準噶爾盆地中4區塊構造解析及物理模擬實驗

胡秋媛，董大偉，楊建磊，高 亮，孔 雪，楊 光，焦曉倩

(1.中國石油大學勝利學院油氣工程學院，東營 257000；2.中國石油大學勝利學院高等教育與評價中心，東營 257000；3.中國石油大學勝利學院教學科研處，東營 257000)

準中4區塊位于準噶爾盆地腹部地區，整體上為位于沖斷斜坡帶上的單斜構造[1-4]，其主要勘探層系集中于侏羅系頭屯河組(J2t)、三工河組(J1s)和八道灣組(J1b)。前期勘探實踐表明，研究區發育多個含油構造，油氣勘探潛力巨大，但勘探程度較低[5-9]。前人對準中4區塊侏羅系的沉積演化特征、物源體系及儲層成巖等方面做了系統研究[10-14]，但準中4區塊構造樣式復雜，對區內斷層發育類型、活動演化期次、成因機制及斷層啟閉性等方面的研究相對較少，尤其缺少相應的實際變形支持。綜合應用地震、鉆井等資料，通過構造精細解釋、平衡剖面回剝、斷層落差等方法，系統研究準中4區塊的幾何學、運動學及動力學特征，在此基礎上基于相似性原理，首次將構造物理模擬實驗引入準中4區塊，反演再現研究區的構造演化過程，為深度剖析其動力學形成機制提供重要支持，彌補研究區動力學實際變形方面的不足，以期為研究區下一步油氣勘探提供有力依據。

1 區域地質概況

準噶爾盆地隸屬于新疆維吾爾自治區，位于新疆北部，夾持于天山造山帶與阿爾泰造山帶之間，兩側被東、西準噶爾構造帶所限，平面形態呈南寬北窄的三角形，總面積1.3×105km2。可以劃分為3隆2坳5個一級構造單元、44個二級構造單元(圖1)。

圖1 研究區區域構造位置與構造域劃分

準中4區塊位于北天山山前斜坡帶內，構造位置上屬于昌吉凹陷東端阜康凹陷內，為準噶爾盆地南緣前陸沖斷帶的次級構造單元，其東部以三臺凸起為界，西鄰昌吉坳陷深凹區，南部分別以伊林黑比爾尕山、博格達山前斷褶帶為界，北抵白家海凸起南緣，面積可達2 891.7 km2[15-16](圖1)。研究區屬典型的準南緣地層分區，整體地層埋藏相對西南深洼區較淺，地層層序簡單，縱向上可分為由南向北逐漸抬升的3個構造層。研究區內董1、董3、董8、董6等井的鉆探實踐表明，準中4區塊以侏羅系的構造—巖性復合油氣藏為主要勘探目標，主要勘探層系集中于侏羅系頭屯河組(J2t)、三工河組(J1s)和八道灣組(J1b)。

2 準中4區塊構造特征研究

準中4區塊隸屬準噶爾盆地南緣阜康凹陷，自海西晚期以來經歷了多期次、多構造域疊加，構造變形復雜多樣。為深入研究準中4區塊構造變形特征，針對準中4區塊進行構造變形分區基礎上，綜合運用研究區三維地震數據進行區域構造解析，獲取斷層平面、剖面組合特征，系統分析研究區斷層幾何學特征，以建立完整的、具有幾何規律的構造體系。在此基礎上，采用平衡剖面回剝、斷層落差等研究方法獲取斷層構造活動史，進而總結斷層運動學特征，以期厘清研究區各構造演化階段的斷層發育特征，為后續成因機制分析提供重要依據。

