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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(8): 868-878 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0868

研究论文

走滑应变椭圆模型的改进及应用举例

邓辉,, 李果营, 杨海风, 温宏雷, 张参

中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300459

Improvement and Application of Riedel Shear Systerm

Deng Hui,, Li Guoying, Yang Haifeng, Wen Honglei, Zhang Can

Bohai Oil Reseach Institute, Tianjin Branch of China National Offshore Oil Corporation, Tianjin 300459, China

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: 国家重大科技专项项目“渤海海域勘探新领域及关键技术研究”.  2016ZX05024-003
中海石油(中国)有限公司科技项目“渤海东部走滑断裂带控藏机理研究与有利勘探目标预测”.  YXKY-2017-TJ-01

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 , E-mail:denghui6@cnooc.com.cn

摘要

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:莱州湾凹陷东北洼挤压与伸展作用共控成圈,说明走滑带内的挤压与伸展应力场同步持续、相互垂直的时空关系,以及二者的统一而非矛盾的辩证关系;渤海走滑转换带的研究成果,说明走滑带内伸展或挤压型转换带的应变走向规律;渤海某潜山油田的有效裂缝研究成果,说明有效裂缝的走向与现今走滑应力场中的伸展应变区对应的关系。

关键词: 走滑应变椭圆 ; 理论推导 ; 试验模拟 ; 应变要素 ; 完全分类

Abstract

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: Strike slip strain ellipse model ; Theoretical derivation ; Experimental simulation ; Strain factor ; Complete classification.

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本文引用格式

邓辉, 李果营, 杨海风, 温宏雷, 张参. 走滑应变椭圆模型的改进及应用举例. 地球科学进展[J], 2019, 34(8): 868-878 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0868

Deng Hui. Improvement and Application of Riedel Shear Systerm. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(8): 868-878 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0868

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

图1   右行力偶产生的走滑应变椭圆[5]

Fig.1   The strike slip strain ellipse produced by the right line of force pairs[5]


在实际情况中走滑伴生的多数破裂可在该模型的七要素中找到归属,如渤海郯庐断裂带围区发育的诸多伴生断层以NE和NNE向居多[8,9],据其与PDZ的夹角判断这些断层分别属于T破裂、R破裂。

但有一部分断层与上述七要素难以准确对应,如夹于T断裂与R断裂之间的断裂。有学者认为它们处于R破裂顺时针旋转向T破裂演变的过渡状态,具有伸展性质[9,10,11,12],但没有更深入研究。

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

按照矢量原则,将右行力偶(OC,与PDZ方向平行)分解为2个相互垂直的次级应力场:挤压分量(OA)和伸展分量(OB[5]图3)。某一方向产生应力的合力是伸展分量与挤压分量在该方向投影的矢量之合。如n方向,OA投影为OPOB投影为OQ,二者矢量之合为ON;数学方法可证实,所有方向的合力点组成一个圆,称“合力圆”(图3)。合力圆中OC方向(PDZ)合力最大,与该方向垂直方向(OO')合力最小(为0),记为OO'OC,OAOBOO'将该合力圆分为4个区域,分别命名为1~4区(图3)。不同区域的力学状态不同。

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


OAOB对应的应变分别为纯伸展性质、纯挤压性质,应变方向垂直于应力方向,分别为OB和OA走向。当且仅当这2组方向的应变与挤压、伸展分量相互垂直正交,形成的应变是单纯的伸展或挤压性质。其他所有方向的应变均与OAOB不同角度斜交,故具有不同程度的剪切性质(图4)。

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

张性正交,无走滑性质;张性斜交,右行走滑;张性斜交,左行走滑;压性正交,无走滑性质;压性斜交,左行走滑;压性斜交,右行走滑

Tensional orthogonality with none strike-slip property;Tensional oblique cross, right walk slippery; Tensional oblique cross, left walk slippery;Compressional orthogonal, no walking slip; Pressure oblique intersection, left walking slip; Compression oblique intersection, right walking slip


