CN108680952A - 一种走滑断层构造演化解析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田勘探开发、矿产评价预测领域，尤其是一种走滑断层构造演化解析方法。通过计算走滑断层不同位置的断层古落差，分析沿走滑方向断层古落差的周期性韵律变化；利用恢复的不同时期走滑断层两侧的垒堑结构，确定走滑断层两侧的不同地层沉积前的盆地原型，并识别走滑断层的“阻尼段”；通过计算断层的单位活动强度，表征走滑断层的走滑量；利用计算的走滑断层应变能释放率，分析走滑断层不同部位的动力学机制；利用构造应力场数值模拟从动力学方面解释断层，并验证走滑断层的成因机制。本发明从几何学、运动学以及动力学上三个方面，时间、空间四维角度系统的提出了一种分析走滑断层成因机制、演化过程的方法。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发、矿产评价预测领域，尤其是一种走滑断层构造演化解析方 法。
背景技术
走滑构造是一种与盆地构造演化及油气富集有密切关系的扭动构造。在油气勘探中，走 滑断层有其独特的识别标志和重要的石油地质意义。断面陡立、发育花状构造、断面形迹丰 富、常见海豚效应和丝带效应、断层两侧地层厚度突变等现象是识别走滑断层的主要标志。 受复杂应力场影响，走滑断层之间、走滑断层与其伴生构造之间往往表现为特定的组合样式， 如入字型构造、雁列型及帚状断层组合等。确定走滑断层平移幅度的方法主要有地质对比法、 现代滑移速率反求法、构造计算法及古地磁古纬度法等。地质对比法最常用，要求早期的地 质界线或地质体横切或斜切断层线，尤以岩相带及岩相界线为好，该方法的关键在于寻找可 靠的地质参考点。许多学者对走滑断层的鉴别标志、组合样式及其与油气的关系等作过专门 论述，但对油区构造上走滑断层平移距离的估算，仍缺少较为精确的方法。
本发明专利通过三维地震精细解释，获取研究区构造格架图，结合主测线、联络测线的 构造演化，初步划分断层的演化阶段。通过计算走滑断层不同位置的断层古落差，分析沿走 滑方向断层古落差的周期性韵律变化。利用恢复的不同时期走滑断层两侧的垒堑结构，确定 走滑断层两侧的不同地层沉积前的盆地原型，分析不同时期断层两侧局部的伸展、挤压环境， 落实走滑断层的主要发育时期，并识别走滑断层的“阻尼段”。通过计算断层的单位活动强度， 从“组合断层”的角度提供了一种表征走滑断层走滑量的参考值。利用计算的走滑断层应变能 释放率，分析走滑断层不同部位的动力学机制；利用构造应力场数值模拟从动力学方面解释 断层，进一步落实次级断层的成因机制，并验证走滑断层的成因机制。综合来看，本发明专 利从几何学、运动学以及动力学上三个方面，时间、空间四维角度系统的提出了一种分析走 滑断层成因机制、演化过程的方法。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种走滑断层构造演化解析方法，它实现了一个地区 储层多期次裂缝分期评价预测。
本发明的技术方案为：一种走滑断层构造演化解析方法，具体步骤如下：
第一步 通过三维地震精细解释，获取研究区构造格架图，利用平衡剖面技术，分析主测线、 联络测线的构造演化，初步划分断层的演化阶段。
第二步 计算走滑断层的韵律性指数；沿走滑断层方向，计算走滑断层不同位置的断层古落差， 分析断层在时间、空间上的分段性，分析沿走滑方向断层古落差的周期性韵律变化。
如图2所示，所述的断层古落差的计算公式为：H＝A-B；其中A、B为地层的厚度，m。第三步恢复不同时期走滑断层两侧的垒堑结构，通过不同时期的古构造恢复，确定走滑断层 两侧的不同地层沉积前的盆地原型，分析不同时期断层两侧局部的伸展、挤压环境，落实走 滑断层的主要发育时期；在伸展、挤压区的交界处、垒堑结构的交界处识别走滑断层的“阻尼 段”。
第四步 计算断层的单位活动强度，求取走滑断层两侧的断层单位活动强度，分别表示为ξHE、 ξHW，该参数从“组合断层”的角度提供了一种表征走滑断层走滑量的参考值。
通过计算走滑断层两侧次级断层单位活动强度，分析走滑断层对区域构造活动强度的控 制作用；两盘的断层单位活动强度之差表示为⊿ξ。
⊿ξ＝ξHE-ξHW (2)
当⊿ξ为正值时，表示走滑断层ξHE一盘的活动强度大于ξHE一盘的活动强度；反之，走滑 断层ξHE一盘的活动强度小于ξHE一盘的活动强度，且⊿ξ的绝对值越大表明两盘的活动强度差 异性越大。
