陳 瑋，張麗芬，趙艷南

（中國(guó)地震局地震研究所〈地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〉，湖北武漢430071）

1 概述

在淺層地殼中沿著斷層的破裂造成了介質(zhì)滲透性的非均勻性和各向異性，這對(duì)區(qū)域地下流體運(yùn)移、地?zé)崃黧w循環(huán)、溶質(zhì)遷移等過(guò)程均有重要影響。斷層帶可以作為淺部流體向深部運(yùn)移的水力通道，但也可能對(duì)流體的運(yùn)移起到阻礙作用[1]。加強(qiáng)對(duì)斷層帶滲透性的研究，一方面能夠幫助人們了解地殼巖石滲透性的變化規(guī)律和變化機(jī)理；另一方面，也能夠?yàn)閿鄬訋B流模式以及影響研究提供參考依據(jù)，具有重要的理論和實(shí)際意義。

本文從斷層帶結(jié)構(gòu)、斷層帶不同結(jié)構(gòu)部位的滲透特性等角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)前人研究的歸納總結(jié)，討論了斷層帶各種變形過(guò)程的產(chǎn)生以及其對(duì)滲透性的影響，旨在能從水文地質(zhì)學(xué)的角度對(duì)研究流體與斷層相互作用起到一定的促進(jìn)作用。

2 斷層帶結(jié)構(gòu)

斷層帶有多種類(lèi)型的分類(lèi)，這里的分類(lèi)主要是基于巖石類(lèi)型的水文地質(zhì)概念模型，選擇這個(gè)分類(lèi)的原因是斷層帶的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其導(dǎo)致的滲透性結(jié)構(gòu)和含水層的發(fā)育受到巖石類(lèi)型的控制[1]。Caine[2]等（1996）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室滲透率測(cè)量和斷層及附近的流量的數(shù)值模擬結(jié)果，提出了斷層滲透性結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為斷層帶主要包括斷層核和破裂帶。Heynekamp等認(rèn)為在固結(jié)程度較低的沉積物中發(fā)育的斷層，破裂帶和斷層核之間還有一種混合帶?；旌蠋в捎跇?gòu)造錯(cuò)動(dòng)圍巖層狀結(jié)構(gòu)被破壞,并在斷裂活動(dòng)中混合了相鄰沉積層物質(zhì),結(jié)構(gòu)上從輕微變形到頁(yè)理化。為避免造成混亂,在本文中，我們僅考慮單個(gè)斷層帶的滲透率，并將斷層核和破裂帶作為斷層帶的基本結(jié)構(gòu)單元來(lái)進(jìn)行闡述。

2.1 斷層核

斷層核（Fault Core）包括斷層滑動(dòng)面以及斷層泥、糜棱巖、碎粉巖等斷層巖的充填部分,滲透率低,通常表現(xiàn)為隔水性質(zhì)[3]。粒度的減小和礦物的沉淀造成斷層核的孔隙度和滲透率低于相鄰的圍巖?；诂F(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果表明，斷層沿傾向和走向的厚度變化及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成，在控制斷層核的滲流特性方面發(fā)揮了重要作用。

斷層核通常具有低滲透性，但不一直是作為滲流的隔水障礙，特別是在變形期間[1]。例如，在Dixie Val?ley斷層帶上的研究表明，在變形時(shí)，斷層核可作為一定短時(shí)期的導(dǎo)水通道，然后迅速密封形成隔水障礙。

2.2 破裂帶

破裂帶是斷層核的邊界結(jié)構(gòu)。破裂帶中的從屬構(gòu)造包括導(dǎo)致斷層帶的滲透性和彈性特性的非均質(zhì)性和各向異性的次級(jí)斷層、節(jié)理、裂縫等。微構(gòu)造數(shù)量隨著與斷層核距離的增加而逐漸減小。當(dāng)破裂帶密度與區(qū)域裂縫或變形帶密度一致時(shí)，標(biāo)志著破裂帶結(jié)束[5]。斷層帶變形過(guò)程和結(jié)構(gòu)單元對(duì)斷層發(fā)展過(guò)程和斷層滲透率的理解尤為重要。

