走滑断裂演化程度的表征参数研究

邓铭哲,蔡芃睿,陆建林,邓 棚

中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126

走滑变形带作为我国寻找油气突破的重要领域,近几年来越来越受到各大油气公司的重视[1-3]。我国发育东部郯庐断裂带、西部阿尔金断裂带、南部红河断裂带等多条与周缘盆地演化关系密切的走滑断裂带,塔里木、四川、鄂尔多斯等克拉通内部亦发育典型的走滑破裂构造[4-9]。处于不同生长演化阶段的走滑构造具有迥异的控油气作用[10]。在塔里木盆地顺北地区,展布于碳酸盐岩地层中的走滑断裂形成了优质的油气储集空间,储集空间的大小与断裂的活动强度呈正相关,寻找到活动强度大、演化程度高的断裂是找到有利油气储集部位的重要条件[11-12]。郯庐大型走滑断裂控制了渤海湾盆地内一系列大中型油气田的分布。有观点认为,在同一大型走滑断裂带内,走滑活动越剧烈,断裂演化程度越高,油气越富集[13-14]。因此,对比区域内走滑断裂的演化程度,进而划分走滑构造带的演化阶段,是认识走滑构造活动特征及其油气资源效应的重要研究内容。

现有关于走滑断裂演化程度的分析与演化阶段的划分主要停留在定性的描述层面,其中又分为将走滑构造的活动方式,如左行、右行的转换作为划分演化阶段的依据和以断裂生长过程中的标志性事件作为划分依据[15-16]等不同研究角度。前者在不同走滑构造带划分的方案不同,并且未能涉及到断裂生长机理的分析,不具有普适性;后者将里德尔剪切过程特定走滑断裂组合样式的形成作为走滑构造演化阶段改变的标志性事件,也处于现象描述的研究层面。现有的走滑断裂演化程度判别方法主观性较强,缺少定量分析,难以形成统一、客观的标准。

本文对走滑构造物理模拟形成的实验平面图像进行采集,对图像内断裂形态开展了几何学参数的统计分析工作,发现在石英砂组成的实验材料内,走滑断裂的演化程度与断裂带内相邻断裂夹角数据的标准差呈现正相关,同时标准差的阶段性变化与断裂平面结构特征的阶段性变化呈明显的对应关系;对比国内外其他走滑构造物理模拟实验形成的实验结果与塔里木盆地顺北地区实际的断裂结构特征,提出了将走滑断裂带内相邻断裂夹角数据的标准差作为表征断裂演化程度的新认识。

1 实验设计与实验结果

1.1 实验设计

1.1.1 实验的设计思路

从基本定义上看,断裂是连续介质中形成的破碎构造,断裂两盘发生了沿断裂走向的相对滑动,决定了断裂的走滑性质。只要符合此定义,不论断裂的规模、断裂所在地层的岩石力学性质等其他条件如何,断裂的活动性质是不变的。在分析断裂结构变化过程前,先开展走滑构造物理模拟实验,是因为完全可控的实验过程意味着可以在任何时间点进行图像的截取,如果是基于现有静态的断裂结构或前人已经开展的实验的图像资料,那可能存在无法真正揭示断裂演化过程中结构特征的问题。

实验设计的思路是针对单一性质的材料块体进行剪切实验,再现纯走滑状态下的块体内断裂过程,同时采集平面上实验图像,记录断裂不同时间点的生长状态。实验于两端配置了动力轴的沙箱内开展,沙箱侧面边界为玻璃。沙箱内,实验设置的相关组成部分包括由动力轴推动的活动块体,位于块体上方与块体相连的阻挡体以及覆盖于活动块体上方的实验材料。其具体参数及空间位置关系如图1所示,在活动块体之上铺设厚度为2 cm的实验材料(图1d)。动力轴运行速度设置为0.05 mm/s,摄像机垂直俯拍,录制实验过程中平面断裂结构的变化过程。

图1 走滑构造物理模拟实验平台设置

1.1.2 实验材料的选择

实验常用的材料为干沙或湿黏土,它们的主要变形特征是相似的,但仍存在4点差异:(1)干砂中断层发育更快、位移量更大、断裂破碎区宽度更大,黏土中断层形成过程较长,相同位移量下,相对于干砂,断裂数量则会更多,断裂破碎区相对较窄;(2)干砂中变形的褶皱特征较弱,黏土中则较强;(3)干砂中先存断裂活动性较弱,湿黏土中先存断裂的再活动现象明显;(4)干砂更适合模拟小范围内岩石的局部破裂,湿黏土可模拟的断裂尺度更大。构造物理模拟实验的最终目的是为了获取清晰的断裂平面组合样式图片。综合分析认为,干砂更适合成为实验模拟的材料。

