基于精細(xì)三維地震數(shù)據(jù)的黃驊坳陷應(yīng)力場(chǎng)分析

基于精細(xì)三維地震數(shù)據(jù)的黃驊坳陷應(yīng)力場(chǎng)分析

1數(shù)值模擬方法與問(wèn)題黃廟背壓位于渤海盆地的中部（圖。與周圍的壓裂相比，地殼厚度最薄，新生面最厚。它是肯志齊朝之后的渤海盆地沉降的中心。它經(jīng)歷了一個(gè)非常復(fù)雜的構(gòu)造過(guò)程，反映了多組拉張擾動(dòng)、上升剝離和滑動(dòng)滑動(dòng)擾動(dòng)的作用。今天，這座山的各種構(gòu)造樣本也記錄了多期結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和多因素結(jié)構(gòu)控制下的動(dòng)態(tài)發(fā)展組合。這種結(jié)構(gòu)組成對(duì)傾斜和油氣資源的分布起到了顯著的控制作用。因此，研究黃廟背壓結(jié)構(gòu)的申請(qǐng)不僅了解華北克拉通破壞過(guò)程中渤海盆地的形成機(jī)制，而且對(duì)油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)于黃驊坳陷及周邊區(qū)域的地球物理特征[9,10,11,12,13,14]、構(gòu)造演化過(guò)程以及動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制等,前人業(yè)已做了大量的工作,而且觀點(diǎn)眾多.但本文重點(diǎn)不是通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)驗(yàn)證某一種動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程或成因機(jī)制是否正確,而是利用已有的三維地震數(shù)據(jù)資料擬合出黃驊坳陷近真實(shí)的三維幾何學(xué)結(jié)構(gòu),并以此為基礎(chǔ)探討黃驊坳陷現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng).數(shù)值模擬方法在恢復(fù)盆地應(yīng)力狀態(tài)及其構(gòu)造演化過(guò)程方面,前人也已做了大量工作.如,Jarosinski等以潘諾尼亞盆地為例利用有限元數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)論述了盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)的發(fā)生機(jī)制.許忠淮和吳少武、李乃勝等則分別利用地震震源機(jī)制解和有限元方法得出了東海陸架盆地及其周邊地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)的分布特征,并以此為基礎(chǔ)探討了盆地的動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制.譚成軒等、王紅才等以遼河油田為例構(gòu)建三維有限元模型,來(lái)研究地應(yīng)力與油氣運(yùn)移間的關(guān)系.王延欣等則利用有限元方法恢復(fù)了二疊紀(jì)準(zhǔn)格爾地區(qū)的主應(yīng)力方向.而針對(duì)黃驊坳陷,胡才適等利用有限元方法構(gòu)建了三維空間模型,并根據(jù)各主要構(gòu)造期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)坳陷的影響模擬了黃驊坳陷的構(gòu)造演化過(guò)程.此外,馬寅生等利用光彈實(shí)驗(yàn)?zāi)M恢復(fù)了黃驊坳陷新生代應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律.上述工作對(duì)了解盆地動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程以及盆地的成因機(jī)制起到一定的幫助作用,但是,依然存在一系列的問(wèn)題.首先,關(guān)于盆地構(gòu)造演化模型的建立都主要是基于盆地地質(zhì)條件下的概念模型,沒(méi)有考慮盆地在演化過(guò)程中橫向上的不均勻性.