辽河坳陷位于渤海湾盆地的东北角，其构造演化既具有继承性，又具有新生性^[1-2]。辽河西部凹陷位于辽河坳陷西部，是一个中—新生代裂谷湖盆^[3-5]。郯庐断裂的西侧分支从辽河西部凹陷东部边缘穿过，受其影响，凹陷内断裂十分发育^[6]，其中台安—大洼断裂为郯庐断裂在辽河西部凹陷的分支断层，陈家断裂又是台安—大洼断裂的次级断层，因此，陈家断裂可以视为“郯庐断裂带”的一部分^[7]。受郯庐断裂的影响，陈家断裂的形成与演化均较为复杂。陈家断裂作为西部凹陷中北部发育的主干断裂，对中北部油气田的形成、地层发育、油气成藏等都具有控制作用。受陈家断裂带走滑作用的影响，断层两侧发育有利的构造圈闭，已发现亿吨级大油田，反映了该断层对油气成藏的积极贡献作用。吴振林^[8]、程志超等^[9]、周琦等^[10]认为陈家断裂活动过程中，其断裂性质发生了转变，具有走滑性质，南、北2段存在差异，南段为逆断层，北段为正断层。罗群^[11]认为陈家断裂为多次挤压、多次逆冲的挤压逆断层。李贵芝^[12]认为陈家断裂为2期叠加的反转构造，经历了早期挤压—拉张—挤压的过程。上述这些对陈家断裂的研究多集中在南部冷家—雷家地区的构造特征及油气成藏条件等方面^[13-15]，缺乏对陈家断裂北部台安洼陷的构造演化过程、油气成藏模式、各区段变形机制的研究。

基于陈家断裂的构造特征等研究，对陈家断裂开展走滑断裂带变形物理模拟实验，分析该断裂的变形和演化过程，厘清台安洼陷的形成机制及地层结构，明确陈家断裂对油气成藏的控制作用，刻画有利圈闭及成藏模式，以期为该区下一步油气勘探优选目标提供参考依据。

辽河西部凹陷为辽河坳陷的次级构造单元，是我国东部油气资源丰富的地质单元之一，也是重要的石油产出基地^[16-17]。陈家断裂带位于西部凹陷中北部，主要包括台安洼陷和牛心坨洼陷2个洼陷区，该断裂带由北向南分为牛心坨反转构造带、牛心坨—台安洼陷、冷家压扭构造带3个次级构造单元，其中牛心坨—台安洼陷为西部凹陷北部主要的生烃洼陷（图 1a）。根据钻井、地震资料，结合邻区地层资料^[18]，研究区自下而上分别发育古近系沙河街组四段、沙河街组三段、沙河街组二段、沙河街组一段、东营组以及新近系馆陶组（图 1b）。其中沙三段和沙四段为研究区的主要生油层系，陈家断裂为早期控制区域沉积的主干断裂，发育巨厚的暗色泥岩和油页岩，是油气形成的基础。研究区内发育以沙四段下部砂岩与上部泥岩形成的一套上生下储组合、沙三段下部砂岩与上部泥岩及下部沙四段泥岩构成的一套下生上盖组合，具有油气成藏的基础。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 辽河西部凹陷构造单元划分（a）和地层综合柱状图（b） Fig. 1 Structural unit division(a)and stratigraphic column(b)of the west sag of Liaohe Depression

辽河西部凹陷的断裂特征主要表现为断层数量多、规模大，且发育多期多组，以张性正断裂为主，兼具走滑与反转特征^[19-20]，按断层的走向特征分为北东向和近东西向两大组（图 2）。研究区主要发育陈家断裂与台安—大洼断裂2条主干断裂，整体均为北东走向。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 辽河西部凹陷断裂平面分布特征 Fig. 2 Fault distribution characteristics in the west sag of Liaohe Depression

由于一条大的走滑断层发展演化和物质组成等方面存在着不均一性，因此分段性是走滑断层的固有特征^[21]。台安洼陷现今的地质结构纵向上不同层系、平面走向上不同部位的地层结构特征、断裂发育特征等存在差异，这些特征差异与陈家断裂的分段演化息息相关。断距-距离曲线作为一种常用的断层演化规律研究方法，可以有效识别断层分段性和断层分段生长部位。

