岩性差异变化对断层带结构影响的物理模拟

单亦先，劳海港，王永诗，陈建平

(1.中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 东营　257061； 2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山　063009；

3.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营　257015； 4.中国石化 胜利油田分公司，山东 东营　257015)



岩性差异变化对断层带结构影响的物理模拟

单亦先1，劳海港2,3，王永诗3，陈建平4

(1.中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 东营257061； 2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山063009；

3.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营257015； 4.中国石化 胜利油田分公司，山东 东营257015)

摘要：采用分解和统计相结合的实验原则，逐步考察了影响断层带结构变化的地层因素。通过对砂、泥岩力学性质及含量进行变换，模拟砂、泥岩地层中可能形成的断层带结构。实验结果表明：泥岩泊松比、泥岩含量是影响断层带结构及其内部单元规模的2个重要因素。单一的砂岩泊松比并不直接影响断层带结构类型，其原因可能是因为实验中的砂岩主要表现为脆性变形的结果；但砂岩含量是影响断层带结构类型的重要因素。在泥岩含量一定的情况下，砂岩泊松比的变化影响断层带的宽度，且两者比值在1～1.33之间时断层带发育二元结构；砂岩泊松比低于0.28、泥岩泊松比低于0.34时，断层带形成疏松的一元型结构；当砂岩泊松比高于0.35、泥岩泊松比高于0.38时，断层带为紧闭的一元型滑动面。

关键词：泥岩泊松比；砂岩泊松比；泥岩含量；断层带结构；模拟实验

断层是地壳中岩石沿着破裂面发生明显位移的一种断裂构造[1]。岩层受应力作用发生变形，当应力集中超过其强度时便会开始破裂，出现微裂隙，这些微裂隙逐渐发育、扩展、集结，最终形成宏观意义上的破裂带；当继续受力时，破裂带两侧地层顺破裂面发生明显错动则演化为断层。

1研究现状

1.1　断层带结构分类

通过野外勘察、物理实验、地球物理解释、岩心观察均证实，断层带往往是有一定宽度、含有不同断层岩的三维地质体[2-4]。按照断层带内部构造特征及变形程度的差异性，将其分为断层核和破碎带两端元结构[2]，或者称之为滑动破碎带和诱导裂缝带2部分[5]。

断层核位于断层带中心部位，主要发育断层岩及滑动面，释放了断层的大部分应力。其中，断层岩按照其形成机制不同，又可细分为碎裂岩系列和糜棱岩系列，两者在深度上有一定的分布规律[6]。Lindsay[7]则将断层核中的泥岩涂抹进一步分为研磨型、剪切型和注入型3种类型。

破碎带位于断层核两侧有限范围内，由纵横交错、方向各异的裂缝切割断层两侧围压所形成的有限构造区。由于破碎带释放了次级构造应力，所以裂缝向远离断层核方向逐渐减小，且在断层上下两盘发育规模也存在明显差异。根据破碎带的发育特征不同，可分为围压破碎带、连接破碎带和端部破碎带3种[8]。断层带两端元结构的演化过程是伴随着断层的发育同步进行的，随着断层规模的逐渐增大，断层带由最初的一元结构(即破碎带)向断层二元结构转变[9-10]。

1.2　断层带结构

断层带结构的形成取决于内、外2个关键要素，内部要素包括断开的岩石力学性质、岩石孔隙度和渗透率，外部要素则涉及到次级应力场分布、断层活动强度与方式等。Clausen和Gabrielsen[11]以及Sperrevik等[12]考察了影响泥岩力学性质的关键地质要素，但未涉及到泥岩力学性质是如何影响断层带结构的。本文基于前人研究成果，从影响断层带结构发育的主控要素出发，利用物理模拟探究影响断层带结构发育的主要因素及其发育规律。物理模拟结果不仅比经验研究更具可靠性，而且为断层的输导与封闭的研究提供基本依据。

此次试验是在中国石油大学(华东)及中国石化胜利油田地质研究院实验室平台上完成的，其中实验装置的设计及原理与王学军等[13]的成果均在同一实验平台上实现的。

1.3　野外断层带内部结构特征

国内外学者通过对野外断层进行分析，认为较大规模的断层常常由纵向上的裂缝相互连接形成；并根据断层带不同部位的构造特征差异性进行结构单元划分，即使相同构造单元的特征也具有很大差异。以河北省秦皇岛鸡冠石正断层为例(图1)，该断层发育明显的断层二元结构，内部单元并非均一。断层核垂向上宽窄不一，内部分布着不同规模的角砾岩和不同比例的断层泥，同时也发育不同方位的裂缝系；其中，断层泥主要为剪切、研磨2种类型。断层核两侧的破碎带发育存在差异，断层上盘的裂缝密度、宽度、延伸长度均比断层下盘发育。

