0 引言

断层是含油气盆地中控制油气生成、运移、聚集的重要因素，规模较大的断层主要控制含油气盆地内部断块的整体构造趋势、断块的形状和产状；而规模较小的小断层则进一步分割含油气断块，并使含油气断块的油、气、水关系更加复杂，决定构造的规模和圈闭的有效性，直接影响井位设计和油田开发方案的制定^[1].因此小断层的精细解释对于勘探目标的落实有着极为重要的意义.

特别是在油气勘探后期以及油田开发阶段，断距较大的断层形态特征以及分布规律已经基本解释清楚，但许多断距较小的断层却难以识别，因此，在此阶段如何识别小断层、发现小断层的分布规律以及小断层控藏作用显得极为重要.中国东部含油气盆地多为断陷盆地，断裂构造特征复杂，普遍存在断距5~20 m左右的小断层，它们在平面上延伸较短，可以输导油气，也可以侧向封堵油气，控制成藏.东部含油气盆地现阶段都已经进入勘探开发成熟期，随着勘探开发的不断深入，逐渐认识到小断层对目前阶段油气开发的意义，加大了对小断层研究的重视.特别是在惠民凹陷江家店地区，大断层勘探程度相对较高，但断距在5~25 m左右小断层的勘探研究程度较低，主要以地震、测井、地质统计资料为基础，进行常规资料解释.受限于小断层解释方法以及地质资料分辨率的影响，小断层很难精确解释，也很难满足油田的生产需要.前人在惠民凹陷小断层的地震解释方面做了大量研究，但是小断层的识别特征总结、小断层发育及分布规律研究尚存在一些问题.

1 小断层的识别 1.1 小断层含义

断层是岩层或岩体顺破裂面发生位移的地质现象^[2].在煤田地质研究中，小断层是诱发煤矿安全事故的主要因素之一，并将小断层定义为落差小于3 m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^[3].而在油气地质中，小断层大致有两方面的含义：一是在常规勘探的地质资料解释中，利用通常的断层识别标准难以发现其存在；二是断层的断距和延伸长度上规模都比较小，一般不控制沉积^[4].因此，可以这样来定义小断层：经过严格常规处理后的地震剖面上，地震同相轴出现轻微错断、同相轴不连续、同相轴轻微挠曲、同相轴分叉或合并、同相轴出现空白带等形式的一类断层.结合江家店地区构造特征的具体情况以及对江家店地区的小断层的综合认识，对江家店地区小断层量化为在横向上的延伸长度不超过500 m，断距小于20 m的断层.

1.2 小断层的识别特征

在地震剖面上常规大断层可以通过地震同相轴的错断、分叉、合并、扭曲、数目变化等特征直接识别解释^[5]，但是小断层的识别解释则更为复杂.结合常规大断层的地震解释以及前人对小断层的识别技术研究，把江家店地区小断层识别特征与技术具体总结为：同相轴的微错断；同相轴的轻微挠曲；同相轴的分叉、合并；同相轴不连续；同相轴出现空白带；借助蚂蚁体技术识别的小断层（图 1）.

同相轴的轻微错断在地震剖面上表现为反射波标准层的轻微错断，断层两侧波组关系稳定，特征清楚（如图 1a、a′）.

同相轴的轻微挠曲在地震剖面上表现为同相轴并没有断开，只是波组出现了轻微的挠曲（如图 1b、b′）.需要注意的是同相轴的轻微挠曲也有可能是由地表条件引起的，但是由地表条件引起的同相轴的轻微挠曲在地震剖面上表现为不同深度的同相轴挠曲程度相同.

同相轴的分叉、合并在地震剖面上表现为反射波组、波系两侧同相轴数目不同，出现一根同相轴对应两根或多根的情况（如图 1c、c′）.

地震勘探时，受断层对射线屏蔽作用影响，地震剖面上反射波同相轴出现一条连续的空白的反射波振幅减弱的条带，一般是小断层的表现特征（如图 1d、d′）.

同相轴不连续在地震剖面上表现为断层两侧地层产状相似或相同，虽然断层两侧同相轴在一条直线上，但小断层处同相轴却似断非断，反射波“藕断丝连”（如图 1f、f′）.

蚂蚁体算法是一种新型仿生类优化算法，它的灵感来源于自然界中真实蚁群在觅食时选择最短路径^[6].剖面中黄色线条代表蚂蚁体追踪断层或断裂的解释结果，黄色越深代表断层或断裂解释的可信度越高，该方法具有预测精度高、解释结果客观、运行时间短、叠后效果明显等优点，在许多地区得到了较好的应用^[7-9].