而通過(guò)前人的研究成果來(lái)看,盆地的橫向不均勻性對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布具有重要的影響,是盆地動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程中不可忽略的重要因素.其次,上述模型中斷層的設(shè)置多采用調(diào)節(jié)有限單元材料屬性(楊氏模量和泊松比)的方法.雖然該方法能夠模擬出斷層的一些基本行為,但其依然為一種連續(xù)性模型,沒(méi)有考慮斷層的不連續(xù)性對(duì)盆地內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響.因而,上述模型多為探討性的理論模型,沒(méi)有真實(shí)的反映出盆內(nèi)的真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征(如,地形的起伏,斷層空間形態(tài)伴隨深度以及走向上的變化等),因此,這些模擬結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些不足.由此可見(jiàn),在對(duì)黃驊坳陷進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí),通過(guò)擬合出近真實(shí)的三維空間結(jié)構(gòu)是十分必要的,其對(duì)了解盆地內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布以及油氣運(yùn)聚規(guī)律具有重要作用.2斷裂發(fā)育特征黃驊坳陷的東西邊界分別為羊二莊斷裂和滄東斷裂(圖1).其中,羊二莊斷裂新生代地層內(nèi)為一條呈NNE展布的西傾高角度走滑斷層,在坳陷的古生界基底內(nèi)則表現(xiàn)出負(fù)花狀的典型走滑特征.羊二莊斷裂向南與蘭考—聊城斷裂側(cè)接,可認(rèn)為是南部蘭考—聊城斷裂向北的拓展,而向北則與北部的沙西斷層側(cè)接.這三條斷裂在平面上呈右階雁列式排列,統(tǒng)稱蘭聊斷裂帶,將黃驊坳陷與埕寧隆起和沙田隆起分隔開(kāi),而在縱向上蘭聊斷裂帶為西傾的鏟式拆離斷層,羊二莊和沙西斷層皆為西傾的高角度正斷層,但在深部,三者有合并為同一條走滑斷裂的趨勢(shì).滄東斷裂為黃驊坳陷的西邊界,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、沿走向空間分段性明顯,以沈青莊低凸起和海河—新港斷層為界可劃分出西南、中部和東北三段.其中,西南段為NE向的坡坪式正斷層,斷距較大.中部段則呈NE向鋸齒狀展布,這種斷裂組合樣式可能是早期右階雁列式正斷層發(fā)生硬連接而形成的追蹤張.東北段以海河—新港斷層為界從板橋次凹西部的NE向突然偏轉(zhuǎn)為北塘次凹西部的NW向,至北塘次凹北側(cè)又偏轉(zhuǎn)為北東向.通過(guò)層析成像、現(xiàn)今該區(qū)地震的震源深度以及大量地震剖面解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn),滄東斷層向下延伸和其他斷裂歸并到一個(gè)統(tǒng)一的滑脫面,該滑脫面深約15~20km,可分為三個(gè)臺(tái)階,其上盤發(fā)育有多米諾式的掀斜地塊.關(guān)于黃驊坳陷新生代盆地的形成,前人觀點(diǎn)較多.漆家福等認(rèn)為坡坪式滄東斷層的伸展作用影響了坳陷的沉積建造及構(gòu)造樣式,從而控制了黃驊坳陷新生代坳陷的形成.任建業(yè)等認(rèn)為以蘭考—聊城斷裂帶和郯廬斷裂帶為邊界的斜向拉張導(dǎo)致了黃驊坳陷新生代盆地的形成.而李三忠則認(rèn)為黃驊坳陷是蘭聊—滄東斷裂帶內(nèi)部斷陷,受西界基底中的滄東斷裂系和東界蘭考—聊城—羊二莊斷裂系控制,構(gòu)成了可以和中國(guó)東部重要的北北東向郯廬斷裂帶相提并論的重要斷裂帶.黃驊坳陷新生代沉積了孔店組、沙河街組、東營(yíng)組、館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系六套地層.其中,在古近紀(jì)沉積的孔店組地層主要發(fā)育在坳陷南部,表現(xiàn)為由河流-沖積相至深湖相,再至沖積相的旋回特征.