张迎朝，李长圣，朱继田，尹宏伟，熊小峰，吴珍云

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；2.南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；3.东华理工大学 a.核资源与环境国家重点实验室; b.地球科学学院，南昌 330013)

0 引 言

南海的油气藏资源约占我国总资源量的三分之一，其中大部分资源蕴藏于深水区。随着琼东南盆地深水区研究和勘探的进一步推进，理清盆地基底性质对琼东南盆地断裂组合发育的影响，明确深水区的结构和构造样式发育的动力学机制成为了亟待解决的重要问题之一。琼东南盆地是在张性应力动力学背景下形成的裂谷盆地，前人已通过多种研究方法对裂谷盆地的形成演化动力学模型机制进行了大量研究[1-6]。张佳星[7]和李长圣等[8]结合盆地地球物理资料、地震剖面图特征解析，对琼东南盆地区域构造差异及凹陷内部断裂系统的构造演化过程进行模拟分析，认为琼东南盆地深水区断裂性质的差异性控制了凹陷的沉积模式。

通过钻孔温度数据，推算出琼东南盆地地温梯度分布特征，研究结果表明，盆地东、西部及深、浅水区存在显著差异。其中，东部地区地温梯度相对偏高，在60～80 ℃/km之间，西部地区低于50 ℃/km；北部浅水区梯度则在40～50 ℃/km，而南部深水区梯度约为60 ℃/km，深刻揭示了盆地地温场的区域差异性。在此基础上，结合岩石热物性参数，进一步推算出盆地现今大地热流。分析结果表明，在空间上显示出一定的热流分布规律，在垂直于海岸线的方向上，从浅水陆架区向深水区，热流逐渐增加，北部坳陷带热流﹤65 mW/m2，南部长昌凹陷热流>85 mW/m2。而在平行岸线方向，东、西部热流分布也存在显著差异。其中，东部区热流为80～105 mW/m2，西部区热流为50～70 mW/m2 [9]。此外，根据地球物理数据的分析结果显示，自中新世以来，南海周边存在大量岩浆活动，热模拟的结果显示岩浆活动对琼东南盆地东部热流的影响大于盆地西部(见图 1)，推测盆地东部和西部的区域构造可能受到岩浆晚期热效应导致琼东南盆地东部的高热流值作用[10-11]。东热西冷的热流差异刻画了盆地基底的特性：东部为韧性基底，西部为刚性基底。张佳星等[12]通过物理模拟研究了基底性质对琼东南盆地断裂构造的影响，模拟结果显示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，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。本文设计了两组离散元数值模拟实验，探讨基底性质对琼东南盆地断裂组合发育的影响。

图1 琼东南盆地热流分区简图[9]

1 实验设计

Cundall等[13]基于分子动力学原理首先提出了对颗粒物质进行离散模拟的思路，用于研究岩土体的各种力学行为，其基本思想是将颗粒材料内部微观尺度的单个离散颗粒视为一个离散单元，通过一系列离散的单元来模拟颗粒材料的力学行为。离散元的迭代计算可以概括为两部分：① 找到相互接触的颗粒，应用接触力学模型(即力-位移法则)计算颗粒间的接触力，进而得到所有颗粒受到的合力与合力矩；② 已知的颗粒所受合力和合力矩，由牛顿第二定律更新每个颗粒的位置。反复执行这两个步骤，直到计算结束[14-16]。

为了进一步探讨基底性质对琼东南盆地断裂组合发育的影响，设计了如图 2所示的两个离散元数值模拟试验，分别对琼东南盆地东部和西部可能存在的韧性和刚性基底在伸展应力场中的断裂发育情况进行模拟。实验1中，不连续点是固定不变的，不会随红色墙移动，模拟刚性基底；实验2基底由相互有一定叠合量的颗粒组成，随着拉张进行，叠合的颗粒逐渐分散开，模拟韧性基底扩张。

(a)实验1，刚性基底

(b)实验2，韧性基底

数值模拟使用课题组自主研发的离散元程序VBOX[14-18]，采用Hertz-Mindlin接触力学模型更新颗粒间的接触力，该模型在力的计算方面精确且高效，构造模拟中应用效果良好[15, 19-20]。随机在矩形盒子内随机生成一定数量的颗粒，使其在重力作用下沉积生成，得到长30 km高7 km的初始模型。

颗粒的细观参数参考了Morgan[19]取值，其中，颗粒的剪切模量2.9 GPa，泊松比0.2，密度2 500 kg·m-3，摩擦系数为0.3，重力加速度10.0 m·s-2，时间步长50 ms，局部阻尼系数为0.4[21]。颗粒间设置粘结，其中，弹性模量200 MPa，剪切模量 200 MPa，抗拉强度20 MPa，剪切强度40 MPa，其他颜色颗粒间无粘结。李长圣[15]通过双轴试验标定了该微观参数集下岩石的宏观力学参数，其中，岩石的黏聚力Co为19.0 MPa，内摩擦角φ为19.3°。红色墙及基底(黑色韧性基底和红色刚性基底)以2.0 m·s-1的速度开始拉张，每拉张3 km，沉积约1～2 km地层，并剥蚀掉7 km以上的地层。最终，拉张12 km计算停止。

