李 萧，胡秋媛，杨 光，马方雷，杨建磊，魏真真，孙 肖

(中国石油大学 胜利学院 油气工程学院，山东 东营 257000)

我国东部断块油气田发育，其中，渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田是典型的复杂断块油气田之一。不同期次、不同级别、不同方向的断裂平面上多走向切割，剖面上多倾向切割，使东辛油田形成独特的断裂组合，塑造了复杂的断裂系统。近年来，诸多学者针对东辛油田的沉积微相、储层构型、低序级断层特征及其对剩余油分布的影响等方面进行了研究[1-4]。大量勘探实践表明，东辛油田内具有伸展背景和扭张背景的构造带是油气有利聚集区。但伴随勘探开发不断深入和精细勘探需求，东辛油田具有一定规模且形态清晰的构造油气藏越来越少；加之区内构造样式未得到深入研究，构造组合与油气分布的关系不够清晰，因此，回归客观、全面的构造分析，针对研究区开展构造组合样式及成因机制的研究尤为重要。构造物理模拟实验是对地质构造进行正演模拟的有效手段，可真实再现研究区构造发育演化及构造组合关系，并为其动力学成因研究提供实际变形依据[5-7]。因此，笔者基于大量地球物理资料，系统研究了东辛油田的构造几何学、运动学特征，在此基础上结合构造物理模拟实验，再现了研究区构造发育演化与组合关系，并进一步探讨了研究区构造主控因素与形成机制，以期为区内油气成藏规律研究提供依据。

1 区域地质概况

东辛油田地处山东省东营市，构造位置上位于济阳坳陷东营凹陷中央背斜东段(图1)，是我国东部典型的复杂断块油气田。研究区构造形态上自东向西可依次划分为辛镇构造、过渡带和东营构造3个主要构造单元，南北两侧分别受近东西向的辛120断裂和营8断裂所限，形成典型的地堑构造(图2)。地堑内多条次级断裂切割、交错，将内部构造复杂化。钻井、录井资料表明，东辛油田主要发育古近纪—第四纪地层，自下而上依次为古近系孔店组(E1-2k)、沙河街组(E2s)、东营组(E3d)，新近系馆陶组(N1g)、明化镇组(N2m)及第四系平原组(Qp)[8]。古近系和新近系岩性序列特征主要为红色砂泥岩、蒸发岩、礁灰岩、厚层暗色泥岩、三角洲砂岩、粒屑灰岩，其中，含油层系自下而上分别为沙三段(E2s3)、沙二下亚段(E2s2下)、沙二上亚段(E2s2上)、沙一段(E2s1)、东营组和馆陶组，主力含油层系为沙二上亚段和沙二下亚段。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田区域构造位置

2 东辛油田构造几何学和运动学特征

2.1 东辛油田构造几何学特征

东辛油田整体受南、北两侧2条近东西向断裂——辛120断裂和营8断裂所限，形成典型的地堑构造。地堑内部发育多条低序级断层，相互切割、交错，使内部构造复杂化，在研究区平面和剖面上呈现出构造几何学的多样性。

2.1.1 断裂构造平面几何学特征

平面上，研究区自东向西构造逐渐趋于复杂，其中，东部的辛镇构造以平行式平面组合为主，整体呈现“单一型”构造样式；中部过渡带以平行、斜交式平面组合为主，整体呈现“网格型”构造样式；西部的东营构造以雁列式、帚状平面组合为主，整体呈现“复杂型”构造样式(图2)。

东部辛镇构造带主要发育辛23断裂和辛1断裂2条三级断裂，走向基本一致，近东西向延伸5.5～6 km，与区内典型二级断裂——营8断裂构成典型的“平行式组合关系”，使东部辛镇构造带呈“单一型”平面构造样式(图2①)。

中部过渡带在辛34断块内发育3条典型的三级断裂，其中2条近东西向延伸约3 km，另一条NNE向延伸约1.5 km，并与2条东西向断裂构成斜交式断裂组合。辛16断块内发育3条典型的三级断裂和3条典型的四级断裂，3条三级断裂沿NE走向延伸约3.5～4 km，平面上构成平行式断裂组合(图2②)；3条四级断裂沿NW向延伸，被NE向断裂限制终止，平面上构成斜交式断裂组合(图2③)。平行式断裂组合与斜交式断裂组合共同塑造出中部过渡带“网格型”平面构造样式。

