云南洱源碎屑巖層系構造裂縫密度影響因素

金文正，白萬奎

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083；2.非常規天然氣能源地質評價與開發工程北京市重點實驗室，北京 100083；3.中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東 東營 257000)

構造裂縫是常見的地質構造類型之一，在不同地質環境中廣泛發育，由于構造裂縫形成與演化與區域應力場關系密切，同時又可以成為地質流體礦產富集的主要場所，所以對于構造裂縫的形成機制和分布預測具有重要的理論意義和實踐指導作用。目前關于構造裂縫預測有多種方法，比如地球物理學方法[1-2]，包括測井方法、地震方法、重力方法等；構造應力場或應變場數值模擬[3]，包括應力場數值模擬和有限變形數值模擬等；構造物理模擬[4]和常規地質方法[5]。本次以地熱能資源十分豐富的云南省大理州洱源縣為研究區[6]，通過野外地質調查獲得地表巖層露頭的構造裂縫發育密度，分析和預測這些層系構造裂縫分布特征，并探討影響這些層系構造裂縫發育密度的主要影響因素，旨在為該地區后期地熱能資源勘探有利區的確定提供一定的參考依據。

1 區域地質背景

1.1 構造背景

云南省位于印度板塊與上揚子地塊碰撞后形成的多條大型斷裂帶密集分布區域，其中云南省大理白族自治州(簡稱：大理州)位于紅河斷裂帶北東端，是青藏高原東南緣地殼物質擠出變形的重要調節區域[7-11]，區內斷裂構造發育(圖1-A)，一組與鶴慶-洱源斷裂總體走向一致呈北東向，另一組與紅河斷裂帶走向一致呈北西-北北西向[12]；按斷層性質將斷裂劃分為走滑斷裂、逆沖斷裂和張性斷裂[13-14]。洱源縣斷裂同樣具多期性、多方向性、多極性等特征(圖1-B)[15-16]。其中北西走向斷裂多被北東走向斷裂切割，兩種走向斷裂不僅具有同一構造應力場形成的特征，在后期(喜馬拉雅時期以來)的構造運動中，尤其是新構造運動中，形成大量的北東走向斷裂，具有至少兩個時期“構造位移”的積累。

圖1 云南洱源縣區域構造綱要簡圖Fig 1. Outline Map of Regional Tectonics in Eryuan County，Yunnan Province

1.2 沉積地層

大理州位于上揚子板塊邊界[17-18]，元古代以來地層發育較為齊全[19]，洱源縣除寒武系之外，從元古界至第四系均有出露，最老元古界(蒼山群)出露于羅坪山，其東西兩側分別為羅坪山斷裂和維西-喬后斷裂，新生代地層主要分布于洱源盆地及周緣局部地區。平面上，地層展布受斷裂影響明顯(圖1)，在維西-喬后斷裂帶以西地區，地表主要出露中生界和新生界；維西-喬后斷裂帶與北排-正生村斷裂帶間主要為元古界變質巖系，局部發育二疊系玄武巖及新生界；鶴慶-洱源斷裂帶以西地區，地表主要出露古生界(寒武系除外)；在鶴慶-洱源斷裂帶及北排-正生村斷裂帶以東地區，主要為新生界、三疊系和二疊系玄武巖，新生界主要分布于洱源盆地，三疊系出露于南大坪斷裂帶以東區域，洱源縣東南端主要為二疊系玄武巖和第四系覆蓋。

2 研究方法

預測構造裂縫有地球物理學方法、構造應力場或應變場數值模擬、構造物理模擬和常規地質方法等多種方法。本次研究采用常規地質方法，選取35個野外地質露頭觀測點(圖1-B)，以洱源縣白堊系、三疊系、泥盆系和志留系等四個主要碎屑巖層系為研究對象，通過野外地質調查，收集記錄巖層露頭構造裂縫數據，包括露頭所屬地質年代、巖性特征、單層地層厚度、構造裂縫產狀、延伸長度及寬度等內容，根據裂縫分布特征識別出共軛裂縫，記錄其各自相關數據，結合區域地質調查成果圖件(1：20萬和1：5萬地質圖)和觀測點周邊斷裂分布，記錄每個觀測點與周邊最近斷裂的距離，通過數學擬合方式，分析各個觀測點構造裂縫發育密度與斷裂距離、地層單層厚度間的各自函數關系，總結露頭區構造裂縫發育規律，應用于覆蓋區深部地層構造裂縫的預測。

