裂陷盆地断层的形成和演化——目标砂箱模拟实验与认识

摘要 断层的分布、活动和演化是裂陷盆地构造研究的核心,也是其油气勘探的关键。大量高精度的三维地震资料表明裂陷盆地内断层分布组合十分复杂,无法用经典构造地质学理论——Anderson模式作出合理的解释, 现有的模式（叠加模式和斜向伸展模式等）也还没有很好地揭示裂陷盆地断层复杂性的实质和断层形成和演化的内在规律。本文以渤海湾盆地张巨河构造带和北部湾盆地涠西南凹陷两个有高精度三维地震资料覆盖、断层分布与组合十分复杂并富含油气的典型裂陷盆地区为原形,进行了目标砂箱模拟实验,再现了目标区构造的基本特征。砂箱实验所揭示裂陷盆地断裂系统的基本特征是：1）基底先存构造（主要所控制的断层构成了盆地断裂系统的基本格架;2）断层的形成与演化决定于基底先存断裂的取向、区域伸展方向及伸展量。首先形成的是有刚性边界基底先存断裂控制的断层。其次,形成的是薄弱带基底先存断裂控制的断层。继而,形成的是小型基底先存断裂控制的断层。最后,在远离基底先存构造的区域,形成与伸展方向垂直的新生断层。3）伸展作用早期,断层的方位主要决定于基底先存断裂的方位。随着伸展量的增大,受伸展方向的影响越来越大,晚期形成的断层常反映区域伸展作用方向。4）不协调递进伸展变形过程是导致裂陷盆地复杂断层体系的根本原因。上述砂箱模拟实验揭示的裂陷盆地在不协调性伸展作用下断层的形成与演化规律可以利用“不协调性准则”从理论上给予解释,表明在裂陷盆地中具有普遍意义。     

“不协调伸展”作用下裂陷盆地断层的形成演化模式

应用“不协调伸展”的目标砂箱模拟实验成果和新的脆性断裂力学模型——“不协调性准则”,分析了裂陷盆地断层形成和演化的控制影响因素,建立了裂陷盆地断裂系统形成和演化的新模式——“不协调伸展”模式。该模式显示：“不协调伸展”的递进变形过程是导致裂陷盆地断裂系统的复杂性的根本原因,实质是不同方向、性质和规模的基底先存构造(主要是先存断裂)的活动性方面存在差异,导致所控制形成的断层在走向、形成的先后次序、规模等方面存在差异,从而形成复杂的断层组合;“不协调伸展”模式是裂陷盆地断裂系统形成和演化的基本型式,复杂的断裂系统可以在方向不变的区域伸展构造作用下在递进变形过程中逐渐形成;裂陷盆地断裂系统虽然比较复杂,但断层的形成和演化是有序的,分布是有规律的,可以通过“不协调性准则”加以分析和预测。     

“不协调伸展”作用下裂陷盆地断层的形成演化模式

应用"不协调伸展"的目标砂箱模拟实验成果和新的脆性断裂力学模型——"不协调性准则",分析了裂陷盆地断层形成和演化的控制影响因素,建立了裂陷盆地断裂系统形成和演化的新模式——"不协调伸展"模式。该模式显示:"不协调伸展"的递进变形过程是导致裂陷盆地断裂系统的复杂性的根本原因,实质是不同方向、性质和规模的基底先存构造(主要是先存断裂)的活动性方面存在差异,导致所控制形成的断层在走向、形成的先后次序、规模等方面存在差异,从而形成复杂的断层组合;"不协调伸展"模式是裂陷盆地断裂系统形成和演化的基本型式,复杂的断裂系统可以在方向不变的区域伸展构造作用下在递进变形过程中逐渐形成;裂陷盆地断裂系统虽然比较复杂,但断层的形成和演化是有序的,分布是有规律的,可以通过"不协调性准则"加以分析和预测。     

