挤压构造是地壳构造变形的基本类型之一，在挤压背景下，地壳易形成压性盆地、隆升地块、褶皱、俯冲带、造山带等构造。全球的挤压构造分布甚广，板块碰撞挤压形成一系列造山带，例如亚欧板块和非洲板块的碰撞挤压形成巨大的阿尔卑斯山脉，亚欧板块和印度洋板块碰撞挤压形成喜马拉雅山系。在大洋俯冲或大陆碰撞形成的造山带边缘会形成前陆褶皱和冲断带，这些地区又是许多主要油气藏聚集的地区，例如美国西部的落基山脉北部、阿巴拉契亚山脉^[1-2]、加拿大落基山脉^[3]、西班牙比利牛斯山脉^[4-5]、阿尔巴尼亚^[6-7]、巴基斯坦^[8-9]、巴布亚新几内亚等^[10]。褶皱带也是常见的挤压构造产物，发育于褶皱带内的逆冲断层相关褶皱也是油气形成圈闭的主要部位，如伊朗扎格罗斯褶皱带^[11-12]、南美洲亚安第斯褶皱冲断带^[13]等。逆冲构造体受走滑作用影响形成新的复合构造体系在自然界中较为常见，如准噶尔盆地东缘的中部早期逆冲作用较强，后期叠加走滑构造，该构造组合样式调节了盆地内部次级块体的运动^[14]。鄂尔多斯盆地西缘复杂褶皱冲断带，发育若干与之近垂直的调节型走滑断裂；在其北部杭锦旗地区也发育先存逆冲断裂在后期发生张扭走滑改造现象，具有明显的走滑分量^[15-16]。塔里木盆地顺北地区走滑断裂在中下奥陶统碳酸盐岩同时发育有“压脊‒地堑”复合构造样式^[17]；塔里木盆地塔西南地区走滑断裂多具有逆冲走滑叠加的变形特征^{[15, 18]}。受张家口-蓬莱断裂带影响，渤海湾盆地渤中坳陷西部也经历了挤压叠加走滑复合作用的改造^[19]。

张家口-蓬莱断裂带是一条巨型走滑深大断裂，其渤海段的活动控制和影响了渤海海域新近纪以来的构造演化，这些断裂与油气的富集和控藏作用密切相关。位于渤海地区的蓬莱9-1、渤中19-4、渤中8-4、曹妃甸12-6、曹妃甸6-4 等均为张家口-蓬莱断裂带渤海段的主要断块油田^[20]，作为主要的油气聚集区带^{[19, 21-22]}，累计发现石油地质储量大于12×10⁸ t^[20]。许多学者^[23-27]对张家口-蓬莱断裂陆域部分进行了较多研究，但对其海域部分研究相对较少，其渤海段与北北东向的郯庐断裂带构成新生代渤海海域两个主要的活动构造带^[28-30]。前人对渤海海域内张家口-蓬莱断裂的形成机制和原因认识不一，较多学者认为其雏形的形成和印支运动密切相关^[31-33]。王志才等^[34]、李西双等^[28]认为渤海海域内断裂基本特征是由一系列北西走向的次级断层组成，且大部分是以正断兼有走滑运动性质为主的断层。Peng等^[35]基于张家口-蓬莱断裂带在渤海地区渤中坳陷的沙垒田凸起东北段的钻井资料及三维地震分析，认为该区域是叠加构造带，其左旋走滑位移自新生代以来约为4 km，并控制了油气的运移和成藏。虽然前人对张家口-蓬莱断裂带渤海段的构造机制进行了很多探索，但叠加改造机制仍需进一步研究。

复杂地质背景下，在先挤压后走滑两个应力系统控制下形成的构造样式复杂多样，而目前对逆冲叠加走滑作用复合条件下的构造变形演化模式不够清晰，因此，明晰“逆冲叠加走滑”作用复合条件下的构造组合样式对构造变形特征解析以及油气成藏构造背景预测具有重要的指导意义。为此本文设计了4组不同走滑速率、不同基底强度条件下的逆冲叠加走滑构造砂箱模型，采用石英砂模拟脆性层、局部使用弹性硅胶模拟塑性基底，研究逆冲推覆构造形成机制及受走滑作用改造产生的构造特征，结合区域构造演化过程，探讨构造叠加作用对该区的改造及张家口-蓬莱断裂带渤海段构造演化机制。

