渠芳，連承波，柴震瀚，任冠雄

1)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610500；2)西南石油大學(xué)，成都，610500

內(nèi)容提要:孔隙性砂巖中的變形帶研究近年來取得長足進(jìn)展，但有關(guān)單條變形帶與簇狀變形帶如何區(qū)分和界定仍是一個(gè)較模糊的問題。本文以遠(yuǎn)安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組高孔砂巖中發(fā)育的剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶和壓實(shí)剪切帶為例，對(duì)單條及簇狀變形帶的特征和區(qū)別做出系統(tǒng)分析。研究表明，雖然單條變形帶的長度、寬度、錯(cuò)斷位移、凸起高度等均明顯小于簇狀變形帶，但是不同運(yùn)動(dòng)學(xué)成因的變形帶宏觀特征、微觀結(jié)構(gòu)不同，因此不能單純以規(guī)模大小區(qū)分二者，需要結(jié)合帶密度將簇狀變形帶與變形帶列、網(wǎng)格構(gòu)造等相區(qū)分，還需要結(jié)合其微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定。單條及簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶特征類似，均不具核心碎裂帶，顆粒主要為中等破碎，多表現(xiàn)為多個(gè)不連續(xù)分布的碎裂核。簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶內(nèi)部的非均質(zhì)性更強(qiáng)。單條壓實(shí)剪切帶具有核心碎裂帶，依剪切力大小不同，其核心碎裂帶內(nèi)顆粒粉碎程度及邊緣過渡帶寬度不同，常伴隨微小剪切縫痕跡。簇狀壓實(shí)剪切帶在鏡下可清晰識(shí)別出不同的核心碎裂帶、帶間區(qū)域及微小剪切縫，可見S—C組構(gòu)和斷續(xù)分布的滑動(dòng)面。單條及簇狀變形帶的發(fā)育會(huì)不同程度地改變儲(chǔ)層的物性并可能會(huì)對(duì)油氣運(yùn)移和開采產(chǎn)生影響。

孔隙性砂巖中的變形帶(deformation band)，是指發(fā)育于高孔隙性巖石(孔隙度大于15%)或未完全膠結(jié)的顆粒沉積物中的一種很特別的亞地震構(gòu)造。常表現(xiàn)為小型、斷層狀結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)變薄層帶，但是與一般的斷裂相比，缺少獨(dú)立、連續(xù)的滑脫面(Aydin et al.,2006;Fossen et al.,2007;Braathen et al.,2009;Kaproth et al.,2010;黃磊等，2019；劉鵬等，2019)。與未變形的圍巖相比，具有程度不同的肋狀突起及顏色、物性差異，純凈砂巖中的變形帶顏色常淺于圍巖，在變形帶形成及發(fā)展過程中，其孔隙度及滲透率通常會(huì)明顯低于周圍巖石(Antonellini and Aydin,1995;Main et al.,2000;Ngwenya et al.,2000;Ogilvie and Glover,2001;Fisher and Knipe,2001;Jourde et al.,2002;Shipton et al.,2002;Parry et al.,2004;Sample et al.,2006;Fossen and Bale,2007;Balsamo and Storti,2010;Kolyukhin et al.,2010;Schultz et al.,2010;Ballas et al.,2012,2015;Baud et al.,2012;Rotevatn et al.,2013)。因此變形帶研究對(duì)更加精確地掌握儲(chǔ)層的物性分布及流體滲流特征具有重大意義。

近年來孔隙性砂巖中變形帶研究已取得長足進(jìn)展，變形帶的分類越來越細(xì)化，重視不同類型變形帶的特征、形成機(jī)制及對(duì)流體滲流的影響研究。目前關(guān)于變形帶的分類主要有3種：① 按其形成階段，在未固結(jié)—半固結(jié)、固結(jié)到超固結(jié)成巖階段分別形成解聚帶(Disaggregation band)、碎裂帶(Cataclastic band)和壓溶膠結(jié)帶(solution band)；②根據(jù)母巖泥質(zhì)含量的不同又可分為碎裂帶和層狀硅酸鹽變形帶(Phyllosilicate band)(Cashman and Cashman,2000;Fossen et al.,2007)；③按力學(xué)性質(zhì)可分為膨脹帶(dilation bands)、剪切帶(shear bands)、壓實(shí)帶(compaction bands)及其過渡類型如剪切增強(qiáng)型壓實(shí)帶(shear-enhanced compaction band)、壓實(shí)剪切帶(compactional shear bands)、膨脹剪切帶(dilation shear bands;Fossen et al.,2007,2011,2015,2017;Eichhubl et al.,2010;Charalampidou et al.,2011;Skurtveit et al.,2013;Ballas et al.,2013;Robert et al.,2018)。

