構造應力場分析

2.7.1 現今地殼運動和構造變形GPS測量

利用全球定位系統（GPS）進行高精度、大範圍和及時的現今地殼運動和構造變形測量是研究現今應力應變的壹種有效方法。王琪等（2001）利用中國地殼運動GPS檢測網站取得的觀測數據，求出了中國大陸和鄰區229個測站的速度矢量，給出了這229個測站相對於歐亞板塊穩定部分（西伯利亞）的變形速率，其中柴達木地塊上5個測點的優勢運動方向是N60°E，平均運動速度為12～14mm/a（王琪等，2001）。

Z.Chen et al.2000年利用中國大陸GPS檢測網數據，計算相對華南地塊，柴達木地塊現今地殼運動速度為大約15mm/a，運動方向為NE到NNE。柴達木盆地測點DQD4和祁連山北側測點HCY1之間的縮短速率為（10±2）mm/a。

上述王琪等（2001）、Z.Chen et al.以及張強、朱文耀2000年利用中國大陸GPS檢測網的檢測數據獲得的柴達木盆地現今地殼運動速率和方向顯示，柴達木盆地現今地殼變形為NE到NNE向縮短，最大擠壓應力方向為NE到NNE方向。表2.2給出的是柴達木盆地及其周邊地區GPS測量給出的運動速率。

表2.2 柴達木盆地及周邊地區地殼運動速率表

2.7.2 震源機制解法現今應力測量

地震發生時，震源運動過程的壹個重要結果是輻射地震波傳遞著震源信息，據此可直接了解震源處運動特征，進而分析地殼應力狀態（表2.3）。P波到達接收器的第壹個振幅方向（即稱初動方向或運動符號），在地面分布呈壹種特殊圖像，而反映了震源運動過程及其與斷裂的產狀、力的作用方式的直接關系。根據單力偶或雙力偶模式可求取得震源運動參數，如震源節面、P軸產出地點、方位及傾角（即應力釋放軸的方位和傾角，也稱為最大主壓應力軸的方位和傾角）。

表2.3 柴達木盆地周邊地區地應力測量結果表

續表

據內部資料：廖椿庭等，2002；施兆賢等，1989，拉西瓦水電站地應力測量及有關問題的討論；廖椿庭等，1989，青銅峽大壩裂縫和壩體應力狀態關系的研究總結報告。

在柴達木盆地內部，地震主要集中在盆地西南部、三湖地區和東部的德令哈地區，其中1937年在德令哈以西發生的7.5級地震為最大震級地震，現今依然可以看到其震後出現的形變帶，長達300km。在柴北緣地區也有零星的小震發生。因此從地震發生的區域來看，祁漫塔格山和阿爾金山的鄰接部位、南祁連山向盆地的凸出部位以及東昆侖和南祁連山近於平行展布的德令哈地區地震發生較多，現今構造活動強烈，而廣大的盆地內部，地震相對較少。

根據HRV和USGS給出的震源機制解（表2.4）來看，在柴達木盆地及鄰區，最大主應力軸的方位基本位於NNE－NE向的範圍內，仰角也比較小，30°以下的仰角占90％左右。因此，該區現今遭受近水平的壓應力，方向為NNE－NE向。最小張應力軸的方位近EW－NW向，傾角較分散，30°以下的占了近40％，31°～60°占了近20％，而61°以上的也占40％左右。因此最小主應力壹部分為垂直，另壹部分則近水平。而中間應力軸的傾角反映了該發震斷裂的類型，傾角較小表明以傾滑為主，而仰角大則表明斷裂的活動方式可能以走滑為主。從柴達木盆地及鄰區的中間應力軸的傾角看，30°以下的占了約55％，而61°以上的傾角占了26％，因此結合該地區的區域地質情況來看，斷裂主要以傾滑為主，還有部分斷裂以走滑為主，另有部分斷裂兼有走滑成分。

