李 劍，曾聯(lián)波，林 煜，劉國(guó)平，曹東升，王兆生

[1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院，北京 100083；4.中國(guó)石油 東方地球物理公司，河北 涿州 072751]

裂縫在近地表地層中普遍發(fā)育，基本上可以在所有的巖性以及構(gòu)造環(huán)境中存在[1]。作為巖石中的間斷面，裂縫在巖石變形過(guò)程中起著重要的作用，可以為構(gòu)造變形過(guò)程的研究提供重要證據(jù)。另一方面，裂縫也是地下流體重要的滲流通道[2-4]。為了研究裂縫對(duì)這些過(guò)程的影響，就必須對(duì)裂縫的分布、規(guī)模發(fā)育情況等有明確的認(rèn)識(shí)。前人對(duì)柴達(dá)木盆地地區(qū)的裂縫做了大量的研究，認(rèn)為柴達(dá)木盆地發(fā)育垂直張開(kāi)縫、構(gòu)造剪切縫、小斷層、沿層面的滑脫縫以及水平張開(kāi)縫等裂縫類型。這些裂縫的發(fā)育受構(gòu)造變形史和巖性等因素控制[5-8]。但是前人對(duì)水平裂縫的研究非常少，包括水平裂縫的發(fā)育特征及其構(gòu)造意義。

青藏高原作為世界的屋脊，形成于距今60～50 Ma之前的印度板塊與歐亞板塊的碰撞。印度板塊向歐亞板塊底部快速地俯沖造成包括柴達(dá)木盆地在內(nèi)的整個(gè)青藏高原地殼快速縮短與抬升[9-10]。大量的學(xué)者從地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)出發(fā)，對(duì)青藏高原的變形史和板塊碰撞的動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，認(rèn)為作為青藏高原北緣重要的盆地——柴達(dá)木盆地的變形史與整個(gè)青藏高原的變形史有著很好的同步性。因此，柴達(dá)木盆地的演化和變形史同樣可以為青藏高原的變形抬升提供重要的依據(jù)[7,11-14]。地震資料以及平衡剖面方法構(gòu)造演化恢復(fù)研究表明，柴達(dá)木盆地自新生代以來(lái)經(jīng)歷了連續(xù)擠壓，尤其在第四紀(jì)以來(lái)相對(duì)較短的時(shí)期內(nèi)，地殼的縮短比例高達(dá)32%以上[7,13-17]。系統(tǒng)的三趾馬動(dòng)物群、植物群、冰川遺跡、古喀斯特地貌和古土壤等研究表明，自第四紀(jì)以來(lái)，青藏高原的平均抬升速度高達(dá)1 mm/a[18]。其他學(xué)者通過(guò)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法、沉積地層學(xué)方法和河流階地詳細(xì)表征等方法，對(duì)晚新生代以來(lái)(0.17 Ma)青藏高原的剝蝕速率進(jìn)行了研究，認(rèn)為其隆升速度最大不超過(guò)0.72 mm/a[19-25]。柴達(dá)木盆地內(nèi)沉積物沉積速率以及厚層的卷入構(gòu)造變形的第四紀(jì)沉積顯示了第四紀(jì)以來(lái)逐漸增強(qiáng)的構(gòu)造活動(dòng)趨勢(shì)[26]。前人雖然對(duì)新生代以來(lái)的青藏高原隆升做了大量的研究，但是整個(gè)第四紀(jì)以來(lái)青藏高原活動(dòng)的分期以及各期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)弱差異的研究還有待補(bǔ)充。

