走滑斷裂演化程度的表征參數(shù)研究

鄧銘哲,蔡芃睿,陸建林,鄧 棚

中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇 無錫 214126

走滑變形帶作為我國尋找油氣突破的重要領域,近幾年來越來越受到各大油氣公司的重視[1-3]。我國發(fā)育東部郯廬斷裂帶、西部阿爾金斷裂帶、南部紅河斷裂帶等多條與周緣盆地演化關系密切的走滑斷裂帶,塔里木、四川、鄂爾多斯等克拉通內(nèi)部亦發(fā)育典型的走滑破裂構造[4-9]。處于不同生長演化階段的走滑構造具有迥異的控油氣作用[10]。在塔里木盆地順北地區(qū),展布于碳酸鹽巖地層中的走滑斷裂形成了優(yōu)質(zhì)的油氣儲集空間,儲集空間的大小與斷裂的活動強度呈正相關,尋找到活動強度大、演化程度高的斷裂是找到有利油氣儲集部位的重要條件[11-12]。郯廬大型走滑斷裂控制了渤海灣盆地內(nèi)一系列大中型油氣田的分布。有觀點認為,在同一大型走滑斷裂帶內(nèi),走滑活動越劇烈,斷裂演化程度越高,油氣越富集[13-14]。因此,對比區(qū)域內(nèi)走滑斷裂的演化程度,進而劃分走滑構造帶的演化階段,是認識走滑構造活動特征及其油氣資源效應的重要研究內(nèi)容。

現(xiàn)有關于走滑斷裂演化程度的分析與演化階段的劃分主要停留在定性的描述層面,其中又分為將走滑構造的活動方式,如左行、右行的轉(zhuǎn)換作為劃分演化階段的依據(jù)和以斷裂生長過程中的標志性事件作為劃分依據(jù)[15-16]等不同研究角度。前者在不同走滑構造帶劃分的方案不同,并且未能涉及到斷裂生長機理的分析,不具有普適性;后者將里德爾剪切過程特定走滑斷裂組合樣式的形成作為走滑構造演化階段改變的標志性事件,也處于現(xiàn)象描述的研究層面?，F(xiàn)有的走滑斷裂演化程度判別方法主觀性較強,缺少定量分析,難以形成統(tǒng)一、客觀的標準。

本文對走滑構造物理模擬形成的實驗平面圖像進行采集,對圖像內(nèi)斷裂形態(tài)開展了幾何學參數(shù)的統(tǒng)計分析工作,發(fā)現(xiàn)在石英砂組成的實驗材料內(nèi),走滑斷裂的演化程度與斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)的標準差呈現(xiàn)正相關,同時標準差的階段性變化與斷裂平面結(jié)構特征的階段性變化呈明顯的對應關系;對比國內(nèi)外其他走滑構造物理模擬實驗形成的實驗結(jié)果與塔里木盆地順北地區(qū)實際的斷裂結(jié)構特征,提出了將走滑斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)的標準差作為表征斷裂演化程度的新認識。

1 實驗設計與實驗結(jié)果

1.1 實驗設計

1.1.1 實驗的設計思路

從基本定義上看,斷裂是連續(xù)介質(zhì)中形成的破碎構造,斷裂兩盤發(fā)生了沿斷裂走向的相對滑動,決定了斷裂的走滑性質(zhì)。只要符合此定義,不論斷裂的規(guī)模、斷裂所在地層的巖石力學性質(zhì)等其他條件如何,斷裂的活動性質(zhì)是不變的。在分析斷裂結(jié)構變化過程前,先開展走滑構造物理模擬實驗,是因為完全可控的實驗過程意味著可以在任何時間點進行圖像的截取,如果是基于現(xiàn)有靜態(tài)的斷裂結(jié)構或前人已經(jīng)開展的實驗的圖像資料,那可能存在無法真正揭示斷裂演化過程中結(jié)構特征的問題。

