巖層厚度對砂巖斜交構造裂縫發育的影響

董有浦 ,燕永鋒肖安成,吳 磊,徐 波,趙海峰,李旭英

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院 地球科學系,云南 昆明 650093;2.浙江大學 地球科學系,浙江 杭州310027;3.昆明理工大學 城市學院 建筑學系,云南 昆明 650051)

0 引 言

構造裂縫是巖石在構造應力作用下,超過彈性強度后破裂而成的。構造裂縫既是裂縫性油氣藏主要的儲存空間,也可以作為油氣運移的通道(宋惠珍等,1999;張義楷等,2006;任麗華和林承焰,2007),因此,研究構造裂縫的形成及其分布規律對油氣勘探開發具有重要意義。20世紀 80年代國際上開始研究裂縫的定量描述方法,早期主要針對巖芯裂縫進行統計(李樂等,2011)。近年來,地震(李忠等,2007;葉泰然,2007;Ferrillet al.,2009;王勝新等,2011)、常規測井(孫建孟等,1999;鄧攀等,2002;康義逵等,2002;Prioul and Jocker,2009)和成像測井(陳鋼花等,1999;秦巍和陳秀峰,2001;柯式鎮和孫貴霞,2002;馮斌等,2003)等方法也用來進行裂縫檢測。由于這些地球物理手段成本較高,且存在多解性,導致其應用也存在一定的局限性。因此,野外露頭觀測依然是裂縫研究的一種重要手段。

野外觀測發現,構造裂縫具有良好的方向性,發育受到其他構造的影響,有些裂縫垂直于層面、褶皺軸面,或是線劈理和板劈理,有些裂縫平行或垂直地表(Suppe,1983)。地層厚度(Ladeira and Price,1981;Huang and Angellier,1989;Cooke and Underwood,2001)、構造位置(Horne and Culshaw,2001;Lagoeiro et al.,2003;Kajari and Mitra,2009)和斷層(杜永燈和張翠梅,2009;鄧虎成,2009;李樂等,2011)等地質因素都會影響裂縫的發育。早在 20世紀40年代,學者們就發現了地層厚度對裂縫發育具有重要的影響。其中,對地層厚度如何控制與層面垂直的裂縫的發育作了充分的研究,例如肖安成等(2010)①肖安成,沈曉華,潘保芝,董有浦,蘇楠.2010.復雜含油氣盆地構造及其控油氣作用——裂縫性油氣藏構造控制與評價技術.國家“十一五”科技重大專項項目：230-235.發現在擠壓作用下形成的共軛剪切裂縫密度與地層厚度為反比例線性關系;與層面垂直的張裂縫也與地層厚度為反比例線性關系(Wu and Pollard,1995;Ji et al.,1998;Bai and Pollard,2000;Odonneet al.,2007;Lezinet al.,2009),裂縫發育隨著地層厚度的增加而減少。同時 Ladeira and Price(1981) 指出,這種反比例線性關系是當地層厚度不超過1.5 m時才成立;但是Wennberg et al.(2006)統計發現,即使在地層厚度小于1.5 m的情況下,這種線性關系也可能不存在。

盡管前人對地層厚度如何控制裂縫發育做了大量的研究,但是對地層厚度如何控制與層面斜交的裂縫發育的報道相對較少。裂縫分布規律的地震反演及解釋需要搞清楚構造裂縫分布與地層厚度之間的關系。本文對揚子地塊錢塘坳陷砂巖中發育的與層面斜交的構造裂縫進行了系統的測量與統計,分析了巖層厚度對這種構造裂縫發育的影響及裂縫分布規律。

通過對該區域與層面斜交的構造裂縫分維數的系統測定,提出了地層厚度與層面斜交的構造裂縫的數學模型,并且探討了裂縫成因與裂縫分布特征的關系。

1 研究區地質背景及研究方法概述

1.1 研究區地質背景

研究區位于浙江省富陽市,區域構造位置處于揚子地塊南緣的錢塘坳陷,是揚子地塊的一個次級構造單元(圖1)。研究區靠近揚子地塊和華夏地塊的結合部,現今構造總體發育了一系列 NE-SW 和NW-SE向斷層(姚琪等,2010),研究區內古生界強烈變形,地層陡立,斷層發育,褶皺類型以侏羅山式為主。本文所研究的地層均為古生界,地層破碎,構造裂縫較為發育。

