廊固凹陷沙四晚期構(gòu)造應力場模擬及低級序斷層預測

張丹丹，戴俊生，付曉龍

(中國石油大學 (華東)地球科學與技術(shù)學院，山東青島266580)

古構(gòu)造應力場指某一地質(zhì)歷史時期的構(gòu)造應力場，它是含油氣盆地中現(xiàn)存一切巖體構(gòu)造變形 (包括斷裂、褶皺、裂縫、片理等)的直接導致因素，也是地下油氣運移的重要動力［1］。構(gòu)造應力場分析是闡明和解釋各種地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生、分布和演化規(guī)律的重要途徑［2］，對于深入研究大地構(gòu)造背景、區(qū)域構(gòu)造作用與局部構(gòu)造的關(guān)系，研究裂縫發(fā)育、油氣運移規(guī)律以及力學成因機制等都具有重要意義［3］。前人對于廊固凹陷構(gòu)造特征、沉積特征、油氣分布等方面研究較多，但對于凹陷全區(qū)構(gòu)造應力場研究缺乏。本文以廊固凹陷古近紀沙四晚期構(gòu)造應力場模擬為例，對凹陷全區(qū)進行數(shù)值模擬并對低級序斷層發(fā)育進行預測。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

構(gòu)造應力場的正確計算和分析必須建立在研究區(qū)大地構(gòu)造背景分析、區(qū)域構(gòu)造單元劃分和對主要構(gòu)造格局正確認識的基礎之上［4～5］，因此在對研究區(qū)進行構(gòu)造應力場數(shù)值模擬之前，需要了解其區(qū)域構(gòu)造背景。

廊固凹陷是渤海灣盆地冀中坳陷西北部的一個次級構(gòu)造單元，是一個古近紀箕狀斷陷湖盆［6］。渤海灣盆地以斷裂構(gòu)造為主，正斷層是主要的斷裂構(gòu)造［7］，該盆地內(nèi)的主干伸展斷層走向為北北東—北東向，表明盆地總體伸展方向為北西西—北西和南東東—南東向［8］;而冀中坳陷位于渤海灣盆地的西北部，其構(gòu)造格架是新生代的伸展構(gòu)造系統(tǒng)，在古近紀伸展作用過程持續(xù)發(fā)育［9］(見圖1)。據(jù)此可知，伸展構(gòu)造對廊固凹陷的形成與演化起主導控制作用。

圖1 廊固凹陷區(qū)域構(gòu)造位置［10～11］Fig.1 Structural location of Langgu Sag

2 沙四晚期應力場數(shù)值模擬

根據(jù)前人研究總結(jié)出模擬步驟為建立模型、模擬計算和計算結(jié)果分析，其中建立正確的地質(zhì)模型與力學模型是進行應力場數(shù)值模擬的關(guān)鍵所在［3，12］。

2.1 地質(zhì)模型建立

斷裂構(gòu)造是廊固凹陷最重要的構(gòu)造類型，該區(qū)斷裂系統(tǒng)復雜，發(fā)育多條斷層，可分為4個級別［13］，其中三級以上生長斷層活動時期長、延伸距離遠，對應力場分布影響顯著，因此在建立地質(zhì)模型時需要將三級以上生長斷層的影響考慮在內(nèi)。此外，廊固凹陷可分為大柳泉鼻狀構(gòu)造帶、河西務構(gòu)造帶、韓村洼槽、桐南洼槽、牛北斜坡構(gòu)造帶與鳳河營—侯尚村構(gòu)造帶等二級構(gòu)造單元［14］(見圖2)，各構(gòu)造帶活動對該時期應力場具有非常重要的影響，因此在地質(zhì)模型中需要考慮活動明顯的構(gòu)造帶的影響。

2.1.1 斷層的選擇

圖2 廊固凹陷構(gòu)造帶分布及地震測線位置 (據(jù)文獻［14］修改)Fig.2 The distribution of the structural belts and the position of seismic lines in Langgu Sag

地質(zhì)模型中應該包括在該時期活動的所有三級以上斷層，通過分析廊固凹陷沙四晚期斷層活動特征可知，在該時期活動的三級以上斷層 (見圖3)包括:大興斷層 (一級斷層)，桐柏鎮(zhèn)斷層 (二級斷層)以及安29井斷層 (永清斷層)、半截河斷層、安36井斷層和別古莊西斷層 (三級斷層)。本文根據(jù)上述斷層的走向、傾向、傾角、延伸長度等信息建立斷層的地質(zhì)模型。

