延川南区块古构造应力场特征及其反演方法_王立志.pdf

第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.5 Oct. 2013 COAL GEOLOGY 2.中国矿业大学地球科学（北京）与测绘工程学院，北京100083 摘要古构造应力拉制煤层构造发育程度及其分布，影响煤层储层渗透性．通过现场对煤层及其 上覆岩层中节理裂隙的实测，并应用赤平投影方法将实测节理裂隙进行分期和配套分析，研究了 延川南区块构造演化规律、古构造应力场特征和古构造应力的反演方法．根据摩尔库伦破裂准则， 通过头辄剪断裂破裂角的大小变化来估算古构造应力场主应力值．利用ANSYS有限元软件，模 拟了本区两期古构造应力场分布，揭示出其古构造应力场的分布规律为燕山期构造应力场最大 主应力值由东南区域的70～80MPa 逐渐降至西北区域的20-30MPa；喜马拉雅期构造应力场最大 主应力值由东北区域的60～70MPa逐渐降至西南区域的20MPa. 关键词延川南区块；古构造应力场；反演方法 中图分类号P618.11文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.004 Analysis of the characters of the paleotectonic stress field and its inversion WANG Lizhi1, JIALilong2, LIU Changqing1 1. Research Institute of Pe阳leumExploration 2. College o/Geosciences and Surv。1ingEngineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China Abstract Ancient tectonic stress controls structure development degree and distribution of seam, has important effect on reservoir permeability. By measuring actual joints and staging actual measurement joints with stereo- graphic projection , the paper studied tectonic evolution of Yanchuannan block, features of tectonic stress field and inversion analysis of ancient tectonic stress. Mohr Coulomb台acturingcriterion gives a way to estimate value of ancient tectonic stress, which could be calculated through the changes of rupture angles of con- jugated shear joints. Two periods of tectonic stress distribution were simulated, and reflected two periods of ancient tectonic stress field distribution. The maximum principal stress value of Yanshanian tectonic stress field of 7080 MPa in the southeast region was gradually reduced to 2030 MPa in the northwest region, and the maximum prin- cipal s位essvalue of Himalayan tectonic stress field of 6070 MPa in the northeast region was gradually reduced to 20 MPa in the southwest region Key words Yanchuannan block; tectonic stress field; inversion 古构造应力场是指地质时期的构造应力场，它 是地层中现存一切岩体构造变形（如断裂、榴皱、裂 缝等）的直接因素。