苏北盆地高邮凹陷深凹带生长断层特征与主控因素分析

高邮凹陷深凹带生长断层研究对深入了解该区的构造演化和油气成藏具有重要意义。本项研究在高精度三维地震资料解释基础上,结合生长断层的位移-长度关系和不同时期的断层落差,揭示了高邮凹陷深凹带东部的边界断层和次级断层的生长特征,并结合构造应力场数值模拟探讨了断层生长的主控因素。结果表明,深凹带真2边界断层在始新世戴南期由六个生长中心发育而成,始新世三垛期互相连接形成四个亚段。真2边界断层的生长过程表现为始新世戴南期各断层亚段长度快速增加和始新世三垛期断层位移的持续增大及各断层亚段的连接。真2边界断层生长过程中,断层走向和断面形态受到伸展边界断层真1断层的控制,断层各亚段连接处的结构受断层相互作用影响。深凹带内次级断层呈NEE走向段和近EW走向段交替出现的锯齿形,始新世戴南期生长时具有多个位于NEE走向段生长中心。次级断层的生长受控于古新世和始新世两期的应力场变化,体现为古新世NNW-SSE向伸展下形成NEE走向的薄弱面,在始新世近南北向伸展下NEE走向的薄弱面首先形成断层并被后期近东西向断层连接。     

断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素

在建立正断层模型的基础上,利用三维有限元数值模拟方法研究了断层附近地层中的地应力变化规律。其结果表明,由于断层活动,在断层附近普遍发育应力扰动带;在应力扰动带范围内,地应力方向和大小发生明显的变化,断层中部附近应力值普遍较低,而断层端部的应力值通常异常增大。应力扰动带的分布范围主要受断层规模的控制,与断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态和边界应力条件等因素也密切相关。随断层长度和断距逐步增大,应力扰动带的宽度相应增加。断裂带的岩石越破碎,其岩石弹性模量越低,断层对地应力的影响宽度越大。断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直、断距与断层长度的比值越大,区域内的差应力越大,则扰动带宽度与断层规模的比值也越大。选择渤海湾盆地BZ-X油田进行验证,在建立油田实际三维地质模型基础上,根据边界应力条件,利用三维有限元方法对沙河街组二段的地应力分布进行了数值模拟计算。根据断层周围的地应力变化,确定了应力扰动带的分布范围,断层附近应力扰动带宽度的分布规律与正断层模型分析结果相一致。      

不同组合形式叠瓦状逆断层地应力分布规律研究

叠瓦状逆断层是地壳中分布的主要断层组合形式之一。为了揭示地质演化过程中不同组合形式下叠瓦状逆断层间地应力分布规律,采用大型物理模拟手段,以龙门山地区的地质构造为背景,研究了两条平行叠瓦状逆断层和在其间与之相交的断层组合形式下地应力分布和变化规律。取得的主要认识如下:（1）对于研究区仅分布两条平行的叠瓦状逆断层,构造挤压方向与它们的走向垂直的情况,靠近构造挤压端的断层会首先发生失稳破坏,较大的局部应力释放会使地壳内部整体应力有所降低,但在下伏断层的深部会出现应力的突然升高;（2）对于研究区不仅分布两条平行的叠瓦状逆断层,而且在两条断裂之间存在一条与它们垂直的逆断层,构造挤压方向与叠瓦状逆断层垂直,叠瓦状逆断层附近浅层地应力变化较早,地壳易沿叠瓦状逆断层首先失稳活动,进而带动所夹逆断层的地应力发生调整;（3）对于研究区不仅分布两条平行的叠瓦状逆断层,在其间夹着走向与它们垂直的逆断层,构造挤压方向与叠瓦状逆断层斜交情况,地壳易沿所夹断层首先失稳活动,进而触发叠瓦状逆断层地应力变化;（4）仅存在叠瓦状逆断层,地应力分布较为均匀;叠瓦状逆断层间夹逆断层的情况下,在断层端部和几条断层交汇部位出现了应力集中现象。该问题的研究对区域稳定性评价和地震预测具有一定的指导意义。     

汊涧斜坡带阜宁期应力场数值模拟及低级序断层发育规律预测

汊涧斜坡带位于金湖凹陷西斜坡南部,第三系沉积期间主要经历了吴堡和三垛运动,形成了复杂的断裂体系,属复杂断块油藏,区内低级序断层较为发育。根据断层平面展布确定阜宁期最小主应力方向为北北西350°,采用有限元法建立地质模型并进行构造应力场数值模拟,计算得出各应力分布,并据此对低级序断层发育规律进行预测。研究表明,汊涧斜坡带阜宁期最大、最小主应力均为水平方向,形成的低级序断层具有张扭性特征;低级序断层的发育主要受最大与最小主应力差值及剪应力控制,主应力差值控制断层优势发育地区,平面剪应力控制断层走向,剖面剪应力控制断层倾向。     