根据江家店地区目标小断层的断距设置相应的参数：初始蚂蚁边界范围值为4~5；蚂蚁搜索步长为2~3；停止标准值为5%；产状控制范围为60~90°；选取较大的非法步长以及较小的合法步长.在这些参数条件控制下得到了江家店地区蚂蚁体平面图（图 1e、e′）以及立体模式图，来辅助小断层解释.

2 小断层的发育规律

惠民凹陷位于济阳拗陷西南部，是一个中、新生代拉张断陷盆地，断裂构造复杂.江家店地区位于惠民凹陷的南部洼陷内，是一个受夏口断裂控制的鼻状构造，小断层发育.在江家店地区，T2地层层位之上小断层发育较少，很难控制油气成藏，T2之上断层大部分都是从T6一直贯穿上来的大断层.本次研究着重从江家店T3构造层位附近的断层中发现小断层在平面和剖面上发育的普遍规律，为其他构造条件相似地区小断层的寻找提供理论依据.

2.1 大断层周围伴生小断层

伴生断层主要受主控断层局部构造应力的影响，为主控断层的次一级断层.如果一个大断层周围的岩体中存在早期小断裂，当再次遭受构造应力作用时，在小断裂的端点、转折点或分支点附近，最易发生应力集中^[10].当构造应力超过岩石抗压强度时，便会使小断裂变大，末端挠曲，甚至使小断裂断距加大演化为小断层，进而转化为伴生断层.像这种受主断层控制且发育于主控断层附近的次级小断层，称为伴生断层（图 2a、a′）.

夏口断裂和城隍庙南断层周围分布有许多伴生小断层，这些伴生断层一般延伸300~500 m，走向、倾向、倾角与主断层往往一致，断距多在20 m左右，主要切割地层层位一般是沙三段.伴生小断层的成藏主要受主控大断层的影响.主控大断层切割主力油气藏，作为油气运移与输导的通道.在距离主断层较近的位置伴生小断层形成的圈闭易成为油气聚集的有利场所.分布在主断层下降盘的伴生断层往往能形成单独的有效圈闭，而主断层上升盘的伴生断层易形成小型鼻状构造圈闭^[10].

2.2 大断层末端形成小断层

在构造平面上大断层的末端，由于构造应力的不完全释放，往往会形成很多与大断层走向、倾向基本一致的次级断裂.如图 2b、b′所示，城隍庙南断层末端形成了很多平面上延伸不到500 m的小断层.

2.3 侵入体的内部和周缘

侵入体与其周围沉积岩体在物理性质上具有较大的差别，如密度大、反射波传播速度高等，另外在地震上还具有主频高、振幅小以及反射波能量弱的特点^[11].当成层性较好的沉积岩层被侵入体侵入和破坏后，往往会在岩层内部出现杂乱无章的团块状地震反射带.

侵入体通常位于地震活动中心的断裂带中.侵入体侵入活动以及后期构造运动，会在侵入体内部和周缘形成很多断距不大的断层，在侵入体内部和周缘可形成圈闭.通过地震剖面解释发现，江家店地区T2附近有许多侵入体构造，构造内部与周缘也形成了很多小断层（图 2c、c′）.

2.4 大断层上方延伸方向

在大断层剖面延伸方向上寻找小断层也是一种小断层常用的解释方法.由于大断裂剖面方向上构造应力的延伸，在大断层上方，沿着断层走向，往往会形成许多与大断层走向、倾向相同的小断层.特别是断层中间是塑性泥岩的时候，下部的脆性砂岩遇到应力容易产生断裂，中部的塑性泥岩不易产生脆性断裂，而塑性泥岩的上部脆性砂岩又容易产生断裂，形成小断层（图 2d、d′）.

2.5 大断层分叉

由于断距较大的断层错断，在大断层剖面位置上有时会形成许多断距较小的小断层分支，它们与大断层走向相同倾向相反，伴生在大断层周围（图 2e、e′）.当分叉小断层的封闭性好的时候，易于形成断块油气藏.

3 小断层的形成与演化

平衡剖面是通过区域构造背景分析，对解释剖面选用合适的变形机制，将剖面上的变形构造通过几何学、运动学原理进行半定量、定量分析，在垂直构造走向的剖面上，部分或全部恢复成未变形状态的一种模拟技术^[12].平衡剖面技术在盆地模拟、油气勘探领域得到了广泛应用，主要包括正演法和反演法.经典的平衡剖面从几何学角度提出了4条剖面恢复的守恒原则：1）面积守恒原则；2）层长守恒原则；3）位移量一致守恒原则；4）缩量一致守恒原则.本次研究遵循盆地构造演化分析的基本思路，对江家店地区沙四段上段时期以来的构造演化特征进行分析，进而制作平衡剖面.

