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1-油区构造分析的基础知识(2004)_图文

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油区 构造 分析 基础知识 2004 图文
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课程名称: 油区构造解析课程编号: 32 课时任课教师: 漆家福所在系 ( 部 ) : 资源与信息学院开课教研室: 地球科学系• 该课程是构造地质学专业硕士研究生的一门学位课程,也是地学其他专业硕士研究生的重要基础课之一。• 课程的目的是培养学生用现代构造地质学的新观念、用构造解析的思路和方法分析油区构造变形特征和形成演化过程的基本能力。• 课程包括油区岩层在不同边界条件下的构造变形族系、构造样式特征、油气圈闭特征等多方面内容。• 要求学生系统学习了大学本科地质类专业的构造地质学、固体力学等课程。《 油区构造解析 》 课程简介课程名称 油区构造解析课程英文名称 区构造解析 ( 漆家福编著 , 2001, 内部印刷 , 2004年修改版 )教材出版单位 参 考 教 材 : 程类别 学位课 √ 选修课 √总学时数 32 学时其中:讲课 28学时;自学 ( 练习 ) 4学时;实验 0学时;其它 0 学时1、油区构造解析的基础知识 4 学时2、水平伸展构造 6 学时3、水平收缩构造 6 学时4、走滑构造 4 学时5、底辟构造 4 学时6、反转构造 4 学时自学(练习) 4 学时课程考试(不占学时)主要内容第一章 油区构造解析的基础知识 应力 —应变的基本概念 岩层变形的基本概念 构造变形场的基本概念 “ 构造确认 ” 的基本原则 地震剖面构造解释的基本程序第一节 应力 — 应变的基本概念 力与应力 应力莫尔圆 应力场 位移 应变 位移与应变的关系1. 力与应力 力是具有质量的物体发生加速运动的能力,在物理学上力( F)表示为质量( M)和加速度( a)的乘积 : F= M× a 应力是指物体内部截面上的单位面积受力,是力分布在物体内部的效应。 σ T= F∕ S 力和应力都是矢量,可以分解。物体内部任意截面上的应力都可以分解为分别与该截面法线方向和切线方向一致的两个应力分量,即正应力( σ )和剪应力( τ )。 物体内部一点的应力状态是过该点的所有方向的截面上的应力总体特征。 物体内部一点的应力状态可以包含该点的单元体积表面 3对相互垂直的截面上的应力分量表示。在三维直角坐标系中,一点的应力状态用 9 个应力分量表示:τ2的截面 “ n”上的正应力 σn= ( σ1+ σ3) 注:讲义第 2页公式有误 )τn= ( σ1- σ3) σn— ( σ1+σ3) ∕2〕 2+ τ ( σ1∕2〕 213σ3σσ 1σστα 只有正应力作用,剪应力为零的平面称为主应力面,该平面上的正应力称为主应力2. 应力莫尔圆 与主应力平面垂直的任意截面上的应力方程是一个圆的方程,称为“应力莫尔圆”( s τσ1σ3σ2 α( σ , τ )1σ3σσ2σττm a a 截面法线方向与主应力方向夹角为 45° 的截面上的剪应力最大τσ1σ3σ2 α( σ , τ )1σ3σσ2σττm a a x 两个互相垂直的截面上的剪应力大小相等、方向相反τσ1σ3σ2 α( σ , τ )1σ3σσ2σττm a a 水下一点的静水压力或地壳中一点的静岩压力 ( 即上覆岩石的压力 ) 在 σ—τ坐标系中位于 σ轴上的一点;同理 ,孔隙流体压力也是位于 σ轴上的一点1σ3σσ2στ应力的基本性质与特殊应力状态 应力莫尔圆的圆心与坐标系原点一致时 , 最大主应力与最小主应力大小相等 、 方向相反 , 且主应力值与其 45°方向的截面上的剪应力值相等 , 这种应力状态为纯剪切应力状态 τσ1σ3στm a a 应力场 研究区域内部不同位置的应力状态的总体特征可以用“ 应力场 ” ( 表示。 一个区域的应力场特征与该区域的边界条件(包括边界力、应力或位移等)、内部结构条件(包括岩层力学性质、几何形态等)等有关。 