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邊緣海盆地?cái)鄬硬町愌莼梢虻臄?shù)值模擬:以西湖凹陷平北斜坡帶為例

2024-02-22 14:52:44馬皓然蘇金寶王毛毛任培罡談明軒
關(guān)鍵詞:斷距斜坡基底

馬皓然,蘇金寶,王毛毛,任培罡,談明軒

1. 河海大學(xué)海洋學(xué)院,南京 210098

2. 中石化華東石油工程有限公司科技發(fā)展分公司,南京 210098

邊緣海盆地的成盆演化對(duì)認(rèn)識(shí)盆山構(gòu)造體系、油氣成藏分布等具有重要意義,是能源需求與科學(xué)研究中的重要課題[1-2]。東亞陸緣受太平洋構(gòu)造域影響,邊緣海盆地展現(xiàn)出巨大差異:黃海盆地整體呈NNE 近E-W 走向,以發(fā)育塹壘構(gòu)造為主要特征[3-4];渤海灣盆地為“Z”型展布的北斷南超半地塹盆地[5];南海北部的北部灣、瓊東南等盆地,平面呈NEE 向或NE 向展布,且均為半地塹或不對(duì)稱(chēng)的地塹,控盆斷層向海傾斜,珠江口盆地南部則發(fā)育大量陸傾斷裂[6-7]。東海陸架盆地整體呈NNE 向展布。成盆過(guò)程中,盆地中心向東遷移。盆地內(nèi)發(fā)育大量半地塹和地塹,并以陸傾斜斷層為主[8-9]。盡管前人提出大量模型解釋各盆地的成盆過(guò)程[10-12],但對(duì)盆地間差異演化機(jī)制仍缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。

盆地的形成受控于斷層的發(fā)育,斷層系統(tǒng)的差異演化強(qiáng)烈地影響了成盆演化、盆地沉積充填、盆地遷移等過(guò)程,還影響了海底滑坡、海嘯地震等事件的發(fā)生頻率[13-16]。大陸邊緣發(fā)育的低角度正斷層可能還是加劇地殼減薄和地幔物質(zhì)折返的關(guān)鍵[17-18]。前人認(rèn)為應(yīng)力方向、基底拉伸方式、滑脫面傾角、基底表面地形、先存構(gòu)造等因素均能影響斷層系統(tǒng)的幾何形態(tài)[19-24]。但物理模擬使用的砂或黏土等材料強(qiáng)度較低,無(wú)法精細(xì)地模擬出高強(qiáng)度巖石的變形。此外,在數(shù)值模擬中前人關(guān)注巖石強(qiáng)度差異對(duì)擠壓環(huán)境中斷層發(fā)育的影響[25-26],但對(duì)伸展環(huán)境斷層發(fā)育影響因素仍缺乏深入研究??紤]到伸展背景下斷層發(fā)育的差異性與復(fù)雜性,需要對(duì)伸展斷層形成機(jī)制控制因素進(jìn)行進(jìn)一步探討。這有助于更好地理解盆地成盆過(guò)程,為盆地差異演化機(jī)制提供啟示和約束。

西湖凹陷平北斜坡帶的斷層幾何形態(tài)變化較大,其北部是NNE 向?yàn)橹鞯暮A斷層構(gòu)成的斷階區(qū),南部則是受控于NE 向陸傾斷層的半地塹區(qū)域。其斷層幾何形態(tài)的變化過(guò)程是東海陸架盆地成盆過(guò)程的縮影,構(gòu)造演化指示著未來(lái)盆地的發(fā)育格局。前人關(guān)注斜坡帶差異演化特征[27-28],但對(duì)其成因仍缺乏足夠認(rèn)識(shí)。因此,深入研究平北斜坡帶差異演化形成機(jī)制,對(duì)于研究東海陸架盆地等邊緣海盆地?cái)嗔洋w系差異具有指示意義。

離散元方法(DEM)是一種基于顆粒性質(zhì)的數(shù)值模擬方法,可以用來(lái)研究構(gòu)造變形并定量觀測(cè)和分析變形系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變演化,揭示斷層活動(dòng)性與力學(xué)性質(zhì)[25-26,29]。基于此,本文考慮斷層發(fā)育的影響因素,通過(guò)離散元數(shù)值模擬和地震反射數(shù)據(jù)結(jié)合的方式,模擬基底巖性、應(yīng)力方向、基底表面坡度、應(yīng)力作用位置變化等差異,分析平北斜坡帶構(gòu)造差異演化的形成機(jī)制,進(jìn)而探討東海陸架盆地等邊緣海盆地成盆演化過(guò)程。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

西湖凹陷位于東海陸架盆地東部坳陷帶,是發(fā)育在火成巖基底上的新生代斷陷盆地[30]。凹陷西部與虎皮礁隆起、海礁隆起、漁山東隆起、長(zhǎng)江坳陷及錢(qián)塘凹陷相接,東部以釣魚(yú)島隆褶帶為界,南部與釣北凹陷相鄰,北部毗鄰福江凹陷。凹陷內(nèi)部東西分塊,自西向東為西部緩坡帶、中央反轉(zhuǎn)帶、東部斷階帶,并局部發(fā)育東西兩個(gè)次凹。平北斜坡帶位于西部斜坡帶中段、平湖斜坡帶北段(圖1)。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造區(qū)劃示意圖[31]Fig.1 Schematic tectonic map of the Xihu Sag[31]

