渤海湾盆地惠民凹陷中央隆起带张扭性断裂演化的构造物理模拟研究

王衍迪，王毛毛*，闫 兵，汤梦静，贾红义

1. 河海大学 海洋学院，南京 210098；

2. 中国石化 胜利油田有限公司物探研究院，东营 257022

1 引言

张扭构造是指在同时发生在沿走向方向的走滑运动和垂直走向方向的伸展运动的复合作用下形成的构造类型（Fossen, 2010）。前人通过构造解析、物理模拟与数值模拟等方法，系统研究了从地表破裂、沉积盆地到板块边界的多种尺度的张扭构造的变形特征，探讨了走滑或张扭构造发育过程中的拉分盆地、挤压双重构造的形成及其应变分配机制（Allen et al., 1998；Basile et al., 1999；Fossen, 2016；Rotstein et al., 2005；Yuan et al., 2022）。张扭构造通常由剪切断裂带起源，同时在伸展应力场中进一步生长发育、拓宽规模，最终形成盆地或半地堑的构造样式（Waldron et al., 2005；Tsampouraki et al.,2021）。统计表明，张扭盆地是重要的含油气盆地类型，其发育通常伴随着内部断裂体系和构造转换带的形成与破坏，对流体运移和油气圈闭成藏有重要影响，因此研究其形成与演化对油气勘探具有重要的启示意义（Fossen et al., 2016；Reading, 1980；Peacock, 2002；Williams et al., 2020；Wang, 2021）。

惠民凹陷位于渤海湾盆地南缘济阳坳陷西部，古近纪时期受近南北向伸展应力的影响，盆地内中生代北东东向基底断裂发生复活，形成了典型的张扭构造体系（肖焕钦，2006; 封东晓，2015）。惠民凹陷内部发育的临邑断裂、夏口断裂等表现出伸展分量为主，走滑分量为辅的特征，是一个具有张扭特性的断陷盆地。中央隆起带是惠民凹陷油气聚集的有利构造带，已累计探明储量约为3 亿吨，约占整个惠民凹陷的80%。因此，研究惠民凹陷的张扭构造特征及其演化对油气勘探和开发具有重要意义。然而，目前对惠民凹陷的构造研究仍主要以定性的断裂分类和形态描述为主，对这一复杂张扭断裂体系的形成机制和演化的探讨不足。因此，目前对于惠民凹陷中央隆起带的断裂沿走向的构造差异性的成因还存在不同认识（蔡娜等，2010；李理等，2017；Wang, 2021）。

砂箱构造物理模拟是一种在实验室条件下再现自然界大尺度构造变形及其演化过程的技术手段（沈礼等，2016；陈竹新等，2019）。通过遵循一定比例的相似性系数，选取合适实验材料，可以提供一个真实可见的构造模型的演化过程（Koyi,1997）。本文以惠民凹陷中央隆起带为例，基于物理模拟实验技术手段并结合粒子测速技术（PIV）（White et al., 2003；Adam et al., 2005；沈礼，2016），研究惠民中央隆起带张扭断裂体系的发育、连接和贯通过程，并探讨其沿走向的构造差异性的形成机制。

2 地质概况

惠民凹陷位于济阳坳陷的西南区域，北部以宁南断层为界，南部为鲁西隆起，东部和西部分别与东营凹陷和临清坳陷相邻。惠民凹陷可以划分为滋镇洼陷、阳信洼陷、中央隆起带、林樊家凸起、临南洼陷与南部缓坡带6 个次级构造单元（图1）（Feng，2017；赵利，2015）。惠民凹陷中央隆起带主要由北东向的盘河构造带和东西向的临邑构造带组成，在平面上构成一个具有张扭构造性质的帚状断裂体系。惠民凹陷在古近纪主要为断陷发育阶段，新近纪至第四纪为拗陷发育期，主要发育的沉积地层如表1 所示。

表1 惠民凹陷地层年代与地震反射层位表Table 1 Stratigraphic sequences and seismic reflectors of Huimin Sag

