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西湖凹陷中北部反转构造动力学机制的数值模拟

胡梦颖 李三忠 戴黎明 索艳慧 郭玲莉 刘泽 马芳芳 陶建丽

胡梦颖, 李三忠, 戴黎明, 索艳慧, 郭玲莉, 刘泽, 马芳芳, 陶建丽. 西湖凹陷中北部反转构造动力学机制的数值模拟[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(4): 151-166. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.04.010
引用本文: 胡梦颖, 李三忠, 戴黎明, 索艳慧, 郭玲莉, 刘泽, 马芳芳, 陶建丽. 西湖凹陷中北部反转构造动力学机制的数值模拟[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(4): 151-166. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.04.010
HU Mengying, LI Sanzhong, DAI Liming, SUO Yanhui, GUO Lingli, LIU Ze, MA Fangfang, TAO Jianli. NUMERICAL DYNAMIC MODELING OF TECTONIC INVERSION IN THE NORTHEASTERN XIHU SAG[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(4): 151-166. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.04.010
Citation: HU Mengying, LI Sanzhong, DAI Liming, SUO Yanhui, GUO Lingli, LIU Ze, MA Fangfang, TAO Jianli. NUMERICAL DYNAMIC MODELING OF TECTONIC INVERSION IN THE NORTHEASTERN XIHU SAG[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(4): 151-166. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.04.010

西湖凹陷中北部反转构造动力学机制的数值模拟


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.04.010
详细信息
    作者简介:

    胡梦颖(1993—),女,硕士研究生,地质学专业,E-mail: 524682527@qq.com

    通讯作者: 李三忠(1968—),男,博士生导师,构造地质与海洋地质专业,E-mail: sanzhong@ouc.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFC0601002

    鳌山卓越科学家计划 2015ASTP-0S10

    国家重点研发计划 2017YFC0601401

    国家自然科学基金杰出青年基金 41325009

  • 中图分类号: P736.1

NUMERICAL DYNAMIC MODELING OF TECTONIC INVERSION IN THE NORTHEASTERN XIHU SAG

More Information
  • 摘要: 东海陆架盆地位于欧亚板块东缘,受太平洋板块俯冲、印度板块与欧亚板块碰撞影响,经历了3期构造反转作用,尤其是位于其东部拗陷带的西湖凹陷,记录了新生代以来的构造反转过程。选择反转作用最为强烈的西湖凹陷中北部区域,进行有限元数值模拟,以此为基础来探讨反转构造的动力学机制。在大量地震剖面的综合分析的基础上,基于西湖凹陷的构造几何学特征,建立了具有黏弹性性质的6套地层以及9条主要断裂组成的地质模型。模拟结果表明,在西湖凹陷中以剪切为主并辅以早期拉伸、晚期挤压的凹陷演化模式是控制凹陷构造反转过程自西向东逐渐发生迁移的主要因素。西湖凹陷垂向位移场演化特征的定量化分析表明,反转构造过程表现为第一期反转导致西部隆升、东部沉降,第二、三期反转导致西部沉降、中东部隆升的特征,模拟结果与西湖凹陷不同界面剥蚀厚度显示的区域隆升及沉降演化过程一致,且模型中压性应力场低值区的分布与已知油气藏的分布也具有较好的对应关系。因此,西湖凹陷构造反转过程主要受区域应力场由早期的右行张扭逐渐调整为晚期的左行压扭影响。造成这种调整的原因主要是太平洋板块、菲律宾海板块向欧亚板块的俯冲速率及方向的改变。
  • 图  1  东海陆架盆地构造单元

    (引自文献[40])

    Figure  1.  Tectonic map of the East China Sea Continental Shelf Basin

    图  2  西湖凹陷构造单元划分及断裂体系

    Figure  2.  Tectonic units and fault system in the Xihu Sag

    图  3  西湖凹陷的三维结构模型

    (黑色实线代表 4个剖面位置,揭示了西湖凹陷中北部的垂向结构和构造特征)

    Figure  3.  3D model of the Xihu Sag

    图  4  模型的三种边界条件

    Figure  4.  Three kinds of boundary conditions in the model

    图  5  模型1中西湖凹陷地形面演化

    (图 5BⅠ两条黑线代表测线的位置;图 5C曲线代表了三期反转后盆地地形演化趋势)

    Figure  5.  Topographic evolution of model 1

    图  6  模型2中西湖凹陷地形面演化

    (图 6BⅠ两条黑线代表测线的位置;图 6C曲线代表了三期反转后盆地地形演化趋势)

    Figure  6.  Topographic evolution of model 2

    图  7  模型3中西湖凹陷地形面演化

    (图 7BⅠ两条黑线代表测线的位置。图 7C曲线代表了三期反转后盆地地形演化趋势)