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


在走滑运动中,两侧块体沿直线相对平移运动不会产生伸展或挤压性质;但若运动轨迹发生弯曲,则走滑主断层在弯曲处两侧块体的运动必然呈现聚敛或离散运动趋势,分别产生挤压或者伸展性质(图6)。而对于走滑派生断层来说,走滑运动过程中断层面摩擦牵引使其发生与走滑方向相同的旋转。假设派生断层两侧的摩擦牵引作用等效,则两侧横向长度的差异使得旋转的角速度有所差异,进一步导致角度不同的派生断层产生压性、张性或不具有张性、压性(图7)。

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


图5图8的分类方式叠加可得图2所示的模型。与之相应,在图3的应力解析中,1+2区与3+4区分别处于伸展分量与挤压分量所在半圆,对应的应变分别具有伸展或挤压性质,应变的方向与应力的方向垂直。OAOB在1+4区中所有方向的投影矢量方向相同(如OC方向),相应的应变(破裂)具有同向走滑性质;而在2+3区的所有方向中, OAOB的投影矢量方向相反(如PQ方向),相应的应变(破裂)具有反向走滑性质。因此图2所示模型展现了构造应力学与构造运动学的理论统一。

4 实验模拟

有关走滑应变的模拟实验已有大量成果,多数试图模拟走滑伴(派)生的原生破裂形成机理。模拟结果与自然地层中的构造样式有所差异。如在以不具有内聚力的沙箱为材料的诸多实验模拟的次级张性破裂中,R破裂大量发育而T破裂很少[14,15,16,17,18,19,20],但是渤海郯庐断裂带(地层中岩石具有内聚力)派生的次级张性破裂中,T破裂多而R破裂少。

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


当夹角分别为105°(图9g),120°(图9h),135°(图9i),150°(图9j)和165°(图9k)时,雁列破裂不再开启,而是随着主剪切运动的进行并趋于紧闭,即具有挤压性质。在105°和120°时其左行剪切性质相对容易观察到(图9g和9h),即“挤压兼左行剪切性质”;而在135°时其左行剪切性质极弱,不易观察到(图9i);在150°时开始具有微弱的右行剪切性质(图9j),在165°时右行剪切性质相对明显(图9k)。由此可见,在本实验中纯挤压性质应变带应为135°~150°,更接近135°。

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


右行运动开始时,先期“雁列断层”的裂缝宽度增大,同时兼有一定右行剪切性质,即处于“伸展兼右行走滑区”(图10b)。继续运动,裂缝宽度持续增大,并在某一瞬间,其右行剪切运动停止,随后转为左行剪切运动。在右行剪切向左行剪切运动切换的一瞬间,裂缝持续增宽,表明此时仅具有伸展作用,而不具有左行或右行剪切性质,即“纯伸展应变带”(T破裂、OB方向,图10c)。

经“纯伸展应变带”后,随着主走滑运动的持续进行,“雁列断层”在左行剪切运动的同时,其裂缝宽度不断增大,即进入“伸展兼左行走滑区”(图10d)。继续运动,“雁列断层”在左行剪切运动过程中的某一瞬间,其裂缝宽度达到最大,随后又开始变小。在裂缝宽度最大的这一瞬间,其增速为0,表示此刻裂缝的伸展性质衰减至0,挤压性质尚未开始,但左行走滑运动持续进行,即“纯左行走滑应变带”(OO′方向,图10e)。此时裂缝走向与主走方向垂直。

经“纯左行走滑应变带”后,随着主走滑运动的持续进行,“雁列断层”的裂缝宽度开始变小的同时,左行剪切运动仍在持续,即进入“挤压兼左行走滑区”(图10f)。在裂缝宽度变小的过程中,其左行剪切运动在某一瞬间停止,随后转为右行剪切性质。在左行向右行切换的这一瞬间,裂缝宽度依然在变小,即“纯挤压应变带”(OB方向,图10g)。

