斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫發(fā)育模式探討

祖克威，曾聯(lián)波，2，趙向原，劉國(guó)平

(1.中國(guó)石油大學(xué) (北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京102249;2.中國(guó)石油大學(xué) (北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

0 前言

前陸盆地是世界上油氣最豐富和大油氣田最多的沉積盆地［1］，其油氣資源量約占全球總量的40%［2～3］。上覆巖層的壓實(shí)作用和構(gòu)造擠壓作用降低了儲(chǔ)層的基質(zhì)孔隙度和滲透率，成為致密儲(chǔ)層，同時(shí)產(chǎn)生了大量的天然裂縫［4］。天然裂縫作為致密儲(chǔ)層中流體的儲(chǔ)集空間和重要的滲流通道，可以極大地改善儲(chǔ)層物性［5］。前陸盆地變形強(qiáng)烈，構(gòu)造樣式復(fù)雜［6］，對(duì)前陸盆地裂縫的預(yù)測(cè)是世界性難題。

目前國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家主要利用野外露頭統(tǒng)計(jì)［7～10］、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)［11～15］、概念模型分析［16～23］以及數(shù)值模擬［24～25］等方法圍繞構(gòu)造對(duì)裂縫的控制作用開(kāi)展相關(guān)研究，并取得了一些認(rèn)識(shí)。然而由于野外露頭的限制，針對(duì)斷層轉(zhuǎn)折褶皺對(duì)裂縫的控制作用的露頭分析研究較少。大量的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)造成因裂縫可以劃分為剪切裂縫、擴(kuò)張裂縫和拉張裂縫3種基本類型［26］。其中剪切裂縫具有產(chǎn)狀穩(wěn)定、延伸長(zhǎng)、縫面平直的特點(diǎn)，廣泛發(fā)育在我國(guó)各沉積盆地及各種構(gòu)造類型中。因此，對(duì)剪切裂縫發(fā)育規(guī)律開(kāi)展研究具有重要理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

對(duì)新疆庫(kù)車前陸盆地內(nèi)某典型斷層轉(zhuǎn)折褶皺剖面進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)不同類型剪切裂縫的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合前人的構(gòu)造物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果，提出斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫發(fā)育模式。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

本文研究剖面位于拜城縣西北約50 km的卡普沙良河谷，北部為南天山構(gòu)造帶，南邊為拜城凹陷 (見(jiàn)圖1)。剖面主要出露下侏羅統(tǒng)陽(yáng)霞組，上部為灰白色粗砂巖，下部為泥巖滑脫層 (見(jiàn)圖2)。上部砂巖構(gòu)造形態(tài)完整，為本次研究的重點(diǎn)區(qū)域。斷層上盤巖層變形嚴(yán)重，褶皺形態(tài)較為完整，下盤巖層變形較小，斷層面附近上下盤的拖曳現(xiàn)象明顯。斷層傾向94°，傾角在斷層傳播的過(guò)程中從25°變?yōu)?5°。斷層面上可見(jiàn)擦痕，側(cè)伏向?yàn)?84°，側(cè)伏角為35°，表明最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|—南西向。斷層兼有走滑與擠壓的性質(zhì)，但在剖面上表現(xiàn)為典型的斷層轉(zhuǎn)折褶皺 (見(jiàn)圖2)。

圖1 庫(kù)車前陸盆地構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure outline map of Kuqa foreland basin

2 剪切裂縫發(fā)育特征

大量野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，剖面上發(fā)育的裂縫主要為構(gòu)造裂縫，以剪切裂縫為主，張裂縫較少，裂縫的充填性差。剪切裂縫在剖面上分布規(guī)則，其方位和發(fā)育特征受構(gòu)造作用的控制明顯。根據(jù)研究區(qū)剪切裂縫與巖層面夾角的關(guān)系，可將其分為高角度縫和順層裂縫。高角度剪切裂縫受巖層控制明顯，同層面近乎垂直，通常以共軛形式出現(xiàn)，其中一組不發(fā)育 (見(jiàn)圖3);順層裂縫同層面小角度相交，并具有很好的等間距性［27］。

本次野外實(shí)測(cè)的裂縫發(fā)育密度位于同一巖石力學(xué)層或?qū)雍裣嘟拇稚皫r中，以排除巖性和層厚因素對(duì)裂縫發(fā)育規(guī)律的影響。本文重點(diǎn)研究斷層和褶皺對(duì)剪切裂縫發(fā)育的控制作用。

