云南洱源碎屑巖層系構(gòu)造裂縫密度影響因素

金文正，白萬奎

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；2.非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評價與開發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東 東營 257000)

構(gòu)造裂縫是常見的地質(zhì)構(gòu)造類型之一，在不同地質(zhì)環(huán)境中廣泛發(fā)育，由于構(gòu)造裂縫形成與演化與區(qū)域應(yīng)力場關(guān)系密切，同時又可以成為地質(zhì)流體礦產(chǎn)富集的主要場所，所以對于構(gòu)造裂縫的形成機(jī)制和分布預(yù)測具有重要的理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)作用。目前關(guān)于構(gòu)造裂縫預(yù)測有多種方法，比如地球物理學(xué)方法[1-2]，包括測井方法、地震方法、重力方法等；構(gòu)造應(yīng)力場或應(yīng)變場數(shù)值模擬[3]，包括應(yīng)力場數(shù)值模擬和有限變形數(shù)值模擬等；構(gòu)造物理模擬[4]和常規(guī)地質(zhì)方法[5]。本次以地?zé)崮苜Y源十分豐富的云南省大理州洱源縣為研究區(qū)[6]，通過野外地質(zhì)調(diào)查獲得地表巖層露頭的構(gòu)造裂縫發(fā)育密度，分析和預(yù)測這些層系構(gòu)造裂縫分布特征，并探討影響這些層系構(gòu)造裂縫發(fā)育密度的主要影響因素，旨在為該地區(qū)后期地?zé)崮苜Y源勘探有利區(qū)的確定提供一定的參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景

云南省位于印度板塊與上揚(yáng)子地塊碰撞后形成的多條大型斷裂帶密集分布區(qū)域，其中云南省大理白族自治州(簡稱：大理州)位于紅河斷裂帶北東端，是青藏高原東南緣地殼物質(zhì)擠出變形的重要調(diào)節(jié)區(qū)域[7-11]，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖1-A)，一組與鶴慶-洱源斷裂總體走向一致呈北東向，另一組與紅河斷裂帶走向一致呈北西-北北西向[12]；按斷層性質(zhì)將斷裂劃分為走滑斷裂、逆沖斷裂和張性斷裂[13-14]。洱源縣斷裂同樣具多期性、多方向性、多極性等特征(圖1-B)[15-16]。其中北西走向斷裂多被北東走向斷裂切割，兩種走向斷裂不僅具有同一構(gòu)造應(yīng)力場形成的特征，在后期(喜馬拉雅時期以來)的構(gòu)造運(yùn)動中，尤其是新構(gòu)造運(yùn)動中，形成大量的北東走向斷裂，具有至少兩個時期“構(gòu)造位移”的積累。

圖1 云南洱源縣區(qū)域構(gòu)造綱要簡圖Fig 1. Outline Map of Regional Tectonics in Eryuan County，Yunnan Province

1.2 沉積地層

大理州位于上揚(yáng)子板塊邊界[17-18]，元古代以來地層發(fā)育較為齊全[19]，洱源縣除寒武系之外，從元古界至第四系均有出露，最老元古界(蒼山群)出露于羅坪山，其東西兩側(cè)分別為羅坪山斷裂和維西-喬后斷裂，新生代地層主要分布于洱源盆地及周緣局部地區(qū)。平面上，地層展布受斷裂影響明顯(圖1)，在維西-喬后斷裂帶以西地區(qū)，地表主要出露中生界和新生界；維西-喬后斷裂帶與北排-正生村斷裂帶間主要為元古界變質(zhì)巖系，局部發(fā)育二疊系玄武巖及新生界；鶴慶-洱源斷裂帶以西地區(qū)，地表主要出露古生界(寒武系除外)；在鶴慶-洱源斷裂帶及北排-正生村斷裂帶以東地區(qū)，主要為新生界、三疊系和二疊系玄武巖，新生界主要分布于洱源盆地，三疊系出露于南大坪斷裂帶以東區(qū)域，洱源縣東南端主要為二疊系玄武巖和第四系覆蓋。