    Figure  7.  Topographic evolution model 3

    图  8  西湖凹陷不同界面剥蚀区域

    Figure  8.  Denudation areas along different interfaces in the Xihu Sag

    图  9  模型3中西湖凹陷压应力分布特征与已知油气藏分布的对比

    Figure  9.  Compressive stress distribution in model 3 compared to the occurrence of oil reservoirs in the Xihu Sag

    10  西湖凹陷构造反转演化趋势及其成因机制

    (地震剖面据文献[26, 77])

    10.  Process of tectonic reversion and its formation mechanism of the Xihu Sag

    表  1  西湖凹陷地层柱及构造演化

    Table  1.   Stratigraphic column and tectonic evolution of the Xihu Sag

    表  2  模型中岩石属性参数(据文献[71, 72])

    Table  2.   Parameters of rock properties used in the model

    弹性特性 杨氏模量/Pa 密度/(kg/m3) 泊松比
    K2-盆地基底 2.0e10 2 700 0.3
    K2-E2地层 1.5e10 2 400 0.3
    E2地层 1.5e10 2 400 0.3
    E3地层 1.0e10 2 400 0.35
    N1地层 1.5e10 2 400 0.3
    N2地层 1.3e10 2 400 0.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-31
  • 修回日期:  2017-06-19
  • 刊出日期:  2017-08-28

西湖凹陷中北部反转构造动力学机制的数值模拟

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.04.010
    作者简介:

    胡梦颖(1993—),女,硕士研究生,地质学专业,E-mail: 524682527@qq.com

    通讯作者: 李三忠(1968—),男,博士生导师,构造地质与海洋地质专业,E-mail: sanzhong@ouc.edu.cn
基金项目:

国家重点研发计划 2016YFC0601002

鳌山卓越科学家计划 2015ASTP-0S10

国家重点研发计划 2017YFC0601401

国家自然科学基金杰出青年基金 41325009

  • 中图分类号: P736.1

摘要: 东海陆架盆地位于欧亚板块东缘,受太平洋板块俯冲、印度板块与欧亚板块碰撞影响,经历了3期构造反转作用,尤其是位于其东部拗陷带的西湖凹陷,记录了新生代以来的构造反转过程。选择反转作用最为强烈的西湖凹陷中北部区域,进行有限元数值模拟,以此为基础来探讨反转构造的动力学机制。在大量地震剖面的综合分析的基础上,基于西湖凹陷的构造几何学特征,建立了具有黏弹性性质的6套地层以及9条主要断裂组成的地质模型。模拟结果表明,在西湖凹陷中以剪切为主并辅以早期拉伸、晚期挤压的凹陷演化模式是控制凹陷构造反转过程自西向东逐渐发生迁移的主要因素。西湖凹陷垂向位移场演化特征的定量化分析表明,反转构造过程表现为第一期反转导致西部隆升、东部沉降,第二、三期反转导致西部沉降、中东部隆升的特征,模拟结果与西湖凹陷不同界面剥蚀厚度显示的区域隆升及沉降演化过程一致,且模型中压性应力场低值区的分布与已知油气藏的分布也具有较好的对应关系。因此,西湖凹陷构造反转过程主要受区域应力场由早期的右行张扭逐渐调整为晚期的左行压扭影响。造成这种调整的原因主要是太平洋板块、菲律宾海板块向欧亚板块的俯冲速率及方向的改变。

English Abstract

  • “反转构造”概念的首次提出是在20世纪80年代,被定义为“盆地逆转成构造隆起”[1, 2]。随后几十年中,随着对反转构造研究的不断加强和深入以及地震技术的发展,这一概念逐渐得到重视并不断完善发展:是指同一地质体在不同地质历史时期,由于应力场的变化,造成挤压构造与拉伸构造垂向上叠加的一种复合构造形式[1, 3]。反转作用过程伴随盆地的发育演化过程,研究反转构造有助于深刻认识盆地的发育演化过程;同时,构造反转强度和反转期与油气生成和运聚的时间匹配关系等对油气聚集成藏有重要影响[1],更使其在油气勘探构造分析中愈来愈为人们所关注[3-10]

    盆地构造反转的性质可以通过大量的多阶段反转断裂体现出来,尤其是先存的伸展正断层和伴生的背斜或断褶等构造行迹。为了探索盆地构造反转特征及其最主要影响因素等问题,前人也已展开了很多数值模拟和物理模拟实验[11-20]:Buiter等[13]通过数值模拟实验探讨铲形断层对盆地构造反转的影响,得出先存软弱断裂带是盆地构造反转大量发生的必要条件;Ventisette等[15]实验室模拟了逆断层与早期先存正断层的耦合性的影响,认为挤压构造的形成强烈受控于先存正断层及其倾角大小;Marques等[16]通过沙箱实验探讨了盆地收缩量与收缩方向对盆地反转作用的影响;Gomes等[18]通过物理模拟实验,探讨铲形断层在盆地构造反转中的作用,得到半地堑盆地边界铲式断层的形态对于构造反转中正断层的再活动有着强烈的影响。上述数值模拟和物理模拟的实验,探讨盆地反转构造样式的一些影响因素,但还存在一些问题。如物理模拟实验中缺乏考虑先存控盆断层的形态变化;数值模拟实验多为二维平面模拟,缺乏对盆地构造反转过程的重现以及在此基础上对其动力学机制的分析等。

