第18卷第2期
2012年6月地质力学学报JOURNALOFGEOMECHANICSVol.18No.2
Jun．2012
6616（2012）02-0110-10文章编号：1006-
皮羌走滑断裂控制构造裂缝发育的
力学机制模拟
张庆莲1，22，侯贵廷1，，潘文庆3，韩剑发3，李乐1，2，鞠玮1，2
（1.造山带与地壳演化教育部重点实验室/北京大学地球与空间科学学院，北京100871；
2.北京大学石油与天然气研究中心，北京100871；
3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000）
摘要：在深入探讨皮羌走滑断裂对构造裂缝控制作用的基础上，应用ANSYS有
限元方法，模拟区域差应力、走滑断裂宽度和走向等因素影响下构造裂缝分布发育
的规律。模拟结果表明，构造裂缝带宽随区域差应力增大呈线性增大，随断裂带宽
度增大呈线性减小，随断裂走向与区域差应力夹角增大呈线性减小；施加的区域差
应力值是影响构造裂缝发育的主要因素。
关键词：皮羌走滑断裂；构造裂缝；数值模拟；构造应力场；有限元
中图分类号：P554文献标识码：A
0引言
根据弹性力学及断裂力学相关理论，岩石在应力作用下变形能够积聚应变能［1］，当岩石内
［1～5］。由走滑应变能释放率等于产生单位面积裂缝表面所需能量（表面能密度）时即发生断裂
断层而产生的构造裂缝称为走滑断层相关裂缝，相应的裂缝带称为走滑断层控制裂缝带。
动力学研究是构造变形及其形成机制研究的重要方面
与应力状态之间的关系，以便研究构造的形成机制［6～9］，其主要内容是探索构造形变
［9，19～21］［7，10～18］。构造裂缝的发育规律、形态和。从构造力学和
［22～23］空间分布特征以及渗流规律主要受控于构造应力场和岩石物理性质应力场的角度出发，研究构造裂缝形成的力学机制，对构造裂缝预测具有重要意义
泛，因此国内外学者多采用构造应力场数值模拟的方法预测构造裂缝［24～26］。目前构造应力场的定量研究已经有了比较成熟的方法，其中有限元数值模拟方法应用最为广。
Bertoluzza等采用有限元方法从理论上分析了不同拉分盆地内的应力场分布，并据此分
［27］；王红罡析了石炭-二叠纪南阿尔卑斯地区Collio和Pramollo拉分盆地的动力学形成机制
通过建立反演模型，用有限元方法反演了潜山区的构造应力场分布［28］；Homberg等借助数值模拟方法恢复了晚白垩纪法国Pontarlier断裂区的古构造应力场，并通过对主断裂周围应
01-04收稿日期：2012-
基金项目：国家重点基础研究发展计划“973”项目（2009CB219302）
作者简介：张庆莲（1986-），女，北京大学地球与空间科学学院博士研究生，主要从事石油地质研究。E-mail：zhangqinglian@pku．edu．cn
通讯作者：侯贵廷（1964-），男，教授，博士生导师，主要从事石油地质研究。E-mail：gthou@pku．edu．cn
第2期张庆莲等：皮羌走滑断裂控制构造裂缝发育的力学机制模拟
［29］111力状态的分析得出了其构造活动规律
制的研究提供了参考［30］；Hou等以古岩墙为证据，利用有限元数值模拟方法恢复了华北克拉通前寒武纪古构造应力场，为超大陆古构造应力场的重建及超大陆裂解机；佟彦明利用ANSYS系统的平面线弹性模拟加以验证，确定了胶莱
［31］盆地在莱阳期的动力学机制；孙宏斌等利用构造裂隙发育的有限元法模拟技术提出了葵
［32］花岛构造在模拟应力场情况下，裂隙发育最有利的地区
方法研究构造应力场十分有效。。这些研究表明，利用数值模拟
本文尝试以新疆巴楚皮羌走滑断裂控制构造裂缝发育的地质模型为基础，利用有限元数值模拟的方法，对走滑断层控制构造裂缝发育的多种因素分别进行数值模拟和回归分析，定量地分析各种因素对走滑断层控制裂缝发育的影响。
1研究区地质背景
