Disintegration and Fragmentation Effect of High Position Rock Landslide Debris Flow Based on Large Scale Physical Model Test
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摘要: 解体破碎效应普遍存在于高位岩质滑坡运动过程中，能够使滑坡物质状态与运动状态发生转变，从而影响滑坡的能量分布和动力传递特征.为探讨高位岩质滑坡碎屑流解体破碎特征与能量耗散规律，揭示其动力传递机制，采用大型物理模型试验，重点研究滑源区块体强度、方量、厚度、节理发育程度和坡度等对岩体解体破碎的影响.结果表明：高位岩质滑坡碎屑流在动力传递过程中，前部速度损失较后部明显偏少，前缘具有明显的“二次加速”，大量细小颗粒堆积于远端.滑坡体后部向前部具有明显的速度与动力传递效应，且破碎程度越高，动力传递效应越显著.解体破碎过程伴随能量的转化、传递与损失，在破碎程度控制下，破碎耗能约占总势能的3.32%~21.03%.Abstract: Disintegration and fragmentation effect generally exists in the process of high position rock landslide movement, which can change the material state and motion state of landslide, thus affecting the energy distribution and dynamic transmission characteristics of landslide. By large scale physical model test, this paper deeply studies the slip source block body strength, volume, thickness and joint development degree and slope on the influence of rock disintegration and fragmentation, discusses the disintegration and fragmentation characteristics and the law of detrital energy dissipation of high position rock landslide debris flow, and reveals its momentum transfer mechanism. In the process of dynamic transmission of landslide debris flow, the velocity loss in the front is obviously less than that in the rear, the leading edge has obvious "secondary acceleration", and a large number of fine particles accumulate at the far end. The rear and forward parts of the landslide have obvious velocity and power transfer effect, and the higher the degree of fragmentation, the more significant the dynamic transfer effect. The process of disintegration and fragmentation is accompanied by the transformation, transfer and loss of energy. Under the control of the degree of breakage, the energy dissipation accounts for 3.32%-21.03% of the total potential energy.
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1. 地质概况
万安盆地位于南沙海域西南部万安走滑断裂西侧, 它是在晚始新世末形成的一个走滑拉张沉积盆地.盆地基底为中生代晚期岩浆岩、火山岩和前始新世变质沉积岩.盆地的沉积盖层为一套巨厚的晚始新世—第四纪地层, 由下而上由西卫群、万安组、李准组、昆仑组、广雅组和第四系等组成(刘振湖, 1995; 刘振湖和吴进民, 1997; 金庆焕等, 2001).由于盆地各地区在地层、沉积发育以及构造演化上的差异, 盆地可划分为北部坳陷、北部隆起、西北断阶带、中部坳陷、西部坳陷、西南斜坡、中部隆起、南部坳陷、东部隆起和东部坳陷10个二级构造单元, 盆地面积为8.5×104 km2 (图 1).
图 1 万安盆地断裂分布及构造区划1.盆地边界; 2.二级构造单元界线; 3.断裂; 4.剖面线; Ⅰ.北部坳陷; Ⅱ.北部隆起; Ⅲ.中部坳陷; Ⅳ.中部隆起; Ⅴ.南部坳陷; Ⅵ.东部隆起; Ⅶ.东部坳陷; Ⅷ.西北断阶; Ⅸ.西部坳陷; Ⅹ.西南斜坡Fig. 1. Tectonic units and fault distribution of Wan'an basin中部坳陷为北东走向的双断型地堑, 规模大, 沉降深, 是盆地的沉降沉积中心, 新生代沉积厚度最大达12 500 m, 是万安盆地最主要的富生烃坳陷, 其面积16 600 km2.中部坳陷北侧以断层与北部隆起相邻, 坳陷南侧以断层与南部坳陷相隔, 坳陷西侧与西北断阶带相接.坳陷内断裂极为发育, 主要有NE向和NW向2组断裂.NE向为万安走滑断裂所派生的一系列次一级正断层, 在盆地形成早期就开始活动, 对坳陷内的沉积作用有较大影响, 自晚中新世以来, 断裂基本停止活动(图 2).
NW向断裂规模较小.中中新世和晚中新世期间, 由于万安断裂的走滑方向由右旋转为左旋, 中部坳陷晚中新世以前的沉积遭受强烈的挤压变形, 褶皱构造的强度自东向西逐渐减弱, 褶皱构造轴向大致与盆地东界万安断裂约成30°交角.推测此褶皱作用乃万安断裂走滑挤压所派生.根据地质构造特征, 中部坳陷经历了张扭断陷期、断坳期、压扭抬升期和区域沉降期4个构造演化阶段.
