CN108897067B - 一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法，包括：步骤S1、基于渤海湾盆地的基本形态特征，设计相似比例的构造物理模型；步骤S2、基于渤海湾盆地Ek‑Es 4沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用北西‑南东向伸展模式；步骤S3、基于渤海湾盆地Es 3‑Ed沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用近南‑北向伸展模式；步骤S4、基于渤海湾盆地Ng‑Nm沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用反时针旋转模式；步骤S5、将上述实验所得到的平面结果图与剖面结果图进行解释，并与渤海湾盆地实际的构造格架特征、地层分布特征及断层样式特征进行对比分析。本发明模型构建方式简单，模拟方式易于实现，模拟结果准确性好，可重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及物理模拟技术，更具体地，涉及一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法。
背景技术
目前关于渤海湾盆地形成的运动学模式可以概括为5种主要观点：
（1）北西-南东向伸展模式（李德生，1981；马杏垣，1983；张抗，1988；Allen M，1998；陆克政，1997；孟庆任，1998；徐杰，2001）；
（2）北东向走滑拉分模式（侯贵廷，1998；许俊远，2000）；
（3）近南北向伸展模式（周建勋，2006）；
（4）两期南-北向伸展叠加近东西向挤压反转模式（Allen et al., 1998）；
（5）北西-南东伸展叠加右行走滑模式（胡朝元，1983；漆家福，1995；邓起东，2001）。
在前人提出的5种成因模式基础上，通过对渤海湾盆地辽河坳陷、黄骅坳陷、渤中坳陷等构造单元的研究，漆家福等（2010）提出分期伸展叠加变形模式。即，Es期（36 Ma以前）为地幔底辟或太平洋板块俯冲后撤产生的主动裂陷（NW-SE向伸展），Ed-Nm期（36 Ma以后）为区域挤压应力场导致的被动裂陷（近S-N向伸展）。最近于福生等（2016）提出近南北向伸展叠加反时针旋转模型。
根据材料相似性原理，本发明采用松散的干燥石英砂代表砂岩、砾岩等能干性较强的岩层。前人提出的关于渤海湾盆地成因模式主要依据地震剖面解释和凹陷区域成因背景，有一定的指示意义同时也有一定的局限性。本发明提出了关于渤海湾盆地新生代演化成因新模型，弥补了以往模型中存在的不足。
发明内容
本发明提供一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法，进一步解释渤海湾盆地的成因机制，旨在为盆地的深度开发提供理论支持。
一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法，包括：
步骤S1、基于渤海湾盆地的基本形态特征，设计相似比例的构造物理模型；
步骤S2、基于渤海湾盆地Ek-Es 4沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用北西-南东向伸展模式；
步骤S3、基于渤海湾盆地Es 3-Ed沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用近南-北向伸展模式；
步骤S4、基于渤海湾盆地Ng-Nm沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用反时针旋转模式；
步骤S5、将上述实验所得到的平面结果图与剖面结果图进行解释，并与渤海湾盆地实际的构造格架特征、地层分布特征及断层样式特征进行对比分析。
步骤S1中基于渤海湾盆地的基本形态特征，设计相似比例的构造物理模型具体包括：
实验模型以钢板A、钢板B代表渤海湾盆地的边界，钢板A呈“厂”字形，钢板B呈倒“厂”字形，钢板A、钢板B的横臂相对、竖臂相对，在钢板A、钢板B的横臂、竖臂之间形成中心区域；