第五步 计算走滑断层的应变能释放率η，分析走滑断层不同部位的动力学机制；定义走滑断 层附近的某一单元内应变能释放率η由岩层曲率判别指数δ、岩层厚度变化的快慢指数α以及岩 层剥蚀率指数ω综合求得；所述的岩层曲率判别指数δ是指求取某水平距离内岩层高度差的比 值，δ表示为：
δ＝Δd/ΔL (3)
公式(3)中，Δd岩层的高度差，m；ΔL为水平距离，m；
所述的岩层厚度变化的快慢指数α是指岩层厚度变化的快慢，是岩层厚度T的变化对水平 距离L的二次求导结果，α表示为：
α＝d2T/dL2 (4)
所述的岩层剥蚀率指数ω表示为：
ω＝ΔR/R (5)
公式(5)中，ΔR为岩层的剥蚀厚度，m；R为岩层的原始沉积厚度，m；
走滑断层附近的第i单元内应变能释放率ηi表示为：
公式(6)-(8)中，δi为第i单元的岩层曲率判别指数；δmin为所研究地区最小的岩层曲 率判别指数；δmax为所研究地区最大的岩层曲率判别指数。αi为第i单元的岩层厚度变化的快 慢指数；αmin为所研究地区最小的岩层厚度变化的快慢指数；αmax为所研究地区最大的岩层厚 度变化的快慢指数。ωi为第i单元的岩层剥蚀率指数；ωmin为所研究地区最小的岩层剥蚀率 指数；ωmax为所研究地区最大的岩层剥蚀率指数。
第六步进行构造发育应力场模拟，利用构造应力场数值模拟从动力学方面解释断层，进 一步落实次级断层的成因机制，验证走滑断层的成因机制。
数值模拟是分析构造应力场的一种有效方法，有限元模拟是其中较为常用的方法。有限 单元法是一种近似求解一般连续介质问题的数值求解法，其基本思路是将所研究的连续体简 化为由有限个单元组成的离散化模型，再应用计算机求出数值解答。将一个地质体离散成有 限个连续的单元，单元之间以节点相连，每个单元内赋予其实际的岩石力学参数。把求解研 究区域内的连续场函数转化为求解有限个离散点处的场函数值，基本变量是位移、应变和应 力。根据边界受力条件和节点的平衡条件，建立并求解以节点位移为未知量，以总体刚度矩 阵为系数的方程组，用插值函数求得每个节点上的位移，进而计算每个单元内应力和应变值。 然后将这些单元综合起来再计算整个地质体的构造应力场。随着单元数量增多，模型越接近 于实际地质体，则求解越真实，精度越高。
有限单元法根据研究区域的几何外形、作用方式等条件，经过一定的处理程序，以线性 代数方程组的形式表达应力应变位移之间的内在联系，最后求解方程组，得出应力分布状态。 其基本操作步骤大体归纳为：
目前地震、测井等断层解释方法都存在难以解释断层成因机制等缺点，因此选用构造应 力场数值模拟来从动力学方面解释断层。有限元数值模拟以其定量性、离散逼近性等优势在 油气田勘探开发中起着越来越重要的作用，断裂构造的破裂和活动方向受形成该破裂时的构 造应力场的制约，因此通过应力场数值模拟从动力学机制上有效、客观地解释断层平面、剖 面的发育特征、组合规律以及成因机制。结构或物体的离散化；选取单元内的场变量插值函 数；进行单元计算，求单元特性矩阵和列阵；进行整体分析，组装整体矩阵和列阵，建立整 体方程；计算单元内部的场变量；模拟步骤如下：
(1)建立地质模型：搞清楚研究区域的地质背景，包括区域面积、沉积相特征、生油期 与生油区、运移期与运移区、断层分布及岩性类别。通过物探测井资料及一些地应力测点值， 找出研究区域地层应力的优势方位和方向，了解剪应力大小及方向。另外，由于模拟是在连 续介质中进行的，对于断层部位，用较小的杨氏模量值和剪切模量值来模拟；地质模型主要 以不同时期的古构造恢复结果，通过岩石三轴力学实验获得岩石的力学参数；
(2)确定模拟范围：选取的区域要比实际有效油气区域大；
(3)单元划分：将所研究的连续体分割成若干个单元，各个单元之间以结点相连接。对 于断裂带，由于其变化剧烈，在划分单元时结点数应该有所增加，划分得更细些；
(4)力学参数的选择：岩石力学参数的选取，如弹性模量、泊松比等，通常参照地质勘 察、岩心及测井资料。地质模型中存在多种不同的介质，不同的介质输入不同的物性参数； 通过不同时期活动断层走向的统计结果，确定模型的边界条件；不同构造单元力学性质不同， 一般断裂带较正常沉积地层强度更弱，凹陷区地层较凸起区地层强度更大。
(5)确定边界力的作用方式：以构造形迹、断裂活动等构造发育特征有效的反映应力场 的方向。实际地质情况中，共轭剪切破裂角的钝角角平分线的方向即是张应力的作用方向。
(6)边界条件：就是指边界的受力情况。通常在构造幅度小的地区确立区域边界，找到 一些固定点，确定位移；