斷層核中的裂隙密度通常明顯小于破裂帶。因此，斷層核的滲透率可能由斷層巖石介質(zhì)粒度的滲透率主導(dǎo)，而破裂帶滲透率則由裂隙網(wǎng)絡(luò)的水力特性支配。Caine[2]（1996）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，破裂帶的滲透率是裂隙主導(dǎo)的。Bruhn（1993）采用Oda等人（1987）的斷裂滲透率估算方法對(duì)Dixie Valley斷層帶和東格陵蘭Traill碎屑巖的單斷層的破裂帶滲透率進(jìn)行初步估計(jì),結(jié)果表明破裂帶的滲透率比圍巖的滲透率大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，比斷層核粒徑滲透率大4～6個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)室的滲透率測(cè)試也表明在一定尺度下，斷層巖、破裂帶和圍巖樣品之間的滲透率差異達(dá)到約4個(gè)數(shù)量級(jí)[8]。

2.3 斷層滲透性模型

定向樣品的實(shí)驗(yàn)室滲透率測(cè)試結(jié)果顯示，破裂帶通常是平行于斷層面的導(dǎo)水通道，而斷層核是平行和垂直于斷層的隔水障礙。斷層核與破裂帶之間的滲透率的對(duì)比是導(dǎo)水—隔水耦合系統(tǒng)的主要控制因素[2]。

Caine[2]等(1996)通過(guò)一系列的露頭觀測(cè)，提出了一個(gè)低孔隙巖石的斷層滲透結(jié)構(gòu)的概念模型（圖1）。該模型給出了4種典型滲透結(jié)構(gòu)：導(dǎo)水—隔水復(fù)合斷層帶（CDZ）、導(dǎo)水?dāng)鄬訋?DDZ)、局部隔水帶(LDZ)和局部導(dǎo)水帶(SFF)（圖1）。這4個(gè)特征結(jié)構(gòu)受控于相對(duì)低滲透率斷層核與較高滲透率破裂帶占據(jù)的斷層厚度的百分比。在該模型中,使用破裂帶寬度與總斷層厚度的比值來(lái)對(duì)斷層滲透性結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化描述，并且斷層滲透性結(jié)構(gòu)可以是以4個(gè)特征滲透結(jié)構(gòu)作為端值，組成的連續(xù)性模型中的任意一點(diǎn)。

圖1 斷層帶滲透性結(jié)構(gòu)

4個(gè)特征滲透結(jié)構(gòu)既表示一類(lèi)特定水文地質(zhì)性質(zhì)的斷層,也可以視為斷層演化過(guò)程的一個(gè)階段。一般而言，局部隔水帶中破裂帶不發(fā)育,構(gòu)造巖膠結(jié)完好,斷盤(pán)巖為延性巖體。局部導(dǎo)水帶中破裂帶不發(fā)育,斷層面無(wú)充填或充填物疏松,通常斷盤(pán)巖為脆性巖體。導(dǎo)水—隔水復(fù)合斷層帶為兩側(cè)導(dǎo)水、中間隔水的滲透結(jié)構(gòu)，構(gòu)造破裂帶發(fā)育,斷層核構(gòu)造巖膠結(jié)完好,透水性差。導(dǎo)水帶破裂帶發(fā)育中斷層核寬度大,膠結(jié)疏松,主要為張性正斷層,斷盤(pán)的巖性以脆性為主[5]。

3 影響斷層帶滲透特性的變形過(guò)程

斷層帶的滲透性受到斷層不同變形過(guò)程的影響，變形過(guò)程的產(chǎn)物導(dǎo)致斷層帶的滲透性提高或者降低。在此，我們主要介紹與斷層演化直接相關(guān)的變形過(guò)程，并討論這些過(guò)程是如何產(chǎn)生以及其對(duì)斷層滲透性的影響。

3.1 未固結(jié)巖石中的顆粒流

R.A.Bagnold(1954)認(rèn)為在流動(dòng)的沉積物內(nèi)，無(wú)凝聚力的顆粒之間碰撞作用所產(chǎn)生的支撐應(yīng)力在顆粒之間傳遞剪應(yīng)力所引起的顆粒流動(dòng)，稱(chēng)為顆粒流。在內(nèi)聚力較低的巖石中，特別是未固結(jié)的巖石，吸收拉應(yīng)力后的第一階段是形成膨脹帶(Du Bernard，2002)。沿膨脹帶，巖石顆粒被解聚，但是沿著膨脹帶每個(gè)顆粒彼此間沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生任何剪切偏移。一旦沿著膨脹帶發(fā)生偏移，就形成剪切帶（圖2），剪切帶和膨脹帶都屬于變形帶范疇。顆粒流的產(chǎn)生導(dǎo)致孔隙網(wǎng)絡(luò)的重新排列，最初的膨脹造成滲透性的略有增加。而隨后沿變形帶的剪切和顆粒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生各向異性的特性（Bense，2003）。在地球淺表（＜100m），未固結(jié)巖石的滲透性通常不會(huì)受到斷層過(guò)程的影響。隨著埋深逐漸增大，顆粒的碎裂逐漸沿變形帶產(chǎn)生，使得變形帶顆粒粒度不均，分選性變差，進(jìn)而可能造成滲透率的明顯降低。