實驗設計的思路是針對單一性質(zhì)的材料塊體進行剪切實驗,再現(xiàn)純走滑狀態(tài)下的塊體內(nèi)斷裂過程,同時采集平面上實驗圖像,記錄斷裂不同時間點的生長狀態(tài)。實驗于兩端配置了動力軸的沙箱內(nèi)開展,沙箱側(cè)面邊界為玻璃。沙箱內(nèi),實驗設置的相關組成部分包括由動力軸推動的活動塊體,位于塊體上方與塊體相連的阻擋體以及覆蓋于活動塊體上方的實驗材料。其具體參數(shù)及空間位置關系如圖1所示,在活動塊體之上鋪設厚度為2 cm的實驗材料(圖1d)。動力軸運行速度設置為0.05 mm/s,攝像機垂直俯拍,錄制實驗過程中平面斷裂結(jié)構的變化過程。

圖1 走滑構造物理模擬實驗平臺設置

1.1.2 實驗材料的選擇

實驗常用的材料為干沙或濕黏土,它們的主要變形特征是相似的,但仍存在4點差異:(1)干砂中斷層發(fā)育更快、位移量更大、斷裂破碎區(qū)寬度更大,黏土中斷層形成過程較長,相同位移量下,相對于干砂,斷裂數(shù)量則會更多,斷裂破碎區(qū)相對較窄;(2)干砂中變形的褶皺特征較弱,黏土中則較強;(3)干砂中先存斷裂活動性較弱,濕黏土中先存斷裂的再活動現(xiàn)象明顯;(4)干砂更適合模擬小范圍內(nèi)巖石的局部破裂,濕黏土可模擬的斷裂尺度更大。構造物理模擬實驗的最終目的是為了獲取清晰的斷裂平面組合樣式圖片。綜合分析認為,干砂更適合成為實驗模擬的材料。

實驗采用的基本材料為白色石英砂,粒徑為150～200 μm,密度約1.3～1.5 g/cm3,干燥狀態(tài)下粘結(jié)力約200 Pa。為了能夠在平面上形成較為清晰的斷裂形跡,需要對干沙進行選擇或者改進。利用不同性質(zhì)的實驗材料,通過多組純剪切實驗進行了平面形態(tài)的對比。當含水量過高時(在砂體內(nèi)摻入約10%體積的水),實驗過程中斷裂生長速度快、規(guī)模大,塊體整體表現(xiàn)出更強的脆性(圖2a),不利于斷裂形成具有統(tǒng)計學意義的幾何形態(tài)。當含水量過低時(干砂),斷裂形成規(guī)模過小,斷裂形跡不清晰(圖2b),不利于進行斷裂形態(tài)分析。當含水量適中時(在砂體內(nèi)摻入約5%體積的水),斷裂形成速度適中,斷裂形跡清晰,斷裂數(shù)量較多,利于進行幾何學統(tǒng)計(圖2c)。因此,選取含水量適中的石英砂體作為實驗觀測對象。

圖2 不同性質(zhì)實驗材料的變形狀態(tài)對比位置見圖1。

1.2 實驗過程與結(jié)果圖像

根據(jù)錄像進行截圖,形成進行平面結(jié)構分析的基礎資料。實驗圖像中,走滑斷裂帶內(nèi)斷裂樣式及樣式組合呈現(xiàn)明顯的階段性變化特征。實驗初期(圖3a),斷裂帶內(nèi)斷裂延伸長度短,斷裂平直,與走滑方向夾角基本一致。隨著位移量增加(圖3b),斷裂帶內(nèi)斷裂向兩端延伸,斷裂數(shù)量增加,斷裂的延伸方向已經(jīng)明顯改變,逐步接近于走滑方向,斷裂組合樣式為雁列式。圖3c內(nèi),斷裂帶內(nèi)斷裂沿與走滑方向一致的方向進一步延伸,局部出現(xiàn)斷裂連通情況。對比圖3b與圖3c的局部放大圖,可見圖3g中破裂1、2、3的范圍在圖3h中顯著增加,同時破裂的方向發(fā)生調(diào)整,逐步偏向走滑方向,破裂2與破裂3已經(jīng)連通。實驗運行至66 s時(圖3d),斷裂帶內(nèi)大部分斷裂已經(jīng)連通,此時走滑斷裂開始形成主位移帶。至116 s時(圖3f),斷裂帶內(nèi)斷裂全部連通,走滑斷裂的主位移帶完全形成。

