鄂西渝東區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育特征及力學(xué)機(jī)制

邱登峰，周雁，袁玉松，柴童

（1頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；3西安石油大學(xué)）

鄂西渝東區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育特征及力學(xué)機(jī)制

邱登峰1，2，周雁1，2，袁玉松1，2，柴童3

（1頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；3西安石油大學(xué)）

針對(duì)鄂西渝東區(qū)隔檔式褶皺發(fā)育的構(gòu)造特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史，分別以隔檔式褶皺和正弦曲線幾何形態(tài)的褶皺建立模型，用有限元法模擬了褶皺不同構(gòu)造部位的應(yīng)力場(chǎng)分布特征。褶皺外側(cè)為張應(yīng)力集中區(qū)，內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力集中區(qū)，且應(yīng)力矢量與地層產(chǎn)狀平行，二者以中部既無(wú)明顯擠壓、亦無(wú)明顯拉張的中和面為分界。通過(guò)野外露頭和巖心觀察，總結(jié)了鄂西渝東區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育的三種形式：具多層介質(zhì)的非能干層中發(fā)育順層裂縫；向斜內(nèi)側(cè)、背斜外側(cè)的能干層中發(fā)育高角度剪切縫；背斜外側(cè)、內(nèi)側(cè)具多層介質(zhì)的非能干層中發(fā)育順層裂縫與高角度縫共生的網(wǎng)狀縫。這種特征與模擬結(jié)果呈現(xiàn)較高程度的一致性，可根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)模擬成果和裂縫發(fā)育地層的能干性進(jìn)行合理解釋。復(fù)向斜中的隆起區(qū)可作為頁(yè)巖氣勘探的重要目標(biāo)。

鄂西；渝東；褶皺；構(gòu)造裂縫；應(yīng)力場(chǎng)

裂縫是指巖石受力發(fā)生破裂作用而形成的不連續(xù)面，裂縫型油氣藏在已發(fā)現(xiàn)的油氣藏中占有相當(dāng)大的比例，且這種油氣藏中的裂縫類型主要為構(gòu)造裂縫［1-2］。褶皺是沉積巖層中的基本構(gòu)造樣式，裂縫的發(fā)育與褶皺關(guān)系緊密。前人對(duì)褶皺作用誘發(fā)的變形變位與應(yīng)力分配機(jī)制已經(jīng)做了較完善的研究［3-4］，探討了裂縫與褶皺的相關(guān)關(guān)系［5-7］，如巖層褶皺彎曲后表現(xiàn)為外弧伸長(zhǎng)和內(nèi)弧縮短［3，8］。Dieterich［4］用計(jì)算機(jī)模擬了巖層褶皺變形中的應(yīng)力方位。顧宏星等［5］通過(guò)研究褶皺巖層僅受純彎曲作用時(shí)褶皺中和面的位置，探討了貴州六盤水煤田瓦斯含量與褶皺部位的關(guān)系。李志勇等［6-7］使用趨勢(shì)面分析與差分法相結(jié)合的方法，以褶皺構(gòu)造主曲率作為裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)的依據(jù)，估算了王場(chǎng)褶皺構(gòu)造的裂縫孔隙度和滲透率。

鄂西渝東區(qū)的地質(zhì)力學(xué)研究，也已形成了豐富的研究成果。馬宗晉［9］根據(jù)區(qū)測(cè)資料和物理模擬，對(duì)鄂西中生代地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行力學(xué)分析，提出鄂西區(qū)中生代發(fā)生的構(gòu)造變動(dòng)，是在南北向側(cè)壓為基礎(chǔ)的應(yīng)力環(huán)境中發(fā)展的。顏丹平等［10］通過(guò)川湘鄂邊區(qū)典型剖面的平衡和解釋，提出從西向東由侏羅山式薄皮構(gòu)造轉(zhuǎn)為基底卷入式的厚皮構(gòu)造，這是燕山期由東南向西北不斷推進(jìn)的擠壓力作用的結(jié)果。顏丹平等［11］還認(rèn)為川渝湘鄂多層拆離推覆構(gòu)造是在晚中生代沿一系列巖石薄弱層從東南向西北的多層拆離滑脫構(gòu)造作用下形成的，他們利用單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)展研究，認(rèn)為區(qū)內(nèi)至少發(fā)育5個(gè)可能的區(qū)域性拆離滑脫層，這些滑脫層主要由泥質(zhì)巖、粉砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r組成。王令占等［12］以鄂西渝東的利川地區(qū)褶皺和斷裂為研究對(duì)象，在野外觀測(cè)和分析的基礎(chǔ)上，采用斷層滑動(dòng)數(shù)據(jù)反演方法，提出該區(qū)侏羅紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了五期構(gòu)造應(yīng)力作用并判別了各期應(yīng)力作用的方向。唐永等［13］通過(guò)研究直立褶皺、共軛節(jié)理、斷裂面擦痕等各種構(gòu)造形跡，重建了宣漢—達(dá)州地區(qū)晚中生代—新生代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，認(rèn)為燕山期川東構(gòu)造帶自東南方向的擴(kuò)展影響到了宣漢—達(dá)州地區(qū)，形成了一系列北東向的斷裂和褶皺，而喜馬拉雅期川東構(gòu)造帶逐漸趨于平靜。前人通過(guò)典型構(gòu)造樣式和野外構(gòu)造形跡的分析，對(duì)鄂西渝東區(qū)構(gòu)造應(yīng)力方向和變形過(guò)程的研究已經(jīng)較為深入。本次研究在對(duì)鄂西渝東區(qū)進(jìn)行野外地質(zhì)觀察的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)裂縫的性質(zhì)、規(guī)模與所在褶皺部位存在一定的成因聯(lián)系。為揭示褶皺地層的應(yīng)力分布狀態(tài)，本次研究采用有限元法進(jìn)行褶皺的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，并結(jié)合裂縫的野外觀察及其發(fā)育的構(gòu)造部位，探討了褶皺、應(yīng)力場(chǎng)與裂縫三者的相互關(guān)系，以期為認(rèn)識(shí)褶皺區(qū)的裂縫發(fā)育規(guī)律提供現(xiàn)實(shí)的和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

