石油勘探与开发 >

2022 , Vol. 49 >Issue 4: 716 - 727

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20220056

油气勘探

南堡凹陷4号构造带断裂活化及其对油气成藏的控制作用

  • 刘露 , 1 ,
  • 孙永河 , 2, 3 ,
  • 陈昌 4 ,
  • 娄瑞 1 ,
  • 王琦 1
展开
  • 1 东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318
  • 2 重庆科技学院非常规油气开发研究院,重庆 401331
  • 3 复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室,重庆 401331
  • 4 中国石油辽河油田公司,辽宁盘锦 124010
孙永河（1979-）,男,黑龙江大庆人,博士,重庆科技学院教授,主要从事盆地构造解析与油气成藏研究。地址：重庆市沙坪坝区大学城东路20号,重庆科技学院非常规油气开发研究院,邮政编码：401331。E-mail：

刘露（1990-）,女,黑龙江伊春人,东北石油大学在读博士,主要从事走滑构造变形及成因机制研究,地址：黑龙江省大庆市高新技术产业开发区学府街99号,东北石油大学地球科学学院,邮政编码：163318。E-mail：

Copy editor: 谷江锐

收稿日期: 2022-04-15

  修回日期: 2022-06-01

  网络出版日期: 2022-07-25

基金资助

黑龙江省优秀青年人才支持项目(140119002)

中国石油科技创新基金研究项目(2020D-5007-0108)

中国石油“十四五”前瞻性基础性重大科技项目(2021DJ0701)

收起

Fault reactivation in No.4 structural zone and its control on oil and gas accumulation in Nanpu sag, Bohai Bay Basin, China

  • Lu LIU , 1 ,
  • Yonghe SUN , 2, 3 ,
  • Chang CHEN 4 ,
  • Rui LOU 1 ,
  • Qi WANG 1
Expand
  • 1 Earth Science College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China
  • 2 Institute of Unconventional Oil and Gas Development, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China
  • 3 Chongqing Key Laboratory of Complex Oil & Gas Field Exploration and Development, Chongqing 401331, China
  • 4 Liaohe Oilfield Company, CNPC, Panjin 124010, China

Received date: 2022-04-15

  Revised date: 2022-06-01

  Online published: 2022-07-25

Fold

摘要

基于地震、钻井等资料,对南堡凹陷基底先存F4号走滑断裂（简称F4号断裂）活化成因机制及其对油气成藏的控制作用进行研究。综合运用断裂活动期次的厘定、断距回剥和物理模拟等技术手段,明确了F4号断裂在新生代再活动形成的南堡凹陷4号构造带由南向北传播生长,南部以走滑变形为主,北部以伸展变形为主;4号构造带与相邻2号、3号构造带内断裂属于不同断裂体系,是在统一应力场作用下通过“独立生长—相互接触—作用连接”最终交织在一起。通过构建先存断裂再活动变形机制判别图版,认为古近系沙河街组沉积期F4号断裂受走滑作用控制发生再活动,古近系东营组和新近系馆陶组—明化镇组沉积期该断裂受斜向伸展作用控制发生再活动。F4号断裂在新生代再活动对成藏的控制作用包括：①作为油源断裂控制油气垂向跨层运移。②形成走滑转换带控制砂体展布。③向上传播生长并与邻区相互作用控制两类圈闭的形成,有利于油气富集。

关键词： 渤海湾盆地; 南堡凹陷; 新生代; 走滑断裂; 先存断裂; 断裂活化; 判别图版; 物理模拟实验; 油气成藏

本文引用格式

刘露 , 孙永河 , 陈昌 , 娄瑞 , 王琦 . 南堡凹陷4号构造带断裂活化及其对油气成藏的控制作用[J]. 石油勘探与开发, 2022 , 49(4) : 716 -727 . DOI: 10.11698/PED.20220056

