùn)動(dòng)，而是在統(tǒng)一應(yīng)力場下與鄰區(qū)2號(hào)、3號(hào)斷裂帶發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，3個(gè)斷裂帶在沙河街組和東營組沉積期獨(dú)立生長，受控于不同斷裂體系，之后在館陶組或東一段沉積期發(fā)生硬鏈接從而形成現(xiàn)今的構(gòu)造樣式。

3 南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)成因機(jī)制探討

新生代以來南堡凹陷發(fā)生了多幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)4號(hào)斷裂再活動(dòng)導(dǎo)致 4號(hào)斷裂帶具有雁行展布、分段連接和多期發(fā)育的特征，本文通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、理論分析和構(gòu)造物理模擬研究，對(duì)F4號(hào)斷裂的再活動(dòng)成因機(jī)制進(jìn)行分析和模擬驗(yàn)證。

3.1 南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)動(dòng)力背景

南堡凹陷前新生界基底斷裂再活動(dòng)和古近紀(jì)新生斷裂的形成與演化的區(qū)域應(yīng)力體制一直備受爭議[29,32]。前人通過平衡剖面、數(shù)值模擬和物理模擬等手段對(duì)區(qū)域應(yīng)力機(jī)制轉(zhuǎn)換的研究發(fā)現(xiàn)，在渤海灣盆地構(gòu)造演化格局轉(zhuǎn)換背景下，南堡凹陷古近紀(jì)構(gòu)造演化具有多幕發(fā)育的特點(diǎn)，為兩期斜向伸展作用疊加變形的結(jié)果，伸展方向由沙河街組沉積期的北西—南東向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|營組沉積期的南北向[34-36]。東營組沉積早期是構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，這可能是距今36 Ma時(shí)太平洋板塊向歐亞板塊俯沖方向的改變所引起[1,37]。沙河街組沉積期，北西—南東向伸展作用控制南堡凹陷北東向主干斷裂的形成，西南莊斷層北北東和北東向斷層段、柏各莊斷層、北北東向基底斷裂發(fā)生再活動(dòng)，受南堡凹陷邊界斷層以及基底先存斷裂的影響，不同構(gòu)造帶局部應(yīng)力場特征存在差異，北西—南東向伸展作用在北北東向1號(hào)構(gòu)造帶產(chǎn)生局部伸展應(yīng)力場，在北西向4號(hào)構(gòu)造帶產(chǎn)生局部左旋走滑應(yīng)力場，使北西向F4號(hào)斷裂發(fā)生左旋走滑變形，位移主要集中在F4號(hào)斷裂上，因此剖面上表現(xiàn)為直立特征，平面上表現(xiàn)為線性斷裂。東營組沉積期，受近南北向伸展作用影響，在南堡凹陷內(nèi)新生少量東西向和北東東向斷裂，西南莊斷層?xùn)|西向斷層段活動(dòng)性增強(qiáng)，北北東向 1號(hào)斷裂帶與南北向伸展作用成逆時(shí)針 35°～40°斜交，產(chǎn)生右旋張扭應(yīng)力場，而北西向 F4號(hào)斷裂與其成順時(shí)針 45°斜交，產(chǎn)生左旋張扭應(yīng)力場，同時(shí)發(fā)生左旋走滑變形和伸展變形，在蓋層中誘導(dǎo)產(chǎn)生次級(jí)雁行分支正斷層，剖面上表現(xiàn)為花狀構(gòu)造。新近紀(jì)館陶組—明化鎮(zhèn)組沉積期，在持續(xù)南北向伸展作用下，凹陷內(nèi)西南莊斷裂、柏各莊斷裂、北東向主干斷裂持續(xù)活動(dòng)，新生大量的東西向次級(jí)斷層，F(xiàn)4號(hào)斷裂在斜向伸展作用下變形加強(qiáng)。

3.2 南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)作用機(jī)制

南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)與區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)有密切關(guān)系。沙河街組沉積期應(yīng)力場方向與F4號(hào)斷裂平行，東營組沉積期應(yīng)力場方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，北西向F4號(hào)斷裂在東營組沉積期處于非優(yōu)勢(shì)走向方位，但是作為盆地內(nèi)部的先存薄弱構(gòu)造非常容易復(fù)活[38-39]。

