謝曉寧， 景紫巖， 孟令東， 馮 軍， 唐海氫

( 1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學(xué) CNPC斷裂控藏實驗室，黑龍江 大慶 163318； 3. 中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州 730000； 4. 中國石油華北油田分公司 第三采油廠，河北 河間 062450 )

0 引言

泥巖涂抹通常形成于正斷層，是由層狀沉積序列經(jīng)歷純機械過程變形而形成的一種斷層泥，泥巖涂抹連續(xù)性研究可以解決流體的跨斷層流動問題[1]。脆—韌性構(gòu)造域中，泥巖涂抹的連續(xù)性越好，封閉油氣能力越強。影響泥巖涂抹連續(xù)性的因素包括黏土層厚度和斷距、巖性、有效正應(yīng)力和變形速率等[2]。對于相似巖性和應(yīng)力條件下形成的泥巖涂抹，黏土層厚度與斷距是重要的控制因素。有多種基于兩個變量定義的泥巖涂抹連續(xù)性算法，如SSF(Shale Smear Factor，泥巖涂抹系數(shù))、SGR(Shale Gouge Ratio，斷層泥比率)、CSP(Clay Smear Potential，泥巖涂抹潛量)等[3-5]。SSF為黏土層斷距與厚度之比，表征泥巖涂抹層分布的連續(xù)性，通常認(rèn)為當(dāng)SSF≤4時，泥巖涂抹是連續(xù)、封閉的，即在黏土層厚度較大或斷距較小時，泥巖涂抹的連續(xù)性較好，易于封閉油氣；當(dāng)黏土層厚度較小或斷距較大時，不易形成連續(xù)的泥巖涂抹，難以封閉油氣[6]。

對于實際地質(zhì)數(shù)據(jù)，物理模擬具有易于控制變量和獲得數(shù)據(jù)等優(yōu)點。在野外勘測與地震勘探中，不可能觀察到斷層完整的形成演化過程，并且各類泥巖涂抹連續(xù)性算法難以與泥巖涂抹的厚度形成定量對應(yīng)關(guān)系，因此，有必要開展物理模擬實驗，研究泥巖涂抹連續(xù)性。泥巖涂抹的物理模擬方法主要有砂箱、直接剪切、環(huán)形剪切和三軸剪切實驗。其中，直接剪切、環(huán)形剪切和三軸剪切實驗雖然考慮斷層正壓力的影響，但是在限定的一個斷層面下完成，斷層的分布受到限制[7-10]；砂箱實驗彌補其他方法中斷層分布受限的缺點，可以更真實地反映斷層形成演化過程。為恢復(fù)和分析泥巖涂抹的變形過程，并合理模擬砂泥層實際的能干性差異及地層水壓力，泥巖涂抹的砂箱實驗多在水飽和條件下進(jìn)行，運用PIV(Particle Image Velocimetry，粒子圖像測速)技術(shù)分析變形全過程[11-14]。

目前，中國的有關(guān)研究通常是在非飽和水砂箱中完成砂箱物理模擬實驗，不能反映實際地質(zhì)條件下的砂和黏土之間的能干性差異，因此采取飽和水砂箱完成實驗。文獻(xiàn)[12-15]僅考慮同一種黏土隨斷距和厚度的變化是否保持連續(xù)性，未以統(tǒng)計泥巖涂抹層厚度的形式，研究連續(xù)性隨黏土層厚度和斷距的變化趨勢。筆者使用最小涂抹厚度表征泥巖涂抹的連續(xù)性方法，統(tǒng)計連續(xù)性隨SSF的變化關(guān)系，研究脆—韌性構(gòu)造域泥巖涂抹的連續(xù)性變化規(guī)律。

1 實驗裝置及方案

1.1 裝置

圖1 斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成演化模擬裝置

Fig.1 Internal structure and evolution of fault zone modeling apparatus

采用斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成演化模擬裝置(見圖1)，主要包括控制和實驗部分。其中，控制部分采用計算機控制軟件，設(shè)定實驗變形方向、速度和斷距等參數(shù)；實驗部分分為內(nèi)箱和外箱，內(nèi)箱用鋪設(shè)模型并通過傳動桿帶動變形，外箱實現(xiàn)模型的水飽和，內(nèi)箱正面與外箱玻璃面板貼合，成為實驗觀察窗，拍攝并留下實驗圖像記錄，用于變形過程的PIV分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。實驗參數(shù)：最大斷距為6.50 cm；變形速率為0.60 mm/min；內(nèi)箱尺寸為56.00 cm×18.00 cm×48.00 cm；斷層傾角為60°。

