金文正，王俊鵬，崔澤宏，葉治續(xù)

?

川西地區(qū)構(gòu)造滑脫層巖石力學(xué)特征及構(gòu)造變形意義

金文正1,2，王俊鵬3，崔澤宏4，葉治續(xù)5

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京，102249；3.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；4.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；5.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 冀東油田分公司，河北 唐山 063200）

通過川西地區(qū)巖石樣品單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試和三軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，認(rèn)為巖石抗壓強(qiáng)度與巖石密度具正相關(guān)關(guān)系。早期地層常具有較大的巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比，粘聚力亦具有類似變化趨勢(shì)。構(gòu)造滑脫層應(yīng)具有相對(duì)較小的單軸抗壓強(qiáng)度、較小的彈性模量和較小的泊松比。該區(qū)從上侏羅統(tǒng)至中奧陶統(tǒng)各地層中發(fā)育多套滑脫層，即上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、中三疊統(tǒng)雷口坡組、下泥盆統(tǒng)和志留系等?；搶釉跇?gòu)造變形中多表現(xiàn)為各逆沖斷裂下部匯聚或尖滅消失的構(gòu)造軟弱帶，且滑脫層上部層位構(gòu)造變形強(qiáng)度較大，多形成密集分布的逆沖斷裂帶，而滑脫層下伏區(qū)域構(gòu)造變形微弱，多形成傾角較緩的單斜構(gòu)造或者寬緩褶皺。

構(gòu)造滑脫層；單軸抗壓強(qiáng)度；三軸抗壓強(qiáng)度；川西

龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育多套構(gòu)造滑脫帶，構(gòu)造滑脫帶在構(gòu)造變形過程中具有重要的作用，能夠使得其上下兩套地層發(fā)生不同程度的構(gòu)造變形[1-3]，在油氣勘探中具有重要的意義?；搶拥淖R(shí)別具有多種方法，如地震資料[4]、野外地質(zhì)調(diào)查[5]，物理模擬或者計(jì)算機(jī)模擬[6]，等等，本文通過對(duì)采自龍門山?jīng)_斷帶的巖石樣品進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度分析和三軸抗壓強(qiáng)度分析，分析研究區(qū)不同地層的巖石力學(xué)各項(xiàng)參數(shù)，揭示實(shí)際構(gòu)造變形中滑脫層對(duì)構(gòu)造變形的影響，以此來預(yù)測(cè)、識(shí)別及確定不同深度的構(gòu)造滑脫層。

1 基本原理

目前關(guān)于巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試的方法和流程已經(jīng)成熟，已有相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及多種相關(guān)教材和指導(dǎo)書出版[7-10]，本次實(shí)驗(yàn)的技術(shù)流程如下所述。

1.1 單軸抗壓實(shí)驗(yàn)

1）概述：巖石變形實(shí)驗(yàn)，是在縱向壓力作用下測(cè)定試樣的縱向（軸向）和橫向（徑向）變形，據(jù)此計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是縱向單軸應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比，規(guī)程規(guī)定用單軸抗壓強(qiáng)度的50%作為應(yīng)力和該應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)需要也可以確定任何應(yīng)力下的彈性模量。泊松比是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比，規(guī)程規(guī)定用單軸抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算。

2）試樣制備：用鉆孔機(jī)在野外采取的巖塊上取芯，試件為圓柱體，直徑為2.5cm，高度為5cm，下每塊巖心必須制備3個(gè)。

3）主要儀器設(shè)備：鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)、游標(biāo)卡尺、天平、烘箱和干燥箱，水槽、煮沸設(shè)備、壓力試驗(yàn)機(jī)、電阻應(yīng)變片、粘結(jié)劑、萬用表、電阻應(yīng)變儀（數(shù)據(jù)采集器）、壓力傳感器、引伸儀等。

4）實(shí)驗(yàn)程序：選擇電阻片，電阻絲的長(zhǎng)度應(yīng)大于組成試樣的礦物最大粒徑或斑晶的10倍以上，將電阻片應(yīng)貼在試樣高度的中部，將貼好片的試樣置于壓力機(jī)上，對(duì)準(zhǔn)中心，以全橋或者半橋的方式聯(lián)入應(yīng)變儀（或者數(shù)據(jù)采集器），接通電源，以每秒0.5~0.8MPa的加載速度對(duì)試樣加載，直至破壞，在施加載荷的過程中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄各級(jí)壓力及其相應(yīng)的縱向和橫向應(yīng)變值，描述試樣的破壞形式，并記錄與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的情況。

