“不协调伸展”作用下裂陷盆地断层的形成演化模式

应用“不协调伸展”的目标砂箱模拟实验成果和新的脆性断裂力学模型——“不协调性准则”,分析了裂陷盆地断层形成和演化的控制影响因素,建立了裂陷盆地断裂系统形成和演化的新模式——“不协调伸展”模式。该模式显示：“不协调伸展”的递进变形过程是导致裂陷盆地断裂系统的复杂性的根本原因,实质是不同方向、性质和规模的基底先存构造(主要是先存断裂)的活动性方面存在差异,导致所控制形成的断层在走向、形成的先后次序、规模等方面存在差异,从而形成复杂的断层组合;“不协调伸展”模式是裂陷盆地断裂系统形成和演化的基本型式,复杂的断裂系统可以在方向不变的区域伸展构造作用下在递进变形过程中逐渐形成;裂陷盆地断裂系统虽然比较复杂,但断层的形成和演化是有序的,分布是有规律的,可以通过“不协调性准则”加以分析和预测。     

“不协调伸展”作用下裂陷盆地断层的形成演化模式

应用"不协调伸展"的目标砂箱模拟实验成果和新的脆性断裂力学模型——"不协调性准则",分析了裂陷盆地断层形成和演化的控制影响因素,建立了裂陷盆地断裂系统形成和演化的新模式——"不协调伸展"模式。该模式显示:"不协调伸展"的递进变形过程是导致裂陷盆地断裂系统的复杂性的根本原因,实质是不同方向、性质和规模的基底先存构造(主要是先存断裂)的活动性方面存在差异,导致所控制形成的断层在走向、形成的先后次序、规模等方面存在差异,从而形成复杂的断层组合;"不协调伸展"模式是裂陷盆地断裂系统形成和演化的基本型式,复杂的断裂系统可以在方向不变的区域伸展构造作用下在递进变形过程中逐渐形成;裂陷盆地断裂系统虽然比较复杂,但断层的形成和演化是有序的,分布是有规律的,可以通过"不协调性准则"加以分析和预测。     

基底先存构造对裂陷盆地断层形成和演化的控制作用规律

针对基底先存构造对裂陷盆地断层控制作用研究中存在的问题,应用脆性断裂新理论--“不协调性准则”来阐述、分析裂陷盆地基底先存构造控制断层形成和演化的力学机理,确定基底先存构造活动性的变化规律,探讨并初步确定基底先存构造对裂陷盆地断层形成和演化的控制作用具有如下规律: (1)先存构造(特别是先存断裂)优先活动,这是基底先存构造能控制沉积盆地断层形成和演化的根本原因。(2)先存构造对盆地断层控制作用的强度决定于其活动性,它由先存构造的产状、力学性质和应力状态决定,可以用先存构造活动性系数(fAS)来定量描述。(3)受基底先存断裂控制的断层发育的位置和延伸方向(走向)、形成次序、继承性特征,以及分布规模等都表现出显著的规律性。(4)与伸展方向垂直,且与σ1夹角为45°-(/2)的基底先存断裂对断层的控制作用最强;随着走向与伸展方向的夹角α逐渐变小,以及倾角偏离45°+(/2),对断层的控制作用就逐渐减小。(5)基底先存断裂的规模越大,对断层的控制作用就越强;受大规模基底先存断裂控制的断层往往构成裂陷盆地的构造格架。(6)随着薄弱带抗剪强度的减小,基底先存薄弱带发生破裂的可能性不断增大,对断层的控制作用不断增强;而相对基底先存断裂而言,其影响程度则相对偏弱。上述认识可以为裂陷盆地地震资料的构造解释提供理论模型,为裂陷盆地断裂系统的形成和演化的深入研究提供理论指导。     

