2019, Vol. 28
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2. 中国石化 胜利油田有限公司物探研究院, 山东 东营 257022
2. Geophysical Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Co., Ltd., Dongying 257000, Shandong Province, China
随着油气勘探开发的深入，人们逐渐认识到小断层对油气成藏及开发的意义，加大了对小断层研究的重视.目前对于小断层的研究程度较低，受限于资料分辨率的影响，小断层很难精确解释，很难达到油田的生产需要.目前对小断层的认识尚存在分歧，周赏等[1]发现断距小于3 m的断层仅表现为地震反射同相轴的轻微挠曲，难以识别.李阳等[2]将断距小于1.5 m、延伸长度小于300 m的断层称为小断层.杜文凤等[3]认为煤层中落差5 m以上的断层在常规地震剖面上表现为同相轴的明显错开，而落差小于3m的断层，在地震剖面上表现为同相轴的微小错开、扭曲、振幅突然变弱等特征.姚红生等[4]认为由于五、六级断层落差小，延伸短，它们是沉积盖层中的伴生断层，落差一般从几米至十几米不等，延伸长度多小于500 m.张延庆等[5]认为小断层的断距一般为10~15 m的小断层.许进鹏等[6]认为小断层的断距小于15 m，一般其切割深度只有十几米到几十米，走向长度也只有几十米至几百米.本研究根据对临北地区小断层的解释，发现小断层多为五、六级断层，并对其量化为在横向上的延伸长度不超过500 m，断距通常小于20 m的断层.
1 地质背景惠民凹陷划分为临南洼陷、滋镇洼陷、中央隆起带和南斜坡等次级构造单元，其中中央隆起带是该区主力油气分布区.临北地区位于惠民凹陷中央隆起带临邑大断层东部撒开端，滋镇洼陷与临南洼陷之间，是一个多物源的内陆湖盆，东西长70 km，南北宽15 km，面积约1000 km2（图 1）.该区北以斜坡向滋镇洼陷内倾伏，南以临商断层与临南洼陷分隔，西部为盘河背斜，中部为宿安沟背斜，东部为商河背斜，内部被临商帚状断裂分割，形成多类型的构造特征[7].古近系发育了孔店组、沙河街组和东营组，新近系与第四系覆盖其上，呈角度不整合接触.
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图 1 研究区位置示意图 Fig.1 Location sketch map of the study area 1-断层（fault）；2-城市（city）；3-井位（well position）；4-研究区范围（study area） |
小断层大致有两方面的特点：1）在常规勘探的地震资料解释中，利用通常的断层识别标准难以发现其存在；2）断层的断距和延伸长度规模都比较小[8-9].因此，小断层可以定义为：在经过严格常规处理后的地震剖面上，表现为微小错开或是同相轴扭曲、振幅突然变弱等形式的一类断层，其在横向上的延伸长度一般不超过500 m，断距在10 m左右.本次研究，利用临北地区高精度三维地震资料，通过信号强化、大比例显示及蚂蚁体追踪技术，在剖面上建立了以下6种小断层的识别标志与特征：1）同相轴的轻微错断；2）同相轴的分叉、合并；3）同相轴的挠曲、强相位转换；4）反射零乱或出现空白带；5）同相轴突然增减或消失，波组间隔突然变化，表现为不连续；6）借助蚂蚁体剖面识别小断层.小断层的具体识别特征及解释见图 2.
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图 2 小断层的识别特征 Fig.2 Identification characteristics of minor faults |
断裂的剖面组合形态表现出多种样式，包括地堑与地垒式、“Y”字形、“包心菜”式、断阶式等. “Y”字形断层（图 3a）由主干断层和与其对应的上盘小断层组合而成，根据上盘小断层的数量又可分为“Y”字形和多级“Y”字形.断阶式断层组合（图 3b）由若干条产状基本一致的正断层构成，各条断层的上盘依次向同一方向断落，此种组合形式主要发育在临北地区东部. “包心菜”式断层组合（图 3c）是由呈弧形断面的断层组成，两侧断层倾向相对，整个断层组合中没有明显的主断层，在断层组合的底部可以有根也可无根，两组相对的断层像包心菜一样相互搭接，形成花心和花瓣[10]. “包心菜”式断层组合一般发生在隆起部位，在张应力作用下形成，也称作“似花状构造”.此种组合形式主要发育在临商断层中段.地堑（图 3d）由走向大致平行、倾向相反、性质相同的两条断层组成，它们中间共用一个下降盘；地垒则恰好相反，它们中间共用一个上升盘，常构成隆起、凸起等正向构造.剖面上这些断裂的组合形式对油气的运聚成藏起着主要的控制作用，其中的主干断层垂向上切割多个层位，断距大，延伸长，继承性发育，对油气的运移起着主要控制作用.小断层垂向上切割层位少，属于层间断层，断距小，延伸短，分布具有随机性，可形成构造圈闭，控制油气的封堵.
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图 3 临北地区断层剖面组合样式 Fig.3 Combination styles of faults on section in Linbei area a-“Y"字型(Y-shape); b-断阶式(fault step); c-花状构造(flowver structure); d-地堑(graben); T1-馆陶组底(bottom of Ng); T2-沙一段底(bottom of Es1); T3-沙二段底(bottom of Es2); T4-沙三上底(bottom of Es3s); T6-沙三中底(bottom of Es3z); T7-沙四底(bottom of Es4) |
临北地区断层的平面组合样式可划分为平行式断层、帚状断层、斜交断层、梳状断层、雁列式断层等5种类型.其中平行式断层主要分布在洼陷区，帚状断层构成研究区的主体，分布在核心区域，雁列式断层分布在研究区北部，斜交断层和梳状断层分布有限.
