构造应力超压机制的定量分析

第47卷第6期

2004年11月地球物理学报CHINESE　JOURNAL　OF　GEOPHYSICSVol.47,No.6Nov.,2004LuoXR.Quantitativeanalysisonoverpressuringmechanismresultedfromtectonicstress.ChineseJ.Geophys.(inChinese),2004,47(6):1086～1093

构造应力超压机制的定量分析

罗　晓　容

西北大学地质学系,西安　710069

中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源重点实验室,北京　100029

构造应力一直被认为是超压形成的重要机制,但对其研究还处于定性的分析阶段.本文利用以有限元方摘　要　

法为基础的盆地数值模型,在一维的剖面上考虑构造应力强度、构造作用时间及方式、石渗透率等因素的变化,.成机制的新认识:(1);(量可达构造应力的一半;(3)化也很重要,15关键词　构造应力　文章编号　0001--　P541收稿日期　2003-11-28,2004-06-25收修定稿

QUANTITATIVEANALYSISONOVERPRESSURINGMECHANISM

RESULTEDFROMTECTONICSTRESS

LUOXiao2Rong

DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi′an710069,China

KeyLaboratoryofMineralResources,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

Abstract　Tectonicstresshavelongtimebeenconsideredasoneofthemostimportantoverpressuringmechanisms.However,previousstudiesonthismechanismhavebeendoneinaqualitativeway.Byus2ingnumericalbasinmodelbasedonthefiniteelementmethod,thepressuringeffectoftectonicstressinsedimentaryformationsissimulated.Onaone2dimensionprofile,thestrengthoftectonicstress,thedu2rationandpatternoftectonicaction,thephysicaldiagenesischaracteristicsofformations,aswellasin2trinsicpermeability,aretakenasprincipalfactorsthatinfluenceoverpressuregeneratingandmaintain2ing.Somenewunderstandingsontectonicstressleadingmechanismareproposed:1)Thetectonicstressmaybeconsideredasonekindofloadthatactsinhorizontaldirectiontoaccelerateformationcompaction.2)Underwellsealingconditions,theoverpressureincrementresultedfromtectonicstressmayreachtohalfofthetectonicstressactingonsediments.3)Becauseoftectonicstress,thecompen2satedcompactionwithinoverlyingformationsmayincreasethecompactionofunderlyingformations,andresultinabout15%

构造应力超压机制的定量分析基金项目　国家自然科学基金(40072045)及中国石油集团公司中青年科学基金(200227)项目资助.

作者简介　罗晓容,男,1959年生,研究员.1982年毕业于西北大学地质学系,1984年获得硕士学位,1994年获法国蒙波利埃第二大学博士学

位.从事油气地质学基础研究,偏重于盆地模拟、盆地异常流体压力、油气成藏动力学等方面的定量研究.

E2mail:luoxr@mail.igcas.ac.cn

6期罗晓容:构造应力超压机制的定量分析1087　

Keywords　Tectonicstress,Abnormalpressure,Overpressuringmechanism,Numericalmodeling,

Quantitativeanalysis.

1　引　言

构造应力的作用在地质体中非常普遍.作为有效的超压机制,构造应力引起的异常流体压力处处可见.Berry[1]曾探讨过美国太平洋西海岸地区沉积盆地内构造挤压应力作用造成超压增加的机制.Sleepetal.[2]论证了SanAndreas大断裂附近长680～800km、宽40～130km的异常压力带内的超压是构

限延伸的地质体,水平应力可由下式获得[13]

σH=σσh=νv,

(1)

其中ν为应力比系数,σH和σh分别为最大和最小

水平应力,σv为垂直应力.若岩石在水平方向上的应变为0,ν值可由岩石的泊松比μ计算获得:

μν=(2).

1-μ

一般情况下,岩石的塑性越强,μ值越大;若岩石为完全塑性的,μ=0.5,则ν=1.实际上,沉积地层既非完全塑性的,,而是弹黏塑性],[16一般泥质成分含量越,;而成岩程度越高,其弹性越;;在地下深处,随温度压力的增加岩石的塑性也不断增加[13,15,16].

沉积盆地内构造应力基本作用在水平方向上[13],岩石中的应力场可以被看作是重力场所引起的地下应力场与构造应力场之和.取重力派生的应力场中一个水平主应力轴方向与构造应力平行,则有

σgz,v=ρ

σH=νσ?v+σT,σσ?h=νv,

式中ρ为岩石的平均密度,g为重力加速度,σT为

构造应力,z为地层埋藏深度.

对于各种应力状态,沉积地层内流体压力的增加都使得有效应力降低,但既不改变各应力之间的差值也不改变其方向[7,14].