1　地質(zhì)背景

鄂西渝東區(qū)地理位置上處在長(zhǎng)江以南、烏江以北、建始—彭水?dāng)嗔岩晕鳎▓D1a），總面積20600km2。區(qū)內(nèi)有一系列的北東向隔檔式褶皺帶，自西向東包含方斗山復(fù)背斜、石柱復(fù)向斜、齊岳山復(fù)背斜和利川復(fù)向斜等四個(gè)主體構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)東南角還包含武隆凹陷和老廠坪復(fù)背斜等兩個(gè)小型構(gòu)造單元［14-16］。方斗山復(fù)背斜、石柱復(fù)向斜和齊岳山復(fù)背斜自北而南呈“S”形展布［15，17］。

圖1　鄂西渝東區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐郑╝）及典型地質(zhì)剖面（b）

區(qū)內(nèi)出露的地層屬于揚(yáng)子地層區(qū)，在空間上呈北東—南西向的帶狀展布。根據(jù)地質(zhì)圖及野外實(shí)地觀察，地層從老到新有：震旦系上部的燈影組淺海相碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖；寒武系下部的粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖和中上部的碳酸鹽巖；奧陶系中下部的碳酸鹽巖；上奧陶統(tǒng)五峰組與下志留統(tǒng)龍馬溪組下段的黑色、深灰色泥頁(yè)巖；下志留統(tǒng)龍馬溪組上段的黃綠色粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖及羅惹坪組的灰綠色、淺灰色泥質(zhì)粉砂巖。泥盆系和石炭系在研究區(qū)已剝蝕殆盡。震旦系至石炭系僅在齊岳山復(fù)背斜東南端的老廠坪復(fù)背斜出露（圖1a）；二疊系底部夾煤線的頁(yè)巖和中上部厚層的石灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r出露于方斗山復(fù)背斜、齊岳山復(fù)背斜核部；三疊系下部的碳酸鹽巖及中上部的碎屑巖在背斜兩翼對(duì)稱分布，區(qū)內(nèi)大面積出露侏羅系的粉砂巖、砂巖；白堊系及以上地層在區(qū)內(nèi)幾乎被全部剝蝕。參考顏丹平等［11］以巖石單軸抗壓強(qiáng)度劃分滑脫層的判別標(biāo)準(zhǔn)，本文以巖性為主要依據(jù)劃分了能干層（相同變形條件下，不宜發(fā)生黏性流動(dòng)）和非能干層，碳酸鹽巖、砂巖、粉砂巖層為能干層，泥質(zhì)巖、頁(yè)巖層為非能干層。

