胡秋媛，董大伟，杨建磊，高 亮，孔 雪，杨 光，焦晓倩

(1.中国石油大学胜利学院油气工程学院，东营 257000；2.中国石油大学胜利学院高等教育与评价中心，东营 257000；3.中国石油大学胜利学院教学科研处，东营 257000)

准中4区块位于准噶尔盆地腹部地区，整体上为位于冲断斜坡带上的单斜构造[1-4]，其主要勘探层系集中于侏罗系头屯河组(J2t)、三工河组(J1s)和八道湾组(J1b)。前期勘探实践表明，研究区发育多个含油构造，油气勘探潜力巨大，但勘探程度较低[5-9]。前人对准中4区块侏罗系的沉积演化特征、物源体系及储层成岩等方面做了系统研究[10-14]，但准中4区块构造样式复杂，对区内断层发育类型、活动演化期次、成因机制及断层启闭性等方面的研究相对较少，尤其缺少相应的实际变形支持。综合应用地震、钻井等资料，通过构造精细解释、平衡剖面回剥、断层落差等方法，系统研究准中4区块的几何学、运动学及动力学特征，在此基础上基于相似性原理，首次将构造物理模拟实验引入准中4区块，反演再现研究区的构造演化过程，为深度剖析其动力学形成机制提供重要支持，弥补研究区动力学实际变形方面的不足，以期为研究区下一步油气勘探提供有力依据。

1 区域地质概况

准噶尔盆地隶属于新疆维吾尔自治区，位于新疆北部，夹持于天山造山带与阿尔泰造山带之间，两侧被东、西准噶尔构造带所限，平面形态呈南宽北窄的三角形，总面积1.3×105km2。可以划分为3隆2坳5个一级构造单元、44个二级构造单元(图1)。

图1 研究区区域构造位置与构造域划分

准中4区块位于北天山山前斜坡带内，构造位置上属于昌吉凹陷东端阜康凹陷内，为准噶尔盆地南缘前陆冲断带的次级构造单元，其东部以三台凸起为界，西邻昌吉坳陷深凹区，南部分别以伊林黑比尔尕山、博格达山前断褶带为界，北抵白家海凸起南缘，面积可达2 891.7 km2[15-16](图1)。研究区属典型的准南缘地层分区，整体地层埋藏相对西南深洼区较浅，地层层序简单，纵向上可分为由南向北逐渐抬升的3个构造层。研究区内董1、董3、董8、董6等井的钻探实践表明，准中4区块以侏罗系的构造—岩性复合油气藏为主要勘探目标，主要勘探层系集中于侏罗系头屯河组(J2t)、三工河组(J1s)和八道湾组(J1b)。

2 准中4区块构造特征研究

准中4区块隶属准噶尔盆地南缘阜康凹陷，自海西晚期以来经历了多期次、多构造域叠加，构造变形复杂多样。为深入研究准中4区块构造变形特征，针对准中4区块进行构造变形分区基础上，综合运用研究区三维地震数据进行区域构造解析，获取断层平面、剖面组合特征，系统分析研究区断层几何学特征，以建立完整的、具有几何规律的构造体系。在此基础上，采用平衡剖面回剥、断层落差等研究方法获取断层构造活动史，进而总结断层运动学特征，以期厘清研究区各构造演化阶段的断层发育特征，为后续成因机制分析提供重要依据。

2.1 研究区构造分区

准中4区块侏罗系断层分布图显示，研究区断层平面分布具有明显的“分带性”。根据区内断层分布、产状等特征，将研究区划分为董3～董1井断层区、董7～董8井断层区和董6井断层区3个构造区(图2)。其中，董3～董1井断层区位于准中4区块西部，断层性质均为逆断层，且沿北西走向分布；董7～董8井断层区位于准中4区块北部，断层性质均为正断层，整体带状分布呈弧形，弧形弯曲凸出向西；董6井断层位于准中4区块东南部，断层性质均为正断层，整体走向与其南邻的博格达山造山带一致。

图2 准中4区块构造变形分区及典型剖面

2.2 研究区断层构造特征

对准中4区块进行构造变形分区基础上，以研究区典型地震资料为基础，综合运用平衡剖面回剥、断层落差等研究方法，对区内断层构造进行详细解析，获取各断层区内断层平面、剖面几何学特征及运动学特征研究得出：

