分期异向分层伸展叠加构造是裂陷盆地演化过程中普遍存在的一种复杂而重要的伸展构造,其对盆地内油气资源的运聚成藏过程具有至关重要的影响作用。基于离散元数值模拟方法,建立系列理论研究模型,探究伸展方向变化与脆性地层中夹大套韧性层的沉积模式对伸展构造变形的影响。一种新型的滚动阻力线性接触模型被用以模拟伸展过程中断层的剪切破裂行为,根据基准模型测试结果显示,在线性模型中添加滚动摩擦属性能显著增加散粒体模型的休止角,即等同于其内摩擦角。在模拟断裂变形过程中,滚动摩擦系数最为直接而显著的作用便是帮助生成符合库伦摩尔破裂准则的剪切破裂带。分期异向分层伸展叠加变形模拟实验结果显示,中间韧性地层会导致脆性地层中断层发生滑脱作用,形成上下分层变形的两套断裂系统。韧性变形作用使得中间地层拉伸减薄,且牵引其上覆脆性地层向中央沉降区域内塌陷,从而使整个上部断裂系统横向展布范围显著扩大,而对下部断裂系统的影响较小,因而形成了上下两套断裂系统垂向叠加、侧向分层伸展的构造变形特征。早期正向伸展叠加晚期斜向伸展的两期伸展模式产生了两套不同走向的断裂系统,伸展方向变化不仅会促使新生断层走向发生改变,也扩大了该方向上断裂带横向发育范围与纵向断距。多组实验对比显示,韧性层减薄会导致部分大型断裂垂向继承性发育,不受韧性层的分割;加大地层弹性模量会导致地层发育更多小微断层,大型断层发育减少;伸展速度减慢会导致两侧破裂变形呈对称性发育。结合南堡凹陷有限元应力场模拟结果,对比离散元模型与渤海湾盆地南堡凹陷新生代盆地所具有的典型的分期异向分层伸展的构造-沉积特征,验证了模型的有效性,解析出分期异向分层伸展叠加构造的成因机制在于垂向叠加的不同能干性地层经历了多期次不同方向伸展。