Question

构造应力场分析

Answer 1

2.7.1 现今地壳运动和构造变形GPS测量

利用全球定位系统（GPS）进行高精度、大范围和及时的现今地壳运动和构造变形测量是研究现今应力应变的一种有效方法。王琪等（2001）利用中国地壳运动GPS检测网站取得的观测数据，求出了中国大陆和邻区229个测站的速度矢量，给出了这229个测站相对于欧亚板块稳定部分（西伯利亚）的变形速率，其中柴达木地块上5个测点的优势运动方向是N60°E，平均运动速度为12～14mm/a（王琪等，2001）。

Z.Chen et al.2000年利用中国大陆GPS检测网数据，计算相对华南地块，柴达木地块现今地壳运动速度为大约15mm/a，运动方向为NE到NNE。柴达木盆地测点DQD4和祁连山北侧测点HCY1之间的缩短速率为（10±2）mm/a。

上述王琪等（2001）、Z.Chen et al.以及张强、朱文耀2000年利用中国大陆GPS检测网的检测数据获得的柴达木盆地现今地壳运动速率和方向显示，柴达木盆地现今地壳变形为NE到NNE向缩短，最大挤压应力方向为NE到NNE方向。表2.2给出的是柴达木盆地及其周边地区GPS测量给出的运动速率。

表2.2 柴达木盆地及周边地区地壳运动速率表

2.7.2 震源机制解法现今应力测量

地震发生时，震源运动过程的一个重要结果是辐射地震波传递着震源信息，据此可直接了解震源处运动特征，进而分析地壳应力状态（表2.3）。P波到达接收器的第一个振幅方向（即称初动方向或运动符号），在地面分布呈一种特殊图像，而反映了震源运动过程及其与断裂的产状、力的作用方式的直接关系。根据单力偶或双力偶模式可求取得震源运动参数，如震源节面、P轴产出地点、方位及倾角（即应力释放轴的方位和倾角，也称为最大主压应力轴的方位和倾角）。

表2.3 柴达木盆地周边地区地应力测量结果表

续表

据内部资料：廖椿庭等，2002；施兆贤等，1989，拉西瓦水电站地应力测量及有关问题的讨论；廖椿庭等，1989，青铜峡大坝裂缝和坝体应力状态关系的研究总结报告。

在柴达木盆地内部，地震主要集中在盆地西南部、三湖地区和东部的德令哈地区，其中1937年在德令哈以西发生的7.5级地震为最大震级地震，现今依然可以看到其震后出现的形变带，长达300km。在柴北缘地区也有零星的小震发生。因此从地震发生的区域来看，祁漫塔格山和阿尔金山的邻接部位、南祁连山向盆地的凸出部位以及东昆仑和南祁连山近于平行展布的德令哈地区地震发生较多，现今构造活动强烈，而广大的盆地内部，地震相对较少。

根据HRV和USGS给出的震源机制解（表2.4）来看，在柴达木盆地及邻区，最大主应力轴的方位基本位于NNE－NE向的范围内，仰角也比较小，30°以下的仰角占90％左右。因此，该区现今遭受近水平的压应力，方向为NNE－NE向。最小张应力轴的方位近EW－NW向，倾角较分散，30°以下的占了近40％，31°～60°占了近20％，而61°以上的也占40％左右。因此最小主应力一部分为垂直，另一部分则近水平。而中间应力轴的倾角反映了该发震断裂的类型，倾角较小表明以倾滑为主，而仰角大则表明断裂的活动方式可能以走滑为主。从柴达木盆地及邻区的中间应力轴的倾角看，30°以下的占了约55％，而61°以上的倾角占了26％，因此结合该地区的区域地质情况来看，断裂主要以倾滑为主，还有部分断裂以走滑为主，另有部分断裂兼有走滑成分。

