高郵凹陷南斷階東部阜寧期構(gòu)造應力場及其對斷層的控制作用

戴俊生,王霞田,,季宗鎮(zhèn),馬曉鳴,馮陣東,張效恭

(1.中國石油大學地球資源與信息學院,山東青島266555;2.中國石油新疆油田分公司,新疆克拉瑪依834000;3.中國地質(zhì)大學能源學院,北京100083)

高郵凹陷南斷階東部阜寧期構(gòu)造應力場及其對斷層的控制作用

戴俊生1,王霞田1,2,季宗鎮(zhèn)1,馬曉鳴3,馮陣東1,張效恭2

(1.中國石油大學地球資源與信息學院,山東青島266555;2.中國石油新疆油田分公司,新疆克拉瑪依834000;3.中國地質(zhì)大學能源學院,北京100083)

在斷層級別劃分的基礎上分析斷層的走向變化、組合規(guī)律及活動特征,建立地質(zhì)模型,并確定SE152°～NW332°為區(qū)域應力的加載方向,結(jié)合巖石力學試驗確定巖石力學參數(shù)及加載應力值,采用有限單元法對工區(qū)阜寧沉積期構(gòu)造應力場進行數(shù)值模擬,詳細分析構(gòu)造應力對斷層的控制作用。結(jié)果表明:南斷階東部阜寧沉積期最小主應力均表現(xiàn)為張應力,沿真①斷層在許莊地區(qū)和竹墩地區(qū)的向北凸出位置出現(xiàn)兩個最小主應力高值區(qū),斷層發(fā)育密集;剪應力呈條帶狀右旋、左旋區(qū)域相間展布,右旋最大剪應力和最小主應力控制產(chǎn)生北北東向正斷層,左旋最大剪應力和最小主應力控制產(chǎn)生近東西向正斷層。

高郵凹陷;斷階帶;斷裂特征;斷層落差;應力場;成因機制

高郵凹陷是蘇北盆地東臺坳陷中部的一個次級凹陷,由南向北劃分為南部斷階帶(南斷階)、中部深凹帶和北部斜坡帶3個次級構(gòu)造單元。南斷階是指真①斷層與真②斷層之間的狹長地帶,其東部地區(qū)自西向東主要發(fā)育許莊和竹墩兩個三級正向構(gòu)造單元,自下而上發(fā)育了古近系阜寧組(E1f)、戴南組(E2d)、三垛組(E2s),新近系鹽城組(Ny)以及第四系東臺組(Qd),其中阜寧組自下而上又劃分為阜一段(E1f1)、阜二段(E1f2)、阜三段(E1f3)和阜四段(E1f4)[1]。該區(qū)自新生代以來主要經(jīng)歷了儀征、吳堡、三垛等幾次大規(guī)模構(gòu)造運動,多期次的構(gòu)造運動導致區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂系統(tǒng)錯綜復雜,直接影響了石油勘探中斷塊圈閉的落實程度,因此斷塊主要形成期阜寧期的構(gòu)造應力場分析研究及其對斷層發(fā)育的控制等成為必須解決的問題[2-3]。筆者對南斷階東部阜寧期的構(gòu)造應力場進行數(shù)值模擬分析,進而研究其對斷層的控制作用,以指導該時期實際構(gòu)造成圖中斷層的規(guī)律性組合及其他時期構(gòu)造應力場的分析。