鄂西渝東區(qū)印支運(yùn)動(dòng)前以差異升降運(yùn)動(dòng)為主，印支運(yùn)動(dòng)使全區(qū)整體抬升，結(jié)束海侵歷史，晚三疊世—侏羅紀(jì)本區(qū)再次沉降，接受了晚三疊世—侏羅紀(jì)沉積［15］。燕山期—喜馬拉雅期，進(jìn)入陸相沉積發(fā)育階段，構(gòu)造發(fā)育也進(jìn)入了強(qiáng)烈活動(dòng)期［15，18］。構(gòu)造變形變位主要由燕山早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及喜馬拉雅中期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加而成［15］：早燕山期（侏羅紀(jì)末期），因西部特提斯海關(guān)閉和東南方向太平洋板塊向西北強(qiáng)烈俯沖的遠(yuǎn)程效應(yīng)，本區(qū)受到了長(zhǎng)期又具有階段性的自東南向西北的強(qiáng)烈擠壓，形成了大量的褶皺、逆斷層等壓性構(gòu)造，奠定了區(qū)內(nèi)現(xiàn)今隔檔式褶皺的區(qū)域構(gòu)造格架，橫向上，由東南往西北表現(xiàn)為依次遞減變形的特點(diǎn)［15-17］；喜馬拉雅中期，因印度板塊向中國(guó)板塊俯沖加劇，所產(chǎn)生的強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力越過(guò)川西龍門山經(jīng)四川盆地波及鄂西渝東區(qū)，應(yīng)力傳播方向在川中及本區(qū)亦為東南向，因川中剛性基底的阻擋及擠壓應(yīng)力在傳播方向上自西北向東南減小，因而與燕山早期運(yùn)動(dòng)相比，本區(qū)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力強(qiáng)度要小得多，主要表現(xiàn)為對(duì)燕山期構(gòu)造的同向疊加和重建［15］，由于研究區(qū)白堊系及以上地層已剝蝕殆盡，故從構(gòu)造形跡上區(qū)分喜馬拉雅期與燕山期的壓性構(gòu)造難度很大。

2　構(gòu)造裂縫發(fā)育的力學(xué)機(jī)制

褶皺主體形成后，褶皺的幾何形態(tài)與應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)及裂縫發(fā)育的性質(zhì)和產(chǎn)狀有直接的關(guān)聯(lián)。本文以研究區(qū)隔檔式褶皺為原型，抽象出幾何模型，用有限元法進(jìn)行了數(shù)值模擬，以期能全面研究褶皺的應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)，為野外觀測(cè)的裂縫性質(zhì)與發(fā)育部位提供力學(xué)解釋。

2.1模型建立與應(yīng)力場(chǎng)模擬

2.1.1隔檔式褶皺模型應(yīng)力分析

鄂西渝東區(qū)以一系列NE向的隔檔式褶皺為典型特征（圖1b），褶皺樞紐走向?yàn)镹E50°，齊岳山復(fù)背斜東南翼傾角50°~70°，西北翼傾角40°~65°；方斗山復(fù)背斜兩翼傾角均為50°~70°；石柱復(fù)向斜與利川復(fù)向斜兩翼傾角為10°~20°，近核部地層傾角僅2°。近對(duì)稱的高陡背斜和寬緩向斜在平面上連續(xù)展布。

以圖1b所示地質(zhì)剖面為原型，抽象出的幾何模型如圖2a所示，模型由高陡背斜以及夾持其中的寬緩向斜所組成，自左至右分別對(duì)應(yīng)方斗山復(fù)背斜、石柱復(fù)向斜、齊岳山復(fù)背斜和利川復(fù)向斜。

有限元法是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的重要方法之一，它是一種比較成熟的計(jì)算應(yīng)力分布的數(shù)值方法，如果提供合理的地質(zhì)模型和邊界條件，就能較真實(shí)地反映應(yīng)力的分布狀態(tài)。該方法將地質(zhì)體離散成有限個(gè)連續(xù)的單元，每個(gè)單元內(nèi)賦予實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù)，根據(jù)邊界條件，用數(shù)值方法就能計(jì)算出各單元內(nèi)的應(yīng)力分布［19］。

本次模擬采用通用有限元分析軟件Ansys，該軟件在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬研究中已得到廣泛應(yīng)用［19-20］。構(gòu)建的有限元模型及其分析結(jié)果見(jiàn)圖2。在Ansys中用具有六節(jié)點(diǎn)的PLANE2單元將幾何模型離散成若干連續(xù)的三角形網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格單元定義為各向同性的線性彈性體，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組多個(gè)樣品在三軸壓縮試驗(yàn)中所取得的彈性模量和泊松比的平均值，賦予單元內(nèi)的巖石力學(xué)參數(shù)為彈性模量3 500MPa、泊松比0.15。在模型右側(cè)施加向左的水平作用力，左側(cè)進(jìn)行位移全約束，為使模型不發(fā)生垂向上的漂移，在模型底部施加了垂向上的位移約束，作為平面的有限元模擬，垂向應(yīng)力與應(yīng)變忽略不計(jì)。