Abstract

Based on seismic and drilling data, the reactivation mechanism of the pre-existing basement F4 strike-slip fault in Nanpu sag and its controlling effect on hydrocarbon accumulation difference are systematically studied. By defining fault activation stages, back-stripping fault throw and physical modeling, it is found that the Nanpu No.4 structural zone formed by the Cenozoic reactivity of the F4 fault grew from south to north, with strike-slip deformation dominated in the south and extensional deformation dominated in the north. Faults in the No.4 structural zone and those in the adjacent No.2 and No.3 structural zones were different fault systems, which grew separately, contacted and connected, and finally interwove under the action of unified stress field. By constructing the identification chart of deformation mechanisms of reactivation of pre-existing faults, it is concluded that during the sedimentary period of the Paleogene Shahejie Formation, F4 fault was reactivated by strike-slip faulting, and during the sedimentary period of Paleogene Dongying Formation and Neogene Guantao-Minghuazhen formations, it was reactivated by oblique extension. The controlling effects of Cenozoic reactivation of F4 fault on hydrocarbon accumulation include: (1) As the oil-source fault, it controlled the vertical cross-layer migration of oil and gas. (2) It gave rise to strike-slip transfer zone to control the distribution of sand bodies. (3) It grew upward and interacted with faults in the neighboring area, controlling the formation of two types of traps, and was favorable for oil and gas accumulation.

Key words： Bohai Bay Basin; Nanpu sag; Cenozoic; strike-slip fault; pre-existing fault; fault reactivation; identification template; physical simulation experiment; hydrocarbon accumulation

0 引言

先存构造活化或再活动这一现象在渤海湾盆地[1]、塔里木盆地[2-3]、Phitsanulok盆地[4]和渤海海域[5]等含油气盆地或海域中普遍存在。通过野外露头、地震资料及物理模拟研究发现,先存构造再活动强烈影响盆地结构及演化,主要表现在3个方面：①先存构造再活动是促使断层生长传播的重要因素[6⇓-8]。②先存构造再活动影响晚期新生断裂成核点位置[9]。③先存构造再活动还会改变或扰动局部应力场,进而从根本上影响、改变区域的变形特征及构造样式[9⇓⇓-12]。如中国渤海湾盆地新生代演化受基底先存郯庐断裂带再活动强烈影响,造成盆地部分地区继承了基底走滑断裂变形,形成了大量变换带,同时影响了新生断裂的发育[1]。然而,前人关于先存构造再活动的研究主要集中于裂谷系统中先存低角度正断层和逆断层的继承性活动[13⇓⇓⇓-17],而对裂谷系统中走滑断裂的再活动研究却相对匮乏。究其原因,主要有两方面：①由于走滑变形独特的力学机制及伴生多种类型次级构造,使得走滑断裂再活动的成因机制难于判断。②走滑构造在陆内伸展、收缩应力场下通常会与邻区新生断裂带发生相互作用,导致变形特征极其复杂。
渤海湾盆地前新生界基底广泛发育大量不同走向的先存断裂[18],其中北西向走滑断裂在新生代再活动控制了渤海湾盆地局部地区复杂的构造变形[19-20],起到了明显的分区效应。例如,南堡凹陷内发育的北西向F4号断裂于新生代再活动控制了南堡凹陷4号构造带的形成与演化[21⇓⇓-24]。近年来的油藏评价表明南堡凹陷4号构造带浅层具有良好的勘探潜力,多口井获得油气显示,但仅在局部构造的高部位油气相对富集。南堡凹陷4号构造带的结构样式较为复杂,不同时期构造带内断裂的性质、变形特征、空间组合样式存在显著差异,然而作为控制4号构造带演化的基底先存F4号断裂在新生代如何发生再活动、如何控制4号构造带的形成和演化及其与邻区2号、3号构造带如何发生相互作用等方面尚未有明确认识,因而制约了油气勘探效果。
南堡凹陷4号构造带包括4号断裂带及其相关构造变形,其中4号断裂带是指基底先存F4号走滑断裂及其派生的次级断裂组合。本文以南堡凹陷4号构造带为研究区,通过对4号断裂带构造样式的解剖和断裂活动期次的厘定,分析F4号断裂在新生代再活动变形特征及生长方式;然后根据断裂变形的几何学特征、位移特征,结合砂箱物理模拟实验等手段,重新厘定F4号断裂在新生代再活动形成的4号断裂带与邻区2号、3号断裂带演化相关关系;通过构建斜交先存构造走向的伸展作用下先存断裂再活动变形机制判别图版,判断F4号断裂在不同时期再活动的成因机制和变形方式;最后分析北西向F4号前新生代基底断裂再活动对油气藏的控制作用,以期揭示渤海湾盆地北西向基底先存走滑构造再活动与油气成藏的内在联系,指导油气勘探潜力评价和有利区带优选。