即使边界条件基本不变,在应力场作用下岩层会发生变形,形成地质构造。而随着地质构造的演化,岩层内部的结构条件也发生了变化,相应的应力场特征也会发生变化。4. 位移 物体从原始位置经过一段时间后达到新的位置,这种起止位置的差异称为位移( 而位移的过程称为运动(  位移:指岩层发生的刚体位移,包括两种方式,直移( 旋转( 直移是指岩层沿某个方向发生整体位移使其改变其原始位置而没有改变其原始产状 旋转是指岩层绕某个轴线发生整体转动使其位置和产状都发生改变。改变产状,改变位置)(改变产状,相对与旋转中心的距离不变) 旋转中心点为坐标原点5. 应变 应变( 以分为体积应变、长度应变和角度应变,分别指单位体积的体积变化、单位长度的长度变化和单位角度的角度变化,分别称为体应变、线应变和角应变。l 0ψ原始状态主应变方向发生线应变单元体边界发生角应变• 线应变 其中 用 β 表示伸展系数 β > 1时表示伸展变形,β < 1时表示收缩变形 101001• 角应变 角应变也称为剪应变( 其中 ψ 表示原始相互垂直的两条直线变形后所增大或减小的角度 • 应变椭圆 一个物体经过均匀变形,物体内的一个原始球形标志将成为一个椭球。椭球的 3个相互垂直的轴也是原始球形标志中的 3个相互垂直的轴,它们只发生了正应变,剪应变为零。l0 变椭圆1+ + e 1最大主伸展应变轴 位移与应变的关系 位移和应变与观测尺度有关,小尺度上的位移可以体现出大尺度上的应变作用在岩层内部的应力可以使每个单元体积发生位移,从而导致岩层整体变形。单元体积位移的大小和方向取决于该点的应力状态。 静水压力(孔隙流体压力)、静岩压力并不能使岩层发生变形,使岩层变形主要是岩层内部的差应力值。 差应力( Δσ)是指最大主应力与最小主应力之间的差值,即 Δσ=( σ 1- σ 3)。• 应力与岩层变形第二节 岩层变形的基本概念 岩石流变学特征与破裂准则 岩层变形方式 影响岩层变形的因素一、岩石流变学特征与破裂准则 岩石流变学特征是指岩石的应力与应变或应变速率的关系。 力学实验表明,不同物性的岩石其流变学特征有较大的差异,同一种岩石在不同的环境(包括温度、压力、流体、时间等)下其流变学特征也可以表现出明显的差异。 一般地,随着差应力值的增大,岩石依次发生弹性应变、假粘性永久应变、破坏、断层滑动等几个阶段1. 岩石流变学特征 岩石流变学特征是指岩石的应力与应变或应变速率的关系。 一般地,随着差应力值的增大,岩石依次发生弹性应变、假粘性永久应变、破坏、断层滑动等几个阶段Δσε弹性变形假粘性永久应变破坏断层滑动• 岩层强度与破裂 抗压应力强度远远大于抗张应力强度和抗剪应力强度 岩层破坏时产生的破裂一般是由于应力作用超过了其本身的抗张强度或抗剪强度。由此产生的破裂分别称为张破裂或剪破裂 在地下的岩层,很少处于张应力状态(即 σ3< 0,有时局部可以处于张应力状态),因此,多数破裂、特别是断层主要是剪破裂,即岩层某截面上承受的剪应力超过其抗剪强度时发生破裂• 破裂实验 岩石破裂与剪切应力有关 , 但也与正应力有关实验表明,岩石破裂时破裂面与最小主应力轴的夹角为:θ = 45° -( υ ∕ 2)2. 破裂准则 不同应力状态下岩石破裂时破裂面在应力莫尔圆上的点构成应力莫尔圆的包络线 , 称为破裂包络线 。 破裂包络线的方程可以表示为: τ n=C+μ iσ n 其中 μ i= 或抗剪强度 , υ 为内摩擦角τ岩石破裂时破裂包络线与应力莫尔圆相切θ = 45° -( υ ∕ 2)3. 脆性变形与韧性变形 不同的岩层在同样的应力环境中可以表现出不同的流变学特征,同一种岩层在不同的应力环境中也可以表现出不同的流变学特征。 在构造地质学中,如果岩层在破坏前所承受的应变量< 5%,称为脆性变形,如果岩层所承受的应变量> 5%还没有发生破坏,则称为韧性变形。二、岩层变形方式 岩层变形主要受应力控制,但是变形行为受多种因素影响 岩层变形一般表现出褶皱和断层等基本样式,变形方式可以是一次完成、渐进发展或多次变形叠加。 岩层变形的宏观特征是受微观机制控制的,不同尺度上的变形特征有一定的自相似性1. 