圖2　隔檔式褶皺模型及應(yīng)力分析結(jié)果

2.1.2正弦曲線褶皺模型應(yīng)力分析

為使模擬成果更具普適性，本文對(duì)褶皺形態(tài)進(jìn)一步抽象化和模式化，以基本的正弦曲線形態(tài)進(jìn)行了模擬和分析。經(jīng)典的褶皺發(fā)育模式認(rèn)為，如果巖系中各層的力學(xué)性質(zhì)不一致，在順層擠壓下，強(qiáng)硬層就會(huì)因失穩(wěn)而發(fā)生正弦曲線狀的彎曲，形成褶皺，相對(duì)軟弱層會(huì)被動(dòng)地調(diào)整并適應(yīng)由強(qiáng)硬層引起的彎曲形態(tài)［8，21］，因此正弦曲線是褶皺的基本形態(tài)。以褶皺的頂?shù)捉缑鏋檎仪€建立幾何模型時(shí)，具體的實(shí)現(xiàn)方式為：將圓的等分點(diǎn)向相應(yīng)直線進(jìn)行投影，將投影點(diǎn)用樣條曲線連接，即為一條近似正弦曲線，如圖3a所示。具體的模擬軟件、方法、參數(shù)，與圖2的隔檔式模型相同。

2.1.3模擬的合理性及地質(zhì)意義

本次模擬以褶皺形成后的幾何形態(tài)來(lái)建立模型，反映的是褶皺主體形成后，在與褶皺軸向垂直的區(qū)域應(yīng)力條件下褶皺內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖3　正弦曲線褶皺模型及應(yīng)力分析結(jié)果

圖4　巖石變形的一般化應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系［21］

根據(jù)巖石變形的一般應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系(圖4)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石的屈服點(diǎn)δ1，到達(dá)變形曲線中的P點(diǎn)后，將應(yīng)力撤去，變形巖石將保留一定的永久變形；再次加載時(shí)，巖石由于存在應(yīng)變硬化效應(yīng)，彈性范圍增大，當(dāng)加載應(yīng)力逐步提高至δ2，應(yīng)力—應(yīng)變曲線將沿著e1P彈性路徑回到P點(diǎn)。對(duì)研究區(qū)而言，如前所述，鄂西渝東區(qū)北東向的褶皺主體于燕山期形成，喜馬拉雅期主幕的擠壓應(yīng)力，方向與燕山期同向，但數(shù)值上小于燕山期，主要表現(xiàn)為在垂直于燕山期褶皺軸向的基礎(chǔ)上對(duì)先存褶皺的改造和重建。結(jié)合圖4分析，研究區(qū)巖石在燕山期主幕已發(fā)生了塑性變形，達(dá)到了最強(qiáng)應(yīng)力作用狀態(tài)（假設(shè)為δ2），之后巖石存在應(yīng)變硬化效應(yīng)，再次構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)（小于δ2），如喜馬拉雅期的應(yīng)力作用強(qiáng)度小于燕山期主幕，巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線處在增大的彈性范圍e1P內(nèi)。因此，用彈性算法模擬褶皺主體形成后（即燕山期主幕后）的應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)是合理的，且具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)地質(zhì)意義。

2.2模擬結(jié)果分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行求解，分別得到了隔檔式褶皺模型和正弦曲線褶皺模型對(duì)應(yīng)的應(yīng)力矢量分布圖、最大主應(yīng)力（張應(yīng)力）分布圖、最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）分布圖和應(yīng)力強(qiáng)度（差應(yīng)力，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值）分布圖（圖2，圖3）。應(yīng)力符號(hào)采用材料力學(xué)中的規(guī)定，即張應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)，按照δ1＞δ2＞δ3確定最大、最小主應(yīng)力的原則，本文中最大主應(yīng)力為張應(yīng)力，最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力。為符合地質(zhì)人員的看圖習(xí)慣，應(yīng)力分布圖中色標(biāo)符號(hào)統(tǒng)一為紅高藍(lán)低，與色標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)值的絕對(duì)值表示應(yīng)力值的相對(duì)大小。

對(duì)比兩類模型應(yīng)力分析（圖2，圖3）可知，各應(yīng)力區(qū)的分布趨勢(shì)及變化規(guī)律基本一致。為了描述與指代的統(tǒng)一性，文中按照應(yīng)力場(chǎng)在褶皺中的分布特征將褶皺部位分為了4個(gè)區(qū)，即張應(yīng)力區(qū)（A區(qū)）、壓應(yīng)力區(qū)（B區(qū)）、應(yīng)力過(guò)渡區(qū)（C區(qū)）及應(yīng)力強(qiáng)度最低區(qū)（D區(qū)），它們分別對(duì)應(yīng)于褶皺的背斜與向斜外側(cè)、背斜與向斜內(nèi)側(cè)、背斜與向斜過(guò)渡的斜坡區(qū)以及中和區(qū)。