1.2 研究方法概述

構造裂縫的野外識別是測量工作的前提,本文采用了李樂等(2011)識別構造裂縫的方法。

由于裂縫本身具有典型的自相似性,因此,完全可以利用分形的手段來研究和預測其分布(侯貴廷,1993,1994;王自明等,2005;譚凱旋和謝焱石,2010)。作者將露頭觀測方法與分形幾何學相結合,研究裂縫的分形分布特征。描述分形的定量參數稱為分維數(D),孟慶峰等(2011)、鞠瑋等(2011)、張慶蓮等(2011)先后統計發現構造裂縫的分維數與裂縫密度有著明顯的線性關系,裂縫的分維數越大,裂縫的密度也越大。

圖1 研究區地質簡圖(朱光等,1999)Fig.1 Simplified structural outline of the study area

作者采用數格子法研究了構造裂縫的分形特征,具體做法是:用邊長為r的正方形網格覆蓋剖面上的裂縫,然后統計包含裂縫的格子數N(r),逐步改變正方形的邊長尺度,分別統計對應的N(r)值,如果個數和尺寸之間存在負冪函數關系,則露頭裂縫具有分形特征:

其中,N(r)表示正方形中所具有的裂縫個數;r表示正方形的邊長;C表示常數;D表示分維數。

分維數的計算公式為:

2 砂巖剖面中與層面斜交的構造裂縫的分形分布特征

構造裂縫的發育與地層巖石的力學性質有關,而地層巖石的力學性質主要受地層沉積環境和成巖歷史的控制(Wennberg et al.,2006)。為了避免構造和巖性對構造裂縫分維數的影響,本文所選取的剖面內無規模較大的斷層發育,均為巖性變化不大且構造性質比較穩定的剖面。

2.1 康山組剖面

中、下泥盆統康山組剖面位于浙江省富陽市的道彭塢村,剖面屬于公路邊坡,走向為南北向,長度約為 10 m,地層為厚層至塊狀砂巖,出露良好。地層陡傾,產狀為150°60°(∠圖2a),構造裂縫的發育受到層面的限制。

在該剖面中實測裂縫67條,與層面平行或垂直的裂縫相對較少(圖3、4、5),而與層面斜交的裂縫最為發育。其中,與層面平行的裂縫將原本厚度較大的地層切割成較薄的地層(圖3),作者未發表數據分析認為與層面平行的裂縫形成于地層褶皺變形前。根據Stearns(1968)的裂縫分類方案(圖6),與層面斜交的裂縫屬于③、④和⑤組,認為①組裂縫是在褶皺早期應力場作用下形成的,②組裂縫形成于褶皺變形以后,而③、④和⑤組裂縫的形成與褶皺晚期的局部應力場有關。

所有構造裂縫均未被充填,絕大多數與層面斜交的構造裂縫面較平直,產狀穩定,較為緊閉,開度較小,呈現剪切裂縫的特點。

根據對構造裂縫分維數的統計(表1),所有分維數統計的相關系數均大于 0.99,說明該剖面中構造裂縫具有良好的分形特征。在厚度小于1.5 m的地層中分維數最小值為 1.373,最大值為 1.881,平均值為 1.6403;而在大于1.5 m的地層中分維數為1.907,統計結果表明在層厚較大的地層中裂縫分維數值較大,而在厚度較小的地層中,分維數值較小,兩者呈對數關系(圖2b),裂縫分維數值有隨著地層厚度增大而增大的趨勢,這一結果與前人的研究(孟慶峰等,2011)不同。