纯剪切变形与简单剪切变形 纯剪切变形:指岩石在差应力作用下沿 σ 1方向缩短而沿 σ 3方向伸长,总体变形中的最大主收缩应变轴 1一致、最大主伸展应变轴 一致。 简单剪切变形:指岩石沿着单个剪切应力方向发生剪切变形,总体变形中的最大主收缩应变轴 1、最大主伸展应变轴 3不一致,在变形过程中向同一方向偏转。简单剪切变形纯剪切变形旋转原始状态2. 递进变形 在基本不变的应力环境中岩层受持续的应力作用而发生变形的过程。在递进变形过程中,主应变轴的方向可以始终保持一致,也可以发生变化。前者称为共轴递进变形,例如纯剪切变形;后者称为非共轴递进变形,例如简单剪切变形(也称为旋转递进变形)。e3 e 3 3 41 2 3 4 53. 褶皱 纵弯褶皱( 岩层受到与层理基本平行的挤压力作用而使发生褶皱变形 横弯褶皱( 岩层受到与层理垂直的不均匀的挤压力作用而使岩层发生强制性褶皱变形P 原始状态纵弯褶皱作用横弯褶皱作用P =作 用力水平挤压作用导致岩层发生纵弯褶皱垂直力偶作用导致岩层发生横弯褶皱• 按照库仑 — 莫尔破裂准则产生破裂时的主应力分布图4. 断层• 岩石的抗压强度远大于其抗剪、抗张强度。因此,通常是岩层承受的剪切应力超过了其抗剪强度而发生剪切破裂并发生位移形成断层。• 安德森模式断层按其两盘的相对位移可以分为正断层( 逆断层( 走滑断层( 、 影响岩层变形的因素1. 岩层成分和结构2. 围压3. 温度4. 应变速率5. 溶液和流体压力岩层变形主要是受地应力作用控制,但是岩层变形行为则受多种因素影响各种因素影响岩层变形的一般规律 岩层成分和结构:岩层组成成分不同表现出的脆 、韧性和能干性不同 围压:围压的增大 , 岩层承受构造应力的能力增强 ,岩层强度增大 , 但是岩层的韧性也增大 。 温度:随着温度的增高 , 岩层承受构造应力的能力减弱 , 即强度减小 , 同时岩层的韧性也增大 。 应变速率:应变速率愈高 , 岩层强度愈大 , 岩层的脆性也增大 。 流体和溶液作用:流体或溶液可以使岩层发生软化 ,使岩层强度降低 , 也可能使岩层韧性增强 ( ? ) 。• 有效应力 σ e= σ - σ f 由于孔隙流体压力的影响,有效应力的莫尔圆整体向 σ 轴 “ - ” 方向移动。在差应力值不变的前提下,由于孔隙流体压力的影响,应力莫尔圆向 σ 轴 “ - ” 方向移动而使其与破裂包络线相交,岩层会发生破裂。τσ1σ3σ σe 1 1 f=σσ - σe 3 3 f=0246802 4 6 810 12Ch 里)能干性• 岩层的能干性在统一的应力环境中,岩层对应力的承受能力以及在变形反映方式的差异性称为岩层的能干性。能承受较大应力的岩层称为 “ 能干岩层 ” 或强硬岩层,承受应力能力较小的岩层称为 “ 非能干岩层 ” 或软弱岩层。岩层的能干性是相对的 。一般地,碎屑沉积岩层中砂岩、砾岩属于能干岩层,泥岩属于非能干岩层;化学沉积岩层中硅质岩、碳酸盐岩属于能干岩层,盐岩、膏盐岩等属于非能干岩层。同种岩性或岩性类似的岩层中,厚度较大的岩层的能干性也较强。通常是能干岩层在构造变形过程中起主导作用,非能干岩层其被动作用。断层面切割岩层的角度关系与断层的能干性的差异有密切关系。断层通常在软弱岩层中拆离断层滑脱,或形成断坪。岩层能干性对构造样式的影响 地层能干性与断层角度有关,能干岩层(强硬岩层)的断层切割角相对较大 单层厚度大的岩层的能干性一般相对较大 能干岩层对变形样式起主导作用0 2 4 6 8 10 2∈2 - 3能 干 性k 1 . 02 . 03 . 04 . 05 . 06 . 07 . 0 盆 地 地 层 能 干 性 指 数断坪断坡断坪断坡• 先存构造面对后期构造变形有重要影响第三节 构造变形场 构造族系 构造样式 构造变形场一、构造族系 构造族系( 词最早是1969)用来描述加拿大落基山山前 构造变形组合 1985)将构造族系定义为具有 共同力学成因 的一组 构造集合体 。构造族系主要应用在油田尺度或更大尺度的构造组合的描述和讨论中• 构造族系的涵义 所谓 “ 构造 ” 是指岩石(或岩层)的形态以及岩石(和/或岩层)各部分之间的关系 族系是指来源相同、特征相似的一组实体。