鄂西渝东区构造裂缝发育特征及力学机制_

第21卷第期2016年10月机理窑模式鄂西渝东区构造裂缝发育特征及力学机制图1鄂西渝东区构造单元划分(a )及典型地质剖面(b )地层界线根据1:250万地质图改绘用有限元法进行褶皱的应力场数值模拟,并结合裂缝的野外观察及其发育的构造部位,探讨了褶皱、应力场与裂缝三者的相互关系,以期为认识褶皱区的裂缝发育规律提供现实的和实验的依据。

1地质背景鄂西渝东区地理位置上处在长江以南、乌江以北、建始—彭水断裂以西(图1a ),总面积20600km 2。

区内有一系列的北东向隔档式褶皱带,自西向东包含方斗山复背斜、石柱复向斜、齐岳山复背斜和利川复向斜等四个主体构造单元,区内东南角还包含武隆凹陷和老厂坪复背斜等两个小型构造单元[14-16]。

方斗山复背斜、石柱复向斜和齐岳山复背斜自北而南呈“S ”形展布[15,17]。

区内出露的地层属于扬子地层区,在空间上呈北东—南西向的带状展布。

根据地质图及野外实地观察,地层从老到新有:震旦系上部的灯影组浅海相碳酸盐岩和硅质岩;寒武系下部的粉砂质泥页岩和中上部的碳酸盐岩;奥陶系中下部的碳酸盐岩;上奥陶统五峰组与下志留统龙马溪组下段的黑色、深灰色泥页岩;下志留统龙马溪组上段的黄绿色粉砂质泥页岩及罗惹坪组的灰绿色、浅灰色泥质粉砂岩。

泥盆系和石炭系在研究区已剥蚀殆尽。

震旦系至石炭系仅在齐岳山复背斜东南端的老厂坪复背斜出露(图1a);二叠系底部夹煤线的页岩和中上部厚层的石灰岩、硅质灰岩出露于方斗山复背斜、齐岳山复背斜核部;三叠系下部的碳酸盐岩及中上部的碎屑岩在背斜两翼对称分布,区内大面积出露侏罗系的粉砂岩、砂岩;白垩系及以上地层在区内几乎被全部剥蚀。

参考颜丹平等[11]以岩石单轴抗压强度划分滑脱层的判别标准,本文以岩性为主要依据划分了能干层(相同变形条件下,不宜发生黏性流动)和非能干层,碳酸盐岩、砂岩、粉砂岩层为能干层,泥质岩、页岩层为非能干层。

鄂西渝东区印支运动前以差异升降运动为主,印支运动使全区整体抬升,结束海侵历史,晚三叠世—侏罗纪本区再次沉降,接受了晚三叠世—侏罗纪沉积[15]。

燕山期—喜马拉雅期,进入陆相沉积发育阶段,构造发育也进入了强烈活动期[15,18]。

构造变形变位主要由燕山早期构造运动及喜马拉雅中期构造运动叠加而成[15]:早燕山期(侏罗纪末期),因西部特提斯海关闭和东南方向太平洋板块向西北强烈俯冲的远程效应,本区受到了长期又具有阶段性的自东南向西北的强烈挤压,形成了大量的褶皱、逆断层等压性构造,奠定了区内现今隔档式褶皱的区域构造格架,横向上,由东南往西北表现为依次递减变形的特点[15-17];喜马拉雅中期,因印度板块向中国板块俯冲加剧,所产生的强烈挤压应力越过川西龙门山经四川盆地波及鄂西渝东区,应力传播方向在川中及本区亦为东南向,因川中刚性基底的阻挡及挤压应力在传播方向上自西北向东南减小,因而与燕山早期运动相比,本区喜马拉雅运动的应力强度要小得多,主要表现为对燕山期构造的同向叠加和重建[15],由于研究区白垩系及以上地层已剥蚀殆尽,故从构造形迹上区分喜马拉雅期与燕山期的压性构造难度很大。

