油区构造分析的基础知识

油区构造分析的基础知识第1页/共92页课程名称

油区构造解析课程英文名称StructuralAnalysisofPetroleumProvince所用教材名称油区构造解析（漆家福编著，2001，内部印刷，2004年修改版）教材出版单位参考教材：StructuralStylesinPetroleumExploration(J.D.Lowell)课程类别

学位课√选修课√总学时数32学时其中：讲课28学时；自学（练习）4学时；实验0学时；其它0学时第2页/共92页1、油区构造解析的基础知识4学时2、水平伸展构造6学时3、水平收缩构造6学时4、走滑构造4学时5、底辟构造4学时6、反转构造4学时自学（练习）4学时课程考试（不占学时）主要内容第3页/共92页第一章油区构造解析的基础知识应力—应变的基本概念岩层变形的基本概念构造变形场的基本概念“构造确认”的基本原则地震剖面构造解释的基本程序第4页/共92页第一节应力—应变的基本概念力与应力应力莫尔圆应力场位移应变位移与应变的关系第5页/共92页力与应力力是具有质量的物体发生加速运动的能力，在物理学上力（F）表示为质量（M）和加速度（a）的乘积：

F＝M×a

应力是指物体内部截面上的单位面积受力，是力分布在物体内部的效应。

σT＝F∕S

力和应力都是矢量，可以分解。物体内部任意截面上的应力都可以分解为分别与该截面法线方向和切线方向一致的两个应力分量，即正应力（σ）和剪应力（τ）。第6页/共92页物体内部一点的应力状态是过该点的所有方向的截面上的应力总体特征。物体内部一点的应力状态可以包含该点的单元体积表面3对相互垂直的截面上的应力分量表示。在三维直角坐标系中，一点的应力状态用9个应力分量表示：其中：τxz=-τzxτxy=-τyxτyz=-τzy第7页/共92页主应力面上的应力方程垂直σ2的截面“n”上的正应力σn和剪应力τn分别为：σn＝（σ1＋σ3）sin2θ（注：讲义第2页公式有误）τn＝（σ1－σ3）sinθcosθ上述两式相加得到：〔σn—（σ1+σ3）∕2〕2＋τn2=〔（σ1-σ3）∕2〕2只有正应力作用，剪应力为零的平面称为主应力面，该平面上的正应力称为主应力第8页/共92页应力莫尔圆与主应力平面垂直的任意截面上的应力方程是一个圆的方程，称为“应力莫尔圆”（Mohr’scircle）。