钢板A、钢板B的横臂长均为40 cm，竖臂均为长70 cm，钢板的周缘嵌有螺丝钉，螺丝钉的间距为10 cm；中心区域放置一个固定棒，中心区域表面设置一层塑料薄膜，中心区域的长度为20 cm，宽度为11 cm，东北部地区的间距为0.5 cm；西南地区的间距为4 cm，两侧马达拉伸，拉伸速度0.5 mm/min，实验在室温下进行。
步骤S2具体包括：
步骤S21、在钢板A、钢板B及中心区域上铺设1 cm厚的沙层，铺设一层黑色标志层，在其上继续铺设1 cm厚的沙层，上设一层红色标志层，共同组成厚度约为2 cm厚的基底层；运动开始，金属板A和B沿着北西-南东方向分别运动了0.25 cm后停止运动，在模型的东北部地区和西南地区形成了伸展断裂，填充沙层于这些断裂之中用以模拟Ek 3沉积时期，其他未发生形变的区域不覆盖新的沙层，填充完毕之后在整个地区上覆一层红色标志层；
步骤S22、继续进行北西-南东向伸展运动，金属板A和B分别拉伸至0.5 cm时停止运动，并重复上一步的操作在变形区充填沙层用以模拟Ek2沉积时期。待填充完毕后在整个区域上覆一层蓝色标志层。
步骤S23、继续伸展运动，在金属板A和B分别拉伸至0.75 cm时停止，重复上一步操作完成Ek 1沉积时期的模拟，铺设蓝色标志层，待金属板分别运动至1 cm时停止运动。此时北西-南东方向的伸展变形模拟运动结束，共计伸展2 cm。
步骤S24、重复上一步操作填充Es 4沉积层。在整个区域上覆一层红色沉积层，更换伸展方向，开始近南-北向伸展模拟运动。
步骤S3中基于渤海湾盆地Es 3-Ed沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用近南-北向伸展模式具体包括：
步骤S31、金属板A和B分别沿着近南北向伸展至0.25 cm时停止运动。在全区上覆一层0.5 cm厚的沙层，上覆一层绿色标志层用以模拟Es 3 下沉积时期。继续拉伸，至全区伸展至0.5 cm时停止运动，并上覆一层0.4 cm厚的沙层用以模拟Es 3 上沉积时期，在其上覆盖一层黑色标志层。
步骤S32、继续铺设0.3 cm厚的沙层用以模拟E s1-2沉积层，上覆一层红色标志层，全区拉伸至3 cm时停止运动。此时始新世近南北向伸展变形运动模拟过程全部结束，全区共计伸展3 cm。
步骤S4中基于渤海湾盆地Ng-Nm沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用反时针旋转模式具体为：
铺设0.7 cm厚的沙层模拟Ed沉积时期，在其上铺设一层蓝色标志层，并沿着近南北向分别运动0.2 cm时停止运动。此时固定金属板A不动，金属板B沿着旋转点逆时针旋转8°后停止旋转，渐新世的旋转变形运动模拟结束。整个实验结束后，上覆一层厚度为0.5 cm的沙层，并浇水静置。
步骤S5、将上述实验所得到的平面结果图与剖面结果图进行解释，并与渤海湾盆地实际的构造格架特征、地层分布特征及断层样式特征进行对比分析，具体为：
步骤S51、对实验结果平面图进行解释；
步骤S52、对实验结果剖面图进行解释；
步骤S53、实验结果与渤海湾盆地实际构造格架特征、地层分布特征及断层样式特征进行对比分析。
本发明的有益效果主要如下：
（1）理论模型的构建方式简单，且基于理论模型构建的物理模拟模型，其模拟结果能够很好的重现渤海湾盆地的构造格架特征、地层分布特征以及断层样式特征；
（2）构建理论模型所涉及的参数少，计算过程简单；
（3）物理模拟模型的构建方式简单，易于实现；
（4）实际模拟过程中根据实际的地质条件，能够方便的控制模拟条件的变化，实施过程简单以操作，对实际的断层的重现性好。
附图说明
图1为根据本发明实施例中一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法的理论模型的示意图；
图2为根据本发明实施例中一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法的模拟结果平面演化图；
图3为根据本发明实施例中一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法的模拟结果剖面切片图；
图4为根据本发明实施例中一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法的模拟结果与渤海湾盆地构造纲要对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法，包括：