圖2 斷層轉(zhuǎn)折褶皺野外露頭剖面圖 (a，b，c為照相區(qū)域，AA'為斷層面的位置)Fig.2 A profile map of outcrop of fault-bend fold in Kuqa，Xinjiang

圖3 剖面上與巖層面高角度相交的剪切裂縫Fig.3 Shear fractures with high angle crossing to the layer in the section

2.1 斷層對(duì)剪切裂縫發(fā)育的控制作用

斷層對(duì)剪切裂縫發(fā)育的影響主要體現(xiàn)在斷層應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層上下盤裂縫發(fā)育強(qiáng)度的影響。本文根據(jù)距斷層的遠(yuǎn)近以及測(cè)量的可行性，選取剖面上11個(gè)測(cè)點(diǎn) (測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2)對(duì)裂縫發(fā)育強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，用裂縫的線密度表示裂縫發(fā)育強(qiáng)度。11個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置基本上位于厚度相近的砂巖層，以排除巖層厚度對(duì)裂縫發(fā)育強(qiáng)度的影響。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1、圖4。

表1 裂縫發(fā)育強(qiáng)度與距斷層距離關(guān)系統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of relationship between fracture development intensity and distance to the fault

圖4 裂縫發(fā)育強(qiáng)度與距斷層距離關(guān)系散點(diǎn)圖 (斷層面位于圖2中AA'處)Fig.4 Scatter diagram showing relationship between fracture development intensity and distance to the fault

從表1和圖3可以看出，距斷層距離不同，裂縫發(fā)育強(qiáng)度出現(xiàn)了規(guī)律性變化，即遠(yuǎn)離斷層面，裂縫發(fā)育強(qiáng)度在整體上具有減小的趨勢(shì)，越靠近斷層面，裂縫越發(fā)育。在斷層面處，上盤為強(qiáng)破碎帶 (見(jiàn)圖5a)，下盤則出現(xiàn)裂縫高密度區(qū) (見(jiàn)圖5b)，但是下盤裂縫密度的減小明顯大于上盤。斷層面附近兩盤的巖層拖曳變形明顯，變形強(qiáng)烈，使得早期形成的與巖層近于平行或低角度相交的順層裂縫隨著巖層的彎曲，方位發(fā)生改變，局部形成產(chǎn)狀近直立的裂縫。這種順層裂縫在上盤和下盤都有出現(xiàn)。隨著逐漸遠(yuǎn)離斷層，順層裂縫發(fā)育程度迅速變?nèi)踔敝料?(見(jiàn)圖5c)。從表1可以發(fā)現(xiàn)，斷層兩盤的裂縫發(fā)育強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離斷層，呈現(xiàn)減小的分布規(guī)律。

圖5 野外露頭的局部照片 (照片編號(hào)與圖2中的編號(hào)對(duì)應(yīng))Fig.5 Pictures of outcrops in the field

2.2 褶皺對(duì)剪切裂縫的控制作用

褶皺對(duì)裂縫的控制作用為幾何形態(tài)與巖石物理性質(zhì)共同作用的結(jié)果。本文在對(duì)剖面構(gòu)造特征分析的基礎(chǔ)上，分別在背斜的前翼、樞紐和后翼 (見(jiàn)圖6)對(duì)裂縫發(fā)育強(qiáng)度的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，數(shù)據(jù)從上到下，表示從核部向外的裂縫發(fā)育情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在褶皺的前翼、樞紐和后翼3個(gè)構(gòu)造部位，裂縫發(fā)育強(qiáng)度從褶皺內(nèi)層向外層逐漸減弱。褶皺在樞紐部位剪切裂縫的發(fā)育強(qiáng)度整體上小于前翼和后翼。

圖6 褶皺上三處測(cè)點(diǎn)的位置圖 (黃色部分表示測(cè)量區(qū)域)Fig.6 Locations of the three measurement sites in the fold

表2 卡普沙良河剖面上斷層相關(guān)褶皺不同部位的裂縫密度Table 2 Fracture densities in different positions of fault-related fold in Kapushaliang River