图1 惠民凹陷构造纲要图（据封东晓，2015）Fig. 1 Structural outline map of Huimin Sag

图2 惠民中央隆起带沙三段、沙二段、馆陶组断裂平面分布图Fig. 2 Fault distribution of Es3, Es2, N1g formation in Central Uplift Belt, Huimin Sag

惠民中央隆起带T6、T3、T1 反射层位的断裂分布如图4 所示，分别对应沙三段、沙二段和馆陶组的底界。T6 层位包含一系列呈雁列式分布的主干断层，包括临邑断层以及盘河、临北和商河地区的近E-W 向断层，其走向由北东向逐渐转为东西向，并在其两侧分布着各类分支断裂，总体呈帚状样式（樊瑞，2010）。T3 层位的主干和分支断裂数量明显减少，其中临北和商河的主干断裂发生了连接，而盘河与临北地区的断层则依然呈雁列式分布。T1 层位的主干断裂完全连接，在平面上处于贯通状态。

惠民凹陷内前古近纪基底断裂主要有NNE、NEE 与NWW 三个走向。其中NNE 向基底断裂形成于侏罗世晚期，是太平洋板块俯冲到中国东部陆缘之下造成的压剪性质的断裂，这些断裂通常与郯庐断裂带保持平行（朱光等，2001；Qi et al.，2010）。而NEE 向断裂是NNE 向断裂左旋运动中同期形成的旁侧逆冲断裂（封东晓，2015）。古近纪时期在区域南北向构造伸展的背景下，NEE 向基底断裂处于有利的伸展方位，发生复活并持续活动，是惠民凹陷右行张扭构造形成的重要构造应力场条件（肖焕钦，2006；Feng，2017）。基底断裂的分布如图3 所示，包括宁南断层、临邑断层和夏口断层等主要断裂。其中临邑断层呈NEE 约70°度走向，是一条连续分布的基底断裂，位于中央隆起带的底部，因此临邑断层在新生代的活动对中央隆起带断裂样式的演化起着重要作用。

图3 惠民凹陷基底断裂平面分布图Fig. 3 Fault distribution of basement horizon in Huimin Sag

宁南断层与临邑断层分别是惠民凹陷的控凹断裂和临南洼陷的控洼断裂，两者的活动期限存在明显的交替性。研究表明宁南断层在孔店期至沙四期呈现活动速率快速上升的趋势，沙四上到沙三期间断层活动性维持在较高水平，沙三期之后，断层活动性快速下降，沙二期后基本停止活动（图4），总体活动速率一般在100~350 m/Ma 左右（封东晓，2015）。临邑断层在孔店期到沙四期处于较弱活动性阶段，在沙三期活动性显著增强，沙一至东营期速率开始大幅下降。

图4 惠民凹陷宁南断层与临邑断层活动性对比（据封东晓，2015）Fig. 4 Fault activity rate of Ningnan and Linyi faults, Huimin Sag (after Feng, 2015)

惠民凹陷两条代表性的南北向构造剖面（图5）展示了中央隆起带断裂与临南洼陷发育的断裂构造样式及其组合关系。如图5a 所示，惠民中央隆起带中部的断裂构造主要由底部的滑脱层和临邑断层所围限，发育的断层总体表现为共轭断裂样式，断距较小，但断层的数量众多。而惠民中央隆起带东部的断裂构造则由一系列阶梯状、南倾正断层构成（图5b）。

图5 惠民凹陷两条代表性南北向构造剖面（1064和2312测线）（据封东晓，2015）Fig. 5 Structural profile of Huimin Sag

3 实验模型与设置

3.1 实验模型

根据惠民凹陷中央隆起带的构造剖面，结合基底断裂走向、主要断层的活动时间，本文设计了一组张扭构造两阶段演化的物理模拟实验（图6-8）。本次设计的砂箱模型与自然原型的长度相似比为10-5，也即实验中1 cm 代表自然界1 km。砂箱模型宽度为30 cm，高度为10 cm，总长为42.7 cm，分别代表自然界宽度为30 km，地壳厚度为10 km，剖面长度42.7 km。本次使用的实验材料为60~80目的干石英砂，具有较小的内聚强度，内摩擦角约为30°，被认为是模拟上地壳岩石破裂行为的理想材料（Rahe, 1998；McClay et al., 1991, 1995；Wu et al., 2009；Jagger et al., 2018）。

