断层叠覆带及生长断层

垂向断层叠覆带的岩层旋转：据地震数据、野外实例和物理模拟实验的观察Layerrotationaroundverticalfaultoverlapzones：observationsfromseismicdata，fieldexamps，andphysicalexperiments摘要介绍1、垂向叠覆断层段是断裂相关油气储层中重要的构造；2、物理模拟实验和野外观察表明：叠覆区岩层旋转、叠覆类型（限制型和释放型）和断层弯曲度具有密切的关系；3、释放型叠覆带—正旋转或牵引，降低断层有效断距；限制型叠覆带—逆牵引，特别是断层末端彼此弯曲趋近的情况；前者比后者更常见；前者易形成于厚砂层内的页岩层中；此类窄叠覆带发育牵引或页岩涂抹带，可能封闭或降低相邻砂层间的连通性（communication）；4、叠覆带可能对储层连通性具有重要的影响，影响参数：断裂排列方式、几何学特征和岩性。现状和主要研究目的1、理解如断层段长度、断裂带厚度、封闭性和断层连接性等性质的空间分布对确定有效储层类型意义重大；2、垂向叠覆带研究的难点：（1）三维地震上，叠覆带规模太小难于观察；（2）规模足够大的野外垂向出露现象几乎少见；3、错断砂岩储层的连续性（connectivity）取决于单一断层断距和断层封闭性（沿断层面泥岩涂抹或塑性牵引）；二者明显受垂向叠覆带影响；4、正牵引降低有效或不连续offset，逆牵引增强不连续offset？5、以北海砂岩储层垂向叠覆断层段研究为例，与较小规模野外实例和物理模型对比，探索断层几何学特征、断裂排列方式和叠覆区岩层旋转间的几何学关系；最终讨论这些关系对储层流体研究的意义。一、牵引和岩层相关旋转

牵引（drag）是临近断层岩层倾向有规律变化的现象（Reches和Eidelman，1995）。正牵引（normaldrag）：通常比断裂形成早（Groshong，199；Hesthammer和Fossen，1998；Hobbs等，1976；Reches和Eidelman，1995），在某种意义上称之为断层传播褶皱。

