断层再活动定量评价方法研究综述

赵知诺，平贵东，孟庆宽，高 鑫

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油集团测井有限公司 辽河分公司，辽宁 盘锦 124010)

断层再活动对地震灾害预测、CO2埋存及油气运聚成藏等都有重要的意义，一直是地质学者关注的焦点[1-5]。断裂再活动是具有选择性的，在统一构造应力作用下，众多先存断层中只有部分发生活动，或者单条断层中只有个别的一段活动，先存断裂的复活受断裂产状、超压、应力状态等多种因素影响，在这些因素中，以先存断裂的产状与应力场的配置关系影响最为显著[2,6]。

在最近的三十多年，众多学者基于Mohre-Coulomb理论推衍出了多种评价断层活动性的方法，并结合现今地应力状态，在不同地区进行了应用。虽然不同学者提出了多种评价参数，但是其本质都是计算临界应力状态下断层活动的趋势，各评价方法根据它们考虑的地质条件差异，可以分为3种类型：①无内聚力断裂带再活动的2D应力分析；②无内聚力断裂带再活动的3D应力分析；③有内聚力断裂带再活动的3D应力分析。随着断层活动性定量评价方法的不断进步，考虑的地质因素逐渐增多，需要限定的前提条件不断简化，计算方法日益优化。本文总结了上述3大类评价方式中的代表性观点和算法，对比分析了优缺点，描述了评价方法的原理和前提条件，为不同地质条件下评价参数的选取和应用提供参考。

1 断裂再活动的判别标准与定量评价方法

当断层面上分解的剪应力等于或大于摩擦阻力的时候，就可能发生摩擦滑动。依据Mohr-Coulomb破裂准则，断层面再活动时的应力状态应遵循：

τ≥τcritical=Co+μs(σn-Pf)

(1)

式(1)中：τ为剪应力，τcritical为断层活动的临界应力，Co为断层面上内聚力，Pf为孔隙流体压力，σn为断面上的正应力，μs为摩擦系数。

众多学者基于Mohre-Coulomb理论推衍出了多种评价断层活动性的方法，本质都是计算临界应力状态下断层活动的趋势，各评价方法根据它们考虑的地质参数不同，本文将它们归纳为3种类型，3类评价方式中的代表性观点和算法总结如下。

1.1 无内聚力断裂再活动的2D应力分析

第1种方法是Sibson[2]介绍的，他通过2D应力分析计算了断层活动需要的有效应力比R=σ1′/σ3′。

假设作用在一个无内聚力断面上的三轴应力状态为σ1>σ2>σ3，这个面与σ1的夹角为θ，μ为摩擦系数(见图1)。如果考虑孔隙流体压力(P)的情况下，有效应力比可以写为：

R=σ1′/σ3′=(1+μcotθ)/(1-μtanθ)

(2)

图1 μ=0.75时摩擦复活需要的应力比曲线[2]

图2 R及θ值与μ的关系[2]

根据有效应力比值R，Sibson[2]介绍了3种断层的方位类型：①优势方位断层，对应R值位于最小R(R*)和1.5R*之间；②非优势方位断层，对应R值大于1.5R*；③方位严重不匹配断层具有负的R值，说明最小主有效应力为负值，断层要再发生活动只有当孔隙流体压力大于最小主有效应力时才可能发生。

这种2D断层再活动分析强调了静摩擦系数和孔隙流体压力对非优势方位或方位严重不匹配断层再活动的控制作用，这种方法在实际工作中得到了很多应用[7-9]。但在Sibson的评价方法中，必须要限定中间主应力轴σ2平行于断层面，并且断裂带是无内聚力的。

1.2 无内聚力断裂再活动的3D应力分析

为了克服Sibson[2](1985)提出的方法中σ2方位必须平行断层面的缺陷，Morris等人[10]发展了一种新的断层再活动表征方法——滑动趋势法。滑动趋势法可以评价任何断层的再活动趋势而不用限定断层的与主应力轴的方位配置。

Morris等[10](1996)将滑动趋势定义为剪应力与正应力的比：

Ts=τ/σn

(3)

断层发生滑动时，剪应力(τ)等于或超过摩擦阻力，因此滑动趋势表现为：

Ts=τ/σn≥μs

(4)

设l、m、n分别为主应力轴σ1、σ2、σ3在垂直断层面方位上的方向余弦。最终：

Ts=

(5)

滑动趋势只依赖于应力场(应力张量)和断面方位。在这个公式中，中间主应力σ2大小在断层滑动趋势和滑动方向评价中对评价结果会有很大影响，而不应当将其忽略。

在给定应力场状态的情况下(应力方位和相对大小)，可以绘制出不同方位下滑动趋势Ts值的赤平投影图，将区域断层按照产状也相应叠加到该赤平投影图上(见图3a)，就可以确定不同方位断层的滑动趋势[11]。由于断层面往往是不规则的形态，所以对于单条断层来说不同部位滑动趋势也可能不同，通过断层三维空间的建模，根据断面产状的变化也可以计算出断面上各点的滑动趋势(见图3b)。