3 預測結果

(1)白堊系構造裂縫預測結果：白堊系構造裂縫密度隨斷裂帶距離之間的函數關系表明，二者之間為負相關特征，反映出斷裂帶對裂縫發育密度的影響十分明顯(圖2-左上圖)，隨著距離斷層距離增大，構造裂縫密度明顯降低，其中1km范圍可作分界線，距離斷裂1km以上區域，斷裂對構造裂縫密度影響變化緩慢，超過4km以上區域，基本上已經無影響。

圖2 主要層系裂縫密度與斷層距離之間的關系Fig 2. The Relationship Between heFracture Density and The FaultDistance in The Main Strata

洱源縣西側地區為白堊系構造裂縫發育的有利區，構造裂縫密度預測圖與斷裂分布圖疊合(圖3-左上圖)，發現不同走向斷裂帶交匯區域，裂縫密度發育較大，斷裂的形成與構造應力場密切相關。反映不同方向構造應力場疊加有助于構造裂縫的形成。裂縫發育預測圖與現今淺部褶皺分布圖疊合，發現褶皺對構造裂縫的發育也具一定影響，在褶皺構造中間區域構造裂縫并不明顯，褶皺構造傾末端為裂縫發育的主力地區。在多個褶皺構造相互銜接的區域，也是裂縫發育的主力地區。

圖3 洱源縣主要層系裂縫發育密度與斷裂褶皺疊合圖Fig 3.The Superimposed Map of The Fracture Density Development and Fault and Folds in The Main Strata of Eryuan County

(2)三疊系構造裂縫預測結果：與白堊系相似，三疊系構造裂縫密度隨斷裂帶距離之間同樣表現為負相關特征(圖2-右上圖)，不同的是距離斷裂800m位置可作分界線，距離斷裂800m內，隨斷層距離增大，裂縫密度急劇降低，超過800m區域，裂縫密度降低的速度變緩。

三疊系裂縫在洱源縣西北地區和西南地區較為發育(圖3-右上圖)，主要原因是這兩個地區斷裂構造和褶皺構造相對更為發育，并且分布至少兩組不同走向的構造變形行跡。且這兩個區域三疊系頂部覆蓋有白堊系，在三營鎮東側地表出露三疊系，表明上覆有沉積蓋層的區域對裂縫的發育有一定的促進作用。

(3)泥盆系構造裂縫預測結果：泥盆系構造裂縫密度與斷裂距離同樣表現為負相關(圖2-左下圖)，但是裂縫密度變化的分界線大約在距離斷層500m，相比白堊系和三疊系，該分界線又進一步縮小。構造裂縫預測結果表明，洱源縣喬后鎮及其北側區域為泥盆系裂縫發育有利區(圖3-左下圖)，如前所述，這與不同走向斷裂構造的分布、褶皺構造展布具相關性，且隨著深度增加，地表構造對于深部地層裂縫的影響逐漸減小。

(4)志留系構造裂縫預測結果：數學分析結果表明，志留系構造裂縫密度與斷裂距離同樣表現為負相關(圖2-右下圖)，但與前述三套地層不同的是，未發現存在構造裂縫密度降低速率變化的分界線，此外，志留系裂縫在洱源全縣均有分布(羅坪山地區除外)，在洱源最北部裂縫密度顯著增大，其主要原因應該是，地表出露志留系，且志留系為薄層泥巖或中薄層板巖等，屬于具韌-脆性變形特征的非能干性地層，地表及淺部構造變形以脆性變形為主，容易形成構造裂縫，隨深度增加，地表構造對深部志留系裂縫影響甚微，深部更多表現塑性變形，較難形成有效構造裂縫。

關于志留系裂縫分布與現今褶皺及斷裂構造關系(圖3-右下圖)，認為現今地表構造與深部地層構造裂縫關系不明顯，可能是因為地表構造與地下深部地層構造裂縫之間距離較大，未能起到有效的控制作用。

4 影響因素及誤差分析

4.1 裂縫發育密度影響因素

影響洱源縣構造裂縫密度的因素主要有：地層單層厚度、周邊斷裂影響、地層埋藏深度及斷裂交匯點或者曲率發生轉變的區域。

(1)地層單層的厚度：據前人研究成果，巖層厚度越大，構造裂縫面密度越小，但裂縫規模較大[20]，且碎屑巖顆粒大小對裂縫也有影響[21]。洱源縣上述4套地層，分析結果表明(圖4-左上圖)，埋藏深度相對較淺的白堊系，構造裂縫密度與地層厚度顯示出弱正相關性，其中R2僅0.217，所以此函數關系僅供參考，表明近地表條件下，地層厚度的增大在一定程度上有助于構造裂縫的形成，但存在多種因素影響，其中地層厚度未表現出可靠的函數關系；埋深逐漸增大的三疊系，地層單層厚度逐漸表現出與構造裂縫存在負相關性，隨地層埋深加大；泥盆系和志留系單層厚度增大明顯降低了構造裂縫的發育(圖5)。需要提及的是，由于這4套地層存在巖性差異，故未對其進行構造裂縫密度的直接對比，因為巖性及厚度不同共同導致力學性質不同，不存在直接對比的意義。

