彭先鋒, 鄧虎成*, 胡笑非, 張燁毓, 張小菊

(1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院， 成都 610059； 2.四川省科源工程技術(shù)測試中心， 成都 610091； 3.頁巖氣評價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610091)

斷層的形成和演化一直是裂陷盆地構(gòu)造研究的核心，也是裂陷盆地油氣勘探的關(guān)鍵[1-4]，含油氣盆地內(nèi)斷層多數(shù)是以斷裂帶的形式存在，探討正斷層形成和演化過程對研究油氣沿?cái)嗔褞н\(yùn)移途徑具有重要價(jià)值。針對正斷層的形成和演化，前人已經(jīng)作了大量有意義的探討。一方面，依據(jù)經(jīng)典的安德森(Anderson)模式，當(dāng)差異應(yīng)力大于巖石的破裂強(qiáng)度時(shí)，則會形成傾角為40°～70°的正斷層。然而宏觀上，安德森模式是建立在剛體受力基礎(chǔ)上，自然巖層并非剛體，在構(gòu)造變形過程中地質(zhì)應(yīng)力存在損失，裂隙的尖端區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中使裂隙遞進(jìn)擴(kuò)張形成優(yōu)勢主裂隙最終形成斷層。因此，基于安德森模式分析正斷層的形成和演化過程、探討斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和確定斷層進(jìn)一步演化趨勢等并不理想。另一方面，已有的研究表明：斷層發(fā)育程度與儲存于巖石中的應(yīng)變能存在正相關(guān)關(guān)系。通過古應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算每個(gè)單元的彈性應(yīng)力變能，可以預(yù)測伴生裂縫的相對發(fā)育程度。同時(shí)這僅是一種相對或定性預(yù)測裂縫密度的方法[5]。Housner首先提出在地球物理學(xué)科中運(yùn)用能量的概念[6]，緊接著地球物理學(xué)專家們從時(shí)域、頻域角度對地層破壞的輸入能特征做了大量的探討[7]。從能量角度來說，正斷層形成演化的實(shí)質(zhì)是地層巖塊中彈性能量的積聚和突然釋放，正斷層形成是最大變形和累積能量耗散共同作用的結(jié)果。近幾年，中國學(xué)者通過聲發(fā)射技術(shù)獲得地層微破裂的時(shí)空展布規(guī)律，并基于此進(jìn)行正斷層失穩(wěn)前兆、地震機(jī)理等相關(guān)問題的研究[8]。斷層形成是由穩(wěn)定的三向應(yīng)力狀態(tài)迅速向單向應(yīng)力狀態(tài)躍遷，地層失穩(wěn)破壞所需要的能量難以直接測量[9]。實(shí)驗(yàn)測試方面，巖石物理實(shí)驗(yàn)著重研究小尺度巖石樣本的力學(xué)性質(zhì)，僅依靠適用于小變形范疇的庫侖剪破裂準(zhǔn)則對斷層的形成演化進(jìn)行解釋，這種方法難以完善的解釋斷層此類力學(xué)上屬于大變形范疇的構(gòu)造變形問題[10-12]。數(shù)值模擬方面，普遍假設(shè)數(shù)值模型為線彈性或靜態(tài)，且假設(shè)斷層之外的巖石不發(fā)生破壞，因此不能模擬新破壞區(qū)產(chǎn)生過程以及斷層形成過程中能量的變化特征，難以模擬斷層復(fù)雜的演化行為。因此，針對正斷層形成和演化的研究仍有待提高。

