第一章-油区构造分析的基础知识

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（displacement），而位移 的过程称为运动（motion）。
τ
σ3
σ2
σ1
σ
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
τ
τ m ax
σ3
σ1
σ
τ m ax
3. 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”（stress field）来表示。
第一章-油区构造分析的基础知识
《油区构造解析》课程简介
• 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。
ττσ
zx
zy
zz
其中：τxz= -τzx τxy= -τyx τyz= -τzy
主应力面上的应力Hale Waihona Puke Baidu程
▪ 只有正应力作用，剪应力为 零的平面称为主应力面，该 σ 1 平面上的正应力称为主应力
σ3
σα σ1
τ
σ3
垂直σ2的截面“n”上的正应力σn和剪应力τn分别为： σn＝（σ1＋σ3）sin2θ （注：讲义第2页公式有误） τn＝（σ1－σ3）sinθcosθ 上述两式相加得到： 〔σn—（σ1+σ3）∕2〕2＋τn2=〔（σ1-σ3）∕2〕2
P =作 用 力
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。
• 按照库仑—莫尔 破裂准则产生破 裂时的主应力分 布图
• 安德森模式
断层按其两盘的相 对位移可以分为正 断层（normal fault）、逆断层 （reverse fault）和 走滑断层（strikeslip fault）
e3
e3
e3
2
3
4
非共轴递进变形
e3
4
e3
5
3. 褶皱
纵弯褶皱（buckle fold）：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（bend fold）：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
原始状态
P
P
P
P
纵弯褶皱作用
P 横弯褶皱作用
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
的两条直线变形后所增大 或减小的角度
1 1 tan 22
• 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。
最大主伸展 最大主收缩 应 变 轴 e3 应 变 轴 e1
l0
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。
Δσ
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
弹性变形 假粘性永久应变
差应力（Δσ）是指最大主应力与最小主应力之间的 差值，即Δσ＝（σ1－σ3）。
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。
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。
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：
σττ
xx
xy
xz
τστ
yx
yy
yz
• 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°－（φ∕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：τn=C+μiσn
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。
➢
σT＝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
（σ，τ）
σ3
2 α σ1
σ3
σ2
σ
τ m ax
σ1 σ
应力的基本性质与特殊应力状态
两个互相垂直的截面上的剪应力大小相等、方向相反
τ
τ
τ m ax
（σ，τ）
σ3
2 α σ1
σ3
σ2
σ
τ m ax
σ1 σ
应力的基本性质与特殊应力状态
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
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
❖ 其中μi＝tanφ，C为岩 石的内聚力，或抗剪强 度，φ为内摩擦角
岩石破裂时破裂包络线与应 力莫尔圆相切
θ＝45°－（φ∕2）
τ
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。
破坏
断层滑动
ε
• 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
❖ 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 σe＝σ－σf
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。
能干性
Cht 8 Chc
6
4
2 Chch
0
0
2
Chg
Jxw
O C
Jxt Q nj C -P
Jxy
Jxh Q nx
4
6
8
厚度（公里）
10
12
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。
简单剪切变形 旋转
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）。
a bc
1
1
e3
2
e3
3
共轴递进变形
旋转
（改变产状，相对与旋转中心 的距离不变）
X
5. 应变
应变（strain）可以分为体积应变、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。
l0
ψ
单元体边界 发生角应变
l0
原始状态
l1
主应变方向 发生线应变
• 线应变
下沿σ1方向缩短而沿σ3方向伸长，
总体变形中的最大主收缩应变轴e1始
纯剪切变形
终与最大压应力轴σ1一致、最大主
伸展应变轴e3始终与最大张应力轴
原始状态
σ3一致。
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e1与最大压 应力轴σ1、最大主伸展应变轴e3与
最大张应力轴σ3不一致，在变形过 程中向同一方向偏转。
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”（Mohr’s circle）。
τ
τ
τ m ax
（σ，τ）
σ3
2 α σ1
σ3
σ2
σ
τ m ax
σ1 σ
应力的基本性质与特殊应力状态
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
τ
τ
τ m ax
其中l0是岩层的原始长 度，l1是岩层发生变形 后的长度。
e为正值时表示伸展应 变，e为负值时表示收
缩应变。
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
e l1 l0 l0
l1 1 e l0
• 角应变
角应变也称为剪应变 （shear strain）
其中ψ表示原始相互垂直
τ
σe3
σ3
σe1
σf
σ 1σ
σ σ
=e 1 =e 3
σ σ
－ 1－
3
σ σ
f f
• 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。
• 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。
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
ψ l1
原始圆标志
1+e3 1+e1 应变椭圆
6. 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
l0
直移
l1
旋转
• 应力与岩层变形
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。
位移：指岩层发生的刚体位移，包括两种方式，直移 （translation）和旋转（rotation）
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。
Y
Z
YZ
Z
旋转中心点 为坐标原点
X
直移
X
（不改变产状，改变位置） Y
三、影响岩层变形的因素
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
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
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。