根據(jù)變形帶發(fā)育的基本形態(tài)，變形帶可分為單條變形帶和簇狀變形帶(Aydin,1978;Nicol et al.,2013;Soliva et al.,2016;Philit et al.,2018)。

但是有一個(gè)很重要的問題，即單條變形帶和簇狀變形帶到底如何進(jìn)行區(qū)分和界定，尚且是一個(gè)很模糊的領(lǐng)域。Aydin(1978)將單條變形帶(single deformation band)描述為白色直立肋狀、厚約1 mm的變形構(gòu)造，變形帶內(nèi)砂粒破裂、孔隙塌陷，導(dǎo)致顆粒尺寸的減小和密度的增加。而簇狀變形帶(clusters of deformation bands)則是由數(shù)條緊密排列、產(chǎn)狀相似的單條變形帶組成，其厚度可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)分米，一般不寬于1 m，長度可達(dá)數(shù)百米(Fossen and Bale,2007;Johansen and Fossen,2008;Philit et al.,2018)。以上對(duì)于簇狀變形帶的定義是比較籠統(tǒng)的，究竟單條變形帶間距多大才稱為簇狀變形帶，目前并沒有很明確的規(guī)定。如果不能厘清二者之區(qū)別，則進(jìn)行變形帶后續(xù)研究的重要基石將不復(fù)存在。因此，本文以遠(yuǎn)安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組高孔砂巖中發(fā)育的變形帶為例，從變形帶的定義、變形帶的形成機(jī)理、宏觀及微觀特征等方面出發(fā)，對(duì)單條變形帶和簇狀變形帶的特征及區(qū)別做出系統(tǒng)分析，并探討其石油地質(zhì)意義，為之后的變形帶微觀結(jié)構(gòu)及對(duì)流體滲流的影響研究起到拋磚引玉之作用。

1 單條變形帶與簇狀變形帶的一般性特征

1.1 單條變形帶的宏觀特征

遠(yuǎn)安地塹是位于江漢盆地西北緣的一個(gè)次級(jí)地塹構(gòu)造，以震旦系—中三疊統(tǒng)的淺海碳酸鹽臺(tái)地為基底，晚白堊世—早始新世為其裂谷階段，中始新世—第四紀(jì)為后裂谷階段(戴少武,1996;舒良樹和周新民,2002)。上白堊統(tǒng)紅花套組在地塹內(nèi)出露最為廣泛，厚度約400～800 m(喬彥波等，2012)。紅花套組主要為紅棕色厚層塊狀中—細(xì)粒巖屑石英砂巖，石英顆粒含量大于80%，巖屑少量，長石極少，結(jié)構(gòu)成熟度與成分成熟度較高?？紫抖冉橛?5%～25%之間，膠結(jié)物含量少，主要為泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)。取樣過程中，巖樣容易發(fā)生松散，反映出其形成期巖層具中—淺埋藏深度(連承波等，2020)。根據(jù)對(duì)遠(yuǎn)安地塹的野外勘測(cè)，變形帶并非分布在整個(gè)地塹內(nèi)，而是有選擇地發(fā)育在地塹中、南部上白堊統(tǒng)紅花套組高孔塊狀砂巖中(圖1)。在變形帶發(fā)育區(qū)，變形帶常呈密集分布，平面和剖面組合模式多樣，如網(wǎng)狀、交叉、平行、共軛、截?cái)嗉板e(cuò)斷等(圖2～圖4)。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)變形帶發(fā)生不同程度的顆粒碎裂，其形成機(jī)制主要為碎裂作用，成因類型為碎裂帶。從變形帶形成的力學(xué)性質(zhì)上分析，大多數(shù)變形帶在簡單剪切和純壓實(shí)之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)境中發(fā)育，目前在自然界中發(fā)現(xiàn)的變形帶最常見的力學(xué)類型是壓實(shí)型剪切帶(compactional shear band,CSB)，其次是剪切增強(qiáng)型壓實(shí)帶(shear-enhanced compaction band,SECB)，而純壓實(shí)帶(pure copaction band,PCB)少見，一般只在孔隙度大于30%的高孔砂巖中形成(Fossen et al.,2011,2015,2017)。經(jīng)研究，遠(yuǎn)安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組中發(fā)育的變形帶有3期，其中形成于伸展構(gòu)造體系和擠壓構(gòu)造體系的壓實(shí)剪切帶廣泛分布于地塹中南部高孔砂巖中，而只形成于擠壓應(yīng)力環(huán)境的剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶則受應(yīng)力場和巖性的控制，分布比較局限。本文主要針對(duì)這兩種類型進(jìn)行分析與探討。

