苏北盆地高邮凹陷隐蔽性断层构造特征分析与预测

姜芹芹， 周绍荣， 朱　光， 谢成龙， 王岩生， 吴进飞

(1.淮安市地质矿产勘查院，江苏淮安223001； 2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009)



苏北盆地高邮凹陷隐蔽性断层构造特征分析与预测

姜芹芹1， 周绍荣1， 朱光2， 谢成龙2， 王岩生1， 吴进飞1

(1.淮安市地质矿产勘查院，江苏淮安223001； 2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009)

摘要：晚白垩世晚期—新生代发育的高邮凹陷，是苏北盆地南部典型富含油气的半地堑式断陷盆地，自南向北分为南断阶、深凹带与北斜坡。该凹陷复杂断裂构造系统与相应的沉积格局受印支期NEE向逆冲基底断层系与晚侏罗世伊泽纳崎板块高速斜向俯冲形成的NNE向左行平移基底断层系影响，同时受古近纪期间区域近SN向拉张应力状态控制。北斜坡东部花瓦构造带主体EW向正断层与NNE向隐蔽性断层发育了限制型、连接型、复合型3类隐蔽性断块圈闭模式，同时在平面上形成多种组合样式。通过研究花瓦区隐蔽性断块圈闭实例与有限差分法数值模拟，分析总结出高邮凹陷NNE向隐蔽性断层的成因机制与构造特征，并推断了5条隐蔽性断层发育带。

关键词：基底断层；斜向拉伸；隐蔽性断层；断块圈闭；高邮凹陷；苏北盆地；江苏

0引言

苏北盆地南部油气富集的高邮凹陷已进入高成熟勘探阶段，再勘测到规模较大的构造油气圈闭的机率很低(邱旭明，2003；邓丽娟等，2009)。因此，采用全三维地震勘探技术对高邮凹陷内部复杂断裂构造系统进行分析解释，最终在寻找隐蔽性油气藏方面取得显著成果。

本次工作主要依据高邮凹陷精细地震解释资料，并参考前人相关研究成果，重点剖析已探明的花瓦构造带隐蔽性断裂构造特征与断块圈闭发育模式，解析高邮凹陷隐蔽性断层的成因，进而为整个凹陷隐蔽性断层的空间分布提供理论预测，也为未来勘探隐蔽性圈闭指明了方向。

1地质概况

高邮凹陷位于苏北盆地东台坳陷中南部，为典型的南断北超、南深北浅单断裂谷式凹陷(图1)。凹陷整体呈NEE走向，包含3组正断层系统：发育程度最高的NEE向断裂系、主要分布在北斜坡的近EW向断层系及多被限制在前2组断裂系统之间并呈断续分布状态的NNE向断层系。高邮凹陷被划分为北斜坡、深凹带与南断阶3个次级构造带，其中北斜坡指汉留断裂与吴②断裂以北的区域，包括吴岔河构造带、刘陆次凹、花庄—瓦庄构造带(简称花瓦构造带)等6个次级构造单元。位于北斜坡东部的花瓦构造带分为花庄、瓦庄2个次级构造区，属于断裂构造系统相对复杂的区域(图2、图3)。

通过分析高邮凹陷的构造事件、深浅地层建造关系以及地层岩性特征等，可将凹陷的沉积盖层分为3个次级构造层(表1)，包括分散伸展断陷阶段发育的泰州组与阜宁组组成的下构造层、由始新统戴南组和三垛组构成的中部构造层以及新近纪以来的拗陷阶段发育的上构造层。此外，在中构造层发育期间强烈的构造变形促使高邮凹陷的3个次级构造单元基本定型(邓丽娟等，2009；朱光等，2013)，此时凹陷属于集中断陷型盆地，类似于窄裂谷盆地(Benes et al.，1996)。

图1　高邮凹陷构造单元划分平面图与代表性地震解释剖面图(据中石化江苏油田分公司地质科学研究院,2012,2013)Fig.1　Map showing tectonic unit division of the Gaoyou Sag in Subei Basin and a typical seismic interpretation profile(a) tectonic unit division of the Gaoyou Sag; (b) seismic interpretation profile along line G45