由于巖體是典型的非均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，含油大量結(jié)構(gòu)不連續(xù)、形狀不規(guī)則的裂隙、節(jié)理或斷層，現(xiàn)有的應(yīng)力強(qiáng)度理論與破壞準(zhǔn)則難以有效分析巖體復(fù)雜的強(qiáng)度變化與整體破壞行為。因此，建立巖體破壞過程中的能量變化規(guī)律及其與破壞之間的關(guān)系，不僅更加接近地層巖石破壞的本質(zhì)[13]，而且更適合研究地層巖塊破壞的空間分布規(guī)律[14]。首先通過構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M正斷層的形成和演化過程，然后分析此過程中斷層傾角、斷層距離隨演化進(jìn)程的變化規(guī)律，明確斷裂帶(斷層面、斷層破碎帶)內(nèi)部變化特征，劃分正斷層形成和演化的關(guān)鍵時(shí)期；其次依靠粒子成像測速技術(shù)，分析正斷層帶內(nèi)巖石蘊(yùn)含的應(yīng)變能變化特征；最后，從物質(zhì)破壞的本質(zhì)，即地層內(nèi)能量變化的角度探討正斷層形成和演化過程。需要強(qiáng)調(diào)的是，正斷層形成的構(gòu)造背景有背斜構(gòu)造的局部、地層差異升降、巖層重力滑動和地層區(qū)域性水平拉伸[15]。研究主要探討油氣勘探中常見的、對油田開發(fā)影響較大的地層區(qū)域性水平拉伸條件下產(chǎn)生的正斷層形成和演化過程，以及其形成和演化中巖石蘊(yùn)含的應(yīng)變能變化特征。雖然設(shè)計(jì)的構(gòu)造物理模擬模型僅限于地層區(qū)域性水平拉伸產(chǎn)生的正斷層，但是此類正斷層最為常見，同時(shí)研究成果對逆斷層、平移斷層的類似研究可能會帶來一些新的啟示。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“地質(zhì)構(gòu)造變形物理模擬綜合實(shí)驗(yàn)臺”。該實(shí)驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)多方向加載施力。實(shí)驗(yàn)裝置由模型倉、控制系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)4個(gè)模塊。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

材料為干燥石英砂。干燥石英砂是普遍采用的模擬淺層地殼脆性構(gòu)造變形材料[16-22]。干燥石英砂變形遵循莫爾一庫侖破壞準(zhǔn)則，內(nèi)摩擦角為31°左右，與地層巖石內(nèi)摩擦角相近[18]。對于大量顆粒組成的受限體系，可仿照連續(xù)介質(zhì)，用等效彈性模量描述其軟硬程度，因此在巖石力學(xué)上，使用松散石英砂模擬沉積巖層可行的[23]。實(shí)驗(yàn)選用的干燥石英砂為純白色高純度干燥石英砂(二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%，主要雜質(zhì)為三氧化二鐵)，密度為1.35×103kg/m3，粒徑為300～450 μm，內(nèi)摩擦角為30°，內(nèi)摩擦系數(shù)為0.56。前人研究研究表明，根據(jù)相似系數(shù)換算到對應(yīng)模型材料的強(qiáng)度差別很小，因此設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)不考慮巖石層間差異性。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由于模擬倉大小是固定的，本次實(shí)驗(yàn)優(yōu)先考慮幾何相似，使模擬倉尺寸滿足相似性、便于儀器加工裝配和實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)參數(shù)遵循模型與原型的相似性，主要包括幾何相似、動力相似和運(yùn)動相似，同時(shí)具有一致的流變屬性和變形比例[16,22]。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒖糃loos提出的張性構(gòu)造模型[24]。

基底和邊界均設(shè)定為剛性，采用玻璃擋板模擬。為了能夠使拉力上傳到模型上部產(chǎn)均勻拉伸，拉伸地層采用均勻涂抹硅膠的有機(jī)硅粗帆布模擬，帆布為滌綸纖維織造，厚度為0.7 mm。模擬倉內(nèi)石英砂從上到下厚度分別為15、15、20 mm。鋪設(shè)l.0 mm厚的彩色石英砂(染色后的石英砂不改變其物性)薄層插入模型作為標(biāo)志層，方便實(shí)驗(yàn)者觀察和測量模擬倉內(nèi)的構(gòu)造變形過程。在模型上方和正前方布置攝像系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

圖1 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure physical simulation experiment device

1.1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

右端動力缸體固定，在1#動力缸體施加的水平拉伸力作用下，左端動力缸體勻速(V實(shí)驗(yàn)=0.005 mm/s；L總拉伸量=100 mm)拉伸固定在擋板底部的帆布，對模擬倉砂層施加拉伸力模擬地層水平伸展運(yùn)動，模擬倉內(nèi)砂層形成正斷層(圖2)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)4次避免偶然因素影響實(shí)驗(yàn)精度并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

