有限元数值模拟技术在西湖凹陷中央反转构造带形成机制研究中的应用

张 田，张建培，张绍亮，余逸凡，唐贤君

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

有限元数值模拟技术在西湖凹陷中央反转构造带形成机制研究中的应用

张 田，张建培，张绍亮，余逸凡，唐贤君

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

在西湖凹陷中央反转构造带区域地质背景研究成果的基础上，基于有限元数值模拟技术，设计合理的有限元应力场模型和边界条件，模拟了西湖凹陷中央反转构造带的构造演化过程，探讨其成因模式。西湖凹陷中央反转构造带的构造演化过程可划分为3个阶段：（1）背斜带的初始形成阶段（始新世末，约32 Ma）：在太平洋板块NWW-SEE向俯冲作用下，西湖凹陷的北部和中部地区分别形成了“A”背斜构造带和“B”背斜构造带两个不同高度的小背斜带；（2）背斜带的生长阶段（渐新世末，约23 Ma）：在太平洋板块持续俯冲作用下，北部的“A”背斜构造带开始不断的向北扩展抬升，直至福江低凸起，背斜面积不断扩大。中部的“B”背斜构造带则不断的向南扩展抬升，当其扩展至西湖凹陷南部时，衍生出“C”背斜构造带和“D”背斜构造带两个小的背斜带；（3）背斜带的成型阶段（中新世末，约10 Ma）：北部的“A”背斜构造带停止扩张，但垂向上仍继续抬升，抬升高度大于其它背斜构造带；中部和南部的“B”、“C”和“D”背斜构造带彼此连通，形成一个统一的大背斜构造带，由此东海陆架盆地西湖凹陷的中央反转带演化成型。

西湖凹陷；中央反转构造带；形成机制；有限元数值模拟

东海陆架盆地形成于岩石圈减薄的亚洲大陆边缘，盆地早期具有拉伸盆地的构造格架特征，后期经多次挤压反转作用产生一系列反转构造，包括多期的反转断层和伴生的反转背斜或断褶等构造形迹，其规模大、类型多的特点，在中国东部中、新生代盆地中较为少见。经多年勘探、开发工作证实东海陆架盆地内的西湖凹陷已发现的油气储量90%与反转构造有关。因此，众多学者和油气勘探人员对东海陆架盆地反转构造格局、沉积特征、以及油气聚集规律等都作了一些有意义的探索和研究工作。例如，王国纯（1995，1998）[1,2]论述了东海陆架盆地反转构造的成因机制；刘卫红等（2009）[3]研究了西湖凹陷构造演化历史，提出了盆地构造演化模式；冯晓杰等（2003）[4]通过对东海陆架盆地结构研究，得出西湖凹陷在中新世为双断式断陷盆地，同时也得到东海陆架盆地构造演化规律；项圣根（2001）[5]利用钻井、地质、测试和分析化验等资料，对西湖凹陷春晓构造油气储层岩性、物性、油气显示、储层温度和压力场特征等进行了分析研究 ；周祖翼等（1994，2002）[6,7]从磷灰石裂变径迹和流体包裹体等古温标的方法研究了东海盆地反转构造的剥蚀厚度，并提出反转构造强度具有“北强南弱”的特征；陈志勇等（2003）[8]对西湖凹陷的构造反转期次及分布做了深入研究，分析了西湖凹陷反转构造油气成藏的有利条件；胡芬等（2003）[9]应用流体包裹体及碳同位素组成等集中研究了西湖凹陷平湖构造带油气运聚特征，并与凹陷内的中央反转构造带的油气运聚特征进行对比；张敏强等（2005）[10]解析了西湖凹陷中南部晚中新世反转构造的结构特征，分析了该区反转构造的油气运聚规律等。

本文在西湖凹陷反转构造研究成果的基础上，采用有限元数值模拟技术，定量地分析了西湖凹陷中央反转构造带的形成机制，及其形成过程中的变形机制、应力场以及位移场分布特征。为了能够尽量准确、详细地描述这一演化过程，笔者考虑了东海陆架盆地岩石圈的流变学特征、结构上的横向不均匀性以及温度对其带来的影响。应用这个数学模型可以追踪到盆地的机制性行为、应力—应变场的时空分布特征以及与反转构造应力场紧密相连的盆地地形上的变化。

