构造分析：石油勘探实习指导

实习四　构造应力场的地质分析

一、实习目的和意义

含油气盆地构造应力场是盆地范围内构造应力的空间分布。它是基于动力学观点研究含油气盆地各类构造问题的基础。盆地的形成及其构造格架是具有一定分布形式的应力场一次或多次作用的结果，而盆地内次一级的隆起和坳陷，乃至局部构造的形成，如断层、褶皱、裂缝等，亦是在盆地范围应力场背景下，局部应力场作用的结果。并且烃类聚集的时间及空间匹配问题，从构造角度来看，均受到应力场的深刻影响，如构造圈闭的形成便是构造应力场下的直接产物，构造应力场作用下的后期构造变动、构造的反转广泛影响着油气的逸散等。古构造应力场是指地质历史时期的构造应力场，是含油气盆地中构造变形（包括断裂、褶皱、裂缝等）的主导因素，也是地下油气运移的重要动力。因此开展古构造应力场研究，尤其是古构造应力场的定量研究，对进行含油气盆地储层改造研究及油气运聚分析均具有重要的理论和实际意义。如裂缝油气藏的研究、含油气盆地油气分布状态解析等。

裂缝性油气藏研究，裂缝油气藏中裂缝的发育对油气渗流的影响较大，了解裂缝分布范围和发育层位是裂缝油气藏开发的关键所在。目前发现的裂缝性油气藏，其中大部分是构造裂缝，构造裂缝的发育与古构造应力场有较为密切的联系。因此从裂缝成因的角度，即从古构造应力场的角度来评价预测裂缝是现今裂缝分析最为有效的方法之一，在裂缝发育区开展古构造应力场研究对裂缝性油气藏的勘探开发至关重要。

古构造应力场对含油气盆地的油气控制具有重要的影响，油气在构造运动强烈活动期的储集层中，构造应力是油气运聚的主导动力，构造应力场导致孔隙流体压力的变化在很大程度上影响着油气的运聚。依据古构造应力场分析的成果，结合沉积、成岩分析所获得高渗流通道，可以探讨油气的运移、聚集规律，以及结合油气地质特征去预测地质时期的油气运聚有利区。

构造应力场的分析可以从地质分析和模拟分析两个途径入手。传统的地质分析方法仍是构造应力场分析的基础，通过定时、定向及定值（“三定”）的研究达到对构造应力场的全面了解。由于我们研究的往往是含油气盆地的古构造应力场，而目前我们看到的只是现今应力场，它可能与古构造应力场毫无关系，所以我们还必须通过地质正演过程中遗留的各种信息反演古构造应力场。因此在开展地质分析的同时，还要开展对古构造应力场的模拟。构造应力场的模拟包括物理模拟和数学模拟两种。

总之，掌握古构造应力场地质分析的方法和流程对认识地质历史时期构造演化以及构造作用对油气藏的影响有极强的指导意义。通过本次实习能够让学生熟悉构造应力场地质分析的技术流程，进一步加强学生对古构造应力场数值解析理论的理解。

二、实习内容

判定盆地所受的区域古构造应力的方向，是盆地古构造应力场研究中一个非常重要的内容，因为其不仅有助于盆地形成动力学的分析，而且有助于从整体上、本质上把握盆地内部的构造演化过程。利用各种地质构造形变痕迹恢复或反演古构造应力作用方式、方向、大小、边界条件及其介质所处环境、力学性质在内的构造作用过程，仍是目前确定古构造应力方向时广为采用、较为准确的重要方法。常用的地质形变有共轭剪节理（断层、韧性剪切带）、雁行张节理系、纵弯褶皱、一组面理与一组B轴或A轴线理（擦痕）等。这些方法都必须以细致的野外工作为基础，因此需要学生掌握一定的地质知识和野外操作技能。经过本次实习后，学生能够了解野外数据的采集过程，并进行实验室数据整理分析。

1．纵弯褶皱对古应力方向的指示

构造应力恢复时，需要选择轴面近直立褶皱作为研究对象。轴面倾斜较大的褶皱，大都经历了旋转变化，受到了剪切作用的改造，此时很难将古构造应力场方向正确地表达出来。在挤压构造地区轴面倾角近直立的纵弯褶皱基本没有受到剪切作用的影响或者所受到的剪切作用相对较小，可以用于区域构造应力分析。选择规模较大、轴面所受剪切较小的褶皱来进行应力方向恢复。