(1)董3～董1井断层区内，断层多沿NW走向延伸，平面上呈雁列式、平行式组合展布[图2(a)]。董3井断层区整体上与准噶尔盆地南缘伊林黑比尔尕冲断带走向一致，位于准南缘断褶带的薄皮构造区。董1井区部分被NE走向断层截切，表现出一定右行走滑性质。NE向断层与研究区南部伊林黑比尔尕山冲断方向及研究区北部白家海走滑断裂带走向一致。剖面上，断层倾角大、断距小，伴有小幅度褶皱，整体呈逆冲断褶带[图2(b)]。董3井区内断层向深部延伸拆离滑脱于沉积盖层，其中，南部低角度断层拆离滑脱于侏罗系，而北部高角度断层拆离滑脱于二叠系。董1井区可明显区分为两个断褶区[图2(c)]。其中，南部为第一断褶区，切穿T、J1b、J1s、J2x、J2t、K1层位，自断层1向北断层发育层位由南向北越来越深；北部为第二断褶区，切穿T、J1b、J1s、J2x、J2t层位，自断层3至断层5发育层位由南向北越来越浅[图2(c)]。断层落差分析表明，董3断层区各断层断距20 ～50 m，董1断层区各断层断距10～30 m，在J1b～J2t时期均为逆冲性质。其中，三工河组(J1s)和西山窑组(J2x)沉积时期为区内断层主要活动期，自头屯河组(J2t)沉积时期开始活动逐渐减弱，侏罗纪时由逆冲转为褶皱，至新生代时，整体表现为单斜挠曲变形。董3井区内各断层自南向北呈前展式冲断，且活动强度逐渐减弱[图3(a)]。董1井区南部第一断褶区断层自南向北呈后展式冲断，而北部第二断褶区断层自南向北呈前展式冲断[图3(b)]。

图3 准中4区块断层落差直方图

(2)董7～董8井断层区由一系列次级断层构成，整体呈弧形向西凸出。该区分段性明显，其中，北段沿NE走向延伸，呈雁列式斜列展布，中段近SN向延伸，且规模相对较大，整体呈反“S”形平面组合，南段沿NWW走向密集排列[图2(a)]。董7～董8井断层区平面上构成整体向东的伸展构造样式，中段为正断层，南北两段兼具走滑性质。剖面上断层均为正断层，倾角介于50°～80°，切穿T、J1b、J1s、J2x、J2t、K1各层位，整体构成“卷心菜式”的剖面组合样式[图2(d)]。与花状构造不同的是，“卷心菜式”剖面组合仅发育上部的“花苞”，各断层间变形均匀，无主次之分，未发育下部的“花枝”。董8井区断层在J1时期为逆断层，且强烈活动时期为J1s；J2时期开始转为正断层，表现为向东的伸展逃逸；强烈活动时期为J2s，至白垩纪早期，正断活动减弱[图3(c)]。董7井区断层的断距正、逆反复，整体表现为正断层，具有明显的正-走滑特征，董8井区断距大于董7井区。

(3)董6井断层区内，断层均为正断层，沿NWW走向延伸，整体呈带状分布，断面倾向具有“南北对称”的特点[图2(a)。断层区西侧部分断层开始分叉，沿NE、NW走向发育。构造位置上，此断层区紧邻准南缘的博格达冲断带。剖面上，断层倾角大、断距小，均表现为正断性质，主要切穿J1b、J1s、J2x、J2t、。主要剖面组合样式为断阶式组合、“卷心菜”式组合[图2(e)]。此断层区剖面上整体构成背斜，背斜转折端处发育正断层，属典型的中央背斜断裂带。董6井断层在J1b活动时期为逆断层，沿SSE方向自断层1至断层5基本不活动，断层6为边界逆冲断层；剖面显示的6条断层在J1s～J2t活动时期均表现为正断层，在J1s沉积时期为主要活动时期，其后发育背斜，转折端部位张裂变形，剖面上构成典型的“包心菜”式组合样式；J3q沉积期断层活动趋于停止。