渤海湾盆地张巨河复杂断块区平面砂箱模拟实验及其启示

伸展盆地复杂断块区往往发育多个方向的断层，这种复杂的正断层组合过去有人认为是多期构造矗加作用的结果。本文针对渤海湾盆地张巨河复杂断块区进行了平面砂箱模拟实验。实验结果表明，在基底有先存构造(如基底断裂)的情况下，如果区域伸展方向和先存断裂或基底构造活动(底辟上拱)不协调，通过递进变形就可以形成复杂的断层组合，即复杂的断层组合可以在一个伸展构造期内、在统一的区域伸展构造力作用下在递进变形过程中逐渐形成，复杂断层组合并不一定需要多期变形叠加。在此基础上，结合理论分析，提出了复杂断层组合成因的另一种模式——不协调伸展递进变形模式。该模式为揭示伸展构造系统中复杂断层组合之间的内在联系提供了新的思路。     

渤海湾盆地南堡凹陷边界断层的“跃迁”特征及其成因机制

由于对裂陷盆地成盆和油气成藏要素的重要控制作用,边界断层在裂陷盆地构造研究中一直是被重点关注的研究对象。然而,关于边界断层在裂陷盆地演化过程中存在跃迁的认识还未见文献报道。本文在对南堡凹陷三维联片地震资料构造解析的基础上,应用"广义断层模式"(先存构造条件下的断层作用模式)及区域应力场演化成果,结合冀东油田最新的勘探成果,对南堡凹陷北部边界断裂进行了系统的构造解析,提出了边界断裂形成演化的新认识,建立了边界断层"跃迁"的构造模式。结果表明:(1)南堡凹陷在断陷阶段,随着应力场的演化,北边界断层是不断变迁的,存在显著的"跃迁"特征;(2)5号断层在E_2s~3期为凹陷西侧的北边界断层,高柳断层在E_3d~(1-2)期间为凹陷中部的北边界断层;(3)裂陷阶段应力场变化(伸展方向的改变)是导致裂陷盆地边界断层跃迁的根本原因。考虑到40～38 Ma伸展方向的改变涉及到几乎中国东南部所有的新生代裂陷盆地,预期边界"跃迁"的构造模式对中国东南部裂陷盆地的精细构造解析及油气勘探有普遍的启示意义。     

曲折边界斜向裂陷伸展的砂箱实验模拟

根据黄骅盆地边界几何特征简化所设计的３个砂箱实验模型表明,同一裂陷伸过程可以形成不同走向的正断层,基底菜边界方向的变化可以引起裂陷内部断层走向的变化,陷盆地断瞳向受基底展边界方向和裂陷伸展方向的共同影响,裂陷边界及其附近断层走向主要受基底伸展边界方向的影响,裂陷内部、离伸展边界较远部位的断层走向主要受展方向影响,凸菜曲折边界可以引起断层转向,而凹工折边界的复合方向构成对断层走向的控制,黄骅新生代盆     

中国东-南部裂陷盆地断裂系统复杂性的表现形式及成因机制——以南堡凹陷和涠西南凹陷为例

中国东-南部裂陷系列盆地油气资源十分丰富,而断层的分布演化十分复杂,是油气进一步勘探开发需要解决的关键问题。本文应用广义断层模式,在大量三维地震资料构造解析的基础上,以渤海湾盆地的南堡凹陷和北部湾盆地的涠西南凹陷为例,对中国东-南部盆地复杂的断裂系统进行了解剖和归纳,并提出了伸展变形区预测断层性质的伸展应变椭圆。结果表明,中国东-南部裂陷盆地断裂系统的复杂性存在9种表现方式,从成因上进一步归纳为3个方面:(1)断层的走向和性质多样;(2)断层在平、剖面上存在复杂多变的组合形式;(3)断层形成和演化存在复杂的时-空关系。造成复杂性的根本原因是先存断裂分布的复杂性和不同方向(北西-南东向和近南北向)伸展变形的叠加。不同盆地、同一盆地不同区域应力场演化具有很大的相似性:40Ma以前,北西-南东向伸展;38Ma以来,近南北向伸展。断层分布和演化差异主要是由先存构造分布差异造成的。     