    位于中国东部陆缘的东海陆架盆地,自晚中生代以来经历了多期构造运动的改造,形成了复杂多样的反转构造,其中以西湖凹陷最为典型。对东海陆架盆地西湖凹陷反转构造体系特征及其动力学机制的研究,有助于进一步了解盆地的形成发育历史及构造分布规律,同时,盆地反转构造与油气聚集成藏之间关系的研究,对提高海域盆地油气的勘探效益具有重要的指导意义。西湖凹陷自晚中生代以来长期处于中国东部陆缘伸展构造带内,区域应力场存在数次由伸展到挤压的转换,使得凹陷内普遍发育显著的反转构造。自20世纪90年代东海海域第一个油气田——西湖凹陷平湖油气田投入开发以来,众多学者和油气勘探工作者对西湖凹陷区域反转构造特征、沉积特征以及油气聚集规律都进行了进一步的探索和研究工作。根据大量的二维地震反射剖面以及钻孔资料等,系统定性地探讨了反转构造的分布与样式[21-23],断裂系统的几何学特征及其成因机制[19, 24-27],以及反转构造与油气聚集之间关系等[28-30]。虽然前人对西湖凹陷的研究已相当充分,但还存在一些问题,如对于西湖凹陷反转构造特征的精细刻画不足、反转过程和成因机制不明确等。本文的研究正是针对其构造反转演化过程及其成因机制不明确,根据前人对于西湖凹陷反转成因机制的不同观点,利用数值模拟的方法,建立了三种边界条件的模型,对西湖凹陷构造反转的过程及其成因机制进行系统的模拟,以此重现盆地构造演化过程,从而探讨了盆地演化的迁移规律及其动力学机制。本文的研究模型考虑了盆地岩石圈横向上的不均匀性,断层的设置也是依据现今详细地震数据构建,并且充分考虑了盆地三维空间上的不连续性。

    • 东海陆架盆地位于西太平洋活动大陆边缘,是印度-澳大利亚板块和太平洋板块与欧亚板块汇聚的地带,占据了全球板块汇聚的独特位置,同时受到了印度板块的挤入、太平洋板块的后退式俯冲、台湾造山带的楔入的联合作用[31-33],使得该区域具有一个复杂的构造背景。因此,东海陆架盆地记录了因太平洋板块和菲律宾海板块俯冲速率和方向的变化、欧亚板块和印度板块碰撞形成的盆地构造反转的大量信息[19, 31-38]。盆地地理上位于闽浙隆起区以东,钓鱼岛隆褶带以西(图 1),基底为华南陆块在东海陆架的延伸,是晚白垩世以来发育起来的中、新生代盆地,盆地自西向东可划分为3个主要的构造单元,分别为西部坳陷带、中央隆起带以及东部坳陷带[38],其东部坳陷带具有沉降幅度大,新生代沉积巨厚的特点,是东海陆架盆地的主要油气聚集区[39]

      图  1  东海陆架盆地构造单元

      Figure 1.  Tectonic map of the East China Sea Continental Shelf Basin

      西湖凹陷位于东海陆架盆地东部坳陷带,东侧以钓鱼岛隆褶带为界,西连海礁隆起,南北分别与钓北凹陷和福江凹陷相接(图 1)[22],总体呈NNE—SSW向长条状展布,长约440km,宽约110km,总面积约5.9万km2,是以新生代碎屑沉积为主的沉积凹陷,沉积物最大厚度15 000m,具有自西向东逐渐变厚的趋势。西湖凹陷自西向东可划分为西部斜坡带、中央反转构造带及东部断阶带3个一级构造单元,以及多个二级构造单元(图 2)。其构造演化主要受太平洋板块与菲律宾海板块俯冲方向和速率的影响,大致可以分为3个阶段[26, 29](表 1):盆地形成—始新世裂陷期、渐新世—中新世拗陷反转期、中新世至今沉降期。