1.2 材料

砂材料為40～70目白色白剛玉，水飽和后的密度為1.881×103kg/m3，水飽和后的內(nèi)摩擦角為36.56°，屬于脆性較強的砂質(zhì)材料；黏土材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的黃陶土與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的白剛玉的混合物，根據(jù)GB/T 50123—1999《土工實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，使用液塑限測定儀、烘干式含水率測定儀等進(jìn)行參數(shù)測定[16-17]，在飽和水砂箱中的含水率約為29%，含水率低于材料液限，呈現(xiàn)完全的塑性。

1.3 方案

為研究脆—韌性構(gòu)造域泥巖涂抹的形成演化過程，分析黏土層厚度和斷距對泥巖涂抹連續(xù)性的影響，在模型設(shè)計時注重幾何學(xué)相似的恢復(fù)，在模型底部設(shè)置一條基底斷層，在模型頂部加設(shè)頂板，得到一上一下兩條60°先導(dǎo)斷層，實驗變形主要集中在60°方向。以源于鉆井資料的經(jīng)典泥巖涂抹剖面[18]作為自然原型，進(jìn)行等比例縮放，設(shè)計實驗的基礎(chǔ)模型。

共設(shè)計1個無黏土層對照實驗?zāi)Ｐ?對照實驗)，以及不同黏土層厚度的2個實驗?zāi)Ｐ?泥巖涂抹實驗)進(jìn)行勻速變形實驗(見圖2)。為使同一實驗的不同地層、不同實驗的地層及同一實驗不同時期之間的地層相互對照，在2個泥巖涂抹實驗?zāi)Ｐ椭袑⑸澳嗷佣卧O(shè)置為3層黏土與2層砂交錯出現(xiàn)，在對照實驗中將砂泥互層段設(shè)置為純砂層。

圖2 實驗方案設(shè)計Fig.2 Design of experimental models

為控制無關(guān)變量，3個模型的總高度(35.50 cm)、砂泥互層段厚度(6.50 cm)、勻速變形速率(0.60 mm/min)、最大斷距(6.50 cm)相同，且全部覆蓋4.00 cm厚度的亞克力板，亞克力板的上盤受到400 N的鐵板的壓力作用，作為頂板斷層，限制斷層分布范圍。3個模型的區(qū)別在于，無黏土層對照實驗(見圖2(a))中，砂泥互層段為6.50 cm砂層，無黏土層；薄黏土層實驗(見圖2(b))中，砂泥互層段的各黏土層厚度約為0.80 cm，各砂層厚度約為2.00 cm；厚黏土層實驗(見圖2(c))中，砂泥互層段的各黏土層厚度約為1.50 cm，各砂層厚度約為1.00 cm。

為分析泥巖涂抹的形成演化過程，研究在斷距不同、厚度相同或斷距相同、厚度不同的情況下泥巖涂抹的連續(xù)性，2個泥巖涂抹實驗中，對2種厚度的6個黏土層及其形成的各條斷層進(jìn)行統(tǒng)計。

1.4 PIV技術(shù)

PIV技術(shù)作為一種非接觸式的光學(xué)測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各類構(gòu)造物理模擬實驗[19-23]。它運用計算機軟件，把圖像分割為若干塊“判讀區(qū)(interrogation window)”進(jìn)行圖像處理，判讀區(qū)的大小決定PIV處理的精度，每一個判讀區(qū)的大小通常為幾粒石英砂，識別同一個判讀區(qū)在不同圖片中的位置變化，可以測算并顯示速度場、位移場和渦度等信息。對所有判讀區(qū)進(jìn)行判定和統(tǒng)計，即可得到整個速度矢量場。計算具有一定時間間隔的照片上顆粒的瞬時平均速度，可獲得不同時刻顆粒運動的二維矢量場。

運用MATLAB軟件中的PIVlab插件，對實驗采集的影像(每隔30 s采集一次)進(jìn)行處理，分別得到實驗的速度場圖像(見圖3(a-d)、圖4(a-d)、圖5(a-c))。為便于描述，采用位移場的垂直分量(見圖3(e-h)、圖4(e-h)、圖5(d-f))反映不同圖像位置的垂向斷距。不同的色標(biāo)代表斷距相對大小，冷色調(diào)(藍(lán)色、綠色)代表小斷距，暖色調(diào)(黃色、紅色)代表大斷距，即圖像顏色從冷色調(diào)向暖色調(diào)過渡，代表斷距越來越大。上下盤之間的明顯色差反映斷層位置。