1 地质背景

渤海湾盆地是发育在华北陆块上的中生代—新生代裂陷盆地[25-26],晚侏罗世—早白垩世为中生代盆地的主要成盆期,在北西—南东向伸展作用下盆地主要发育北东—北北东向伸展构造和北西向变换构造[27-28]。南堡凹陷位于渤海湾盆地北部（见图1a）,控制凹陷东部边界的北西向柏各庄断层和北部边界的北东—北东东向西南庄断层均为自中生代开始活动的断裂[29]。此外,南堡凹陷内部还发育北北东向F1、F1-5、F2、F3、F3-1、北东东向F5和北西向F4共7条主要的前新生代基底先存断裂（见图1b）。新生代南堡凹陷构造演化具有多幕发育的特点,多期不同方向的区域伸展或多种构造体制的叠加形成了现今凹陷内复杂的构造格局[21,30 -31]。关于南堡凹陷的成因,前人提出了多种成因模式[21,30⇓⇓ -33],但都很难用统一应力场解释断裂的分布、组合样式及断裂活动。童亨茂等[24]和梁杰等[34]分别基于断裂解析和物理模拟实验提出了分期异向伸展叠加模式,认为新生代构造应力场存在一次转变,由北西—南东向伸展转为南北向伸展,这种模式解决了上述存在的问题,并由此将南堡凹陷构造演化史分为裂陷Ⅰ幕、裂陷Ⅱ幕和后裂陷期。
图1 渤海湾盆地区域构造位置（a）、南堡凹陷构造单元划分图（b）及地层综合柱状图[24]（c）

Es3—古近系沙河街组三段;Es2—古近系沙河街组二段;Es1—古近系沙河街组一段;Ed3—古近系东营组三段;Ed2—古近系东营组二段;Ed1—古近系东营组一段

南堡凹陷是受西南庄断层、柏各庄断层和沙北断层控制的三角形不对称地堑结构。北接老王庄凸起、西南庄凸起;南邻沙垒田凸起;东连柏各庄凸起和马头营凸起。内部发育北北东向、北西向基底先存断裂和北东向、近东西向新生代新生断裂,控制了3个次洼和5个复杂构造带的形成,总体呈现“五凸三凹、凸凹相间”的构造格局,其中北西走向的4号构造带位于凹陷东南部（见图1b）。
根据古近系沙三段底界角度不整合面、古近系东营组底界微角度不整合面和新近系馆陶组底界微角度不整合面,南堡凹陷自下而上划分4套构造层[31]：前新生界基底构造层、古近系裂陷Ⅰ幕构造层（沙河街组）、裂陷Ⅱ幕构造层（东营组）和新近系坳陷构造层（馆陶组—明化镇组）（见图1c）。

2 南堡凹陷F4号断裂再活动证据及特征

本文通过对研究区南堡凹陷4号断裂带静态构造样式的描述和解析、动态活动性的分析和总结、断距回剥恢复4号断裂带与2号、3号断裂带的相互作用过程,为F4号断裂作为前新生界基底先存断裂在新生代再活动提供可靠依据。

2.1 南堡凹陷4号断裂带几何学特征

2.1.1 断裂平面展布特征

南堡凹陷4号断裂带受控于北西向F4号断裂,在基底顶界面F4号断裂表现为1条平直断裂呈线性延伸（见图1b）,浅层则表现为由若干个右阶雁列式断层组成的叠瓦扇构造,断层南端沿F4号断裂走向逐渐收敛,北端向外撒开,且与2号、3号断裂带相交复合在一起（见图2a）,断裂带延伸长度和宽度向上均逐渐变大。其总体特征与先存高角度走滑断裂再活动在盖层中主要呈现间隔较小的、多断层段雁行排列的叠瓦扇构造几何特征相一致。此外,南堡凹陷4号断裂带由南向北断层段间距逐渐增大、断裂规模变大、断裂带宽度逐渐变宽,呈现显著的马尾状构造特征（见图2a）,由南向北走滑变形强度逐渐减弱,伸展变形强度逐渐增强。
图2 南堡凹陷4号构造带明化镇组底界平面断裂分布图（a）和剖面结构样式（b）