2.1 研究區構造分區

準中4區塊侏羅系斷層分布圖顯示，研究區斷層平面分布具有明顯的“分帶性”。根據區內斷層分布、產狀等特征，將研究區劃分為董3～董1井斷層區、董7～董8井斷層區和董6井斷層區3個構造區(圖2)。其中，董3～董1井斷層區位于準中4區塊西部，斷層性質均為逆斷層，且沿北西走向分布；董7～董8井斷層區位于準中4區塊北部，斷層性質均為正斷層，整體帶狀分布呈弧形，弧形彎曲凸出向西；董6井斷層位于準中4區塊東南部，斷層性質均為正斷層，整體走向與其南鄰的博格達山造山帶一致。

圖2 準中4區塊構造變形分區及典型剖面

2.2 研究區斷層構造特征

對準中4區塊進行構造變形分區基礎上，以研究區典型地震資料為基礎，綜合運用平衡剖面回剝、斷層落差等研究方法，對區內斷層構造進行詳細解析，獲取各斷層區內斷層平面、剖面幾何學特征及運動學特征研究得出：

(1)董3～董1井斷層區內，斷層多沿NW走向延伸，平面上呈雁列式、平行式組合展布[圖2(a)]。董3井斷層區整體上與準噶爾盆地南緣伊林黑比爾尕沖斷帶走向一致，位于準南緣斷褶帶的薄皮構造區。董1井區部分被NE走向斷層截切，表現出一定右行走滑性質。NE向斷層與研究區南部伊林黑比爾尕山沖斷方向及研究區北部白家海走滑斷裂帶走向一致。剖面上，斷層傾角大、斷距小，伴有小幅度褶皺，整體呈逆沖斷褶帶[圖2(b)]。董3井區內斷層向深部延伸拆離滑脫于沉積蓋層，其中，南部低角度斷層拆離滑脫于侏羅系，而北部高角度斷層拆離滑脫于二疊系。董1井區可明顯區分為兩個斷褶區[圖2(c)]。其中，南部為第一斷褶區，切穿T、J1b、J1s、J2x、J2t、K1層位，自斷層1向北斷層發育層位由南向北越來越深；北部為第二斷褶區，切穿T、J1b、J1s、J2x、J2t層位，自斷層3至斷層5發育層位由南向北越來越淺[圖2(c)]。斷層落差分析表明，董3斷層區各斷層斷距20 ～50 m，董1斷層區各斷層斷距10～30 m，在J1b～J2t時期均為逆沖性質。其中，三工河組(J1s)和西山窯組(J2x)沉積時期為區內斷層主要活動期，自頭屯河組(J2t)沉積時期開始活動逐漸減弱，侏羅紀時由逆沖轉為褶皺，至新生代時，整體表現為單斜撓曲變形。董3井區內各斷層自南向北呈前展式沖斷，且活動強度逐漸減弱[圖3(a)]。董1井區南部第一斷褶區斷層自南向北呈后展式沖斷，而北部第二斷褶區斷層自南向北呈前展式沖斷[圖3(b)]。

圖3 準中4區塊斷層落差直方圖

(2)董7～董8井斷層區由一系列次級斷層構成，整體呈弧形向西凸出。該區分段性明顯，其中，北段沿NE走向延伸，呈雁列式斜列展布，中段近SN向延伸，且規模相對較大，整體呈反“S”形平面組合，南段沿NWW走向密集排列[圖2(a)]。董7～董8井斷層區平面上構成整體向東的伸展構造樣式，中段為正斷層，南北兩段兼具走滑性質。剖面上斷層均為正斷層，傾角介于50°～80°，切穿T、J1b、J1s、J2x、J2t、K1各層位，整體構成“卷心菜式”的剖面組合樣式[圖2(d)]。與花狀構造不同的是，“卷心菜式”剖面組合僅發育上部的“花苞”，各斷層間變形均勻，無主次之分，未發育下部的“花枝”。董8井區斷層在J1時期為逆斷層，且強烈活動時期為J1s；J2時期開始轉為正斷層，表現為向東的伸展逃逸；強烈活動時期為J2s，至白堊紀早期，正斷活動減弱[圖3(c)]。董7井區斷層的斷距正、逆反復，整體表現為正斷層，具有明顯的正-走滑特征，董8井區斷距大于董7井區。

