共軛走滑斷裂形成演化的控制因素及物理模擬實驗

代蘭，鄔光輝，陳鑫，朱永峰，陳思锜，羅鑫，胡明

(1.西南石油大學 地球科學與技術學院，成都 610500；2.中國石油 塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；3.中國石油 西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400000)

走滑斷裂兩盤以相對的水平位移為主，具有平直的斷線、陡立的斷面、狹長的斷裂帶等基本特征[1]。走滑斷裂在板塊邊緣與大洋中脊廣泛分布[1-3]，很少出現在克拉通盆地中。近年來，塔里木克拉通盆地中部發現了大型走滑斷裂斷控油氣系統[4-5]，已在奧陶系碳酸鹽巖探明了地質儲量達10×108t的走滑斷裂斷控油氣田，開辟了克拉通盆地內超深(埋深大于6 000 m)走滑斷裂斷控油氣藏的勘探開發領域。研究表明，走滑斷裂對超深層奧陶系碳酸鹽巖儲集層具有重要的建設性作用，控制了油氣的富集[6-11]。

根據力學機制，將走滑斷裂分為單剪與純剪2 種類型，純剪機制下發育“X”型共軛斷裂，難以調節斷裂之間的應變與位移，通常難以形成大型的走滑斷裂[1-3，12]。然而，塔里木盆地北部哈拉哈塘地區發現了長度達100 km、面積逾1×104km2的古生代“X”型共軛走滑斷裂系統[5，13]。研究認為，哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂形成于中—晚奧陶世，在原特提斯洋閉合期間的遠程擠壓應力作用下，通過相繼滑動機制與連接生長機制，形成了共軛走滑斷裂[13-14]。哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂的特征與成因極為復雜[15-17]，造成復雜的油氣分布與產出[15，17-19]。該區超深層地震資料品質差，走滑斷裂的解釋模式分歧較大，對走滑斷裂的形成過程與機理缺少實驗研究。

構造物理模擬是研究走滑斷裂形成演化的重要方法，利用不同的材料與實驗模型，再現構造變形的過程，揭示構造變形各要素之間的聯系，分析不同變形機制和邊界條件下的構造模式[20-23]。目前，對單剪機制下的雁列走滑構造模式、演化過程與成因機制進行了大量的模擬實驗與深入探討，并合理解釋了很多地質現象。由于影響物理模擬的參數復雜多樣，共軛走滑斷裂機制要素難以實現，缺少純剪共軛走滑斷裂的砂箱物理模擬。

本文通過構造物理模擬實驗，研究塔里木盆地北部哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂的形成演化過程，探討其形成演化的控制因素，為共軛走滑斷裂的地震解釋與鉆探目標評價提供借鑒。

1 地質背景

塔里木盆地是中國陸上最大的含油氣盆地，是由古生代克拉通盆地與中—新生代前陸盆地組成的疊合盆地[24]。盆地內南華系—第四系發育齊全，經歷10余期復雜的構造-沉積演變，形成“四隆五坳”的構造格局。塔里木盆地中部臺盆區具有以奧陶系碳酸鹽巖為主的多套含油氣儲蓋組合[10]，已發現的油氣主要分布于塔北隆起南斜坡與塔中隆起北斜坡[25]。近年在塔北南斜坡—塔中北斜坡發現分布面積達9×104km2的環阿滿走滑斷裂系統(圖1)，并不斷發現油氣，形成塔北—塔中連片的走滑斷裂斷控碳酸鹽巖大油氣區。哈拉哈塘地區位于塔北隆起南斜坡[17-19]，整體為向西南傾伏的大型鼻狀構造，面積超過10 000 km2。哈拉哈塘地區油氣勘探開發主要目的層為中奧陶統一間房組和中—下奧陶統鷹山組，厚度大于500 m，埋深為6 000～7 500 m。2021 年底，三級油氣地質儲量達5×108t，是塔里木盆地石油勘探與開發的重點地區之一[17]。

圖1 塔里木盆地環阿滿走滑斷裂系統（a)與寒武—奧陶系綜合柱狀剖面（b)（據文獻［14］修改)Fig.1.（a)Strike-slip fault system around Amman and（b)stratigraphic column of Cambrian-Ordovician in the Tarim basin(modified from Ref.[14])

