岩层厚度对砂岩斜交构造裂缝发育的影响

董有浦 ,燕永锋肖安成,吴 磊,徐 波,赵海峰,李旭英

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院 地球科学系,云南 昆明 650093;2.浙江大学 地球科学系,浙江 杭州310027;3.昆明理工大学 城市学院 建筑学系,云南 昆明 650051)

0 引 言

构造裂缝是岩石在构造应力作用下,超过弹性强度后破裂而成的。构造裂缝既是裂缝性油气藏主要的储存空间,也可以作为油气运移的通道(宋惠珍等,1999;张义楷等,2006;任丽华和林承焰,2007),因此,研究构造裂缝的形成及其分布规律对油气勘探开发具有重要意义。20世纪 80年代国际上开始研究裂缝的定量描述方法,早期主要针对岩芯裂缝进行统计(李乐等,2011)。近年来,地震(李忠等,2007;叶泰然,2007;Ferrillet al.,2009;王胜新等,2011)、常规测井(孙建孟等,1999;邓攀等,2002;康义逵等,2002;Prioul and Jocker,2009)和成像测井(陈钢花等,1999;秦巍和陈秀峰,2001;柯式镇和孙贵霞,2002;冯斌等,2003)等方法也用来进行裂缝检测。由于这些地球物理手段成本较高,且存在多解性,导致其应用也存在一定的局限性。因此,野外露头观测依然是裂缝研究的一种重要手段。

野外观测发现,构造裂缝具有良好的方向性,发育受到其他构造的影响,有些裂缝垂直于层面、褶皱轴面,或是线劈理和板劈理,有些裂缝平行或垂直地表(Suppe,1983)。地层厚度(Ladeira and Price,1981;Huang and Angellier,1989;Cooke and Underwood,2001)、构造位置(Horne and Culshaw,2001;Lagoeiro et al.,2003;Kajari and Mitra,2009)和断层(杜永灯和张翠梅,2009;邓虎成,2009;李乐等,2011)等地质因素都会影响裂缝的发育。早在 20世纪40年代,学者们就发现了地层厚度对裂缝发育具有重要的影响。其中,对地层厚度如何控制与层面垂直的裂缝的发育作了充分的研究,例如肖安成等(2010)①肖安成,沈晓华,潘保芝,董有浦,苏楠.2010.复杂含油气盆地构造及其控油气作用——裂缝性油气藏构造控制与评价技术.国家“十一五”科技重大专项项目：230-235.发现在挤压作用下形成的共轭剪切裂缝密度与地层厚度为反比例线性关系;与层面垂直的张裂缝也与地层厚度为反比例线性关系(Wu and Pollard,1995;Ji et al.,1998;Bai and Pollard,2000;Odonneet al.,2007;Lezinet al.,2009),裂缝发育随着地层厚度的增加而减少。同时 Ladeira and Price(1981) 指出,这种反比例线性关系是当地层厚度不超过1.5 m时才成立;但是Wennberg et al.(2006)统计发现,即使在地层厚度小于1.5 m的情况下,这种线性关系也可能不存在。

尽管前人对地层厚度如何控制裂缝发育做了大量的研究,但是对地层厚度如何控制与层面斜交的裂缝发育的报道相对较少。裂缝分布规律的地震反演及解释需要搞清楚构造裂缝分布与地层厚度之间的关系。本文对扬子地块钱塘坳陷砂岩中发育的与层面斜交的构造裂缝进行了系统的测量与统计,分析了岩层厚度对这种构造裂缝发育的影响及裂缝分布规律。

通过对该区域与层面斜交的构造裂缝分维数的系统测定,提出了地层厚度与层面斜交的构造裂缝的数学模型,并且探讨了裂缝成因与裂缝分布特征的关系。

1 研究区地质背景及研究方法概述

1.1 研究区地质背景

研究区位于浙江省富阳市,区域构造位置处于扬子地块南缘的钱塘坳陷,是扬子地块的一个次级构造单元(图1)。研究区靠近扬子地块和华夏地块的结合部,现今构造总体发育了一系列 NE-SW 和NW-SE向断层(姚琪等,2010),研究区内古生界强烈变形,地层陡立,断层发育,褶皱类型以侏罗山式为主。本文所研究的地层均为古生界,地层破碎,构造裂缝较为发育。

