“ 斜向拉伸” 构造形成机制最早由Withjack以及Mckenzie等人在研究多期伸展裂谷盆地时提出^{[1, 2]}, 主要用来描述裂谷盆地边界与伸展方向不垂直相交时的构造发育模式。后续不同学者进行了大量关于斜向裂谷拉伸的构造物理模拟实验, 实验模型虽然设置不完全相同, 有刚性和塑性基底之分, 有单次拉伸、多次拉伸之分, 但均反映了盆地边界尺度的基底先存断裂斜向拉伸情况, 记录并描述了盆地边界以及内部构造的发育情况^{[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。Tron、Clifton以及Bonini等人的模拟实验均显示, 先存裂谷边界断裂与晚期拉伸角度在45° 左右可能是正断层发育与斜向滑移、走滑断层发育的重要分界点, 大于45° 主要发育正断层和少量斜滑断层, 小于45° 则可能发育走滑断层和斜滑断层^{[3, 4, 6]}; McClay、Bechis等人也通过模拟实验对不同斜向拉伸角度的裂谷盆地发育过程中的调节区或者转换带的构造发育情况进行了分析^{[7, 8, 9]}。另外, 盆地内部的先存构造斜向拉伸也是斜向拉伸模式的重要组成部分, 这种模式与前文提到的盆地边界尺度的斜向裂谷模式在成因机理类似, 但更强调盆地内部更小尺度的先存薄弱带在不同期拉伸情况下断裂复活可能性与复活后的构造发育情况。Morley等^{[10, 11, 12]}进行过大量关于盆地内部先存薄弱带晚期斜向拉伸的研究, 对其构造样式进行了详细论证并与纯伸展、纯走滑等作用形成的构造样式进行对比; 童亨茂等^{[13, 14]}将先存构造的斜向拉伸表述为“ 不协调伸展” , 从先存构造的选择性复活应力机制角度进行了论证。关于先存薄弱构造斜向拉伸的构造物理模拟更多强调多期伸展过程中盆地内部先存断裂的晚期活动情况^{[14, 15, 16]}, 这些实验集中分析早期伸展产生的先存构造薄弱带对晚期伸展构造发育的影响。

先存构造斜向拉伸背景下发育的应力模式并非简单的纯剪切模型, 其断层发育与经典的Anderson模式并不完全相同, 斜向拉伸的应力发育是复杂化的剪切应力模式。先存构造的存在使后期施加的宏观纯剪切性质的三轴应力发生空间方向和大小的变化, 从而在先存构造区附近产生纯剪切和简单剪切复合发育的应力状态, 这也解释了随着先存断裂走向与晚期斜向拉伸方向夹角的增大, 构造样式由纯剪切的伸展构造样式向简单剪切的走滑构造样式过渡^{[3, 4, 5, 16, 17]}的物理模拟结果, 而且因为先存断裂在斜向拉伸的过程中必然产生斜向滑移效果^{[4, 10, 16, 17, 18]}, 导致了不同走向角度复活的断裂具有不同大小的走滑-伸展相对分量。

尽管斜向拉伸形成机制方面的研究已经相对深入和成熟, 但是对于盆地内部斜向拉伸构造的断裂活动规律方面研究相对较少, 对其石油地质意义更是鲜有提及。本文通过对渤海海域东部地区的构造样式进行解剖并对断裂活动规律进行统计, 分析其先存构造斜向拉伸作用发育特征及成因, 对比实钻井油气显示情况, 明确斜向拉伸作用对油气富集的控制。

研究区所在的渤海湾盆地为发育在华北克拉通之上的陆内裂陷-坳陷盆地^{[19, 20]}。晚中生代至古近纪, 大规模的地幔上涌和岩石圈减薄形成的引张作用使渤海湾盆地发生主动裂陷作用^{[21, 22]}, 同时叠加有太平洋板块俯冲和印度洋板块与亚欧板块碰撞造成的郯庐断裂带走滑作用^{[23, 24, 25]}, 形成了走滑-拉张双动力模式的复合效应。古近纪的主动裂陷作用使渤海湾盆地不同构造位置形成不同走向的拉张断层^[26], 叠加的走滑作用也在郯庐断裂带附近产生了方向各异的派生断层。总体而言, 渤海湾盆地在古近纪发育有走向不同、数量众多的先存断裂体系, 这一点在被郯庐断裂带贯穿的研究区显得尤为明显。新近纪, 渤海湾盆地进入裂后热沉降阶段^[27], 关于该时期渤海湾盆地的应力发育模式并无统一认识, 有研究认为近东西向水平挤压造成了郯庐断裂压扭性右旋走滑^{[28, 29, 30]}; 也有学者认为该时期日本海的弧后扩张^{[31, 32]}或太平洋板块的海沟向洋后退^[33]引起了近南北向的拉张作用, 而东西向挤压作用只在第四纪以来发生^[34]。