5）對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行歸類分析：著重分析不同樣品之間各測(cè)試結(jié)果的差異，分析其地質(zhì)背景，揭示其形成原因。

1.2 三軸抗壓實(shí)驗(yàn)

表1 單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

1）概述：巖石三軸實(shí)驗(yàn)是在三向應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)定巖石的強(qiáng)度和變形的方法，研究中所采用的側(cè)向等壓的三軸實(shí)驗(yàn)。

2）試樣制備：試樣制備的過程與要求同單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3）主要儀器設(shè)備：該實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備同單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，此外，還需要三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)。

4）試驗(yàn)程序：首先用膠液將試樣密封，將密封好的試樣放置于保護(hù)筒中，試樣在壓力室中安置好后，向壓力室內(nèi)注油，測(cè)定試樣的縱向變形和橫向應(yīng)變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中側(cè)向壓力的變化范圍不得超過預(yù)定值的2%，實(shí)驗(yàn)過程中記錄破壞時(shí)的最大載荷及相應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，進(jìn)行破壞形式描述。

5）成果整理和計(jì)算同前所述。

2 樣品及測(cè)試結(jié)果

2.1 取樣情況

本次實(shí)驗(yàn)樣品分布于龍門山?jīng)_斷帶及川西地區(qū)，北起廣元，南達(dá)雅安。涉及層位自前震旦系至白堊系，其中主要層位有志留系龍馬溪組，中下三疊統(tǒng)嘉陵江組和雷口坡組膏巖層和上三疊統(tǒng)須家河組，等等。

2.2 測(cè)試結(jié)果

本次完成上述兩類實(shí)驗(yàn)，分別為單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、三軸抗壓實(shí)驗(yàn)，均在北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 巖石的抗壓強(qiáng)度與巖石密度、巖石年代的關(guān)系

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析（圖1），巖石抗壓強(qiáng)度具有隨著巖石密度變大而逐漸變大的特征，其中粘土巖和白云巖的密度變化對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度具有較大影響，即粘土巖和白云巖具有較低單軸抗壓強(qiáng)度，分別為30MPa和45Mpa，而其它巖性地層具有較高單軸抗壓強(qiáng)度，大約為80MPa，具有較低單軸抗壓強(qiáng)度的巖石在構(gòu)造變形過程中更易發(fā)生塑性變形，在構(gòu)造變形過程中起到滑脫作用。

此外，隨著地層年代由新到老，巖石的單軸抗壓具有逐漸變大的趨勢(shì)，其中上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組具有最低的單軸抗壓強(qiáng)度，約為35MPa，古生界（主要為泥盆系和奧陶系）具有最大的單軸抗壓強(qiáng)度，約為100MPa。不同年代地層中，中三疊統(tǒng)雷口坡組、志留系及部分上泥盆統(tǒng)具有較低的單軸抗壓強(qiáng)度值，約為50MPa（圖1）。

3.2 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比具有較好的相關(guān)性

巖石彈性模量同樣具有隨著巖石年代增大而逐漸增大的趨勢(shì)（圖1），從上三疊統(tǒng)的2.0GPa到中奧陶統(tǒng)的2.7GPa左右，其中密度較小的上侏羅統(tǒng)、中三疊統(tǒng)雷口坡組及泥盆系部分地層具有相對(duì)較低的彈性模量，約為2.5GPa。同時(shí)，泊松比數(shù)值曲線分布特征與彈性模量數(shù)值分布曲線具有較為相似，即整體上泊松比與地層密度具有較好相關(guān)性。

表2 三軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

3.3 巖石的粘聚力變化較大，與地層年代新老與地層密度的變化關(guān)系較大

不同年代地層不僅具有密度逐漸變化的特征，同時(shí)這種變化與巖石的粘聚力的變化也具有一定的相關(guān)性，其中中三疊統(tǒng)雷口坡組、下三疊統(tǒng)、上泥盆統(tǒng)等各地層這種變形特征較為明顯。

3.4 識(shí)別出多套構(gòu)造滑脫層

綜合分析巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、密度、粘聚力五項(xiàng)參數(shù)，認(rèn)為從上侏羅統(tǒng)至中奧陶統(tǒng)各地層中，發(fā)育多套滑脫層，基本依據(jù)為具有相對(duì)較小的單軸抗壓強(qiáng)度、較小的彈性模量和較小的泊松比，具有滑脫變形特征的地層主要有上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、中三疊統(tǒng)雷口坡組、志留系（圖1、圖2）。

