基于数值模拟的盐上断层分布模式的研究

宋随宏; 侯加根; 刘钰铭; 曹思凡; 胡晨彬

基于数值模拟的盐上断层分布模式的研究

宋随宏^{1, 2,},
侯加根^{1, 2},
刘钰铭^{1, 2},
曹思凡^{1, 2},
胡晨彬^{1, 2}

1.
中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249
2.
中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249

基金项目:

国家科技重大专项 2016ZX05014002

详细信息

作者简介:
宋随宏(1990-), 男, 硕士研究生, 地质资源与地质工程专业, 主要研究方向:构造演化模拟及储层建模研究。E-mail:songsuihong@126.com

中图分类号: P618.13;P542
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2016-11-06
- 刊出日期: 2017-06-01

A STUDY ON THE DISTRIBUTION PATTERN OF SUPRASALT FAULT BASED ON NUMERICAL SIMULATION

SONG Sui-hong^{1, 2
,},
HOU Jia-gen^{1, 2},
LIU Yu-min^{1, 2},
CAO Si-fan^{1, 2},
HU Chen-bin^{1, 2}

1.
College of Geoscience, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
2.
State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China

摘要

摘要: 盐上断层的形态和分布模式主要由其下部盐体形态和盐拱起所产生的上拱力共同控制。对盐上断层形成机制和分布模式的定量研究在盐上断层解释与预测、盐体形态描述及油气运移和成藏等方面具有重要意义。在总结上拱力与其上断层形态定量关系的基础上，针对盐构造中三种典型的盐体形态类型，分别拟合上拱力分布模式，并数值模拟其所产生的盐上断层形态和分布模式。模拟结果表明：（1）在产生恒定上拱力的盐构造中，发育两组相对称、深度分布一致的断层，每组断层相平行；（2）在产生线性变化上拱力的盐构造中，发育主次两组倾向相反的断层，主断层分布较浅，次断层分布较深，多被主断层限制，每组断层内，断层分布随上拱力变小而线性变深，而其形态不发生变化；（3）在产生抛物线形上拱力的盐构造中，两组主断层倾向相反相互对称，每组断层内，从构造中心到边部，断层倾角变缓，分布变深，构造边部出现次级小断层多被主断层限制。模拟结果与自然界盐体形态和断层分布模式吻合性较好，证实了模拟基于的上拱力与断层形态定量关系理论和模拟结果的正确性。
- 盐构造 /
- 断层模式 /
- 上拱力 /
- 数值模拟 /
- 莫尔包络线
Abstract: The shape and distribution patterns of upsalt faults are mainly controlled by the shape of the lower part of the salt body and its corresponding upwelling force. The quantitative research on the formation mechanism and distribution pattern of upsalt faults plays an important role in the interpretation and prediction of upsalt faults, description of the shape of the salt body as well as the migration and accumulation of oil and gas. According to the quantitative relationship between the upwelling force and the shapes of the upsalt faults, three typical types of salt structures are identified in this paper.The distribution pattern of upwelling force is estimated and numerical modeling is conducted respectively for the three types of salt bodies, based on the quantitative relationship. Accordingly, the modeling results show that (1) In the salt structure with constant upwelling force, two symmetrical fault groups with consistent depth distribution are formed parallelly. (2) In the salt structure with linearly changing upwelling force, two fault groups with reversed directions are formed, in which, the distribution of the main faults is shallow and that of the secondary faults is deep and often limited by the former. Within each fault, the fault distribution linearly deepens as the upwelling force weakens, while the shape is not changed. (3) In the salt structure with parabola upwelling force, the two main fault groups are symmetrical with reverse directions. Within each fault, from the tectonic center to the edge, the inclination of the fault becomes less steeper while the distribution deeper, and there are emergence of the secondary faults mostly controlled by the main faults.The simulation results accord with the shape and the fault distribution pattern of the natural salt bodies, which confirms the theory of quantitative relation between upwelling force and shape of fault and the correctness of the simulation results.
- salt structure /
- fault pattern /
- upwelling force /
- numerical modeling /
- the Parabolic Mohr failure envelope

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0. 引言

在特定应力作用下, 活动的盐体可以克服上覆阻力向上拱起或插入上覆岩层, 从而使得上覆地层严重变形形成褶皱或断层^[1~6]。盐上断层对于油气运移、油气藏形成以及金属矿床的勘探都具有重要的意义。