2.2 唐家塢組剖面

中、下泥盆統唐家塢組剖面位于浙江省富陽市的章家村,該剖面屬于公路邊坡,走向為南北向,剖面長度約為100 m,地層為厚層至塊狀砂巖,出露良好,地層陡傾,產狀為 130°∠80°(圖7a)。野外觀測發現構造裂縫的發育均受到地層面的限制,裂縫產狀的極密圖及走向玫瑰花圖如圖5所示。

圖2 康山組實測剖面(a)和構造裂縫與地層厚度對數擬合圖(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)

圖3 康山組實測剖面不同厚度巖層裂縫發育對比圖Fig.3 Maps showing the difference of fracturing degree in various bed thickness in the Kangshan Formation

表1 道彭塢村康山組裂縫的分形分布特征Table1 The raw data of the Kangshan Formation section

圖4 康山組實測剖面中裂縫與層面的夾角Fig.4 The angles between the fracture and bedding surface in the Kangshan Formation

圖5 康山組和唐家塢組剖面裂縫的極坐標投影和走向玫瑰花圖Fig.5 Stereograms and rose diagrams

圖6 褶皺相關裂縫的分類方案(Stearns,1968)Fig.6 Types of folding related fractures

在該剖面中實測裂縫 240條,將該剖面發育的構造裂縫與康山組剖面進行比較,可以看出二者具有較多的相似性。首先,與層面斜交的裂縫最為發育,與層面平行或垂直的裂縫發育較少(圖5、8、9),與層面大致平行的裂縫將原本厚度較大的地層切割為厚度較小的地層(圖8)。其次,在該剖面中所有構造裂縫均未被充填,絕大多數與層面斜交的構造裂縫面較平直,產狀變化小,延伸較長,較為緊閉,開度較小,呈現出剪切裂縫的特點。

根據對構造裂縫分維數的統計(表2),分維數的相關系數大于0.98,說明構造裂縫也具有良好的分形特征,厚度小于1.5 m的地層中分維數最小值為 1.5686,最大值為 1.7567,平均值為 1.6623;而大于1.5 m地層中分維數最小值1.6439,最大值為1.9178,平均值為 1.7498,層厚較大的地層裂縫分維數值相對較大,分維數值并不隨著地層厚度的增大而減小,兩者呈弱線性相關性,決定系數(R2)僅為0.27,分維數有隨著地層厚度的增大而增大的趨勢(圖7b)。

圖7 唐家塢組實測剖面(a)和構造裂縫與地層厚度散點圖(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)

圖8 唐家塢組實測剖面不同厚度巖層裂縫發育對比圖Fig.8 Map showing the difference of fracturing degree in various bed thickness in the Tangjiawu Formation

圖9 唐家塢組實測剖面中裂縫與層面的夾角Fig.9 The angles between fractures and beddings in the Tangjiawu Formation

表2 章家村唐家塢組剖面不同層厚構造裂縫分形統計Table2 Fractal dimension statistics of structural fractures in the Tangjiawu Formation

3 討 論

3.1 沉積巖中與層面斜交的構造裂縫分布特征

前人(Gross et al.,1995;Ji et al.,1998;Schpfer et al.,2011)建立了多個脆性地層中關于地層厚度與張裂縫發育的數學模型,統計發現張裂縫發育隨著地層厚度的增大而減少,這些學者認為張應力在裂縫發育的位置最大,距離張裂縫越遠張應力越小,這種張應力側向減小的機制與地層厚度有關。但是他們所建立的張裂縫發育的數學模型與本文所研究的構造裂縫并不相符,因為在本文中與層面斜交的構造裂縫性質多屬于剪切裂縫,是在剪切作用下發育的。

根據Stearns(1968)對褶皺相關裂縫的成因解釋,認為③、④和⑤組裂縫形成于褶皺作用的晚期,是在局部應力場作用下形成的。這種與層面斜交的構造裂縫可能有兩種成因:第一種成因,該裂縫是在層間剪切作用下在地層中形成的新的構造裂縫。由于地層彎曲變形以后,地層中可能存在層間剪切作用(易順華等,2007;Smartet al.,2009),層間剪切應力及其作用下形成裂縫系統由圖10所示,在層間剪切作用下,所形成的新的裂縫系統與地層面為斜交關系。第二種成因,該裂縫可能是早期存在的微破裂,并在層間剪切作用下發生活動。根據 Suppe(1985)的研究,地層中形成新的裂縫和早期裂縫活動所需剪切應力分別由(3)和(4)式所示,可見早期裂縫活動需要的應力小于形成新的構造裂縫所需要的應力。