实验采用的基本材料为白色石英砂,粒径为150～200 μm,密度约1.3～1.5 g/cm3,干燥状态下粘结力约200 Pa。为了能够在平面上形成较为清晰的断裂形迹,需要对干沙进行选择或者改进。利用不同性质的实验材料,通过多组纯剪切实验进行了平面形态的对比。当含水量过高时(在砂体内掺入约10%体积的水),实验过程中断裂生长速度快、规模大,块体整体表现出更强的脆性(图2a),不利于断裂形成具有统计学意义的几何形态。当含水量过低时(干砂),断裂形成规模过小,断裂形迹不清晰(图2b),不利于进行断裂形态分析。当含水量适中时(在砂体内掺入约5%体积的水),断裂形成速度适中,断裂形迹清晰,断裂数量较多,利于进行几何学统计(图2c)。因此,选取含水量适中的石英砂体作为实验观测对象。

图2 不同性质实验材料的变形状态对比位置见图1。

1.2 实验过程与结果图像

根据录像进行截图,形成进行平面结构分析的基础资料。实验图像中,走滑断裂带内断裂样式及样式组合呈现明显的阶段性变化特征。实验初期(图3a),断裂带内断裂延伸长度短,断裂平直,与走滑方向夹角基本一致。随着位移量增加(图3b),断裂带内断裂向两端延伸,断裂数量增加,断裂的延伸方向已经明显改变,逐步接近于走滑方向,断裂组合样式为雁列式。图3c内,断裂带内断裂沿与走滑方向一致的方向进一步延伸,局部出现断裂连通情况。对比图3b与图3c的局部放大图,可见图3g中破裂1、2、3的范围在图3h中显著增加,同时破裂的方向发生调整,逐步偏向走滑方向,破裂2与破裂3已经连通。实验运行至66 s时(图3d),断裂带内大部分断裂已经连通,此时走滑断裂开始形成主位移带。至116 s时(图3f),断裂带内断裂全部连通,走滑断裂的主位移带完全形成。

图3 物理模拟实验过程中的部分视频截图及局部放大

2 实验结果分析

2.1 断裂带内相邻夹角数据的统计方法

针对平面图像内的断裂形态进行了几何学参数统计。根据断裂两个端点将断裂简化为一条线段,作为表征断裂主要几何学特征的简化图形。当两条断裂的简化图形相交时,优先统计相交切断裂之间的夹角;当断裂不相交时,统计距离线段与其两个端点垂向距离较近的其他线段之间的夹角;当相邻线段间夹角为钝角时,统计相邻线段之间夹角的补角大小。不统计与实验边界相连的断裂。

2.2 参数与断裂组合样式的对应关系

根据上述方法统计了同一条断裂带内相邻断裂夹角数据的标准差(表1)。以实验仪器动力轴运行时间为横轴,代表走滑实验过程中位移量的变化,以断裂带内相邻断裂标准差数据为纵轴,根据标准差的统计分析结果进行曲线拟合。标准差随着走滑断裂的位移量增加呈现出明显的阶段性变化,在实验初期,标准差快速增加;至56 s后,标准差不发生明显增加,稳定在8以上。这与实验过程中断裂带内断裂组合样式之间的变化过程具有良好的对应关系。在断裂带内单条断裂形态较为平直、断裂数量相对较少时,标准差值相对较小;在断裂延伸方向发生旋转,断裂组合样式变为雁列式排列时,标准差数值不断增加;在走滑断裂主位移带逐步贯通的演化过程中,标准差值相对较大,但稳定在一定的区间内,没有急剧增加(图4)。