1.2 研究方法概述

构造裂缝的野外识别是测量工作的前提,本文采用了李乐等(2011)识别构造裂缝的方法。

由于裂缝本身具有典型的自相似性,因此,完全可以利用分形的手段来研究和预测其分布(侯贵廷,1993,1994;王自明等,2005;谭凯旋和谢焱石,2010)。作者将露头观测方法与分形几何学相结合,研究裂缝的分形分布特征。描述分形的定量参数称为分维数(D),孟庆峰等(2011)、鞠玮等(2011)、张庆莲等(2011)先后统计发现构造裂缝的分维数与裂缝密度有着明显的线性关系,裂缝的分维数越大,裂缝的密度也越大。

图1 研究区地质简图(朱光等,1999)Fig.1 Simplified structural outline of the study area

作者采用数格子法研究了构造裂缝的分形特征,具体做法是:用边长为r的正方形网格覆盖剖面上的裂缝,然后统计包含裂缝的格子数N(r),逐步改变正方形的边长尺度,分别统计对应的N(r)值,如果个数和尺寸之间存在负幂函数关系,则露头裂缝具有分形特征:

其中,N(r)表示正方形中所具有的裂缝个数;r表示正方形的边长;C表示常数;D表示分维数。

分维数的计算公式为:

2 砂岩剖面中与层面斜交的构造裂缝的分形分布特征

构造裂缝的发育与地层岩石的力学性质有关,而地层岩石的力学性质主要受地层沉积环境和成岩历史的控制(Wennberg et al.,2006)。为了避免构造和岩性对构造裂缝分维数的影响,本文所选取的剖面内无规模较大的断层发育,均为岩性变化不大且构造性质比较稳定的剖面。

2.1 康山组剖面

中、下泥盆统康山组剖面位于浙江省富阳市的道彭坞村,剖面属于公路边坡,走向为南北向,长度约为 10 m,地层为厚层至块状砂岩,出露良好。地层陡倾,产状为150°60°(∠图2a),构造裂缝的发育受到层面的限制。

在该剖面中实测裂缝67条,与层面平行或垂直的裂缝相对较少(图3、4、5),而与层面斜交的裂缝最为发育。其中,与层面平行的裂缝将原本厚度较大的地层切割成较薄的地层(图3),作者未发表数据分析认为与层面平行的裂缝形成于地层褶皱变形前。根据Stearns(1968)的裂缝分类方案(图6),与层面斜交的裂缝属于③、④和⑤组,认为①组裂缝是在褶皱早期应力场作用下形成的,②组裂缝形成于褶皱变形以后,而③、④和⑤组裂缝的形成与褶皱晚期的局部应力场有关。

所有构造裂缝均未被充填,绝大多数与层面斜交的构造裂缝面较平直,产状稳定,较为紧闭,开度较小,呈现剪切裂缝的特点。

根据对构造裂缝分维数的统计(表1),所有分维数统计的相关系数均大于 0.99,说明该剖面中构造裂缝具有良好的分形特征。在厚度小于1.5 m的地层中分维数最小值为 1.373,最大值为 1.881,平均值为 1.6403;而在大于1.5 m的地层中分维数为1.907,统计结果表明在层厚较大的地层中裂缝分维数值较大,而在厚度较小的地层中,分维数值较小,两者呈对数关系(图2b),裂缝分维数值有随着地层厚度增大而增大的趋势,这一结果与前人的研究(孟庆峰等,2011)不同。

2.2 唐家坞组剖面

中、下泥盆统唐家坞组剖面位于浙江省富阳市的章家村,该剖面属于公路边坡,走向为南北向,剖面长度约为100 m,地层为厚层至块状砂岩,出露良好,地层陡倾,产状为 130°∠80°(图7a)。野外观测发现构造裂缝的发育均受到地层面的限制,裂缝产状的极密图及走向玫瑰花图如图5所示。