伸展边界方向对伸展盆地正断层走向的影响——来自平面砂箱实验的启示

五种不同边界几何条件的平面砂箱实验模型表明,一个方向的伸展变形可因伸展边界方向的变化形成不同走向的正断层,伸展裂陷盆地中不同走向的正断层并非一定代表不同方向区域构造应力作用、或多期构造变形的结果。伸展裂陷盆地正断层走向受伸展边界走向和构造伸展的方向共同控制,伸展边界的控制力随距离增大而逐渐衰减。伸展边界附近的断层走向主要受伸展边界方向控制,大致反映伸展边界方向。盆地内部断层走向主要受构造伸展方向控制(趋向于垂直构造伸展方向),主要反映构造伸展方向。盆地伸展边界方向的变化可以引起伸展裂陷盆地内部断层走向的转向。因铲式正断层上盘滚动变形产生的正断层,其走向平行于铲式边界断层的走向。     

南海北部新生代盆地断裂系统及构造动力学影响因素

利用地震资料、油气勘探资料分析了南海北部大陆边缘珠江口-琼东南新生代盆地断裂系统的时空差异及动力学成因机制.珠江口-琼东南盆地古近系裂陷构造层以NE向、近EW向基底正断层构成的伸展断裂系统的几何学、运动学沿着盆地走向有明显变化,盆地内部隐伏的区域性和局部的NW向断裂及相关构造变形带构成伸展断裂系统之间的构造变换带.在空间上,区域性的云开、松涛-松南等NW向构造变换带以西为NE-NEE向正断层构成的"非拆离"伸展断层系,以东为NE向正断层、近EW向正断层(走滑正断层)复合而成的拆离伸展断层系.在时间上,古近纪裂陷作用可划分为早(文昌组沉积期)、中(恩平组/崖城组沉积期)、晚(珠海组/陵水组沉积期)3个有明显差异的裂陷期.裂陷早期,盆地西部以平面式正断层控制的简单地堑、半地堑为主,伸展量相对较小,东部则以铲式正断层控制的复式地堑、半地堑为主,伸展量相对大,断层向深部收敛在中地壳韧性层构成拆离的伸展断层系统.裂陷中期,琼东南盆地、珠江口盆地西部断裂具有继承性活动特点,珠江口盆地东部发育NWW-EW向伸展断层,并向深层切割早期浅层拆离断层,形成深层拆离伸展断层系统,而沿着云开构造变换带发育反转构造.裂陷晚期,琼东南盆地、珠江口盆地西部断裂具有活动性减弱特点,琼东南盆地东部发育NWW-EW向伸展断层,形成深层拆离伸展断层系统,而沿着琼中央构造变换带发育反转、走滑构造.珠江口-琼东南盆地不同区段断裂系统及其构造演化的差异性受盆地基底先存构造、地壳及岩石圈结构及伸展量等多方面因素的影响,拆离伸展断层系统与发育NWW向"贯穿"断裂的基底构造薄弱带、现今地壳局部减薄带相关,南海扩展由东而西的迁移诱导北部大陆边缘块体沿着先存NW向深大断裂发生走滑旋转是导致变换构造带两侧差异伸展的动力学原因,应力场及岩石圈热结构变化是引起拆离断层深度变化的重要因素.     

二连盆地中生代构造变形主控因素:物理模拟与讨论

二连盆地是中国东北部中生代含油气盆地,与中国东部中生代裂陷盆地之间存在显著的几何学与运动学相似性,根据盆内构造线走向和典型地震剖面构造样式可划分为中央正向裂陷带和周缘斜向裂陷带。尽管前人对盆地中生代构造变形开展了大量研究,但有关同期构造控制因素的认识尚不清晰。为此,研究以二连盆地为原型,设计了3组分别改变伸展速率、伸展方向及同沉积作用的平面沙箱模型。实验结果表明伸展方向控制裂陷内部断层特征;南东向的伸展速率改变深层构造薄弱带的扩展和断裂发育规模;同沉积作用促进基底滑脱层的活动强度,且进一步抑制边界断裂的生长。模拟结果还揭示了伸展方向是该盆地构造变形的主要控制因素;同沉积作用和伸展速率为次要控制因素。同时根据中国东部及邻区典型中生代裂陷盆地的几何学与运动学相似性,认为"南东向伸展"可以提供较好的运动学解释。     