      表 1  西湖凹陷地层柱及构造演化

      Table 1.  Stratigraphic column and tectonic evolution of the Xihu Sag

      图  2  西湖凹陷构造单元划分及断裂体系

      Figure 2.  Tectonic units and fault system in the Xihu Sag

      晚白垩世到始新世期间,由于太平洋板块俯冲速率由高到低、角度由低到高的变化,导致欧亚东南陆缘处于右旋张扭应力场下,自晚白垩世开始大规模伸展裂陷,东海陆架盆地西部开始张裂[31, 32, 34, 38]。始新世末(约32 Ma),西湖凹陷经历了第一期构造反转,即玉泉运动造成的构造反转,西部斜坡带隆升并遭受严重剥蚀,东部坳陷带局部地区则发生了并不强烈的构造反转,形成了T30构造不整合界面(表 1)。

      渐新世至中新世,太平洋板块俯冲方向由斜向俯冲转变为垂向俯冲,俯冲速率逐渐上升[34, 35, 41],钓鱼岛隆褶带发生强烈隆升,西湖凹陷整体进入拗陷-反转阶段。菲律宾岛弧发生向西仰冲,使得东海陆架盆地开始处于挤压或左旋压扭的构造背景,渐新世末(约23 Ma),西湖凹陷发生第二期构造反转,即花港运动造成的构造反转,主要沿西湖-基隆大断裂发生反转,并使得断裂带附近地层褶皱、抬升并遭受剥蚀,形成了T20构造不整合界面(表 1)。

      中新世晚期,菲律宾海板块以北西西向朝着欧亚板块俯冲,且速率增加,太平洋板块俯冲速率继续加大,使得东亚陆缘继续处于左行压扭应力状态下,随着冲绳海槽的持续扩张,钓鱼岛隆褶带遭受挤压变形和岩浆侵入发生隆升作用并向西挤压[42-47]。中新世末(约10 Ma)西湖凹陷发生第三期构造反转,即龙井运动造成的构造反转。该期反转十分强烈,范围广、幅度大,地层剥蚀量高,在凹陷中东部形成了大规模的地层褶皱、抬升和剥蚀等,以及下部断层的逆向再活动[19, 22, 38, 48],形成了T12构造不整合面(表 1)。中新世末以来,冲绳海槽继续扩张裂陷,向西挤压开始不明显,东海陆架盆地发生整体沉降[49-52]

      前人研究结果显示,西湖凹陷构造反转在时间上具有从玉泉运动(T30)、花港运动(T20)至龙井运动(T12)由老到新相对增强的趋势,空间上具有由南向北逐渐增强的趋势[26]。因此本文数值模拟研究主要集中在构造反转强度较大的中北部地区。

    • 为了计算出西湖凹陷的应力和地形特点的时空演化过程,从而讨论其构造反转动力学机制,本文采用了三维有限元模拟的方法,使用有限元软件ANSYS来耦合弹性应变、粘性应变和塑性应变。三维模型的建立主要是基于西湖凹陷中北部已有地震剖面、区域地质成果以及钻井等资料,在横向上,为了减小边界效应对模拟结果的影响,模型设计的范围较大,涵盖了西湖凹陷内部主要的一级和二级构造单元及其周缘地区,包括西部的海礁隆起带和东部的钓鱼岛隆褶带;在纵向上,利用已有地震剖面拟合出了各套地层,从上至下分为6层,其中基底深度最大处约15km,充分考虑了盆地基底横向上的不均匀性,更加真实地拟合出了盆地内各套地层的空间形态(图 3)。

      图  3  西湖凹陷的三维结构模型

      Figure 3.  3D model of the Xihu Sag

      断层的滑移速率以及周边应力场的分布特征同样受到断层的空间几何形态影响[53-57],因此,为了反映东海陆架盆地西湖凹陷内基底和地层的空间不连续性,模型中加入了9条主要断裂,同样采用实际地震剖面数据拟合出其空间形态并加入模型中,包括西湖-基隆大断裂及平湖斜坡大断裂两条主断裂带(图 3)。对于这9条断层接触行为的判定,本文使用了库仑摩擦模型[56, 58-64],断层两盘间的抗剪切应力(τ)可表达为:

      $ \tau=\mu p $

      (1)

      其中,p为断层接触面间的正应力(Pa),μ表示断层接触面间的摩擦系数。根据前人数值模拟结果发现[65-67],大型走滑断层的摩擦系数一般较小,约为0.08,因此,本文模型将其摩擦系数统一设置为0.08。西湖坳陷基底断层上部的沉积盖层多以砂岩或泥岩类为主,断层接触面相对粗糙,因此,摩擦系数设置为0.1。本文的有限元接触算法主要采用了惩罚函数[68, 69],这是为了防止模拟过程中断层两盘的穿透量过大而影响计算结果,其表达式为:

      $ f_{n}=k_{n} h_{n} $

      (2)

      其中,n表示接触面法线方向,fn表示接触力,kn表示惩罚函数,hn表示穿透距离。因为该模型为准静态模型,所以忽略了地震等其他可能因素对断层及其周边地区位移场造成的影响。

