走滑应变椭圆模型的改进及应用举例
Improvement and Application of Riedel Shear Systerm
收稿日期: 2019-03-06 修回日期: 2019-07-15 网络出版日期: 2019-09-20
基金资助: |
|
Received: 2019-03-06 Revised: 2019-07-15 Online: 2019-09-20
作者简介 About authors
邓辉(1987-),男,陕西宜川人,工程师,主要从事盆地构造研究.E-mail:denghui6@cnooc.com.cn
剪切带带内某些次级应变与现有走滑应变椭圆的7类应变要素(PDZ,R,R′,P,T,Y破裂及局部挤压变形)难以准确对应。为解决这一问题,以右行走滑为例,通过理论推导与试验模拟,深入研究次级应变表现出的应变性质,并据此提出包含所有应变性质组合(8类)的完全分类模型。该模型包括4个单纯性质的应变带(纯右行走滑、纯左行走滑、纯挤压和纯伸展应变带)和4个复合性质的应变区(伸展兼右行走滑、伸展兼左行走滑、挤压兼左行走滑和挤压兼右行走滑应变区)。复合性质应变区中,越靠近单纯性质方向的应变,产生相应性质的动力就越强。该模型在理论上论证了传统走滑模型的合理性并弥补其空缺部分。同时,举3个渤海的研究实例说明该模型改进后的应用:
关键词:
For some strain in the strike slip zone is difficult to be determined accurately in the classification scheme of the 7 elements of the ellipse of the strike slip strain ellipse (PDZ, R, R', P, T, Y and local contraction), the properties of the strain elements in all directions in the strained ellipse were reunderstood by analyzing the causal relationship between the mechanical state and the strain properties in a certain direction. A new model of the Riedel shear system was proposed, which contained 4 pure strain zones (pure right walk slip, pure left walking slip, pure extrusion, pure Stretch Strain Zone) and 4 complex strain zones (both stretching and right walking, both stretching and left walking, both extrusion and left walking, both extrusion and right walking slip strain zone). The closer the crack was to the direction of a single strain band, the stronger the corresponding property. The model included all the elements of the traditional model and made up for its vacancy. It proved the rationality of the left (right) row left (right) order and the double tectonic belt rule. At the same time, three research examples of Bohai Sea were cited to illustrate the application of the model: (1) The synchronous and perpendicular spatial-temporal relationship between compressive and extensional stress fields in strike-slip zones, as well as the unified but not contradictory dialectical relationship between them, were illustrated through the example of the co-controlled cycle formation of northeastern depression in Laizhou Bay Depression; (2) The Bohai Sea walk was enumerated. The research results of the slip transition zone illustrated the strain trend law of the extensional or compressive transition zone in the strike-slip zone; (3) The relationship between the strike of the effective fracture and the extensional strain zone in the present strike-slip stress field was illustrated by giving an example of the effective fracture research results of a buried hill structure in the Bohai Sea.
Keywords:
本文引用格式
邓辉, 李果营, 杨海风, 温宏雷, 张参.
Deng Hui, Li Guoying, Yang Haifeng, Wen Honglei, Zhang Can.