(3)

造活动的结果.中国西部地区特殊的异常流体压力分布应是挤压应力场作用于沉积地层的结果[3,4].Davisetal.[5]的工作表明,在消减板块的消减棱柱

.还发现[6,7],相互促进、:,一方面可引起较高的异常流体压力,但另一方面也产生断裂,从而使得相当一部分压力被释放[1,6].

尽管构造应力作用一直被认为是一种非常重要的超压机制[7,8],前人也进行过构造应力与沉积地层变形关系的定量分析[9],但目前人们对这种异常压力机制研究还很不深入,还停留在定性描述和估算的水平

[8,10]

.定量地研究挤压性构造应力作用下

超压产生的机制、演化和消散的条件,分析异常压力的存在对沉积地层的岩石力学性质及对各种构造现象及其影响等等,都是当前盆地动力学研究前沿的重要组成部分.

本文着重研究构造应力直接作用于沉积地层条件下地层内流体压力演化的过程.模型中构造应力被当作水平的应力分量,叠加在因重力而引起的应力场之上,加速了压实作用,影响了异常压力的产生和演化;研究中采用以有限元方法为基础的盆地数值模型[11,12],以充分考虑各种地质因素的影响及其相互间的耦合关系.

3　构造应力场建模

3.1　水平应力

2　沉积盆地内的应力状态

在沉积盆地中,垂直应力通常是主应力之一,其大小等于静岩压力[13,14],其他两个主应力轴的方向是水平的.若不考虑构造应力的作用,对于平面上无

在不考虑构造应力的条件下,水平应力在各个

方向上基本相同,可由式(2)计算获得.对于任一地层,泊松比μ值可根据其成岩程度计算获得[15],

μ=(

1088　地球物理学报(ChineseJ.Geophys.)47卷　

1.0到0.5[13].3.2　构造应力

模型中,设构造应力随深度的变化主要表现在浅部,在一定的深度之下为常数,

σT=σTmaxeb(z-zm),　　z<zm,

σT=σTmax,　　　　　　z≥zm,

为系数.

构造应力随时间的变化可用一个三角函数来表示

σT=σTmaxsinπ

()t3-t4

下[11,12]

α′,<=-ν)/3-ρ[ρb(1+2f]g

(11)

(5)

式中σTmax是最大的构造应力,zm为一给定深度,b

(6)

平均应力对时间的导数表示了压实作用对流体压力

演化的影响,由式(3),有:

ν)σ(σ).(12)=(

dtdt3

模型中渗透率与孔隙度的关系采用简化的Kozeny2Carmen公式[12]

(13)k=k,n为一接近5.0.

[11,12]

,可实现上述模型.该模型采用有限元方法求解水动力学和热力学方程,通过循环迭代的方法可将构造应力与沉积盆地的几何形态变化、沉积物的压实作用、沉积物内的热力学过程和水动力学过程等耦合起来[12].该模型中,水-岩相互作用及其他各种可能的化学成岩作用都忽略不计.

模型中只考虑构造挤压力造成的地层体应变,表现为孔隙度的变化,并仅一维地表现为地层厚度的变化,而其可能造成的侧向形变、褶皱和破裂均暂不考虑,可能的水动力破裂也不予考虑.模拟过程中采用多次循环的办法,将一次模拟演算完成之后获得的现今孔隙度分布作为下一次模拟演算的初始值,从而将因构造应力造成的地层侧向形变效果加到剖面上.

式中t3、t4分别是一次构造活动开始和结束的时间,t1、t2结束的时间,且t3≥t1≥t2≥tt.证模型运算正常,.改变ti的值,(t3～t4)的构造活动,长的构造运动过程一部分的情况.3.3　构造应力对孔隙度的影响

沉积物的压实作用可以用一孔隙度随有效应力变化的公式表示[17]

<=<0e(ρb-ρf)g,

′

(7)

其中c为由孔隙度-深度关系获得的压实系数,ρb

σ和ρ′为有效应f分别为沉积物和孔隙流体的密度,力.

为考虑构造应力对沉积物压实作用的影响,在

该式中须引入平均有效应力的概念.由式(1)得

σσ′=(σ+2νv)-P,3v

(8)

4　模拟分析

为利用上述模型分析构造应力对地层内异常流

体压力演化及压实作用过程的影响,建立了由一泥岩层及其上覆砂岩层组成的一维剖面模型(图1).泥岩层厚2000m,砂岩层厚3000m.在泥岩地层中部设一个观察点A,以观察地层内压力的演化过程.模型中所用到的一些参数的值如表

构造应力超压机制的定量分析表1所列出的参数使得地层中在没有构造应力的条件下也能产生相对较高的异常流体压力(图2a中的实线).构造应力自泥岩沉积之后(37.5Ma)开始施加到剖面上,随时间逐渐增加,现今为最大.