表1 构造物理模拟实验中断裂带内断裂夹角数据统计结果

3 讨论

3.1 国外物理模拟实验对比

NAYLOR等[17]和TCHALENKO[18]开展了早期的走滑构造物理模拟研究,他们的走滑构造物理模拟实验分别在干砂和黏土中进行。本文针这两组构造物理模拟实验的平面图像进行了同样的分析(图5)。不同的实验材料意味着内剪切角存在差异,但两组实验结果在断裂带内断裂的组合样式上存在相似性。在实验初期走滑位移量相对较小的情况下,实验块体内部形成的新生破裂均较为平直,延伸长度差异较大,但断裂与断裂之间近平行排列;随着走滑位移量增加,在新生其他小规模断裂的同时,部分断裂走向偏转向走滑方向,并且局部出现了断裂连通的情况;当位移量相对较大,走滑断裂带内主要活动的断裂是由断裂带内断裂连接形成的主位移带,主位移带两侧延伸出去的其他断裂不发生明显活动。

图5 NAYLOR等[17](a)和TCHALENKO[18](b)的构造物理模拟实验平面图像

依据前文中的方法,针对这两组实验开展了断裂带内相邻断裂夹角大小的统计,并计算其标准差(表2,表3)。实验平面图像中角度统计数据的标准差具有阶段性变化的特点,标准差分布的不同范围对应了平面形态的不同特征。不论是在干砂(图6a)还是在黏土(图6b)中,断裂带内断裂间夹角数据的离散程度随走滑位移量的增加而出现明显增加,但在到达临界值后不再明显增加。从断裂生长的过程来看,断裂带内断裂初期形成时形态较为简单,初始形成的R破裂与走滑方向夹角较为一致,因此,此阶段内标准差较小。随着位移量的增加,一方面断裂带内新的断裂不断形成;另一方面,雁列式断裂的形成改变了原有断裂的走向,使得断裂带内相邻断裂的夹角大小出现明显不同,夹角数据的标准差显著上升。当走滑位移量不断增加,直至断裂带的主位移带贯通后,断裂活动位移主要从主位移带释放,不形成其他断裂,此时断裂带内相邻断裂夹角在大小与数量上均不发生明显变化,标准差值也逐步稳定,不再发生明显变化。

表2 NAYLOR等[17]开展的构造物理模拟实验中相邻断裂夹角数据统计结果

表3 TCHALENKO [18]开展的构造物理模拟实验中相邻断裂夹角数据统计结果

图6 相邻断裂夹角数据标准差与位移量变化对应关系统计数据见表2和表3。

3.2 走滑断裂演化阶段的划分方案

走滑断裂两盘的相对位移量大小与走滑断裂带内断裂的组合样式存在一定的对应关系,这一认识已经得到许多研究的证实。NAYLOR等[17]和 SCHREURS等[19]提出将走滑断裂分为雁列式阶段、弱走滑阶段、强走滑阶段。DOOLEY[20]提出雁列式断裂组合样式中的断裂,应当是在断裂初始小破裂的基础上,断裂端点指向逐步接近走滑方向的断裂,主位移带则是承担了断裂带主要走滑位移的通道,雁列式断裂的开始形成标志着走滑断裂开始形成主位移带,走滑断裂主位移带的贯通标志着走滑断裂的最终形成。国内研究学者利用CT扫描走滑构造物理模拟实验中不同位移量下的同一条走滑断裂带,认为走滑断裂演化阶段可分为萌芽阶段、R剪切断裂发育阶段、P剪切与Y剪切断裂发育阶段和走滑带贯穿阶段[21]。胡志伟等[10]认为,走滑断裂存在初期的应力累积阶段、R剪切与P、Y破裂阶段以及主位移带贯通阶段。上述阶段的划分,都使用了至少两个要素作为划分走滑断裂演化阶段的依据,如断裂带的应变集中程度、走滑位移量相对大小以及特殊断裂组合是否形成等,它反映出现有走滑断裂演化程度的表征方法仍是不清晰的,仍做不到将单因素作为走滑断裂演化阶段的划分依据。

前文已经证实,走滑断裂的平面形态变化与断裂同一条断裂带内相邻断裂夹角的标准差值变化具有良好的对应关系,断裂带内相邻断裂夹角数据的离散值可以表征断裂的结构特点,进而表征走滑断裂的演化程度。结合本次研究开展的构造物理模拟实验以及前述两组国外构造物理模拟实验,认为可以根据同一条断裂带内相邻断裂夹角数据标准差范围及其对应的平面断裂形态,将走滑断裂划分为剪切单向破裂阶段、剪切雁列破裂阶段和剪切连通破裂阶段(表4),分别对应断裂演化初期、中期和晚期。断裂演化初期,新生断裂近平行展布、断裂形态平直;断裂演化中期,断裂雁列式排列,断裂形态弯曲;断裂演化晚期,断裂主位移带形成。各个演化阶段与同一条断裂带内相邻断裂夹角数据准差值的对应关系如表4所示。