Ng—新近系馆陶组;Nm—新近系明化镇组

2.1.2 断裂剖面结构样式

南堡凹陷4号断裂带在剖面上表现为负花状构造特征,F4号断裂南部断距大,向下切穿基底,深部近于直立,向上传播逐渐分叉形成花状构造或半花状构造,其最外部边界断裂作为基底先存断裂与下部直立段构成“椅状”样式,断裂两侧地层厚度差异大,沙河街组西盘厚度明显大于东盘,断裂带变形较强,宽度较窄,走滑变形特征明显（见图2b中AA°、BB°、CC°剖面）;向北部F4号断裂断距逐渐变小、断裂向下仍切穿基底,但深部断裂倾角变平缓,断层向西倾,向上与浅层新生分支断裂构成负花状构造,西盘和东盘的沙河街组厚度几乎相同,变形相对较弱（见图2b中DD°、EE°剖面）,但断裂带宽度变大,伸展变形特征显著。此外,4号断裂带与2号、3号断裂带在浅部复合交织在一起,但断裂样式明显不同。2号和3号断裂带主干断裂剖面形态为铲式,断裂带剖面组合样式主要为复合“y”字形,为伸展断裂系统（见图2b中BB°、CC°剖面）,而4号断裂带剖面组合样式为花状构造或半花状构造,属于走滑断裂系统。

2.2 南堡凹陷4号断裂带位移特征

基于精细地震解释及构造层序界面,读取、计算得到F4号断裂在新生代各时期的活动断距和断层上、下盘地层厚度,编制F4号断裂走向位移-距离曲线、断距-埋深曲线和生长指数曲线,厘定F4号断裂的生长方式、活动期次及活动强度,为F4号断裂作为前新生界基底先存断裂在新生代再活动提供可靠依据。
F4号断裂作为南堡凹陷4号构造带的主控断裂,在新生代不同沉积时期F4号断裂的活动特征存在明显差异,其走向位移-距离曲线显示F4号断裂具有显著的分段性,为“两大段、多亚段”式分段生长模式（见图3）。根据沙三段—沙一段底界F4号断裂的位移-距离曲线,发现存在一个明显分段点,在前新生界顶界（Es3底界）,F4号断裂主要由F41和F42两大段组成,F41在北部还包含1个分支断层F41-2亚段,图3灰色和红色阴影代表的位移差分别为F41-2亚段在沙三段和沙一段底界面的活动断距,F41段在沙河街组沉积时期南部活动断距最大,由南向北逐渐减小并在末端形成一个分支断层,最终断距减小至0,即为从南向北传播生长;F42段中部断距最大,向两端逐渐减小,由中部向两端传播生长。根据东营组底界—明化镇组底界F4号断裂的位移-距离曲线,发现F4号断裂延伸长度逐渐变长,在浅部东一段底界面存在6个断层段,南部由F41段向上传播形成的3个断层亚段（F41-1、F41-2和F41-3）活动断距大,北部F42段向上传播形成的3个断层亚段（F42-1、F42-2和F42-3）断距较小（见图3）。
图3 南堡凹陷F4号断裂走向位移-距离曲线
F4号断裂不同断层段的活动强度和活动期次也存在差异。由南向北选取不同位置典型剖面进行解释（见图4a）并编制F4号断裂不同段的断距-埋深曲线和生长指数曲线,结果显示：南部F41（见图4b）、北部F42中段（见图4c）均为长期活动断裂,累计断距由上至下逐渐增大,断距梯度一直保持正数,生长指数大于1,但是在沙河街组和东营组沉积期,F42段生长指数明显小于F41段的生长指数,表明F4号断裂由南到北活动强度减弱;当F4号断裂传播至断裂北部末端时（F42北段）,断裂的断距-埋深曲线存在1个极大值点（见图4d）,断裂成核点位于东营组内,断裂开始活动的时期为东营组沉积期,表明F4号断裂向北活动时间逐渐变晚。
图4 南堡凹陷F4号断裂断距-埋深曲线和生长指数曲线（剖面位置见图2）

（a）精细解释地震剖面（L2212）;（b）F41断距-埋深曲线和生长指数图（L2212）;（c）F42断距-埋深曲线和生长指数图（L1722）;（d）F42断距-埋深曲线和生长指数图（L1400）