2构造裂缝发育的力学机制褶皱主体形成后,褶皱的几何形态与应力场分布状态及裂缝发育的性质和产状有直接的关联。

本文以研究区隔档式褶皱为原型,抽象出几何模型,用有限元法进行了数值模拟,以期能全面研究褶皱的应力场分布状态,为野外观测的裂缝性质与发育部位提供力学解释。

2.1模型建立与应力场模拟2.1.1隔档式褶皱模型应力分析鄂西渝东区以一系列NE向的隔档式褶皱为典型特征(图1b),褶皱枢纽走向为NE50°,齐岳山复背斜东南翼倾角50°~70°,西北翼倾角40°~65°;方斗山复背斜两翼倾角均为50°~70°;石柱复向斜与利川复向斜两翼倾角为10°~20°,近核部地层倾角仅2°。

近对称的高陡背斜和宽缓向斜在平面上连续展布。

以图1b所示地质剖面为原型,抽象出的几何模型如图2a所示,模型由高陡背斜以及夹持其中的宽缓向斜所组成,自左至右分别对应方斗山复背斜、石柱复向斜、齐岳山复背斜和利川复向斜。

有限元法是构造应力场数值模拟的重要方法之一,它是一种比较成熟的计算应力分布的数值方法,如果提供合理的地质模型和边界条件,就能较真实地反映应力的分布状态。

该方法将地质体离散成有限个连续的单元,每个单元内赋予实际的岩石力学参数,根据边界条件,用数值方法就能计算出各单元内的应力分布[19]。

本次模拟采用通用有限元分析软件Ansys,该软件在构造应力场模拟研究中已得到广泛应用[19-20]。

构建的有限元模型及其分析结果见图2。

在Ansys中用具有六节点的PLANE2单元将几何模型离散成若干连续的三角形网格,将每个网格单元定义为各向同性的线性弹性体,根据研究区内龙马溪组多个样品在三轴压缩试验中所取得的弹性模量和泊松比的平均值,赋予单元内的岩石力学参数为弹性模量3500MPa、泊松比0.15。

在模型右侧施加向左的水平作用力,左侧进行位移全约束,为使模型不发生垂向上的漂移,在模型底部施加了垂向上的位移约束,作为平面的有限元模拟,垂向应力与应变忽略不计。

图2隔档式褶皱模型及应力分析结果2.1.2正弦曲线褶皱模型应力分析为使模拟成果更具普适性,本文对褶皱形态进一步抽象化和模式化,以基本的正弦曲线形态进行了模拟和分析。

经典的褶皱发育模式认为,如果岩系中各层的力学性质不一致,在顺层挤压下,强硬层就会因失稳而发生正弦曲线状的弯曲,形成褶皱,相对软弱层会被动地调整并适应由强硬层引起的弯曲形态[8,21],因此正弦曲线是褶皱的基本形态。

以褶皱的顶底界面为正弦曲线建立几何模型时,具体的实现方式为:将圆的等分点向相应直线进行投影,将投影点用样条曲线连接,即为一条近似正弦曲线,如图3a 所示。

具体的模拟软件、方法、参数,与图2的隔档式模型相同。

2.1.3模拟的合理性及地质意义本次模拟以褶皱形成后的几何形态来建立模型,反映的是褶皱主体形成后,在与褶皱轴向垂直的区域应力条件下褶皱内的应力分布状态。

根据岩石变形的一般应力—应变关系(图4),当图3正弦曲线褶皱模型及应力分析结果图4岩石变形的一般化应力—应变关系[21]应力超过岩石的屈服点δ1,到达变形曲线中的P点后,将应力撤去,变形岩石将保留一定的永久变形;再次加载时,岩石由于存在应变硬化效应,弹性范围增大,当加载应力逐步提高至δ2,应力—应变曲线将沿着e1P弹性路径回到P点。

对研究区而言,如前所述,鄂西渝东区北东向的褶皱主体于燕山期形成,喜马拉雅期主幕的挤压应力,方向与燕山期同向,但数值上小于燕山期,主要表现为在垂直于燕山期褶皱轴向的基础上对先存褶皱的改造和重建。

结合图4分析,研究区岩石在燕山期主幕已发生了塑性变形,达到了最强应力作用状态(假设为δ2),之后岩石存在应变硬化效应,再次构造应力作用时(小于δ2),如喜马拉雅期的应力作用强度小于燕山期主幕,岩石应力—应变曲线处在增大的弹性范围e1P内。