研究区位于渤海湾盆地海域部分的东部, 包括渤东低凸起南段、渤东凹陷以及部分渤中凹陷等构造单元（见图1）。郯庐走滑断裂带呈北北东向纵贯研究区, 古近纪的走滑及其派生作用产生了走向多变的断裂, 渤东低凸起南段的西侧边界断裂呈北东向, 东侧边界断裂呈北北东向, 两者在凸起北缘发生交汇, 共同控制了渤东低凸起南段两侧凹陷古近系的沉积作用（见图1a）。在浅层新近系, 大量断裂走向呈北东东向展布, 部分凸起边界断裂呈北东向继续发育, 但对沉积的控制作用已经不明显; 在边界断裂末端, 断裂“ 甩尾” 现象明显, 发育弧形断层, 其断层走向由北向南逐渐转变, 由北东向转为北东东向（见图1b）。相比古近纪, 新近纪明显发生了构造应力场的转变。总体来看, 渤东地区古近纪发育有走向多变、数量众多的先存断裂, 同时晚期新近纪发生了明显的应力场转变, 这两个条件为新近纪斜向拉伸构造的发育提供了条件。

图1

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	图1 研究区构造位置及断裂体系

研究区新生界沉积较全, 从下至上发育有古近系的沙河街组、东营组（一段— 三段）以及新近系的馆陶组（下段+上段）、明化镇组（下段+上段）和第四系的平原组。新近纪该区域由于邻近渤中坳陷沉积沉降中心, 沉积厚度较大, 将近4 000 m; 近年来, 该区域在新近系相继发现多个大中型油田, 展现了巨大的石油勘探潜力^{[35, 36]}。

渤海新近纪的构造背景包括东西向挤压导致的压扭性的右旋走滑^{[28, 29, 30]}以及近南北向拉伸两种观点^{[31, 32, 33, 34]}, 前者的动力机制主要是由于渤海湾地区对太平洋板块活动的响应^{[46, 47]}, 而后者的动力机制则主要来自于日本海的弧后扩张^{[31, 32, 34]}或太平洋板块的海沟向洋后退作用^{[33, 34]}。尽管本文对渤海新近纪的构造动力机制或动力源不作重点讨论, 但本文展示的静态、动态构造特征以及物理模拟证据支持后一种观点。正是因为新近纪持续的近南北向拉伸作用导致晚中生代— 古近纪产生的大量先存断层部分复活并遭受斜向拉伸作用。

Morley等人^{[10, 12]}已经进行过关于斜向拉伸作用、纯走滑作用以及正向拉伸作用区别的探讨。因为这些构造作用都能形成“ Z” 字型、“ 雁列” 型、侧接型、弧形等相似的断裂构造样式, 所以无法通过该类构造样式来区分上述3种运动学机制, 但可以通过其他相关构造样式的对比来解决这一问题。本文则主要针对在渤海被混淆的斜向拉伸作用和压扭走滑作用的区别进行一些探讨。

右旋压扭走滑和斜向拉伸作用有着本质的区别, 从宏观变形机制角度来看, 前者是简单剪切（非共轴）变形, 后者以纯剪切（共轴）变形为主（拉伸角度不同以及局部应力扰动也会产生局部简单剪切变形^{[9, 12]}）。笔者认为, 渤海新近系构造变形并非源于压扭走滑作用而是来自古近系先存构造的斜向伸展作用, 主要是基于渤海如下几个重要的构造特征：①压扭性走滑作用产生的R剪切、P剪切以及褶皱和逆断层等伴生断层并未在渤海出现, 也并没有其他标准的压性走滑派生构造, 只有大量正断层发育（见图2）; ②渤海晚期北东东以及近东西向断层在整个渤海海域大面积分布^{[25, 34]}, 且并非只在郯庐断裂带发育的位置出现, 显然是在同一区域应力场作用下的产物, 这只有在区域范围的近南北向拉伸应力场的作用下才能形成, 而并非压扭走滑作用能够形成; ③大量发育的“ 雁列” 状正断层常被认为是走滑断层发育的最早期阶段的R剪切, 但实际上, 其与主断裂走向的交角明显要比标准的R剪切大, 而且这些断层的倾向也并未发生标准R剪切形成的变化^{[48, 49, 50]}, 应为凹陷边界走向控制的拉伸作用形成的“ 雁列” 断层, 剖面上局部断层倾向相反形成类似“ 无根花” 的地堑构造（见图9a）, 并非压扭产生的“ 花状构造” ; ④习惯上将由一条主断层控制、由多条次级断层与主断层搭接的“ 似花状” 构造（如F3断层）识别为简单剪切作用形成的纯走滑甚至是压扭性走滑运动产物; 但实际上, 纯剪切的斜向拉伸作用控制的斜向滑移乃至正向拉伸作用都可以在剖面上形成这种构造样式, 这一点已被Schlische以及马宝军等人的物理模拟所证实^{[17, 51]}; ⑤渤海的某些“ 压扭性” 构造, 如“ 背形负花” 等（见图9b）, 并非是压扭作用的产物：断层明显为新近纪活动的正断层, 且背斜并非同沉积背斜, 背斜地层弯曲产生的角度不整合在接近海底的位置, 可以推断该类背斜形成时间应当非常晚, 甚至为第四纪以来近东西向挤压作用^{[34, 52]}的产物, 与新近纪断层活动时期明显不匹配。

