古构造应力量值确定机器在构造地质建模中的应用.pdf

第 23 卷 第 23 期 岩石力学与工程学报 23233979～3983 2004 年 12 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2004 2004 年 3 月 8 日收到初稿，2004 年 6 月 18 日收到修改稿。 * 国家教育部“优秀青年教师教学科研奖励计划TRAPOYT”和西南石油学院“裂缝孔隙度数值评价技术”项目资助课题。 作者 秦启荣 简介男，1964 年生，博士，1985 年毕业于成都地质学院地质学专业，现任教授、博士生导师，主要从事构造应力、裂缝结构面、 构造地质与油气田开发地质等方面的教学和研究工作。E-mailqqrong。 古构造应力量值确定及其在 构造地质建模中的应用 古构造应力量值确定及其在 构造地质建模中的应用 * * 秦启荣 1 张烈辉2 邓 辉3 苏培东1 王振宇1 1西南石油学院资源与环境工程学院 成都 610500 2西南石油学院“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 成都 610500 3成都理工大学 成都 610059 摘要摘要 在对地质构造及构造应力场数值模拟分析过程中，关键问题是在地质建模时如何确定模型边界条件的应力 量值大小。以塔里木盆地塔中 I断裂带构造数值模拟的建模过程为例，应用岩石 Kaiser 效应与方解石晶体晶格位 错的测试结果，结合构造特征和构造演化的解析进行综合分析，确定了研究区域目的层位在不同构造运动时期古 构造应力场应力量值的大小，并成功地建立了研究区域构造地质模型。 关键词关键词 地质力学，Kaiser 效应，晶格位错，古构造应力，构造地质建模 分类号分类号 P 552，TD 311 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000-6915200423-3979-05 DETERMINATION OF MAGNITUDE OF PALAEO-TECTONIC STRESS AND APPLICATION TO TECTONIC GEOLOGICAL MODELING Qin Qirong1，Zhang Liehui2，Deng Hui3，Su Peidong1，Wang Zhenyu1 1Department of Resource and Environment Engineering，Southwest Petroleum Institute， Chengdu 610500 China 2State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Southwest Petroleum Institute， Chengdu 610500 China 3Chengdu University of Science and Technology， Chengdu 610059 China Abstract In the process of numerical modeling of tectonic and the palaeo-tectonic stress field，it is key problem to determine the stress magnitude as the boundary condition of model. The model construction process of Tazhong I fracture zone in the center of Tarim basin，Xinjiang province，China，is taken as an example to show how to determine the palaeo-tectonic stresses of different beds with different tectonic movement ages. The tectonic geological model is successfully established by using Kaiser effect of the rock and testing result of dislocation in crystal lattice of conchite. The characteristics and resolution of the tectonic evolution are compensatively analyzed. Key words geomechanics， Kaiser effect， dislocation of crystal lattice， palaeo-tectonic stress， model construction of tectonic geology 1 引引 言言 在对地质构造的分析研究中，常常要对构造的 形成、发展、演化，以及导致构造形成的构造应力 场进行深入解析，其中对构造应力场的研究则是一 项重要内容。