1 斷層基本特征

1.1 斷層的分級及展布

根據(jù)斷層的規(guī)模和對構(gòu)造、沉積的控制作用,將南斷階東部阜寧期活動的斷層劃分為4個級別(表1)[4-5]。

表1 阜寧期斷層的級別劃分Table 1 Division of fault grade of Funing sedimentary period

真①斷層作為高郵凹陷的南部邊界斷層早在阜寧組沉積前就已存在并開始控制沉積,到鹽城組二段沉積時一直都在活動[6],剖面上斷面北傾,切穿阜寧組所有地層,控制高郵凹陷南斷北超的箕狀斷陷沉積(圖1),平面上彎曲轉(zhuǎn)折,北東和近東西向交替出現(xiàn),整體上呈北東向展布,貫穿于整個南斷階(圖2),是一條典型的具有發(fā)育時間早、活動時期長、延伸遠、斷距大等特點的控凹同生大斷層。紀3斷層為竹墩地區(qū)的一條二級斷層,形成于阜寧組沉積初期,受真①斷層活動影響,平面上走向北東,斜向貫穿于竹墩地區(qū)的南北,斷面傾向北西,剖面上切割阜寧組所有地層(圖1(c)),對竹墩地區(qū)阜寧組及其上覆地層的沉積和油氣成藏具有重要的控制作用。

三級斷層是劃分斷塊區(qū)的斷層,研究區(qū)阜寧期次級斷層以三級斷層為主,主要受真①斷層活動控制,呈現(xiàn)為北北東向和近東西向兩組不同走向的展布,與真①斷層不同地段的走向近于一致(圖1(a)),北北東向、北東向斷層發(fā)育數(shù)目較多,如F1～F12、F19～F22、F25、F26斷層等,而近東西向斷層總體上發(fā)育數(shù)目相對較少,如F13～F18、F23、F24斷層等。其中許莊地區(qū)的F1～F8斷層平面上呈雁列式組合,剖面上則呈階梯狀排列,如圖1(b)所展示的F4～F6斷層,斷面北傾,傾角較大,同時切割阜寧組,同沉積活動控制著該組地層的沉積,且向下延伸交于真①斷層之上,而上部則被阜寧期之后形成的斷層所削截;竹墩地區(qū)的F20～F23斷層受真①斷層活動的影響,平面上自北東向南西方向撒開,組合成帚狀斷層。四級斷層規(guī)模小,方向性差,走向多變,主要分布在局部構(gòu)造上,如F27～F39斷層,多數(shù)為不垂直相交并終止于三級斷層之上,一起構(gòu)成斜交式斷層組合類型,如F29、F30與F12斷層等。

1.2 斷層活動強度

南斷階東部發(fā)育的斷層多屬于生長斷層,斷層兩盤地層厚度明顯不同,上盤與下盤的地層厚度差即斷層落差可以用來衡量沉積期斷層的活動強度(圖3)[7-8]。

阜寧期活動斷層的落差最大值出現(xiàn)在真①斷層的中段,達1.511 km,大于1.0 km的落差值主要出現(xiàn)在真①、紀3以及F10斷層,說明該時期這些斷層活動最為劇烈。從區(qū)域上看,許莊地區(qū)三級斷層的落差值相對較大,一般為300～700 m,而竹墩地區(qū)的則相對較小,一般小于300 m,反映出該時期許莊地區(qū)斷層活動相對強烈,其中北北東向或北東向斷層的落差值總體上要大于近東西向斷層的落差值,活動要更為強烈。

圖3 阜寧期活動斷層落差Fig.3 Throw graph of active faults of Funing sedimentary period

2 利用活動斷層構(gòu)造形跡確定阜寧期構(gòu)造應力方向

包括斷層在內(nèi)的任何一種構(gòu)造型式的形成和演化,都是一次地殼運動過程中在統(tǒng)一構(gòu)造應力場作用下發(fā)展而成的,它們往往具有共同的變形組構(gòu)和形成機制。通過對研究區(qū)內(nèi)斷層性質(zhì)、形態(tài)及組合規(guī)律的分析,可判斷出古構(gòu)造應力場的分布及演化歷程[9]。

