斷層再活動(dòng)定量評(píng)價(jià)方法研究綜述

趙知諾，平貴東，孟慶寬，高 鑫

(1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 遼河分公司，遼寧 盤錦 124010)

斷層再活動(dòng)對(duì)地震災(zāi)害預(yù)測(cè)、CO2埋存及油氣運(yùn)聚成藏等都有重要的意義，一直是地質(zhì)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-5]。斷裂再活動(dòng)是具有選擇性的，在統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力作用下，眾多先存斷層中只有部分發(fā)生活動(dòng)，或者單條斷層中只有個(gè)別的一段活動(dòng)，先存斷裂的復(fù)活受斷裂產(chǎn)狀、超壓、應(yīng)力狀態(tài)等多種因素影響，在這些因素中，以先存斷裂的產(chǎn)狀與應(yīng)力場(chǎng)的配置關(guān)系影響最為顯著[2,6]。

在最近的三十多年，眾多學(xué)者基于Mohre-Coulomb理論推衍出了多種評(píng)價(jià)斷層活動(dòng)性的方法，并結(jié)合現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)，在不同地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。雖然不同學(xué)者提出了多種評(píng)價(jià)參數(shù)，但是其本質(zhì)都是計(jì)算臨界應(yīng)力狀態(tài)下斷層活動(dòng)的趨勢(shì)，各評(píng)價(jià)方法根據(jù)它們考慮的地質(zhì)條件差異，可以分為3種類型：①無(wú)內(nèi)聚力斷裂帶再活動(dòng)的2D應(yīng)力分析；②無(wú)內(nèi)聚力斷裂帶再活動(dòng)的3D應(yīng)力分析；③有內(nèi)聚力斷裂帶再活動(dòng)的3D應(yīng)力分析。隨著斷層活動(dòng)性定量評(píng)價(jià)方法的不斷進(jìn)步，考慮的地質(zhì)因素逐漸增多，需要限定的前提條件不斷簡(jiǎn)化，計(jì)算方法日益優(yōu)化。本文總結(jié)了上述3大類評(píng)價(jià)方式中的代表性觀點(diǎn)和算法，對(duì)比分析了優(yōu)缺點(diǎn)，描述了評(píng)價(jià)方法的原理和前提條件，為不同地質(zhì)條件下評(píng)價(jià)參數(shù)的選取和應(yīng)用提供參考。

1 斷裂再活動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)與定量評(píng)價(jià)方法

當(dāng)斷層面上分解的剪應(yīng)力等于或大于摩擦阻力的時(shí)候，就可能發(fā)生摩擦滑動(dòng)。依據(jù)Mohr-Coulomb破裂準(zhǔn)則，斷層面再活動(dòng)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)遵循：

τ≥τcritical=Co+μs(σn-Pf)

(1)

式(1)中：τ為剪應(yīng)力，τcritical為斷層活動(dòng)的臨界應(yīng)力，Co為斷層面上內(nèi)聚力，Pf為孔隙流體壓力，σn為斷面上的正應(yīng)力，μs為摩擦系數(shù)。

眾多學(xué)者基于Mohre-Coulomb理論推衍出了多種評(píng)價(jià)斷層活動(dòng)性的方法，本質(zhì)都是計(jì)算臨界應(yīng)力狀態(tài)下斷層活動(dòng)的趨勢(shì)，各評(píng)價(jià)方法根據(jù)它們考慮的地質(zhì)參數(shù)不同，本文將它們歸納為3種類型，3類評(píng)價(jià)方式中的代表性觀點(diǎn)和算法總結(jié)如下。

1.1 無(wú)內(nèi)聚力斷裂再活動(dòng)的2D應(yīng)力分析

第1種方法是Sibson[2]介紹的，他通過2D應(yīng)力分析計(jì)算了斷層活動(dòng)需要的有效應(yīng)力比R=σ1′/σ3′。

假設(shè)作用在一個(gè)無(wú)內(nèi)聚力斷面上的三軸應(yīng)力狀態(tài)為σ1>σ2>σ3，這個(gè)面與σ1的夾角為θ，μ為摩擦系數(shù)(見圖1)。如果考慮孔隙流體壓力(P)的情況下，有效應(yīng)力比可以寫為：

R=σ1′/σ3′=(1+μcotθ)/(1-μtanθ)

(2)

圖1 μ=0.75時(shí)摩擦復(fù)活需要的應(yīng)力比曲線[2]

圖2 R及θ值與μ的關(guān)系[2]

根據(jù)有效應(yīng)力比值R，Sibson[2]介紹了3種斷層的方位類型：①優(yōu)勢(shì)方位斷層，對(duì)應(yīng)R值位于最小R(R*)和1.5R*之間；②非優(yōu)勢(shì)方位斷層，對(duì)應(yīng)R值大于1.5R*；③方位嚴(yán)重不匹配斷層具有負(fù)的R值，說明最小主有效應(yīng)力為負(fù)值，斷層要再發(fā)生活動(dòng)只有當(dāng)孔隙流體壓力大于最小主有效應(yīng)力時(shí)才可能發(fā)生。

