地质力学学报  2014, Vol. 20 Issue (1): 16-24
引用本文
祖克威, 曾联波, 赵向原, 刘国平. 断层转折褶皱剪切裂缝发育模式探讨[J]. 地质力学学报, 2014, 20(1): 16-24.
ZU Ke-wei, ZENG Lian-bo, ZHAO Xiang-yuan, LIU Guo-ping. DISCUSSION ON DEVELOPMENT MODELS OF THE SHEARING FRACTURES IN FAULT BEND FOLDS[J]. Journal of Geomechanics, 2014, 20(1): 16-24.
断层转折褶皱剪切裂缝发育模式探讨
祖克威1 , 曾联波1,2 , 赵向原1 , 刘国平1     
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
摘要:围绕库车前陆盆地内某典型断层转折褶皱剖面,实测统计该剖面不同构造部位的剪切裂缝,分析断层转折褶皱中剪切裂缝的发育规律,进而建立断层转折褶皱剪切裂缝的发育模式。统计结果表明,研究区剪切裂缝有2种类型,一类是与岩层面高角度相交的高角度缝,广泛发育在构造各个部位;另一类是与层面近于平行的顺层裂缝,主要发育在断层面附近,并随岩层的变形,产状发生改变。远离断层面,剪切裂缝发育程度整体上呈减小趋势,下盘裂缝发育强度的减小大于上盘,上盘裂缝发育强度整体大于下盘。褶皱内层剪切裂缝较外层发育,褶皱两翼裂缝发育强度大于褶皱枢纽。断层产状的改变,会引起上盘运动状态的改变,使得在上盘活动轴面附近出现应力集中,局部剪切裂缝发育强度出现增大现象。断层转折褶皱剪切裂缝的发育模式可以分为3个阶段,断层形成前主要发育与层面高角度相交的区域性剪切裂缝;断层形成初期,断层面附近两盘牵引变形不明显,上盘穿过断坡下部破折点处活动轴面的部分会产生新的剪切裂缝,即与岩层高角度相交剪切缝和与断层面低角度相交剪切缝;牵引构造明显时,断层面附近两盘弯曲部位会产生顺层剪切裂缝,两翼的裂缝发育强度大于枢纽。
关键词断层转折褶皱    剪切裂缝    分布规律    发育模式    
DISCUSSION ON DEVELOPMENT MODELS OF THE SHEARING FRACTURES IN FAULT BEND FOLDS
ZU Ke-wei1 , ZENG Lian-bo1,2 , ZHAO Xiang-yuan1 , LIU Guo-ping1     
1. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum, Beijing 102249, China
Abstract: This paper focuses on a typical section of fault-bend fold in Kuqa foreland basin, by use of the shear fractures data measured in different structural position of the outcrop, and the fractures development laws are analyzed and then development models of the shearing fractures in fault-bend fold in Kuqa foreland basin are established. Statistical result shows that the shear fractures in the outcrop can be divided into two types: shear fractures at a high angle to layers extensively develops in each position in the outcrop, and bed-parallel fractures presenting near the fault, mainly develops near the fault with attitudes changing with the deformation of the layers. The intensity of shear fractures development decreases with the distance away from the fault as a whole. The gradient of shear fractures development in the footwall has a greater descending rate than that in the hanging wall. The density of shear fractures in the hanging wall is greater than that in the footwall. The density of shear fractures in the hinge of the fold is less than that in the forelimb and backlimb, besides higher density appears in the internal surface with respect to that in the external surface. The change of the dip angle in the fault bendfold causing the alteration of the movement for the hanging wall makes the stresses concentrating on the axial faces. So the phenomenon of the increase of intensity of shear fractures near this position can be appeared. The development model of shear fractures in the fault-bend fold shall be separated into 3 stages: regional fractures are mainly developed before the generation of fault; after the formation of the fault with dragging deformations near not obvious, new shear fractures will be formed in the position where the axial surface pinned at the lower ramp inflection point passes through, one at a high angle to the layer and the other at a low angle to the fault; the bed-parallel fractures will be presented in the curved sections and the intensity of fractures development near fold hinge is higher than that in two limbs, when the dragging deformations are obvious. The study on the model of shearing fractures development has a guiding significance for exploring the law of fractures development and prospecting the fractured reservoir in the foreland basin, especially in the deep layers with complex tectonic style.
Key words: fault-bend fold    shear fractures    distribution law    development model    
0 前言