因此,用弹性算法模拟褶皱主体形成后(即燕山期主幕后)的应力场分布状态是合理的,且具有较强的现实地质意义。

2.2模拟结果分析对有限元模型进行求解,分别得到了隔档式褶皱模型和正弦曲线褶皱模型对应的应力矢量分布图、最大主应力(张应力)分布图、最小主应力(压应力)分布图和应力强度(差应力,最大主应力与最小主应力的差值)分布图(图2,图3)。

应力符号采用材料力学中的规定,即张应力为正、压应力为负,按照δ1>δ2>δ3确定最大、最小主应力的原则,本文中最大主应力为张应力,最小主应力为压应力。

为符合地质人员的看图习惯,应力分布图中色标符号统一为红高蓝低,与色标对应的数值的绝对值表示应力值的相对大小。

对比两类模型应力分析(图2,图3)可知,各应力区的分布趋势及变化规律基本一致。

为了描述与指代的统一性,文中按照应力场在褶皱中的分布特征将褶皱部位分为了4个区,即张应力区(A区)、压应力区(B区)、应力过渡区(C区)及应力强度最低区(D区),它们分别对应于褶皱的背斜与向斜外侧、背斜与向斜内侧、背斜与向斜过渡的斜坡区以及中和区。

由图2b、图3c应力矢量分布图可见,在背斜与向斜外侧(A区)主要分布由白色箭头构成的张应力矢量,在背斜与向斜内侧(B区)主要分布由蓝色箭头构成的压应力矢量,矢量方向均平行于地层产状,且不管是背斜还是向斜,垂向上自外侧A区至中部D区,张应力矢量箭头不断缩短(表明张应力不断缩小),自中部D区至B区,压应力矢量箭头不断变长(表明压应力不断增大),由此在中部D区形成一个既无明显挤压也无明显拉张的中和区,张应力矢量和压应力矢量均处于最小值。

横向上背斜与向斜转换的斜坡区(C区),张应力矢量和压应力矢量均处于低值状态,矢量方向随地层产状发生变化。

由图2e、图3f应力强度(差应力)分布图可见,垂向上由自背斜或向斜外侧向内侧过渡的中部D区为应力强度最低区,褶皱内侧B区的应力强度(受压应力集中影响)远大于褶皱外侧A区(受张应力集中影响)———根据断裂力学中的强度理论,差应力对岩石破裂起主导作用,但这并不意味着褶皱内侧的裂缝一定比外侧发育,因为岩石的抗压强度远大于抗张强度。

同时注意到,受褶皱形态影响,各应力分区的位置、展布范围和形态略有不同。

以中和区(D区)的分布为例:(1)在正弦曲线褶皱模型中,中和区表现为在中部出现的带状弧形(图3f);(2)在隔档式褶皱模型中,受方斗山复背斜和齐岳山复背斜高陡形态的影响,背斜的中和区在横向上强烈缩短,表现为横向上为长轴、纵向上为短轴的不规则椭圆形(图2e),在出现位置上有向背斜内侧下移的趋势;受石柱复向斜和利川复向斜宽缓向斜的影响,向斜的中和区在横向上拉长,表现为长条形,在出现位置上有往向斜外侧下移的趋势。

可见,由于正弦曲线模型的褶皱形态更为模式化,相应地,应力分区也更为规则,应力分布的规律也更容易把握。

3鄂西渝东区构造裂缝发育特征及成因从应力和岩石属性控制裂缝性质的角度分析,当岩层处在褶皱构造的不同部位时就具有不同的应力场背景,根据岩层的能干性与非能干性,就可形成不同类型的非连续面[8,21]。

根据地层厚度,以二叠系底界为中和面划分褶皱内侧、外侧,即二叠系及其以上地层为背斜外侧、向斜内侧,二叠系以下地层为背斜内侧、向斜外侧。

在褶皱不同部位,野外和钻井岩心观测到的裂缝特征,与基于应力和岩石属性预测的裂缝性质吻合程度较高。

3.1褶皱不同部位的应力表现3.1.1褶皱外侧在褶皱外侧(图2、图3中的A区),表现为拉张应力场。

(1)当岩层为非能干层时,受侧向拉伸作用,地层厚度有减薄趋势,可形成平行于层面的劈理,裂缝形式为顺层裂缝,当地层为多层介质的泥页岩时,顺层裂缝表现得尤为明显。