這種2D斷層再活動(dòng)分析強(qiáng)調(diào)了靜摩擦系數(shù)和孔隙流體壓力對(duì)非優(yōu)勢(shì)方位或方位嚴(yán)重不匹配斷層再活動(dòng)的控制作用，這種方法在實(shí)際工作中得到了很多應(yīng)用[7-9]。但在Sibson的評(píng)價(jià)方法中，必須要限定中間主應(yīng)力軸σ2平行于斷層面，并且斷裂帶是無(wú)內(nèi)聚力的。

1.2 無(wú)內(nèi)聚力斷裂再活動(dòng)的3D應(yīng)力分析

為了克服Sibson[2](1985)提出的方法中σ2方位必須平行斷層面的缺陷，Morris等人[10]發(fā)展了一種新的斷層再活動(dòng)表征方法——滑動(dòng)趨勢(shì)法。滑動(dòng)趨勢(shì)法可以評(píng)價(jià)任何斷層的再活動(dòng)趨勢(shì)而不用限定斷層的與主應(yīng)力軸的方位配置。

Morris等[10](1996)將滑動(dòng)趨勢(shì)定義為剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比：

Ts=τ/σn

(3)

斷層發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，剪應(yīng)力(τ)等于或超過摩擦阻力，因此滑動(dòng)趨勢(shì)表現(xiàn)為：

Ts=τ/σn≥μs

(4)

設(shè)l、m、n分別為主應(yīng)力軸σ1、σ2、σ3在垂直斷層面方位上的方向余弦。最終：

Ts=

(5)

滑動(dòng)趨勢(shì)只依賴于應(yīng)力場(chǎng)(應(yīng)力張量)和斷面方位。在這個(gè)公式中，中間主應(yīng)力σ2大小在斷層滑動(dòng)趨勢(shì)和滑動(dòng)方向評(píng)價(jià)中對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有很大影響，而不應(yīng)當(dāng)將其忽略。

在給定應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)的情況下(應(yīng)力方位和相對(duì)大小)，可以繪制出不同方位下滑動(dòng)趨勢(shì)Ts值的赤平投影圖，將區(qū)域斷層按照產(chǎn)狀也相應(yīng)疊加到該赤平投影圖上(見圖3a)，就可以確定不同方位斷層的滑動(dòng)趨勢(shì)[11]。由于斷層面往往是不規(guī)則的形態(tài)，所以對(duì)于單條斷層來說不同部位滑動(dòng)趨勢(shì)也可能不同，通過斷層三維空間的建模，根據(jù)斷面產(chǎn)狀的變化也可以計(jì)算出斷面上各點(diǎn)的滑動(dòng)趨勢(shì)(見圖3b)。

Ts方法已經(jīng)在地震預(yù)測(cè)或礦產(chǎn)勘查的斷層體系評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用[12-15]。雖然Ts方法可以應(yīng)用到任何方向的斷層評(píng)價(jià)，但是它沒有考慮斷層的內(nèi)聚力，另外也不像2D方法[2]，它不能識(shí)別由超壓引起的斷層活動(dòng)。

(a)斷層極點(diǎn)與滑動(dòng)趨勢(shì)疊合圖；(b)單條斷層面滑動(dòng)趨勢(shì)3D等值圖

1.3 有內(nèi)聚力斷層再活動(dòng)的3D應(yīng)力分析

滑動(dòng)趨勢(shì)方法已經(jīng)在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)地震災(zāi)害或由于地層水的抽排導(dǎo)致孔隙壓力變化而引起局部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化的區(qū)域[12]。

Jones等人[16]、Dewhurst和Jones[17]對(duì)斷層巖的研究表明，斷層帶受變形后期的膠結(jié)和成巖作用，斷層巖會(huì)重新形成內(nèi)聚力。為了考慮先存斷層的內(nèi)聚力強(qiáng)度影響，為了考慮先存斷層的內(nèi)聚力強(qiáng)度影響，Tong和Yin[18]擴(kuò)展了Morris等人[10]的工作，建立了一個(gè)新參數(shù)—活動(dòng)性系數(shù)fR=τn/(Co+μsσ′n)。τn為作用在斷層面上剪應(yīng)力，(Co+μsσ′n)為先存有內(nèi)聚力斷層面再活動(dòng)所需的臨界應(yīng)力。再活動(dòng)趨勢(shì)因子大于等于1時(shí)說明斷層在外部應(yīng)力作用下可以再活動(dòng)，然而fR值小于0.5說明斷層面為方位不匹配斷層。

綜合上述學(xué)者的分析，Leclere和Fabbri[19]提出了一個(gè)通用的斷層再活動(dòng)評(píng)價(jià)方法—3D再活動(dòng)斷層分析法，這種方法在不需要假設(shè)Andersonian應(yīng)力狀態(tài)的情況下就可以評(píng)價(jià)斷層的再活動(dòng)趨勢(shì)，同時(shí)考慮了內(nèi)聚力、靜摩擦系數(shù)和斷裂帶內(nèi)的孔隙流體對(duì)斷層活動(dòng)的影響。

