利用地震和三維數(shù)值模擬研究鄂爾多斯盆地紅河油田的走滑斷裂活動(dòng)及應(yīng)力場(chǎng)演化

梁承春 吳錦偉 王代國(guó) 何學(xué)文 梁臣 劉小虎 王治磊 黃光明 雷克輝

摘要 以鄂爾多斯盆地紅河油田精細(xì)地震構(gòu)造解釋為基礎(chǔ)，結(jié)合南緣秦嶺和西緣六盤山的構(gòu)造演化史，并采用有限差分軟件開展兩期構(gòu)造疊加的大應(yīng)變數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，探討紅河油田的走滑斷裂活動(dòng)及應(yīng)力場(chǎng)演化。結(jié)果表明，北西走向的玉都斷裂帶先活動(dòng)，受到基底斷層控制而發(fā)育單斷式左行走滑，應(yīng)在晚侏羅世—早白堊世活動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)背景是秦嶺北緣不同塊體之間往北西方向的差異擠壓，活動(dòng)之時(shí)玉都斷裂帶附近最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東向；北東東向彌散式斷層后活動(dòng)，受到六盤山?jīng)_斷帶向東擠壓過程中南北差異的影響而發(fā)生左行走滑，在早白堊世晚期或新生代活動(dòng)，活動(dòng)之時(shí)最大主應(yīng)力為北東向（N36°～69°），平均N53°。研究結(jié)果對(duì)本地區(qū)的斷裂預(yù)測(cè)提供了新的約束，亦可為鄂爾多斯盆地其他油田的斷裂研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞 鄂爾多斯盆地;走滑斷裂;數(shù)值模擬;主應(yīng)力;構(gòu)造疊加

Using seismic data and 3D numerical simulation to study strike-slip

faulting and stress field evolution in Honghe Oilfield， Ordos Basin

Abstract This work focuses on the strike-slip faulting activity and stress field evolution in Honghe Oilfield， Ordos Basin. With the finite difference software， a series of 3D numerical models were constructed to investigate the two stages of structural superposition. Constrained by the refined seismic structure interpretation and the tectonic evolution of Qinling Mountain in the south and Liupanshan Mountain in the west， the model results indicate that the NW trending Yudu Fault developed first and was controlled by the sinistral strike-slip of basement fault. The Yudu Fault is supposed to be active in the late Jurassic-early Cretaceous， which is mainly attributed to the northwestward compression among different blocks in the northern margin of the Qinling Mountains. The maximum principal stress near the Yudu Fault Zone was oriented NEE during faulting. Subsequently， the NEE trending faults developed and were subjected to distributed sinistral strike-slip faulting during eastward compression of the Liupanshan thrust belt. These faults developed in the late Early Cretaceous or the Cenozoic. The maximum principal stress was oriented in the range of N36°～69° with an average of N53°. This study provides a new constraint on the fault prediction in this area， and also sheds new light on faulting dynamics in the other oilfields in the Ordos Basin.

Keywords Ordos Basin; strike-slip fault; numerical modeling; principle stress; structural superposition

鄂爾多斯盆地是一個(gè)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的盆地，地層變形微弱，但隨著油氣勘探的深入，越來越多的斷裂被發(fā)現(xiàn)［1-4］。這些斷裂包括斷層和裂縫，其中斷層的水平走滑量小，錯(cuò)斷的地質(zhì)標(biāo)志少，使人們對(duì)這些斷層的活動(dòng)時(shí)間、走滑方式以及主應(yīng)力來源等方面的認(rèn)識(shí)存在明顯分歧。比如，紅河油田主要發(fā)育NW—SE向和NEE—SWW向兩組斷層，潘杰等認(rèn)為，中晚侏羅世，NW—SE向右旋壓扭作用形成NW向右行走滑斷層和NEE向右行走滑斷層，喜山期NW向斷層反轉(zhuǎn)為左行走滑斷層［5］；張園園等認(rèn)為，晚三疊世，近南北向擠壓形成NW向斷層，晚侏羅世至早白堊世，NW—SE向擠壓形成NEE向左行走滑斷層，喜山期右旋剪切-拉張產(chǎn)生新的NEE向斷層［3］；鄭和榮等認(rèn)為，早侏羅世，NE向壓扭形成NW向左行走滑斷層，早白堊世，NW向斷層在深部繼續(xù)左行走滑活動(dòng)，拖曳淺層形成NEE向左行走滑斷層［6］。這些有關(guān)左行或右行走滑以及相關(guān)應(yīng)力場(chǎng)的研究，多基于整個(gè)油田斷層三維展布與盆地周緣大地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景的宏觀關(guān)聯(lián)，而普遍缺乏來自油田內(nèi)更加詳實(shí)可靠的證據(jù)。

