川西地区构造滑脱层岩石力学特征及构造变形意义

金文正，王俊鹏，崔泽宏，叶治续



川西地区构造滑脱层岩石力学特征及构造变形意义

金文正1,2，王俊鹏3，崔泽宏4，叶治续5

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.油气资源与探测国家重点实验室，中国石油大学（北京），北京，102249；3.中国石油杭州地质研究院，杭州 310023；4.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；5.中国石油天然气股份有限公司 冀东油田分公司，河北 唐山 063200）

通过川西地区岩石样品单轴抗压强度测试和三轴抗压强度测试，认为岩石抗压强度与岩石密度具正相关关系。早期地层常具有较大的岩石抗压强度、弹性模量、泊松比，粘聚力亦具有类似变化趋势。构造滑脱层应具有相对较小的单轴抗压强度、较小的弹性模量和较小的泊松比。该区从上侏罗统至中奥陶统各地层中发育多套滑脱层，即上侏罗统蓬莱镇组、中三叠统雷口坡组、下泥盆统和志留系等。滑脱层在构造变形中多表现为各逆冲断裂下部汇聚或尖灭消失的构造软弱带，且滑脱层上部层位构造变形强度较大，多形成密集分布的逆冲断裂带，而滑脱层下伏区域构造变形微弱，多形成倾角较缓的单斜构造或者宽缓褶皱。

构造滑脱层；单轴抗压强度；三轴抗压强度；川西

龙门山冲断带发育多套构造滑脱带，构造滑脱带在构造变形过程中具有重要的作用，能够使得其上下两套地层发生不同程度的构造变形[1-3]，在油气勘探中具有重要的意义。滑脱层的识别具有多种方法，如地震资料[4]、野外地质调查[5]，物理模拟或者计算机模拟[6]，等等，本文通过对采自龙门山冲断带的岩石样品进行岩石单轴抗压强度分析和三轴抗压强度分析，分析研究区不同地层的岩石力学各项参数，揭示实际构造变形中滑脱层对构造变形的影响，以此来预测、识别及确定不同深度的构造滑脱层。

1 基本原理

目前关于岩石力学参数测试的方法和流程已经成熟，已有相关国家标准及多种相关教材和指导书出版[7-10]，本次实验的技术流程如下所述。

1.1 单轴抗压实验

1）概述：岩石变形实验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向（轴向）和横向（径向）变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量是纵向单轴应力与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度的50%作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算，根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。泊松比是横向应变与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度50%时的横向应变值和纵向应变值进行计算。

2）试样制备：用钻孔机在野外采取的岩块上取芯，试件为圆柱体，直径为2.5cm，高度为5cm，下每块岩心必须制备3个。

3）主要仪器设备：钻石机、锯石机、磨石机、游标卡尺、天平、烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备、压力试验机、电阻应变片、粘结剂、万用表、电阻应变仪（数据采集器）、压力传感器、引伸仪等。

4）实验程序：选择电阻片，电阻丝的长度应大于组成试样的矿物最大粒径或斑晶的10倍以上，将电阻片应贴在试样高度的中部，将贴好片的试样置于压力机上，对准中心，以全桥或者半桥的方式联入应变仪（或者数据采集器），接通电源，以每秒0.5~0.8MPa的加载速度对试样加载，直至破坏，在施加载荷的过程中，由数据采集系统同步记录各级压力及其相应的纵向和横向应变值，描述试样的破坏形式，并记录与实验有关的情况。

5）对测试结果进行归类分析：着重分析不同样品之间各测试结果的差异，分析其地质背景，揭示其形成原因。

1.2 三轴抗压实验

表1 单轴抗压实验结果汇总表

1）概述：岩石三轴实验是在三向应力状态下测定岩石的强度和变形的方法，研究中所采用的侧向等压的三轴实验。

2）试样制备：试样制备的过程与要求同单轴抗压强度测试实验。

3）主要仪器设备：该实验所需的仪器设备同单轴抗压强度测试实验，此外，还需要三轴应力试验机。

4）试验程序：首先用胶液将试样密封，将密封好的试样放置于保护筒中，试样在压力室中安置好后，向压力室内注油，测定试样的纵向变形和横向应变，整个实验过程中侧向压力的变化范围不得超过预定值的2%，实验过程中记录破坏时的最大载荷及相应的侧向应力值，实验结束后，取出试样，进行破坏形式描述。