表2.4 柴達木盆地中強地震震源機制解

續表

從震源的深度範圍來看，普遍集中在20km以內，這可能意味著地殼存在壹個規模較大的滑脫層，而柴達木盆地中眾多斷裂均在深部收斂於該滑脫層。地球物理資料也顯示，柴達木地塊在與高原下地殼低速層深度對應的層位附近（約20km）有壹條厚度為510km的顯著低速帶（約5.8km/s），暗示柴達木地塊的中下地殼黏度較低，這可能和該條滑脫斷層的存在有關。

2.7.3 鉆井崩落法現今地應力測量

2.7.3.1 鉆井崩落法原理

自20世紀70年代以來，許多學者發現，在深鉆井中常常產生井壁巖石崩落現象，而且在同壹鉆井不同深度上崩落橢圓橫截面的長軸方向往往相同。在地下巷道中，也發現了這種崩落破壞現象，室內實驗分析證明了這種崩落現象的力學機理，並證實崩落橢圓的長軸方向與最小水平應力方向平行。根據這壹現象，人們發現了確定地應力的鉆井崩落法。

（1）鉆井崩落的力學分析

地殼中的壹個鉛直鉆井，它的橫截面通常處在兩個水平主應力σ1及σ2（σ1＞σ2）的壓縮之下（王連捷等，1996）。鉆孔附近的應力分布可用下式表示：

柴達木盆地構造體系控油作用研究

式中：θ為σ1方向算起沿反時針方向測量的角度；a為鉆孔半徑；r為矢徑；σr及σθ為徑向和切向正應力；τrθ為剪應力。

當r＝a時，可得井孔壁上的應力分布：

σr＝0

σθ＝（σ1＋σ2）－2（σ1－σ2）cos 2θ

τrθ＝0

當θ＝π/2及3π/2時，即在點M及N附近，切向應力σθ取極大值，即σθ＝3σ1－σ2

此時在M和N點上的切向應力（σθ）和徑向應力（σr）之差亦取極大值：

σθ－σr＝3σ1－σ2

即剪應力（σθ－σr）/2取極大值。

可以看出，隨著沿水平軸線向鉆孔靠近，徑向應力σr降低，切向應力σθ增大，在θ＝π/2及3π/2的方向上，形成剪應力集中區，當應力達到巖石的強度時，就產生井壁崩落，崩落形成的橢圓長軸方向與最小主應力平行。

使用摩爾－庫倫的剪破裂準則，可以更清楚地說明崩落的力學機理，摩爾－庫倫破裂準則用公式表示如下：

柴達木盆地構造體系控油作用研究

式中：S0為內聚力；μ為內摩擦系數。

如果方程式的右邊小於S0，則井壁是穩定的；若方程式的右邊等於或大於S0，則產生崩落。

（2）主應力方位的確定

如前所述，鉆井崩落橢圓長軸與最小主應力方向平行。因此，確定主應力的方向就在於確定崩落橢圓的方位。利用地層傾角四臂或六臂測井儀可以測井徑的大小和長軸方位。四臂測井儀由四個測臂組成，即C1、C2、C3、C4。測臂C1及C3處在同壹直徑上，稱為C1－3，測臂C2、C4處在另壹直徑上稱為C2－4。C1－3和C2－4測臂互相垂直，測井時，四個測臂與井壁緊密接觸，當井徑變化時，四個測臂也跟著變化，伸長或縮短。測井儀從井底向上移動時，測井裝置在井中旋轉，當遇到崩落橢圓井段時，其中壹對測臂落在擴徑方向，而另壹對則處於未擴徑方向，這樣，我們就可以從兩條井徑曲線知道井徑的大小。