(7)施加载荷：以关键井的地应力测量计算结果为约束条件，对边界施加不同的载荷， 是模拟计算结果逼近约束条件。
(8)模型检验：数值模拟的结果需要一定的检验标准来衡量和评价，才能判别模拟的有 效性和准确性。但是古应力场是处在一定的历史时期的应力场，目前还没有评价它们的有效 途径，其结果也就没有成熟可靠的检验标准。总体说来，古应力场模拟至少要达到以下两点： 模拟的应力场应与所模拟地区的构造强度对应较好，能用模拟的结果解释构造活动性质和活 动强度；模拟的应力值大小应符合客观的地质规律，应当充分考虑应力值大小和岩石强度、 埋深以及构造特点等要素的关系，以确保应力场模拟结果的有效性和准确性。根据库仑破裂 准则，两组剪切破裂面具有共轭性，其钝夹角平分线方向即为最小主应力方向。在平面应变 椭圆中，两组共轭剪切破裂线代表两组断层的走向线。受平面剪应力分布的控制，两组断层 的发育程度通常不同，在左旋平面剪应力环境中具有左旋性质的一组断层发育程度高，在右 旋平面剪应力环境中具有右旋性质的一组断层发育程度高；应变椭球体中两组剪切破裂面具 有共轭性，其钝夹角被最小主应力所平分，一组剪切破裂面具有左旋性质，另一组剪切破裂 面表现为右旋性质。所有破裂面均包含或平行σ2所在的轴，因此以最小主应力σ3方向为长轴， 以最大主应力σ1方向为短轴，垂直于σ2方向的剖面应变椭圆中，剪切破裂线代表断层的视倾 斜线，从而确定断层的视倾向。
本发明的有益效果是：通过三维地震精细解释，获取研究区构造格架图，结合主测线、 联络测线的构造演化，初步划分断层的演化阶段。通过计算走滑断层不同位置的断层古落差， 分析沿走滑方向断层古落差的周期性韵律变化。利用恢复的不同时期走滑断层两侧的垒堑结 构，确定走滑断层两侧的不同地层沉积前的盆地原型，分析不同时期断层两侧局部的伸展、 挤压环境，落实走滑断层的主要发育时期，并识别走滑断层的“阻尼段”。通过计算断层的单 位活动强度，从“组合断层”的角度提供了一种表征走滑断层走滑量的参考值。利用计算的走 滑断层应变能释放率，分析走滑断层不同部位的动力学机制；利用构造应力场数值模拟从动 力学方面解释断层，进一步落实次级断层的成因机制，并验证走滑断层的成因机制。本发明 专利从几何学、运动学以及动力学上三个方面，时间、空间四维角度系统的提出了一种分析 走滑断层成因机制、演化过程的方法，具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性 强，能大量减少人力、财力的支出，预测结果对优选油气、矿产勘探重点区域等多个方面有 一定的参考意义。
附图说明
图1为一种走滑断层构造演化解析方法的流程图。
图2为断层古落差求取示意图。
图3为TC断裂带构造位置。
图4为TC断裂带主要地层、构造运动及构造层划分。
图5为TC断裂带的剖面特征。
图6为TC断裂带阜二段断裂系统图。
图7为TC断层测线121剖面。
图8为TC断层测线341剖面。
图9为TC断层联络测线301剖面。
图10为TC断裂带Inline291测线构造演化剖面。
图11为TC断层Ⅰ段断层活动性分析(南段)。
图12为TC断层Ⅱ段断层活动性分析(中段)。
图13为TC断层Ⅲ段断层活动性分析(北段)。
图14为TC断层沿走向方向活动性韵律性变化。
图15为不同时期走滑断层两侧的垒堑结构。
图16为TC断层东西两盘不同时期断层单位活动强度。
图17为TC断层三垛晚期走滑断层的应变能释放率。
图18为TC地区戴南三垛期地质模型。
图19为TC地区三垛期应力场最小主应力分布图(正值代表张应力)。
图20为TC地区三垛期应力场剪应力分布图(正值代表左旋)。
图21为TC地区三垛期最小主应力与最大主应力的应力差分布图。
图22为TC地区西部剖面三垛期应力场剪应力分布图
图23为TC断层构造成因模式图
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
本发明专利以苏北盆地–东台坳陷西部–金湖凹陷的TC断裂为例，说明本发明具体实施 工程。近年来，伴随着油气勘探的深入，理清TC断层的发育过程，进而为油气勘探服务成 为勘探家们日益关注的问题，对TC断层走滑–断陷特征的拆离，寻找更为有效、更让人信服 的走滑其次、走滑强度证据，进而理清TC断层走滑特征，进一步为油气勘探服务。