图9

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	图9 渤东凹陷雁列状断层及“ 背形负花” 构造剖面（剖面位置见图1）

综上所述, 作者认为渤东地区乃至渤海湾盆地更大范围内的“ 雁列” 型断裂展布以及弧形断层的发育并非由于新近纪的压扭性走滑作用产生, 而是先存构造晚期斜向拉伸的结果。

斜向拉伸作用对新近系油气富集的控制作用主要体现在3个方面：①斜向拉伸作用下的继承性发育断裂能够起到良好的沟通油源作用：以研究区为例, 继承性发育的北东向断裂（如F1、F2、F3断裂）切穿新生界并通过与其搭接的次级新生断层, 很好的沟通渤东凹陷和渤中凹陷的古近系烃源, 为深层油气向浅层运移提供了通道, 新近系油气也主要富集在继承性发育的大断裂附近。相比之下, 北东东向的新生断裂（如F7、F8）, 北北东向的早期消亡断裂（如F4、F5、F6）, 切割层位或浅或深, 对油气浅层富集来说“ 不上不下” , 难以在这些断裂附近获得规模性的油气藏; ②新近纪的斜向拉伸作用形成了地层牵引、逆牵引、掀斜、翘倾等多种新近系盖层变形, 且新生断层依附于继承性活动的边界断裂, 具有搭接、生长连接等等复杂的断裂组合关系, 形成了大量的断鼻、断背斜以及断块圈闭, 为后期的油气保存提供了重要场所, 研究区的油气勘探也主要集中在这些虽然规模不大但是数量众多的构造圈闭中; ③斜向拉伸作用下形成的新近系断裂具有不同的走滑-伸展相对分量, 因而对油气的相对运移和封闭能力也不一致。前人关于断裂带结构、形态以及地应力等方面的研究^{[53, 54, 55]}还有渤海的油气勘探实践都表明^{[56, 57, 58]}, 张性构造易形成开启的断裂带结构, 是地应力的释放区, 有利于油气的运移, 而不利于断层的封闭; 而走滑构造发育的走滑增压带是地应力增大区域, 断裂结构闭合程度好且碾磨细化致密, 断裂带内通常不利于油气运移, 但却有着比伸展断层更好的封闭能力。与上述原理类似, 斜向拉伸作用导致不同走向角度的先存断裂存在走滑和拉张分量的差异：走滑分量比较强的断裂封闭程度明显强于伸展分量强的断裂, 而张性分量较强的断裂对油气的封闭能力相对于走滑断层则稍显不足, 但其却有利于油气运移。从图7的构造物理模拟实验也可以看出, 走滑分量大的断裂紧闭, 而伸展分量大的断裂则明显呈张开状态。