图1　秦皇岛鸡冠石正断层“二元”结构

需要说明的是，本次物理模拟实验中的泥岩主要为剪切型泥岩涂抹，并在此基础上研究泥岩、砂岩力学性质改变及其地层组成变化对断层带结构的影响。

2泥岩力学性质变化对断层带结构的影响

泥岩对断层带结构的影响主要取决于2个方面：一个是地层中泥岩含量变化对断层带结构的影响，另一个是泥岩力学性质的变化对断层带结构的控制。故实验中通过固定泥岩含量、改变泥岩力学性质来探究泥岩力学性质变化对断层带结构发育的影响程度。下面以泥岩含量为16%和23%的地层结构为例，对实验结果进行分析。

2.1　泥岩含量为16%的断层带结构实验

为了研究泥岩的力学性质是否影响断层带的结构，设计了3个泥岩含量相同、砂岩力学性质一致、泥岩力学性质不同的模型。其中，3个模型中泥岩含量均为16%，砂岩泊松比(σ砂)均为0.31，泥岩厚度均为0.6 cm，砂岩厚度均为3 cm，模型中断距均为4 cm，但每个模型中的泥岩泊松比(σ泥)分别为0.32，0.38，0.42(图2)。

图2　泥岩含量为16%的断层带结构实验

对比3个实验结果，3个实验中断层带的形成过程中仅σ泥=0.38时短暂出现过1条诱导裂缝，但最终结果却是3个实验均不发育诱导裂缝带，但滑动破碎带的类型却明显不同。σ泥=0.32的滑动破碎带以发育断层空腔为特征；σ泥=0.38的滑动破碎带由多条断断续续的泥岩条带组成；而σ泥=0.42的滑动破碎带内部发育良好的泥岩拖拽涂抹层，基本上表现为塑性变形。同时，随着实验中的泥岩泊松比增加，滑动破碎带的最大宽度依次为0.8，0.6，0.3 cm。由此推断，泥岩泊松比系数的逐渐递增导致泥岩由弹性变形向弹—塑性变形、塑性变形过渡，从而控制了断层带结构样式的变化，对断层带的宽度影响相对较差。

图3　泥岩含量为23%的断层带结构实验

2.2　泥岩含量为23%的断层带结构实验

为了考察泥岩含量增大的情况下，泥岩力学性质的变化对断层带结构的影响，设计3个模型中泥岩含量均为23%，砂岩泊松比均为0.31，泥岩厚度均为0.9 cm，砂岩厚度均为3 cm，模型中断距均为4.5 cm，但3个模型中的泥岩泊松比分别为0.32，0.38，0.42(图3)。

实验结果表明，σ泥=0.32的模型中发育明显的断续分布的断层空腔；σ泥=0.38的模型中出现断层带二元结构，由多条小断层切割断层带中的泥岩，断层带宽度较大；σ泥=0.42时模型中出现泥岩拖拽所形成的一元型狭窄断层带。在这组实验中，随着泥岩泊松比的增加，断层带最大宽度依次为0.7，3.9，0.6 cm，断层带宽度与泥岩泊松比相关性差。实验结果所表现出来的泥岩泊松比系数与泥岩阶段性力学变形的相关性，没有泥岩含量为16%的实验结果所表现出来的明显。

将泥岩含量为16%和23%的2组实验结果进行对比，σ泥=0.32的实验结果均发育断层空腔，但泥岩含量高的模型中断层空腔规模有所减小；σ泥=0.38的实验结果发育明显不同的断层带结构，泥岩含量为16%的发育一元滑动破碎带，而含量为23%的发育断层二元结构；σ泥=0.42的2个实验均发育涂抹较好的泥岩带。说明泥岩含量、泥岩泊松比是影响断层带结构及其内部单元规模的2个重要因素。在泥岩含量为23%、泥岩泊松比为0.38的模型所发育的断层带宽度异常，且发育二元结构，则说明除了上述2个因素外，可能还有其他因素影响着断层带结构类型的变化。

3砂岩力学性质变化对断层带结构的影响

假如在泥岩力学性质不变的情况下，砂岩的力学性质变化是否影响到断层带结构特征？基于这一设想，本次实验设计了2组实验，一组是改变砂岩力学性质来研究断层带结构的变化情况；另一组是通过改变模型中砂岩含量，分析其对断层带结构的影响程度。