A(100.87，83.79)、B(100.87，80.11)、C(100.87，76.43)為斷層破碎帶內(nèi)3個(gè)觀測點(diǎn)；A′(95.34，83.79)、B′(95.34，80.11)、 C′(95.34，76.43)和A″(104.54，83.79)、B″(104.54，80.11)、C″(104.54，76.43)為斷層面兩側(cè)裂縫發(fā)育帶內(nèi)的觀測點(diǎn)圖2 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)過程圖Fig.2 Process diagram of structural physical simulation experiment

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

粒子圖像測速技術(shù)(particle imaging velocity，PIV)，使用數(shù)字相機(jī)拍攝片光照明流場照片得到前后兩幀粒子圖像，對圖像中的粒子圖像進(jìn)行精密的互相關(guān)計(jì)算，得到流場內(nèi)一個(gè)切面內(nèi)定量的速度場分布數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)處理(Tecplot 360)得到各點(diǎn)的速度以及速度場云圖如圖3所示。

圖3 總速度、水平方向速度、豎直方向速度、 垂直屏幕方向速度的速度場云圖Fig.3 Cloud diagram of velocity field of total velocity, horizontal velocity, vertical velocity, and vertical screen direction velocity

實(shí)驗(yàn)每隔30 ms采集1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程中玻璃擋板不可避免會出現(xiàn)輕微的震動、試驗(yàn)臺的震動，以及模擬倉內(nèi)砂層的頂面空氣擾動等都會影響粒子成像測速技術(shù)的精度，因此，本次實(shí)驗(yàn)舍棄玻璃擋板附近2 cm內(nèi)和模擬倉砂層頂面1 cm內(nèi)粒子成像測速數(shù)據(jù)，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 傾角的形成和演化

斷層線與水平投影線之間的夾角稱為傾斜角。在本次實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的速度場(圖3)，計(jì)算傾角的公式為

(1)

式(1)中：α為傾角，(°)；v為豎直方向速度，m/s；u為水平方向速度，m/s。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M倉設(shè)計(jì)為水平受力，即v= 0，因此模擬倉內(nèi)砂層未產(chǎn)生斷裂前α=arctan(v/u)=arctan(0/u)=0°，所以α≠0°是模擬倉內(nèi)砂層各測量點(diǎn)斷裂產(chǎn)生的標(biāo)志，傾角的絕對值反映了斷裂程度的大小。分析正斷層形成演化階段各個(gè)測量點(diǎn)斷裂傾角的變化特征(圖4)，可知：α≠ 0°現(xiàn)象最先在模擬倉內(nèi)砂層的頂(65.40 mm)、底(91.15 mm)位置出現(xiàn)，表明砂層最先產(chǎn)生破裂的位置為頂、底部位，并不是砂層的內(nèi)部[圖4(a)～圖4(c)]。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行、拉伸量(L拉伸量)逐漸增大，砂層中上部(83.79 mm)出現(xiàn)α≠0°現(xiàn)象并向下延展，正斷層有“自上而下”破裂產(chǎn)生斷層面的趨勢[圖4(d)]。斷層面產(chǎn)生后，隨著L拉伸量進(jìn)一步增大，斷層面內(nèi)傾角變化雜亂無章，無明顯規(guī)律[圖4(e)～圖4(h)]。

圖4 不同時(shí)期的正斷層斷裂傾角位置分布Fig.4 Distribution of normal fault dip angles in different periods