地層傾角四臂測井儀附有相應定位定向裝置，通常它給出1號測臂的方位角AZ。

如果C1－3測臂記錄的是長軸井徑，則崩落橢圓的長軸方位是a＝AZ。

如果C2－4測臂記錄的是長軸井徑，則崩落的橢圓的長軸方位是a＝AZ＋90°

同理利用六臂測井儀同樣獲得崩落的橢圓的長軸方位。

2.7.3.2 柴達木西地區井壁崩落法地應力測量結果及分析

在收集到的6口可進行井壁崩落法地應力分析的測井資料，分別是阿3井、紮西1井、躍78井、紅33井、東9井和柴6井，既有四臂測井資料，也有六臂測井資料。通過對每口鉆井崩落井段的統計分析，每口鉆井崩落橢圓長軸方向，除柴6井崩落橢圓長軸方向比較離散外，其他鉆井崩落橢圓長軸方向都比較壹致（表2.5），在此基礎上，計算出每口鉆井的最大主壓應力方向分別為阿3井140°、紮西1井30°、躍78井90°、紅33井20°、東9井90°、柴6井50°。上述結果顯示，柴西地區現今最大主壓應力方向既有NEE－NE向，也有近EW向和NW－SE向，說明盆地不同部位，應力方向有局部變化。但由於柴西地區適合於進行井壁崩落法地應力分析的測井資料較少，我們尚不能得出柴西地區地應力局部變化的規律性。

表2.5 柴西地區井壁崩落法地應力測量結果表

2.7.4 柴達木盆地構造應力場光彈實驗模擬

光彈實驗是由光學和彈性理論相結合、用以對研究對象進行應力分析的實驗方法。就是用光彈性材料做成研究對象的相似模型，用儀器測定出模型在相似載荷作用下光學性質的變化，以達到分析研究對象中應力分布的實驗方法。即將測量對象所遭受的力學量轉變為光學幹涉條紋，使得微小的物理量變化可以達到人們直接測量感知的程度，進而來分析研究對象的應力分布。

光彈實驗方法的理論基礎研究起始於19世紀中葉，但受限於材料的發展，直到20世紀20年代，光彈實驗方法才開始在工程上推廣應用。隨後，由於光彈實驗方法具有直觀性和全場性的特點，這種方法獲得了迅速發展，應用也愈益廣泛。

我國自1949年以後，光彈實驗方法才得以迅速發展，並在造船、航空、水利、機械等方面得到了廣泛應用。

用光彈實驗方法模擬地質問題，主要是模擬構造應力場，進而通過應力場分析來解決各種地質問題。

2.7.4.1 實驗方法

實驗時首先要建立所研究問題的地質模型，然後再根據地質模型和相似理論用光彈性材料制作研究對象的相似模型，進而按照壹定的邊界條件進行加載，測定出模型在該邊界條件下的應力分布，以達到分析該地質問題的構造應力場的目的。

（1）地質模型的建立

地質模型的建立主要根據研究區的地質情況而定，壹般直接把研究區的構造圖縮小到光彈儀的量程以內即可，必要時作適當簡化。

（2）實驗模型的制作

實驗的光彈性材料是以E44－6101型環氧樹脂為基體、順丁烯二酸酐為固化劑、鄰苯二甲酸二丁酯為增塑配制而成的。其質量比如下：

環氧樹脂∶順丁烯二酸酐∶鄰苯二甲酸二丁酯＝100∶30∶5

在制作模型時，首先將環氧樹脂、順丁烯二酸酐和鄰苯二甲酸二丁酯按上述比例配好，攪勻，註入特制的模具內，放在烘箱中恒溫65℃左右，固化28h，稱為壹次固化。待材料不發黏時進行脫模，得到半固化的光彈性板材。用改裝了的醫用手術刀將該地區的構造線刻畫在板材之上，然後把上述板材放入烘箱，以每小時10～15℃升溫至115℃，恒溫4～5h，再以每小時5～6℃降溫至60℃，將烘箱斷電，使其自由降溫至常溫，進行第二次固化。最後對四周余量進行加工，即可得到實驗所用模型。

由於加工成型的模型中，有較大的初應力（特別是刻畫的斷層處）。需要對模型進行退火，以清除其中的初應力。將加工成型的模型放入甘油中在烘箱內加溫至120℃，恒溫2h，然後每小時5℃降溫，即可退去模型內的初應力。如果壹次退火的效果不滿意，還需要進行二次退火，其方法相同。