基底非均一性对琼东南盆地新生代构造变形差异的影响: 来自物理模拟实验的启示

琼东南盆地位于南海北部大陆边缘西北部,是新生代形成的北东向伸展盆地,其断裂走向、次级凹陷分布方向、构造样式等在东西部表现出明显差异。文章采用构造解析与构造物理模拟相结合的方式,探究先存的中生代构造几何形态及基底性质差异对琼东南盆地东西部构造差异性演化的控制作用。实验结果表明：（1）先存构造薄弱带几何边界分布方向与区域伸展方向共同控制了琼东南盆地主要断裂的走向以及断裂构造样式。由于先存构造薄弱带边界方向存在东西差异,在早期NW向拉伸阶段（Tg-T80）盆地断裂系统在东西部就已表现出明显的分段特征。西部由于垂向拉伸产生一组NEE向断裂;东部由于斜向拉伸,发育至少两组方向的断裂,一组与应力方向垂直（NEE向）,另一组沿着构造薄弱带分布（WE向）。后期断裂活动继承和改造了这一时期的断裂,使断裂系统更加复杂。先存构造薄弱带几何形态变化是导致琼东南盆地东西部构造差异性发育的主控因素。（2）基底强度差异性对上覆构造的断裂数量以及地貌起伏特征有一定影响。琼东南盆地在东西部的断裂走向及构造样式上的差异性受基底强弱、先存构造形态及构造应力方向的共同控制。     

南海北部新生代盆地断裂系统及构造动力学影响因素

利用地震资料、油气勘探资料分析了南海北部大陆边缘珠江口-琼东南新生代盆地断裂系统的时空差异及动力学成因机制.珠江口-琼东南盆地古近系裂陷构造层以NE向、近EW向基底正断层构成的伸展断裂系统的几何学、运动学沿着盆地走向有明显变化,盆地内部隐伏的区域性和局部的NW向断裂及相关构造变形带构成伸展断裂系统之间的构造变换带.在空间上,区域性的云开、松涛-松南等NW向构造变换带以西为NE-NEE向正断层构成的"非拆离"伸展断层系,以东为NE向正断层、近EW向正断层(走滑正断层)复合而成的拆离伸展断层系.在时间上,古近纪裂陷作用可划分为早(文昌组沉积期)、中(恩平组/崖城组沉积期)、晚(珠海组/陵水组沉积期)3个有明显差异的裂陷期.裂陷早期,盆地西部以平面式正断层控制的简单地堑、半地堑为主,伸展量相对较小,东部则以铲式正断层控制的复式地堑、半地堑为主,伸展量相对大,断层向深部收敛在中地壳韧性层构成拆离的伸展断层系统.裂陷中期,琼东南盆地、珠江口盆地西部断裂具有继承性活动特点,珠江口盆地东部发育NWW-EW向伸展断层,并向深层切割早期浅层拆离断层,形成深层拆离伸展断层系统,而沿着云开构造变换带发育反转构造.裂陷晚期,琼东南盆地、珠江口盆地西部断裂具有活动性减弱特点,琼东南盆地东部发育NWW-EW向伸展断层,形成深层拆离伸展断层系统,而沿着琼中央构造变换带发育反转、走滑构造.珠江口-琼东南盆地不同区段断裂系统及其构造演化的差异性受盆地基底先存构造、地壳及岩石圈结构及伸展量等多方面因素的影响,拆离伸展断层系统与发育NWW向"贯穿"断裂的基底构造薄弱带、现今地壳局部减薄带相关,南海扩展由东而西的迁移诱导北部大陆边缘块体沿着先存NW向深大断裂发生走滑旋转是导致变换构造带两侧差异伸展的动力学原因,应力场及岩石圈热结构变化是引起拆离断层深度变化的重要因素.     

渤海湾盆地南堡凹陷边界断层的“跃迁”特征及其成因机制

由于对裂陷盆地成盆和油气成藏要素的重要控制作用,边界断层在裂陷盆地构造研究中一直是被重点关注的研究对象。然而,关于边界断层在裂陷盆地演化过程中存在跃迁的认识还未见文献报道。本文在对南堡凹陷三维联片地震资料构造解析的基础上,应用"广义断层模式"(先存构造条件下的断层作用模式)及区域应力场演化成果,结合冀东油田最新的勘探成果,对南堡凹陷北部边界断裂进行了系统的构造解析,提出了边界断裂形成演化的新认识,建立了边界断层"跃迁"的构造模式。结果表明:(1)南堡凹陷在断陷阶段,随着应力场的演化,北边界断层是不断变迁的,存在显著的"跃迁"特征;(2)5号断层在E_2s~3期为凹陷西侧的北边界断层,高柳断层在E_3d~(1-2)期间为凹陷中部的北边界断层;(3)裂陷阶段应力场变化(伸展方向的改变)是导致裂陷盆地边界断层跃迁的根本原因。考虑到40～38 Ma伸展方向的改变涉及到几乎中国东南部所有的新生代裂陷盆地,预期边界"跃迁"的构造模式对中国东南部裂陷盆地的精细构造解析及油气勘探有普遍的启示意义。     