金湖凹陷西起张八岭隆起，东部靠近菱塘桥、柳堡两个低凸起，西北毗邻建湖隆起，南 侧发育天长凸起(图3)。从阜宁组地层沉积时期，研究区逐渐形成南陡北缓、南断北超的 箕形构造格局；阜宁晚期吴堡运动后，北东走向的断裂发育；多期构造运动成因断裂叠合， 研究区主要发育汊涧西斜坡带、卞闵杨构造带、石–港断裂带、西部斜坡带以及宝应斜坡带等 多个正向构造单元。
在金湖凹陷中，烃源岩在垂向上主要分布于阜二段、阜四段；在平面上，烃源岩位于杨 村、石港断裂的下降盘，断裂活动性影响烃源岩发育、分布以及成熟度；研究区的沉积来源 主要来自南部的天长凸起、东部的菱塘桥低凸起；金湖凹陷烃源岩大量生烃、排烃期为三垛 组沉积时期；受早期基底断裂影响以及多期构造活动叠加作用，使金湖凹陷断裂发育多种构 造样式；金湖凹陷油气沿着倾斜的地层发生侧向运移；垂向上，油气沿杨村、崔庄、石港、 TC断层等主干断层运移，受断层的遮挡、封堵作用，形成断块、断鼻油气藏，岩性、地层油 气藏少量发育。
结合前人的研究成果，研究区自仪征运动以来沉积的地层主要特征为(图4)：
(1)白垩系上统泰州组(K2t)棕褐色含浅褐色的粉砂岩、泥岩与浅棕灰、灰白色细–中砂岩间互层，底部为灰白色–浅灰色含砾中–粗砂岩、砂砾岩。砾石成分主要以石英岩为主， 其次为石灰岩、变质岩等；与下伏大王组呈整合接触。
(2)古近系古新统阜宁组(E1f)根据岩性、电性，将该组自下而上分为四段：
①.阜一段(E1f1)棕褐色泥岩、含粉砂泥岩与浅灰棕色细–中砂岩不等厚互层；砂泥比 为1：3，发育上泥下砂韵律层理。
②.阜二段(E1f2)上部灰黑色泥岩为主，夹灰黄色泥灰岩、纸状页岩阜二段，按岩性电性特征自上而下分为五个亚段，该段是金湖凹陷的主要产油气层。
③.阜三段(E1f3)由灰黑色的泥岩、粉砂质–泥岩与深灰色粉砂岩–细砂岩组成的韵律 层，该段是金湖凹陷的主要产油气层。
④.阜四段(E1f4)灰黑色泥岩、含钙泥岩为主，夹多层浅土黄色薄层泥灰岩，中部夹1～ 3层灰黄色纸状页岩，底部夹1～2层深灰–灰黑色含介形虫灰岩。
(3)戴南组(E2d)本组厚度达800m～1000m。戴南组由下而上分为两段，戴一段地层是吴堡运动后地势相差悬殊的背景下接受沉积形成的，戴二段在纵向上形成粗–细–粗的旋 回沉积。在TC断裂带两者的区别是：E2s底部“二高”砂砾岩，其下有一套3～5个韵律的“泥 夹砂”段，累计厚度40m～100m；在电性组合上与E2d具有相似性，以此作为E2s/E2d划分的 标志，其次，利用E2d下部两套20m～40m相对稳定的“泥夹砂”段作辅助层，可以有效的在测井曲线中划分E2d2、E2d1。
(4)三垛组(E2s)发育两个粗细相间的正旋回，是一套红棕为主的碎屑岩沉积地层， 垛二段地层顶部存在一个遭大范围剥蚀的间断面，为三垛运动大规模抬升的所致；垛一段在 TC地区厚度为282m～346m，垛二段厚341m～420m。其中，E2s2以“一高”砂砾岩为标志层， E2s1以“二高”砂砾岩底为界。
(5)盐城组(Ny)本组自下而上分为两段：上部为玄武岩，下部为浅棕灰色、灰白色泥、砂、砾岩层；盐一段厚约0m～120m，盐二段厚280m～340m；与下伏地层角度呈不整合 接触。
(6)第四系(Q)以粘土为主，其次为砂岩、砾岩。
TC断裂带平面延伸长度为15km。TC断层实质是一条走滑断层，具备了走滑断层三个最 基本特征(图5)：平面上表现为平直的断线，剖面上表现为陡立的断面以及较窄的断裂带、 空间上表现为北正南逆丝带效应。
诸多学者在综合三维地震、测井曲线以及层序地层资料，认为TC断层为典型的右旋走 滑断层：
①.TC断裂带平面上两侧似雁列构造发育，剖面为似花状发育；
②.TC主位移断层在空间上出现了丝带效应(图5)，即北部表现为正断层性质，南部表 现为逆断层性质。一般情况下，丝带效应以及海豚效应被认为是走滑断层的典型标志。
此外，TC断层走滑作用与同期郯庐断裂右行平移活动相同，这也从侧面反映了郯庐断裂 对TC断裂带的控制作用；对TC断层活动性、发育史以及对次级断层的研究，不仅对该区的 油气勘探、开发有指导意义，研究结果同样对金湖凹陷东部的崔庄断层、中南部汊涧北断层 的成因、演化具有参考意义。
第一步 通过三维地震精细解释，获取研究区构造格架图，利用平衡剖面演化技术，得到主测 线、联络测线的构造演化，初步划分断层的演化阶段(图6-图10)。
在井资料约束下，结合TC断裂带构造特征，对工区内所掌握的地震资料以10×10的密度 进行断裂解释，建立断层格架，在此基础上精细解释研究区12条地震剖面：line41，line91， line121，line181，line221，line291，line341，line391，line441，crossline201，crossline301， crossline401。在地震解释的基础上，逐步建立全区构造格架，研究断裂系统特征。