圖2 膨脹帶和剪切帶

當(dāng)斷層位移大于沉積層厚度時(shí)，顆粒流導(dǎo)致不同粒度的未固結(jié)巖石的混合，混合后的斷層中的構(gòu)造沉積物導(dǎo)致斷層帶的孔隙率和滲透性降低。Heynekamp等（1999）研究結(jié)果表明，相對(duì)均質(zhì)的源層混合導(dǎo)致了斷層帶的非均質(zhì)性。與原砂層相比，沿美國(guó)新墨西哥州的Sand Hill斷層帶形成的砂巖和粘土的互層,由于不完全的混合，滲透率降低了6個(gè)數(shù)量級(jí)。除此之外，某些硅質(zhì)沉積物顆粒的旋轉(zhuǎn)造成的滲透率的各向異性，也會(huì)造成滲透率降低[1]。

3.2 破裂作用和角礫成巖作用

斷裂是巖層在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂并沿破裂面產(chǎn)生明顯相對(duì)移動(dòng)的一種構(gòu)造變形現(xiàn)象（Arch，1990），破裂作用是一個(gè)增加滲透性的典型過(guò)程。

單一裂隙，或若干個(gè)互不切割的裂隙不能構(gòu)成連續(xù)的導(dǎo)水通道。只有不同方向的裂隙互相交切，才能形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成滲透性良好的導(dǎo)水介質(zhì)[8]。對(duì)于低孔隙度（＜10%）和低滲透率的巖石，其孔隙度和滲透率主要取決于裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲透性受斷裂網(wǎng)絡(luò)的連通性和裂隙孔徑分布的控制（Bour，1997）。而裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性則主要取決于裂隙密度、裂隙取向和裂隙長(zhǎng)度分布。一般來(lái)說(shuō)具有中等孔徑的單個(gè)裂隙可以控制局部的滲透性。近斷層帶斷裂密度和連通性通常增加顯著，這就使得在斷層附近的巖石的滲透性大于原巖的滲透性[1]。Evans等（1997）研究論證了這一點(diǎn)，他們對(duì)美國(guó)懷俄明州的East Fork逆斷層的進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明相比圍巖，其有效滲透率增加了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

角礫成巖作用是低孔隙度巖石（如結(jié)晶巖和碳酸鹽巖）的典型斷層變形過(guò)程（Sibson，1977）。角礫巖是由高強(qiáng)度角礫作用產(chǎn)生的棱角狀、粗粒碎片構(gòu)成的斷層巖（Borradaile，1981），埋藏在不超過(guò)30%巖石體積的細(xì)?；|(zhì)中。近地殼幾公里通常形成無(wú)內(nèi)聚力角礫巖,隨著節(jié)理的發(fā)育，通常導(dǎo)致滲透性的提高，或者埋藏固結(jié)成巖后抬升階段發(fā)生斷裂變形。由于應(yīng)力松弛和應(yīng)力釋放，裂縫大量發(fā)育，斷裂變形形成無(wú)內(nèi)聚力的斷層角礫巖，形成高滲透斷層帶。以碳酸鹽巖為例，在埋藏不足3km時(shí)，斷裂變形開(kāi)始是以破裂作用為主，產(chǎn)生大量的粒間裂縫和粒內(nèi)裂縫，逐漸形成無(wú)內(nèi)聚力的斷層泥和斷層角礫巖。一般來(lái)說(shuō)，這種斷層帶具有“膨脹”特征，隨著裂縫形成和張開(kāi)，滲透率明顯增大。在秦皇島山羊寨發(fā)育在小于3km的淺層斷層，在斷層面發(fā)育有無(wú)內(nèi)聚力斷層角礫巖，滲透性相較圍巖有明顯的增大[4]。在結(jié)晶巖中，根據(jù)Caine等(2010)的研究，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州迪克西瓦利地區(qū)發(fā)育Stillwater發(fā)震正斷層的角礫巖，在同震期間混合模式變形，以剪切和膨脹為主，導(dǎo)致角礫巖滲透率的相對(duì)提高。之后由于孔隙的膠結(jié)作用，或者沿著斷層帶進(jìn)一步研磨細(xì)化，造成滲透性劇烈降低。