2盆地基底与古近纪应力状态

苏北盆地位于郯庐断裂带东侧、苏鲁造山带南侧的下扬子地台北部，是苏北—南黄海盆地的西部陆上部分。下扬子地台主要经历了震旦纪—中三叠世地台海相盖层发育阶段、中三叠世末—中侏罗世印支—早燕山期前陆变形与沉积阶段、晚侏罗世左行平移断裂活动与区域性隆起阶段和白垩纪伸展断陷阶段，最终形成现今的苏北盆地基底(董树文等，1994；邱海峻等，2006；梅廉夫等，2008)。

下扬子地台第一阶段发育的连续沉积海相地层代表相对稳定的沉积盖层(梅廉夫等，2008)。在中三叠世末期，华北、扬子两大板块发生陆-陆碰撞形成大别—苏鲁碰撞造山带，促使扬子板块北部前陆变形带发育了一系列平行于苏鲁造山带的北倾逆冲断层(董树文等，1994；梅廉夫等，2008；Zhu et al.，2009)，由此形成了苏北盆地NEE走向基底断层。随后，西太平洋区大洋板块在晚侏罗世或中—晚侏罗世之交向中国东部大陆边缘高速斜向俯冲，促使郯庐断裂发生大规模的左行平移，同时发育了以郯庐断裂带为代表的NNE向左行平移断层系(Zhu et al.，2009)，因此形成了苏北盆地NNE向基底断层。中国东部在晚侏罗世处于广泛缺失沉积的区域性隆起状态，与此期间压扭性动力学背景及郯庐断裂带大规模左行平移现象相吻合(朱光等，2007)。在白垩世期间，伊泽纳崎板块俯冲方向与俯冲角的变化(Maruyama et al.,1997)，促成中国东部区域性构造背景转变为伸展性动力体制，郯庐断裂带也相应转变为伸展活动，产生了强烈的岩浆活动并控制发育了一系列断陷盆地(牛漫兰等，2008；朱光等，2008)，高邮凹陷就是最具代表性的断陷盆地类型之一。

图2　苏北盆地高邮凹陷反射层构造图(据中石化江苏油田分公司地质科学研究院,2012,2013)Fig.2　Structural maps of reflection horizons for the Gaoyou Sag, Subei Basin(a) structural map of reflection horizon ; (b) structural map of reflection horizon

综合研究现有的勘探资料(中石化江苏油田分公司地质科学研究院,2012,2013)可知，高邮凹陷古近纪发育了张扭性正断层与仅倾向滑动的近EW向正断层(图2)，这种现象除了说明盆地2组基底断层在区域拉张应力下复活并形成右行平移正断层系外，新生的近EW向断层表明高邮凹陷在古近纪断陷期处于近SN向拉张应力状态下。目前，已有众多学者对中国东部盆地古近纪应力场状态进行过模拟与推测，通过盆地断层构造格局分析、物理实验模拟、软件数值模拟以及借助系统测量古近系正断层擦痕反演出的应力场均表明，古近纪期间整个中国东部断陷盆地均受近SN向拉张应力影响(周建勋等，2006；冯阵东等，2010；朱光等，2013)，这一结论验证了笔者对高邮凹陷古近纪区域应力背景的推断。

图3　高邮凹陷花瓦构造带反射层构造图与代表性地震解释剖面图(据中石化江苏油田分公司地质科学研究院,2012,2013)(a) 花瓦构造带反射层构造图; (b) GX48线地震解释剖面; (c) GX57线地震解释剖面Fig.3　Structural maps of reflection horizon for the Huawa tectonic zone in the Gaoyou Sag and a typical seismic interpretation profile(a) structural map of reflection horizon in the Huawa tectonic zone; (b)seismic interpretation profile along line GX48; (c) seismic interpretation profile along line GX57