根据褶皱两翼优选产状ω1∠Q1，ω2∠Q2，可以利用下列公式和赤平投影方法对褶皱形成时的主应力进行分析。

最大主应力σ1的倾向φ1、倾角D 1，其值可由下面的公式求取：

中间主应力σ2的倾向φ2、倾角D 2，可由以下公式求取：

最小主应力σ3的倾向φ3、倾角D 3，可由以下公式求取：

2．节理对古应力方向的指示

同期配套的节理与其所受的主应力方位存在一定的几何关系：一对共轭剪节理的交线平行于中等主应力轴σ2的方位；一般情况下，共轭剪节理的锐角等分线平行于最大主应力轴σ1的方向；共轭节理的钝角等分线平行于最小主应力轴σ3的方向。若已知共轭节理及共轭剪切带的产状，利用下式可求出最大主应力σ1的倾向φ1、倾角D 1，中间主应力σ2的倾向φ2、倾角D 2，最小主应力σ3的倾向φ3、倾角D 3。

3．断面擦痕对古应力方向的指示

根据Anderson（1951）模式，断层擦痕与主应力σ1、σ2、σ3方位之间的关系为：断层面上的断层擦痕与σ2垂直，也与σ1－σ3所在的平面垂直。那么只要知道断层产状（φt∠θt）、断层擦痕性质及侧伏向、侧伏角（βt）、岩石剪裂角，即可求出主应力σ1、σ2、σ3的方位（详细公式见谢富仁，2009）。

三、实习所用资料

研究将以广西灵山地区野外实测数据为蓝本，进行操作演示。广西灵山地区位于华南板块的西南缘，经历了多期构造叠加演化。早二叠世之前，钦防地区为大陆边缘海稳定沉积环境，沉积了一套碎屑岩和碳酸盐岩。早二叠世末期的东吴运动，产生强烈的构造挤压力，使钦防地区强烈褶皱回返，沿灵山断裂带发生了北西向的逆冲推覆，同时也促使了晚二叠世前陆盆地的形成（尤绮妹等，1998）。短暂挤压造山之后，钦防地区构造体制转变为伸展和差异抬升作用，局部形成了沉积相分异和基性火山岩的喷发（吴继远，1980）。中三叠世末期受古太平洋板块俯冲影响，云开地体向北西推进，钦防逆冲体再度活动，山前冲断带向北西扩展，形成了大量的叠瓦状逆冲推覆构造，并导致大量的中酸性火山岩喷发与侵入，同时也促使了中生代前陆盆地的形成（张岳桥，1999）。晚三叠世至白垩纪，由于钦防造山带的碰撞复合，西北部十万山地区发生挠曲沉降，接受前陆盆地的沉积。白垩纪末，由于东部云开地体的推挤，形成南东－北西向挤压构造应力的作用，早期形成的推覆构造又一次重新活动、加剧，灵山及周缘进一步抬升结束沉积历史，整个构造格局也基本稳定（郭福祥，1998）。

野外实测的数据如表4－1、表4－2和表4－3所示。

表4－1　广西灵山地区野外实测褶皱数据表

续表4－1

表4－2　广西灵山地区野外实测节理数据表

表4－3　广西灵山地区野外实测断面擦痕数据表

续表4－3

四、实习所用软件

主要应用3个软件：Wintek．exe、极射赤平投影软件、TectonicsFP软件试用版（软件下载查询网址：www．tectonicsfp．com）。

五、实习步骤

1．利用褶皱数据分析构造应力场

（1）打开“玫瑰图”文件夹，点击“Wintek．exe”，运行数据分析软件。将整理好的数据文件No21n．dat（褶皱北翼）导入软件中，如图4－1所示。

图4－1　Wintek软件界面

（2）在Data type选择面板中选择Planar data格式，数据文件将以面文件的数据类型导入文件中，如图4－2所示。

图4－2　Wintek软件数据格式选择

（3）选择Creat circle digrams，将数据以图4－3的形式显示。利用菜单栏中的Analysis模块中的Fabric statistics，Eigenvectors进行计算（图4－4），计算出褶皱该翼的优势方位（图4－5）。

图4－3　Wintek软件数据显示型式

图4－4　Wintek软件Analysis模块数据计算

图4－5　Wintek软件计算褶皱翼的优势方位

（4）将所获得的优势方位记下，并整理成输入格式文件No21ny．dat，输入到该软件中，并以Creat circle digrams形式显示，在菜单栏Diagrams↑Great circle diagram↑Edit great circle，调整大圆的显示格式（图4－6）。

图4－6　Wintek软件褶皱翼优势方位图形显示(www.chuimin.cn)

（5）关闭“Wintek．exe”程序，重复步骤（1）～（4），获得褶皱另外一翼优势方位数据（图4－7）。

图4－7　Wintek软件褶皱另一翼优势方位图形显示

（6）利用计算出来的两翼优势方位，进行平分面的计算，在轴面近直立的褶皱中，轴面可以认为是褶皱两翼的角平分面，利用极射赤平投影软件计算角平分面，获得轴面产状（图4－8、图4－9）。

图4－8　利用两翼优势方位进行平分面的计算

图4－9　轴面产状计算方法

（7）将计算的轴面数据整理成No21zm．dat，打开“玫瑰图”文件夹，点击“Wintek．exe”，将数据文件“No21n．dat”“No21s．dat”“No21ny．dat”“No21sy．dat”“No21zm．dat”导入软件中，并将“No21n．dat”“No21s．dat”数据按同一格式显示，“No21ny．dat”“No21sy．dat”以另一格式显示，“No21zm．dat”数据以第三种格式显示即可（图4－10）。