1.   地质背景

张家口-蓬莱断裂带作为中国东部一条北西走向的走滑断裂，全程长度超过700 km^[20,28]，孕育许多中强度地震且蕴含丰富油气资源^{[32-33, 36-39]} （图1）。张家口-蓬莱断裂带不是一条整体贯穿的连续断裂带，而是由一系列相互重叠且不连续的北西和西北西向断裂段组成^[32,40]，次级断层呈左阶梯状分布，并控制着一系列第四纪菱形盆地^[26,32]。

图  1  渤海湾盆地的地质单元及张家口-蓬莱断裂带位置^{[33, 55]}

Figure  1.  Geological units in the Bohai Bay Basin showing the location of the regional fault zones ^{[33, 55]}

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张家口-蓬莱断裂带主要分为4段：张北-南口段、南口-宁河段、渤海段和烟台-蓬莱段^[40]。渤海段从天津宁河入海，向东南延伸贯穿南堡凹陷、沙垒田凸起、渤中凹陷、渤南低凸起、庙西南凸起，在渤海海域内延伸长度约为240 km^[19]，断裂带宽度为50～100 km，是一条比较宽泛的断裂带。该段包含了沙西断裂、沙东断裂、石南断裂、沙北断裂等一些次级断裂，通过研究海域浅层的地震资料，发现这些次级断裂通常由规模更小、倾向相同或相反的断裂组成，发育典型的花状构造^{[32, 41-42]}。

张家口-蓬莱断裂带渤海段是发育于渤海湾盆地的深大断裂，渤海湾盆地是位于华北克拉通的东部地块上的中—新生代盆地^{[31, 43-44]}，具有多期演化历史，该区广泛发育中、新生代走滑构造，如郯庐断裂、张家口-蓬莱断裂等。这些大规模的走滑断裂系统对渤海湾盆地构造的形成具有重要作用^[31]。前人研究表明渤海湾盆地对周围板块的运动响应敏感^{[42-43, 45-47]}。中生代以来，由于受到扬子板块与华北板块碰撞的影响，环渤中地区出现东西向或北西西向南倾的一系列逆冲断层及宽缓的褶皱^[48-50]，此时期某高角度断层经过后期运动的改造，形成了张家口-蓬莱断裂带渤海段的雏形。在古太平洋板块俯冲的影响下，渤海地区受到北北西向应力的挤压^{[47, 51-54]}，整体处于隆升剥蚀状态。新生代以来，太平洋板块俯冲发生变化，使得渤海地区张家口-蓬莱断裂带开始了左旋走滑运动，并改造了前期形成的挤压构造。

2.   砂箱模拟方法

2.1   模型设计

模型装置如图2所示，由多个板块拼装组合而成，箱体的底面、边界可自由变换，以实现不同样式的构造变形模拟。砂箱模型的两块长侧板固定于实验平台，其中一侧使用透明钢化玻璃板，便于对实验加载过程进行观测和记录。箱体底部由两块宽度分别为200、300 mm的金属板组成。底部金属板前后两端设有4块小型金属挡板，根据不同的实验需要（具体实验参数见表1），它们既可以固定在底板上也可以在电机的推动下进行滑动。实验过程中通过电机Ⅰ与挡板相连，对砂体施加压应力, 通过电机Ⅱ、Ⅲ与两块底板相连，对砂体施加剪切应力。

图  2  模型装置简化图

a：实验装置示意图，b：挤压模型，c：走滑模型。

Figure  2.  Simplified view of the model setup

a: Experimental device, b: compression model, c: strike-slip faulting model.