與孔店組相似,沙河街組至東營(yíng)組同樣也為一個(gè)大的沉積旋回,在沙四至沙一期表現(xiàn)為受主要斷裂控制的湖盆擴(kuò)張階段,坳陷北部發(fā)育了河流-沖積相地層,而坳陷南部沉積了湖相碳酸鹽巖和泥巖地層,在東營(yíng)期黃驊坳陷明顯發(fā)生萎縮,該期次地層下部為深湖相,而上部為河流-沖積相.進(jìn)入新近系,館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系地層廣泛沉積于歧口凹陷,以河流相為主.3黃東南角提出的模型與邊界條件有限元模型主要是基于黃驊坳陷精細(xì)的三維地震數(shù)據(jù)體而構(gòu)建的(圖2).為了減小邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響,模型設(shè)計(jì)的范圍較大,長(zhǎng)約200km,寬約100km,這包括了整個(gè)歧口凹陷,南堡凹陷的一部分,滄縣隆起的一部分和埕寧隆起的一部分,其中歧口凹陷中還包括了歧南、歧北、板橋、北塘四個(gè)次凹和歧口主凹.模型中最厚處約為40km(黃驊坳陷周邊隆起區(qū)),凹陷內(nèi)平均厚度約為28~32km.從上至下分為7層,內(nèi)部包括了明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組一段、沙河街組二段、沙河街組三段和沙河街組四段七個(gè)重要的構(gòu)造界面.斷裂是影響區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征的主要因素之一,而這一影響會(huì)伴隨斷層傾向、傾角以及走向的變化而變化,因此,在盆地構(gòu)造演化過(guò)程中,斷層幾何形態(tài)的變化不但能夠影響區(qū)域沉積沉降中心的遷移等,而且還對(duì)油氣的圈閉、運(yùn)移和保存起到了重要的控制作用.而黃驊坳陷是渤海灣盆地的沉降中心之一,自中生代以來(lái)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度大,頻率高,斷裂十分發(fā)育.坳陷內(nèi)斷層按走向上可劃分為北東向-北北東向、近東西向兩組.其中北東向—北北東向斷層最為發(fā)育,多為正斷層,力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為張扭性.而東西向斷層主要位于歧口主凹以北的地區(qū).本文選取了18條主要的斷裂構(gòu)建出黃驊坳陷的斷裂系統(tǒng)空間形態(tài)圖(圖3).這18條斷層的構(gòu)建完全依據(jù)三維地震資料的解釋成果,沒(méi)有進(jìn)行任何簡(jiǎn)化處理.因此,在該種條件下模擬出的結(jié)果更能夠反映出黃驊坳陷的應(yīng)力狀態(tài),在此基礎(chǔ)推斷出的油氣運(yùn)移趨勢(shì)也更加準(zhǔn)確可靠.由于本文模型為不連續(xù)模型,因此,對(duì)于18條斷層在模擬過(guò)程中接觸行為的判定,使用了庫(kù)侖摩擦模型,其表達(dá)式為其中p表示斷層接觸面間的正應(yīng)力(Pa),μ表示斷層接觸面間的摩擦系數(shù).根據(jù)Kong等、Wang等數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),大型走滑斷層的摩擦系數(shù)一般較小,約為0.08.而黃驊坳陷內(nèi)的基底斷裂為蘭聊—滄東大型走滑斷裂系的一部分,因此在模型中將其摩擦系數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為0.08.坳陷基底斷層上部的沉積蓋層多以碳酸巖、砂巖或泥巖類為主,斷層接觸面相對(duì)粗糙,因此摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1.由于圖2的模型只考慮在現(xiàn)今地質(zhì)條件下盆內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布特征,模擬時(shí)間相對(duì)較短(約2萬(wàn)年)模型厚度相對(duì)較薄(平均約30km),因此,忽略了盆地長(zhǎng)時(shí)間構(gòu)造演化過(guò)程中蠕變或松弛以及下地殼和軟流圈中粘彈性屬性對(duì)盆地的影響.