3 准中4区块构造变形分析

前已述及，准中4区块平面上断层带状分区明显，剖面上构造样式多样，发育高角度逆冲断层、高角度正断层和斜滑断层等多种类型，各断层区间相对独立。鉴于此，基于前述断层几何学、运动学特征，结合区域及中央走滑构造的发育演化，将准中4区块划分为3个构造域和3个变形区：伊林黑比尔尕山冲断构造域、白家海走滑构造域、博格达山冲断构造域、董3～董1井断层区、董7～董8断层区、董6井断层区(图1)。其中，董3～董1井断裂带区主要受伊林黑比尔尕山冲断构造域控制，董7～董8井断裂带区主要受白家海走滑构造域控制，董6井断裂带区主要受博格达山冲断构造域控制(图1)。结合前述断层几何学、运动学特征及其区域构造背景，分别探讨了3个断裂变形区的构造变形成因机制，以更好地应用于研究区勘探开发实践，同时也为后续构造物理模拟实验中边界载荷施加提供了重要依据。

3.1 董3～董1井断层区构造变形分析

董3～董1井断层区处于伊林黑比尔尕山冲断构造域内，侏罗纪时，该区被置于准噶尔盆地南缘NE走向的伊林黑比尔尕山冲断带的薄皮构造带上[图4(a)]，受NE向强烈冲断作用影响，地层发生膝折带迁移，发育高角度冲断褶皱[图4(b)]。前述断层活动性分析表明，董3井区断层活动时期早于董1井区，且前者活动强度大于后者。进入白垩纪，断层活动减弱，代之以区域整体沉降，变形以微弱褶皱为主，地层南北等厚；至新近纪，准噶尔盆地南缘强烈冲断，该区处于冲断斜坡带上，构造变形以单斜挠曲为特征，地层北薄南厚[图4(c)、图4(d)]。因此，伊林黑比尔尕山NE向冲断作用成为董3～董1井断层区构造变形的主要动力来源。

图4 董3～董1井断层区构造变形及典型剖面

3.2 董7～董8井断层区构造变形分析

董7～董8井断层区处于白家海走滑构造域内，自三叠纪起，董7～董8断层区及其东部的三台凸起开始向东强烈冲断，区内以弱挤压变形为特征，发育一系列逆冲断层，挤压变形一直持续至三工河组(J1s)沉积时期；至西山窑组(J2x)沉积时期，受中央走滑断裂作用控制，三台凸起持续向东冲断，董7～董8断层区演变为后缘拉张环境，形成典型的“逃逸构造”[图5(a)]，逃逸活动持续至齐古组(J3q)沉积时期，区内董8井区发生张裂正断[图5(b)]，董7井区发生斜断并具走滑特征；至白垩纪时，逃逸停止，取而代之的是区域整体沉降，构造变形弱，区内地层稳定沉积；进入新生代，准噶尔盆地南缘强烈冲断，董7～董8断层区整体向南发生单斜挠曲，西侧大于东侧[图5(c)]。因此，白家海走滑构造成为董7～董8井断层区构造变形的主要动力来源。

图5 董7～董8井断层区构造变形及典型剖面

3.3 董6井断层区构造变形分析

董6井断层区处于博格达山冲断构造域内，三叠纪时，受印支运动影响，阜康凹陷东部的薄皮构造带处形成两个近EW向的断背斜带，并持续发育至八道湾组(J1b)沉积时期；自三工河组(J1s)沉积时期开始，该区受弱挤压作用影响在断背斜轴部发生张裂，6号边界断层发生负反转[图2(e)]，同时周缘对称发育一系列近EW向正断层，弱挤压作用持续至齐古组(J3q)沉积时期；至白垩纪时，构造变形明显减弱，地层稳定沉积，董6井断层区处于稳定埋深；进入新近纪，准噶尔盆地南缘博格达山再次向北强烈冲断，促使董6井断层区处于向南的单斜挠曲。因此，博格达山造山带向北的冲断作用成为董6井断层区构造变形的主要动力来源。

4 准中4区块构造物理模拟实验

为进一步提供准中4区块构造解析的实际变形证据，利用构造物理模拟实验对研究区进行正演模拟，实现了短时间内对各构造变形阶段的有效追踪。构造物理模拟实验，是在实验室中再现地质构造变形过程的一种有效手段[17-18]。目前，构造物理模拟实验已在伸展构造变形、挤压及俯冲环境下冲断变形、反转构造发育演化等方面取得了很大进展[19-25]，已被广泛应用于构造地质、石油地质、工程地质等多个领域，并逐步由定性分析迈入半定量—定量分析。本模拟实验中，以循环滚动的方式多次优化，最终优选出拟合程度最高的一组实验结果与实际地质情况比对。