東營組沉積期，北西向F4號(hào)斷裂與近南北向伸展方向斜交，既具有走滑分量也有傾滑分量，那么F4號(hào)斷裂到底是在伸展應(yīng)力場下發(fā)生變形，還是在走滑應(yīng)力場下發(fā)生變形成為最受關(guān)注的問題。原因在于斜向伸展作用下同樣可以產(chǎn)生與走滑（特別是張扭作用）變形相類似的構(gòu)造樣式，但與這兩種變形相關(guān)的應(yīng)力狀態(tài)卻是不同的，這取決于中間主應(yīng)力σ2的方向。斜向伸展是指在正斷層的安德森應(yīng)力狀態(tài)（σ1豎直，σ2大于σ3，σ3水平）下使基底先存斷裂發(fā)生再活動(dòng)，而張扭作用是在走滑斷層的安德森應(yīng)力狀態(tài)下（σ2豎直，σ1、σ3水平），使變形帶發(fā)生應(yīng)變分區(qū)，同時(shí)兼具走滑分量和傾滑分量。這里建立基底先存斷裂斜交伸展方向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（見圖6a），并引入運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度（Wk）來表示純剪切和簡單剪切比重[40]（見圖6b）：

圖6 先存構(gòu)造再活動(dòng)應(yīng)力分解模式圖（a）、伸展應(yīng)力場下先存斷裂再活動(dòng)變形機(jī)制判別圖版（b）

當(dāng)θ大于等于 45°且小于 55°時(shí)，Wk大于 0.81且小于等于 1，ε2方向豎直，為簡單剪切控制走滑變形/張扭變形；當(dāng)θ等于 55°時(shí)，Wk等于 0.81，ε2方向發(fā)生轉(zhuǎn)變；當(dāng)θ大于55°且小于等于90°時(shí)，Wk大于等于0且小于 0.81，ε2方向水平，為純剪切控制正交伸展/斜向伸展變形（見圖6b）。

通過理論分析和物理模擬證實(shí)，當(dāng)伸展方向與先存構(gòu)造邊界斜交時(shí)，誘發(fā)局部應(yīng)力場的水平最大瞬時(shí)拉伸軸ε1方向?yàn)閴K體相對(duì)位移方向與先存構(gòu)造邊界法線夾角（即斜度，α）的平分線[41]（見圖6a）：

根據(jù)（1）式和（3）式得到，當(dāng)α為90°時(shí)，發(fā)生純走滑變形；當(dāng)α大于 70°且小于 90°時(shí)，先存構(gòu)造受局部應(yīng)力場控制發(fā)生以簡單剪切為主的張扭變形；α等于70°時(shí)為臨界值，ε2方向發(fā)生轉(zhuǎn)換，由垂直轉(zhuǎn)變?yōu)樗?；?dāng)α大于0°且小于70°時(shí)，先存構(gòu)造受局部應(yīng)力場控制發(fā)生以純剪切為主的斜向伸展變形；當(dāng)α等于 0°時(shí)，發(fā)生正交伸展變形。

因此，基于水平最大瞬時(shí)拉伸軸與剪切帶之間的夾角θ、斜度α和運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度Wk的關(guān)系，建立了斜交先存構(gòu)造走向的伸展作用下先存斷裂再活動(dòng)變形機(jī)制判別圖版（見圖6b）。沙河街組沉積期，北西向前新生界基底先存F4號(hào)斷裂在北西—南東向伸展作用下，兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與伸展方向近于平行，局部產(chǎn)生走滑應(yīng)力，發(fā)生走滑變形；東營組—館陶組—明化鎮(zhèn)組沉積期，在近南北向伸展作用下兩盤運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)基底先存斷裂夾角α為45°，F(xiàn)4號(hào)斷裂再活動(dòng)主要發(fā)生以純剪切為主的斜向伸展變形。

3.3 南堡凹陷F4號(hào)斷裂再活動(dòng)物理模擬

關(guān)于先存斷裂再活動(dòng)的構(gòu)造物理模擬，已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際斷裂發(fā)育情況，設(shè)計(jì)模擬F4號(hào)斷裂再活動(dòng)及與鄰區(qū)斷裂相互作用過程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繀^(qū)簡化的基底先存構(gòu)造模型，將硬質(zhì)泡沫一側(cè)固定在軟橡膠皮上，傾角為80°的硬質(zhì)泡沫與軟橡膠皮交界位置模擬沙河街組沉積期復(fù)活后的北西向先存F4號(hào)斷裂，在南北向伸展作用下發(fā)生斜向伸展作用，軟橡膠皮其余位置不設(shè)置任何先存構(gòu)造，模擬不受先存構(gòu)造控制區(qū)域發(fā)生正交伸展變形及與F4號(hào)斷裂相互作用變形。實(shí)驗(yàn)材料選擇干燥的石英砂，其變形遵循莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，內(nèi)摩擦角為31°左右，與地層巖石內(nèi)摩擦角相近[42]。實(shí)驗(yàn)裝置及基底設(shè)置如圖7a、圖7b所示，實(shí)驗(yàn)過程如圖7c—圖7h所示。

