σ1
σ3
σ2 σ3
σ1
a 剪性正断层模式
σ3
σ1 σ2
σ1
σ3
b 逆断层模式
σ3
σ1 σ2
σ1
σ3
c 平移断层模式
σ1
σ3
σ3
σ1 d 张性正断层模式
σ1
σ τ
σ1
σ1 α
实际形成的断层 未形成的共轭断层 σ1 实际主应（动）力 σ1 平衡主应力
图 1 断层形成的应力状态图解
收稿日期：2010－09-07 基金项目：国家科技重大专项（2008ZX05006－002） 作者简介：杨 磊（1982－），男，山东昌乐人，在读博士研究生，构造物理模拟，（Tel）0546－8391271（E-mail）yangsir211@.
1 正断层形成的力学分析
泥岩涂抹现象是指断层形成发育过程中，破碎带 内泥质页岩层变薄夹在砂岩断层面上形成泥质剪薄 带，即断层泥。断层泥的分布规律与泥岩层的厚度、层 数、泥质含量及断层构造的断距等参数有关，断层泥 的厚度与泥岩的厚度呈正相关性，随泥岩厚度的增大 而增大，而与断距呈负相关性，随断距的增大而减小。 依据 Gibson 黏土涂抹系数数学计算方法，它等于断 层断距除以断层倾向剖面上泥岩层的视厚度。大量的 实验数据表明，当涂抹系数小于 4.0 时，可认为形成
·138·
新疆石油地质
2011 年
的上盘为主动盘，下盘为被动盘，可以发现断层上、下
盘位移大部分是上盘运动的结果。由于断层上盘所受
力比下盘大，对应的伴生构造也比较发育，因此，在野
外勘查中人们总是发现断层上盘厚度一般较薄[5]。一
般而言，地层中正断层主要是地层重力作用的结果，
本文重点研究重力作用下正断层发育形成的动力学
（1.中国石油大学 机电工程学院，山东 东营 257061；2.中国石化 胜利油田有限责任公司 地质科学研究院，山东 东营 257000）
摘 要：断层泥是影响断层封闭性的主要因素之一。对正断层的形成机理进行了动力学和运动学分析，从时间和空间
上探讨了正断层上、下盘的应力分布特征及其断层泥的分布规律。分析认为，断层泥受控于断层的特征规律，属于断
当断裂面初始形成后，最大主应力 σ1 不变，而最小主
应力、正应力 σ 和剪应力 τ 都增大，直到断层停止活
动为止。说明断层泥的形成过程、形态及分布特点受
断层作用控制，断层上、下盘应力的大小、特性和演化
影响和决定了泥岩涂抹的形成和演化。
2 正断层与泥岩涂抹形成机理分析
2.1 正断层上、下盘断层泥的形成与演化 在断层形成发育过程中，断层带内的泥岩层受到
封闭性断层构造，反之形成开启断层构造[6]。断层的 形成是一个渐进的发展过程，其源于裂隙的递进发 展。岩层在地质构造应力的作用下，在微裂隙的周围， 特别是在裂隙的尖端区域发生应力集中现象，使裂隙 递进扩张进而发育形成优势主裂隙，最终发育形成大 的断层面。
根据地质构造应力状态分析[11]，正断层构造形成 时其最大主应力 σ1 在垂直方向上，断层面具有剪切 滑动变形的特性。σ1 的构成因素很多，如岩层重力作 用或垂直地壳运动作用而引起的地质构造应力。以重 力作用引起的正断层构造分析为例，则地质应力状态 如图 1 所示。断层泥岩层剖面中必然发育形成共轭剪 切破裂，通常其中的一组会在连续构造应力作用下形 成正断层。
层形成发育过程的伴生现象。而正断层的上盘为主动盘，下盘为被动盘，正断层中的断层泥则随正断层的生长表现为
剪薄、拉长、涂抹和拖曳的动态发育演化过程，断层泥主要形成在正断层上盘一定宽度的范围内。
关键词：正断层；力学分析；断层泥；构造物理模拟
文章编号：1001－3873（2011）02－0137－04
中图分类号：TE112.41
第第3322卷卷 第第22期期 2011 年 4 月
杨 磊，等：正断新层形疆成机石理及油其对地断层质泥的控制作用 XINJIANG PETROLEUM GEOLOGY
Vol． 32，No． 2 Apr． 2011
正断层形成机理及其对断层泥的控制作用
杨 磊 1，綦耀光 1，任旭虎 1，刘新福 1，孙志信 2
和运动学特征。
假定沉积岩层的初始状态是近水平的，断层面倾
角为 α，则依据二维地质应力状态分析，断层面上的
正应力 σ 和剪应力 τ 可表示为
σ= σ1 +σ3 2
+ σ1 -σ3 2
cos2α；
（1）
τ= σ1 -σ3 sin2α . 2
（2）
依据剪切破裂准则，初始破裂面的形成应满足
τ= τ0+ σ tanφ ，
（3）
式中 τ0— ——岩体的黏聚力；
φ — ——岩体的内摩擦角。
将（1）式、（2）式代入（3）式，整理得
σ1
=
2τ0
cos
φ+σ（3 1+ 1- sinφ
sinφ）.
（4）
将（4）式代入（1）式和（2）式，整理得
σ = τ0cos φ+σ（3 1+ sinφ）； τ = τ0cos2 φ+σ3 sinφcosφ .
1- sinφ
（5） （6）
假定正断层的倾角 α 为 60°，且岩石的内摩擦角
为 3 +3σ3 ；
（7）
σ =0.886τ0 +1.5σ3；
（8）
τ =1.5 τ0 +0.866σ3 .
（9）
以上是正断层形成发育时断层面上的最大主应
力 σ1 、正应力 σ 和剪应力 τ 的计算分析。可以证明，
文献标识码：A
在正断层形成过程中，断层上、下盘一定空间范 围内往往伴随着断层泥的生成[1-3]。而断层泥是影响断 层封闭和开启的重要因素。
在地质构造应力作用下引发的正断层剪切形式 的滑动是造成断层泥区域分布的重要原因，剪切型断 层是断层泥形成连续与否的主要控制因素，断层的岩 石力学特性及其不同组合形式控制着断层泥的空间 分布[4-11]。本文通过对正断层构造形成过程中的动力 学和运动学特性分析，探讨了正断层与断层泥在形 成、演化之间的关系。
应用地质构造应力状态分析正断层形成的力学 机制前提是建立在刚体受力分析的基础上，然而实际 地质构造过程中的岩层并非刚体，因此在构造变形过 程中地质应力必然存在损失，即 σ（1 实线）要大于 σ1 （虚线）（图 1），前者可称之为主动作用力，后者称之 为反作用力。同时，对正断层而言，由于 σ1 位于正断 层的上盘，推动上盘沿剪切面向下运动，因此，正断层