4.1 实验原理与依据

构造物理模拟实验遵循相似性基本原理。其基本依据：实验条件上满足实验时间与实际地质时期相似、实验材料与实际地层相似、边界载荷与实际动力学条件相似，实验结果上满足与实际地质构造几何学相似、运动学相似、动力学相似等。基于上述基本原则，实验模型与地质模型间需同时满足：

σ*=ρ*g*l*

(1)

(2)

(3)

式中：σ*、t*、ε*、v*分别代表应力缩放比、时间缩放比、应变率缩放比及位移速率缩放比；ρ*、g*、l*、μ*分别为密度相似比、重力相似比、模型尺度相似比、硅胶与盐岩层黏度系数相似比[19，26]。

4.2 实验设计与过程

4.2.1 实验模型

实验装置选用DGU-1型多功能地质构造物理模拟仪中挤压和伸展模式的双向驱动单元，该装置由中石大石仪科技有限公司在2016年自行研制。前已述及，J1s～J3q沉积时期为准中4区块的主要断裂变形期，塑造了研究区构造变形主体格局，其后为沉积埋藏和单斜挠曲的改造变形期。基于此，本物理模拟实验中，设计了J1s～J3q沉积时期的董3～董1井断层区和董7～董8井断层区实验模型：1号动力轴推挤，模拟伊林黑比尔尕山的冲断；2号动力轴拉伸，模拟董8井东侧的伸展逃逸；北部预设凸起，模拟白家海凸起和马桥凸起(图6)。此外，装置上方放置录像机记录模型平面运动，装置侧面放置照相机记录整个实验过程。实验结束后对砂体洒水切片，记录分析实验模型的地貌特征及内部构造的几何学特征。

图6 董3～董1井断层区和董7～董8井断层区构造物理模拟实验模型

4.2.2 实验材料

构造物理模拟实验中，选用干燥松散的纯石英砂模拟实际地层，其遵循莫尔库伦强度准则的前提下，与上地壳脆性岩层的形变特征极为相似[27]。实验用石英砂粒度约200目，密度约2.4 g/cm3，黏结力200 Pa。同时，为便于实验结果的观察与记录，采用彩色石英砂铺设地层，染色后石英砂力学性质保持不变。

4.2.3 实验参数与边界条件

设计高、中、低速7组不同单向挤压速度的砂箱构造物理模拟实验表明，中速(0.05～0.005 mm/s)挤压变形过程中，砂体后缘加积相对较弱，构造变形样式主要为砂箱楔形体前缘先形成(前展式为主)逆冲断层，当达到临界楔形体后，反冲断层发育并与前展式逆冲断层构成冲起构造，构造样式上表现为叠瓦构造与冲起构造的无序叠加[28]。因此，实验过程中，将有效挤压速度设定在0.05～0.005 mm/s内。经过多组实验滚动优化，最终确定动力轴1运行速度为0.04 mm/s，运行时间14 min；动力轴2运行速度为0.01 mm/s，运行时间5 min。

4.2.4 实验过程与解译

实验过程中，用摄像机拍摄平面变形过程，之后进行延时摄影处理，以短时间内恢复实验过程，有效追踪各变形阶段。此处选择拟合程度最高的一组实验进行讨论。

(1)物理模拟实验第1阶段(0～14 min)。图7(a)为实验初始状态，为便于构造变形结果的观察，在砂体表面预设应力圆。第一实验阶段设定1号动力轴推挤[图7(b)]，遵循边界载荷相似和时间相似基本原理，依据平流泵流速换算，确定动力轴运行速度为0.04 mm/s，持续运行14 min。实验结果显示，模型砂体共发育两排逆冲推覆构造：第一排逆冲断层走向与挡板推进方向垂向，即平行挡板；第二排逆冲断层走向与挡板推进方向开始发生斜交，且左侧推进大，右侧推进小；整体上逆冲断层前缘断层发育自由度大于后缘。第二排逆冲断层的左上角发育一条断裂带，且较为平直；右下角发育两条断裂带，后缘断裂弧形下凹，前缘断裂带弧形上凸[图7(b)]。将砂体平面特征与准中4区块断层平面几何学特征对比分析，断层1～3以前展式序列发育，且活动渐弱，断层3为隐伏断层；对比研究区，其分别对应董3、董1井区发育断层，符合董3～董1井断层区前展式断层发育。