本文基于野外露頭地質(zhì)調(diào)查以及薄片觀測(cè)等手段，對(duì)柴達(dá)木盆地西部新近紀(jì)地層中的水平裂縫的特征和規(guī)模發(fā)育程度等進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過(guò)野外實(shí)測(cè)水平裂縫參數(shù)確定了水平裂縫形成時(shí)期，計(jì)算了形成水平裂縫時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力大小，并推測(cè)了柴達(dá)木盆地西部地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)的抬升剝蝕過(guò)程，為柴達(dá)木盆地乃至整個(gè)青藏高原第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造活動(dòng)提供了重要依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地位于青藏高原的北緣，其面積約為12×104km2，平均海拔在3～3.5 km，遠(yuǎn)低于周?chē)０卧?～5 km的山脈[7,13,16,27]。柴達(dá)木盆地被其西北部的阿爾金山、東北部的祁連山以及南部的昆侖山圍成一個(gè)近似三角形的形狀(圖1)。盆地內(nèi)發(fā)育中生代—新生代陸相沉積地層，地層厚度3～16 km不等，地層厚度由盆地中心向盆地邊緣有逐漸減薄的趨勢(shì)[28]。新生代以來(lái)，盆地內(nèi)地層主要為沖積平原、沖積扇、扇三角洲、河流相以及湖相沉積，相應(yīng)的巖性以砂巖、湖相泥灰?guī)r以及泥巖為主(圖2)。根據(jù)磁性地層學(xué)、微化石以及同位素地層學(xué)資料，新生界由下至上可劃分為8個(gè)組，分別為：路樂(lè)河組、下干柴溝組、上干柴溝組、下油砂山組、上油砂山組、獅子溝組、七個(gè)泉組以及察爾汗組(圖2)[13,29]。柴達(dá)木盆地西部由一系列近平行的北西-南東向背斜組成，由南向北分別為：油砂山背斜、獅子溝背斜、干柴溝背斜、油泉子背斜、咸水全背斜、南翼山背斜、紅溝子背斜、小涼山背斜以及尖頂山背斜。

圖1 柴達(dá)木盆地西部地理位置(a)及地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(b)Fig.1 Location (a) and tectonic map (b) of the western Qaidam Basin

圖2 柴達(dá)木盆地西部地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of the western Qaidam Basin

2 水平裂縫發(fā)育特征及控制因素

2.1 水平裂縫發(fā)育特征

水平裂縫為產(chǎn)狀近水平的張開(kāi)裂縫。大部分水平裂縫發(fā)育在傾斜的地層中，一般與地層斜交，交角在5°～30°，且裂縫面不規(guī)則，常呈現(xiàn)裂縫中部近平直、端部彎曲的形態(tài)(圖3a)。這類彎曲的裂縫與相鄰裂縫具有強(qiáng)烈的相互作用，裂縫端部向相鄰的裂縫彎曲，并常常與相鄰裂縫相交并截止于相鄰的裂縫面上，形成T形交叉。這些強(qiáng)烈的裂縫相互作用以及切割現(xiàn)象是在遠(yuǎn)場(chǎng)差應(yīng)力相對(duì)于驅(qū)動(dòng)應(yīng)力較小的應(yīng)力狀態(tài)下形成的[30-32]。少部分水平裂縫發(fā)育在層面近水平的地層中，水平裂縫基本與地層平行或者與地層呈小角度(<5°)相交，且裂縫一般呈直線，這類裂縫被命名為層面平行張開(kāi)縫(圖3b)[7]。水平裂縫的規(guī)模和密度在不同構(gòu)造、相同構(gòu)造的不同構(gòu)造部位以及不同埋深變化很大，裂縫開(kāi)度在1～100 mm均有分布。水平裂縫均為張開(kāi)縫，裂縫面粗糙不平，且基本被石膏充填。根據(jù)野外露頭和鏡下觀察顯示，石膏晶體從裂縫表面向裂縫中心生長(zhǎng)(圖4)。石膏晶體生長(zhǎng)方向與裂縫面垂直，兩個(gè)裂縫面沒(méi)有可觀測(cè)到的沿走向的相對(duì)位移，說(shuō)明這些裂縫是形成于快速抬升剝蝕的卸載過(guò)程中的張裂縫[7,33]。

圖3 柴達(dá)木盆地西部新近系泥巖地層中的水平裂縫Fig.3 Horizontal fractures in the Neogene mudstone of the western Qaidam Basina,a1.彎曲的與地層斜交的水平裂縫(咸水泉背斜下油砂山組)；b,b1.平直的與地層近平行的水平裂縫(咸水泉背斜下油砂山組)(a,b為野外剖面裂縫分布；a1，b1分別為與a,b對(duì)應(yīng)的裂縫分布示意圖。)