此外，关于岩石圈挤压变形的数值模拟前人也已经做了大量工作。例如，大洋岩石圈挠曲的数值模拟[11]，大陆岩石圈大尺度褶皱生成的数值模拟[12]，利用地层剥蚀量对热机制下的盆地裂谷过程的数值模拟[13]。在三维数值模型方面，张东宁等（1994）[14]利用地球物理资料和地质资料建立了青藏高原三维弹—黏性有限元模型，并模拟出在印度板块挤压下青藏板块岩石圈的应力场及其运动特征。郑勇等（2005）[15]依据中国大陆区域构造特征及其横向上的分层结构，构架了中国大陆岩石圈三维空间模型，并对青藏高原隆升过程进行了数值模拟研究。朱守彪等（2008）[16]利用三维有限元数值模拟方法模拟出了在印度—澳大利亚板块俯冲作用下苏门答腊地区的应力—应变场的分布特征，并以此为基础探讨了该区域的发震机制。通过上述成果可以看出，前人对岩石圈在挤压环境下的数值模拟研究已经做的相当充分，但本文的研究模型与上述模型相比仍然具有独到之处：（1）模型中考虑了东海陆架盆地岩石圈横向上的不均匀性；（2）考虑了东海陆架盆地岩石圈的流变特征，而没有采用简单的弹性材料模型；（3）充分考虑了东海陆架盆地三维空间上的不连续性。

1 西湖凹陷中央反转构造带形成的地质背景

东海陆架盆地位于欧亚板块东南缘，处于西太平洋边缘海构造活动带的中部，是环太平洋构造活动带的重要组成部分和动力学研究中的关键区域之一，其形成、演化与印度、欧亚板块间的碰撞、库拉—太平洋板块的活动以及菲律宾板块的形成与扩张密切相关。东海陆架盆地自西向东可划分为三个主要的构造单元，分别为西部坳陷带、中部隆起带以及东部坳陷带。其中西湖凹陷位于东部坳陷带东北部，其西侧为虎皮礁隆起、海礁隆起、渔山东隆起，东侧为钓鱼岛隆褶带，北接福江凹陷，南连钓北凹陷，内部多发育反转构造（图1）。根据地层的剥蚀特征，可将盆内反转构造的活动期次划分三期。

第一期反转发生在始新世末（约32 Ma），即由玉泉运动形成的构造反转。该期运动是由于太平洋板块相对欧亚板块东南缘的斜向俯冲转变为了垂向俯冲[18,19]，因而造成区域性构造应力场发生急剧变化，最大主应力方向由原来的NNW-SSE向转变为NWW-SEE向。同时使西部坳陷带和中部隆起带全面隆升并遭受严重剥蚀，剥蚀厚度一般在200～400 m，最大超过1 000 m[8]，上、下地层间形成了区域性角度不整合界面。此次运动造成东部坳陷带局部地区发生构造反转，但并不强烈。

图1 西湖凹陷构造区划示意图（据贾健谊等[17]，2002略有修改）

第二期反转发生在渐新世末（约23 Ma），即由花港运动形成的构造反转。该期运动由于受到本州海盆打开形成的影响，而造成盆内沿西湖—基隆断裂带发生反转，并使断裂带附近地层褶皱、抬升，并遭受剥蚀。

第三期反转发生在中新世末（约10 Ma），即由龙井运动形成的构造反转，是西湖凹陷新生代最强烈、保存最完整的一次构造反转。由于该期运动主要受到冲绳海槽扩张而导致的向西挤压应力场的影响，因此构造运动十分强烈，波及范围广，反转幅度大，地层剥蚀量较高[20]，且主要沿凹陷的中央反转构造带分布。

2 西湖凹陷中央反转构造带形成机制的有限元模拟研究

2.1 模型空间设计及参数选择

本文主要基于东海陆架盆地三维空间结构，采用有限元分析软件中的三维实体单元构建出有限元模型（图2）。考虑盆地基底的横向不均匀性，加入了盆地内所有构造单元，如长江坳陷、钱塘凹陷、椒江—丽水凹陷、福州凹陷、虎皮礁隆起、海礁隆起、渔山隆起、西湖凹陷和钓北凹陷等。其中基底厚度最大处约33 km，主要位于隆起区；最薄处约20 km，主要位于各凹陷的沉积中心。这近真实的拟合出了东海陆架盆地中生代基底的空间分布特征。

图2 东海陆架盆地有限元模型及边界条件

表1 流变学模型参数

2.2 模型边界条件

根据西湖凹陷构造反转的演化规律，本模型将东部边界划分为南、北两个部分，并根据平衡剖面的计算结果，将其北部边界设置为具有5 km的位移，南部边界具有2 km的位移，计算时间大约为32 Ma，计算步数为1 000，位移方向设置为近NWW向；模型的西部边界位于浙闽隆起带，由于该区域明显受到欧亚板块的阻挡作用，因此将其设为固定边界；模型的北部边界位于九州岛，将其设为固定边界；模型的南边界位于台湾岛，将其设置为固定边界；模型的上层表面，将其设为自由边界；模型下层底面，垂向将其设为固定，而水平方向设为自由界面。