研究区位于塔里木盆地的西北缘，主要构造为北东东向的柯坪构造带和北西向的巴楚隆起，两者之间的边界为柯坪塔格山前冲断带（见图1）。新近纪以来由于印度板块与欧亚板块碰撞的远距离效应和西南天山地区板内造山的影响，在上新世末—更新世初柯坪构造带沿柯坪塔格—沙井子断裂带发生强烈挤压，形成5排柯坪塔格逆冲推覆构造带［32～34］。本文以皮羌断裂控制裂缝发育的地质模型为基础，通过有限元数值模拟方法研究走滑断裂控制裂缝发育的主要因素
。
Qp3-Qh—上更新统—全新统；Qp2—中更新统；N-Qp1—新近系—下更新统；E—古近系；
C-P—石炭-二叠系；D—泥盆系；S—志留系；C-O—寒武系—奥陶系；r—华力西期花岗岩
图1
Fig.1巴楚区域地质及皮羌断裂位置图TheregionalgeologicalmapofBachuandlocalmapofPiqiangstrike-slipfault
皮羌走滑断裂的走向为340°，宽度50m，长度70km，水平滑距4km，为一条错开柯坪塔格构造带的左旋走滑断裂。垂直走滑断层走向布置了9个测点，通过野外数据计算得出每个测点的裂缝面密度，再通过对裂缝面密度和各测点距断裂的距离之间的比较，研究得出了皮羌走滑断裂控制构造裂缝分布发育的规律（见图2），即随距断裂距离的增大，构造裂缝面密度呈指数减小［35］。
112地质力学学报
2012
图2
Fig.2皮羌断裂控制构造裂缝分布发育规律Thedistance-surfacedensityfittingchartofPiqiangstrike-slipfault
但上述的皮羌走滑断裂控制裂缝发育的地质模型局限于野外的实际测量，受到野外露头或现实因素的影响，如无法考虑到施加应力改变或断裂走向与应力夹角改变对构造裂缝分布发育的影响，因此，不能更加全面地分析影响构造裂缝分布发育的各种因素。
考虑到这些局限性，本文应用有限元数值模拟方法，将野外有限的由实际构造裂缝测量建立起来的地质模型进行扩展，从更广泛的角度去考虑影响构造裂缝分布发育的各种因素，从而找出控制构造裂缝发育的最重要因素。
2研究方法及模型的建立
本文主要通过有限元数值模拟方法研究走滑断裂的各种因素对构造裂缝的控制作用。首先通过研究区已有的地质研究成果建立地质构造格架，即建立地质模型；再对地质模型进行简化，建立几何模型；通过岩石力学试验确定模拟所需的各种岩石力学参数；通过确立边界应力方向，设定力学边界条件；然后根据几何模型、岩石力学参数赋值和边界条件建立力学模型。力学模型确立后，将该模型输入到ANSYS10.0弹性有限元软件进行计算，最终输出构造应力场图［36～38］。在计算过程中，改变影响构造裂缝发育的各种因素（施加的区域差应力值、走滑断裂的走向和宽度等），随着各种因素的改变，统计走滑断裂控制的构造裂缝带宽度的变化，从而定量分析各种因素对走滑断层控制裂缝发育的影响程度。
2.1建立地质模型
皮羌走滑断裂是在西南天山向南南东挤压的构造应力作用下形成的，形成时间为新近纪上新世—第四纪，它控制了中更新统沉积物的分布。本文选择皮羌断裂及断裂附近的奥陶系灰岩发育区作为研究区，将该区视为连续介质体，并将研究的区域划分为具有不同岩石力学性质的断裂带区和奥陶系灰岩分布区（见图3）。构造裂缝的产生属于岩石的脆性破裂，破裂后具有明显的应力降，因此地质体按线弹性处理，用薄板模型的线弹性理论计算。
2.2建立几何模型
本次模拟采用二维平面模拟，将地质模型简化为具有一定厚度的平面薄板模型，不考虑垂向应力。采用8节点Plane82单元和Surfer153表面效应单元对模型进行模拟。由于模型比较简单，不需要局部网格的人工细化操作，所以对模型进行了自动网格剖分。
第2期张庆莲等：
皮羌走滑断裂控制构造裂缝发育的力学机制模拟113
图3
Fig.3皮羌走滑断裂及研究区域的地质模型GeologicalmodelofPiqiangstrike-slipfaultandthestudyarea
2.3建立力学模型