圖4 主要地層裂縫密度與地層單層厚度關系圖Fig 4. Relationship Between the Fracture Density in Major Strata and The Thickness of A Single Layer of Strata

圖5 主要層系裂縫密度與斷裂距離及單層厚度關系對比分析Fig5. Comparative Analysis of The Relationship Between Fracture Density， Fracture Distance，And Single-Layer Thickness of Main Layers

(2)周邊斷裂影響：構造裂縫預測結果表明，斷裂對構造裂縫具有明顯的控制作用，但是4套層系中斷裂與構造裂縫密度具有不同的函數關系，其中白堊系、三疊系和泥盆系呈現對數函數關系，不同層系具有不同的裂縫遞減速率分界點(圖5)，其分界點自白堊系至泥盆系逐漸降低，表明隨著地層埋深的增大，斷裂周圍所形成的構造裂縫范圍逐漸縮小，對于埋深較大的志留系而言，斷裂的影響逐漸減小，未出現分界點。

(3)地層埋藏深度：地層單層厚度和斷裂對構造裂縫的影響都與地層埋藏深度密切相關，白堊系、三疊系、泥盆系和志留系的地層埋藏深度由淺逐漸加深，構造變形以脆性變形為主逐漸過渡到深部的塑性變形，中淺部斷裂對裂縫密度影響大，受地表條件影響較大，溫壓及地質流體影響較??；隨著埋深的增大，志留系構造變形以塑性為主，斷裂對裂縫密度影響小，而此時應該是溫度、壓力及地質流體影響更為明顯。

(4)斷裂交匯點或曲率發生轉變區域：構造裂縫與斷裂、褶皺疊合關系表明，斷裂交匯點或地層曲率發生轉變的區域是裂縫發育有利區，這些區域實際上是構造應力發生轉換或疊加區域，可以認為洱源縣所經歷的多期構造應力場轉換或者構造應力疊加有助于構造裂縫的形成，不同方向斷裂交匯部位及走滑斷裂帶走向發生轉換區域，多個褶皺或斷裂呈現雁列式展布的區域也可以成為構造裂縫發育區。

4.2 誤差分析

(1)文中所統計構造裂縫都是針對地表出露地層，與斷裂和褶皺構造數學擬合關系也是基于現今地表構造，深部地層預測是根據地表所得到的函數關系式，根據斷裂距離反推而得到構造裂縫密度，由淺部獲得的函數關系沿用至深部地層，可能會存在一定的誤差，由于沒有鉆探深部地層巖心構造裂縫數據，無法驗證和修正，故本文分析結果可能存在一定誤差。

(2)洱源縣不同走向的斷裂較多，致使不同地區、不同巖性可能具有更為細致的構造裂縫密度差異特征，需要大量的實測數據才能降低實驗模擬誤差和人為測量誤差，研究區內地形復雜，巖石陡峭，部分區域很難獲得實測數據，也會對模擬結果造成一定的影響。

5 結 論

(1)在平面上，洱源縣西部及中北部地區為白堊系、三疊系等主要碎屑巖層系構造裂縫發育有利區，構造裂縫與現今斷裂關系密切，觀測點與周邊斷裂的距離與構造裂縫密度為負相關，其中白堊系、三疊系和泥盆系斷裂能夠顯著影響構造裂縫密度的距離分別為1km、0.8km和0.5km。

(2)隨著地層埋深的增大，地層單層厚度逐漸表現出與構造裂縫存在負相關性，構造變形從脆性變形過渡到塑性變形，中淺部地區斷裂對裂縫密度影響明顯，溫壓及地質流體影響較小，深部地層斷裂對裂縫密度影響小，而溫度、壓力及地質流體影響更為明顯。

(3)構造應力發生轉換或疊加區域為構造裂縫發育有利區，表現為在不同方向斷裂交匯部位、走滑斷裂帶走向發生轉換以及多個褶皺或斷裂呈雁列式展布等區域具有較高的構造裂縫密度。

致謝：在此特別感謝中國地質大學(北京)張金川教授、以及香港中文大學(深圳)譚慧副研究員在本次研究過程中所提供的幫助及學術討論，感謝地熱科學技術(大理)研究院有關領導在野外工作及地質研究中提供的便利條件，另外也感謝本論文審稿人及編輯部老師提出的修改意見及辛苦付出。