南斷階內(nèi)所有斷層均為正斷層,斷層平面展布形態(tài)決定了它們的發(fā)育需要一個菱形對稱的應力場條件,即在最大主應力軸垂直,中間主應力軸和最小主應力軸水平時的情況下才可形成[10]。平面上兩組活動正斷層的發(fā)育方向NE37°～S W217°與NE87°～S W267°呈X型共軛(圖1、4),作為剪切破壞的結(jié)果,其形成是由中間主應力與最小主應力的應力差造成的。依據(jù)庫倫-莫爾準則分析應力,巖石發(fā)生剪切破裂時,兩組共軛剪裂面的交角應以大于90°的鈍角指向平面最小主應力方向,或者說這兩組剪切面構(gòu)成長軸平行于壓應力的菱形網(wǎng)格[11],由此結(jié)合平面應變橢圓(圖1(a))分析計算得南斷階東部阜寧期最小主應力(即張應力)方向為SE152°～NW332°。

圖4 阜寧期活動斷層走向玫瑰花圖Fig.4 Rose diagram of active faults strike of Funing sedimentary period

3 阜寧期構(gòu)造應力場數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬的基本原理

應力場模擬主要采用有限單元方法,其基本思路是將一個地質(zhì)體離散成有限個連續(xù)的單元,單元之間以節(jié)點相連,每個單元內(nèi)賦予其實際的巖石力學參數(shù),據(jù)邊界受力條件和節(jié)點的平衡條件,建立并求解以節(jié)點位移為未知量,以總體剛度矩陣為系數(shù)的方程組,用插值函數(shù)求每個節(jié)點上的位移,進而計算每個單元內(nèi)應力和應變值[12]。

3.2 數(shù)值模擬方法及結(jié)果分析

建立南斷階東部阜寧期地質(zhì)模型主要參考了阜二段底面(T33反射層)構(gòu)造圖(圖1),認為先期存在的斷層在初始模型中已經(jīng)設置,因此將初始模型簡化為早在阜寧期前就已經(jīng)活動的南部邊界控凹斷層真①斷層以及阜寧初期形成的紀3斷層。

平面上不同構(gòu)造單元力學性質(zhì)有差異,一般斷裂帶較正常沉積的地層強度弱,凸起區(qū)時代老的地層較凹陷區(qū)時代新的地層強度大[12],規(guī)模大的斷裂帶內(nèi)巖石強度弱于規(guī)模小的斷裂帶。依據(jù)實際情況,給應力模擬的不同區(qū)塊分別賦以不同的力學參數(shù),選用的力學參數(shù)來源于巖石力學試驗,取值參照部分試驗測試的結(jié)果[13-15](表2)。

表2 阜寧期構(gòu)造應力場模擬力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters simulating structural stress field of Funing sedimentary period

選用SOL ID45單元劃分網(wǎng)格后,結(jié)合應力分析資料,根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造應力方向的計算結(jié)果即最小主應力方向為SE152°～NW332°,確定加載方式和加力,邊界力包括水平構(gòu)造力、自身重力和上覆巖層壓力,自身重力由巖層密度和重力加速度計算,Ansys程序自動產(chǎn)生。通過多種施力方案的試驗,選擇一種最為合理的加載方式,即在考慮自身重力的情況下,最終確定模型北邊界施加3MPa拉張力,在上盤和斷層底面施加一個向上的略小于上盤自身重力的力10.78 MPa,以消除掉不合理的重力影響,使上盤自然彎曲。

模擬結(jié)果顯示:南斷階東部阜寧期最大主應力全部為壓應力(負值代表壓應力)(圖5(a)),其值一般大于2 MPa,在真①斷層和紀3斷層附近出現(xiàn)兩個低值區(qū),并呈現(xiàn)以低值區(qū)為中心向周圍區(qū)域依次增大的應力分布格局,最大主應力方向豎直向下,主要是由重力作用造成,斷層附近的地勢相對較高,因而此處的最大主應力便會出現(xiàn)一個最小值集中區(qū);最小主應力全部為張應力(圖5(b)),其值為1.7～8.2MPa,且沿真①斷層在許莊地區(qū)和竹墩地區(qū)的向北凸出處出現(xiàn)兩個最小主應力高值區(qū),其中許莊地區(qū)的數(shù)值更高,達8.18 MPa,最小主應力方向基本上垂直于真①斷層的展布方向,呈北北西向分布。

