脆韧转换与断层传播的运动学耦合关系——来自东海盆地西湖凹陷的启示

《Journal of Structural Geology》:Kinematic coupling between the brittle–ductile transition and fault propagation: Insights from the Xihu Sag, East China Sea basin

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月12日 来源:Journal of Structural Geology 3.0

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   摘要脆性-韧性转变(BDT)深度对断层构造和传播具有首要控制作用,然而从常规测井数据中准确预测该界面仍然具有挑战性。为克服由砂泥岩或粉砂泥岩混合导致的测井数据中岩石强度系统性低估问题,我们开发了一种外包络线校准方法,将测井预测的破裂包络线与纯泥岩岩心测量值对齐。将该方法应用于

  

摘要

脆性-韧性转变(BDT)深度对断层构造和传播具有首要控制作用,然而从常规测井数据中准确预测该界面仍然具有挑战性。为克服由砂泥岩或粉砂泥岩混合导致的测井数据中岩石强度系统性低估问题,我们开发了一种外包络线校准方法,将测井预测的破裂包络线与纯泥岩岩心测量值对齐。将该方法应用于西湖凹陷(东海盆地)后,我们确定了脆性到BDT转变和BDT到韧性转变的临界围压分别为64 MPa和193 MPa,对应深度分别为3150 m和8450 m。基于校准后的BDT界面,我们揭示了其与断层系统之间存在强烈的空间及运动学耦合关系。平面视图中,断层走向与BDT深度等值线近似平行,而断层向下传播的垂向极限精确沿BDT界面的波动分布延伸,这在四个区域地震剖面上均有记录。作为力学边界,BDT界面影响断层再活化,并在渐进埋藏过程中引导断层生长。本研究提供了一种稳健、可迁移的方法,利用常规测井数据测绘BDT界面,并建立了运动学框架,以预测全球范围内伸展到走滑构造环境下断层的产状、深穿深度及再活化潜力。