應(yīng)力場(chǎng)研究還可以基于更小尺度的裂縫分析，如曾聯(lián)波等通過地表露頭、巖心、薄片以及實(shí)驗(yàn)等資料分析，認(rèn)為鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組主要發(fā)育兩期裂縫：第一期形成于侏羅紀(jì)末期，遭受北西西—南東東方向水平構(gòu)造擠壓而形成東西向和北西—南東向共軛剪切裂縫;第二期在白堊紀(jì)末期—古近紀(jì)，在北北東—南南西向水平構(gòu)造擠壓應(yīng)力下，形成南北向和北東—南西向共軛剪切裂縫［7］。

同一時(shí)期同一區(qū)域產(chǎn)生的斷層和裂縫是巖層對(duì)同一應(yīng)力場(chǎng)作出的構(gòu)造差異響應(yīng)，斷層、裂縫、應(yīng)力場(chǎng)三者密切關(guān)聯(lián)［8-9］。因此，對(duì)斷層和應(yīng)力場(chǎng)開展深入研究，亦可為裂縫預(yù)測(cè)提供更多約束，而對(duì)于紅河油田這種致密性砂巖儲(chǔ)層而言，裂縫對(duì)油氣勘探開發(fā)的意義巨大。

目前，對(duì)于紅河油田乃至整個(gè)鄂爾多斯盆地中生代以來有關(guān)斷裂活動(dòng)方式以及應(yīng)力場(chǎng)演化的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)未達(dá)到觀點(diǎn)統(tǒng)一的程度，這些分歧使人們?cè)诜治鲇蜌獠馗患c斷裂的主控關(guān)系時(shí)感到迷惑。

數(shù)值模擬分析是應(yīng)力場(chǎng)研究的有力工具，尤其是大應(yīng)變數(shù)值模擬，將斷層的形成過程與應(yīng)力場(chǎng)演化統(tǒng)一起來。通過不同地層力學(xué)參數(shù)以及邊界條件的組合嘗試，探究和油田地質(zhì)原型最匹配的方案。通過模擬，不僅能得到當(dāng)前已經(jīng)構(gòu)造變形的三維空間內(nèi)任何位置的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)、位移場(chǎng)等參數(shù)，還能獲得地層從開始變形到現(xiàn)階段任一時(shí)期的變形參數(shù)，而這些參數(shù)若基于傳統(tǒng)手段則只能獲得極其有限的一小部分。目前，國(guó)內(nèi)開展的三維數(shù)值模擬分析多以小應(yīng)變?yōu)橹?，它以現(xiàn)今地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，地層和斷層均提前設(shè)定，然后通過加載邊界應(yīng)力條件，模擬應(yīng)力的三維空間展布［10-13］；而大應(yīng)變模擬則從變形之前的地層結(jié)構(gòu)開始，通過加載邊界位移條件，模擬地層變形、斷裂產(chǎn)生發(fā)展以及應(yīng)力場(chǎng)演化的過程 ［14-17］。本研究基于三維地震解釋并結(jié)合大變形數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)探討紅河油田兩組斷層的活動(dòng)時(shí)期、走滑方式以及古應(yīng)力場(chǎng)演化。

