The Field Stress between Late Jurassic and Early Cretaceous in the Eastern Ordos Basin
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摘要: 鄂尔多斯盆地是近年研究的热点区域.以鄂尔多斯盆地东部上古生界在燕山运动主幕期间 (晚侏罗世-早白垩世) 的应力场量化研究为目标，以期为应力场数值模拟及储层裂缝预测提供边界条件.通过盆地边界同构造期构造形迹应力反演和地层剥蚀量恢复结果探讨了晚侏罗世-早白垩世三轴应力状态及水平最大主应力方向；基于泥岩压实曲线及Newberry力学模型计算了附加构造应力及垂直地应力，进而获得了研究区上古生界在晚侏罗世-早白垩世的三轴主应力大小及差应力值.研究结果显示，研究区在燕山运动主幕期间最大主应力近水平，方向为SEE98°，中间主应力近竖直，最小主应力为NWW方向；上古生界储层 (平均恢复埋深为4 600 m) 在燕山运动主幕的三轴主应力大小分别为93.2~101.3 MPa、65.8~67.2 MPa、53.1~53.6 MPa，差应力为40.1~48.0 MPa.研究结果为区域构造应力场数值模拟、储层裂缝预测及裂缝型油气藏有利区优选等油气勘探工作提供了必要的基础.Abstract: The East Ordos basin is the hotpoint in recent years. In order to supply boundary conditions for field stress numerical simulation and fractures prediction in the eastern Ordos basin, this paper focus on the study of the specific parameters of the field stress between Late Jurassic and Early Cretaceous of Upper Paleozoic in eastern Ordos basin. Based on the retrieving of the syntectonicstructural deformation, calculatingof denudation thickness and the analyzing of the mudstone compaction curve, this paper got the triaxial stress state, the maximum horizontal principal stress direction, and the additive tectonic stress, the vertical earth stress, in-situ stress and differential stress. The results show that, the maximum and minimum principal stress were nearly horizontalwith the direction of the former point to SEE98°. The intermediate principal stress was nearly vertical. The triaxial stresses and the differential stress, which were get from Upper Paleozoic, located in 93.2 to 101.3 MPa, 65.8 to 67.2 MPa, 53.1 to 53.6 MPa and 40.1 to 48.0 MPa respectively. Those results providesignificant basis for field stress numerical simulation, fractures prediction as well as the optimization of favorable exploration zones in the fracturedreservoir.
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Key words:
- Ordos basin /
- Late Jurassic-Early Cretaceous /
- field stress /
- fracture /
- geodynamics /
- tectonics
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鄂尔多斯盆地位于华北板块西部 (图 1)，是叠加在华北古生代克拉通之上的中新生代内陆多旋回叠合盆地.研究区位于盆地东部 (图 2)，在盆地二级构造单元上属于陕北斜坡.盆地东西边界发育相向逆冲的复杂断裂带，盆地内部构造稳定，在陕北斜坡仅表现为西倾单斜，不发育大型褶皱、断裂等构造 (张泓，1996；Brian and Bradley, 2002, 2007; 张岳桥等，2006; Yang et al., 2013).前人从板块构造的角度对华北板块西部燕山期构造应力特征做了大量研究工作 (张抗, 1989)，基本厘定了区域应力机制及应力状态 (万天丰, 1993；Hou, et al., 2006；张岳桥等，2007；廖昌珍等，2007；Mercier et al., 2013；Yang et al., 2013；Ye et al., 2013；Bao et al., 2014)，并获得了盆地东部边界的构造差应力 (万天丰，2011).近期油气钻井研究人员在盆地内部上古生界发现大量产状近直立的构造裂缝，该裂缝形成于燕山运动主幕即晚侏罗世-早白垩世 (万永平等, 2010, 2013; Zhao et al., 2016).大量构造裂缝在没有明显构造变形的陕北斜坡发育，该现象引出了裂缝形成机制、构造应力场、裂缝预测及油气成藏机制等新的研究方向，上述研究内容均以应力场研究为基础.
