伸展斷層相關(guān)褶皺恢復(fù)方法及應(yīng)用

任啟強(qiáng)，戴俊生，徐珂，商琳，王碩，劉超

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580；2.中國石油冀東油田研究院，河北 唐山063004）

斷層相關(guān)褶皺是指褶皺的成因與斷層活動密切相關(guān)，是自然界中比較常見的現(xiàn)象［1］。Suppe［2］首次將斷層轉(zhuǎn)折褶皺定量化，建立了擠壓環(huán)境下褶皺形態(tài)與斷層滑動和斷層形態(tài)之間的定量關(guān)系。學(xué)者們進(jìn)一步建立和完善了擠壓環(huán)境下的斷層相關(guān)褶皺的幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型，對伸展斷層相關(guān)褶皺的幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行分析，并為解析復(fù)雜構(gòu)造和含油氣盆地的研究提供了指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，伸展環(huán)境下同樣可以產(chǎn)生斷層相關(guān)褶皺。但是，前人主要集中研究斷層相關(guān)褶皺的形成機(jī)理和模型模擬過程，對斷層相關(guān)褶皺的恢復(fù)方法的研究尚不夠全面，仍沒有統(tǒng)一認(rèn)識。筆者從恢復(fù)原理出發(fā)，總結(jié)出適用不同環(huán)境下斷層相關(guān)褶皺的恢復(fù)方法，重點(diǎn)是伸展斷層相關(guān)褶皺的恢復(fù)手段，試圖模擬2D和3D 環(huán)境下伸展斷層相關(guān)褶皺的恢復(fù)，將其應(yīng)用于具體工區(qū)，對油田的勘探工作具有一定的指導(dǎo)意義［3］。

1 斷層相關(guān)褶皺分類

斷層相關(guān)褶皺的分類有很多種，根據(jù)斷層的性質(zhì)，可以分為沖斷作用的斷層相關(guān)褶皺和伸展作用的斷層相關(guān)褶皺。

1.1 沖斷作用的斷層相關(guān)褶皺

沖斷作用下的斷層相關(guān)褶皺主要有斷展褶皺、斷彎褶皺和斷滑褶皺［4］。斷展褶皺（即斷層傳播褶皺）是指由沖斷層終端擴(kuò)展所形成沿著斷坡向上變?yōu)槲村e斷的巖層。斷展褶皺和斷坡大致同時形成，所以一般不對稱，前翼陡，后翼緩（見圖1a）。斷彎褶皺（即斷層轉(zhuǎn)折褶皺）指沖斷巖席在斷坡上滑動而產(chǎn)生的褶皺，褶皺在斷層形成之后形成（見圖1b）。斷滑褶皺（即斷層滑脫褶皺，也稱滑脫褶皺）是指發(fā)育在順層滑脫面上或沖斷面上的褶皺，與斷展褶皺類似，也產(chǎn)生于斷層終端，但沖斷層是斷坪，褶皺不需要斷坡，形成于斷層產(chǎn)生之前（見圖1c）。滑脫褶皺需要塑性滑脫層，這些塑性層能充填由褶皺底部產(chǎn)生的空間。滑脫層是無根的，并且常是不協(xié)調(diào)的［4］。

圖1 沖斷作用的斷層相關(guān)褶皺

1.2 伸展作用的斷層相關(guān)褶皺

伸展作用的斷層相關(guān)褶皺主要包括伸展斷層傳播褶皺和伸展斷層轉(zhuǎn)折褶皺。伸展斷層傳播褶皺（見圖2a）是伸展環(huán)境中一種重要的褶皺類型，是由于隱伏基底正斷層活化向上傳播而引起上覆地層發(fā)生的彎曲［5］。該類褶皺在形態(tài)上具有不對稱性，前翼比較陡窄，后翼較寬緩；在斷層面兩盤的活動邊界形成一個三角形區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)，發(fā)生任意變形，即不均一變形；三角形區(qū)域外，不發(fā)生變形，離斷層越近，變形越強(qiáng)烈，褶皺越緊閉。伸展斷層轉(zhuǎn)折褶皺（見圖2b）是由于斷層面的角度發(fā)生變化，導(dǎo)致巖層產(chǎn)生彎曲，如反沖斷層向斜［6-9］。此外，伸展作用下的斷層相關(guān)褶皺類型還包括牽引褶皺、逆牽引褶皺、 反轉(zhuǎn)構(gòu)造和壓實(shí)披蓋褶皺等 （見圖2c，2d，2e）。