      前人的岩石和矿物的变形实验研究和大量的野外观察证明,中-深度地壳和上地幔的大多数岩石变形,都是通过组成岩石的矿物塑性变形和流动变形完成,表现在微观尺度上主要为位错蠕变和扩散蠕变两种过程。为了能够正确描述这种塑性流变学行为,本文采用了稳态幂指数流变速率公式[70, 71],其表达式如下:

      $ \dot{\varepsilon}=A \sigma^{n} \exp \left(\frac{-Q}{R T}\right) $

      (3)

      其中,ε是应变率,A是物质结构常数,R是气体常数,Q是活化能,σ是差应力,n是应力指数,上述参数的选取主要是依据前人的研究成果设定(表 2)。

      表 2  模型中岩石属性参数(据文献[71, 72])

      Table 2.  Parameters of rock properties used in the model

      弹性特性 杨氏模量/Pa 密度/(kg/m3) 泊松比
      K2-盆地基底 2.0e10 2 700 0.3
      K2-E2地层 1.5e10 2 400 0.3
      E2地层 1.5e10 2 400 0.3
      E3地层 1.0e10 2 400 0.35
      N1地层 1.5e10 2 400 0.3
      N2地层 1.3e10 2 400 0.3
    • 关于模型边界条件的设定,主要是根据前人的研究成果[26, 32, 73, 74],西湖凹陷的构造演化主要经历了三期构造反转,考虑了盆地形成现今空间结构的三种观点,因而设定了三种边界条件,各开展了三期构造反转的模拟(图 4)。需要强调的是,每种边界条件施加过程中,前一期模拟结果均作为下一期的初始条件。

      图  4  模型的三种边界条件

      Figure 4.  Three kinds of boundary conditions in the model

      第一种模型边界条件强调西湖凹陷构造应力场的分布特征主要受北东向边界断层拉张作用的影响,走滑只起到调节性作用。因此在模型的东南边界设置了早期垂直盆地长轴的伸展,即SE向位移;中晚期垂直盆地走向挤压,即NW向位移的边界条件,其中模型北西边界为固定边界。第二种边界条件认为西湖凹陷为一个张扭性质的盆地,模型边界条件强调西湖凹陷构造应力场的分布特征除主要受北东向边界断层拉张作用的影响外,也受到了走滑作用对凹陷的影响,因此对模型施加了早期右行张扭剪切作用、中晚期左行压扭剪切作用,相对第一种条件来说,增大了走滑分量的影响,即在第一期模型的西边界和东边界分别设置了NNE向和SSW向位移,第二、三期在模型的西边界和东边界分别设置了SSW向和NNE向位移。第三种模型边界条件强调西湖凹陷构造应力场的分布特征明显受北东向边界断层走滑作用的影响,进一步增大了走滑分量对模型中凹陷的影响,因此对模型施加了早期右行剪切作用、中晚期左行剪切作用,即第一期在模型西边界和东边界分别设置了NE向和SW向位移,第二、三期在模型西边界和东边界分别设置了SW向和NE向位移。

    • 盆内构造反转的最直接现象就是形成褶皱[75],这种构造现象在模型中反应在垂向位移上。在本文模拟结果中,首先提取了不同模型不同构造期次垂直位移场的演化过程,这是因为垂直位移场能够直观反映盆地的反转样式及过程[19]。实验过程中,本文分别从西湖凹陷3个模型模拟结果中选取了贯穿盆地的3个曲面和2个测线,从而实现测量地壳不均匀性和断裂的发育对地表变形的影响。本文用4个参数来描述褶皱的几何形态(图 5A, 图 6A, 图 7A):波长、波幅、面积和均衡抬升。波长代表褶皱两翼的最大宽度,波幅代表褶皱谷底到波峰的最大距离,面积代表褶皱反转发育的最大范围。

      图  5  模型1中西湖凹陷地形面演化

      Figure 5.  Topographic evolution of model 1

      图  6  模型2中西湖凹陷地形面演化

      Figure 6.  Topographic evolution of model 2

      图  7  模型3中西湖凹陷地形面演化

      Figure 7.  Topographic evolution model 3

    • 图 5为第一种边界条件作用下研究区垂向位移的分布特征,垂向位移高值为红色,低值为蓝色(以下类似图件相同)。第1期SE向伸展过后,西湖凹陷北部整体上为一宽缓隆起,地形变化表现为整体上的沉降,沉降幅度较小;凹陷南部的局部地区表现为受先存断层控制的断阶带或堑-垒构造,基底断陷形成两个隆起带和一个坳陷区(图 5C)。