断层应力封闭性的FLAC模拟研究

断层带及其旁侧应力性质是决定断层封闭性的重要因素, 采用FLAC-2D有限差分计算机程序, 模拟了断层带应力分布及其随深度变化。在梯形水平应力和垂直载荷条件下, 断层封闭性具有垂向分段特征: 浅部断层带处于应力松弛或张应力状态, 断层带相对开启, 对地质流体不具封闭作用; 深部断层带处于压应力集中状态, 断层具有良好的封闭性; 二者之间为过渡段。断层带应力封闭性模式得到声波时差资料的印证。      

廊固凹陷沙四晚期构造应力场模拟及低级序断层预测

在了解区域构造背景、分析断层活动特征及构造演化特征的基础上,对廊固凹陷沙四晚期构造应力场进行数值模拟,并对低级序断层发育进行预测。研究结果表明,研究区在沙四晚期活动的主要断层包括大兴断层、半截河断层等6条,牛北斜坡构造带与河西务构造带在该时期隆起明显,综合分析可知该时期最小主应力方向为SE144°—NW324°;低级序断层发育受最小主应力、剪应力等的影响,最小主应力和最大主应力与最小主应力的差值控制断层的优势发育区,平面剪应力控制断层走向,该区主要发育北北东—北东走向的断层;剖面剪应力在大部分区域为左旋,表明断层视倾向以北西向为主。     

基于断层摩擦强度的地应力计算模型

浅部断层附近的应力状态是影响地下硐室工程和石油勘探与开发的重要影响因素,浅部断层附近的岩石因构造运动处于弱胶结状态,常规的地应力测量方法在该处测量存在误差较大、成本较高、周期较长等不足。为此,本文在莫尔-库仑强度理论基础上,系统分析了断层附近的应力方向、断层摩擦系数定量化计算及断层摩擦强度之间的关系。文章最后将该地应力计算模型应用于成庄区域,与实测地应力吻合较好。研究结果对于地应力计算及油气田的安全高效生产具有指导意义。     

高邮凹陷真武断裂带西部低级序断层发育规律预测

在应用蚂蚁追踪技术对真武断裂带西部低级序断层进行解释并根据主要断层走向确定阜宁期构造应力方向的基础上,应用构造应力场数值模拟法模拟阜宁期古构造应力的分布,从应力的角度对低级序断层的平面及剖面发育规律进行预测,最后将预测结果与构造解析结果进行对比。研究结果表明,应用蚂蚁追踪技术对低级序断层进行解释获得的蚂蚁属性体断裂痕迹清晰直观,应用效果要优于相干体技术、方差体技术等其他地震属性技术;真武断裂带西部阜宁期最小主应力方向为NW333°-SE153°;低级序断层的发育主要受阜宁期最小主应力及剪应力控制,最小主应力控制断层的优势发育区,平面剪应力控制断层的平面展布,左旋剪应力区主要发育近东西走向断层,右旋剪应力区主要发育北东走向断层,剖面剪应力控制断层的倾向,左旋剪应力区主要发育北倾、西倾断层,右旋剪应力区主要发育南倾、东倾断层。      

渤南洼陷古近纪早中期应力场数值模拟及其与断层发育的关系

以地震、地质、测井等资料为基础,通过构造演化及断层落差法,分析渤南洼陷断层的分布及活动特征,为数值模拟提供地质模型。古近纪早中期是渤南洼陷断层的主要形成时期,发育NWW向、NEE向、NE向断层,断层组合以伸展构造样式为主,兼具走滑构造样式。运用ANSYS软件对渤南洼陷古近纪早中期构造应力场进行有限元数值模拟,模拟结果显示,古近纪早中期,最小主应力为张应力,断裂带内部为应力的低值区,断层上盘附近应力集中;差应力的高值区与断层分布一致;平面剪应力为右旋剪切特征,高值区主要发育NWW向、NE向断层,低值区以NEE向断层为主。模拟结果显示,构造应力场与断层的关系主要表现在2个方面:一方面,构造应力场控制断层的发育及分布,即差应力决定断层的优势发育区,平面剪应力控制断层发育的走向;另一方面,断层活动可以改变局部构造应力场大小,主要影响断层上盘附近一定距离内的应力场,造成应力集中,进而影响次级断层的形成。     