中国东-南部裂陷盆地断裂系统复杂性的表现形式及成因机制——以南堡凹陷和涠西南凹陷为例

中国东-南部裂陷系列盆地油气资源十分丰富,而断层的分布演化十分复杂,是油气进一步勘探开发需要解决的关键问题。本文应用广义断层模式,在大量三维地震资料构造解析的基础上,以渤海湾盆地的南堡凹陷和北部湾盆地的涠西南凹陷为例,对中国东-南部盆地复杂的断裂系统进行了解剖和归纳,并提出了伸展变形区预测断层性质的伸展应变椭圆。结果表明,中国东-南部裂陷盆地断裂系统的复杂性存在9种表现方式,从成因上进一步归纳为3个方面:(1)断层的走向和性质多样;(2)断层在平、剖面上存在复杂多变的组合形式;(3)断层形成和演化存在复杂的时-空关系。造成复杂性的根本原因是先存断裂分布的复杂性和不同方向(北西-南东向和近南北向)伸展变形的叠加。不同盆地、同一盆地不同区域应力场演化具有很大的相似性:40Ma以前,北西-南东向伸展;38Ma以来,近南北向伸展。断层分布和演化差异主要是由先存构造分布差异造成的。     

二连盆地中生代构造变形主控因素:物理模拟与讨论

二连盆地是中国东北部中生代含油气盆地,与中国东部中生代裂陷盆地之间存在显著的几何学与运动学相似性,根据盆内构造线走向和典型地震剖面构造样式可划分为中央正向裂陷带和周缘斜向裂陷带。尽管前人对盆地中生代构造变形开展了大量研究,但有关同期构造控制因素的认识尚不清晰。为此,研究以二连盆地为原型,设计了3组分别改变伸展速率、伸展方向及同沉积作用的平面沙箱模型。实验结果表明伸展方向控制裂陷内部断层特征;南东向的伸展速率改变深层构造薄弱带的扩展和断裂发育规模;同沉积作用促进基底滑脱层的活动强度,且进一步抑制边界断裂的生长。模拟结果还揭示了伸展方向是该盆地构造变形的主要控制因素;同沉积作用和伸展速率为次要控制因素。同时根据中国东部及邻区典型中生代裂陷盆地的几何学与运动学相似性,认为"南东向伸展"可以提供较好的运动学解释。     

渤海湾盆地张巨河复杂断块区平面砂箱模拟实验及其启示

伸展盆地复杂断块区往往发育多个方向的断层，这种复杂的正断层组合过去有人认为是多期构造矗加作用的结果。本文针对渤海湾盆地张巨河复杂断块区进行了平面砂箱模拟实验。实验结果表明，在基底有先存构造(如基底断裂)的情况下，如果区域伸展方向和先存断裂或基底构造活动(底辟上拱)不协调，通过递进变形就可以形成复杂的断层组合，即复杂的断层组合可以在一个伸展构造期内、在统一的区域伸展构造力作用下在递进变形过程中逐渐形成，复杂断层组合并不一定需要多期变形叠加。在此基础上，结合理论分析，提出了复杂断层组合成因的另一种模式——不协调伸展递进变形模式。该模式为揭示伸展构造系统中复杂断层组合之间的内在联系提供了新的思路。     

