川西地區構造滑脫層巖石力學特征及構造變形意義

金文正，王俊鵬，崔澤宏，葉治續

?

川西地區構造滑脫層巖石力學特征及構造變形意義

金文正1,2，王俊鵬3，崔澤宏4，葉治續5

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.油氣資源與探測國家重點實驗室，中國石油大學（北京），北京，102249；3.中國石油杭州地質研究院，杭州 310023；4.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；5.中國石油天然氣股份有限公司 冀東油田分公司，河北 唐山 063200）

通過川西地區巖石樣品單軸抗壓強度測試和三軸抗壓強度測試，認為巖石抗壓強度與巖石密度具正相關關系。早期地層常具有較大的巖石抗壓強度、彈性模量、泊松比，粘聚力亦具有類似變化趨勢。構造滑脫層應具有相對較小的單軸抗壓強度、較小的彈性模量和較小的泊松比。該區從上侏羅統至中奧陶統各地層中發育多套滑脫層，即上侏羅統蓬萊鎮組、中三疊統雷口坡組、下泥盆統和志留系等。滑脫層在構造變形中多表現為各逆沖斷裂下部匯聚或尖滅消失的構造軟弱帶，且滑脫層上部層位構造變形強度較大，多形成密集分布的逆沖斷裂帶，而滑脫層下伏區域構造變形微弱，多形成傾角較緩的單斜構造或者寬緩褶皺。

構造滑脫層；單軸抗壓強度；三軸抗壓強度；川西

龍門山沖斷帶發育多套構造滑脫帶，構造滑脫帶在構造變形過程中具有重要的作用，能夠使得其上下兩套地層發生不同程度的構造變形[1-3]，在油氣勘探中具有重要的意義。滑脫層的識別具有多種方法，如地震資料[4]、野外地質調查[5]，物理模擬或者計算機模擬[6]，等等，本文通過對采自龍門山沖斷帶的巖石樣品進行巖石單軸抗壓強度分析和三軸抗壓強度分析，分析研究區不同地層的巖石力學各項參數，揭示實際構造變形中滑脫層對構造變形的影響，以此來預測、識別及確定不同深度的構造滑脫層。

1 基本原理

目前關于巖石力學參數測試的方法和流程已經成熟，已有相關國家標準及多種相關教材和指導書出版[7-10]，本次實驗的技術流程如下所述。

1.1 單軸抗壓實驗

1）概述：巖石變形實驗，是在縱向壓力作用下測定試樣的縱向（軸向）和橫向（徑向）變形，據此計算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是縱向單軸應力與縱向應變之比，規程規定用單軸抗壓強度的50%作為應力和該應力下的縱向應變值進行計算，根據需要也可以確定任何應力下的彈性模量。泊松比是橫向應變與縱向應變之比，規程規定用單軸抗壓強度50%時的橫向應變值和縱向應變值進行計算。

2）試樣制備：用鉆孔機在野外采取的巖塊上取芯，試件為圓柱體，直徑為2.5cm，高度為5cm，下每塊巖心必須制備3個。

3）主要儀器設備：鉆石機、鋸石機、磨石機、游標卡尺、天平、烘箱和干燥箱，水槽、煮沸設備、壓力試驗機、電阻應變片、粘結劑、萬用表、電阻應變儀（數據采集器）、壓力傳感器、引伸儀等。

4）實驗程序：選擇電阻片，電阻絲的長度應大于組成試樣的礦物最大粒徑或斑晶的10倍以上，將電阻片應貼在試樣高度的中部，將貼好片的試樣置于壓力機上，對準中心，以全橋或者半橋的方式聯入應變儀（或者數據采集器），接通電源，以每秒0.5~0.8MPa的加載速度對試樣加載，直至破壞，在施加載荷的過程中，由數據采集系統同步記錄各級壓力及其相應的縱向和橫向應變值，描述試樣的破壞形式，并記錄與實驗有關的情況。

5）對測試結果進行歸類分析：著重分析不同樣品之間各測試結果的差異，分析其地質背景，揭示其形成原因。

1.2 三軸抗壓實驗

表1 單軸抗壓實驗結果匯總表

1）概述：巖石三軸實驗是在三向應力狀態下測定巖石的強度和變形的方法，研究中所采用的側向等壓的三軸實驗。

2）試樣制備：試樣制備的過程與要求同單軸抗壓強度測試實驗。

3）主要儀器設備：該實驗所需的儀器設備同單軸抗壓強度測試實驗，此外，還需要三軸應力試驗機。

4）試驗程序：首先用膠液將試樣密封，將密封好的試樣放置于保護筒中，試樣在壓力室中安置好后，向壓力室內注油，測定試樣的縱向變形和橫向應變，整個實驗過程中側向壓力的變化范圍不得超過預定值的2%，實驗過程中記錄破壞時的最大載荷及相應的側向應力值，實驗結束后，取出試樣，進行破壞形式描述。