山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价

为查明蓬莱近海岸的地应力状态,开展了2个钻孔（深度小于200m）的水压致裂地应力测量工作,并与长岛附近海域3个钻孔的地应力状态进行了对比,采用回归分析方法,分析了该地区地应力随深度变化的特征,结合最大剪应力与平均主应力之比（μ_m）和侧压力系数（K'）探讨了研究区的断层稳定性。结果表明:蓬莱近海岸和长岛海域的地应力状态基本一致,最大水平主应力方向主要表现为北东东至东西向,这与华北的区域应力场相一致;水平应力的梯度大于环渤海圈的平均地应力梯度;研究区浅部三向主应力相对大小以S_H > S_h > S_v为主,这有利于逆断层的活动;研究区K'值和μ_m值均较高,分布区间分别为:2.76~3.98和0.47~0.59;陆区断层与区域应力方向均以较大角度相交,处于稳定的状态;海域的北西西向和北东向断层与区域应力场的方向夹角较小,如果区域应力持续增强,将有利于走滑断层的活动,这与震源机制以走滑型地震为主相符。研究结果对研究区内断层稳定性的评价和重大工程的设计及施工都具有重要参考意义。      

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。     

西准噶尔地区多源遥感信息的线性构造提取与定量分析

夹持在近东西向额尔齐斯断裂和天山走滑断裂系统之间的西准噶尔地区,经历了自晚古生代晚期以来长期复杂的陆内构造变形历史。线性构造的长度、方向以及空间分布能够反映构造变形的强度和样式,指示应力作用的方式。本文选取新疆西准噶尔地区为研究区,利用ASTER、Landsat等多源遥感数据通过彩色合成、主成分分析、波段比值和Sobel滤波等增强显示断裂构造在遥感影像上的空间分布和光谱信息,并利用Canny边缘检测与人工解译相结合的方法提取研究区内线性构造;运用地质统计学的原理和方法对提取出的线性构造进行定量分析。结果表明,研究区内依长度优选方位确定的主断裂走向为N50°～60°E,代表了区域一级构造即达拉布特断裂展布的方位;依线性构造数量优选方位确定的次级断裂走向为80°～90°(近东西向),代表了区域三级构造的方位;介于以上两者之间的线性构造,即数量与长度均适中的线性构造,代表了区域二级构造的方位。线性构造的区域分布,揭示了在南北向主压应力作用下,西准噶尔地区构造体系的组成与构造变形特征。由此说明,多源遥感信息提取的线性构造定量分析,对于区域断裂构造体系的厘定具有重要意义。     

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。     

Tectonic Model of Boundary Fault Migration and its Genetic Mechanism in the Nanpu Sag,Bohai Bay BasinEI北大核心CSCD

Due to the important control on basin formation and hydrocarbon accumulation, boundary faults have always been the focus of attention in the study of rift basins. However, researches on boundary fault migration in the rift basins have not been reported yet. On the basis of structural analysis of 3D seismic data in the Nanpu Sag, faulting model of pre-existing weaknesses regional tectonic stress field results, and the latest exploration achievements in the Jidong Oilfield, the northern boundary faults in the Nanpu Sag were systematically analyzed. A new model of boundary fault (Boundary faults migration model) is proposed. The results show that: (1) in the rifting stage, with the evolution of tectonic stress field, the northern boundary faults are continuously migrating; (2) the No.5 fault is the northern boundary fault in E2s3 era in the west side of the sag, and the Gaoliu fault is the northern boundary fault in E3d1-2 era in the middle of the sag; (3) the change of stress field (the extension direction) in the rifting stage is the primary cause for the boundary fault migration in the rift basin. Considering that the change of extension direction during 40-38 Ma involves almost all the Cenozoic rift basins in the eastern and southern China, the model of boundary fault migration is expected to have useful implication for fine structural interpretation and oil and gas exploration of the rifted basins in the east and south of China. © 2018, Science Press. All right reserved.     

Late Cenozoic fault pattern and stress fields in the Barguzin rift (Baikal region)

New structural and tectonophysical data, combined with the published geophysical and seismological evidence, were used to map the Late Cenozoic fault pattern and crustal stress in the Barguzin rift. Faults striking in the NE direction are the most abundant elements of the rift structure. A special part in the Late Cenozoic patterns of faults and stresses belongs to an over 400 km long N-S lineament which shows up as a system of separate fault segments between 110° and 110°30′ E. The Late Cenozoic evolution of the rift has been controlled mainly by extension punctuated with local shear stresses derived from the regional extension stress and accommodated by strike slip, combined with the dominant normal motion, along NE or N-NE faults and/or along their cross faults. Extension was of a relatively stable NW-SE direction, almost rift-orthogonal. The obtained fault pattern and stress maps can be used for reference in mapping seismic hazard associated with ongoing faulting in an active and changeable stress field.     