(3)董6井斷層區內，斷層均為正斷層，沿NWW走向延伸，整體呈帶狀分布，斷面傾向具有“南北對稱”的特點[圖2(a)。斷層區西側部分斷層開始分叉，沿NE、NW走向發育。構造位置上，此斷層區緊鄰準南緣的博格達沖斷帶。剖面上，斷層傾角大、斷距小，均表現為正斷性質，主要切穿J1b、J1s、J2x、J2t、。主要剖面組合樣式為斷階式組合、“卷心菜”式組合[圖2(e)]。此斷層區剖面上整體構成背斜，背斜轉折端處發育正斷層，屬典型的中央背斜斷裂帶。董6井斷層在J1b活動時期為逆斷層，沿SSE方向自斷層1至斷層5基本不活動，斷層6為邊界逆沖斷層；剖面顯示的6條斷層在J1s～J2t活動時期均表現為正斷層，在J1s沉積時期為主要活動時期，其后發育背斜，轉折端部位張裂變形，剖面上構成典型的“包心菜”式組合樣式；J3q沉積期斷層活動趨于停止。

3 準中4區塊構造變形分析

前已述及，準中4區塊平面上斷層帶狀分區明顯，剖面上構造樣式多樣，發育高角度逆沖斷層、高角度正斷層和斜滑斷層等多種類型，各斷層區間相對獨立。鑒于此，基于前述斷層幾何學、運動學特征，結合區域及中央走滑構造的發育演化，將準中4區塊劃分為3個構造域和3個變形區：伊林黑比爾尕山沖斷構造域、白家海走滑構造域、博格達山沖斷構造域、董3～董1井斷層區、董7～董8斷層區、董6井斷層區(圖1)。其中，董3～董1井斷裂帶區主要受伊林黑比爾尕山沖斷構造域控制，董7～董8井斷裂帶區主要受白家海走滑構造域控制，董6井斷裂帶區主要受博格達山沖斷構造域控制(圖1)。結合前述斷層幾何學、運動學特征及其區域構造背景，分別探討了3個斷裂變形區的構造變形成因機制，以更好地應用于研究區勘探開發實踐，同時也為后續構造物理模擬實驗中邊界載荷施加提供了重要依據。

3.1 董3～董1井斷層區構造變形分析

董3～董1井斷層區處于伊林黑比爾尕山沖斷構造域內，侏羅紀時，該區被置于準噶爾盆地南緣NE走向的伊林黑比爾尕山沖斷帶的薄皮構造帶上[圖4(a)]，受NE向強烈沖斷作用影響，地層發生膝折帶遷移，發育高角度沖斷褶皺[圖4(b)]。前述斷層活動性分析表明，董3井區斷層活動時期早于董1井區，且前者活動強度大于后者。進入白堊紀，斷層活動減弱，代之以區域整體沉降，變形以微弱褶皺為主，地層南北等厚；至新近紀，準噶爾盆地南緣強烈沖斷，該區處于沖斷斜坡帶上，構造變形以單斜撓曲為特征，地層北薄南厚[圖4(c)、圖4(d)]。因此，伊林黑比爾尕山NE向沖斷作用成為董3～董1井斷層區構造變形的主要動力來源。