构造族系是指在基本不变的边界条件下变形产生的各种有成因联系的构造型式的集合体 “ 构造型式 ” 主要是指不同特点的褶皱和断层等岩层变形实体 “ 边界条件 ” 是指作用在研究区域边界上的力或应力、位移以及研究区域中岩层的主要物理(力学)性质等• 构造族系的分类 构造层之间的关系:构造层之间的关系主要是指盆地盖层与基底之间在变形前的原始特征及接触方式 基底:①结晶基底;②准沉积基底;③变质基底。它们的力学性质和物理特征的差异直接影响到构造变形特征。 基底 — 盖层关系:①薄皮变形和②厚皮变形 位移场:①水平收缩;②差异垂直位移;③水平伸展;④差异水平位移(走滑位移)和⑤区域垂直位移• 5个构造族1. 水平收缩构造族:岩层发生构造变形后的剖面长度比变形前的原始剖面长度缩短2. 差异垂直位移构造族:岩层的构造变形主要是差异垂直位移的结果;内部主要构造要素表现为差升降运动;3. 水平伸展构造族:地层发生构造变形后的剖面长度比变形前的原始剖面长度相对伸长4. 差异水平位移 ( 走滑位移 ) 构造族:岩层的构造变形主要是差异水平位移的结果 , 研究区侧面边界上或主要构造要素的相对走滑位移分量大于其倾滑位移分量;5. 区域垂直位移构造族:区域性隆升或沉降 , 形成不整合面构造和拗陷盆地 。• 4个构造系1. 盖层滑脱构造系:沉积盖层与基底之间存在大型的 区域性滑脱断层或拆离断层 , 盖层构造变形发生在区域性滑脱断层上盘;这种构造变形也称为薄皮构造 ( . 结晶基底卷入构造系:结晶基底与沉积盖层一起卷入变形 , 主要的断层一般都切割到结晶基底中 , 沉积盖层与基底之间没有大型的 区域性滑脱断层或拆离断层 作为变形的分隔界面3. 准沉积基底卷入构造系:盆地盖层的基底是厚层的沉积岩或浅变质岩层 , 这些基底岩层在盆地沉积盖层发育前可以已经经历了变形 , 与盆地沉积盖层呈角度不整合或平行不整合接触 , 在盆地盖层变形过程中再次卷入变形;4. 变质基底卷入构造系:盆地盖层的变质基底是经过较强变质的岩层,原始层理已经对后续变形不起主导作用,这些基底岩层在盆地沉积盖层变形过程中一起被卷入变形。A 直升降构造 伸展构造 走滑构造盖层滑脱结晶基底卷入准沉积基底卷入变质基底卷入二、构造样式 构造样式 是指一组相关构造的总体特征,这些特征可以与其它地区或不同时代的另一组相关构造进行区别和比较 构造样式主要是指几何形态,但是也具有力学成因意义 在相同的动力学条件下可以出现不同的构造样式• 影响构造变形样式的主要因素1) 地层的力学性质(相对能干性、层序的厚度及垂向结构变化、是否能发生层间滑动)2) 岩层变形与地层形成的年代关系3) 主动的变形机制4) 变形与地表的关系(未影响到地表、地表变形并发生剥蚀和充填、断层露出地表)5) 先存构造的影响6) 边界位移(指构造族系位移场内部的局部位移和构造族系未考虑的边界位移)等。• 构造族系与构造样式的关系 同一构造族系中可以包含多种构造样式,例如:薄皮收缩构造中的变形样式可以是滑脱褶皱,也可以是逆冲断层 构造族系和构造样式都强调不同构造要素之间的成因联系,但是前者主要侧重于边界变形条件,后者主要侧重于变形的几何学特征 构造族系实际上还有很多过渡类型,上述构造族系分类是 连续构造变形谱中的端元成份 ,没有包括过渡的构造族系三、构造变形场 一个区域内,各种构造变形要素有规律地组合在一起就构成了该区域的构造变形场(  构造解析的目的之一就是要揭示构造变形场的基本特征。构造族系、构造样式等概念主要是用来表述出构成研究区内构造变形场的各种构造要素的组合规律和空间相对的几何关系,但是研究构造变形场特征还需要描述各种变形要素的空间分布状态。与构造族系相近的另一各个概念是构造组合( 后者没有构造尺度上的限定,可以用于描述不同层次、不同尺度和不同序次的各种构造单元、构造要素的组合,包括构造 — 沉积组合、构造 — 岩浆和变质组合、构造 — 岩性组合等。同时,构造组合也主要是注重构造要素的组合规律和空间相对的几何关系,是研究、描述构造变形场的基本概念。• 构造世代( 在一定地质时期由一定作用方式的构造运动所形成的构造变形场,就构成了一个世代的构造。