3花瓦构造带隐蔽性断块圈闭

3.1隐蔽性断层

油气盆地中的隐蔽性断层一般是指常规地震勘探中难以解释的断距较小、延伸短的小型断层。这类断层在地震剖面上大多数表现为同相轴微小错开或扭曲、振幅突然变弱等形式，具有较强的隐蔽性。针对上述问题，综合应用剖面显示法、谱分解法、相干体法等高新地震解释技术，在高邮凹陷花瓦构造带识别出一系列NNE向隐蔽性断层，成功勘探开发了大量隐蔽性构造油气藏。

表1高邮凹陷地层序列与构造事件简表

Table 1Simplified table showing stratigraphic sequence and tectonic events of the Gaoyou Sag, Subei Basin

苏北断陷盆地常见的构造圈闭是断鼻和断块圈闭群(带)(刘玉瑞等，2004；邱旭明，2005；牟荣，2006)，而花瓦构造区近EW向断层与南倾地层很难构成断鼻构造圈闭，易与断续分布在主体断裂之间的NNE向断层形成断块圈闭。选取具代表性的隐蔽性断块构造(图3a)，研究控制这些断块圈闭发育的隐蔽性断层的构造特征，从而为分析隐蔽性断块圈闭的发育模式提供依据。

花11块位于花庄构造带中部，是由2条相交北掉的正断层共同控制的断块构造。其西界为最新地震资料解释的NNE向隐蔽性小断层，而北界是较大型的NEE向断层，断距大约在60～100 m。该块地层南倾北抬明显，与2条相交断层共同发育了隐蔽性断块圈闭。临近花11块的花17块属于典型的含隐蔽性油藏的断块构造。2条相间排列的大型EW向断层西侧被NNE向隐蔽性断层切割，同时东侧被1条类似的NE向小断层围限，四者共同控制构成了特征性的类平行四边形断块构造。处于花庄北构造西翼的花16块主要由北侧EW向大型主控断层、南界延伸不长的EW向正断层与西侧的NNE向断层相交形成的断块构造。位于瓦庄构造西部的隐蔽性瓦4断块与花16块形态类似，但南、北两界断层规模正好相反。

位于瓦4块西侧的瓦2、瓦3块是由1条弧形延伸的NE-NNE向断层控制发育的断块构造，它的北、南边界都与北倾的EW向断层相交。由下文成因分析可知，这2个含油断块西侧边界断层由2个小型隐蔽性的NNE向断层连接后形成的正断层组成。同样，早期的NNE向隐蔽性断层向北延伸，与临近的EW向断层连接形成弧形断层，最终发育了隐蔽性断块构造花12。此外，虽然控制含油断块花3、花14块发育的弧形边界断层呈大型显性正断层，其西界NNE向断层仍属于早期发育的隐蔽性断层。

3.2隐蔽性断块圈闭模式

通过定量分析花瓦构造带隐蔽性断层构造特征,将该区主体EW向断层与NNE向隐蔽性断层构成的断块圈闭归纳为3类(图4)：(1) NNE向小型断层被限制在平行相间排列的EW向断层带之间，形成限制型断块圈闭；(2) NNE向隐蔽性断层断层与EW向断层弧形连接，发育连接型断块圈闭；(3) 限制型与连接型断层相互组合而形成复合型断块圈闭。

根据已知的花瓦区地震勘测资料中出现的各种断层组合方向，这3种基本类型的断块圈闭在平面上可构成形式多样的圈闭类型(图5)。

图4　高邮凹陷花瓦构造带隐蔽性断块圈闭类型立体示意图Fig.4　Stereoscopic model showing types of concealed fault-blocked traps in the Huawa tectonic zone of the Gaoyou Sag

第一类隐蔽性断块圈闭的边界断层为EW向断层与NNE向隐蔽性断层斜交。当1条NNE向断层与大型平行EW向断层组相交时，构成A1类限制型隐蔽性断块圈闭(图5a)，相当于花瓦构造带的花11断块构造样式(图3a)；若平行断层组之间形成2条或者2条以上NNE向断层，则发育具断续出现的断层带特征的A2类断块构造。组成A3类断块圈闭的南北两侧边界断层规模相差较大，类似于花16与瓦4断块圈闭形态。EW、NE向断层连接的弧形断层与其他2组边界断层相交，围限构成与花17构造圈闭相似的A4类断块圈闭。

