Characteristics of life-cycle stages and reservoir control in the development of extensional faults in the Dongying Sag
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摘要: 断层从无到有的形成过程具有隐性、显性等多个演化阶段，而断层由隐性阶段的胚胎期到显性阶段末期的老年期等各个成长阶段的判别难度很大。针对这一问题，以渤海湾盆地东营凹陷为研究对象，应用物理模拟、数值模拟等方法重现控盆边界断层−陈南断层胚胎期到老年期的全生命阶段演化过程及各阶段的固有特征；在此基础上，定性、定量判识东营凹陷主要断层的相对年龄（Relative Age，RA）以及各年龄阶段的断层活动方式，建立其控藏模式。研究结果表明：东营凹陷张扭性断层可以划分为胚胎期（0<RA≤1，微裂缝或诱导裂缝带）、幼年期（1<RA≤2，断层核形成、裂面断续相连）、青年期（2<RA≤3，板状主断面贯通、清晰断距）、壮年期（3<RA≤4，断层核两侧破碎带形成、板状−铲式断面）、老年期（4<RA≤5，坡坪式断面、派生构造复杂）和消亡期（5<RA≤6，断层停止活动或者发生反转）6个阶段；断层的活动方式与断层年龄的持续时间和活动强度有着密切的关系，稳定、持续、高强度的断层活动方式有利于断层向老年期发展。断层控藏作用研究表明：胚胎期、幼年期断层主要控制油气圈闭，青年期断层主要控制砂体和储层分布，壮年期、老年期断层控制着烃源岩的总体展布范围以及油气的运移、聚集和逸散等过程。结合优势控藏要素、油气富集程度和油气聚集规模等因素进行断层控藏能力评价，陈南断层控藏能力等级为“强”。从断层生命发育演化阶段重新认识断层的控藏能力，将有力地推动和提升断层控藏的理论研究与成熟探区的勘探水平。Abstract:
Objective Faults are among the most prevalent geological structures in oil and gas basins. Because of their significant connection to oil and gas resources, they have consistently attracted the attention of experts and scholars in the field, making them a hot research topic. Although previous researchers delved tirelessly into the correlation between faults, oil, and gas, new theoretical breakthroughs have been steadily emerging and have been used to promote advancements in oil and gas exploration. Nonetheless, there continues to be a dearth of thorough investigations into the underlying links between faults and the formation and distribution of oil and gas reservoirs, as well as methods for comprehensively and quantitatively defining the connections between faults and oil and gas. Methods The formation of a fault from inception encompasses multiple stages of development, including implicit and explicit stages, and differentiating the diverse growth stages of a fault, ranging from the initial embryonic stage to the terminal stage, poses a significant challenge. To address this issue, the Dongying Sag in the Bohai Bay Basin was selected as the focal point of this study. By employing physical and numerical simulation techniques, the researchers sought to replicate the entire life cycle evolution of the Chennan Fault, a basin-controlling boundary fault, from its embryonic stage to its terminal stage while elucidating the distinct characteristics of each stage. Building upon this foundation, the relative ages of the primary faults in the Dongying Depression and the various modes of fault activity at different stages were qualitatively and quantitatively determined, leading to the establishment of a reservoir-control model. Results The research findings indicate that normal faults tend to grow in six distinct stages: the embryonic stage (0 < RA (relative age) ≤ 1), characterized by microfractures or induced fracture zones; juvenile stage (1 < RA ≤ 2), with an intermittent connection of fault geometry; mature stage (2 < RA ≤ 3), marked by the connection of plate-like fault geometry and clear fault throw; declining stage (3 < RA ≤ 4), in which induced fracture zones form on both sides of the fault core, resulting in a shovel-like fault geometry; terminal stage (4 < RA ≤ 5), ramp-flat fault geometry, which