圖4 柴達(dá)木盆地西部咸水泉背斜古近系下油砂山組中被石膏充填的水平裂縫鏡下照片F(xiàn)ig.4 Micrograph showing the horizontal fractures filled with gypsum in the mudstone of the Palaeogene Xiayoushashan Formation of the Xianshuiquan anticline in the western Qaidam Basin

2.2 水平裂縫控制因素

本次研究對(duì)柴達(dá)木盆地西部露頭水平裂縫發(fā)育情況進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)查，包括七個(gè)泉背斜、油砂山背斜、獅子溝背斜、干柴溝背斜、油泉子背斜、咸水泉背斜、南翼山背斜、紅溝子背斜、小涼山背斜以及尖頂山背斜。根據(jù)野外露頭調(diào)查結(jié)果，平面上，在研究區(qū)西南部砂巖地層中(七個(gè)泉背斜、油砂山背斜、獅子溝背斜、干柴溝背斜)未發(fā)現(xiàn)水平裂縫發(fā)育，水平裂縫在研究區(qū)東北部泥巖地層中發(fā)育，且僅發(fā)育在油泉子背斜、咸水泉背斜、南翼山背斜和紅溝子背斜的核部區(qū)域。小涼山背斜以及尖頂山背斜由于沒(méi)有可觀測(cè)的露頭出露，無(wú)法進(jìn)行調(diào)查。在垂向上，水平裂縫被限制在下油砂山組、上油砂山組以及獅子溝組的泥巖地層中。

為了研究不同構(gòu)造及位置裂縫的發(fā)育情況，對(duì)野外露頭水平裂縫的開(kāi)度及密度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。在剖面上，由于水平裂縫基本呈橢圓形或紡錘形，因此裂縫的開(kāi)度以裂縫中部寬度最大的位置為標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，本次研究測(cè)量的裂縫開(kāi)度僅代表在露頭剖面和平面上的大小，實(shí)際的裂縫開(kāi)度有可能遠(yuǎn)大于測(cè)量開(kāi)度。在建立三維形狀假設(shè)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算出裂縫在三維空間的實(shí)際開(kāi)度[34]，但這超出了本次研究的范圍，且在大量裂縫開(kāi)度統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以反映不同統(tǒng)計(jì)位置的裂縫開(kāi)度相對(duì)大小，因此本文以野外實(shí)測(cè)結(jié)果作為研究依據(jù)。野外統(tǒng)計(jì)的裂縫密度為線密度，即在發(fā)育水平裂縫的露頭上取一垂直其延伸方向的線段，用與此線段相交的水平裂縫總數(shù)除以此線段的長(zhǎng)度作為測(cè)量點(diǎn)的裂縫線密度。

水平裂縫開(kāi)度的頻率分布在平面上變化，說(shuō)明其受剝蝕量的控制，具體表現(xiàn)為在地層剝蝕量大的地區(qū)水平裂縫的開(kāi)度也相對(duì)較大。水平裂縫開(kāi)度在咸水泉背斜主要分布在0.9～4.5 mm，平均開(kāi)度為3.07 mm，最大可達(dá)32 mm。在油泉子背斜，水平裂縫開(kāi)度主要分布在0.6～2.1 mm，平均開(kāi)度為2.2 mm，最大可達(dá)15 mm。在紅溝子背斜，水平裂縫開(kāi)度主要分布在0.3～1.8 mm，平均開(kāi)度為1 mm，最大可達(dá)11 mm。在南翼山背斜，水平裂縫開(kāi)度主要分布在0.1～1.5 mm，平均開(kāi)度為0.8 mm，最大可達(dá)5 mm。水平裂縫開(kāi)度及數(shù)量按咸水泉背斜—油泉子背斜—紅溝子背斜—南翼山背斜有減小的趨勢(shì)(圖5)。而根據(jù)地質(zhì)圖顯示，出露地層年代從咸水泉背斜，到油泉子背斜，到紅溝子背斜，到南翼山背斜由老變新，也就是說(shuō)剝蝕地層的厚度逐漸變小。以上證據(jù)表明水平裂縫的規(guī)模隨地層剝蝕量的增加而增大。