步骤S1、基于渤海湾盆地的基本形态特征，设计相似比例的构造物理模型；
步骤S2、基于渤海湾盆地Ek-Es 4沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用北西-南东向伸展模式；
步骤S3、基于渤海湾盆地Es 3-Ed沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用近南-北向伸展模式；
步骤S4、基于渤海湾盆地Ng-Nm沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用反时针旋转模式；
步骤S5、将上述实验所得到的平面结果图与剖面结果图进行解释，并与渤海湾盆地实际的构造格架特征、地层分布特征及断层样式特征进行对比分析。
参见图1所示，实验模型以钢板A、钢板B代表渤海湾盆地的边界，钢板A呈“厂”字形，钢板B呈倒“厂”字形，钢板A、钢板B的横臂相对、竖臂相对，在钢板A、钢板B的横臂、竖臂之间形成中心区域；
钢板A、钢板B的横臂长均为40 cm，竖臂均为长70 cm，钢板的周缘嵌有螺丝钉，螺丝钉的间距为10 cm；中心区域放置一个固定棒，中心区域表面设置一层塑料薄膜，中心区域的长度为20 cm，宽度为11 cm，东北部地区的间距为0.5 cm；西南地区的间距为4 cm，两侧马达拉伸，拉伸速度0.5 mm/min，实验在室温下进行。
以下的砂层铺设（砂层垂向比例为1:10万）。
步骤S2具体包括：
步骤S21、在钢板A、钢板B及中心区域上铺设1 cm厚的沙层，铺设一层黑色标志层，在其上继续铺设1 cm厚的沙层，上设一层红色标志层，共同组成厚度约为2 cm厚的基底层；运动开始，金属板A和B沿着北西-南东方向分别运动了0.25 cm后停止运动，在模型的东北部地区和西南地区形成了伸展断裂，填充沙层于这些断裂之中用以模拟Ek 3沉积时期，其他未发生形变的区域不覆盖新的沙层，填充完毕之后在整个地区上覆一层红色标志层；
步骤S22、继续进行北西-南东向伸展运动，金属板A和B分别拉伸至0.5 cm时停止运动，并重复上一步的操作在变形区充填沙层用以模拟Ek2沉积时期。待填充完毕后在整个区域上覆一层蓝色标志层。
步骤S23、继续伸展运动，在金属板A和B分别拉伸至0.75 cm时停止，重复上一步操作完成Ek 1沉积时期的模拟，铺设蓝色标志层，待金属板分别运动至1 cm时停止运动。此时北西-南东方向的伸展变形模拟运动结束，共计伸展2 cm。
步骤S24、重复上一步操作填充Es 4沉积层。在整个区域上覆一层红色沉积层，更换伸展方向，开始近南-北向伸展模拟运动。
步骤S31、金属板A和B分别沿着近南北向伸展至0.25 cm时停止运动。在全区上覆一层0.5 cm厚的沙层，上覆一层绿色标志层用以模拟Es 3 下沉积时期。继续拉伸，至全区伸展至0.5 cm时停止运动，并上覆一层0.4 cm厚的沙层用以模拟Es 3 上沉积时期，在其上覆盖一层黑色标志层。
步骤S32、继续铺设0.3 cm厚的沙层用以模拟E s1-2沉积层，上覆一层红色标志层，全区拉伸至3 cm时停止运动。此时始新世近南北向伸展变形运动模拟过程全部结束，全区共计伸展3 cm。
步骤S4、铺设0.7 cm厚的沙层模拟Ed沉积时期，在其上铺设一层蓝色标志层，并沿着近南北向分别运动0.2 cm时停止运动。此时固定金属板A不动，金属板B沿着旋转点逆时针旋转8°后停止旋转，渐新世的旋转变形运动模拟结束。整个实验结束后，上覆一层厚度为0.5 cm的沙层，并浇水静置。
步骤S51、对实验结果平面图（图2）进行解释，可以看到：北西-南东伸展开始后，在模型的东北部地区和西南部地区的边缘地带首先出现了地堑雏形（图2 a）；伸展至1 cm时，随着伸展量的增加，模型的东北部地区相继出现了一些小规模的伸展断层，且呈现出由边缘向中间发展的趋势（图2 b）；伸展至1.5 cm时，中部区域开始出现伸展断层的雏形（图2c），与此同时西南地区的伸展断层数量增长明显，有从边缘向中间发育的趋势；拉伸至2 cm时，中部地区的南北边缘出现类似走滑作用产生的雁列断层（图2 d），东北部地区的伸展断层数量继续增长；近南北向伸展开始后，中部地区的南北边缘地带首先出现了两组明显的地堑（图2 e），并随着伸展距离的增加，断层开始在中间区域出现，与此同时东部地区的边缘地带开始出现伸展断层（图2 f）；拉伸至3 cm时，全区的断层发育基本饱和（图2 h），中部地区靠近边缘地带的断层倾向绝大多数向着边缘倾斜；反时针旋转8°，东北部地区由于受到了挤压作用断层出现构造反转（图2 i），产生了3条逆断层，西南地区由于受到伸展作用产生了第三期伸展断层，且断层的幅度从中部地区向南逐渐增加。