图6 构造物理模拟实验设置图Fig. 6 Setup of analogue experimental model

实验中砂箱的右侧为固定端，左侧为牵引移动端（图6），模型伸展的速率为4 cm/h，代表自然界的伸展速率为220 m/Ma，两者的相似性比为1.6×107。在进行物理模拟实验时，仅使用石英砂等脆性变形材料，而不使用硅胶等塑性材料时，变形速率对最终形成的构造样式的影响很小（Krantz，1991），因此实验中不同阶段的伸展速率的改变基本不会影响剖面和平面上的构造变形样式。本次物理模拟实验还考虑了其他几何学、运动学和动力学三个方面的相似性（Hubbert, 1937），相关实验参数如表2 所示。

表2 物理模拟实验相似性参数表Table 2 Similarity coefficient of analogue modeling experiment

3.2 实验方案

为了模拟古近纪基底中临邑断层的活动，探究它对中央隆起带断裂样式发育的影响过程，我们采用聚乙烯塑料布与石英砂作为材料，通过一个两阶段活动的方案来进行实验。临邑断层在古近纪是一条大致呈NEE70°走向的连续断层，其主要的活动高峰时期在沙三期以后。而与之相对应，北部宁南断层在沙三期之后活动趋于平静。因此，本实验采取了宁南断层与临邑断层分两个时期活动的设计方案。

在实验中，砂箱右侧固定的犁形模块用以模拟宁南断层的下盘构造，其上覆盖聚乙烯塑料布用来模拟宁南断层。如图6 所示，聚乙烯塑料布共分为两层（I 和II 层），其中较长的Ⅱ层从犁形块体顶端铺设至牵引端并固定，用以模拟宁南断层及其延伸的滑脱层。Ⅰ层塑料布较短，其尾端与砂箱的固定端呈20°夹角，用于在实验第二阶段模拟古近纪基底临邑断层的活动。塑料布上方充填60~80 目的白色干石英砂作为主要材料，为了方便观测模型的变形情况，其间铺设红色和绿色的石英砂作为标志层。为了提高PIV 计算和处理的精度，在充填的石英砂中还混有一定比例的杂色石英砂。实验共分两阶段进行：第一阶段时（图7a; 8a），由于塑料布I 和II 层上覆大量石英砂，使得两层塑料布之间无相对滑动，此时等同于仅铺设了较长的塑料布Ⅱ，直至模型伸展到10 cm；第二阶段时（图7b; 8b），将Ⅰ层塑料布固定，此时Ⅱ层塑料布继续运动，两层之间形成相对滑动，产生速度不连续界限，导致NEE 向断层开始活动，直至模型伸展至20 cm 时结束。第二阶段开始每伸展1 cm 对地堑部位施以蓝色标志层覆盖，模拟同构造沉积。在实验模型的水平方向与垂直方向架设相机，每30 s 同时进行一次拍照。同沉积以每15 min 添加一组的频率共添加20 组。本实验伸展速率为4 cm/h，总伸展量为20 cm。在实验结束后以3 cm 每段对模型剖面进行浸水切片处理，以获取内部结构照片对比中央隆起带东西两侧实际剖面。实验结束后，利用PIV 软件分析砂粒的运动轨迹来获取各点的速度矢量，进而生成模型变形的速度场和应变场等信息。