通過實(shí)驗(yàn)可知，模擬倉內(nèi)斷層面產(chǎn)生位置為X=105.46 mm(圖2)。斷層面內(nèi)斷層主要發(fā)育高角度傾角(65°<α≤90°)，表明強(qiáng)變形區(qū)域集中于剪切面(圖5)；將斷層面兩側(cè)外推一個(gè)單元格所夾持的范圍定義為斷層破碎帶(104.54～106.38 mm)，斷層破碎帶內(nèi)各個(gè)測量點(diǎn)斷裂傾角(α)和埋深(L)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即隨著埋深(L)的增加，傾角(α)逐漸減小(圖6)；將斷層面兩側(cè)外推三個(gè)單元格所夾持的范圍定義為裂縫發(fā)育帶(102.70～107.30 mm)，裂縫發(fā)育帶內(nèi)，距離斷層面等間距位置的斷裂傾角(α)隨埋深(L)有“多期遞減”現(xiàn)象，表明正斷層及其伴生裂縫的發(fā)育程度不僅和距離斷層的距離(D)相關(guān)，而且受到埋深(L)的控制(圖7)。將斷層面兩側(cè)外推三個(gè)單元格以上范圍定義為損傷帶。受到斷層構(gòu)造影響并產(chǎn)生破裂的損傷帶內(nèi)斷裂傾角(α)在70°～90°為35%，0°～10°為14%，高角度和低角度為優(yōu)勢傾角范圍(圖8)。

圖5 斷層面內(nèi)傾角分布圖Fig.5 Distribution of the dip angle in the fault plane

圖6 斷層破碎帶內(nèi)傾角隨埋深關(guān)系Fig.6 Relationship between the dip angle in the rupture zone and the buried depth

圖7 裂縫發(fā)育帶內(nèi)斷層傾角與埋深的關(guān)系Fig.7 The relationship between the dip angle in the fracture zone and the buried depth

圖8 損傷帶內(nèi)的傾角分布Fig.8 Distribution of the dip angle in the damage zone

2.2 斷層距離的形成和演化

斷層上、下盤上同層位兩點(diǎn)位移后的垂直距離叫斷層距離或斷距?；趯?shí)驗(yàn)獲得的總速度云圖(圖3)，通過Tecplot 360軟件計(jì)算得到橫向上相鄰兩觀測點(diǎn)之間的斷距(ΔL)，即

ΔL=S(i+1，j)-S(i，j)=[Vz(i+1，j)-Vz(i，j)]Δt

(2)

式(2)中：ΔL為橫向上相鄰兩觀測點(diǎn)之間的斷距，m；S(i+1，j)，S(i，j)為橫向上相鄰兩觀測點(diǎn)的位移量，m；Vz(i+1，j)，Vz(i，j)為橫向上相鄰兩觀測點(diǎn)的總速度，m/s；Δt為實(shí)驗(yàn)記錄間隔，30 ms。

按照表1設(shè)計(jì)的空間尺度相似比(L*)將正斷層構(gòu)造物理模擬模型斷距換算成地質(zhì)原型斷距，以方便與油氣田內(nèi)的真實(shí)斷距相對比。統(tǒng)計(jì)正斷層不同形成演化時(shí)期的斷距(ΔL)可知：模擬倉內(nèi)砂層中上部最先出現(xiàn)明顯斷距(ΔL)；隨著拉伸量(L拉伸量)的增大，斷距(ΔL)不斷增大，斷裂向砂層下部延展；斷層下部斷距大、斷裂程度明顯大于上部；斷層成核的起點(diǎn)在中上部斷層段，下斷層段的錯(cuò)動是由中上部斷層段錯(cuò)動觸發(fā)引起(圖9)。斷距并不均等，分布范圍為4.66～16.31 m，斷距的雙峰值分別為15.23 m和16.31 m，斷距分布呈“雙峰”特征(圖10)。

圖9 不同時(shí)期的正斷層斷距分布Fig.9 Distribution of the normal fault displacement in different periods

3 討論

以應(yīng)變和應(yīng)力的形式貯存在物體中的勢能即為應(yīng)變能，又稱變形能。對于釋放的應(yīng)變能，可以利用多種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，例如統(tǒng)計(jì)其時(shí)空分布規(guī)律、密度、總量、釋放率，頻次-能量關(guān)系等的演變規(guī)律[25]。正斷層發(fā)育模式和形成演化的實(shí)質(zhì)是地層巖石中彈性能量的積聚和突然釋放過程，其形成是最大變形和累積能量耗散共同作用的結(jié)果。在水平拉伸力作用下，可以將運(yùn)動微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰科胶夥匠蘙26]。單自由度體系的運(yùn)動微分方程為

