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准噶尔盆地南缘西部多排断褶带实验模拟与因子分析

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准噶尔盆地南缘西部多排断褶带实验模拟与因子分析

作者:熊连桥 赵进雍 周天斌 邓有根 来源:《科技资讯》 2013年第15期

熊连桥1 赵进雍2 周天斌3 邓有根4

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249;2.中国石油新疆油田石西油田作业区 新疆克拉玛依 834000;3.中国石油青海油田格尔木社区管理中心 青海格尔木 816000;4.中国石油吐哈油田井下技术作业公司 新疆哈密 839009)

摘 要:准噶尔盆地南缘发育多排断褶带,具有南北分带,上下分层的特点。侏罗系的煤层和古近系的泥岩层是两个软弱岩层,根据后缘挤压、前缘双层滑脱的模式论文设计了四组物理模拟实验,模拟了多排断褶带的发育情况。实验结果表明滑脱层以上的地层越厚,滑脱层越显塑性越容易滑脱,滑脱层越厚越容易滑脱。在此基础上笔者提取了四组实验的数据,建立相关矩阵,采用因子分析法,对相关矩阵的结构进行分析。认为该区域断层发育受两大因素控制:第一类:盖层厚度和滑脱层厚度的综合影响;第二类:基底存在和滑脱层性质的综合影响。第一、二排背斜带发育受第一类因素控制,第三排背斜带处于两类因素控制的过渡带,第四排背斜带发育受第二类因素控制。侏罗系煤层的存在为第四、第五排背斜的形成创造了条件。

关键词:准噶尔盆地南缘 多排断褶带 物理模拟 因子分析 相关矩阵

中图分类号:P618 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)05(c)-0134-04

近年来,构造物理模拟实验在油气盆地构造研究方面取得了显著成效。构造物理模拟实验为油气盆地构造的形成过程和成因机制研究提供了基础依据,在区域构造和局部构造分析基础上,通过物理模拟方法再现构造形成过程,建立合理的构造解释模型已经成为一种有效的研究思路。前人对准噶尔盆地南缘构造变形特点及变形的主控因素开展了深入研究,但对于该地区的研究还处于定性解释和物理模拟验证阶段,在一定程度上对构造解释模型的建立缺乏准确性。因子分析方法在地质学中的应用主要集中在地球化学、沉积相研究和矿物岩石学等方面。笔者将其应用到构造地质学中,首先通过设计物理模拟实验再现了准噶尔盆地南缘多排断褶带的发育情况,再试图通过实验数据分析、定量的探讨控制该区构造带发育的因素。

1 准噶尔盆地南缘构造概况

准噶尔盆地南缘东西长约500 km,南北宽约100 km,是地层发育齐全、构造变形独具特色的地区。由于边界条件和各期构造作用的方式、应力方向不尽相同,在南缘地区的不同地段构造变形特点具有显著差异,大致以乌鲁木齐为界分为东、西两个构造带。其中,南缘西部构造带发育多排褶皱-断裂带组合,平面上呈斜向“瓦垅”状构造(图1)[1]。这种斜列的瓦垅构造带主干断裂为天山北缘断裂,分支构造为压扭性断层和褶皱。剖面上为隔挡式褶皱,即背斜紧闭、向斜开阔。燕山期以来,特别是喜山期右行压扭应力作用下,中、新生代地层沿侏罗系煤层和古近系高塑性泥岩层发生滑脱并弯曲形成了5个断裂背斜构造带。综合前人研究成果,我们认为准噶尔盆地南缘西部构造模式属于后缘挤压、前缘双层滑脱模型(图2)。

2 物理模拟实验

前人对准噶尔盆地南缘的野外考察认为,沉积盖层中的两个滑脱层分别为:侏罗系的煤层和白垩系-古近系的泥岩层。地层下部,侏罗系煤层影响着较深部位地层的构造发育,而地层上部的泥岩层影响着较浅部位地层的构造发育。本实验以后缘挤压、前缘双层滑脱模式为理论依据,设计了四组挤压变形模拟实验。