式中σ′为平均有效应力,P为沉积地层的孔隙流体压力.将式(8)代入(7)式,得

<=<0e[ρb(1+2ν)/3-ρf]g.

′

(9)

3.4　考虑构造应力条件下的孔隙流体压力模型

利用平均应力替代了垂直应力后,水动力学的方程[11,12]为

α′ρk(β)<+=(

1-<dtρμf

P-ρfg)

α′+α<+Q,

1-<dtdt

(10)

0.50到0.27的范围内变化,其对应的应力比值从

式中β为孔隙水的压缩率,α为孔隙水膨胀率,P表示P梯度,Q为孔隙流体源,σ=σ′+P为平均应力,α′<为孔隙度压缩率,在应力比为常数的情况

6期罗晓容:构造应力超压机制的定量分析表1　在模拟分析中所采用的参数

Table1　Parametersusedinsimulationsfordifferentcases

1089　

拟分析的参数构造应力

　　　作用时间

　　封闭能力

　　　压实系数

构造应力超压机制的定量分析

/MPa(t1、t3)/Ma

t2/Mat4/Mac/m-

σh/σv

V/(m?Ma-1)λ/m2

5.010.020.030.0

17.5

10.0

35.0

17.50-35.0

10-16

10.0

35.0

-35.0

0.00075

0.82

0.45

100

10-1710-1810-19

0.10.0

35.0

-0.00135

0.82

0.45

100

10-17

0.00075

0.82

0.45

100

10-17

35.0

-35.0

0.00075

0.82

0.45

100

10-17

　　注:V力,PL为静岩压力,H为观察点A的埋藏深度,D

为剖面深度,σT为构造应力,PC为只考虑压实作用条件下模拟获得的压力,PCT为既考虑压实作用也考虑构造应力条件下模拟获得的压力.图中同时给出了静岩压力、构造应力、平均应力、流体压力和作为对比的无构造作用条件下的流体压力等的演化过程.图2b显示了在不同构造应力强度条件下泥岩层现今压力的分布.可以看到,随着构造应力的增加,地层中的流体压力不断增加;构造应力的效率很高,其对应的地层压力增加幅度可达构造应力强度的50%.图2b的压力剖面还显示,虽然构造应力强度在泥岩层段并不随深度变化,但其对压力的影响在纵向上却有不同,在泥岩层上部显得更为重要.4.2　构造应力作用的时间假设构造应力最大值为10.0MPa,考虑3种构造应力随时间的变化情况:构造应力从35Ma开始,随时间呈三角函数关系变化,构造应力作用的时间段(t3～t4)分别为17.5、35MPa及70Ma,对应的最大构造应力时间分别为26.25、17.5Ma及0.图2c中T1、T2、T3三条曲线分别显示了3种条件下泥岩层中部构造应力和压力随埋深的演化.构造应力尚未作用之前,重力在泥岩层中已造成了异常压力;当构造应力作用于剖面上,泥岩层内的流体压力随构造应力的增降而增降.尽管3种条件下构造应力的

图1　用以模拟地层压力演化的一维剖面

Fig.1　12Dprofileusedtomodeling

pressureevolution

图2a显示出泥岩层中部观察点(图1中的点

A)处流体压力随埋深的演化过程,图中G1、G2、

G3、G4四条曲线分别对应于不同的构造应力强度:5.0、10.0、20.0MPa和30.0MPa.图中PH为静水压

构造应力超压机制的定量分析

1090　地球物理学报(ChineseJ.Geophys.)47卷　图2　

构造应力超压机制的定量分析

在不同构造应力(a、b)(c、d)(a、c)和现今压力剖面(b、d)

(a,c)and

构造应力超压机制的定量分析 thepressure(e)andporosity(f)profilesofthemuddyformationtoday

6期罗晓容:构造应力超压机制的定量分析1091　

持续时间不同、其峰值出现的时间也不同,但造成的压力增量最大值基本相当.当构造应力逐渐消失,其

引起的异常流体压力也随之降低.图2d给出了3种条件下现今的压力分布剖面.可以看出,对于条件1、2构造应力现今已消失,与之对应的异常压力增量接近于零;而条件3正处于构造应力高峰期,其对应的压力增量较大.4.3　泥岩层渗透性能

沉积地层中异常流体压力的产生在很大程度上取决于地层的渗透能力:地层的渗透率越小,其中产生异常流体压力的可能性越大,产生的异常流体压力值也越高.此外,由于压实作用造成的地层渗透率的降低还为其他增压机制的作用提供了良好的环境条件[11].

为研究地层渗透性能对构造应力增压作用的影响,本文设计了4种不同的渗透率条件:()中值分别取1.0×10-16、1.0--18[9,10]

和1.0×10-19m2,其他参数如表1所示.