圖3 廊固凹陷沙四晚期主要斷層平面分布Fig.3 Planar distribution of the main faults in the late sedimentary period of E s4 in Langgu Sag

2.1.2 構(gòu)造帶的確定

通過構(gòu)造演化剖面可分析構(gòu)造的形成與演化，本次研究中采用旋轉(zhuǎn)法編制構(gòu)造演化剖面。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造運動及各演化剖面分析可知，研究區(qū)東南部的牛北斜坡構(gòu)造帶與河西務構(gòu)造帶在沙四晚期隆升明顯，對研究區(qū)內(nèi)斷層的形成具有較大影響，因此需要在模型中建立這2個構(gòu)造帶。

由上述分析可知，所建立的廊固凹陷沙四晚期地質(zhì)模型應包括6條生長斷層和2個構(gòu)造帶，忽略其他不重要的因素，地質(zhì)模型如圖4所示。

圖4 廊固凹陷沙四晚期地質(zhì)模型Fig.4 A geological model in the late sedimentary period of E s4 of Langgu Sag

2.2 力學參數(shù)選擇及單元劃分

所建立的地質(zhì)模型中主要地質(zhì)單元包括斷層與地層，且斷層整體強度要小于連續(xù)地層，因此要賦予斷層及地層不同的彈性模量、泊松比等力學參數(shù)。本文力學參數(shù)的選取主要參考前人實驗測試結(jié)果及測井數(shù)據(jù)等，最終確定的力學參數(shù)見表1。

表1 廊固凹陷沙四晚期應力場模擬力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters in stress field simulation in the late sedimentary period of E s4 of Langgu Sag

運用ANSYS軟件將地質(zhì)模型中不同的地質(zhì)單元賦予不同的力學參數(shù)，選取solid 45單元，對模型進行網(wǎng)格單元劃分。為提高計算精度，一般劃分斷層的網(wǎng)格相對較細，最終共劃分出114959個單元，參與運算的節(jié)點有27753個，其中斷層單元25287個。

2.3 加力方式及邊界條件確定

2.3.1 確定應力場方向

統(tǒng)計廊固凹陷沙四晚期斷層的走向，并繪制斷層走向玫瑰花圖 (見圖5)。由圖5可知，該時期斷層走向均為北東向，集中在NE54°左右，且該區(qū)斷層均為正斷層，因此其最小主應力 (張應力)方向與斷層走向垂直，為SE144°—NW324°;此外根據(jù)區(qū)域構(gòu)造背景可知，該區(qū)處于伸展應力場環(huán)境中，水平方向均為張應力，因此其中間主應力方向應與最小主應力垂直，為SW234°—NE54°，而最大主應力為垂向的重力。

圖5 廊固凹陷沙四晚期斷層走向玫瑰花圖Fig.5 The fault strike rose diagram in the late sedimentary period of E s4 of Langgu Sag

2.3.2 確定應力場大小及邊界條件

結(jié)合前人研究，通過反復加載試驗，最終確定在模型南東邊界面上施加SE144°—NW324°向45 MPa張應力;在與之垂直的2個邊界面上施加3 MPa張應力;此外，由于牛北斜坡構(gòu)造帶與河西務構(gòu)造帶隆起明顯，分別在其底面施加2 MPa的上拱力，重力則由ANSYS程序自動生成 (見圖6)。

圖6 廊固凹陷沙四晚期受力示意圖Fig.6 The schematic diagram of force in the late sedimentary period of E s4 of Langgu Sag

為滿足有限元分析計算要求，需要對模型施加一定的約束條件。通過綜合地質(zhì)分析，多次調(diào)試后確定在模型底面 (不包括構(gòu)造帶的底面)施加Z方向約束，在北西邊界面上施加X、Y方向約束。

2.4 計算結(jié)果分析

模擬計算運用ANSYS軟件，通過不斷更改加力方式及邊界條件，輸出與實際資料最為相符的平面最小主應力等值線及方向矢量圖、平面剪應力等值線、差應力等值線等成果圖件，并對結(jié)果進行分析。

模擬結(jié)果顯示，廊固凹陷在沙四晚期最小主應力均為張應力 (正值為張應力)，在斷層及構(gòu)造帶附近出現(xiàn)高值，而在斷層內(nèi)部出現(xiàn)低值 (見圖7a);最大主應力以壓應力 (負值)為主，僅在構(gòu)造帶周圍與斷層內(nèi)部出現(xiàn)張應力 (見圖7b);平面剪應力均為負值，表明為右旋剪應力 (見圖7c)。