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表  1  基于逆冲叠加走滑的砂箱模拟实验参数

Table  1.  Parameters of the sandbox modeling based on early-stage compression superposition late-stage strike-slip faulting

实验编号	模型尺寸 /mm	总缩短量 /mm	挤压速率 /(mm·s−1)	加载方向	总走滑位移量/mm	走滑速率/(mm·s−1)	局部塑性基底
Exp.1	1100×500×72	160	0.01	双向	120	0.02	无
Exp.2	1100×500×72	160	0.01	单向	60	0.01	无
Exp.3	1100×500×72	160	0.01	双向	120	0.02	150mm×300mm×1mm的弹性硅胶
Exp.4	1050×500×72	170	0.04	双向	120	0.02	150mm×300mm× 5mm的弹性硅胶
注：单向加载的走滑速率为电机速率，双向加载的走滑速率为电机速率的两倍。

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干燥石英砂变形符合莫尔-库伦破裂准则^[56-60]，是模拟地壳浅层岩石脆性变形最理想的相似材料。本次实验根据相似性原理选用粒度为120～180 μm的不同颜色的干燥石英砂模拟沉积地层，最底层铺设厚度为2 mm的玻璃微珠来模拟沉积盖层中的软弱滑脱层^[61]。将不同颜色石英砂相间铺设（不同颜色的石英砂仅作为标志层用于对实验的区分），最顶层使用肉红色石英砂，每层石英砂铺设厚度10 mm，共计铺设厚度70 mm（图2b）。几何相似比例约为10^{-5 [62-63]}。

2.2   实验加载

燕山期，太平洋板块的俯冲效应使渤海地区遭受挤压增厚, 形成了大量北北东向挤压断裂。新生代以来张家口-蓬莱断裂左旋走滑控制作用增强，尤其是新构造运动时期张家口-蓬莱断裂左旋活动最为剧烈。在构造运动中不同的走滑速率会产生差异的地貌构造特征 ^[64-66]，在部分地区也可能存在局部弱化带差异，为分析这两种因素下对断层展布的影响，本模型以两期构造变形的相互作用为基础，根据盆地演化发育特征及相似性原理设置先存逆冲叠加走滑运动的砂箱模拟实验：分为走滑速率差异左旋走滑模型和局部基底差异左旋走滑模型。Exp.1与Exp.2通过设置双向和单向加载体现速率差异，Exp.3与Exp.4通过设置不同的塑性基底体现局部基底的差异。共4组实验，通过两个阶段对模型进行加载，第一阶段为逆冲推覆，施加压应力，模拟自燕山期以来的挤压过程。第二阶段为走滑，施加剪切应力，模拟了新生代以来张家口-蓬莱断裂带渤海段走滑形式的活动过程。具体实验参数见表1。

Exp.1：将砂箱一侧固定，电机Ⅰ连接于另一侧挡板，以0.01 mm/s的速率，对砂体单向推挤，砂体长度由1100 mm缩短为940 mm，总缩短量为160 mm。在走滑阶段，电机Ⅱ和电机Ⅲ分别与两块底板相连，以0.01 mm/s的速率相向运动，走滑速率为0.02 mm/s，电机的位移量均为60 mm，走滑总位移量为120 mm。

Exp.2：在走滑阶段使电机Ⅱ与底板相连使砂体单向走滑，走滑速率为0.01 mm/s，其他与Exp.1相同，走滑位移量为60 mm。

Exp.3：为研究局部塑性层对构造的影响，在基底设置150 mm×300 mm厚度为1 mm的弹性硅胶（位置见图2）观察走滑现象，其他与Exp.1相同。

Exp.4：在两底板区域断裂活动带之上固定150 mm×300 mm厚度为5 mm的弹性硅胶塑性层（位置见图2），设置局部软弱区，与Exp.3对比。挤压速率为0.04 mm/s，总缩短量为170 mm。走滑阶段与Exp.1一致。