has complex derived structures; and death stage (5 < RA ≤ 6), in which fault movement stops or undergoes inversion. The activity pattern of a fault is intricately linked to the duration and intensity of its age. Stable continuous, and high-intensity fault activity promotes the evolution of faults into their terminal stage. Research on reservoir control traps indicates that faults can create reservoirs at all stages of their development. However, as faults age, their ability to control reservoir formation strengthens. The types of traps influenced by faults transition from individual, isolated structures to a variety of arrangements. Moreover, the diversity of oil and gas reservoirs evolves from singular to multifaceted, and the size of these reservoirs expands from small to large. The embryonic and juvenile stage faults primarily influence closure; the mature stage faults predominantly impact sand and reservoir; and the declining stage and terminal stage faults primarily govern the overall distribution range of source rocks, as well as the migration, accumulation, and dissipation of oil and gas. Conclusion The reservoir control potential of the Chennan Fault was assessed by considering factors such as reservoir control advantages, the degree of oil and gas enrichment, and the scale of oil and gas accumulation. The reservoir control capacity of the Chennan Fault was classified as “strong.” Reevaluation of the fault’s reservoir control potential from the perspective of its developmental and evolutionary stages significantly enhances and elevates theoretical research on fault reservoir control and also advances exploration efforts in established mature areas. [Significance] Identifying the formation age and evolutionary patterns of extensional faults has immense theoretical and practical importance for comprehending alterations in the fault’s reservoir control capabilities. Moreover, it offers crucial guidance for oil and gas exploration, particularly for enhancing the reserves in existing exploration areas. -
0. 引言
断层发育的生命演化阶段是指由裂缝开始出现到活动停止的不同阶段，其相互衔接形成了一个完整的生命周期（罗群，1999，2010；付晓飞等，2012，2021）。完整的断层发育由隐性断层阶段（主断面未形成）和显性断层阶段（主断面形成并有断距）组成（周维维等，2014；王伟锋等，2015；薛永安等，2021a）。隐性断层带是指由一系列小型显性构造（如雁列式断层）定向排列组成的弱变形断层趋势带，一旦主断面贯通，隐性断层带就会逐步进入显性断层阶段（王伟锋等，2015，2017；薛永安等，2021a，2021b）。目前，针对断层的显性、隐性及过渡期等各个生命阶段划分的研究仍然很薄弱，并且主要以描述性和定性研究为主，缺乏对断层发育各个演化阶段固有特征的定量研究和成长阶段的判别，断层各个生命阶段的差异控藏机制研究尚属空白。这是由于以往对断层控藏的研究主要集中在断层特征及活动性、油藏成藏要素与成藏规律等方面（张德明等，2023），仅从单一角度（如断层对运移、断层对圈闭）讨论断层的控藏作用，缺乏将断层活动与油气成藏进行一体化、系统的研究，同时对于断层本身的生命发育周期的阶段性及差异控藏作用的研究也没有得到充分重视。断层的演化过程就如同人的生长过程，都经历了多个特征明显的不同阶段（杨云衣，2008）。断层的发育经历了由年轻到衰老的多个阶段，断层的几何特征、内部结构、派生构造、控盆作用和控藏作用等特征也显著不同（童亨茂等，2009；吴智平等，2010；付晓飞等，2015；蒋有录等，2015；王伟锋等，2017）。Peacock and Sanderson （1994）应用位移（D）−断层长度（L）曲线的特征变化将断层发育分为了4个阶段；Cartwright et al. （1996）通过研究位于犹他州东南部峡谷地堑地区D-L数据的分散现象与成因，提出断层通过分段连接来实现生长模型来解释这一现象；Childs et al. （2017）认为支撑断层生长过程研究的关键几何关系是断层最大位移与断层长度之间的关系；Cowie et al. （2000）研究了断裂带演化对伸展盆地发育的影响，并提供了断层生长的数值模型启示；Peacock et al. （2017） 讨论了相邻断层相互作用对断层的几何形态、叠覆区的位移和应变以及断层的相对年龄等方面的影响，认为断层发育的中后阶段往往以断层密集带的形式出现；Peacock and Sanderson（1991）提出了一个简单的模型，正断层起始处的高位移梯度产生了较低的r/dmax比值（其中r为断层起始处与最大位移点之间的距离，dmax为最大位移），而连接点之间的位移最小值决定了断层年龄阶段的演化过程；Rotevatn et al. （2019）通过自然和实验断层的时间序列位移和长度数据阐明了断层的生长方式。上述研究在平面上总结了断层的发育特征，而通过与模拟的方法相结合可以更直观、更具体地展示断层全生命阶段的发育过程。