地震资料上的层位对比主要是对比标准反射层，标准反射层是指振幅强，连续性好，具 有明显地震特征和地质意义的反射层。标准反射层是地质解释的主要依据，也是剖面对比工 作的主要内容，选取的正确与否直接影响到最终的解释成果。
根据工区特征和研究需要，对T24，T30，T33，三个标准反射层进行了追踪对比，各反射 层特征与标定原则如下：
T24：戴二段底界，反射波同相轴较明显，连续性好，易识别。
T30：戴南段底界，反射波同相轴明显，连续性好，易识别。
T33：阜二段底界，反射波同相轴明显，连续性好，易识别。
在大断层解释的基础上，遵循地质规律，对三级和四级断层进行了解释，小断层在地震 剖面上的主要表现有：同相轴错断但两侧波组关系稳定；同相轴分叉、扭曲、强相位转换； 断距较大的在断面上出现断面波。
应用Geoframe4.3软件，依据先断层再地层的顺序、先格架再细化、先追踪再闭合的原 则，对研究区12条地震剖面进行解释，选取几条典型剖面，其解释结果如图7至图9。
经三维地震解释，TC断层的南段，断面东倾，东盘上升，西盘下降，表现为高角度逆断 层；北段断面西倾，东盘上升，西盘下降，显示为正断层(如图6)。断层走向近南北向，剖面上表现为一条孤立的主断层，产状陡，断面倾角随深度沿主断层走向而变化，断距50～500 m，主要断开层位阜宁组-三垛组。
TC断层西侧NNW—SSE向地震剖面(图7)发育两组倾向相反的次级断层：北部断层南倾，南部断层北倾，并组成多级Y字形断层组合样式。TC断层东侧NNW—SSE向地震剖 面以北倾断层为主，仅在最北部的一条次级断层南倾，推测可能与TC断裂带北部的背斜有 关：背斜顶部的拉张力形成两组倾向相反的断层。
TC断层西侧NE—SW向地震剖面上(图8)：上升盘在主断层根部附近地层发生明显逆 牵引，形成一个狭长稳定的背斜形态，边界为向下归并的逆断层。下降盘主断层附近地层为 正牵引。
Inline291测线(图9)横穿TC断层的东西两盘，由图10所示的构造演化剖面可以得出， TC断裂带在阜宁组沉积早期，其活动断层的数量少、强度弱的特点；末期断层活动数量急剧 增加，并且强度加大，在平面上呈阶梯状展布。进入戴南组沉积期，断层主要为继承性活动 时期，该时期新生断层多以反向的正断层为主。TC断裂带在三垛组沉积期，主要发育多条南 倾次级正断层，斜穿戴南组储层，剖面上组合为多级y字形；三垛组沉积期之后，工区构造 活动趋于稳定。
第二步 计算走滑断层的韵律性指数；沿走滑断层方向，计算走滑断层不同位置的断层古落差， 分析断层在时间、空间上的分段性，分析沿走滑方向断层古落差的周期性韵律变化。
生长断层在不同时期、不同位置、不同层位的活动强度不一，分区精细研究断层的活动 性并结合区域油气生成、运移以及聚集资料，能更为准确的确定断层活动性对油气的控制作 用，这也是油田高效勘探、开发的基础。采用断层落差法计算TC断层不同时期的断层活动 性，并将TC断层在平面上自南至北分为三段。
如图11所示，TC断层Ⅰ段(Inline21-Inline81)在阜宁晚期、垛二期表现为两期强烈断 陷(或断陷走滑)特征，其中阜宁早期、戴二期以及垛一期断层中等活动强度，为典型的两 期旋回，阜宁沉积期为渐强型构造旋回，三垛期为突变型构造旋回，断层活动强度骤强。
如图12所示，TC断层Ⅱ段(Inline91-Inline201)在垛二期表现为两期强烈断陷特征， 其中阜宁早期至垛一期断层活动杂乱，旋回性不明显，整体为中等活动强度，该时期构造活 动凌乱可能与该处断层走向改变有关；三垛晚期断层活动强度骤增。
如图13所示，TC断层Ⅲ段(Inline211-Inline391)在垛二期表现为单期强烈断陷特征， 而在阜三期以及戴一期活动性次之，整体旋回性不明显，同样，在三垛晚期为构造活动高强 点，但活动强度明显弱于南部的Ⅰ段、Ⅱ段，可能与TC断层末端的应力释放有关。
TC断层阜宁晚期沉积前，沿走滑断层方向，并没有出现断层古落差的韵律性变化；阜宁 晚期，变换断层发育阶段断层古落差沿断层走向呈旋回性规律变化，因此推测阜宁晚期可能 是TC断层的主要走滑期。
第三步 恢复不同时期走滑断层两侧的垒堑结构，通过不同时期的古构造恢复，确定走滑断层 两侧的不同地层沉积前的盆地原型，分析不同时期断层两侧局部的伸展、挤压环境，落实走 滑断层的主要发育时期；在伸展、挤压区的交界处、垒堑结构的交界处识别走滑断层的“阻尼 段”。