圖5 柴達(dá)木盆地西部水平裂縫開(kāi)度頻率分布Fig.5 Histogram showing the distribution of horizontal fracture apertures in the western Qaidam Basina.咸水泉背斜，n=804,n為裂縫數(shù)量，條；b.油泉子背斜，n=223；c.紅溝子背斜，n=212；d.南翼山背斜，n=177

除受剝蝕量控制外，水平裂縫的發(fā)育和分布還受埋藏深度的控制，表現(xiàn)在隨埋深增加裂縫的平均開(kāi)度和密度都隨之減小(圖6)。在油泉子背斜剖面，從測(cè)量A點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)F，相對(duì)埋深變淺大約15 m，裂縫線密度由11.9條/m增加到25.2條/m，裂縫的平均開(kāi)度由0.58 mm增加到2.79 mm。剖面上水平裂縫平均開(kāi)度以及線密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明水平裂縫的發(fā)育程度以及規(guī)模隨埋深的增加而減小。

圖6 柴達(dá)木盆地西部水平裂縫隨埋深變化規(guī)律Fig.6 Variation of the horizontal fractures with burial depth in the western Qaidam Basina.測(cè)量水平裂縫剖面(油泉子背斜，上油砂山組)；b.不同測(cè)量點(diǎn)的水平裂縫線密度、平均開(kāi)度和實(shí)測(cè)裂縫數(shù)量

3 水平裂縫形成時(shí)間

裂縫的相互切割限制關(guān)系是判斷裂縫期次的重要依據(jù)。這類水平張開(kāi)裂縫一般都會(huì)切割垂直構(gòu)造裂縫，并且只發(fā)育在古近系和新近系中，說(shuō)明這類水平裂縫形成于較晚的第四紀(jì)[7]。根據(jù)本次研究野外露頭觀測(cè)結(jié)果，水平裂縫僅在新近系獅子溝組、上油砂山組和下油砂山組泥巖地層中發(fā)育，而在古近系中未發(fā)現(xiàn)水平裂縫發(fā)育。水平裂縫均切割早期的垂直構(gòu)造裂縫(圖7a)，說(shuō)明其形成于構(gòu)造擠壓之后。野外露頭觀測(cè)結(jié)果還表明水平裂縫并不是同期形成的，而是由兩期形成。早期的水平裂縫被透明的石膏充填，而晚期的水平裂縫被白色的“馬牙狀”的石膏充填。根據(jù)野外觀測(cè)結(jié)果，晚期形成的水平裂縫與早期形成的裂縫有3種位置關(guān)系(圖7b—d)。第一種為晚期被白色的“馬牙狀”石膏充填的水平裂縫切割早期被透明石膏充填的水平裂縫；第二種為晚期水平裂縫在早期水平裂縫的中間重新裂開(kāi)并充填；第三種為晚期水平裂縫與早期水平裂縫平行發(fā)育。柴達(dá)木盆地西部地區(qū)裂縫充填石膏脈的電子自旋共振(ESR)方法進(jìn)精確測(cè)年結(jié)果顯示，水平的石膏脈形成時(shí)間共有兩個(gè)，第一期距今1.83 Ma，第二期距今0.28 Ma[35]。這與本次研究野外觀測(cè)到的被石膏充填的水平裂縫分兩期形成的結(jié)果一致。因此可以判定，柴達(dá)木盆地西部地區(qū)水平張開(kāi)裂縫均形成于第四紀(jì)，第一期水平張開(kāi)裂縫形成時(shí)間約距今1.8 Ma且被透明的石膏充填；第二期水平張開(kāi)裂縫形成于距今約0.3 Ma且被白色“馬牙狀”的石膏充填。

圖7 柴達(dá)木盆地西部新近系泥巖地層中裂縫的相互位置關(guān)系Fig.7 Mutual alignment of horizontal fractures with vertical fractures in the Neogene mudstone in the western Qaidam Basina.晚期水平裂縫切割早期垂直構(gòu)造裂縫；b.晚期水平裂縫切割早期水平裂縫；c.晚期水平裂縫沿早期水平裂縫再次裂開(kāi)；d.晚期水平裂縫平行于早期水平裂縫發(fā)育

