云南洱源碎屑岩层系构造裂缝密度影响因素

金文正，白万奎

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.非常规天然气能源地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京 100083；3.中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东 东营 257000)

构造裂缝是常见的地质构造类型之一，在不同地质环境中广泛发育，由于构造裂缝形成与演化与区域应力场关系密切，同时又可以成为地质流体矿产富集的主要场所，所以对于构造裂缝的形成机制和分布预测具有重要的理论意义和实践指导作用。目前关于构造裂缝预测有多种方法，比如地球物理学方法[1-2]，包括测井方法、地震方法、重力方法等；构造应力场或应变场数值模拟[3]，包括应力场数值模拟和有限变形数值模拟等；构造物理模拟[4]和常规地质方法[5]。本次以地热能资源十分丰富的云南省大理州洱源县为研究区[6]，通过野外地质调查获得地表岩层露头的构造裂缝发育密度，分析和预测这些层系构造裂缝分布特征，并探讨影响这些层系构造裂缝发育密度的主要影响因素，旨在为该地区后期地热能资源勘探有利区的确定提供一定的参考依据。

1 区域地质背景

1.1 构造背景

云南省位于印度板块与上扬子地块碰撞后形成的多条大型断裂带密集分布区域，其中云南省大理白族自治州(简称：大理州)位于红河断裂带北东端，是青藏高原东南缘地壳物质挤出变形的重要调节区域[7-11]，区内断裂构造发育(图1-A)，一组与鹤庆-洱源断裂总体走向一致呈北东向，另一组与红河断裂带走向一致呈北西-北北西向[12]；按断层性质将断裂划分为走滑断裂、逆冲断裂和张性断裂[13-14]。洱源县断裂同样具多期性、多方向性、多极性等特征(图1-B)[15-16]。其中北西走向断裂多被北东走向断裂切割，两种走向断裂不仅具有同一构造应力场形成的特征，在后期(喜马拉雅时期以来)的构造运动中，尤其是新构造运动中，形成大量的北东走向断裂，具有至少两个时期“构造位移”的积累。

图1 云南洱源县区域构造纲要简图Fig 1. Outline Map of Regional Tectonics in Eryuan County，Yunnan Province

1.2 沉积地层

大理州位于上扬子板块边界[17-18]，元古代以来地层发育较为齐全[19]，洱源县除寒武系之外，从元古界至第四系均有出露，最老元古界(苍山群)出露于罗坪山，其东西两侧分别为罗坪山断裂和维西-乔后断裂，新生代地层主要分布于洱源盆地及周缘局部地区。平面上，地层展布受断裂影响明显(图1)，在维西-乔后断裂带以西地区，地表主要出露中生界和新生界；维西-乔后断裂带与北排-正生村断裂带间主要为元古界变质岩系，局部发育二叠系玄武岩及新生界；鹤庆-洱源断裂带以西地区，地表主要出露古生界(寒武系除外)；在鹤庆-洱源断裂带及北排-正生村断裂带以东地区，主要为新生界、三叠系和二叠系玄武岩，新生界主要分布于洱源盆地，三叠系出露于南大坪断裂带以东区域，洱源县东南端主要为二叠系玄武岩和第四系覆盖。

2 研究方法

预测构造裂缝有地球物理学方法、构造应力场或应变场数值模拟、构造物理模拟和常规地质方法等多种方法。本次研究采用常规地质方法，选取35个野外地质露头观测点(图1-B)，以洱源县白垩系、三叠系、泥盆系和志留系等四个主要碎屑岩层系为研究对象，通过野外地质调查，收集记录岩层露头构造裂缝数据，包括露头所属地质年代、岩性特征、单层地层厚度、构造裂缝产状、延伸长度及宽度等内容，根据裂缝分布特征识别出共轭裂缝，记录其各自相关数据，结合区域地质调查成果图件(1：20万和1：5万地质图)和观测点周边断裂分布，记录每个观测点与周边最近断裂的距离，通过数学拟合方式，分析各个观测点构造裂缝发育密度与断裂距离、地层单层厚度间的各自函数关系，总结露头区构造裂缝发育规律，应用于覆盖区深部地层构造裂缝的预测。

3 预测结果

(1)白垩系构造裂缝预测结果：白垩系构造裂缝密度随断裂带距离之间的函数关系表明，二者之间为负相关特征，反映出断裂带对裂缝发育密度的影响十分明显(图2-左上图)，随着距离断层距离增大，构造裂缝密度明显降低，其中1km范围可作分界线，距离断裂1km以上区域，断裂对构造裂缝密度影响变化缓慢，超过4km以上区域，基本上已经无影响。