區(qū)域地球物理調(diào)查表明,西湖凹陷斷陷作用始于新生代早期,并持續(xù)到始新世晚期,期間發(fā)育大量的正斷層。受海洋作用影響,該時(shí)期環(huán)境由河沼相向海灣-潮坪相過(guò)渡,先后沉積了古新統(tǒng)(T40),下始新統(tǒng)寶石組(T34),主要成分為泥巖、細(xì)砂巖及泥砂互層,以及上始新統(tǒng)平湖組(T30),主要成分為灰質(zhì)泥巖和粉砂巖。隨后,該區(qū)域自晚始新世進(jìn)入斷-拗轉(zhuǎn)換期。拗陷早期的漸新統(tǒng)花港組(T24)以湖盆沉積為主,砂巖和礫巖自南向北增加。中新世時(shí)期,由于沖繩海槽的開(kāi)放,凹陷內(nèi)發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn),先后沉積了以泥巖、砂巖及泥沙互層為主的下中新統(tǒng)龍井組(T23)、中中新統(tǒng)玉泉組(T22)及上中新統(tǒng)柳浪組(T20),該時(shí)期仍為河湖相沉積環(huán)境。最后,在區(qū)域沉降的作用下沉積了上新統(tǒng)三潭組(T10)及第四系東海群[8,31](表1)。

表1 西湖凹陷構(gòu)造演化簡(jiǎn)表Table 1 Tectonic evolution of the Xihu Sag

西湖凹陷裂谷前基底構(gòu)成與其他構(gòu)造單元相似。鉆井?dāng)?shù)據(jù)表明,東海陸架盆地基底以大量的變質(zhì)巖、火成巖為主,局部分布中—古生界地層。其中,變質(zhì)巖基底以變沉積巖為主,火成巖基底以花崗巖為主[32]。西湖凹陷內(nèi)部基底重磁數(shù)據(jù)顯示南北兩個(gè)高磁性異常體,指示該區(qū)域?yàn)榛鸪蓭r基底,而低磁性異常指示為變沉積巖基底[32](圖2a)。

圖2 研究區(qū)化極航磁異常及斷層展布[27, 32]a:西湖凹陷化極航磁異常,b:平北斜坡帶斷層展布。Fig.2 Aeromagnetic anomaly and fault distribution in the study area[27,32]a: Aeromagnetic anomaly in the Xihu Sag, b: fault distribution in Pingbei Slope.

1.2 平北斜坡帶斷裂構(gòu)造

平北斜坡帶斷層平面展布具有明顯的分塊特征。該區(qū)域始新世進(jìn)入強(qiáng)烈斷陷期,活動(dòng)正斷層數(shù)量多、斷距大,具有復(fù)雜的平面組合樣式(圖2b)。區(qū)內(nèi)斷層走向和傾向差異較大,北部發(fā)育一系列平行和亞平行的海傾斷層,斷層總體呈NNE-NE 向;南部由陸傾斷層組成,大型陸傾斷裂呈NE 向。NWW 向和近N-S 向小型斷裂集中發(fā)育在該區(qū)域,部分?jǐn)嗔驯憩F(xiàn)出弧狀特征。此外,該區(qū)域西南發(fā)育了少量的海傾斷層,呈NNE 向或近N-S 向。

剖面上,北部區(qū)域發(fā)育密集的海傾斷裂,斷裂下斷至基底并長(zhǎng)期活動(dòng),陸傾斷層大都為拉張后期形成的調(diào)節(jié)斷層。北部的斷層組合較為簡(jiǎn)單,整體呈斷階樣式(圖3a)。在新生代斷陷過(guò)程中,區(qū)內(nèi)構(gòu)造演化明顯受控于海傾斷層(圖3b)。區(qū)域伸展始于古新世,較大的海傾斷層形成于該時(shí)期。始新世早期,隨著區(qū)域進(jìn)一步伸展,正斷層間的轉(zhuǎn)換帶產(chǎn)生新斷裂并形成旋轉(zhuǎn)翹傾斷塊。始新世中后期,區(qū)內(nèi)產(chǎn)生少量陸傾調(diào)節(jié)斷層,這些斷層大多在平湖組沉積期形成并活動(dòng)。

圖3 平北斜坡帶北部區(qū)域典型構(gòu)造剖面剖面位置見(jiàn)圖2b。a:地震反射剖面,b:構(gòu)造演化圖,c:主要斷層斷距。Fig.3 Typical structural profile of the northern area of the Pingbei SlopeSee Fig. 2b for location. a: seismic profile; b: tectonic evolution; c: displacement of main fault.

