文章推荐！东营凹陷张性断层发育的生命演化阶段特征及其控藏作用

本周为大家推荐《地质力学学报》2024年4期的封面文章《东营凹陷张性断层发育的生命演化阶段特征及其控藏作用》。

作者：籍庆佳, 周维维, 韩润生, 胡阳

摘要：断层从无到有的形成过程具有隐性、显性等多个演化阶段，而断层由隐性阶段的胚胎期到显性阶段末期的老年期等各个成长阶段的判别难度很大。针对这一问题，以渤海湾盆地东营凹陷为研究对象，应用物理模拟、数值模拟等方法重现控盆边界断层−陈南断层胚胎期到老年期的全生命阶段演化过程及各阶段的固有特征；在此基础上，定性、定量判识东营凹陷主要断层的相对年龄（Relative Age，RA）以及各年龄阶段的断层活动方式，建立其控藏模式。研究结果表明：东营凹陷张扭性断层可以划分为胚胎期（0

关键词：张性断层；生命演化阶段；隐性−显性特征；机制和模式；砂箱实验

图件及说明

图 1 渤海湾盆地构造简图及研究区位置

陈南断层是控盆边界断层，断层走向和裂面形态多变，平面上，西段走向为北东向，中段走向为近东西向，东段走向为北西西向，呈锯齿状分布（周建林等，2008；宋广增等，2013）；在剖面上，断面整体呈现出上陡下缓的坡坪状特征（图1）。

图 2 东营凹陷地层柱状图及实验材料选取

实验以孔店组（Ek）、沙河街组（Es）和东营组（Ed）为砂箱建模原型。从Ek上部到Es4下部，存在以膏岩为主的塑性层；Es4上部由砂岩和泥岩组成；Es3和Es2主要为砂岩和泥岩，偶见碳酸盐岩；而Es1至Ed由交替的泥岩和砂岩层组成。根据实验材料的相似性，干燥石英砂的抗张强度近似为0，密度为1.3 g/cm3，分选性好，其变形特征符合摩尔−库伦破裂准则，内摩擦角为29°～31°，与浅部岩体脆性变形相近，是研究上地壳脆性变形的理想对象。因此选用80～100目（0.15～0.18 mm）干燥石英砂模拟Es3、Es2、Es1和Ed以泥岩和砂岩层为主组成的脆性地层；并选取密度为1.4 g/cm3、粒径为0.005 mm、内摩擦角为30.6°～36.8°的黏土增加模拟材料的塑性，用来模拟Es4和Ek下部以泥岩为主的压实岩层；干燥石英砂与黏土以8∶1的质量比混合（图2）

图 3 砂箱实验模型示意图

实验1为无先存基底断层的水平均匀伸展模型，设计砂箱尺寸为150 cm（长）×30 cm（宽）×20 cm（高）（图3a）。

图 4 陈南断层伸展模型的砂箱实验结果

图 5 陈南断层伸展模型砂箱实验结果素描图

均匀伸展的实验结果指出，凹陷内部的构造受到边界主控断层的显著影响（图4a，图5a）。陈南断层胚胎期表现为微裂缝或诱导裂缝（图4a-1），随后裂缝断续相连而后密集成带（图4a-2）；青年期陈南断层的板状主断面形成，断距清晰（图4a-3）；随着伸展的持续进行，青年期向壮年期过渡，断面形态逐渐演化为铲状，沉积可容空间增加，凹陷发生快速沉降（图4a-4）；在老年期，断面最终呈现出上陡下缓的坡坪状特征（图4a-5）。

图 6 壮年期—老年期正断层生长模型

早期沿下裂面生长的断层核，随着裂带逐渐变宽，沿着主动盘上裂面会迁就逆时针旋转的张应力（σ1）方向形成新的断层核，断层带结构逐渐复杂化（图6）。

图 7 伸展断层演化模式

图 8 不同年龄阶段伸展断层发育特征的地震剖面

结合构造模拟实验与东营凹陷的断层判识实例表明，断层生命周期的初始阶段为胚胎期，此时断层发育程度小，主要为微裂缝和诱导裂缝，这些裂缝规模较小并且呈孤立分布，裂缝的方向具有一致性，裂缝密集带定向排列（图7a；王伟锋等，2014，2015，2017；周维维，2015，2023；薛永安等，2021a，2021b；Zhou et al.，2024），平面上为雁列状排列的小裂缝，裂缝间相对独立、平行分布，彼此之间不相互作用；随后为幼年期阶段（图8a）。

图 9 东营凹陷各年龄阶段断层的主要活动方式

在先增后衰式（增速降速）的活动方式，这种单峰型断层活动强度大且具有较强的规律性，可使其向老年期阶段平稳过渡；先增后衰式为消亡期断层的主要活动方式（图9）。

图 10 东营凹陷各年龄阶段断层的控藏模式

依据各年龄阶段的断层特征及其控藏作用，结合东营凹陷已有研究成果，提出了各年龄段的断层控藏模式。

文章结论

（1）张性断层可以划分为胚胎期、幼年期、青年期、壮年期、老年期和消亡期这6个演化阶段。在胚胎期微裂缝或诱导裂缝形成，幼年期是胚胎期断层的继承发育时期，胚胎期、幼年期构成了断层隐形发育阶段。从青年期开始断层进入显性发育阶段，断层活动较为活跃。壮年期断层处于断层演化的成熟阶段，断面和断层带的结构复杂化。在老年期，断层内部结构和派生构造呈现出了更加复杂的特征，断层活动逐渐平稳。消亡期阶段标志着断层停止活动或进入了反转期。

（2）东营凹陷主要发育2条胚胎期断层、1条幼年期断层、5条青年期断层、5条壮年期断层、4条老年期断层和3条消亡期断层。断层的活动方式与断层年龄的持续时间和活动强度有着密切的关系，稳定、持续、高强度的断层活动方式有利于断层向老年期发展。

（3）东营凹陷断控圈闭的主要类型和结构会随着断层年龄阶段的递进而变得越来越复杂。随着圈闭规模的增大，断层对圈闭的控制作用将更加明显，圈闭的形成也会从最初的单一裂缝型、小断块圈闭逐渐转变为多类型、复合型。此外，各个年龄阶段的断层均可控制油气成藏，随着断层相对年龄的增加，油气藏类型由单一到多样，油气藏规模由小变大。基于断层年龄阶段和活动方式，可从优势控藏要素、油气富集程度及油气聚集规模3个角度评价断层的控藏能力。研究表明断层年龄越大，其控藏能力越强、控藏作用越复杂。明确断层生命演化的阶段性、活动方式及其与油气成藏的关系，对于成熟探区油气勘探工作具有重要意义。

引用格式

籍庆佳，周维维，韩润生，等，2024. 东营凹陷张性断层发育的生命演化阶段特征及其控藏作用[J]. 地质力学学报，30（4）：595−608 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023147

JI Q J，ZHOU W W，HAN R S，et al.，2024. Characteristics of life-cycle stages and reservoir control in the development of extensional faults in the Dongying Sag[J]. Journal of Geomechanics，30（4）：595−608 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023147