塔北隆起X型走滑断裂成因机制的新解释

塔里木盆地塔北隆起发育两组呈小角度相交(40°)的透入性X型走滑断裂,分别沿着NNE走向和NNW延伸。在对塔北哈拉哈塘地区三维地震资料解释的基础上,对走滑断层的几何展布特征以及断层的剖面变形特征进行研究;同时重点解析了RP6断裂和HA13断裂,分析比较NNW向与NNE向断层的变形及发育特征差异;结合盆地重磁资料以及周缘造山带的活动特征,对塔北隆起小角度的X型走滑断层的发育机制以及演化进行了分析。研究表明,塔北隆起走滑断层在垂向上具有明显的分层变形特征,分为三个构造层:震旦系-中寒武统下构造层(TH₃界面以下)、上寒武统-中奥陶统中构造层(TH₃-TO₃t界面)和上奥陶统-石炭系上构造层(TO₃t-TP界面)。断层在下构造层和中构造层中整体处于压扭环境,多发育正花状构造;上构造层中断层主要发育负花状构造或正断层,整体处于张扭环境。两组断裂比较,NNW向断裂活动性强,在各构造层中均有显著的断裂特征发育,垂向连通性强,发育先存基底断裂,而NE向断层主要发育在中构造层,在下构造层和上构造层中断层发育不明显。活动性分析表明,断层的形成与演化具有多期性,走滑断层的形成经历了三期主要活动:中寒武世末、中晚奥陶世和志留纪-石炭纪。塔北隆起X型走滑断裂的形成受到了NNW向基底断裂和薄弱带的控制,NNW向先存基底断裂带或薄弱带优先发育走滑断裂,基底断裂与主挤压应力方向的夹角小于45°-Φ/2,NNE断层的发育受NNW向先存断裂限制,最终形成小角度相交的X型断裂。     

大陆裂谷中断层的演化：北贝加尔盆地西南端构造地貌证据

北贝加尔盆地西南端位于贝加尔盆地中部,包括Olkhon岛及其邻区,文中研究了这个区域的构造地貌格架。北贝加尔盆地西南端的构造地貌类型是由走滑构造末端的一系列雁列构造、裂谷断层及次级断层的末端复合构造控制。朝着海的方向Olkhon地区次级断层包括4个连续的末端复合构造Primorsky断层带,Buguldeika-Chernorud地堑—MaloyeMore裂谷盆地—Ushkaniy断层带,Tazheran高原—Olkhon岛鞍部和淹没的Akademichesky山脊,Olkhon断层带。这个末端构造被横向断层切为几段,其活动时间在南西最年轻,向北东逐渐加大,同时断层垂直断距从数十米增至2000余米,且断层带变得更为宽阔,也更为复杂。Pri-morsky断层带向北东从西南端简单的线性断层崖,变为断层围限的断块系统,再变为上升和沉降(盆地)块体系统,并最终汇入一个盆地之中;沿着这个方向裂谷边界断层则突然地复合于盆地构造中。这种构造地貌类型记录了断层演化的时间和空间关系,即从属于递进的沉降和加宽直至最终发育为盆地。因此其趋势是发育完好的湖盆、陆地构造直至被水淹没。陆地构造淹没趋势及没有断层围限块体的盆内构造组合可能是与犁式断层旋转相关的陆内裂谷的共同特点,并具一般裂谷的打开机制。     

珠江口盆地惠州凹陷北部边界断裂复合联接和转换

边界断裂控制断陷盆地的形成和构造格局,不同边界断裂联接模式对不同类型盆地演化具有差异性.基于井控高精度3D地震资料,通过对边界断裂几何学特征描述和“四级小层”刻画,结合裂陷Ⅰ幕边界断裂不同区段的活动差异性以及与沉积中心迁移的空间匹配关系,剖析珠江口盆地惠州凹陷北部边界断裂的形成和演化.惠州凹陷北部边界断裂始新世早期分段孤立发育,逐渐以纵向和横向双向联接的模式发展.纵向联接为断层软联接和硬联接复合联接和转换,形成转换斜坡和横向背斜,控制凹(洼)陷的结构与演化,制约沉积中心及层序的迁移.横向联接表现为转换斜坡内横向断层的多阶段联接,联接过程可划分为孤立正断层、同向叠置及硬联接3个阶段,控制转换斜坡带内沉积体系的发育和展布.研究给出了一个裂陷盆地边界断裂时空演化、复合联接和转换模式的独特案例,对丰富裂陷盆地边界断裂及其与沉积层序、凹陷演化和区域动力学机制的响应关系的研究具有积极的意义和价值.      