5）成果整理和計算同前所述。

2 樣品及測試結果

2.1 取樣情況

本次實驗樣品分布于龍門山沖斷帶及川西地區，北起廣元，南達雅安。涉及層位自前震旦系至白堊系，其中主要層位有志留系龍馬溪組，中下三疊統嘉陵江組和雷口坡組膏巖層和上三疊統須家河組，等等。

2.2 測試結果

本次完成上述兩類實驗，分別為單軸抗壓實驗、三軸抗壓實驗，均在北京科技大學土木與環境工程學院實驗室進行，測試結果如表1、表2所示。

3 結果分析

3.1 巖石的抗壓強度與巖石密度、巖石年代的關系

對上述實驗結果進行統計和分析（圖1），巖石抗壓強度具有隨著巖石密度變大而逐漸變大的特征，其中粘土巖和白云巖的密度變化對單軸抗壓強度具有較大影響，即粘土巖和白云巖具有較低單軸抗壓強度，分別為30MPa和45Mpa，而其它巖性地層具有較高單軸抗壓強度，大約為80MPa，具有較低單軸抗壓強度的巖石在構造變形過程中更易發生塑性變形，在構造變形過程中起到滑脫作用。

此外，隨著地層年代由新到老，巖石的單軸抗壓具有逐漸變大的趨勢，其中上侏羅統蓬萊鎮組具有最低的單軸抗壓強度，約為35MPa，古生界（主要為泥盆系和奧陶系）具有最大的單軸抗壓強度，約為100MPa。不同年代地層中，中三疊統雷口坡組、志留系及部分上泥盆統具有較低的單軸抗壓強度值，約為50MPa（圖1）。

3.2 巖石的單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比具有較好的相關性

巖石彈性模量同樣具有隨著巖石年代增大而逐漸增大的趨勢（圖1），從上三疊統的2.0GPa到中奧陶統的2.7GPa左右，其中密度較小的上侏羅統、中三疊統雷口坡組及泥盆系部分地層具有相對較低的彈性模量，約為2.5GPa。同時，泊松比數值曲線分布特征與彈性模量數值分布曲線具有較為相似，即整體上泊松比與地層密度具有較好相關性。

表2 三軸抗壓實驗結果匯總表

3.3 巖石的粘聚力變化較大，與地層年代新老與地層密度的變化關系較大

不同年代地層不僅具有密度逐漸變化的特征，同時這種變化與巖石的粘聚力的變化也具有一定的相關性，其中中三疊統雷口坡組、下三疊統、上泥盆統等各地層這種變形特征較為明顯。

3.4 識別出多套構造滑脫層

綜合分析巖石單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、密度、粘聚力五項參數，認為從上侏羅統至中奧陶統各地層中，發育多套滑脫層，基本依據為具有相對較小的單軸抗壓強度、較小的彈性模量和較小的泊松比，具有滑脫變形特征的地層主要有上侏羅統蓬萊鎮組、中三疊統雷口坡組、志留系（圖1、圖2）。

圖1 不同年代地層巖石力學參數對比分析

圖2 巖石三軸壓縮實驗結果對比分析

4 滑脫層的構造變形意義

4.1 淺層構造變形

不同時代滑脫層在構造變形過程中對構造變形具有重要的制約作用，比如在地表或者近地表發育多種類型構造，其中多數與滑脫層有關，如構造三角帶、斷彎褶皺，等等，逆沖斷裂在剖面上表現為上陡下緩鏟式特征，在平面上以弧形彎曲，斷層下端在滑脫層中尖滅消失，滑脫層本身構造變形特征不明顯，但是其上下兩套地層構造變形程度差異巨大（圖3）。

圖3 研究區地表滑脫構造變形特征（據文獻2修改）

圖A—雙重構造、圖B—斷彎褶皺

4.2 中深層構造變形

與淺部地層構造變形相似，在中深層構造變形中，滑脫層同樣嚴重影響著構造變形的結果（圖4），雙重構造是其中典型的構造變形類型，頂底板滑脫層為下古生界（圖4-a）或者中生界，以雙重構造為界，上部地層多發育強烈構造變形，斷裂密集且傾角較大，部分近于直立，雙重構造下部地層構造變形較弱，地震剖面上僅可見到地層稍微傾斜，呈單斜產狀。此外，坡坪式斷裂也發育在中深層滑脫層中（圖4-b和圖4-c），且多條逆沖斷裂雖然在近地表產狀各異，但是其下端都匯集于滑脫層中尖滅消失（圖4-d），如通濟場斷裂、關口斷裂等。

圖4 川西地區典型地震剖面解釋結果[11]