基底非均一性对琼东南盆地新生代构造变形差异的影响: 来自物理模拟实验的启示

琼东南盆地位于南海北部大陆边缘西北部,是新生代形成的北东向伸展盆地,其断裂走向、次级凹陷分布方向、构造样式等在东西部表现出明显差异。文章采用构造解析与构造物理模拟相结合的方式,探究先存的中生代构造几何形态及基底性质差异对琼东南盆地东西部构造差异性演化的控制作用。实验结果表明：（1）先存构造薄弱带几何边界分布方向与区域伸展方向共同控制了琼东南盆地主要断裂的走向以及断裂构造样式。由于先存构造薄弱带边界方向存在东西差异,在早期NW向拉伸阶段（Tg-T80）盆地断裂系统在东西部就已表现出明显的分段特征。西部由于垂向拉伸产生一组NEE向断裂;东部由于斜向拉伸,发育至少两组方向的断裂,一组与应力方向垂直（NEE向）,另一组沿着构造薄弱带分布（WE向）。后期断裂活动继承和改造了这一时期的断裂,使断裂系统更加复杂。先存构造薄弱带几何形态变化是导致琼东南盆地东西部构造差异性发育的主控因素。（2）基底强度差异性对上覆构造的断裂数量以及地貌起伏特征有一定影响。琼东南盆地在东西部的断裂走向及构造样式上的差异性受基底强弱、先存构造形态及构造应力方向的共同控制。     

北部湾盆地涠西南凹陷断裂系统成因的砂箱实验研究及启示

北部湾盆地涠西南凹陷的断裂系统十分复杂,为了揭示其成因机制,在三维地震资料构造解析的基础上,应用砂箱物理模拟技术,对涠西南凹陷的形成机制进行了系统研究.结果表明,南北向的"不协调伸展作用实验模型"能够成功地模拟涠西南凹陷晚始新世以来复杂的断裂系统,断裂系统的主体特征在这一实验模型中均得到了很好的再现.涠两南凹陷复杂的断裂系统是在基底先1竽构造基础之上,在递进变形过程中逐渐形成的,其裂陷期(晚始新世一渐新世)断裂系统是在一个伸展期内形成(南北向伸展)、并非是多期构造叠加变形的结果.这一认识不但能够有效地指导涠西南凹陷三维地震资料的精细构造解释,同时也能够为南海周缘盆地的形成和演化研究提供借鉴.     

基于平面砂箱实验对黄骅盆地新生代构造成因的新解释

根据黄骅盆地实际情况设计系列砂箱实验模型。基于实验结果分析,笔者认为黄骅盆地是近Ｓ—Ｎ 向伸展形成的新生代裂陷盆地。盆地内部不同方向的断层形成于同一伸展变形过程。导致盆地内部断层方向复杂多变的原因是盆地裂陷边界方向的变化, 而非走滑构造或拉分作用叠加的结果。实验模型同时也可较好地用以解释整个渤海湾盆地区新生代构造的成因。     

汇聚背景下的多幕裂陷作用及其迁移机制:以南海北部珠江口盆地为例

南海的形成演化受控于印-澳、欧亚以及太平洋板块的相互运动,为研究汇聚背景下板块碰撞及其远程效应提供重要窗口。为了揭示该汇聚背景下的多幕裂陷过程,本文选取地质信息丰富的整个珠江口盆地为典型区,利用三条高精度地震剖面,对盆地各地质单元进行断层活动速率和构造沉降速率的定量计算及综合分析。结果表明盆地裂陷期东部、中部和西部主要控凹断层的平均活动速率分别为96 m/Ma、223 m/Ma和124 m/Ma,且其平均沉降速率依次为8.5 m/Ma、34 m/Ma和12.7 m/Ma,盆地整体呈现中部裂陷作用最强,其后向西部和东部逐渐减弱的特征。本文认为这与先存断裂以及初始地壳厚度有关:盆地东部和中部存在NE向先存断裂,并且东部先存断裂更加活跃,因此在新生代拉伸应力下东部更易表现为裂陷作用最强的区域,其次为中部和西部;而受前新生代时期俯冲作用的影响,岩浆的底垫作用引起盆地东部地壳增厚,东部裂陷作用强度急剧降低,造成裂陷作用强度的东西差异。此外,盆地南段凹陷裂陷期的断层活动和沉降速率发生激增,裂陷作用存在向南迁移的现象。本文推测在深度相关的伸展模式的影响下,南段凹陷地壳温度升高,强度减弱,因而在伸展应力下发生快速的拉伸减薄,导致裂陷中心向南迁移及岩浆物质上涌。同时,侵入的岩浆物质导致高角度正断层转换成低角度正断层,进一步促进裂陷中心向南迁移。     