目前可以用数值模拟分析的方法求解 构造应力场，但首先需要确定研究区域个别点或边 3980 岩石力学与工程学报 2004年 界的古构造应力的大小和方向，以便进行拟合或确 定边界条件，即进行地质建模。一般情况下，构造 应力场的方向可以通过传统的构造形迹分析确定， 但构造应力量值大小的确定比较困难，需要利用实 验测试的结果，加上构造解析进行综合判断。确定 古构造应力量值大小的方法有岩石力学实验资料推 算、数学解析法估算、显微构造估算[1]以及岩石应 力记忆Kaiser效应[2]。 本文以塔中 I 断裂带 O23灰岩构造数值模拟 的模型建立为例，介绍岩石 Kaiser 效应和方解石晶 体晶格位错实验在判断确定古构造应力量值以及构 造变形模拟的地质建模过程中的应用。 2 塔中塔中 I 断裂带构造特征断裂带构造特征 塔中 I 断裂带位于新疆塔里木盆地中央隆起 带塔中隆起的东北边缘带，是一个 NW～SE 方向 延伸的狭长地带图 1，2，O23灰岩埋深 4 000～ 6 000 m。地质研究的结果表明[3 ，4]，该断裂带自从 形成以来，历经多次构造运动，形成了复杂的以断 裂为主的构造体系；其中对 O23灰岩断裂系统形成 有影响的构造运动主要有3期 第1期加里东晚期～ 早海西时期O23～S～P，主要是由 SSW 向 NNE 方向的构造挤压作用；第 2 期是晚海西时期C～P， 构造作用方式是以 NWW～SEE 方向的右旋扭动为 主； 第 3 期是燕山～喜山构造运动时期， 该期构造 运动较弱，没有形成较明显的构造形迹，因此对该 期构造运动本次不作研究。 为了预测该地区深部O23灰岩地层中岩体裂缝 的发育情况，对该层古构造变形进行了数值分析， 以了解各次构造运动在目的层中所形成的应力、应 变特征。根据构造运动的演化特征，在建立数值分 析的地质模型时，只考虑了前两期构造运动第 1 期是早加里东～晚海西构造运动O23～S～D时 期，岩体受到 SSW 向 NNE 方向的构造挤压作用； 第 2 期是晚海西C～P构造运动时期，由于南天山 褶皱带形成，对塔里木盆地中央隆起区产生斜向挤 压作用， 使塔中I 断裂带遭受右旋式压扭构造作用。 在确定了上述 2 期构造运动的作用方式及其作用力 方位后，还需要确定各期次构造应力量值的大小， 对此，采用了下述 2 种实验手段来确定。 图 1 O23～S～D 时期构造模拟的边界条件 Fig.1 Boundary condition of tectonic model in O23～S～D period 图 2 C～P 时期构造模拟的边界条件 Fig.2 Boundary condition of tectonic model in C～P period 第 23 卷 第 23 期 秦启荣等. 古构造应力量值确定及其在构造地质建模中的应用 3981 3 Kaiser 效应测试结果效应测试结果 3.1 基本原理基本原理[2] Kaiser 效应是材料受力作用后所出现的声发射 现象， 是德国学者 J. Kaiser 于 1959 年发现的。 R. E. Goodman 于 1963 年通过实验证实了岩石也具有 Kaiser 效应现象，其实质是岩石内部显微缺陷的受 力扩展，岩石的每一次受力，都会使其内部组织结 构产生与受力大小及方向相适应的显微破裂系统， 即格里菲斯裂纹。当岩体受力达到或超过先期应力， 则先期产生的裂纹或缺陷将进一步扩展，声发射作 用随之产生，这就是岩石的 Kaiser 效应的机理。此 时的应力值，代表了先期裂纹形成时的古应力值， 这也就是Kaiser效应对古构造应力强度即量值的记 忆。 3.2 实验结果实验结果 为了研究塔中 I 断裂带 O23灰岩古构造应力 的大小，笔者从 3 口井中选取了 6 组 O23灰岩样品 进行Kaiser声发射效应实验。根据声发射特征参数图 和实验载荷大小，整理并计算出各级 Kaiser 效应点 对应的应力分量，如表 1 所列。通过下面公式 ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ − − xy yxyx yxyxxy 22 21 45 4 2 1 2 1 2 1 τσσσσσ σσστ ， 1 计算得出各级Kaiser效应点应力状态的主应力结果 如表2所列。 表2所列主应力状态数据揭示了岩体所承受的 应力作用的次数和每1级状态的主应力值。从表中 可以看出，测试岩体有3级应力结果，结果表明研 究区遭受过3次构造运动，这与构造分析的结果是 一致的。 根据Kaiser效应的形成机理，在所记忆的3级 应力状态中，其中必有1级是晚近地质时期构造应 力作用的记忆，即中新生代的构造应力值。关于塔 里木盆地新生代构造应力场，文[5]曾作过计算研 究，其中Z～O层位中最大主应力值为24～23 MPa， 而笔者所测得的3级Kaiser点的应力值中，第1级 Kaiser效应点的最大应力与之相近， 可以确认为中、 新生代的构造应力值。 