第四步 计算断层的单位活动强度，求取走滑断层两侧的断层单位活动强度，分别表示为ξHE、 ξHW，该参数从“组合断层“的角度提供了一种表征走滑断层走滑量的参考值。
由图16可以得出，TC断裂带在阜一期、阜二期两盘的断层单位活动强度之差⊿ξ较小， 阜三期、阜四期两盘的断层单位活动强度之差⊿ξ增大，并且TC断层东盘的活动强度基本保 持稳定，这表明TC断层在阜宁早期活动性较弱，并未控制该区的构造应力–应变分布格局； 在阜宁晚期，TC断层对该区控制性增强，是TC断层的发育期；戴一期、戴二期、垛一期TC断层对该区的控制作用减弱，但总体还是东强西弱的构造强度格局；至垛二期，两盘断层单位活动强度之差⊿ξ骤增，并且该区长期以来东强西弱构造强度格局改变，认为该现象可能 与TC断层强烈右旋走滑有关。
第五步 利用公式(3)-(9)，计算走滑断层的应变能释放率η(图17)，在阜宁晚期，TC断层对该区控制性最大，是TC断层的发育期；戴一期、戴二期、垛一期TC断层对该区 的控制作用减弱，但总体还是东强西弱的构造强度格局；计算结果同样显示，阜宁晚期该区 长期以来东强西弱构造强度格局改变，认为该现象可能与TC断层强烈右旋走滑有关，是走 滑作用最强的时期。
第六步 构造发育应力场模拟，选用构造应力场数值模拟来从动力学方面解释断层，进一 步这些次级断层的成因机制，验证走滑断层的成因机制。
地质模型的建立是应力场模拟首要的一步。好的地质模型不仅容易求取边界远场应力和 约束，还要能够体现内部构造特征。本次模型的建立以T3 3断裂分布图为基础，以工区三维 地震边界为模型边界，数字化提取杨村断层、工区边界的坐标位置，导入ANSYS软件中建 立实体模型。由于TC地区内部地质构造条件复杂，而且边界与周围的构造呈不规则凹凸相 接，在应力场模拟时必须做一些必要的简化，简化一些较弱的影响因素，以使应力作用方式 和边界条件较容易实现。由于难以得知阜宁期实际应力场的大小，模拟中外力通过类比施加 虚拟值来实现。只要虚拟的外力大小符合客观的地质规律，模拟出的应力场和实际应力场大 小便可以足够的接近，而应力场的变化趋势则是完全相同的。
TC地区古应力场模型(图18)沿杨村断层北东向展布，工区东西长约13km，南北长约 20km。本次模拟层位是阜宁组地层，模拟范围包括了TC地区杨村断层及上下两盘阜宁组地 层，总面积约260km2。根据本次模型的范围，其长度和宽度比其厚度大得多，因而可将三维 的应力—应变简化为平面应力问题，将模型简化为矩形地质体，模型具体如下：
根据前人的研究及三维地震解释结果，杨村断层剖面形态为铲式，为研究方便，将其简 化为倾向NW，倾角为60°的等厚体；由构造演化结果分析得到阜宁组各段地层厚度，由此建 立的模型厚度约为500m，模拟阜宁组地层。
本次模型的建立以T2 4断裂分布图为基础，以工区三维地震边界为模型边界，数字化提 取东部断层、工区边界的坐标位置，导入ANSYS软件中建立实体模型。
本次模型的范围是包括工区内的北部背斜、铜断层及其上下盘地层，总面积约221km2。 本次模拟层位是三垛组地层,。模型的建立主要参考了研究区的TC断层东部断层及北部背斜 的影响，将模型简化为矩形地质体，模型具体如下：
根据前人的研究及三维地震解释结果，TC断层东部断层剖面形态为铲式，为研究方面， 将其简化为倾向NW，倾角为60°的等厚体；由构造演化结果分析得到三垛组地层厚度，由此 建立的模型地层厚度为1000m。在研究区北部建立轴向为北北东向的背斜模型，进行挤压应 力作用下背斜构造变形数值模拟，并在此基础上进一步进行低级序断层的预测。
根据实际情况，给应力模拟的不同区块分别赋以不同的力学参数，参数大小的确定参照 部分实验测试的结果(表1)。
表1 TC地区三垛期应力场模拟力学参数表
| 弹性模量(GPa) | 泊松比 | 岩石密度(kg/m3) | |
| 地层 | 5.6 | 0.15 | 2210 |
| 断层 | 5.2 | 0.20 | 2200 |
确定力学参数后，便可进行网格单元划分形成有限元模型。选用平面solid45单元，在 ANSYS的图形用户界面(GUI)下改变力学参数选项，依次点选力学参数一致的面积区域， 将实体模型网格化，共划分出32630个单元，参与运算的节点数为6220个。在网格划分的过 程中，网格长度可以人为控制。为了更精确的反映断块、断裂带之间的差异，断裂带网格长 度相对于断块内部而言较小。网格划分完后，进行网格检查，其中纵横比检查、平衡度偏差 检查、最大扭角检查等均在可接受范围，网格质量良好。