2 應(yīng)用實(shí)例

斷層滑動(dòng)趨勢(shì)分析已在特定應(yīng)力場(chǎng)下斷層再活動(dòng)潛力評(píng)價(jià)[20-21]，地震評(píng)估[13-14]，分析應(yīng)力控制流體沿?cái)鄬拥牧鲃?dòng)[11,22]，根據(jù)地球和其他星體上的斷層樣式推斷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)[23-24]等方面取得成功應(yīng)用。

近年來，對(duì)全球變暖和氣候變化的擔(dān)憂使得人們對(duì)CO2埋存越加關(guān)注，CO2地下埋存主要選擇枯竭的油氣藏、深部的咸水層及不能開采的煤層等方式，由于CO2必須埋存幾百或上千年，在這個(gè)過程中可能會(huì)受到各種因素的影響發(fā)生泄漏，所以需要對(duì)二氧化碳埋存的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，因而斷層穩(wěn)定性是二氧化碳能夠長(zhǎng)期且安全埋存地下的重要保障。Streit和Hillis[25]通過確定CO2存儲(chǔ)位置處的斷層的方位，瞬時(shí)孔隙流體壓力和原地應(yīng)力，應(yīng)用斷層滑動(dòng)趨勢(shì)法[10]，根據(jù)作用在斷層面上的有效應(yīng)力，評(píng)價(jià)了CO2埋存過程中附近斷層的穩(wěn)定性，通過精細(xì)3D地震解釋，斷面上各點(diǎn)的滑動(dòng)趨勢(shì)可以在三維空間上呈現(xiàn)出來(見圖4)。進(jìn)而可以進(jìn)一步計(jì)算斷層可支撐的臨界流體壓力(即沒有引起破裂的最大流體壓力)，斷層臨界滑動(dòng)狀態(tài)下的孔隙流體壓力提供了最大地層流體壓力的上限，所以最大注入壓力應(yīng)當(dāng)在這個(gè)上限之下。在數(shù)值上等于作用在斷層上的有效正應(yīng)力與引起斷層滑動(dòng)時(shí)的有效正應(yīng)力之差。

圖4 斷層面上的滑動(dòng)趨勢(shì)分布[25]

可見，通過滑動(dòng)趨勢(shì)法評(píng)價(jià)斷裂的活動(dòng)性能，可以確定斷層邊部合理注入壓力，為注氣井的注氣上限壓力決策提供指導(dǎo)，另外借助地震解釋資料，除了可以確定單個(gè)斷層不同部位滑動(dòng)趨勢(shì)之外，還可以在平面上標(biāo)定活動(dòng)斷裂的分布，這樣就可以明確在給定應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)下哪些斷裂是活動(dòng)的，以及斷裂的哪個(gè)部位活動(dòng)性最強(qiáng)，對(duì)成礦預(yù)測(cè)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 語(yǔ)

斷層再活動(dòng)對(duì)地震災(zāi)害、CO2埋存及流體運(yùn)移等都有重要的意義。綜上所述，不同學(xué)者在考慮不同參數(shù)的情況下提出了多種預(yù)測(cè)斷層活動(dòng)性的計(jì)算方法，這些方法也在礦田勘探和地震災(zāi)害預(yù)測(cè)過程中得到了應(yīng)用，但是這些應(yīng)用主要是基于現(xiàn)今原地應(yīng)力狀態(tài)下的斷層活動(dòng)性分析，而針對(duì)古地質(zhì)時(shí)期斷層活動(dòng)性評(píng)價(jià)的應(yīng)用還罕有報(bào)道。斷層活動(dòng)具有多期次性，評(píng)價(jià)地史過程中的斷裂活動(dòng)性對(duì)恢復(fù)區(qū)域構(gòu)造歷史、預(yù)測(cè)礦產(chǎn)資源等都具有重要意義，例如在油氣勘探領(lǐng)域，油氣運(yùn)移和聚集多發(fā)生在古地質(zhì)時(shí)期，恢復(fù)油氣成藏時(shí)期的斷層活動(dòng)性對(duì)明確輸導(dǎo)斷裂，指導(dǎo)油氣勘探具有重要的價(jià)值。

計(jì)算地質(zhì)歷史時(shí)期的斷裂活動(dòng)性，關(guān)鍵問題在于古應(yīng)力狀態(tài)的恢復(fù)，根據(jù)目前3D再活動(dòng)斷層分析方法[18]，在已知斷裂產(chǎn)狀的情況下，只需要獲得古應(yīng)力方位和應(yīng)力形態(tài)比就可以計(jì)算斷層的活動(dòng)性，而這些參數(shù)可以通過斷層滑動(dòng)數(shù)據(jù)[26-29]和方解石雙晶反演[30-32]的方法來可以獲得，進(jìn)而使得斷層古活動(dòng)性的評(píng)價(jià)成為可能，屆時(shí)將進(jìn)一步促進(jìn)礦產(chǎn)勘查過程中的目標(biāo)選取。