南部區(qū)域發(fā)育以間隔陸傾斷裂及相間古隆起為特征的半地塹和不對(duì)稱(chēng)地塹(圖4a)。陸傾斷層大多呈鏟狀,下降盤(pán)一側(cè)始新統(tǒng)具有顯著的背斜形態(tài),同時(shí)局部發(fā)育似花狀構(gòu)造。該區(qū)域構(gòu)造演化過(guò)程受控于古新世形成并長(zhǎng)期活動(dòng)的陸傾斷裂(圖4b)。始新世時(shí)斷層活動(dòng)性開(kāi)始逐漸減弱,多數(shù)斷層在早漸新世停止活動(dòng)。區(qū)域內(nèi)海傾斷層活動(dòng)性較弱,局限分布在西緣高帶及東側(cè),形成時(shí)間晚于陸傾斷層,對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化影響較小。

圖4 平北斜坡帶南部區(qū)域典型構(gòu)造剖面剖面位置見(jiàn)圖2b。a:地震反射剖面,b:構(gòu)造演化圖,c:主要斷層斷距。Fig.4 Typical structural profile of the southern area of the Pingbei SlopeSee Fig. 2b for location. a: seismic profile; b: tectonic evolution; c: displacement of main fault.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 方法原理

離散元方法(Discrete Element method,DEM)通過(guò)對(duì)構(gòu)建的彈性顆粒系統(tǒng)施加外力后,應(yīng)用時(shí)間-位移的有限差分法,計(jì)算彈性-摩擦接觸顆粒在牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律下的移動(dòng)。顆粒間的接觸關(guān)系遵循Hertze-Mindlin 接觸準(zhǔn)則[33]。目前,離散元已被廣泛應(yīng)用于巖土與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造變形等研究中[25-26,34]。與基于相似性原理的砂箱物理模擬不同,離散元方法可做到對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單一變量的精確控制和應(yīng)用,通過(guò)調(diào)整材料的力學(xué)參數(shù)的方式模擬出與自然界相近的構(gòu)造變形特征[29]。

2.2 模型設(shè)置

本文首先設(shè)置模型1 為初始模型,在此基礎(chǔ)上修改邊界條件,設(shè)置對(duì)比模型(模型2—5),評(píng)估不同因素對(duì)斷層活動(dòng)變化的影響,分析斷層差異演化機(jī)制。

2.2.1 初始模型(模型1)

初始模型設(shè)置參考西湖凹陷平北斜坡帶南部地震反射剖面及其地層序列(圖4),模型設(shè)置見(jiàn)圖5。參考該剖面主要區(qū)域新生代伸展前13 km 的基底地層長(zhǎng)度及伸展過(guò)程中最大5 km 生長(zhǎng)斷層埋深,同時(shí)為減小邊界效應(yīng)的影響,模型設(shè)置一套15 km長(zhǎng)、5 km 厚的地層以模擬平北斜坡帶裂谷前的新生代基底。根據(jù)地層超覆關(guān)系,模型設(shè)置同沉積,在模擬古新世至始新世沉積的同時(shí)保持5 km 的地層厚度?;醉斆驿佋O(shè)一層極薄的紅色顆粒將基底與新生代沉積分隔,顆粒性質(zhì)與基底相同。

圖5 離散元數(shù)值模擬的模型邊界條件a:向海方向拉伸,模型1 強(qiáng)基底,模型2 弱基底;b:模型3 強(qiáng)基底,向陸方向拉伸;c:模型4,強(qiáng)基底表面斜坡,右側(cè)地層厚4 km、2 km;d:模型5 強(qiáng)基底,應(yīng)力作用位置向海方向遷移。韌性變形域:紅色,剛性板:藍(lán)色。Fig.5 Marginal conditions setup of the discrete element numerical simulationa: Extending toward the sea: Model 1: strong basemen rock; Model 2: weak basement rock; b: Model 3: strong basement rock extending toward the continent; c: Model 4: strong basement rock with topographic slope, 4 km and 2 km thickness of the stratum in the right; d: Model 5: strong basement rock with stress location migrating toward the sea. Deformed region: red;rigid region: blue.

由于西湖凹陷地處東海陸架地區(qū),基于地形恢復(fù),模型兩側(cè)設(shè)置100 m 高差代表陸架斜坡(圖5a),并以此定義海陸方向及斷裂傾向,向右低海拔方向傾斜為海傾,向左高海拔方向傾斜為陸傾。模型底部紅色部分為縱向固定、橫向可自由移動(dòng)的疊合顆粒,通過(guò)滑脫面顆粒的自由移動(dòng)使上覆地層變形,這一設(shè)置考慮了西湖凹陷基底韌性伸展的特點(diǎn)[35-36]。

