北部湾盆地迈陈凹陷东部构造物理模拟研究

陈长征，陈 伟，吴 峰，成 为，周进峰

(中国石化江苏油田分公司地质科学研究院，江苏扬州 225009)

迈陈凹陷所在的北部湾盆地为南海北部裂谷系中诸盆地之一，是一个以新生代为主的盆地。迈陈凹陷位于北部湾盆地中部，是盆地中油气富集的凹陷之一。截至2012年，凹陷东部已钻探井数口，见良好的油气显示，其中部分井获得油气。目前的勘探认识认为，该区已发现的油气藏主要是与断层相关的油气藏，并且该区断裂体系复杂多样，断裂的垂向发育及平面分布对凹陷内油气的运聚成藏有着重要的影响。因此，研究断裂体系的发育、演化及成因机制，对该区乃至整个北部湾盆地的油气勘探有着重要的意义。本文主要在迈陈凹陷东部构造解析的基础上，采用构造物理模拟实验[1－8］来分析工区断裂系统的成因机制。

1 区域地质概况及断裂系统特征

1.1 区域地质概况

迈陈凹陷是北部湾盆地内部的一个次级凹陷，是典型的“南断北超”滚动半地堑。凹陷自上而下发育上新统登楼角组、中新统角尾组和下洋组、渐新统涠洲组、始新统流沙港组、古新统长流组地层[9］。与中国东部典型的裂陷盆地相似，迈陈凹陷新生代以来经历了3期构造演化阶段:长流期—流沙港期的陆相断陷阶段，以深湖—半深湖、三角洲相沉积为主;涠洲期的断坳过渡阶段，以滨浅湖、河流相沉积为主;新近纪—第四纪的海相坳陷阶段，以深海、浅海、滨海相沉积为主。

1.2 断裂系统特征

迈陈凹陷经历了神狐运动(中生代末期)、珠琼运动(中始新世末期)、南海运动(渐新世末期)和东沙运动(中中新世末期)[10－12］，形成多套断裂系统。剖面上可以将这些断裂划分为上、下2套断裂系统，分别为早期的张性断裂和晚期的张扭型断裂(图1)。

下部断裂体系——Ⅰ期断裂:主要在古新世长流期—始新世流沙港期形成，这些断裂活动控制了长流组、流沙港组地层的沉积演化，并且断层倾向均为北倾。在流一段沉积时期，凹陷经历了区域的抬升剥蚀，导致流一段及流二段上部地层遭受严重剥蚀[13］，之后多数断层活动性减弱或消亡，所以这些断裂的顶部多消失在流二段地层中。

上部断裂体系——Ⅱ期、Ⅲ期断裂:Ⅱ期断裂主要形成于涠洲组沉积早期(涠三段沉积期)，这些断层活动时间较短，多为涠三段沉积期发育的补偿性小断层，局部控制了涠三段地层的沉积，并在涠三段内部消亡，倾向以南倾为主。Ⅲ期断裂主要形成于涠洲组沉积中晚期(涠二段、涠一段沉积期)，发育的断层倾向既有北倾，也有南倾，剖面上多呈“y”字形、多级“y”字形，向下断至涠三段，向上消亡于下洋组内部，控制了涠二段、涠一段地层的沉积。

平面上来看，这2套断裂体系的发育存在较大差异:下部断裂体系发育的断层相对较少，断层走向以NE、NEE向为主;上部断裂体系断层数量增多，整体呈近EW向展布。反映了2期断裂发育所受区域应力的差异。

图1 北部湾盆地迈陈凹陷东部断裂体系划分Fig.1 Division of eastern fault system in Maichen Sag，Beibuwan Basin

因此针对迈陈凹陷主要以上部断裂体系发育的特征，构造物理模拟模型必须合理地解释这些现象。本文在地震资料精细解释的基础上，主要采用砂箱模拟实验模拟这2套断裂体系的发育演化史，从而对以上特征进行合理解释。

2 模型设计及参数设定

2.1 设计原则

构造物理模拟一般要满足5项基本原则:①相似性原则，即模型与原型必须符合相似原理;②选择原则，即力求主要因素相似，但不苛求所有因素都相似;③分解(分离)原则，即单次实验中将一个因素作为变量，固定其他因素;④逐步近似(逼近)原则，即随着认识发展和实验条件改善而逼近相似;⑤统计原则，即从统计的角度而不是单个实验的角度评价实验的可信度与准确度[14－16］。就上述几种原则而言，相似条件是构造物理模拟实验中最为重要的基础条件。随着构造模拟实验逐渐由定性向半定量、定量方向发展，越来越多的相似条件被引入进来，目前主要存在如下几种相似指标:材料相似、时间相似、组合形式相似、边界条件相似、受力方式相似、几何尺寸相似[1，17－19］。