文章选取渤海湾盆地东营凹陷控盆边界断层陈南断层作为研究对象，采用构造物理模拟和数值模拟实验，重现断层孕育、成长、壮大到最后消亡这样一个完整的生命周期演化过程，以加深对断层演化过程的理解。在实验模拟和实例研究中，详细揭示了断层演化阶段、断距大小、断层面形态和派生构造规模等特征；并采用定性和定量的方法来识别不同年龄阶段的断层特征，以明确各个年龄阶段的断层的识别标志和判定标准。基于此，进一步分析和识别了东营凹陷的主要断层，同时对断层发育阶段和活动方式进行了精细划分，为丰富断层控藏和油气勘探理论提供支持。
1. 地质背景
东营凹陷地处渤海湾盆地济阳坳陷东南缘，东邻郯庐断裂带西支，是济阳坳陷的重要组成部分，具有较高的油气勘探价值。探区南部为鲁西隆起、广饶凸起，北侧以陈南断层与陈家庄凸起为邻，东接青坨子凸起，西为滨县凸起、青城凸起；凹陷由北至南划分为北部陡坡带、中央隆起带与南部缓坡带3大构造单元，具有南北分带、北断南超的箕状断陷盆地的特点，整体呈近东西向展布（邓路佳等，2022；杜焕福等，2023）。陈南断层是控盆边界断层，断层走向和裂面形态多变，平面上，西段走向为北东向，中段走向为近东西向，东段走向为北西西向，呈锯齿状分布（周建林等，2008；宋广增等，2013）；在剖面上，断面整体呈现出上陡下缓的坡坪状特征（图1）。
图 1 渤海湾盆地构造简图及研究区位置N—Q—新近系—第四系；Es1 Es3 Es2 Es4 Figure 1. Simple tectonic map of Bohai Bay Basin and the location of the study region(a) Map of the Bohai Bay Basin; (b) Map of the Dongying Sag; (c) Cross section of the Dongying Sag2. 断层年龄阶段划分及依据
文中所提的断层年龄阶段是指断层生命周期中的相对年龄（Relative Age，RA）大小，即断层在发育演化中年龄不断增长的过程。根据威尔逊旋回的观点（Burk and Dewey，1974；Hoffman et al.，1974；Marques et al.，2002；Rubinat，2012；Marques et al.，2002），洋盆演化的胚胎期、幼年期、成年期、衰退期、消亡期和遗痕期对应的实例分别为东非裂谷带、红海、大西洋、太平洋、地中海和喜马拉雅山（Chen et al.，2015；Choi et al.，2015；Reilly et al.，2015；Alam et al.，2016）。在研究朝鲜半岛东部构造反转过程中的断层演化时，Choi et al.（2015）将反转断层发育演化方式分为2个时期，即正断层期和逆断层期；并将正断层期进一步划为5个阶段，初始期、幼年期、成年期、衰减期和消亡期，对于断层演化阶段的判别做出了重要探索。以往研究在阐述断层生命演化阶段中并没有关注到断层消亡过程中断层带内部的变化特征（Sibson，1977；Davis，1983；Choi et al.，2015），然而在成长过程中老年期断层内部变化往往是识别断层年龄阶段的一种重要标志（Jensen et al.，2011；付晓飞等，2015）。由此，文章初步将陈南断层演化阶段划分为胚胎期、幼年期、青年期、壮年期、老年期和消亡期6个阶段。
2.1 陈南断层演化过程的物理模拟实验
东营凹陷是断陷盆地，主要发育北东向、北西向、南北向3组基底断层。陈南断层总体上西段走向为北东向，中段走向为近东西向，东段走向为北西西向，呈现锯齿状分布特征（周建林，2008；宋广增等，2013），控制了东营凹陷的发育演化过程。据此设计均匀基底伸展模型与曲折基底伸展模型来研究陈南断层胚胎期到老年期各阶段的演化特征。
2.1.1 实验装置
实验以孔店组（Ek）、沙河街组（Es）和东营组（Ed）为砂箱建模原型。从Ek上部到Es4下部，存在以膏岩为主的塑性层；Es4上部由砂岩和泥岩组成；Es3和Es2主要为砂岩和泥岩，偶见碳酸盐岩；而Es1至Ed由交替的泥岩和砂岩层组成。根据实验材料的相似性，干燥石英砂的抗张强度近似为0，密度为1.3 g/cm3，分选性好，其变形特征符合摩尔−库伦破裂准则，内摩擦角为29°～31°，与浅部岩体脆性变形相近，是研究上地壳脆性变形的理想对象。因此选用80～100目（0.15～0.18 mm）干燥石英砂模拟Es3、Es2、Es1和Ed以泥岩和砂岩层为主组成的脆性地层；并选取密度为1.4 g/cm3、粒径为0.005 mm、内摩擦角为30.6°～36.8°的黏土增加模拟材料的塑性，用来模拟Es4和Ek下部以泥岩为主的压实岩层；干燥石英砂与黏土以8∶1的质量比混合（图2）。
图 2 东营凹陷地层柱状图及实验材料选取Figure 2. Stratigraphic column diagram of the Dongying Sag and the experimental material selection（1）实验1为无先存基底断层的水平均匀伸展模型，设计砂箱尺寸为150 cm（长）×30 cm（宽）×20 cm（高）（图3a）；在砂箱底部铺设橡皮布，将橡皮布的两端固定在装置两侧的活动端，铺设15 cm的砂层，之后利用移动一侧活动挡板的方式，将伸展应力均匀传递至上覆的砂层内。
图 3 砂箱实验模型示意图a—水平均匀伸展模型；b—曲折基底伸展模型Figure 3. Schematic diagram of sandbox experiment model(a) Horizontal uniform extension model; (b) Zigzag basement extension model（2）实验2为曲折基底断层的伸展模型，设计砂箱尺寸为85 cm（长）×40 cm（宽）×20 cm（高）（图3b），基底为走向曲折的裂陷区，铺设中间夹有橡皮布的帆布。橡皮布的边缘形状根据陈南断层的锯齿状特征进行设计，在橡皮布和帆布上铺设砂子，挡板活动方式同实验1。
2.1.2 实验结果
（1）实验1
均匀伸展的实验结果指出，凹陷内部的构造受到边界主控断层的显著影响（图4a，图5a）。陈南断层胚胎期表现为微裂缝或诱导裂缝（图4a-1），随后裂缝断续相连而后密集成带（图4a-2）；青年期陈南断层的板状主断面形成，断距清晰（图4a-3）；随着伸展的持续进行，青年期向壮年期过渡，断面形态逐渐演化为铲状，沉积可容空间增加，凹陷发生快速沉降（图4a-4）；在老年期，断面最终呈现出上陡下缓的坡坪状特征（图4a-5）。
图 4 陈南断层伸展模型的砂箱实验结果CNF—陈南断层a—水平均匀伸展模型；b—曲折基底伸展模型Figure 4. Findings from sandbox experiments on the Chennan fault extension(a) Horizontal uniform stretch model; (b) Zigzag basement extension model Note: CNF is the Chennan fault.