圖1 江漢盆地西北緣遠(yuǎn)安地塹地質(zhì)簡圖及變形帶觀測(cè)點(diǎn)位分布(據(jù)湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局修改，1990)Fig.1 Simplified geological map and the distribution of observation points of deformation bands of Yuan’an graben,Jianghan Basin (modified after BGMRHP，1990)上白堊統(tǒng)：K2p—跑馬崗組，K2h—紅花套組，K2l—羅鏡灘組；T3—J—上三疊統(tǒng)—侏羅系；T1-2—下—中三疊統(tǒng)；S—P—志留系—二疊系Upper Cretaceous：K2p—Paomagang Fm.，K2h—Honghuatao Fm.，K2l—Luojingtan Fm.；T3—J—Upper Triassic—Jurassic；T1-2—Lower—Middle Triassic；S—P—Silurian—Permian

圖2 江漢盆地西北緣遠(yuǎn)安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組中單條變形帶宏觀特征Fig.2 Macroscopic characteristics of the single deformation band of Upper Cretaceous Honghuatao Formation in Yuan’an Graben,Jianghan Basin(a)單條壓實(shí)型剪切帶(觀測(cè)點(diǎn)2)；(b)圖中后期形成的2號(hào)單條變形帶切割其他變形帶，產(chǎn)生不明顯位移；2號(hào)變形帶位移約5 mm(觀測(cè)點(diǎn)12)；(c)一組近于平行的單條變形帶，為局部應(yīng)變硬化作用所產(chǎn)生(觀測(cè)點(diǎn)3)；(d)相互交叉形成局部網(wǎng)絡(luò)的單條壓實(shí)型剪切帶(觀測(cè)點(diǎn)10)；(e)平行展布的剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶(觀測(cè)點(diǎn)4)；(f)共軛展布的單條剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶(觀測(cè)點(diǎn)4)(a)A single compactional shear bands (CSB)[from OP2(observation point 2)]；(b)the No.2 single deformation band formed later cuts the other deformation bands,and No.2 deformation band has a displacement of about 5 mm(OP12)；(c)a group of nearly parallel single deformation bands,which are caused by local strain hardening(OP3)；(d)several single CSBs cross each other and form a local network(OP10)；(e)parallel shear-enhanced compaction bands (SECB)(OP4)；(f)SECBs with conjugate distribution(OP4)