施加载荷及约束
综合分析工区构造发育特征，在模型三垛组地层南、北边界施加一较大的拉张力。通过 反复模拟试验，选择了一种最为合理的加载方式，最终确定模型南北边界施加2MPa拉张， 底面施加6MPa的上拱力，重力由模型自身密度及重力加速度自动生成，得到最终数值模拟 的结果。
模型的垂直方向为Z轴，铅直向上；总体坐标X轴指向东西，Y轴指向南北。为满足有限元分析的要求，对模型施加的约束情况为：对工区底面施加Z方向约束,东西侧面施加X方向约束，这样可以防止模型在垂向上和平面上的转动，得出运算结果，符合有限元分析计算的要求。
模拟结果显示，TC地区三垛期最小主应力全部是张应力，北部出现高值区(图19)，大 小分布较为均匀。将三垛期应力场模拟结果和断层落差图相对应，可以很好的解释此事TC 地区的断裂活动特征。最小主应力的高值区恰好对应着该时期断层落差的高值区，着说明应 力场的分布控制着断裂的活动。
根据库仑—莫尔准则，平面剪应力的分布制约断层产状。模拟结果显示，三垛期TC断 裂带的平面剪应力在北部背斜处以右旋(负值)为主，主要发育北东向断层(图20)。
模拟结果显示，TC地区三垛期最大水平主应力与最小水平主应力的差应力分布较均匀， 在研究区北部背斜处有较大值分布(图21)。
模拟结果显示(图22)，工区南部剖面剪应力以左旋(正值)为主，利于形成北倾断层， 北部剖面剪应力出现右旋，利于形成南倾断层，与地震剖面所示发育北倾断层吻合，符合库 仑－莫尔破裂准则。
通过步骤一至步骤六分析，总结TC走滑断层成因机制如下：
综合分析后认为，断层活动强度长期以来东强西弱差异性明显，后期(垛二期)西强东 弱，TC断层南北活动性差异性明显；TC断层在阜宁晚期为强烈活动的分支断层，控带作用 强烈，为区带级变换断层；在垛二期，右旋走滑作用下，TC断层发育为区带级右旋走滑断层， 其发育过程可以归结为“珍珠–项链”发育模式。天33断块自阜二段沉积以来，先后依次主要 经历了吴堡运动期、三垛运动期以及盐城运动(图23)，结合的金湖凹陷的构造演化以及构 造应力场分析，将天33断块的构造演化划分为四个阶段，具体如下：
(1)吴堡运动期，受杨村断层的影响，TC断裂带内主要以近南北向的拉张力为主，吴 堡沉积期为凹陷内断块形成时期，主要表现为TC断裂带内地层的抬升、沉降以及次一级正 断层的生成；TC断层以垂向正断掉为主，走滑作用较弱，表现为区带级“变换断层”。
(2)三垛组沉积早期，正断层的活动加剧，在天33断块发生局部的拉张、剪切以及挤 压作用，整体发育两组倾向相反的断层，TC断层活动性表现为北强南弱的特点。
(3)三垛组沉积晚期，局部应力场发生改变，TC背斜发育，地层逆冲复杂化，是逆断层以及断展背斜主要发育期。
(4)在三垛组沉积末期，受郯庐断裂强烈活动的控制作用，金湖凹陷内高级序断层表现 为右旋走滑的特征，伴随着强烈的断陷，是TC断层的走滑阶段。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明 所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种走滑断层构造演化解析方法，实现的步骤如下：
第一步 通过三维地震精细解释，获取研究区构造格架图，利用平衡剖面技术，分析主测线、联络测线的构造演化，初步划分断层的演化阶段；
第二步 计算走滑断层的韵律性指数；沿走滑断层方向，计算走滑断层不同位置的断层古落差，分析断层在时间、空间上的分段性，分析沿走滑方向断层古落差的周期性韵律变化；
第三步 恢复不同时期走滑断层两侧的垒堑结构，通过不同时期的古构造恢复，确定走滑断层两侧的不同地层沉积前的盆地原型，分析不同时期断层两侧局部的伸展、挤压环境，落实走滑断层的主要发育时期；在伸展、挤压区的交界处、垒堑结构的交界处识别走滑断层的“阻尼段”；
第四步 计算断层的单位活动强度，求取走滑断层两侧的断层单位活动强度，分别表示为ξHE、ξHW，该参数从“组合断层”的角度提供了一种表征走滑断层走滑量的参考值；
通过计算走滑断层两侧次级断层单位活动强度，分析走滑断层对区域构造活动强度的控制作用；两盘的断层单位活动强度之差表示为⊿ξ；
⊿ξ＝ξHE-ξHW (2)
当⊿ξ为正值时，表示走滑断层ξHE一盘的活动强度大于ξHE一盘的活动强度；反之，走滑断层ξHE一盘的活动强度小于ξHE一盘的活动强度，且⊿ξ的绝对值越大表明两盘的活动强度差异性越大；