同時(shí),認(rèn)為黃驊坳陷在縱向上已經(jīng)充分壓實(shí),因此只考慮平面構(gòu)造應(yīng)力對(duì)坳陷的影響,而忽略重力對(duì)其造成的影響.基于以上兩點(diǎn),在構(gòu)建黃驊坳陷力學(xué)參數(shù)模型的過(guò)程中只考慮其線彈性行為.對(duì)于各套地層間以及與坳陷基底上的差異,主要通過(guò)調(diào)節(jié)楊氏模量(E)、泊松比(υ)以及地層密度(ρ)來(lái)實(shí)現(xiàn)(表1).其中,沉積蓋層中模型參數(shù)的選擇主要基于安歐、胡才志等對(duì)地層樣品測(cè)試分析的結(jié)果,具有一定的可信度.而盆地基底的力學(xué)參數(shù)主要通過(guò)渤海灣地區(qū)橫波速度和縱波速度間的關(guān)系式計(jì)算得出.對(duì)于模型邊界條件的選擇,主要考慮盆地形成現(xiàn)今空間結(jié)構(gòu)的三種觀點(diǎn)(圖4).第一種觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)黃驊坳陷構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布特征明顯受北東向邊界斷層走滑作用的影響.因此,在模型中的西邊界設(shè)置為具有北東向的位移,模型的南北邊界和東邊界設(shè)置為固定邊界,模型底邊界設(shè)置為垂向固定,水平方向?yàn)樽杂蛇吔?圖4a).第二種觀點(diǎn)認(rèn)為黃驊坳陷是一個(gè)張扭性質(zhì)的盆地,既強(qiáng)調(diào)了走滑作用對(duì)坳陷的影響,也強(qiáng)調(diào)了拉張作用對(duì)坳陷的影響.基于該種觀點(diǎn),模型中的西邊界設(shè)置為具有正北方向的拉伸位移,模型南北邊界和東邊界設(shè)置為固定邊界,模型底邊界設(shè)置為垂向固定,水平方向?yàn)樽杂蛇吔?圖4b).第三種觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)黃驊坳陷的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要受滄東坡坪式拆離斷層拉張作用的影響,走滑作用只起到調(diào)節(jié)性作用.基于該種觀點(diǎn),模型中的西邊界設(shè)置為具有北西向的拉伸位移,而模型的東邊界和南北兩邊界設(shè)置為固定邊界,模型底邊界設(shè)置為垂向固定,水平方向?yàn)樽杂蛇吔?圖4c).4目標(biāo)層位的建立本文選取了三種應(yīng)力參數(shù),分別為第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)表達(dá)黃驊坳陷的應(yīng)力狀態(tài).其中,據(jù)ANSYS方法的規(guī)定,第一主應(yīng)力值大于第三主應(yīng)力值,因此第一主應(yīng)力的正值可用來(lái)描述坳陷的張性應(yīng)力環(huán)境,第三主應(yīng)力的負(fù)值可用來(lái)描述坳陷的壓性應(yīng)力環(huán)境.應(yīng)力強(qiáng)度則用來(lái)描述坳陷中容易產(chǎn)生破裂的區(qū)域,對(duì)于其表達(dá)式可參見(jiàn)戴黎明等對(duì)其的論述.由于本文模型的地層分層較多,不能將所有結(jié)果都展示出來(lái),因此選取了可刻畫現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的最為接近的明化鎮(zhèn)組地層作為目標(biāo)層位進(jìn)行討論.4.1張應(yīng)力分布特征圖5為在三種邊界條件作用下Nm構(gòu)造界面上第一主應(yīng)力的分布特征.從圖中可以看到,在Nm界面上三種模型的第一主應(yīng)力的分布特征明顯不同.在第一種邊界條件下(圖5a),黃驊坳陷張性應(yīng)力高值區(qū)主要介于滄東斷層中段和濱海斷層之間,這說(shuō)明在右行走滑作用下滄東斷層空間形態(tài)的改變能夠?qū)е缕渖媳P地層產(chǎn)生較強(qiáng)的張性應(yīng)力,而張性應(yīng)力的分布范圍受到濱海斷層的限定.