2.3   实验数据分析

实验过程使用高分辨率相机分别对顶面变形和侧面变形进行连续记录，拍摄间隔30 s或60 s。实验加载结束后，用水湿润干砂模型，等砂体稳定硬化后，分区域进行剖面切割和记录，垂直于逆冲断层方向上切除边界效应，在垂直于走滑断层方向上每隔10 mm记录剖面变形特征。

通过数字散斑方法（digital speckle correlation method，DSCM）计算表面的变形，以分析断层传播过程中的应变场^[39]。DSCM是基于物体表面散斑图像分析从而获得物体运动和变形信息的光测方法，通过与砂箱模拟手段的联合应用，更有利于对数据的处理和分析^[67-68]。我们将连续记录的演变过程照片导入DSCM系统选定图像变形区域，通过计算机中的 DSCM 测量分析模块进行相关匹配计算，获取砂箱模型的变形场信息。然后结合实验对所得到的连续散斑图像进行分析。

3.   实验结果

根据实验加载过程，本文按照逆冲阶段和走滑阶段对构造演化特征进行分析，在走滑阶段，分为无叠加的走滑构造区和逆冲受走滑改造叠加区进行构造解析。

3.1   逆冲阶段模拟结果

4组实验在逆冲阶段表现出相似的演化过程，本文以Exp.1为例分析逆冲推覆构造的平面演化（图3）和剖面演化特征（图4）。

图  3  Exp.1逆冲阶段平面演化图

左：模型的平面视图，右：模型的体应变图($\varepsilon_{v}$)。

Figure  3.  Plain view of the deformation in compression stage of Exp.1

Left: view of the models; right: view of volumetric strain ($\varepsilon_{v}$).

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图  4  Exp.1逆冲阶段的剖面演化特征

区域位置见图3；a-e：对应缩短量的模型侧面图；F1-F4、f1-f2为发育的主控断层。

Figure  4.  Section view of the deformation in compression stage of Exp.1

The blue square area in Fig. 3 is the observation area of the DSCM system. a-e: section views corresponding to different shortenings; F1–F4, f1 and f2 are the main controlling faults.

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逆冲推覆构造的平面演化如图3所示，通过对模型施加压应力进行逆冲推覆，随着缩短量增加，观察到砂层平行缩短、褶皱、上冲改变原来稳定状态^[69]，构造变形沿基底面滑脱层向前传递，深层砂体推掩到浅层砂体之上，随着缩短量增加，逆冲作用导致的地层增厚，上覆地层先后出现了4条主逆冲断裂（F1—F4）和数条小型的逆断层，形成叠瓦扇逆冲构造。

Exp.1剖面演化显示（图4），随着主应力加载先后出现了4条沿基底分布的主要逆冲断层和许多小型的逆断层，均为前展式逆冲断层，先形成的逆断层依次叠加后形成的断层，发育一系列逆冲叠瓦断层构造。主应力开始加载，沿着模型底部开始向上发育第一条逆断层F1，砂体上方形成一个平缓的凸起，标志着早期F1逆冲断层的位置，随着缩短量的不断增加，断层持续向上扩展，F1已经传播到表面，形成了一个带有逆冲位移较小的前缘斜坡褶皱（图4b）。在断层F1形成过程中，砂体向前的逆冲运动受阻，使得持续的挤压应力难以释放，当所积累的应力超过岩层的强度时发生反向逆冲，发育与逆冲断层F1共轭的第一个反冲断层f1，当缩短量达到30 mm时（图4b），一个小的冲起构造已经形成，同时第二个反冲断层f2发育。随着主应力持续加载，逆冲断层F2开始发育，当缩短量达到70 mm时，持续强烈的挤压上冲使得新的冲起构造形成（图4c）。随着缩短持续F3开始形成并不断向上切割，当缩短量达到100 mm时逆冲断层F3向上拓展至表面（图4d）。随着断层的不断发育，低角度逆冲断层F4形成，同时所围限的部位，因强烈挤压而上冲，形成变形强烈的隆起构造。从其剖面观察得到在该叠瓦扇式逆冲断层中，早期形成的断层多为高角度逆冲断层，后期形成的断层则为低角度逆冲断层且近平行展布，前方均形成一个小幅度前缘斜坡褶皱。随着缩短量增加，相对较深层次的砂层推掩到相对较浅层次的砂层之上，逆冲作用导致地层增厚，推覆端逆冲块体运动受阻，形成了与断坡共轭的反冲断层，并形成冲起构造。