3 斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫發(fā)育模式

測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)9的高值區(qū)位于上盤軸線附近，這是因?yàn)檩S線兩側(cè)巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化很大［28］，從而在上盤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)造成局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。一些地質(zhì)學(xué)家利用數(shù)值模擬和構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的方法也證實(shí)了當(dāng)上盤地層為脆性時(shí)，軸線附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力高值區(qū)［14，29～30］。在這種情況下，應(yīng)力高值區(qū)的變形往往通過(guò)裂縫來(lái)調(diào)節(jié)。因此，在上盤軸面附近，裂縫發(fā)育強(qiáng)度較大。由于褶皺的中和面效應(yīng)，褶皺核部通常為強(qiáng)烈擠壓區(qū)，褶皺外側(cè)為拉張區(qū)［31］，因而褶皺核部比外側(cè)更易發(fā)生剪切破裂。斷層附近裂縫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在斷層轉(zhuǎn)折褶皺形成過(guò)程中，由于斷層擾動(dòng)和斷層面附近的牽引作用，使得靠近斷層的前翼裂縫發(fā)育強(qiáng)度要大于褶皺樞紐部位。

本次統(tǒng)計(jì)的斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫的發(fā)育特點(diǎn)與Chester［14］利用構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)得到的裂縫發(fā)育特點(diǎn)相似。結(jié)合Salvini［19］提出的斷層轉(zhuǎn)折褶皺在形成過(guò)程中的應(yīng)變特征，可以將剪切裂縫發(fā)育模式分為以下3個(gè)階段:①斷層形成前，地層較為平緩，在構(gòu)造擠壓的作用下產(chǎn)生區(qū)域性剪切破裂，并形成大量與區(qū)域性裂縫方位相同的潛在破裂面，裂縫發(fā)育強(qiáng)度受巖層厚度控制明顯，在同一層內(nèi)，具有很好的等間距性 (見(jiàn)圖7a)。②斷層形成后，在斷層附近的兩盤形成大量的擾動(dòng)裂縫，位移量較小時(shí)，上盤巖層在通過(guò)斷坡下部坡折點(diǎn)附近的活動(dòng)軸面時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，巖層發(fā)生變形，產(chǎn)生新的剪切裂縫 (見(jiàn)圖7b)。新產(chǎn)生的剪切裂縫主要有兩種類型，一類是與巖層面高角度相交的剪切裂縫，發(fā)育規(guī)模相對(duì)較大;另一類是由于上盤沿?cái)鄬用婊瑒?dòng)產(chǎn)生的與斷層低角度相交的剪切裂縫，主要發(fā)育在上盤巖層底部的滑脫層局部層段，規(guī)模較小。③隨著上盤位移量的增大，變形區(qū)域逐漸增大，兩翼產(chǎn)生更多新的剪切裂縫，斷層面附近，牽引作用明顯時(shí)，使得在兩盤產(chǎn)生與巖層面近于平行的順層剪切裂縫，越靠近斷層面，巖層牽引現(xiàn)象越明顯，順層裂縫越發(fā)育 (見(jiàn)圖7c)。

圖7 斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫發(fā)育模式圖Fig.7 Development models of shearing fractures in fault bend fold

4 結(jié)論

本次研究以新疆地區(qū)庫(kù)車坳陷北部的某典型斷層轉(zhuǎn)折褶皺剖面為例，在大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，圍繞剖面上不同構(gòu)造部位的剪切裂縫分布特征展開(kāi)研究，并在排除了巖性與層厚等地質(zhì)因素的情況下，對(duì)構(gòu)造對(duì)剪切裂縫的控制作用展開(kāi)研究。

研究區(qū)主要發(fā)育兩種剪切裂縫，分別為與層面高角度相交的剪切裂縫和與層面大致平行的順層裂縫。其中與層面高角度相交的剪切裂縫發(fā)育范圍較廣，各個(gè)構(gòu)造部位均可見(jiàn)到;順層裂縫主要集中在斷層和滑脫層附近，拖曳現(xiàn)象越明顯，變形越強(qiáng)烈，順層裂縫發(fā)育強(qiáng)度越大，遠(yuǎn)離斷層面，順層裂縫發(fā)育強(qiáng)度迅速減小至消失。

裂縫發(fā)育強(qiáng)度在整體上隨著與斷層距離的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，越靠近斷層面，裂縫越發(fā)育。斷層面附近的上下盤存在裂縫發(fā)育的高密度區(qū)，但是隨著遠(yuǎn)離斷層，下盤裂縫密度的減小速度明顯大于上盤，同時(shí)上盤裂縫整體發(fā)育強(qiáng)度大于下盤，剪切裂縫受斷層控制明顯。