陈家断裂带是研究区内的主干断裂，它是台安—大洼断裂所派生且是该断裂的重要组成部分^[12]，其明显特征是与区域构造走向一致，剖面上呈“上陡下缓”的形态，其延伸长度贯穿全区，该断层南宽北窄，且是正负构造单元划分的分界断层。通过对陈家断裂断距-距离曲线的分析（图 3），可以将陈家走滑断裂划分为三段式走滑断裂系统，自南向北分别为冷家—雷家段（L3800—L5100）、高升段（L5100— L5350）与高北—坨西段（L5350—L6500）。其中，南段的冷家—雷家段主要活动时期为沙一段、沙二段和东营组，中段的高升段活动时期与冷家—雷家段相似，北段的高北—坨西段沙三段、沙四段断距大。这种变化说明陈家断裂北段在沙四段与沙三段沉积时期活动强烈，中段在沙一段与沙二段—东营组沉积时期活动强烈，南段在东营组沉积时期活动强烈，由此可见，陈家断裂活动时期自北向南依次变晚。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 辽河坳陷陈家断裂断距-距离曲线 Fig. 3 Fault distance-distance curve of Chenjia fault in Liaohe Dep

以地球动力学背景为基础，将构造样式划分出伸展构造样式、压缩构造样式与走滑构造样式三大系统^[22]。受郯庐断裂右旋走滑作用的影响，辽河西部凹陷经历了新生代强烈的伸展拉张与走滑反转运动^[23-24]，使陈家断裂带北部和南部发育不同的构造样式，包括走滑压扭构造样式与压扭背冲构造样式（图 4）。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 辽河坳陷陈家断裂带地震剖面（剖面位置见图 1） Fig. 4 Seismic sections of Chenjia fault zone in Liaohe Depression

走滑压扭构造样式主要集中发育在陈家断裂带北部高北—坨西段与高升段，以陈家走滑断层为界，东部主要发育张扭阶梯式正断层、走滑挤压逆冲断层等，次级断层主要形成于东营组沉积时期，台安—大洼断裂控制东营组、沙三段地层沉积，并于馆陶组沉积时期发生构造反转，形成局部的逆冲构造。高北—坨西段，早期走滑-伸展复合运动，台安—大洼断裂伸展运动控洼，坨西断层走滑，晚期整体走滑压扭反转，晚期断层切割早期断层（图 4a）。高升段，早期以伸展运动为主，陈家断裂带沙四段开始活动，控制沙三段、沙四段沉积，晚期被动走滑，形成岳家断层，控制沙一段、沙二段、东营组沉积，该段处于陈家断裂带北部和南部过渡位置，台安—大洼断裂上盘发育逆冲断层形成压扭逆冲构造，使地层发生弯曲（图 4b）。

压扭背冲构造样式主要集中发育在陈家断裂带南部冷家—雷家段，以NNE向右旋走滑逆冲断层为主要特征，同时还发育NNE—NE向及近NE向伸展断层，走滑逆冲断层均为向下切割至基底、向上切割至馆陶组的大断裂。台安—大洼断裂在斜向伸展变形过程中，受局部压扭变形影响，在其上盘新形成一条反向调节断层——冷家—雷家段，早期伸展运动，台安—大洼断裂控洼，后期走滑变形，并切割断裂上盘的地层（图 4c）。

坳陷的演化通常受多期次、不同方向、不同性质构造应力叠加作用的影响，大多坳陷具有挤压、拉张、走滑变形的叠合或复合特征^[25]。依据辽河西部凹陷演化的4个阶段，结合断裂系统划分的结果和断裂系统展布特征，对各时期应力场特征进行了系统分析，明确各时期应力场的方向及变形机制（图 5）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 辽河西部凹陷裂陷阶段不同时期活动断裂分布及应力场方向 Fig. 5 Distribution of active faults and stress field direction in different stages of rifting in the west sag of Liaohe Depression

沙四段沉积时期，整体以初始伸展为主，台安—大洼断裂长期活动，同时在远离基底断层的凹陷中，新生一系列NNE向、NE向断层，这些断层反映当时的伸展应力场方向为NW向（图 5a）。

沙三段沉积时期，整体仍以伸展变形为主，边界断层持续活动，同时在凹陷西部新生一系列NEE向正断层，根据这些断层推测沙三段沉积时期的伸展应力场方向为NW—NNW向，这个方向相比于沙四段沉积时期，略有旋转。这种应力场方向的变化，反映沙三段沉积时期整体经历了斜向伸展变形（图 5b）。