龙口7-6油田区的平面“ S” 型断裂体系（见图10）是新近纪斜向拉伸作用的典型“ 成果” , 本文以此为例, 对斜向拉伸控油机理进行论证。该油田区位于渤东低凸起的南部倾末端（见图1）, 由继承性发育的北东向断层和两端的北东东向新生断层“ 生长结合” 形成“ S型” 的平面断裂体系, 油气主要分布于沟通油源的继承性发育断裂或垂向与之搭接的新生断层附近, 油气勘探集中在大量的新近系断块和断鼻圈闭中。至2018年, 该区域钻探了10口勘探井, 取得了不错的勘探效果, 但不同部位成藏差异性明显：在储集层、圈闭条件相似的情况下, 相距5 km以内的某些探井油层厚度超过70 m, 而另一些探井油层仅2~3 m。对其钻探结果剖析发现, 斜向拉伸作用决定的断裂运移和封闭能力差异是影响其成藏效果的重要因素, 以A井和J井为例：A井在馆陶组获得超过70 m的测井解释油层, 油层厚度大, 这是由于A井靠近弧形断层, 具有同一断层自运自封的能力, 该弧形断层南段的北东东向部分伸展分量大、运移能力很强, 油气可以沿断面或构造脊向北北东走向部分（走滑分量较强、封闭能力较好的分段部位）运移, 聚集成藏。而其北侧J井处的运移断层和封堵断层均为拉张分量较强的新生断层, 拉张分量增强使运移断层具有较强的充注能力, 但是封闭性却比走滑分量强的断层差很多, 充注油气容易发生漏失, 该井录井油气显示多达百米, 最终在馆陶组测井解释油层却仅有十余米, 且含油水层和油水同层的数量很多, 明显是油气充注之后发生大量漏失。不仅针对这两口探井, 本文利用上述分析原理对油田区的10口探井的运移断层和封闭断层的走向角度与晚期拉张方向的夹角进行统计, 并将两者拟合为斜向拉伸富集因子, 用F表示：

F=α /β （1）

式中 α — — 运移断层走向与拉伸方向的夹角, （° ）; β — — 封闭断层走向与拉伸方向的夹角, （° ）。

图10

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	图10 龙口7-6油田馆陶组顶面构造图

以此表征斜向拉伸作用机制下, 断层方位角度影响的断层运移和封闭能力及其决定的油气成藏条件优劣。

将油田区探井的F值与测井解释的油层厚度进行交会制图, 结果如图11所示。可以发现, F值与测井解释油层厚度呈明显的正相关关系, 即富集因子越大, 运移和封堵断层的匹配效果越好, 最终获得的油层厚度也越大。这一结果也证明了该模型在斜向拉伸区油藏评价过程中的适用性。

图11

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	图11 龙口7-6油田油层厚度与斜拉富集因子对应关系

需要强调的是, 断裂的运移和封闭能力是受到断裂带结构、断层岩性质、围岩物性等多种因素的共同影响, 单单靠断层性质控制的应力因素进行判断是不严谨的, 本文在对斜向拉伸构造成藏区的油气层统计过程中也发现, 不同区块间的斜向拉伸富集因子并不能进行横向对比, 比如A区块的斜向拉伸富集因子比相距较远的B区块更大, 但并不代表A区块的油层厚度比B区块更厚, 这也正是因为油气运移和封闭是受到多种因素影响的结果。但是, 对于岩性分布均匀, 断层晚期活动性相似但是断裂走向差异巨大的小面积单一区块来说, 断层性质控制的应力因素对油气富集的影响将愈发明显, 通过断层性质对有利成藏位置进行预测的适用性也愈强。

渤东地区乃至渤海湾盆地在新近纪斜向拉伸作用下先存构造复活, 形成了众多新近系弧形断层、断块、断鼻等斜向拉伸构造, 而大量断层的运移与封堵能力尚有待研究, 本文从断层与拉伸方向夹角引出的应力差异提出了分析上述问题的一个角度, 也为相似构造发育目标区的下步油气勘探提供了借鉴。

渤东地区古近纪遭受了郯庐断裂带走滑及其派生作用以及伸展裂陷的叠合作用, 发育了数量众多、走向多变的先存断裂体系, 新近纪又发生了明显的构造应力方向的转变, 为先存断裂在新近纪复活并发育斜向拉伸提供了条件。

断裂体系可分为继承发育型、早期消亡型和晚期新生型, 在凸起边界继承发育型断裂表现为走滑-伸展或伸展构造样式、在凹陷部位的晚期新生型断裂表现为伸展构造样式, 断裂多呈“ 雁列” 状展布, 构造样式属于先存断裂斜向拉伸构造样式。

渤东地区的断裂体系在新近纪主要遭受近南北向的拉伸作用, 而并非以简单剪切形成的压扭性走滑作用为主。

不同走向角度的先存断裂在晚期近南北向斜向拉伸过程中具有不同大小的走滑-伸展相对分量, 走滑分量强的断裂具有较好的流体封闭能力, 而伸展分量强的断裂具有更好的油气运移能力, 该规律影响了斜向拉伸机制主控含油构造的油气富集程度。

（编辑 魏玮）