表2.4 柴达木盆地中强地震震源机制解

续表

从震源的深度范围来看，普遍集中在20km以内，这可能意味着地壳存在一个规模较大的滑脱层，而柴达木盆地中众多断裂均在深部收敛于该滑脱层。地球物理资料也显示，柴达木地块在与高原下地壳低速层深度对应的层位附近（约20km）有一条厚度为510km的显著低速带（约5.8km/s），暗示柴达木地块的中下地壳黏度较低，这可能和该条滑脱断层的存在有关。

2.7.3 钻井崩落法现今地应力测量

2.7.3.1 钻井崩落法原理

自20世纪70年代以来，许多学者发现，在深钻井中常常产生井壁岩石崩落现象，而且在同一钻井不同深度上崩落椭圆横截面的长轴方向往往相同。在地下巷道中，也发现了这种崩落破坏现象，室内实验分析证明了这种崩落现象的力学机理，并证实崩落椭圆的长轴方向与最小水平应力方向平行。根据这一现象，人们发现了确定地应力的钻井崩落法。

（1）钻井崩落的力学分析

地壳中的一个铅直钻井，它的横截面通常处在两个水平主应力σ₁及σ₂（σ₁＞σ₂）的压缩之下（王连捷等，1996）。钻孔附近的应力分布可用下式表示：

柴达木盆地构造体系控油作用研究

式中：θ为σ₁方向算起沿反时针方向测量的角度；a为钻孔半径；r为矢径；σ_r及σ_θ为径向和切向正应力；τ_rθ为剪应力。

当r＝a时，可得井孔壁上的应力分布：

σ_r＝0

σ_θ＝（σ₁＋σ₂）－2（σ₁－σ₂）cos 2θ

τ_rθ＝0

当θ＝π/2及3π/2时，即在点M及N附近，切向应力σ_θ取极大值，即σ_θ＝3σ₁－σ₂

此时在M和N点上的切向应力（σ_θ）和径向应力（σ_r）之差亦取极大值：

σ_θ－σ_r＝3σ₁－σ₂

即剪应力（σ_θ－σ_r）/2取极大值。

可以看出，随着沿水平轴线向钻孔靠近，径向应力σ_r降低，切向应力σ_θ增大，在θ＝π/2及3π/2的方向上，形成剪应力集中区，当应力达到岩石的强度时，就产生井壁崩落，崩落形成的椭圆长轴方向与最小主应力平行。

使用摩尔－库伦的剪破裂准则，可以更清楚地说明崩落的力学机理，摩尔－库伦破裂准则用公式表示如下：

柴达木盆地构造体系控油作用研究

式中：S₀为内聚力；μ为内摩擦系数。

如果方程式的右边小于S₀，则井壁是稳定的；若方程式的右边等于或大于S₀，则产生崩落。

（2）主应力方位的确定

如前所述，钻井崩落椭圆长轴与最小主应力方向平行。因此，确定主应力的方向就在于确定崩落椭圆的方位。利用地层倾角四臂或六臂测井仪可以测井径的大小和长轴方位。四臂测井仪由四个测臂组成，即C₁、C₂、C₃、C₄。测臂C₁及C₃处在同一直径上，称为C_1－3，测臂C₂、C₄处在另一直径上称为C_2－4。C_1－3和C_2－4测臂互相垂直，测井时，四个测臂与井壁紧密接触，当井径变化时，四个测臂也跟着变化，伸长或缩短。测井仪从井底向上移动时，测井装置在井中旋转，当遇到崩落椭圆井段时，其中一对测臂落在扩径方向，而另一对则处于未扩径方向，这样，我们就可以从两条井径曲线知道井径的大小。