哈拉哈塘地區發育北西—南東向與北東—南西向“X”型共軛走滑斷裂系統(圖1)，東西方向上逐漸過渡為北東—南西向與北西—南東向走滑斷裂優勢發育區。走滑斷裂主要分布于寒武—奧陶系碳酸鹽巖中，部分主干斷裂向上繼承性發育至石炭系—二疊系，少量北東—南西向主干走滑斷裂延伸至中生界—古近系，存在加里東運動晚期、海西運動晚期、燕山運動期等多期活動。地震剖面上走滑斷裂斷面陡立，向下斷穿寒武系至基底，發育花狀構造、雁列構造、拉分地塹、辮狀構造等多種構造樣式[14-15]。平面上北東—南西向與北西—南東向斷裂相互切割，長度為40～100 km，近平行斷裂間距為10～20 km，水平位移小于400 m，垂直斷距可達數百米，橫向上變化大。研究認為，該區共軛走滑斷裂演化具有繼承性與改造性，連接生長是形成小位移和超長陸內走滑斷裂帶的主要機制[14，16]。

生產數據表明，哈拉哈塘地區奧陶系碳酸鹽巖中油氣分布復雜，大多數高效井位于北東—南西向走滑斷裂帶，不同油氣井產出差異明顯，油氣產出與走滑斷裂特征及其機制關系密切，走滑斷裂對碳酸鹽巖儲集層油氣成藏具有重要意義[11，17-19]。

2 實驗設計

構造物理模擬運用實驗相似性原理，通過地質模型同比例縮小，在實驗室條件下再現構造地質歷史過程[22]。構造物理模擬平臺由主控臺、砂箱實驗平臺和工作區3部分構成。實驗以模擬“X”型純剪斷裂組合為目標，結合哈拉哈塘地區“X”型共軛走滑斷裂的構造背景，運用相似性原理，以石英砂和黏土為材料，模擬“X”型共軛走滑斷裂約束條件(圖2)。結合對走滑斷裂樣式的分析，針對共軛走滑斷裂的形成演化過程，設置實驗參數(表1)。設計2種驅動力，一種為電缸通過擋板將擠壓應力傳遞給砂體；另一種為底板橡膠皮彈性收縮和單側擋板推力共同提供的壓力。

圖2 砂箱物理模擬實驗模型Fig.2.Model for the sandbox physical simulation experiment

表1 “X”型共軛走滑斷裂實驗參數Table 1.Experimental parameters of X-shaped conjugate strike-slip faults

根據相似性原理，以擠壓背景下純剪走滑斷裂帶長50～100 km 為實例參照，實驗模型長度與寬度比例約為1∶100 000，設計模型厚度比例為1∶50 000～1∶100 000。采用松散石英砂模擬研究區沉積地層的脆性構造變形，由剛性不連續的木板代替基底，在電機工作下驅動基底2 塊不連續的剛性底板做剪切運動，帶動蓋層發生走滑作用。此外，由于實際地層流體可能會影響斷裂，實驗中也有濕砂材料與不同規模模型的對比實驗。以0.025 mm/s 運動速率進行實驗，代表103～104年內斷裂的形成過程。

3 實驗結果

開展了雙側電缸推力作用下的砂箱實驗，結果表明，在模型長度較大和水平推力作用下，無論使用何種蓋層材料，在蓋層厚度較小的砂體模型中，均出現推覆構造，沒有形成共軛走滑斷裂，且模型中部在早期無明顯變形(圖3a)。當蓋層材料為濕砂時，推覆構造更為發育，并發生顯著的斷塊抬升；隨著推覆構造的進一步發展，在中部形成隆起，并伴隨張性斷裂發育。

在彈性收縮的橡膠皮底板和單側擋板推力作用下的實驗中，將彈性橡膠皮與電缸連接在一起，并將其拉伸至較大彈性處固定。實驗開始時緩慢釋放電缸，構成以底板橡膠皮彈性收縮為主要作用力的主壓應力。蓋層材料為石英砂和黏土按3∶1 混合物，分自由邊界和光滑玻璃擋板2 種邊界。實驗3 和實驗4 為自由邊界，實驗蓋層厚度不同，當蓋層較薄時，易于發育推覆構造。當厚度較大時，發育推覆構造的同時，也伴隨發育一些壓扭斷裂，可形成近“X”型的斷裂組合，但具有明顯的不對稱性(圖3b)。實驗5邊界為光滑玻璃擋板，實驗結果也出現推覆構造，未見大規模的走滑斷裂。

圖3 擋板推力傳遞型實驗Fig.3.Experiment on baffle thrust transfer

實驗6蓋層較厚(120 mm)，主推應力方向長度較小(250 mm)。推覆構造發育程度明顯減弱，中部形成隆起，局部產生剪切分量，出現“X”型共軛斷裂，共軛斷裂夾角一般小于50°，小于安德森模式下的60°(圖4)。同時，共軛斷裂具有不對稱性，并出現一組較為發育的斷裂，具有張扭特征。隨著位移量的增大，以1 組優勢斷裂發育為主的特征更為顯著，共軛斷裂系統遭受破壞。