與這兩條斷層相比,張應(yīng)力高值區(qū)內(nèi)的大張陀斷層對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布起到了調(diào)解性作用,使得局部區(qū)域產(chǎn)生異常應(yīng)力.與此同時(shí),在該種邊界條件下坳陷內(nèi)其它區(qū)域張應(yīng)力值變化則不明顯.在第二種邊界條件下(圖5b),黃驊坳陷張應(yīng)力高值區(qū)的分布范圍不再局限于滄東和濱海兩條斷層之間,而廣泛發(fā)育于坳陷南部、板橋次凹、歧北次凹以及北塘次凹中.張性應(yīng)力低值區(qū)分布范圍則相對(duì)較小,主要集中于NE向和EW向斷層的上盤,其中EW向斷層應(yīng)力值分布范圍明顯要小于NE向斷層,這說(shuō)明在SN向拉張作用下EW向斷層的上盤與NE向斷層相比更容易沿?cái)嗝嫦蛳禄?這是因?yàn)榛屏康拇笮≈饕Q于斷層走向與邊界位移方向的夾角,夾角越大斷層上盤下滑量越大、張性應(yīng)力越小.當(dāng)黃驊坳陷受到北西向純拉張的作用力時(shí)(圖5c),坳陷內(nèi)張性應(yīng)力的分布呈現(xiàn)出北中強(qiáng)南部弱的特征.其中,在坳陷中部和北部張性應(yīng)力的分布是彌散性的,廣泛發(fā)育于各個(gè)凹陷中,只是在個(gè)別區(qū)域的斷層上盤出現(xiàn)張應(yīng)力的低值區(qū)(如大張陀斷層上盤、歧中斷層上盤以及茶店斷層上盤),造成該種現(xiàn)象的原因也與斷層走向和邊界位移的作用方向有關(guān).而與中北部區(qū)域相比,坳陷南部的張性應(yīng)力明顯偏弱,這可能與滄東斷層滑脫面南北上的差異有關(guān).4.2油氣分布特征前文論述了第一主應(yīng)力的分布特征,從中能夠看出三種模型張性應(yīng)力的分布范圍存在一定的差異,而該種差異說(shuō)明了在不同邊界條件作用下坳陷內(nèi)可能產(chǎn)生張性破裂的區(qū)域有所不同.那么三種邊界條件又是如何影響黃驊坳陷第三主應(yīng)力的分布特征的呢?由于第三主應(yīng)力多為壓性應(yīng)力,而壓應(yīng)力值的高低又與油氣聚集的可能方位密切相關(guān),因此本文將結(jié)合已知油氣藏的分布特征來(lái)論述三種邊界模型間的差異.從圖6a可以看到當(dāng)黃驊坳陷受到右旋剪切作用時(shí),Nm界面上的第三主應(yīng)力都為壓性應(yīng)力.而根據(jù)壓性應(yīng)力絕對(duì)值的高低,可將坳陷大體劃分出強(qiáng)、中、弱三個(gè)部分.其中,壓性應(yīng)力高值區(qū)主要位于以下四個(gè)區(qū)域:1)第一個(gè)區(qū)域由大神堂斷層、海河—新港斷層以及濱海斷層北段所圍限,整體呈東西向展布并具有東強(qiáng)西弱的分布特征.可以看到該高值區(qū)明顯將北塘次凹和其它凹陷分隔開(kāi),造成這種現(xiàn)象的原因應(yīng)該與滄東斷層下部滑脫面在北塘次凹消失以及三條斷層的分布特征有關(guān).2)第二個(gè)區(qū)域東西介于滄東斷層的中段和濱海斷層南段之間,而南北介于板橋次凹和滄東凹陷,這種應(yīng)力分布特征說(shuō)明滄東斷層空間形態(tài)上的改變導(dǎo)致了壓性應(yīng)力的增強(qiáng),而增強(qiáng)的范圍受到濱海斷層的限定,這與第一主應(yīng)力的分布特征非常相似.3)第三個(gè)區(qū)域位于埕北斷階帶的南段,由南大港斷層南段和埕北斷階所圍陷,整體呈SN向展布.4)第四個(gè)區(qū)域位于坳陷的最南端.與以上四個(gè)區(qū)域相對(duì),壓性應(yīng)力最弱的區(qū)域則主要位于黃驊坳陷內(nèi)的板橋次凹、歧北次凹、歧南次凹、北塘次凹、歧口主凹、滄東凹陷以及埕北斷階帶的北段.除上述強(qiáng)、弱帶以外坳陷內(nèi)其它區(qū)域壓性應(yīng)力值變化不明顯,都為中值區(qū).由此可見(jiàn),在該種邊界條件下壓性應(yīng)力的低值區(qū)能夠形成一系列有利于油氣聚集的應(yīng)力圈閉帶,將黃驊坳陷內(nèi)的一些主要凹陷圈閉其中.通過(guò)對(duì)比已知油藏的分布特征可以看到,這些由構(gòu)造應(yīng)力所圈閉的凹陷都具有較好的油氣顯示.這說(shuō)明該種模式的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)可能與現(xiàn)今黃驊坳陷內(nèi)真實(shí)應(yīng)力分布特征較為吻合.