5）成果整理和计算同前所述。

2 样品及测试结果

2.1 取样情况

本次实验样品分布于龙门山冲断带及川西地区，北起广元，南达雅安。涉及层位自前震旦系至白垩系，其中主要层位有志留系龙马溪组，中下三叠统嘉陵江组和雷口坡组膏岩层和上三叠统须家河组，等等。

2.2 测试结果

本次完成上述两类实验，分别为单轴抗压实验、三轴抗压实验，均在北京科技大学土木与环境工程学院实验室进行，测试结果如表1、表2所示。

3 结果分析

3.1 岩石的抗压强度与岩石密度、岩石年代的关系

对上述实验结果进行统计和分析（图1），岩石抗压强度具有随着岩石密度变大而逐渐变大的特征，其中粘土岩和白云岩的密度变化对单轴抗压强度具有较大影响，即粘土岩和白云岩具有较低单轴抗压强度，分别为30MPa和45Mpa，而其它岩性地层具有较高单轴抗压强度，大约为80MPa，具有较低单轴抗压强度的岩石在构造变形过程中更易发生塑性变形，在构造变形过程中起到滑脱作用。

此外，随着地层年代由新到老，岩石的单轴抗压具有逐渐变大的趋势，其中上侏罗统蓬莱镇组具有最低的单轴抗压强度，约为35MPa，古生界（主要为泥盆系和奥陶系）具有最大的单轴抗压强度，约为100MPa。不同年代地层中，中三叠统雷口坡组、志留系及部分上泥盆统具有较低的单轴抗压强度值，约为50MPa（图1）。

3.2 岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比具有较好的相关性

岩石弹性模量同样具有随着岩石年代增大而逐渐增大的趋势（图1），从上三叠统的2.0GPa到中奥陶统的2.7GPa左右，其中密度较小的上侏罗统、中三叠统雷口坡组及泥盆系部分地层具有相对较低的弹性模量，约为2.5GPa。同时，泊松比数值曲线分布特征与弹性模量数值分布曲线具有较为相似，即整体上泊松比与地层密度具有较好相关性。

表2 三轴抗压实验结果汇总表

3.3 岩石的粘聚力变化较大，与地层年代新老与地层密度的变化关系较大

不同年代地层不仅具有密度逐渐变化的特征，同时这种变化与岩石的粘聚力的变化也具有一定的相关性，其中中三叠统雷口坡组、下三叠统、上泥盆统等各地层这种变形特征较为明显。

3.4 识别出多套构造滑脱层

综合分析岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、密度、粘聚力五项参数，认为从上侏罗统至中奥陶统各地层中，发育多套滑脱层，基本依据为具有相对较小的单轴抗压强度、较小的弹性模量和较小的泊松比，具有滑脱变形特征的地层主要有上侏罗统蓬莱镇组、中三叠统雷口坡组、志留系（图1、图2）。

图1 不同年代地层岩石力学参数对比分析

图2 岩石三轴压缩实验结果对比分析

4 滑脱层的构造变形意义

4.1 浅层构造变形

不同时代滑脱层在构造变形过程中对构造变形具有重要的制约作用，比如在地表或者近地表发育多种类型构造，其中多数与滑脱层有关，如构造三角带、断弯褶皱，等等，逆冲断裂在剖面上表现为上陡下缓铲式特征，在平面上以弧形弯曲，断层下端在滑脱层中尖灭消失，滑脱层本身构造变形特征不明显，但是其上下两套地层构造变形程度差异巨大（图3）。

图3 研究区地表滑脱构造变形特征（据文献2修改）

图A—双重构造、图B—断弯褶皱

4.2 中深层构造变形

与浅部地层构造变形相似，在中深层构造变形中，滑脱层同样严重影响着构造变形的结果（图4），双重构造是其中典型的构造变形类型，顶底板滑脱层为下古生界（图4-a）或者中生界，以双重构造为界，上部地层多发育强烈构造变形，断裂密集且倾角较大，部分近于直立，双重构造下部地层构造变形较弱，地震剖面上仅可见到地层稍微倾斜，呈单斜产状。此外，坡坪式断裂也发育在中深层滑脱层中（图4-b和图4-c），且多条逆冲断裂虽然在近地表产状各异，但是其下端都汇集于滑脱层中尖灭消失（图4-d），如通济场断裂、关口断裂等。