圖3 物理模擬實驗過程中的部分視頻截圖及局部放大

2 實驗結(jié)果分析

2.1 斷裂帶內(nèi)相鄰夾角數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法

針對平面圖像內(nèi)的斷裂形態(tài)進行了幾何學參數(shù)統(tǒng)計。根據(jù)斷裂兩個端點將斷裂簡化為一條線段,作為表征斷裂主要幾何學特征的簡化圖形。當兩條斷裂的簡化圖形相交時,優(yōu)先統(tǒng)計相交切斷裂之間的夾角;當斷裂不相交時,統(tǒng)計距離線段與其兩個端點垂向距離較近的其他線段之間的夾角;當相鄰線段間夾角為鈍角時,統(tǒng)計相鄰線段之間夾角的補角大小。不統(tǒng)計與實驗邊界相連的斷裂。

2.2 參數(shù)與斷裂組合樣式的對應關系

根據(jù)上述方法統(tǒng)計了同一條斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)的標準差(表1)。以實驗儀器動力軸運行時間為橫軸,代表走滑實驗過程中位移量的變化,以斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂標準差數(shù)據(jù)為縱軸,根據(jù)標準差的統(tǒng)計分析結(jié)果進行曲線擬合。標準差隨著走滑斷裂的位移量增加呈現(xiàn)出明顯的階段性變化,在實驗初期,標準差快速增加;至56 s后,標準差不發(fā)生明顯增加,穩(wěn)定在8以上。這與實驗過程中斷裂帶內(nèi)斷裂組合樣式之間的變化過程具有良好的對應關系。在斷裂帶內(nèi)單條斷裂形態(tài)較為平直、斷裂數(shù)量相對較少時,標準差值相對較小;在斷裂延伸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn),斷裂組合樣式變?yōu)檠懔惺脚帕袝r,標準差數(shù)值不斷增加;在走滑斷裂主位移帶逐步貫通的演化過程中,標準差值相對較大,但穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi),沒有急劇增加(圖4)。

表1 構造物理模擬實驗中斷裂帶內(nèi)斷裂夾角數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

3 討論

3.1 國外物理模擬實驗對比

NAYLOR等[17]和TCHALENKO[18]開展了早期的走滑構造物理模擬研究,他們的走滑構造物理模擬實驗分別在干砂和黏土中進行。本文針這兩組構造物理模擬實驗的平面圖像進行了同樣的分析(圖5)。不同的實驗材料意味著內(nèi)剪切角存在差異,但兩組實驗結(jié)果在斷裂帶內(nèi)斷裂的組合樣式上存在相似性。在實驗初期走滑位移量相對較小的情況下,實驗塊體內(nèi)部形成的新生破裂均較為平直,延伸長度差異較大,但斷裂與斷裂之間近平行排列;隨著走滑位移量增加,在新生其他小規(guī)模斷裂的同時,部分斷裂走向偏轉(zhuǎn)向走滑方向,并且局部出現(xiàn)了斷裂連通的情況;當位移量相對較大,走滑斷裂帶內(nèi)主要活動的斷裂是由斷裂帶內(nèi)斷裂連接形成的主位移帶,主位移帶兩側(cè)延伸出去的其他斷裂不發(fā)生明顯活動。

圖5 NAYLOR等[17](a)和TCHALENKO[18](b)的構造物理模擬實驗平面圖像

依據(jù)前文中的方法,針對這兩組實驗開展了斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角大小的統(tǒng)計,并計算其標準差(表2,表3)。實驗平面圖像中角度統(tǒng)計數(shù)據(jù)的標準差具有階段性變化的特點,標準差分布的不同范圍對應了平面形態(tài)的不同特征。不論是在干砂(圖6a)還是在黏土(圖6b)中,斷裂帶內(nèi)斷裂間夾角數(shù)據(jù)的離散程度隨走滑位移量的增加而出現(xiàn)明顯增加,但在到達臨界值后不再明顯增加。從斷裂生長的過程來看,斷裂帶內(nèi)斷裂初期形成時形態(tài)較為簡單,初始形成的R破裂與走滑方向夾角較為一致,因此,此階段內(nèi)標準差較小。隨著位移量的增加,一方面斷裂帶內(nèi)新的斷裂不斷形成;另一方面,雁列式斷裂的形成改變了原有斷裂的走向,使得斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂的夾角大小出現(xiàn)明顯不同,夾角數(shù)據(jù)的標準差顯著上升。當走滑位移量不斷增加,直至斷裂帶的主位移帶貫通后,斷裂活動位移主要從主位移帶釋放,不形成其他斷裂,此時斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角在大小與數(shù)量上均不發(fā)生明顯變化,標準差值也逐步穩(wěn)定,不再發(fā)生明顯變化。