3.2   走滑阶段模拟结果

3.2.1   走滑速率差异的影响

（1）无叠加的走滑构造

在此区域断层组合形式比较简单，由一条近于直立的断层和几条微倾斜的断层组成，断层断距不明显。实验平面图像及数字散斑计算结果获得了Exp.1的体应变和最大剪应变变化，如图5所示，其中对于体应变场，红色代表拉张，颜色越红，代表拉张量越大。蓝色代表挤压，蓝色越深，挤压越强烈。对于最大剪应变场，颜色从蓝色变为红色代表最大剪应变逐渐变大。在走滑阶段初期（走滑位移＜22 mm），在无叠加的走滑构造区其主断裂由基底向上发育，表层先是出现R剪切断层，与主走滑位移方向约呈25°夹角，呈现雁列式分布。随着走滑位移量加大，R剪切继续传播和延长，开始出现细小的P 剪切断层。随后P 剪切之间逐渐贯通并连接切割先前形成的R 剪切断层，形成一条贯通断裂带。结合Exp.1的剖面演化图（图6），该断裂带表现为压扭特征，为明显正花状构造，断层组合形式在走向上具有相似结构（如图6 剖面43、46、50），但存在断层断距以及倾角上的变化。Exp.2的走滑断层形成过程与Exp.1具有相似性（图7），通过两个实验的剖面对比（图6、图7）可以看出，走滑速率越大所形成的走滑断层倾角更小，最小倾角接近45°（图6剖面34），同时走滑速率越大所形成的花状构造直径更开阔，且断距更大，受走滑影响的区域更大（图6剖面21）。

图  5  Exp.1走滑阶段平面演化图

左图：模型的平面演化图，其中A为逆冲受走滑改造叠加区，B为无叠加的走滑构造区；中间图：体应变图（$\varepsilon_{v}$）；右图：最大剪应变图（$ {\tau }_{n}） $。

Figure  5.  Plain view of the deformation evolution in late-stage strike-slip faulting of Exp.1, showing the thrusts superposed by strike-slip faults (A) and by the strike-slip structures without superposition (B)

Left: surface view of the models, middle: volumetric strain ($\varepsilon_{v}$), right: maximum shear strain ($ {\tau }_{n}) $.

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图  6  Exp.1的平面图和剖面图

左：平面断层视图标示Exp.1的剖面位置，右：模型剖面图。

Figure  6.  Views of the Exp.1

Left: plain view showing the position of the Exp.1 profiles, Right: section views showing serial deformation and fault interpretation for 12 profiles of Exp.1.

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图  7  Exp.2的平面图和剖面图

左图：平面断层视图标示Exp.2的剖面位置，右图：模型剖面图。

Figure  7.  Views of Exp.2

Left: plain view showing the position of the Exp.2 profiles, Right: section views showing serial deformation and fault interpretation for 8 profiles of Exp.2

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（2）逆冲受走滑改造叠加

先形成的逆冲构造受走滑作用改造后，内部结构更为复杂（图5）。在挤压应力下形成的逆冲叠瓦扇构造受走滑作用的改造呈现左行拉伸，并在其拉伸区形成断陷。主断裂由基底向上发育，雏形初现，体应变和最大剪应变显著增加，指示着断裂发育（图5）。同时沿走向发育了与主断裂带平行或呈微小角度相交的次级断层。随着位移量增加，断层不断生长，相交于走滑断裂带上。体应变集中区随着断层扩展而范围增加，且该处最大剪应变显著变大，指示着断裂的发育及延伸方向，断层主要沿着已有的断裂生长，不产生新的断裂。图6为Exp.1的剖面演化图，白线表示剖面位置，红色线表示前期挤压过程中形成的逆冲断层，黄色线表示后期走滑过程中新形成的断层。从其剖面看有明显的负花状构造（图6 剖面17），主要由一条高角度的基底断层与多条走滑断层组合而成呈现多级“Y”字形结构，并且向下延伸至走滑基底面，使得先前的逆冲区域受走滑作用影响拉分沉降。