图7 构造物理模拟实验剖面设置Fig. 7 Section view of analogue experiment

图8 构造物理模拟实验平面设置Fig. 8 Plan view of analogue experiment

4 实验结果与分析

4.1 平面结果分析

本文选取了实验过程中伸展量为11 cm、13 cm、14 cm、15 cm、17 cm、19 cm 六个阶段对应的顶面照片，其中上图是原始未解释版本，下图是对应的断层解释图（图9）。在伸展量为11 cm 时，平面上共发育了4 条呈左阶雁列式排列的正断层（S1-S4），其走向由NEE 逐渐转变为近E-W 向。在伸展量为13 cm 时，S1 与S2、S3 与S4 断层分别发生连接，且在S2 与S3 之间则形成了对应的构造转换带。其中原S2 断层演变成两个呈雁列式分布的断层段。伸展量为14 cm 时，S1-S2 断裂与S3-S4断裂形成了表层的连接，而S2 较小的分支断层趋于不再活动；到伸展量达到17 cm 时，S2 与S3 断层发生连接，模型顶面上的断裂整体贯通。

图9 构造物理模拟的平面演化Fig. 9 Plan view evolution of analog models

如图10-11，上图为PIV 剪切应变场叠加于顶面灰度照片，下图是对应的断层解释方案。图10分别选自伸展量为10~11 cm 期间的第100~200 s、200~300 s、300~400 s，图10 分别选自伸展量为10~11cm、12~13cm、16~17 cm 期间的第100~200 s、100~200 s、0~100 s。图10展示了利用PIV方法获取的伸展量10~11 cm期间的断层连接过程：在第200秒时，PIV显示实验顶面分别形成四个独立的、雁列式分布的断层S1至S4（图10a, d）；300至400 s时，PIV显示S1和S2逐渐发生连接，而S3与S4之间则形成了一个构造转换带。PIV反映的剪切应变场与上述顶面实验照片的构造解释基本一致，但所展现的断层剪切应变场更为精细。图11分别展示了S1与S2、S3与S4断层逐渐连接到合并，最终贯通成一条断裂过程中的剪切应变场变化。我们注意到在早期伸展量10~11 cm期间，应变不仅分布在主断层如S1与S2上，也有小部分应变分布在主断层周边的小断层上。这部分变形属于断层外变形（offfault deformation，OFD）,一般被定义为次级断层、挠曲、颗粒流或其他脆性变形等（Milliner et al.,2016）。随着伸展实验的进行，部分断层外变形（OFD）分布范围逐渐减小并与主断层靠近而被合并，应变主要被主断层吸收。需要注意的是，S3与S4断层是通过其OFD逐渐连接，而原主断层S4及S3右侧部分则不再活动。

图10 伸展量10~11 cm阶段断层连接的PIV分析Fig. 10 PIV analysis of fault linkage in the 10-11 cm stage of extension volume

图11 伸展量10~11 cm、12~13 cm、16~17 cm阶段断层连接的PIV分析Fig. 11 PIV analysis of fault linkage in the 10-11 cm, 12-13 cm and 16-17 cm stages of extension volume

4.2 剖面结果分析

实验结束后，我们以3 cm 为间距获取了砂箱模拟内部的切片（图9e），如图12 所示，分别为距挡板0/3/6/9 cm 处的结构切片。模型实验结果展示了三类结构要素：（I）白色线条代表盆地的犁式断层——“宁南断层”；（II）两条紫色线条代表临南洼陷的夏口和临邑断层；（III）红色线条代表发育中央隆起带的断裂系。（Ⅳ）黑色虚线代表临南洼陷近夏口断裂一侧发育的阶梯状断裂系。

图12 砂箱模型内部0/3/6/9 cm处的切片Fig. 12 Slices at 0/3/6/9 cm within the sandbox model

图13 伸展量10~11 cm、12~13 cm阶段断层应变分布演化Fig. 13 Evolution of fault strain distribution in the 10-11 cm and 12-13 cm stages of extension

图14 实验过程中两个左阶、雁列式正断层在连接过程中的应变变化Fig. 14 Strain changes during two segmented, sinistral normal faulting in experiment

