北部湾盆地迈陈凹陷东部断裂系统成因演化机制的构造物理模拟

2015-10-17张江涛段佳佳陈兴鹏李春锐

中国石油大学学报（自然科学版） 2015年3期

李伟，刘超，张江涛，段佳佳，陈伟，陈兴鹏，李春锐

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；3.中联煤层气有限责任公司，山西太原030000；4.中国石化江苏油田地质科学研究院，江苏扬州225012）

李伟1，刘超1，张江涛2，段佳佳3，陈伟4，陈兴鹏1，李春锐1

受多期次构造应力场叠加转变的影响，迈陈凹陷东部断裂发育具有明显的阶段性，平面上断裂走向在古新统和始新统以NE向为主，渐新统转变为EW和NEE向，剖面上以T4反射层（涠州组底）为界可以划分为上下两套断裂系统，上下两套断裂系统继承与改造并存。针对这一问题，在地震、钻井岩心和区域地质背景资料分析解释的基础上，对迈陈凹陷东部断裂系统的发育演化进行构造物理模拟实验正演分析。实验结果表明：迈陈凹陷东部在古新世—中始新世主要受控于NW向伸展应力场，以NE向断裂发育为主；晚始新世在NW向拉张的同时叠加了右旋剪切作用，近EW向断裂开始发育，部分早期发育的NE向断裂继承性活动。

构造物理模拟；断裂发育演化；构造应力场；古近纪；迈陈凹陷东部

北部湾盆地是南海北缘西部一个中、新生代裂陷盆地，以盆地中部近东西向企西隆起为界划分为南北两个坳陷区，迈陈凹陷是位于南部坳陷的一个次级构造单元，形成于太平洋板块、菲律宾板块、印度板块及欧亚板块相互作用所形成的叠加构造应力场，后期频繁的构造活动导致迈陈凹陷内断裂广泛发育且十分复杂［1-4］。前人普遍认识到迈陈凹陷及其所在的北部湾盆地经历了多期次的构造演化［5-7］，可以划分为晚白垩世—早渐新世多幕式裂陷阶段、晚渐新世—早中新世裂后南海运动及热沉降阶段、中中新世以来东沙运动及热沉降坳陷阶段三大演化阶段［1，8-9］。不同演化阶段的构造特征存在差异，并由此造成了始新统流沙港组顶部的地层剥蚀，以及渐新统涠州组和下伏古新统长流组—始新统流沙港组构造特征的差异性。但是目前对于这种差异性的分析尚不深入，缺乏运动学过程及动力学机制方面的系统分析。砂箱构造物理模拟实验是研究盆地内构造演化的有效手段［10-11］，能够动态地恢复盆地内断裂体系的演化过程，通过设定不同的应力作用方式来模拟盆地构造的形成演化过程，达到模拟结果与实际地质特征的高度吻合，进而为研究盆地构造的成因变形机制提供可靠的依据［12-16］。笔者参考前人对北部湾盆地涠西南凹陷的物理模拟实验成果［17］，在对迈陈凹陷东部三维地震、钻井岩心及区域地质背景资料分析的基础上，设计实验模型与实验流程，运用构造物理模拟实验方法正演迈陈凹陷东部断裂系统的发育演化过程，结合区域地质背景明确迈陈凹陷东部的古近纪构造应力场特征。通过研究可以进一步查明迈陈凹陷东部不同演化阶段构造变形的差异性成因机制，为构造带油气资源评价与有利区带预测提供借鉴和依据。

1　迈陈凹陷东部断裂发育演化特征

迈陈凹陷整体NE或NEE展布，北为流沙港凸起，南为临高-灯楼凸起，西接海头北凹陷，东为徐闻凸起。内部由南到北以迈1断层、迈2断层、迈4断层为界，划分为南部陡坡带、深洼带、内缓坡带及外缓坡带4个构造带（图1，（a）为北部湾盆地，（b）为迈陈凹陷东部）。