沙一段、二段至东营组沉积时期，新生断裂走向为近EW向，推测这一时期的区域伸展应力方向为近NS向。台安—大洼断裂和陈家断裂作为这一时期的先存构造，一旦先存断层复活程度增加，则会在直接应力场的作用下发生右旋走滑变形。这一时期变形机制主要为主动、被动压扭复合走滑变形机制（图 5c）。

馆陶组—明化镇组沉积时期，断层走向由远离断裂的NEE向逐渐向靠近断裂的EW向转变，反映了一种剪切变形的特征。先存的走滑断裂发生复活，说明馆陶组—明化镇组沉积时期，构造变形以右旋剪切变形为主，变形机制为右旋走滑反转变形（图 5d）。

辽河西部凹陷新生代经历了裂陷Ⅰ幕、裂陷Ⅱ幕、裂陷Ⅲ幕和后裂陷四大演化阶段，不同演化阶段具有不同的变形特征，造成陈家断裂带不同变形段变形机制存在差异。整体上，南段经历了压扭被动走滑变形，北段经历了主动走滑压扭变形。为进一步分析构造变形成因机制，借助砂箱物理模拟实验技术^[26]，针对走滑断裂左旋与右旋变形叠加特征，开展砂箱物理模拟实验，进而明确各变形段、各演化阶段的变形特征及变形机制，并与实际研究区对比，从而验证关于陈家走滑断层构造演化机制的正确性。

构造物理模拟遵循实验相似性基本原理，利用适当的机械装置和材料，通过将原型进行同比例放大或缩小，在实验室条件下再现地质历史过程^[27]。本次构造物理模拟实验装置主要由3个部分组成：实验模型装配系统、位移加载系统和图像记录系统。实验装置可以模拟单一方向的伸展或挤压作用，以及多期次多角度伸展或挤压作用的叠加与走滑或斜拉变形作用，能够设置刚性、弹性和塑性底板，模拟弥散性变形、局部变形以及先存构造控制的变形。

基于对陈家走滑断裂带构造样式的分析，针对走滑断裂带的形成演化过程，设计了简单的复合模型。实验砂箱规格为60 cm*40 cm*15 cm（图 6），基底铺设2片薄亚克力板，2块亚克力板斜边吻合贴齐后拉开1 cm间距，斜边与挡板夹角为10 °，左侧亚克力板与左侧固定挡板相连，右侧亚克力板固定在实验台面上，其上放置一块泡沫模型，模型直角边与右侧挡板相连，模型左侧倾角为60 °斜面，代表先存基底断裂，斜面与挡板夹角为15 °，模型高度为4 cm。左侧薄亚克力板上部边界为斜边，与挡板成70 °夹角，上部边界与一挡板相连，挡板连有一个马达，提供动力，使左侧亚克力板发生5 °斜向挤压。右侧亚克力板连接的右侧挡板也与一马达相连。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 斜向伸展-压扭复合模型实验设计 Fig. 6 Experimental design of oblique extension compression-torsion composite model

自然界的岩石按照其变形是否受时间因素影响可以分为2类：一是与时间因素无关，取决于内摩擦系数与内聚力的脆性变形；二是取决于应变速率的韧性变形。根据实验基本原则（即遵循几何学、运动学和动力学相似性原则），模拟地壳浅层岩石的脆性构造变形，一般物理模拟实验选用松散石英砂为最理想的相似材料。在干砂实验中，模拟材料通常使用干燥的石英砂、玻璃珠。颗粒状材料的选取主要取决于其摩擦特性、内摩擦角与内聚力，这些特性和材料密度是标定过程中要考虑的关键因素，而粒度标准、颗粒分布以及颗粒形状对模型结果影响较小。

考虑上述因素，本次实验中所使用的石英砂分选性较好，粒径分布为0.2~0.4 mm，堆积密度为1 297 kg/m³，内摩擦系数为0.7，内聚力为0，内摩擦角约31 °，并在不改变其内摩擦角的基础上，将石英砂做染色处理。

步骤1：在薄亚克力板之上铺设厚度为4.5 cm的白色石英砂，放置刻度尺（图 7a）。步骤2：右侧马达开始拉伸，速度为1 mm/min，上部马达也同时开始拉伸，速度为1 mm/min，当伸展1.1 cm时，停止拉伸，每间隔1 min进行一次拍照。步骤3：实验结束后，固化砂体，进而观察砂体纵剖面并进行记录。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 斜向伸展压扭复合模型物理模拟实验结果图 Fig. 7 Results of physical simulation experiment of oblique extension-compression-torsion composite model