1 引 言
走滑应变椭圆(Riedel shear system)是描述简单剪切变形的模型。该模型于20世纪70年代提出[1,2]。近半个世纪以来,在走滑带浩瀚的研究成果的促进下不断改进与发展,目前相对较完善的模型包含7类应变要素,分别是:主走滑带(Principal Displacement Zone,PDZ)、R破裂(Riedel shear,同向走滑断层)、R′破裂(conjugated Riedel shear,反向走滑断层)、P破裂(secondary synthetic fault,次级同向断层)、T破裂(Tension fractures)、Y破裂(synthetic fault)和局部挤压变形[3,4,5,6,7](图1)。每类构造要素均与PDZ呈一定的夹角,是判断应变要素性质的最重要依据。
图1
由此可见,目前的走滑应变椭圆的静态七要素未能对走滑带内的各种次级应变实现完全分类。受完全分类的伸展应变椭圆模型[13]启示,本文以右行力偶产生的走滑应变椭圆为例,以动力—运动学理论推导及实验模拟结果为依据,对传统模型加以改进,依据应变性质进行完全分类,并对作者实际工作中遇到的情况进行举例说明。
2 模型改进的结果
理论推导和实验模拟结果表明,走滑应力场中的各方向的应变性质随角度的变化具有连续性。自OC顺时针依次旋转至OA,OO′和OB再回到OC方向的应变性质经历了从纯右行走滑性质应变带(OC方向,PDZ)到伸展兼右行走滑应变区(夹于OC与OA之间)、纯伸展应变带(OA方向)、伸展兼左行走滑应变区(夹于OA与OO′之间)、纯左行走滑应变带(OO′方向)、挤压兼左行走滑应变区(夹于OO′与OB之间)、纯挤压应变带(OB方向),挤压兼右行走滑应变区(夹于OB与OC之间),再回到纯右行走滑性质(OC方向)(图2)。该模型包含4个单纯性质的应变带和4个复合性质的应变区,共8种类型。复合性质应变区中,越靠近单纯性质方向的应变,产生相应性质的动力就越强。如伸展兼右行走滑区中,越靠近纯伸展的方向,其伸展动力越强;越靠近纯右行走滑断层的方向,其右行走滑动力越强。
图2
图2
完全分类的走滑应变椭圆模型
Fig.2
A complete classification model for Riedel shear system
图2所示模型对走滑带内的构造应变进行了完全分类。传统模型中的T破裂应与纯伸展性破裂(OA)对应;“局部挤压变形”、“逆断层发育方向”应与纯挤压应变(OB)对应;而Y剪切破裂与PDZ方向平行,且均属于纯右行走滑性质,因此在本模型中二者并为一类。P破裂和R破裂在本文模型中分别属于挤压兼右行走滑及伸展兼右行走滑。不同学者对R′破裂的认识有所差异,后文予以讨论。
3 应力解析与动力—运动学推导过程
图3
图3
右行力偶产生的合力圆
Fig.3
The resultant force circle produced by the right line couple
与
图4
图4
应力及方向对应走滑性质的完全分类示意图
Fig.4
Schematic diagram of complete classification of stress and direction corresponding to strike slip property
因此依据是否具有剪切(走滑)性质,所有方位的应变可以完全分类为右行剪切(走滑)区、左行剪切(走滑)区、无剪切性质应变带(纯挤压性与纯伸展性应变带)(图5)。不具有走滑性质的2个应变方向OB与OA,在左行走滑与右行走滑区之间起到分隔与过渡作用。
图5
图5
走滑应力椭圆的剪切性质分区示意图
Fig.5
Zoning of strike slip properties of a sliding stress ellipse
图 6
图 6
走滑断层转弯段的挤压与伸展性质示意图
Fig.6
Pattern of extrusion and extensional properties of strike slip fault turning section
图7
图7
右行走滑不同角度派生破裂张、压性质示意图
Fig.7
Schematic diagram of fracture tension and pressure properties derived from different angles of right strike-slip
因此不论走滑主断层还是走滑派生断层,按照是否具有张性或压性,所有方位的应变可完全分类为伸展性质、挤压性质和不具有伸展或挤压性质。不具有伸展或挤压性质的2个应变方向OC与OO′,在伸展应变区与挤压应变区之间起到分隔与过渡作用(图8)。
图8
图8
走滑应力椭圆的断层压、张性质分区示意图
Fig.8
Zoning of the fault pressure and the tensile properties of the strike slip stress ellipse
4 实验模拟