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。

本组实验侧重描述应变性质之间的过渡关系。如张性应变区与压性应变区之间必然存在一组既不伸展亦不挤压的应变带(即纯左行挤压性质,图 10e),起到过渡与连接作用,使得模型的几何学实现统一。在应变性质的模拟方面,2个实验结果类似,均与图2所示模型吻合。

4.3 走滑增压模拟

另一个实验模拟(以泥土为材料)结果显示,在特定环境(走滑增压段),挤压作用与伸展作用可呈现正相关关系,如在“S”型走滑增压模拟试验中规模最大的伸展裂隙发育于增压最剧之处(图11)。这一现象在渤海郯庐断裂带内亦较常见,如辽西二号断裂某段连续相邻排列的增压、释压段中,2个增压段派生的正断层相对较发育,而2个释压段则无派生正断层(图12)。

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OA与挤压矢分量OB)。因此,将走滑力偶按照矢量原则分解为相互垂直的伸展分量和挤压分量是合理的;走滑带内的伸展作用与挤压作用是统一而不是矛盾的辩证关系,应当用“伸展及挤压共同作用”而不是“是伸展还是挤压”的思维来分析问题;走滑带内挤压构造与伸展构造相互垂直、同步发育的时空叠加关系与“反转构造”概念不同。

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


将该区走滑断层按照走向角度进行分段后以玫瑰图形式统计出来,并投影至走滑应变椭圆中(图14)。从该区统计结果来看,组成现有走滑断裂带的诸多早期小型断裂并非完全是纯右行走滑破裂,很多兼有伸展或挤压性质。在连接成为大型走滑断层的过程中,这部分小型断裂兼有的伸展性质和挤压性质得以保留,体现为“走滑释压段”(图15a)或“走滑增压段”(图15b)。

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。

吴智平.渤东、辽中南洼构造演化、成因机制及油气成藏主控因素研究.中国石油大学(华东)课题项目成果,2012.

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

新生代以来,渤海郯庐断裂带发育多种类型的走滑转换带,徐长贵将其总结为S型转换带、叠覆型转换带、双重型转换带、帚状转换带、叠瓦扇型转换带、共轭转换带以及复合转换带7种类型[22]。其中,组成释压型、增压型走滑转换带的次级断裂的走向分别投影于张性、压性应变走向区;共轭型转换带由同向走滑断层与反向走滑断层组成(图16)。

图16

图16   渤海主要走滑转换带的应变性质示意图(据参考文献[22]修改)

Fig.16   Strain properties of the main strike-slip transition zones in the Bohai Sea(modified after reference[22])


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OAOC(即T破裂与PDZ)之间的夹角很可能受多种因素综合影响,至少应包括岩石破裂时的内摩擦角和区域上叠加同等级别挤压或伸展应力场等因素。

(3)不同学者对R′破裂的认识不同。R′破裂被定义为反向(左行)走滑破裂,国外学者认为它与主走滑带夹角约75°[2,3,4],漆家福等[5]认为它与PDZ“呈大角度相交(或近直交)”,且“R′剪切可以不发育”。作者认为单纯的左行走滑破裂(不具有张性或压性)理论上应与PDZ垂直相交,理由如下:实验模拟结果为垂直关系;该方向(OO′方向)的合力为0是其发育较少或不发育的原因;作者在实际工作中仅遇到一例,该破裂与主走滑带近垂直相交

(4)对于单个走滑带来说,并非8种类型的次级应变全部发育,而是仅发育部分组合,且发育的规模往往差异较大,主次明显。具体以哪一类应变为主,应受多种因素影响,如叠加的其他同级别应力场(区域挤压或区域伸展)和走滑构造的演化阶段等。比如渤海海域在新生代叠加同级别的伸展应力场(动力),使得郯庐断裂带伴(派)生的次级应变以张性居多,压性应变发育相对较少。又如实验模拟表明,走滑运动初期以张性次级破裂为主,末期则大量出现压性次级破裂(如P破裂)[16,17]

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。

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