综上,F4号断裂在新生代发生了再活动,沙河街组沉积期主要包括两个断层,南部F41段走滑变形特征显著,断距大,断裂陡直,北部F42段走滑变形特征减弱,断距小,断裂倾角变小;东营组沉积期主要包括6个断层段,南部F41段变形强度仍最大,同时具有走滑和伸展变形特征,向北F42段变形强度小于F41段变形强度,F42段断裂末端向北持续传播生长,且主要表现为伸展变形。馆陶组—明化镇组沉积期,由南向北,位移逐渐减小,至断裂北部末端仅表现为伸展变形特征。

2.3 南堡凹陷4号断裂带与2号、3号断裂带相互作用关系

现今南堡凹陷4号断裂带与2号、3号断裂带复合交织在一起,通过编制跨带断裂走向位移-距离曲线发现,这些断裂的断距均存在明显的低值点,即分段点,断距回剥显示跨带断裂为馆陶组或东一段沉积时期断裂通过分段生长连接而成（见图5a—图5c）。此外,跨带断裂分段点位置主要位于断裂走向“弯转”部位,即过分段点向4号断裂带方向断裂走向发生变化,由北西西向变为北东东向,最后逐渐收敛于北东向断裂带（见图5d）。因此4号断裂带与2号、3号断裂带间存在构造转换带,以此为界,东部的弧形弯曲带为4号断裂带,西部为2号、3号断裂带（见图5d）。沿4号断裂带走向地震剖面发现,4号断裂带内新生次级断裂均收敛于东营组内的F4号断裂面上（见图5e）。
图5 南堡凹陷4号断裂带与2号、3号断裂带相互作用关系图

（a）F2-1断层位移-距离曲线和断距-回剥曲线;（b）F2-2断层位移-距离曲线和断距-回剥曲线;（c）F3-1断层位移-距离曲线和断距-回剥曲线;（d）4号断裂带与2号、 3号断裂带平面划分及玫瑰花图;（e）沿4号断裂带走向地震剖面图

综上所述,南堡凹陷F4号断裂再活动控制4号断裂带演化并不是孤立运动,而是在统一应力场下与邻区2号、3号断裂带发生强烈相互作用,3个断裂带在沙河街组和东营组沉积期独立生长,受控于不同断裂体系,之后在馆陶组或东一段沉积期发生硬链接从而形成现今的构造样式。

3 南堡凹陷F4号断裂再活动成因机制探讨

新生代以来南堡凹陷发生了多幕构造运动,F4号断裂再活动导致4号断裂带具有雁行展布、分段连接和多期发育的特征,本文通过数据统计、理论分析和构造物理模拟研究,对F4号断裂的再活动成因机制进行分析和模拟验证。

3.1 南堡凹陷F4号断裂再活动动力背景

南堡凹陷前新生界基底断裂再活动和古近纪新生断裂的形成与演化的区域应力体制一直备受争议[29,32]。前人通过平衡剖面、数值模拟和物理模拟等手段对区域应力机制转换的研究发现,在渤海湾盆地构造演化格局转换背景下,南堡凹陷古近纪构造演化具有多幕发育的特点,为两期斜向伸展作用叠加变形的结果,伸展方向由沙河街组沉积期的北西—南东向转变为东营组沉积期的南北向[34⇓-36]。东营组沉积早期是构造体制转变的关键时期,这可能是距今36 Ma时太平洋板块向欧亚板块俯冲方向的改变所引起[1,37]。沙河街组沉积期,北西—南东向伸展作用控制南堡凹陷北东向主干断裂的形成,西南庄断层北北东和北东向断层段、柏各庄断层、北北东向基底断裂发生再活动,受南堡凹陷边界断层以及基底先存断裂的影响,不同构造带局部应力场特征存在差异,北西—南东向伸展作用在北北东向1号构造带产生局部伸展应力场,在北西向4号构造带产生局部左旋走滑应力场,使北西向F4号断裂发生左旋走滑变形,位移主要集中在F4号断裂上,因此剖面上表现为直立特征,平面上表现为线性断裂。东营组沉积期,受近南北向伸展作用影响,在南堡凹陷内新生少量东西向和北东东向断裂,西南庄断层东西向断层段活动性增强,北北东向1号断裂带与南北向伸展作用成逆时针35°~40°斜交,产生右旋张扭应力场,而北西向F4号断裂与其成顺时针45°斜交,产生左旋张扭应力场,同时发生左旋走滑变形和伸展变形,在盖层中诱导产生次级雁行分支正断层,剖面上表现为花状构造。新近纪馆陶组—明化镇组沉积期,在持续南北向伸展作用下,凹陷内西南庄断裂、柏各庄断裂、北东向主干断裂持续活动,新生大量的东西向次级断层,F4号断裂在斜向伸展作用下变形加强。