不同世代的构造按时间发育顺序以各种方式叠加在一起而构成一个完整的系列,即是构造序列。• 通过构造几何分析来揭示各种构造要素在不同地质时期经历的新生、继承、叠加和置换等过程,是确认构造世代、构造序列的主要途径。第四节 构造确认的基本原则 “构造确认 ” 的基本概念和基本内容 精确性确认 可接受性确认 构造复原确认 构造平衡确认“构造确认”与“确认构造”的基本概念 1995)将判断构造解释是否 “ 正确 ” 的过程称为 “ 构造确认 ” ( 通过研究认为是 “ 正确 ” 的构造解释模型称为 “ 确认构造 ” ( a 一个 “ 确认构造 ” 应该在物理学(几何学和运动学等)和地质学的解释上都是合理的,必须很好地满足 4条准则:即在几何学上必须是①精确的、②可接受的、③可复原的和④平衡的构造。• “构造确认”的基本内容1) 精确性确认2) 可接受性确认3) 构造复原确认4) 构造平衡确认一、精确性确认 精确性首先是指构造解释模型中的各种地质要素应该很好地与实际资料相吻合1. 构造等高线图2. 岩层厚度变化3. 断层4. 协调性 通过构造精确性检验可以揭露各种资料、数据、图件之间内在的不协调性,并通过系统修改使各种资料、数据、图件之间内在协调起来,并且与实际的地质发现协调起来断层面与岩层面等高线图的吻合二、可接受性确认 一个可接受的构造解释模型必须符合这一区域或类似区域已经 基本 “ 证实 ” 的构造变形几何学特征 构造可接受性确认就是确认解释模型中的构造样式是否合理,是否与研究区域岩层变形规律协调,是否与同一地区的已知构造样式相适应和属于同一构造变形族系不能接受的解释可以接受,但需要确认断层的存在可以接受的解释地震和钻井信息三、构造复原确认 一个正确的构造解释模型一定是可以复原的,即可以恢复其变形过程 构造复原确认就是建立构造解释模型的复原构造模型。即变形前的构造几何学特征。 构造解释模型通常是用垂直于构造走向方向的剖面(或垂直与褶皱轴线的截面)表示,如果这一解释剖面与主应变平面一致,则应该可以用平衡剖面技术编制出相应的复原构造剖面或构造演化剖面三种不同意义的参照线① 参照岩层面( 钉线( 松线( 形状态参照岩层面钉线松线钉线松线复原后的原始状态参照岩层面的原始产状四、构造平衡确认 构造平衡实际上是两方面的,即构造解释模型必须在几何学上是平衡的、在地质上是合理的(也可以称为地质学上的平衡) 变形剖面中的各岩层的长度、厚度、体积等可以与复原剖面对比,复原过程中松线的轮廓所反映的构造变形方式是可以接受的剖面损失的面积(蓝色)等于溢出剖面的面积(黄色)剖面几何平衡示意图较好的平衡有系统误差不能接受的不能接受的复原剖面的几种情形平衡剖面问题 —剖面几何学与运动学平衡 A = e = L 1 L 0- e (?)s = e (?)震剖面解释的基本知识• 地震剖面是解释地下构造的最基础的资料,是认识地下构造的主要信息源 。但是必须清除这种认识仍然有一定的局限性。• 地震资料等一切物探手段认识地下地质情况都还是间接的;• 亲眼目睹的地质现象,现象的描述可以是真实的,但是对现象的解释仍存在多解性。• 用物探资料来描述地质现象就存在多解性,其对现象的解释更是具有不确定性。一、地震剖面构造解释的基本原则1. 优先标定构造层的地层标定原则2. 优先符合地质学平衡的原则3. 优先接受简单构造解释模式的原则4. 局部构造符合全区构造、同类型构造具有系统性的原则二、地震剖面构造解释的陷阱1. 时间剖面对构造形态的影响2. 速度模型对构造形态的影响变形剖面与复原剖面不同尺度构造的差异垂直夸大对厚度的影响垂直夸大倾角变化表地震剖面比例尺对构造形态的影响地震剖面上的速度陷阱倾斜岩层的偏移剖面上的误差斜向井的深度校正表走向剖面与倾向剖面的不闭合现象第一章思考题1、增量应变与全应变的概念、关系(递进变形概念)2、刚体位移与应变的概念、关系3、共轭断层与应力轴的关系4、影响岩层变形的因素5、构造样式、构造族系的概念6、影响构造样式的主要因素7、平衡地质剖面的基本原理
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