图 1 华北板块区域构造Fig. 1. The main structural units of the North China craton
图 2 鄂尔多斯盆地东缘构造特征及力学机制a.盆地东缘构造简图；b.擦痕滑动矢量反演结果；c.纵弯褶皱产状统计结果；1.前寒武地层；2.寒武系-奥陶系；3.石炭系；4.石炭系-二叠系；5.二叠系山西组；6.二叠系石盒子组；7.二叠系石千峰组；8.岩体；9.断层；10.背斜；11.向斜；12.野外观测点；13.擦痕滑动矢量；14.水平最大主应力方向；15.井位；据张抗 (1989)、张泓 (1996)、廖昌珍等 (2007)修改Fig. 2. Geological sketch of structure and mechanical mechanism of the eastern Ordos basin前人针对该区应力场的研究对象以单轴应力方向 (水平主应力) 及基于盆地边界构造变形的差应力研究居多 (万天丰，1993；张泓，1996；张岳桥等, 2006, 2007；廖昌珍等，2007)，从油气地质研究的角度而言，上述研究成果不足以支持在盆地内部开展构造应力场数值模拟及以古构造应力场量化研究结果为基础的裂缝预测研究 (Curtis，2002；Gale et al., 2007；Zeng et al., 2013).本文从量化研究古应力场的角度出发，通过盆地边界同构造期构造形迹应力反演和基于盆山耦合理论、地层剥蚀量恢复的方法分别探讨了晚侏罗世-早白垩世三轴应力状态及水平最大主应力方向.笔者基于泥岩压实曲线及Newberry力学模型计算了附加构造应力及垂向地应力，进而获得了研究区上古生界在晚侏罗世-早白垩世的三轴主应力量值及差应力值.该应力场研究结果为科学地解释研究区构造裂缝形成机制、古构造应力场模拟、储层裂缝预测、裂缝型油气藏有利区预测提供了理论及数据支持.
1. 区域构造背景
鄂尔多斯盆地晚古生代以来经历了印支期大型克拉通内拗陷、燕山期类前陆盆地及喜马拉雅-新构造期周缘断陷盆地构造演化3个大的构造演化阶段 (张抗, 1989；Brian and Bradley, 2002; Yang et al., 2013).早侏罗世以来，区域上发生燕山运动，古太平洋板块及古特提斯洋向华北板块俯冲消减及陆块碰撞 (Bradley et al., 2001；Yan and Zhou, 2003；董树文等，2008)，其远程效应在华北板块及鄂尔多斯盆地区域形成SE-NW走向的挤压作用力 (Ye et al., 2013)，对鄂尔多斯盆地产生了明显的改造作用，是控制盆地构造变形、油气烃源岩持续埋深成熟以及抬升剥蚀的主要动力来源 (Brian and Bradley, 2007; Li et al., 2009; Zhao et al., 2009; Yang et al., 2013).
在燕山运动的控制下，鄂尔多斯盆地东缘，由近南北走向的离石断裂所分隔的东、西两个区域构造变形差异明显 (Hou et al., 2010；Ye et al., 2013；Mercier et al., 2013)，断裂带东侧发育一系列NNE向或NE向的褶皱、逆断层及逆掩断层，同时伴生NW-SE向的横张断层或走滑断层 (万天丰, 1993, 2011)；断裂带西侧为鄂尔多斯盆地，盆地内部构造稳定，不发育大型褶皱及断裂构造.盆地东部在燕山运动构造作用下发生东升西降的“掀斜”运动，最终形成地层倾角为3°~8°的西倾单斜，出露地层主要为三叠系-白垩系 (图 2a).前人在陕北斜坡上古生界发现大量构造裂缝，其在岩心中的延伸高度可达100 cm，宽度为0.08~0.60 cm，裂缝线密度可达2条/10 cm，裂缝表面光滑，可见阶步及擦痕等微构造 (周新桂和张林炎，2006；万永平等, 2010, 2013；Ding et al., 2013)，另外，在盆地东部露头中同样发育大量构造裂缝，其产状及力学性质与盆地中裂缝相同.