圖3 江漢盆地西北緣遠(yuǎn)安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組中簇狀變形帶宏觀特征Fig.3 Macroscopic characteristics of deformation band clusters of Upper Cretaceous Honghuatao Formation in Yuan’an Graben,Jianghan Basin(a)、(b)寬度10 cm左右的簇狀變形帶局部，凸起高度2 cm，內(nèi)部變形帶密度高(分別來自觀測(cè)點(diǎn)17和15)；(c)局部寬度達(dá)50 cm以上的大型簇狀變形帶，內(nèi)部各單條變形帶非常清晰(觀測(cè)點(diǎn)16)；(d)簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶，寬度約5 cm，凸起高度1～1.5 cm(觀測(cè)點(diǎn)4)；(e)寬度局部達(dá)10 cm的中大型簇狀變形帶將另一小型簇狀變形帶錯(cuò)斷，錯(cuò)動(dòng)位移約7 cm(觀測(cè)點(diǎn)12)；(f)簇狀變形帶的尖端型末端，消失于圍巖(觀測(cè)點(diǎn)4)；(g)簇狀變形帶樹枝狀分叉末端，消失于圍巖(觀測(cè)點(diǎn)10)；(h)簇狀變形帶中形成的滑動(dòng)面(觀測(cè)點(diǎn)14)；(i)巨大簇狀變形帶之間的交切錯(cuò)動(dòng)，位移約 40 cm(觀測(cè)點(diǎn)16)(a),(b)The width of the two deformation band clusters is about 10 cm,the bulge height is 2 cm,and both consisting of a body of gathered deformation bands[from OP17,OP15(observation point 17,15)]；(c)the local width of the large deformation band cluster is more than 50 cm,and each single deformation band inside is very clear(OP16)；(d)the cluster of SECBs is about 5 cm wide and 1～1.5 cm high(OP4)；(e)the large cluster of deformation bands with a width of 10 cm locally truncates another small cluster of deformation bands,and the displacement is about 7 cm(OP12);(f)the tip ending of the cluster disappears in the host rock(OP4);(g)the branching ending of the cluster disperses in the host rock(OP10)；(h)slip surface formed in a deformation band cluster(OP14)；(i)the intersection and truncation between the two huge clusters,the displacement is about 40 cm(OP16)

圖4 不同規(guī)模的簇狀變形帶及其沿走向的寬度變化Fig.4 Clusters of deformation bands of different scales and their width variation along strike(a)白色虛線指示雁列式細(xì)簇(觀測(cè)點(diǎn)4)。(b)紡錘式細(xì)簇，其連接區(qū)寬度、變形帶密度明顯增大。紅色箭頭指示不同簇狀變形帶的連接區(qū)(觀測(cè)點(diǎn)16)。(c)不同期次的簇狀變形帶交叉、切割形成網(wǎng)格構(gòu)造，簇狀變形帶2組切割簇狀變形帶1組，表現(xiàn)出左旋走滑特征，位移介于1～10 cm。圖中紅色箭頭指向變形帶1組，綠色箭頭指向變形帶2組(觀測(cè)點(diǎn)2)。(d)、(e)、(f)具備多個(gè)連接區(qū)的中簇，連接區(qū)寬度介于5～10 cm(觀測(cè)點(diǎn)2)。(g)巨簇，整體厚度大于10 cm，變形帶密度大，延伸長度超過百米(觀測(cè)點(diǎn)3)(a)White dotted lines indicate arrays of small clusters[from OP4(observation point 4)].(b)Small clusters with eye structures，the width and the band density of the relay zone increase obviously.The red arrow indicates the relay zone of different clusters(OP16).(c)The deformation band clusters of different periods intersect and cut to form a network,the cluster 2(indicated with green arrow)cuts the cluster 1(indicated with red arrow),showing left lateral strike slip characteristics,with displacement ranging from 1 to 10 cm(OP2).(d),(e),(f)A medium cluster with multiple relay zones.The width of which is between 5 and 10 cm(OP2).(g)A large cluster with high density,the overall thickness is more than 10 cm,and the extension length is more than 100 meters(OP3)

單條變形帶的規(guī)?？傮w較小，延伸長度較短，一般無分叉，其末端自然消失于圍巖或終止于鄰近簇狀變形帶。不同類型的碎裂變形帶其特征不完全相同。單條壓實(shí)剪切帶長度通常在幾十厘米到幾米之間，有時(shí)可以達(dá)到十幾米；寬度通常僅有0.2～1.5 mm，其走向相對(duì)穩(wěn)定，沿走向其寬度變化不大，傾角較大，通常在50°以上。風(fēng)化面顏色橘紅到棕褐色，根據(jù)風(fēng)化程度呈差異性肋狀凸起，凸起高度5 mm以下(圖2a—c)。多在新鮮面表現(xiàn)出比圍巖相對(duì)較淺的顏色(圖2d)。由于受到較強(qiáng)剪切力的作用，發(fā)生于高孔隙巖石內(nèi)部的顆粒破碎、坍塌及形成的微小剪切縫會(huì)使變形帶兩側(cè)出現(xiàn)一定的位移。單條變形帶剪切位移不明顯或較小，一般在幾毫米到1 cm(圖2b)。同期次形成的多條變形帶常呈近平行或雁列式展布，被不同期次形成的變形帶切割可呈復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但分布較為局限(圖2c)。也常發(fā)育于簇狀變形帶附近，與其呈交叉或截?cái)喾绞秸共?圖2d)。

剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶則總體表現(xiàn)為比剪切帶寬度大，即使是單條變形帶寬度也常在0.5～2 cm，凸起高度小于2 cm，延伸長度在幾米到十幾米(圖2e、f)。與單條壓實(shí)剪切帶相比，它有更加穩(wěn)定的走向、更大的延伸長度和更大的傾角(圖2e中剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶產(chǎn)狀330°∠75°)，分布密度小，一般1～3條/m。新鮮面上和圍巖顏色接近，在野外剖面上常呈同向傾斜的近平行排列或在局部呈共軛出現(xiàn)(圖2f)。

1.2 簇狀變形帶的宏觀特征

單條變形帶形成后，由于應(yīng)變硬化作用使變形帶厚度不再增加，圍巖受力繼續(xù)在原有單條變形帶周圍形成新的變形帶，當(dāng)數(shù)條單條變形帶密集到一定程度時(shí)，則形成簇狀變形帶。因此，大多數(shù)簇狀變形帶內(nèi)多條單條變形帶密集分布、協(xié)同作用，其特點(diǎn)與單條產(chǎn)出的變形帶差異甚大，肋狀突起高度更大，通常介于幾厘米到十幾厘米(圖3a—c)。

簇狀壓實(shí)剪切帶的延伸長度比單條變形帶平均高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，從幾十厘米到上百米。沿走向其寬度范圍變化很大，幾毫米到幾十厘米均有分布，大部分寬度范圍在1～30 cm(圖3a—i)。在風(fēng)化面上可清晰識(shí)別其內(nèi)部的多條變形帶(圖3a—c，g，i)，新鮮面上有時(shí)單條變形帶痕跡不明顯，但總體顏色比圍巖略淺。而主要在擠壓應(yīng)力環(huán)境中形成的簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶則總體較規(guī)則，寬度變化不大，分叉很少，并且新鮮面上很難區(qū)分單條，或者說整體看起來很像加寬加粗的單條變形帶，寬度常見2～5 cm，凸起高度小于2 cm。特征與壓實(shí)剪切帶明顯不同(圖3d，f)。

總體來講，簇狀變形帶一定會(huì)出現(xiàn)程度不同的單條變形帶的集合與分叉，其末端常表現(xiàn)為兩種形式，一種尖端型末端，即多條變形帶最終聚集成一條而逐漸消失(圖3f)。另一種是是呈樹枝狀分叉散開(圖3g)；簇狀壓實(shí)剪切帶內(nèi)匯聚了多條變形帶的位移，因此遠(yuǎn)大于單條變形帶位移，多為幾厘米到幾十厘米，一般不超過50 cm(圖3e，i)。簇狀變形帶有可能因應(yīng)變軟化而形成滑動(dòng)面，也是識(shí)別變形帶的一個(gè)重要標(biāo)志。野外所發(fā)現(xiàn)的由簇狀變形帶形成的滑動(dòng)面一般斷續(xù)分布，長度常見幾厘米到十幾厘米，較為光滑，表面可見擦痕(圖3h)。