圖1 不同年代地層巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)比分析

圖2 巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4 滑脫層的構(gòu)造變形意義

4.1 淺層構(gòu)造變形

不同時(shí)代滑脫層在構(gòu)造變形過程中對(duì)構(gòu)造變形具有重要的制約作用，比如在地表或者近地表發(fā)育多種類型構(gòu)造，其中多數(shù)與滑脫層有關(guān)，如構(gòu)造三角帶、斷彎褶皺，等等，逆沖斷裂在剖面上表現(xiàn)為上陡下緩鏟式特征，在平面上以弧形彎曲，斷層下端在滑脫層中尖滅消失，滑脫層本身構(gòu)造變形特征不明顯，但是其上下兩套地層構(gòu)造變形程度差異巨大（圖3）。

圖3 研究區(qū)地表滑脫構(gòu)造變形特征（據(jù)文獻(xiàn)2修改）

圖A—雙重構(gòu)造、圖B—斷彎褶皺

4.2 中深層構(gòu)造變形

與淺部地層構(gòu)造變形相似，在中深層構(gòu)造變形中，滑脫層同樣嚴(yán)重影響著構(gòu)造變形的結(jié)果（圖4），雙重構(gòu)造是其中典型的構(gòu)造變形類型，頂?shù)装寤搶訛橄鹿派纾▓D4-a）或者中生界，以雙重構(gòu)造為界，上部地層多發(fā)育強(qiáng)烈構(gòu)造變形，斷裂密集且傾角較大，部分近于直立，雙重構(gòu)造下部地層構(gòu)造變形較弱，地震剖面上僅可見到地層稍微傾斜，呈單斜產(chǎn)狀。此外，坡坪式斷裂也發(fā)育在中深層滑脫層中（圖4-b和圖4-c），且多條逆沖斷裂雖然在近地表產(chǎn)狀各異，但是其下端都匯集于滑脫層中尖滅消失（圖4-d），如通濟(jì)場(chǎng)斷裂、關(guān)口斷裂等。

圖4 川西地區(qū)典型地震剖面解釋結(jié)果[11]

a—04-314測(cè)線；b—06-196.3測(cè)線；b—03-173測(cè)線；b—05-26測(cè)線

4.3 深層構(gòu)造變形

在深部構(gòu)造變形中，前震旦系多個(gè)構(gòu)造滑脫層影響明顯（圖5），成為多條逆沖斷裂深部匯聚并且消失的層位，吳嬋（2014）通過地球物理剖面揭示龍門山逆沖斷裂帶中安縣—灌縣斷裂與映秀—北川斷裂在地下15km左右相連，并一起延伸到深度大約20km的滑脫面上[12]。

圖5 龍門山?jīng)_斷帶深部構(gòu)造變形模式圖[2]

F1-青川—茂汶斷裂；F2-北川—映秀斷裂；F3-馬腳壩—通濟(jì)場(chǎng)—雙石斷裂；F4-廣元—關(guān)口—大邑?cái)嗔眩?/p>

5 結(jié)論

1）巖石抗壓強(qiáng)度隨著巖石密度變大而逐漸變大，其中粘土巖和白云巖的密度變化對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度影響較大；隨著地層年代由新到老，巖石的單軸抗壓具有逐漸變大的趨勢(shì)，同時(shí)巖石的彈性模量、泊松比、粘聚力具有相類似的變化趨勢(shì)；認(rèn)為從上侏羅統(tǒng)至中奧陶統(tǒng)各地層中發(fā)育多套滑脫層，基本依據(jù)為具有相對(duì)較小的單軸抗壓強(qiáng)度、較小的彈性模量和較小的泊松比，具有滑脫變形特征的地層主要有上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、中三疊統(tǒng)雷口坡組、下泥盆統(tǒng)和志留系。

2）滑脫層對(duì)不同深度構(gòu)造變形的變形樣式均具重要影響，形成多種與滑脫層相關(guān)的構(gòu)造變形樣式，斷層具有上陡下緩鏟式特征，其下端在滑脫層中尖滅消失，且多條逆沖斷裂在近地表區(qū)域表現(xiàn)為傾角較大的逆沖斷裂帶，但在深部基本上都是在幾套前述的大型滑脫層中合并或尖滅消失，此外，滑脫層上下兩套地層構(gòu)造變形程度差異巨大，上部地層多構(gòu)造變形強(qiáng)烈，而滑脫層下伏地層構(gòu)造變形微弱。