      第2期以第1期的模拟结果作为初始条件,应力环境由伸展变为挤压,此时凹陷表现出整体反转的特征。凹陷北部地形隆升,高度约60m(图 5C),主要发生在凹陷中央隆起带及西部斜坡带,东部断阶带靠近嘉兴构造带区域却表现为地形上的向下挠曲,这可能受到先存断层的控制;凹陷南部垂向上则表现为受中央隆起带先存断层控制的地形隆起,抬升量较大,达110m左右,形成了两个隆起带和一个坳陷区,波长较第1期反转后大。反转隆升中心位于南部中央反转构造带,推测处于宁波构造带附近。

      第3期继承第2期的模拟结果,仍为挤压应力,结果与第2期基本一致(图 5C),依然表现为逐渐反转隆升的特征。坳陷北部嘉兴构造带附近由向下挠曲开始逐渐转变为隆升,发生地形的反转隆升;南部的宁波构造带附近反转强度则持续增强。

      基于以上模拟结果可见,在该种边界模型下,西湖凹陷中部地区构造反转过程表现为伸展期的整体沉降和挤压期的整体抬升(图 5)。

    • 第1期在右行张扭应力环境作用下,西湖凹陷中部的中央隆起带,包括宁波构造带及嘉兴构造带,首先开始抬升,成为局部的抬升中心,抬升量约70m(图 6C)。同时,在凹陷的西部斜坡带和东部断阶带则表现为整体的沉降。由此可见,在该种边界条件作用下凹陷应整体表现为地堑-地垒-地堑的垂向分布特征。而产生这种现象的原因应该是受到了先存东倾中央断裂带和凹陷西部一系列西倾次级断裂带的联合影响。

      第2期以第1期的模拟结果作为初始条件,边界条件则由右行张扭环境逐渐转变为与盆地走向呈一定夹角的左行压扭环境。可以看到,在该种边界条件下,凹陷的西部斜坡带和中央隆起带整体发生沉降,沉降幅度约60m(图 6C),并分别形成了一个隆起带和一个坳陷区;而在靠近宁波构造带的东部断阶带则表现为强烈的隆升反转,北部反转抬升量约150m,南部则达到近250 m,成为反转隆升的中心。

      第3期继承第2期的模拟结果,在持续性的左行压扭作用下,凹陷的反转过程发生了明显的变化。凹陷的西部斜坡带南北部均形成隆起带,抬升至约200~250m高,而中央隆起带和东部断阶带发生了明显的挠曲沉降过程(图 6C)。反转中心由东部的断阶带逐渐迁移到了西部斜坡带。

      在大角度张/压扭转换边界条件下,凹陷的演化过程应表现为:在右行张扭环境下,凹陷由于差异沉降导致了中央隆起带的整体抬升;到张/压扭转换期,在两种不同剪切环境的联合作用下导致了凹陷东部断阶带的反转隆升和西部的沉降;最后,在左行压扭控制下,凹陷发生了西部的反转抬升和东部的整体沉降(图 6)。

    • 在第三种模型中,本文继续加大了走滑分量对模型中凹陷的影响。图 7为小角度右行张扭和左行压扭条件作用下研究区垂向位移的分布特征。

      第1期小角度右行张扭环境下,介于中央断裂带和西部斜坡带之间的整个西部凹陷带出现了垂向上的明显抬升,抬升量约150m(图 7C),隆升的中心位于两条北东向次级断层之间,反转强度由北至南明显减小;与此同时,介于中央断裂带和西湖基隆大断裂之间的东部凹陷带则出现了明显的沉降过程,沉降量局部可达80m左右,局部区域还出现先存断层控制的堑-垒构造。

      第2期凹陷边界条件则由小角度右行张扭作用逐渐变为小角度左行压扭作用。在这种应力转换环境下,介于中央断裂带和西部斜坡断裂带之间的西部凹陷带开始逐渐沉降,垂向位移表现为负值;而东部凹陷带的南部靠近钓鱼岛隆褶带的地区则发生了明显的隆起抬升,抬升量不大,约30 m,呈现由北至南抬升量增大的特征(图 7C)。

      第3期凹陷的构造应力场主要受控于左行小角度压扭环境控制之下。在该种边界条件下,凹陷的西部斜坡带进入了整体沉降期,沉降量达到110m左右(图 7C);而东部断阶带,尤其是在中央隆起带,由于受中央断裂带的控制发生了明显的构造抬升,抬升量约195m,即发生了构造反转。隆升中心主要位于中央断裂带的嘉兴构造带及宁波构造带,反转强度由北至南逐渐减小。

      在小角度张/压扭应力环境下,凹陷的构造演化过程表现为:在小角度右行张扭环境下,凹陷中央隆起带西部为隆升中心,东部断阶带则发生了区域沉降;到张/压扭转换期,在两种不同剪切环境的联合作用下导致了凹陷东部断阶带的反转隆升和西部的沉降;第3期在左行压扭应力环境控制下,凹陷西部斜坡带进一步沉降,而东部断阶带隆升则进一步加强(图 7C)。