3.1　泥岩泊松比为0.32的断层带结构实验

实验设计了泥岩含量均为28%、泥岩泊松比均为0.32、泥岩厚度由下向上依次为0.5，1.0，2.0，2.5 cm、砂岩厚度均为3 cm的2个模型，2个模型中的砂岩泊松比为0.29和0.31(图4)，考察砂岩力学性质的变化对断层带结构的影响。从实验结果看，在σ砂=0.29的实验中，断层带发育单一的滑动破碎带，下部明显发育断层空腔；σ砂=0.31实验中的断层带发育相同的构造样式，只是断层空腔的宽度有所减小，且上部泥岩有拖拽痕迹。这一实验结果说明砂岩泊松比并不是直接影响断层带结构变化的关键因素，但也不排除是由于实验误差导致的。这一现象与前人的研究成果相同，即地壳表层砂岩在受力的情况下往往表现为脆性变形。

图4　泥岩泊松比0.32的断层带结构实验

3.2　泥岩泊松比为0.36的断层带结构实验

通过改变模型中砂岩的百分含量，分析砂岩含量对断层带结构的影响。设计了2个泥岩泊松比均为0.36、砂岩泊松比分别为0.33和0.34的模型，通过改变模型中每一层的泥岩和砂岩厚度，使得2个实验的砂岩含量分别为68%和60%(图5)。对比2个实验结果，模型均发育以主滑动面为主的一元型断层带结构，诱导裂缝带不发育。从组成主滑动面的泥岩完整性来看，随着砂岩含量的减小(即泥岩含量的增大)，主滑动面内部的泥岩含量逐渐增大，也证实了砂岩含量的差异影响着以砂泥岩互层的地质体中的断层带结构变化。

计算砂岩力学性质变化的4组实验，泥岩含量分别为28%(图4)，32%(图5a)，40%(图5b)，断层带结构都表现为一元型结构，但构造样式由断层空腔演变为主滑动面，并且主滑动面中的泥岩涂抹性逐渐变好。这一结果与图2b和图3b实验中的泥岩含量变化所导致的断层带结构变化具有相同的结果，即泥岩含量影响着断层带结构的类型。

4砂、泥岩力学性质变化对断层结构特征影响

通过以上实验可以看出，泥岩含量、泊松比影

图5　泥岩泊松比为0.36的断层带结构实验

响着断层带类型(包括断层带宽度和诱导裂缝带的个数)，且在泥岩含量为16%～28%之间可能出现断层二元型或者三元型结构。基于这一假设，分别设计了泥岩含量为23%和28%的2组实验，每组实验中砂岩泊松比分别为0.27，0.28，0.29，0.30，0.31，0.32，0.33，0.34，0.35，0.36，泥岩泊松比分为别为0.32，0.34，0.36，0.38，0.40，0.42，分别交叉进行实验，从而减少实验误差所造成的影响。通过这一方法定量分析砂、泥岩泊松比变化与断层带结构的关系，并对实验中的断层带宽度以及相应的诱导裂缝带个数进行了统计，进而明确影响断层带结构的主要因素。

4.1　砂、泥岩泊松比变化与断面宽度的关系

通过对实验结果统计，相同泥岩泊松比、不同砂岩泊松比的情况下，绝大多数实验具有随着砂岩泊松比含量的增加，相同泥岩泊松比与断层带宽度呈正态分布曲线的特征；且在砂岩泊松比为0.31时，断层带宽度可达2.2 cm。但当泥岩泊松比为0.32时，断层带的宽度随着砂岩泊松比含量的增加而减小。对比相同砂、泥岩泊松比、不同泥岩含量的2组实验(图6)，泥岩含量为28%的地质模型比含量为23%的地质模型仅在断面的宽度上有所增大，总体变化的趋势基本一致。

图6　砂、泥岩泊松比与断面宽度变化关系

4.2　砂、泥岩泊松比变化与诱导裂缝的关系

诱导裂缝个数统计表明，绝大多数实验具有随着砂岩泊松比含量的增加，诱导裂缝个数呈正态分布曲线；仅仅在砂岩泊松比为0.28、泥岩泊松比为0.34时出现异常点，这一结果推测可能是由实验误差所造成的；同时，个别实验中根本不发育诱导裂缝。在砂岩泊松比为0.30～0.33、泥岩泊松比为0.32～0.38时发育2个或3个诱导裂缝。对比2组相同砂、泥岩泊松比、不同泥岩含量的实验数据(图7)，泥质含量为28%的地质模型与泥质含量为23%的地质模型在诱导裂缝的个数分布状态上基本没有变化；泥岩含量为28%、泥岩泊松比大于0.38的实验中诱导裂缝不再发育；砂岩泊松比为0.28、泥岩泊松比为0.34在2次实验中均出现，说明这一现象应该是独立于上述规律之外存在的特殊点。