图1　迈陈凹陷区域构造位置及构造带划分Fig.1 Regional tectonic location and division of structural belt of Maichen sag

断裂是迈陈凹陷最重要的构造型式，多呈NEE、NE和近EW向展布，少量呈NW向；主断裂多为北倾，少量南倾。通过对各主要断层两侧地层的厚度差异与内部反射特征的分析，本文中明确了各主要断层的发育演化特征：灯楼角-迈1断层为南部边界控凹断层，倾向北西，断面铲式，中生代开始活动，新生代继承性发育，断裂活动时间长、切割深度深；徐闻断层为东部控凹边界断层，倾向南西，断面平直，自中生代开始活动；盆地内部断裂以北东（东）、近东西向发育为主，主要断层包括迈2、迈3、迈4、迈5断层等。其中迈2断层自中生代开始活动，迈3、迈4、迈5断层均于新生代古新世长流组沉积期开始活动，均消亡于中新世下洋组沉积期，断裂走向现今表现为NEE或近EW向。整体而言，迈陈凹陷东部断裂可以T4反射层（涠洲组底）为界分为下部的长流-流沙港组断裂系统和上部的涠洲组断裂系统：下部断裂系统平面上以NE向为主，剖面上多倾向NW，表现为多米诺式断裂组合；上部断裂系统走向以EW和NEE向为主，倾向S（SE）和N（NW）均有发育，除多米诺式断裂组合外，还可见“Y”字形或多级“Y”字形组合（图2、3）。

图2　迈陈凹陷地震剖面（图1A-B）Fig.2 Seismic section of Maichen sag（line A-B in Fig.1）

进一步对典型地震测线的构造发育剖面及伸展率分析发现（图4，表1）：迈陈凹陷东部涠三段沉积前发育的断裂多为切穿到基底的深层断裂，倾向均为北倾，涠三段沉积后除控制构造带的灯楼角-迈1、迈2、迈3、迈4、迈5等主要断层继承性活动外，发育的断裂大部分为浅层断裂，且大多没有切穿到流二段，断裂的倾向既有北倾也有南倾，表明涠三段沉积期以后研究区的构造应力场发生了叠加改造。

图3　迈陈凹陷东部断裂系统Fig.3 Fault system of eastern area of Maichen sag

表1　A-B剖面各地质阶段的伸展量和伸展率统计Table 1 Statistics of extension content and extension rate of section A-B in different periods

图4　迈陈凹陷东部构造发育剖面图（A-B剖面）Fig.4 Structure development section of eastern area of Maichen sag（section A-B）

2　实验模型设计与实验材料选择

2.1实验模型设计

在上述分析的基础上，进一步结合前人对迈陈凹陷东部的相关研究成果［3，7，18］，确定构造物理模拟实验的相似系数，设计实验模型，明确模型的边界和基底条件、实验材料。

迈陈凹陷东部长和宽约为46.57 km和23.28 km，本文中将实验中模型尺寸设置为46cm和23cm（图5），相似系数为1.01×10-5。

实验模型的边界和基底条件充分考虑新生代沉积前中生代的构造特征：在南侧设置聚苯塑料模拟中生代活动的灯楼角-迈1断层及临高灯楼凸起；北侧设置聚苯塑料模拟流沙港低凸起；东侧设置固定铁板模拟徐闻断层及徐闻凸起；西侧设置活动聚苯塑料，提供位移空间，代表迈陈凹陷西部沉积区；模型底部铺设延展性较好的橡胶皮，通过橡胶皮的引张带动上覆砂层实现伸展作用，在实验模型的基底上设置细小聚苯塑料条模拟先存断裂代表迈2断层（图5）。

图5　构造物理模拟实验砂箱及其内部结构示意图Fig.5 Experimental sandbox schematic and its internal structure