2 實驗結(jié)果

分別對3個實驗進(jìn)行全程攝像記錄，對圖像逐張進(jìn)行灰度處理，運用PIV技術(shù)，分別得到無黏土層對照實驗、薄黏土層實驗和厚黏土層實驗結(jié)果(見圖3-5)。由于每個實驗形成演化過程各不相同，為便于描述，根據(jù)位移量的大小和變形特征的變化，將各實驗的變形分為3～4個階段。

2.1 無黏土層對照

斷層變形初期(見圖3(a))，基底斷層斷距為0～0.84 cm。由于位移量較小，錯動不明顯，標(biāo)志層幾乎沒有發(fā)生變形。由圖3(e)可見，在基底斷層上部形成一條80°左右的初期逆斷層和一條80°左右的初期正斷層，但是斷層的集中程度不高。兩條斷層之間所夾斷塊清晰可見。

斷層變形前期(見圖3(b、f))，基底斷層斷距為0.84～1.68 cm。隨位移增大，兩條斷層沿其所夾斷塊方向傳播，傾向變陡且逐漸趨向重合，形成底部先導(dǎo)斷層。

斷層變形中期(見圖3(c、g))，基底斷層斷距為1.68～3.84 cm。標(biāo)志層發(fā)生明顯的位移變化，且靠近頂部的部分變形較為分散，靠近底部的部分變形較為集中。初期正斷層和初期逆斷層合為一條基底先導(dǎo)斷層，并沿下盤方向傳播。頂板斷層處形成一條60°左右的頂板先導(dǎo)斷層。

斷層變形后期(見圖3(d、h))，基底斷層斷距為3.84～6.50 cm。基底先導(dǎo)斷層與頂板先導(dǎo)斷層繼續(xù)向下盤方向傳播，并在頂板斷層、基底斷層連線方向合為一條60°左右的斷層，且斷層兩側(cè)位移量差距明顯。

2.2 薄黏土層

斷層變形初期(見圖4(a))，基底斷距為0～1.20 cm。由于斷層錯動甚微，在變形圖像的砂泥巖序列中幾乎沒有發(fā)生變化。由圖4(e)可見，在基底斷層的上部可見一條近于直立的底部先導(dǎo)斷層，在頂板斷層的下方也發(fā)育一條與頂板斷層產(chǎn)狀相近的頂部先導(dǎo)斷層，兩條頂板斷層同時發(fā)育，但強度較小，應(yīng)變分布相對分散。

圖3 無黏土層對照實驗結(jié)果Fig.3 Results of non-clay layer comparison experiments

斷層變形前期，基底斷距為1.20～2.40 cm(見圖4(b))，先導(dǎo)斷層沿基底斷層和頂板斷層連線方向傳播，到達(dá)斷層的優(yōu)勢方向，斷層在模型中的分布均勻且集中。斷層活動產(chǎn)生的剪應(yīng)變超過材料的抗剪強度，砂泥層受剪切變形而發(fā)生錯動，砂泥層的厚度在剪應(yīng)變集中帶中略有減薄。由圖4(f)可見，這一階段圖像兩盤間的位移差異清晰可見，其中上、中、下各段變形均勻，各段位移幾乎相同，但上盤底部區(qū)域的位移量略大于中部和上部區(qū)域的，表明在基底斷層附近的斷層相對略微集中。

斷層變形中期，基底斷距為2.40～4.20 cm(見圖4(c、g))，斷層繼續(xù)沿先前的方向運動，致使原有的泥巖涂抹被拉長，黏土層即將發(fā)生對接。斷層活動主要集中于砂泥互層段，且形成的斷層傾角陡峻，與上一階段相比，斷層在砂泥互層的頂部更為活躍，在最上層黏土層出現(xiàn)兩條斷層共同作用的現(xiàn)象，在同一涂抹面的不同位置表現(xiàn)為不同的斷層傾角。

斷層變形后期，基底斷距為4.20～6.50 cm(見圖4(d、h))，在原活躍斷層的左側(cè)又形成一條新的斷層，且新斷層沒有斷穿所有的黏土層，在砂泥互層段的底部發(fā)育，只在下方的兩個黏土層有少量斷距顯示，第三層黏土層的斷距要略高于第二層黏土層的。原有斷層依然保持活動，斷距比上一階段有所增大，不同黏土層發(fā)生對接，而砂層發(fā)生完全的錯斷。