    • 不同的构造反转过程会引起盆地内部复杂的构造地貌抬升与沉降,抬升导致地层相应的剥蚀,进而形成与反转构造成因相关的区域角度不整合。构造反转剥蚀量的恢复不仅有利于直接了解盆地构造反转隆升的强度、抬升剥露历史,而且也为研究地层中油气的运移和保存提供了重要依据。因此,本文将对研究区反转剥蚀量进行恢复,与模型反转隆升结果进行对比,从而得到符合实际地质演化的较为合理的边界条件。目前剥蚀量计算的方法很多,根据西湖凹陷的具体情况,本文主要采用了地震剖面显示的地层结构外延计算地层剥蚀厚度,并结合前人的研究成果互相校验,以期达到半定量的剥蚀量估算结果。

      图 8为西湖凹陷不整合面剥蚀量估算结果,不同界面剥蚀量大致呈NE向条带状分布,与盆地的挤压反转构造带走向分布一致,反映了反转构造作用对盆地剥蚀界面及剥蚀量分布的控制作用。反转带的隆升时间越早,隆升幅度越大,遭受剥蚀的时间越长,导致剥蚀量越大。T30时期地层剥蚀作用主要发育在凹陷西部斜坡带北端,剥蚀量南部较小,向北增大,而东缘和中央构造带剥蚀量较小。这一不整合界面是玉泉运动的产物,它的形成与裂后的构造格局差异调整作用和热隆起有关,代表了盆地的初次反转。这一时期的剥蚀量分布表明这一期的构造反转主要发生在西部斜坡带,且自北向南反转强度减小。T20时期地层剥蚀作用主要发生在盆地东缘,分布不均一,由南向北变小。这一不整合界面是花港运动的结果,是坳陷期盆地遭受强烈挤压的产物。剥蚀量分布表明这一时期构造反转主要发生在凹陷东部边缘带,且由北向南反转强度增大。T12时期地层剥蚀主要分布在中央反转构造带和东部边缘带,北部剥蚀量大于南部。这一不整合界面是龙井运动的结果,是凹陷发生的第三次大规模构造挤压反转。剥蚀量的分布表明,这一时期发生强烈的挤压构造反转作用,且主要分布在中央反转构造带和东部边缘带,且北部反转强度明显大于南部。

      由模型中西湖凹陷模拟结果与西湖凹陷不同界面剥蚀厚度图(图 8)对比明显可以看到,小角度张/压扭剪切模型在第1期构造反转后,中央隆起带西部为隆升区,隆升并遭受剥蚀,东部则为沉降区,沉降并接受沉积,这与西湖凹陷始新世晚期(T30)时期剥蚀区域显示的结果较为一致;同样,第2期构造反转作用后,中央隆起带西部整体为沉降区,东部则发生构造反转,地形隆升,接受剥蚀,这与西湖凹陷在早中新世(T20—T16)时期剥蚀区域显示的结果一致;而在第3期构造反转后,东部隆升进一步加强,剥蚀作用明显增强,与中中新世晚期(T12)时期剥蚀区域显示的结果较为一致。因此,在凹陷中以剪切为主并辅以拉伸或挤压的凹陷演化模式应该是控制凹陷构造反转过程自西向东逐渐发生迁移的主要影响因素。

      图  8  西湖凹陷不同界面剥蚀区域

      Figure 8.  Denudation areas along different interfaces in the Xihu Sag

    • 空间中任意3个相互垂直的应力组成了区域的应力状态,其大小和方向决定了区域上的构造变形特征。因此,不同应力及其组合环境下不同类型的构造对区域的变形特征起到重要的控制作用,但单就对盆地中具有流体性质的油气资源来说,压应力的大小可能决定了油气运移的基本方向,即由高势区(高压区)向低势区(低压区)沿主要断裂发生运移[76]。即对于在构造应力作用下沉积盆地中先存断裂对油气运移的控制作用来说,压应力起着主要的控制作用。

      图 9为第三种边界条件小角度张/压扭剪切作用下盆地的压应力分布特征与区域已知油气分布对比图。西湖凹陷压应力低值区,主要发育于中央隆起带,其分布范围明显受控于中央断裂带空间形态的变化。在中南部宁波构造带附近,压应力低值区主要位于宁波主断裂的两盘,在其周缘高压应力作用下,宁波构造带是一个很好的油气聚集区;在北部嘉兴构造带附近,压应力低值区位于嘉兴主断裂及其西部次级断裂以及嘉兴主断裂与其东部断裂之间,其周缘地区均具有较高的压应力值,周缘油气很可能会在高流体势的作用下沿着嘉兴主断裂及其次级断裂运移至嘉兴构造带内。对比区域已知油气分布(图 9)可见,在宁波构造带和嘉兴构造带内具有很好的油气显示,这进一步证明了第三种边界条件下西湖凹陷的构造演化可能更加符合该地区的真实情况。但相比于宁波构造带,嘉兴构造带的勘探程度明显较低。因此,本文认为在具有相同的生、储、盖和应力条件下,嘉兴构造带值得重点关注。