图 5 陈南断层伸展模型砂箱实验结果素描图CNF—陈南断层a—水平均匀伸展模型；b—曲折基底伸展模型Figure 5. Sketch of the sandbox experinlental results of the Chennan fault extension model(a) Horizontal uniform stretching model; (b) Zigzag basement extension model Note: CNF is the Chennan fault.（2）实验2
先存曲折基底断层和边界断层对凹陷内部断层构造演化的影响显著。相较于实验1，陈南断层从胚胎期到老年期具有相似的演化特征（图4b，图5b），差异在于：具有先存断层的模拟实验结果更符合两堑夹一垒的东营凹陷构造格局；陈南断层派生断层的密度变大，规模变小；实验2中陈南断层的演化速度大于实验1，且派生断层形成较快，容易向更高断层年龄演化，同样伸展速率条件下断层老化得快；在相同伸展量下实验2中边界断层的演化程度更高，断层年龄更大。
2.2 陈南断层老年期断层结构的离散元数值模型（DEM）
物理模拟可以反映断层的隐性−显性以及过渡期各生命阶段的演化过程，但对壮/老年期阶段断层内部结构刻画相对缺少，文中采用离散元建模的方法刻画陈南断层老年期内部结构特征。
离散元建模是一种不连续的数值方法，其将对象视为元素的集合，成对的相互作用，使弹性键连接起来 （Finch et al.，2004）。力在x和y方向上被分解，元素受到重力的影响（Finch et al.，2003），DEM基于以下方程:
Fx=Fin−V˙X (1) Fy=Fin−V˙Y+Fg (2) 式中，Fin—作用在粒子上的弹性力，V—黏度，Ẋ、Ẏ—施加在粒子上的水平方向和垂直方向速度，Fg—在垂直方向上作用于每个元素的重力。
建立1个0.6 m（长）×0.5 m（宽）×0.7 m（高）的数值模拟模型。该模型使用250000个球形颗粒元素，按强层（黏结）与弱层（未黏结）在重力作用下互层沉积（共7层）。模拟地层岩性主要为砂泥互层，且粒子之间的相互作用符合线性−弹性和摩擦接触定律，大小分布均匀，半径为0.05～0.30 m，摩擦系数为0.40～0.48。初始条件设置为施加竖直向下的重力g，下盘固定，上盘以恒定速率（0.00001 m/s）沿初始断层面向下运移。数值模拟结果动态地显示出壮年期到老年期断层的内部结构演变过程，裂面由铲状演化为坡坪状，裂带逐渐变宽，派生断层数量增多；早期沿下裂面生长的断层核，随着裂带逐渐变宽，沿着主动盘上裂面会迁就逆时针旋转的张应力（σ1）方向形成新的断层核，断层带结构逐渐复杂化（图6）。
图 6 壮年期—老年期正断层生长模型Figure 6. Normal fault growth model from the prime of life to old age2.3 断层年龄阶段的划分与特征
综合物理模拟和数值模拟的研究结果，初步拟定出5个与陈南断层年龄阶段判别相关的参数（表1）：①断距/切割深度，表示断层垂向活动程度；②切割深度/断层长度，衡量断层规模以及横向强度；③断层面形态，主要有板状、铲状和坡坪状；④派生构造，逐渐增加且变得更加复杂；⑤断层带结构，断层带内部逐渐变得更加复杂化，老年期可能具有多“核”的特点。依据上述5个判别参数，东营凹陷主要断层的判别结果见表2。
表 1 正断层年龄阶段判别标准Table 1. Criteria for determining the age stage of normal faults赋值 1 2 3 4 5 6 断层演化阶段 胚胎期 幼年期 青年期 壮年期 老年期 消亡期 RA(相对年龄) (0,1] (1,2] (2,3] (3,4] (4,5] (5,6] 断距/切割深度 0 0～6 6～9 9～12 >12 反转 切割深度/长度 0～0.4 0～0.8 0～1.2 1.2～1.6 >1.6 断面形态 无 板状 轻微铲状，倾角>60° 铲状，倾角<60° 铲状/坡坪状，倾角<45° 派生构造 无 无 派生破裂 派生破裂或极少断层 复杂派生构造 断层带结构 裂缝 破裂/贯通 滑动破碎带 滑动破碎带+诱导裂缝带 滑动破碎带+诱导裂缝带+断层泥 表 2 东营凹陷主要断层年龄阶段判别结果Table 2. Results of age stage determination of major faults in the Dongying Sag断层名称 走向 断层长度/
km新生代
断距/m切割深度/
km切割深度/