2 對(duì)單條變形帶與簇狀變形帶宏觀特征的討論

(1)簇狀變形帶的規(guī)模差異巨大，且常具有紡錘狀構(gòu)造。簇狀變形帶規(guī)模上的變化，除了受到巖石物理性質(zhì)的控制之外，還與其形成時(shí)受到的應(yīng)力有關(guān)。在張剪及壓剪性構(gòu)造應(yīng)力場中，原本呈雁列式展布的變形帶之間的連接區(qū)(relay zone)為應(yīng)力集中部位，常在連接區(qū)內(nèi)接連形成更多更密的變形帶，從而形成“紡錘狀”構(gòu)造(Nicol et al.,2013)。在一條連續(xù)的簇狀變形帶內(nèi)可包含多個(gè)連接區(qū)，連接區(qū)內(nèi)變形帶疊覆在一起，從而使整條簇狀變形帶延伸較遠(yuǎn)，且每個(gè)連接區(qū)的長度、寬度、內(nèi)部變形帶的密度同樣也存在差異，從而使簇狀變形帶具有很強(qiáng)非均質(zhì)性。在簇狀變形帶發(fā)育初期，多條變形帶成雁列式排列，連接區(qū)形成的紡錘狀構(gòu)造比較明顯，整條簇狀變形帶寬度較窄，紡錘狀構(gòu)造寬度相對(duì)較大，但也低于5 cm，內(nèi)部多條變形帶密集分布，清晰可辨，多形成雁列式或者紡錘式細(xì)簇(圖4a，b)，延伸長度多數(shù)只有幾十厘米。隨其發(fā)展，不止連接區(qū)變形帶密度增大，厚度增加(可達(dá)5～10 cm)，而且在非連接區(qū)也會(huì)由于應(yīng)變硬化作用而使變形帶寬度繼續(xù)增大，成為中簇(圖4d—f)，延伸達(dá)幾十米。當(dāng)巨大簇狀變形帶整體厚度較厚(厚度整體大于10 cm)，內(nèi)部變形帶的密度也會(huì)更高，連接區(qū)厚度可達(dá)20 cm以上，延伸達(dá)幾十米至上百米(圖4g)。

(2)不能單純以規(guī)模大小區(qū)分單條及簇狀變形帶。通過以上對(duì)單條變形帶與簇狀變形帶的發(fā)育特征的分析，可以明確單條變形帶與簇狀變形帶的發(fā)育特征存在明顯不同，在野外僅靠肉眼觀察，似乎很容易區(qū)分兩者。但必須指出的是，這并非是萬用法則，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)例外。肉眼所觀察到的變形帶，即使寬度很窄且相對(duì)規(guī)則，也未必就是單條變形帶，可能是發(fā)育初期的剪切型簇狀變形帶(圖4a)；而寬度略大的變形帶也未必一定是簇狀變形帶，可能是剪切增強(qiáng)型壓實(shí)帶(圖3e)。因此必須結(jié)合其微觀特征來準(zhǔn)確地識(shí)別與分辨。

(3)需要將變形帶列及網(wǎng)格構(gòu)造與簇狀變形帶相區(qū)分。在野外剖面常見同期次變形帶形成變形帶列(圖3c，圖4a)或局部共軛交叉，不同期次變形帶則縱橫交錯(cuò)，形成網(wǎng)格構(gòu)造(圖4c)，而這些不能等同于是簇狀變形帶。簇狀變形帶是同期次多條變形帶的近距離密集分布，且各變形帶之間一定會(huì)出現(xiàn)交叉、疊覆等現(xiàn)象。為了更好地定量化表征簇狀變形帶的分布，國外學(xué)者提出了帶密度的概念。帶密度是指在簇狀變形帶內(nèi)，各單條變形帶總厚度與簇狀變形帶厚度的比值(Wibberley et al.,2007;Philit et al.,2018)。變形帶類型不同、部位不同都會(huì)導(dǎo)致帶密度差異很大，一般簇狀變形帶帶密度>0.15，多在0.2～0.7；如圖4d的中簇在視域范圍內(nèi)可劃分出3個(gè)連接區(qū)，每個(gè)連接區(qū)內(nèi)部變形帶發(fā)育密度不同。其中最上端紅色框內(nèi)的連接區(qū)(圖4e)變形帶發(fā)育密度較大，帶密度約0.4；中間藍(lán)色框內(nèi)的連接區(qū)帶密度只有0.3左右。帶密度在變形帶的不同部位差異較大，例如在變形帶的尖端型末端，以及厚度>10 cm的簇狀變形帶由于變形帶極度密集，帶密度接近于1(圖4g)，而在變形帶的樹枝狀分叉末端則帶密度<0.1。由此可見，對(duì)于多條變形帶組成的雁列狀及網(wǎng)格狀構(gòu)造，由于其間距較寬，帶密度遠(yuǎn)小于0.1，所以不屬于簇狀變形帶范疇。