3 小断层形成演化临北地区处于惠民凹陷中央背斜带，同时又处于临商大型帚状构造的撒开端，构造复杂，断层发育.大断层的形成演化，前人做过众多工作，但小断层的形成过程尚缺乏研究[11-13].本次研究遵循盆地构造分析的基本思路，以惠民凹陷演化为背景，在2D-Move（2011）平衡剖面软件的支持下运用盆地反演的技术与方法，选择横跨临北地区南北向剖面，对临北地区古近纪以来的构造演化特征进行研究.
演化分析表明，断陷早期（孔店期）大断裂初具规模.此时为张性正断层，北缘断层活动比南缘活动强烈，形成北陡南缓的不对称地堑盆地，凹陷主要断层也已形成.断陷早中期（沙四期）大断裂持续发育，此时为惠民凹陷整体断陷活动最强期，形成北断南超的半地堑盆地.沙三期小断裂开始形成，形成部位较深.断陷中晚期（沙三-沙二期）大断层转为张扭性正断层，北界断层活动减弱，转入集中断陷阶段，张扭性的惠民凹陷就是在这一时期发育成型，同时一系列小断层集中在该时段发育.断陷晚期（沙一-东营期）除临邑断层尚有较强活动性外，其他断层活动明显减弱.东营期末的华北运动使断陷构造最终定型，并由断陷向拗陷盆地转化.由构造演化结果可以看出，小断层形成主要集中在沙三-东营时期（图 4）.
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图 4 断层形成演化 Fig.4 Formation and evolution of faults T1-馆陶组底（bottom of Ng）；T2-沙一段底（bottom of Es1）；T3-沙二段底（bottom of Es2）；T4-沙三上底（bottom of Es3s）；T6-沙三中底（bottom of Es3z）；T7-沙四底（bottom of Es4） |
构造模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象变形特征、成因机制和动力学过程的一种物理实验方法.物理模拟的关键是模型与原型之间的相似性问题，实验模型与原型具有多大程度的可比性是模拟实验成败的重要判据.因此，物理模拟实验需要确保几何、动力、材料以及边界的相似性，以确保模型能真实反映地质构造的本质[14-15].
4.2 实验过程实验材料主要有脆性材料和塑性材料.脆性材料主要有：经过筛选的石英砂（直径0.2~0.5 mm），彩砂；塑性材料主要有：泥粉，橡皮泥粉，硅胶，石蜡油，高密度黄油，纯净水.实验设备使用的是SG-2000构造模拟装置：通过马达调控活动端，模拟拉张和张扭应力场环境，定量控制拉张速度和距离、边界条件、厚度、压力等条件，从平面和剖面上观察并记录各阶段形态变化及演化过程.
4.2.1 平面模拟小断层形成过程模拟实验所处的环境是一个由固定挡板、一个活动T形挡板及两块固定玻璃挡板构成的一个顶部开放的箱体.先用泡沫板模拟出基底断层的情况，再将黄砂均匀铺放在箱体底部.拉伸开始后，以1 cm/min的速率进行拉伸，并每隔10 s记录一次沙箱顶面的情况.
实验开始后，在拉伸的动力条件下，首先在光滑的砂箱表面形成了3条大断层.随着平面的继续拉伸，3条大断层逐渐凸显，大断层之间以及旁侧也形成了许多伴生小断层（图 5）.这也与之前临北地区帚状断裂带在大断层末端及两侧许多小断层的分布规律相吻合，同样受大断层控制也是小断层的一种形成机理.伴生小断层走向与大断层基本一致，受大断层控制.
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图 5 小断层形成机理物理模拟(平面) Fig.5 Physical simulation of formation mechanism of minor faults in plane a-模拟主干断层(simulation of major faults); b-主干断层出现(occurrence of major faults); c-小断层出现(occurrence of minor faults) |
模拟实验所处的环境是一个由固定挡板、一个活动T形挡板及两块固定玻璃挡板构成的一个顶部开放的箱体.将黄砂与彩砂以2 cm的厚度交替平铺在沙箱底部，并使其表面水平.本次实验主要模拟的是单侧拉伸，故将一侧传动轴旋转，每10 min拉伸1 cm，每隔10 s记录一次箱体侧面的情况.这样就可以从剖面上模拟并记录断层的形成过程.
拉张构造模拟实验应用了相似理论来指导模拟实验的设计，并模拟临北地区拉伸的动力环境.构造模型剖面在拉张的动力条件下，首先形成了一条大的正断层.随着模型的继续拉伸，大断层一侧形成了多条走向相同，倾向相反的小断层.构造模型拉伸越大，断层的倾角越小（图 6）.
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图 6 小断层形 成机理物理模拟(剖面) Fig.6 Physical simulation of formation mechanism of minor faults (profile) |
由构造模拟实验的结果可以看出，大断层附近的区域应力场是其主要形成原因，形成的小断层多与大断裂平行，呈平行式分布.
5 结论1）利用同相轴的分叉、合并、不连续、空白带和轻微错断、挠曲，以及借助蚂蚁体追踪技术等识别出众多小微断层.这些小断层在空间上组成断阶式、卷心菜式、“Y”字型等多种构造样式.
2）临北地区大断层形成于沙三段之前，小微断层形成于沙二段之后，主要受控于临商断裂带的活动，为其派生或伴生构造.
3）构造物理模拟显示，临北地区小断层主要为主干断层活动的派生或伴生构造，大断层附近的区域应力场是其主要形成原因，形成的小断层多与大断裂平行，呈平行式分布.
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