由区域地质资料统计知，江家店地区主要受夏口断裂控制，发育正断层，具有较明显的多期活动性质.本次研究针对江家店地区断裂发育密集区，切了3条大剖面，对断裂构造发育演化历史进行分析.

P1剖面是位于江家店地区西部垂直夏口断裂的一条近似NW-SE方向的剖面.剖面横跨夏口断裂，构造活动主要受夏口断层的控制. P2和P3剖面分别位于江家店地区中部和东部，垂直夏口断裂和城皇庙断层的NW向断层.根据对前人研究成果、地震资料的综合解释分析以及平衡剖面恢复的4条守恒原则，得到了P1、P2、P3剖面的构造演化模式（图 3）.

由图 3可知，T6沉积前，夏口断层就已初具规模，局部有较强活动，但还没有成为控洼断层，对江家店构造的控制作用还不明显，形成了数量不多的局部正断层；T4、T3段沉积时期，夏口断层开始强烈活动，形成了大量的伴生小断层，在成藏条件好的地方形成小断层控制的圈闭；T2段沉积时期，江家店的断裂活动达到了鼎盛时期，但是产生的伴生小断层数量相对较少，主要以大断层活动为主，此时沙四下段的部分烃源岩已经开始进入生烃门限，生成的油气在T2沉积时期开始向上运移；而到了东营组沉积时期，油气才开始真正进入第一次大规模运移时期，馆陶期和明化镇期油气进入了第二次大规模运移时期^[13].

4 小断层成因机理物理模拟

构造物理模拟实验类似于生物上的仿生学，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^[14].要实现从实验过程到自然过程的转变必须依赖相似性原理，地质模型和实验模型之间要按一定的比例进行转化.几何相似、动力相似、材料相似和边界相似是模拟地质构造本质的主要相似条件，运动相似、时间相似和其他相似条件是反映地质构造现象的次要相似条件^[15].

4.1 相似性原理及方法

1）相似系数

$ {L^*} = {L_{\rm{m}}}/{L_{\rm{p}}} = 1\;{\rm{cm}}/2\;{\rm{km}} = 5 \times {10^{ - 6}} $

(1)

实验模型1 cm代表自然界2 km.

$ {\eta ^ * } = {\eta _{\rm{m}}}/{\eta _{\rm{p}}} = 7.5 \times {10^{ - 16}} $

(2)

L_m为实验室模型长度，L_p为自然界构造长度；η_m为实验室所用硅胶黏度，取η_m=1.2×10⁴ Pa·s；η_p为自然界韧-脆转换带黏度，取η_p=1.6×10¹⁹ Pa·s；实验室中1 h代表自然界0.38 Ma；实验室中推挤速度0.005 mm/s代表自然界中的速度10 mm/a.

2）材料选择

自然界中的岩石一般可分为脆性岩石和韧性岩石.岩层的脆性形变一般遵循摩尔-库伦破裂准则，而实验室中的干燥石英砂的形变也遵循摩尔-库伦破裂准则，它的内摩擦系数角为θ=30~35°，非常接近地壳浅部（10~15 km）沉积岩的脆性变形行为，是模拟浅部地壳脆性岩层的理想材料.自然界中岩层的韧性形变接近牛顿流体的变形特征，而实验室中的硅胶、石蜡油、高密度黄油、橡皮泥等的应变率低于3×10^-3 s时，变形符合牛顿流体变形特征，因此可用来模拟岩层的韧性变形，如盐岩和膏岩的底劈拱升等构造活动.因此，本次构造物理模拟的实验选用的脆性材料主要有经过筛选的石英砂（直径0.25~0.55 mm）、彩砂；塑性材料主要有：高密度黄油、纯净水、橡皮泥、泥粉、硅胶、石蜡油.

4.2 实验仪器

构造实验室拥有中国石油大学（华东）研制的SG-2000动构造模拟装置（图 4）以及手动拉张构造模拟装置、底劈构造模拟仪.

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，从平面和剖面上观测各阶段变形形态及演化过程.

手动拉张构造模拟装置：通过手动调控底板活动，主要模拟拉张、张扭环境，观测平面上断裂样式和构造演化.

底劈构造模拟仪：通过手动旋转挤压装置，将高密度黄油从装置底部挤入已经铺好的砂层中，模拟自然界中塑性盐岩从沉积岩层底部拱升的过程，从箱体的顶部和一侧分别观察实验结果.

4.3 实验内容

为模拟江家店地区拉张动力环境下小断层的形成机理以及T2地层层位附近底劈挤压拱升的构造环境下小断层的分布状态，设计出了3组实验：1）拉张构造环境下小断层形成机理平面物理模拟实验；2）拉张构造环境下小断层形成机理剖面物理模拟实验；3）底劈、拱升构造环境下小断层形成机理物理模拟实验.