图2 康山组实测剖面(a)和构造裂缝与地层厚度对数拟合图(b)Fig.2 The measuring section of the structural fractures in the Kangshan Formation(a) and the layer thicknessstructural fracture fractal dimension fitting plot of the measuring section(b)

图3 康山组实测剖面不同厚度岩层裂缝发育对比图Fig.3 Maps showing the difference of fracturing degree in various bed thickness in the Kangshan Formation

表1 道彭坞村康山组裂缝的分形分布特征Table1 The raw data of the Kangshan Formation section

图4 康山组实测剖面中裂缝与层面的夹角Fig.4 The angles between the fracture and bedding surface in the Kangshan Formation

图5 康山组和唐家坞组剖面裂缝的极坐标投影和走向玫瑰花图Fig.5 Stereograms and rose diagrams

图6 褶皱相关裂缝的分类方案(Stearns,1968)Fig.6 Types of folding related fractures

在该剖面中实测裂缝 240条,将该剖面发育的构造裂缝与康山组剖面进行比较,可以看出二者具有较多的相似性。首先,与层面斜交的裂缝最为发育,与层面平行或垂直的裂缝发育较少(图5、8、9),与层面大致平行的裂缝将原本厚度较大的地层切割为厚度较小的地层(图8)。其次,在该剖面中所有构造裂缝均未被充填,绝大多数与层面斜交的构造裂缝面较平直,产状变化小,延伸较长,较为紧闭,开度较小,呈现出剪切裂缝的特点。

根据对构造裂缝分维数的统计(表2),分维数的相关系数大于0.98,说明构造裂缝也具有良好的分形特征,厚度小于1.5 m的地层中分维数最小值为 1.5686,最大值为 1.7567,平均值为 1.6623;而大于1.5 m地层中分维数最小值1.6439,最大值为1.9178,平均值为 1.7498,层厚较大的地层裂缝分维数值相对较大,分维数值并不随着地层厚度的增大而减小,两者呈弱线性相关性,决定系数(R2)仅为0.27,分维数有随着地层厚度的增大而增大的趋势(图7b)。

图7 唐家坞组实测剖面(a)和构造裂缝与地层厚度散点图(b)Fig.7 The measuring section of structural fractures in the Tangjiawu Formation(a) and the layer thickness-structural fracture fractal dimension plot of the measuring profile(b)

图8 唐家坞组实测剖面不同厚度岩层裂缝发育对比图Fig.8 Map showing the difference of fracturing degree in various bed thickness in the Tangjiawu Formation

图9 唐家坞组实测剖面中裂缝与层面的夹角Fig.9 The angles between fractures and beddings in the Tangjiawu Formation

表2 章家村唐家坞组剖面不同层厚构造裂缝分形统计Table2 Fractal dimension statistics of structural fractures in the Tangjiawu Formation

3 讨 论

3.1 沉积岩中与层面斜交的构造裂缝分布特征

前人(Gross et al.,1995;Ji et al.,1998;Schpfer et al.,2011)建立了多个脆性地层中关于地层厚度与张裂缝发育的数学模型,统计发现张裂缝发育随着地层厚度的增大而减少,这些学者认为张应力在裂缝发育的位置最大,距离张裂缝越远张应力越小,这种张应力侧向减小的机制与地层厚度有关。但是他们所建立的张裂缝发育的数学模型与本文所研究的构造裂缝并不相符,因为在本文中与层面斜交的构造裂缝性质多属于剪切裂缝,是在剪切作用下发育的。

根据Stearns(1968)对褶皱相关裂缝的成因解释,认为③、④和⑤组裂缝形成于褶皱作用的晚期,是在局部应力场作用下形成的。这种与层面斜交的构造裂缝可能有两种成因:第一种成因,该裂缝是在层间剪切作用下在地层中形成的新的构造裂缝。由于地层弯曲变形以后,地层中可能存在层间剪切作用(易顺华等,2007;Smartet al.,2009),层间剪切应力及其作用下形成裂缝系统由图10所示,在层间剪切作用下,所形成的新的裂缝系统与地层面为斜交关系。第二种成因,该裂缝可能是早期存在的微破裂,并在层间剪切作用下发生活动。根据 Suppe(1985)的研究,地层中形成新的裂缝和早期裂缝活动所需剪切应力分别由(3)和(4)式所示,可见早期裂缝活动需要的应力小于形成新的构造裂缝所需要的应力。