第二类断块圈闭的边界断层属于EW与NNE向断层连接形成的弧形断层。NNE向断层在南北两侧分别或同时与EW向断层弧形连接，可发育 B1、B2、B3 3类圈闭样式(图5b)。当上述3类圈闭被新生的小型EW向断层切割时，可发育2个连续的B4类隐蔽性断块圈闭，其中，花瓦区的花12断块圈闭属于B1类，瓦2、瓦3断块构造属于B4类。参照花瓦区实际断块构造样式，将上述2大类型断块圈闭叠加组合，最终推断出6种复合型隐蔽性断块圈闭(图5c)。

图5　高邮凹陷花瓦构造带隐蔽性断块圈闭类型平面示意图Fig.5　Plane sketch showing types of concealed fault-blocked traps in the Huawa tectonic zone of the Gaoyou Sag

在北斜坡东部的花瓦构造区，NNE向隐蔽性断层除了与大量新生EW向断层构成断块圈闭外，同时也可与旁侧的NEE向断层连接发育形成断块构造，因此花瓦区平面断块圈闭类型较为复杂多变。由于高邮凹陷北斜坡中、西部发育了大量的NEE向正断层(图2)，可推测NNE向断层主要与NEE向断层组合而形成与上述3种基本圈闭类型相似的断块构造，每一类型断块构造因具体断层组合方向的变化，也会出现多样的实际圈闭类型。

4高邮凹陷北北东向隐蔽性断层

花瓦区已揭示的隐蔽性断块构造实例表明，凹陷内断续出现的NNE向断层是发育隐蔽性断块圈闭的关键因素，其边界断层实际上是指一侧为NNE向隐蔽性断层，另外一侧或两侧为较大规模的显性断层(图3a)。高邮凹陷NNE向断层早期发育较多而晚期明显减少(图2)，表明NNE向隐蔽性断层主要是吴堡期活动的产物，与上述花瓦区的推论相符。

4.1成因分析

依据前人(朱光等，2013；Bahroudi et al.，2003)的观点可知，在古近纪区域性伸展应力背景(中间主应力σ2与最小主应力σ3水平，并且σ3为近SN向拉张，而最大主应力σ1直立)下，高邮凹陷内的近EW向断层由于垂直于拉张应力σ3，属于新生正断层，其他2组方位的断层主要是早期基底断层在斜向拉张状态下复活的右行平移正断层，无压扭性平移断层或褶皱。所谓斜向拉张是指断陷盆地基底断层斜交于区域近SN向拉伸方向。

高邮凹陷2组不同方位基底断层在古近纪伸展期间均在斜向拉伸状态下复活，由于断层走向与区域拉伸方向夹角不同，2者的活动时间与复活产物存在差别。盆地内的NEE向基底断层与σ3拉张应力呈高角度斜交，处于有利的复活方位，可在整个古近纪持续活动并形成大型正断层(图2)，一般不会成为隐蔽性断层。NNE向基底断层与区域拉张方向呈小角度相交而处于不利的伸展活动方位，活动时间较短(图2)，仅断续出现或作为连接断层的一部分形式出现，易于发育为隐蔽性断层。应用大量物理模拟或数值模拟证明(Homberg et al.，1997；Bellahsen et al.，2005)，较大型断层带在受区域伸展作用而产生的局部应力影响下，在其旁侧可发育同方位的断层。因此，高邮凹陷大型NNE向基底断层带的复活会造成古近纪NNE向断层成带出现。