2.3 模型初始条件

由于本文有限元模型采用了稳态幂指数流变速率公式来描述东海陆架盆地的塑性流变学行为，而该种塑性材料的变形与其温度场密切相关，因此如何计算得出东海陆架盆地的初始温度场是在模拟计算过程中必须考虑的。

初始温度场的计算：对于绝对温度T而言，在忽略其不断演化的情况下，该值的高低将决定岩石圈和上地幔横向和纵向上的不均匀性，而这种不均匀性又表现为不同区域间不同的流变学行为。本文中，初始温度场模型参数的选择见表2，将模型底面温度设为700 ℃、顶面温度设为0 ℃，并以此计算出东海陆架盆地的温度场，然后将该温度场作为初始温度条件，求解稳态幂指数流变速率模型。从初始温度场分布特征来看，温度异常高区主要集中在各凹陷处，该计算结果与东海陆架盆地的实际情况较为吻合。

表2 初始温度场模型参数

2.4 模拟结果

在盆地内反转构造的最直接表象就是地层褶皱的生成，而在模型中此种构造现象则表现为垂直位移上的变化。当垂向位移值正向越大时，表明盆内地层抬升的高度越高，褶皱越强烈，即反转越强烈。反之，当垂向位移值负向越小时，表明地层越向下弯曲，形成向斜。根据数值模型中的这一特征，本文模拟了东海陆架盆地在32 Ma至今间垂直位移场的时空分布特征，并以32 Ma（始新世末）、23 Ma（渐新世末）和10 Ma（中新世末）三个时间节点为基础分别对其加以论述。

2.4.1 32 Ma（始新世末）时东海陆架盆地垂直位移场分布特征

图3为32 Ma时东海陆架盆地垂直位移场的分布特征图。从图中可以看出，在太平洋板块由NNW向转为近NWW向俯冲的初期，东海陆架盆地各构造单元的垂向位移量差异较大。其中西部坳陷带的整体起伏较为平稳，中部隆起带不同区域间垂向位移变化较大，东部坳陷带的垂向位移变化较为剧烈。东部坳陷带南部的钓北凹陷表现为平稳的整体抬升。在该段时期内整个西湖凹陷的垂直位移表现为“两背斜多洼陷”的分布特征。

图3 32 Ma（始新世末）垂直位移场分布图

2.4.2 23 Ma（渐新世末）时东海陆架盆地垂直位移场分布特征

图4为23 Ma时东海陆架盆地垂直位移场的分布特征图。从图中可以看出，东海陆架盆地内部的西部坳陷带、中部隆起带以及钓北凹陷的垂向位移量与上一个时间节点相比略有抬升，但总体保持平稳。垂向运动最剧烈的区域依然位于东部坳陷带的西湖凹陷，其地形特征由原来的“两背斜多洼陷”转变为“四背斜多洼陷”。

图4 23 Ma（渐新世末）垂直位移场分布图

2.4.3 10 Ma（中新世末）时东海陆架盆地垂直位移场分布特征

图5为10 Ma时东海陆架盆地垂直位移场的分布特征图。从图中可以看处，西部坳陷带、中部隆带以及钓北凹陷仍然略有抬升，总体保持平稳。而西湖凹陷则垂向运动起伏剧烈，其内部所有的背斜均在前期基础上继续抬升演化。其中位于西湖凹陷北部的“A”背斜构造带，最大抬升高度约为400 m，明显高于前期，但背斜面积由于受到周边洼陷的控制而未发生明显变化。位于西湖凹陷中部、南部的“B”、“C”和“D”背斜构造带同样发生了明显抬升，而且抬升高度自北向南逐渐降低，背斜面积逐渐扩大，整体上形成一个彼此间相互贯通的统一的大背斜构造带，也即是现今的西湖凹陷中央反转构造带。

图5 10 Ma（中新世末）垂直位移场分布图

通过上文论述，已经明确了模型中三个时间节点上垂向位移场的空间分布特征，将其与东海陆架盆地区域地质背景相结合，便可推论出西湖凹陷中央反转构造带的构造演化过程。本文将其划分为以下三个阶段：

第一阶段对应于背斜带的初始形成阶段（始新世末，约32 Ma）：在太平洋板块NWW-SEE向俯冲作用下，东海陆架盆地西湖凹陷的北部和中部地区分别形成了两个高度不等的小背斜带，其中北部较高的背斜带对应于“A”背斜构造带的雏形阶段，而中部较低的背斜则对应于“B”背斜构造带的雏形阶段。同时，由于这两个背斜带的隆起抬升作用，导致了周边地层的挠曲下降，从而形成了一系列受先期南北向、东倾断层控制下的洼陷带，这些洼陷带对未来反转区的进一步的扩展抬升起到了一定的限制性作用。