2 研究方法

預(yù)測構(gòu)造裂縫有地球物理學(xué)方法、構(gòu)造應(yīng)力場或應(yīng)變場數(shù)值模擬、構(gòu)造物理模擬和常規(guī)地質(zhì)方法等多種方法。本次研究采用常規(guī)地質(zhì)方法，選取35個野外地質(zhì)露頭觀測點(diǎn)(圖1-B)，以洱源縣白堊系、三疊系、泥盆系和志留系等四個主要碎屑巖層系為研究對象，通過野外地質(zhì)調(diào)查，收集記錄巖層露頭構(gòu)造裂縫數(shù)據(jù)，包括露頭所屬地質(zhì)年代、巖性特征、單層地層厚度、構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀、延伸長度及寬度等內(nèi)容，根據(jù)裂縫分布特征識別出共軛裂縫，記錄其各自相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果圖件(1：20萬和1：5萬地質(zhì)圖)和觀測點(diǎn)周邊斷裂分布，記錄每個觀測點(diǎn)與周邊最近斷裂的距離，通過數(shù)學(xué)擬合方式，分析各個觀測點(diǎn)構(gòu)造裂縫發(fā)育密度與斷裂距離、地層單層厚度間的各自函數(shù)關(guān)系，總結(jié)露頭區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育規(guī)律，應(yīng)用于覆蓋區(qū)深部地層構(gòu)造裂縫的預(yù)測。

3 預(yù)測結(jié)果

(1)白堊系構(gòu)造裂縫預(yù)測結(jié)果：白堊系構(gòu)造裂縫密度隨斷裂帶距離之間的函數(shù)關(guān)系表明，二者之間為負(fù)相關(guān)特征，反映出斷裂帶對裂縫發(fā)育密度的影響十分明顯(圖2-左上圖)，隨著距離斷層距離增大，構(gòu)造裂縫密度明顯降低，其中1km范圍可作分界線，距離斷裂1km以上區(qū)域，斷裂對構(gòu)造裂縫密度影響變化緩慢，超過4km以上區(qū)域，基本上已經(jīng)無影響。

圖2 主要層系裂縫密度與斷層距離之間的關(guān)系Fig 2. The Relationship Between heFracture Density and The FaultDistance in The Main Strata

洱源縣西側(cè)地區(qū)為白堊系構(gòu)造裂縫發(fā)育的有利區(qū)，構(gòu)造裂縫密度預(yù)測圖與斷裂分布圖疊合(圖3-左上圖)，發(fā)現(xiàn)不同走向斷裂帶交匯區(qū)域，裂縫密度發(fā)育較大，斷裂的形成與構(gòu)造應(yīng)力場密切相關(guān)。反映不同方向構(gòu)造應(yīng)力場疊加有助于構(gòu)造裂縫的形成。裂縫發(fā)育預(yù)測圖與現(xiàn)今淺部褶皺分布圖疊合，發(fā)現(xiàn)褶皺對構(gòu)造裂縫的發(fā)育也具一定影響，在褶皺構(gòu)造中間區(qū)域構(gòu)造裂縫并不明顯，褶皺構(gòu)造傾末端為裂縫發(fā)育的主力地區(qū)。在多個褶皺構(gòu)造相互銜接的區(qū)域，也是裂縫發(fā)育的主力地區(qū)。

圖3 洱源縣主要層系裂縫發(fā)育密度與斷裂褶皺疊合圖Fig 3.The Superimposed Map of The Fracture Density Development and Fault and Folds in The Main Strata of Eryuan County

(2)三疊系構(gòu)造裂縫預(yù)測結(jié)果：與白堊系相似，三疊系構(gòu)造裂縫密度隨斷裂帶距離之間同樣表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)特征(圖2-右上圖)，不同的是距離斷裂800m位置可作分界線，距離斷裂800m內(nèi)，隨斷層距離增大，裂縫密度急劇降低，超過800m區(qū)域，裂縫密度降低的速度變緩。

三疊系裂縫在洱源縣西北地區(qū)和西南地區(qū)較為發(fā)育(圖3-右上圖)，主要原因是這兩個地區(qū)斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造相對更為發(fā)育，并且分布至少兩組不同走向的構(gòu)造變形行跡。且這兩個區(qū)域三疊系頂部覆蓋有白堊系，在三營鎮(zhèn)東側(cè)地表出露三疊系，表明上覆有沉積蓋層的區(qū)域?qū)α芽p的發(fā)育有一定的促進(jìn)作用。