图2 主要层系裂缝密度与断层距离之间的关系Fig 2. The Relationship Between heFracture Density and The FaultDistance in The Main Strata

洱源县西侧地区为白垩系构造裂缝发育的有利区，构造裂缝密度预测图与断裂分布图叠合(图3-左上图)，发现不同走向断裂带交汇区域，裂缝密度发育较大，断裂的形成与构造应力场密切相关。反映不同方向构造应力场叠加有助于构造裂缝的形成。裂缝发育预测图与现今浅部褶皱分布图叠合，发现褶皱对构造裂缝的发育也具一定影响，在褶皱构造中间区域构造裂缝并不明显，褶皱构造倾末端为裂缝发育的主力地区。在多个褶皱构造相互衔接的区域，也是裂缝发育的主力地区。

图3 洱源县主要层系裂缝发育密度与断裂褶皱叠合图Fig 3.The Superimposed Map of The Fracture Density Development and Fault and Folds in The Main Strata of Eryuan County

(2)三叠系构造裂缝预测结果：与白垩系相似，三叠系构造裂缝密度随断裂带距离之间同样表现为负相关特征(图2-右上图)，不同的是距离断裂800m位置可作分界线，距离断裂800m内，随断层距离增大，裂缝密度急剧降低，超过800m区域，裂缝密度降低的速度变缓。

三叠系裂缝在洱源县西北地区和西南地区较为发育(图3-右上图)，主要原因是这两个地区断裂构造和褶皱构造相对更为发育，并且分布至少两组不同走向的构造变形行迹。且这两个区域三叠系顶部覆盖有白垩系，在三营镇东侧地表出露三叠系，表明上覆有沉积盖层的区域对裂缝的发育有一定的促进作用。

(3)泥盆系构造裂缝预测结果：泥盆系构造裂缝密度与断裂距离同样表现为负相关(图2-左下图)，但是裂缝密度变化的分界线大约在距离断层500m，相比白垩系和三叠系，该分界线又进一步缩小。构造裂缝预测结果表明，洱源县乔后镇及其北侧区域为泥盆系裂缝发育有利区(图3-左下图)，如前所述，这与不同走向断裂构造的分布、褶皱构造展布具相关性，且随着深度增加，地表构造对于深部地层裂缝的影响逐渐减小。

(4)志留系构造裂缝预测结果：数学分析结果表明，志留系构造裂缝密度与断裂距离同样表现为负相关(图2-右下图)，但与前述三套地层不同的是，未发现存在构造裂缝密度降低速率变化的分界线，此外，志留系裂缝在洱源全县均有分布(罗坪山地区除外)，在洱源最北部裂缝密度显著增大，其主要原因应该是，地表出露志留系，且志留系为薄层泥岩或中薄层板岩等，属于具韧-脆性变形特征的非能干性地层，地表及浅部构造变形以脆性变形为主，容易形成构造裂缝，随深度增加，地表构造对深部志留系裂缝影响甚微，深部更多表现塑性变形，较难形成有效构造裂缝。

关于志留系裂缝分布与现今褶皱及断裂构造关系(图3-右下图)，认为现今地表构造与深部地层构造裂缝关系不明显，可能是因为地表构造与地下深部地层构造裂缝之间距离较大，未能起到有效的控制作用。

4 影响因素及误差分析

4.1 裂缝发育密度影响因素

影响洱源县构造裂缝密度的因素主要有：地层单层厚度、周边断裂影响、地层埋藏深度及断裂交汇点或者曲率发生转变的区域。

(1)地层单层的厚度：据前人研究成果，岩层厚度越大，构造裂缝面密度越小，但裂缝规模较大[20]，且碎屑岩颗粒大小对裂缝也有影响[21]。洱源县上述4套地层，分析结果表明(图4-左上图)，埋藏深度相对较浅的白垩系，构造裂缝密度与地层厚度显示出弱正相关性，其中R2仅0.217，所以此函数关系仅供参考，表明近地表条件下，地层厚度的增大在一定程度上有助于构造裂缝的形成，但存在多种因素影响，其中地层厚度未表现出可靠的函数关系；埋深逐渐增大的三叠系，地层单层厚度逐渐表现出与构造裂缝存在负相关性，随地层埋深加大；泥盆系和志留系单层厚度增大明显降低了构造裂缝的发育(图5)。需要提及的是，由于这4套地层存在岩性差异，故未对其进行构造裂缝密度的直接对比，因为岩性及厚度不同共同导致力学性质不同，不存在直接对比的意义。

