蔡 蕊，刘 浩

(俄罗斯国立石油天然气大学，莫斯科 109807)

引 言

高柳断裂带位于河北省唐山市滦南县和唐海县境内，区域构造位于南堡凹陷。南堡凹陷因其形成过程的复杂性致使凹陷发育许多内部断裂，地下地质情况非常复杂［1－2］，南堡凹陷既处于北东—北北东走向的黄骅坳陷的东北端，也处于北西西向的北京—塘沽—蓬莱走滑活动断裂带的中部，是1个较为典型的走滑拉分构造位，其与区域性的几何学与运动学具有相似性。经过20多年的勘探开发，对南堡凹陷构造变形机制研究不断深入［3－5］，但其研究仅限在沉积相方面。本文以高柳断裂带古近系沙三3亚段构造变形为出发点，通过物理模拟的手段，深入研究其构造变形的形成机制，并对现有地质认识成果进行验证，以确定其构造特征及形成机制，为高柳断裂带油气勘探开发提供准确的地质资料。

构造物理模拟是探讨构造变形机制的有效方法，已被广泛应用于各类构造研究，为探讨高柳断裂带变形的形成机制，笔者设计了大量平面砂箱实验，通过解剖典型实验，根据实验结果与实际断裂系统对比，提出高柳断裂带是在165°拉张应力作用下形成的伸展构造。

1 地质背景

图1 南堡凹陷主控断层分布

南堡凹陷北侧边界断层为西南庄断层和柏各庄断层，在平面上呈“人”字形展布(图1)，南侧边界断层主要为沙北断层、曹妃甸断层等。南堡凹陷内部断裂极为发育［6］，主要发育北东东向断层，其中高柳断裂带属于南堡凹陷次级构造变形带，夹于高柳断层、西南庄断层和柏各庄断层之间，其形成主要与北东走向的西南庄构造带、北西走向的柏各庄构造带的演化过程有关，高柳断层是1条长期继承性发育的同生断层［7］。

2 高柳断裂带沙三3平面构造变形特征

构造样式是盆地内具有内在联系的地质组合体［8］，常受控于主干断层的几何学特征和运动学规律［9］，对构造样式的研究即建立在断裂研究的基础之上。南堡凹陷内部断裂发育，在沙河街组沉积末期，凹陷已发育南倾的控盆大断裂，基本上控制了凹陷的构造格局［10］，高柳断裂带北部发育多条北东东—近东西向北倾正断层，呈平行带状、梳状展布，东西两侧与柏各庄断裂和西南庄断裂相交。从总体上说，沙河街组地层中断层比较发育。南部被断层切割成多个小断块，地层整体南东倾，向北西逐渐抬升。主要发育3组断层，其中最主要的断层特征为走向北东向、倾向北西、断距大、平面延伸长，且在南端沿高柳断层边界呈雁列式排布。

3 模型设计

3.1 模型原理

大量模拟实验结果表明构造变形的过程主要受几何条件控制，与岩石力学性质和应力大小的关系较小［11－12］。构造物理模拟的实质是变形几何学方法，通常是根据研究对象的变形样式确定模型的边界条件和受力方式，仅考虑应力方向。因此，构造物理模拟方法是重现构造变形过程、研究构造变形行为等问题的主要方法。

3.2 设计原则

在物理模拟设计上重点遵循相似性原则与分解原则，根据研究区域的最新认识来设计实验模型，通过大量实验来使实验结果逼近地下实际，同时将这些因素逐步分解，以达到简化模型设计的目的;同时还充分考虑逐步逼近原则与可重复的原则。

3.3 模型装置

模型边界形态与高柳断裂带边界形态基本一致，实验砂箱模型长度随模型方向的变化而变化，但砂箱内主断层(西南庄断层与柏各庄断层)比例一致，砂箱基底由橡皮和帆布铺设，橡皮和帆布的弯曲交接边界模拟的是区域上柏各庄断层和西南庄断层的实际走向。上侧挡板固定，下侧挡板可由马达拉伸。实验材料选用广泛应用于脆性变形研究的松散石英砂［13－15］，粒径为 60～80目，砂层厚度为4.5 cm，实验温度为25℃。