1）拉张构造环境下小断层形成机理平面物理模拟实验

拉张构造又称伸展构造变形，其模拟实验过程如图 5a、b、c、d所示.实验仪器是由两块固定挡板和两块活动挡板构成的砂箱.砂箱底面铺设可伸缩、弹性均匀的橡皮布，橡皮布两端固定在砂箱两头的活动挡板的底端，之后在橡皮布上均匀铺设沙层，当两台电机带动两个活动挡板向外运动时，橡皮布会被逐渐拉长，这样其上的沙层就会被拉伸形成拉张构造.大断层的模拟可以选用固定在砂箱底部橡皮布上的硬纸板来实现，先在橡皮布上画出大断层的位置和形状，之后将硬纸板按照标定的位置固定在在橡皮布上，当电机拉动时，就可以模拟出伸展构造形成过程中大断层对小断层形成的影响.

实验步骤：

① 橡皮布在砂箱两端固定以及大断层刻画完毕以后，将80~100目沙子均匀铺到砂箱内；若沙子直径太粗，则会出现图 5q中所示的效果；若沙子直径太细，则断层刻画不明显，出现图 5r所示的效果.

② 用尺子将砂箱顶面刮平.

③ 用喷壶往砂箱表面洒水，湿度大约10%.

④ 开启电机传动装置，大约10转/min，若转速太快，沙子易滑动，会导致断层断距变小，显示效果变差.

⑤ 每次转动在相同的时间间隔（相同转数）内用照相机记录砂箱表面的变化.

构造平面模型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条大断层的断距逐渐变大，大断层两旁以及末端也形成了许多伴生小断层（如图 5a、b、c、d），这也与江家店地区在大断层末端及两侧分布许多走向与大断层基本一致小断层相吻合，同样也验证了江家店地区小断层的形成受夏口断层的控制.

2）拉张构造环境下小断层形成机理剖面物理模拟实验

拉张构造剖面物理模拟实验过程如图 5e、f、g、h所示.实验仪器主要由一个固定挡板、一个活动T形挡板和两侧玻璃挡板构成.

实验步骤：

① 首先将T形板铺平.

② 在T形板底部铺6~7层相间分布的黄砂与彩砂，每层彩砂厚度大约2 cm.

③ 将砂箱上表面用直尺磨平.

④ 转动右侧螺丝，使T形板向右滑动.

⑤ 螺丝每旋转一周，照相机记录一次箱体侧面构造变化.

拉张构造环境下小断层形成机理剖面物理模拟实验模拟了江家店地区拉伸的动力环境下大断层对小断层在剖面上的影响.构造剖面模型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，倾向相反的伴生小断层.这一实验结果也验证了江家店地区小断层发育规律中大断层分叉这一形成机理.

3）底劈构造环境下小断层形成机理物理模拟实验

实验原理主要是用挤压高密度机油模拟岩浆的拱升作用，验证其对小断层形成与分布的影响.

实验步骤：

① 首先铺6~7层相间分布的黄砂与彩砂，沙子粒径大约50目，每层砂层厚度大约3 cm.

② 用尺子将砂箱上表面刮平.

③ 用喷壶往砂箱表面洒水，湿度大约10%.若湿度太低则会出现图 5s中所示的效果，断层基本不显示.

④ 将高密度黄油通过液压装置挤到砂层底部.若黄油密度太低，地层拱升作用会不明显，出现如图 5t所示的效果；

⑤ 用两台相机在相同的时间间隔内同时记录模拟实验的正视图和俯视图.

底劈构造模拟实验中形成部分逆断层，这一实验结果也验证了江家店T2地层附近底劈构造中解释出逆断层这一现象.随着拱升作用的越来越强烈，剖面上的小断层数目越来越多，平面上断层延伸越来越远.平面和剖面上大断层周围都有小断层的出现（图 5i、j、k、l为正视图，m、n、o、p为俯视图）.

5 结论

1）江家店地区小断层的识别方法主要有：同相轴的轻微错断；同相轴的轻微挠曲；同相轴的分叉、合并；同相轴出现空白带；同相轴不连续；借助蚂蚁体技术.

2）江家店地区小断层的形成机理主要有：大断层周围伴生；大断层末端构造应力释放形成；侵入体的侵入作用；大断层的分叉、合并；大断层在剖面上方的延伸.

3）通过构造演化剖面恢复发现，江家店地区小断层的形成过程主要受夏口断裂的控制，大量形成时期为T3、T4沉积时期.

4）通过物理模拟实验验证了江家店地区小断层形成机理的准确性.在拉张动力环境下，江家店地区小断层形成受夏口断裂控制，在其周围伴生，T2地层侵入体的拱升作用也是小断层的重要形成机理.