确认了第1级应力是中、新生代的构造应力后， 根据塔中地区构造演化资料推测第2级应该为晚 海西期的地应力值，第3级为加里东晚期～早海西 表表 1 各级各级 Kaiser 效应点应力分量效应点应力分量 Table 1 Stress magnitude in different points of Kaiser effect 声发射点应力分量/MPa 取样井号及深度/m 取样方向 第 1 级 第 2 级 第 3 级 σx 14.13 18.48 21.28 σy 16.09 24.28 40.72 Tz27 3 776.5～3 777.7 σx45y 19.23 39.16 44.24 σx 26.53 32.16 40.60 σy 15.28 28.39 35.34 Tz35 5 645.0～5 645.7 σx45y 15.82 33.37 42.34 σx 27.45 31.48 38.35 σy 14.93 17.45 22.13 Tz42 5 380.0～5 380.7 σx45y 21.55 30.24 37.36 表表 2 塔中塔中 I 断裂带断裂带 O23灰岩灰岩 Kaiser 效应点各级应力状态主应力分量效应点各级应力状态主应力分量 Table 2 The principal stress magnitude in different points of Kaiser effect of limestone strata O23，，fracture zone Tazhong I 第 1 级 第 2 级 第 3 级 取样 井号 取样深度/m σ1/MPa α/ σ2/MPa τxy/MPaσ1/MPaα/ σ2/MPaτxy/MPaσ1/MPa α/ σ2/MPaτxy/MPa Tz27 3 776.5～3 777.7 19.35 38.26 10.88 1.1239.40 40.313.37 17.78 47.43 26.82 11.58 13.46 Tz35 5 645.0～5 645.7 28.49 21.03 13.32 －5.0833.90 －29.2926.65 3.09 43.07 －29.44 32.87 27.00 Tz42 5 380.0～5 380.7 27.46 －1.64 11.92 0.3633.55 －19.7015.38 5.77 41.03 －20.61 19.45 7.12 3982 岩石力学与工程学报 2004年 期的古构造应力值。 根据岩石Kaiser效应对地应力的记忆功能的研 究发现它对晚近时期的地应力记忆比较准确，而 时间久远的构造应力所形成的微裂纹随地质时代的 推移会部分甚至全部愈合，岩石所记忆的应力要发 生部分衰减，一般情况下，现在测得的数值应该小 于其原始值。考虑到加里东和海西构造期都已有很 长时间了，因此表中所列的实测值应该比实际的构 造应力值小。由此可以判断第1期即晚加里东～ 早海西时期的构造应力要大于表1所列的47.43 MPa， 而第2期晚海西时期的最大构造应力应该大于 39.4 MPa，而且第1期构造应力大于第2期。 4 方解石晶格位错估算差异应力结果方解石晶格位错估算差异应力结果 为了进一步确定塔中I 断裂带构造应力的量 值，在Kaiser效应测试基础上，还利用碳酸盐岩中 方解石的显微构造特征主要是自由位错的密度 计算了该地区差异应力。 4.1 基本原理基本原理[6] 差异应力估算的基本原理是岩石在稳态流动过 程中，其矿物所形成的一些显微构造特征，包括自 由位错密度、亚颗粒大小及动态重结晶颗粒大小 等，与差异应力之间存在某种函数关系，利用这种 关系可以计算差异应力， 这种方法称为显微构造应力 计[1]。文[6]于1981年对方解石及其他矿物单晶体及 多晶集合体的实验研究证实了差异应力与其位错密 度之间存在定量关系，从而将该方法应用于地质 学领域的研究。 4.2 差异应力估算差异应力估算 共选择25个样品进行测试，其中得到22个样 品的结果，然后用式 5 . 03 100 . 5ρσ − ∆σ∆为差异 应力MPa，ρ为自由位错密度cm －2计算出差异 应力的平均值，结果列于表3。 表表 3 塔中塔中 I 断裂带断裂带 O23灰岩差异应力计算结果灰岩差异应力计算结果单位单位 MPa Table 3 Calculated results of differential stresses in limestone strata O23，，fracture zone Tazhong I MPa 样品号 取样井号 深度/m 差异应力平均 差异应力下限 差异应力上限 1 Tz12 4 654.00 92.91 79.90 99.41 2 Tz12 4 659.60 50.67 43.58 54.22 4 Tz15 4 599.00 66.43 57.13 71.08 5 Tz16 4 342.80 152.41 131.08 163.08 6 Tz16 4 244.80 83.89 72.15 89.77 7 Tz24 4 259.50 40.89 35.16 43.75 