古构造应力决定了地层中裂隙、 断裂的产生和发育情况［1-4］。因此，开展古构造应力 场的研究，对煤储层特征描述及煤储层渗透性分析 具有重要的理论和实际意义。 李四光教授在国内首先提出了构造应力场的概 念，于1947年提出利用构造形迹来反推得出构造应 力场的方法，并且研究了构造形迹与对应的应力方 收稿日期2012-08-01 向及应力作用方式在各种不同力学性质情况下的相 互关系［匀。与此同时，格佐夫斯基在构造应力场研 究中引人赤平投影方法来求取主应力轴产状［6］。20 世纽80年代以来，构造应力场越来越受到国内外专 家学者的重视，做了大量的研究工作。 本文利用野外节理、裂隙及榴皱等小构造研究， 通过赤平投影、摩尔库伦破裂准则，以及数值模拟 方法，拟对延川南区域的古构造应力场进行分析和 研究，以期揭示出本区的构造应力场特征，为分析 基金项目国家自然科学基金项目（41172145、41030422）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2012CB214705 作者简介王立志1962一），男，湖北天门人，高级工程师，从事煤层气勘探研究工作． ChaoXing 18 煤田地质与勘探第41卷 煤储层特征提供依据。 1 延川南区块古构造应力场特征 1.1 研究区地质概况 研究区地理位置位于晋陕交界处乡宁县西侧， 以黄河为界分为山西省和陕西省两部分。区块面积 701 km2，含煤面积约672km2。区域内两主力煤层 为石炭系上统太原组10号煤和二叠系下统山西组2 号煤。 区域位于鄂尔多斯盆地东南缘晋西挠裙带南 工/ . / O I 2 3 4 5 km 端，属于河东断槽带，总体构造形态为南北走向、 向西倾斜的单斜构造。整个鄂尔多斯盆地构造演化 史对研究区的构造发育及构造应力场产生了极为重 要的影响。石炭－二叠纪是地史上重要的成煤期，此 时也是煤层气的主要生成期。自三叠纪后期开始， 本区经历了3次较为重要的构造运动一印支运动、 燕山运动和喜马拉雅运动［7-9）。 研究区地质构造较为简单，构造总体为 阳刚E走向、北西倾斜的单斜构造，区内分布着 NNE、NE和近SN向展布的断层（图1）。 阁例 再煤层气参数井口区块边界 _P-二堆地震测线／正断层 ／逆断层 图1研究区构造纲要图 Fig. 1 Structural outline ofYanchuannan block 1.2 节理的分期配套 利用吴氏圆赤平投影方法［10），通过作图及统计 分析表明，研究区存在5组平面剪节理和2组张 性节理。其中5组平面剪节理代表性产状分别为 EW向（80。～100。）、NNW150。～170。）向组、近SN 向、NNE向（10。～30。）和NEE向组（50-80。）；2组 张性节理分别是NW向（120飞150。）和阳向（30。～ 50。）（图2）。在同一观测点，可见多组节理，根据节 理统计分析，可以分出3组优选节理组，其走向分别 为近SN向、阳E向和近EW向。配套分析确定为两 套共辄剪节理，即EW向（80。～100。）和NNW 150。～170。）向组、近SN向和NEE向组（50。～80。）。 其中，EW向（80。～100。）或NWW向（100。～120。）和 NNW向（150。～170。）的剪切断裂组，以及近SN向 和NW向（120-150。）的张性断裂组的形成时间最 早，为第1期节理系；第2期节理系由近SN向和 NEE向组（50。～80。）的剪节理和NE向（30吁。。）的张 性节理组成，其多被其他节理限制或错切其他节理， 发育时间最晚。 1.3 古掏造应力分析 1.3.1 赤平投影原理 通过赤平投影方法将各期共辄剪节理投影到吴氏 圆上古构造应力场的最大主压应力轴（σ1）与最小主压 应力轴（σ3）都位于共辄的两组剪节理的角等分线上，中 间主压应力轴（σ2）贝q和两组节理的交线重合［10-11 对于研究区在构造应力场方面的研究，在分期配套 ChaoXing 第5期王立志等延川南区块古构造应力场特征及其反演方法19 。。。。 270。 ”。270。 90。 180。 04（条） a）节理走向玫瑰花圈 180。 1 t 1 斗（条） b）节理倾向和倾角玫瑰花图 ，，，；』节理倾向 ／气节理倾角 图2节理玫瑰花图 Fig. 2 Rose diagram of joint 的基础上测算了各个点共辄剪节理组对应的应力轴 产状，得出研究区两期古构造应力迹线图。 