4 水平裂縫形成機(jī)理

巖石在卸載過(guò)程中形成張性破裂與殘余應(yīng)力有關(guān)[36-37]。由于巖石中不同部位組成單元的力學(xué)性質(zhì)存在差異或者經(jīng)歷的應(yīng)力史(加載過(guò)程)不同以及巖石自身結(jié)構(gòu)的原因，在卸載過(guò)程中巖體不同部位的回彈存在差異，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力最終導(dǎo)致巖體的張性破裂。差異回彈包括兩種類型。

1) 由于材料性能差別造成的差異回彈

巖體中緊密相連的力學(xué)性質(zhì)不同的顆粒體系在加載過(guò)程中，彈性強(qiáng)的單元僅產(chǎn)生彈性形變，而彈性弱的單元在彈性形變后會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生塑性形變。這樣就導(dǎo)致在卸載過(guò)程中，彈性強(qiáng)的單元比彈性弱的單元產(chǎn)生更多的回彈，從而在彈性強(qiáng)的單元中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力在彈性弱的單元中產(chǎn)生大小相當(dāng)?shù)臍堄嗬瓚?yīng)力，由于一般巖體的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)[38]，隨著卸載量的增加，殘余應(yīng)力也會(huì)增大，一旦殘余應(yīng)力達(dá)到巖體的抗拉強(qiáng)度即可以產(chǎn)生張性破裂。

2) 由于巖體各單元應(yīng)力史不同造成的差異回彈

典型的例子為巖石骨架碎屑顆粒在發(fā)生膠結(jié)前受力壓縮產(chǎn)生彈性形變，之后在受壓縮的情況下發(fā)生膠結(jié)。在卸載過(guò)程中，巖石骨架發(fā)生膨脹受到膠結(jié)物的抑制，此時(shí)膠結(jié)物轉(zhuǎn)為拉伸狀態(tài)并產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)膠結(jié)物的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生沿顆粒邊界與回彈方向(即卸載方向)近垂直的拉裂面。不論是哪種形成殘余拉應(yīng)力的力學(xué)機(jī)制，殘余拉應(yīng)力的大小與巖體中彈性單元的回彈形變量成正比。而這兩種機(jī)制都認(rèn)為彈性強(qiáng)的單元僅發(fā)生彈性形變，因此其回彈形變量與總卸載量成正比。繼而可以得出結(jié)論，卸載過(guò)程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力與總卸載量成正比。

柴達(dá)木盆地西部新近系泥巖地層中發(fā)育的水平裂縫為張開(kāi)縫且開(kāi)度一般較大，裂縫面粗糙不平，裂縫形態(tài)不穩(wěn)定彎曲現(xiàn)象普遍等這些特征表明其為張性裂縫，即裂縫形成的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力與裂縫面垂直。前人研究結(jié)果表明，在柴達(dá)木盆地西部地區(qū)淺層不存在異常高壓，水平裂縫不可能是天然流體壓裂形成的，因此水平裂縫可能是由于快速抬升剝蝕過(guò)程中的誘導(dǎo)殘余拉應(yīng)力形成的。在抬升剝蝕卸載過(guò)程中，水平裂縫形成時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力(σd，Pa)有如下表達(dá)式：

σd=σr-G+p

(1)

式中：σr為卸載過(guò)程中誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力,Pa，與抬升剝蝕卸載程度有關(guān)；G為上覆巖層靜巖壓力，Pa；p為靜水壓力，Pa。對(duì)于G和p有：

G=ρrgh

(2)

p=ρfgh

(3)

式中:ρr為上覆巖層平均密度，kg/m3；ρf為地層流體密度,kg/m3；h為埋藏深度，m；g為重力加速度，m/s2。將公式(2)和公式(3)代入公式(1)可以得到：

σd=σr-(ρr-ρf)gh

(4)

由公式(4)可以看出，在同一位置誘導(dǎo)殘余應(yīng)力相同，則驅(qū)動(dòng)應(yīng)力隨埋藏深度增加而減小，必然導(dǎo)致水平裂縫的規(guī)模和發(fā)育程度降低，這也與野外露頭的觀測(cè)結(jié)果一致。在近地表情況下，由于埋藏深度很淺，即h很小，那么驅(qū)動(dòng)應(yīng)力σd主要與誘導(dǎo)殘余應(yīng)力σr有關(guān)。而誘導(dǎo)殘余應(yīng)力σr與剝蝕量成正比，因此，驅(qū)動(dòng)應(yīng)力σd的大小可以反映由于擠壓變形導(dǎo)致的抬升剝蝕的強(qiáng)弱程度。