将 Exp.1与Exp.2对比发现，Exp.1形成的走滑断层数更多，明显可见5条，并且越靠近主断裂带，断层倾角越大。从剖面看Exp.1形成的花状构造区域更开阔、断距更大，在图6 剖面21处达到最大值，断距约20 mm。而Exp.2（图7）断层的组合形式比较简单，表现为沿主断裂带的一系列走滑断层，且在挤压逆冲区数量较少、形式单一，表面呈雁列式排列。即整体上断层以向上离散陡倾至近直立的平面状断层形式出现，断层断距不明显。Exp.1和Exp.2结果显示，后期形成的走滑断层切穿了前期挤压形成的逆断层，断层之间交汇贯通为断层通道的形成奠定了基础。

3.2.2   局部基底差异的影响

（1）无叠加的走滑构造

Exp.3和Exp.4设置了塑性基底，在无叠加的走滑构造区由于拉分作用形成次级凹陷。在Exp.4中基于走滑作用，断裂不断生长，当相对走滑位移量达到30 mm时，3条断裂呈明显的雁列式展布。塑性基底处出现隆起，随着走滑断距增大，隆起区域逐渐被拉开，并在其前方开始形成一个菱形断陷（图8）。随着走滑过程的进行，走滑断层数量增多，主断裂扩展至表面，倾向断陷发育，随着走滑断层增多，断陷规模变大，断裂从中间主断层向两侧延伸。当相对走滑位移量达到90 mm时发育的弧形、斜向断层形成了纵向沉降边缘，界定了一个菱形沉降区域，断陷轮廓开始展现，随着走滑位移量不断增大，断陷持续拉分。断层主要沿着已有的断裂裂陷，断陷规模进一步增大，并不产生新的断裂。从其剖面看，内部呈现明显的负花状构造，断层性质为正断层。越靠近断陷中心，其断层组合形式越趋于复杂，断层数量逐渐增多，断层倾角较小，部分断层呈现上陡下缓的铲形，断陷边界为近于直立的正断层，包围整个沉降区域。在断陷内部，还发育了一系列下未延伸至底板、上未达砂层顶部的断层，断层倾角由浅部向深部逐渐变缓。从断陷中心部位的剖面可以看出，该处断层断距及沉降幅度较大，其中有明显的两个小地堑，也就成为了两个沉降中心，在构造特征上表现为两个负花状构造（图8剖面49）。观察断陷边缘部位剖面发现，相比于中心部位复杂的断层组合形式，该处断层组合形式逐步简单化，并且断层数量减少，表现为一个狭窄的不对称地堑（图8剖面54），一侧被一个倾角为45°～80°的凹面向上的正断层包围，另一侧被一个倾角为70°～80°的凸面上的正断层或一个陡倾斜的正断层包围，断层底部到达底板位置。地堑的中心部位，断层倾角较大，呈现陡倾至近直立状态，断层断距较小，表现为一个非对称负花状构造特征。相比于Exp.4而言，Exp.3塑性基底厚度较薄，产生的断陷样貌存在差异。直至走滑停止，从表面观察，断陷面积较小，沉降不明显，从其剖面观察，盆内呈现两个小地堑，表示其为两个沉降中心，但断层断距及沉降幅度较小，凹陷程度浅。断层性质为正断层且倾角较高，断陷边缘断层呈现上陡下缓的形态，包围整个凹陷区域，断陷内部断层数量较少。

图  8  Exp.4的平面图和剖面图

左图：平面断层视图标示Exp.4的剖面位置，右图：模型剖面图。

Figure  8.  Views of Exp.4

Left: plain view showing the position of the Exp.4 profiles, Right: section views showing serial deformation and fault interpretation for 8 profiles of Exp.4