褶皺控制剪切裂縫主要體現(xiàn)在，褶皺內(nèi)側(cè)的剪切裂縫發(fā)育強(qiáng)度大于褶皺外側(cè)，兩翼的裂縫發(fā)育強(qiáng)度大于樞紐部位。由于在上盤推覆過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變引起應(yīng)力集中，在遠(yuǎn)離斷層的上盤軸面附近會(huì)出現(xiàn)裂縫發(fā)育程度增大的現(xiàn)象。

庫(kù)車坳陷斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫發(fā)育模式可以分為3個(gè)階段，斷層形成前，主要發(fā)育區(qū)域剪切裂縫;斷層形成初期，斷層面附近兩盤牽引變形不明顯，上盤穿過(guò)斷坡下部破折點(diǎn)處活動(dòng)軸面的部分會(huì)產(chǎn)生新的剪切裂縫，即與巖層高角度相交剪切縫和與斷層面低角度相交剪切縫;牽引作用明顯時(shí)，在兩盤產(chǎn)生與巖層面近于平行的順層剪切裂縫，越靠近斷層面，巖層牽引現(xiàn)象越明顯，順層裂縫越發(fā)育。

斷層轉(zhuǎn)折褶皺剪切裂縫發(fā)育模式的研究，對(duì)前陸盆地尤其深部復(fù)雜構(gòu)造樣式下裂縫發(fā)育規(guī)律的探索和裂縫型儲(chǔ)層的勘探具有指導(dǎo)意義。

［1］ 楊明慧，劉池洋.中國(guó)中西部類前陸盆地特征及含油氣性［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2000，21(1):46～49.YANG Ming-hui，LIU Chi-yang.Characters of quasi-foreland basins in western-central China and their oil and gas potential［J］.Oil＆ Gas Geology，2000，21(1):46～49.

［2］ 甘克文.漫談前陸逆掩斷層帶油氣勘探的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2004，25(2):149～155.GAN Ke-wen.An informal discussion on experiences and lessons of petroleum exploration in foreland over-thrust zone［J］.Oil＆ Gas Geology，2004，25(2):149～155.

［3］ 劉和甫，汪澤成，熊保賢，等.中國(guó)中西部中、新生代前陸盆地與擠壓造山帶耦合分析［J］.地學(xué)前緣，2000，7(3):55～72.LIU He-fu，WANG Ze-cheng，XIONG Bao-xian，et al.Coupling analysis of Mesozoic Cenozoic foreland basin and mountain system in central and western china［J］.Earth Science Frontiers，2000，7(3):55～72.

［4］ 王瑞飛.特低滲透砂巖油藏儲(chǔ)層微觀特征［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2008.WANG Rui-fei.Microscopic characteristics of ultra-low permeability sandstone reservoirs［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，2008.

［5］ Zeng Lianbo.Microfracturing in the Upper Triassic Sichuan Basin tight-gas sandstones:Tectonic，overpressure，and diagenetic origins［J］.AAPG Bulletin，2010，94(12):1811～1825.

［6］ Suppe J.Geometry and kinematics of fault-bend folding［J］.American Journal of Sciences，1983，283:684～721.

［7］ Kim Y S，Peacock D C P，Sanderson D J.Fault damage zones［J］.Journal of Structural Geology，2004，26(3):503～517.

［8］ Blenkinsop T G.Relationship between faults，extension fractures and veins，and stress ［J］.Journal of Structural Geology，2008，30(5):622～632.

［9］ Atilla A.Fracture，fault，and hydrocarbon entrapment，migration and flow ［J］.Marine and Petroleum Geology，2000，17(7):797～814.

［10］ 曾聯(lián)波.低滲透砂巖儲(chǔ)層裂縫的形成與分布［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.ZENG Lian-bo.Formation and distribution of fractures in low permeability sandstone reservoirs［M］.Beijing:Science Press，2008.

［11］ Withjack M O，Olson J，Peterson Eric.Experimental models of extensional forced folds ［J］.AAPG Bulletin，1990，74(7):1038～1054.

［12］ Jin G H，Groshong Jr R H.Trishear kinematic modeling of extensional fault-propagation folding ［J］.Journal of Structural Geology，2006，28:170～183.

［13］ James F M，Shankar M.Deformation and secondary faulting associated with basement-involved compressional and extensional structures［J］.AAPG Bulletin，2011，95(4):675～689.

［14］ Chester J S，Logan J M，Spang J H.Influence of layering and boundary conditions on fault-bend and fault-propagation folding［J］.Geological Society of America Bulletin，1991，103:1059～1072.