圖4 董3～董1井斷層區構造變形及典型剖面

3.2 董7～董8井斷層區構造變形分析

董7～董8井斷層區處于白家海走滑構造域內，自三疊紀起，董7～董8斷層區及其東部的三臺凸起開始向東強烈沖斷，區內以弱擠壓變形為特征，發育一系列逆沖斷層，擠壓變形一直持續至三工河組(J1s)沉積時期；至西山窯組(J2x)沉積時期，受中央走滑斷裂作用控制，三臺凸起持續向東沖斷，董7～董8斷層區演變為后緣拉張環境，形成典型的“逃逸構造”[圖5(a)]，逃逸活動持續至齊古組(J3q)沉積時期，區內董8井區發生張裂正斷[圖5(b)]，董7井區發生斜斷并具走滑特征；至白堊紀時，逃逸停止，取而代之的是區域整體沉降，構造變形弱，區內地層穩定沉積；進入新生代，準噶爾盆地南緣強烈沖斷，董7～董8斷層區整體向南發生單斜撓曲，西側大于東側[圖5(c)]。因此，白家海走滑構造成為董7～董8井斷層區構造變形的主要動力來源。

圖5 董7～董8井斷層區構造變形及典型剖面

3.3 董6井斷層區構造變形分析

董6井斷層區處于博格達山沖斷構造域內，三疊紀時，受印支運動影響，阜康凹陷東部的薄皮構造帶處形成兩個近EW向的斷背斜帶，并持續發育至八道灣組(J1b)沉積時期；自三工河組(J1s)沉積時期開始，該區受弱擠壓作用影響在斷背斜軸部發生張裂，6號邊界斷層發生負反轉[圖2(e)]，同時周緣對稱發育一系列近EW向正斷層，弱擠壓作用持續至齊古組(J3q)沉積時期；至白堊紀時，構造變形明顯減弱，地層穩定沉積，董6井斷層區處于穩定埋深；進入新近紀，準噶爾盆地南緣博格達山再次向北強烈沖斷，促使董6井斷層區處于向南的單斜撓曲。因此，博格達山造山帶向北的沖斷作用成為董6井斷層區構造變形的主要動力來源。

4 準中4區塊構造物理模擬實驗

為進一步提供準中4區塊構造解析的實際變形證據，利用構造物理模擬實驗對研究區進行正演模擬，實現了短時間內對各構造變形階段的有效追蹤。構造物理模擬實驗，是在實驗室中再現地質構造變形過程的一種有效手段[17-18]。目前，構造物理模擬實驗已在伸展構造變形、擠壓及俯沖環境下沖斷變形、反轉構造發育演化等方面取得了很大進展[19-25]，已被廣泛應用于構造地質、石油地質、工程地質等多個領域，并逐步由定性分析邁入半定量—定量分析。本模擬實驗中，以循環滾動的方式多次優化，最終優選出擬合程度最高的一組實驗結果與實際地質情況比對。

4.1 實驗原理與依據

構造物理模擬實驗遵循相似性基本原理。其基本依據：實驗條件上滿足實驗時間與實際地質時期相似、實驗材料與實際地層相似、邊界載荷與實際動力學條件相似，實驗結果上滿足與實際地質構造幾何學相似、運動學相似、動力學相似等。基于上述基本原則，實驗模型與地質模型間需同時滿足：

σ*=ρ*g*l*

(1)

(2)

(3)

式中：σ*、t*、ε*、v*分別代表應力縮放比、時間縮放比、應變率縮放比及位移速率縮放比；ρ*、g*、l*、μ*分別為密度相似比、重力相似比、模型尺度相似比、硅膠與鹽巖層黏度系數相似比[19，26]。

4.2 實驗設計與過程

4.2.1 實驗模型

實驗裝置選用DGU-1型多功能地質構造物理模擬儀中擠壓和伸展模式的雙向驅動單元，該裝置由中石大石儀科技有限公司在2016年自行研制。前已述及，J1s～J3q沉積時期為準中4區塊的主要斷裂變形期，塑造了研究區構造變形主體格局，其后為沉積埋藏和單斜撓曲的改造變形期。基于此，本物理模擬實驗中，設計了J1s～J3q沉積時期的董3～董1井斷層區和董7～董8井斷層區實驗模型：1號動力軸推擠，模擬伊林黑比爾尕山的沖斷；2號動力軸拉伸，模擬董8井東側的伸展逃逸；北部預設凸起，模擬白家海凸起和馬橋凸起(圖6)。此外，裝置上方放置錄像機記錄模型平面運動，裝置側面放置照相機記錄整個實驗過程。實驗結束后對砂體灑水切片，記錄分析實驗模型的地貌特征及內部構造的幾何學特征。