4 实验结果

平面模拟实验共完成20组，本文重点剖析其中有代表性的5组实验，并对5组实验进行了重复模拟验证。砂箱模型基本参数见表1。实验1至实验4基底帆布上放置聚苯泡沫，泡沫厚度为2 cm，实验5基底帆布上放置硬纸板，纸板厚度为0.8 cm。先假定砂箱挡板长与宽交角为正北方向，拉伸方向与柏各庄断裂带和西南庄断裂带斜交。

表1 实验基本参数

(1)实验1。在柏各庄和西南庄主控断层的凸起处，分别形成与之对应的倾向北西的雁列式断层;在右侧挡板一侧，受柏各庄断层影响，发育倾向北北西的雁列式断层。倾向南西的断层基本发育在拉伸端一侧。

(2)实验2。在西南庄主控断层的凸起处，形成与之对应的倾向北东的雁列式断层;在砂箱中部，受柏各庄断层和西南庄断层共同影响，发育规模较大的倾向北西的雁列式断层。倾向南西的断层分布在右侧挡板及拉伸端一侧。

(3)实验3。在柏各庄和西南庄主控断层交界处形成一地堑;在柏各庄和西南庄主控断层边界，发育与之对应的倾向北西和北东的雁列式断层;在砂箱左侧挡板一侧，形成倾向北东的雁列式断层。在拉伸端一侧形成规模较大的走向北东东向、倾向北北西向和南南东向的断层。该实验模型所模拟出的断裂系统与实际断裂系统很相似，为此，有必要改进实验模型，做进一步的研究。

(4)实验4。在柏各庄和西南庄主控断层交界处形成一地堑;在柏各庄和西南庄主控断层边界，发育与之对应的倾向北西的雁列式断层;在砂箱左侧挡板一侧，形成倾向北东的雁列式断层。在砂箱拉伸端一侧发育倾向南东的断层。

(5)实验5是实验3的改进实验。在柏各庄和西南庄主控断层边界前缘发育一系列走向北东东、倾向北北西的雁列式断层;在砂箱中部偏下位置，发育一系列走向近北东东、倾向近南南东的弧形断层;在拉伸端一侧，形成走向近北东东、倾向近南南西的弧形断层(图2)。

图2 南东端拉伸(165°方向)模拟实验

5 实验结果分析

5组实验对拉伸应力方向影响因素逐一进行了模拟，按照逐步逼近相似条件的方式来设计模型，最终的模型是综合考虑各种影响因素进行设计和模拟的，综合所有模拟结果认为，实验5结果与被模拟对象相似程度最高(图3)，具体表现在下列方面。

图3 模拟结果与断裂系统图对比关系

(1)实验模型左侧(用红虚线绘制)代表西南庄构造带，其走向为45°左右，与断裂系统图上的实际走向接近。

(2)模型右侧(用红虚线绘制)代表柏各庄构造带，其走向为北西—南东向，与断裂系统图形态也比较相似。

(3)模拟出的近东西向弧形构造带与高北构造带的形态、走向都非常吻合。

(4)模拟出的高柳断裂带与断裂系统图上的形态，走向基本一致。

(5)高柳断层与高北断层内部所发育的北东向断层走向与断裂系统图相似。

6 结论

(1)高柳断裂带是在应力场方向为165°伸展作用下形成的，受先存柏各庄断层左旋张扭和西南庄断层右旋张扭作用共同控制。

(2)高北断层与高柳断层控制其内部发育的北东向断层，但断层的倾向与地震剖面解释结果不完全吻合，说明高北断层与高柳断层可能晚于北东向断层形成。

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