2.1 实验设备与材料

模型设计:砂箱规格为78 cm(长);30 cm(宽),模型砂层高度因不同组实验所设计的滑脱层厚度和盖层厚度不同而异,模型的横向比例尺约为1∶8.4万。实验底部为刚性基底,单侧马达驱动挤压,设定挤压速率为3 mm/min(图3),实验没有设定固定的挤压量,砂层收缩至产生6~7条前展式逆冲断层时停止。

实验选用模拟地层的材料为干燥松散的黄色石英砂(粒径0.2~0.5 mm),从力学性质上讲,它是国内外通用的模拟地壳浅层次脆性构造变形的材料。滑脱层则选取玻璃粉、食盐等物理形态上与石英砂差距不大的材料。设计了四组实验,其中第一组实验为砂层与玻璃粉互层,单砂层厚度为0.6 cm,玻璃粉单层厚度为0.3 cm,从下至上依次为石英砂(2层)—玻璃粉(1层)—石英

砂(3层)—玻璃粉(1层)—石英砂(2层);第二组实验为为砂层与玻璃粉互层,单砂层厚度为0.6 cm,玻璃粉单层厚度为0.5 cm,从下至上依次为玻璃粉(1层)—石英砂(2层)—玻璃粉(1层)—石英砂(3层)—玻璃粉(1层)—石英砂(2层);第三组实验为食盐与砂层互层,单砂层厚度为0.6 cm,食盐层单层厚度为0.5 cm,从下至上依次为食盐(1层)—石英砂(2层)—食盐(1层)—石英砂(3层)—食盐(1层)—石英砂(2层);第四组实验为食盐与砂层互层,单砂层厚度为0.6 cm,食盐层单层厚度为0.5 cm,从下至上依次为石英砂(2层)—食盐(1层)—石英砂(3层)—食盐(1层)—石英砂(2层)。

2.2 实验过程与结果

各组实验在以上设计条件下都具有可重复性,能得到相同的实验数据。在此,笔者仅对第四组实验结果进行对比阐述。

马达启动后砂层首先弯曲形成褶皱,当收缩率(SR)为1.3%时,开始形成第一条逆冲断层F1,由于离推覆体近、应力集中而且大,断层F1切穿整个模型(图4A)。当收缩率(SR)为5.1%时在F1前方形成逆冲断层F2,同时在F1上盘形成与F1倾向相反的断层F3,上盘构成一楔状体(图4B)。当收缩率(SR)为6.7%时,在F2前方形成逆冲断层F4(图4C),该断层倾角比F1小并收敛于F1。可见两滑脱层已断开,力从下部滑脱层往上传递,而下部滑脱层以下地层平直。继续挤压,当收缩率(SR)为11.5%时,可见上下两滑脱层均有滑脱形成逆冲断层F5和F6的现象,而滑脱层之间的砂层仅出现弯曲而未错断(图4D)。再进一步,当收缩率(SR)为20%时,之前形成的断层F5和F6已经合二为一,并在更远的前端形成滑脱断层F7和F8(图4E),F7的断距大于F8,F8之下砂层平直说明应力在两滑脱层传播。持续的挤压至收缩率(SR)为24.1%时,F7和F8逆冲于同一断层面之上,在大断层上盘形成了一个反向的冲断层F9(图4F)。

3 实验结果数据分析

准噶尔盆地南缘西部多排断褶带实验模拟与因子分析

准噶尔盆地南缘西部多排断褶带实验模拟与因子分析作者:熊连桥赵进雍周天斌邓有根来源:《科技资讯》2013年第15期熊连桥1赵进雍2周天斌3邓有根4(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京102249;2.中国石油新疆油田石西油田作业区新疆克拉玛依834000;3.中
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