1 地質(zhì)背景

紅河油田位于鄂爾多斯盆地西南部，天環(huán)坳陷、伊陜斜坡以及渭北隆起的交匯部位。該油田構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組7段底面從東南往西北以0.3°～0.5°的坡度緩慢下傾。區(qū)內(nèi)走滑斷層大量發(fā)育，其中北西向的玉都斷裂帶規(guī)模較大，但該走向的斷層數(shù)量較少;北東東走向的斷層則以彌散式全區(qū)分布（見圖1）。兩個(gè)方向的斷層均從古生界向上錯(cuò)斷至白堊系。區(qū)域內(nèi)，下古生界寒武系和奧陶系以海相碳酸鹽巖為主，志留—泥盆系地層缺失，二疊系至白堊系發(fā)育碎屑巖，上白堊統(tǒng)至第三系無沉積，淺層覆蓋約300 m厚的第四系黃土［18］。

紅河油田和鄂爾多斯盆地主體具有相同的沉積歷史。盆地在中晚三疊世秦嶺海槽最終關(guān)閉之后逐漸發(fā)育形成，經(jīng)歷了早期初始沉降，中期加速擴(kuò)張，至早白堊世晚期萎縮消亡的多個(gè)階段［19-20］。期間亦經(jīng)歷多次抬升剝蝕，形成三疊系—侏羅系、侏羅系延安組—直羅組、侏羅系—白堊系以及白堊系—第四系等4個(gè)地層不整合面。其中，晚白堊世以來的抬升剝蝕最劇烈，在紅河油田的剝蝕量達(dá)到980～1 280 m［21］。

紅河油田南鄰渭北隆起，西鄰六盤山褶皺沖斷帶，隨后兩者在晚侏羅世—早白堊世東亞多向匯聚構(gòu)造體系背景之下均經(jīng)歷了指向盆地的褶皺沖斷變形［20，22-23］。新生代以來，六盤山繼續(xù)逆沖活動(dòng)［24-27］，盆地南緣則進(jìn)入伸展環(huán)境，發(fā)育了渭河地塹［18，28］。

2 斷層活動(dòng)特征

2.1 北西向斷層

玉都斷裂帶是紅河油田內(nèi)規(guī)模最大的斷裂，走向北西—南東（約N300°），在油田內(nèi)延伸60 km，垂向斷距20～80 m。斷面高陡達(dá)80°以上，具有走滑斷層特征。該斷層從深層古生界至淺層白堊系均有錯(cuò)斷，其中，在前石炭系地層中可觀察到斷層南盤厚度大于北盤， 說明該斷層在古生代已經(jīng)活動(dòng)〔見圖2（a）〕。 該斷層在三疊系延長(zhǎng)組中發(fā)育成一個(gè)寬約1 km的破碎帶， 長(zhǎng)7段底界在斷裂帶處具有小型復(fù)式地塹結(jié)構(gòu)〔見圖2（b）、 3（a）〕。此小型地塹結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)7段底至侏羅系底基本保持一致，說明延長(zhǎng)組沉積時(shí)期斷層沒有明顯活動(dòng)。在白堊系底，此地塹規(guī)模略微變淺，至下白堊統(tǒng)羅漢洞底則趨于消失，說明這些走滑斷層在中生代的活動(dòng)時(shí)間主要發(fā)生在侏羅紀(jì)—早白堊世 〔見圖2（b）〕。

在研究區(qū)西部的長(zhǎng)7底構(gòu)造圖上，和玉都斷裂帶平行的西北向斷層展示了右階雁列特征，說明北西向斷層經(jīng)歷了左行走滑作用〔見圖3（b）〕。實(shí)驗(yàn)表明，走滑斷裂帶發(fā)育過程中，在主斷裂帶貫通之前先發(fā)育一系列里德爾斷層，左行走滑下排列成右階雁列，右行走滑下排列成左階雁列［30］。但是，從3 018 ms的水平切片上發(fā)現(xiàn)，前古生界的北北東向地塹沒有被玉都斷裂帶明顯錯(cuò)斷，說明玉都斷裂帶走滑量很小，推測(cè)小于100 m〔見圖3（c，d）〕。