由圖2b、圖3c應(yīng)力矢量分布圖可見(jiàn)，在背斜與向斜外側(cè)（A區(qū)）主要分布由白色箭頭構(gòu)成的張應(yīng)力矢量，在背斜與向斜內(nèi)側(cè)（B區(qū)）主要分布由藍(lán)色箭頭構(gòu)成的壓應(yīng)力矢量，矢量方向均平行于地層產(chǎn)狀，且不管是背斜還是向斜，垂向上自外側(cè)A區(qū)至中部D區(qū)，張應(yīng)力矢量箭頭不斷縮短（表明張應(yīng)力不斷縮小），自中部D區(qū)至B區(qū)，壓應(yīng)力矢量箭頭不斷變長(zhǎng)（表明壓應(yīng)力不斷增大），由此在中部D區(qū)形成一個(gè)既無(wú)明顯擠壓也無(wú)明顯拉張的中和區(qū)，張應(yīng)力矢量和壓應(yīng)力矢量均處于最小值。橫向上背斜與向斜轉(zhuǎn)換的斜坡區(qū)（C區(qū)），張應(yīng)力矢量和壓應(yīng)力矢量均處于低值狀態(tài)，矢量方向隨地層產(chǎn)狀發(fā)生變化。由圖2e、圖3f應(yīng)力強(qiáng)度（差應(yīng)力）分布圖可見(jiàn)，垂向上由自背斜或向斜外側(cè)向內(nèi)側(cè)過(guò)渡的中部D區(qū)為應(yīng)力強(qiáng)度最低區(qū)，褶皺內(nèi)側(cè)B區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度（受壓應(yīng)力集中影響）遠(yuǎn)大于褶皺外側(cè)A區(qū)（受張應(yīng)力集中影響）——根據(jù)斷裂力學(xué)中的強(qiáng)度理論，差應(yīng)力對(duì)巖石破裂起主導(dǎo)作用，但這并不意味著褶皺內(nèi)側(cè)的裂縫一定比外側(cè)發(fā)育，因?yàn)閹r石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗張強(qiáng)度。

同時(shí)注意到，受褶皺形態(tài)影響，各應(yīng)力分區(qū)的位置、展布范圍和形態(tài)略有不同。以中和區(qū)（D區(qū)）的分布為例：（1）在正弦曲線褶皺模型中，中和區(qū)表現(xiàn)為在中部出現(xiàn)的帶狀弧形（圖3f）；（2）在隔檔式褶皺模型中，受方斗山復(fù)背斜和齊岳山復(fù)背斜高陡形態(tài)的影響，背斜的中和區(qū)在橫向上強(qiáng)烈縮短，表現(xiàn)為橫向上為長(zhǎng)軸、縱向上為短軸的不規(guī)則橢圓形（圖2e），在出現(xiàn)位置上有向背斜內(nèi)側(cè)下移的趨勢(shì)；受石柱復(fù)向斜和利川復(fù)向斜寬緩向斜的影響，向斜的中和區(qū)在橫向上拉長(zhǎng)，表現(xiàn)為長(zhǎng)條形，在出現(xiàn)位置上有往向斜外側(cè)下移的趨勢(shì)。可見(jiàn)，由于正弦曲線模型的褶皺形態(tài)更為模式化，相應(yīng)地，應(yīng)力分區(qū)也更為規(guī)則，應(yīng)力分布的規(guī)律也更容易把握。

3　鄂西渝東區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育特征及成因

從應(yīng)力和巖石屬性控制裂縫性質(zhì)的角度分析，當(dāng)巖層處在褶皺構(gòu)造的不同部位時(shí)就具有不同的應(yīng)力場(chǎng)背景，根據(jù)巖層的能干性與非能干性，就可形成不同類型的非連續(xù)面［8，21］。根據(jù)地層厚度，以二疊系底界為中和面劃分褶皺內(nèi)側(cè)、外側(cè)，即二疊系及其以上地層為背斜外側(cè)、向斜內(nèi)側(cè)，二疊系以下地層為背斜內(nèi)側(cè)、向斜外側(cè)。在褶皺不同部位，野外和鉆井巖心觀測(cè)到的裂縫特征，與基于應(yīng)力和巖石屬性預(yù)測(cè)的裂縫性質(zhì)吻合程度較高。

3.1褶皺不同部位的應(yīng)力表現(xiàn)

3.1.1褶皺外側(cè)

在褶皺外側(cè)（圖2、圖3中的A區(qū)），表現(xiàn)為拉張應(yīng)力場(chǎng)。

（1）當(dāng)巖層為非能干層時(shí)，受側(cè)向拉伸作用，地層厚度有減薄趨勢(shì)，可形成平行于層面的劈理，裂縫形式為順層裂縫，當(dāng)?shù)貙訛槎鄬咏橘|(zhì)的泥頁(yè)巖時(shí)，順層裂縫表現(xiàn)得尤為明顯。例如，位于石柱復(fù)向斜建南構(gòu)造高部位的建頁(yè)HF-1井（位置見(jiàn)圖1），615.4~615.6m的中下侏羅統(tǒng)東岳廟組巖性為深灰色泥巖，為背斜外側(cè)的非能干層，順層裂縫清晰可見(jiàn)，被方解石充填（圖5a）；位于利川復(fù)向斜核部的利頁(yè)1井（位置見(jiàn)圖1），在2 805m取心段龍馬溪組巖性為黑色泥頁(yè)巖，為向斜外側(cè)的非能干層，順層裂縫密集發(fā)育，均被方解石充填（圖5b）。