断距赋值 长度/切割深度 赋值 断面形态 赋值 断层描述 赋值 相对年龄（RA）/阶段 石村断层 北西向 90 1280.73 6000 4.68 2 1.50 4 轻微铲状 3 较为复杂 4 3.25 壮年期 陈南断层东段 北西向 50 反转 坡坪式 6 复杂 6 6.00 消亡期 林北断层 北东东向 30 640 6000 9.37 4 0.50 2 轻微铲状 3 少数破裂 2 2.75 青年期 林南断层西段 北东东向 60 702 3590 5.11 2 1.67 5 轻微铲状 3 少数破裂 2 3.00 青年期 林南断层东段 北东东向 60 735 3590 4.88 2 1.67 5 铲状 4 破裂 3 3.50 壮年期 高青断层西段 近东西向 70 1206 5000 坡坪状 5 复杂 5 5.00 消亡期 高青断层东段 近东西向 70 1238 5000 铲状 5 复杂 5 5.00 消亡期 滨南断层 近东西向 35 2091 7500 5.59 3 1.47 4 坡坪状 5 复杂 5 4.25 老年期 陈南断层西段 近东西向 80 3319 7500 2.26 1 1.07 3 坡坪状 5 派生复杂 5 3.50 老年期 任风断层 近东西向 100 3590 2.79 5 板状 2 复杂 5 3.00 青年期 无南断层西段 近东西向 75 916 3590 2.86 1 12.00 5 坡坪状 5 复杂 5 4.00 老年期 无南断层东段 近东西向 75 948 3590 3.26 2 12.00 5 坡坪状 5 复杂 5 4.25 老年期 垦东断层南段 近东西向 50 514 3600 7.00 3 1.39 4 裂缝 3 无 1 2.75 青年期 垦东断层北段 近东西向 50 断续相连 2 无 2 2.00 幼年期 王家岗断层带 近东西向 60 裂缝 1 无 1 1.00 胚胎期 胜永断层 近东西向 60 854 7500 8.78 4 0.80 2 轻微铲状 3 较为复杂 4 3.25 壮年期 中央断层 近东西向 80 516 6000 11.63 4 1.33 4 铲状 2 较为复杂 4 3.50 壮年期 八面河断层 近东西向 60 0 4600 6.27 3 1.30 4 断续相连 2 较为复杂 2 2.25 幼年期 博兴断层 近东西向 40 1174 6000 5.11 2 0.67 2 板状 2 无 1 1.75 青年期 孤东断层 近东西向 50 无 1 无 1.00 胚胎期 结合构造模拟实验与东营凹陷的断层判识实例表明，断层生命周期的初始阶段为胚胎期，此时断层发育程度小，主要为微裂缝和诱导裂缝，这些裂缝规模较小并且呈孤立分布，裂缝的方向具有一致性，裂缝密集带定向排列（图7a；王伟锋等，2014，2015，2017；周维维，2015，2023；薛永安等，2021a，2021b；Zhou et al.，2024），平面上为雁列状排列的小裂缝，裂缝间相对独立、平行分布，彼此之间不相互作用；随后为幼年期阶段（图8a），断层进入继承性发育阶段，断层核形成，微裂缝逐渐变大，裂面断续相连，裂缝密集带往往与主断层的走向呈平行或小角度相交的定向排列（图7b；王伟锋等，2017；薛永安等，2021a），平面上，断层彼此相互作用，由一个单一的主断层平面组成，但并不相连；青年期阶段（图8b），断层进入显性发育阶段，主断面贯通、呈现板状断面，断距清晰，断层上下盘互相碰撞、研磨导致破裂面不断扩大（图7c），平面上断层间完全连接，形成一个单一的、复合的、起伏的断层，连接点的标志是断层面不规则，断层面出现位移；壮年期（图8c）的断层演化已达到成熟阶段，断层核两侧破碎带形成，上盘出现诱导裂缝带和局部破裂，断面形态呈板状−铲状（图7d），平面上派生的小断层增加，这一阶段的特征是断层进行了横向移动，位移量增大，断距增大；老年期时（图8d），断面形态呈现为坡坪状，派生构造发育，断层带内部结构复杂，断层活动趋向于稳定（图7e；王伟锋等，2014；薛永安等，2021b），该阶段的断层带存在几个大型的、相互关联的断层，以及许多早期形成、现阶段停止活动的小断层；在消亡期，断层停止活动，断距不再增加，甚至可能发生断层反转。通过分析断层各个年龄阶段的演化特征，可以得出张性断层的生命周期经历了从无到有、再从有到无的过程。
图 7 伸展断层演化模式a—胚胎期；b—幼年期；c—青年期；d—壮年期；e—老年期Figure 7. Evolution pattern of the extensional fault(a) Embryonic stage; (b) Juvenile stage; (c) Mature stage; (d) Declining stage; (e) Terminal stage
图 8 不同年龄阶段伸展断层发育特征的地震剖面a—幼年期；b—青年期；c—壮年期；d—老年期Figure 8. Seismic sections showing the characteristics of extensional fault development at various age stages of formation(a) Juvenile stage; (b) Mature stage; (c) Declining stage; (d) Terminal stage2.4 东营凹陷各年龄阶段断层的活动方式
断层发育过程中的活动期次、活动强度和活动速率受断层活动方式影响，不同的活动方式对不同年龄阶段的断层持续时间产生明显影响。断层会迅速经过胚胎期和幼年期进入到显性阶段，在此阶段中，青年期是具有最大断层落差的年龄阶段，并且活动落差会随着断层年龄的递增而逐渐递减。