玉都斷裂帶和其東南側(cè)的彬縣官莊斷層在延伸方向上基本重合，推斷它們是同一條斷層（見圖4）。彬縣官莊斷層亦呈北西—南東走向，斷續(xù)分布于淳化縣南北兩側(cè)，在剩余重力異常中有明顯響應(yīng)［31-32］。而根據(jù)區(qū)域構(gòu)造背景，晚侏羅世—早白堊世時(shí)期是秦嶺南北緣褶皺沖斷強(qiáng)烈發(fā)育時(shí)期，南部的揚(yáng)子板塊和北部的華北板塊同時(shí)向秦嶺陸內(nèi)俯沖，造成大巴山以及渭北隆起各自指向盆地的褶皺沖斷變形［18，20，28，33］。晚白堊世，渭北隆起以隆升為主，新生代南部處于伸展環(huán)境，發(fā)育了渭河地塹［22］。對(duì)比這幾個(gè)階段的應(yīng)力背景，玉都斷裂帶應(yīng)是在晚侏羅世—早白堊世時(shí)期，作為復(fù)活老斷層調(diào)節(jié)了渭北隆起在彬縣官莊斷層兩側(cè)的擠壓縮短差異，此活動(dòng)時(shí)期和通過地震剖面識(shí)別的活動(dòng)時(shí)期保持一致。

2.2 北東東向斷層

北東東向斷層在紅河油田極其發(fā)育，數(shù)量多，規(guī)模小，平面延伸長(zhǎng)度大部分小于10 km，垂向斷距一般小于30 m，具有彌散式分布特征，走向穩(wěn)定在北東東N75°左右（見圖1、圖5）。在研究區(qū)西北750 ms相干屬性圖上，可觀察到一條斷裂帶不同段的右階雁列特征，表明該斷層經(jīng)歷了左行走滑活動(dòng)（見圖6）。北東東向斷層從古生界往上切割至白堊系，在古生界地層中并沒有觀察到斷距明顯增大的特征，甚至延長(zhǎng)組7段底至白堊系底的斷距變化亦不明顯，說明此組斷層的主要活動(dòng)時(shí)間應(yīng)該發(fā)生在早白堊世晚期或以后（見圖5、圖7）。

根據(jù)北東東向斷層走向以及左行走滑的特征，結(jié)合走滑條件下應(yīng)力與應(yīng)變的理論模型，可以分析得到研究區(qū)的邊界加載條件以及應(yīng)力場(chǎng)分布〔見圖8（a）〕。在走滑剪切中，可產(chǎn)生里德爾斷裂（R）、共軛里德爾斷裂（R′）、斷裂（P）、拉張斷裂（T）和整體剪切方向平行的主位移斷裂（Y）。其中，里德爾斷裂較常見且較早發(fā)育，此組斷裂和整體剪切方向夾角為／2，和最大主應(yīng)力夾角為45°-／2，最大主應(yīng)力和整體剪切方向則成45°夾角［34］。其中為材料的內(nèi)摩擦角，一般固結(jié)地層的內(nèi)摩擦角在30°±10°［35-36］。紅河油田北東東向斷層走向穩(wěn)定在N75°左右〔見圖8（b）〕，以地層內(nèi)摩擦角平均值30°計(jì)算，推算產(chǎn)生北北東向斷層的邊界條件為近東西方向的左行剪切，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹45°左右。

