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[MOVE Suite] MOVE软件构造模拟算法:椭圆断层流(EllipticalFaultFlow)

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发表于 2020-12-19 17:39:38 | 显示全部楼层 |阅读模式


品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号第831篇原创文章
首发于2020年12月14日


1.概述


椭圆断层流构造模拟方法,是模拟和恢复具有变断距断层过程的独特方法,是MOVE软件开发的新技术,极大的丰富了MOVE软件可处理的断层类型。


此方法和其它构造模拟方法一样,都是根据野外地质露头实测数据统计分析得到的断层几何特征和断距之间的关系,预测地层的变形(Barnett等,1987;Gibson等,1989;Watterson1986)。


一般方法只能预测断层附近的断层相关褶皱,而不能预测变断距情况下的牵引褶皱,所以只能处理具有恒定断距或断距随深度加深而变化(生长断层)的断层(图1)。椭圆断层流方法的出现,解决了具有变断距的断层模拟和恢复的技术难题。


图片 1.jpg
图1(a)使用斜剪切方法正断层发育模拟,断层上盘不同位置具有均一断距;(b)使用椭圆断层流方法,断层断距随远离断层中心逐渐减小。


2.椭圆断层流方法的原理


椭圆断层流方法使用如下理论计算断层周边的位移场:断层相关变形区域的空间范围;最大断层偏移量或滑距;两种公开关系来定义随着远离断层中心而减小的断距(Barnett等,1987;Watterson,1986)。该算法使用反映断层几何形状的椭圆形来定义断层相关变形的空间范围(图2),椭圆形的大小由最大偏移点和断层尖端(Q)之间的距离以及用户定义的半径(R)控制,该半径通常可以根据地震数据或现场观察得到。MOVE软件中,使用Movement表组和Displacement Radius窗口中的上、下、左和右选项来指定此椭圆的空间范围。


图片 2.jpg

图2 使用椭圆断层流计算断距的核心参数:(a)直线正断层;(b)曲线正断层。黑色虚线内的区域表示断层相关形变的范围,彩色图显示断距,包括下盘的挠曲断距。


默认情况下,椭圆断层流方法中的断层偏移量或滑距(sn)根据Watterson (1986)发表的理想断层滑距场理论计算:


图片 3.jpg

式中,Qn为断层上任一点与最大断距点的距离,根据最大断距点到断层端点(Q)的距离进行归一化。对于任何给定的点,Qn通过识别断层上最近的点,测量断层上最近的点到最大偏移点的距离(图2)来计算,然后将该值与Q进行归一化。


随着远离断层,断距逐渐减小,直至为0。所以断距为0的点连接在一起,即形成一个椭圆形,地层只在该椭圆内部有形变。在椭圆断层流方法内,断距递减梯度根据Barnett等人在1987年发表的方程计算,公式如下:


图片 4.jpg

式中,dn为地层上的数据点距断层的距离(图2中的dj),相对于椭圆半径(R)进行归一化处理。Sn是归一化后断层断距,在断层表面的最近点根据方程1计算得到。


对于一个特定位置的点,方程1和方程2给出了归一化的位移值。在椭圆断层流方法中,可以进一步调整该值,用以考虑断层下盘由于地层向上挠曲而产生的位移(Resort 2008)。下盘位移的百分比(SFW)可以自定义(0%下盘无位移,100%上盘无位移),或者使用Gibson(1989)等人的方程根据断层倾角(θ)计算:


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下盘中的任意一点,通过将自定义的最大断层断距乘以归一化的位移值和下盘变形百分比(SFW),来计算该点的真正位移大小;上盘中数据点,位移等于自定义的最大断层断距乘以归一化位移值和上盘位移百分比(1-SFW)。


椭圆断层流方法中,可使用位于2D Move-on-Fault和Horizons from Fault工具栏中Movement界面内的Maximum Deflection Angle参数来调整计算得到的位移方向。Maximum Deflection Angle参数的意义为模拟的运动方向与断层倾角之间最大的可能差异,如果数值为0°,地层将平行于断层滑动;如果数值>0,则将定义的角度值乘以归一化的偏差系数(图3)。


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图3 不同正断层类型形的态归一化偏差系数和最大可能位移轨迹偏差