3 微觀特征的差異

3.1 變形帶的微觀結(jié)構(gòu)要素

變形帶的形成應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是一個(gè)包括時(shí)間在內(nèi)的四維系統(tǒng)，最初在孔隙性砂巖中形成時(shí)會(huì)受應(yīng)力場及巖性影響，沿某一方向的高孔滲部位先形成一系列密集分布的“碎裂核”，繼而隨著時(shí)間的累積形成具有一定剪切分量的變形帶，同時(shí)形成較小的剪切位移。由于單條變形帶周圍的“應(yīng)變硬化作用”，在容易形成 “應(yīng)變硬化區(qū)”的部位會(huì)接著形成多條新的單條變形帶，多條變形帶之間又形成應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)區(qū)，從而使變形帶之間亦產(chǎn)生一定程度的碎裂作用，最終促使其相互連接形成簇狀變形條帶(Fossen et al.,2007;Philit et al.,2018)。因此，從微觀結(jié)構(gòu)上來講，一個(gè)發(fā)育完全的簇狀變形帶必定會(huì)包括邊緣過渡帶、核心碎裂帶、帶間區(qū)域以及滑動(dòng)面等結(jié)構(gòu)要素(圖5)。而單條變形帶則必定不會(huì)存在帶間區(qū)域，通常由碎裂核(或核心碎裂帶)、邊緣過渡帶等組成，偶爾會(huì)伴有不連續(xù)滑動(dòng)面。

3.2 單條變形帶與簇狀變形帶的微觀特征

不同類型的變形帶在微觀上呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，具體主要有以下幾方面：

(1)剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶不具核心碎裂破碎帶，顆粒主要為中等破碎，多表現(xiàn)為多個(gè)不連續(xù)分布的碎裂核。由于剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶主要是在區(qū)域壓應(yīng)力下所形成(圖6a，d)，承受的剪應(yīng)力較小，所以顆粒破碎不嚴(yán)重，基本表現(xiàn)為排列比圍巖緊密，破碎的亞顆粒粒徑稍小于圍巖，多在0.1～0.25 mm，屬中等破碎程度(圖6b)。在局部剪應(yīng)力較大處會(huì)形成破碎明顯的碎裂核，粒徑比圍巖粒徑小得多，多數(shù)小于100 μm。碎裂核長度通常只有1～2 mm，在變形帶中分散分布，從而使變形帶內(nèi)部呈現(xiàn)出較強(qiáng)的顆粒碎裂不均一性(圖6c，e，f)。多個(gè)碎裂核可呈現(xiàn)出相似的剪切方向，偶見共軛，但并未能相互連接形成連續(xù)的核心碎裂帶。當(dāng)碎裂核呈現(xiàn)出較明顯剪切特征時(shí)，其內(nèi)部顆粒碎裂性更強(qiáng)，常表現(xiàn)為完全粉碎性泥基包裹碎裂亞顆粒(圖6c，e)。剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶即使形成簇狀變形帶，也很難像剪切帶那樣多條密集分布(圖6d)，而是分叉較少，在鏡下不存在連續(xù)分布的核心碎裂帶，故很難識(shí)別出單條變形帶。單條及簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶特征類似，只是簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶內(nèi)部的非均質(zhì)性會(huì)更強(qiáng)。

圖6 剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Microstructural characteristics of shear-enhanced compactional band(a)單條剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶，寬度約1.5～2 cm，其樣品微觀特征如(b)、(c)所示(觀測(cè)點(diǎn)4)；(b)圍巖與變形帶之間界限較模糊，變形帶內(nèi)部顆粒為多點(diǎn)接觸的中等破碎(單偏光)；(c)表現(xiàn)出剪切特征的碎裂核(單偏光)；(d)簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶的新鮮面，圖中寬度介于5～10 cm，其樣品微觀特征如(e)、(f)所示(觀測(cè)點(diǎn)4)；(e)表現(xiàn)出明顯剪切特征的碎裂核，完全粉碎性泥基包裹粒徑僅幾十微米的碎裂亞顆粒(單偏光)；(f)未表現(xiàn)出明顯剪切特征的團(tuán)塊狀碎裂核，碎裂核內(nèi)部顆粒碎裂比周圍更嚴(yán)重，粒徑為50 μm左右(單偏光)(a)A single SECB is about 1.5～2 cm in width and its microscopic characteristics are shown in (b)and (c)(from OP4).(b)The boundary between the host rock and the SECB is fuzzy,and the grains in the SECB are medium broken with multi-point contact(single polarized light).(c)Cataclastic core with shear characteristics(single polarized light).(d)Fresh surface of a cluster of SECBs,the width of the sample is 5～10 cm,and the microscopic characteristics of the sample are shown in (e)and (f)(from OP4).(e)The cataclastic cores show obvious shear characteristics,mainly composed of cataclastic matrix,in which the cataclastic sub grains with a diameter of only tens of microns are doped(single polarized light).(f)There is no obvious shear characteristics of the massive cataclastic core,and the fragmentation of grains inside the core is more serious than that around it,and the grain size is about 50 μm(single polarized light)