这些结构要素在总体上与惠民凹陷的二级构造特征基本一致；从0 到9 cm，实验模型的内部切片展示了中央隆起带的断裂结构样式沿走向的变化。在0~3 cm 处（图12a, b），剖面上发育的断层呈两组倾向相反的共轭断层系，左侧发育的正断层被临邑断层所截切。同时在临南洼陷夏口断裂一侧，实验模拟出了一系列阶梯状断层，并伴有少量倾向相反的共轭断层。对比图5a 地震剖面中所显示的构造现象，可以发现临邑断层切割中央隆起带断裂系的位置与方式十分吻合，而且夏口断层以南也发育了大量阶梯式断裂与少量与之反向的小型断裂，与剖面资料展现的内容具有较高相似性。而在6~9 cm处中央隆起带左侧发育的正断层数量明细减少，右侧发育的阶梯状正断层则明显增多。图5b 剖面显示临邑断层右侧发育了一系列阶梯式断层。实验展示的从共轭断裂结构到阶梯状断裂的转变与惠民凹陷的实际构造剖面的样式一致。

5 讨论

5.1 断层生长与连接模式

近几十年来，地质学家注意到大型正断层在形成初期往往是分段的（Anders et al., 1994；Faulds et al., 1998），它们通常由几个倾向、位移量不同的小断层组成，这些不同的断层段具有相对独立的运动学特征。大量学者对正断层的生长模式展开研究，并提出了正断层的生长模式（Walsh, 2003；Morley,2016；Childs et al., 2017；Bramham et al., 2021；Yuan et al., 2022）。目前，断层生长有两种常用的解释模型，即传播断层模型与恒定断层长度传播模型。传播断层模型认为断层在生长时断层位移量和断层长度同步增长。而恒定断层长度模型认为断层在滑动早期就确定了它们的终期长度，此后它们主要通过断层位移量累积作用生长（Rotevatn et al., 2019）。

断裂的横向连接可以从几何学和运动学两个方面来分析和重建。一般将断层的几何学连接根据断层面的物理连接情况分为三种：（I）无连接；（II）软连接，断层并没有发生物理连接，但由于应力场互相影响而产生了运动学联系；（III）硬连接，即断层面发生了物理连接。断层横向连接的动力学模型主要以孤立型断层连接模型和耦合型断层连接模型来区分。在前者中，每一个独立的断层从发育开始就已经是具有动力学相关性，即该断层是一个具有动力学相关性的断层阵列（fault array）的一部分。这些断层在发育过程中通常形成硬连接模式，但也存在软连接的断层段也表现出动力学相关性。在后者中，断层之间没有动力学联系，可以视为独立的构造。在孤立模型的构造转换区，位移量发生亏损，而在耦合型模型的转换区中，累积位移量没有改变位移量在走向上的趋势，即仍旧保持断层在核部位移量最大，并逐渐向终端减小。

本文还提取了各同构造沉积阶段断裂沿走向的PIV 平面应变值分布，用于讨论中央隆起带断裂体系的横向连接模式。图12a 展示了伸展量10~11cm（100~200 s）期间的应变沿走向分布，符合典型的单个断层的应变—距离关系，因而分别对应四个未连接的、雁列式分布的断层段（S1-S4）。S1 和S2断层在200~400 s 的期间发生了连接，连接前的应变分布如虚线所示，而连接后的应变分布如实线所示。将连接前的构造转换区的应变相加，得到累计位移量总体上符合耦合型连接模式，而连接以后的应变分布同样符合这一模式。在伸展量12~13 cm 期间100~200 s，S1-S2 断层与S3-S4 断层之间，尽管没有发生物理连接，但累加应变表明其在运动学上符合耦合型连接模式。

5.2 构造转换带的破坏

构造转换带的破坏形式往往取决于诸多因素，如断层活动性、断层间重叠量大小、断层尖端处的应力场等特征。Crider 和Pollard（1998）年利用三维边界元数值模拟方法，考虑地层的力学性质等，研究了左阶、雁列式正断层体系连接过程中的转换带的应力场变化。模拟表明上覆正断层面上的滑动干扰了其下伏区域的应力场，形成一个穿越转换区连接断层端点的高应力“桥”，导致了转换带“Z”字型破裂的形成。在本次实验中，我们也观测到S1 与S2、S2 与S3 这些左阶雁列式断裂在横向连接过程中的类似现象。如图12 所示，在早期阶段，两个独立的左阶雁列式断裂段之间形成了一个窄的高应变“桥”，后期逐渐加宽而完成两个断裂的侧向连接，完成了构造转换带的单侧破坏。随着模型的持续变形，这些“Z”字型破裂与主断裂持续发生连接，并最终贯通形成一个统一的断层，完成了断层的硬连接过程。