Rupture progression along discontinuous oblique fault sets: implications for the Karadere rupture segment of the 1999 Izmit earthquake, and future rupture in the Sea of Marmara

Large earthquakes in strike-slip regimes commonly rupture fault segments that are oblique to each other in both strike and dip. This was the case during the 1999 Izmit earthquake, which mainly ruptured E–W-striking right-lateral faults but also ruptured the N60°E-striking Karadere fault at the eastern end of the main rupture. It will also likely be so for any future large fault rupture in the adjacent Sea of Marmara. Our aim here is to characterize the effects of regional stress direction, stress triggering due to rupture, and mechanical slip interaction on the composite rupture process. We examine the failure tendency and slip mechanism on secondary faults that are oblique in strike and dip to a vertical strike-slip fault or “master” fault. For a regional stress field well-oriented for slip on a vertical right-lateral strike-slip fault, we determine that oblique normal faulting is most favored on dipping faults with two different strikes, both of which are oriented clockwise from the strike-slip fault. The orientation closer in strike to the master fault is predicted to slip with right-lateral oblique normal slip, the other one with left-lateral oblique normal slip. The most favored secondary fault orientations depend on the effective coefficient of friction on the faults and the ratio of the vertical stress to the maximum horizontal stress. If the regional stress instead causes left-lateral slip on the vertical master fault, the most favored secondary faults would be oriented counterclockwise from the master fault. For secondary faults striking ±30° oblique to the master fault, right-lateral slip on the master fault brings both these secondary fault orientations closer to the Coulomb condition for shear failure with oblique right-lateral slip. For a secondary fault striking 30° counterclockwise, the predicted stress change and the component of reverse slip both increase for shallower-angle dips of the secondary fault. For a secondary fault striking 30° clockwise, the predicted stress change decreases but the predicted component of normal slip increases for shallower-angle dips of the secondary fault. When both the vertical master fault and the dipping secondary fault are allowed to slip, mechanical interaction produces sharp gradients or discontinuities in slip across their intersection lines. This can effectively constrain rupture to limited portions of larger faults, depending on the locations of fault intersections. Across the fault intersection line, predicted rakes can vary by >40° and the sense of lateral slip can reverse. Application of these results provides a potential explanation for why only a limited portion of the Karadere fault ruptured during the Izmit earthquake. Our results also suggest that the geometries of fault intersection within the Sea of Marmara favor composite rupture of multiple oblique fault segments.     

伸展边界方向对伸展盆地正断层走向的影响——来自平面砂箱实验的启示

五种不同边界几何条件的平面砂箱实验模型表明,一个方向的伸展变形可因伸展边界方向的变化形成不同走向的正断层,伸展裂陷盆地中不同走向的正断层并非一定代表不同方向区域构造应力作用、或多期构造变形的结果。伸展裂陷盆地正断层走向受伸展边界走向和构造伸展的方向共同控制,伸展边界的控制力随距离增大而逐渐衰减。伸展边界附近的断层走向主要受伸展边界方向控制,大致反映伸展边界方向。盆地内部断层走向主要受构造伸展方向控制(趋向于垂直构造伸展方向),主要反映构造伸展方向。盆地伸展边界方向的变化可以引起伸展裂陷盆地内部断层走向的转向。因铲式正断层上盘滚动变形产生的正断层,其走向平行于铲式边界断层的走向。     

金湖凹陷断裂特征及其石油地质意义

金湖凹陷自晚白垩世-新生代发育复杂断裂系统,在统一应力场的作用下凹陷内形成伸展断裂、走滑断裂和挤压断裂。断裂系统的演化分为初始伸展、继承伸展、强烈伸展和走滑叠加四个阶段。初始伸展阶段凹陷伸展作用较弱,除主边界断层外,其他断层对沉积地层控制作用较弱;继承伸展阶段,凹陷持续伸展,部分早期断层停止活动;强烈伸展阶段,构造活动集中于主断层之上,形成主要沉积凹陷;走滑叠加阶段,凹陷内断层发生右旋走滑作用,在伸展构造之上叠加了走滑构造,该构造运动奠定了金湖凹陷现今的构造格局。杨村断层和石港断层为受基底断层控制的持续活动断层,而铜城断层是晚期形成调节石港断层和杨村断层走滑应力的变换断层。断裂活动受区域应力场和基底先存断裂的共同控制,表现为两期构造的叠加。两期构造运动控制了金湖凹陷油气的形成、运移和聚集。     

黄骅坳陷中北区和歧口凹陷断裂构造特征及古应力分析

主要分析了黄骅坳陷中北区和歧口凹陷断裂构造特征。根据三维地震资料编制的Ｔ４和Ｔ０断裂纲要图表明，研究区断裂为伸展正断层，以ＮＥ向、ＮＮＥ向和ＥＷ向断裂为主。在不同时期，歧口凹陷断层走向发生明显变化，由沙一下段ＮＥ向变为上第三系的近ＥＷ向。在不同地段，伸展断裂具有不同的优势方向。横向变换带上发育的断裂也为伸展断裂，具有与主断层垂直相交的方向。通过对断裂古应力分析，黄骅盆地是伸展型盆地，推测其伸展作用为三维放射状，横向变换带也具有三维伸展特征，不存在横向挤压和走滑剪切作用。