3.2 南堡凹陷F4号断裂再活动作用机制

南堡凹陷F4号断裂再活动与区域应力状态有密切关系。沙河街组沉积期应力场方向与F4号断裂平行,东营组沉积期应力场方向发生旋转,北西向F4号断裂在东营组沉积期处于非优势走向方位,但是作为盆地内部的先存薄弱构造非常容易复活[38-39]。
东营组沉积期,北西向F4号断裂与近南北向伸展方向斜交,既具有走滑分量也有倾滑分量,那么F4号断裂到底是在伸展应力场下发生变形,还是在走滑应力场下发生变形成为最受关注的问题。原因在于斜向伸展作用下同样可以产生与走滑（特别是张扭作用）变形相类似的构造样式,但与这两种变形相关的应力状态却是不同的,这取决于中间主应力σ2的方向。斜向伸展是指在正断层的安德森应力状态（σ1竖直,σ2大于σ3,σ3水平）下使基底先存断裂发生再活动,而张扭作用是在走滑断层的安德森应力状态下（σ2竖直,σ1、σ3水平）,使变形带发生应变分区,同时兼具走滑分量和倾滑分量。这里建立基底先存断裂斜交伸展方向运动学模型（见图6a）,并引入运动学涡度（Wk）来表示纯剪切和简单剪切比重[40]（见图6b）：
$W_{k}=cos \theta$
图6 先存构造再活动应力分解模式图（a）、伸展应力场下先存断裂再活动变形机制判别图版（b）
当θ大于等于45°且小于55°时,Wk大于0.81且小于等于1,ε2方向竖直,为简单剪切控制走滑变形/张扭变形;当θ等于55°时,Wk等于0.81,ε2方向发生转变;当θ大于55°且小于等于90°时,Wk大于等于0且小于0.81,ε2方向水平,为纯剪切控制正交伸展/斜向伸展变形（见图6b）。
通过理论分析和物理模拟证实,当伸展方向与先存构造边界斜交时,诱发局部应力场的水平最大瞬时拉伸轴ε1方向为块体相对位移方向与先存构造边界法线夹角（即斜度,α）的平分线[41]（见图6a）：
$\beta=0.5\alpha$
$\theta=-0.5\beta+90$
根据（1）式和（3）式得到,当α为90°时,发生纯走滑变形;当α大于70°且小于90°时,先存构造受局部应力场控制发生以简单剪切为主的张扭变形;α等于70°时为临界值,ε2方向发生转换,由垂直转变为水平;当α大于0°且小于70°时,先存构造受局部应力场控制发生以纯剪切为主的斜向伸展变形;当α等于0°时,发生正交伸展变形。
因此,基于水平最大瞬时拉伸轴与剪切带之间的夹角θ、斜度α和运动学涡度Wk的关系,建立了斜交先存构造走向的伸展作用下先存断裂再活动变形机制判别图版（见图6b）。沙河街组沉积期,北西向前新生界基底先存F4号断裂在北西—南东向伸展作用下,两盘相对运动方向与伸展方向近于平行,局部产生走滑应力,发生走滑变形;东营组—馆陶组—明化镇组沉积期,在近南北向伸展作用下两盘运动方向相对基底先存断裂夹角α为45°,F4号断裂再活动主要发生以纯剪切为主的斜向伸展变形。