2. 应力场研究
2.1 应力方向
2.1.1 构造形迹反演法
基于节理、断裂、褶皱等构造形迹产状、叠加及切割关系等的反演方法是研究古构造应力状态及主应力方向行之有效的方法 (Ding，2000).本次研究过程中，在地层序列及其变形特征划分的基础上，分离出燕山运动主幕即晚侏罗世-早白垩世的构造变形，利用逆断层面相伴生的擦痕，结合可以确定擦痕滑动方向的阶步及同构造期生长矿物发育特征，通过投影其产状及滑动方向，反演各观测点最大主应力方向，并结合纵弯褶皱轴面及逆断层产状确定三轴主应力状态 (万天丰, 1993).
2.1.2 地层剥蚀量恢复法
盆山耦合理论表明：一定范围内的造山带中，剥蚀量与同时期的构造隆起幅度呈正相关性，剥蚀量等值线走向与水平挤压应力方向一般呈正交关系，该判断方法对沉积盆地周缘构造应力场的恢复具有较好的应用效果 (纪友亮等，2006；邓宾等，2009；刘景彦等，2009；王岩等，2015).前人研究成果表明，燕山运动以来，古太平洋板块向华北陆块之下俯冲的远程效应在鄂尔多斯盆地内部形成东升西降的差异性构造格局，造成陕北斜坡中生界自东向西差异性剥蚀 (张抗, 1989；张泓, 1996).
陈瑞银等 (2006)研究认为，鄂尔多斯盆地中生界三叠系-侏罗系沉积时期区内构造稳定，地层厚度在横向上变化不大，可以采用地层厚度对比法恢复剥蚀厚度.本次研究中，利用陈瑞银等 (2006)在盆地中部所确定的地层剥蚀量恢复厚度，利用研究区97口钻井资料通过连井剖面对比恢复，完成研究区上三叠统、下侏罗统、中侏罗统及上侏罗统剥蚀厚度的估算，以反映剥蚀趋势、构造格局及古构造应力场 (图 3).
图 3 研究区晚三叠世-晚侏罗世地层剥蚀厚度等值线Fig. 3. The isoline graph of the denudation thickness between Late Triassic-Late Jurassic2.2 三轴应力大小
由Newberry模型可知，地壳中某点的垂向应力由上覆岩层压力及孔隙压力构成，水平地应力主要由上覆岩层压力的泊松效应所诱导的水平围限应力、构造应力及地层压力构成.在构造作用力存在的条件下，三轴主应力之间存在以下关系 (黄荣樽等，1995)：
σv=H∫0ρgdH−Pp, (1) σh=μ1−μ⋅(σv−αPp)+Pp, (2) σH=(μ1−μ+Str)(σv−αPp)+Pp, (3) α=1−Cma/Cb, (4) 式中：μ表示岩石泊松比；Str表示附加构造应力 (单位：MPa)；α表示弹性系数，Cma表示骨架压缩系数；Cb表示体积压缩系数；σv、σh、σH分别表示垂向地应力、水平最小、水平最大地应力 (单位：MPa)；Pp表示孔隙流体压力 (单位：MPa)；ρ表示研究井段以上的岩层密度 (单位：g/cm3)；H表示岩层深度 (单位：m).
在沉积盆地区域，主应力值计算方法较为局限，一般可以通过岩石声发射凯塞效应测量最大主应力 (丁原辰，2000) 或以井筒孔隙度测井为基础通过计算垂直地应力、地层孔隙压力及附加构造应力综合确定 (黄荣樽等，1995；李军等，2004；赵军等，2005).其中附加构造应力可通过同构造期正处于压实成岩的泥岩压实曲线获得 (真柄钦次，1981)，且在某一地区的同一地质历史时期，该附加构造应力在纵向上大致保持相同水平 (刘瑞珣和吕古贤，2002).岩石压实实验表明，泥质岩层在压实成岩过程中，孔隙度随上覆压力呈指数递减 (真柄钦次，1981)，反映在单对数坐标图上为一条直线，在水平附加构造应力存在的条件下，泥岩孔隙度将会加剧减小，显示在单对数坐标图上显示为一凸出段 (图 4).附加构造应力在量值上等于图 4中BC两点深度差 (Δh) 的岩石骨架压力的10%(真柄钦次，1981；黄荣樽，1995).