由上述分析可知，北東東向斷層的產(chǎn)生受控于近東西向的左行剪切作用。由于西部鄰近六盤山褶皺沖斷帶，東部遠(yuǎn)離盆地邊界，因此剪切應(yīng)力更有可能來自西部。這組斷層彌散式分布，說明邊界加載條件亦是彌散式剪切加載［30］，也即六盤山由西向東逆沖的過程中，往盆地傳遞的位移由北向南逐漸增大。這種方式和玉都斷裂帶由基底斷層控制的單斷式剪切加載明顯不同。六盤山在晚侏羅世開始強(qiáng)烈逆沖［22］，該期活動(dòng)在紅河油田沒有產(chǎn)生明顯斷裂。六盤山在早白堊世晚期繼續(xù)逆沖，晚白堊世以區(qū)域隆升為主，新生代褶皺沖斷再次復(fù)活［24，26］。由于紅河油田缺乏新生代的沉積地層，第四系黃土直接披覆在下白堊統(tǒng)地層之上，因此沒辦法通過地層記錄來分析北東東向斷層活動(dòng)于早白堊世或者新生代。曾聯(lián)波等根據(jù)裂縫研究認(rèn)為，北東東向裂縫發(fā)育于早第三世，而且該組裂縫比北西向裂縫晚發(fā)育［7］。此外，鄂爾多斯盆地在新生代經(jīng)歷了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)［37］，亦和盆地西南緣的彌散式左行走滑邊界條件一致?，F(xiàn)今西南緣的左行走滑斷層仍然活躍，比如祁山—馬召斷裂［38］。紅河油田西北部，根據(jù)井壁崩落法測(cè)定，現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向在N60°左右，和通過北東東向斷層分析得到的主應(yīng)力方向接近（見圖9）。綜合這些來看，北東東向斷層要么在新生代活動(dòng)，要么在早白堊世晚期發(fā)育，新生代繼承了早期的剪切方向繼續(xù)活動(dòng)。

3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)及應(yīng)力場(chǎng)特征

3.1 數(shù)值模擬的特點(diǎn)

為了進(jìn)一步探討紅河油田斷層活動(dòng)與應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，并檢驗(yàn)產(chǎn)生這些斷層的邊界應(yīng)力機(jī)制（單斷式或彌散式剪切、左行或右行等），開展了大構(gòu)造變形數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬是一種地質(zhì)正演實(shí)驗(yàn)，和砂箱實(shí)驗(yàn)相似，通過設(shè)置不同的地層參數(shù)組合，加載不同的邊界位移條件，選擇合適的本構(gòu)模型，通過數(shù)值計(jì)算，獲取變形結(jié)果。模擬結(jié)果的正確與否需要地質(zhì)原型的約束，顯然，對(duì)地質(zhì)原型了解得越多（如斷層幾何分布、左行或右行走滑方式、活動(dòng)時(shí)間、地層特征、盆地邊界的構(gòu)造活動(dòng)歷史等等），對(duì)模擬結(jié)果的約束就越充分，結(jié)果越可靠。此外，根據(jù)相同的地質(zhì)現(xiàn)象經(jīng)常會(huì)得到不同的成因解釋，到底哪種解釋更合理，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)亦可提供更好的約束。

3.2 本構(gòu)模型

本研究利用有限差分軟件開展數(shù)值模擬分析，選擇莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，其應(yīng)變?chǔ)舏j分解為彈性εeij 和塑性εpij 兩部分，即

εij=εeij+εpij（1）

其中，彈性變形采用廣義胡克定律來描述，應(yīng)力σij和應(yīng)變?chǔ)舉kk存在如下關(guān)系：

式中：G為剪切彈性模量（Pa）；K為體積彈性模量（Pa）；δ為克羅內(nèi)克符號(hào)。對(duì)于塑性變形，根據(jù)莫爾-庫倫破裂準(zhǔn)則，其剪應(yīng)力屈服函數(shù)為［39］

F=τ*-σ*tan -C（3）

3.3 模型設(shè)置

模型長(zhǎng)寬高（對(duì)應(yīng)X、Y、Z方向）分別設(shè)為20 km×30 km×0.7 km，相應(yīng)使用網(wǎng)格400×600×11個(gè)。垂向上部500 m設(shè)定為蓋層，占用網(wǎng)格10層，下部200 m設(shè)為基底，占用一層網(wǎng)格，因此蓋層每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)代表50 m?；追殖赡媳眱刹糠?，分隔界面走向N300°，用來模擬玉都斷裂帶的基底斷裂?；椎牡貙訉傩院蜕w層中的能干層相同，基底不參與力學(xué)變形，僅對(duì)蓋層起到支撐以及走滑時(shí)的摩擦牽引作用。蓋層分成底部50 m的滑脫層和上部450 m的能干層，分別賦以不同的力學(xué)屬性（見圖10）。蓋層與基底之間的接觸面設(shè)置法向剛度、切向剛度、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等參數(shù)，用以控制兩者之間的彈塑性應(yīng)變（見表1）。這些地層力學(xué)參數(shù)是基于前人廣泛的實(shí)驗(yàn)研究［35-36，40-41］，同時(shí)在合理范圍內(nèi)通過不同參數(shù)組合嘗試并最終選定的。