使用沿椭圆的弧长比(图3中的da和db)和据方程1、2、3计算得到的归一化位移场来计算归一化偏差系数。在椭圆的每四分之一处,当da和db相等时,最大偏差系数出现,且该值从该点开始线性递减。因此,偏差系数在断层平面和椭圆中轴处为零,并在最大断层偏移点处远离断层垂直延伸。然后,相对于归一化位移场按比例缩放计算出的偏转因子,并期望更大的位移对应更大的偏转。


以最大偏转角> 0°计算的位移矢量模拟了从许多地质力学方法(例如断层响应模型)获得的弯曲粒子路径。但是,实际上,最大偏转角为0°和> 0°时获得的结果相对相似,通常只能观察到很小的几何差异。


相反,调整椭圆的大小、最大断层断距点和断层形状,将会导致计算得到的磁层的几何形状存在明显差异(图4)。只要有可能,应通过分析基础数据来设置以上的参数;使用地层的几何拐点来定义椭圆的大小,并通过地震轴的断点来确定最大断距点和断层平面最可能的位置。


图片 7.jpg

图4 具有相同的200米滑距和45°Maximum Deflection Angle参数、不同的R/Q椭圆比、最大断距点和断层形态的正断层发育模拟结果图:a)直线正断层,R/Q椭圆比0.75,最大断距点位于断层中心;b)直线正断层,R/Q椭圆比为1.5,最大断距点位于断层中心;c)直线正断层,R/Q椭圆比为0.75,最大断距点位于断层下部;d)直线正断层,R/Q椭圆比为0.75,最大断距点位于断层上部;e)铲式正断层,R/Q椭圆比为0.75,最大断距点位于断层中心;f)犁式正断层,R/Q椭圆比为0.75,最大断距点位于断层中心。


3.正演模拟


MOVE软件提供了多种不同构造类型发育模拟技术,来解决各种复杂程度不同的地质问题。


构造发育模拟根据解释好的断层,重现地层的变形过程,可用于验证和评估解释方案的合理性。如果模拟得到的结果与解释结果不匹配,则表明解释方案可能不准确,需要仔细检查。如果匹配,那么构造发育模拟可以提供区域的构造演化或特定油气藏运移和成藏的信息。


MOVE软件中用于构造发育模拟的Horizons from Fault和2D Move-on-Fault工具均提供了人机交互和预览功能,可以方便、快捷的进行构造发育模拟。对于椭圆断层流算法,用于定义变形空间范围的椭圆形态可以进行交互式调整,地层的构造形态可实时更新,从而可以轻松地确定最合适的参数,并建立与基础数据一致的模型。此外,在Horizons from Fault工具中,可以用鼠标拖动地层沿着断层运动,来改变地层的厚度和断层最大断距(图5)。


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图5 使用断层椭圆流算法模拟墨西哥湾Baryant Canton地区一条孤立正断层,模拟结果与地震数据一致。


在MOVE软件中,可以模拟更复杂的构造,以便于更好地了解地区的构造演化史。使用2D Kinematic Modelling模块内的各种工具,在模拟过程中可考虑多条断层的影响、同生构造沉积、压实作用、均衡效应、裂谷期后的热沉降以及盐构造等。例如,使用椭圆断层流方法模拟正断层上盘褶皱核部由于逆牵引导致地层塌陷而形成的断裂系统(图6)。在建立此正演模拟模型时,用以表示前构造单元和同构造单元内地层变形程度的应变椭圆,已经加进了2D Move-on-Fault工具中Passive Objects参数栏,发育模拟运算完成后,通过测量整个剖面中变形后应变椭圆的长轴与短轴之比,来估算与背斜核部塌陷断裂系统发育相关的应变分布。当长轴和短轴的长度相似时,应变椭圆几乎没有变形,因此相对应的区域具有相对较低的应变强度。较高的应变导致圆的变形更大,长轴和短轴的长度之间存在较大差异。


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图6 铲式正断层上盘核部塌陷断裂系统正演模拟结果,彩色显示的为根据应变椭圆变形得到的应变属性强度。

4. 构造恢复


构造恢复技术可以逆转构造形成的过程,以评估不同地质时期的构造几何形态和结构。构造恢复的结果,可以提供油气系统或其它自然资源富集的有用信息,当然,也可以验证解释方案和构造模型的合理性。