5 構(gòu)造意義

該區(qū)的水平裂縫反映了柴達(dá)木盆地西部地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)由于強(qiáng)烈擠壓變形造成的大規(guī)模抬升剝蝕過(guò)程。由于驅(qū)動(dòng)應(yīng)力σd的大小可以反映由于擠壓變形導(dǎo)致的抬升剝蝕的強(qiáng)弱程度，另一方面通過(guò)水平裂縫的發(fā)育情況可以推測(cè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力σd的大小，因此可以通過(guò)水平裂縫的證據(jù)定量地研究柴達(dá)木盆地西部地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)的抬升剝蝕過(guò)程。

在野外可以測(cè)量得到拉伸應(yīng)變，從而可以推測(cè)應(yīng)力的大小。但是，簡(jiǎn)單的將拉伸應(yīng)變乘以楊氏模量并不能提供準(zhǔn)確的初始應(yīng)力，原因有以下兩點(diǎn)。首先，野外露頭測(cè)量的應(yīng)變只是總應(yīng)變的一部分；其次，隨著裂縫的擴(kuò)展演化，應(yīng)變也會(huì)隨著時(shí)間而改變。因此，野外測(cè)量得到的應(yīng)變并不等于裂縫最開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)變。因此，本次研究采用下文介紹的方法，通過(guò)野外可測(cè)量的由裂縫張開(kāi)引起的破裂應(yīng)變來(lái)計(jì)算巖石初始破裂時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力范圍。

(5)

式中:εf為裂縫停止擴(kuò)張以后的總應(yīng)變。在此，假設(shè)在裂縫停止擴(kuò)展以后，裂縫的開(kāi)度不再變化；在裂縫剛開(kāi)始擴(kuò)展的時(shí)候，由于裂縫還沒(méi)有開(kāi)啟，不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)榱芽p擴(kuò)張導(dǎo)致的巖石體積增大。因此，裂縫開(kāi)始擴(kuò)張時(shí)的巖石總應(yīng)變有如下表達(dá)式：

(6)

式中：下標(biāo)i表示裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的初始狀態(tài)。

根據(jù)可測(cè)量的數(shù)據(jù)，巖石的初始應(yīng)變?chǔ)舏的上限和下限可以由以下兩個(gè)假設(shè)得到：

εi≤εf

(7)

(8)

由于水平裂縫是在流體壓力以及地層剝蝕卸載過(guò)程中的誘導(dǎo)張應(yīng)力下形成的張裂縫，因此，裂縫停止擴(kuò)展時(shí)的總應(yīng)變是大于裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的總應(yīng)變，即第一條假設(shè)公式(7)。第二條假設(shè)公式(8)表明在裂縫停止擴(kuò)展時(shí)的彈性應(yīng)變是小于或者等于裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的彈性應(yīng)變?？紤]相反的情況，那么一定會(huì)有新的裂縫形成或者已經(jīng)存在的裂縫會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，因此第二條假設(shè)也成立?；谶@兩條假設(shè)以及野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以確定裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)彈性應(yīng)變的上限和下限。

(9)

(10)

將公式(5)，(6)和(10)代入公式(7)和公式(8)，則判定初始彈性應(yīng)變上限和下限的兩條假設(shè)有如下表達(dá)式：

(11)

(12)

巖石最終狀態(tài)的破裂應(yīng)變以及有效彈性模量可以由野外露頭測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到。因此根據(jù)公式(6)可以根據(jù)裂縫停止擴(kuò)展以后巖石最終狀態(tài)的破裂應(yīng)變以及有效彈性模量確定巖石開(kāi)始破裂時(shí)的初始彈性應(yīng)變的上限和下限。

包含裂縫的二維介質(zhì)的有效彈性模量有下式給出[40]：

(13)