① 当伸展位移为0.1 cm时，左侧预设走滑先存基底与右侧预设先存正断层基底之上盖层中均未变形，表明位移向上传播（图 7b）。②当伸展位移为0.2 cm时，左侧预设走滑先存基底之上形成4条小的左阶雁行断层，右侧预设先存正断层基底之上盖层形成一条沿基底走向小正断层（图 7c）。③当伸展位移为0.3 cm时，左侧预设走滑先存基底之上形成的小断层相互连接成长断裂，右侧预设先存正断层基底之上盖层中新生2条与伸展方向垂直小断裂（图 7d）。④当伸展位移分别为0.4 cm，0.5 cm时，左侧预设走滑先存基底之上新生多条左阶雁行断层，上部2条左阶雁行断裂之间均形成小隆起，右侧预设先存正断层基底之上出现2个雁列断层形成对倾的断裂带（图 7e，7f）。⑤当伸展位移分别为0.6 cm，0.7 cm与0.8 cm时，左侧预设走滑先存基底之上左阶雁行断裂延伸长度逐渐变长、隆起幅度逐渐增大，隆起上也出现小左阶雁列断裂，右侧预设先存正断层基底之上雁列式断层逐渐连接，左侧断裂带首尾连接，右侧断裂带从中部连接（图 7g—7i）。⑥当伸展位移分别为0.9 cm，1.0 cm与1.1 cm时，左侧预设走滑先存基底之上雁列断层逐渐连接形成复杂断裂带，隆起被断裂切割复杂化并被连接断裂贯穿，右侧预设先存正断层基底之上2条对倾断裂带断距逐渐增大，各自逐渐连接形成一条大断裂，中间正断层断距也逐渐增大，最后贯穿（图 7j—7l）。

实验过程中，左侧先存基底发生斜向压扭，同时具有挤压和走滑2种变形过程，一方面形成雁列断层，另一方面形成压扭背斜。台安—大洼断裂带中段北部—北段基底断裂为NE—NNE向，并发育NE向走滑断裂，沙四段—沙三段沉积期在NW—SE向伸展作用下，边界断裂发生复活，东营组沉积时期伸展方向转变为近NS向，陈家断裂带发生斜向伸展作用，同时受先存构造影响，在直接应力场作用下，形成右旋走滑断裂，并受压扭作用影响，沿走滑断裂形成隆起。物理模拟实验结果（图 8）显示，当伸展量位移达到1.1 cm时，预设先存正断层基底断裂上部控制盖层中形成大的边界断裂，在边界断裂上盘，在压扭作用影响下，首先形成压扭性质雁行小断裂，并产生压扭背斜，随着位移增大，小断裂逐渐连接，最终形成贯穿走滑断裂带，即陈家断裂带。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 实验结果与辽河坳陷陈家断裂特征对比 Fig. 8 Comparison between experimental results and fracture characteristics of Chenjia fault zone in Liaohe Depression

构造演化对地层的沉积具有重要的意义^[28]，对其进行分析是含油气盆地分析的重要内容^[29]，是认识盆地发展演化及油气成藏的基础^[30]。陈家断裂带位于辽河西部凹陷的北部，其构造演化也遵循西部凹陷构造演化的总体特征，因而可以得到该断裂带北部台安洼陷的构造演化。通过该区的构造发育史得出，台安洼陷为新生代多期次构造变形叠加形成的洼陷（图 9）。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 辽河坳陷陈家断裂带构造演化剖面（剖面位置见图 1） Fig. 9 Tectonic evolution profile of of Chenjia fault zone in Liaohe Depression

沙四段沉积时期，受早期先存断裂的影响，除了台安—大洼断裂伸展活动外，坨西走滑断裂也发生活动，即台安—大洼断裂整体以伸展变形为主，陈家走滑断裂带此时仅在坨西这一段发生活动，控制洼陷区沙三段、沙四段沉积。台安—大洼断裂强烈活动，牛心坨地区接受了较厚的沙四段砂岩和泥岩沉积，台安地区由于断裂活动强度弱于北部的牛心坨地区，因此，沙四段相对较薄，而斜坡带倾角变化较小，导致东西方向地层厚度差别不大。

沙三段沉积时期，台安—大洼断裂强烈伸展，上盘发育不同规模的正断层，整体以伸展及局部张扭变形为主，陈家走滑断裂带北部坨西断层持续走滑活动。西部凹陷北部地区剧烈拉张，同时断块活动增强，东侧台安断裂活动加剧，控制沙三段沉积，导致北部沉积中心由牛心坨迁移至台安，整个地区沉降中心位于该断裂的一侧。沙三段沉积末期，由于区域应力场的变化，全区普遍抬升，部分地区出露水面遭受剥蚀。