断层的活动方式与断层年龄的持续时间和活动强度有着密切的关系，断层一直保持高活跃度可使断层进入老年期阶段。东营凹陷张性断层主要包括7种活动方式：匀速式、增速式、衰减式、稳定式、先增后衰式、双峰式和三峰式。通过对东营凹陷主要断层的活动方式与年龄阶段进行分析，研究结果显示：在断层的胚胎期和幼年期阶段，由多个小尺度的裂缝或微裂缝组成，在此阶段，以先增后减式为活动方式，并且进行了一个持续的低强度活动，到了该活动末期，小尺度裂缝相对独立或者断续连通；衰减式的活动方式是导致正断作用迅速开始的因素，并在瞬间达到活动性的顶峰，断层面形态为板状，随后活动性减弱，对断层的发育演化影响较小，因此处于青年期；在先增后衰式（增速<降速）活动方式中，青年期阶段的断层活动往往迅速结束；断续双峰式和断续三峰式的断层因其中间活动停滞期较长，因此发育比较缓慢，故大多处于青年期阶段；壮年期阶段，断层主要表现为连续双峰式、连续三峰式和稳定式3种活动方式，在断层的活跃期内，存在着一定的持续性，因此壮年期的断层持续时间较长；老年期断层具有先增后衰式（增速>降速）的活动方式，这种单峰型断层活动强度大且具有较强的规律性，可使其向老年期阶段平稳过渡；先增后衰式为消亡期断层的主要活动方式（图9）。
图 9 东营凹陷各年龄阶段断层的主要活动方式Figure 9. Major fault activity patterns at varying age stages in the Dongying Sag3. 张性断层发育演化阶段的控藏模式及控藏能力评价
东营凹陷不同断层所处的年龄阶段有所差异，这导致了其具有不同的控藏作用类型，并且控制了不同类型的圈闭。胚胎期和幼年期断层对油气圈闭发育起主导作用；青年期断层主要控制着砂层发育和储层分布；而壮年期和老年期断层则主要控制着烃源岩的总体展布范围以及油气的运移、聚集和逸散等过程。
3.1 不同年龄阶段的张性断层对油气藏以及圈闭的控制作用
随着张性断层年龄的增长，对油气藏的控制作用也会变得更加复杂，主要表现为圈闭类型增多，并且圈闭的规模不断扩大。依据东营凹陷油气运聚和成藏受断层的影响程度，可以将其控制作用划分为8种（马晖，2005；苏宗富，2006，2008；赵延江，2007；陈刚等，2008；姜帅，2019；屈童等，2021;徐长贵等，2022）：控盆（凹）与控源作用、通道作用、控圈作用、遮挡作用、改向运移作用、破坏作用、调整作用和桥梁作用（罗群，2007，2010）。在断层胚胎期，断层为控制油气圈闭形成的主要因素，可以形成定向排列的小圈闭和油气聚集带；在幼年期，小断层之间容易形成调节型坡折带和调节型圈闭，断层的主要控藏作用为控圈作用、改向运移作用和破坏作用；青年期断层是油气运移的主要通道，促使油气以各种方式进行运移，能够起到控圈作用、改向运移作用、通道和桥梁作用以及调整和破坏作用等；壮年期是断层控制烃类运移能力最强的阶段，断层具有运移和遮挡双重效应，断层的控藏作用表现为控盆与控源作用、控圈作用、改向运移作用、通道作用、桥梁作用、调整作用以及破坏作用等；老年期断层的内部构造受断层泥的影响更加复杂，具有控盆与控源作用、控圈作用、遮挡作用和桥梁作用等，并且派生断层偶尔会改变油气运移方向；在消亡期，断层可能会发生构造反转，导致新的反转背斜形成，并进一步形成背斜型油气藏。
不同年龄阶段的断层对油气圈闭的形成会产生一定的影响，从胚胎期到消亡期，断控圈闭的主要类型和结构会随着断层年龄阶段的递进而变得越来越复杂；随着圈闭规模的增大，断层对圈闭的控制作用也将更加明显，圈闭的形成也会从最初的单一裂缝型、小断块圈闭逐渐转变为多类型、复合型。
3.2 张性断层各年龄阶段的控藏模式
依据各年龄阶段的断层特征及其控藏作用，结合东营凹陷已有研究成果，提出了各年龄段的断层控藏模式。胚胎期断层控藏模式（王家岗断层；图10a）：储层为裂缝聚集带或串珠状小断块，主断面并未贯通，油气只能依附邻近的油源断层而不能远距离的运移，形成串珠状油气藏。幼年期断层控藏模式（垦东断层北；图10b）：横向背斜和侧向斜坡在局部破碎带间形成调节带，主要调节不均匀应力，这种模式控制了沉积砂体的发育和展布，形成断鼻−构造−岩性油气藏；青年期断层控藏模式（垦东断层；图10c）：由于断层的控制，盆地内形成了沉降中心和沉积物重力卸载区，在断层与砂体构成的输导体系中，油气通常沿格架砂体进行水平短距离运移，沿不整合面进行横向长距离运移，沿断层和裂缝体系进行纵向长距离运移，形成了断控砂岩油气藏。壮年期断层控藏模式（博兴断层、石村断层；图10d）：壮年期断层为最活跃阶段，断坡上广泛发育着三角洲前缘、三角洲平原等沉积体系，三角洲平原既是主要的储集层，也是盆地横向运输系统的主要组成部分，构造性储集层居多。这些沉积体系沿断坡形成了重要的油气藏圈闭，油气从烃源岩向格架砂体运移时，其运移方向受水平渗透率的影响显著。具有良好孔隙度和渗透率的河流−三角洲格架砂体是近距离油气横向运移的主要通道。总的来说，格架砂体受油气水平运移和（油源）断层的影响，形成岩性−构造油气藏。老年期断层控藏模式（陈南断层；图10e）：派生构造较复杂，断层面形态沿着断层走向发生变化，受到复合因素影响形成逆牵引背斜油气藏。
图 10 东营凹陷各年龄阶段断层的控藏模式a—胚胎期阶段；b—幼年期阶段；c—青年期阶段；d—壮年期阶段；e—老年期阶段Figure 10. Fault-controlled reservior pattern at different age stages of the Dongying Sag(a) Embryonic Stage; (b) Juvenile stage; (c) Mature stage; (d) Declining stage; (e) Terminal stage3.3 控藏能力评价