第9页/共92页应力的基本性质与特殊应力状态截面法线方向与主应力方向夹角为45°的截面上的剪应力最大第10页/共92页两个互相垂直的截面上的剪应力大小相等、方向相反应力的基本性质与特殊应力状态第11页/共92页水下一点的静水压力或地壳中一点的静岩压力（即上覆岩石的压力）在σ—τ坐标系中位于σ轴上的一点；同理，孔隙流体压力也是位于σ轴上的一点应力的基本性质与特殊应力状态第12页/共92页应力莫尔圆的圆心与坐标系原点一致时，最大主应力与最小主应力大小相等、方向相反，且主应力值与其45°方向的截面上的剪应力值相等，这种应力状态为纯剪切应力状态应力的基本性质与特殊应力状态第13页/共92页应力场研究区域内部不同位置的应力状态的总体特征可以用“应力场”（stressfield）来表示。一个区域的应力场特征与该区域的边界条件（包括边界力、应力或位移等）、内部结构条件（包括岩层力学性质、几何形态等）等有关。即使边界条件基本不变，在应力场作用下岩层会发生变形，形成地质构造。而随着地质构造的演化，岩层内部的结构条件也发生了变化，相应的应力场特征也会发生变化。第14页/共92页位移物体从原始位置经过一段时间后达到新的位置，这种起止位置的差异称为位移（displacement），而位移的过程称为运动（motion）。位移：指岩层发生的刚体位移，包括两种方式，直移（translation）和旋转（rotation）直移是指岩层沿某个方向发生整体位移使其改变其原始位置而没有改变其原始产状旋转是指岩层绕某个轴线发生整体转动使其位置和产状都发生改变。第15页/共92页第16页/共92页应变应变（strain）可以分为体积应变、长度应变和角度应变，分别指单位体积的体积变化、单位长度的长度变化和单位角度的角度变化，分别称为体应变、线应变和角应变。第17页/共92页线应变其中l0是岩层的原始长度，l1是岩层发生变形后的长度。e为正值时表示伸展应变，e为负值时表示收缩应变。用β表示伸展系数β＞1时表示伸展变形，β＜1时表示收缩变形第18页/共92页角应变角应变也称为剪应变（shearstrain）其中ψ表示原始相互垂直的两条直线变形后所增大或减小的角度第19页/共92页应变椭圆一个物体经过均匀变形，物体内的一个原始球形标志将成为一个椭球。椭球的3个相互垂直的轴也是原始球形标志中的3个相互垂直的轴，它们只发生了正应变，剪应变为零。第20页/共92页位移与应变的关系位移和应变与观测尺度有关，小尺度上的位移可以体现出大尺度上的应变第21页/共92页作用在岩层内部的应力可以使每个单元体积发生位移，从而导致岩层整体变形。单元体积位移的大小和方向取决于该点的应力状态。静水压力（孔隙流体压力）、静岩压力并不能使岩层发生变形，使岩层变形主要是岩层内部的差应力值。差应力（Δσ）是指最大主应力与最小主应力之间的差值，即Δσ＝（σ1－σ3）。

应力与岩层变形第22页/共92页第二节岩层变形的基本概念岩石流变学特征与破裂准则岩层变形方式影响岩层变形的因素第23页/共92页一、岩石流变学特征与破裂准则岩石流变学特征是指岩石的应力与应变或应变速率的关系。力学实验表明，不同物性的岩石其流变学特征有较大的差异，同一种岩石在不同的环境（包括温度、压力、流体、时间等）下其流变学特征也可以表现出明显的差异。一般地，随着差应力值的增大，岩石依次发生弹性应变、假粘性永久应变、破坏、断层滑动等几个阶段

第24页/共92页岩石流变学特征岩石流变学特征是指岩石的应力与应变或应变速率的关系。一般地，随着差应力值的增大，岩石依次发生弹性应变、假粘性永久应变、破坏、断层滑动等几个阶段

第25页/共92页岩层强度与破裂抗压应力强度远远大于抗张应力强度和抗剪应力强度岩层破坏时产生的破裂一般是由于应力作用超过了其本身的抗张强度或抗剪强度。由此产生的破裂分别称为张破裂或剪破裂在地下的岩层，很少处于张应力状态（即σ3＜0，有时局部可以处于张应力状态），因此，多数破裂、特别是断层主要是剪破裂，即岩层某截面上承受的剪应力超过其抗剪强度时发生破裂

第26页/共92页破裂实验岩石破裂与剪切应力有关，但也与正应力有关实验表明，岩石破裂时破裂面与最小主应力轴的夹角为：

θ＝45°－（φ∕2）

第27页/共92页破裂准则不同应力状态下岩石破裂时破裂面在应力莫尔圆上的点构成应力莫尔圆的包络线，称为破裂包络线。破裂包络线的方程可以表示为：τn=C+μiσn

其中μi＝tanφ，C为岩石的内聚力，或抗剪强度，φ为内摩擦角岩石破裂时破裂包络线与应力莫尔圆相切

θ＝45°－（φ∕2）

第28页/共92页脆性变形与韧性变形不同的岩层在同样的应力环境中可以表现出不同的流变学特征，同一种岩层在不同的应力环境中也可以表现出不同的流变学特征。在构造地质学中，如果岩层在破坏前所承受的应变量＜5%，称为脆性变形，如果岩层所承受的应变量＞5%还没有发生破坏，则称为韧性变形。