2.2实验材料的选择

前人研究表明，松散石英砂的变形符合库仑破坏准则，已被证明是模拟上地壳或脆性材料构造变形的理想材料［10-12，20］，因此选用松散的石英砂作为实验材料来模拟迈陈凹陷东部古近纪的构造演化过程。

迈陈凹陷东部古近系构造层可以划分为长流组（E1ch）、流三段（E2l3）、流二段（E2l2）、涠洲组（E3w）4个亚层，根据各层系的岩性特征，分别选用不同粒度的石英砂以更接近实际的地层组合规律：长流组（E1ch）为一套棕红、紫红色泥岩与棕红色砂岩、砂砾岩不等厚互层，实验中选用粒度为250～380 μm的松散石英砂作为实验材料；流三段（E2l3）为砂泥互层，实验材料选用粒度为150～180 μm的松散石英砂；流二段（E2l2）为一整套泥岩，实验材料选取粒度大于120 μm的松散石英砂；涠洲组（E3w）为砂砾岩与泥岩互层，部分位置有火山岩发育，实验材料选用粒度为180～250 μm的松散石英砂。为了使实验现象更加明显，对不同地层的石英砂进行了染色。

此外，为了与实际地质特征更加吻合，根据钻井和地震资料统计的地层实际厚度对砂层的铺设厚度进行设置，长流组区域上大部分厚度约为1 000 m，实验中地层厚度设置为1.4cm；流三段区域上大部分厚度约为600 m，实验中地层厚度设置为0.9cm；流二段区域上大部分厚度约为500 m，实验中地层厚度设置为0.8cm；涠洲组区域上大部分厚度约为2000 m，实验中地层厚度设置为3cm，地层厚度的相似系数为1.4×10-5。

3　实验过程与结果

3.1实验过程

参考断裂发育演化特征，结合控制盆地演化的区域动力学背景［1，2，9，20］，本次实验设计分为两个阶段进行：第一阶段模拟长流组和流沙港组沉积期，施加NW向拉张应力；第二阶段模拟涠洲组沉积期，施加NW向拉张应力和右旋剪切应力。实验装置中通过砂箱两侧铁板的向外移动实现纯拉张力的施加，通过两侧铁板的旋转实现右旋剪切作用。

实验过程中每期应力的加载时间对应于不同演化阶段的地质年限，但由于构造运动大多为幕式运动，因此在实验过程中应对受力时间进行适当的调整，本次实验设计第一阶段受力时间为5 min，第二阶段受力时间为10 min。

实验过程中施加应力值通过伸展量、伸展率的计算得到，通过设置驱动单元的位移量反映受力大小，通过对过徐闻X1井的NW向平衡剖面进行分析，确定长流组、流三段、流二段的NW向总伸展量为10.19 km，涠洲组的位移量为8.24 km，依据实验模型确定的相似系数，将第一阶段的位移量设置为10.2cm，第二阶段的位移量设置为8.2cm（表1）。

3.2实验结果

实验第一阶段（模拟长流组—流沙港组流二段沉积期）施加NW向的拉张力。砂箱受力发生伸展的初始阶段（4cm），控凹断裂（徐闻断层、灯楼角断层、灯楼角-迈1断层）最先活动，控制了凹陷的边界形态；随着伸展作用的继续（8cm），控凹断裂强烈活动，凹陷内部迈2断层开始活动，迈3断层也开始发育；伸展作用末期（10.2cm）各主要断裂持续活动，次级断裂逐渐增多，断裂整体上以NE向为主，断裂倾向以NW向为主，迈陈凹陷流沙港组沉积期构造格局基本形成（图6）。

图6　第一阶段实验结果Fig.6 Testing results of the first stage

将第一阶段实验结果的平面解释图与流沙港组活动断裂系统图对比发现：两者断层发育数量相近，主干断层发育期次、展布和规模相似，断层走向大多都为NE向，断面北倾，与实际地质特征相吻合（图7）。

图7　实验第一阶段实验结果与流二段活动断层对比Fig.7 Comparison between testing results of the first experiment stage and active faults in E2l2