圖4 實驗6蓋層厚度增大后出現共軛斷裂雛形Fig.4.Initiation of conjugate faults after increasing the caprock thickness in Experiment#6

通過改進模型，實驗7 純剪物理模實驗取得較好的結果(圖5)。模型設置雙側向擠壓100 mm，位移速度為0.04 mm/s。模型以塑料為基底，蓋層材料以石英砂和黏土按3：2混合而成，厚度為300 mm。隨著收縮量增大，模型表面“X”型走滑斷裂逐漸增多(圖5)。在擠壓初期，當位移量為16.0 mm，相對位移量為4.00%時，模型表層開始出露斷裂跡線，與擠壓方向垂直或大角度相交；當位移量為32.0 mm，相對位移量為8.00%時，模型表層垂直壓力方向斷裂跡線基本成型，發育了2 條趨于對稱的逆沖斷裂跡線，并且在平行擠壓力方向模型兩側出現一組與擠壓力呈約45°夾角的走滑斷裂；當位移量為50.0 mm，相對位移量為12.50%時，受持續的擠壓作用，模型表面呈現以水平方向為長軸的一系列“X”型走滑斷裂，中部形成壓扭隆起區；當位移量為69.0 mm，相對位移量為17.30%時，隨著位移量的增大，模型表面的“X”型共軛斷裂繼續增多，斷裂交叉截切現象顯著。其中左下—右上部位的走滑斷裂呈現優勢發育特征；當位移量為100.0 mm，相對位移量為25.00%時，模型表面趨于定型，“X”型共軛斷裂數量增加很少，其中，北東—南西向的走滑斷裂發育特征顯著，模型中部壓扭隆起區斷裂錯斷。

圖5 實驗7中“X”型共軛走滑斷裂演化過程Fig.5.Evolution process of X-shaped conjugate strike-slip fault in Experiment#7

實驗7中，“X”型剪切斷裂相互截切，多呈小角度的剪切關系，交會部位可形成較寬的破碎帶。斷裂在早期的純剪作用下，通常規模較小，但可延伸較遠，具有壓扭特征。一般而言，“X”型共軛走滑斷裂是在擠壓應力下形成的脆性斷裂平面組合，其中也有斷裂的旋轉與尾段擴張。但實驗中斷裂分段連接生長作用較弱，沒有出現類似哈拉哈塘地區的大型壓扭地壘與張扭地塹[16]，馬尾斷裂欠發育。在斷裂的平面組合中，出現對稱的“X”型剪切變形帶是走滑斷裂識別的重要標志[1-2，14-15]，這種特征通過斷裂平面圖能清晰反映出來。在實驗中，因2 組斷裂具有活動性差異，使局部出現了2組走滑斷裂相互截切的現象。

4 討論

4.1 共軛走滑斷裂形成的條件

（1)蓋層厚度 實驗1—5 的蓋層較薄，均出現逆沖斷裂。分析表明，地層較薄時，最小主應力集中在垂向方向，在最大主應力作用下，以逆沖斷裂發育為特征。由于形成走滑斷裂時，蓋層產生的垂向壓力需要大于最小水平主應力。而巖層較薄時，垂向應力可能最小，有利于形成逆沖斷裂，使得實驗中難以發育走滑斷裂。因此，實驗7 蓋層厚度大于其他實驗一倍以上，使地層壓力大于最小水平主應力。該設計雖然可能超出了實際地層厚度，但走滑斷裂發育時基底卷入走滑變形，考慮基底巖層厚度時與模型比較吻合。哈拉哈塘地區走滑斷裂形成于中—晚奧陶世[13-14]，沉積地層厚度逾2 000 m，且有較大厚度的卷入走滑作用的基底，具有較大的垂向地層壓力(圖6)。在基底的擠壓構造應力作用下，斷裂作用自下而上的傳遞過程中，最大主應力與最小主應力集中在水平面上，有利于發育走滑斷裂。因此，地震剖面上雖然在深部沒有斷裂的響應，但走滑斷裂應該斷至基底。

圖6 哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂地震剖面Fig.6.Conjugate strike-slip faults shown in the Cambrian seismic section in Halahatang area

（2)先期斷裂 一旦有先期單剪斷裂發育，后期構造變形往往集中在先期的斷裂部位，形成應力與局部變形。因此，在有先期斷裂發育的情況下，難以再發育共軛斷裂，或出現共軛斷裂后很快形成某一方向的斷裂優先發育，并導致共軛斷裂系統的破壞。此外，由于初期設計的砂箱寬度較小，產生了明顯的邊界效應(圖3)，先存的結構與構造對斷裂的發育具有重要的影響作用。將實驗模型中砂層的寬度優化為大于擠壓方向的長度，消除了邊界效應的影響，實驗效果較為理想(圖4、圖5)。