第五步 计算走滑断层的应变能释放率η，分析走滑断层不同部位的动力学机制；定义走滑断层附近的某一单元内应变能释放率η由岩层曲率判别指数δ、岩层厚度变化的快慢指数α以及岩层剥蚀率指数ω综合求得；所述的岩层曲率判别指数δ是指求取某水平距离内岩层高度差的比值，δ表示为：
δ＝Δd/ΔL (3)
公式(3)中，Δd岩层的高度差，m；ΔL为水平距离，m；
所述的岩层厚度变化的快慢指数α是指岩层厚度变化的快慢，是岩层厚度T的变化对水平距离L的二次求导结果，α表示为：
α＝d2T/dL2 (4)
所述的岩层剥蚀率指数ω表示为：
ω＝ΔR/R (5)
公式(5)中，ΔR为岩层的剥蚀厚度，m；R为岩层的原始沉积厚度，m；
走滑断层附近的第i单元内应变能释放率ηi表示为：
公式(6)-(8)中，δi为第i单元的岩层曲率判别指数；δmin为所研究地区最小的岩层曲率判别指数；δmax为所研究地区最大的岩层曲率判别指数；αi为第i单元的岩层厚度变化的快慢指数；αmin为所研究地区最小的岩层厚度变化的快慢指数；αmax为所研究地区最大的岩层厚度变化的快慢指数；ωi为第i单元的岩层剥蚀率指数；ωmin为所研究地区最小的岩层剥蚀率指数；ωmax为所研究地区最大的岩层剥蚀率指数；
第六步 进行构造发育应力场模拟，利用构造应力场数值模拟从动力学方面解释断层，进一步落实次级断层的成因机制，验证走滑断层的成因机制；选取单元内的场变量插值函数；进行单元计算，求单元特性矩阵和列阵；进行整体分析，组装整体矩阵和列阵，建立整体方程；计算单元内部的场变量；模拟步骤如下：
1)建立地质模型：搞清楚研究区域的地质背景，包括区域面积、沉积相特征、生油期与生油区、运移期与运移区、断层分布及岩性类别；通过物探测井资料及一些地应力测点值，找出研究区域地层应力的优势方位和方向，了解剪应力大小及方向；另外，由于模拟是在连续介质中进行的，对于断层部位，用较小的杨氏模量值和剪切模量值来模拟；地质模型主要以不同时期的古构造恢复结果，通过岩石三轴力学实验获得岩石的力学参数；
2)确定模拟范围：选取的区域要比实际有效油气区域大；
3)单元划分：将所研究的连续体分割成若干个单元，各个单元之间以结点相连接；对于断裂带，由于其变化剧烈，在划分单元时结点数应该有所增加，划分得更细些；
4)力学参数的选择：岩石力学参数的选取，如弹性模量、泊松比等，通常参照地质勘察、岩心及测井资料；地质模型中存在多种不同的介质，不同的介质输入不同的物性参数；通过不同时期活动断层走向的统计结果，确定模型的边界条件；不同构造单元力学性质不同，一般断裂带较正常沉积地层强度更弱，凹陷区地层较凸起区地层强度更大；
5)确定边界力的作用方式：以构造形迹、断裂活动等构造发育特征有效的反映应力场的方向；实际地质情况中，共轭剪切破裂角的钝角角平分线的方向即是张应力的作用方向；
6)边界条件：就是指边界的受力情况；通常在构造幅度小的地区确立区域边界，找到一些固定点，确定位移；
7)施加载荷：以关键井的地应力测量计算结果为约束条件，对边界施加不同的载荷，是模拟计算结果逼近约束条件；
8)模型检验：数值模拟的结果需要一定的检验标准来衡量和评价，才能判别模拟的有效性和准确性；但是古应力场是处在一定的历史时期的应力场，目前还没有评价它们的有效途径，其结果也就没有成熟可靠的检验标准；总体说来，古应力场模拟至少要达到以下两点：模拟的应力场应与所模拟地区的构造强度对应较好，能用模拟的结果解释构造活动性质和活动强度；模拟的应力值大小应符合客观的地质规律，应当充分考虑应力值大小和岩石强度、埋深以及构造特点等要素的关系，以确保应力场模拟结果的有效性和准确性；根据库仑破裂准则，两组剪切破裂面具有共轭性，其钝夹角平分线方向即为最小主应力方向；在平面应变椭圆中，两组共轭剪切破裂线代表两组断层的走向线；受平面剪应力分布的控制，两组断层的发育程度通常不同，在左旋平面剪应力环境中具有左旋性质的一组断层发育程度高，在右旋平面剪应力环境中具有右旋性质的一组断层发育程度高；应变椭球体中两组剪切破裂面具有共轭性，其钝夹角被最小主应力所平分，一组剪切破裂面具有左旋性质，另一组剪切破裂面表现为右旋性质；所有破裂面均包含或平行σ2所在的轴，因此以最小主应力σ3方向为长轴，以最大主应力σ1方向为短轴，垂直于σ2方向的剖面应变椭圆中，剪切破裂线代表断层的视倾斜线，从而确定断层的视倾向。
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