表2 NAYLOR等[17]開展的構造物理模擬實驗中相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

表3 TCHALENKO [18]開展的構造物理模擬實驗中相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

圖6 相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)標準差與位移量變化對應關系統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2和表3。

3.2 走滑斷裂演化階段的劃分方案

走滑斷裂兩盤的相對位移量大小與走滑斷裂帶內(nèi)斷裂的組合樣式存在一定的對應關系,這一認識已經(jīng)得到許多研究的證實。NAYLOR等[17]和 SCHREURS等[19]提出將走滑斷裂分為雁列式階段、弱走滑階段、強走滑階段。DOOLEY[20]提出雁列式斷裂組合樣式中的斷裂,應當是在斷裂初始小破裂的基礎上,斷裂端點指向逐步接近走滑方向的斷裂,主位移帶則是承擔了斷裂帶主要走滑位移的通道,雁列式斷裂的開始形成標志著走滑斷裂開始形成主位移帶,走滑斷裂主位移帶的貫通標志著走滑斷裂的最終形成。國內(nèi)研究學者利用CT掃描走滑構造物理模擬實驗中不同位移量下的同一條走滑斷裂帶,認為走滑斷裂演化階段可分為萌芽階段、R剪切斷裂發(fā)育階段、P剪切與Y剪切斷裂發(fā)育階段和走滑帶貫穿階段[21]。胡志偉等[10]認為,走滑斷裂存在初期的應力累積階段、R剪切與P、Y破裂階段以及主位移帶貫通階段。上述階段的劃分,都使用了至少兩個要素作為劃分走滑斷裂演化階段的依據(jù),如斷裂帶的應變集中程度、走滑位移量相對大小以及特殊斷裂組合是否形成等,它反映出現(xiàn)有走滑斷裂演化程度的表征方法仍是不清晰的,仍做不到將單因素作為走滑斷裂演化階段的劃分依據(jù)。

前文已經(jīng)證實,走滑斷裂的平面形態(tài)變化與斷裂同一條斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角的標準差值變化具有良好的對應關系,斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)的離散值可以表征斷裂的結(jié)構特點,進而表征走滑斷裂的演化程度。結(jié)合本次研究開展的構造物理模擬實驗以及前述兩組國外構造物理模擬實驗,認為可以根據(jù)同一條斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)標準差范圍及其對應的平面斷裂形態(tài),將走滑斷裂劃分為剪切單向破裂階段、剪切雁列破裂階段和剪切連通破裂階段(表4),分別對應斷裂演化初期、中期和晚期。斷裂演化初期,新生斷裂近平行展布、斷裂形態(tài)平直;斷裂演化中期,斷裂雁列式排列,斷裂形態(tài)彎曲;斷裂演化晚期,斷裂主位移帶形成。各個演化階段與同一條斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)準差值的對應關系如表4所示。

3.3 實例驗證與參數(shù)有效性分析

順北地區(qū)位于中國塔里木盆地的北部,構造單元上屬于順托果勒低凸起。順北地區(qū)展布有多條北東、北西向走滑斷裂[22],走滑斷裂控制了區(qū)域內(nèi)油氣有利富集部位的分布,成為近幾年國內(nèi)走滑構造研究的熱點地區(qū)。順北地區(qū)斷裂體系主要形成于加里東期,后經(jīng)歷了多期構造活動的改造。