[1] 金文正，湯良杰，楊克明，萬桂梅，呂志洲. 龍門山?jīng)_斷帶構(gòu)造特征研究主要進(jìn)展及存在問題探討[J]. 地質(zhì)論評(píng)，2008，54（1）：37-46

[2] TANG Liang-jie，YANG Ke-ming，JIN Wen-zheng，Lü Zhi-zhou，YU Yi-xin. Multi-level decollement zones and detachment deformation of Longmenshan thrust belt, Sichuan basin, southwest China[J]. Science in China Series D-Earth Sciences, 2008, 51（Supp. II）: 32-43

[3] TANG Liangjie, YANG Keming, JIN Wenzheng, WAN Guimei, Lü Zhizhou, YU Yixin. Differential tectonic deformation of Longmen Mountain thrust belt, Western Sichuan Basin, China[J]. Acta Geologic Sinica. 2009, 83（1）: 58-169

[4] Sherkati Shahram, Molinaro Matteo, Lamotte Dominique Frizon de., et al. Detachment folding in the Central and Eastern Zagros fold-belt （Iran）: salt mobility, multiple detachments and late basement control[J]. Journal of Structural Geology, 2005, （27）: 1680-1696

[5] Latta D. K., Anastasio D. J. Multiple scales of mechanical stratification and decollement fold kinematics, Sierra Madre Oriental foreland, northeast Mexico[J]. Journal of Structural Geology, 2007, 29: 1241-1255

[6] Ravaglia Antonio, Turrini Claudio, Seno Silvio. Mechanical stratigraphy as a factor controlling the development of a sandbox transfer zone: a three-dimensional analysis[J]. Journal of Structural Geology, 2004, 26: 2269-2283

[7] 周生躍. 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書. 中南大學(xué)土木建筑學(xué)院巖土工程實(shí)驗(yàn)室. 2005

[8] 王寶學(xué), 楊同, 張磊, 等. 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（修訂版）. 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院. 2008

[9] 長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院巖石力學(xué)課程組. 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書. 2007

[10] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50226-1999

[11] 金文正, 湯良杰, 楊克明, 等. 川西龍門山褶皺沖斷帶分帶性變形特征[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 2007, 81（8）: 1072-1080

[12] 吳嬋. 龍門山構(gòu)造帶深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其對(duì)汶川地震表層破裂帶的制約[D]. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院博士學(xué)位論文. 2014

[13] 劉加杰，張霖，鐘穎. 川西新場(chǎng)須五致密儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[J]. 四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，37（2）：250-252

Lithomechanics of Décollement Layers and Tectonic Significance in the Longmenshan Thrust Belt, Western Sichuan

JIN Wen-zheng1,2WANG Jun-peng3CUI Ze-hong4YE Zhi-xu5

（1-School of Energy, China University of Geosciences （Beijing）, Beijing 100083; 2-State Key Laboratory of Petroleum and Gas Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing, 102249; 3-Hangzhou Institute of Petroleum Geology, PetroChina, Hangzhou 310023; 4-Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083; 5- Jidong Oilfield Branch Company, PetroChina, Tangshan, Hebei 063200）

Many sets of décollement layers were developed in the western Sichuan basin, and these layers have an important influence on the process of tectonic deformation. This study does experiments of uniaxial compressive strength and triaxial compressive strength with rock samples from the studied area. The results show thatthere is a positive correlation between the compressive strength of rock and rock’s density, and that the rock with older age usually has bigger compressive strength, with similar trends of elastic modulus, poisson ratio and cohesion. Therefore, the décollement layers should have smaller compressive strength, smaller elastic modulus and smaller poisson ratio. So several décollement layers were developed between the Upper Jurassic and the Middle Ordovician in the studied area such as: Upper Jurassic Penglaizhen Formation, Middle Triassic Leikoupo Formation, Lower Devonian and Silurian etc.. These décollement layers are typical weak tectonic belts, leading lots of giant thrust faults merged or disappeared in them, and the sets of layer above the décollement almost have more intensive deformation than layer under sets, lots of thrust faults may be found in the above layers, however, only some gentle monoclines or wide folds were developed under the décollement layers.

uniaxial compressive strength; triaxial compressive strength; décollement layer; western Sichuan basin

2018-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)41572105、41002072）和油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金（基金編號(hào)：PRP/open-1307）

金文正（1978-），男，遼寧大連人，講師，主要從事石油地質(zhì)和含油氣盆地分析專業(yè)方向研究

P583

A

1006-0995（2018）04-0557-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.006