步骤S52、对实验结果剖面图（图3）进行解释，可以看到：剖面A和B（图3，位置见图i）在中间区域出现了共轭断层，这是两期伸展变形叠加的结果，两条边界断层在Ed沉积时期出现反转，即“中间厚，两边薄”，这是逆时针旋转挤压变形的结果，且从Ek-Es 1-2沉积时期，所有断层的断距逐渐减小，最大断距接近0.5 cm，最小断距约为0.1 cm，这也印证了全区力学方向的改变，即北西-南东向伸展变形对该地区的影响程度要大于近南北向伸展变形作用；中部地区的剖面结果与东北部地区相比有所差异。剖面C和D（图3）均发育有高角度的正断层，角度接近70-85°，且剖面D的多米诺现象更加明显。这些正断层的断距从基底向上逐渐增加，最大断距接近2 cm，最小断距不足0.1 cm，这是由于中部地区受到的近南北向伸展作用的影响程度大于北西-南东向伸展作用的影响。剖面E可以看到，Ek和Es 4在层间消失。总的来说，中部地区的断层发育从东向西断层数量逐渐减少，组合样式也逐渐趋于单一；西南地区可见完整的地堑和地垒组合发育现象（图3），三期叠加变形在该地区的表现尤为明显。剖面F-G的断距变化也呈现出从大到小再到大的变化趋势，最大断距可达2 cm，最小断距仅为0.3 cm。这是由于西南地区同东北部地区一样，在一期变形时受到的北西-南东方向的伸展作用影响程度要大于二期变形的近南北向伸展变形的影响，这也是断距从大到小变化的原因；到了Ed沉积时期，由于反时针旋转的影响，西南地区由于再一次受到伸展变形的影响作用，在先存构造的基础上进一步发生拉伸作用，断层的断裂幅度也从一个波谷进入第二个波峰，这也就是断层断距从小到大变化的原因。
步骤S53、实验结果与渤海湾盆地新生代断裂系统的对比结果如图所示（图4），模拟的实验结果与渤海湾盆地实际断裂系统间对比结果主要为：
① 北西-南东向的伸展结果仅仅沿着东西两侧的边界断层发育有北东向伸展断裂带，这与渤海湾盆地Ek-Es 4沉积时期底层的分布范围以及变形样式相吻合；
② 近南北向伸展后的变形结果在模型的中部地区发育有很多近东西向的伸展断层，这与渤海湾盆地Es 3-Ed沉积时期的地层分布范围以及构造变形特征相一致；
③ 反时针旋转产生的压扭性反转构造与张扭性构造并存的格局与渤海湾盆地辽河西部凹陷内发育的反转构造及濮阳凹陷内发育的张扭性控陷断层吻合程度极高，这也弥补了前人实验的不足之处。
本发明的一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法，其依据实际的地质条件，构建理论模型，并结合由该理论模型构建物理模拟模型；由物理模拟模型模拟重现实际地质结构，由模拟过程中的各参数变化及伸展方式变化与模拟结果的对应关系，分析渤海湾盆地各个时期的伸展变形主要方式，从而为地质研究提供理论依据。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种渤海湾盆地成因机制的物理模拟分析方法，其特征是：包括：
步骤S1、基于渤海湾盆地的基本形态特征，设计相似比例的构造物理模型；
步骤S2、基于渤海湾盆地Ek-Es 4沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用北西-南东向伸展模式；
步骤S3、基于渤海湾盆地Es 3-Ed沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用近南-北向伸展模式；
步骤S4、基于渤海湾盆地Ng-Nm沉积时期的地层分布情况与断裂系统特征，采用反时针旋转模式；
步骤S5、将上述步骤S2-S4所得到的平面结果图与剖面结果图进行解释，并与渤海湾盆地实际的构造格架特征、地层分布特征及断层样式特征进行对比分析；
步骤S1具体包括：
实验模型以钢板A、钢板B代表渤海湾盆地的边界，钢板A呈“厂”字形，钢板B呈倒“厂”字形，钢板A、钢板B的横臂相对、竖臂相对，在钢板A、钢板B的横臂、竖臂之间形成中心区域；