3.3 南堡凹陷F4号断裂再活动物理模拟

关于先存断裂再活动的构造物理模拟,已经有许多学者进行过相关实验。本文根据研究区实际断裂发育情况,设计模拟F4号断裂再活动及与邻区断裂相互作用过程实验。实验模型为研究区简化的基底先存构造模型,将硬质泡沫一侧固定在软橡胶皮上,倾角为80°的硬质泡沫与软橡胶皮交界位置模拟沙河街组沉积期复活后的北西向先存F4号断裂,在南北向伸展作用下发生斜向伸展作用,软橡胶皮其余位置不设置任何先存构造,模拟不受先存构造控制区域发生正交伸展变形及与F4号断裂相互作用变形。实验材料选择干燥的石英砂,其变形遵循莫尔-库仑破坏准则,内摩擦角为31°左右,与地层岩石内摩擦角相近[42]。实验装置及基底设置如图7a、图7b所示,实验过程如图7c—图7h所示。
图7 南堡凹陷4号断裂带演化过程及与2号、3号断裂带相互作用模拟实验装置及结果

（a）模拟实验装置;（b）剖面示意图（剖面位置见图7a）;（c）位移为0.5 cm时的实验照片;（d）位移为1.5 cm时的实验照片;（e）位移为2.0 cm时的实验照片;（f）位移为0.5 cm时的实验解释结果;（g）位移为1.5 cm时的实验解释结果;（h）位移为2.0 cm时的实验解释结果;（i）Ed3沉积后,4号断裂带与2号、3号断裂带相互作用结果;（j）Ed1沉积后,4号断裂带与2号、3号断裂带相互作用结果;（k）Nm沉积后,4号断裂带与2号、3号断裂带相互作用结果

实验结果显示：①在南北向伸展作用下,在预设北西向先存基底和无先存基底处产生两种类型断裂带,即先存断裂复活带和伸展断裂带（见图7c—图7h）。前者发生斜向伸展变形,断裂总体沿着先存基底呈右阶雁行排列（见图7c、图7f）。断裂带同时具有走滑位移和伸展位移,并具有分区特征,走滑位移主要集中在相对狭窄的断裂带上;随着位移增大,雁行断裂南端逐渐收敛,北端逐渐向外撒开弯曲,走向逐渐趋于垂直伸展方向,断裂位移从南向北由走滑位移转为伸展位移（见图7d、图7e、图7g、图7h）。后者发生正交伸展变形,断裂全区发育,走向垂直于伸展方向（见图7d、图7g）,随着位移增大,断裂数量增多,位移变大,断裂延伸长度变长（见图7e、图7h）。②在统一应力场作用下,初始变形期,两个断裂带为孤立发育（见图7c、图7f）,断裂独立生长传播（见图7c黄色框）;随着位移增大,伸展断裂带内新生断裂延伸长度变长（见图7d、图7g）,其末端与先存断裂复活带内弯曲断裂互相接触（见图7d黄色框）;随位移进一步增大,先存断裂复活带宽度变宽,两个变形带内断裂位移增大、长度变长（见图7e、图7h）,断裂端部发生相互作用,连接在一起（见图7e黄色框）。这与前述分析得到4号断裂带与2号、3号断裂带在统一应力场下,各时期发生“独立生长—相互接触—作用连接”过程（见图7i—图7k）相一致。

4 先存走滑断裂再活动的控藏作用

4.1 控制油气垂向运移

基底先存走滑断裂再活动向上传播生长能够起到沟通油源的良好作用。以本研究区为例,F4号断裂再活动,一方面基底断裂持续向上传播生长可穿透上覆盖层,另一方面诱导盖层中形成新生次级雁行断裂并与基底先存断裂垂向搭接。两者均良好地沟通了下部沙一段和沙三段主力烃源岩,为油气向浅层运移提供通道（见图8）。4号构造带南部油藏主要围绕走滑复活带呈多层系分布,沙一段—明化镇组均有油气富集,表明F4号断裂再活动作为油源断裂控制油气垂向跨层运移,调整油气聚集层位。以np4-12井为例,东二段和馆陶组都见到良好的油气显示,为验证东一段是否存在古油藏后期被调整至浅层,采集np4-12井馆陶组、东一段和东二段岩屑样品,进行了储集层颗粒定量荧光分析[43]和储集层颗粒萃取液定量荧光分析[43],这两种分析技术均属于储集层定量荧光技术,通过定量检测储集层颗粒表面吸附烃和颗粒内部油包裹体的荧光强度和荧光光谱特征,用于识别储集层的含油气性、判别现今油层和古油层等。结果显示检测样品Q值都大于4,Qe值都小于20（见图8）,说明东一段确实存在古油藏,后期油气发生了垂向运移。
图8 南堡凹陷4号构造带过典型井油藏剖面图（a）及np4-12井综合柱状图（b）