圖6 董3～董1井斷層區和董7～董8井斷層區構造物理模擬實驗模型

4.2.2 實驗材料

構造物理模擬實驗中，選用干燥松散的純石英砂模擬實際地層，其遵循莫爾庫倫強度準則的前提下，與上地殼脆性巖層的形變特征極為相似[27]。實驗用石英砂粒度約200目，密度約2.4 g/cm3，黏結力200 Pa。同時，為便于實驗結果的觀察與記錄，采用彩色石英砂鋪設地層，染色后石英砂力學性質保持不變。

4.2.3 實驗參數與邊界條件

設計高、中、低速7組不同單向擠壓速度的砂箱構造物理模擬實驗表明，中速(0.05～0.005 mm/s)擠壓變形過程中，砂體后緣加積相對較弱，構造變形樣式主要為砂箱楔形體前緣先形成(前展式為主)逆沖斷層，當達到臨界楔形體后，反沖斷層發育并與前展式逆沖斷層構成沖起構造，構造樣式上表現為疊瓦構造與沖起構造的無序疊加[28]。因此，實驗過程中，將有效擠壓速度設定在0.05～0.005 mm/s內。經過多組實驗滾動優化，最終確定動力軸1運行速度為0.04 mm/s，運行時間14 min；動力軸2運行速度為0.01 mm/s，運行時間5 min。

4.2.4 實驗過程與解譯

實驗過程中，用攝像機拍攝平面變形過程，之后進行延時攝影處理，以短時間內恢復實驗過程，有效追蹤各變形階段。此處選擇擬合程度最高的一組實驗進行討論。

(1)物理模擬實驗第1階段(0～14 min)。圖7(a)為實驗初始狀態，為便于構造變形結果的觀察，在砂體表面預設應力圓。第一實驗階段設定1號動力軸推擠[圖7(b)]，遵循邊界載荷相似和時間相似基本原理，依據平流泵流速換算，確定動力軸運行速度為0.04 mm/s，持續運行14 min。實驗結果顯示，模型砂體共發育兩排逆沖推覆構造：第一排逆沖斷層走向與擋板推進方向垂向，即平行擋板；第二排逆沖斷層走向與擋板推進方向開始發生斜交，且左側推進大，右側推進小；整體上逆沖斷層前緣斷層發育自由度大于后緣。第二排逆沖斷層的左上角發育一條斷裂帶，且較為平直；右下角發育兩條斷裂帶，后緣斷裂弧形下凹，前緣斷裂帶弧形上凸[圖7(b)]。將砂體平面特征與準中4區塊斷層平面幾何學特征對比分析，斷層1～3以前展式序列發育，且活動漸弱，斷層3為隱伏斷層；對比研究區，其分別對應董3、董1井區發育斷層，符合董3～董1井斷層區前展式斷層發育。

(2)物理模擬實驗第2階段(15～19 min)。第2實驗階段設定2號動力軸拉伸[圖7(c)]，遵循邊界載荷相似和時間相似基本原理，依據平流泵流速換算，確定動力軸運行速度為0.01 mm/s，持續運行5 min。實驗結果顯示，模型右上角逐漸拉伸，形成弧形張性斷層。其中，斷層中段張性破裂，由兩條斷層逐漸連接而成一條；斷層上、下兩段初期由一系列羽裂的次級斷層組成，后期各次級斷層連接成一條斷層，斷層走向與動力軸2的拉伸方向斜交，指示斷層具有明顯的走滑性質[圖7(c)]。解析實驗結束后的砂體平面構造發育特征，對比準中4區塊斷層平面特征：斷層4為向東的伸展逃逸構造，中段正斷，上、下兩段側斷調節并具明顯走滑特征；對比研究區，其分別對應董8、董7井區發育斷層。斷層1走向與動力軸1的推擠方向垂直，但斷層2～3受白色泡沫阻擋，走向與推擠方向斜交，位移矢量方向偏轉[圖7(d)]；此現象符合董1井區斷層發育特征，即NE向沖斷的擠壓力在董1井處受白家海凸起影響發生偏移，同時疊加白家海凸起的走滑斷層作用，使董1井區斷層具有斜向壓扭特征。