地层倾角四臂测井仪附有相应定位定向装置，通常它给出1号测臂的方位角AZ。

如果C_1－3测臂记录的是长轴井径，则崩落椭圆的长轴方位是a＝AZ。

如果C_2－4测臂记录的是长轴井径，则崩落的椭圆的长轴方位是a＝AZ＋90°

同理利用六臂测井仪同样获得崩落的椭圆的长轴方位。

2.7.3.2 柴达木西地区井壁崩落法地应力测量结果及分析

在收集到的6口可进行井壁崩落法地应力分析的测井资料，分别是阿3井、扎西1井、跃78井、红33井、东9井和柴6井，既有四臂测井资料，也有六臂测井资料。通过对每口钻井崩落井段的统计分析，每口钻井崩落椭圆长轴方向，除柴6井崩落椭圆长轴方向比较离散外，其他钻井崩落椭圆长轴方向都比较一致（表2.5），在此基础上，计算出每口钻井的最大主压应力方向分别为阿3井140°、扎西1井30°、跃78井90°、红33井20°、东9井90°、柴6井50°。上述结果显示，柴西地区现今最大主压应力方向既有NEE－NE向，也有近EW向和NW－SE向，说明盆地不同部位，应力方向有局部变化。但由于柴西地区适合于进行井壁崩落法地应力分析的测井资料较少，我们尚不能得出柴西地区地应力局部变化的规律性。

表2.5 柴西地区井壁崩落法地应力测量结果表

2.7.4 柴达木盆地构造应力场光弹实验模拟

光弹实验是由光学和弹性理论相结合、用以对研究对象进行应力分析的实验方法。就是用光弹性材料做成研究对象的相似模型，用仪器测定出模型在相似载荷作用下光学性质的变化，以达到分析研究对象中应力分布的实验方法。即将测量对象所遭受的力学量转变为光学干涉条纹，使得微小的物理量变化可以达到人们直接测量感知的程度，进而来分析研究对象的应力分布。

光弹实验方法的理论基础研究起始于19世纪中叶，但受限于材料的发展，直到20世纪20年代，光弹实验方法才开始在工程上推广应用。随后，由于光弹实验方法具有直观性和全场性的特点，这种方法获得了迅速发展，应用也愈益广泛。

我国自1949年以后，光弹实验方法才得以迅速发展，并在造船、航空、水利、机械等方面得到了广泛应用。

用光弹实验方法模拟地质问题，主要是模拟构造应力场，进而通过应力场分析来解决各种地质问题。

2.7.4.1 实验方法

实验时首先要建立所研究问题的地质模型，然后再根据地质模型和相似理论用光弹性材料制作研究对象的相似模型，进而按照一定的边界条件进行加载，测定出模型在该边界条件下的应力分布，以达到分析该地质问题的构造应力场的目的。

（1）地质模型的建立

地质模型的建立主要根据研究区的地质情况而定，一般直接把研究区的构造图缩小到光弹仪的量程以内即可，必要时作适当简化。

（2）实验模型的制作

实验的光弹性材料是以E44－6101型环氧树脂为基体、顺丁烯二酸酐为固化剂、邻苯二甲酸二丁酯为增塑配制而成的。其质量比如下：

环氧树脂∶顺丁烯二酸酐∶邻苯二甲酸二丁酯＝100∶30∶5

在制作模型时，首先将环氧树脂、顺丁烯二酸酐和邻苯二甲酸二丁酯按上述比例配好，搅匀，注入特制的模具内，放在烘箱中恒温65℃左右，固化28h，称为一次固化。待材料不发黏时进行脱模，得到半固化的光弹性板材。用改装了的医用手术刀将该地区的构造线刻画在板材之上，然后把上述板材放入烘箱，以每小时10～15℃升温至115℃，恒温4～5h，再以每小时5～6℃降温至60℃，将烘箱断电，使其自由降温至常温，进行第二次固化。最后对四周余量进行加工，即可得到实验所用模型。

由于加工成型的模型中，有较大的初应力（特别是刻画的断层处）。需要对模型进行退火，以清除其中的初应力。将加工成型的模型放入甘油中在烘箱内加温至120℃，恒温2h，然后每小时5℃降温，即可退去模型内的初应力。如果一次退火的效果不满意，还需要进行二次退火，其方法相同。

