王孝彥，高強，孟令東，王海學(xué)，魏志鵬

（1.東北石油大學(xué)CNPC斷裂控藏研究室，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000；3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163000；4.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

低—非孔隙巖石中的油氣資源規(guī)模非常大，截至2013年，世界致密油儲量約為6.9×1011t，是常規(guī)石油資源量的2.5倍以上，我國重點盆地致密油地質(zhì)資源量約為 1.1×1010t，致密氣產(chǎn)量達到 3.0×1010m3，約占全國天然氣總產(chǎn)量的29%，因此，研究低—非孔隙巖石中油氣分布具有非常重要的意義。低孔隙巖石包括低孔隙度砂巖即孔隙度小于15%的石英砂巖[1]，非孔隙性巖石為孔隙度小于5%的碳酸鹽巖、火山巖和大部分變質(zhì)巖，巖性涵蓋范圍廣；同時，走滑斷裂也在地表分布廣泛，占地表線性構(gòu)造的70%以上：因此，研究低—非孔隙巖石中走滑斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)就變得十分重要。低—非孔隙巖石中斷裂變形會形成特殊的斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，斷裂變形后產(chǎn)生的裂縫可以有效提高儲層物性，改善儲層，對油氣分布有著重要影響。

1 走滑斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征

Peacock和Sanderson[2]將斷裂帶定義為分布在狹窄范圍內(nèi)相互作用、相互連接的斷裂系統(tǒng)，包括與主位移帶同向和反向的斷層。

走滑斷裂帶內(nèi)部具有典型的“二元結(jié)構(gòu)”，即斷層核和破碎帶[3]。根據(jù)破碎帶在斷層核附近出現(xiàn)的位置，將其分為對稱型斷裂帶和不對稱型斷裂帶。對稱型斷裂帶是指在斷層核兩側(cè)出現(xiàn)破碎帶的斷裂帶 （見圖1a），不對稱型斷裂帶是指在斷層核一側(cè)出現(xiàn)破碎帶的斷裂帶（見圖1b）。

圖1 走滑斷層斷裂帶的類型

1.1 斷層核定義及分類

斷層核是指由滑動面、構(gòu)造透鏡體和斷層巖組成的剪切帶。斷層巖包括斷層泥、斷層角礫巖、碎裂巖和泥巖涂抹（見圖2）。斷層核的標志特征是斷層泥帶和斷層角礫帶中出現(xiàn)透鏡體和粗粒包裹體[5]。斷層角礫帶和斷層泥帶中出現(xiàn)的粗粒以及斷層泥帶中出現(xiàn)的角礫包裹體和透鏡體，表明斷層泥是由早期角礫巖破碎而來。吉林省四平市葉赫鎮(zhèn)皇家山滑草場剖面登樓庫組砂巖中發(fā)育一條正斷層（F10斷層），該斷層位于葉赫經(jīng)濟開發(fā)區(qū)葉赫影視城北側(cè)X053公路旁，GPS位置為：N43°0′20.502″，E124°35′28.9″。地層產(chǎn)狀基本相同，屬于NWW—SEE走向，地層傾角均在15°∠64°左右，F(xiàn)10斷層產(chǎn)狀為251°∠58°，呈高角度傾斜。在F10斷層核中央附近，由于巖塊之間相互摩擦、相互作用形成條帶狀的斷層泥，斷層泥中巖石的粒度明顯變小。由于斷層形成過程中，斷層兩盤相互作用，因此，斷層泥兩側(cè)卷入了斷層角礫巖和構(gòu)造透鏡體（見圖2）。

低—非孔隙巖石中走滑斷層的斷層核是由剪切作用和破裂作用形成的細粒斷層巖組成，斷層泥沿著主滑動面呈定向展布，其展布方向符合里德爾剪切[6]，周圍分布粒度比斷層泥大的粗粒斷層角礫巖。如意大利南部 Adriatic-Apulian 前陸 Mattinata Fault斷裂帶內(nèi)[5]，侏羅紀灰?guī)r中斷層核的微觀特征顯示：粗角礫巖分布于斷層核與破碎帶的交界處，由于破裂作用和剪切作用導(dǎo)致粗角礫顆粒破碎，顆粒之間相互作用，磨損程度增強，顆粒的粒度減小，粒級減少，致使粒度由粗粒向細粒轉(zhuǎn)化，逐漸形成斷層泥。