(3)泥盆系構(gòu)造裂縫預(yù)測結(jié)果：泥盆系構(gòu)造裂縫密度與斷裂距離同樣表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)(圖2-左下圖)，但是裂縫密度變化的分界線大約在距離斷層500m，相比白堊系和三疊系，該分界線又進(jìn)一步縮小。構(gòu)造裂縫預(yù)測結(jié)果表明，洱源縣喬后鎮(zhèn)及其北側(cè)區(qū)域?yàn)槟嗯柘盗芽p發(fā)育有利區(qū)(圖3-左下圖)，如前所述，這與不同走向斷裂構(gòu)造的分布、褶皺構(gòu)造展布具相關(guān)性，且隨著深度增加，地表構(gòu)造對于深部地層裂縫的影響逐漸減小。

(4)志留系構(gòu)造裂縫預(yù)測結(jié)果：數(shù)學(xué)分析結(jié)果表明，志留系構(gòu)造裂縫密度與斷裂距離同樣表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)(圖2-右下圖)，但與前述三套地層不同的是，未發(fā)現(xiàn)存在構(gòu)造裂縫密度降低速率變化的分界線，此外，志留系裂縫在洱源全縣均有分布(羅坪山地區(qū)除外)，在洱源最北部裂縫密度顯著增大，其主要原因應(yīng)該是，地表出露志留系，且志留系為薄層泥巖或中薄層板巖等，屬于具韌-脆性變形特征的非能干性地層，地表及淺部構(gòu)造變形以脆性變形為主，容易形成構(gòu)造裂縫，隨深度增加，地表構(gòu)造對深部志留系裂縫影響甚微，深部更多表現(xiàn)塑性變形，較難形成有效構(gòu)造裂縫。

關(guān)于志留系裂縫分布與現(xiàn)今褶皺及斷裂構(gòu)造關(guān)系(圖3-右下圖)，認(rèn)為現(xiàn)今地表構(gòu)造與深部地層構(gòu)造裂縫關(guān)系不明顯，可能是因?yàn)榈乇順?gòu)造與地下深部地層構(gòu)造裂縫之間距離較大，未能起到有效的控制作用。

4 影響因素及誤差分析

4.1 裂縫發(fā)育密度影響因素

影響洱源縣構(gòu)造裂縫密度的因素主要有：地層單層厚度、周邊斷裂影響、地層埋藏深度及斷裂交匯點(diǎn)或者曲率發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域。

(1)地層單層的厚度：據(jù)前人研究成果，巖層厚度越大，構(gòu)造裂縫面密度越小，但裂縫規(guī)模較大[20]，且碎屑巖顆粒大小對裂縫也有影響[21]。洱源縣上述4套地層，分析結(jié)果表明(圖4-左上圖)，埋藏深度相對較淺的白堊系，構(gòu)造裂縫密度與地層厚度顯示出弱正相關(guān)性，其中R2僅0.217，所以此函數(shù)關(guān)系僅供參考，表明近地表?xiàng)l件下，地層厚度的增大在一定程度上有助于構(gòu)造裂縫的形成，但存在多種因素影響，其中地層厚度未表現(xiàn)出可靠的函數(shù)關(guān)系；埋深逐漸增大的三疊系，地層單層厚度逐漸表現(xiàn)出與構(gòu)造裂縫存在負(fù)相關(guān)性，隨地層埋深加大；泥盆系和志留系單層厚度增大明顯降低了構(gòu)造裂縫的發(fā)育(圖5)。需要提及的是，由于這4套地層存在巖性差異，故未對其進(jìn)行構(gòu)造裂縫密度的直接對比，因?yàn)閹r性及厚度不同共同導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)不同，不存在直接對比的意義。

圖4 主要地層裂縫密度與地層單層厚度關(guān)系圖Fig 4. Relationship Between the Fracture Density in Major Strata and The Thickness of A Single Layer of Strata

圖5 主要層系裂縫密度與斷裂距離及單層厚度關(guān)系對比分析Fig5. Comparative Analysis of The Relationship Between Fracture Density， Fracture Distance，And Single-Layer Thickness of Main Layers

(2)周邊斷裂影響：構(gòu)造裂縫預(yù)測結(jié)果表明，斷裂對構(gòu)造裂縫具有明顯的控制作用，但是4套層系中斷裂與構(gòu)造裂縫密度具有不同的函數(shù)關(guān)系，其中白堊系、三疊系和泥盆系呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系，不同層系具有不同的裂縫遞減速率分界點(diǎn)(圖5)，其分界點(diǎn)自白堊系至泥盆系逐漸降低，表明隨著地層埋深的增大，斷裂周圍所形成的構(gòu)造裂縫范圍逐漸縮小，對于埋深較大的志留系而言，斷裂的影響逐漸減小，未出現(xiàn)分界點(diǎn)。