圖7 準中4區塊構造物理模擬實驗及解譯

實驗結束后對砂體灑水切片，詳細記錄分析實驗模型內部構造的幾何學特征。剖面模擬結果顯示，動力軸1推進距離約41 mm，共形成3條前沖斷層和兩條反沖斷層：前緣前沖斷層以前展式發育，由斷層1逐漸演化至斷層3，且斷層1和斷層2皆發育至地表，斷層3仍為盲沖斷層，分別對應研究區董3、董1井區發育的斷層體系；反沖斷層發育于沖斷后緣，被斷層1所截斷，前后緣斷層組合形成沖起構造(圖8)。

圖8 準中4區塊剖面構造物理模擬結果及解譯

4.2.5 實驗結果評價

準中4區塊構造物理模擬實驗歷時19 min，真實再現了研究區董3～董1井斷層區和董7～董8井斷層區的發育演化過程[圖7(d)]。構造物理模擬實驗結果與前述準中4區塊構造特征分析具有極高的吻合度。圖7(d)中董3～董1井區、董7～董8井區斷層平面幾何學特征可與研究區實際構造發育特征對應較好[圖2(a)]，剖面物理模擬實驗結果與前述董3～董1井區、董7～董8井區典型剖面特征對應較好[圖2(c)、圖2(d)]，從而為研究區構造解析提供了有力的實際變形支持。受實驗條件所限，實驗仍存在一定不足，施加邊界載荷時無法同時提供N向的擠壓沖斷，因此，實驗中無法同時恢復董6井斷層區的斷層發育特征，有待在后續實驗中著力解決。

5 結 論

(1)地震資料解釋分析表明，準中4區塊斷層呈帶狀分布，可劃分為董3～董1井斷層區、董7～董8井斷層區和董6井斷層區3個構造分區。其中，董3～董1井區斷層為高角度逆沖斷層，董7～董8井區斷層為高角度正斷層和斜滑斷層，董6井區斷層為高角度“卷心菜式”正斷層。

(2)平衡剖面回剝、斷層落差等方法研究表明，董3～董1井區斷層在J1s～J2t沉積時期強烈活動，董7～董8井區、董6井區斷層在J1s～J2x沉積時期強烈活動。進入白堊紀，研究區內各分區斷層活動減弱，代之以區域整體沉降，地層穩定沉積；至新近紀，構造變形以單斜撓曲為主要特征。

(3)研究區斷層幾何學、運動學特征及區域構造發育演化研究表明，準中4區塊董3～董1井斷層區、董7～董8斷層區、董6井斷層區分別形成于三種變形機制。其中，董3～董1井斷層區主要受伊林黑比爾尕山沖斷構造域控制，董7～董8井斷層區主要受白家海走滑構造域控制，董6井斷層區主要受博格達山沖斷構造域控制。

(4)構造物理模擬實驗取得了與實際地質情況極高的吻合度。實驗結果再現了準中4區塊董3～董1井斷層區、董7～董8井斷層區的斷層發育演化過程，為研究區動力學成因分析提供了實際變形支持與關鍵證據，進一步證實董3～董1井區斷層形成于準南緣沖斷和白家海凸起的阻擋作用，董7～董8井區斷層形成于走滑變形機制下，三臺凸起沖斷的后緣拉張。