圖2 與伸展作用有關(guān)的斷層相關(guān)褶皺

2 斷層相關(guān)褶皺恢復(fù)方法

Wilkerson［10］實(shí)現(xiàn)了把斷層相關(guān)褶皺從2D 向3D的轉(zhuǎn)換，何登發(fā)等［11］用正演方法對三角剪切斷層相關(guān)褶皺進(jìn)行了相應(yīng)的研究和恢復(fù)，張猛等［12］對斜向逆沖斷層相關(guān)褶皺進(jìn)行了正演法建立模型和恢復(fù)研究，吳時國等［13］對褶皺恢復(fù)方法進(jìn)行了研究。筆者將對伸展斷層相關(guān)褶皺和擠壓斷層相關(guān)褶皺的恢復(fù)方法分別進(jìn)行闡述，重點(diǎn)介紹伸展斷層相關(guān)褶皺的恢復(fù)手段。

2.1 伸展斷層相關(guān)褶皺恢復(fù)方法

2.1.1 斜剪切法恢復(fù)斷層相關(guān)褶皺斜剪切法主要用來針對伸展作用下的斷層相關(guān)褶皺進(jìn)行恢復(fù)，斜剪切將斷層的幾何特征和斷層上盤的變形特征加以聯(lián)系進(jìn)行分析。斜剪切法在正演時先擴(kuò)展上盤，通過上盤的運(yùn)動形成空隙區(qū)（見圖3a），上盤地層由于自身重力作用易形成滾動背斜，即逆牽引褶皺。斜剪切法可以通過控制褶皺作用消除斷層上下兩盤的斷距，實(shí)現(xiàn)該過程的反演恢復(fù)（見圖3b）。斜剪切法假定在變形過程中，沿著上盤的一系列平行剪切釘線（釘線方向可以與斷層面垂直、同向或者反向，釘線是上盤地層與斷層面之間的連線）發(fā)生，其水平距離由水平斷距的參數(shù)確定，剪切釘線的長度保持不變，斷層面的地形傳遞給上盤地層成為褶皺。

采用斜剪切法進(jìn)行反演恢復(fù)時，上盤地層沿著剪切釘線的方向進(jìn)行運(yùn)動，消除斷距作用和上盤形成逆牽引褶皺過程中的褶皺作用。斜剪切法需要遵循2 原則：體積守恒原則，保持地層體積不變；長度不變原則，保持剪切的矢量長度（斷層和上盤的標(biāo)志層沿剪切矢量方向的距離）不變。

2.1.2 恢復(fù)到基準(zhǔn)面的方法

恢復(fù)到基準(zhǔn)面的方法是指允許地層在垂向上恢復(fù)到一個預(yù)基準(zhǔn)平面（即目標(biāo)水平層面）或者目標(biāo)表面，恢復(fù)過程中主要考慮垂直剪切作用（見圖3c，3d），適用于斷距恢復(fù)之后或者沒有斷距的相關(guān)褶皺，一般在斜剪切方法恢復(fù)斷距后采用?；謴?fù)過程中，模板層發(fā)生變化被展開，被動層位與模板層之間對應(yīng)點(diǎn)的垂直距離保持不變?；謴?fù)過程需遵循恢復(fù)前后的層位體積保持不變的原則，恢復(fù)前后去褶皺方向上的長度會發(fā)生變化，層位的面積會發(fā)生相應(yīng)的變化。