（3）实验过程

实验时，分别将模型置于万能材料试验机上，使其按选定的边界条件加均布载荷，于光弹仪上分别摄取等色线图，得到该模型的等色线条纹图案，并在光弹仪上确定模型内各断裂的受力方式。

2.7.4.2 实验结果

光弹实验所得到的最基础成果是一套反映不同应力状态的有不同级数的等色线条纹组成的等色线图案，据此我们可以对实验模型和实验对象进行应力分析。

根据二维应力－光学定律，等色线条纹级数与主应力差（σ₁－σ₂）或最大剪应力（τ_max＝ 成正比。也就是说，光弹实验的等色线就是等主应力差线或等最大剪应力线，不同级数的等色线组成的等色线图案是模型内主应力差或最大剪应力的等值线图。等色线图案可以直接反映模型内主应力差或最大剪应力的大小分布。除此之外，根据光弹实验的等色线图案，我们还可以直接判断模型内各断裂的受力状态。在模型内各断裂上的等色线图案，特别是各断裂端点上的等色线图案有三种类型。

第一种类型：称Ⅰ型条纹，其特征是等色线条纹分布近对称于断裂走向，它既可以由垂直于断裂走向的压应力作用而形成，又可以由垂直于断裂走向的张应力作用而产生。区分断裂是受压力还受张应力，可以用针刺法在光弹仪上进行鉴别。

第二种类型：称为Ⅱ型条纹，其特征是等色线条纹主轴与断裂走向平行。它们的形成是断裂受剪应力作用的结果。

第三种类型：称为复合型条纹，其特征是等色线条纹既不对称于断裂走向，也不平行于断裂走向。它们的形成是断裂既受剪应力又受压应力或张应力作用的结果。区别断裂是受张剪应力还是受压剪应力作用，也是用针刺法在光弹仪上进行鉴别。

因此，根据断裂上的等色线条纹类型，我们就可以确定出各断裂的应力状态。

2.7.5 柴达木西地区现今构造应力场光弹实验模拟

2.7.5.1 实验地质模型

柴西地区构造应力场光弹实验所采用的地质模型，是根据柴西地区的现今构造面貌，考虑了柴西地区的主要断裂，实验所采用的构造图是从柴西地区2000m、3000m和4000m深度构造图上裁取下来的。

2.7.5.2 实验边界条件

根据区域构造应力场分析和现今地应力实测结果，柴西地区第四纪以来的最大主压应力方向为NNE－SSE向。因此，柴西地区构造应力场光弹实验模拟的边界条件选用NNE－SSW向均匀挤压，具体挤压方向为N30°E。

2.7.5.3 实验结果

（1）各断裂受力方式在NNE－SSW向挤压外力作用下，柴西地区各断裂的受力方式，显示不同深度上NWW和近EW向断裂主要受压力作用，呈逆冲活动，表现为逆冲断裂。NW向断裂和断裂走向呈NW向的地段受压应力兼右旋剪切应力作用，呈压扭性活动，表现为逆断层兼有右旋走滑分量。NNE和近SN向断裂受张应力作用，呈张性活动，表现为正断层；NEE向断裂受左旋剪应力作用，呈左旋剪切活动，表现为左旋走滑断层。光弹实验得到的应力作用方式与柴西地区现今各断裂的活动方式是一致的，说明光弹实验所采用的边界条件符合柴西地区的地质事实。