西部东营构造带在营1断块内发育营66断裂与营31断裂2条典型的三级断裂，平面上构成雁列式断裂组合；同时，近NE走向呈平行式断裂组合排列的多条低序级断裂与上述三级断裂呈斜交式断裂组合(图2④)。营13断块南界发育典型的三级断裂——营66断裂，与营8断裂在平面上构成雁列式断裂组合(图2⑤)；营8断裂尾部出现弧形弯曲，呈帚状断裂组合(图2⑥)。多组雁列式断裂组合与帚状断裂组合共同塑造出西部东营构造带“复杂型”平面构造样式。

图2 渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田断裂平面构造样式分区与走向玫瑰图

2.1.2 断裂构造剖面几何学特征

东辛油田断裂构造发育，且数百条断裂在剖面断距、落差等方面存在较大差别。依据断距大小、沉积特征、构造演化及其对油气的控制等因素，可判定研究区主要发育二级断裂—五级断裂。其中，二级断裂多为控洼断裂，断距大、可切穿基底，落差可达几百米；三级断裂多为不同断块间的分隔性断裂，断距小、落差100～500 m，对油气分布具有重要控制作用；四级断裂规模较小，断面较陡、垂向落差仅几十米，通过与主断裂组合对油气产生重要作用；五级断裂多由四级断裂派生，垂向断距仅几米至十几米，对沉积与油气均无较大影响。研究区南、北两翼分别受到辛120断裂、营8断裂2条二级断裂的控制，成为典型的“地堑式”背斜。地堑内、外被多条三级—五级断裂所切割，在剖面上呈现出典型的“包心菜式”复杂断裂系统。研究区主要发育典型的扭张断裂组合样式和伸展断裂组合样式(图3)。

研究区中部断块主要发育张扭断裂组合样式，呈典型的“包心菜式”负花状组合，由2组倾向相反、级别相近的低级别断裂构成，2组断裂相互交切(图3a)。研究区还广泛发育反“Y”字形、阶梯状、地堑、地垒等伸展断裂组合样式。复杂断块中的低级别断裂与主断裂相交呈反“Y”字形，尤其是主断裂与派生的低级别断裂常构成多级反“Y”字形组合(图3b)。辛34断块、辛23断块内若干产状近于平行的正断层上盘依次下落，剖面上构成阶梯状组合样式(图3c)。营1断块内地堑式断裂组合样式最为典型，两条或多条断层倾向相反，上盘依次下掉形成共同的下降盘(图3d)。营1断块内发育典型的地垒式断裂组合样式，2条或多条断层倾向相反，上盘依次抬升形成共同的上升盘，常与地堑共同出现构成堑垒组合(图3e)。

2.2 东辛油田构造运动学特征

平衡剖面技术是研究构造活动强度与演化特征的重要手段，其基本原理是将“面积守恒”转化为“层长守恒”，将已变形剖面恢复到变形前状态[9-10]。本文截取东辛油田内依次切过陈南断层、营8断层、辛120断层的典型NW向剖面Ⅰ-Ⅰ′(图2)，采用平衡剖面技术，逐层回剥得到研究区的构造平衡演化剖面(图4)。用L0、L分别表示某地质时期沉积前、沉积后的剖面长度，则该地质时期的伸展率可以表示为e=(L-L0)/L0[11-12]，分别计算了E2s3-E2s2、E2s1-E3d、N1g、N2m-Q时期的伸展率(表1)。计算结果表明，东辛油田典型NW向剖面的活动特征呈强伸展—较弱伸展—弱伸展—弱伸展的演化趋势。研究区自古近纪以来处于持续伸展状态，其中，E2s3-E2s2沉积时期伸展率最大，表明此时期受强烈伸展变形，构造活动强烈。至E2s1-E3d沉积时期，构造活动明显减弱，研究区整体处于弱伸展作用，一直持续至N1g沉积时期。N2m-Q沉积时期，区域伸展作用大幅减弱，断层几乎不活动，东辛油田构造趋于稳定。