2.2 擠壓環(huán)境恢復(fù)方法

2.2.1 彎曲去褶皺

彎曲去褶皺恢復(fù)方法適用于近似平行褶皺，其內(nèi)部的平行滑動系統(tǒng)起著十分重要的作用，滑動系統(tǒng)控制著其他層的去褶皺，并保持厚度變化。去褶皺時僅沿著釘線或釘面（去褶皺作用的中心面，該面所有點(diǎn)不發(fā)生去褶皺作用）平移到基準(zhǔn)面，釘線或釘面和與它們相交的點(diǎn)不去褶皺或剪切。釘線應(yīng)和褶皺的軸面對應(yīng)，或方位與地層垂直。彎曲滑動分量隨離開釘面的距離而減少，而平行剪切分量隨之增加（見圖4）。彎曲去褶皺方法遵循： 模板層的長度在去褶皺這個方向上保持不變；面積守恒原則；厚度基本保持恒定。

2.2.2 斷層平行流法

斷層平行流法是依托于顆粒沿著斷層斜面流動的思想進(jìn)行的，斷層面被分割成許多不連續(xù)的傾斜層段，當(dāng)遇到傾角變化的位置時，標(biāo)記一個平分線，斷層平行流的流線是由距斷層面等距離的點(diǎn)連接構(gòu)成的，這樣下來斷層兩側(cè)的相關(guān)褶皺都由一層一層平行的流線組成，上盤的地層顆粒將沿著這些流線運(yùn)動，進(jìn)而恢復(fù)斷層形成和運(yùn)動過程中的褶皺作用，從而達(dá)到恢復(fù)斷層相關(guān)褶皺的目的。斷層平行流主要是針對處理在收縮褶皺和沖斷帶的復(fù)雜斷層的形態(tài)，但是同樣適用于伸展作用下的滾動背斜（犁式斷層之上產(chǎn)生）。

圖3 伸展斷層相關(guān)褶皺恢復(fù)方法示意

圖4 擠壓斷層褶皺恢復(fù)方法示意

3 實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 3 號構(gòu)造斷層剖面特征

南堡凹陷位于華北板塊東北部，燕山臺褶帶南緣，是渤海灣盆地北側(cè)的一個經(jīng)中、 新生代塊斷活動發(fā)育起來的小型斷陷富油氣凹陷［14］。凹陷地處渤海灣盆地北東向構(gòu)造與北西向構(gòu)造的交會部位，控制凹陷的西南莊和柏各莊斷層是張家口—蓬萊斷裂帶的組成部分，凹陷東部為郯廬斷裂帶，西部為滄東斷裂帶［15］。

南堡凹陷3 號構(gòu)造西部以南傾斷層控制為主，發(fā)育部分北傾次級斷層（起斜向調(diào)節(jié)作用），主控?cái)鄬泳呙黠@分段性，下部斷層密度小，為單剪，上部斷層密度大，為純剪，以Es1為界劃分為2 套構(gòu)造體系，北部的主控?cái)鄬影l(fā)育逆牽引構(gòu)造；中部主要發(fā)育典型的“X”型拉張構(gòu)造，剖面上部呈“白菜心”式斷層組合，為地塹構(gòu)造，下部2 條主控?cái)鄬又虚g表現(xiàn)為差異補(bǔ)償背斜，在Es1末期發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，為負(fù)反轉(zhuǎn)，Ed3沉積中期重新拉張；東部主要為階梯狀斷層，主控?cái)鄬娱L期活動，地層分為上下2 套沉積體系，階梯狀斷層發(fā)育在垂向剪切作用下，形成首尾相接的雁列式組合。

3.2 2D 環(huán)境下恢復(fù)手段應(yīng)用

2D環(huán)境下模擬主要選取了Ng—Nm，Ed1，Ed2，Ed3，Es1，Es2和Es3等7 套地層進(jìn)行恢復(fù) （見圖5），斷層是由于近南北向伸展作用形成的正斷層，形成明顯的斷距，斷層的上盤發(fā)生輕微褶皺現(xiàn)象，結(jié)合“地層回剝”的思想，運(yùn)用斜剪切的方法對此類伸展斷層相關(guān)褶皺進(jìn)行斷距的恢復(fù)，斷距恢復(fù)之后采用恢復(fù)到基準(zhǔn)面法生成某套地層沉積之前的構(gòu)造，最終形成南堡凹陷3 號構(gòu)造該地震測線下的構(gòu)造演化過程圖（見圖5）。