Reynolds等［39］通过大量的野外测量发现，除了个别应力集中区外大陆内部的差应力值的大小一般不超过50MPa。所以在本次模拟过程中，所取的应力大小在0～50MPa之间。
通过23个样品的岩石力学测试获得研究区灰岩的岩石力学参数。灰岩的平均密度为2662kg/m3，平均弹性模量为70GPa，平均泊松比为0.27，灰岩的平均抗张强度为
8.5MPa。当某区域的应力值超过抗张强度时，说明该区域的张裂缝发育。断层当作断裂带
3［40］。将模拟处理，其岩石的风干密度设为1900kg/m，弹性模量为15GPa，泊松比为0.14
区域适当放大，以减小模拟过程中的边界效应。以下模拟计算过程中将远离断裂带的4个端点（相对稳定、变形较小）设为固定约束，分别在断裂两侧的灰岩区上施加垂直于边界的区域差应力（见图4）
。
图4
Fig.4皮羌走滑断裂及研究区域的平面力学模型PlanemechanicalmodelofPiqiangstrike-slipfaultandstudyarea
3
3.1走滑断裂对构造裂缝的控制因素施加的区域差应力对构造裂缝发育的影响
通过不断改变施加的区域差应力值，统计在不同区域差应力值下，张裂缝发育带宽度，并将施加的区域差应力值与张裂缝发育带宽度进行拟合，定量分析施加的区域差应力值对构造裂缝发育的影响。
在模拟中，固定4个端点的x、y方向位移，施加的区域差应力与断裂走向之间夹角为
114
地质力学学报2012
10°，断裂带宽度设为50m，垂直两条边界所施加的区域差应力值分别为10MPa、11MPa、12MPa、15MPa、20MPa、30MPa、40MPa。施加10MPa差应力时，模型结果如图5a。统一将张裂缝发育最宽处作为统计裂缝带发育带宽度的位置，经计算得出在各个差应力值下张裂缝发育带宽度（见表1）
。
图5
Fig.5
改变施加的区域差应力条件下构造裂缝分布发育图
Thedistributionofthetensionfracturesundertheinfluenceofthedeviatoricstress
表1
Table1
不同影响因素下张裂缝发育带宽度统计
Thedataofthewidthoftensionfractureandtheinfluencefactor
断裂带宽度的影响断裂带宽度/m20304050607080
张裂缝发育带
宽度/m129125123120118116113
断裂走向的影响
断裂走向/
（°）51015202530
张裂缝发育带宽度/m151144133123119103
区域差应力的影响
区域差应力/
MPa101215203040
张裂缝发育带宽度/m120139190259341416
运用MATLAB软件，对施加的区域差应力值和张裂缝发育带宽度两组数据进行拟合，拟合结果为：施加的区域差应力值与张裂缝发育带宽度呈线性变化，即随着施加的区域差应力逐渐变大，张裂缝发育带宽度呈线性增加（见图5b）。3.2
断裂带宽度对构造裂缝发育的影响
通过不断改变断裂带宽度，统计在不同断裂带宽度条件下张裂缝发育带宽度，将张裂缝发育带宽度与断裂带的宽度进行拟合，定量分析断裂带宽度对构造裂缝发育程度的影响。建立不同断裂带宽度的走滑断裂模型，固定4个端点x、y向位移，施加的区域差应力和断裂走向之间的夹角为10°，垂直两条边界所施加的区域差应力为10MPa，断裂带宽度分别为20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m。断裂带宽度为20m时，模拟结果如图6a。统一将张裂缝发育最宽处作为统计裂缝发育带宽度的位置，经计算得出在各个断裂带宽度下，张裂缝发育带宽度（见表1）。
运用MATLAB软件，对断裂带宽度和张裂缝发育带宽度两组数据进行拟合，拟合结果为：断裂带宽度与张裂缝发育带宽度呈线性负相关关系，即随着断裂带宽度逐渐变大，张裂
第2期张庆莲等：