引言

在全球尺度上,脆性-韧性转变(BDT)标志着地壳中具有不同流变特性的两个区域的边界(Evans et al., 1990; Violay et al., 2012)。在BDT过程中,变形的表现形式从局部集中于狭窄的断裂带和断层转变为均匀分布于整个岩体中(Meyer et al., 2019; Meyer and Violay, 2023)。在微观尺度上,应变的主要容纳机制从微裂纹转向通过位错滑移等过程使晶格发生畸变。这就是所谓的BDT(Rutter, 1986; Meyer and Violay, 2023)。控制岩石强度的基本因素是这些微观缺陷,如点缺陷、位错、孪晶、晶界和裂隙(Paterson and Wong, 2005; Liner, 2015)。它们在应力下的集体运动最终决定了岩石在构造过程中是发生破裂还是流动(Kohlstedt et al., 1995; Bürgmann and Dresen, 2008)。
泥岩作为区域性地层盖层,为流体提供渗透率屏障,其力学行为从根本上控制着断层带构造和流体流动通道。这种行为随埋深、温度和围压的增加而改变(Hamami, 1999; Fuenkajorn et al., 2012; Alqahtani et al., 2013)。盖层功能取决于其低渗透率和在应力下保持密封完整性的能力;这也是其力学行为在断层控制流体系统中至关重要的原因。在渐进埋藏且无重大隆起的情况下,泥岩经历三个流变阶段:脆性、脆性-韧性和韧性(Nyg?rd et al., 2006)。BDT对断层行为具有首要控制作用。在脆性域中,断层活动形成连通的裂隙网络,促进流体流动。相比之下,在脆性-韧性到韧性域中,塑性流动有助于沿断层平面形成连续的黏土涂抹,从而有效恢复断层的完整性(F. Wang et al., 2021)。因此,准确定义BDT界面对于预测断层构造、再活化潜力和向下传播深度至关重要。在本研究中,我们针对华光组以泥岩为主的盖层地层序列定义BDT界面。尽管纯泥岩在自然界中很少以单体层形式出现,但H1–H6中的泥岩组分(约70–85%)控制着整体力学响应,因为断层表面优先集中在最弱的岩性组分中(Childs et al., 2009; Haakon Fossen, 2016)。因此,我们将泥岩端元的BDT作为盖层剖面中断层相关变形方式发生变化的深度的替代指标。关于该方法向混合岩性地层柱应用的讨论见第3.2节"脆性-韧性转变的地力学区分"和第5.3节"不同区域脆性-韧性转变的变化"。
既往研究已从不同角度认识到BDT在断层评价中的重要性。例如,通过分析应力-应变曲线,许多脆性指数已根据单轴和 triaxial 压缩试验创建,用于表征岩石脆性(Liu et al., 2026)。在塔里木盆地库车坳陷,三轴岩石力学实验定量定义了石膏-盐岩和泥岩的脆性-韧性及韧性转变的临界围压(Fu et al., 2015)。对脆性域中低孔隙度岩石的研究也表明,变形可以显著增加其渗透率(Mitchell and Faulkner, 2009; N. Watanabe et al., 2017; Watanabe et al., 2017, 2019; Acosta et al., 2020; Heap et al., 2022)。然而,在深海盆地中,由于深部岩心样品稀缺,直接实验校准往往不可行。大多数勘探项目必须依赖基于测井的间接预测。但混合岩性(如砂泥岩互层)中估计孔隙度和渗透率的固有误差会传递到声波时差和体积密度等力学参数中,导致BDT估计的系统性误差。这一局限性不仅阻碍了BDT的准确测绘,也掩盖了BDT界面与断层系统之间的运动学关系。
为弥补这一空白,我们提出了一种地力学约束校准框架。该框架将BDT机制与基于连续测井的力学剖面相结合。我们不再依赖标准测井衍生的平均值,而是通过拟合测井衍生数据云的外包络线来重建可靠的Mohr-Coulomb破裂包络线。这有效地消除了混合岩性引入的偏差。我们在东海陆架盆地西湖凹陷中央构造带测试了该方法。该地区以复杂的构造倒转、深部超压、多期断层系统以及测井、地震和岩心测量数据的完善集成数据集为特征(Li et al., 2020; Chang et al., 2024; Lin et al., 2024)。该地区测井数据和纯度高泥岩岩心数据的可获得性为验证外包络线方法并将其应用于不同构造域提供了理想契机。
基于上述分析,本研究有两个主要目标。第一,利用外包络线校准方法定量确定西湖凹陷泥岩BDT的临界围压及对应深度。第二,记录BDT界面与晚期断层形态之间的空间关系。这种耦合关系通过断层走向与BDT等值线的空间平行性以及BDT对断层向下传播极限的控制得以体现。通过在 Western Slope(西翼斜坡)与 Central Tectonic Belt(中央构造带)等不同构造带之间验证该方法,我们提供了一种可迁移的BDT预测工作流程,适用于其他海上或数据有限的盆地。此外,我们记录的运动学耦合为预测全球范围内伸展到走滑构造环境下断层产状、深穿深度和再活化潜力提供了定量工具。

章节片段

区域地质背景

东海陆架盆地(ECSSB)位于中国东部,经历了多期构造改造,形成了复杂多样的构造特征(图1a),其中西湖凹陷是最典型的例子(图1b)。自晚中生代以来,西湖凹陷一直处于长期伸展构造带内,经历了几次从伸展到压缩的转变,导致中央构造带发育了倒转构造(Dai

数据与方法

为系统评估岩石力学性质对断层行为的影响,本研究建立了一套地力学与空间分析的综合工作流程。

结果

本节展示了目标泥岩单位的地力学定义的脆性-韧性边界及其与西湖凹陷中央构造带断层系统的空间关系。

脆性-韧性转变的微观至宏观地力学响应

泥岩的流变状态响应于变化的埋藏和构造条件而动态演化,从根本上决定断层带的构造和密封能力(Nyg?rd et al., 2006; Fu et al., 2015)。西湖凹陷泥岩的脆性-韧性阈值由临界围压64 MPa和193 MPa定义,对应埋藏深度3150 m和8450 m。本研究建立的定量阈值为更广泛的……

结论

本研究通过将泥岩的流变(脆性-韧性)行为与变形参数相结合,为西湖凹陷中央构造带断层几何形态提供了地力学约束。主要结论如下:
  • 1.
    为减轻与测井数据获取和环境屏蔽相关的固有不确定性,预测性地物理模型必须经过仔细校准。在拟合Mohr-Coulomb破裂包络线时,选择外……

资金支持声明

本工作得到新疆工学院青年人才引进启动项目(昆仑精英计划)资助(项目编号:2025XQYM044)。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系,这些利益或关系可能被认为影响了本文所报告的工作。
Sujie Yan
China University of Mining and Technology, School of Resources and Geosciences, Xuzhou, 221116, China
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