其中,στ为临界剪切应力,τ0为粘性剪切强度,σn为正压力,PP为空隙压力,μf为摩擦系数。

在层间滑动作用下活动的早期微裂缝以及形成新的裂缝的机制如图11所示,可以看出活动的早期存在微裂缝也多与地层面呈斜交关系。

统计发现,与层面斜交的构造裂缝与地层厚度并不成线性反比例关系,其发育程度甚至有随着地层厚度增加而提高的趋势。作者根据层间滑动作用解释裂缝的这种分布特征,根据 Ramsay(1985)对弯滑褶皱中平行层面的剪切作用的研究,层间的滑动量(S)与褶皱岩层的倾角(D)和厚度(t)的乘积成正比,

图10 左旋剪切作用下形成的里德尔型构造裂缝(Dresen,1991)Fig.10 Characteristic array of the Riedel fractures

图11 新构造裂缝形成和早期裂缝活动的库伦-摩尔应力法则(Suppe,1985)Fig.11 Mohr diagram showing the Coulomb fracture and frictional sliding criteria

数学表达式为:

从(5)式可以看出,在地层倾角相同的情况下,层间滑动量随着地层厚度的增加而增加,因此,在厚度较大的地层中滑动量较大,也就在其中形成了数量较多的裂缝。

同时,值得注意的是在上述两处剖面中,厚度较大的地层中均发育了与层面大致平行的构造裂缝。前人的研究发现,裂缝系统的发育随着地层厚度的减小而增加。因此,原本厚度较大的地层发育了与层面平行的裂缝后,将其切割为厚度较小的“薄层”,当其继续受到构造应力作用时,在厚层中就可能会发育较多的裂缝。

3.2 裂缝对油气运移的影响

研究砂岩地层裂缝的分形分布特征对理解裂缝作为油气的储存空间、运移通道具有重要的意义,裂缝发育程度越高,裂缝网络越有可能成为良好的油气运移的通道。通过对研究区裂缝分布特征的研究发现,与层面斜交的构造裂缝在厚度较大的砂层中发育程度较高,这就为油气储存提供了必要的空间,而且致密岩层之间的油气运移也需要较多的裂缝发育。因此,厚度较大的砂岩就可以作为油气储存空间或运移的通道。

本文主要研究了褶皱变形的厚层至块状砂岩中的构造裂缝分布特征,这些构造裂缝与层面斜交。褶皱变形以后,地层在局部应力场的作用下形成了与层面斜交的裂缝,其形成机制及与其他组裂缝的成因联系、联通关系还需要进一步的研究。

4 结 论

扬子地块钱塘坳陷中、下泥盆统砂岩中发育构造裂缝具有以下几方面的特征。

(1) 在厚层至块状的砂岩地层中,裂缝均有发育,并且绝大多数裂缝的发育受到地层面的限制。

(2) 地层中主要的构造裂缝与地层面斜交,根据 Stearns (1968)的裂缝成因解释,该裂缝是在褶皱变形后局部应力场的作用下形成的;还发育少量与层面大致平行的裂缝,其延伸相对较长,将厚层切割为较薄的岩层。

(3) 裂缝的分维数不与地层厚度成反比例线性关系,甚至有随着地层厚度的增加而增加的趋势。

(4) 厚度较大的砂岩地层可能成为油气储存空间或者运移的通道。

致谢:北京大学地球与空间科学学院侯贵廷教授对本文提出了宝贵的修改意见,显著提高了本文的质量,特此致谢。

陈钢花,吴文圣,王中文,雍世和,毛克宇,李厚裕.1999.利用地层微电阻率成像测井识别裂缝.测井技术,23(4):39-41.