一些NNE向断层被限制在近EW向或NEE向较大型正断层之间，导致其延伸不长，并且处于不利方位下的斜向拉伸使其落差相对较小，从而成为高邮凹陷内的隐蔽性断层。这些隐蔽性断层与相邻其他方位断层所夹持的断块，由于边界正断层垂直运动(或落差)的差异发生一定程度的旋转或掀斜，当边界断层具有封闭性时可发育隐蔽性断块圈闭。此外，凹陷内部早期发育的小型隐蔽性NNE向断层的一处尾端或两端在后期伸展活动中与近EW向或(和)NEE向断层相连，最终可发育成弧形的显性正断层，其转弯处也是形成断块圈闭的良好条件。

4.2数值模拟

本次研究依据高邮凹陷古近纪区域构造背景，并参考Bellahsen等(2005)应用物理模拟展示的NNE向断裂在斜向拉张状态下的伸展活动方式，运用得到众多学者(龚纪文等，2002；王岳军等，2002；杨立强等，2003)认可的FLAC 2D(V5.0)模拟软件再现NNE向基底断层在SN向拉张状态下的活动过程，从而深入解析其复活方式与规律。

模拟工作共建立2个简易却具代表性的地质模型M1和M2(图6)。在SN向拉张背景下，应用模型M1模拟NNE向基底断层在不受其他方位断层影响下的发育活动情况，而通过模型M2反映2组不同方位基底断层的活动过程。软件采用不同岩性材料代表模型各类区域，2者均选取相对塑性的硅胶代替NNE与NEE向基底断层，同时采用刚性砂岩代表围岩(表2)。对模型M1和M2建立左、右边界的X位移约束，同时设置上、下边界的相向拉力(图6)。模拟时设置非线性大变形求解选项，采用摩尔-库仑模型(mohr-coulomb)进行平面应变分析，同时内设最大限度时步来较为精确地计算模型的每一步剪应变速率，挑取有代表性的时步反映断裂发育状况。

表2　有限差分法模拟所用的材料力学参数

图6　M1和M2模型在南北向拉伸状态下的的模拟结果(基底断层A、岩层B材料分别是硅胶和砂岩) (a1) 20步；(b1) 163步；(c1) 348步；(a2) 89步；(b2) 276步Fig.6　Simulation results of M1 and M2 models in an NS-trending tensile state(The materials for basement fault A and rock formation B are silica gel and sandstone, respectively) (a1) 20 steps； (b1) 163 steps； (c1) 348 steps； (a2) 89 steps; (b2) 276 steps

在FLAC软件模拟计算过程中，地质模型的一些部位出现剪应变率集中，反映了断层的活动现象。通过观测分析模拟结果可得到如下结论。

(1) 在模拟开始阶段，M1与M2模型的2组方位基底断层均显示高剪应变速率(图6a1、图6a2)，表明岩性强度较弱的基底断裂在伸展背景下复活。当基底断裂活动强烈时，在其旁侧围岩中可发育新生EW向小断层，但因要首先克服完整岩石破坏所需的阻力，其剪应变速率值与基底断层相比明显偏低，说明早期的EW向断层活动较弱。

(2) 当M1进入模拟中间阶段，处于有利拉张方位的EW向断层持续活动并扩展延伸，而被限制在新生EW向断层之间的NNE向断层活动明显减弱(图6b1)。当EW向断层连通成大型正断层时，NNE向断层基本上不再活动(图6c1)。

该模拟再现了高邮凹陷NNE向断层活动扩展受EW向断层限制的过程，同时也演示了NNE向隐蔽性断层的活动强度表现为早期强、后期微弱的特征。

(3) 在模型M2模拟早阶段，NEE向基地断层的剪应变速率值与NNE向相比明显偏高，表明处于有利斜向拉张方位的NEE向基底断层活动强度略高(图6a2)。到了晚阶段，NEE向断层仍持续强烈活动，而NNE向断层基本上停止活动(图6b2)。该模拟同样显示了NNE向活动强度规律，同时也验证了上文对2组基底断层活动规律的分析。