蓋層的能干層深度位于-2 500～-2 950 m，大致相當(dāng)于延長(zhǎng)組在早白堊世晚期的埋深?；紫喈?dāng)于前古生界地層，但由于計(jì)算的限制，不能設(shè)置足夠厚的地層來模擬從基底到三疊系延長(zhǎng)組的正常地層序列，因此基底和蓋層能干層之間設(shè)置一套足夠弱的滑脫層來分隔。這套滑脫層的設(shè)置有利于產(chǎn)生彌散式走滑斷層 ［30］。從紅河油田走滑斷層向下錯(cuò)斷至下古生界的特征看，控制這些斷層的關(guān)鍵滑脫層推測(cè)發(fā)育在比古生界更深的地層中。

將模型置于-2 500～-3 200 m深的地層中，模型上表面加載62.5 MPa的垂直向下應(yīng)力，模擬上覆2 500 m地層在重力加速度9.8 m／s2下產(chǎn)生的重力荷載?；譠方向固定，水平方向加載速度分4種類型：北西向單斷式左行走滑、北西向單斷式右行走滑、東西向彌散式左行走滑、東西向彌散式右行走滑。其中，北西向單斷式左行走滑在基底的北盤加載速度，南盤固定;在蓋層?xùn)|西邊界的基底斷層以北部分加載速度，南半部分X方向固定;蓋層南邊界Y方向固定，北邊界加載Y方向速度。加載的X 方向和Y方向速度分別是-0.004 m／步和0.002 4 m／步，速度矢量和基底斷層的走向平行。北西向單斷式右行走滑則和上述相反，北盤固定，南盤加載北西向速度。東西向彌散式左行走滑在整個(gè)基底和蓋層的東西邊界加載由北向南逐漸增大的X方向速度，由北向南從0增大到0.004 m／步;南北邊界Y方向固定。東西向彌散式右行走滑則加載由南向北逐漸增大的X方向速度（見圖11）。

本研究共開展4組模擬實(shí)驗(yàn)（見表2）。模型在速度加載之前，在重力作用下先運(yùn)行3 000步以達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)。然后開始加載第一期速度，以北西向單斷式走滑的方式運(yùn)行10 000步，左行或右行走滑47 m。第一階段結(jié)束時(shí)撤銷邊界速度再運(yùn)行10 000步，讓模型重新應(yīng)力平衡，然后加載第二期速度，以東西向彌散式走滑的方式運(yùn)行60 000步，左行或右行240 m。研究區(qū)內(nèi)走滑斷層的具體走滑量缺乏約束，但根據(jù)河道砂體基本連續(xù)分布的情況，以及兩個(gè)方向斷層在交匯處觀察不到明顯被水平錯(cuò)斷的特征，可以推測(cè)其走滑量極小。本系列實(shí)驗(yàn)所加載的邊界位移量是根據(jù)模擬結(jié)果而判定的，當(dāng)模擬結(jié)果出現(xiàn)和紅河油田的斷層分布特征接近時(shí)，模擬計(jì)算停止。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）模型1變形特征。