當(dāng)黃驊坳陷在斜向拉張作用下時(shí)(圖6b),根據(jù)第三主應(yīng)力絕對(duì)值的大小可其劃分出強(qiáng)、中、弱三個(gè)區(qū)域.其中,壓性應(yīng)力的高值區(qū)主要位于濱海斷層以西的坳陷中部以及坳陷的最南端.與之相對(duì),低值區(qū)位于滄東凹陷及其東部地區(qū)、歧口主凹內(nèi)以及埕寧斷階帶的東段.除上述區(qū)域之外,坳陷內(nèi)其它區(qū)域均為應(yīng)力中值區(qū).對(duì)比已知油藏的分布特征可知,該種應(yīng)力環(huán)境與坳陷真實(shí)情況存在較大差異.當(dāng)黃驊坳陷在北西向拉張作用下時(shí)(圖6c),可以看到Nm界面上無(wú)論張性應(yīng)力還是壓性應(yīng)力都廣泛發(fā)育.因此在坳陷內(nèi)各構(gòu)造帶內(nèi)應(yīng)力區(qū)分不明顯,無(wú)法判斷其油氣聚集的可能方位.4.3不同主應(yīng)力方向下的斷層特征在黃驊坳陷內(nèi)第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的分布特征及所代表的意義各不相同.為了能夠描述出兩種應(yīng)力環(huán)境的疊加對(duì)坳陷的影響,本文采用應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)刻畫三個(gè)主應(yīng)力的綜合作用特征,其應(yīng)力強(qiáng)度高值區(qū)可以說(shuō)明坳陷中這些區(qū)域容易失穩(wěn)形成斷裂,應(yīng)力強(qiáng)度低值區(qū)為相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域.圖7為Nm構(gòu)造界面上三種邊界模型的應(yīng)力強(qiáng)度分布特征.當(dāng)黃驊坳陷受到右旋剪切作用時(shí)(圖7a),應(yīng)力強(qiáng)度高值區(qū)和低值區(qū)的分布位置及范圍與第三主應(yīng)力分布特征十分相似,這說(shuō)明在該種邊界條件下壓性應(yīng)力控制了坳陷內(nèi)斷層的產(chǎn)生方位,而對(duì)于這些斷層的走向可通過(guò)主應(yīng)力方向來(lái)判斷.從圖中可以看到,黃驊坳陷主應(yīng)力方向自北向南能夠發(fā)生偏轉(zhuǎn),根據(jù)這種變化可將坳陷劃分為四段.第一段位于黃驊坳陷最北端,介于茶淀斷層和大神堂斷層之間.在該段第一主應(yīng)力方向?yàn)镹W向、第三主應(yīng)力方向?yàn)镹E向,根據(jù)安德森斷裂形成模式可知在該種應(yīng)力環(huán)境下能夠形成NNE向或NEE向的走滑斷層.第二段介于大神堂斷層和海河—新港斷層之間,其第一主應(yīng)力方向?yàn)镾N向、第三主應(yīng)力為EW向,能夠形成NNE向或NNW向的走滑斷層.第三段介于海河—新港斷層和濱海斷層南端點(diǎn)之間,其第一主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向、第三主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向,由此能夠形成近NE向或近EW向的走滑斷層.第四段為濱海斷層以南的部分區(qū)域,可以看到在該區(qū)主應(yīng)力方向明顯發(fā)生了偏轉(zhuǎn),其中第一主應(yīng)力方向由三段的NNW向偏轉(zhuǎn)為NE向,而第三主應(yīng)力方向則由三段的NEE向偏轉(zhuǎn)為NW向,由此能夠形成近NNW向或近NWW向的走滑斷層.通過(guò)對(duì)比黃驊坳陷明化鎮(zhèn)組斷裂構(gòu)造分布能夠發(fā)現(xiàn),除第一段以外其它三段模擬出的斷層走向與已知斷層都具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由此可見(jiàn),模擬結(jié)果總體上能夠較好地反映出坳陷內(nèi)現(xiàn)今的應(yīng)力狀態(tài).而對(duì)于第一段出現(xiàn)的偏差可能是因?yàn)槭苓吔缧?yīng)影響的結(jié)果.