其中,στ為臨界剪切應力,τ0為粘性剪切強度,σn為正壓力,PP為空隙壓力,μf為摩擦系數。

在層間滑動作用下活動的早期微裂縫以及形成新的裂縫的機制如圖11所示,可以看出活動的早期存在微裂縫也多與地層面呈斜交關系。

統計發現,與層面斜交的構造裂縫與地層厚度并不成線性反比例關系,其發育程度甚至有隨著地層厚度增加而提高的趨勢。作者根據層間滑動作用解釋裂縫的這種分布特征,根據 Ramsay(1985)對彎滑褶皺中平行層面的剪切作用的研究,層間的滑動量(S)與褶皺巖層的傾角(D)和厚度(t)的乘積成正比,

圖10 左旋剪切作用下形成的里德爾型構造裂縫(Dresen,1991)Fig.10 Characteristic array of the Riedel fractures

圖11 新構造裂縫形成和早期裂縫活動的庫倫-摩爾應力法則(Suppe,1985)Fig.11 Mohr diagram showing the Coulomb fracture and frictional sliding criteria

數學表達式為:

從(5)式可以看出,在地層傾角相同的情況下,層間滑動量隨著地層厚度的增加而增加,因此,在厚度較大的地層中滑動量較大,也就在其中形成了數量較多的裂縫。

同時,值得注意的是在上述兩處剖面中,厚度較大的地層中均發育了與層面大致平行的構造裂縫。前人的研究發現,裂縫系統的發育隨著地層厚度的減小而增加。因此,原本厚度較大的地層發育了與層面平行的裂縫后,將其切割為厚度較小的“薄層”,當其繼續受到構造應力作用時,在厚層中就可能會發育較多的裂縫。

3.2 裂縫對油氣運移的影響

研究砂巖地層裂縫的分形分布特征對理解裂縫作為油氣的儲存空間、運移通道具有重要的意義,裂縫發育程度越高,裂縫網絡越有可能成為良好的油氣運移的通道。通過對研究區裂縫分布特征的研究發現,與層面斜交的構造裂縫在厚度較大的砂層中發育程度較高,這就為油氣儲存提供了必要的空間,而且致密巖層之間的油氣運移也需要較多的裂縫發育。因此,厚度較大的砂巖就可以作為油氣儲存空間或運移的通道。

本文主要研究了褶皺變形的厚層至塊狀砂巖中的構造裂縫分布特征,這些構造裂縫與層面斜交。褶皺變形以后,地層在局部應力場的作用下形成了與層面斜交的裂縫,其形成機制及與其他組裂縫的成因聯系、聯通關系還需要進一步的研究。

4 結 論

揚子地塊錢塘坳陷中、下泥盆統砂巖中發育構造裂縫具有以下幾方面的特征。

(1) 在厚層至塊狀的砂巖地層中,裂縫均有發育,并且絕大多數裂縫的發育受到地層面的限制。

(2) 地層中主要的構造裂縫與地層面斜交,根據 Stearns (1968)的裂縫成因解釋,該裂縫是在褶皺變形后局部應力場的作用下形成的;還發育少量與層面大致平行的裂縫,其延伸相對較長,將厚層切割為較薄的巖層。

(3) 裂縫的分維數不與地層厚度成反比例線性關系,甚至有隨著地層厚度的增加而增加的趨勢。

(4) 厚度較大的砂巖地層可能成為油氣儲存空間或者運移的通道。

致謝:北京大學地球與空間科學學院侯貴廷教授對本文提出了寶貴的修改意見,顯著提高了本文的質量,特此致謝。

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