结合优势控藏要素、油气富集程度和油气聚集规模3个角度，基于断层对烃源岩、储层、输导体系和圈闭的控制程度，可以将断层控藏能力分为强、中、弱3级（表3）。根据评价结果，以陈南断层为例，判断其控藏能力等级为“强”。并由此可以推测断层相对年龄越大，控藏能力越强、控藏作用越复杂。
表 3 东营凹陷断层控藏要素分类与控藏能力评价Table 3. Classification of fault reservoir-forming elements and evaluation of reservoir-controlling capabilities in the Dongying Sag控藏能力 强 中 弱 烃源岩 影响大，主控 影响一般 影响较小 储层 影响大，控扇为主 影响一般、控砂为主 影响较小 输导体系 影响 影响大，主控 影响一般 影响较小 活动方式 双峰、三峰式、增速式、匀速式 稳定式、单峰式 衰减式 圈闭 类型多，规模大 类型少，规模小 影响较小 4. 结论
（1）张性断层可以划分为胚胎期、幼年期、青年期、壮年期、老年期和消亡期这6个演化阶段。在胚胎期微裂缝或诱导裂缝形成，幼年期是胚胎期断层的继承发育时期，胚胎期、幼年期构成了断层隐形发育阶段。从青年期开始断层进入显性发育阶段，断层活动较为活跃。壮年期断层处于断层演化的成熟阶段，断面和断层带的结构复杂化。在老年期，断层内部结构和派生构造呈现出了更加复杂的特征，断层活动逐渐平稳。消亡期阶段标志着断层停止活动或进入了反转期。
（2）东营凹陷主要发育2条胚胎期断层、1条幼年期断层、5条青年期断层、5条壮年期断层、4条老年期断层和3条消亡期断层。断层的活动方式与断层年龄的持续时间和活动强度有着密切的关系，稳定、持续、高强度的断层活动方式有利于断层向老年期发展。
（3）东营凹陷断控圈闭的主要类型和结构会随着断层年龄阶段的递进而变得越来越复杂。随着圈闭规模的增大，断层对圈闭的控制作用将更加明显，圈闭的形成也会从最初的单一裂缝型、小断块圈闭逐渐转变为多类型、复合型。此外，各个年龄阶段的断层均可控制油气成藏，随着断层相对年龄的增加，油气藏类型由单一到多样，油气藏规模由小变大。基于断层年龄阶段和活动方式，可从优势控藏要素、油气富集程度及油气聚集规模3个角度评价断层的控藏能力。研究表明断层年龄越大，其控藏能力越强、控藏作用越复杂。明确断层生命演化的阶段性、活动方式及其与油气成藏的关系，对于成熟探区油气勘探工作具有重要意义。
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图 1 渤海湾盆地构造简图及研究区位置
N—Q—新近系—第四系；Es1—Ed—沙河街组一段—东营组；Es3—Es2—沙河街组三段—沙河街组二段；Ek—Es4—孔店组—沙河街组四段；Mz—中生界；Anz—前震旦系 a—渤海湾盆地区域图；b—东营凹陷区域图；c—东营凹陷剖面图
Figure 1. Simple tectonic map of Bohai Bay Basin and the location of the study region
(a) Map of the Bohai Bay Basin; (b) Map of the Dongying Sag; (c) Cross section of the Dongying Sag
图 2 东营凹陷地层柱状图及实验材料选取
Figure 2. Stratigraphic column diagram of the Dongying Sag and the experimental material selection
图 3 砂箱实验模型示意图
a—水平均匀伸展模型；b—曲折基底伸展模型
Figure 3. Schematic diagram of sandbox experiment model
(a) Horizontal uniform extension model; (b) Zigzag basement extension model
图 4 陈南断层伸展模型的砂箱实验结果
CNF—陈南断层a—水平均匀伸展模型；b—曲折基底伸展模型
Figure 4. Findings from sandbox experiments on the Chennan fault extension
(a) Horizontal uniform stretch model; (b) Zigzag basement extension model Note: CNF is the Chennan fault.
图 5 陈南断层伸展模型砂箱实验结果素描图
CNF—陈南断层a—水平均匀伸展模型；b—曲折基底伸展模型
Figure 5. Sketch of the sandbox experinlental results of the Chennan fault extension model
(a) Horizontal uniform stretching model; (b) Zigzag basement extension model Note: CNF is the Chennan fault.