圖7 南堡凹陷4號(hào)斷裂帶演化過程及與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶相互作用模擬實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①在南北向伸展作用下，在預(yù)設(shè)北西向先存基底和無先存基底處產(chǎn)生兩種類型斷裂帶，即先存斷裂復(fù)活帶和伸展斷裂帶（見圖7c—圖7h）。前者發(fā)生斜向伸展變形，斷裂總體沿著先存基底呈右階雁行排列（見圖7c、圖7f）。斷裂帶同時(shí)具有走滑位移和伸展位移，并具有分區(qū)特征，走滑位移主要集中在相對(duì)狹窄的斷裂帶上；隨著位移增大，雁行斷裂南端逐漸收斂，北端逐漸向外撒開彎曲，走向逐漸趨于垂直伸展方向，斷裂位移從南向北由走滑位移轉(zhuǎn)為伸展位移（見圖7d、圖7e、圖7g、圖7h）。后者發(fā)生正交伸展變形，斷裂全區(qū)發(fā)育，走向垂直于伸展方向（見圖7d、圖7g），隨著位移增大，斷裂數(shù)量增多，位移變大，斷裂延伸長度變長（見圖7e、圖7h）。②在統(tǒng)一應(yīng)力場作用下，初始變形期，兩個(gè)斷裂帶為孤立發(fā)育（見圖7c、圖7f），斷裂獨(dú)立生長傳播（見圖7c黃色框）；隨著位移增大，伸展斷裂帶內(nèi)新生斷裂延伸長度變長（見圖7d、圖7g），其末端與先存斷裂復(fù)活帶內(nèi)彎曲斷裂互相接觸（見圖7d黃色框）；隨位移進(jìn)一步增大，先存斷裂復(fù)活帶寬度變寬，兩個(gè)變形帶內(nèi)斷裂位移增大、長度變長（見圖7e、圖7h），斷裂端部發(fā)生相互作用，連接在一起（見圖7e黃色框）。這與前述分析得到4號(hào)斷裂帶與2號(hào)、3號(hào)斷裂帶在統(tǒng)一應(yīng)力場下，各時(shí)期發(fā)生“獨(dú)立生長—相互接觸—作用連接”過程（見圖7i—圖7k）相一致。

4 先存走滑斷裂再活動(dòng)的控藏作用

4.1 控制油氣垂向運(yùn)移

基底先存走滑斷裂再活動(dòng)向上傳播生長能夠起到溝通油源的良好作用。以本研究區(qū)為例，F(xiàn)4號(hào)斷裂再活動(dòng)，一方面基底斷裂持續(xù)向上傳播生長可穿透上覆蓋層，另一方面誘導(dǎo)蓋層中形成新生次級(jí)雁行斷裂并與基底先存斷裂垂向搭接。兩者均良好地溝通了下部沙一段和沙三段主力烴源巖，為油氣向淺層運(yùn)移提供通道（見圖8）。4號(hào)構(gòu)造帶南部油藏主要圍繞走滑復(fù)活帶呈多層系分布，沙一段—明化鎮(zhèn)組均有油氣富集，表明F4號(hào)斷裂再活動(dòng)作為油源斷裂控制油氣垂向跨層運(yùn)移，調(diào)整油氣聚集層位。以 np4-12井為例，東二段和館陶組都見到良好的油氣顯示，為驗(yàn)證東一段是否存在古油藏后期被調(diào)整至淺層，采集np4-12井館陶組、東一段和東二段巖屑樣品，進(jìn)行了儲(chǔ)集層顆粒定量熒光分析[43]和儲(chǔ)集層顆粒萃取液定量熒光分析[43]，這兩種分析技術(shù)均屬于儲(chǔ)集層定量熒光技術(shù)，通過定量檢測(cè)儲(chǔ)集層顆粒表面吸附烴和顆粒內(nèi)部油包裹體的熒光強(qiáng)度和熒光光譜特征，用于識(shí)別儲(chǔ)集層的含油氣性、判別現(xiàn)今油層和古油層等。結(jié)果顯示檢測(cè)樣品Q值都大于4，Qe值都小于20（見圖8），說明東一段確實(shí)存在古油藏，后期油氣發(fā)生了垂向運(yùn)移。

圖8 南堡凹陷4號(hào)構(gòu)造帶過典型井油藏剖面圖（a）及np4-12井綜合柱狀圖（b）

4.2 控制砂體展布

基底先存走滑斷裂再活動(dòng)在淺層形成雁列斷層，斷裂疊覆部位形成的轉(zhuǎn)換帶為水系入盆的重要通道，控制砂體展布。F4號(hào)斷裂再活動(dòng)向上生長平面上多個(gè)斷層段呈右階雁行排列，由于強(qiáng)烈的斜向伸展作用，疊覆部位形成左旋右階張性轉(zhuǎn)換帶。從東二段斷裂分布與砂體配置關(guān)系來看，斷裂疊覆區(qū)形成的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶明顯位于河道發(fā)育區(qū)內(nèi)，并在此處形成了扇三角洲砂體（見圖9）。因此，F(xiàn)4號(hào)斷裂再活動(dòng)形成轉(zhuǎn)換帶控制了砂體入盆的位置，砂體由轉(zhuǎn)換帶進(jìn)入湖盆后，沿著垂直斷層走向向湖盆深部延伸。