钢板A、钢板B的横臂长均为40 cm，竖臂均为长70 cm，钢板的周缘嵌有螺丝钉，螺丝钉的间距为10 cm；中心区域放置一个固定棒，中心区域表面设置一层塑料薄膜，中心区域的长度为20 cm，宽度为11 cm，东北部地区的间距为0.5 cm；西南地区的间距为4 cm，两侧马达拉伸，拉伸速度0.5 mm/min，实验在室温下进行；
步骤S2具体包括：
步骤S21、在钢板A、钢板B及中心区域上铺设1 cm厚的沙层，铺设一层黑色标志层，在其上继续铺设1 cm厚的沙层，上设一层红色标志层，共同组成厚度约为2 cm厚的基底层；运动开始，金属板A和B沿着北西-南东方向分别运动了0.25 cm后停止运动，在模型的东北部地区和西南地区形成了伸展断裂，填充沙层于这些断裂之中用以模拟Ek 3沉积时期，其他未发生形变的区域不覆盖新的沙层，填充完毕之后在整个地区上覆一层红色标志层；
步骤S22、继续进行北西-南东向伸展运动，金属板A和B分别拉伸至0.5 cm时停止运动，并重复上一步的操作在变形区充填沙层用以模拟Ek2沉积时期；待填充完毕后在整个区域上覆一层蓝色标志层；
步骤S23、继续伸展运动，在金属板A和B分别拉伸至0.75 cm时停止，重复上一步操作完成Ek 1沉积时期的模拟，铺设蓝色标志层，待金属板分别运动至1 cm时停止运动；此时北西-南东方向的伸展变形模拟运动结束，共计伸展2 cm；
步骤S24、重复上一步操作填充Es 4沉积层；在整个区域上覆一层红色沉积层，更换伸展方向，开始近南-北向伸展模拟运动；
步骤S3具体包括：
步骤S31、金属板A和B分别沿着近南北向伸展至0.25 cm时停止运动；在全区上覆一层0.5 cm厚的沙层，上覆一层绿色标志层用以模拟Es 3 下沉积时期；继续拉伸，至全区伸展至0.5 cm时停止运动，并上覆一层0.4 cm厚的沙层用以模拟Es 3 上沉积时期，在其上覆盖一层黑色标志层；
步骤S32、继续铺设0.3 cm厚的沙层用以模拟E s1-2沉积层，上覆一层红色标志层，全区拉伸至3 cm时停止运动；此时始新世近南北向伸展变形运动模拟过程全部结束，全区共计伸展3 cm；
步骤S4具体为：
铺设0.7 cm厚的沙层模拟Ed沉积时期，在其上铺设一层蓝色标志层，并沿着近南北向分别运动0.2 cm时停止运动；此时固定金属板A不动，金属板B沿着旋转点逆时针旋转8°后停止旋转，渐新世的旋转变形运动模拟结束；整个实验结束后，上覆一层厚度为0.5 cm的沙层，并浇水静置；
步骤S5具体为：
步骤S51、对实验结果平面图进行解释：北西-南东伸展开始后，在模型的东北部地区和西南部地区的边缘地带首先出现了地堑雏形；伸展至1 cm时，随着伸展量的增加，模型的东北部地区相继出现了一些小规模的伸展断层，且呈现出由边缘向中间发展的趋势；伸展至1.5 cm时，中部区域开始出现伸展断层的雏形，与此同时西南地区的伸展断层数量增长明显，有从边缘向中间发育的趋势；拉伸至2 cm时，中部地区的南北边缘出现类似走滑作用产生的雁列断层，东北部地区的伸展断层数量继续增长；近南北向伸展开始后，中部地区的南北边缘地带首先出现了两组明显的地堑，并随着伸展距离的增加，断层开始在中间区域出现，与此同时东部地区的边缘地带开始出现伸展断层；拉伸至3 cm时，全区的断层发育基本饱和，中部地区靠近边缘地带的断层倾向绝大多数向着边缘倾斜；反时针旋转8°，东北部地区由于受到了挤压作用断层出现构造反转，产生了3条逆断层，西南地区由于受到伸展作用产生了第三期伸展断层，且断层的幅度从中部地区向南逐渐增加;
步骤S52、对实验结果剖面图进行解释；
步骤S53、实验结果与渤海湾盆地新生代断裂系统的对比结果，模拟的实验结果与渤海湾盆地实际断裂系统间对比结果包括：
① 北西-南东向的伸展结果仅仅沿着东西两侧的边界断层发育有北东向伸展断裂带，这与渤海湾盆地Ek-Es 4沉积时期底层的分布范围以及变形样式相吻合；
② 近南北向伸展后的变形结果在模型的中部地区发育有很多近东西向的伸展断层，这与渤海湾盆地Es 3-Ed沉积时期的地层分布范围以及构造变形特征相一致；
③ 反时针旋转产生的压扭性反转构造与张扭性构造并存的格局与渤海湾盆地辽河西部凹陷内发育的反转构造及濮阳凹陷内发育的张扭性控陷断层吻合程度极高。
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