4.3隐蔽性断层发育带预测

综合上述研究推断，高邮凹陷古近纪斜向拉伸下会形成带状延伸的NNE向左行平移断层带，发育较多的NNE向隐蔽性断层，从而成为隐蔽性断块圈闭有利发育区。

本次工作预测了5条NNE向隐蔽性断层集中发育带(图7),这些预测带也是较大型NNE向基底断裂带所在部位。此外，凹陷内还存在一系列小型NNE向基底断裂，它们分散出现在高邮凹陷的各个部位，也可发育为隐蔽性断层，进而构成隐蔽性断块圈闭。因此，提高隐蔽性断层识别技术也是未来寻找隐蔽性断块圈闭的关键之一。

图7　高邮凹陷NNE向隐蔽性断层发育带预测图(底图为反射层构造图)Fig.7　Map showing prediction of NNE-trending concealed fault zones in the Gaoyou Sag(base map is the structural map of reflection horizon )

5结论

(1) 印支期前陆变形发育的NEE向逆冲断层与晚侏罗世伊泽纳崎板块高速斜向俯冲形成的NNE向左行平移断层是高邮凹陷的主要基底断层系统，2者在古近纪断陷期由于处于近SN向拉伸的区域伸展应力状态下复活。

(2) 通过对高邮凹陷NNE向隐藏性断层构造特征与成因分析以及有关的物理模拟与数值模拟，总结古近纪NNE向隐蔽性断层特征如下：① 属于斜向拉张下NNE走向基底断层再活动的产物，为右行正平移断层；② 处于不利的拉张方位，一般垂直落差不大(与NNE向、EW向同等规模断层比较)，从而伸展活动较弱；③ 常被限制于EW向或NEE向正断层之间呈断续出现，并会以斜交、弧形连接等方式相连；④ 在几何空间上沿着NNE向基本呈成带状分布；⑤ 主要在早阶段吴堡期活动，晚阶段常不活动，因而活动时间较短。

(3) 高邮凹陷隐蔽性断块圈闭发育的有利地带也就是NNE向隐蔽性断层集中发育的地区。

致谢:

非常感谢合肥工业大学资源与环境工程学院朱光与谢成龙教授的悉心指导与帮助。

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Structural characteristics and prediction of the concealed faults in the Gaoyou Sag of Subei Basin

JIANG Qinqin1， ZHOU Shaorong1， ZHU Guang2， XIE Chenglong2， WANG Yansheng1， WU Jinfei1

(1. Huai′an Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Huai′an 223001, Jiangsu, China; 2. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China)

Abstract：The Gaoyou Sag, developed in the late period of Late Cretaceous to Cenozoic, is a typical half-graben faulted basin rich in oil and gas resources in the south of the Subei Basin. This sag can be divided into the southern fault step zone, deep sag zone and northern slope zone from south to north. The complex fault system and corresponding sedimentary framework of the Gaoyou Sag are restricted by two sets of basement fault systems, i.e., the Indosinian NEE-trending thrusts and NNE-trending, sinistral faults resulted from the Late Jurassic high-speed oblique subduction of the Izanagi Plate, and are also influenced by regional Paleogene extensional stress field with N-S extension. The concealed fault-blocked traps formed by the major EW-trending normal faults and the NNE-trending concealed faults in the Huawa zone in the east of the northern slope zone can be divided into three types: limitative trap, connective trap and compound trap. In addition, there are many trap assemblage patterns in the plane of the sag. Based on example analysis of the concealed fault-block traps in the Huawa zone and numerical simulation using the finite difference method, the paper summarized the formation mechanism and structural characteristics of the NNE-trending concealed faults in the Gaoyou Sag, and inferred five development zones of concealed faults.

Keywords：basement fault; oblique extension; concealed fault; fault-block trap; Gaoyou Sag; Subei Basin; Jiangsu Province

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.01.37

收稿日期：2015-04-03；修回日期：2015-06-18；编辑：陆李萍

基金项目：国家自然科学基金重大研究计划(91214301)、江苏油田项目共同资助

作者简介：姜芹芹(1986—)，女,工程师，断裂构造专业，从事油田构造地质与矿产勘查研究工作，E-mail： jiangqq122@126.com

中图分类号：P618.130.2+2

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)01-0037-10