3.3 泥巖涂抹

泥巖涂抹是斷層滲透性降低的重要機(jī)制之一[1]。在未固結(jié)巖石、硅質(zhì)沉積巖和碳酸鹽巖等圍巖中均發(fā)現(xiàn)泥巖涂抹造成斷層滲透率顯著降低的現(xiàn)象。

未固結(jié)、半固結(jié)和固結(jié)成巖的泥巖均可形成泥巖涂抹，規(guī)模從來(lái)源于砂泥巖薄互層中的數(shù)毫米或數(shù)厘米，厚到復(fù)雜斷層帶中的幾米厚[6]。泥巖涂抹量主要取決于斷層的斷距、巖性組合及泥巖塑性等多種因素[7]。泥巖涂抹的形成和演化規(guī)律內(nèi)容較多，不在本文中贅述，但其他文獻(xiàn)已有詳細(xì)描述。

泥巖涂抹產(chǎn)生沿?cái)鄬用娣植嫉囊粋€(gè)連續(xù)低滲透粘土物質(zhì)帶，造成垂向和/或側(cè)向滲透性的顯著降低（如圖3所示）。斷層變形過(guò)程形成了多種類(lèi)型的斷層巖，包括碎裂巖、解聚帶和膠結(jié)斷層巖等，對(duì)比這幾種類(lèi)型的斷層巖滲透率，泥巖涂抹有最低的滲透率，具有較強(qiáng)的封閉能力。泥巖涂抹比圍巖中泥巖滲透率降低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，比圍巖中砂巖滲透率降低3～9個(gè)數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，在Roer裂谷系統(tǒng)中萊茵河下游的未固結(jié)沉積斷層，沿?cái)鄬用娴哪鄮r涂抹是造成沿?cái)鄬訚B透率低的主要作用（Bense，2004）。

圖3 泥巖涂抹

泥巖涂抹的作用可以用斷層泥比率（SGR）方法進(jìn)行量化描述，這在油氣相關(guān)研究中是很常見(jiàn)的，但目前極少應(yīng)用于地下水滲流研究。Bense等（2004）使用Sperrevik等人（2002）提出的SGR和斷層位移的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，計(jì)算出Rheindahlen斷層帶滲透率和寬度，與地下水?dāng)?shù)值模型得到的結(jié)果相吻合，他認(rèn)為在水文地質(zhì)模型中SGR方法可以應(yīng)用于計(jì)算斷層的水力特性。

3.4 碎裂作用

碎裂作用是顆粒的普遍脆性壓裂和粉碎。通常來(lái)說(shuō)，碎裂作用是造成未固結(jié)巖石和低孔隙巖石滲透性降低的主要變形過(guò)程。

在低孔隙巖石中，碎裂作用通常在一定深度后變?yōu)橹饕淖冃芜^(guò)程[4]。同樣以碳酸鹽巖為例，當(dāng)埋深大于3km后，沿著裂縫發(fā)生摩擦滑動(dòng)并伴隨破碎的顆粒滾動(dòng)，產(chǎn)生碎裂流，形成斷層泥、斷層角礫巖和碎裂巖，通常造成滲透率降低。例如，埋深超過(guò)5km的希臘Corinth斷層帶中的Pirgaki斷層，靠近下盤(pán)發(fā)育顆粒直徑50～200μm的固結(jié)超碎裂巖，與圍巖的滲透率相比，降低了多個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。

地表附近的未固結(jié)巖石通常發(fā)生顆粒流作用，然而隨著深度增加，巖石強(qiáng)度增強(qiáng)，Sperrevik等認(rèn)為在埋深超過(guò)500m時(shí)，碎裂作用會(huì)成為主要的變形過(guò)程。此外，發(fā)生在未固結(jié)沉積物中的碎裂作用的效率隨著顆粒組成而變化[1]。強(qiáng)度相對(duì)較弱的顆粒如長(zhǎng)石可以被完全粉碎，而強(qiáng)度高的石英顆粒則顯示出晶粒剝落的破壞特征，而不是通過(guò)粉碎完全分解（Shipton，2001）。