(2)物理模拟实验第2阶段(15～19 min)。第2实验阶段设定2号动力轴拉伸[图7(c)]，遵循边界载荷相似和时间相似基本原理，依据平流泵流速换算，确定动力轴运行速度为0.01 mm/s，持续运行5 min。实验结果显示，模型右上角逐渐拉伸，形成弧形张性断层。其中，断层中段张性破裂，由两条断层逐渐连接而成一条；断层上、下两段初期由一系列羽裂的次级断层组成，后期各次级断层连接成一条断层，断层走向与动力轴2的拉伸方向斜交，指示断层具有明显的走滑性质[图7(c)]。解析实验结束后的砂体平面构造发育特征，对比准中4区块断层平面特征：断层4为向东的伸展逃逸构造，中段正断，上、下两段侧断调节并具明显走滑特征；对比研究区，其分别对应董8、董7井区发育断层。断层1走向与动力轴1的推挤方向垂直，但断层2～3受白色泡沫阻挡，走向与推挤方向斜交，位移矢量方向偏转[图7(d)]；此现象符合董1井区断层发育特征，即NE向冲断的挤压力在董1井处受白家海凸起影响发生偏移，同时叠加白家海凸起的走滑断层作用，使董1井区断层具有斜向压扭特征。

图7 准中4区块构造物理模拟实验及解译

实验结束后对砂体洒水切片，详细记录分析实验模型内部构造的几何学特征。剖面模拟结果显示，动力轴1推进距离约41 mm，共形成3条前冲断层和两条反冲断层：前缘前冲断层以前展式发育，由断层1逐渐演化至断层3，且断层1和断层2皆发育至地表，断层3仍为盲冲断层，分别对应研究区董3、董1井区发育的断层体系；反冲断层发育于冲断后缘，被断层1所截断，前后缘断层组合形成冲起构造(图8)。

图8 准中4区块剖面构造物理模拟结果及解译

4.2.5 实验结果评价

准中4区块构造物理模拟实验历时19 min，真实再现了研究区董3～董1井断层区和董7～董8井断层区的发育演化过程[图7(d)]。构造物理模拟实验结果与前述准中4区块构造特征分析具有极高的吻合度。图7(d)中董3～董1井区、董7～董8井区断层平面几何学特征可与研究区实际构造发育特征对应较好[图2(a)]，剖面物理模拟实验结果与前述董3～董1井区、董7～董8井区典型剖面特征对应较好[图2(c)、图2(d)]，从而为研究区构造解析提供了有力的实际变形支持。受实验条件所限，实验仍存在一定不足，施加边界载荷时无法同时提供N向的挤压冲断，因此，实验中无法同时恢复董6井断层区的断层发育特征，有待在后续实验中着力解决。

5 结 论

(1)地震资料解释分析表明，准中4区块断层呈带状分布，可划分为董3～董1井断层区、董7～董8井断层区和董6井断层区3个构造分区。其中，董3～董1井区断层为高角度逆冲断层，董7～董8井区断层为高角度正断层和斜滑断层，董6井区断层为高角度“卷心菜式”正断层。

(2)平衡剖面回剥、断层落差等方法研究表明，董3～董1井区断层在J1s～J2t沉积时期强烈活动，董7～董8井区、董6井区断层在J1s～J2x沉积时期强烈活动。进入白垩纪，研究区内各分区断层活动减弱，代之以区域整体沉降，地层稳定沉积；至新近纪，构造变形以单斜挠曲为主要特征。

(3)研究区断层几何学、运动学特征及区域构造发育演化研究表明，准中4区块董3～董1井断层区、董7～董8断层区、董6井断层区分别形成于三种变形机制。其中，董3～董1井断层区主要受伊林黑比尔尕山冲断构造域控制，董7～董8井断层区主要受白家海走滑构造域控制，董6井断层区主要受博格达山冲断构造域控制。

(4)构造物理模拟实验取得了与实际地质情况极高的吻合度。实验结果再现了准中4区块董3～董1井断层区、董7～董8井断层区的断层发育演化过程，为研究区动力学成因分析提供了实际变形支持与关键证据，进一步证实董3～董1井区断层形成于准南缘冲断和白家海凸起的阻挡作用，董7～董8井区断层形成于走滑变形机制下，三台凸起冲断的后缘拉张。