（2）當(dāng)巖層為能干層時(shí)，褶皺外側(cè)受拉伸作用可形成垂直于層面的張裂，裂縫形式為高角度張裂縫。例如，在方斗山復(fù)背斜和齊岳山復(fù)背斜，核部及其兩翼出露的二疊系、三疊系碳酸鹽巖，為緊閉背斜外側(cè)的能干層，在強(qiáng)烈拉伸作用下，高角度張裂縫發(fā)育，破碎非常嚴(yán)重。

3.1.2褶皺內(nèi)側(cè)

在褶皺的內(nèi)側(cè)（圖2、圖3中的B區(qū)），表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力場(chǎng)。

（1）當(dāng)巖層為非能干層時(shí)，內(nèi)側(cè)的擠壓應(yīng)力可引起沿層面的張開(kāi)，表現(xiàn)為順層裂縫，也可在內(nèi)側(cè)層面形成小褶皺，如野外觀測(cè)點(diǎn)a、焦頁(yè)1井（位置見(jiàn)圖1）等。觀測(cè)點(diǎn)a位于老廠坪復(fù)背斜東北翼部，出露五峰組—龍馬溪組碳質(zhì)泥巖，為背斜內(nèi)側(cè)的非能干層，富含筆石化石，地層產(chǎn)狀323°∠35°，順層裂縫發(fā)育，被黃鐵礦、方解石等充填（圖5c），層面上可見(jiàn)明顯的擦痕，并在層面上形成了小褶皺（圖5d）；從褶皺的幾何形態(tài)看，指示上部地層由緩坡向陡坡方向滑動(dòng)（圖5d），即向上滑動(dòng)，高角度縫少見(jiàn)，遠(yuǎn)少于順層裂縫。焦頁(yè)1井位于萬(wàn)縣復(fù)向斜西南端的焦石壩背斜，在2414m取心段龍馬溪組巖性為深灰色泥頁(yè)巖，屬背斜內(nèi)側(cè)的非能干層，巖心上觀察到的順層擦痕是層間滑動(dòng)的指示（圖5e）。

圖5　鄂西渝東區(qū)構(gòu)造裂縫照片

（2）當(dāng)巖層為能干層時(shí)，內(nèi)側(cè)的強(qiáng)擠壓應(yīng)力可形成逆斷層式的共軛剪裂，表現(xiàn)為高角度剪切縫，如野外觀測(cè)點(diǎn)b、c（位置見(jiàn)圖1）。觀測(cè)點(diǎn)b位于利川復(fù)向斜南部近核部位置，出露中侏羅統(tǒng)千佛崖組灰綠色細(xì)砂巖、夾深灰色薄層泥巖，共軛節(jié)理面發(fā)育在砂巖層中（圖5f），地層產(chǎn)狀220°∠9°，兩組共軛節(jié)理面產(chǎn)狀分別為92°∠82°，352°∠78°。觀測(cè)點(diǎn)c位于利川復(fù)向斜西北翼部，出露上三疊統(tǒng)九里崗組灰綠色粗砂巖，地層產(chǎn)狀155°∠28°，兩組共軛節(jié)理面（圖5g）產(chǎn)狀分別為275°∠70°，25°∠71°。這兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均為向斜內(nèi)側(cè)的能干層，以高角度剪切節(jié)理為主要特征。

3.1.3褶皺的其他部位

橫向上在背斜與向斜的過(guò)渡部位（圖2、圖3中的C區(qū)），因最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力較低，正常情況下裂縫不發(fā)育，若地層為多層介質(zhì)的泥頁(yè)巖，有可能順層間薄弱面產(chǎn)生一些小位移的滑移縫。