模型1第一階段沿著基底以前存在的北西向斷層發(fā)生單斷式左行走滑，第二階段東西方向彌散式左行走滑。單斷式左行走滑23.5 m時(shí)，沿著基底斷層在蓋層中形成一個(gè)較強(qiáng)的剪切應(yīng)變帶，也即斷裂帶。斷層?xùn)|西邊界附近的應(yīng)變最強(qiáng)，往斷層中部逐漸減弱。這些應(yīng)變帶分段分布，為里德爾斷層，具有右階雁列特征，和里德爾左行走滑理論預(yù)測(cè)結(jié)果一致。斷裂帶東南和西北兩側(cè)的應(yīng)變更大，其最大主應(yīng)力為水平狀態(tài)〔圖12（a）中的綠色〕，近東西走向。斷裂帶中部平面最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東向，它們實(shí)際上為三軸主應(yīng)力的中間應(yīng)力〔圖12（a）中的紅色〕，該區(qū)域的最大主應(yīng)力垂直向下，這和走滑機(jī)制下最大和最小主應(yīng)力水平、中間主應(yīng)力垂直向下的理論認(rèn)識(shí)相矛盾。實(shí)際上，這是因?yàn)樵摰貐^(qū)剪切應(yīng)變還比較弱，而圖12（a）上的樣點(diǎn)為抽稀顯示，當(dāng)從模型中觀察所有樣點(diǎn)的主應(yīng)力分布時(shí)則可以看到在斷裂帶附近，最大主應(yīng)力呈水平狀態(tài)。斷裂帶之外的區(qū)域受到的變形較弱，最大主應(yīng)力垂直向下，平面兩個(gè)方向應(yīng)力大小基本相等〔見圖12（a）〕。左行走滑至47 m時(shí)，斷裂帶剪切應(yīng)變繼續(xù)加強(qiáng)，右階雁列特征更加明顯；斷裂帶東南和西北兩側(cè)貫通發(fā)育成主位移斷裂（Y斷裂）；斷裂帶核部最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，斷裂帶兩側(cè)平面最大主應(yīng)力為北東東向〔見圖12（b）〕。第二階段彌散式左行走滑80 m時(shí)，先形成的斷層繼續(xù)向前破裂延伸，但延伸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；主應(yīng)力方向也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，斷裂帶附近的最大主應(yīng)力為北東東向，斷裂帶之外區(qū)域平面最大主應(yīng)力為北東向〔見圖12（c）〕。彌散式左行走滑至160 m時(shí)，早期斷層兩端繼續(xù)延伸，同時(shí)北東東向斷層開始大量發(fā)育（里德爾斷層），北盤西側(cè)北北東向斷層也開始出現(xiàn)（共軛里德爾斷層）。共軛里德爾斷層發(fā)育于模型邊部，可能與邊界效應(yīng)亦有關(guān)系，前人在彌散式走滑砂箱實(shí)驗(yàn)中也觀察到相類似的斷層分布［42］；其平面最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向〔見圖12（d）〕。彌散式左行走滑至240 m時(shí)，模型中南部近東西向斷層應(yīng)變進(jìn)一步加強(qiáng)，北部發(fā)育了更多的北東東向斷層，走向約N78°，北部西側(cè)北北東向斷層走向約N6°；其最大主應(yīng)力方向分布于N36°～69°，平均N53°，其中，西南區(qū)域、東北區(qū)域以及早期的北西向斷裂帶附近主應(yīng)力方向更偏東一些〔見圖12（e）〕。理論上講，東西向左行走滑剪切產(chǎn)生的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹45°，模擬結(jié)果比理論偏大一些，可能是因?yàn)樵诘诙趹?yīng)力加載時(shí)已經(jīng)存在第一期北東東方向的主應(yīng)力及相應(yīng)的應(yīng)變，影響了第二期的應(yīng)力分布。McKinnon 等模擬剪切裂縫以及應(yīng)力場(chǎng)分布時(shí)，也獲得過相類似的結(jié)果［34］。此外，走滑斷層和主應(yīng)力的角度實(shí)際上也是分布在某個(gè)范圍之內(nèi)，和材料內(nèi)摩擦角以及剪脹角均有關(guān)系［43］。

2）模型2變形特征。

模型2的第一期構(gòu)造變形和模型1相同，第二期改成東西向彌散式右行走滑。早期產(chǎn)生的北西向斷層在第二期加載時(shí)沒有往兩端延展，而是在早期斷裂帶附近新產(chǎn)生近東西走向的斷層，和早期斷層斜交。北部沒有受到早期斷層的影響， 發(fā)育南東東向里德爾斷層和南南東向共軛里德爾斷層。 全區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹110°～143°， 平均N126°〔見圖12（f， g， h）〕。