逆牵引（reversedrag）：是指断层附近塑性应变场中岩层弯曲的结果，某种程度上与断层视位移（offset）和岩石力学性质直接相关。影响因素：几何学特征、应变特征（应变硬化）、脆塑性、共线与否、断裂叠覆关系。应变硬化？二、断层和断层斜坡—垂向叠覆带φ-叠覆带末端线与水平末端线夹角释放型和伸展叠覆构造（Chlids等，1996；Peacock和Zhang，1993）、走滑断层术语以及逆断层中都广泛应用“释放型叠覆带”。二、断层和断层斜坡—垂向叠覆带岩层体积减小典型集中在特定岩层，特别是砂-页岩层序中的页岩层（图b）；可能是沿断层面矿物（页岩或泥岩）脱水或漏失造成的。总体积不变，岩层厚度变化；不同岩层间力学差异导致一系列可能的几何学特征。伸展裂缝（gashes）或更复杂裂缝（veins）系可能证明了岩层体积增加（图e）。三、三维地震数据、物理模拟和野外观察1、三维地震数据：北海东北部Horda地台Oseberg断裂关键：地震数据处理方法的选取裂陷期：P-T和J-早C；晚白垩世之后由于差异压实断裂再活动；叠覆带附近岩层旋转现象不明显，因此此类构造解释部分决定于解释者的经验（野外实例、数值模拟和经验模型）。1、三维地震数据：北海东北部Horda地台Oseberg断裂三、三维地震数据、物理模拟和野外观察2、物理模拟实验三、三维地震数据、物理模拟和野外观察由于叠覆构造很大程度上与规模无关，因此实施简单定性物理模拟研究；实验设计条件：（1）泥岩层受上下木板限制，木板被以一定角度预先切断—产生设计的断裂系；（2）使用略微不同力学性质（能干性差）泥岩层—代表砂/泥互层层序。预先切断裂缝作为正滑动剪切裂缝沿倾向活动？随着位移的累积，此类叠覆旋转可能导致泥岩涂抹的形成。45°三、三维地震数据、物理模拟和野外观察2、物理模拟实验两条共线直线型断裂段释放型叠覆构造泥岩涂抹前提：叠覆区较窄由于铲式几何学特征，具有较小逆旋转。三、三维地震数据、物理模拟和野外观察2、物理模拟实验限制型叠覆构造旋转方向与断裂几何学特征密切相关两能干性泥岩层，宽度较窄；类阶梯状几何学特征导致相邻能干性岩层的明显旋转或涂抹。反例三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—砂-页岩层序中的垂向叠覆（1）Moabfault，Utah断裂是具有擦痕滑动面的几毫米-厘米厚碎裂岩带。砂岩中无牵引现象粉砂质岩层中部分存在牵引现象牵引不仅仅受控于母岩岩性还与叠覆带几何学特征有关三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—砂-页岩层序中的垂向叠覆地层对比说明视位移为1-10m，Moab断裂近垂向视位移达到1km。大致相同埋深同一变形阶段断裂：（1）一致的方位和滑动方向；（2）相似断层岩产物；（3）在上部（T-J）砂岩层无此类变形带（Antonellini和Aydin，1994）。（1）Moabfault，Utah三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—砂-页岩层序中的垂向叠覆（2）SanRafaelSwell，Utah侏罗系Entrada地层砂岩-粉砂岩/页岩互层层序出露大量垂向叠覆构造；三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—砂-页岩层序中的垂向叠覆（2）SanRafaelSwell，Utah三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—砂-页岩层序中的垂向叠覆（2）SanRafaelSwell，Utah位于研究区NE端；逆断层实例：限制型叠覆带；中等倾斜断层段相互作用；断层段末端之间和附近发生岩层旋转；裂缝在褶皱区广泛发育，叠覆带形成破碎带较宽。三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—页岩/石灰岩层序中的垂向叠覆始新统Green河地层泥灰岩层和钙质砂岩层；牵引现象与砂岩-页岩层序中的现象一致；（3）EastofThistle，UtahSanRafaelSwell，Utah三、三维地震数据、物理模拟和野外观察3、野外观察—页岩/石灰岩层序中的垂向叠覆（3）EastofThistle，UtahMillFork地区剖面解释大部分取决于解释者的认识——岩层旋转、断层几何学特征和断层末端之间的几何关系。四、讨论和结论1、垂向叠覆构造是各种尺度规模中常见的特征；野外实例和物理模拟实验结果都表明：叠覆带类型（几何学和运动学）和岩层旋转方向具有一定相关性。2、一般来说，正旋转出现在释放型叠覆带；而逆旋转通常发育于限制型叠覆带中。3、影响岩层旋转方向和旋转量的因素较多，如弯曲叠覆断层的旋转效应、应变和应变方式、地层旋转的解释（地球物理噪声或未校正偏移）。四、讨论和结论1、叠覆带的形成（1）叠覆带典型发育于塑性最强岩层中，特别是泥岩或页岩层；说明：断层在脆性层（砂岩或chalk）成核，而非塑性泥岩层或砂泥互层（Gupta和Scholz，2000；Koledoye等，2000）；许多断层在砂岩层表现为最大位移，而在相邻页岩层位移消失或减小也证明此模式（Fossen和Hesthammer，1997；Schulz和Fossen，2002）；雁行式裂缝Du和Aydin（1991）和膨胀裂缝（Koledoye等，2000）也具有同样特征。（2）模拟重要结果：地层单元厚度控制叠覆构造的位置、频数（frequecy）和规模；产生米级叠覆带的几米岩层厚度影响储层连通性；断裂持续生长，叠覆带将被破坏，形成具有较厚破碎带的连续构造带；（3）相同沉积层序可以分为较大尺度岩层，分别主要由页岩或砂岩组成；由于规模非均质性，大规模断裂形成垂向叠覆带影响封闭能力。2、储层连通性的意义四、讨论和结论即使良好地震数据品质，沿断层面和大规模叠覆带内构造旋转解释的不确定性也是相当大的；通过本文研究建立的几何关系和规则应用到地震解释有利于降低这种不确定性。除地震规模断层构造外，较小规模亚地震岩层旋转明显影响储层性能。由于叠覆带通常发育于砂-页层序的页岩层中，因此岩层厚度可能控制不同储层条件下叠覆构造的频数和规模。垂向叠覆带正旋转降低断层有效断距，逆旋转增加断距。对于单层储层模型中，正旋转可能增加储层连通性，而对多层储层的影响较难预测。从勘探角度来说，由于与释放型叠覆构造有关的正牵引导致沿较大规模断层不连续视位移减小，从而导致过断层泄露，否则表现为封闭。四、讨论和结论2、储层连通性的意义

垂向释放型叠覆带具有较高泥岩涂抹能力；垂向释放型叠覆带较窄，叠覆量较大，易形成泥岩涂抹，阻止储层连通性，该模型类似于Lehner和Pilaar（1997）的模型。伸展环境下，释放型垂向叠覆（75%）比限制型叠覆更常见；许多已发表垂向叠覆带实例（Childs等，1996；Koledoye等，2000；Mansfield和Cartwright，1996；Peacock和Zhang，1993）更证实此观点。对于砂-页岩层序中，储层模拟泥岩涂抹主导；然而如果大量断层影响特定页岩层，不可能都发育窄垂向叠覆构造，一些断裂可能切穿不渗透性层，导致储层联通。四、讨论和结论2、储层连通性的意义Childs等（1996）指出：断裂叠覆构造在伸展盆地变形历史过程中持续形成、破坏；除形成异常岩层旋转外，还导致叠覆区破碎带厚度明显增加。在岩石中，变形带或其他微断层造成明显渗透性降低，较宽、较密集破碎带可能部分弥补单条断层较小的视位移。如果破碎带由低渗透性微断层或变形带组成，这个带将降低叠覆区过断层渗透性。四、讨论和结论3、结论（1）大多数储层评价和模拟过程中，经常忽略垂向叠覆构造；目前，仍不能定量表征储层模型中叠覆构造的存在和影响。（2）通过地震解释者和构造地质学家明确此类构造的存在，重新解释并评价储层模型。（3）断层几何学类型与岩层旋转（牵引）间的关系有助于解释这些构造，预测其对储层性质的影响。目前认为在碎屑岩储层环境下，释放型叠覆带的岩层正旋转比限制型叠覆带更常见。五、实际应用青山口组泥岩造成断裂分段扩展，垂向不贯通断裂在泥岩层段变形特征及演化过程，油向扶杨、葡萄花油层充注的通道为同一断层的两个不同分段断层分段扩展明显五、实际