［15］ Lin M L，Chung C F，Jeng F S.Deformation of overburden soil induced by thrust fault slip ［J］.Engineering Geology，2006，88:70～89.

［16］ Erslev E A.Trishear fault-propagation folding ［J］.Geology，1991，19(6):617 ～620.

［17］ Allmendinger R W.Inverse and forward numerical modeling of trishear fault-propagation folds ［J］.Tectonics，1998，17(4):640～656.

［18］ Cristallini E O，Allmendinger R W.Backlimb trishear:A kinematic model for curved folds developed over angular fault bends［J］.Journal of Structural Geology，2002，24(2):289 ～295.

［19］ Salvini F，Storti F.The distribution of deformation in parallel fault-related folds with migrating axial surfaces:comparison between fault-propagation and fault-bend folding［J］.Journal of Structural Geology，2001，23:25～32.

［20］ Lin X B，Chen H L，Cheng X G，et al.Conceptual models for fracturing in fault related folds［J］.Mining Science and Technology，2010，20(1):103～108.

［21］ Cardozo N，Allmendinger R W，Morgan J K.Influence of mechanical stratigraphy and initial stress state on the formation of two fault propagation folds［J］.Journal of Structural Geology，2005，27:1954～1972.

［22］ 賈東，陳竹新，羅良，等.斷層相關(guān)褶皺的磁組構(gòu)與有限應(yīng)變:川西岷江沖斷構(gòu)造的實(shí)例分析 ［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2007，17(1):31～39.JIA Dong，CHEN Zhu-xin，LUO Liang，et al.Magnetic fabrics in fault-related fold and its relation with finite strain:an example from Ming jiang thrust structures in Western Sichuan ［J］.Progress in Natural Science，2007，17(1):31 ～39.

［23］ 李軍，尹宏偉，張潔，等.三角剪切模型及其在川東大池干構(gòu)造解譯中的應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28(4):68～72.LI Jun，YIN Hong-wei，ZHANG Jie，et al.Trishear model and its application to interpretation of Dachigan structure in the eastern Sichuan Province［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28(4):68～72.

［24］ 沈海超，程遠(yuǎn)方，王京印，等.斷層對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)影響的有限元研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2007，26(2):34～37.SHEN Hai-chao，Cheng Yuan-fang，Wang Jing-yin，et al.Study of finite element on effects of faults on ground stress field［J］.Petroleum Geology＆ Oilfield Development in Daqing，2007，26(2):34～37.

［25］ 孫禮建，朱元清，楊光亮，等.斷層端部及附近地應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬 ［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，29(2):7～12.SUN Li-jian，ZHU Yuan-qing，YANG Guang-liang，et al.Numerical simulation of ground stress field at ends and vicinity of a fault［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29(2):7 ～12.

［26］ 曾聯(lián)波，漆家福，王永秀.低滲透儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的成因類型及其形成地質(zhì)條件［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28(4):52～56.ZENG Lian-bo，QI Jia-fu，WANG Yong-xiu.Origin type of tectonic fractures and geological conditions in low-permeability reservoirs［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28(4):52～56.

［27］ 曾聯(lián)波，王正國(guó)，肖淑容，等.中國(guó)西部盆地?cái)D壓逆沖構(gòu)造帶低角度裂縫的成因及意義［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30(1):56～60.ZENG Lian-bo，WANG Zheng-guo，XIAO Shu-rong，et al.The origin and geological significance of low dip-angle fractures in the thrust zones of western basins of China［J］.Acta Petrolei Sinica，2009，30(1):56～60.

［28］ Hardy S.A method for quantifying the kinematics of fault-bend folding ［J］.Journal of Structural Geology，1995，17(12):1785～1788.

［29］ Masini M，Bulnes M，Poblet J.Cross-section restoration:A tool to simulate deformation.Application to a fault-propagation fold from the Cantabrian fold and thrust belt，NW Iberian Peninsula ［J］.Journal of Structural Geology，2010，32(6):172～183.

［30］ González G，Gerbault M，Martinod J，et al.Crack formation on top of propagating reverse faults of Chuculay Fault System，northern Chile:Insights from field data and numerical modeling ［J］.Journal of Structural Geology，2008，30:791 ～808.［31］ 曾佐勛，樊光明.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)［M］.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2010.ZENG Zuo-xun，F(xiàn)AN Guang-ming.Structural Geology［M］.Wuhan:China University of Geoscience Press，2010.