前陆盆地是世界上油气最丰富和大油气田最多的沉积盆地[1], 其油气资源量约占全球总量的40%[2~3]。上覆岩层的压实作用和构造挤压作用降低了储层的基质孔隙度和渗透率, 成为致密储层, 同时产生了大量的天然裂缝[4]。天然裂缝作为致密储层中流体的储集空间和重要的渗流通道, 可以极大地改善储层物性[5]。前陆盆地变形强烈, 构造样式复杂[6], 对前陆盆地裂缝的预测是世界性难题。

目前国内外地质学家主要利用野外露头统计[7~10]、构造物理模拟实验[11~15]、概念模型分析[16~23]以及数值模拟[24~25]等方法围绕构造对裂缝的控制作用开展相关研究, 并取得了一些认识。然而由于野外露头的限制, 针对断层转折褶皱对裂缝的控制作用的露头分析研究较少。大量的岩石力学实验表明, 构造成因裂缝可以划分为剪切裂缝、扩张裂缝和拉张裂缝3种基本类型[26]。其中剪切裂缝具有产状稳定、延伸长、缝面平直的特点, 广泛发育在我国各沉积盆地及各种构造类型中。因此, 对剪切裂缝发育规律开展研究具有重要理论意义和经济价值。

对新疆库车前陆盆地内某典型断层转折褶皱剖面进行了系统的实测统计, 并对统计结果进行分析, 进而对不同类型剪切裂缝的发育规律进行研究, 结合前人的构造物理模拟和数值模拟结果, 提出断层转折褶皱剪切裂缝发育模式。

1 研究区地质概况

本文研究剖面位于拜城县西北约50 km的卡普沙良河谷, 北部为南天山构造带, 南边为拜城凹陷(见图 1)。剖面主要出露下侏罗统阳霞组, 上部为灰白色粗砂岩, 下部为泥岩滑脱层(见图 2)。上部砂岩构造形态完整, 为本次研究的重点区域。断层上盘岩层变形严重, 褶皱形态较为完整, 下盘岩层变形较小, 断层面附近上下盘的拖曳现象明显。断层倾向94°, 倾角在断层传播的过程中从25°变为35°。断层面上可见擦痕, 侧伏向为184°, 侧伏角为35°, 表明最大主应力方向为北东—南西向。断层兼有走滑与挤压的性质, 但在剖面上表现为典型的断层转折褶皱(见图 2)。

图 1 库车前陆盆地构造纲要图 Figure 1 Structure outline map of Kuqa foreland basin

(a, b, c为照相区域, AA'为断层面的位置) 图 2 断层转折褶皱野外露头剖面图 Figure 2 A profile map of outcrop of fault-bend fold in Kuqa, Xinjiang
2 剪切裂缝发育特征

大量野外实测数据表明, 剖面上发育的裂缝主要为构造裂缝, 以剪切裂缝为主, 张裂缝较少, 裂缝的充填性差。剪切裂缝在剖面上分布规则, 其方位和发育特征受构造作用的控制明显。根据研究区剪切裂缝与岩层面夹角的关系, 可将其分为高角度缝和顺层裂缝。高角度剪切裂缝受岩层控制明显, 同层面近乎垂直, 通常以共轭形式出现, 其中一组不发育(见图 3); 顺层裂缝同层面小角度相交, 并具有很好的等间距性[27]

图 3 剖面上与岩层面高角度相交的剪切裂缝 Figure 3 Shear fractures with high angle crossing to the layer in the section