邓虎成.2009.断层共生裂缝系统的发育规律及分布评价.成都:成都理工大学博士学位论文.

邓攀,陈孟晋,高哲荣,孙爱.2002.火山岩储层构造裂缝的测井识别及解释.石油学报,23(6):32-36.

杜永灯,张翠梅.2009.VSD技术在构造裂缝预测分析中的应用——以和田古隆起区为例.大地构造与成矿学,33(1):168-174.

冯斌,田波,韩德辉,方大钧.2003.成像测井技术在胜利油田桩海地区微裂隙构造分析中的应用.浙江大学学报(工学版),37(2):128-132.

侯贵廷.1993.储层非均匀性的分形表征技术.地质科学情报,12(3):8-81.

侯贵廷.1994.裂缝的分形分析方法.应用基础与工程科学学报,(2):301-306.

鞠玮,侯贵廷,潘文庆.2011.塔中I号断裂带北段构造裂缝面密度与分形统计.地学前缘 ,18(3):317-323.

康义逵,金梅,文清,李文德,刘珏.2002.应用常规测井资料识别单井裂缝发育层段的方法.新疆石油学院学报,14(4):29-32.

柯式镇,孙贵霞.2002.井壁电成像测井资料定量评价裂缝的研究.测井技术,(2):101-103.

李乐,侯贵廷,潘文庆,琚岩,张庆莲,肖芳锋.2011.逆断层对致密岩石构造裂缝发育的约束控制.地球物理学报,54(2):466-473.

李忠,梁波,巫芙蓉,邓雁,巫盛洪.2007.地震裂缝综合预测技术在川西致密砂岩储层中的应用.天然气工业,27 (2):40-42.

孟庆峰,侯贵廷,潘文庆,琚岩,张庆莲,李乐,舒武林.2011.岩层厚度对碳酸盐岩构造裂缝面密度和分形分布的影响.高校地质学报,17(3):462-468.

秦巍,陈秀峰.2001.成像测井井壁图像裂缝自动识别.测井技术,25(1):64-69.

Ramsay.1985.岩石的褶皱作用和断裂作用.北京:地质出版社:266-278.

任丽华,林承焰.2007.构造裂缝发育期次划分方法研究与应用——以海拉尔盆地布达特群为例.沉积学报,25(2):253-260.

宋惠珍,曾海容,孙君秀,兰印刚,黄辅琼.1999.储层构造裂缝预测方法及其应用.地震地质,21(3):205-213.

孙建孟,刘蓉,梅基席,申辉林.1999.青海柴西地区常规测井裂缝识别方法.测井技术,23(4):28-32.

谭凯旋,谢焱石.2010.新疆阿尔泰地区断裂控矿的多重分形机理.大地构造与成矿学,34(1):32-39.

王胜新,曹新平,佟国章,李建萍,褚军.2011.微地震裂缝监测技术在油水井压裂和注水评价中的应用.广东化工,38 (6):295-296.

王自明,宋文杰,杨新华,黄川,元军,李兼,杜志敏.2005.轮南古潜山碳酸盐岩储集层裂缝分布分形特征.新疆石油地质,26(3):238-241.

姚琪,张微,廖林,马志江,孟立丰,高翔.2010.杭州湾地区长兴-奉化断裂的展布及中新生代活动特征研究.大地构造与成矿学,34(1):40-47.

叶泰然.2007.基于纵波资料的地震裂缝检测技术综合应用.天然气工业,27(S1):462-464.

易顺华,张先进,朱章显,余君鹏,李华亮.2007.层间滑动褶皱新见.地球科学——中国地质大学学报,32(5):722-726.

张庆莲,侯贵廷,潘文庆,韩剑发,琚岩,李乐,鞠玮,舒武林.2011.构造裂缝的分形研究.应用基础与工程科学学报,19(6):853-860.

张义楷,周立发,党犇,白斌.2006.鄂尔多斯盆地中东部三叠系、侏罗系露头区裂缝体系展布特征.大地构造与成矿学,30(2):168-173.