图4 主要地层裂缝密度与地层单层厚度关系图Fig 4. Relationship Between the Fracture Density in Major Strata and The Thickness of A Single Layer of Strata

图5 主要层系裂缝密度与断裂距离及单层厚度关系对比分析Fig5. Comparative Analysis of The Relationship Between Fracture Density， Fracture Distance，And Single-Layer Thickness of Main Layers

(2)周边断裂影响：构造裂缝预测结果表明，断裂对构造裂缝具有明显的控制作用，但是4套层系中断裂与构造裂缝密度具有不同的函数关系，其中白垩系、三叠系和泥盆系呈现对数函数关系，不同层系具有不同的裂缝递减速率分界点(图5)，其分界点自白垩系至泥盆系逐渐降低，表明随着地层埋深的增大，断裂周围所形成的构造裂缝范围逐渐缩小，对于埋深较大的志留系而言，断裂的影响逐渐减小，未出现分界点。

(3)地层埋藏深度：地层单层厚度和断裂对构造裂缝的影响都与地层埋藏深度密切相关，白垩系、三叠系、泥盆系和志留系的地层埋藏深度由浅逐渐加深，构造变形以脆性变形为主逐渐过渡到深部的塑性变形，中浅部断裂对裂缝密度影响大，受地表条件影响较大，温压及地质流体影响较小；随着埋深的增大，志留系构造变形以塑性为主，断裂对裂缝密度影响小，而此时应该是温度、压力及地质流体影响更为明显。

(4)断裂交汇点或曲率发生转变区域：构造裂缝与断裂、褶皱叠合关系表明，断裂交汇点或地层曲率发生转变的区域是裂缝发育有利区，这些区域实际上是构造应力发生转换或叠加区域，可以认为洱源县所经历的多期构造应力场转换或者构造应力叠加有助于构造裂缝的形成，不同方向断裂交汇部位及走滑断裂带走向发生转换区域，多个褶皱或断裂呈现雁列式展布的区域也可以成为构造裂缝发育区。

4.2 误差分析

(1)文中所统计构造裂缝都是针对地表出露地层，与断裂和褶皱构造数学拟合关系也是基于现今地表构造，深部地层预测是根据地表所得到的函数关系式，根据断裂距离反推而得到构造裂缝密度，由浅部获得的函数关系沿用至深部地层，可能会存在一定的误差，由于没有钻探深部地层岩心构造裂缝数据，无法验证和修正，故本文分析结果可能存在一定误差。

(2)洱源县不同走向的断裂较多，致使不同地区、不同岩性可能具有更为细致的构造裂缝密度差异特征，需要大量的实测数据才能降低实验模拟误差和人为测量误差，研究区内地形复杂，岩石陡峭，部分区域很难获得实测数据，也会对模拟结果造成一定的影响。

5 结 论

(1)在平面上，洱源县西部及中北部地区为白垩系、三叠系等主要碎屑岩层系构造裂缝发育有利区，构造裂缝与现今断裂关系密切，观测点与周边断裂的距离与构造裂缝密度为负相关，其中白垩系、三叠系和泥盆系断裂能够显著影响构造裂缝密度的距离分别为1km、0.8km和0.5km。

(2)随着地层埋深的增大，地层单层厚度逐渐表现出与构造裂缝存在负相关性，构造变形从脆性变形过渡到塑性变形，中浅部地区断裂对裂缝密度影响明显，温压及地质流体影响较小，深部地层断裂对裂缝密度影响小，而温度、压力及地质流体影响更为明显。

(3)构造应力发生转换或叠加区域为构造裂缝发育有利区，表现为在不同方向断裂交汇部位、走滑断裂带走向发生转换以及多个褶皱或断裂呈雁列式展布等区域具有较高的构造裂缝密度。

致谢：在此特别感谢中国地质大学(北京)张金川教授、以及香港中文大学(深圳)谭慧副研究员在本次研究过程中所提供的帮助及学术讨论，感谢地热科学技术(大理)研究院有关领导在野外工作及地质研究中提供的便利条件，另外也感谢本论文审稿人及编辑部老师提出的修改意见及辛苦付出。