當(dāng)黃驊坳陷受南北向斜向拉張作用時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度高值區(qū)和低值區(qū)的分布位置及范圍與第三和第一主應(yīng)力分布特征都有相似之處,由此可認(rèn)為區(qū)域斷層的形成是兩者共同作用的結(jié)果.而從主應(yīng)力方向的角度來(lái)看,可將坳陷劃分為三個(gè)區(qū)域(如圖7b,黑色虛線所隔開(kāi)的三個(gè)區(qū)域).第一區(qū)域介于滄東斷層和濱海斷層之間,其第一主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向、第三主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向,由此能夠形成近NE向或近EW向的走滑斷層.雖然這一模擬結(jié)果能與板橋次凹及其周緣斷層走向相對(duì)比,但是與北塘次凹內(nèi)的斷層相比還是存在一定差異.第二區(qū)域介于濱海斷層和南大港斷層之間,其第一主應(yīng)力方向?yàn)镹E向、第二主應(yīng)力方向?yàn)镹W向、第三主應(yīng)力方向垂直向下,由此能夠形成NW向的正斷層,這一結(jié)果與區(qū)域斷層走向存在了較大的差異.第三個(gè)區(qū)域位于滄東凹陷以東(包括滄東凹陷),其第一主應(yīng)力方向?yàn)镾N向、第二主應(yīng)力方向?yàn)镋W向、第三主應(yīng)力方向?yàn)榇怪毕蛳?由此只能形成EW向的正斷層,這同樣與坳陷內(nèi)的實(shí)際斷層走向相區(qū)別.當(dāng)黃驊坳陷受到北西向拉張作用時(shí)(圖7c),應(yīng)力強(qiáng)度分布特征與第一主應(yīng)力分布特征相一致,說(shuō)明區(qū)內(nèi)斷層的形成主要受拉張作用的影響.而根據(jù)主應(yīng)力方向,以海河—新港斷層為界可將坳陷劃分為南北兩個(gè)部分.北部第一主應(yīng)力方向?yàn)镹WW向、第二主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向、第三主應(yīng)力方向?yàn)榇怪毕蛳?由此能夠形成NEE向正斷層,這與區(qū)域斷層走向存在差異.南部第一主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向、第二主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向、第三主應(yīng)力方向垂直向下,由此能夠形成NEE向正斷層,這同樣與區(qū)域斷層走向存在差異.由以上分析可見(jiàn),在右旋剪切作用下模型中形成的斷層走向可能更接近于黃驊坳陷的現(xiàn)今狀態(tài),因此第一種邊界條件可能較為合理.5區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征關(guān)于區(qū)域性構(gòu)造現(xiàn)象的數(shù)值模擬分析,前人已做了大量的工作,這包括了對(duì)構(gòu)造變形的數(shù)值模擬研究、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征的數(shù)值模擬研究以及地震發(fā)生機(jī)制的數(shù)值模擬研究等.這些工作都不約而同的強(qiáng)調(diào)了在特定的邊界條件下斷裂的空間形態(tài)、空間組合樣式以及地層橫向不均勻性對(duì)研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響.本文模擬結(jié)果表明,模型在右旋剪切作用下,無(wú)論是壓性應(yīng)力與已知油藏分布特征的對(duì)比,還是模擬出的斷層走向都與黃驊坳陷現(xiàn)今真實(shí)情況具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而控制這種應(yīng)力分布特征的主要因素除邊界條件以外,同樣與各套地層間地形起伏變化、主要斷層的空間形態(tài)及組合樣式密切相關(guān)(圖8).首先,討論坳陷內(nèi)層序底面起伏的變化.從圖6中可以看到壓性應(yīng)力的低值區(qū)主要分布于黃驊坳陷中以斷層為邊界的地形較低處,如北塘次凹、歧北主凹、板橋次凹等.