实验第二阶段（模拟涠洲组沉积期）在原有的基础上铺设实验材料，施加NW向拉张和右旋剪切应力。砂箱受力发生走滑拉张的初始阶段（3cm），控凹断裂（灯楼角断层、徐闻断层、灯楼角-迈1断层）继承性活动，同时凹陷内部有部分次级断裂开始发育；随着走滑拉张作用的继续（6cm），迈2、迈3、迈4、迈5断裂走向由NE向逐渐转变为NEE和近EW向；走滑拉张作用末期（8.2cm）断裂广泛发育，断裂整体上以近EW为主，断裂倾向以SE向为主，迈陈凹陷涠洲组沉积期构造格局基本形成（图8）。

图8　第二阶段实验结果Fig.8 Testing results of the second stage

将第二阶段实验结果的断层平面解释图与涠洲组活动断裂系统图对比可知，二者吻合程度高，断层发育数量、规模接近，各主干断裂继承性发育，断层走向以NEE和EW向为主，与研究区中的主干断裂展布以及活动规律接近，与该时期实际地质特征相吻合（图9）。

图9　第二阶段实验结果与涠洲组活动断层对比Fig.9 Comparison between testing results of the second experiment stage and active faults in E3w

4　迈陈凹陷东部构造的形成演化机制

迈陈凹陷东部所在的北部湾盆地位于欧亚板块的东南缘，紧邻印度-澳大利亚板块及太平洋板块，在地质发展历史中，受中国大陆边缘、太平洋板块、菲律宾海板块及南海洋壳形成演化的影响，形成于多动力源背景的控制之下，本文中采用构造物理模拟实验方法动态地正演迈陈凹陷长流组—流沙港组沉积期和涠洲组沉积期断裂系统的发育演化过程，达到了模拟结果与实际地质特征的高度吻合，进一步证实不同演化阶段的应力场存在差异和叠加转型。

实验第一阶段施加NW向的拉张力，模拟结果与实际构造特征相吻合，表明古近纪古新世—中始新世构造应力场应以NW向伸展为主。结合周边大洋板块的运动方式，太平洋板块自晚白垩世开始以相对欧亚板块130 mm/a的速度NNW向俯冲于欧亚板块之下，至古新世降到78 mm/a，到始新世再降到38 mm/a［21-22］，洋壳俯冲角度增大以及俯冲速度减小导致太平洋板块后退［20］，同时印度板块约在距今70 Ma开始与欧亚板块SN向发生碰撞［23］，随后在早—中始新世（距今约55～50 Ma）印度和欧亚板块进入主碰撞期，并且保持极高的碰撞速率，古新世—中始新世印度板块的高速碰撞与太平洋板块的低速俯冲汇聚于东亚陆缘，这种不对称的板块运动引发地幔流的不均一侧向蠕动［24］，导致整个南海北缘处在NE向左行剪切和NW-SE引张作用之下，引发区域性裂陷作用和大规模的岩浆活动，以NE向断裂发育为主。

实验第二阶段在NW向拉张的同时叠加了右旋剪切作用，断裂发生了继承改造。地震剖面特征反映迈陈凹陷东部流沙港组顶部流一段地层缺失，流二段顶部存在着明显的地层削截，表明晚始新世存在着构造转型，上下两套断裂系统应形成于不同构造应力场控制之下。前人研究认为，晚始新世（43 Ma）太平洋板块相对欧亚板块的俯冲方向由NNW向转变为NWW向［25］，且俯冲速度有所增强（80 mm/a），同时印度板块与欧亚板块碰撞方向由SN向顺时针旋转为NE向，造成地幔柱上涌向东南方向蠕动及中南半岛向东南方向逃逸［25-29］，在太平洋板块和印度板块的共同作用下，东亚陆缘的应力场由左行压扭变为右行张扭，这种区域应力场的转变首先造成了上始新统流一段的地层剥蚀，进而导致近EW向新生断裂的发育和部分早期活动断层的消亡；同时在区域伸展背景之下，早期发育的NE向主要断裂持续活动，从而构成了迈陈凹陷东部现今古近系上下差异显著、继承与改造并存的断裂格局。