斷層角礫帶和斷層泥帶可以分布在主位移帶的一側(cè)或者兩側(cè)，根據(jù)斷層核中滑動面附近斷層泥和斷層角礫巖的分布位置，將走滑斷層的斷層核分為對稱型、不對稱型2類。對稱型斷層核的結(jié)構(gòu)，一般是指滑動面兩側(cè)均發(fā)育斷層泥和斷層角礫巖，其展布依次為斷層角礫帶、斷層泥帶、主位移帶、斷層泥帶和斷層角礫帶，火山巖[4]和變質(zhì)巖[7]中發(fā)現(xiàn)出露對稱型斷層核。如日本三重縣中央構(gòu)造線附近，早白堊紀Ryoke糜棱巖和Sambagawa片巖中發(fā)育對稱型斷層核[7]，斷層核從北向南依次為無內(nèi)聚力富含層狀硅酸鹽的糜棱巖、有內(nèi)聚力的葉理化碎裂巖和斷層角礫巖、主位移帶、葉理化斷層泥和斷層角礫帶；日本西南部的Usukidani走滑斷層晚白堊紀硅化凝灰?guī)r和凝灰角礫巖也同樣出露對稱型斷層核[4]。不對稱型斷層核的結(jié)構(gòu)，一般是指滑動面兩側(cè)斷層泥和斷層角礫巖發(fā)育不對稱。碳酸鹽巖中多數(shù)斷層核都發(fā)育不對稱結(jié)構(gòu)[5]。如意大利南部Mattinata Fault走滑斷裂帶侏羅紀灰?guī)r出露斷層核具有不對稱結(jié)構(gòu)，從一側(cè)向另一側(cè)分別是邊界剖光的斷層面、沿邊界斷層的斷層泥帶、斷層泥帶附近的斷層角礫帶[8]。

1.2 破碎帶定義及分類

破碎帶是指斷層核兩側(cè)低序次構(gòu)造（次級斷層、裂縫和巖脈等）發(fā)育的高滲透帶[8]。 Kim[8]根據(jù)破碎帶在斷層核內(nèi)和圍繞斷層核分布的位置，將走滑斷層破碎帶分為端部破碎帶、圍巖破碎帶和連接破碎帶（見圖3）。

圖3 走滑斷層破碎帶類型

端部破碎帶主要發(fā)育在斷層端部，為應(yīng)力集中區(qū)，并具有調(diào)節(jié)斷層端部位移的功能；圍巖破碎帶是指出現(xiàn)在圍巖中的裂縫，應(yīng)力集中相對較低，隨著遠離主斷層破碎程度降低；連接破碎帶發(fā)育在走滑斷層疊覆區(qū)內(nèi)，帶內(nèi)高度發(fā)育裂縫[2，9-10]。

端部破碎帶，一般以發(fā)育羽狀裂縫、馬尾狀裂縫、同向分支斷層和反向斷層為特征。在高孔隙壓力條件下或低圍壓的張應(yīng)力下可以形成羽狀裂縫，羽狀裂縫與主斷層呈較高角度相交，交角大于 40°[11]，具有厚、短、羽狀開啟等特征；馬尾狀裂縫與主斷層呈較低角度相交，夾角在 25～40°[11]，馬尾狀裂縫具有長、薄、分叉等特點；同向分支斷層，主要是指斷層的滑動方向與主斷層同向；反向分支斷層，主要指斷層的滑動方向與主斷層相反。

圍巖破碎帶的裂縫密度隨著遠離斷層核而減小，當(dāng)裂縫密度與區(qū)域圍巖接近一致時，標志著破碎帶結(jié)束。其主要分為3種類型[8]：沿著斷層出現(xiàn)的楔形圍巖破碎帶、長且相對較窄的圍巖破碎帶，以及橫跨斷層不對稱的圍巖破碎帶。吉林省葉赫鎮(zhèn)滑草場剖面中F10斷層附近出露圍巖破碎帶，主要發(fā)育北東、北西2個方向的裂縫。圖4為F10斷層附近白色砂巖層中北西向裂縫的發(fā)育情況（圖中，橫坐標正值表示上盤、負值為下盤，玫瑰圖為裂縫產(chǎn)狀），可以看出，在同等情況下，距離斷層核1 m范圍內(nèi)，上盤的裂縫間距要比下盤小，即上盤裂縫密度大于下盤裂縫密度。在距離斷層核7 m左右處，下盤裂縫發(fā)育程度較高，主要是由于此處發(fā)育另一條斷層。