图3显示出在4种不同的渗透性条件下泥岩层中部观察点处孔隙流体压力随埋藏深度的演化过程.图3(e,f)给出了泥岩内不同渗透性条件下目前的压力和孔隙度分布.泥岩层内的流体压力随着λ值的降低而增加,而且构造应力的增压效应也不断增加.当地层的渗透性变得非常小,地层压力很高,但构造应力的增压效率相对降低;在这种条件下,构造应力对孔隙度的影响也很小(图3f中条件3、4).4.4　泥岩压实特征

泥岩的压实特征取决于岩石结构,后者在异常[11].表,,.

,压实系数值分别

构造应力超压机制的定量分析

00065、0.00100m-1和0.00135m-1,而其他的条件仍如表1所示.图4(a～d)分别对应于四

图4　不同的压实系数条件下泥岩层内构造应力对地层压力演化的影响(a～d)及其对应的现今地层压力(e)和孔隙度分布(f)

Fig.4　Theinfluenceofcompactioncharacteristicsoflow-permeabilityformationonpressuring(a～

构造应力超压机制的定量分析 1092　地球物理学报(ChineseJ.Geophys.)47卷　

种不同的压实系数条件,显示了泥质岩中部流体压力的演化过程.图4e和4f分别显示了不同的压实系数条件下泥质岩内部现今压力和孔隙度分布特征.图4e和4f中每种条件都模拟考虑和不考虑构造应力两种情况,以便对比分析.

图4所显示的结果表明,当压实系数较小时(<0.001m-1),泥质岩层中压力相对较低,构造应力对地层压力的影响明显;当压实系数较大(>0.00065m-1),泥质岩层中压力相对较高,但构造应力对地层压力的影响反而较为微弱.

程中构造应力不随深度变化,其结果是构造应力在总应力中所占的比例随深度越来越小,因而在地层上部构造应力的作用也就相对重要.(

构造应力超压机制的定量分析

2)在图1所示模型中,泥岩层的两侧及底部边界均设为不渗透的,地层底部的流体必须通过上部地层才能排出去.对于上部地层而言这相当于增加了外来的流体源,增加了其排出流体的负担.(3)当泥岩层压力很高,地层孔隙度和渗透率在地层层面上降低很快,但在内部保持较高程度的欠压实现象[8,10].在这种条件下,地层内的压力倾向于按静水压力梯度随深度而增加,从而使得上部地层流体压力相对增加.

根据模拟结果,50%.而根据平,.这部分多余的压力因何产生?进一步分析图1中的模型,可以注意到在上覆的砂岩层中,水可以自由地出入地层,无论地层压实程度如何,孔隙内的流体压力总是保持静水.当构造应力作用于浅部砂岩,将使其压实作用进行得更为彻底.在下伏泥岩层水动力封闭条件较好的情况下,这部分额外的重力将作用到泥岩层孔隙流体上,使得压力增加.图5给出了构造应力对下部地层内异常压力产生和演化的双重作用.定量分析图5

构造应力超压机制的定量分析在图1所示的剖面中,构造应力对于异常流体压力的作用在泥岩层的上部表现得更为重要(图2～4),特别是当地层内的异常流体压力较高时则更加明显.其可能的原因有3个:(1)在此深度段,模拟过

图5　不同的构造应力作用下的孔隙度(a)、应力比(b)及压力和静岩压力(c)的纵向分布剖面(d为图c中泥岩层部分的静岩压力放大)

Fig.5　Theporosityprofiles(a),thecorrespondedstressratio(b)andthepressuresandlithostaticpressures(c)underdifferenttectonicstressvalues((d)isthezoomofthelithostaticpressureswithinthemuddyformationin(c))

6期罗晓容:构造应力超压机制的定量分析1093　

正好等于泥岩层内地层压力的增量减去三分之一的构造应力增量.因而,构造应力直接作用于地层上可

起到两方面的作用:第一,构造应力加剧了地层压实和排水间的不平衡,促进了地层内异常压力的产生;第二,构造应力使得上部地层的压实程度增加,增加了上覆负荷,从而造成下伏地层压实欠平衡程度进一步增加,产生了更高的异常流体压力幅度.

[4]　徐国盛,匡建超,李建林等.天山北侧前陆盆地异常高压成因研

究.成都理工学院学报,2000,27(3):255～262

XuGS,KuangJC,LiJL,etal.Researchonthegenesisofabnor2malhighpressureintheforlandbasintotheNorthTianshan.J.

ChengduUniversityofTechnology(inChinese),2000,27(3):

255～262

[5]　DavisD,SuppeJ,DahlanFA.Mechanicsoffoldandthrustbelts

andaccretionarywedges.J.Geophy.Res.,1983,88(B2):1153～1172%

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