對(duì)離散元法使用的摩擦材料而言,模型運(yùn)行時(shí)間與模型變形結(jié)果相互獨(dú)立。因此,在保證模型運(yùn)行中數(shù)值穩(wěn)定的前提下,速度的設(shè)置完全取決于其便利程度。例如,Morgan[26]設(shè)置2 m/s 的擠壓速度研究推覆褶皺中的變形,而Hardy[37]將速度設(shè)置為0.01 m/s 和0.05 m/s 檢驗(yàn)薄皮和厚皮拉伸。本實(shí)驗(yàn)中,模型單次計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為 50 ms,右側(cè)擋板以0.2 m/s 的速度向右移動(dòng)以模擬新生代的伸展。同時(shí),伸展階段通過(guò)伸展量約束,根據(jù)斜坡帶實(shí)際的伸展量變化,規(guī)定模型0~1.5 km 對(duì)應(yīng)古新世伸展,1.5~2.5 km 對(duì)應(yīng)寶石組沉積期伸展,2.5~2.7 km 對(duì)應(yīng)平湖組沉積期伸展。

模型中顆粒微觀參數(shù)設(shè)置參考Morgan[26]的離散元實(shí)驗(yàn)設(shè)置,重力加速度為9.8 m/s2,顆粒密度設(shè)置為2 500 kg/m3,泊松比為0.2,局部阻尼系數(shù)為0.4,粘聚力設(shè)置為24.4 MPa,內(nèi)摩擦角φ為22.5°,摩擦系數(shù)選取0.3。據(jù)前人研究可知,平北斜坡帶南部基底巖性為花崗巖為主的火成巖,而新生代沉積層巖性為泥巖、砂巖及泥砂互層,參照Morgan[26]和Vora[38]的標(biāo)定設(shè)置了粘結(jié)參數(shù),參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 模型粘結(jié)參數(shù)設(shè)置Table 2 The model parameters

2.2.2 對(duì)比模型(模型2—5)

前人研究表明,平北斜坡帶南部和北部所受應(yīng)力方向、基底表面坡度、基底巖性等均可能存在差異[30-32,39-40]。因此,本文設(shè)置4 組對(duì)比模型來(lái)研究斜坡帶差異演化的主導(dǎo)因素,模型見(jiàn)圖5。

(1)模型2:平北斜坡帶南北基底性質(zhì)存在根本差異,與南部火成巖基底不同,北部基底為低磁性的變沉積巖[32]。因此,根據(jù)研究區(qū)基底性質(zhì)差異修改了模型粘結(jié)參數(shù),設(shè)置為低強(qiáng)度基底巖石,參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

(2)模型3:伸展方向改變應(yīng)力方向,從而影響區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。西湖凹陷新生代伸展過(guò)程中可能存在局部走滑作用[39],從而改變了斜坡帶南北的應(yīng)力方向。模型3 左側(cè)擋板以0.2 m/s 的速度向左側(cè)拉張以模擬向陸方向伸展對(duì)斷層發(fā)育的影響(圖5b)。

(3) 模型4:平北斜坡帶緊鄰海礁隆起,基底在伸展前可能具有一個(gè)較大的表面坡度[40]。模型4 將右側(cè)高度分別設(shè)置為4 000 m 和2 000 m,以模擬基底伸展前高差1 000 m 和3 000 m 的表面斜坡對(duì)斷層的影響(圖5c)。

(4)模型5:模型拉張過(guò)程中,應(yīng)力作用位置始終位于變形區(qū)域右側(cè)。模型5 拉張前變形區(qū)域位于模型左側(cè),初始長(zhǎng)4 km,此后每拉張1 km,變形區(qū)域總長(zhǎng)度向右增加5 km,以此模擬應(yīng)力作用位置向海方向遷移對(duì)斷層發(fā)育的影響(圖5d)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 初始模型(模型1):強(qiáng)基底向海伸展

初始模型顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖6 所示。其中變形應(yīng)變的定義參考Morgan[26]的定義,色標(biāo)中的紅色表示順時(shí)針剪切,藍(lán)色表示逆時(shí)針剪切,顏色越深表示剪切越強(qiáng)。

圖6 模型1 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e:構(gòu)造變形;b, d, f:體積應(yīng)變;g:斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.6 Structural deformation and volume strain in Model 1a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

(1) 伸展0~1.5 km:伸展開(kāi)始后,地層發(fā)生變形。伸展約1 km 時(shí),陸傾斷層F1、F2 及F2 的調(diào)節(jié)斷層(圖6a)開(kāi)始發(fā)育。伸展約1.1 km 時(shí)模型兩側(cè)形成陸傾斷層F3 及海傾斷層F4。該時(shí)期斷層活動(dòng)性較強(qiáng),斷層F1 和F3 分別積累了約1 000 m 的斷距,占各斷層總斷距的60%。斷層F2 積累斷距600 m,占其總斷距的40%(圖6g)。

(2) 伸展1.5~2.5 km:該時(shí)期斷層活動(dòng)性逐漸減弱,斷層F1、F2、F3 分別積累了620、595、520 m 斷距,斷層活動(dòng)速率與前1.5 km 相比,分別下降了約60%、60%、70%。同時(shí),伸展2 km 時(shí)(圖6c),陸傾斷層F2 頂部開(kāi)始發(fā)育新調(diào)節(jié)斷層,但該斷層活動(dòng)時(shí)間較短,伸展約2.5 km 時(shí)活動(dòng)停止。