第29页/共92页二、岩层变形方式岩层变形主要受应力控制，但是变形行为受多种因素影响岩层变形一般表现出褶皱和断层等基本样式，变形方式可以是一次完成、渐进发展或多次变形叠加。岩层变形的宏观特征是受微观机制控制的，不同尺度上的变形特征有一定的自相似性第30页/共92页纯剪切变形与简单剪切变形纯剪切变形：指岩石在差应力作用下沿σ1方向缩短而沿σ3方向伸长，总体变形中的最大主收缩应变轴e1始终与最大压应力轴σ1一致、最大主伸展应变轴e3始终与最大张应力轴σ3一致。简单剪切变形：指岩石沿着单个剪切应力方向发生剪切变形，总体变形中的最大主收缩应变轴e1与最大压应力轴σ1、最大主伸展应变轴e3与最大张应力轴σ3不一致，在变形过程中向同一方向偏转。第31页/共92页递进变形在基本不变的应力环境中岩层受持续的应力作用而发生变形的过程。在递进变形过程中，主应变轴的方向可以始终保持一致，也可以发生变化。前者称为共轴递进变形，例如纯剪切变形；后者称为非共轴递进变形，例如简单剪切变形（也称为旋转递进变形）。第32页/共92页褶皱纵弯褶皱（bucklefold）：岩层受到与层理基本平行的挤压力作用而使发生褶皱变形横弯褶皱（bendfold）：岩层受到与层理垂直的不均匀的挤压力作用而使岩层发生强制性褶皱变形第33页/共92页按照库仑—莫尔破裂准则产生破裂时的主应力分布图断层岩石的抗压强度远大于其抗剪、抗张强度。因此，通常是岩层承受的剪切应力超过了其抗剪强度而发生剪切破裂并发生位移形成断层。第34页/共92页安德森模式断层按其两盘的相对位移可以分为正断层（normalfault）、逆断层（reversefault）和走滑断层（strike-slipfault）第35页/共92页第36页/共92页第37页/共92页第38页/共92页第39页/共92页第40页/共92页三、影响岩层变形的因素岩层成分和结构围压温度应变速率溶液和流体压力岩层变形主要是受地应力作用控制，但是岩层变形行为则受多种因素影响

第41页/共92页各种因素影响岩层变形的一般规律岩层成分和结构：岩层组成成分不同表现出的脆、韧性和能干性不同围压：围压的增大，岩层承受构造应力的能力增强，岩层强度增大，但是岩层的韧性也增大。温度：随着温度的增高，岩层承受构造应力的能力减弱，即强度减小，同时岩层的韧性也增大。应变速率：应变速率愈高，岩层强度愈大，岩层的脆性也增大。流体和溶液作用：流体或溶液可以使岩层发生软化，使岩层强度降低，也可能使岩层韧性增强（？）。第42页/共92页有效应力σe＝σ－σf

由于孔隙流体压力的影响，有效应力的莫尔圆整体向σ轴“－”方向移动。在差应力值不变的前提下，由于孔隙流体压力的影响，应力莫尔圆向σ轴“－”方向移动而使其与破裂包络线相交，岩层会发生破裂。第43页/共92页