3）模型3變形特征。

模型3第一階段沿著北西向基底斷層先加載單斷式右行走滑，第二階段東西向彌散式左行走滑。第一階段產(chǎn)生北西向左階雁列式斷層，斷裂帶附近平面最大主應(yīng)力為北北西—南南東走向〔見圖13（a，b）〕。第二階段東西向彌散式左行走滑，在早期斷裂帶附近發(fā)育近南北向斷層，北部發(fā)育北東東向和北北東向斷層；其最大主應(yīng)力方向?yàn)镹24°～53°，平均N36°〔見圖13（c，d，e）〕。

4）模型4變形特征。

模型4第一階段加載和模型3相同，第二階段改成東西向彌散式右行走滑。模型南部在早期北西向斷層之上疊加第二期產(chǎn)生的近南北向斷層，這些近南北向斷層北端向西偏轉(zhuǎn)，南端向東偏轉(zhuǎn)，平面組成“Z”型，這種特征的斷層在前人的砂箱模型中也出現(xiàn)過［42］。模型北部發(fā)育南東東向斷層和南南東向斷層；其最大主應(yīng)力方向?yàn)镹126°～162°，平均N144°〔見圖13（f，g，h）〕。

將4個(gè)模型的結(jié)果和紅河油田的斷層、應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比可知，模型1最相似（見圖14，15）。首先，模型3和模型4在北西向斷裂帶附近發(fā)育大量近南北向斷層，而紅河油田在北西走向的玉都斷裂帶附近只發(fā)育北東東向斷層，因此模型3和模型4的條件被排除。其次，模型1和模型2在早期北西向斷層基礎(chǔ)上均發(fā)育晚期近東西向斷層，其中模型 1北部斷層穩(wěn)定分布于北東東向N75°左右，模型2則以南東東向?yàn)橹鳎罢吆图t河油田更接近。最后，在應(yīng)力場(chǎng)分布方面，HH1井現(xiàn)今最大主應(yīng)力為N60°，落在模型1的最大主應(yīng)力范圍之內(nèi)（N36°～69°），而和模型2相去甚遠(yuǎn)（N110°～143°）。模型1在階段2的最大主應(yīng)力方向代表了北東東向斷層形成時(shí)期的應(yīng)力狀態(tài)，而HH1井最大主應(yīng)力方向代表現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)，兩者接近，說明北東東向斷層自形成至今，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)沒有發(fā)生大的改變，近東西向左行剪切的邊界條件也保持不變。

綜合上述對(duì)比分析，以及油田內(nèi)地震相干屬性呈現(xiàn)出的右階雁列特征，均指向本地區(qū)在延長(zhǎng)組沉積以后經(jīng)歷了早期北西向單斷式左行走滑以及晚期東西向彌散式左行走滑的構(gòu)造疊加過程。其中，北東東向斷層整體處于拉張應(yīng)力狀態(tài)，而早期產(chǎn)生的北西向斷層受到前者應(yīng)力的影響，總體處于擠壓應(yīng)力狀態(tài) 〔見圖15（b）、圖16〕。

4 結(jié)論

1）北西走向的玉都斷裂帶在古生代已經(jīng)存在，在晚侏羅世—早白堊世晚期東亞多板塊匯聚背景之下，秦嶺北緣往鄂爾多斯盆地發(fā)生差異逆沖，玉都斷裂帶復(fù)活發(fā)生左行走滑，活動(dòng)之時(shí)玉都斷裂帶附近最大主應(yīng)力為北東東向。

2）北東東向斷層較玉都斷裂帶晚活動(dòng)，六盤山向東擠壓過程中往盆內(nèi)傳遞的縮短應(yīng)變存在南北差異而導(dǎo)致紅河油田發(fā)生彌散式左行走滑，活動(dòng)之時(shí)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹36°～69°，平均N53°。斷裂時(shí)間或者發(fā)生在新生代，或者發(fā)生在早白堊世晚期，新生代基本繼承了早期的應(yīng)力場(chǎng)特征。

3）北東東向斷層整體處于拉張應(yīng)力狀態(tài)，而早期產(chǎn)生的北西向斷層受到前者應(yīng)力的影響總體處于擠壓應(yīng)力狀態(tài)。

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