1.3.2 古构造应力方位展布 根据节理统计和盆地内部榴皱分析等，结果均 一致显示自中生代以来，研究区先后主要经历了 燕山期和喜马拉雅期两期构造运动，其对研究区产 生了重要的影响；而印支期运动影响不明显（图3、 图4）。 a.第1期构造应力场在区内最发育，最大挤压 应力方向为NW-SE向，平均产状为135。ζ12。，最 小主应力轴产状为44L3。（表1），在该应力作用下 形成NW向张性断裂和NNW和近EW向的剪切断 裂；与应力状态相匹配，形成NNE（或NE）向压性构 造，研究区内呈北东展布的逆冲断层和其内部NNE 向的宽缓榴皱，均是这次变形的结果。这期构造应 力场发生于燕山运动中期，在山西省普遍存在，这 也是研究区中生代以来最强烈的一次变形。 b.第2期应力场最大挤压应力方向为阳－SW 向，最大主应力轴统计平均方位为49。ζ12。，最小 主应力轴产状为131。ζ3。（表2）。在该应力作用下， 形成阳向张性断裂和NEE、近SN向的剪切断裂； 区内NE向断裂与该期应力场最小挤压应力迹线近 于垂直，沿此方向应力松弛，导致前期挤压构造负 反转，使区内发育了NNE向的正断层。近EW向或 NEE-SWW的剪切断裂在上述应力状态作用下，发 生正断层活动。 图3燕山期研究区块构造应力迹线图 Fig. 3 Tectonic stress阳jectoriesofYanshanian in Yanchuannan block ChaoXing 20 煤田地质与勘探第41卷 曰踊圄t 因正断层囡背斜 曰最小班＠脑力状曰逆断层囡向斜 VJ铀Ji态赤平图 图4喜马拉雅期研究区块构造应力迹线国 Fig. 4 Tectonic stress tr勾ectoriesof Himalayan in Yanchua叩anblock 表1燕山期鼓据分析结果 Table 1 Data analysis ofYanshanian 点号 节理组I产状节理组皿产状 最大主应力SJ轴中间主应力S2轴最小主应力S3轴 岩石破断角S1-S3 ／（。）／（。）产状／（。）产状／（。）产状／（。）Pl（。） /MP a lllL66 222L90 164L8 312L66 75L12 56 48.4 2 269L79 10L83 140，ζ13 314L77 50ζ2 50 58.2 3 235L86 SL89 120L7 284L84 28L3 65 21.4 7 58L76 177 L乙84121L18 284L80 19L2 61 41.5 9 57L86 158ζ80 105L9 125L79 ‘ 18L3 51 58.2 10 125L79 220.，主88173L6 139L78 81L7 48 63.9 13 274L88 188L88 141L3 142L87 SILO 47 64.4 15 251L85 183ζ85 127ζ6 299L84 36丘。56 46.6 16 256L70 172L63 121 L32 133L57 37L4 48 62.5 19 270L81 181 L81-135，三13 135，ζ77 45丘。46 67.4 平均135L12 44L3 53 53.2 表2喜马拉雅期数据分析结果 Table 2 Data analysis of Himalayan 点号节理组I产状 节理组田产状最大主应力SJ轴产状中间主应力S2轴产状最小主应力S3输产状岩石破断角S1-S3 ／｛。lIr} ／｛。｝Ir} ／｛。l}._ /MPa 4 165L二85266L85 34L6 215L83 132.＜主260 57.7 5 143.＜主88268L82 22L9 223L79 ll7L3 63 30.1 6 157 L83 104L81 39LIO 224L78 130Ll 64 26.8 8 192L74 125ζ77 70L20 63L65 155Ll 57 45.5 ll 346L84 72L76 29ζ12 241L76 131LS 52 54.8 12 3L82 275L84 50LIO 221.＜王79139L2 46 34.5 14 355ζ83 266L84 40L10 216L80 130Ll 45 67.4 17 170L86 267 L86 39L6 219L84 129，ζ0 49 61.5 18 161L90 255L81 21，主7251，ζ81 120L7 47 64.4 20 184L79 290，主7053，主25250ζ65 148L6 48 52.8 21 334ζ85 268L85 31L6 215.