(3)

式(1)各項(xiàng)對相對位移x，在時(shí)間[0，t]內(nèi)積分，得到單自由度體系的相對能量平衡方程，即

(4)

式(4)中：EI為地層巖塊積累的應(yīng)變能，J；Ek為地層巖塊的相對動能，J；ED為地層巖塊的阻尼耗能，J；EH為地層巖塊的滯回耗能(結(jié)構(gòu)變形能)，J；m為單自由度體系質(zhì)量，kg；veq為單自由度體系內(nèi)的速度，m/s。

(5)

式(5)中：w為應(yīng)變能密度；σij為各個(gè)方向的應(yīng)力分量；εij為各個(gè)方向的應(yīng)變分量；ρ為單自由度體系中巖石密度；V為地層巖塊的總體積。

3.1 正斷層形成和演化的階段

以模擬倉的拉伸量(L拉伸量)變化量劃分正斷層模型的形成演化階段；以正斷層模型中心位置的應(yīng)變能密度(w)曲線突變點(diǎn)作為劃分正斷層形成演化階段的標(biāo)志(圖11)。正斷層形成演化階段可劃分為斷層初始期、斷層孕育期、斷層形成(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)期、斷層穩(wěn)定期4個(gè)主要時(shí)期。斷層初始期(L拉伸量=0～3.825 mm)，正斷層模型中心位置開始出現(xiàn)應(yīng)變能密度緩慢增加現(xiàn)象，應(yīng)變能密度小于0.003×106J/m3。斷層孕育期(L拉伸量=3.825～6.12 mm)，應(yīng)變能密度快速增加，達(dá)到斷層初始期的33倍，平均應(yīng)變能密度為0.099×106J/m3。斷層形成Ⅰ期(L拉伸量=6.12～7.65 mm)，應(yīng)變能經(jīng)過孕育期的不斷積累，平均應(yīng)變能密度達(dá)到峰值(wmax1=2.218×106J/m3)后開始釋放，隨著應(yīng)變能釋放，應(yīng)力差逐漸變小，當(dāng)其趨向于零或小于滑動阻力時(shí)，一次斷層作用即告終止；wmax1為應(yīng)變能持續(xù)積累后首次釋放的破裂極限值，模擬倉內(nèi)砂層剖面觀察到局部斷裂現(xiàn)象。斷層形成Ⅱ期(L拉伸量=7.65～9.18 mm)，隨著應(yīng)變能釋放后的再次積累，觀察到局部未貫穿斷裂面，斷層形成進(jìn)入Ⅱ期；Ⅱ期應(yīng)變能密度峰值(wmax2=5.140×106J/m3)是Ⅰ期應(yīng)變能密度峰值的2.3倍，表明地層發(fā)生大規(guī)模斷裂時(shí)能量積累難度大于發(fā)生小規(guī)模斷裂。斷層形成Ⅲ期(L拉伸量=9.18～10.71 mm)，Ⅲ期應(yīng)變能積累量最大，釋放率最高，觀察見貫穿斷裂面；應(yīng)變能密度峰值(wmax3=8.024×106J/m3)，是Ⅰ期應(yīng)變能密度峰值的3.6倍，是Ⅱ期應(yīng)變能密度峰值的1.5倍；斷層形成期劃分為3個(gè)亞期，“亞期”之間應(yīng)變能密度增量近似相等，分別為2.922×106J/m3和2.884×106J/m3。斷層穩(wěn)定期(L拉伸量=10.71～15.3 mm)，地層應(yīng)變能密度保持基本穩(wěn)定，平均應(yīng)變能密度為0.406×106J/m3；雖然斷層進(jìn)入穩(wěn)定期，但是地層應(yīng)變能水平仍高于斷層形成前(w<0.003×106J/m3)的水平。

圖11 正斷層中心位置的應(yīng)變能密度變化曲線圖Fig.11 Variation curve of strain energy density at the center of normal fault