3.3 3D 環(huán)境下恢復(fù)手段運(yùn)用

根據(jù)提供的南堡凹陷3 號構(gòu)造位置的三維地震數(shù)據(jù)體，導(dǎo)入地質(zhì)軟件，建立相應(yīng)的三維地質(zhì)模型體。具體恢復(fù)步驟如下：1）采用斜剪切方法對每條斷層進(jìn)行斷距恢復(fù)；2）彎曲去褶皺法或者恢復(fù)到基準(zhǔn)面法恢復(fù)到水平基準(zhǔn)面；3）對下面地層重復(fù)1，2 步驟，直到完全恢復(fù)。當(dāng)然在每套地層恢復(fù)過程中，需要考慮其剝蝕量和壓實(shí)程度，并進(jìn)行相應(yīng)的去壓實(shí)，在此不作介紹。

圖5 南堡地區(qū)3 號構(gòu)造構(gòu)造演化過程

結(jié)合“地層回剝”的思想，進(jìn)行一層層的恢復(fù)。Ed1和Ed2兩套地層正斷層起主控作用，且產(chǎn)生明顯的斷距，運(yùn)用斜剪切法進(jìn)行反演恢復(fù)此類成因的斷層相關(guān)褶皺的斷距（見圖6b，6d），利用恢復(fù)到基準(zhǔn)面的方法進(jìn)一步消除變形、 剝蝕得到某套地層沉積之前的構(gòu)造模型（見圖6c，6e）。Ed3—Es2地層中褶皺作用強(qiáng)于斷層作用，地層中間呈背斜形態(tài)，運(yùn)用彎曲去褶皺法恢復(fù)褶皺作用較強(qiáng)的地層（見圖6f），恢復(fù)后Es1和Es2地層褶皺作用減弱，正斷層起主控作用，方法與Ed1地層恢復(fù)相似。

圖6 3D 環(huán)境下斷層相關(guān)褶皺恢復(fù)過程

結(jié)合2D 和3D 環(huán)境下的恢復(fù)過程，得出3 號構(gòu)造主要經(jīng)歷伸展—擠壓—伸展的構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境，在Es1末期發(fā)生一次反轉(zhuǎn)，為負(fù)反轉(zhuǎn)，在Ed3沉積期間重新轉(zhuǎn)為拉張環(huán)境。2D 判斷主要根據(jù)地層的伸展量，3D 判斷依靠地層的厚度、長度（地層伸長、減薄受到拉張，縮短、變厚經(jīng)歷擠壓）。

4 結(jié)論

1）斷層、褶皺作用程度不同的相關(guān)褶皺恢復(fù)要采用適當(dāng)?shù)幕謴?fù)方法，伸展斷層相關(guān)褶皺最主要的恢復(fù)方法是斜剪切法，擠壓環(huán)境形成的斷層相關(guān)褶皺，主要采用斷層平行流法和彎曲去褶皺的恢復(fù)手段，具體手段視模型的實(shí)際情況而定。

2）恢復(fù)結(jié)果表明南堡凹陷3 號構(gòu)造主要經(jīng)歷了伸展—擠壓—伸展的構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境，Es1末發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，為負(fù)反轉(zhuǎn)，Ed3沉積期間重新拉張。

3）斜剪切等方法適合比較理想的斷層發(fā)育模式，對于斷層十分發(fā)育、 復(fù)雜的地區(qū)，應(yīng)該如何準(zhǔn)確地恢復(fù)，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

4）與常用的平衡剖面法進(jìn)行比較，該方法操作簡單，準(zhǔn)確度高，可重復(fù)操作性強(qiáng)，主要是借助于軟件進(jìn)行恢復(fù)，適用于伸展作用的相關(guān)褶皺的演化過程恢復(fù)，對油田的勘探開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

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