式中：ν為巖石的泊松比，無(wú)量綱；ρ為裂縫的面密度，此處為無(wú)量綱。由下式給出[40]：

(14)

式中：A為二維介質(zhì)的面積，m2;N為裂縫的總數(shù)量,條；cn為第n條裂縫長(zhǎng)度的一半，m。公式(14)中，裂縫的二維面密度與裂縫半長(zhǎng)的2次方有關(guān)，即為裂縫半長(zhǎng)的高階量，因此，ρ與尺度較大的裂縫關(guān)系密切，尺度小的裂縫對(duì)ρ的影響可以近似忽略。

綜上所述，可以得到導(dǎo)致巖石初始破裂初始應(yīng)力σi的上限以及下限，由如下式給出：

(15)

(16)

圖8 測(cè)量計(jì)算水平裂縫形成應(yīng)力所需參數(shù)的剖面Fig.8 Outcrops showing horizontal fractures used for the calculation of the fracture forming stressa,a1.晚期充填白色“馬牙狀”石膏的水平裂縫，圖1咸水泉背斜五角星位置，下油砂山組；b,b1.早期充填透明石膏的水平裂縫，圖1南翼山背斜五角星位置，獅子溝組(a,b為野外剖面裂縫分布；a1，b1分別為與a,b對(duì)應(yīng)的裂縫分布示意圖。)

在計(jì)算破裂應(yīng)變時(shí)，在剖面上選取垂直的線段，然后用卡尺測(cè)量與此線段相交的裂縫的寬度(注意不是開(kāi)度)，然后用所有相交裂縫寬度的和除以這條線段的長(zhǎng)度得到破裂應(yīng)變。我們對(duì)每個(gè)剖面都選去了3個(gè)相互平行的線段進(jìn)行破裂應(yīng)變的測(cè)量與計(jì)算(表1)。咸水泉剖面和南翼山坡面的平均破裂應(yīng)變分別為0.039 9和0.014 7。對(duì)于每個(gè)剖面的3條線段計(jì)算的到破裂應(yīng)變相差不大，因此可以認(rèn)為測(cè)量誤差可以忽略。除了測(cè)量誤差，還有兩個(gè)因素會(huì)在計(jì)算破裂應(yīng)變時(shí)引入誤差。第一個(gè)是在觀測(cè)時(shí)，一些規(guī)模小的裂縫尤其是肉眼難以觀測(cè)到的微裂縫會(huì)被漏掉，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的破裂應(yīng)變不足。但是相對(duì)于可被測(cè)量的裂縫，這些裂縫的規(guī)模相對(duì)小的多，因此這個(gè)誤差是可以忽略的。第二個(gè)誤差是由于測(cè)量的是現(xiàn)在被石膏充填的裂縫的寬度，而在地下流體作用下石膏充填的過(guò)程中，泥巖裂縫壁必然產(chǎn)生溶蝕或者礦物交代，從而裂縫的寬度比初始寬度大，因此會(huì)對(duì)破裂應(yīng)變估計(jì)過(guò)高[41]。裂縫壁溶蝕和礦物交代產(chǎn)生的誤差比為裂縫統(tǒng)計(jì)不足引入的誤差影響大的多。但是現(xiàn)有資料情況下，還沒(méi)有有效的方法對(duì)裂縫壁溶蝕和礦物交代引入的誤差進(jìn)行估計(jì)。因此在本次研究中測(cè)量計(jì)算得到的破裂應(yīng)變是真實(shí)破裂應(yīng)變的上限。

表1 柴達(dá)木盆地西部新生代野外露頭測(cè)量得到的早期(南翼山剖面)以及晚期(咸水泉剖面)水平裂縫造成的破裂應(yīng)變

表2給出了計(jì)算兩期水平裂縫形成應(yīng)力大小時(shí)的各個(gè)參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果。其中破裂應(yīng)變以及裂縫的面密度根據(jù)剖面上水平裂縫的測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到。兩個(gè)剖面巖石的彈性模量E和泊松比ν由單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。測(cè)量巖石力學(xué)參數(shù)的巖石樣品均采于對(duì)應(yīng)剖面并加工成長(zhǎng)50 mm，直徑25 mm的巖心柱。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于南翼山剖面早期水平裂縫，裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的下限為13.5 MPa，上限為80.9 MPa。對(duì)于咸水泉的晚期水平裂縫，裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的下限為25.4 MPa，上限為244.9 MPa。可以看出晚期裂縫形成時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力大約是早期裂縫形成時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的2～3倍。