圖4 F10斷層附近白色砂巖層中發(fā)育的裂縫

連接破碎帶，可能是由早期斷層端部破碎帶疊加形成，或者應(yīng)變導(dǎo)致的。其中發(fā)育的次級裂縫可以有效改善儲層，是油氣富集的場所。根據(jù)斷層疊覆的方向，連接破碎帶主要分為伸展型和擠壓型2種。一般來說，伸展型連接破碎帶內(nèi)的滲流作用要大于擠壓型。如：韓國南部 Cheondong cave石灰?guī)r洞中[12]，在擠壓型連接破碎帶內(nèi)，斷層的疊覆區(qū)相對較小，發(fā)育的鐘乳石柱相對較短且數(shù)量較少，表明流體流動作用較弱；在伸展型連接破碎帶內(nèi)，斷層的疊覆區(qū)相對較大，鐘乳石柱相對較長且數(shù)量較多，表明流體流動作用較強。

2 走滑斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)物性特征

成熟走滑斷裂帶的滲透性，主要由2部分組成：高滲透性的破碎帶和低滲透性的斷層核[5]。礫巖、砂巖、碳酸鹽巖、火山巖、變泥質(zhì)巖中均有發(fā)育。

2.1 圍壓對走滑斷裂帶物性的影響

圍壓對斷層核和破碎帶的滲透率有著重要影響。圍壓增大時，圍巖、破碎帶和斷層核的滲透率均下降，同等圍壓條件下，破碎帶的滲透率大于圍巖和斷層核的滲透率。如日本三重縣中央構(gòu)造線早白堊紀Ryoke糜棱巖中，在孔隙壓力20 MPa條件下[7]，圍壓從100 MPa增加到200 MPa時，圍巖的滲透率從10-19m2下降到10-20m2，滲透率下降約1個數(shù)量級；斷層核中有內(nèi)聚力的碎裂巖滲透率從10-19m2下降到10-20m2，滲透率下降約1個數(shù)量級；斷層核中無內(nèi)聚力的葉理化碎裂巖滲透率從10-17m2下降到10-20m2，滲透率下降約3個數(shù)量級；破碎帶滲透率從10-17m2下降到10-18m2，滲透率下降約1個數(shù)量級。由上述數(shù)據(jù)可知，圍壓在100 MPa左右時，破碎帶的滲透率最高，且斷層核中無內(nèi)聚力的碎裂巖可以提高斷層核的滲透率。

2.2 有效壓力對走滑斷裂帶斷層核物性的影響

有效壓力對斷層核的孔隙度和滲透率也起著重要作用[4]。有效壓力pe與圍壓pc和孔隙壓力pp的關(guān)系可以表示為

其中，系數(shù) α≤1[13]，在不同孔隙壓力條件下，不同斷層巖中的α值也不同。結(jié)晶巖中，孤立的裂縫擴容可能導(dǎo)致α<1，但如果裂縫連通性提高（如破碎帶）就可以使其接近于1。由式（1）可以看出，有效壓力與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)有效壓力增加時，斷層核的孔隙度和滲透率均會下降，如日本西南部Usukidani走滑斷層晚白堊紀火山巖中[4]，當(dāng)有效壓力從10 MPa增加到100 MPa時，斷層核中葉理化黏土質(zhì)斷層泥孔隙度從25%～40%下降到23%～34%，中等固結(jié)的細粒斷層角礫巖的孔隙度從17%下降到9%；當(dāng)有效壓力從20 MPa增加到100MPa時，斷層核中葉理化斷層泥的滲透率從 10-17～10-14m2降到 10-19～10-16m2，滲透率下降 2 個數(shù)量級左右，中等固結(jié)的細粒富含黏土的斷層角礫巖，滲透率從 10-16～10-15m2降到 10-18～10-16m2，滲透率下降1～2個數(shù)量級。

3 走滑斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化

低—非孔隙巖石中走滑斷層的成核模式有3種：破碎帶成核、壓溶縫成核和先存節(jié)理成核。

3.1 破碎帶成核

碳酸鹽巖成核模式中普遍存在由破碎帶形成的斷層核。 早期在壓應(yīng)力作用下發(fā)育大量的裂縫[5，14]，這些裂縫可以作為流體運移的通道[15]，裂縫切割巖石后形成斜方晶系巖石。隨著斷層演化，在應(yīng)力集中處巖石變形程度高，斜方晶系巖石被裂縫切割后，巖石的粒度減小，形成破碎帶。巖石被切割后，巖石的外形非均質(zhì)性下降，巖石內(nèi)部強度增強，抑制了裂縫的發(fā)育程度，促進了巖石的旋轉(zhuǎn)，巖石之間相互滾動、相互摩擦形成初始細粒斷層泥。在早期碳酸鹽巖斷層核中，由于顆粒開始發(fā)生滑動和旋轉(zhuǎn)[16]，導(dǎo)致在顆粒旋轉(zhuǎn)期間巖石開始破碎，當(dāng)顆粒被磨圓到一定程度時，無內(nèi)聚力的碳酸鹽巖斷層核進一步演化，走滑斷裂帶發(fā)育成熟的斷層核。成熟走滑斷裂帶是由高滲透性的破碎帶和低滲透性的斷層核組成的[5，17]。