陆相裂谷盆地构造沉积学特征:以松辽盆地伏龙泉断陷为例

构造沉积学不仅强调大地构造背景条件对盆地演化的控制作用,同时还注重盆地内部的构造特征与沉积充填特征之间的控制及响应关系研究。陆相裂谷盆地发育过程中,构造作用强烈,盆地沉积充填过程复杂,进行构造沉积学研究对揭示盆地构造沉积演化过程具有重要意义。以大量地震、钻测井资料为基础,结合大地构造背景资料,研究松辽盆地伏龙泉断陷发育过程中的构造、沉积演化特征,分析构造活动与沉积作用之间的响应及控制关系,并由此讨论半地堑陆相湖盆的沉积充填演化规律及其控制因素。研究表明,在伏龙泉断陷盆地演化过程中,早期的火山岩隆起对盆地初始裂陷期形态具有明显的影响作用;边界断层的分布及其生长速率特征则对盆地结构演化过程起着首要的控制作用。盆地裂陷期,研究区古气候环境比较稳定,构造因素是控制该陆相裂谷盆地地层序列与沉积特征的首要因素;断裂发育特征决定了盆地的古地貌特征,而盆地的古地貌特征直接影响着盆地内部的沉积充填类型与沉积体系展布格局;区域构造抬升与断块掀斜是该半地堑盆地内部发育不整合面的主要因素。在陆相裂陷盆地的构造沉积特征研究中,构造沉积学显示出了其必要性与适用性,有利于在揭示构造沉积现象的同时,合理解释其地质成因。     

裂谷地层的气候和构造控制:Zscape模型分析与在松辽盆地北安断陷的应用

气候和构造是裂谷盆地地层形成的两个重要控制因素。Zscape数字陆地景观演化模型通过对裂谷盆地汇水扇体系的模拟揭示出一些与裂谷盆地地层形成相关的气候及构造过程。Zscape模型的相关实验结果与层序地层结构的分析认为:(1)扇面积与断层滑动速率成反比;(2)高水位期大量沉积物进积是断层滑动速率减小所引发的;(3)层序界面的形成与低水位和水进沉积是降水速率变化所致。这些认识用于分析北安断陷沙河子期大量扇体沉积的发育和层序结构的形成。沙河子组下部层序发育时期构造活动剧烈,上部层序发育时期构造活动相对趋于稳定,断裂活动和降水速率的变化控制了层序发育。Zscape模型及其实验结果的地质分析,以及在北安断陷的应用显示,构造和气候的单因素分析对一些地质认识,特别是沉积作用对于断裂活动的滞后性的理论解释起到了推动作用。     

华南北部湾盆地的形成机制

从北部湾盆地的区域地质构造背景、几何形态、边界断裂及内部断裂特征解析,综合沉积中心迁移规律及盆内构造研究,提出北部湾盆地为右行右阶走滑拉分成因。盆地的形成和发展受控于合浦-北流、信宜-廉江、吴川-四会和阳江-河源4条深大断裂带,这4条主干断裂带构成右阶断裂格架。古近系出现的花状构造等表现出典型的张扭特征,新近系受到压扭作用改造发生挤压反转,该盆地构造演化过程与华南大陆中、新生代拉分盆地具有同期性和相似性。中生代基底中先存的深大走滑断裂带是新生代北部湾盆地形成的先决地质条件。而印度-澳大利亚板块对欧亚板块碰撞挤压作用的逐渐增强和太平洋板块俯冲方向的改变及俯冲作用的衰减是控制北部湾盆地形成演化的区域大地构造因素。     

塔中隆起NNE向走滑断裂特征及形成机制

为了确定塔中隆起NNE向走滑断裂特征及形成机制,利用构造要素相关性分析及构造解析方法,通过对二维和三维资料的解释,揭示了走滑断裂的构造变形特征,确定了走滑断裂的形成机制。NNE向走滑断裂在地震剖面上表现为压扭和张扭在垂向上叠加的特点,其形成演化主要经历了中奥陶世末压扭和晚志留世—中泥盆世张扭两个阶段。先存基底软弱带和塔里木板块周缘造山带的演化共同控制了这套走滑断裂的形成。中奥陶世末,塔里木板块南缘洋盆俯冲闭合产生的近南北向挤压应力斜向作用于NNE向的基底软弱带之上,导致断裂上部地层被撕裂产生走滑分量,从而形成了北东向的左旋走滑断裂系统,同时,来自塔里木板块西北缘的挤压应力垂向作用于走滑断裂上,导致NNE向走滑断裂发生压扭变形。晚志留世—中泥盆世,塔里木板块南缘的挤压应力继续斜向作用于NNE向走滑断裂之上导致其继续发生走滑变形,同时,来自塔里木盆地西北缘的NW向伸展应力垂向作用于走滑断裂上,导致NNE向走滑断裂发生张扭变形。     