第二阶段对应于背斜带的生长阶段（渐新世末，约23 Ma）：在太平洋板块持续俯冲作用下，北部的“A”背斜构造带开始不断的向北扩展抬升，直至福江低凸起，背斜面积不断扩大。而中部的“B”背斜构造带则不断的向南扩展抬升，当其扩展至西湖凹陷南部时，衍生出两个小的背斜带。这两个小的背斜带自北向南分别对应于“C”背斜构造带和“D”背斜构造带。围绕这些背斜带的周缘依然分布着一系列受断层控制的洼陷，这些洼陷伴随背斜的抬升不断向下挠曲。

第三阶段对应于背斜带的成型阶段（中新世末，约10 Ma）：由于受到周边洼陷的控制，北部的“A”背斜构造带停止扩张，但在垂向上继续剧烈抬升，其抬升高度明显高于其它背斜构造带。与此同时，中部和南部的三个背斜构造带仍然不断的扩张抬升，直至三者间彼此贯通，形成一个统一的大背斜带，由此东海陆架盆地西湖凹陷的中央反转带演化成型。

3 结论

本文基于有限元数值模拟技术，结合西湖凹陷中央反转构造带形成的区域地质背景，设计了有限元应力场模型和边界条件，模拟了西湖凹陷中央反转构造带的构造演化历史，并将其构造演化过程划分为3个阶段：

（1）背斜带的初始形成阶段（始新世末，约32 Ma）：在太平洋板块NWW-SEE向俯冲作用下，西湖凹陷的北部和中部地区分别形成了两个不同高度的小背斜带：“A”背斜构造带和“B”背斜构造带。

（2）背斜带的生长阶段（渐新世末，约23 Ma）：在太平洋板块持续俯冲作用下，北部的“A”背斜构造带开始不断的向北扩展抬升，直至福江低凸起，背斜面积不断扩大。中部的“B”背斜构造带则不断的向南扩展抬升，当其扩展至西湖凹陷南部时，衍生出两个小的背斜带：“C”背斜构造带和“D”背斜构造带。

（3）背斜带的成型阶段（中新世末，约10 Ma）：北部的“A”背斜构造带停止扩张，但垂向上仍继续抬升，抬升高度大于其它背斜构造带；中部和南部的“B”、“C”和“D”背斜构造带彼此贯通，形成一个统一的大背斜构造带，由此西湖凹陷的中央反转带演化成型。

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Application of the Finite Element Numerical Simulation Method to the Study on Formation Mechanism of the Central Inverted Structure Zone, Xihu Depression

ZHANG Tian, ZHANG Jianpei, ZHANG Shaoliang, YU Yifan, TANG Xianjun
（CNOOC（China）Co. Ltd., Shanghai, 200030, China）

On the basis of study on regional geological settings for the formation of the central inverted structure zone in Xihu Depression, the fi nite element numerical simulation method has been used for designing the reasonable fi nite element model to analyze the stress fi eld and boundary conditions, and simulate the tectonic evolution history of the central inverted structure zone in Xihu Depression, and make cleat about its genetic model. The tectonic evolution of the central inverted structure zone in Xihu Depression can be divided into three stages. (1) The initial formation stage of anticline belt(late Eocene at about 35 Ma). During this stage, under the control of Pacif i c plate subduction in the direction of NWW-SEE, two anticline belts with different height formed in northern and central regions in Xihu Depression, namely “A” anticline belt and “B” anticline belt; (2) The growth stage of anticline belt(late Oligocene at about 25 Ma). During this stage, by the continuous subduction of Pacif i c plate, “A” anticline belt in northern part started to expand northward and uplifted continuously until to Fujiang lower uplift, and the area of “A” anticline belt has been enlarged continuously. While “B” anticline belt in central started to expand southward and uplifted continuously until to southern region of Xihu depression, then “C” anticline belt and “D” anticline belt developed; (3) The fi nal formation stage of anticline belt(late Miocene at about 10 Ma). During this stage, “A” anticline belt in northern stopped expanding but uplifted continuously, and the uplift height was larger than other anticline belts. While, “B”, “C” and “D” anticline belt in central and southern parts connected to each other, and a single large anticline belt formed, thus the central inverted structure zone was fi nally shaped during this stage.

Xihu Depression; the central inverted structure zone; formation mechanism; fi nite element numerical simulation

TE121.2

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.04.011

1008-2336（2012）04-0011-06

2012-02-09；改回日期：2012-03-12

张田，男，1982年生，硕士，工程师，2008年毕业于南京大学构造地质学专业，从事区域勘探与石油地质综合研究工作。E-mail：bentian150@sohu.com。