(3)伸展2.5~3 km:所有斷裂活動(dòng)性急劇降低,陸傾斷層F1、F2、F3 幾乎不再活動(dòng),該階段斷距不超過(guò)100 m。

3.2 模型2:弱基底向海伸展

弱基巖強(qiáng)度模型的顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖7 所示。

圖7 模型2 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e:構(gòu)造變形;b, d, f:體積應(yīng)變;g:斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.7 Structural deformation and volume strain in Model 2a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

(1)伸展0~1.5 km:模型伸展約1 km 時(shí),海傾斷層F1、F2、F3(圖7a)開(kāi)始發(fā)育。伸展約1.1 km 時(shí)生成斷層F3 的陸傾調(diào)節(jié)斷層F4。該時(shí)期海傾斷層先后產(chǎn)生,快速積累了一段斷距后活動(dòng)性略微衰減。斷層F1、F2、F3 分別積累了560、560、430 m的斷距,超過(guò)各斷層總斷距的40%(圖7g)。

(2)伸展1.5~3 km:早期形成的斷層活動(dòng)性減弱。伸展2.5 km 后,斷層F2 和F3 幾乎不再活動(dòng),而斷層F1 的滑移速率衰減為前1.5 km 的40%。但在該時(shí)期產(chǎn)生了新的海傾斷層F5。此外,部分?jǐn)鄬禹敳慨a(chǎn)生小型陸傾斷層調(diào)節(jié)地層變形(如斷層F1),但活動(dòng)性微弱,且活動(dòng)時(shí)間較短。

3.3 模型3:強(qiáng)基底向陸伸展

向陸伸展模型的顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖8 所示。

圖8 模型3 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e:構(gòu)造變形;b, d, f:體積應(yīng)變;g:斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.8 Structural deformation and volume strain in Model 3a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

(1)伸展0~1.5 km:模型伸展約1~1.1 km 時(shí)先后產(chǎn)生海傾斷層F1、F2 和F3。該時(shí)期斷層F1、F2、F3 分別積累了約600、520、400 m 的斷距(圖8g)。同時(shí)斷層F1、F2 頂部發(fā)育了調(diào)節(jié)斷層,但活動(dòng)性微弱。

(2)伸展1.5~3.0 km:斷層F2、F3 活動(dòng)性幾乎沒(méi)有變化,在該時(shí)期累積了700 m 斷距,但斷層F1 活動(dòng)性急劇降低(圖8g),伸展2.5 km 后不再活動(dòng)。

3.4 模型4:強(qiáng)基底表面坡度變化

基底表面坡度變化模型的顆粒變形與應(yīng)變結(jié)果如圖9 所示。

圖9 模型4 構(gòu)造變形與體積應(yīng)變左:構(gòu)造變形,右:體積應(yīng)變。 a-b:高差1 km ,c-d:高差3 km。Fig.9 Structural deformation (left) and volume strain (right) in Model 4Height difference: 1 km (a, b) or 3 km (c, d).

(1)緩坡:模型伸展過(guò)程中先后產(chǎn)生了3 條陸傾斷層F1、F2、F3,斷層間隔較大(圖9b)。

(2)陡坡:斷裂區(qū)域局限在模型左側(cè),陸傾斷層F1、F2、F3 依次產(chǎn)生,斷層間隔較小,斷距較大(圖9d)。

3.5 模型5:強(qiáng)基底應(yīng)力作用位置遷移

應(yīng)力作用位置向海方向遷移模型的顆粒變形、應(yīng)變結(jié)果及主要斷層的斷距累積如圖10 所示。

圖10 模型5 構(gòu)造變形、體積應(yīng)變及斷層斷距統(tǒng)計(jì)a, c, e:構(gòu)造變形;b, d, f:體積應(yīng)變;g:斷距統(tǒng)計(jì)。Fig.10 Structural deformation and volume strain in Model 5a, c, e: Structural deformation; b, d, f: volume strain; g: fault displacement.

(1) 伸展0~1 km:伸展早期,變形區(qū)域集中在模型左側(cè),依次產(chǎn)生陸傾斷層F1、F2,斷層快速活動(dòng)后活動(dòng)性減弱,該過(guò)程中斷層F1、F2 分別累積了1 200、700 km 的斷距。

(2)伸展1~2 km:隨著變形區(qū)域變大,右側(cè)產(chǎn)生了新陸傾斷層F3。同時(shí),斷層F1 和F2 活動(dòng)性發(fā)生了不同程度的降低,其中左側(cè)斷層F1 滑移速率下降較為明顯,僅累積600 m 斷距。

(3)伸展2~3 km:隨著變形區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大,斷層F3 活動(dòng)性幾乎不變,斷層F2 活動(dòng)性降低,該時(shí)期累積500 m 斷距,斷層F1 幾乎不再活動(dòng)(圖10g)。