最大剪應力基本上呈條帶狀正負高值區(qū)域相間展布(負值代表右旋剪切)(圖5(c)),其中右旋最大剪應力集中區(qū)數(shù)值一般為-1.7～-0.5 MPa,分布區(qū)對應于許莊西部地區(qū)和竹墩西部地區(qū),對應于真①斷層北北東走向段的下降盤區(qū)域,最大值出現(xiàn)在真①斷層偏西端的許莊地區(qū),達-1.75MPa;左旋最大剪應力數(shù)值一般為0.3～1.4MPa,分布區(qū)對應于許莊東部地區(qū)和竹墩東部地區(qū),對應于真①斷層近東西走向段的下降盤區(qū)域,最大值出現(xiàn)在真①斷層中段的許莊地區(qū),達1.41 MPa,而真①斷層東端的竹墩地區(qū)的左旋最大剪應力集中區(qū)內(nèi)的數(shù)值及其分布范圍則相對較小;總體上,無論是右旋還是左旋最大剪應力,其數(shù)值以及高值區(qū)分布范圍都是許莊地區(qū)的要明顯大于竹墩地區(qū)的,其中右旋最大剪應力的分布范圍又明顯占優(yōu)勢。

圖5 阜寧期構(gòu)造應力分布Fig.5 Distribution of structural stress of Funing sedimentary period

4 構(gòu)造應力場對斷層的控制作用

結(jié)合南斷階東部阜寧期構(gòu)造應力場數(shù)值模擬結(jié)果(圖5)及斷層展布(圖1)特征可知,影響斷層發(fā)育的主要控制因素是最小主應力和剪應力的分布。北東向正斷層主要由最小主應力控制產(chǎn)生,北北東向正斷層主要是由最小主應力和右旋最大剪應力控制產(chǎn)生,而近東西向正斷層主要是由最小主應力和左旋最大剪應力控制產(chǎn)生,這說明應力場的分布控制著斷層的發(fā)育位置,而剪應力的旋向則約束著三級斷層的走向。

最小主應力的高值區(qū)與該時期斷層發(fā)育活動的密集區(qū)有很好的對應關(guān)系,竹墩地區(qū)最小主應力高值區(qū)數(shù)值相對許莊的要低,因此其斷層發(fā)育數(shù)也較少,且活動斷層落差值也較低(圖6),斷層活動強度相對較弱,這說明應力場的分布控制著斷裂活動。此外,應力場對斷裂活動的控制還與應力場方向的變化、差異應力等因素有關(guān)。例如許莊地區(qū)真①斷層凸出處的最小主應力值約8 MPa,應力方向基本與真①斷層垂直,因而真①斷層在此處活動強烈,落差值也較大,約為1.5 km;其北側(cè)三級斷層的展布方向與最小主應力方向呈較大角度相交,在此時的活動也相對較強,如F9、F10和F12等斷層,落差值可超過1.0 km;紀3斷層西部的F19斷層附近的最小主應力為2～3 MPa,其展布方向不垂直于最小主應力方向且交角也相對較小,因此它的活動相對較弱,斷層落差值也都在200 m以下。

圖6 阜寧期三級活動斷層落差分析直方圖Fig.6 Throw analysis histogram of third-class active faults of Fun ing sed imentary period

對于呈條帶狀分區(qū)展布的剪應力來說,其旋向是控制發(fā)育三級斷層走向的主要因素,許莊西部地區(qū)和竹墩西部地區(qū)是右旋最大剪應力的集中分布區(qū)域,在該部位多產(chǎn)生北北東向的斷層,尤其是許莊西部地區(qū),F1～F8北北東向斷層呈雁列狀集中分布,而在竹墩西部地區(qū)雖然最小主應力數(shù)值相對較小,發(fā)育斷層數(shù)量少,但是右旋最大剪應力集中區(qū)內(nèi)的F20、F21斷層仍表現(xiàn)為北北東向展布,與真①斷層的北北東走向段近于平行;左旋最大剪應力相對集中區(qū)主要出現(xiàn)在許莊東部地區(qū)和竹墩東部地區(qū)的小范圍內(nèi),該區(qū)域內(nèi)易形成近東西向斷層,這一規(guī)律在許莊東部地區(qū)體現(xiàn)較為顯著,如F16、F17斷層與真①斷層的近東西走向段平行分布;先期存在的真①斷層的強烈活動派生的兩組剪應力共同作用便形成了南斷階X型的共軛斷裂體系,其中右旋最大剪應力集中區(qū)數(shù)值略高,分布范圍大,因此區(qū)域內(nèi)北北東向三級斷層的發(fā)育較近東西向斷層略占優(yōu)勢,斷層數(shù)目多,落差大(圖6),活動相對強烈。