圖9 南堡凹陷4號(hào)構(gòu)造帶東二段沉積相分布圖

4.3 控制有利圈閉的形成

基底先存走滑斷裂在新生代再活動(dòng)控制兩種特殊類型斷層圈閉的形成，一種是走滑斷層圈閉，一種是伸展斷層圈閉。走滑斷層圈閉主要發(fā)育在東營組—明化鎮(zhèn)組，平面上分布在 4號(hào)斷裂帶北部。其形成受兩方面因素控制：①由于基底F4號(hào)斷裂斷面傾角大，斷裂向上傳播時(shí)將引起地層隆起變形（見圖8）。②F4號(hào)斷裂在東營組至明化鎮(zhèn)組沉積期再活動(dòng)發(fā)生斜向伸展變形，形成雁列式斷裂，其與基底斷裂構(gòu)成“椅狀”組合樣式。兩者共同控制上盤“背形負(fù)花狀構(gòu)造”，為油氣富集提供聚集空間。伸展斷層圈閉主要分布在東二段—明化鎮(zhèn)組內(nèi)，平面上分布在4號(hào)斷裂帶與鄰區(qū)2號(hào)、3號(hào)斷裂帶相互作用的構(gòu)造轉(zhuǎn)換部位。圖10a中沿?cái)鄬幼呦虻?JJ′剖面顯示，在現(xiàn)今相連的斷裂走向“拐彎”處下盤地層發(fā)生隆起（見圖10b），控制發(fā)育一系列斷塊圈閉（見圖10a），為油氣的有利富集部位。

圖10 南堡凹陷4號(hào)構(gòu)造帶南部圈閉分布特征

綜上所述，基底先存走滑斷裂再活動(dòng)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作為油氣運(yùn)移通道輸導(dǎo)油氣，有利于油氣在淺層成藏。②控制砂體的展布。③控制淺層圈閉的形成，有利于油氣在淺層聚集。

5 結(jié)論

南堡凹陷前新生界北西向基底先存F4號(hào)走滑斷裂在新生代發(fā)生再活動(dòng)，形成的 4號(hào)斷裂帶表現(xiàn)為多段式、右階雁行排列特征，由南向北傳播生長，南部以走滑變形為主，北部以伸展變形為主。

新生代4號(hào)斷裂帶與鄰區(qū)2號(hào)、3號(hào)斷裂帶為不同斷裂體系，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)顯示，它們是在統(tǒng)一應(yīng)力場作用下，經(jīng)歷“獨(dú)立生長—相互接觸—作用連接”過程最終交織形成現(xiàn)今構(gòu)造樣式。

基于水平最大瞬時(shí)拉伸軸與剪切帶之間的夾角θ、斜度α和運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度Wk的關(guān)系，建立斜交先存構(gòu)造走向的伸展作用下先存斷裂再活動(dòng)變形機(jī)制判別圖版。沙河街組沉積期，北西向F4號(hào)前新生界基底斷裂受走滑作用影響發(fā)生再活動(dòng)；東營組沉積期，受斜向伸展作用影響發(fā)生再活動(dòng)。變形方式的轉(zhuǎn)變與古近紀(jì)東營組沉積期太平洋板塊向歐亞板塊俯沖方向的改變所引起應(yīng)力場方向轉(zhuǎn)變有關(guān)。

先存走滑斷裂晚期再活動(dòng)對(duì)成藏控制作用包括：①作為油源斷裂控制油氣垂向跨層運(yùn)移；②形成走滑轉(zhuǎn)換帶控制砂體展布；③向上傳播生長及與鄰區(qū)相互作用控制兩類圈閉的形成，有利于油氣富集。

符號(hào)注釋：

GR——自然伽馬，API；n——斷層數(shù)量，個(gè)；Q——儲(chǔ)集層顆粒定量熒光指數(shù)；Qe——儲(chǔ)集層萃取液定量熒光指數(shù)；RLLD——深側(cè)向電阻率，Ω·m；t——雙程旅行時(shí)，s；Wk——運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度；α——斜度，（°）；β——水平最大瞬時(shí)拉伸軸（ISAmax）與先存構(gòu)造邊界法線之間的夾角，（°）；θ——水平最大瞬時(shí)拉伸軸（ISAmax）與剪切帶之間的夾角，（°）；σ1——最大主應(yīng)力，MPa；σ2——中間主應(yīng)力，MPa；σ3——最小主應(yīng)力，MPa；ε1——水平最大瞬時(shí)拉伸軸；ε2——中間瞬時(shí)拉伸軸。