通过地震、井下资料分析, 露头观测, 物理实验模拟以及数值模拟等手段, 人们对于盐上断层得出一些普遍认识:盐上断层多为平直型或铲式正断层, 倾向指向盐构造中心, 从侧缘到构造中心断层近于平行或逐渐变陡, 可延伸至盐体中。但是这种认识多为经验式的定性化描述, 对于其形成原因、定量表征及断层模式总结方面研究较少。宋随宏等^[7]从岩体断裂微观机制(抛物线型莫尔包络线准则)出发, 通过理论分析、数学推倒和简单的数值模拟, 初步得出了上拱力(地层受到的向上的力, 其形成机制多样, 如盐拱构造)与宏观断层形态间的定量关系。但该理论缺乏较为严格的实际论证和应用, 本文力图在该理论基础上, 以不同形态盐拱构造为对象, 数值模拟多种上拱力背景下所产生的断层形态及分布模式, 并通过与实际盐上断层相对比来证实该理论及数模结果的正确性。对于通过断层模式识别出不同盐体类型和定量表征上拱力分布规律, 精确预测未发现断层形态和分布位置等具有重要意义。

1. 断层与上拱力定量关系的研究

在上拱力背景下, 如盐拱构造, 断层的形成是地下一般应力、区域应力和上拱构造形成的应力共同作用的结果。上覆地层在上拱构造的作用下, 受到向上的上拱力和由于地层拱起拉升而形成的顺层方向的附加水平拉力共同作用。从微观角度来看, 在所有应力共同作用下, 当岩层某点处所受的正应力和剪应力达到一定关系, 该点处岩体发生断裂, 形成微裂缝。当这些微裂缝连在一起时, 即表现为宏观上的断层面。关于这种岩层断裂时的微观应力准则, 目前与实际吻合比较好的有抛物线型莫尔包络线准则。

1.1 抛物线型莫尔包络线理论

抛物线型莫尔包络线理论的示意图如图 1, 用数学方程可表达为:

${{\tau }^{2}}=\frac{{{K}^{2}}}{{{\sigma }_{I}}}({{\sigma }_{I}}-\sigma )$

(1)

图 1 抛物线型莫尔包络线^{[7, 8]}

τ、σ—断裂面上的临界剪应力和临界正应力,MPa;
σ₁,σ₃—发生断裂时最大和最小主应力,MPa;
σ_m—平均应力(σ_m =(σ₁ +σ₃)/2),MPa;
σ_I—岩石在各向等值拉伸条件下的抗张断裂极限,MPa;
θ/2—岩石剪裂角(°)

Figure 1. The Parabolic Mohr failure envelope

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式中:σ_I为岩石在各向等值拉伸条件下的抗张断裂极限, MPa; K为岩石粘结强度, MPa; τ、σ分别为断裂面上的临界剪应力和临界正应力, MPa。本文中规定, 正值表示拉力, 负值表示压力。

以主应力来表达, 抛物线型莫尔包络线准则可写成:

${{({{\sigma }_{1}}-{{\sigma }_{3}})}^{2}}+2\frac{{{K}^{2}}}{{{\sigma }_{I}}}({{\sigma }_{1}}+{{\sigma }_{3}})={{K}^{2}}\left( 4-\frac{{{K}^{2}}}{\sigma _{I}^{2}} \right)$

(2)

式中:σ₁、σ₃分别为发生断裂时最大和最小主应力, MPa。

1.2 断层与上拱力定量关系的理论推导与简单模拟

研究表明, 地壳深部一般应力状态为:

${{\sigma }_{1}}={{\sigma }_{2}}={{\sigma }_{3}}=-\rho gh$

(3)

式中:ρ表示岩体的密度, kg/cm³; g为重力加速度, m/s²; h表示深度, m;σ₁, σ₂, σ₃分别表示最大主应力、中间主应力、最小主应力, MPa。

当忽略区域应力时, 上拱构造上覆地层只受到地下一般应力及上拱构造引起的上拱力和顺层附加应力共同作用。利用微积分理论和力学基本原理整合公式(1)-(3), 将岩层断裂时微观的莫尔包络线准则扩展到宏观背景下, 得出上拱力背景下, 正断层剖面形态与上拱力的定量关系式^[7]:

$\begin{align} & \frac{dl}{dh}= \\ & \frac{\sqrt{1+\frac{{{K}^{2}}}{4{{\sigma }_{I}}^{2}}+\frac{\rho gh-{{\sigma }_{uw}}}{{{\sigma }_{I}}}-\frac{{{K}^{2}}}{{{\sigma }_{I}}}\sqrt{1+\frac{\rho gh-{{\sigma }_{uw}}}{{{\sigma }_{I}}}}}-\frac{K}{2{{\sigma }_{I}}}}{\sqrt{1+\frac{\rho gh-{{\sigma }_{uw}}}{{{\sigma }_{I}}}-\frac{{{K}^{2}}}{{{\sigma }_{I}}}\sqrt{1+\frac{\rho gh-{{\sigma }_{uw}}}{{{\sigma }_{I}}}}}} \\ \end{align}$

(4)

式中:l为水平距离, m;σ_uw为上拱力, MPa。

2. 三种盐上断层分布模式的数值模拟

盐拱构造具有典型的上拱力背景, 下文将以断层与上拱力定量关系理论为基础, 通过数值模拟的方法研究不同盐体形态及上拱力背景下盐上断层形态和分布模式。

塑性流动的盐体拱升, 形成作用于上覆岩层的上拱力, 从而使得上覆岩层形成褶皱或断层。随着研究的深入, 不同的形态的盐体逐渐得到认识并进行分类(见图 2)。按照盐构造形态, 可将其划分为整合型、过渡型、刺穿型和喷出型等4类, 其中比较典型的盐体形态包括盐滚、盐背斜、盐墙、盐盖、盐席、盐枕、盐球、盐焊接和盐株^[9~17]。不同形态的盐体, 产生的上拱力的平面分布模式不同, 其形成的盐上正断层形态和分布模式也不同。因此, 可根据上拱力平面分布模式的差异, 将盐体形态分为三种典型类型:(1) 能产生恒定上拱力的盐体, 主要包括盐盖、盐席和其他呈面状展布的大型盐体; (2) 能产生线性分布上拱力的盐体, 主要包括盐滚和部分盐背斜、盐墙、盐舌、盐盖、盐席, 以及其他线形形态的盐体; (3) 能产生抛物线形上拱力的盐体, 主要包括盐球、盐枕、盐株、盐背斜、盐墙和部分盐盖、盐席, 以及其他拱形盐体形态。当然, 这种分类标准还仅局限于二维剖面, 对于同一盐体的不同剖面, 其形态与上拱力分布模式不同, 所产生的断层模式亦不尽相同。三维空间中断层形态和分布模式过于复杂, 本文不做讨论。

图 2 主要盐构造变形样式立体示意图^{[18, 19]}

Figure 2. Stereoscopic diagram of the deformation patterns of the main salt structures

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下文将针对这三种盐体类型, 分别定量拟合出上拱力分布模式, 并通过数值模拟, 总结不同上拱力背景下的断层形态和分布模式。

2.1 恒定上拱力断层模式

当盐构造呈水平面状(或近于面状)展布时, 其产生的上拱力亦可认为呈恒定大小、水平面状展布, 假定其大小为50 MPa, 且盐上岩层物性变化不大, 相关物性参数恒定:K=5 MPa; σ_I=0.4 MPa; ρ=2.8 g/cm³。结合这些参数及公式(4) 进行数值模拟。

模拟结果显示, 盐构造上部发育倾向相反的两组断层, 每组内断层相互平行, 所有断层形态和垂向分布一致, 单条断层无限延伸且倾角不断接近45度, 直至水平应力无法满足断裂极限应力要求而截止, 总体呈铲式(见图 3)。两组断层间可随意切割, 图 3显示的为自然界中较为常见的组合模式。

图 3 恒定上拱力背景下盐上断层分布模式

Figure 3. The distribution pattern of upsalt faults with constant upwelling force

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2.2 线性上拱力断层模式

当剖面中盐体形态呈近于线形的展布时, 其产生的上拱力亦可认为在地下呈线性变化。在此, 模拟相邻两个不同斜率线性变化上拱力背景, 上拱力变化关系为:

${{\sigma }_{uw}}=13.06\times l(l\le 3~\text{km})$

(5)