＜主84120LO 57 44.4 22 145L84 108L82 35.，主21219，主69126LI 71 37.2 平均38LI2 131ζ3 55 48.1 ChaoXing 第5期王立志等延川南区块古构造应力场特征及其反演方法 21 2 古构造应力反演分析 通过划分构造层次，弄清各构造层的变形特征， 确定各期构造运动的应力状态是研究构造应力场分 期的基本方法。依据地表观测的节理的切错、限制 和叠加等关系可以确定构造应力场的分期即相对活 动次序，从而进行分期配套分析。 2.1 古构造主应力差值计算 对于古构造应力值的估算，目前没有适合的方 法能够达到精确的程度。根据摩尔库伦破裂破裂准 则，在岩石达到极限平衡状态时的临界最大、最小 主应力町、町，可以通过共辄剪断裂破裂角的大小 的变化来估算最大、最小主应力差值［12-1坷，以此作 为后期模拟的载荷条件。 图5所示为剪切破坏面与最大主应力σ1及最 小主应力町的关系图（图中β为岩石破断角；ψ为岩 石内摩擦角；σ为正应力；τ为剪应力）。 σ1 σ，--l , 阳一一句 σ1 a）平面上的剪切破坏b）极限平衡条件 图5摩尔－库仑强度理论示意图 Fig. 5 Sketch-map of Mohr-Coulomb s衍engththeory 通过三角函数转换可得到 β＝机 θ＝90。－ψ 伊＝2β－90。 1 2 3 仇叫“。号）巾tan（今4 町＝σ1tan2 a一 c＝一专6 2.Jk ptan-1 I干｜1-1 7 12、JkI 由式（7）可以得到 k12阳2冽1←立）8 SIlψ 式中ψ为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力；k为岩 石初始抗剪强度；θ为共辄断裂角。 因此，可以根据式（6）、式（7）和式（8）来计算求得 岩石的c、k值。 王维襄等［13）提出共辄断裂的共辄角（0）与应力 状态具有下列关系 k2 k2 . I 1 . σ，＝σE一一一一一一一－（－一一一＋一一一一一－， I I 4σI 2σI、cosB 2cos2θJ 9 k2 k2 . I 1巴 σ，＝σ冒一－－一＋－（－一－－一一一一－， I 4σI. 2σI、cosB2cos2 B’ 10 k2 其中σ，＝一一一11 aσc-2k 即通过式（9）、式10）可以得到最大、最小主应力差 值计算式 σ肉－2k σ1一σ3＝＿＿＿.＿＿τ了（12 COStJ 式中σI为岩石的极限强度；σc为岩石抗压强度； 町－σ1为主应力差。 2.2 两期古构造数据分析结果 通过节理分期配套和构造应力场反演可知a. 燕山构造期最大主应力S1轴产状为135。L12。，最 小主应力S3轴产状为44。L3。，主应力差值为 21.4-67.4 MPa，平均53.2MPa; b.喜马拉雅构造 期最大主应力S1轴产状为38。ζ12。，最小主应力S3 轴产状为131。L3。，主应力差值为26.8～67.4MPa, 平均48.1MPa。 3 古构造应力场数值模拟分析 3.1 地质模型 数值模拟的基础思想是相似理论，在模拟构造 应力场时需要模拟出实际构造变形在地质历史时期 的变化过程。有限元法是把连续体假想的离散化成 由有限个单元所组成的组合体。单元之间只能通过 结点来传递力，通过对各个节点的计算来得到整体 区域的应力、应变的变化［14-16）。 由于研究区地质条件较为简单，而且根据古构 造应力场主应力方向的恢复得知，研究区在两期古 构造期产生的主应力整体上近乎在水平面上展布。 因此，考虑到这些方面的影响，选择二维单元模型 模拟研究区古构造应力场可以在一定程度上满足研 究的要求。二维单元模型中亮模型SHELL41单元类 型可以满足模拟的要求，壳模型可以在Z方向上有 起伏变化，一定程度上考虑到了研究区域在模拟过 程中在垂直方向上的变化和影响。 3.2 计算模型 研究区存在4条大断层，这是建立有限元计算 模型时主要考虑的区域。这4条大断层附近区域需 要将网格加密细化，并且岩石力学参数要做出相应 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第41卷 的调整。