圖7 廊固凹陷沙四晚期構(gòu)造應力場分布Fig.7 Distribution of tectonic stress in the late sedimentary period of E s4 of Langgu Sag

3 低級序斷層預測

斷層的產(chǎn)生是巖石受力發(fā)生破裂的結(jié)果。廊固凹陷沙四晚期發(fā)育的斷層均為正斷層，正斷層形成過程中潛在破裂面上的正應力由最大主應力與最小主應力的差值造成，而該區(qū)最大主應力由上覆巖層重力引起，一般分布較穩(wěn)定，因而潛在巖石破裂面上正應力的變化應該主要由最小主應力的變化引起，故此可以用最小主應力和最大最小主應力差值來解釋低級序斷層的優(yōu)勢發(fā)育地區(qū)［15～16］，用平面剪應力解釋低級序斷層的優(yōu)勢走向，用剖面剪應力解釋低級序斷層的優(yōu)勢視傾向。

3.1 斷層平面分布規(guī)律預測

根據(jù)模擬結(jié)果可知，最小主應力高值區(qū)主要集中在2個位置，即大興斷層附近以及凹陷東南部構(gòu)造帶和三級斷層附近 (見圖7a)。高值區(qū)代表斷層活動區(qū)，與實際地質(zhì)資料吻合，表明構(gòu)造應力場對斷層發(fā)育具有明顯的控制作用，且高級別斷層對低級別斷層的發(fā)育具有較大的影響。

廊固凹陷沙四晚期最大主應力與最小主應力的差值高值區(qū)分布在構(gòu)造帶及高級別斷層附近 (見圖8a)，與最小主應力高值區(qū)的分布基本一致。根據(jù)庫侖破裂準則，差應力值越高，越容易發(fā)生破裂，越有利于斷層發(fā)育，因此高值區(qū)為斷層發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)域，這與實際地質(zhì)解釋結(jié)果一致。

圖8 廊固凹陷沙四晚期最大與最小主應力差值及剖面剪應力Fig.8 Difference between the minimum and maximum principal stresses and the profile shear stress in the late sedimentary period of E s4 of Langgu Sag

由平面剪應力模擬結(jié)果分析可知，該時期平面剪應力均為負值 (見圖7c)，負值代表右旋剪應力，在右旋平面剪應力環(huán)境中具有右旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高，因此可根據(jù)平面剪應力的性質(zhì)解釋斷層的走向。根據(jù)平面應變橢圓分析，在此應力影響下，該區(qū)主要發(fā)育北北東—北東向斷層。

3.2 剖面分布規(guī)律預測

通過分析剖面剪應力可預測低級序斷層的視傾向。在廊固凹陷中部區(qū)域切一條南東—北西向剖面，模擬結(jié)果顯示，該區(qū)剖面剪應力大部分地區(qū)為左旋 (正值)，右旋 (負值)分布范圍較小 (見圖8b)。根據(jù)應變橢圓可知，左旋剪應力作用下主要發(fā)育北西傾向斷層，因此該區(qū)斷層視傾向以北西向為主，僅在剖面東南部地區(qū)發(fā)育南東傾向斷層，這與地震剖面解釋結(jié)果一致。

4 結(jié)論

廊固凹陷斷裂系統(tǒng)復雜，發(fā)育大量斷層，除三級以上主要斷層外，在斷層與構(gòu)造帶周圍發(fā)育大量低級序斷層。根據(jù)斷層活動特點及構(gòu)造演化剖面分析，可確定沙四晚期地質(zhì)模型中斷層及構(gòu)造帶分布。構(gòu)造形跡分析顯示，廊固凹陷沙四晚期最小主應力方向為SE144°—NW324°。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，廊固凹陷在沙四晚期最小主應力均為張應力，最大主應力以壓應力為主，平面剪應力均為右旋剪應力。

低級序斷層平面分布受控于最小主應力、最大與最小主應力差值以及平面剪應力。研究區(qū)最小主應力、最大與最小主應力差值的高值區(qū)均分布在構(gòu)造帶及高級別斷層附近，為斷層發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)域。在平面剪應力影響下，該區(qū)主要發(fā)育北北東—北東走向斷層。該區(qū)剖面剪應力在大部分區(qū)域為左旋，表明斷層視傾向以北西向為主，這與地震剖面解釋結(jié)果一致。

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