在褶皺的中部，即中和區(qū)D區(qū)，因應(yīng)力強(qiáng)度值最低，為裂縫不發(fā)育區(qū)。

3.2裂縫發(fā)育特征

順層裂縫發(fā)育，并且多被充填該類裂縫多發(fā)育于非能干層，如龍馬溪組黑色或深灰色泥頁(yè)巖、東岳廟組泥頁(yè)巖等，在具有拉張性質(zhì)的褶皺外側(cè)或擠壓性質(zhì)的褶皺內(nèi)側(cè)均可發(fā)育。泥頁(yè)巖以密集發(fā)育的層理面為主要特征，結(jié)構(gòu)上層理面為力學(xué)薄弱面，在受到構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，無(wú)論是張應(yīng)力還是壓應(yīng)力，均會(huì)優(yōu)先順層理面裂開(kāi)而形成順層裂縫。例如，背斜外側(cè)的建頁(yè)HF-1井的東岳廟組（圖5a），向斜外側(cè)的利頁(yè)1井的龍馬溪組（圖5b），觀測(cè)點(diǎn)a處背斜內(nèi)側(cè)的五峰組—龍馬溪組（圖5c），以及背斜內(nèi)側(cè)的焦頁(yè)1井的龍馬溪組（圖5e）等。

高角度共軛剪切縫和張裂縫發(fā)育主要發(fā)育于褶皺的向斜內(nèi)側(cè)和背斜外側(cè)的中生界能干層中，巖性以碳酸鹽巖和砂巖為主，且位于淺地表，表現(xiàn)出脆性變形的特點(diǎn)。在向斜內(nèi)側(cè)的擠壓應(yīng)力作用下，高角度共軛剪切縫由共軛剪節(jié)理發(fā)育而成，裂縫面平直光滑，切穿沉積巖層，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，一般不充填，如觀測(cè)點(diǎn)b、c（圖5f，5g）。高陡背斜外側(cè)，在強(qiáng)拉伸作用下形成的高角度張裂縫造成地表露頭破碎非常嚴(yán)重。

順層裂縫與高角度縫共生，形成網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)這種系統(tǒng)可發(fā)育在背斜外側(cè)、背斜內(nèi)側(cè)，但不同部位網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)所賦存的地層、裂縫性質(zhì)及充填特征均不相同，共同特點(diǎn)是發(fā)育在具多層介質(zhì)的非能干層中，因?qū)永戆l(fā)育而順層裂縫優(yōu)先形成。

（1）在背斜外側(cè)（模型中的A區(qū)），裂縫發(fā)育于中生界泥巖層，因泥巖層具一定的韌性且層理發(fā)育，在拉張應(yīng)力作用下，地層受側(cè)向拉伸而減薄，優(yōu)先形成順層裂縫；隨著拉張變形的繼續(xù)，順層裂縫擴(kuò)展，最終發(fā)育成與層面近于垂直的張裂縫。該類張裂縫多被充填，連續(xù)性、穩(wěn)定性較差，如圖5a，建頁(yè)HF-1井發(fā)育網(wǎng)狀縫的層段長(zhǎng)20cm，縫寬1~3mm，局部可見(jiàn)長(zhǎng)軸5mm左右的孔洞，被方解石充填；從裂縫的交切關(guān)系可以看出，高角度縫被順層裂縫所限制，它是在順層裂縫之后形成的。

（2）在背斜內(nèi)側(cè)（模型中的B區(qū)），裂縫發(fā)育于志留系的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖中，因粉砂質(zhì)含量高，故能干性較龍馬溪組泥頁(yè)巖略強(qiáng)，在初始的擠壓應(yīng)力下，平行于層面張開(kāi)而形成順層裂縫，在后期持續(xù)的擠壓應(yīng)力作用下，發(fā)育共軛剪切裂縫。該類高角度縫一般未充填，如觀測(cè)點(diǎn)d（位置見(jiàn)圖1），該點(diǎn)位于重慶市武隆縣江口鎮(zhèn)的背斜西北翼，志留系小河壩組粉砂巖與粉砂質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育，高角度縫發(fā)育，但不連續(xù)，呈現(xiàn)長(zhǎng)10cm左右的小段，被順層裂縫所限制（圖5h）。

4　對(duì)頁(yè)巖氣勘探選區(qū)的啟示

頁(yè)巖氣藏的勘探目標(biāo)應(yīng)首選那些擁有較高滲透能力或具可改造條件的泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育帶［22-23］。從圖5i可以看出，在五峰組—龍馬溪組基質(zhì)致密的泥頁(yè)巖中，網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)可作為淋濾流體的通道，有助于提高地層的儲(chǔ)集性能，因此，網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)發(fā)育的地區(qū)可作為頁(yè)巖氣勘探的首選目標(biāo)區(qū)。根據(jù)前述野外露頭、巖心觀察及數(shù)值模擬結(jié)果的總結(jié)，背斜帶更有利于網(wǎng)狀裂縫發(fā)育。需要指出的是，對(duì)本研究區(qū)而言，這種背斜帶指的不是高陡背斜區(qū)，而是指復(fù)向斜中的隆起區(qū)。高陡背斜區(qū)由于后期改造強(qiáng)烈，地層抬升剝蝕、破裂嚴(yán)重，志留系甚至出露地表，故這種區(qū)域已不具備完善的頁(yè)巖氣藏保存條件。而復(fù)向斜中的隆起區(qū)，既有形成網(wǎng)狀裂縫而增強(qiáng)儲(chǔ)集性能的條件，又因處在寬緩復(fù)向斜的構(gòu)造背景下，地層保存完整，構(gòu)造改造作用相對(duì)較弱，保存條件較好，如建南氣田位于石柱復(fù)向斜中的建南構(gòu)造，焦石壩頁(yè)巖氣田位于萬(wàn)縣復(fù)向斜中的焦石壩背斜，而在利川復(fù)向斜核部鉆探的利頁(yè)1井，由于缺乏背斜的次級(jí)構(gòu)造背景，故僅見(jiàn)到了氣測(cè)顯示。