(3)地層埋藏深度：地層單層厚度和斷裂對構(gòu)造裂縫的影響都與地層埋藏深度密切相關(guān)，白堊系、三疊系、泥盆系和志留系的地層埋藏深度由淺逐漸加深，構(gòu)造變形以脆性變形為主逐漸過渡到深部的塑性變形，中淺部斷裂對裂縫密度影響大，受地表?xiàng)l件影響較大，溫壓及地質(zhì)流體影響較??；隨著埋深的增大，志留系構(gòu)造變形以塑性為主，斷裂對裂縫密度影響小，而此時應(yīng)該是溫度、壓力及地質(zhì)流體影響更為明顯。

(4)斷裂交匯點(diǎn)或曲率發(fā)生轉(zhuǎn)變區(qū)域：構(gòu)造裂縫與斷裂、褶皺疊合關(guān)系表明，斷裂交匯點(diǎn)或地層曲率發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域是裂縫發(fā)育有利區(qū)，這些區(qū)域?qū)嶋H上是構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)換或疊加區(qū)域，可以認(rèn)為洱源縣所經(jīng)歷的多期構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)換或者構(gòu)造應(yīng)力疊加有助于構(gòu)造裂縫的形成，不同方向斷裂交匯部位及走滑斷裂帶走向發(fā)生轉(zhuǎn)換區(qū)域，多個褶皺或斷裂呈現(xiàn)雁列式展布的區(qū)域也可以成為構(gòu)造裂縫發(fā)育區(qū)。

4.2 誤差分析

(1)文中所統(tǒng)計(jì)構(gòu)造裂縫都是針對地表出露地層，與斷裂和褶皺構(gòu)造數(shù)學(xué)擬合關(guān)系也是基于現(xiàn)今地表構(gòu)造，深部地層預(yù)測是根據(jù)地表所得到的函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)斷裂距離反推而得到構(gòu)造裂縫密度，由淺部獲得的函數(shù)關(guān)系沿用至深部地層，可能會存在一定的誤差，由于沒有鉆探深部地層巖心構(gòu)造裂縫數(shù)據(jù)，無法驗(yàn)證和修正，故本文分析結(jié)果可能存在一定誤差。

(2)洱源縣不同走向的斷裂較多，致使不同地區(qū)、不同巖性可能具有更為細(xì)致的構(gòu)造裂縫密度差異特征，需要大量的實(shí)測數(shù)據(jù)才能降低實(shí)驗(yàn)?zāi)M誤差和人為測量誤差，研究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，巖石陡峭，部分區(qū)域很難獲得實(shí)測數(shù)據(jù)，也會對模擬結(jié)果造成一定的影響。

5 結(jié) 論

(1)在平面上，洱源縣西部及中北部地區(qū)為白堊系、三疊系等主要碎屑巖層系構(gòu)造裂縫發(fā)育有利區(qū)，構(gòu)造裂縫與現(xiàn)今斷裂關(guān)系密切，觀測點(diǎn)與周邊斷裂的距離與構(gòu)造裂縫密度為負(fù)相關(guān)，其中白堊系、三疊系和泥盆系斷裂能夠顯著影響構(gòu)造裂縫密度的距離分別為1km、0.8km和0.5km。

(2)隨著地層埋深的增大，地層單層厚度逐漸表現(xiàn)出與構(gòu)造裂縫存在負(fù)相關(guān)性，構(gòu)造變形從脆性變形過渡到塑性變形，中淺部地區(qū)斷裂對裂縫密度影響明顯，溫壓及地質(zhì)流體影響較小，深部地層斷裂對裂縫密度影響小，而溫度、壓力及地質(zhì)流體影響更為明顯。

(3)構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)換或疊加區(qū)域?yàn)闃?gòu)造裂縫發(fā)育有利區(qū)，表現(xiàn)為在不同方向斷裂交匯部位、走滑斷裂帶走向發(fā)生轉(zhuǎn)換以及多個褶皺或斷裂呈雁列式展布等區(qū)域具有較高的構(gòu)造裂縫密度。

致謝：在此特別感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)張金川教授、以及香港中文大學(xué)(深圳)譚慧副研究員在本次研究過程中所提供的幫助及學(xué)術(shù)討論，感謝地?zé)峥茖W(xué)技術(shù)(大理)研究院有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在野外工作及地質(zhì)研究中提供的便利條件，另外也感謝本論文審稿人及編輯部老師提出的修改意見及辛苦付出。