2. 烃源岩的沉积地球化学特征及生烃潜力
万安盆地热流值为52~86 mW/m2, 基本上处于正常热流值至高热流值区域.中部坳陷为盆地的较高热流值区, 其现今海底的热流值为70~86 mW/m2, 这样的地温场对烃源岩转化为油气十分有利(刘振湖等, 1996).
在中部坳陷, 发育有渐新统湖沼相、海湾相泥岩和下中新统浅海相泥岩2套主要烃源岩, 其中渐新统(T5—T4) 在中部坳陷主要为近海湖沼相分布区(图 3), 而下中新统(T4—T31) 在中部坳陷主要为浅海泥岩相分布区(图 4).中部坳陷西侧的12B-1井和DUA-1井揭示了渐新统湖沼相泥岩和下中新统浅海相泥岩.
根据地震并结合少量钻井资料, 推算中部坳陷的渐新统和下中新统泥质岩(Ps < 25%) 厚度分别为800~1 700 m和700~1 300 m.国内外油气勘探表明, 中部坳陷生烃量大, 是万安盆地中、北部主要油气源区, 其油气资源十分丰富, 具有良好的油气勘探前景(刘振湖等, 1996).
渐新统烃源岩的有机碳含量为0.50%~2.26%, 其中, Ⅰ-Ⅱ型干酪根主要分布于北部坳陷和中部坳陷, 并且从坳陷边缘往中心有机质丰度逐渐增加, 有机质类型从Ⅲ型干酪根向Ⅰ型干酪根过渡, 有机质中富含C25-、C26-三环二萜生物标志化合物.这表明渐新统烃源岩母质是以陆生生物为主, 并曾遭受细菌降解.
下中新统烃源岩有机碳含量为0.69%~0.93%, 有机质类型为Ⅱ-Ⅲ型干酪根, 富含五环三萜类(奥利烷, Oleanane)和甾烷类(双杜松烷, Bicadinanes)等生物标志化合物, 说明原始有机质中含有一定数量的树脂(图 5).
图 5 万安盆地下中新统炭质泥岩甾萜烷生物标志化合物分布特征(Todd et al., 1997)Fig. 5. Distribution features of biological compound of terpane and sterane in Lower Miocene carbargillite, Wan'an basin盆地模拟结果(刘振湖, 2000) 表明, 中部坳陷的渐新统烃源岩在中中新世末已达到生烃高峰, 在晚中新世有机质发生热裂解并生成大量的天然气.而下中新统烃源岩在中新世末—上新世初达到生烃高峰, 生成大量的油气.从图 6可知, 中部坳陷渐新统烃源岩的生油强度在中中新世已达到4.5×106 t/km2, 下中新统烃源岩的生油强度在晚中新世末达到3×106 t/km2, 而中中新统烃源岩的生油强度在第四纪已接近3×106 t/km2.渐新统烃源岩现今已进入高成熟或过成熟热演化阶段, 其生气强度达90×109 m3/km2.下中新统烃源岩现今已部分进入高成熟或过成熟阶段, 其生气强度达到30×109 m3/km2.烃源岩潜量指数研究表明, 中部坳陷除边缘外大部分地区渐新统烃源岩潜量指数为4~10 t/m2, 局部达14 t/m2; 中部坳陷下—中中新统烃源岩潜量指数为4~10 t/m2, 北部坳陷下—中中新统源岩潜量指数均为4~7 t/m2; 中部坳陷和北部坳陷3套烃源岩总潜量指数为10~22 t/m2, 生烃潜力大, 油气源充足.
图 6 万安盆地中部坳陷生油、气强度曲线Fig. 6. Intensity curve of oil and gas-generating in central depression, Wan'an basin在南部和东部坳陷, 仅坳陷北部渐新统烃源岩潜量指数为4~10 t/m2, 局部达到10 t/m2, 下—中中新统烃源岩潜量指数为4~7 t/m2, 而坳陷中、南部渐新统烃源岩潜量指数均小于4 t/m2; 下—中中新统烃源岩潜量指数小于1 t/m2.从3套烃源岩总潜量指数分布可见, 2个坳陷烃源岩总潜量指数除北部外基本上小于4 t/m2, 生烃潜力小, 油气源不足.
3. 油气分布与中部富生烃坳陷的关系
3.1 油气分布
万安盆地的油气勘探始于20世纪70年代, 截至目前, 在万安盆地中已经钻探了80多口井, 发现36个见油气显示的构造, 并证实了一批含油气构造或油气田(图 6, 表 1).
表 1 万安盆地油气藏纵向分布特征Table Supplementary Table Characteristics of vertical oil-gas reservoirs distribution in Wan'an basin
根据金庆焕和刘宝明(1997)研究, 万安盆地的油气分布在纵向和横向上具有以下特征.