Controls of faulting on synrift infill patterns in the Eocene PY4 Sag,Pearl River Mouth Basin,South China Sea

Tectono-stratigraphic analysis of the Eocene PY4 Sag, Pearl River Mouth Basin, reveals that the evolution of normal faulting exerted an important control on the basin infill patterns. Seismic, well log and core data jointly indicate the Eocene Wenchang Formation can be subdivided into four third-order sequences that are related to early rift (WSQ1), rift climax (WSQ2–3) and late rift (WSQ4) stages. During the early rift stage, the PY4 Sag was defined by three, small-sized depocentres; it was related to low tectonic subsidence and likely overfilled by footwall-derived fan-delta deposits. The isolated depocentres coalesced and formed a larger and more uniform depocentre during the rift climax stage. Significantly increased tectonic subsidence during the rift climax WSQ2 sub-stage gave rise to prominent deep lake deposition including nearshore subaqueous fans, turbidite fan deposits and good source rocks. Two sediment infill patterns adjacent to boundary fault are developed during the rift climax WSQ3 sub-stage: (i) a more likely sediment balance-filled pattern controlled by the low-angled fault and (ii) a sediment under-filled pattern adjacent to the relatively high-angle boundary fault. The late rift stage was characterised by a waned displacement on the NE-striking fault but an increase in displacement on E-striking rift-related faults; this non-synchronous faulting has led to the sediment overfilled pattern observed in the South Sub-sag but a more sediment balance-fill on the South-western Slope. The variability in the basin infill patterns is suggested to have resulted from the different fault displacement patterns, which are closely linked to the boundary fault angles and possible stress field transitions during the basin evolution. This study may provide potential implications for basin infill evaluations in the Eocene Pearl River Mouth Basin and other similar rift systems.     

Early Jurassic rift structures associated with the Soapaga and Boyacá faults of the Eastern Cordillera, Colombia: Sedimentological inferences and regional implications

The NW-trending Bucaramanga fault links, at its southern termination, with the Soapaga and Boyacá faults, which by their NW trend define an ample horsetail structure. As a result of their Neogene reactivation as reverse faults, they bound fault-related anticlines that expose the sedimentary fill of two Early Jurassic rift basins. These sediments exhibit the wedge-like geometry of rift fills related to west-facing normal faults. Their structural setting was controlled further by segmentation of the bounding faults at approximately 10 km intervals, in which each segment is separated by a transverse basement high. Isopach contours and different facies associations suggest these transverse anticlines may have separated depocenters of their adjacent subbasins, which were shaped by a slightly different subsidence history and thereby decoupled. The basin fill of the relatively narrow basin associated with the Soapaga fault is dominated by fanglomeratic successions organized in two coarsening-upward cycles. In the larger basin linked to the Boyacá fault, the sedimentary fill consists of two coarsening-upward sequences that, when fully developed, vary from floodplain to alluvial fan deposits. These Early Jurassic rift fills temporally constrain the evolution of the Bucaramanga fault, which accommodated right-lateral displacement during the early Mesozoic rift event.     

多幕裂陷盆地构造-沉积响应及陆丰凹陷实例分析

裂陷盆地常常经历了多层次、多周期的幕式沉降过程.若盆地的演化包括了两幕或以上的裂陷旋回,则称之为多暮裂陷盆地.多幕裂陷盆地构造演化特别是复杂的断裂发育特征及其活动方式引起国际地质学家广泛的关注.多幕次裂陷作用下断裂活动方式的转型,必然会导致物源水系、沉积物入口位置及砂体分散方式的系统性差异.前人研究表明,在第一暮裂陷或...