5.3 惠民中央隆起带深浅构造差异性探讨

古近纪时期，惠民凹陷整体经历南北向的地壳伸展，先存的NEE 向基底断裂的复活产生了现今惠民中央隆起带张扭的帚状构造体系。惠民中央隆起带深部总体呈现断裂分段分布的特征，浅部总体呈现断裂逐渐连接的特征，这种深浅构造差异性主要是由断裂演化过程中断裂的活动性及其应变分配差异造成的。通过PIV 分析所揭示的不同时间段断层的应变状态（图10；图11），可以观察到分段断层在断裂连接的过程中应变分配调整的现象。继续活动的主干断层在其后的地层之上有较强的活动性，而其他断层则是自某一时间起不再活动或者变成隐伏断层，在此之后的地层中不再观察到断裂活动与应变分布的迹象。在图11（a, d）中，可以看到S3与S4 起初通过应变“桥”形成联系，而应变“桥”搭建的位置处于S3 断裂中部。应变连接在了S3 的左半部分使得S3 断裂的右半部分失去应变传递的作用而被逐渐废弃，因此图11（b, e）中在伸展量为13 cm 时已经不见S3 右半段的出现。在此之后，S1-S2 与S3-S4 通过同样的方式搭建应变“桥”，使得S1-S2 的右半段停止活动，最终形成连接。

我们采用相同的实验设置重新开展了一组构造物理模拟实验，在实验每伸展1 cm 时对断层面添加红色标志层追踪，并在实验结束后对石英砂浸水进行水平切片处理。如图15a 所示，这些水平切片分别展示了1、2、5、6 cm 深度的砂箱内部平面断裂结构分布，图15b 为对应的砂箱内部不同深度的断裂解释图。实验结果显示，浅部（1~2 cm）断裂呈NEE 向连续贯通的分布特征，而在深部（5~6 cm）断层上下盘界线并非如浅部一般呈较为笔直的NEE 走向，而是一条总体呈NEE 走向的不规则曲线，这条曲线则由一系列呈左阶式雁列分布的的红色标志断层构成。这说明深部的分段断裂不会随时间演化并拢到最后贯通的连接中，断层连接只发生在了浅层部位，深部依旧保持原始的分段断裂形态。最终的实验模型内部切片的断裂样式与惠民凹陷中央隆起带不同深度反射层主干断裂的构造样式具有很高的相似性。

图15 砂箱模型内部1/2/5/6 cm处的水平切片Fig. 15 Slices at 1/2/5/6 cm within the sandbox model

6 结论

针对惠民凹陷中央隆起带的断裂构造样式及其演化问题，本文利用构造物理模拟结合PIV 分析技术，通过对比实验结果与研究区平面断裂图以及构造剖面图，取得以下认识与结论。（1）本文设计的张扭构造模拟实验获得的不同阶段的同构造沉积期的断裂构造样式，与现今惠民凹陷不同层位断裂的构造样式具有很好的对比性。（2）在南北向区域地壳伸展与盆地基底NEE 向先存断裂活化的共同作用下，惠民凹陷中央隆起带形成了具有张扭构造特性的复杂断裂体系。（3）惠民凹陷中央隆起带的雁列式断层的形成可能经历了（I）早期雁列式而无连接；（II）侧向生长至软连接；（III）硬连接至最终贯通的三个阶段。这些断层连接的运动学过程可能符合“耦合型”连接模式，断层的连接—贯通主要通过各段断层之间的构造转换带的破坏而逐渐完成。