(1) 在纵向上, 油气主要赋存于中新统砂岩储层, 其次为中—上中新统礁灰岩或台地相灰岩储层、渐新统砂岩储层.据统计, 目前已发现的一批含油气构造或油气田中, 其中油气产自中新统砂岩储层有13个, 渐新统砂岩储层有4个构造, 中—上中新统碳酸盐岩或礁灰岩储层有3个构造, 而基岩储层仅见于大熊油田(表 1), 这种油气分布特征与盆地中纵向上油气成藏地质条件密切相关.
在中新统砂岩已发现的13个含油气构造或油气田中, 有6个含油气构造和7个以天然气为主的含气构造.前者包括大熊油田、兰龙油田等大型油气田和原油日产量较大的卡左(C C)、飞龙(RB)、西钻石(KCT)和双龙(RD) 4个含油气构造.后者包括海兰宝石(HT)、木精(MT)、飞马(NB)、HA、RVD、RN和RDT等7个以天然气为主的含气构造.
中—上中新统碳酸盐岩储层是万安盆地中极其重要的含气层, 目前发现了红兰花、西兰花和向日葵北3个气田, 其产层具有高压特征, 单井日产量高, 天然气储量大.此外, 大熊油田和蓝龙油气田中的中—上中新统灰岩储层中也发现了大量天然气.
在渐新统砂岩储层, 目前仅发现大龙(RVD)、都(Dua)、12-B和12-C四个含油气构造.此外, 有些报道也认为大熊油田存在渐新统产层.
(2) 在横向上, 万安盆地油气田或含油气构造主要分布于中部坳陷及其相邻的西北断阶带、北部隆起和中部隆起(表 2, 图 6).在这4个二级构造单元的含油气构造中, 均获得了高产工业油气流, 最高单井日产量超过1 000 t油当量.在西南斜坡和西部坳陷目前发现少数含油气构造, 而在南部坳陷和东部隆起则仅见油气显示, 未发现工业性油气流.
表 2 万安盆地油气横向分布Table Supplementary Table Characteristics of horizontal oil-gas reservoirs distribution in Wan'an basin
不同时代储层的油气藏或油气显示在不同的构造单元中存在明显的差异.渐新统储层的油气藏或油气显示主要分布于西南斜坡和中部坳陷西部边缘, 前者以气藏为主, 后者则油气兼有.下中新统砂岩储层的油气藏或油气显示主要分布于西北断阶带和北部隆起, 以产油为主的油气藏或凝析油藏.中—上中新统储层的油气藏或油气显示主要分布于中部坳陷和中部隆起, 前者以砂岩储层为主, 除了KCT以油为主的油气藏和MT气藏中含有一定的轻质油和凝析油外, 基本上都是气藏; 而后者则是以中—上中新统灰岩为储层的气藏.
由于盆地油气地质条件差异和构造应力场不同, 油气藏或气藏大体呈一定的带状分布.西北断阶带和西南斜坡上的NB、CC、RB、RD、12C、12B呈一油气藏分布带, 该带中具有两端以产气为主的气藏、中段以产油为主的油气藏的特征; 在中部坳陷中, 兰龙油田、MT气田及兰龙油田以北的未钻构造可能为一油气藏分布带, KCT油气田、HT气田及其北延的构造为一油气藏分布带, HBD气田和TT也可能为一气藏分布带, RVD气藏和DUA油气田可能为一油气田分布带; 在北部隆起上, 大熊油田和4A、MIX等油气显示可能为一油气藏分布带; 在中部隆起上, 西兰花气田和红兰花气田为一气藏分布带.
3.2 中部坳陷对油气分布控制作用
万安盆地含油气系统研究表明, 盆地内发育了渐新统—中新统含油气系统(图 7) (刘振湖, 1998, 2000).由于不同地区的烃源岩油气生成演化史上存在明显的差异, 万安盆地存在北部活跃生烃洼陷(北部坳陷)、中部活跃生烃洼陷(中部坳陷) 以及由南部坳陷和东部坳陷组成的南部活跃生烃洼陷, 因此将其进一步划分为中部、北部和南部3个亚含油气系统.
北部亚含油气系统为一个过充注纵向排油气中、低阻含油气系统, 其形成的关键时刻应为晚中新世.尽管烃源岩总潜量指数可达10~22 t/m2, 区域油气充注量为过充注, 油气源充足, 各种油气成藏事件具有良好的匹配关系, 但是区域盖层厚度较小、物性差, 油气保存条件差.目前, 在该亚含气系统中未发现油气藏, 仅见一些油气显示.