圖4 薄黏土層實驗結(jié)果Fig.4 Results of thin clay layer experiments

2.3 厚黏土層

斷層變形初期，基底斷距為0～0.36 cm(見圖5(a))，先形成兩條先導(dǎo)斷層，分別位于基底斷層、頂板斷層連線方向的兩側(cè)。由于變形的動力來源于底部，因此底部的先導(dǎo)斷層相對頂部的先導(dǎo)斷層更長。由圖5(d)可見，在兩條先導(dǎo)斷層之間存在一個形狀為平行四邊形的位移區(qū)域。位移量很小，若用肉眼觀察，則難以見到明顯的砂層和黏土層變形。

斷層變形前中期，基底斷距為0.36～3.24 cm(見圖5(b))，隨位移的增大，原有的兩條先導(dǎo)斷層離開原來位置，逐漸沿位移優(yōu)勢方向——頂板斷層和基底斷層連線方向傳播，斷層帶基本合為一條且完全集中在基底斷層的上盤。上盤各部分的位移量基本相同，應(yīng)變在實驗?zāi)Ｐ偷纳稀⒅?、下各部分分布均勻，斷層分布集?見圖5(e))。砂泥互層中的黏土層沿斷層帶被拉長，形成陡而薄的泥巖涂抹，黏土層間即將發(fā)生對接，而砂層的涂抹作用不明顯。

圖5 厚黏土層實驗結(jié)果Fig.5 Results of thick clay layer experiments

斷層變形中后期，斷距為3.24～6.50 cm(見圖5(c))，先前泥巖涂抹的各層泥巖完成對接，在兩個斷面拖曳形成的泥巖涂抹之間，砂層被完全錯斷，形成砂質(zhì)透鏡體。斷層進(jìn)一步沿基底斷層與頂板斷層連線方向傳播，在原來斷層右側(cè)又形成新的斷面。由圖5(f)可見，新斷面活動，但難以辨別原來斷層面是否活動；兩條斷層同時活動，一條沿頂層泥巖層分布，另一條沿右側(cè)斷層面分布，其中在頂部泥巖層處應(yīng)變相比右側(cè)斷層面處的更強。

3 斷層演化過程

3.1 無黏土層對照實驗

由無黏土層對照實驗結(jié)果(見圖3)可見，當(dāng)斷距較小時(變形初期和前期)，難以用肉眼辨別標(biāo)志層的形變及斷層的位置。在圖像PIV分析結(jié)果的輔助下可見，變形初期，先形成較陡的初期逆斷層和初期正斷層，之后兩條斷層逐漸趨近，并沿下盤方向傳播。變形前期和中期，又在基底斷層之上形成一條基底先導(dǎo)斷層，并在頂板斷層之下形成一條頂板先導(dǎo)斷層；變形后期，隨基底斷層的活動，斷層逐漸沿頂板斷層和基底斷層連線方向傳播，斷層傾角逐漸接近基底斷層傾角(60°)，黏土層發(fā)生明顯的形變。在頂板斷層和基底斷層連線方向形成統(tǒng)一的滑動面。

3.2 泥巖涂抹實驗

在兩次不同黏土層厚度的泥巖涂抹實驗結(jié)果(見圖4-5)中，實驗初期，形成位于基底斷層之上的基底先導(dǎo)斷層和位于頂板之下的頂板先導(dǎo)斷層，形成時期比無黏土層對照實驗的早；實驗中后期，泥巖涂抹斷層形成過程與無黏土層對照實驗的相似，隨基底斷層的活動，所有實驗斷層逐漸沿頂板斷層和基底斷層連線方向傳播，斷層傾角逐漸接近基底斷層傾角(60°)，黏土層發(fā)生明顯的形變。在頂板斷層和基底斷層連線方向也形成統(tǒng)一的滑動面。

實驗?zāi)Ｐ椭惺欠翊嬖陴ね翆佑绊憯鄬拥男纬裳莼^程。無黏土層對照實驗中，先形成直通模型頂部的初期逆斷層和初期正斷層，然后形成基底先導(dǎo)斷層和頂板先導(dǎo)斷層，最終形成連續(xù)的一條斷層；泥巖涂抹實驗中，無初期斷層形成，直接形成基底先導(dǎo)斷層和頂板先導(dǎo)斷層，最終形成連續(xù)的一條斷層。

實驗中形成的多條斷層是砂箱的邊界條件影響所致，而非自然界地層具有的特性，在解釋泥巖涂抹的形成演化過程時，需要排除這一因素的影響。在飽和水砂箱物理模擬實驗邊界條件下，無黏土層對照實驗的斷層的形成演化過程模式見圖6(a)，泥巖涂抹實驗的斷層的形成演化過程模式見圖6(b)。