本次野外实测的裂缝发育密度位于同一岩石力学层或层厚相近的粗砂岩中, 以排除岩性和层厚因素对裂缝发育规律的影响。本文重点研究断层和褶皱对剪切裂缝发育的控制作用。

2.1 断层对剪切裂缝发育的控制作用

断层对剪切裂缝发育的影响主要体现在断层应力扰动对断层上下盘裂缝发育强度的影响。本文根据距断层的远近以及测量的可行性, 选取剖面上11个测点(测点位置见图 2)对裂缝发育强度进行测量统计, 用裂缝的线密度表示裂缝发育强度。11个测点的位置基本上位于厚度相近的砂岩层, 以排除岩层厚度对裂缝发育强度的影响。测量结果见表 1图 4

表 1 裂缝发育强度与距断层距离关系统计 Table 1 Statistics of relationship between fracture development intensity and distance to the fault

(断层面位于图 2中AA'处) 图 4 裂缝发育强度与距断层距离关系散点图 Figure 4 Scatter diagram showing relationship between fracture development intensity and distance to the fault

表 1图 3可以看出, 距断层距离不同, 裂缝发育强度出现了规律性变化, 即远离断层面, 裂缝发育强度在整体上具有减小的趋势, 越靠近断层面, 裂缝越发育。在断层面处, 上盘为强破碎带(见图 5a), 下盘则出现裂缝高密度区(见图 5b), 但是下盘裂缝密度的减小明显大于上盘。断层面附近两盘的岩层拖曳变形明显, 变形强烈, 使得早期形成的与岩层近于平行或低角度相交的顺层裂缝随着岩层的弯曲, 方位发生改变, 局部形成产状近直立的裂缝。这种顺层裂缝在上盘和下盘都有出现。随着逐渐远离断层, 顺层裂缝发育程度迅速变弱直至消失(见图 5c)。从表 1可以发现, 断层两盘的裂缝发育强度随着远离断层, 呈现减小的分布规律。

(照片编号与图 2中的编号对应) 图 5 野外露头的局部照片 Figure 5 Pictures of outcrops in the field
2.2 褶皱对剪切裂缝的控制作用

褶皱对裂缝的控制作用为几何形态与岩石物理性质共同作用的结果。本文在对剖面构造特征分析的基础上, 分别在背斜的前翼、枢纽和后翼(见图 6)对裂缝发育强度的规律进行统计。统计结果见表 2, 数据从上到下, 表示从核部向外的裂缝发育情况。根据统计结果可以发现在褶皱的前翼、枢纽和后翼3个构造部位, 裂缝发育强度从褶皱内层向外层逐渐减弱。褶皱在枢纽部位剪切裂缝的发育强度整体上小于前翼和后翼。

(黄色部分表示测量区域) 图 6 褶皱上三处测点的位置图 Figure 6 Locations of the three measurement sites in the fold

表 2 卡普沙良河剖面上断层相关褶皱不同部位的裂缝密度 Table 2 Fracture densities in different positions of fault-related fold in Kapushaliang River
3 断层转折褶皱剪切裂缝发育模式

测点6和测点9的高值区位于上盘轴线附近, 这是因为轴线两侧岩层的运动状态变化很大[28], 从而在上盘运动过程中, 会造成局部的应力集中现象。一些地质学家利用数值模拟和构造物理模拟实验的方法也证实了当上盘地层为脆性时, 轴线附近会出现应力高值区[14, 29~30]。在这种情况下, 应力高值区的变形往往通过裂缝来调节。因此, 在上盘轴面附近, 裂缝发育强度较大。由于褶皱的中和面效应, 褶皱核部通常为强烈挤压区, 褶皱外侧为拉张区[31], 因而褶皱核部比外侧更易发生剪切破裂。断层附近裂缝的统计结果表明, 在断层转折褶皱形成过程中, 由于断层扰动和断层面附近的牵引作用, 使得靠近断层的前翼裂缝发育强度要大于褶皱枢纽部位。