${{\sigma }_{uw}}=2.8\times l+30.8(l\ge 3\text{ }\!\!~\!\!\text{ km})$

(6)

式中, l为水平距离, 为了方便计算, 在本式及下文中, 均取其单位为km; σ_uw为上拱力, MPa。

假定, 盐上地层物性参数为:K=5 MPa; σ_I=0.2 MPa; ρ=2.8 g/cm³。把这些参数及公式(5)、(6) 带入公式(4), 进行数值模拟。

模拟结果显示, 在线性变化的上拱力背景下, 盐上地层发育两组深浅不一的断层, 倾向相反(见图 4)。每组断层形态一致, 与恒定上拱力断层模式中断层形态类似, 由竖直变为倾角无限接近45度, 呈铲式。每组内, 断层垂向分布深度随着上拱力变小而线性变深, 将断层开始发生断裂的点连成一条直线, 文中将其命名为起断线, 两组断层的起断线近于平行。考虑到自然界实际情况, 较浅一组断层或优先发育, 为主断层, 较深一组断层为次断层, 多被主断层限制。这是由于盐上地层被拱起而顺层拉升, 上部地层拉升幅度大于下部地层而使浅部断层易于发育, 且当次断层延伸至主断层附近时, 由地层拉伸产生的顺层应力容易被主断层错动而释放, 使次断层截止于主断层。图 4中左半部分到右半部分, 上拱力变化斜率减小, 形成的断层变陡且垂向分布变浅。

图 4 线性上拱力背景下盐上断层分布模式

Figure 4. The distribution pattern of upsalt faults with linearly changing upwelling force

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2.3 抛物线形上拱力断层模式

当剖面中盐体形态呈拱形, 可近似用抛物线模拟其产生的上拱力大小分布, 假定其表达式为:

$σuw=-7×(l-2.5)^2+44.8$

(7)

盐上地层物性参数假定恒为:K=5 MPa; σ_I=0.2 MPa; ρ=2.8 g/cm³。把这些参数及公式(7) 带入公式(4), 进行数值模拟。

模拟结果显示, 主要有两组断层对称发育, 倾向均指向构造中心(见图 5)。每组断层中, 从构造边部到中心, 断层逐渐变陡和变浅。断层互相切割, 形成花状断层模式。而在断层边部还出现一组次级小断层, 倾向与该侧主断层相反, 具有类似形态, 垂向分布深度亦从构造中心到边部逐渐变深, 多被主断层限制, 与线性上拱力断层模型中次级断层类似。这类小断层可使盐上地层进一步断块化。

图 5 抛物线形上拱力背景下盐上断层分布模式

Figure 5. The distribution pattern of upsalt faults with parabolically changing upwelling force

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3. 实例论证与应用

自然界中盐底劈物质的剖面形态多呈不规则的凸起形态(见图 6), 在恒定大小、线性变化和抛物线形变化三种上拱力类型中, 实际底劈产生的上拱力多近似于抛物线形, 因而实际的盐上断层也多类似于抛物线形上拱力断层模式。图 6显示, 一些盐构造的实际断层形态和模式与抛物线型断层模式的数值模拟结果非常相似; 尽管不完全一致, 其原因是实际盐体形态、岩石性质等参数与数值模拟参数不完全相同, 且地震剖面没有经过时深转换。

图 6 自然界中盐上断层与抛物线形上拱力断层模式对比

a—为墨西哥湾盐构造地震剖面^[17];b—为地中海利翁湾盐构造地震剖面^[20];c—为西非被动大陆边缘盐构造地震剖面^[21];d—为数值模拟显示的抛物线型盐上断层模式

Figure 6. Pattern comparison between natural upsalt faults and faults with parabola upwelling force

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德国Reitbrook盐拱构造盐上断层左侧发育反向小断层被主断层所限制, 与线性和抛物线型断层模式中次级小断层的特征非常类似(见图 7)。

图 7 Reitbrook盐底劈构造盐上断层模式^[22]

a—Reitbrook盐拱构造古近系底部构造图; b—Reitbrook盐拱构造的剖面图。红色框内为被主断层限制的反向小断层

Figure 7. The pattern of upsalt fault of Reitbrook dome

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这些实例可很大程度地证实模拟基于的理论基础和模拟结果的可靠性。