图 4 研究区燕山期附加构造应力计算连井剖面Fig. 4. Connectingwell section of the additive tectonic stress calculation in Yanshanian基于以上论述，在不考虑构造应力的情况下，即式 (3) 中Str=0时，任何地质历史时期的应力值均可通过恢复的地壳中某点埋深、地层压力以及上覆岩层密度、泊松比等参数计算获得，其计算结果是水平方向上两个应力值相等 (σh=σH)；在考虑构造应力的情况下，可以通过同构造变形期泥岩压实曲线获得附加构造应力值 (Str)，进而将该值带入式 (3) 获得水平最大主应力.上述理论公式计算的垂向地应力由上覆岩层压力及孔隙压力构成，其前提条件是，假设构造应力在垂向上的分量可以忽略不计.
3. 研究结果
3.1 应力方向
3.1.1 构造形迹反演结果
在露头观测的基础上，通过对29个纵弯轴面产状、8个逆断层产状及与逆断层面相伴生的34条擦痕的统计，反演获得了鄂尔多斯盆地东缘晚侏罗世-早白垩世主应力方向.逆断层伴生擦痕滑动矢量反演结果显示，盆地东侧在晚侏罗世-早白垩世的最大主压应力近水平，优势方位为NW-SE向，局部发育NE-SW及近E-W向 (图 2b).同时期的纵弯褶皱轴面及伴生的逆断层走向分布为43°~348°，优势方位为NNE8°(图 2c).综合擦痕滑动矢量应力反演结果、纵弯褶皱及逆断层应力体制反演结果可知，该时期最大主压应力 (σ1) 近水平，优势方向为SEE98°.
3.1.2 地层剥蚀量恢复结果
剥蚀量恢复结果显示，鄂尔多斯盆地东部地区自晚三叠世以来经历了4期明显的抬升剥蚀阶段，剥蚀强度依次增大，从最初的数百米，到晚侏罗世期间剥蚀厚度最大达到1 800 m.研究区地层剥蚀量总体保持了东大西小的格局，其中，晚三叠世-早侏罗世期间，地层剥蚀厚度等值线总体呈NE-SW走向，同时发育隆凹相间的构造格局，中侏罗世地层剥蚀厚度等值线总体呈近S-N走向，晚侏罗世地层剥蚀厚度等值线总体呈NNE-SSW走向展布 (图 3).反映出水平最大主压应力在晚三叠世-早侏罗世、中侏罗世及晚侏罗世分别为SE-NW向、近EW向及SEE-NWW向.
3.2 三轴主应力大小
3.2.1 附加构造应力
按照前文 (2.2小节) 所述，泥岩压实成岩过程中孔隙度随深度的变化关系可间接反映同构造期附加构造应力大小.本次研究过程中选择在晚侏罗世-早白垩世处于压实成岩阶段 (邓军等，2006；薛春纪等，2011) 的中生界三叠系泥质岩层作为研究对象.在盆地东部选择三叠系泥岩连续发育且孔隙度测井资料齐全的3口井 (井位在图 2中标注)，基于声波时差曲线计算泥岩孔隙度，统计孔隙度随深度的变化特征并计算附加构造应力 (图 4).计算结果显示，研究区晚侏罗世-早白垩世附加构造应力为1.93~2.26 MPa，平均值为2.07 MPa (表 1).