图4－10　Wintek软件数据显示的格式

（8）重复步骤（1）～（7）），将No51－52－53－54、No28－29－46－47、No30－31－32等褶皱翼部的优势方位计算出来。利用优势方位，按照实习内容中的计算公式进行构造应力方位的计算（图4－11）。

图4－11　褶皱两翼优势方位和轴面产状分析

2．利用节理实测数据计算分析

（1）启动TectonicsFP程序，创建数据库，点击File↑New datafile，选择Plane file创建面文件（图4－12、图4－13），我们可以在Datasets面板中输入数据点信息文件（可选），如位置、坐标、日期、岩性、岩层、时代、构造单元，这些都是附加信息。主要信息为节理数据，包括节理倾向、倾角（图4－14）。节理数据可以直接从Excel文件中拷贝过来，保存为面文件格式“＊．pln”。

图4－12　TectonicsFP软件程序界面

图4－13　TectonicsFP软件选择Plane file创建面文件

（2）点击Calculate↑Rose diagram进入节理玫瑰花图的制作（图4－15）。

（3）依据玫瑰花图获得节理发育的优势方位（图4－16）。

图4－14　TectonicsFP软件输入节理数据信息

（4）依据野外观测的共轭节理对计算主应力的方位（例如NW向与NE向剪节理呈共轭关系，那么通过节理玫瑰花图找出NW与NE向优势方位进行计算。同时也可以对野外测得的共轭节理进行计算，将计算的结果进行综合分析，见表4－2）。

图4－15　节理玫瑰花图的制作

图4－16　广西灵山地区实测获得的节理走向玫瑰花图

3．利用断层擦痕实测数据计算分析

（1）启动TectonicsFP程序，创建数据库，点击File↑New datafile，选择Plane file创建面文件（图4－12、图4－13），我们可以在Datasets面板中输入数据点信息文件（可选），如位置、坐标、日期、岩性、岩层、时代、构造单元，这些都是附加信息。主要信息为断层擦痕数据，包括断面倾向（Dip Dir）、倾角（Dip Dir）、擦痕（线理）方位（Azimuth）、擦痕（线理）侧伏角（Plunge）、滑动类型（Sense）、数据质量（Quality）（图4－17）。这些数据可以直接从Excel文件中拷贝过来，保存为面文件格式“＊．fpl”。

图4－17　TectonicsFP软件输入断层擦痕数据信息

（2）将输入的数据进行检验转化成为“＊．cor”格式文件，并保存。

（3）数据分析，分析所有数据的应力轴，即Pt轴（图4－18、图4－19）。注意如果你对数据非常熟悉，可以用手动设置，如果不熟悉可以用自动最佳设置。同时我们可以在自动最佳设置数据的基础上利用手动设置来进行调整（图4－20）。

（4）通过步骤（3）的数据分析后，将数据保存为“＊．t角度”的格式后，就可以成图了。点击Draw↑Pt－axes，计算获得三轴数据（图4－21），并获得三轴应力场方向。点击Draw↑Hoeppener，生成擦痕沿着断层面极点运动方向（图4－22），生成利用动态数据分析DNA （Numerical dynamical analysis）（图4－23）。

图4－18　TectonicsFP软件数据分析分析所有数据的应力轴Pt轴

图4－19　TectonicsFP软件分析所有数据的应力轴Pt轴

图4－20　TectonicsFP软件手动调整数据

图4－21　计算获得三轴应力场方向数据

图4－22　生成擦痕沿着断层面极点运动方向

图4－23　生成利用动态数据分析DNA

六、实习指导

1．数据文件注意事项

各个数据文件，注意“＊．dat”文件是导入到Wintek运行程序中的，“＊．cor”“＊．fpl”“＊．pln”均是导入到TectonicsFP软件运行的数据。注意Wintek运行程序的部分功能在TectonicsFP软件也可以实现，同学们可以按照TectonicsFP软件的说明书进行自行尝试，肯定会有新的收获。

2．成果图件（图4－24）

图4－24　广西灵山地区利用断层擦痕实测数据构造应力场分析

3．其他相关软件

（1）StereoNett：应用于Windows环境，用于产状要素的赤平投影、统计分析（主应力等）。可通过软件输入和查看产状数据，进行投影绘图，并对产状进行等密图分析和旋转等操作（http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Johannes.P.Duyster/stereo1.htm）。

（2）My Fault：由Pangaea Scientific（http://www.pangaeasci.com/）公司开发，主要用于断层及其擦痕产状的统计分析，根据断层及其擦痕产状计算应力方向。

这两个软件的学习和使用，同学们可以参考相关的文献以及软件的使用说明。