8 Tz30 4 685.50 64.24 55.24 68.73 9 Tz35 5 064.90 37.19 31.99 39.80 10 Tz42 5 775.50 39.31 33.81 42.07 11 Tz43 4 378.00 36.17 33.81 42.07 12 Tz44 5 248.00 37.52 32.26 40.14 13 Tz45 5 016.00 59.38 51.06 63.53 14 Tz45 6 054.70 136.58 117.46 146.14 15 Tz45 6 056.70 55.60 47.82 59.49 16 Tz45 6 100.36 74.94 64.44 80.18 17 Tz49 6 398.70 47.89 41.19 51.24 18 Tz54 5 943.00 47.37 40.74 50.68 20 Tz161 4 395.30 77.18 66.37 82.58 21 Tz161 4 431.50 47.68 41.01 51.02 22 Tz451 6 021.00 109.26 43.96 116.91 23 Tz451 6 203.20 36.18 31.12 38.71 24 TAC1 4 387.60 88.92 76.47 95.14 平均 61.77 51.16 66.24 第 23 卷 第 23 期 秦启荣等. 古构造应力量值确定及其在构造地质建模中的应用 3983 上述地质研究结果表明塔中地区碳酸盐岩裂 缝主要形成于中晚奥陶世～志留纪～泥盆纪 O23～S～D时期，方解石充填时期应该是在这之 后，因此由方解石晶格位错密度计算得出的差异应 力值只能代表中晚奥陶世～志留纪～泥盆纪 O23～S～D之后某个时期的差异应力。根据塔中 地区的实际情况，该结果所代表的应该是晚海西期 C～P或中新生代构造运动的应力值。而塔中地区 构造发展史告诉我们该地区中新生代构造作用较 弱，其近代构造应力经文[5]所作的计算研究表明只 有23～24 MPa，因此晶格位错实验的结果只能是第 2次构造运动时期即石炭～二叠纪C～P的差异应 力值。由此从表3中可以得出结论第2期构造运 动的应力差值为60 MPa左右。 5 模型载荷量值的确定模型载荷量值的确定 通过对Kaiser效应和方解石晶格位错密度的分 析，可以得出结论第1期O23～S～D时期的构 造应力值大于第2期C～P时期；第2期构造运动 的主应力差值大约为60 MPa。 尽管作了上面实验测试工作，但仍然没有具体 确定塔中I 断裂带O23灰岩2期构造运动模型的边 界载荷值，还需要根据构造解析的资料作出综合判 断。 首先将第2期C～P模型的最大边界正应力确 定为60 MPa，即在模型的西南边界上加上60 MPa 外力。 然后判断第1期模型的边界最大构造挤压力， 据Kaiser效应所测定的2期应力差值为8 MPa，而 第1期构造运动迄今时间长，Kaiser效应记忆应力 衰减量大于第2期，据此估计，早期构造应力应该 比第2期大10 MPa左右，故将其定为70 MPa。 根据上述分析，将2期构造模拟的边界载荷确 定如下 第1期西南边界加正应力70 MPa图1。 第2期西南边界加正应力60 MPa， 因该构造 运动时期有右旋扭动，因此在正应力基础上加右旋 剪切力8 MPa图2。 6 结结 论论 通过岩石Kaiser效应和方解石晶格位错密度测 试结果的分析， 结合塔中I 断裂带构造演化解析以 及构造模拟分析，得出以下结论 1 利用Kaiser效应和方解石晶体的位错实验 结果相互验证，可确定深部岩体构造应力量值的大 小。 2 利用Kaiser效应和方解石晶体的位错实 验，结合构造解析成果综合分析，可确定目的层位 构造变形的地质模型。 3 实验结果分析表明塔中地区O23～S～D 时期的构造应力值大于C～P时期，C～P时期构造 运动的主应力差值大约是60 MPa，O23～S～D时 期的构造应力值大约为70 MPa。 致谢致谢 本文的岩石Kaiser效应实验由成都理工大学 “地质灾害防治与工程地质环境保护”国家实验室 完成，晶格位错实验制样和观察在北京大学电镜实 验室完成。特此致谢 参参 考考 文文 献献 1 万天丰. 古构造应力场[M]. 北京地质出版社，1986，103～122 2 张倬元，王士天，王兰生. 工程地质分析原理[M]. 北京地质出 版社，1994，87～90 3 贾承造. 中国塔里木盆地构造特征与油气[M]. 北京石油工业出 版社，1997 4 秦启荣，刘 胜，苏培东等. 塔中 I 断裂带 O2＋3灰岩储层裂缝特 征[J]. 石油与天然气地质，2002 年，232183～185 5 何登发，吕修祥，林永汉等. 前陆盆地分析[M]. 北京石油工业 出版社，1996 6 Friedman J，Higgs N G. Calcite fabric in experimental shear zones，mechanical behavior of crustal rocks[J]. Geophys.，1981， 24111～27