2 实验结果

实验1模拟刚性基底影响下,断陷盆地的构造过程。模型初始沉积如图 3(a)所示，地层中无断裂分布。实验开始后，红色移动墙和基底向右活动，随着拉张量的增加，基底不连续点处断裂开始发育。当拉张量到达3 km时，两条边界正断层明显发育，形成地堑式断陷构造(见图 3(b))。但是，在地堑构造内部，仍然可以看到边缘断裂开始发育，形成数个小型的堑垒构造。随两边的拉伸量增加，断陷进一步发育，内部开始发育新的断裂，但断裂数量总体较少，断裂倾向以背离拉张方向为主(见图 3(c))。随着拉张量的持续增大，断陷内部断层逐步向沉积盖层延伸发育，但均没有切穿同构造沉积盖层。同时，构造变形由正断层控制的堑垒构造转变为块体的旋转翘倾构造变形(见图 3(d))。构造变形整体转化为一个大型半地堑构造样式，沉积方式由均匀沉积向左侧迁移，使得同沉积地层的厚度呈现出左厚右薄的特征。凹陷内部自下而上开始发育断层，断层上切至顶部同沉积层，形成内部多个小型半地堑(见图 3(e))。断陷盆地中同构造沉积盖层总体呈楔体形态，靠近拉张端沉积地层较薄，远离拉张端沉积地层较厚，但沉积中心基本稳定在不连续点所在的位置。

试验2是模拟韧性基底下，断陷盆地构造演化过程。实验开始后，模型两侧墙分别向左右两侧开始拉张，在此应力作用下，韧性基底开始扩展，导致基底上覆地层整体伸展活动，形成地堑地垒式断陷盆地，盆地内部发育主要断裂共7条(见图 4(b))。随着两侧拉张量的持续增大，各断层断距持续增大，且在地堑内部新的正断层发育，但数量明显较少。断裂上盘沿着正断层活动形成铲状断层，形成半地堑构造样式，而断裂下盘基本保持稳定，逐渐成为构造高点形成地垒(见图 4(c))。随着两侧拉张量的不断增大，断陷盆地内部主要断裂数量基本保持不变，但断裂旋转明显，倾角逐渐变小，内部逐渐发育新的正断层，整体形成连续分布的地堑半地堑构造格局，内部形成多个连续排列的次级凹陷(见图 4(d))。随着拉伸距离的增大，整体构造样式保持不变，内部次级凹陷进一步发育，接受同构造沉积(见图 4(e))。

(a)0 km

(b)3 km

(c)6 km

(d)9 km

(e)12 km

(a)0 km

(b)6 km

(c)12 km

(d)18 km

(e)24 km

相比较实验1(见图 3(e))，实验2(见图 4(e))中断陷内部断层向沉积盖层延伸发育明显较弱，导致盖层中断裂发育非常不明显。此外，多个沉积中心的发育也是本模型的主要特征之一，且沉积中心的底部往往分布有基底断裂，与实验1形成明显的构造形态差异。

3 讨论

琼东南盆地主要经历了断陷期和坳陷期两个构造演化阶段，其中断陷期作为盆地的主要断裂发育期，对盆地的断陷发育和后期的构造演化都具有重要作用[12]。图 5中的剖面1(图 5(a))位于热流值较低的西部，而剖面2(图 5(b))位于热流值较高的中部(剖面1和剖面2位置见图 1)。对比剖面1和剖面2可见，在纵向上，盆地的凹陷内部断裂构造的密集程度有明显差异。盆地西部(图 5(a))的乐东凹陷剖面上呈不对称的单侧台阶状地堑，断陷一侧为缓坡，另一侧边界发育有坡度较大的正断层，断层数量较少，单一断层的断距较小，乐东凹陷内部深度最大，同构造沉积最厚，崖南凹陷变形较弱(图 5(a))，与实验1刚性基底实验结果相符。盆地中部(图 5(b))的凹陷呈“V”字型，地堑和半地堑构造发育，凹陷和凸起间隔分布，形成3个大型地堑或半地堑。凹陷内多发于次级断层，断层数量多，单一断层的断距较小(图 5(b))，同时3个大型地堑或半地堑规模相似，与实验2堑垒构造均匀联系分布的结果相符，表明剖面2构造变形主要受到韧性基底的控制。

(a)剖面1

(b)剖面2

4 结 语

通过两组离散元数值模拟可见，琼东南盆地基底性质控制了琼东南盆地断裂组合的发育。受到琼东南盆地热流差异影响，盆地不同区域基底性质有一定的差异，热流低的区域基底偏刚性，热流高的区域基底偏韧性，这种基底性质差异进而对上部地层断裂组合产生影响。刚性基底凹陷发育不对称的单侧台阶状地堑，断陷一侧为缓坡，另一侧边界发育有坡度较大的正断层，断层数量较少，单一断层的断距较小；韧性基底控制区域，盆地内凹陷和凸起间隔分布，凹陷内多发于次级断层，断层数量多，单一断层的断距较小。另外，位于凹陷内部发育的2级断层和3级断层倾向还受到基底刚、韧性的影响，刚性基底上部凹陷内主要发育与伸展应力相同倾向的正倾向断层，韧性基底上部则发育多组倾向相反的断层。