本次统计的断层转折褶皱剪切裂缝的发育特点与Chester[14]利用构造物理模拟实验得到的裂缝发育特点相似。结合Salvini[19]提出的断层转折褶皱在形成过程中的应变特征, 可以将剪切裂缝发育模式分为以下3个阶段:① 断层形成前, 地层较为平缓, 在构造挤压的作用下产生区域性剪切破裂, 并形成大量与区域性裂缝方位相同的潜在破裂面, 裂缝发育强度受岩层厚度控制明显, 在同一层内, 具有很好的等间距性(见图 7a)。② 断层形成后, 在断层附近的两盘形成大量的扰动裂缝, 位移量较小时, 上盘岩层在通过断坡下部坡折点附近的活动轴面时, 由于运动状态的改变, 岩层发生变形, 产生新的剪切裂缝(见图 7b)。新产生的剪切裂缝主要有两种类型, 一类是与岩层面高角度相交的剪切裂缝, 发育规模相对较大; 另一类是由于上盘沿断层面滑动产生的与断层低角度相交的剪切裂缝, 主要发育在上盘岩层底部的滑脱层局部层段, 规模较小。③ 随着上盘位移量的增大, 变形区域逐渐增大, 两翼产生更多新的剪切裂缝, 断层面附近, 牵引作用明显时, 使得在两盘产生与岩层面近于平行的顺层剪切裂缝, 越靠近断层面, 岩层牵引现象越明显, 顺层裂缝越发育(见图 7c)。

图 7 断层转折褶皱剪切裂缝发育模式图 Figure 7 Development models of shearing fractures in fault bend fold
4 结论

本次研究以新疆地区库车坳陷北部的某典型断层转折褶皱剖面为例, 在大量的实测数据基础上, 围绕剖面上不同构造部位的剪切裂缝分布特征展开研究, 并在排除了岩性与层厚等地质因素的情况下, 对构造对剪切裂缝的控制作用展开研究。

研究区主要发育两种剪切裂缝, 分别为与层面高角度相交的剪切裂缝和与层面大致平行的顺层裂缝。其中与层面高角度相交的剪切裂缝发育范围较广, 各个构造部位均可见到; 顺层裂缝主要集中在断层和滑脱层附近, 拖曳现象越明显, 变形越强烈, 顺层裂缝发育强度越大, 远离断层面, 顺层裂缝发育强度迅速减小至消失。

裂缝发育强度在整体上随着与断层距离的增大而呈现减小的趋势, 越靠近断层面, 裂缝越发育。断层面附近的上下盘存在裂缝发育的高密度区, 但是随着远离断层, 下盘裂缝密度的减小速度明显大于上盘, 同时上盘裂缝整体发育强度大于下盘, 剪切裂缝受断层控制明显。

褶皱控制剪切裂缝主要体现在, 褶皱内侧的剪切裂缝发育强度大于褶皱外侧, 两翼的裂缝发育强度大于枢纽部位。由于在上盘推覆过程中运动状态发生改变引起应力集中, 在远离断层的上盘轴面附近会出现裂缝发育程度增大的现象。

库车坳陷断层转折褶皱剪切裂缝发育模式可以分为3个阶段, 断层形成前, 主要发育区域剪切裂缝; 断层形成初期, 断层面附近两盘牵引变形不明显, 上盘穿过断坡下部破折点处活动轴面的部分会产生新的剪切裂缝, 即与岩层高角度相交剪切缝和与断层面低角度相交剪切缝; 牵引作用明显时, 在两盘产生与岩层面近于平行的顺层剪切裂缝, 越靠近断层面, 岩层牵引现象越明显, 顺层裂缝越发育。

断层转折褶皱剪切裂缝发育模式的研究, 对前陆盆地尤其深部复杂构造样式下裂缝发育规律的探索和裂缝型储层的勘探具有指导意义。

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