      图  9  模型3中西湖凹陷压应力分布特征与已知油气藏分布的对比

      Figure 9.  Compressive stress distribution in model 3 compared to the occurrence of oil reservoirs in the Xihu Sag

    • 西湖凹陷构造反转模式主要考虑了3条主要的大型断层(图 10),分别为西部海礁隆起带边界断层、东部钓鱼岛隆褶带的西湖-基隆大断层以及中央隆起带断层。3条断层之间的空间组合关系分别为:西部海礁隆起带边界断层与中央隆起带断层之间为左阶断裂组合关系,而东部边界断层与中央隆起带断层之间则呈现为右阶断裂组合关系,在这种断裂组合特征之下,盆地在T30时期发生右行走滑作用,西部凹陷带的动力学演化特征表现为在右行左阶环境下的地形隆升,遭受剥蚀,并很可能在西部断阶带发生构造反转,成为其反转中心。与此相反,东部凹陷带在右行右阶环境下则表现为局部上的整体沉降;T20—T12时期,边界条件由小角度的右行张扭变为小角度的左行压扭,在这种边界环境转换模式下,反转中心同时也发生迁移,由西部断阶带迁移至东部带,西部由反转变为沉降,东部则由沉降变为反转,地形隆升,遭受剥蚀。由此可见,盆地内部先存断裂格局对盆地反转构造时空迁移具有显著影响,是反转构造动力学必须考虑的重要因素。

    • 模型中第1期反转对应于盆地T30时期反转阶段。在太平洋板块NWW向俯冲作用下,西湖凹陷处于右行张扭应力场作用下,中央隆起带西部发生构造隆升,垂向位移表现为正值;东部则发生沉降,局部地区出现先存断层控制的堑-垒构造,对未来反转区的进一步扩展抬升起到了一定的限制性作用。

      第2期反转对应于盆地T20时期的反转阶段。太平洋板块俯冲速率持续增强,菲律宾岛弧发生向西仰冲,西湖凹陷处于左旋压扭的应力场作用下,中央隆起带西部区域开始逐渐沉降,垂向位移表现为负值;构造反转向东部区域传播,发生了明显的隆起抬升,由北至南抬升量不断增大。

      第3期反转对应于盆地T12时期的反转阶段。菲律宾海板块以NWW向朝着欧亚板块俯冲,导致冲绳海槽持续扩张,钓鱼岛隆褶带隆升并向西挤压,西湖凹陷处于左旋压扭应力场作用下,产生三期反转中的最大反转强度。中央隆起带西部区域进入整体沉降期,沉降幅度较大;东部区域,尤其是中央隆起带北部,由于受到先存中央断裂带的控制发生了明显的构造抬升,产生了一套新的断裂-逆冲断裂系统,并伴随一批大型挤压背斜的形成(图 10)。反转由北至南传播,强度逐渐减小,这一点在地震剖面上也很明显。

      图  10  西湖凹陷构造反转演化趋势及其成因机制

      Figure 10.  Process of tectonic reversion and its formation mechanism of the Xihu Sag

    • 基于有限元数值模拟技术,结合西湖凹陷区域地质特征,通过对西湖凹陷反转过程的三维数值模拟,本文得到了晚白垩世以来西湖凹陷反转构造的动态演化机制。尽管模型还存在一些问题,但模拟结果为深刻理解西湖凹陷变形机制提供了基础。本文得到了如下结论:

      (1) 模拟结果显示,小角度张/压扭模型模拟结果与西湖凹陷不同界面剥蚀厚度揭示的反转过程一致,因此,凹陷中以剪切为主并辅以拉伸或挤压的凹陷演化模式是控制凹陷构造反转过程自西向东逐渐发生迁移的主要影响因素。

      (2) 西湖凹陷构造反转模式主要考虑了3条主要的大型断层,表现为T30时期的小角度的右行张扭到T20—T12时期的小角度的左行压扭边界条件的转换,导致反转中心由西部断阶带迁移至东部边缘带。

      (3) 西湖凹陷的中北部反转构造动力学机制主要受太平洋板块、菲律宾海板块向欧亚板块的俯冲作用控制。由于俯冲速率及方向的改变,导致区域构造应力场由右行张扭转变为左行压扭,控制了西湖凹陷构造反转的形成。

参考文献 (77)

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