渤海湾盆地歧口凹陷断裂活动定量分析和评价对油气成藏的控制作用研究

歧口凹陷是渤海湾盆地重要的含油气凹陷,凹陷内发育多个断层相关圈闭。受多期构造运动作用,研究区发育4组方位断裂。前人从不同角度对断层在油气成藏过程中的作用进行了分析研究,但多以定性研究为主。本文通过构造层序界面、生长指数、断距- 埋深曲线等研究手段,建立系统的断裂活动参数体系、评价标准和评价技术,定量分析断裂活动特征。岐口凹陷古近系断裂主要活动时期为沙三段和沙一段- 东营组沉积时期,沙三段- 沙二段沉积时期受北西- 南东向伸展作用影响,北东- 北东东向断层开始发育;沙一段- 东营组沉积时期区域伸展方向转变为近南北向,发育大量近东西向展布断层。结合断层分布规律,凹陷自下而上划分为前裂陷构造层、裂陷构造层和后裂陷构造层,裂陷阶段进一步划分为裂陷I幕和裂陷II幕。通过对岐口凹陷断裂活动特征的厘定,发现断裂在不同历史时期的活动对于洼槽形成、圈闭演化以及圈闭有效性均有明显的控制作用。断裂在不同历史时期的活动控制了小型断控洼槽的形成与展布,洼槽的迁移规律受控于应力场及断层走向的变化。临近的同向断层分段生长连接过程中,上盘分段生长点位置能够形成局部构造高点,从而形成同向断层相关圈闭。盆地主要生排烃期与断层相关圈闭形成时间的匹配也是影响圈闭有效性的重要因素。     

南堡凹陷分期异向伸展变形叠加特征:来自砂箱物理模拟实验的启示

在前人关于南堡凹陷新生代断裂系统形成机制构造物理模拟实验的基础上,针对南堡凹陷典型沉积时期断裂系统分布规律,进一步细化、分阶段开展了研究区不同沉积时期的构造在不同先存基底条件下的平面砂箱物理模拟实验,探讨了南堡凹陷新生代断裂系统形成的主控因素。研究结果表明:(1)南堡凹陷新生代构造具有分期异向伸展变形叠加的特征,是两期不同伸展方向构造变形叠加的产物;(2)NE—SW向断裂系统是在沙河街时期近NW—SE向伸展作用下形成的;近E—W向断裂系统是自东营期以来在近SN向伸展作用下形成的;东营早期是南堡凹陷应力体制发生转变的关键时期;(3)不同沉积时期的构造形态受控于特定的边界几何条件、基底非均匀性及先存断裂的展布特征。     

基底性质对断裂构造的影响: 以琼东南盆地为例

影响断裂凹陷内的断裂系统演化的原因包含多种因素,此次研究针对先存断裂及基底性质对断陷盆地的影响,通过 物理模拟实验方法探究裂谷盆地断裂发育的构造演化过程。根据对琼东南盆地的地震剖面图的解释分析,盆地东部和西部 的凹陷显示不同的凹陷构造形态,实验结果显示,先存断裂的位置和走向影响区域凹陷的演化和平面展布,在先存断裂影 响的区域演化形成地堑构造,在无先存断裂影响的区域则演化形成地垒构造;韧性基底的上覆地层拉伸演化为复式半地堑 构造,而刚性基底的上覆地层呈铲状半地堑构造,在不同基底性质影响下的构造变形模式和琼东南盆地东西部的差异构造 样式基本相符,一定程度上说明了基底性质的差异对琼东南盆地东部和西部凹陷在断裂组合形态差异方面具有影响作用, 为研究供给油气运移聚集成藏的断裂系统演化提供了思路。     