Ts方法已经在地震预测或矿产勘查的断层体系评价中得到了广泛的应用[12-15]。虽然Ts方法可以应用到任何方向的断层评价，但是它没有考虑断层的内聚力，另外也不像2D方法[2]，它不能识别由超压引起的断层活动。

(a)断层极点与滑动趋势叠合图；(b)单条断层面滑动趋势3D等值图

1.3 有内聚力断层再活动的3D应力分析

滑动趋势方法已经在构造活动区域广泛应用于评价地震灾害或由于地层水的抽排导致孔隙压力变化而引起局部应力状态发生变化的区域[12]。

Jones等人[16]、Dewhurst和Jones[17]对断层岩的研究表明，断层带受变形后期的胶结和成岩作用，断层岩会重新形成内聚力。为了考虑先存断层的内聚力强度影响，为了考虑先存断层的内聚力强度影响，Tong和Yin[18]扩展了Morris等人[10]的工作，建立了一个新参数—活动性系数fR=τn/(Co+μsσ′n)。τn为作用在断层面上剪应力，(Co+μsσ′n)为先存有内聚力断层面再活动所需的临界应力。再活动趋势因子大于等于1时说明断层在外部应力作用下可以再活动，然而fR值小于0.5说明断层面为方位不匹配断层。

综合上述学者的分析，Leclere和Fabbri[19]提出了一个通用的断层再活动评价方法—3D再活动断层分析法，这种方法在不需要假设Andersonian应力状态的情况下就可以评价断层的再活动趋势，同时考虑了内聚力、静摩擦系数和断裂带内的孔隙流体对断层活动的影响。

2 应用实例

断层滑动趋势分析已在特定应力场下断层再活动潜力评价[20-21]，地震评估[13-14]，分析应力控制流体沿断层的流动[11,22]，根据地球和其他星体上的断层样式推断区域应力场[23-24]等方面取得成功应用。

近年来，对全球变暖和气候变化的担忧使得人们对CO2埋存越加关注，CO2地下埋存主要选择枯竭的油气藏、深部的咸水层及不能开采的煤层等方式，由于CO2必须埋存几百或上千年，在这个过程中可能会受到各种因素的影响发生泄漏，所以需要对二氧化碳埋存的安全性进行评价，因而断层稳定性是二氧化碳能够长期且安全埋存地下的重要保障。Streit和Hillis[25]通过确定CO2存储位置处的断层的方位，瞬时孔隙流体压力和原地应力，应用断层滑动趋势法[10]，根据作用在断层面上的有效应力，评价了CO2埋存过程中附近断层的稳定性，通过精细3D地震解释，断面上各点的滑动趋势可以在三维空间上呈现出来(见图4)。进而可以进一步计算断层可支撑的临界流体压力(即没有引起破裂的最大流体压力)，断层临界滑动状态下的孔隙流体压力提供了最大地层流体压力的上限，所以最大注入压力应当在这个上限之下。在数值上等于作用在断层上的有效正应力与引起断层滑动时的有效正应力之差。

图4 断层面上的滑动趋势分布[25]

可见，通过滑动趋势法评价断裂的活动性能，可以确定断层边部合理注入压力，为注气井的注气上限压力决策提供指导，另外借助地震解释资料，除了可以确定单个断层不同部位滑动趋势之外，还可以在平面上标定活动断裂的分布，这样就可以明确在给定应力场状态下哪些断裂是活动的，以及断裂的哪个部位活动性最强，对成矿预测工作具有重要的指导意义。

3 结 语

断层再活动对地震灾害、CO2埋存及流体运移等都有重要的意义。综上所述，不同学者在考虑不同参数的情况下提出了多种预测断层活动性的计算方法，这些方法也在矿田勘探和地震灾害预测过程中得到了应用，但是这些应用主要是基于现今原地应力状态下的断层活动性分析，而针对古地质时期断层活动性评价的应用还罕有报道。断层活动具有多期次性，评价地史过程中的断裂活动性对恢复区域构造历史、预测矿产资源等都具有重要意义，例如在油气勘探领域，油气运移和聚集多发生在古地质时期，恢复油气成藏时期的断层活动性对明确输导断裂，指导油气勘探具有重要的价值。

计算地质历史时期的断裂活动性，关键问题在于古应力状态的恢复，根据目前3D再活动断层分析方法[18]，在已知断裂产状的情况下，只需要获得古应力方位和应力形态比就可以计算断层的活动性，而这些参数可以通过断层滑动数据[26-29]和方解石双晶反演[30-32]的方法来可以获得，进而使得断层古活动性的评价成为可能，届时将进一步促进矿产勘查过程中的目标选取。