沙一段、二段—东营组沉积时期，由于区域应力场的转变，台安—大洼断裂在斜向伸展变形过程中，受局部压扭变形影响，在其上盘产生冷家—雷家变换走滑断层，随后受右旋走滑变形的影响，坨西走滑断裂继续向南生长，冷家—雷家断裂向北发育，最终连接形成一条完整的陈家走滑断裂带。受郯庐断裂右旋走滑作用的影响，区域构造应力场由张应力场转为压应力场，洼陷变窄，该区乃至整个辽河盆地普遍抬升，大部分地区遭到不同程度的剥蚀。台安地区在整体走滑作用背景下，处于压力集中区，沿着先存构造岳家断层发生剧烈构造运动，应力得到释放，形成岳家断槽，最终洼陷整体进一步拉分、下降形成台安洼陷。

馆陶组—明化镇组沉积时期，对东营期走滑变形具有明显的继承作用，继承压扭性构造，发育反转逆断层，台安—牛心坨洼陷边界断裂发生正反转。

含油气盆地的断裂构造是决定油气分布的重要因素，断层既能作为油气运移的通道，又能作为遮挡体形成断层圈闭，具有双重性，多期多性质的断裂作用会导致断裂带发育多种圈闭类型^[31]。通过对陈家断裂带的形成及台安洼陷构造演化分析得出，陈家断裂带下盘台安洼陷发育一系列断鼻构造，烃源岩排烃后，凹陷处于坳陷阶段，构造活动基本停止，断裂不发育，因此对油藏的破坏作用较小，使区内油藏得以很好地保存。沙四段沉积时期，研究区以伸展变形为主，台安断裂和陈家断裂控制北部局部沙四段洼槽的发育，在储层方面，沙三段—沙四段沉积时期，走滑断裂活动强烈，在洼陷区形成规模重力流扇体。

辽河坳陷构造演化过程复杂，构造样式多样，导致有效烃源岩分布特征较为复杂。整体而言，有效烃源岩都分布在凹陷内，厚度中心受控洼槽的分布。因此，断裂活动控制洼槽演化进而控制烃源岩的分布。研究区内烃源岩主要发育于沙四段，从洼陷边部钻遇井的情况来看，在沙四段高升段钻遇油页岩、泥岩厚度均为43~229 m，TOC值为4.79%，R_o为0.3%~0.4%，属于好—较好烃源岩，推测向洼陷中心厚度可能增大，具备油气成藏基础。

陈家断裂带下盘沙三下段、沙四段发育一系列断鼻构造，是捕获油气的有利场所，但早期研究缺少台安洼陷烃源岩供烃的证据，研究认为高升—高北地区主力烃源岩为沙四段烃源岩，且具备陈家洼陷和台安洼陷双源供烃的特点（图 10）。陈家断裂带早期控制洼陷区沙三段、沙四段沉积，使台安洼陷发育沙三段、沙四段，与北部牛心坨洼陷具有可对比性，具备油气成藏基础。因此，研究区下一步勘探目标应为陈家断裂带中北部下盘的构造油气藏。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 辽河坳陷陈家断裂带高升—高北段成藏模式 Fig. 10 Accumulation model of Gaosheng-Gaobei segment of Chenjia fault zone in Liaohe Depression

（1）辽河坳陷陈家走滑断裂带分为2种构造样式，南段冷家—雷家段以压扭背冲构造样式为主，中段高升段与北段高北—坨西段以走滑压扭构造样式为主。

（2）辽河坳陷陈家断裂带具有分段发育且活动时期自北向南依次变晚的演化特征，在沙三段、沙四段沉积期仅在高北—坨西段发生活动，沙一、二段沉积期至东营沉积期由于受右旋走滑变形的影响，坨西走滑断层继续向南生长，冷家—雷家断层开始活动并向北发育，最终连接形成了现今的陈家断裂带。

（3）辽河坳陷陈家断裂带的构造演化控制了西部凹陷中北段台安洼陷的形成，台安洼陷发育沙三段、沙四段，同时沙四段存在好—较好烃源岩，具备油气成藏基础。陈家断裂中北部下盘发育一系列断鼻构造，是捕获油气的有利场所，为下一步的勘探目标。