表2 兩期水平裂縫形成時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力范圍的計(jì)算結(jié)果及參數(shù)Table 2 Calculated results of initial driving stresses of early and late horizontal fractures

平衡剖面法的構(gòu)造演化恢復(fù)結(jié)果認(rèn)為，柴達(dá)木盆地32%的縮短量發(fā)生自早更新世，第四紀(jì)以來(lái)的強(qiáng)烈快速擠壓導(dǎo)致了柴達(dá)木盆地的快速抬升與剝蝕[13]。柴達(dá)木盆地內(nèi)沉積速率的證據(jù)表明柴達(dá)木盆地第四紀(jì)以來(lái)構(gòu)造活動(dòng)在逐漸增強(qiáng)[26]。在本次研究中，從水平裂縫的角度出發(fā)，對(duì)柴達(dá)木盆地西部地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造活動(dòng)進(jìn)行了更為細(xì)致地研究。根據(jù)水平裂縫的證據(jù)，可以推測(cè)第四紀(jì)以來(lái)，柴達(dá)木盆地西部地區(qū)的構(gòu)造擠壓變形并不是連續(xù)的，而是脈沖式發(fā)生的。每次脈沖式的構(gòu)造擠壓造成地層的快速抬升與剝蝕，形成一期水平裂縫。根據(jù)定量計(jì)算得到的水平裂縫形成時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力以及石膏填充物的ESR精確定年結(jié)果表明，第四紀(jì)以來(lái)，柴代木盆地西部地區(qū)經(jīng)歷了兩次主要的構(gòu)造擠壓抬升，第一次發(fā)生于距今1.8 Ma，第二次發(fā)生與距今0.3 Ma。由于第二期水平裂縫形成時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力大約是第一期水平裂縫形成時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力2～3倍，可以推測(cè)發(fā)生于晚期距今0.3 Ma的構(gòu)造擠壓變形與抬升剝蝕規(guī)模是發(fā)生于早期距今1.8 Ma的構(gòu)造擠壓變形與抬升剝蝕規(guī)模的2～3倍左右。這反映了第四紀(jì)以來(lái)，柴達(dá)木西部地區(qū)構(gòu)造變形具有顯著增強(qiáng)的趨勢(shì)。由于柴達(dá)木盆地的構(gòu)造活動(dòng)與整個(gè)青藏高原的構(gòu)造有很好的同步性，因此表明青藏高原在第四紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了幕式的構(gòu)造活動(dòng)，且構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)。

6 結(jié)論

1) 柴達(dá)木盆地西部新近系泥巖地層中發(fā)育大量被石膏充填的產(chǎn)狀近水平的張開(kāi)裂縫。此類裂縫的縫面粗糙，形態(tài)不穩(wěn)定，相鄰裂縫普遍相互作用且交叉。此類水平裂縫是在地層快速抬升剝蝕過(guò)程中殘余應(yīng)力下成型的張性裂縫。

2) 水平裂縫規(guī)模和發(fā)育程度與剝蝕量成正相關(guān)關(guān)系，且隨埋深增加有減小的趨勢(shì)。水平裂縫分兩期形成，形成于距今1.8和0.3 Ma。根據(jù)裂縫參數(shù)計(jì)算，晚期水平裂縫形成時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力是早期水平裂縫形成時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的2～3倍。

3) 根據(jù)水平裂縫證據(jù)，柴達(dá)木盆地西部地區(qū)在第四紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了兩期擠壓變形造成的快速抬升與剝蝕，與水平裂縫形成時(shí)間相同。晚期的抬升剝蝕量是早期抬升剝蝕量的2～3倍，因此第四紀(jì)以來(lái)，柴達(dá)木盆地西部地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)有增強(qiáng)的趨勢(shì)。以上證據(jù)表明青藏高原第四紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了程度增強(qiáng)的幕式構(gòu)造活動(dòng)。