3.2 正斷層帶內(nèi)巖石應(yīng)變能變化特征

研究顯示傾角是各測量點(diǎn)斷裂產(chǎn)生的標(biāo)志，其絕對值大小反映斷裂程度強(qiáng)弱。斷層面內(nèi)傾角主要為高角度，顯然斷層面內(nèi)斷裂程度最為劇烈；斷層破碎帶內(nèi)傾角和埋深呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可以用埋深定量反映斷層破碎帶內(nèi)斷裂程度；裂縫發(fā)育帶內(nèi)傾角受到埋深、距離斷層的距離兩個(gè)因素控制。由于斷層面相比斷層破碎帶和裂縫發(fā)育帶規(guī)模較小，主要分析斷層破碎帶、裂縫發(fā)育帶內(nèi)應(yīng)變能密度變化特征(圖12，表2)。

表2 巖石內(nèi)應(yīng)變能釋放時(shí)間、位置和峰值統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical of release time, position and peak value of strain energy in rock

圖12 斷層破碎帶、裂縫發(fā)育帶應(yīng)變能密度變化Fig.12 Variation of strain energy density of the rupture zone and the fracture zone

(1)裂縫發(fā)育帶內(nèi)應(yīng)變能非均勻積累。斷層上盤比下盤最先積累起明顯的應(yīng)變能。

(2)上、下盤應(yīng)變能首次釋放的時(shí)間、峰值、釋

放率不同。下盤首次應(yīng)變能釋放的峰值小于上盤，時(shí)間晚于上盤，但釋放率高于上盤。

(3)應(yīng)變能在地層中部位置最先累積，其次是上盤，最后是下盤，斷層的形成具有“自上向下”的延伸趨勢。

(4)整體上，上盤區(qū)域?yàn)樾∫?guī)模周期性的應(yīng)變能“積累-釋放-積累”；斷層破碎帶首次應(yīng)變能釋放率最低，殘留的應(yīng)變能較高，應(yīng)變能短時(shí)間積累后進(jìn)入下一個(gè)能量釋放時(shí)期；下盤區(qū)域首次應(yīng)變能釋放率高，需經(jīng)歷長時(shí)間應(yīng)變能積累才能進(jìn)行二次能量釋放。

平面上，正斷層形成前應(yīng)變能最先在地層中部位置積累增加，地層中部位置具有最大的應(yīng)變能積累速率并以此為中心遞減。隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷作用，地層內(nèi)積累起明顯應(yīng)變能的區(qū)域范圍逐漸增大，此時(shí)積累的應(yīng)變能值較小[圖13(a)]。隨著水平拉伸的不斷作用，地層中有明顯應(yīng)變能積累的范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)變能值也逐漸增大。在應(yīng)變能整體增大的同時(shí)，局部地層也有應(yīng)變能釋放現(xiàn)象，主要集中在斷層面中部[圖13(b)]。隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷作用，應(yīng)變能沿?cái)鄬用婵v向深度不均勻釋放，應(yīng)變能最大釋放區(qū)域位于斷層面中部左右兩側(cè)，地層中部釋放應(yīng)變能的同時(shí)地層頂部、底部繼續(xù)累積能量[圖13(c)]。當(dāng)積累的應(yīng)變能大于地層所能承受的極限，地層發(fā)生破裂釋放應(yīng)變能，引發(fā)地層斷裂和位置錯(cuò)動形成正斷層。斷層面形成后，應(yīng)變能被斷層面“塑性涂抹作用”消耗，此時(shí)應(yīng)變能積累緩慢，斷層面上下兩側(cè)各有一個(gè)應(yīng)變能積累區(qū)域[圖13(d)]。應(yīng)變能首次釋放后，由于“塑性涂抹效應(yīng)”消耗應(yīng)變能，斷層面以下為能量釋放，斷層面以上為應(yīng)變能積累，應(yīng)變能釋放區(qū)域和積累區(qū)域范圍均不斷向下發(fā)展，斷層進(jìn)入生長期，斷距增大[圖13(e)]。正斷層形成后，斷層下盤頂部區(qū)域處于裸露狀態(tài)的范圍不斷擴(kuò)大，不宜積累應(yīng)變能，斷層下盤應(yīng)變能積累范圍不斷縮小，斷層下盤區(qū)域內(nèi)的地層逐漸趨于穩(wěn)定。斷層上盤區(qū)域受到構(gòu)造應(yīng)力的不斷作用，一直處于應(yīng)變能積累和釋放的活躍狀態(tài)[圖13(f)]。