3.2 壓溶縫成核

在走滑斷層段形成斷層核的過程中，壓溶縫起著十分重要的作用。早期雁列巖脈被礦物充填后形成充填脈，隨著巖脈變長變寬，巖脈互相接近并相互作用。Peacock[18]認為在巖橋區(qū)應(yīng)力重新分布，相鄰雁列脈之間通過剪裂縫相互連接，剪應(yīng)力與早期形成的雁列巖脈呈一定角度分布，剪應(yīng)力的分量作用在剪裂縫上引起壓溶，壓溶的結(jié)果是，在壓性巖橋區(qū)域，外側(cè)巖脈優(yōu)先形成第1期壓溶縫。隨著巖脈持續(xù)開啟，沿著巖脈形成剪切，巖橋發(fā)生旋轉(zhuǎn)，巖塊開始滑動，壓溶縫受到剪切作用影響[14，19-25]， 沿著壓溶縫的持續(xù)剪切拓寬了拉分，形成第2期壓溶縫。第2期壓溶縫的外形特征類似于走滑斷層端部縫合線和羽狀裂縫，且與主走滑斷裂帶呈高角度相交。隨著滑動加劇，第2期壓溶縫產(chǎn)生滑動，其方向與主走滑斷層的滑動方向相反。伴隨著巖塊旋轉(zhuǎn)、滑動，在第2期壓溶縫端部形成第3期壓溶縫，以此類推，最終形成走滑斷裂帶。如：英國Somerset侏羅紀灰?guī)r走滑斷層起始于開啟型雁列巖脈[14]，雁列巖脈端部形成的壓溶縫將走滑斷層相互連接起來，形成走滑斷層網(wǎng)。

3.3 先存節(jié)理成核

早期在應(yīng)力作用下形成張性裂縫后，沿著先存裂縫形成剪切滑動，最終發(fā)育成走滑斷層網(wǎng)。在巖石中形成的先存裂縫是脆弱面，先存構(gòu)造控制了斷層的成核和生長。早期變形形成的節(jié)理被綠簾石、綠泥石和石英等礦物充填。隨后，剪應(yīng)力沿著裂縫滑動形成小型斷層，滑動的同時會在斷層端部產(chǎn)生次級裂縫，有些次級裂縫在相鄰的斷層面上滑動后產(chǎn)生楔形開啟，形成三角縫。一些次級裂縫傳播到附近相鄰的小型斷層處終止。斷層上的滑動導(dǎo)致連接2條走滑斷層的次級裂縫開啟，形成菱形縫。隨著變形持續(xù)，沿著次級裂縫延伸的方向，次級裂縫與小型斷層呈高角度相連。隨著剪切作用增強，小型斷層從一側(cè)向另一側(cè)成對連接起來，斷層從孤立斷層演化成走滑斷裂帶。如：美國Nevada火焰谷侏羅紀 Aztec 低孔隙砂巖[20]和白堊紀花崗巖[21]，以及片巖、片麻巖[22]中發(fā)育的走滑斷層網(wǎng)。

4 結(jié)論

1）低—非孔隙巖石中走滑斷裂帶內(nèi)部，為斷層核和破碎帶組成的“二元結(jié)構(gòu)”。

2）圍壓和有效壓力對斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔滲性有重要影響。圍壓增大時，斷層核、破碎帶、圍巖的孔滲性均下降；同等圍壓條件下，破碎帶的滲透率最大；有效壓力增大時，斷層核中斷層泥和斷層角礫巖的滲透率均下降。

3）低—非孔隙巖石中走滑斷層斷層成核作用，有破碎帶成核、壓溶縫成核和先存節(jié)理成核3種方式。它們都是在走滑斷裂帶形成的早期發(fā)育大量裂縫，裂縫可以作為油氣運聚的通道，有效改善儲層物性，隨著斷裂帶的演化，逐漸形成封閉的斷層核，進而形成具有封閉能力的走滑斷層網(wǎng)。

4）本文的研究內(nèi)容，有助于進一步了解致密巖石中流體的活動，為致密巖石中走滑斷裂帶附近的油氣開采提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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