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（2）逆冲受走滑改造叠加

Exp.4的剖面演化如图8所示，剖面19—22为从靠近挤压端到远离挤压端的连续变化剖面。可以看出，前期受到挤压作用力的影响，形成逆冲叠瓦扇构造，后期受到走滑作用的影响，产生数条走滑断层切割前期已经形成的逆冲断层，剖面上表现为非典型花状构造，在挤压和走滑的叠加作用下，断层类型以逆断层为主。边界断层的倾角约为45°～60°，底部与中心走滑断层连接，向上可贯穿至砂层顶部，左侧断距大于右侧断距，边界逆断层所包围的区域整体呈现低隆起状态，隆起高度可至15 mm且花状构造较为开阔（图8 剖面19—22）。受局部塑性层厚度的影响，Exp.4 和Exp.3结果存在差异，Exp.3剖面（图9）显示，走滑作用产生数条走滑断层切割前期已经形成的逆冲断层，剖面上呈现负花状构造，且断层数量较少，断层除靠近中心走滑带位置外断距不明显，花状构造较为狭窄，影响区域较小。Exp.3和Exp.4结果显示，受走滑作用改造后的构造结构复杂，高陡断裂垂向贯穿多层砂体，断层之间相互交织。

图  9  Exp.3的平面图和剖面图

左图：平面断层视图标示Exp.3的剖面位置，右图：模型剖面图。

Figure  9.  Views of Exp.3

Left: plain view showing the position of the Exp.3 profiles, Right: section views showing serial deformation and fault interpretation for 12 profiles of Exp.3

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对比4组实验，逆冲阶段均表现出相似的演化过程，挤压作用下形成明显的冲起构造和叠瓦扇构造；叠加走滑作用后，走滑断层切割先存逆冲断层。由于走滑速率差异和局部塑性基底设置不同，其平面演化和剖面演化特征表现出差异性。走滑速率越大发育断层数量越多，断层断距更大，花状构造更为复杂。在设置塑性层基底条件下，塑性层越厚，越容易形成断陷并且断层角度更低。

4.   讨论

张家口-蓬莱断裂带是贯穿渤海湾盆地的深大断裂，对盆地的构造形成具有一定的控制作用，现今仍非常活跃。前人通过对新生代太平洋板块俯冲速率以及俯冲方向的研究^{[42, 50-51, 70]}，发现张家口-蓬莱断裂带的演化与太平洋板块俯冲运动的变化相匹配^[42]。因此，太平洋板块的俯冲效应使得渤海湾盆地受强烈剪切作用^{[32-33, 39, 42]}，导致走滑运动开始。