图4 川西地区典型地震剖面解释结果[11]

a—04-314测线；b—06-196.3测线；b—03-173测线；b—05-26测线

4.3 深层构造变形

在深部构造变形中，前震旦系多个构造滑脱层影响明显（图5），成为多条逆冲断裂深部汇聚并且消失的层位，吴婵（2014）通过地球物理剖面揭示龙门山逆冲断裂带中安县—灌县断裂与映秀—北川断裂在地下15km左右相连，并一起延伸到深度大约20km的滑脱面上[12]。

图5 龙门山冲断带深部构造变形模式图[2]

F1-青川—茂汶断裂；F2-北川—映秀断裂；F3-马脚坝—通济场—双石断裂；F4-广元—关口—大邑断裂；

5 结论

1）岩石抗压强度随着岩石密度变大而逐渐变大，其中粘土岩和白云岩的密度变化对单轴抗压强度影响较大；随着地层年代由新到老，岩石的单轴抗压具有逐渐变大的趋势，同时岩石的弹性模量、泊松比、粘聚力具有相类似的变化趋势；认为从上侏罗统至中奥陶统各地层中发育多套滑脱层，基本依据为具有相对较小的单轴抗压强度、较小的弹性模量和较小的泊松比，具有滑脱变形特征的地层主要有上侏罗统蓬莱镇组、中三叠统雷口坡组、下泥盆统和志留系。

2）滑脱层对不同深度构造变形的变形样式均具重要影响，形成多种与滑脱层相关的构造变形样式，断层具有上陡下缓铲式特征，其下端在滑脱层中尖灭消失，且多条逆冲断裂在近地表区域表现为倾角较大的逆冲断裂带，但在深部基本上都是在几套前述的大型滑脱层中合并或尖灭消失，此外，滑脱层上下两套地层构造变形程度差异巨大，上部地层多构造变形强烈，而滑脱层下伏地层构造变形微弱。

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Lithomechanics of Décollement Layers and Tectonic Significance in the Longmenshan Thrust Belt, Western Sichuan

JIN Wen-zheng1,2WANG Jun-peng3CUI Ze-hong4YE Zhi-xu5

（1-School of Energy, China University of Geosciences （Beijing）, Beijing 100083; 2-State Key Laboratory of Petroleum and Gas Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing, 102249; 3-Hangzhou Institute of Petroleum Geology, PetroChina, Hangzhou 310023; 4-Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083; 5- Jidong Oilfield Branch Company, PetroChina, Tangshan, Hebei 063200）

Many sets of décollement layers were developed in the western Sichuan basin, and these layers have an important influence on the process of tectonic deformation. This study does experiments of uniaxial compressive strength and triaxial compressive strength with rock samples from the studied area. The results show thatthere is a positive correlation between the compressive strength of rock and rock’s density, and that the rock with older age usually has bigger compressive strength, with similar trends of elastic modulus, poisson ratio and cohesion. Therefore, the décollement layers should have smaller compressive strength, smaller elastic modulus and smaller poisson ratio. So several décollement layers were developed between the Upper Jurassic and the Middle Ordovician in the studied area such as: Upper Jurassic Penglaizhen Formation, Middle Triassic Leikoupo Formation, Lower Devonian and Silurian etc.. These décollement layers are typical weak tectonic belts, leading lots of giant thrust faults merged or disappeared in them, and the sets of layer above the décollement almost have more intensive deformation than layer under sets, lots of thrust faults may be found in the above layers, however, only some gentle monoclines or wide folds were developed under the décollement layers.

uniaxial compressive strength; triaxial compressive strength; décollement layer; western Sichuan basin

2018-03-21

国家自然科学基金项目（编号41572105、41002072）和油气资源与探测国家重点实验室开放课题基金（基金编号：PRP/open-1307）

金文正（1978-），男，辽宁大连人，讲师，主要从事石油地质和含油气盆地分析专业方向研究

P583

A

1006-0995（2018）04-0557-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.006