以中部坳陷为主体的中部亚含油气系统, 是一个过充注纵向排油气中、高阻含油气系统, 其形成关键时刻应为晚中新世, 各种油气成藏事件具有良好的匹配关系.不论考虑单独渐新统或者中新统烃源岩的潜量指数, 还是烃源岩的总潜量指数(10~22 t/m2), 其区域油气充注量为正常充注—过充注或过充注, 油气源充足.目前, 在该亚含油气系统中已经发现了6个含油气构造(或油气田)和13个含气构造(气藏), 油气藏主要分布于中部坳陷及其相邻的构造单元, 这表明中部坳陷是万安盆地最主要的油气源区.
南部亚含油气系统为一个欠充注纵向排油气中、低阻含油气系统, 大部分地区的区域油气充注量(小于4 t/m2) 为欠充注, 油气源不足, 仅北部局部区域油气充注量为正常充注, 油气源较充足, 盖层封盖性能又差.因此, 该含油气系统含油气远景差, 目前除了与其邻近的中部隆起上发现有油气藏外, 大部分地区未发现油气藏, 仅局部见一些油气显示.
综上所述, 万安盆地油气藏分布于中部坳陷及其相邻的构造单元, 明显受中部坳陷富生烃坳陷的控制.
4. 结论
(1) 在中部坳陷, 发育有渐新统湖沼相、海湾相泥岩和下—中中新统三角洲、滨-浅海相泥岩2套烃源岩.其中, 渐新统烃源岩具有良好的生烃潜力, 下中新统烃源岩次之. (2) 万安盆地油气产层主要为中新统砂岩, 其次为中—上中新统碳酸盐岩或礁灰岩和渐新统砂岩, 个别见于基岩储层.油气藏主要分布于中部坳陷及其相邻的西北断阶带、北部隆起、中部隆起, 少数含油气构造分布于西部坳陷, 而在北部坳陷、南部坳陷和东部隆起上仅见油气显示. (3) 万安盆地的油气分布明显地受中部坳陷富生烃坳陷控制.以中部坳陷作为活跃生烃坳陷的中部亚含油气系统为一个过充注纵向排油气高阻含油气系统, 油气前景良好, 已经发现了19个油气田或含油气构造.在北部亚含油气系统和南部亚含油气系统, 前者由于区域盖层差, 为一个过充注纵向排油气中、低阻含油气系统, 后者由于区域油气充注低, 油气源不足, 区域盖层封盖性能差, 为一个欠充注纵向排油气中、低阻含油气系统, 它们的油气前景较差, 仅发现一些油气显示.
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图 1 (a) 试验平台; (b)试验平台示意图; (c)试验平台模型图
Fig. 1. (a) Test platform; (b) schematic diagram of the test platform; (c) model diagram of the test platform
图 6 （a）相对破损比Br计算图示；（b）相对破损比Br
Fig. 6. (a) Illustration of the relative breakage ratio (Br) and (b) relative breakage ratio (Br)
图 7 相对破损比（Br）与最远运动距离（L）的关系
Fig. 7. Relationship between relative breakage ratio (Br) and runout distance (L)
图 8 堆积分布特征
a.堆积体碎屑颗粒大小分布曲线；b.堆积体质量曲线；c.堆积体0~2 m级配曲线；d.堆积体2~4 m级配曲线；e.堆积体4~6 m级配曲线；f.堆积体6~8 m级配曲线；g.堆积体8~10 m级配曲线；h.堆积体10~12 m级配曲线；i.堆积体12~14 m级配曲线
Fig. 8. Distribution characteristics
图 11 破碎耗能占比与相对破损比（Br）关系
Fig. 11. Relationship between crushing energy and relative breakage ratio (Br)
表 1 相似材料质量配比方案
Table 1. Mass proportions of similar materials
单轴抗压强度类别 河砂 重晶石 石膏 水 Ⅰ型 10.72 5.8 0.7 2.1 Ⅱ型 10.22 5.6 1.4 2.1 Ⅲ型 10.22 5.6 1.9 2.1 
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表 2 高位岩质滑坡碎屑流动力传递试验方案
Table 2. Dynamic transmission test scheme of high position rock landslide debris flow
试验序号 变量 单轴抗压强度类别 方量（m3） 岩体厚度（m） 块体尺寸宽/高/长（m） 坡度 T1 Ⅰ型 0.48 0.5 0.1/0.1/0.2 50°+30° T2 Ⅰ型 0.24 0.3 0.1/0.1/0.2 50°+30° T3 Ⅰ型 0.96 0.5 0.1/0.1/0.2 50°+30° T4 Ⅱ型 0.48 0.5 0.1/0.1/0.2 50°+30° T5 Ⅲ型 0.48 0.5 0.1/0.1/0.2 50°+30° T6 Ⅰ型 0.48 0.3 0.1/0.1/0.2 50°+30° T7 Ⅰ型 0.48 0.5 0.1/0.1/0.1 50°+30° T8 Ⅰ型 0.48 0.5 0.1/0.1/0.2 40°
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