3.3 实例验证与参数有效性分析

顺北地区位于中国塔里木盆地的北部,构造单元上属于顺托果勒低凸起。顺北地区展布有多条北东、北西向走滑断裂[22],走滑断裂控制了区域内油气有利富集部位的分布,成为近几年国内走滑构造研究的热点地区。顺北地区断裂体系主要形成于加里东期,后经历了多期构造活动的改造。

顺北5号断裂是顺北地区规模最大的走滑断裂,其北段以左行走滑为主,南段、中段以右行走滑为主[23-26]。DENG等[27]的研究表明,区域内走滑断裂纵向上的结构存在差异性,表现为深部以直立断面为主(T90界面),浅部为花状构造(T70界面)。顺北5号断裂北段在T70界面上具有雁列式结构(图7b的A1),断裂带内的断裂呈近平行展布,断裂形态弯曲。统计表明,断裂带内次级断裂数量为22条(图7b的A2),形成了21个夹角数据,相邻次级断裂夹角数据标准差值约为6.84,处于4～8之间(表5),根据本次研究提出的认识,断裂处于剪切雁列破裂阶段,这与根据断裂平面结构样式取得的初步认识一致。顺南2号断裂在T70界面上为一条具有清晰主位移带的断裂带[28-29],断裂带内的次级断裂在断裂北端散开形成马尾状构造(图7b的B1)。统计了断裂带内相邻断裂夹角数据,共计18个(图7b的B2),数据标准差值为13.68(表5),认为断裂带已经处于剪切连通破裂阶段,这与通过平面图像取得的初步认识一致。

表5 实例验证中断裂标准差计算结果

图7 顺北5号断裂与顺南2号断裂平面结构分析统计数据见表5。

顺北地区油气成藏体系以寒武系为主要烃源岩、以上奥陶统为盖层、以岩溶缝洞作为最主要的储集层类型,断裂活动引起的地层破碎程度直接与储集体的规模相关,进而影响了油气聚集的规模[30]。就顺北5号断裂带而言,其北段、中段活动强度相对于南段较高,因此油气钻探的效果也更好[25]。另外,断裂活动强度差异可能引起油气资源类型空间上的聚集差异,如顺北1号断裂,其北部钻井的气油比高于南部[25]。

走滑断裂具有多期活动叠加、结构样式复合的特点,显然,从本文选取的两条断裂带上,并不能完全印证区域走滑断裂北部活动强度高、南部活动强度低的特征。因此本次研究提出的表征参数具有合理性,但也存在问题需要解决。首先是断裂活动的期次能否精确厘定的问题,即区域上发生了几次、什么方向的走滑活动,在顺北地区,中生界的大范围缺失,使得恢复中生代应力场演化过程存在难点。其次是本次研究提出的方法,是基于单期断裂活动形成的构造样式提出的。如果把构造样式作为“已知量”,构造样式与活动强度的关系作为“方程式”,相当于用一个方程式求解一个未知量,即此期断裂的活动强度,实例已经证实这是可行的。但是,当多期断裂活动复合,想要知道每一期的走滑活动强度,则需要多个“已知量”共同求解,这些“已知量”即为区域内多条断裂的结构样式。在顺北地区,走滑断裂的结构样式是“分层”的,则需要针对不同断裂、不同变形层位分层总结结构样式。因此,将走滑断裂演化程度的表征与实际勘探的应用结合起来尚需要进一步的研究。

4 结论

(1)在走滑断裂带演化过程中,相邻断裂夹角数据标准差的阶段性变化与走滑断裂处于不同演化程度时形成的平面构造组合样式具有良好的对应关系。

(2)根据不同演化程度下形成的断裂平面组合样式,走滑断裂演化阶段可以分为剪切单向破裂阶段、剪切雁列破裂阶段和剪切连通破裂阶段,分别对应了不同的相邻断裂夹角数据标准差值范围。

(3)针对走滑断裂带,通过统计断裂带内相邻断裂夹角数据的标准差值,能够分析出走滑断裂的演化程度。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

邓铭哲、陆建林参与实验设计;邓铭哲、邓棚完成实验操作;邓铭哲、蔡芃睿参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

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.