（3）實驗過程

實驗時，分別將模型置於萬能材料試驗機上，使其按選定的邊界條件加均布載荷，於光彈儀上分別攝取等色線圖，得到該模型的等色線條紋圖案，並在光彈儀上確定模型內各斷裂的受力方式。

2.7.4.2 實驗結果

光彈實驗所得到的最基礎成果是壹套反映不同應力狀態的有不同級數的等色線條紋組成的等色線圖案，據此我們可以對實驗模型和實驗對象進行應力分析。

根據二維應力－光學定律，等色線條紋級數與主應力差（σ1－σ2）或最大剪應力（τmax＝成正比。也就是說，光彈實驗的等色線就是等主應力差線或等最大剪應力線，不同級數的等色線組成的等色線圖案是模型內主應力差或最大剪應力的等值線圖。等色線圖案可以直接反映模型內主應力差或最大剪應力的大小分布。除此之外，根據光彈實驗的等色線圖案，我們還可以直接判斷模型內各斷裂的受力狀態。在模型內各斷裂上的等色線圖案，特別是各斷裂端點上的等色線圖案有三種類型。

第壹種類型：稱Ⅰ型條紋，其特征是等色線條紋分布近對稱於斷裂走向，它既可以由垂直於斷裂走向的壓應力作用而形成，又可以由垂直於斷裂走向的張應力作用而產生。區分斷裂是受壓力還受張應力，可以用針刺法在光彈儀上進行鑒別。

第二種類型：稱為Ⅱ型條紋，其特征是等色線條紋主軸與斷裂走向平行。它們的形成是斷裂受剪應力作用的結果。

第三種類型：稱為復合型條紋，其特征是等色線條紋既不對稱於斷裂走向，也不平行於斷裂走向。它們的形成是斷裂既受剪應力又受壓應力或張應力作用的結果。區別斷裂是受張剪應力還是受壓剪應力作用，也是用針刺法在光彈儀上進行鑒別。

因此，根據斷裂上的等色線條紋類型，我們就可以確定出各斷裂的應力狀態。

2.7.5 柴達木西地區現今構造應力場光彈實驗模擬

2.7.5.1 實驗地質模型

柴西地區構造應力場光彈實驗所采用的地質模型，是根據柴西地區的現今構造面貌，考慮了柴西地區的主要斷裂，實驗所采用的構造圖是從柴西地區2000m、3000m和4000m深度構造圖上裁取下來的。

2.7.5.2 實驗邊界條件

根據區域構造應力場分析和現今地應力實測結果，柴西地區第四紀以來的最大主壓應力方向為NNE－SSE向。因此，柴西地區構造應力場光彈實驗模擬的邊界條件選用NNE－SSW向均勻擠壓，具體擠壓方向為N30°E。

2.7.5.3 實驗結果

（1）各斷裂受力方式在NNE－SSW向擠壓外力作用下，柴西地區各斷裂的受力方式，顯示不同深度上NWW和近EW向斷裂主要受壓力作用，呈逆沖活動，表現為逆沖斷裂。NW向斷裂和斷裂走向呈NW向的地段受壓應力兼右旋剪切應力作用，呈壓扭性活動，表現為逆斷層兼有右旋走滑分量。NNE和近SN向斷裂受張應力作用，呈張性活動，表現為正斷層；NEE向斷裂受左旋剪應力作用，呈左旋剪切活動，表現為左旋走滑斷層。光彈實驗得到的應力作用方式與柴西地區現今各斷裂的活動方式是壹致的，說明光彈實驗所采用的邊界條件符合柴西地區的地質事實。