（2）应力大小光弹实验所得到的等色线图案直接反映了最大剪应力的大小，柴西地区现今构造应力场光弹实验的等色线图案显示：

a）柴西地区现今构造应力场中应力的大小分布是不均匀的，不同地区构造应力的大小相差很大，存在一些应力低值区和应力高值区。

b）柴西地区断裂构造对区内构造应力的大小分布影响很大，断裂两侧构造应力的大小差别很大，构造断裂对应力分布具有明显分隔作用。

在2000m深度，应力低值区主要分布在尕斯库勒、油沙山、阿拉尔、红柳泉、七个泉、北乌斯、油南1井西南侧、咸水泉、月牙山、尖顶山、切3井附近和索尔库里等地，等色线条纹级数一般为一级红到一级绿，以跃深1井附近和北乌斯应力值最低，等色线条纹级数在一级绿以下。其他地段，等色线条纹级数一般在2～3级，部分地段等色条纹级数可达到5～6级。除此之外，2000m深度光弹实验等色线图案还显示阿拉尔断裂、花土沟断裂对应力低值区的分布有很大的影响。

在3000m深度，应力低值区主要分布在尕斯库勒、油沙山、花土沟、狮子沟、七个泉、阿参1井西南、咸水泉、红沟子、月牙山、小梁山、尖顶山、大风山和索尔库里等地，等色线条纹级数一般为一级红到一级绿，以尕斯库勒、油沙山和狮子沟附近应力值最低，等色线条纹级数在一级绿以下。大范围的应力低值区主要分布在尕斯库勒、油沙山、狮子沟和月牙山附近。其他地段，等色线条纹级数一般在2～3级，在部分断裂的端点等色线条纹级数可达到5～6级。

在4000m深度，花土沟－阿拉尔－尕斯库勒湖一带出现大范围的应力低值区，等色线条纹级数在一级绿以下，其次在跃进、七个泉、咸水泉、月牙山和索尔库里等地也分布有较大范围的等色线条纹级数在一级绿以下的应力低值区。与前两个深度不同的是4000m深度不同地段的应力值相差更大，一方面出现大范围的等色线条纹级数不到一级绿的应力低值区，另一方面也出现等色线条纹级数在4级以上的应力高值区，并且应力低值区和应力高值区的分布呈现出NNE向展布的趋势。

2.7.5.4 实验结果分析和油气预测

实验结果，柴西地区现今各断裂的应力作用方式与现今柴西地区断裂的方式一致，一方面说明实验所选边界条件和实验方法符合柴西地区的地质事实，另一方面显示柴西地区NWW向和近EW向断裂的封闭性最好，NW向断裂和断裂走向呈NW向的地段以及NEE向的断裂的封闭性次之，它对油气运移来讲都是一种阻隔因素。只有NNE和近SN向断裂处于伸展状态，具有较好的贯通性，可以成为油气运移的通道。

实验所得柴西地区现今应力的大小分布与已知柴西地区油气田的展布有较好的对应关系，应力低值区往往对应已知的油气田。据此，根据柴西地区现今应力场光弹实验结果的应力分布特征，结合其他石油地质条件，对柴西地区的油气有利区作以下预测（已知油气田不再论述）：

（1）花土沟附近是一个油气有利区

光弹实验结果显示，花土沟附近是柴西地区目前没有找到油田的范围较大的应力低值区。

花土沟附近新生代以来长期处于英雄岭凹陷南侧的水下斜坡部位，有着良好的生油条件，油气运移的时间长。

长期水下斜坡，沉积物颗粒比较粗，孔隙条件好，有较好的储集条件。

（2）阿拉尔附近有利油气聚集区

光弹实验结果不同深度都是应力低值区。

该区周围有长时期的沉降历史，生油条件好，油源充足，油气运移聚集的时间长。

该区处于洼陷的西斜坡带上，具有油气运移的动力条件和储集条件。

（3）狮子沟地区有利油气聚集区

该区深部具有范围较大的应力低值区，从应力与油气关系上看可能是一个油田分布区。

该区长期处于英雄岭凹陷南侧边缘，有较厚的新生界沉积，生油条件好。

该区有较好的粗碎屑沉积，储集条件良好。

狮子沟已发现油田，证明了该区具有找到油田的可能性。

（4）跃进南部地区是一个应力低值区

该区是否具有生油和储油条件需要进一步工作，也是可能找到油田的有利地区。

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