圖13 正斷層垂直剖面上的應(yīng)變能密度變化圖Fig.13 Variation diagram of strain energy density on vertical section of normal fault

應(yīng)變能的積累和釋放與斷層形成在時(shí)間上具有一致性，應(yīng)變能峰值其釋放率決定了斷裂規(guī)模。正斷層形成后殘余應(yīng)變能以小規(guī)模的次級斷裂、褶皺或階梯狀斷層的形式逐漸釋放，破裂主要在存儲了高應(yīng)變能的上盤局部區(qū)域產(chǎn)生。從能量的角度，地層應(yīng)變能的積累和釋放是形成斷層的主要內(nèi)因。

3.3 物理模擬實(shí)驗(yàn)的適用性討論

實(shí)驗(yàn)為了降低情況復(fù)雜度，實(shí)驗(yàn)為抽象簡化模擬，材料限制為脆性材料、層內(nèi)均勻、無內(nèi)部損傷、無應(yīng)力集中破壞點(diǎn)，不考慮疲勞等因素。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃雎粤吮姸啻我蛩?，對?gòu)造原型進(jìn)行了大幅度抽象簡化，忽略的次要因素對實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響仍需進(jìn)一步討論。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀纯紤]重力作用，對于大規(guī)模的正斷層，重力在地質(zhì)時(shí)間下的橫向作用對斷層深部力學(xué)平衡具有很大影響，但對斷層形成擴(kuò)展的趨勢和結(jié)果的影響仍不清楚[27-28]。重力在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)中僅表現(xiàn)為垂向作用和在彈性介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向壓力，無法模擬流體靜壓的影響。設(shè)想后續(xù)實(shí)驗(yàn)通過加載上覆均勻應(yīng)力模擬地層重力作用，研究斷層深部力學(xué)平衡對正斷層形成擴(kuò)展的趨勢的影響能力。

雖然絕大多數(shù)正斷層的演化變形過程是緩慢的，但是依舊存在重力、地震等高速作用下產(chǎn)生正斷層的可能性。實(shí)驗(yàn)中拉伸速度為定值，尚不能認(rèn)定正斷層形成演化與加載速率無關(guān)。因此本文結(jié)論僅適用于可以用低速模擬的正斷層。

4 結(jié)論

正斷層面內(nèi)主要發(fā)育高角度傾角；斷層破碎帶內(nèi)斷裂傾角和埋深呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；裂縫發(fā)育帶斷層傾角隨埋深有“多期遞減”現(xiàn)象，裂縫的發(fā)育程度不僅和距離斷層的距離相關(guān)而且受到埋深的控制；損傷帶內(nèi)高角度和低角度傾角均為優(yōu)勢斷層傾角。

砂層中上部最先出現(xiàn)明顯斷距；斷距不斷增大后斷裂向砂層下部延展；斷層下部斷距、斷裂程度明顯大于上部；斷層成核的起點(diǎn)在中上部斷層段，下斷層段的錯(cuò)動是由中上部斷層段錯(cuò)動觸發(fā)引起；縱向上斷距并不均等，斷距分布呈“雙峰”特征。

正斷層開始形成前，斷層破碎帶區(qū)域最早破裂，上盤次之，其后為下盤。應(yīng)變能的釋放時(shí)間決定了斷裂產(chǎn)生時(shí)機(jī)，應(yīng)變能釋放率決定了斷裂規(guī)模。正斷層形成演化階段可劃分為斷層初始期、斷層孕育期、斷層形成(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)期、斷層穩(wěn)定期4個(gè)主要時(shí)期，不同時(shí)期的應(yīng)變能密度峰值有1～3個(gè)數(shù)量級的差異。正斷層形成后，殘余了高應(yīng)變能的上盤區(qū)域以多種形式逐漸釋放應(yīng)變能；從能量的角度，地層應(yīng)變能的積累和釋放是斷層發(fā)育的主要內(nèi)因。