（3)巖石的均一性 砂箱實驗中，相似模型的實驗出現相似特征的共軛斷裂，但未出現完全相同的共軛走滑斷裂系統，不同于巖石力學實驗與露頭的典型共軛斷裂。實驗1—5 中，砂層均在受力的起始部位先發生斷裂，并逐步向遠端傳遞，而且變形強度逐漸減弱，斷裂密度漸趨減少。由于石英砂內部的非均一性與底板兩側接觸面受力的差異，應力傳遞的時間與大小不同，實驗過程中容易造成石英砂受力與運動不一致。實驗7 共軛斷裂發育過程中，中部也出現了隆起區，并造成斷裂特征的差異，表明在松散石英砂層內部的應力傳遞具有非均一性。因此，共軛走滑斷裂發育需要巖體高度均一。實驗也表明，隨著黏土礦物含量的增加，更容易形成共軛斷裂(圖5)，黏土礦物或水份增多后，石英砂黏性增強，內部受力更加均勻，可增強巖石的均一性，有利于共軛斷裂的發育。共軛走滑斷裂也往往發育在固結的含水較多的沉積巖中，哈拉哈塘地區的走滑斷裂也發育在均一性與剛性較好的固結含水的碳酸鹽巖中。

塔里木盆地走滑斷裂系統以北東—南西向的單剪斷裂為主，僅在哈拉哈塘地區出現共軛走滑斷裂(圖1)。分析表明，走滑斷裂形成于中—晚奧陶世，受控于原特提斯洋閉合期間形成的遠程擠壓作用[14]。其他地區基底結構有差異、構造有起伏或巖相有差異，而哈拉哈塘地區基底為相對均一的變質巖[14]，寒武系—中奧陶統為相對均一的碳酸鹽巖臺地，地形平緩，巖石物理差異小，有利于形成共軛走滑斷裂(圖6)。同時，碳酸鹽巖孔隙中含水，有利于共軛走滑斷裂的形成。哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂并不完全對稱發育(圖6)，北西—南東向走滑斷裂更為發育，很可能與巖石物理不均一性有關。其中，部分斷裂北部出現順時針偏轉，可能受到北部古隆起邊界效應的影響。

（4)較高的運動速率和雙向擠壓 在較低的擠壓速率下，容易形成一組走滑斷裂的優勢發育(圖3、圖4)，并形成應力與應變的局化。而快速的構造縮短過程中，應力很快遍及不同部位的石英砂，可能導致純剪應力突破巖石的破裂極限，發生斷裂，有利于形成安德森模式下的共軛走滑斷裂。實驗中的運動速率按照模型比率放大，且遠大于地史時期大多克拉通內部的變形速率。因此，克拉通內較為緩慢的變形速率可能是導致共軛走滑斷裂發育的因素之一。同時，在單向擠壓作用下，實驗中沒有出現共軛走滑斷裂系統。在單向擠壓作用下，砂層應力傳遞發生遲滯，受力逐漸遞減，砂層受力不均導致斷裂難以對稱發育。而在雙向擠壓作用下，尤其是砂體的長度較短時(圖5)，共軛走滑斷裂容易形成。因此，塔里木盆地哈拉哈塘地區在來自南部遠程擠壓作用下，也可能有來自北部的反向作用力，從而在北部地區發育共軛走滑斷裂。

哈拉哈塘地區不僅位于巖石物理性質較均一的寬緩平臺區，且處于南北雙向擠壓的應力背景下[13-14]。哈拉哈塘地區斷裂向南以馬尾構造尖滅，而南部阿滿過渡帶的走滑斷裂向北形成馬尾斷裂消亡(圖1)。由于馬尾斷裂具有指示走滑斷裂發育方向的作用，揭示哈拉哈塘地區走滑斷裂在自北向南的應力作用下向南發育。而阿滿過渡帶走滑斷裂向北發育[14]，表明哈拉哈塘地區受到南北雙向的應力作用，從而有利于形成共軛走滑斷裂。