5　結(jié)論

（1）隔檔式與正弦曲線幾何形態(tài)的褶皺應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果表明：褶皺外側(cè)張應(yīng)力集中，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力集中，且應(yīng)力矢量與地層產(chǎn)狀平行；垂向上從外側(cè)向內(nèi)側(cè)過(guò)渡時(shí)，張應(yīng)力逐漸減小，壓應(yīng)力逐漸增大，并在中部位置形成一個(gè)既無(wú)明顯擠壓、亦無(wú)明顯拉張的中和面；橫向上背斜與向斜的過(guò)渡部位，不管是最大主應(yīng)力還是最小主應(yīng)力都處于低值狀態(tài)。

（2）綜合野外露頭和巖心觀察及應(yīng)力場(chǎng)模擬，鄂西渝東區(qū)構(gòu)造裂縫具有三大特征：具多層介質(zhì)的非能干層中發(fā)育順層裂縫；向斜內(nèi)側(cè)、背斜外側(cè)的能干層中發(fā)育高角度剪切縫；背斜外側(cè)、內(nèi)側(cè)具多層介質(zhì)的非能干層中發(fā)育順層裂縫與高角度縫共生的網(wǎng)狀縫。

（3）鄂西渝東區(qū)復(fù)向斜中的隆起區(qū)，網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)發(fā)育，可作為頁(yè)巖氣勘探的“甜點(diǎn)”。

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編輯：董庸

Qiu Dengfeng：MSc.,Geology Engineer.Add:SINOPEC Petroleum Exploration and Development Research Institute, 31 Xueyuan Rd.,Beijing,100083,China

Characteristics and Mechanism of Structural Fractures in W estern Hubei-Eastern Chongqing Area

Qiu Dengfeng,Zhou Yan,Yuan Yusong,Chai Tong

According to the ejective folds developed in the study area,two geometry models including ejective fold and sine-curve shaped fold are suggested,and the finite elementmethod is used to simulate the distribution of stress fields in different structural parts of folds.It is indicated that the direction of stress vectors are parallel to the formation occurrence.The outer sides of folds are tensile stress concentration and the inner sides of folds are compressive stress concentration,which are distinguished from a m idd le com prom ise boundary where neither compression nor tension is obvious.Based on the observation of field outcrops and drilling cores,three types of structural fractures exist inWestern Hubei-Eastern Chongqing area.They are the bedding fissures developed in ductile rocksw ith multiple layers,the highangle shearing fissures developed in brittle rocks in the inner sides of synclines and outer sides of anticlines,and the mesh cracks associated w ith bedding fissures and high-angle fissures in multiple-layered ductile rocks in the inner and outer sides of anticlines.This feature iswell coincidentwith simulation results,which can be reasonably interpreted by the results of stress fields and brittle-ductile property in sedimentary formations in mechanism of structural fractures.It is suggested that the uplifts in synclinoria are the prospective targetof shale gas exploration.

Stress field;Fold;Structural fracture;Western Hubei;Eastern Chongqing

TE121.2

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2016.04.006

1672-9854(2016)-04-0051-09

2015-07-15；改回日期：2016-01-27

本文受國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海相碳酸鹽巖油氣資源潛力、富集規(guī)律與戰(zhàn)略選區(qū)”（編號(hào)：2008ZX05005-001-001）和中國(guó)石化科技部項(xiàng)目“泥頁(yè)巖裂縫形成演化特征與油氣成藏關(guān)系研究”（編號(hào)：P13068）及國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“電子自旋共振測(cè)年中石英氧空位的形成機(jī)理研究”（批準(zhǔn)號(hào)：41602161）聯(lián)合資助

邱登峰：1982年生，工程師，2009年于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）獲碩士學(xué)位，現(xiàn)研究方向?yàn)闃?gòu)造地質(zhì)及油氣地質(zhì)。通訊地址：100083北京市海淀區(qū)學(xué)院路31號(hào)中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；E-mail:qiudf.syky@sinopec.com