图 6 壮年期—老年期正断层生长模型
Figure 6. Normal fault growth model from the prime of life to old age
图 7 伸展断层演化模式
a—胚胎期；b—幼年期；c—青年期；d—壮年期；e—老年期
Figure 7. Evolution pattern of the extensional fault
(a) Embryonic stage; (b) Juvenile stage; (c) Mature stage; (d) Declining stage; (e) Terminal stage
图 8 不同年龄阶段伸展断层发育特征的地震剖面
a—幼年期；b—青年期；c—壮年期；d—老年期
Figure 8. Seismic sections showing the characteristics of extensional fault development at various age stages of formation
(a) Juvenile stage; (b) Mature stage; (c) Declining stage; (d) Terminal stage
图 9 东营凹陷各年龄阶段断层的主要活动方式
Figure 9. Major fault activity patterns at varying age stages in the Dongying Sag
图 10 东营凹陷各年龄阶段断层的控藏模式
a—胚胎期阶段；b—幼年期阶段；c—青年期阶段；d—壮年期阶段；e—老年期阶段
Figure 10. Fault-controlled reservior pattern at different age stages of the Dongying Sag
(a) Embryonic Stage; (b) Juvenile stage; (c) Mature stage; (d) Declining stage; (e) Terminal stage
表 1 正断层年龄阶段判别标准
Table 1. Criteria for determining the age stage of normal faults
赋值 1 2 3 4 5 6 断层演化阶段 胚胎期 幼年期 青年期 壮年期 老年期 消亡期 RA(相对年龄) (0,1] (1,2] (2,3] (3,4] (4,5] (5,6] 断距/切割深度 0 0～6 6～9 9～12 >12 反转 切割深度/长度 0～0.4 0～0.8 0～1.2 1.2～1.6 >1.6 断面形态 无 板状 轻微铲状，倾角>60° 铲状，倾角<60° 铲状/坡坪状，倾角<45° 派生构造 无 无 派生破裂 派生破裂或极少断层 复杂派生构造 断层带结构 裂缝 破裂/贯通 滑动破碎带 滑动破碎带+诱导裂缝带 滑动破碎带+诱导裂缝带+断层泥 
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表 2 东营凹陷主要断层年龄阶段判别结果
Table 2. Results of age stage determination of major faults in the Dongying Sag
断层名称 走向 断层长度/
km新生代
断距/m切割深度/
km切割深度/
断距赋值 长度/切割深度 赋值 断面形态 赋值 断层描述 赋值 相对年龄（RA）/阶段 石村断层 北西向 90 1280.73 6000 4.68 2 1.50 4 轻微铲状 3 较为复杂 4 3.25 壮年期 陈南断层东段 北西向 50 反转 坡坪式 6 复杂 6 6.00 消亡期 林北断层 北东东向 30 640 6000 9.37 4 0.50 2 轻微铲状 3 少数破裂 2 2.75 青年期 林南断层西段 北东东向 60 702 3590 5.11 2 1.67 5 轻微铲状 3 少数破裂 2 3.00 青年期 林南断层东段 北东东向 60 735 3590 4.88 2 1.67 5 铲状 4 破裂 3 3.50 壮年期 高青断层西段 近东西向 70 1206 5000 坡坪状 5 复杂 5 5.00 消亡期 高青断层东段 近东西向 70 1238 5000 铲状 5 复杂 5 5.00 消亡期 滨南断层 近东西向 35 2091 7500 5.59 3 1.47 4 坡坪状 5 复杂 5 4.25 老年期 陈南断层西段 近东西向 80 3319 7500 2.26 1 1.07 3 坡坪状 5 派生复杂 5 3.50 老年期 任风断层 近东西向 100 3590 2.79 5 板状 2 复杂 5 3.00 青年期 无南断层西段 近东西向 75 916 3590 2.86 1 12.00 5 坡坪状 5 复杂 5 4.00 老年期 无南断层东段 近东西向 75 948 3590 3.26 2 12.00 5 坡坪状 5 复杂 5 4.25 老年期 垦东断层南段 近东西向 50 514 3600 7.00 3 1.39 4 裂缝 3 无 1 2.75 青年期 垦东断层北段 近东西向 50 断续相连 2 无 2 2.00 幼年期 王家岗断层带 近东西向 60 裂缝 1 无 1 1.00 胚胎期 胜永断层 近东西向 60 854 7500 8.78 4 0.80 2 轻微铲状 3 较为复杂 4 3.25 壮年期 中央断层 近东西向 80 516 6000 11.63 4 1.33 4 铲状 2 较为复杂 4 3.50 壮年期 八面河断层 近东西向 60 0 4600 6.27 3 1.30 4 断续相连 2 较为复杂 2 2.25 幼年期 博兴断层 近东西向 40 1174 6000 5.11 2 0.67 2 板状 2 无 1 1.75 青年期 孤东断层 近东西向 50 无 1 无 1.00 胚胎期
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表 3 东营凹陷断层控藏要素分类与控藏能力评价
Table 3. Classification of fault reservoir-forming elements and evaluation of reservoir-controlling capabilities in the Dongying Sag
控藏能力 强 中 弱 烃源岩 影响大，主控 影响一般 影响较小 储层 影响大，控扇为主 影响一般、控砂为主 影响较小 输导体系 影响 影响大，主控 影响一般 影响较小 活动方式 双峰、三峰式、增速式、匀速式 稳定式、单峰式 衰减式 圈闭 类型多，规模大 类型少，规模小 影响较小
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