4. 结论

不同形态的上拱盐体产生不同类型的上拱力, 据此将上拱盐构造分为三种类型:(1) 产生恒定上拱力的盐构造; (2) 产生线性分布上拱力的盐构造; (3) 产生抛物线形分布上拱力的盐构造。不同类型盐构造及上拱力背景, 产生的盐上断层的形态及分布模式亦不相同。数值模拟结果显示:(1) 在恒定上拱力断层模式中, 发育两组相对称的断层, 所有断层的形态和分布深度都一致; (2) 在线性上拱力断层模式中, 发育主次两组倾向相反的断层, 主断层组分布较浅, 次断层组分布较深, 每组断层内所有断层形态一致, 其分布随着上拱力减小而线性变深; (3) 在抛物线型断层模式中, 主要发育两组倾向相反相对称的断层, 从中间到两边, 断层倾角逐渐变缓, 分布变深, 而在构造侧翼发育次级小断层, 多被主断层限制。

与自然界中实际盐上断层相对比, 数值模拟结果(尤其抛物线型断层模式)与实际吻合较好, 证实了模拟的理论基础(即断层形态与上拱力的定量关系理论)、模拟过程和模拟结果的可靠性。盐上断层形态和分布模式是其下部盐体形态及上拱力分布情况的定量表现。本文数值模拟揭示的三种盐上断层分布模式及本文模拟所基于的断层形态与上拱力的定量关系理论, 可为构造解释中定性识别盐体形态, 定量预测上拱力大小及分布模式, 以及预测未发现断层(裂缝)形态和分布等提供可行的理论依据。

图 1 抛物线型莫尔包络线^{[7, 8]}

τ、σ—断裂面上的临界剪应力和临界正应力,MPa;
σ₁,σ₃—发生断裂时最大和最小主应力,MPa;
σ_m—平均应力(σ_m =(σ₁ +σ₃)/2),MPa;
σ_I—岩石在各向等值拉伸条件下的抗张断裂极限,MPa;
θ/2—岩石剪裂角(°)

Figure 1. The Parabolic Mohr failure envelope

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图 2 主要盐构造变形样式立体示意图^{[18, 19]}

Figure 2. Stereoscopic diagram of the deformation patterns of the main salt structures

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图 3 恒定上拱力背景下盐上断层分布模式

Figure 3. The distribution pattern of upsalt faults with constant upwelling force

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图 4 线性上拱力背景下盐上断层分布模式

Figure 4. The distribution pattern of upsalt faults with linearly changing upwelling force

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图 5 抛物线形上拱力背景下盐上断层分布模式

Figure 5. The distribution pattern of upsalt faults with parabolically changing upwelling force

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图 6 自然界中盐上断层与抛物线形上拱力断层模式对比

a—为墨西哥湾盐构造地震剖面^[17];b—为地中海利翁湾盐构造地震剖面^[20];c—为西非被动大陆边缘盐构造地震剖面^[21];d—为数值模拟显示的抛物线型盐上断层模式

Figure 6. Pattern comparison between natural upsalt faults and faults with parabola upwelling force

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图 7 Reitbrook盐底劈构造盐上断层模式^[22]

a—Reitbrook盐拱构造古近系底部构造图; b—Reitbrook盐拱构造的剖面图。红色框内为被主断层限制的反向小断层

Figure 7. The pattern of upsalt fault of Reitbrook dome

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参考文献(22)

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1. 断层与上拱力定量关系的研究
1.1 抛物线型莫尔包络线理论
1.2 断层与上拱力定量关系的理论推导与简单模拟
2. 三种盐上断层分布模式的数值模拟
2.1 恒定上拱力断层模式
2.2 线性上拱力断层模式
2.3 抛物线形上拱力断层模式
3. 实例论证与应用
4. 结论

0. 引言
1. 断层与上拱力定量关系的研究
1.1 抛物线型莫尔包络线理论
1.2 断层与上拱力定量关系的理论推导与简单模拟
2. 三种盐上断层分布模式的数值模拟
2.1 恒定上拱力断层模式
2.2 线性上拱力断层模式
2.3 抛物线形上拱力断层模式
3. 实例论证与应用
4. 结论

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基于数值模拟的盐上断层分布模式的研究

作者简介:
宋随宏(1990-), 男, 硕士研究生, 地质资源与地质工程专业, 主要研究方向:构造演化模拟及储层建模研究。E-mail:songsuihong@126.com

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