4.2 控制砂体展布

基底先存走滑断裂再活动在浅层形成雁列断层,断裂叠覆部位形成的转换带为水系入盆的重要通道,控制砂体展布。F4号断裂再活动向上生长平面上多个断层段呈右阶雁行排列,由于强烈的斜向伸展作用,叠覆部位形成左旋右阶张性转换带。从东二段断裂分布与砂体配置关系来看,断裂叠覆区形成的构造转换带明显位于河道发育区内,并在此处形成了扇三角洲砂体（见图9）。因此,F4号断裂再活动形成转换带控制了砂体入盆的位置,砂体由转换带进入湖盆后,沿着垂直断层走向向湖盆深部延伸。
图9 南堡凹陷4号构造带东二段沉积相分布图

4.3 控制有利圈闭的形成

基底先存走滑断裂在新生代再活动控制两种特殊类型断层圈闭的形成,一种是走滑断层圈闭,一种是伸展断层圈闭。走滑断层圈闭主要发育在东营组—明化镇组,平面上分布在4号断裂带北部。其形成受两方面因素控制：①由于基底F4号断裂断面倾角大,断裂向上传播时将引起地层隆起变形（见图8）。②F4号断裂在东营组至明化镇组沉积期再活动发生斜向伸展变形,形成雁列式断裂,其与基底断裂构成“椅状”组合样式。两者共同控制上盘“背形负花状构造”,为油气富集提供聚集空间。伸展断层圈闭主要分布在东二段—明化镇组内,平面上分布在4号断裂带与邻区2号、3号断裂带相互作用的构造转换部位。图10a中沿断层走向的JJ°剖面显示,在现今相连的断裂走向“拐弯”处下盘地层发生隆起（见图10b）,控制发育一系列断块圈闭（见图10a）,为油气的有利富集部位。
图10 南堡凹陷4号构造带南部圈闭分布特征
综上所述,基底先存走滑断裂再活动对新近系油气富集的控制作用主要体现在3个方面：①作为油气运移通道输导油气,有利于油气在浅层成藏。②控制砂体的展布。③控制浅层圈闭的形成,有利于油气在浅层聚集。

5 结论

南堡凹陷前新生界北西向基底先存F4号走滑断裂在新生代发生再活动,形成的4号断裂带表现为多段式、右阶雁行排列特征,由南向北传播生长,南部以走滑变形为主,北部以伸展变形为主。
新生代4号断裂带与邻区2号、3号断裂带为不同断裂体系,通过物理模拟实验显示,它们是在统一应力场作用下,经历“独立生长—相互接触—作用连接”过程最终交织形成现今构造样式。
基于水平最大瞬时拉伸轴与剪切带之间的夹角θ、斜度α和运动学涡度Wk的关系,建立斜交先存构造走向的伸展作用下先存断裂再活动变形机制判别图版。沙河街组沉积期,北西向F4号前新生界基底断裂受走滑作用影响发生再活动;东营组沉积期,受斜向伸展作用影响发生再活动。变形方式的转变与古近纪东营组沉积期太平洋板块向欧亚板块俯冲方向的改变所引起应力场方向转变有关。
先存走滑断裂晚期再活动对成藏控制作用包括：①作为油源断裂控制油气垂向跨层运移;②形成走滑转换带控制砂体展布;③向上传播生长及与邻区相互作用控制两类圈闭的形成,有利于油气富集。
符号注释：
GR——自然伽马,API;n——断层数量,个;Q——储集层颗粒定量荧光指数;Qe——储集层萃取液定量荧光指数;RLLD——深侧向电阻率,Ω·m;t——双程旅行时,s;Wk——运动学涡度;α——斜度,（°）;β——水平最大瞬时拉伸轴（ISAmax）与先存构造边界法线之间的夹角,（°）;θ——水平最大瞬时拉伸轴（ISAmax）与剪切带之间的夹角,（°）;σ1——最大主应力,MPa;σ2——中间主应力,MPa;σ3——最小主应力,MPa;ε1——水平最大瞬时拉伸轴;ε2——中间瞬时拉伸轴。

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