4.2 共軛走滑斷裂的優勢發育

在安德森斷裂機制下，實驗室簡單均勻的應力形成的庫倫破裂作用，巖石容易產生與最大主應力呈25°～30°夾角的共軛斷裂[26]。實驗及相關研究表明，砂箱實驗難以形成對稱性很好的共軛走滑斷裂[23]，地下巖體的非均一性及先期與先存構造，都可能影響斷裂的形成與分布，更容易形成不對稱的共軛斷裂。由于共軛斷裂相互阻礙水平滑動，難以同時運動，一般認為相繼滑動而非同時運動可能為共軛斷裂發育的主要機制[12-14]。但是，這種理想狀態在有一定位移的斷裂中難以發育。實驗表明，相繼滑動難以實現，其間很可能優先發育某一方向的斷裂，從而呈現不對稱的斷裂組合(圖4、圖5)。而且后期的改造作用增強，以優先發育的斷裂發育為特征，而另一組受抑制。這種現象在其他相關物理模擬實驗中也普遍存在[20-23]，揭示自然界中難以形成大規模的純剪共軛走滑斷裂。且實驗也表明，相對位移量超過5.00%以后，斷裂已不具有純剪特征，以單剪作用為主，斷裂垂向位移與變形增大(圖5)。加里東運動期，哈拉哈塘地區北西—南東向的走滑斷裂發育，在奧陶系碳酸鹽巖上部斷裂兩盤高差大于100 m，北東—南西向走滑斷裂高差多小于50 m，與近南北向的最大主應力方向夾角更小的北西—南東向走滑斷裂規模更大[13-14]。這可能與北西—南東向走滑斷裂早期優先發育有關，與實驗揭示的斷裂發育初期就出現的非對稱特征相近。而晚期以北東—南西向走滑斷裂繼承性活動為主，而且向下并入主斷裂。雖然北東—南西向斷裂后期錯開北西—南東向斷裂[13]，但在奧陶系碳酸鹽巖中共軛走滑斷裂后期的位移量很小，對早期斷裂的改造作用很小，并沒有破壞早期的共軛走滑斷裂系統。

哈拉哈塘地區共軛斷裂形成后，斷裂交叉部位水平滑動受阻(圖7a)，此時通過相繼滑動可能調節走滑斷裂的相互錯動(圖7b、圖7c)，從而發生持續的斷裂變形。然而，相繼滑動通常發生在斷裂期相對較短的時間內，并在交叉部位形成菱形微小斷裂調節構造變形[12](圖7c)。但實驗表明，相繼滑動難以實現，隨著位移量的增長，其間很可能優先發育某一方向的斷裂，并沒有出現菱形的斷裂調節區(圖4、圖5)，哈拉哈塘地區走滑斷裂交會部位也沒有發現明顯的菱形調節帶。因為哈拉哈塘地區走滑斷裂相繼滑動后很快形成北西—南東向斷裂的優先發育，以北西—南東向錯動北東—南西向斷裂為主[13-14](圖1、圖7d)，北西—南東向走滑斷裂位移量大，變形強，斷裂多，從而形成共軛斷裂的不對稱的分布。此外，多期相互截切和垂向運動形成花狀構造[27]，斷裂向下位移減小[28]，也可以調節共軛斷裂位移平衡問題，已不屬于純剪變形，屬于單剪作用的范疇。走滑斷裂研究認為[13-14]，連接生長機制導致了“小位移”長走滑斷裂帶。實驗也揭示了連接生長機制控制了斷裂水平方向上的擴張與發育，但是實驗中連接生長發育在相對位移量小于10.00%、時間很短的情況下(圖4、圖5)，且很難呈線性與對稱發育，不同于純剪變形機制。因此，相繼滑動機制在哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂形成過程中的作用可能較弱，以一組方向走滑斷裂優勢發育的單剪作用為特征。盡管經歷多期斷裂活動，由于哈拉哈塘地區走滑斷裂位移量較小和變形強度較弱，北西—南東向走滑斷裂的優勢發育并沒有得到持續加強，從而保存了發育完好的古生代共軛走滑斷裂系統。

圖7 哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂相繼截切發育模式Fig.7.Development model of successive cutting of the conjugate strike-slip faults in Halahatang area

5 結論

(1)形成共軛走滑斷裂需要有一定厚度的蓋層，缺少先期或先存斷裂；巖石物理均一性好，有一定的黏塑性，運動速率較高；還需要有雙向擠壓的應力條件。

(2)自然界與實驗中均難以形成對稱的純剪共軛走滑斷裂系統，大多轉向與最大主應力方向夾角更小的優勢方向，發育單剪走滑斷裂。

(3)塔里木盆地哈拉哈塘地區共軛走滑斷裂的分布具有不對稱性，相繼發育作用較弱；在純剪共軛斷裂基礎上，以北西—南東向單剪斷裂優勢發育為主，小位移繼承性發育是形成與保存大型共軛走滑斷裂系統的主要因素。