张家口-蓬莱断裂带渤海段横穿渤中坳陷沙垒田凸起东北部（图10a），沙垒田凸起作为渤海海域西部新近系油气富集的区域^[71-74]，目前已发现油气主要位于走滑断裂带内部或断裂带附近地区^[73]。作为渤海湾盆地的一个二级构造单元，该地区同样经历了多期构造运动叠加（图10a-c），印支期北北东向强烈的挤压应力使环渤中地区出现东西向或北西西向南倾的一系列逆冲断层^[75]。这些断裂整体平行或近平行展布。尤其是在渤中凹陷西部、西北部和西南部的潜山南缘（如石臼坨凸起和沙垒田凸起的大型逆冲断裂）和潜山内部多发育规模较大的断裂体系且横向延伸较远。沙垒田凸起东北部印支期形成的高角度断层，经过后期的一系列运动，可能形成了张家口-蓬莱断裂带渤海段的雏形^[31-33]。在燕山早期，扬子板块与华北板块碰撞挤压逐渐减弱，太平洋板块俯冲效应开始显现^[50]，渤海地区遭受挤压增厚，大量北北东向压扭性断裂和褶皱构造形成^[54]。燕山晚期，受古太平洋板块北北西向持续挤压影响，渤海地区整体处于隆升剥蚀状态^[76-77]，研究区处于挤压构造背景。喜山期以来张家口-蓬莱断裂带左旋走滑控制作用增强^{[29, 33]}，表现为张扭特征，尤其是新构造运动时期左旋活动最为剧烈^[32]。该地区叠加走滑作用后，使得原先的构造格局发生改造，复杂的断裂系统使得岩层通道连通以及油气圈闭系统形成，具备了良好的油气富集成藏条件。这使得沙垒田凸起成为渤海西部海域当前最重要的油气产区。本模型模拟自燕山期以来挤压、走滑两期运动叠加的构造演化过程，将两底板间预设为前期形成的高角度雏形断层。实验第一阶段通过对砂体施加的挤压作用力使得地层冲起抬高，实验第二阶段通过施加剪切应力模拟地块的走滑过程。穿过逆冲构造的主走滑位移带上方出现断陷，在这些断层交汇的地方表现出明显花状构造，叠加走滑运动后使原来的逆冲结构更加复杂化。结合研究区的地震剖面图（图10d），模拟结果（图6剖面21）与渤海湾盆地渤中坳陷沙垒田凸起东北部地区张家口-蓬莱断裂带构造几何学特征有一定的相似性。我们认为该地区燕山期地层抬升后受张家口-蓬莱断裂渤海段走滑影响，后期的走滑断裂与前期的断裂交错切割，改造了前期高角度前展式逆冲构造，在走滑中心位置发育负花状构造且凹陷明显，从其基底来看，该地区并未出现大范围的隆起和断陷，我们推测该区域具有相对均一性的基底。虽然该地区演化并没有受到基底差异的影响，但通过模拟可以发现，差异基底会改变原来的地貌特征，构造变形更容易发生在塑性基底之上。此外该地区叠加走滑运动后使原来的逆冲结构更加复杂化，逆冲改造型断裂有利于油气的垂向输导，此类断裂两侧均可发育储层条件较好的油气田。后期经过剥蚀沉积作用削高填低以及一系列的构造演化最终成为潜山构造埋藏海底，为其成为油气矿藏提供了有利的地质条件。

图  10  研究区平面演化模式图及剖面

a-c：研究区平面演化模式图，研究区位置见图1；d：渤海湾盆地渤中坳陷沙垒田凸起东北部的地震剖面位置；e-g：地震剖面图显示了研究区域的走滑断层模式，据文献[42, 78]修改。

Figure  10.  Plain view of tectonic evolution of the study area

a-c: Plain view of tectonic evolution of the study area (study area in Fig.1); d: the locationof the northeastern area of the Shaleitian Uplift in the Bozhong Depression of the Bohai Bay Basin, showing the location of the seismic profile; e-g: seismic profiles showing the strike-slip fault patterns of the study area (modified from references [42, 78]) .

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5.   结论

断层组合形式不同会产生复杂的构造特征。在复杂的地质背景下，地壳在不同的动力学环境下会受到不同的应力作用形成千姿百态的构造形式。本文结合张家口-蓬莱断裂带渤海段构造演化过程，通过4组砂箱模拟实验研究不同走滑速率不同基底强度条件下，逆冲推覆构造受走滑作用改造的复合构造演化机制，得出结论如下：

（1）逆冲阶段，受挤压作用出现一系列的逆冲断层，冲起构造、叠瓦扇构造尤为明显。逆冲推覆构造的扩展方式为前展式，前期形成的逆冲断层角度较高，后期则为低角度断层呈现平行逆断层，根带复杂。

（2）走滑作用叠加改造阶段，走滑断层切割前期形成的逆冲断层，呈现左行拉伸并在其拉伸区形成断陷，从其剖面看，原逆冲断层被错断，有明显的负花状构造且沉降中心断层结构复杂。

（3）走滑速率差异会影响断层的展布，速率越大，所形成的走滑断层范围更大、数量更多、倾角更小、断距更大。局部弱化带会形成差异的地貌构造，可形成断陷且以正断层为主，塑性层越薄凹陷程度越浅，面积较小，并且断陷内断层数量较少，角度较高。