岩石弹性模量和泊松比的确定，主要依据 岩石力学试验，参考岩石力学参数表，以及研究区 岩性分布特征和构造分布特点等。另外，考虑到岩 性对施加应力，以及对力的传递作用效果等影响， 需进行反复调试。一般而言，断层破碎带区域的弹 性模量取正常地层区域弹性模量值的40～70，本 文取值为50；断层区域的泊松比要比正常地层区 域的略大一些，一般情况下大0.02（表3一表白。 表3燕山期应力场模拟岩石力学参数表 Table 3 Rock mechanics parameters for simulation of Yansbanian stress field 研究区介质类型 正常地层区域 断层破裂带区域 弹性模量／GPa 40 20 泊松比 0.30 0.32 表4燕山期应力场模拟载荷及约束条件 Table 4 Load and constraint conditions for simulation of 边界约束 条件 研究区南部及 西部构造简单 稳定，在研究模 型南部和西部 进行位移约束。 Yansbanian stress field 确定边界载边界载荷 荷值的依据方向 主应力差值 NW-SE向， 41～67MPa，平 ’135。～3150 均53.2MPao “ 施加载荷 依据 在燕山期 呈现NW 向挤压作 用。 表5喜马拉雅期应力场模拟岩石力学参数表 Table S Rock mechanics parameters for simulation of Himalayan stress field 研究区介质类型 正常地层区域 断层破裂带区域 弹性模量／GPa 35 17.5 泊松比 0.32 0.34 表6喜马拉雅期应力场模拟载荷及约束条件 Table 6 Load and constraint conditions for simulation of Himalayan stress field 确定边界载荷边界载荷 边界约束条件 值的依据方向 研究区南部及西部 主应力差值为 构造简单稳定，在研NN巳SS向 . 30-67MPa, 究模型南部和西部38。～218。。 平均48.lMPa。 进行位移约束。 施加载荷 依据 在喜马拉 雅期呈现 NNE向挤 压作用。 根据研究区的基本构造特征，在建立合理的地 质模型基础上，将其视为一个各向同性的弹性体， 应用摩尔库伦准则，对区块进行古构造应力场的二 维有限元模拟。 3.3 构造应力场模拟结果 燕山期构造应力场数值模拟结果（图6）表明最 大主应力值呈现由东南向西北逐渐减弱的趋势，东 南区域主应力值最大达70-80MPa，西北区域应力 值降至20-30MPa。中部断裂、榴皱发育区域应力 图6燕山期最大主应力等值线图 Fig. 6 The maximum principal stress contour 值与周围相比偏小。 喜马拉雅期构造应力场数值模拟结果（图7）表 明最大主应力值呈现由东北向西南逐渐减弱的趋 势，东南区域主应力值最大达60～70MPa，西北区 域应力值降至20MPa。中部断裂、裙皱发育区域应 力值与周围相比偏小。 4结论 a.通过赤平投影方法将研究区实测节理裂隙 进行分期和配套分析，发现本区自中生代以来先后 主要经历了2期构造应力场作用。 b.第1期构造应力场在区内最发育，其大挤 ChaoXing 第5期王立志等延川南区块古构造应力场特征及其反演方法 23 延10井 Y6 815-1 Y4 号l飞uι.5km 。口． 、，”「 图7喜马拉雅期最大主应力等值线图 Fig. 7 The maximum principal stress contour 压应力方向为NW-SE向，平均产状为135。丘12。， 最小主应力轴产状为44。丘3。；第2期应力场最大挤 压应力方向为阳－SW向，最大主应力轴统计平均 方位为49。ζ12。，最小主应力轴产状为131。L3。 c.根据摩尔库伦破裂准则，通过共辄剪断裂破 裂角大小的变化来估算古构造应力场主应力差值。 d.利用ANSYS有限元软件模拟了两期古构造 应力场分布。燕山期最大主应力值呈现由东南向西 北逐渐减弱的趋势，应力值为30～80MPa；喜马拉 雅期最大主应力值呈现由东北向西南逐渐减弱的趋 势，应力值为20～70MPa。 参考文献 [I］叶建平，秦勇，林大扬，等．中国煤层气资源[M）.徐州中 国矿业大学出版社，199813-15. 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