表 1 研究区及周边燕山期应力计算结果Table Supplementary Table Stress calculation results in Yanshanian in the studied and surrounding area井名 Δh(m) ρ(g/cm3) Str(MPa) σv(MPa) σH(MPa) σh(MPa) Δσ(MPa) W133 925 2.4 2.26 66.2 101.3 53.3 48.0 W134 813 2.5 2.04 67.2 97.9 53.6 44.3 W196 794 2.4 1.93 65.8 93.2 53.1 40.1 大11* 75.4 注：1.W133，W134，W196，大11井位置在图 2中标注；2.垂向地应力计算时地层埋深取剥蚀厚度恢复后的平均深度4 600 m；3.上覆岩层密度取密度测井平均值；4.“*”表示未正式出版资料 (周新桂, 2003, 鄂北塔巴庙地区构造应力场、裂缝系统定量预测及天然气评价)；5.大11井水平主应力由声发射实验测定，地层 (二叠系山西组) 恢复埋深3 510 m. 3.2.2 上古生界储层三轴应力值
研究区上古生界储层在晚侏罗世-早白垩世平均埋深为4 600 m，地层孔隙压力按照静水压力考虑.同时，研究区的上古生界在该时期处于晚成岩作用阶段 (万永平等，2013)，骨架压缩系数和体积压缩系数可作近似相等考虑.另外，根据刘瑞珣和吕古贤 (2002)研究成果可知，同一地区在同一构造运动期内，附加构造应力在纵向上大致保持相同水平，本次针对上古生界的三轴应力计算过程中，附加构造应力取值为2.07 MPa，同时，基于最大主压应力 (σ1) 近水平这一研究结果，笔者在本次计算中认为附加构造应力对于垂向地应力的影响可以忽略不计.根据Newberry力学模型完成三轴应力计算，其中，垂向地应力为65.8~67.2 MPa，水平最大主应力为93.2~101.3 MPa，水平最小主应力为53.1~53.6 MPa，差应力 (Δσ) 为40.1~48.0 MPa (表 1).即水平最大主应力、垂向主应力及水平最小主应力分别为三轴最大主应力 (σ1)、中间主应力 (σ2) 及最小主应力 (σ3).
4. 讨论
(1) 地层剥蚀厚度恢复结果显示，鄂尔多斯盆地东缘水平主压应力方向在晚三叠世-早侏罗世、中侏罗世及晚侏罗世分别经历了SE-NW向、近E-W向及SEE-NWW向演化阶段.表明燕山运动期间，古太平洋板块向华北板块俯冲消减的远程效应 (董树文等，2000；Li et al., 2009; Mercier et al., 2013; Yang et al., 2013；Bao et al., 2014) 在鄂尔多斯盆地区域形成的挤压收缩应力机制其水平主应力方向并非一成不变.
(2) 在地层序列及其变形特征划分的基础上，本文通过将形成于燕山运动主幕的山西断隆带 (董树文等，2000) 与鄂尔多斯盆地区域构造演化史对比，根据燕山运动主幕期间的构造形迹在盆地边缘呈近南北向展布的特征 (张抗, 1989)，结合燕山运动期间的挤压应力机制及其后期的引张应力机制的认识 (张泓, 1996)，分离出燕山运动主幕即晚侏罗世-早白垩世的构造变形.基于构造形迹应力反演的结果显示，研究区晚侏罗世-早白垩世最大主压应力近水平，方向为SEE-NWW向，该应力方向和基于地层剥蚀量恢复反演的水平最大主压应力方向一致.特别是根据纵弯褶皱轴面及伴生的逆断层产状统计，反映出研究区晚侏罗世-早白垩世水平主应力优势方向为SEE98°.该结果在前人研究成果所指出水平主应力方位分布范围内 (Hou et al., 2006；Brian and Bradley, 2007)，表明研究结果合理可信.同时，该优势方向对于区域构造应力场模拟研究工作给定了确定的边界条件，避免了应力场数值模拟中因应力方向是一个分布范围而需要多次试凑的过程.
(3) 水平最大主应力、垂向主应力及水平最小主应力分别为三轴最大主应力 (σ1)、中间主应力 (σ2) 及最小主应力 (σ3)，该应力状态和鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层在晚侏罗世-早白垩世期间广泛发育垂直裂缝的应力状态一致 (周新桂和张林炎，2006；万永平等, 2010, 2013；Ding et al., 2013).另外，万天丰 (2011)基于位错密度法及亚颗粒测量法计算的鄂尔多斯盆地东部断皱带燕山期主幕差应力约为70~80 MPa，且沿盆地边缘向盆地内部逐渐减小，周新桂研究员通过声发射法获得了鄂尔多斯盆地北部二叠系砂岩层 (恢复埋深3 510 m) 在燕山运动期间的水平最大主应力为75.4 MPa.综合考虑差应力沿着盆地边缘向盆地内部逐渐减小及主应力计算中埋深不同所导致的主应力差异两个因素，结合前后计算时所处的盆地构造单元不同及地层埋深不同这两个条件，结果表明本次计算的各主应力量值及差应力数据基本合理.