图3 渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田断裂构造剖面几何学特征

图4 渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田典型剖面Ⅰ-Ⅰ′平衡演化剖面剖面位置见图2。

表1 渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田古近纪以来伸展率分析

3 东辛油田断裂构造成因机制

东辛油田的断裂构造格局与中国东部构造应力场的发展演化有着密切的成生关系，其根本动力来源于NW向边界断裂——郯庐断裂带的走滑活动，以及地幔物质上涌产生的拉张应力。

E2s3时期(距今43.5 Ma)，太平洋板块沿NWW向以38 mm/a的速度俯冲于欧亚大陆之下[13-14]，加之印欧板块与太平洋板块的碰撞挤压达到峰值[15]，致使郯庐断裂带由左旋走滑活动转为右旋走滑活动[16-17]，研究区整体被置于NW-SE向拉张应力场。受此应力场控制，研究区发生大规模伸展活动，近EW向二级断裂开始强势正断发育。此外，郯庐断裂带的右旋走滑活动，使研究区在伸展活动基础上又叠加了扭动因素[18]。至E2s1-E3d时期，研究区仍受NW-SE向拉张，但伸展强度明显减弱，伸展活动一直持续至23 Ma。上述区域伸展过程中，受NW-SE向拉张应力场及先期近EW向二级断裂的控制，区内发育一系列近EW向低级别断裂。同时，NE向断裂与NW向断裂持续发育，且在伸展基础上叠加了走滑，其中，前者走向与郯庐断裂带平行或相近，走滑方向一致，而后者走向、走滑方向均与郯庐断裂带相反，二者构成共轭的“P剪切”。此外，区域性岩浆活动塑造了一定的拱张应力场，为区内众多复杂低序级断层的发育提供了重要条件[19]。平面区域构造样式上，不同构造分区存在差异，东部辛镇构造带以平行式组合为主，整体呈现“单一型”构造样式；中部过渡带以平行、斜交式组合为主，整体呈现“网格型”构造样式；西部东营构造带以雁列式、帚状组合为主，整体呈现“复杂型”构造样式。

进入新近纪以来，研究区所在的济阳坳陷整体进入热沉降阶段，加之其南邻的鲁西隆起自23 Ma以来进入快速抬升，从而对区域伸展起到了抑制作用，故伸展活动速率大幅减弱(表1)，断层活动强度降至最低，构造活动趋于稳定。

4 东辛油田构造物理模拟实验

为深入探讨东辛油田构造特征及成因，笔者利用构造物理模拟实验再现研究区的构造变形过程。构造物理模拟实验遵循相似性原理，是在实验室中对地质构造发育演化进行正演模拟的一种有效手段[20-21]。本次研究设计多组实验，并采用循环滚动的方式进行优化，此处笔者仅选择拟合程度最高的一组进行讨论。

4.1 实验装置与模型

本文使用山东中石大石仪科技有限公司2016年研发的DGU-1型物理模拟装置中的走滑构造模型(图5a)。选取东辛油田平面矩形区域作为实验研究对象(实验模拟区域见图1)，建立长∶宽∶高为90 cm∶45 cm∶15 cm的实验模型(模型相似系数为1.30×10-5)。东辛油田断裂构造的变形要素包括：模拟时期——E1-2k时期至今；动力来源——郯庐断裂带走滑作用(E1-2k-E2s4)、郯庐断裂带走滑作用+岩浆底劈作用(E2s3-Q)；影响因素——区域几何边界、伸展走滑强度、作用持续时间等。基于此，设计实验模型时，在实验模具底部预设基底走滑断裂的基础上，铺设一层厚1 mm的弹性布以实现应力传递，弹性布周围再与活动挡板连接；同时，弹性布中央粘贴固定一弹性气囊，气囊可通过外接橡胶管进行充气(图5b)。为便于实验结果的观察与记录，采用粒度为100～120目的绿色天然石英砂(内聚力50 Pa，内摩擦角31°～41°)作为实验材料，并辅以少量黏土、凡士林以稍许提高其黏聚性。实验过程中，通过调节平流泵流速带动两侧的驱动单元，以实现双向拉伸并达到半定量—定量的模拟效果。

图5 构造物理模拟实验装置及模型

4.2 实验过程与讨论

实验共进行25 min，模拟E1-2k-E3d时期，对应距今65～23 Ma[22]。依据“逐步逼近”基本原则，循环优化实验方案，最终优选出拟合程度最高的一组，确定出边界载荷的施加方案为：实验前3个阶段(图6a—图6c)对应孔店期，平流泵后撤速度为0.057 cm/min，同时带动基底走滑断裂活动，此实验阶段实现了区域伸展与走滑作用的叠加；实验后5个阶段(图6d—图6h)对应沙四期—东营期，平流泵后撤速度为0.086 cm/min，同时为弹性气囊充气，此实验阶段在区域伸展增强的基础上，实现了区域伸展、基底走滑、局部岩浆底劈的共同叠加。物理模拟实验过程突出了实验模型与边界载荷的主控作用，弱化了实验材料差异对实验结果的影响。分析每组实验结果，并与变形场、地质模型相比对，及时调整实验模型，实现了地质模型—实验模型—实验结果循环优化的滚动实验。实验结果如下：