雖然模擬結(jié)果顯示這種應(yīng)力分布特征受控于坳陷內(nèi)斷層的產(chǎn)狀,但通過(guò)前期大量模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型中僅考慮斷層的產(chǎn)狀并不能將壓性應(yīng)力低值區(qū)準(zhǔn)確的定位于幾個(gè)凹陷處,必須加入地形因素的影響.而且從圖2中也可以看到黃驊坳陷各主要層序底面起伏非常劇烈,考慮到各套地層及坳陷基底材料性質(zhì)上的不同,必然會(huì)造成坳陷內(nèi)橫向上的不均勻性,因此不同區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布特征必然不同.其次,討論滄東斷層形態(tài)上的改變.滄東斷層中段(青縣至板橋)整體為向西凸出的弧形(圖1),因此,造成滄縣隆起(基底性質(zhì))與黃驊坳陷內(nèi)沉積地層間形成一個(gè)大的齒形接觸帶.該帶影響了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布特征,這在圖5、6、7上均有顯示,而造成這種影響的原因可從斷層上下盤材料性質(zhì)上的差異得以分析.即,當(dāng)具有基底性質(zhì)(吸收應(yīng)變的能力較弱)的滄縣隆起沿滄東斷層滑移時(shí),起阻擋作用的坳陷齒形區(qū)相對(duì)柔軟的沉積地層能夠吸收較多的應(yīng)變,致使其應(yīng)力強(qiáng)度明顯提高,并形成了NEE向較強(qiáng)烈的擠壓和NNW較強(qiáng)烈的拉張.而與之相連的坳陷南部(滄東凹陷)和北部(板橋次凹)在此過(guò)程中也必然會(huì)受到影響,但影響方式卻明顯不同.北部的板橋次凹由于受到齒形區(qū)的推擠作用而表現(xiàn)為NEE向的擠壓和NNW的拉張,但強(qiáng)度與中部相比明顯偏弱.與此相對(duì)照,南部的滄東凹陷由于受到向齒形區(qū)NEE向收縮的影響而表現(xiàn)為NE向的拉張和NW向的擠壓.由此可見(jiàn),正是由于滄東斷層空間形態(tài)的改變導(dǎo)致了區(qū)域間應(yīng)力場(chǎng)的變化.然后,坳陷內(nèi)斷層的空間組合樣式,這里主要強(qiáng)調(diào)兩組控制了黃驊坳陷總體應(yīng)力分布特征的斷裂組合.第一組為滄東斷層和濱海斷層的空間組合,通過(guò)對(duì)上一因素的論述可知,滄東斷層空間形態(tài)上的變化導(dǎo)致了其周邊區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度值的提高,但這一影響擴(kuò)張至濱海斷層下盤時(shí)卻嘎然而止,由此造成了斷層上下盤張性應(yīng)力、壓性應(yīng)力以及應(yīng)力強(qiáng)度上的差異,這為油氣資源的聚集提供了良好的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境,而造成這種應(yīng)力差異的原因是與NE向的滄東斷層和濱海斷層密切相關(guān)的.當(dāng)黃驊坳陷齒形區(qū)域受到滄縣隆起推擠作用時(shí),該區(qū)域應(yīng)具有一個(gè)NE向的位移并帶動(dòng)周緣地層一起運(yùn)動(dòng).但當(dāng)遇到NE向的濱海斷層時(shí),由于斷層的滑移導(dǎo)致位移無(wú)法有效的傳遞(部分應(yīng)力被斷層的滑移所釋放),因此造成濱海斷層上下盤應(yīng)力-應(yīng)變上的差異.由此可見(jiàn),滄東斷層控制了黃驊坳陷中南部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布,而濱海斷層則對(duì)這種分布特征起到了限定性作用.第二組為大神堂斷層和海河—新港斷層的空間組合.這兩條斷層的產(chǎn)狀基本類似,都為近EW向S傾的正斷層,平面特征表現(xiàn)為左階雁列式分布.通過(guò)位移矢量的分解可知,NE向的邊界位移可在該區(qū)域分解為正N向和正E向的位移,其中正N向位移可能導(dǎo)致兩條斷層間的區(qū)域性的拉張,而正E向的位移則能夠使兩條斷裂發(fā)生右行走滑,從而形成右行左階的區(qū)域性EW向擠壓,當(dāng)然這種相對(duì)較強(qiáng)烈擠壓也可能與基底滑脫面在該區(qū)域消失有關(guān).最后,滄東斷層向下延伸的滑脫面對(duì)坳陷的影響.通過(guò)北