順北5號斷裂是順北地區(qū)規(guī)模最大的走滑斷裂,其北段以左行走滑為主,南段、中段以右行走滑為主[23-26]。DENG等[27]的研究表明,區(qū)域內(nèi)走滑斷裂縱向上的結(jié)構存在差異性,表現(xiàn)為深部以直立斷面為主(T90界面),淺部為花狀構造(T70界面)。順北5號斷裂北段在T70界面上具有雁列式結(jié)構(圖7b的A1),斷裂帶內(nèi)的斷裂呈近平行展布,斷裂形態(tài)彎曲。統(tǒng)計表明,斷裂帶內(nèi)次級斷裂數(shù)量為22條(圖7b的A2),形成了21個夾角數(shù)據(jù),相鄰次級斷裂夾角數(shù)據(jù)標準差值約為6.84,處于4～8之間(表5),根據(jù)本次研究提出的認識,斷裂處于剪切雁列破裂階段,這與根據(jù)斷裂平面結(jié)構樣式取得的初步認識一致。順南2號斷裂在T70界面上為一條具有清晰主位移帶的斷裂帶[28-29],斷裂帶內(nèi)的次級斷裂在斷裂北端散開形成馬尾狀構造(圖7b的B1)。統(tǒng)計了斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù),共計18個(圖7b的B2),數(shù)據(jù)標準差值為13.68(表5),認為斷裂帶已經(jīng)處于剪切連通破裂階段,這與通過平面圖像取得的初步認識一致。

表5 實例驗證中斷裂標準差計算結(jié)果

圖7 順北5號斷裂與順南2號斷裂平面結(jié)構分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。

順北地區(qū)油氣成藏體系以寒武系為主要烴源巖、以上奧陶統(tǒng)為蓋層、以巖溶縫洞作為最主要的儲集層類型,斷裂活動引起的地層破碎程度直接與儲集體的規(guī)模相關,進而影響了油氣聚集的規(guī)模[30]。就順北5號斷裂帶而言,其北段、中段活動強度相對于南段較高,因此油氣鉆探的效果也更好[25]。另外,斷裂活動強度差異可能引起油氣資源類型空間上的聚集差異,如順北1號斷裂,其北部鉆井的氣油比高于南部[25]。

走滑斷裂具有多期活動疊加、結(jié)構樣式復合的特點,顯然,從本文選取的兩條斷裂帶上,并不能完全印證區(qū)域走滑斷裂北部活動強度高、南部活動強度低的特征。因此本次研究提出的表征參數(shù)具有合理性,但也存在問題需要解決。首先是斷裂活動的期次能否精確厘定的問題,即區(qū)域上發(fā)生了幾次、什么方向的走滑活動,在順北地區(qū),中生界的大范圍缺失,使得恢復中生代應力場演化過程存在難點。其次是本次研究提出的方法,是基于單期斷裂活動形成的構造樣式提出的。如果把構造樣式作為“已知量”,構造樣式與活動強度的關系作為“方程式”,相當于用一個方程式求解一個未知量,即此期斷裂的活動強度,實例已經(jīng)證實這是可行的。但是,當多期斷裂活動復合,想要知道每一期的走滑活動強度,則需要多個“已知量”共同求解,這些“已知量”即為區(qū)域內(nèi)多條斷裂的結(jié)構樣式。在順北地區(qū),走滑斷裂的結(jié)構樣式是“分層”的,則需要針對不同斷裂、不同變形層位分層總結(jié)結(jié)構樣式。因此,將走滑斷裂演化程度的表征與實際勘探的應用結(jié)合起來尚需要進一步的研究。

4 結(jié)論

(1)在走滑斷裂帶演化過程中,相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)標準差的階段性變化與走滑斷裂處于不同演化程度時形成的平面構造組合樣式具有良好的對應關系。

(2)根據(jù)不同演化程度下形成的斷裂平面組合樣式,走滑斷裂演化階段可以分為剪切單向破裂階段、剪切雁列破裂階段和剪切連通破裂階段,分別對應了不同的相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)標準差值范圍。

(3)針對走滑斷裂帶,通過統(tǒng)計斷裂帶內(nèi)相鄰斷裂夾角數(shù)據(jù)的標準差值,能夠分析出走滑斷裂的演化程度。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

鄧銘哲、陸建林參與實驗設計;鄧銘哲、鄧棚完成實驗操作;鄧銘哲、蔡芃睿參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by DENG Mingzhe and LU Jianlin. The experimental operation was completed by DENG Mingzhe and DENG Peng. The manuscript was drafted and revised by DENG Mingzhe and CAI Pengrui. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.