固結(jié)砂巖中的碎裂變形帶網(wǎng)絡(luò)是碎裂作用研究的焦點(diǎn)。與未變形的砂巖相比，具有低粘土含量的固結(jié)砂巖中的碎裂變形帶的滲透率通常降低4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，這正被許多現(xiàn)場(chǎng)和滲透性試驗(yàn)所證實(shí)（Fisher，2001）。目前，對(duì)沿著碎裂變形帶的滲透率降低的幅度和空間變異性的控制仍然是研究的重點(diǎn)（例如，Torabi和Fossen，2009）。

4 討論與結(jié)論

本文討論了幾種變形過(guò)程對(duì)斷層滲透性的影響（如表1所示）。然而需要注意的是，同一種變形過(guò)程在不同時(shí)期對(duì)滲透性的影響也是不同的，早期未固結(jié)巖石中的顆粒流作用會(huì)使得孔隙網(wǎng)絡(luò)的重新排列，使得滲透率短暫提高。

斷層滲透性是多種變形過(guò)程的產(chǎn)物耦合的結(jié)果，滲透性的增加或減少是由主導(dǎo)的變形過(guò)程所決定，如破裂作用占主導(dǎo)作用時(shí)，通常形成未固結(jié)的斷層角礫巖和斷層泥，滲透率相較于圍巖有所增加。一些次生過(guò)程或更大尺度的過(guò)程如壓實(shí)、構(gòu)造應(yīng)力和地球化學(xué)過(guò)程也對(duì)斷層滲透性也具有相當(dāng)大的影響。

變形過(guò)程的產(chǎn)物也同樣受多重因素的制約，包括內(nèi)因（巖性、礦物成分、成巖階段等）和外因（溫度、圍壓和變形深度等）。碎裂作用形成的斷層泥帶通常滲透率低于圍巖，而形成的有內(nèi)聚力的斷層角礫巖帶和碎裂巖帶滲透率同圍巖比，變化不一。

5 斷層水文地質(zhì)學(xué)的展望

為了更全面地了解斷層水文地質(zhì)，滲透性的研究仍然需要在以下幾個(gè)方面不斷的努力。

（1）增加對(duì)未固結(jié)巖石（松散沉積物）的研究。例如對(duì)可滲透的砂和礫石的水文地質(zhì)研究較少，在斷層帶中砂礫可通過(guò)顆粒流替代或與低滲透性巖床（如粘土和頁(yè)巖等）混合在一起。該過(guò)程通常會(huì)導(dǎo)致斷層帶的滲透性增加（Lewis,2002）。

（2）野外調(diào)查研究進(jìn)一步細(xì)化。在各種尺度、不同巖性的斷層帶的各個(gè)部分采集樣品并進(jìn)行測(cè)試，以獲取更多的數(shù)據(jù)。這樣對(duì)斷層特征滲透性結(jié)構(gòu)的研究可以增加新的元素，如時(shí)間、巖性、尺度等，將使得該模型更加全面，并可能為更好地預(yù)測(cè)斷層帶滲透性結(jié)構(gòu)提供更多幫助。

（3）跨學(xué)科的結(jié)合?，F(xiàn)有文獻(xiàn)所提出的斷層水文地質(zhì)模型，包括Caine所提出的導(dǎo)水-隔水耦合系統(tǒng)等概念模型都是由構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家提出，這些概念模型很大程度上有待于相同斷層帶的同一位置的水文地質(zhì)資料所進(jìn)一步證實(shí)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)斷層帶的不同變形過(guò)程的研究進(jìn)行回顧分析，進(jìn)而分別從顆粒流、碎裂作用等方面對(duì)斷層帶滲透性的影響做出了系統(tǒng)總結(jié)，并對(duì)斷層水文地質(zhì)學(xué)的研究方向進(jìn)行了展望。當(dāng)前，關(guān)于斷層水文地質(zhì)學(xué)的成果較多，大多都是地質(zhì)學(xué)家基于露頭觀測(cè)數(shù)據(jù)所提出的，缺少相應(yīng)的水文地質(zhì)資料和方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的完善。同時(shí)斷層滲透性研究的覆蓋面可以進(jìn)一步擴(kuò)大，野外調(diào)研工作也需要進(jìn)一步精細(xì)。