岩层的能干性在统一的应力环境中，岩层对应力的承受能力以及在变形反映方式的差异性称为岩层的能干性。能承受较大应力的岩层称为“能干岩层”或强硬岩层，承受应力能力较小的岩层称为“非能干岩层”或软弱岩层。岩层的能干性是相对的。第44页/共92页一般地，碎屑沉积岩层中砂岩、砾岩属于能干岩层，泥岩属于非能干岩层；化学沉积岩层中硅质岩、碳酸盐岩属于能干岩层，盐岩、膏盐岩等属于非能干岩层。同种岩性或岩性类似的岩层中，厚度较大的岩层的能干性也较强。通常是能干岩层在构造变形过程中起主导作用，非能干岩层其被动作用。断层面切割岩层的角度关系与断层的能干性的差异有密切关系。断层通常在软弱岩层中拆离断层滑脱，或形成断坪。第45页/共92页岩层能干性对构造样式的影响地层能干性与断层角度有关，能干岩层（强硬岩层）的断层切割角相对较大单层厚度大的岩层的能干性一般相对较大能干岩层对变形样式起主导作用第46页/共92页先存构造面对后期构造变形有重要影响第47页/共92页第三节构造变形场构造族系构造样式构造变形场第48页/共92页一、构造族系构造族系（structuralfamily）一词最早是Dahlstrom（1969）用来描述加拿大落基山山前构造变形组合Groshong（1985）将构造族系定义为具有共同力学成因的一组构造集合体。构造族系主要应用在油田尺度或更大尺度的构造组合的描述和讨论中第49页/共92页构造族系的涵义所谓“构造”是指岩石（或岩层）的形态以及岩石（和／或岩层）各部分之间的关系族系是指来源相同、特征相似的一组实体。构造族系是指在基本不变的边界条件下变形产生的各种有成因联系的构造型式的集合体“构造型式”主要是指不同特点的褶皱和断层等岩层变形实体“边界条件”是指作用在研究区域边界上的力或应力、位移以及研究区域中岩层的主要物理（力学）性质等第50页/共92页构造族系的分类构造层之间的关系：构造层之间的关系主要是指盆地盖层与基底之间在变形前的原始特征及接触方式基底：①结晶基底；②准沉积基底；③变质基底。它们的力学性质和物理特征的差异直接影响到构造变形特征。基底—盖层关系：①薄皮变形和②厚皮变形位移场：①水平收缩；②差异垂直位移；③水平伸展；④差异水平位移（走滑位移）和⑤区域垂直位移第51页/共92页5个构造族水平收缩构造族：岩层发生构造变形后的剖面长度比变形前的原始剖面长度缩短差异垂直位移构造族：岩层的构造变形主要是差异垂直位移的结果；内部主要构造要素表现为差升降运动；水平伸展构造族：地层发生构造变形后的剖面长度比变形前的原始剖面长度相对伸长差异水平位移（走滑位移）构造族：岩层的构造变形主要是差异水平位移的结果，研究区侧面边界上或主要构造要素的相对走滑位移分量大于其倾滑位移分量；区域垂直位移构造族：区域性隆升或沉降，形成不整合面构造和拗陷盆地。第52页/共92页4个构造系盖层滑脱构造系：沉积盖层与基底之间存在大型的区域性滑脱断层或拆离断层，盖层构造变形发生在区域性滑脱断层上盘；这种构造变形也称为薄皮构造（Thinskinnedstructure)结晶基底卷入构造系：结晶基底与沉积盖层一起卷入变形，主要的断层一般都切割到结晶基底中，沉积盖层与基底之间没有大型的区域性滑脱断层或拆离断层作为变形的分隔界面准沉积基底卷入构造系：盆地盖层的基底是厚层的沉积岩或浅变质岩层，这些基底岩层在盆地沉积盖层发育前可以已经经历了变形，与盆地沉积盖层呈角度不整合或平行不整合接触，在盆地盖层变形过程中再次卷入变形；变质基底卷入构造系：盆地盖层的变质基底是经过较强变质的岩层，原始层理已经对后续变形不起主导作用，这些基底岩层在盆地沉积盖层变形过程中一起被卷入变形。第53页/共92页第54页/共92页第55页/共92页二、构造样式构造样式是指一组相关构造的总体特征，这些特征可以与其它地区或不同时代的另一组相关构造进行区别和比较构造样式主要是指几何形态，但是也具有力学成因意义在相同的动力学条件下可以出现不同的构造样式第56页/共92页影响构造变形样式的主要因素地层的力学性质（相对能干性、层序的厚度及垂向结构变化、是否能发生层间滑动）岩层变形与地层形成的年代关系主动的变形机制变形与地表的关系（未影响到地表、地表变形并发生剥蚀和充填、断层露出地表）先存构造的影响边界位移（指构造族系位移场内部的局部位移和构造族系未考虑的边界位移）等。第57页/共92页构造族系与构造样式的关系同一构造族系中可以包含多种构造样式，例如：薄皮收缩构造中的变形样式可以是滑脱褶皱，也可以是逆冲断层构造族系和构造样式都强调不同构造要素之间的成因联系，但是前者主要侧重于边界变形条件，后者主要侧重于变形的几何学特征构造族系实际上还有很多过渡类型，上述构造族系分类是连续构造变形谱中的端元成份，没有包括过渡的构造族系第58页/共92页三、构造变形场一个区域内，各种构造变形要素有规律地组合在一起就构成了该区域的构造变形场（structuraldeformationfiled）。构造解析的目的之一就是要揭示构造变形场的基本特征。构造族系、构造样式等概念主要是用来表述出构成研究区内构造变形场的各种构造要素的组合规律和空间相对的几何关系，但是研究构造变形场特征还需要描述各种变形要素的空间分布状态。