2.2 模型设计

2.2.1 实验模型、几何尺寸及基底设置

以迈陈凹陷东部为实验对象，工区内长/宽约为46.57 km/23.28 km，长宽比2∶1，实验模型中研究区长/宽为45 cm/23 cm，相似系数为1.01 ×10－5。并根据边界大断层以及主干断裂发育演化过程的分析，明确了凹陷内部灯楼角、迈1、迈2断层自中生代开始活动，因而在实验模型的基底上设置细小聚苯塑料条模拟先存断裂(图2)。

2.2.2 实验材料

针对伸展盆地，选取相似度较好的松散石英砂作为实验材料。针对不同岩性分别采取不同粒度的石英砂以期更接近实际的地层组合规律。研究区长流组地层的岩性为砂砾岩，实验中选用40～60目的粗粒松散石英砂作为实验材料;流三段为砂泥互层，实验材料选用80～100目的细粒松散石英砂;流二段为一整套的泥岩，实验材料选取大于120目的松散石英砂;流一段在研究区整体被剥蚀，实验过程中不予考虑;涠洲组地层的岩性为砂砾岩与泥岩互层，部分位置有火山岩发育，实验材料选用60～80目的松散石英砂。

图2 实验模型及几何尺寸Fig.2 Experimental model and geometry

2.2.3 地层厚度

迈陈凹陷基底在前古近纪只发育有2条边界大断层，是否设置前古近纪地层影响不大;长流组原始厚度最大达2 000 m，最小为200 m，区域上大部分为1 000 m左右，实验过程中厚度设置为1.4 cm;流三段原始厚度最大为900 m，最小为100 m，区域上大部分在600 m左右，实验过程中厚度设置为0.9 cm;流二段原始厚度最大为900 m，最小为100 m，区域上大部分在500 m左右，实验过程中厚度设置为0.8 cm;流一段在研究区全部被剥蚀掉，因此实验过程中不予考虑;涠洲组原始厚度最大为2 200 m，最小为100 m，区域上大部分在2 000 m左右，实验过程中厚度设置为3 cm，地层的相似系数为1.4 ×10－5。

2.2.4 边界条件

实验的边界条件必须符合实际地质特征。迈陈凹陷东南、东北、西北缘分别由临高—灯楼凸起、徐闻凸起、流沙港凸起所限，凹陷主体显示为一东南断西北超的复式半地堑格局，实验过程中应根据中生代末临高—灯楼凸起、徐闻凸起、流沙港凸起的形状以及凹陷构造格局设置边界条件。

实验模型中临高—灯楼凸起、徐闻凸起、流沙港凸起分别用聚苯塑料块进行设置，并对聚苯塑料块进行处理使其边缘形状与中生代末凹陷周边的凸起形状吻合。南侧设置活动聚苯塑料块模拟灯楼角断层及临高—灯楼凸起，北侧设置活动聚苯塑料块模拟流沙港低凸起，东侧设置固定铁板模拟徐闻断层及徐闻凸起，西侧设置活动聚苯塑料块，提供实验材料位移空间，代表盆地西部。

2.2.5 加载方式

实验过程中应设置合理的加载方式，即受力方式，受力方式的不同影响实验结果。

受力方式主要通过3种方式体现:一是力的性质，在实验过程中根据区域动力学背景确定力的性质，并参考不同演化阶段断裂的走向与构造组合样式。迈陈凹陷东部平面上断层走向从NNE、NE向EW向转变，剖面上发育有2套断裂体系，说明应力场发生变化。闫义等认为，从晚渐新世开始在拉张的基础上迭加右旋走滑应力[12］。二是受力时间，即实验过程中每期应力的加载时间，受力时间要对应于每个地质历史时期的年限，但由于构造运动大多为幕式运动，因此在实验过程中应对受力时间进行适当的调整。三是受力大小，即速度，力的大小决定了构造变形的快慢，在加载速度较快的条件下地质体先发生变形，且变形速度较快;在加载速度较慢的条件下地质体变形较慢，可以通过时间的延长对变形程度进行弥补。

受力时间与受力速度决定了实验最终位移，而实验的位移影响实验现象与实验结果。本项目通过对过工区内过井4个方向平衡剖面进行分析，确定不同阶段的位移，并通过对不同方向测线伸展率计算与对比分析，确定长流组和流沙港组的拉张优势方向为NW向，涠洲组的拉张优势方向为NS向，并对不同时期NW向伸展量及伸展率进行统计(表1)，以使得实验过程中的位移有据可依:实验位移量=(模型长度/地层长度)×实际位移量。

表1 北部湾盆地迈陈凹陷不同地质阶段NW向伸展量与伸展率统计Table 1 NW oriented stretch amounts and rates during different geologic periods in Maichen Sag，Beibuwan Basin

迈陈凹陷内部长流组、流三段、流二段的NW向总伸展量为10.201 km，涠洲组的位移量为8.233 km。根据公式实验中第一期构造运动的位移量设置为4 cm，第二期设置为3.2 cm，位移量相似系数为4.1 ×10－5。

2.2.6 砂箱设计

砂箱的边界为一整体，通过板的平直运动以及旋转运动实现拉张和走滑作用，并且可以调节A、B、C轴的速度来改变走滑强度的大小(图3)。

3 实验过程分析

整个实验分2个阶段进行，具体如下:

第一阶段:在砂箱中固定好橡胶皮、边界模型以及基底条件。将模拟长流组和流沙港组的砂粒均匀地铺设在砂箱中，将左、右水平驱动单元A、B、C轴的速度均设置为0.06 mm/s，两驱动单元同时运动，且同一单元三轴速度相同，铁板平行运动，产生NW－SE向纯拉张，模型在NW－SE拉张应力作用下开始发生形变。

在实验进行到第2 min时，受边界凸起影响，控凹断裂徐闻断层、灯楼角断层最先发育;当实验进行到第4 min时，断层逐渐向凹陷内部发展，受先存基底断裂影响，迈1、迈2、迈3断裂开始发育;当实验进行到第5.5 min时，控凹断裂继续生长，迈1、迈2、迈3断裂强烈发育，迈4、迈5断裂开始发育，断裂整体上以NE向为主，断裂倾向以NW向为主(图4)。

图3 不同时期砂箱加载方式Fig.3 Sand box loading patterns during different periods

第二阶段:在以上实验结果的基础上铺设涠洲组地层，将左水平驱动单元A轴速度设置为0.03 mm/s，B轴速度设置为0.04 mm/s，C 轴速度设置为0.05 mm/s;右水平驱动单元A轴速度设置为0.04 mm/s，B 轴速度设置为 0.06 mm/s，C 轴速度设置为0.08 mm/s。两侧驱动单元同时向外运动，铁板旋转移动，除了产生NW－SE向纯拉张应力之外，由于基底受力不均还产生右旋剪切应力，模型中地层在应力作用下开始形变。

实验进行到第7 min时，控凹断裂灯楼角断层、徐闻断层继续开始发育，同时凹陷内部有部分次级断裂开始发育;实验进行到第8.5 min时，控凹断裂显著发育，同时受基底流沙港组断裂影响，凹陷内主干断裂显现出来;实验进行到第10 min时，凹陷内部断裂广泛发育，断裂整体上以EW向为主，局部出现NE向小断层(图5)。

在此次实验之后，我们通过调整A、B、C轴速度来加大走滑程度，左、右水平驱动单元A、B、C轴速度分别设置为 0.04，0.06，0.08 mm/s。实验结果发现大部分断层呈近EW走向，局部出现NE、NNE走向断层(图6)。

4 实验结果与启示

4.1 实验结果与地震解释结果对比

实验第一阶段结果平面图(图4)与T6构造图(图7)相比，断层发育数量相近，断层走向大多为NE向，断面北倾为主，与实际地质特征相吻合，证实了流沙港组沉积期区域应力以NW－SE向拉张为主。

实验第二阶段结果平面图(图5)与T3构造图(图8)对比，二者吻合程度高，断层发育数量、规模接近，断层走向主要为近EW向，与实际地质特征相吻合，证实了涠洲组沉积期区域右旋走滑应力的存在。

实验第二阶段后增大走滑程度实验结果发现的NE、NNE走向断层与实际地质情况不符，反映涠洲组沉积期区域右旋走滑应力应该较小，与拉张应力共同形成了SN向拉张。

图4 实验第一阶段结果与解释Fig.4 Experiment results and interpretations of 1st stage

图5 实验第二阶段结果与解释Fig.5 Experiment results and interpretations of 2nd stage

图6 走滑程度增大实验第二阶段结果与解释Fig.6 Experiment results and interpretations of 2nd stage under stronger strike－ slip

图7 北部湾盆地迈陈凹陷东部T6断裂纲要Fig.7 Outlines of T6 faults in eastern Maichen Sag，Beibuwan Basin

图8 北部湾盆地迈陈凹陷东部T3断裂纲要Fig.8 Outlines of T3 faults in eastern Maichen Sag，Beibuwan Basin

4.2 启示

4.2.1 基底先存断层对早期断裂影响较大，对晚期断裂影响不大

下部断裂体系受基底先存断层影响较大，要么是对基底断层的继承性发育，要么是保持与基底断层相同发育特征，如均呈NE走向、倾向北倾、反向断层发育为主;上部断裂体系除了边界断层以外，受基底先存断层影响较小，多为新生型断层或继承改造型断层，脱离了下部断裂体系的发育趋势，形成了与下部断裂体系完全不同的断裂系统。

4.2.2 走滑程度的强弱影响晚期断层发育的走向

上部断裂发育的2次实验结果可以看出，在弱走滑情况下实验结果与实际地质特征形似程度较高，断层整体呈近EW向展布;在强走滑情况下出现了NNE向、甚至近SN向断层的发育，与实际地质特征相差较大。反映了在相同受力方式情况下，力的大小不同会导致形变的不同，从而影响整体形变效果。

4.2.3 晚期断层中次级小断层的发育有利于圈闭的形成

从实验结果中可以看出，弱走滑情况下也会在局部发育NE走向的次级小断层，与近EW走向的大断层相交，易形成交叉断块圈闭，这对三维地震精细解释具有一定的指导意义。

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