因此本文不再模拟原生破裂产生的机理,而是转换思路,模拟先存破裂在走滑应力场中表现出的性质。由于任何原生破裂一旦产生,在下一瞬间立刻成为先存破裂,二者性质无异,故模拟的结果同样适用于原生破裂。
本文所述的实验,包括作者以食用面团为材料的2组模拟和中国石油大学(华东)课题组以泥为材料的1组模拟。由于自然界很多剪切走滑运动以雁列式破裂开始,因此在2组实验中,均在面板上人为切割1组“雁列断层”作为先存破裂,观察其在剪切运动时表现的性质。
4.1 “先存破裂”性质模拟
将实验材料加工成厚度约为1 cm的面板,并在面板上人为切割一组长度约4 cm、间隔约1.5 cm的“雁列破裂”。分别施以外力使其发生右行走滑运动,观察不同角度(单个破裂走向与本组破裂中点连线的夹角)的雁列破裂表现出来的运动性质。
实验表明,当夹角为15°时,雁列破裂微微开启,同时具有右行剪切性质,即“伸展兼右行剪切性质”(图9a);当夹角为30°时,雁列破裂开启程度增大,右行剪切性质不如15°时明显,但亦属于“伸展兼右行剪切性质”(图9b);当夹角为45°时,雁列破裂开启程度更强,但几乎观察不到其剪切性质,即非常接近“纯伸展性质”(图9c);当夹角为60°时,雁列破裂开启程度已不如45°时强烈,但此时已表现出左行剪切性质,即“伸展兼左行剪切”(图9d);当夹角为75°时,雁列破裂开启程度继续减弱,但左行剪切性质更明显,即“伸展兼左行剪切性质”(图9e);当夹角为90°时,雁列破裂不开启,但其左行剪切性质最明显,即“纯左行剪切性质”(图9f)。
图9
图9
右行剪切时不同角度雁列破裂应变性质模拟结果图
Fig. 9
Simulation results of fracture strain properties of echelons with different angles under right shear
本组实验侧重描述走滑带伴(派)生的不同角度的次级应变要素所具有的应变性质。在本实验中,改变面团的软硬程度后重复实验,结果显示相同角度的破裂表现的性质几乎不改变。由此可判断,在走滑应变中,岩石由于能干性的差异,产生的次级破裂的类型组合可能有所不同,但同一类型破裂表现出的性质不会因能干性而异,如实验材料中相对较软的面团和相对较硬的面团,以及更硬的实际地层中,R破裂均表现出伸展兼右行剪切性质,P破裂均表现出挤压兼右行剪切性质。
4.2 连续应变模拟
将实验材料加工成厚度约为1 cm的面板,并在面板上人为切割一组长度约4 cm、间隔约0.5 cm的“雁列破裂”(图10a)。施以外力使其发生匀速右行走滑运动,观察该“雁列断层”表现出来的运动性质。
图10
图10
右行剪切时雁列破裂应变性质随角度连续变化模拟结果图
Fig.10
Simulated experimental results of continuous variation of fracture strain properties with angle in strike-slip zone
经“纯挤压应变带”后,随着主走滑运动的持续进行,“雁列断层”在右行剪切运动的同时,其裂缝宽度不断减小,即进入“挤压兼右行走滑区”(图10 h);该性质一直持续至先期“雁列断层”的方向无限接近主走滑带。
4.3 走滑增压模拟
图 11
图 11
“S”型走滑增压段的物理模拟结果
Fig.11
Physical simulation results of the "S" type strike slip supercharging section
图12
图12
辽西二号断裂围区沙一段顶面构造刚要图
Fig.12
Rigid top structural map of Sha 1 member in the Surrounding area of Liaoxi No.2 Fault
由此可见,在走滑带内的挤压作用与伸展作用并非“势不两立”,而是可以共存且其强度呈现正相关。与之对应的应力,则是走滑应力场中的次级应力场(伸展矢分量
5 在渤海的应用举例
渤海海域被郯庐断走滑断裂带所贯穿,是研究走滑构造变形的天然试验场所,前人亦取得了丰厚的研究成果。作者举1例自己的研究成果及2例前人的研究成果,说明图2所示模型的应用。
5.1 渤海莱州湾凹陷东北洼
莱州湾凹陷位于渤海海域东南部,是渤海湾盆地东部边缘的一个新生代次级凹陷。其东北洼(位于凹陷东北部的次级洼陷)呈三角形态,长轴方向为近南北向,面积约200 km²。该洼陷新生代以来构造活动强烈,多条SSE倾向正断层将该分割为多个断块,表明伸展运动相对较强;不发育强烈逆冲断层,但断块内部常见多种形态和规模的宽缓褶皱,显示研究区新生代发育挤压变形但并不强烈(图13)。相对较强的伸展变形与相对较弱的挤压变形同时存在是研究区最明显的构造组合特征。
图13
图13
莱州湾凹陷东北洼构造纲要图
Fig.13
Outline of northeast sag structure in Laizhou Bay sag
图14
图14
走滑、伸展与挤压应变方位统计及在走滑应变椭圆中的投影图