4 討論

4.1 斷層差異演化形成機(jī)制

大量地質(zhì)調(diào)查、物理模擬和數(shù)值模擬揭示了基底剪切對(duì)斷層幾何形態(tài)的控制[20,41-42]。當(dāng)基底發(fā)生伸展時(shí),應(yīng)變從應(yīng)力作用位置前端傳遞到整個(gè)模型底部,并從滑脫面?zhèn)鬟f到上覆基巖中。該過(guò)程使滑脫面對(duì)上覆基巖產(chǎn)生摩擦并施加反方向剪切。在剪切力偶的作用下,基巖中產(chǎn)生傾向與伸展方向相反的斷層。因此,對(duì)稱(chēng)伸展將產(chǎn)生地塹和共軛斷層(圖11a)。單向伸展時(shí),傾向與伸展反方向的多米諾式斷層容納了地層變形(圖11b)。模型1 和模型3 結(jié)果顯示出相似的現(xiàn)象,由于伸展方向改變基底剪切的方向,強(qiáng)度相同的基巖單向伸展時(shí)產(chǎn)生的斷層傾向總與伸展方向相反。

圖11 不同強(qiáng)度地層伸展示意圖[20]a, b:高強(qiáng)度巖石,c:低強(qiáng)度巖石。Fig.11 Extension mode of layers with different strengths [20]a, b: High strength rock; c: low strength rock.

脆性上地殼中,不同覆蓋單元(如花崗巖、頁(yè)巖和砂巖)間的強(qiáng)度差異導(dǎo)致了正斷層幾何特征的變化。通過(guò)定義離散元顆粒的粘聚力模擬自然界中巖石宏觀上的變形發(fā)現(xiàn),高強(qiáng)度巖層破裂時(shí)產(chǎn)生離散的斷層,表現(xiàn)出典型的脆性變形;低強(qiáng)度模型變形范圍廣,應(yīng)變分散[25-26]。此外,Abe 等[43]的實(shí)驗(yàn)中主斷層在高粘聚力和低粘聚力時(shí)具有相反的傾向。模型2 得到了類(lèi)似的結(jié)果,低強(qiáng)度巖石向海伸展時(shí),模型應(yīng)變分散,深部受基底剪切影響產(chǎn)生陸傾斷層,淺部則為海傾斷裂(圖7f)。其成因與深部韌性變形區(qū)域?qū)\部的剪切有關(guān)。巖石強(qiáng)度較低時(shí),底部受基底剪切形成了一個(gè)陸傾斷層為主的剪切帶,該區(qū)域影響了淺部巖石的剪切方向,在重力的共同作用下,淺部產(chǎn)生海傾斷層(圖11c)。

研究表明,當(dāng)滑脫面傾角較大時(shí),傾向與滑脫面坡向相同斷層的形成與基底的剪切作用緊密相關(guān)[41,44],或受重力作用控制[45]。另一方面,基底表面斜坡對(duì)斷層演化也起類(lèi)似的作用[20]。表面斜坡引起的剪應(yīng)力變化超過(guò)了來(lái)自滑脫面剪切的影響。在重力的共同作用下,淺部產(chǎn)生傾向與坡向相同的斷層。模型4 設(shè)置了一個(gè)較大的表面坡度,但斷層傾向仍與坡向相反,同時(shí),右側(cè)較薄基底亦未產(chǎn)生斷層。該現(xiàn)象可能與基底強(qiáng)度有關(guān),基底強(qiáng)度較高時(shí),表面斜坡的作用不明顯,變形仍受滑脫面剪切影響。早期形成的反坡向斷層幾何形態(tài)可能對(duì)后期產(chǎn)生的斷層起限制作用。此外,巖石厚度影響了斷層的產(chǎn)生和滑動(dòng)[46],右側(cè)較薄的基底不利于新斷層的形成。

在區(qū)域伸展過(guò)程中,基底先存斷層、滑脫層等幾何形態(tài)影響了新生斷層的走向和傾向[23,47]。模型5 中,應(yīng)力作用位置向海方向發(fā)生了遷移,從而使基底韌性變形區(qū)域不斷擴(kuò)大,新斷層總是在韌性變形的區(qū)域上方產(chǎn)生(圖10)。應(yīng)力作用位置變化雖然控制了斷層的構(gòu)造遷移,但沒(méi)有改變斷層的幾何形態(tài)。

4.2 對(duì)邊緣海盆地的斷層差異演化的啟示

模型結(jié)果顯示,模型1、4、5 以陸傾斷層為主。其中,模型1 設(shè)置了與地層沉積一致的較緩基底斜坡,且基巖性質(zhì)與實(shí)際區(qū)域基底強(qiáng)度較一致。而模型4 基底表面坡度較陡,遠(yuǎn)超斜坡帶伸展前不足2°的起始坡度,同時(shí)斜坡帶尺度的拉張過(guò)程較難與模型5 中應(yīng)力作用位置向海方向遷移對(duì)應(yīng)。因此,模型1 與實(shí)際地質(zhì)條件更為相近,與斜坡帶南部具有可比性。模型2、3 以海傾斷層為主,同時(shí),模型2 較弱的基巖性質(zhì)和模型3 向陸的應(yīng)力方向均符合前人對(duì)斜坡帶邊界條件差異的研究[32,39]。因此,模型2、模型3 均與斜坡帶北部有可比性。