朱光,徐嘉炜,刘国生,李双应,虞培玉.1999.下扬子地区前陆变形构造格局及其动力学机制.中国区域地质,18(1):73-79.

Bai T and Pollard D D.2000.Fracture spacing in layered rocks:A new explanation based on the stress transition.Journal of Structural Geology,22(1):43-57.

Cooke M L and Underwood C A.2001.Fracture termination and step-over at bedding interfaces due to frictional slip and interface opening.Journal of Structural Geology,23(2-3):223-238.

Dresen G.1991.Stress distribution and the orientation of Riedel shears.Tectonophysics,188(3-4):239-247.

Ferrill D A,Morris A P and McGinnis R N.2009.Crossing conjugate normal faults in field exposures and seismic data.AAPG Bulletin,93(11):1471-1488.

Gross M R,Fischer M P,Engelder T and Greenfield R J.1995.Factors controlling joint spacing in interbedded sedimentary rocks:Integrating numerical models with field observations from the Monterey Formation,USA.// Ameen M S.Fractography:Fracture Topography as a Tool in Fracture Mechanics and Stress Analysis.Geological Society Special Publication,92:215-233.

Horne R and Culshaw N.2001.Flexural-slip folding in the Meguma Group,Nova Scotia,Canada.Journal of Structural Geology,23(10):1631-1652.

Huang Q and Angellier J.1989.Fracture spacing and its relation to bed thickness.Geol Mag,126(4):355-362.

Ji S,Zhu Z and Wang Z.1998.Relationship between joint spacing and bed thickness in sedimentary rocks effects of interbed slip.Geol Mag,135(5):637-655.

Kajari G and Mitra S.2009.Structural controls of fracture orientations,intensity,and connectivity,Teton anticline,Sawtooth Range,Montana.AAPG Bull,93(8):995-1014.

Ladeira F L and Price N J.1981.Relationship between fracture spacing and bed thickness.Journal of Structural Geology,3(2):179-183.

Lagoeiro L,Hippertt J and Lana C.2003.Deformation partitioning during folding and transposition of quartz layers.Tectonophysics,361(3-4):171-186.

Lezin C,Odonne F,Massonnat G J and Escadeillas G.2009.Dependence of joint spacing on rock properties in carbonate strata.AAPG Bull,93(2):271-290.

Odonne F,Lezin C,Massonnat G and Escadeillas G.2007.The relationship between joint aperture,spacing distribution,vertical dimension and carbonate stratification—An example from the Kimmeridgian limestones of Pointe-du-Chay (France).Journal of Structural Geology,29 (5):746-758.

Prioul R and Jocker J.2009.Fracture characterization at multiple scales using borehole images,sonic logs,and walkaround vertical seismic profile.AAPG Bulletin,93(11):1503-1516.

Schpfer M P J,Arslan A,Walsh J J and Childs C.2011.Reconciliation of contrasting theories for fracture spacing in layered rocks.Journal of Structural Geology,33(4):551-565.

Smart K J,Ferrill D A and Morris A P.2009.Impact of interlayer slip on fracture prediction from geomechanical models of fault-related folds.AAPG Bulletin,93(11):1447-1458.

Stearns D W.1968.Certain aspects of fractures in naturally deformed rocks // Riecker R E.Rock mechanics seminar.Bedford:Terrestrial Sciences Laboratory:97-118

Suppe J.1983.Geometry and kinematics of fault-bend folding.American Journal of Science,283:684-721

Suppe J.1985.Principles of structural geology:Englewood Cliffs,New Jersey.Practice-hall:537.

Wennberg O P,Svana T,Azizzadeh M,Aqrawi A M M,Brockbank P,Lyslo K B and Ogilvie S.2006.Fracture intensity vs mechannial stratigraohy in platform top carbonates the Aquitanian of the Asmari Formation.Petroleum Geoscience,12:235-245.

Wu H and Pollard D.1995.An experimental study of the relationship between joint spacing and layer thickness.Journal of Structural Geology,17(6):887-905.