(1)图6a为实验初始状态，实验初期(即E1-2k)，研究区南侧1号断层自西段开始发育，规模较小(图6b)。

(2)实验进行至4 min，1号断层继续发育，规模逐渐增大，近EW向延伸，且断层东部开始出现小规模的次级断层(图6c)。

(3)实验进行至8 min，1号断层已初具规模，同时，其北侧开始发育2号断层，近NW向延伸，规模较小(图6d)。

(4)实验进行至12 min(对应E2s3时期)，2号断层继续发育并具有一定规模，其西段沿NW向延伸，至中段呈向北凸出的弧形，至东段转为向南凸出(图6e)，至此，1号断层与2号断层形态清晰，已基本发育完全。

(5)实验进行至16.5 min(对应E2s2时期)，2号断层西段发育一系列NE走向和NW走向的①号次级小断层，与主干断层呈斜交式断层组合，平面上呈树枝状分布(图6f)。

(6)实验进行至21 min(对应E2s1时期)，在1号断层与2号断层所夹限的东部区域发育②号次级小断层，平面上近EW向延伸，与主干断层构成平行式断层组合(图6g)。

(7)实验进行至25 min(对应E3d时期)，③号、④号断层开始发育，其中，③号断层由3条NE向次级小断层和3条NW向次级小断层构成，平面上呈平行式组合和斜交式组合2种样式；④号断层也由3条NE向次级小断层和3条NW向次级小断层构成，3条NE向次级小断层呈雁列式组合样式(图6h)，实验结束。

依据相似性原理，构造物理模拟实验结果可与实际地质情况拟合，因此，推断1号断层为营8断层，2号断层为辛120断层，①～④号断层代表研究区内低序级断层。E1-2k时期，1号断层与2号断层相继活动，整体近EW向延伸，断层规模、平面形态与营8断层、辛120断层相符。①～④号次级断层组合受1号、2号断层控制，在区域走滑、拱升共同作用下依次发育，并在平面上呈平行式、斜交式、雁列式等断层组合样式，这与东辛油田平面构造组合样式相符，即构造物理模拟实验较好地再现了研究区构造发育与演化，印证了E1-2k-E3d时期断裂构造的成因机制。

图6 渤海湾盆地济阳坳陷东辛油田断裂构造物理模拟实验

东辛油田断裂组合样式与油气关系密切。不同类型断裂组合样式在时空演化上存在差异[23-26]。例如，雁列式断裂组合样式与帚状断裂组合样式在平面上与垂向上均存在“应力集中区”和“应力释放区”。雁列式断裂组合样式往往受伸展走滑控制形成一端凸起，另一端沟谷。其中，凸起端处于“应力集中区”，封闭性好，有利于油气聚集；而沟谷端处于“应力释放区”，成为油气运移的有利通道。同样，帚状断裂组合样式受伸展走滑控制往往一端发散，另一端收敛，发散端呈开启状态，处于“应力释放区”，有利于油气运移；而收敛端相对封闭，处于“应力集中区”，有利于油气聚集。此规律对研究区后续勘探工作具有重要指导意义。

5 结论

(1)区域构造几何学特征研究表明，东辛油田构造形态自东向西趋于复杂。平面上，东部辛镇构造以平行式组合为主，整体呈现“单一型”构造样式；中部过渡带以平行式、斜交式组合为主，整体呈现“网格型”构造样式；西部东营构造以雁列式、帚状组合为主，整体呈现“复杂型”构造样式。剖面上，区内主要发育负花状、反“Y”字形、阶梯状、地堑、地垒等5种断裂组合样式，整体呈现典型的“包心菜式”复杂断裂系统。

(2)构造运动学特征分析及构造物理模拟实验研究表明，东辛地区断裂构造自E1-2k-E2s4时期开始发育，E2s3时期进入快速活动，E2s3时期以来呈现出强伸展—较弱伸展—弱伸展—弱伸展的演化趋势，构造组合样式经历了“平行式—斜交式—雁列式—帚状”逐渐趋于复杂化的过程。研究区断裂组合样式与油气关系密切，对后续油气勘探具有重要意义。

(3)构造物理模拟实验结果再现了研究区断裂构造的发育演化，取得了与实际地质情况较高的吻合度。实验结果进一步证实，东辛地区断裂构造组合样式是新生代伸展—走滑应力场与岩浆底劈作用叠加的产物。其根本动力来源于新生代NW-SE向伸展应力场、郯庐断裂带的右行走滑及岩浆等塑性物质上涌。