图7　砂、泥岩泊松比与诱导裂缝个数的关系

4.3　砂、泥岩泊松比变化与断层带结构的关系

在实验过程中，可以出现较为典型的断层二元型结构，出现的次数较低，说明断层的二元型结构的发育有相对的限制条件。在辨别断层带二元型时主要参考断层带的宽度和诱导裂缝的个数，其中对应诱导裂缝带采取较为谨慎的取值办法，只对2个及以上的诱导裂缝归入断层的诱导裂缝带。统计结果显示，只有同时满足砂岩泊松比介于0.30～0.33、泥岩泊松比介于0.32～0.38、泥岩与砂岩泊松比比值在1～1.33这3个条件时最有利于断层带发育二元结构；砂岩泊松比低于0.28、泥岩泊松比低于0.34时，断层带主要表现疏松的一元型结构；当砂岩泊松比高于0.35、泥岩泊松比高于0.38时，断层带也呈现一元型结构，但构造样式表现为以泥岩拖拽为主的一元型主滑动面。

5结论

(1)泥岩泊松比、泥岩含量是影响断层带结构及其内部单元规模的2个重要因素。单一的砂岩泊松比并不直接影响断层带结构类型，其原因可能是因为实验中的砂岩主要表现为脆性变形的结果；但砂岩含量则是影响断层带结构类型的因素。

(2)泥岩力学性质直接影响断层带结构，并且在泥岩含量一定的情况下，砂岩泊松比的变化影响断层带的宽度，且两者比值在1～1.33之间时断层带发育二元结构；砂岩泊松比低于0.28、泥岩泊松比低于0.34时，断层带形成疏松的一元型结构；当砂岩泊松比高于0.35、泥岩泊松比高于0.38时，断层带为紧闭的一元型滑动面。

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[13]王学军,单亦先,劳海港,等.构造变形与烃类充注一体化物理模拟的难点及解决策略[J].石油实验地质,2013,35(4):453-456.

Wang Xuejun,Shan Yixian,Lao Haigang,et al.Difficulties and solving strategies for integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging[J].Petroleum Geology & Experiment,2013,35(4):453-456.

(编辑徐文明)

Physical simulation of the influence of lithological

differences on fault zone structure

Shan Yixian1, Lao Haigang2,3, Wang Yongshi3, Chen Jianping4

(1.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;

2.CollegeofMiningEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan,Hebei063009,China;

3.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China;

4.SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China)

Abstract:The controlling stratigraphic elements for fault zone structure were studied. Possible fault zone structures in sand and mudstone formations were simulated in view of sand and mudstone mechanical properties and contents. The Poisson’s ratio and content of mudstone controlled fault zone structure and its internal unit size. The Poisson’s ratio of sand did not directly determine fault zone structure, which might be explained by the brittle deformation of sand in the experiment. On the contrary, sand content was a key element for fault zone structure. When mudstone content was fixed, the Poisson’s ratio of sand controlled the width of the fault zone. When the ratio of mud to sandstone Poisson’s ratio was 1-1.33, dualistic structure developed in the fault zone. When the Poisson’s ratios of sand and mudstones were less than 0.28 and 0.34, respectively, a unitary fault zone with loose structure formed. When the Poisson’s ratios of sand and mudstones were more than 0.35 and 0.38, respectively, a closed unitary sliding surface developed.

Key words:Poisson’s ratio of mud stone; Poisson’s ratio of sand stone; mud stone content; fault zone structure; simulation experiment

基金项目：国家重大科技专项“渤海湾盆地精细勘探关键技术”(2011ZX05006，2016ZX05006)资助。

作者简介：单亦先(1965—)，男，硕士，教授，从事油气田生产过程的智能监控技术、石油专用试验设备研制与石油装备检测技术与故障诊断研究。E-mail: 18605460902@163.com。

收稿日期：2014-9-27；

修订日期：2015-12-18。

中图分类号：TE122.3+4

文献标识码：A

文章编号：1001-6112(2016)01-0108-05doi：10.11781/sysydz201601108