Fig.14
Azimuth statistics of strike slip, extension and extrusion strain and projection map in strike slip strain ellipse
图15
图15
横穿走滑释压及增压带地震剖面图(剖面位置见图13)
Fig.15
Seismic profile of transverse strike-slip pressure release and booster zone(The section position is shown in Fig.13)
(a)和(b)对应图13中的剖面①和②
(a) and (b) correspond to sections ① and ② in Fig.13
将该区伸展断层的走向与宽缓褶皱的轴向统计出来并投影在走滑应变椭圆中(图14),结果显示,正断层的优势走向方位为NEE向(T破裂),褶皱轴向的优势方位为NNW向。由此可见,伸展应变、挤压应变相互垂直,且分别与伸展分量挤压分量相互垂直。而伸展构造与挤压构造发生时间均集中在始新世—渐新世,因此该区的伸展分量与挤压分量是持续同步、相互垂直的时空关系。
正断层的次优势方位接近R破裂(图14),是该洼陷的西部边界断裂。作为洼陷边界破裂,其伸展性质显而易见;两侧雁列式褶皱及伴生次级破裂的锐夹角指向表明该断层兼有右行走滑性质,在本模型中属于伸展兼右行走滑破裂。
正是伸展作用与挤压作用同步进行、相互垂直的时空关系,使得莱州湾凹陷东北洼形成诸多断背斜,成为有效的油气圈闭。
渤海湾盆地同时存在伸展构造系统和走滑构造系统[21],即研究区叠加同级别伸展应力场,这使得挤压分量的影响力遭到削弱,未能发育大规模逆冲断层,仅留下宽缓褶皱。但是,应特别强调,走滑带内天然地存在挤压应力场,其伸展作用与挤压作用是持续同步、相互垂直的时空关系。这与反转构造(极性相反的构造在不同期次上的叠加)截然不同,因此在走滑带内识别反转构造当特别谨慎。这些宽缓褶皱不应被视为“反转构造”。
5.2 渤海的走滑转换带
图16
5.3 渤海某潜山油田的有效裂缝
走滑应力场产生的方向各异的破裂中,规模较大者表征为伴生断层,规模较小者则为裂缝。裂缝型储层是渤海潜山最有效的储层之一。渤海某花岗岩油气田中,NE走向的裂缝为有效裂缝,油气产能较高;NW走向的裂缝则为低效或无效裂缝,油气产能低[23]。
该区位于郯庐断裂带辽东湾段,现今受右行走滑应力场影响。将走滑应力椭圆方位与郯庐断裂带PDZ方向摆放一致后,可发现NE走向的裂缝处于张性应变区,属于张性裂缝,故而可作为有效储集空间;而NW走向的裂缝则处于压性应变区,趋于挤压闭合状态,故而难以作为有效储集空间(图8)。
6 结论、讨论与展望
(1)据理论推导和试验模拟,以完全分类(左行、右行剪切性质与挤压、伸展性质的所有组合,共8类)为宗旨,对走滑应变椭圆的模型进一步完善。完善后的模型,弥补了传统模型的一些模棱两可之处,实现了几何学、动力(应力)学与构造运动学的统一。其实用性需接受时间的考验,希望读者予以批评或补充。
(2)本文模型中,OA和OO′分别与OB和OC相互垂直,即纯伸展应变与纯挤压应变相互垂直,纯右行走滑与纯左行走滑相互垂直。但
同时,不同走向的先期破裂,在后期的走滑应力场中亦表现出与走向相应的应变性质。如上文所举渤海某油田中先存不同走向的裂缝(多形成于中生代),在新生代右行走滑应力场中表现出不同的应变性质;又如近东西走向的莱北一号断裂在右行走滑应力场中,除以强烈伸展性质为主外,亦兼有左行走滑性质
(5)走滑带内的挤压与伸展应力场是时间上同步持续、空间上相互垂直的关系,因此研究走滑带的构造变形时应以“伸展和挤压”代替“伸展或挤压”的思维模式,应将伸展应力与挤压应力看作统一而不是矛盾的辩证关系。同时,走滑带内常常出现挤压构造与伸展构造的叠加现象,也不应被笼统认定为反转构造,而应深入分析其时空关系。只有空间上变形位移矢量在统一的平面内、时间期次上交替出现的极性相反的构造叠加才是反转构造。
(6)漆家福等[5]指出,地下岩层中多数断层的破裂方式都是剪切破裂。无论何种性质断层,均在断层面处发生简单剪切运动,进而产生一系列次级破裂或裂缝,而走滑应变椭圆模型为进一步研究次级破裂或裂缝产生的规律提供了理论模型。以此为基础,大型断层伴生裂缝的分布规律以及与裂缝相关的断层运移、封堵方面的研究或可得到进一步充实。
参考文献
Basic wrench tectonics
[J]. ,
Petroleum traps associated with wrench faults
[J]. ,
Basin Analysis:Principles and Application to Petroleum Play Assessment
[M].
Conjugate Riedel deformation band shear zones
[J]. ,
Structural Analysis of Oil Region