第59页/共92页与构造族系相近的另一各个概念是构造组合（tectonicassociation），后者没有构造尺度上的限定，可以用于描述不同层次、不同尺度和不同序次的各种构造单元、构造要素的组合，包括构造—沉积组合、构造—岩浆和变质组合、构造—岩性组合等。同时，构造组合也主要是注重构造要素的组合规律和空间相对的几何关系，是研究、描述构造变形场的基本概念。

构造世代（generation）：在一定地质时期由一定作用方式的构造运动所形成的构造变形场，就构成了一个世代的构造。不同世代的构造按时间发育顺序以各种方式叠加在一起而构成一个完整的系列，即是构造序列。通过构造几何分析来揭示各种构造要素在不同地质时期经历的新生、继承、叠加和置换等过程，是确认构造世代、构造序列的主要途径。

第60页/共92页第四节构造确认的基本原则“构造确认”的基本概念和基本内容精确性确认可接受性确认构造复原确认构造平衡确认

第61页/共92页“构造确认”与“确认构造”的基本概念

Groshong（1995）将判断构造解释是否“正确”的过程称为“构造确认”（structuralvalidation）通过研究认为是“正确”的构造解释模型称为“确认构造”（avalidstructure）一个“确认构造”应该在物理学（几何学和运动学等）和地质学的解释上都是合理的，必须很好地满足4条准则：即在几何学上必须是①精确的、②可接受的、③可复原的和④平衡的构造。第62页/共92页“构造确认”的基本内容精确性确认可接受性确认构造复原确认构造平衡确认第63页/共92页一、精确性确认精确性首先是指构造解释模型中的各种地质要素应该很好地与实际资料相吻合

构造等高线图岩层厚度变化断层协调性

通过构造精确性检验可以揭露各种资料、数据、图件之间内在的不协调性，并通过系统修改使各种资料、数据、图件之间内在协调起来，并且与实际的地质发现协调起来

第64页/共92页断层面与岩层面等高线图的吻合第65页/共92页第66页/共92页第67页/共92页第68页/共92页二、可接受性确认一个可接受的构造解释模型必须符合这一区域或类似区域已经基本“证实”的构造变形几何学特征构造可接受性确认就是确认解释模型中的构造样式是否合理，是否与研究区域岩层变形规律协调，是否与同一地区的已知构造样式相适应和属于同一构造变形族系第69页/共92页第70页/共92页三、构造复原确认一个正确的构造解释模型一定是可以复原的，即可以恢复其变形过程构造复原确认就是建立构造解释模型的复原构造模型。即变形前的构造几何学特征。构造解释模型通常是用垂直于构造走向方向的剖面（或垂直与褶皱轴线的截面）表示，如果这一解释剖面与主应变平面一致，则应该可以用平衡剖面技术编制出相应的复原构造剖面或构造演化剖面第71页/共92页三种不同意义的参照线①参照岩层面（referencehorizon）②钉线（pinline）③松线（looseline）

第72页/共92页第73页/共92页第