高分辨率二维断距 - 深度作图以评估挤压褶皱中外弧断裂的演化与再活化历史

《Journal of Applied Geophysics》：High-resolution 2D throw-depth mapping to assess the evolution and reactivation histories of outer-arc faults in buckle folds

　　

外弧断裂在具高力学胜任率的砂质层段中率先萌生；它们向外扩展，与低力学胜任率层段中的断裂相互连接；在力学胜任率较高的层段中，断裂迹线更窄、更局部化且分段程度更低；外弧断裂最初萌生的位置具有异常的断裂落差分布。

## 引言

露头地质信息、地震数据和数值模型常被用于研究构造断裂的几何形态和生长历史（Peacock 和 Sanderson, 1991; Cowie 和 Scholz, 1992; Kim 等, 2000; Cartwright 等, 1995; Kim 和 Sanderson, 2005; Maunde 等, 2021）。这些方法表明，断裂在早期阶段作为孤立构造体发育，随后通过不同断裂段之间的软连接不断传播，最终发育出硬连接的断裂组合（Cartwright 等, 1995; Mansfield 和 Cartwright, 2001; Peacock 和 Sanderson, 1991; Dawers 和 Anders, 1995; Lohr 等, 2008）。在已发表的文献中，这催生了"连接型"或"相干型"断裂的概念，与之相对的是"孤立型"断裂生长模型，后者描述的是在时间和空间上互不交互的离散断裂（Barnett 等, 1987; Walsh 和 Watterson, 1988; Walsh 等, 2002）。

尽管存在上述概念，但在实际中很难区分不同的断裂生长模型，因为连接型或相干型断裂通常是更大变形带的组成部分，而该变形带还包含了离散的"孤立型"构造体（Nicol 等, 2005）。此外，断裂在三维空间中持续、渐进的生长过程使得"相干型"和"孤立型"构造体都通过断裂段连接形成大尺度的断裂迹线，这一特征导致断裂生长"孤立型"阶段的地质和构造数据被后续过程覆盖（Mansfield 和 Cartwright, 2001; Cartwright 等, 1995; Dawers 和 Anders, 1995）。使问题更为复杂的是，已发表的许多断裂生长模型基于对大型构造断裂的分析，这些断裂在地震数据和露头中有良好的记录，但它们是连接于（即源自）先存基岩结构的，而基岩结构是控制断裂传播的主要因素。与此同时，穿过力学分层岩系的断裂通常表现出在剖面上可见的倾角变化，在力学胜任率较高的层段（如灰岩、石英岩和砂岩）中常见较陡的断裂段，而在较软的层段（如页岩、粘土和泥岩）中则更常见缓倾的断裂段（Peacock, 2002; Roche 等, 2012; Ferrill 等, 2017）。断裂段沿其走向的倾角变化可以在断裂穿过力学分层地层时局部导致断裂轨迹的折射——在低力学胜任率地层中的缓倾断裂段上的滑动伴随着高力学胜任率层段中陡倾断裂段的膨胀（扩大）（Peacock 和 Sanderson, 1991; Ferrill 等, 2017）。由此形成的膨胀（陡倾）断裂和裂隙段可能增强流体运移。

本文旨在通过对高地震分辨率和钻井数据的精细断裂几何形态和落差分布制图，来表征外弧伸展断裂的几何形态和生长历史（图 1）。此类地震数据的可获得性使得个别断裂得以映射，并对 258 条断裂迹线的几何形态和生长历史进行了详细的定量分析。这些信息被用于确定断裂迹线随时间的变化方式，以及其几何形态如何与生长中的断裂相互作用的沉积序列相关联。与已发表的文献不同，本文研究的断裂不根植于基岩单元，因此控制其生长的因素不受任何先存构造遗传性的控制。所研究的断裂由外弧伸展正断层系统组成，该系统源于白垩纪地层单元的构造屈曲（水平缩短）。总之，本文旨在回答以下研究问题：

a) 哪些断裂几何形态与褶皱外弧区的水平缩短相关？
b) 哪些断裂生长模式与埋藏层序的渐进褶皱相关？
c) 褶皱外弧区断裂传播的力学控制因素是什么？

本研究中的方法非常重要，因为水平缩短会影响地下储层的构造及其 compartmentalisation（隔堵）样式；构造运动可重新活化断裂，使流体二次运移至较浅的地层中（Ward 等, 2016; Bentham 等, 2013; Cartwright 等, 2007）。理解构造缩短如何影响并仍在控制先存断裂系统的几何形态和生长样式，对于评估褶皱和构造圈闭中的断裂带构造至关重要（McClay, 1990; Caine 等, 1996; Ward 等, 2016）。