(4) 鄂尔多斯盆陕北斜坡地发育典型的岩性圈闭油气藏，纵向上烃源岩与储层之间发育厚层泥页岩及致密砂岩隔层.大量成藏特征研究表明，盆地内油气在运移成藏过程中，大量发育的构造裂缝提供了必要的运移通道和储存空间 (周文等，2006；周新桂和张林炎，2006；薛春纪等，2011；万永平等，2013；Ding et al., 2013)，同时，大量天然裂缝的发育也成为油气开发井网部署及提高采收率研究的关键.本文针对研究区主要油气成藏时期的应力场研究结果与前人 (万天丰, 1993；Hou et al., 2006；Brian and Bradley, 2007) 研究成果相比较，确定了水平主应力优势方向，同时针对主要气藏目的层，计算了三轴应力大小，为该区构造应力场模拟、储层裂缝预测及裂缝型油气藏有利区选择等油气勘探工作提供了必要的基础.
5. 结论
(1) 鄂尔多斯盆地东缘水平主压应力方向在早侏罗世 (燕山运动第Ⅰ幕)、中侏罗世 (燕山运动第Ⅱ幕) 及晚侏罗世 (燕山运动主幕即第Ⅲ幕) 分别经历了SE-NW向、近E-W向及SEE-NWW向演化过程.
(2) 在燕山运动主幕期间 (晚侏罗世-早白垩世)，鄂尔多斯盆地东缘最大主应力 (σ1) 近水平，优势方向为SEE98°，中间主应力 (σ2) 近竖直，最小主应力 (σ3) 为NWW方向.
(3) 燕山运动主幕期间的构造运动在陕北斜坡地区产生的附加构造应力为2.07 MPa；上古生界储层 (平均恢复埋深为4 600 m) 在燕山运动主幕期间的三轴主应力分别为：σ1：93.2~101.3 MPa，σ2：65.8~67.2 MPa，σ3：53.1~53.6 MPa，差应力 (Δσ) 为：40.1~48.0 MPa.
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图 1 华北板块区域构造
根据张抗 (1989)、张岳桥等 (2006)、Hou et al.(2006)修改
Fig. 1. The main structural units of the North China craton
图 2 鄂尔多斯盆地东缘构造特征及力学机制
a.盆地东缘构造简图；b.擦痕滑动矢量反演结果；c.纵弯褶皱产状统计结果；1.前寒武地层；2.寒武系-奥陶系；3.石炭系；4.石炭系-二叠系；5.二叠系山西组；6.二叠系石盒子组；7.二叠系石千峰组；8.岩体；9.断层；10.背斜；11.向斜；12.野外观测点；13.擦痕滑动矢量；14.水平最大主应力方向；15.井位；据张抗 (1989)、张泓 (1996)、廖昌珍等 (2007)修改
Fig. 2. Geological sketch of structure and mechanical mechanism of the eastern Ordos basin
图 3 研究区晚三叠世-晚侏罗世地层剥蚀厚度等值线
Fig. 3. The isoline graph of the denudation thickness between Late Triassic-Late Jurassic
图 4 研究区燕山期附加构造应力计算连井剖面
Fig. 4. Connectingwell section of the additive tectonic stress calculation in Yanshanian
表 1 研究区及周边燕山期应力计算结果
Table 1. Stress calculation results in Yanshanian in the studied and surrounding area
井名 Δh(m) ρ(g/cm3) Str(MPa) σv(MPa) σH(MPa) σh(MPa) Δσ(MPa) W133 925 2.4 2.26 66.2 101.3 53.3 48.0 W134 813 2.5 2.04 67.2 97.9 53.6 44.3 W196 794 2.4 1.93 65.8 93.2 53.1 40.1 大11* 75.4 注：1.W133，W134，W196，大11井位置在图 2中标注；2.垂向地应力计算时地层埋深取剥蚀厚度恢复后的平均深度4 600 m；3.上覆岩层密度取密度测井平均值；4.“*”表示未正式出版资料 (周新桂, 2003, 鄂北塔巴庙地区构造应力场、裂缝系统定量预测及天然气评价)；5.大11井水平主应力由声发射实验测定，地层 (二叠系山西组) 恢复埋深3 510 m. 
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