皮羌走滑断裂控制构造裂缝发育的力学机制模拟115
图6
Fig.6改变断裂带宽度条件下构造裂缝分布发育图Thedistributionofthetensionfracturesundertheinfluenceofthewidthofthestrike-slipfault
缝发育带宽度呈线性减小（见图6b）。
3.3断裂走向对构造裂缝发育的影响
改变走滑断裂的走向即改变走滑断裂与所施加差应力之间的夹角。考虑到施加的区域差应力有垂直于断裂和平行于断裂2个分量，而此处只分析在走滑条件下施加的区域差应力与断裂走向间夹角变化对构造裂缝发育的影响，故建立力学模型时，将断裂设置为滑轮支撑边界，即固定断裂的x向位移，只有y向位移，忽略垂直于断裂的分量对构造裂缝的影响，只考虑在走滑分量作用下构造裂缝的发育情况。
建立不同断裂走向的走滑断裂模型，固定4个端点x、y向位移及断裂x向位移，垂直2条边界所施加的区域差应力为10MPa，断裂带宽度为50m，施加的区域差应力和断裂走向之间的夹角分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°。夹角为15°时，模拟结果如图7a。统一将张裂缝发育最宽处作为统计裂缝带发育带宽度的位置，经计算得出在各个断裂走向下张裂缝发育带宽度（见表1）。
运用MATLAB软件，对断裂走向和张裂缝发育带宽度两组数据进行拟合，拟合结果为：断裂走向与张裂缝发育带宽度呈线性负相关关系，即随着断裂走向与施加差应力方向夹角的增大，张裂缝发育带宽度呈线性减小（见图7b）。
当断裂走向与施加的差应力之间的夹角变大时，实际上作用于断裂上的走滑分量越来越小，因此由走滑作用引起的构造裂缝（张裂缝）越来越不发育。
3.4张裂缝发育带宽的影响因素
通过以上应力场数值模拟，得到了在不同地质条件下的张裂缝发育带宽度，对张裂缝发育带宽度与各个影响因素的数据进行拟合，得到了在施加的区域差应力、走滑断裂带宽度和走向3个因素影响下张裂缝的发育趋势，通过对拟合公式中斜率大小的比较可以确定影响张裂缝发育的最重要因素（见表2）。本文认为斜率值最大的因素是走滑断裂控制张裂缝发育的最重要因素。
由表2可以看出，施加的区域差应力这一影响因素的斜率值最大，说明所施加的区域差应力对张裂缝的控制作用最为强烈，也是影响张裂缝发育的最重要因素。
应力与应变呈正比，反映在走滑断裂上即走滑断裂的滑移距离与所受的区域差应力值呈正比，因此可以认为滑移距离是影响走滑断裂周围构造裂缝发育的最重要因素。
116地质力学学报
2012
图7
Fig.7改变断裂走向条件下构造裂缝分布发育图Thedistributionofthetensionfracturesundertheinfluenceofthetrendofthestrike-slipfault
表2
Table2
影响因素张裂缝发育各影响因素拟合公式斜率和相关系数Thedataoftheslopeandthecorrelationcoefficient斜率10.4090
1.8571
0.2536R20.96180.97180.9674施加的区域差应力断裂走向与应力夹角走滑断裂带宽度
4结论
构造裂缝（张裂缝）的发育带宽随施加的区域差应力增大而线性增大，随走滑断裂带宽度增大而线性减小，随走滑断裂走向与区域差应力夹角增大而线性减小。比较三种影响因素拟合公式的斜率后认为，施加的区域差应力值是影响构造裂缝（张裂缝）发育的最重要因素。
应力与应变呈正比，反映在走滑断裂上即走滑断裂的滑移距离与所受的区域差应力值呈正比，因此可以认为滑移距离是影响走滑断裂周围构造裂缝发育的最重要因素，在碳酸盐岩地区研究走滑断裂控制构造裂缝发育规律时要重点考虑走滑位移量。
致谢舒武林和鞠玮参加了野外构造裂缝测量，张鹏和孟庆峰参与了室内数据处理工作，一并感谢。
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