（2）應力大小光彈實驗所得到的等色線圖案直接反映了最大剪應力的大小，柴西地區現今構造應力場光彈實驗的等色線圖案顯示：

a）柴西地區現今構造應力場中應力的大小分布是不均勻的，不同地區構造應力的大小相差很大，存在壹些應力低值區和應力高值區。

b）柴西地區斷裂構造對區內構造應力的大小分布影響很大，斷裂兩側構造應力的大小差別很大，構造斷裂對應力分布具有明顯分隔作用。

在2000m深度，應力低值區主要分布在尕斯庫勒、油沙山、阿拉爾、紅柳泉、七個泉、北烏斯、油南1井西南側、鹹水泉、月牙山、尖頂山、切3井附近和索爾庫裏等地，等色線條紋級數壹般為壹級紅到壹級綠，以躍深1井附近和北烏斯應力值最低，等色線條紋級數在壹級綠以下。其他地段，等色線條紋級數壹般在2～3級，部分地段等色條紋級數可達到5～6級。除此之外，2000m深度光彈實驗等色線圖案還顯示阿拉爾斷裂、花土溝斷裂對應力低值區的分布有很大的影響。

在3000m深度，應力低值區主要分布在尕斯庫勒、油沙山、花土溝、獅子溝、七個泉、阿參1井西南、鹹水泉、紅溝子、月牙山、小梁山、尖頂山、大風山和索爾庫裏等地，等色線條紋級數壹般為壹級紅到壹級綠，以尕斯庫勒、油沙山和獅子溝附近應力值最低，等色線條紋級數在壹級綠以下。大範圍的應力低值區主要分布在尕斯庫勒、油沙山、獅子溝和月牙山附近。其他地段，等色線條紋級數壹般在2～3級，在部分斷裂的端點等色線條紋級數可達到5～6級。

在4000m深度，花土溝－阿拉爾－尕斯庫勒湖壹帶出現大範圍的應力低值區，等色線條紋級數在壹級綠以下，其次在躍進、七個泉、鹹水泉、月牙山和索爾庫裏等地也分布有較大範圍的等色線條紋級數在壹級綠以下的應力低值區。與前兩個深度不同的是4000m深度不同地段的應力值相差更大，壹方面出現大範圍的等色線條紋級數不到壹級綠的應力低值區，另壹方面也出現等色線條紋級數在4級以上的應力高值區，並且應力低值區和應力高值區的分布呈現出NNE向展布的趨勢。

2.7.5.4 實驗結果分析和油氣預測

實驗結果，柴西地區現今各斷裂的應力作用方式與現今柴西地區斷裂的方式壹致，壹方面說明實驗所選邊界條件和實驗方法符合柴西地區的地質事實，另壹方面顯示柴西地區NWW向和近EW向斷裂的封閉性最好，NW向斷裂和斷裂走向呈NW向的地段以及NEE向的斷裂的封閉性次之，它對油氣運移來講都是壹種阻隔因素。只有NNE和近SN向斷裂處於伸展狀態，具有較好的貫通性，可以成為油氣運移的通道。

實驗所得柴西地區現今應力的大小分布與已知柴西地區油氣田的展布有較好的對應關系，應力低值區往往對應已知的油氣田。據此，根據柴西地區現今應力場光彈實驗結果的應力分布特征，結合其他石油地質條件，對柴西地區的油氣有利區作以下預測（已知油氣田不再論述）：

（1）花土溝附近是壹個油氣有利區

光彈實驗結果顯示，花土溝附近是柴西地區目前沒有找到油田的範圍較大的應力低值區。

花土溝附近新生代以來長期處於英雄嶺凹陷南側的水下斜坡部位，有著良好的生油條件，油氣運移的時間長。

長期水下斜坡，沈積物顆粒比較粗，孔隙條件好，有較好的儲集條件。

（2）阿拉爾附近有利油氣聚集區

光彈實驗結果不同深度都是應力低值區。

該區周圍有長時期的沈降歷史，生油條件好，油源充足，油氣運移聚集的時間長。

該區處於窪陷的西斜坡帶上，具有油氣運移的動力條件和儲集條件。

（3）獅子溝地區有利油氣聚集區

該區深部具有範圍較大的應力低值區，從應力與油氣關系上看可能是壹個油田分布區。

該區長期處於英雄嶺凹陷南側邊緣，有較厚的新生界沈積，生油條件好。