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

4.3 深層構造變形

在深部構造變形中，前震旦系多個構造滑脫層影響明顯（圖5），成為多條逆沖斷裂深部匯聚并且消失的層位，吳嬋（2014）通過地球物理剖面揭示龍門山逆沖斷裂帶中安縣—灌縣斷裂與映秀—北川斷裂在地下15km左右相連，并一起延伸到深度大約20km的滑脫面上[12]。

圖5 龍門山沖斷帶深部構造變形模式圖[2]

F1-青川—茂汶斷裂；F2-北川—映秀斷裂；F3-馬腳壩—通濟場—雙石斷裂；F4-廣元—關口—大邑斷裂；

5 結論

1）巖石抗壓強度隨著巖石密度變大而逐漸變大，其中粘土巖和白云巖的密度變化對單軸抗壓強度影響較大；隨著地層年代由新到老，巖石的單軸抗壓具有逐漸變大的趨勢，同時巖石的彈性模量、泊松比、粘聚力具有相類似的變化趨勢；認為從上侏羅統至中奧陶統各地層中發育多套滑脫層，基本依據為具有相對較小的單軸抗壓強度、較小的彈性模量和較小的泊松比，具有滑脫變形特征的地層主要有上侏羅統蓬萊鎮組、中三疊統雷口坡組、下泥盆統和志留系。

2）滑脫層對不同深度構造變形的變形樣式均具重要影響，形成多種與滑脫層相關的構造變形樣式，斷層具有上陡下緩鏟式特征，其下端在滑脫層中尖滅消失，且多條逆沖斷裂在近地表區域表現為傾角較大的逆沖斷裂帶，但在深部基本上都是在幾套前述的大型滑脫層中合并或尖滅消失，此外，滑脫層上下兩套地層構造變形程度差異巨大，上部地層多構造變形強烈，而滑脫層下伏地層構造變形微弱。

[1] 金文正，湯良杰，楊克明，萬桂梅，呂志洲. 龍門山沖斷帶構造特征研究主要進展及存在問題探討[J]. 地質論評，2008，54（1）：37-46

[2] TANG Liang-jie，YANG Ke-ming，JIN Wen-zheng，Lü Zhi-zhou，YU Yi-xin. Multi-level decollement zones and detachment deformation of Longmenshan thrust belt, Sichuan basin, southwest China[J]. Science in China Series D-Earth Sciences, 2008, 51（Supp. II）: 32-43

[3] TANG Liangjie, YANG Keming, JIN Wenzheng, WAN Guimei, Lü Zhizhou, YU Yixin. Differential tectonic deformation of Longmen Mountain thrust belt, Western Sichuan Basin, China[J]. Acta Geologic Sinica. 2009, 83（1）: 58-169

[4] Sherkati Shahram, Molinaro Matteo, Lamotte Dominique Frizon de., et al. Detachment folding in the Central and Eastern Zagros fold-belt （Iran）: salt mobility, multiple detachments and late basement control[J]. Journal of Structural Geology, 2005, （27）: 1680-1696

[5] Latta D. K., Anastasio D. J. Multiple scales of mechanical stratification and decollement fold kinematics, Sierra Madre Oriental foreland, northeast Mexico[J]. Journal of Structural Geology, 2007, 29: 1241-1255

[6] Ravaglia Antonio, Turrini Claudio, Seno Silvio. Mechanical stratigraphy as a factor controlling the development of a sandbox transfer zone: a three-dimensional analysis[J]. Journal of Structural Geology, 2004, 26: 2269-2283

[7] 周生躍. 巖石力學實驗指導書. 中南大學土木建筑學院巖土工程實驗室. 2005

[8] 王寶學, 楊同, 張磊, 等. 巖石力學實驗指導書（修訂版）. 北京科技大學土木與環境工程學院. 2008

[9] 長江大學城市建設學院巖石力學課程組. 巖石力學實驗指導書. 2007

[10] 中華人民共和國國家標準：《工程巖體試驗方法標準》GB/T50226-1999

[11] 金文正, 湯良杰, 楊克明, 等. 川西龍門山褶皺沖斷帶分帶性變形特征[J]. 地質學報, 2007, 81（8）: 1072-1080

[12] 吳嬋. 龍門山構造帶深部地質結構及其對汶川地震表層破裂帶的制約[D]. 中國地質科學院博士學位論文. 2014

[13] 劉加杰，張霖，鐘穎. 川西新場須五致密儲層微觀孔隙結構特征[J]. 四川地質學報，2017，37（2）：250-252

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

國家自然科學基金項目（編號41572105、41002072）和油氣資源與探測國家重點實驗室開放課題基金（基金編號：PRP/open-1307）

金文正（1978-），男，遼寧大連人，講師，主要從事石油地質和含油氣盆地分析專業方向研究

P583

A

1006-0995（2018）04-0557-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.006