5 結(jié) 論

(1)南斷階東部阜寧期活動斷層可劃分4個級別,真①、紀3斷層分別屬于一級、二級斷層,F1～F26、F27～F39斷層分別屬于三級、四級斷層,其中三級斷層主要呈現(xiàn)為北東或北北東和近東西兩組不同走向的展布。

(2)南斷階東部阜寧期最大主應力均表現(xiàn)為壓應力,受斷層附近地勢相對較高的控制,在真①斷層和紀3斷層附近出現(xiàn)兩個低值區(qū);最小主應力均表現(xiàn)為張應力,沿真①斷層在許莊和竹墩地區(qū)的向北凸出處出現(xiàn)兩個最小主應力高值區(qū);最大剪應力呈條帶狀正負值區(qū)域相間展布,右旋最大剪應力集中區(qū)域受控于真①斷層的北北東走向段,左旋的則受控于其近東西走向段。

(3)影響南斷階東部阜寧期斷層發(fā)育的主要控制因素是最小主應力和剪應力的分布。最小主應力的高值區(qū)與斷層發(fā)育活動的密集區(qū)具有很好的對應關(guān)系;右旋最大剪應力集中區(qū)數(shù)值略高,分布范圍大,其約束的北北東向三級斷層的發(fā)育較受左旋最大剪應力影響的近東西向斷層略占優(yōu)勢,斷層數(shù)目多,落差大,活動相對強烈。

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(編輯 徐會永)

Structural stress field of Funing sedimentary period and its control on faults in the east of south fault terrace in Gaoyou sag

DAI Jun-sheng1,WANG Xia-tian1,2,JI Zong-zhen1,MA Xiao-ming3,FENG Zhen-dong1,ZHANG Xiao-gong2

(1.College of Geo-Resources and Information in China University of Petroleum,Qingdao266555,China;2.Xinjiang Oilfield B ranch Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang834000,China;3.School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing100083,China)

Based on the division of fault grade,fault strike changes,composition rules and fault activity characteristics were analyzed,the geological model was established,and the loading direction of regional stress was calculated as SE152°-NW332°.The rock mechanical parameters and loading stress values were determined on the basis of rock mechanism tests.The numerical simulation on structural stress field of Funing sedimentary period in the east of south fault terrace was done by finite element method,and the control of structural stress on faults was analyzed in detail.The results show that the minimum principal stress of Funing sedimentary period is tensile stress with two high value areas in the north convex parts of Xuzhuang and Zhudun areas along Zhen①fault with dense faults.The shear stress distribution is banding alternating dextrorotatory region with levorotatory region,and the development of north-northeast normal faults is controlled by dextrorotatory maximum shear stress and minimum principal stress.The development of near east-west normal faults is controlled by levorotatory maximum shear stress and minimum principal stress.

Gaoyou sag;fault terrace;fault characteristic;fault throw;stress field;genetic mechanism

TE 121.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.02.001

2010-09-15

國家“十五”科技重點攻關(guān)項目(2003BA613A-02)

戴俊生(1958-),男(漢族),山東壽光人,教授,博士,博士生導師,主要從事油氣區(qū)構(gòu)造解析、構(gòu)造應力場及大地構(gòu)造學研究。

1673-5005(2011)02-0001-05