5　结论

（1）地质模型的建立是构造物理模拟实验的重要基础和保障，必须在充分考虑不同构造演化阶段主要构造特征、地层发育组合、边界几何形态、基底先存断裂和区域应力背景的基础上进行确定；进行模拟实验时必须考虑到构造演化是相对连续的地质事件，早期构造活动会对晚期的构造活动产生影响，因此在物理模拟的过程中也要做到实验的连续性，即尽量不要单独就某个时期的断裂特征进行模拟，这样做出的结果不能全面地反映实际的地质特征。

（2）构造物理模拟实验正演迈陈凹陷东部断裂的发育演化过程，进一步证实不同演化阶段的应力场存在差异和叠加转型。古新世—中始新世主要受控于NW向伸展应力场，以NE向断裂发育为主；晚始新世在NW向拉张的同时叠加了右旋剪切作用，区域应力场的转变首先造成了上始新统流一段的地层剥蚀，导致近EW向新生断裂的发育和部分早期活动断层的消亡，早期发育的NE向主要断裂持续活动，从而构成了迈陈凹陷东部现今古近系上下差异显著、继承与改造并存的断裂格局。

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（编辑徐会永）

Structure physical modeling experiment of evolutionary mechanism about fault system in eastern area of Maichen sag，Beibu-gulf Basin

LI Wei1，LIU Chao1，ZHANG Jiangtao1，DUAN Jiajia1，CHEN Wei2，CHEN Xingpeng1，LI Chunrui1
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.China National Offshore Oil Corporation Limited-Tianjin，Tianjin 300452，China；3.China United Coalbed Methane Corporation Limited，Taiyuan 030000，China；4.Geological Research Institute of Jiangsu Oilfield，SINOPEC，Yangzhou 225012，China）

Influenced by the superimposition and transformation of multiple phrases of tectonic stress field，the development of the eastern fault system displays apparent periodicity in Maichen sag.On the plane view，the fault strike was mainly NE trending in Paleocene and Eocene，and changed to EW and NEE in Oligocene.On the seismic section，taking T4reflecting surface（the bottom boundary of Weizhou Formation）as a boundary，the fault system can be divided into the upper system and the lower system，between which inheritance and transformation coexist.Aiming at this problem，based on the analysis of seismic data，drilling cores，and regional geological background，structure physical simulations were performed to model the eastern fault system's evolution in Maichen sag.The results show that the eastern area of Maichen sag was mainly controlled by the NW tensional stress from Paleocene to Middle Eocene，and the fault strike was mainly NE trending.In the late Eocene，dextral shearing was superimposed on the NW tensional stress，which contributed to the development of the EW-tren-ding faults，and some of those early developed NW-trending faults act successively.

structure physical simulation；fault evolution；tectonic stress field；Paleogene；the eastern area of Maichen sag

P 548

1673-5005（2015）03-0038-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.03.005

2014-12-15

中央高校基本科研业务费专项（27R1101053A）；教育部高等学校博士学科点新教师基金项目（K0901045A）；国家油气重大专项课题（2011ZX05023-006-05）

李伟（1978-），男，副教授，博士，主要从事构造地质学、油气成藏等方面的教学及科研工作。E-mail：liwei780923@163.com。

引用格式：李伟，刘超，张江涛，等.北部湾盆地迈陈凹陷东部断裂系统成因演化机制的构造物理模拟［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2015，39（3）：38-46.

LI Wei，LIU Chao，ZHANG Jiangtao，et al.Structure physical modeling experiment of evolutionary mechanism about fault system in eastern area of Maichen sag，Beibu-gulf Basin［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（3）：38-46.