圖6 砂箱物理模擬實驗斷層演化模式Fig.6 Fault evolution pattern of sandbox analogue modeling

4 泥巖涂抹形成演化過程

LINDSAY N G等[24]通過野外露頭觀察認(rèn)為，泥巖涂抹主要有研磨型(abrasion smear)、剪切型(shear smear)和注入型(injection smear)。由于實驗選取的軟沉積物呈現(xiàn)較強的塑性流動特征，且砂層能干性強于黏土層的，實驗形成的泥巖涂抹的類型屬于剪切型。

根據(jù)斷層的形成演化過程，排除砂箱本身邊界條件的影響，概括軟沉積物中單一斷層中的泥巖涂抹形成演化過程(見圖7)：變形早期，斷距較小，原本呈水平的黏土層在底部小斷層的作用下發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn)，下盤黏土層位置不變，上盤地層明顯傾斜，黏土層厚度幾乎不發(fā)生變化；隨后，在多個斷層的共同作用下發(fā)生彎曲，形成牽引構(gòu)造，黏土層發(fā)生明顯的位移和厚度變化，但未被完全錯斷，黏土層作為蓋層封閉油氣；最后，隨位移的繼續(xù)增加，沿正斷層形成連續(xù)、具有封閉性的泥巖涂抹，且受剪切作用影響，泥巖涂抹厚度分布總體呈現(xiàn)靠近原巖層處相對較厚、靠近涂抹中心處相對較薄的特征。

在泥巖涂抹形成后，如果進(jìn)一步增大斷距，受剪切作用影響，則泥巖涂抹進(jìn)一步變薄，黏土層連續(xù)性逐漸變差，直至超過泥巖涂抹破壞的臨界值，泥巖涂抹失去連續(xù)性，進(jìn)而失去對油氣的封閉性。

使用CorelDraw軟件，對兩個實驗全體單層泥巖涂抹數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(見圖8)，即每組泥巖涂抹數(shù)據(jù)包括黏土層厚度、斷距，以及對應(yīng)的泥巖涂抹區(qū)域的最小泥巖涂抹厚度(泥巖涂抹層在水平方向的視厚度最薄處)。其中，斷距與黏土層厚度之比為泥巖涂抹因數(shù)SSF，反映黏土層厚度和斷距的變化；最小泥巖涂抹厚度代表泥巖涂抹的連續(xù)性。

圖7 實驗?zāi)鄮r涂抹形成演化過程Fig.7 Evolution process of clay smear in experiments

通過控制變量方式，在2個不同厚度黏土層實驗及6個黏土層在斷層的不同階段、不同斷距條件下，分析SSF對最小泥巖涂抹厚度的影響，即對泥巖涂抹連續(xù)性的影響(見圖9)。根據(jù)SSF定義(斷距與黏土層厚度之比)，當(dāng)厚度為1時，SSF代表單位厚度下的斷距大小，即斷距與最小涂抹厚度之間呈反比例關(guān)系。隨斷距的增大，泥巖涂抹的連續(xù)性變差，變化速度在斷距較小時相對更快，在斷距較大時相對較慢。當(dāng)斷距為1、只考慮厚度因素時，黏土層厚度與最小涂抹厚度之間近似呈線性關(guān)系，黏土層厚度越大，泥巖涂抹連續(xù)性越好。

5 結(jié)論

(1)在無黏土對照實驗中，先形成初期逆斷層和初期正斷層，而后在頂板、基底各自形成較陡的先導(dǎo)斷層，隨斷距的增大，先導(dǎo)斷層沿頂板斷層和基底斷層連線方向傳播，最終與中央的優(yōu)勢運動方向——頂?shù)装鍞鄬舆B線方向一致。在泥巖涂抹實驗中，在頂板、基底各自形成較陡的先導(dǎo)斷層，其中基底處的先導(dǎo)斷層更陡，隨斷距的增大，沿連線方向傳播，最終與中央的優(yōu)勢運動方向——頂?shù)装鍞鄬舆B線方向一致。

(2)排除邊界條件影響，黏土層最先經(jīng)受輕微旋轉(zhuǎn)；而后，隨斷距的增大，黏土層尚未錯斷，可作為蓋層封閉油氣；最后受剪切作用影響，黏土層在斷層帶中形成連續(xù)的泥巖涂抹。

(3)黏土層厚度、斷距影響泥巖涂抹的連續(xù)性。泥巖涂抹因數(shù)與泥巖涂抹連續(xù)性之間呈近似反比例關(guān)系，黏土層厚度越大、斷距越小，形成的泥巖涂抹連續(xù)性越好。