裂陷盆地初始阶段构造—沉积协同机制

裂陷盆地蕴含丰富的油气资源,盆地不同演化阶段发育独特的地层结构样式及其砂体成因类型,形成各具特色的油气藏系统。近年来湖盆初始裂陷层系不断获得油气勘探突破,使之成为石油工业界重要关注对象,其多级次断裂演化、组合关系、地貌特征及其与水系和沉积响应关系已成为当前地质学领域关注的热点科学问题。蒙古塔南凹陷下白垩统铜钵庙组良好记录了一套初始裂陷沉积序列,丰富的钻井及地震资料使之可作为理想的研究对象。综合利用地震、岩心及测录井资料,在构造—沉积学理论指导下重建了塔南凹陷初始裂陷构造—沉积演化及源—汇响应模式。研究表明,塔南凹陷初始裂陷第一阶段以新生的分割型小洼陷群为特征,与前裂陷阶段“高山深谷”地貌背景联控下形成短距离输送且数量众多的小型扇群;初始裂陷第二阶段伴随控洼断层长度的迅速增加发生软联结,形成连通且宽浅的盆地结构,发育多套低坡降构造转换带（面积大于50 km2）和西北侧缓坡带（延伸约28 km）供给型大套扇三角洲体系,长轴及陡坡方向水系运输距离较短。实例解析结合调研结果表明,先存水系和盆地地貌结构联合控制初始裂陷盆地源—汇系统,进而形成初始裂陷第一阶段盆地满盆富砂（沟通先存水系）或欠补偿（不沟通先存水系）,年轻短程水系主导的孤立小湖盆群则主要发育小规模近源碎屑沉积物;初始裂陷第二阶段源—汇系统则与该时期断裂体系联结方式有关:断裂晚期联结型湖盆主要发育以短程断崖或小型转换带水系为特征,而断裂早期联结型湖盆形成大型构造转换带水系及三角洲体系,其缓坡带长度亦快速增大,盆地整体具有“富砂”特征。本研究为其他裂陷盆地寻找大型优质砂体提供了科学理论依据。     

黄骅坳陷构造变形格局与演化过程分析

本文以覆盖全区的3D和2D地震剖面的地质构造解释为基础,详细描述和分析了黄骅坳陷的基底和盖层结构构造及其演化,在黄骅坳陷基底内识别出了印支期东西向展布的大型褶皱-冲断构造和燕山主期NNE向展布的大型褶皱-冲断构造,认为黄骅坳陷中的歧口凹陷是在印支期古背斜的基础上经过新生代的伸展裂陷活动负反转而形成的断陷型盆地;确定出黄骅坳陷中、北区陆上新生代盆地结构表现为NE向延伸的、西北断东南超的多米诺式半地堑系结构,而在海域地区则表现为近东西向展布的规模巨大的复式地堑型结构;提出沧东断层延伸到黄骅坳陷中的板桥凹陷的北部,其断距已经逐渐减小,并与北塘次凹西斜坡发育的茶淀断裂以构造转换带方式衔接。论文还以盆地内的大型断裂系统的活动性和盆地沉降史的定量分析为基础,将黄骅坳陷新生代同裂陷阶段划分出三个幕次的演化过程,并发现从裂陷Ⅰ幕到裂陷Ⅲ幕盆地的沉积-沉降中心经历了由南向北、由陆向海的规律性迁移。根据控制沉降中心迁移的构造应力场,结合区域渤海湾盆地的基本特征,提出斜向拉分盆地模式来解释黄骅坳陷,乃至渤海湾盆地孔店组-东营组沉积期间的发育演化机制。     

先存构造对断层后期生长及形态的影响:以海拉尔盆地红旗凹陷为例

红西断层作为红旗凹陷的边界断裂长期控制着凹陷的形成演化与油气成藏,目前对断层的识别刻画及生长模式的认识还存在诸多不足. 以地震剖面精细解释为基础,确定红旗凹陷几何学特征及边界条件,结合控制变量法进行多组构造物理模拟实验;将实验结果与红旗凹陷基底顶面构造图各项参数进行对比,最终确立红西断层先存构造的规模及断层的演化模式. 实验结果显示,红旗凹陷先存构造总体规模至少占整个边界断层现今长度的50%,即34 km以上. 红西断层的构造演化具有孤立断层（先存构造）分段发育→“软连接”→“硬连接”的生长模式,并且在断层转换部位发育典型的中继构造.