碎屑巖褶皺過程中的裂縫系統(tǒng).pdf

1、褶皺是一種常見的構(gòu)造現(xiàn)象，代表地層發(fā)生了連續(xù)的彎曲變形，在此過程中會(huì)伴生大量裂縫。目前，褶皺相關(guān)裂縫的成因機(jī)制及其控制因素一直是地質(zhì)學(xué)界的研究熱點(diǎn)，但也存在較大的爭議。本文研究了碎屑巖褶皺過程中裂縫發(fā)育的規(guī)律，取得了以下主要幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):
　　 1、在巖層未褶皺之前，水平狀態(tài)的地層受到構(gòu)造擠壓應(yīng)力的影響，形成了早期裂縫，早期裂縫的發(fā)育和分布與單層厚度有密切的關(guān)系。
　　 當(dāng)單層厚度較小時(shí)，地層中發(fā)育了與層面垂直的平面共軛裂縫

2、，平面共軛裂縫銳夾角角平分線方向與最大主應(yīng)力平行，鈍角角平分線方向與最小主應(yīng)力的平行;平面共軛裂縫與單層厚度呈線性反比例關(guān)系。
　　 當(dāng)單層厚度較大時(shí)，巖層中發(fā)育了與層面平行的張裂縫，其延伸較長、規(guī)模較大，張裂縫形成以后便控制了低級(jí)別裂縫的發(fā)育。有限元模擬發(fā)現(xiàn)，薄厚相間的地層在受到擠壓應(yīng)力作用后，薄層、厚層中應(yīng)力分布不同，在厚層中，最大主應(yīng)力與地層面小角度相交或平行，在這種擠壓應(yīng)力作用下發(fā)育的張裂縫與層面應(yīng)多為小角度相交或平行關(guān)

3、系，與層面平行的裂縫將厚度較大的地層“切割”為厚度較薄的地層，在進(jìn)一步剪切作用下形成大量的級(jí)別更低的裂縫系統(tǒng)。
　　 2、地層彎曲變形以后，裂縫分維數(shù)或密度仍受到地層厚度的約束，在褶皺的轉(zhuǎn)折端，除了保留早期形成的共軛裂縫外，還有后期發(fā)育的平行于褶皺樞紐的縱張裂縫，縱張裂縫密度與單層厚度不為線性反比例關(guān)系。早晚期裂縫疊加之后，裂縫密度隨著地層厚度的增加而減少，與單層厚度成多項(xiàng)式關(guān)系。傾斜巖層中厚度越大的地層裂縫的分維數(shù)越高，厚度越

4、小的地層中裂縫的分維數(shù)越低。
　　 3、褶皺變形后，在簡單傾斜的地層中，地層傾角變化對裂縫密度有著重要的影響，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在一定的傾角范圍內(nèi)，裂縫分維數(shù)隨著地層傾角和地層厚度的增大而增大，而且地層傾角對于裂縫密度的影響要大于地層厚度的影響。
　　 在復(fù)雜傾斜的地層中，由于傾角的變化，形成一種特殊的、與地層面斜交的構(gòu)造裂縫。根據(jù)夾角與地層相對運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，本文把銳夾角指示鄰層相對運(yùn)動(dòng)方向的裂縫稱為D裂縫，而把銳夾角指示本層相對

5、運(yùn)動(dòng)方向的裂縫稱為D，裂縫。在剖面上，這種特殊裂縫的組合呈扇形，裂縫密度隨著地層厚度的增加而增加。對地層褶皺變形的幾何分析，發(fā)現(xiàn)這兩組裂縫具有相同的成因機(jī)制，在褶皺形成的過程中，核部曲率的逐漸增大導(dǎo)致了核部地層的縮短量較大。為了調(diào)節(jié)這種地層褶皺變形過程中產(chǎn)生縮短量和剩余剪切，便形成了這種特殊的構(gòu)造裂縫。
　　 有限元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在褶皺的轉(zhuǎn)折端受到派生的局部伸展應(yīng)力作用，野外觀測發(fā)現(xiàn)，在保留了早期的平面共軛裂縫同時(shí)，還在局部伸展

6、應(yīng)力的作用下形成了與褶皺樞紐平行的縱張裂縫。
　　 4、在同樣的擠壓構(gòu)造背景下，碎屑巖巖性對裂縫的發(fā)育具有明顯的控制作用。在砂巖中，受到垂直于地層面的擠壓應(yīng)力作用形成了張裂縫，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫的分維數(shù)隨著地層厚度的增加而增加;在泥巖中，發(fā)育了密集的與地層面小角度相交的破劈理，研究認(rèn)為劈理是在簡單剪切作用下形成的。
　　 5、研究指出，在褶皺過程中相關(guān)構(gòu)造裂縫系統(tǒng)的發(fā)育大致可以劃分為3個(gè)不同的階段:第一階段為地層水平狀態(tài)，此時(shí)

7、巖層彎曲變形程度低，但是內(nèi)部的應(yīng)變同樣會(huì)導(dǎo)致早期的構(gòu)造裂縫的形成;第二階段為地層彎曲過程中，巖性、地層厚度、地層彎曲的角度以及彎曲的復(fù)雜程度控制著裂縫的形成、分布和密度的變化;第三個(gè)階段為褶皺發(fā)育以后受到強(qiáng)烈改造的階段，地層較為陡傾，地層厚度依然控制著裂縫發(fā)育，裂縫分維數(shù)隨著地層厚度的增加而增加。
　　 本文提出了褶皺過程與裂縫發(fā)育的概念模型:
　　 (1)在受到擠壓作用以后，未褶皺變形的水平地層中，發(fā)育了受層厚控制的早

8、期裂縫。在厚度較小的巖層中，發(fā)育了平面共軛裂縫系統(tǒng)，裂縫性質(zhì)為剪切裂縫，與地層面直交。共軛銳夾角角平分線方向指示最大主應(yīng)力方向;而在厚度較大的巖層中除發(fā)育平面共軛裂縫以外，同時(shí)也形成了平行于地層面的張裂縫。
　　 (2)持續(xù)的褶皺作用導(dǎo)致地層逐漸彎曲變形，在褶皺的轉(zhuǎn)折端部位會(huì)因?yàn)榍识l(fā)育與派生的伸展應(yīng)力相關(guān)的縱張裂縫;在褶皺翼部受層間剪切作用的影響，發(fā)育裂縫多于地層面斜交。裂縫發(fā)育受到地層厚度和地層傾角的控制，裂縫分維數(shù)隨著層