值得注意的是,斜坡帶南部與北部區(qū)域斷陷期均發(fā)育了十幾條斷層,但控制斜坡帶伸展的斷層僅有5 條左右。斜坡帶南部所有斷層斷陷期共累積5 500 m 斷距。其中,陸傾斷層F1、F2、F3、F5 和海傾斷層F4 分布占據(jù)南部區(qū)域主體,各斷層斷距最小480 m,最大1 800 m,分別占所有斷層斷距之和的8%~30%,總計(jì)85%。其他小斷層最大斷距不超過(guò)120 m,每條斷層占總量的2%以下。因此,斷層F1—F5 控制了斜坡帶南部構(gòu)造演化。模型1 產(chǎn)生了3 條大型陸傾斷層F1、F2、F3 及海傾斷層F4,相對(duì)于斜坡帶南部,未發(fā)育斷層F5。模型產(chǎn)生的斷層間隔為4 km,略大于實(shí)際剖面中主要斷層從右至左4、3.5、3.5、3 km 的間距。差異原因可能與模型中基底地層顆粒均一、地層強(qiáng)度與實(shí)際難以完全一致有關(guān)。但模擬出的斷層F1—F4 斷陷期分別累積1 710、1 080、1 580、490 m 斷距,與實(shí)際斷層相差90~140 m,斷距基本一致(圖12a)。因此,盡管構(gòu)造特征存在一定差異,模型1 總體反映出斜坡帶南部陸傾斷層控制的構(gòu)造特征。

圖12 斜坡帶與模型斷層斷距對(duì)比a:斜坡帶南部與模型1 斷層,斷層名稱(chēng)見(jiàn)圖4a;b:斜坡帶北部與模型2 斷層,斷層名稱(chēng)見(jiàn)圖3a。虛線為模型斷層,實(shí)線為剖面斷層。Fig.12 Comparison between slope belt and fault displacement in Model 1a: Between the southern area and fault displacement in Model 1 (see Fig.4a for names of the faults); b: between the northern area and fault displacement in Model 2 (see Fig.3a for names of the faults). Dotted line: faults in the models; solid line: faults in slope belt.

斜坡帶北部所有斷層斷陷期共累積6 400 m 斷距。其中,海傾斷層F1、F2、F3、F5、F6、F7 和陸傾斷層F4 對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化產(chǎn)生了較大影響,各斷層斷陷期斷距最小570 m,最大1 400 m,分別占所有斷層斷距之和的8%~21%,總計(jì)87%。其余小斷層最大斷距不超過(guò)150 m,占比不足3%,對(duì)區(qū)域演化影響不大。模型2 發(fā)育海傾斷層F1、F2、F3、F5 和陸傾斷層F4,未產(chǎn)生海傾斷層F6、F7。模型中斷層間隔2 km,與實(shí)際剖面一致。斷層差異原因可能與模型精度限制,或顆粒性質(zhì)與實(shí)際不完全一致有關(guān)。但模擬出的斷層F1—F5 斷陷期分別累積1 250、1 440、830、600、530 m 斷距,均與實(shí)際斷層斷距相差不到50 m(圖12b)。另一方面,模型3 僅產(chǎn)生3 條主要斷層,斷層間隔約4 km,遠(yuǎn)大于實(shí)際2 km 間隔,斷層較難與實(shí)際對(duì)應(yīng),其構(gòu)造特征與實(shí)際剖面差別較大。因此,模型2 比模型3 更好地反映出斜坡帶北部海傾斷層控制的構(gòu)造特征。

平北斜坡帶南北構(gòu)造差異明顯,通過(guò)模型對(duì)比分析可知,巖性與應(yīng)力方向是控制斜坡帶差異演化的最主要因素。航磁數(shù)據(jù)顯示,平北斜坡帶南部可能為火成巖基底,北部可能為變沉積巖基底[32]。這與模型1、模型2 結(jié)果一致,基底巖性控制了斜坡帶南、北斷層傾向的變化。此外,盡管受太平洋板塊俯沖作用影響,東海陸架盆地伸展過(guò)程中,盆地向東遷移[8,48-49],但東海陸架盆地亦存在走滑拉分[50],西湖凹陷可能是由區(qū)域性的基底走滑斷層控制[39,51]。斜坡帶張扭式斷層分布指示了該區(qū)域可能存在基底走滑斷裂,古新世時(shí)的左旋走滑賦予了斜坡帶南北相反的應(yīng)力方向。由模型1 與模型3 結(jié)果可知,當(dāng)基底強(qiáng)度相同時(shí),斜坡帶北部區(qū)域在向陸的應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生海傾斷層。

東海陸架盆地于晚白堊世開(kāi)始斷陷,上中生界和新生界地層自西向東逐漸增厚,發(fā)育眾多凹陷斜坡。模型4 中,基巖表面斜坡坡度變化并沒(méi)有改變新生斷層的傾向,模型仍以陸傾斷層為主(圖9),基底坡度可能不是東海陸架盆地控盆斷層差異演化的主導(dǎo)因素。模型5 中,斷層發(fā)育隨應(yīng)力作用位置向海方向遷移而變化,新斷層在靠近應(yīng)力作用位置產(chǎn)生,且斷層活動(dòng)性在遠(yuǎn)離應(yīng)力作用位置的過(guò)程中降低?;诖?,東海陸架盆地的構(gòu)造遷移可能是由伸展過(guò)程中應(yīng)力作用位置向海盆移動(dòng)導(dǎo)致的。