大多数构造恢复工作流程中,通过测量最上面的地层偏移量来确定断层断距。在MOVE软件内,可自动计算断距,只需要在2D Move-on-Fault窗口内的Movement表单中Join Beds选项指定Footwall和Hanging Wall这两个参数即可。在椭圆断层流方法出现之前,其它构造恢复方法均假设断层在上覆地层在沉积过程中是活动的,并且沿断层的整个长度发生了恒定的位移。对于断层平行流方法,可选择多套地层加进Join Beds参数栏,并以此来计算沿断层的断距变化(图7),并可使用Options表单中的Dispalcement Lines选项控制是否在断层周围使用虚线显示,虚线与断层线的距离表示该点上盘和下盘的断距大小。使用这种图形方式显示断距的变化,可以更容易的了解断层的发育过程,并增加了断距精确恢复的可能性。


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图7 Join Beds参数内可选择多套地层来计算沿断层断距的变化


5. 应用实例


本文将使用Nova Scotia近海Scotian盆地的Penobscot断层为例,展示椭圆断层流方法的应用效果(图8)。


Penobscot断层为一条孤立的正断层,在白垩纪-新近纪地层中可观察到断距有明显变化(图8a)。钻井证实,Penobscot断层上盘白垩纪地层为富含烃类物质的优质储层(Dickey等,1997)。Penobscot断层上盘正在逆牵引作用下形成褶皱、下盘向上挠曲,并且不同地层的断距有差异。根据Penobscot断层具体的构造特征,只能使用椭圆断层流方法来恢复。


恢复工作的第一步是去除新近纪地层的压实效应。去压实后,古近纪地层顶、底界面约20米的断距差表明,Penobscot断层在新近系沉积时期活跃(图8b)。根据下伏地层计算得到的断距线(图8b中红色虚线),在白垩纪晚期有明显的波动,表明Penobscot断层至少有两期的活动:1、白垩纪晚期,仅影响白垩纪地层;2、新近系,当断层重新活动后,导致了古近纪地层顶、底形成约20米的断距差异。


根据晚白垩纪和古近纪地层建立的Penobscot断层上盘断距线没有任何的扭曲,可以看做成为理想化的断距曲线(Watterson 1986;Walsh&Watterson 1988)(图8c)。根据断距和层位的特征,可以确定Penobscot断层在古近纪处于非活动状态,而古近纪单元的跨断层厚度变化均是由与断层有关的变形引起的,该变形与地表附近断层位移的减小有关。使用断层椭圆流方法,可以恢复新近纪断层的影响,想去除下古近纪地层上的断距(图8d)。


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图8 Penobscot断层恢复过程:(a)现今构造;(b)使用全部地层计算得到的断距曲线(红色虚线)恢复新近系地层;(c)使用古近系和晚白垩系地层计算得到的断距曲线(红色虚线)恢复新近系地层;(d)新近系地层断距恢复后结果。


下面的图9a中,古近系地层被恢复掉,对下伏地层的物理压实作用也已经被去除,图9b展示的为白垩系末期的构造特征。构造恢复结果表明,Penobscot断层上盘晚白垩系地层厚度要比下盘厚约150米,解释了断层在这一地质时期活跃。上盘中较厚的晚白垩系地层,导致断层两侧具有不同的压实效应,从而在断层上盘形成了向斜构造(Skuce 1996),此向斜可能会影响油气运移,并可能形成一个背斜。


晚白垩系地层被恢复掉和相应物理压实作用的去除,减小了断层上盘向斜的幅度,此时期各地层形成的位移线为恢复早白垩时期断层活动提供了依据(图9c),恢复结果见图9d。


使用断层椭圆流恢复Penobscot断层结果表明,早白垩时期为宽缓背斜构造特征,对盆地早期油气运移具有潜在的影响。


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图9 Penobscot断层恢复过程:(a)恢复新近系地层断距;(b)恢复掉古近系地层及其压实作用;(c)使用剩余地层计算得到的位移线(红色虚线)恢复晚白垩地层的断距;(d)晚白垩时期古构造特征。


6. 结论


MOVE软件中的椭圆断层流方法,可以模拟和恢复具有非均一断距和类似变形特征的断层。使用该方法,通过运动学正演模拟,结果可用于评估和验证复杂断裂系统解释的合理性,从而降低构造模型中存在的风险。此外,将断层椭圆流方法用于构造恢复时,其灵活的人机交互功能,可以方便的进行参数测试,找到最符合实际的参数值,从而得到合理的古构造,并进一步分析构造发育史。


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