[M].
油区构造解析
[M].
Evolution of a strike-slip fault network, Valley of Fire State Park, southern Nevada
[J]. ,
Earth Structure—An Introduction to Structural Geology and Tectonics
[M].
Development characteristics of the cenozoic fault system and basin evolution of Bonan area in Bohai Sea
[J].
渤海海域渤南地区新生代断裂体系与盆地演化
[J]. ,
Tectonic Characteristics and Evolution of Bohai Sea and Theri Effect on Oil and Gas Occurrence During Neogene
[D].
渤海海域新近纪以来构造特征与演化及其油气赋存效应
[D].
Experiments on simultaneous faulting and folding above a basement wrench fault
[J]. ,
Experiments on oblique rifting in brittle-ductile systems
[J]. ,
Fault reactivation in brittle-viscous wrench systems-dynamically scaled analogue models and application to the Rhine-Bresse transfer zone
[J]. ,
Manifestation and origin mechanism of the fault systerm complexity in rift basin in Eastern-South China: Case study of the Nanbu and Weixinan Sags
[J].
中国东—南部裂陷盆地断裂系统复杂性的表现形式及成因机制——以南堡凹陷和涠西南凹陷为例
[J]. ,
Fault zone development and strain partitioning in an extensional strike-slip duplex: A case study from the Mesozoic Atacama fault system, Northern Chile
[J]. ,
On the formation and growth of faults: An experimental study
[J]. ,
Fault geometries in basement-induced wrench faulting under different initial stress states
[J].
Influence of erosion and sedimentation on strike-slip fault systems: Insights from analogue models
[J]. ,
The initiation and linkage of surface fractures above a buried strike-slip fault: An experimental approach
[J]. ,
Late Paleozoic strike-slip faults and related vein arrays of Cape Elizabeth, Maine
[J]. ,
Differential deformation and its main controls on strike-slip structures
[J].
走滑构造差异变形特征及其主控因素分析——基于砂箱模拟实验
[J]. ,
Two tectonic systerms in the Cenozoic Bohai Bay Basin and their genetic interpretation
[J].
渤海湾新生代盆地的两种构造系统及其成因解释
[J]. ,
Strike-slip transfer zone and its controlon formation of medium and large-sized oilfields in Bohai Sea area
[J].
渤海走滑转换带及其对大中型油气田形成的控制作用
[J]. ,
Reservoir evaluation and fracture characterization of the metamorphic buried hill reservoir in Bohai Bay
[J].
渤海变质岩潜山油藏储集层综合评价与裂缝表征
[J]. ,
/
〈 | 〉 |