由于太平洋板塊俯沖后撤的強(qiáng)烈影響[8],東海陸架盆地的成盆過(guò)程受向海方向的伸展應(yīng)力控制。盆地的基巖性質(zhì)和應(yīng)力方向共同作用產(chǎn)生了以陸傾控盆斷層為主,海傾控盆斷層局部發(fā)育的盆地結(jié)構(gòu),并造成了區(qū)域盆地?cái)嗔呀M合發(fā)育差異演化。與東海陸架盆地內(nèi)部差異演化類(lèi)似,南海北緣盆地亦表現(xiàn)差異演化。北部灣盆地和瓊東南盆地緊鄰紅河斷裂,以海傾斷裂為主[6-7],而珠江口盆地南部早期受陸傾斷層控制[24,52]。其原因可能與成盆過(guò)程中,伸展應(yīng)力方向差異有關(guān)。受原南海板塊向婆羅洲方向俯沖的影響,南海北緣在中生代晚期從擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺弓h(huán)境[10,53]。在俯沖拖曳作用的影響下,向海盆的應(yīng)力方向主導(dǎo)了南海北緣早期的斷陷作用。紅河斷裂同時(shí)期走滑運(yùn)動(dòng)[7,52],賦予了南海北緣西側(cè)盆地幾乎相反的應(yīng)力方向。從模型結(jié)果而言,基巖性質(zhì)與應(yīng)力方向可能是邊緣海盆地差異演化的最主要原因。

邊緣海盆地差異演化過(guò)程中,盆地油氣運(yùn)聚亦存在較大差異。平北斜坡帶北部區(qū)域的油氣圈閉數(shù)量多,但規(guī)模小而分散;南部區(qū)域的油氣圈閉數(shù)量少,但圈閉規(guī)模大,儲(chǔ)量高,集中分布在半地塹內(nèi)[27-28,30-31]。一直以來(lái),學(xué)者們從源、通、儲(chǔ)、蓋等多因素分析油氣分布差異原因。前人認(rèn)為,巖石物理性質(zhì)、構(gòu)造作用、斷裂帶特征是影響油氣運(yùn)聚的重要因素[30,54-56],而斷層差異演化可能是控制油氣分布運(yùn)移的更重要因素。邊緣海盆地?cái)鄬硬町愌莼纬刹煌?lèi)型的盆地,這些盆地內(nèi)油氣聚集亦存在較大差異,確定油氣分布顯然需要從盆地發(fā)育類(lèi)型機(jī)制著手,從控盆因素分析油氣運(yùn)移。巖性與應(yīng)力差異導(dǎo)致平北斜坡帶同時(shí)期油氣的運(yùn)移過(guò)程與分布的差異,因此,邊緣海盆地差異演化機(jī)制的研究可能為尋找有利油氣儲(chǔ)層提供借鑒指導(dǎo)。當(dāng)然,這也需要進(jìn)一步研究以深入分析油氣運(yùn)移機(jī)制與盆地差異演化機(jī)制二者的相關(guān)性。

5 結(jié)論

(1)巖石強(qiáng)度與應(yīng)力方向是影響斷層傾向變化的主要因素,高強(qiáng)度巖石破裂產(chǎn)生與伸展方向相反的斷層,低強(qiáng)度巖石破裂產(chǎn)生與伸展方向同向的斷層。相同強(qiáng)度的巖石在相反方向的應(yīng)力影響下,產(chǎn)生的主斷層傾向完全相反?;鶐r表面坡度和應(yīng)力作用位置不是斷層差異演化的主導(dǎo)因素。

(2)中國(guó)東部邊緣海盆地差異演化可能受基底強(qiáng)度和應(yīng)力方向差異控制。平北斜坡帶南部和北部斷層差異演化可能是由基巖強(qiáng)度差異引起的,或是應(yīng)力方向差異導(dǎo)致的。東海陸架盆地的陸傾控盆斷層可能是向海盆的伸展應(yīng)力導(dǎo)致的,而南海陸緣盆地的斷層發(fā)育可能是其基底在不同的應(yīng)力方向共同作用下的結(jié)果。巖性和應(yīng)力方向差異可能導(dǎo)致盆地差異演化,從而影響同時(shí)期油氣運(yùn)聚,但仍需進(jìn)一步研究二者的相關(guān)性。

致謝:本文的數(shù)值計(jì)算是在南京大學(xué)高性能計(jì)算中心的計(jì)算集群上完成的, 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)使用東華理工大學(xué)李長(zhǎng)圣博士研發(fā)的離散元數(shù)值模擬軟件完成。文中采用的應(yīng)變計(jì)算代碼修改自萊斯大學(xué) Julia K Morgan 和 Thomas Fournier 的腳本,在此表示感謝。

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