## 节选段落

### Broad Fourteens 盆地的构造-地层背景

Broad Fourteens 盆地（BFB）的地球动力学演化受三个构造阶段控制：1）裂前/裂始阶段（古生代），2）裂中阶段（中生代），和 3）反转阶段（晚白垩纪-新生代）（图 2）。

### 地震数据

本研究使用的三维地震体积覆盖面积为 845 平方公里，水深约 38 米（图 1）。地震数据为零相位预堆叠时移，采样间隔为 2 毫秒，道间距为 25 × 25 米。地震数据的垂向刻度为双程旅行时（TWTT），其记录长度约为 3.5 秒（图 3）。

所解释的三维地震体积的高质量使得断裂几何形态和落差分布的详细可视化和映射成为可能（图 3、图 4）。

### 解释的地震层序

共绘制了七个（7）个地震层序，即层序 S1 至 S7，并与 Penge 等（1999）和 Van Verweij 和 Simmelink（2002）的地层数据进行了对比（图 2）。这些地震层序被归入影响荷兰近海 Broad Fourteens 盆地的三个主要构造阶段中（图 2；表 1）。

### 外弧断裂

本研究中的断裂系统与上覆岩石的水平缩短（屈曲）有关，研究区记录的中等水平缩短约为 24%（图 3、图 5、图 6）。

### 解释的地震层序的力学性质

解释的地震层序的整体岩性可以通过研究区的 K15-01 和 K15-04 井进行实地验证。这使我们能够计算本研究中解释的地震层序的平均层内速度（Vp）、深度、厚度和力学胜任率。

### 地震层序 5

地震层序 5 是主要关注的层段——它形成了一套高振幅、高频地震反射包体，该包体局部被密间距的正断层所变形（图 6、图 7）。

### 穿越所解释力学层序的断裂落差分布

图 9、图 10 展示了代表性的断裂 F1、F2、F3、F4 和 F5，它们错断了晚侏罗世至早白垩纪地层。在所识别的高和低力学胜任率层段中记录到了断裂落差的重要变化（图 9、图 10）。

### 与褶皱外弧区水平缩短相关的断裂几何形态

在 BFB 中，影响西北欧的晚白垩纪至中新世构造反转（缩短）引发了连续的变形，导致储层及相邻上覆岩石中先存断裂系统的生成和后续重新活化（De Lugt 等, 2003; Ward 等, 2016; Maunde 和 Alves, 2022）。这影响了它们的隔堵样式，因为构造运动重新活化了先存断裂并允许流体二次运移至较浅的地层中。

## 结论

通过对正断层及其落差的详细映射，结合 BFB 中力学层序的识别，得出的结论可总结如下：

a) 在相对高力学胜任率的富砂地层中，观察到密间距且更局部化的断裂阵列，具有较窄的变形带。相比之下，在低力学胜任率的富页岩层段中，断裂阵列间距较宽、局部化程度较低，且变形带更宽。

b) 高分辨率的落差-深度映射……

## CRediT 作者贡献声明

Abubakar Maunde：原创稿件撰写、可视化、方法论、调查研究、资金获取、形式化分析、数据管理、概念化。Tiago M. Alves：审阅与编辑、指导、项目管理。

## 未引用参考文献

Alves, 2012；Alves 和 Cartwright, 2010；Asmus 等, 1971；Barker 等, 1983；Brandes 和 Tannerr, 2014；Chang 等, 1992；Demercian 等, 1993；Fiduk 等, 2004；Fran?a 等, 2007；Gamboa 等, 2010；Gibbs 等, 2003；Li 等, 2018；Mansfield 和 Cartwright, 1996；Mitra, 2022；Mohriak 等, 2008；Mohriak, 2003；Mohriak 等, 1998；Ojeda, 1982；Pollard 和 Segall, 1987；Ramsay, 1967；Schlische, 1995；Wilkins 和 Gross, 2002；Yeats, 1986。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

感谢尼日利亚石油技术开发基金（PTDF）为本研究提供资金支持。感谢 Haloil 和 CGG-Veritas 批准使用本文中涉及的地震数据，以及感谢 Schlumberger 提供地震解释软件（Petrel）。本文献给 Richard J. Lisle，他在 2000 年代于西班牙北部向第二作者 TM Alves 介绍了令人印象深刻的外弧断裂实例。

Abubakar Maunde | Tiago M. Alves