(2)單條壓實(shí)剪切帶通常具有核心碎裂帶，依剪切力大小不同，其核心碎裂帶內(nèi)顆粒粉碎程度及邊緣過渡帶寬度不同，常伴隨微小剪切縫痕跡。單條壓實(shí)剪切帶雖然寬度小于剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶(圖7a)，但是由于其所受剪切分量大，故顆粒破碎程度較強(qiáng)，具有連續(xù)的核心碎裂破碎帶，鏡下可清晰識(shí)別。在壓實(shí)剪切帶內(nèi)，長石、巖屑的粉碎程度遠(yuǎn)高于石英顆粒，一般形成暗褐色泥質(zhì)碎基或粒徑僅幾十微米的亞顆粒；而石英多表現(xiàn)為出現(xiàn)多點(diǎn)接觸裂縫或碎裂為幾個(gè)亞顆粒(圖7a、b)。其形成時(shí)所受的剪切力越大，核心碎裂破碎帶內(nèi)顆粒粉碎程度越強(qiáng)，邊緣過渡帶越窄，與圍巖之間邊界越清晰(圖7a)。反之，則核心碎裂帶內(nèi)顆粒破碎程度較低，受較大壓實(shí)作用力的影響在核心碎裂破碎帶周圍形成較明顯的邊緣過渡帶，與圍巖的邊界較為模糊(圖7b)。有時(shí)在核心碎裂帶內(nèi)也可觀測(cè)到剪切縫痕跡，延伸較短，通常只有1～2 mm，不連續(xù)，屬于微小裂縫(圖7a)。

圖7 壓實(shí)剪切型單條及簇狀變形帶的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.7 Microscopic characteristics of single and clusters of compactional shear bands (a)邊界清晰的單條壓實(shí)剪切帶(單偏光)(觀測(cè)點(diǎn)10)；(b)邊界較模糊的單條壓實(shí)剪切帶(單偏光)(觀測(cè)點(diǎn)10)；(c)簇狀壓實(shí)剪切帶，帶間區(qū)域形成較明顯的S—C組構(gòu)(單偏光)(觀測(cè)點(diǎn)10)；(d)簇狀壓實(shí)剪切帶內(nèi)部存在強(qiáng)非均質(zhì)性，不同的核心碎裂帶及帶間區(qū)域碎裂程度不同(單偏光)(觀測(cè)點(diǎn)10)；(e)簇狀壓實(shí)剪切帶呈現(xiàn)兩側(cè)與圍巖接觸的非對(duì)稱性，左側(cè)核心碎裂帶碎裂程度更強(qiáng)(單偏光)(觀測(cè)點(diǎn)16)；(f)發(fā)育程度較高的簇狀壓實(shí)剪切帶，核心碎裂帶中形成多條微剪切縫(單偏光)(觀測(cè)點(diǎn)12)(a)A single CSB with clear boundary(single polarized light)(from OP10)；(b)a single CSB with some unclear boundary(single polarized light)(OP10)；(c)a cluster of CSBs,and the obvious S—C structure is formed in the interbands(single polarized light)(OP10)；(d)there is strong heterogeneity in the CSB cluster,and the degree of cataclasis is different in different central cataclastic bands and interbands(single polarized light)(OP10)；(e)the two sides of the CSB cluster are asymmetric in contact with the host rock,and the cataclastic degree of the left central cataclastic band is stronger(single polarized light)(OP16)；(f)a well-developed CSB cluster,and multiple micro shear fractures are formed in the central cataclastic bands(single polarized light)(OP12)

(3)簇狀壓實(shí)剪切帶在鏡下可清晰識(shí)別出單條核心碎裂帶、帶間區(qū)域及微小剪切縫，可見S—C組構(gòu)和斷續(xù)分布的滑動(dòng)面。野外最常見的簇狀變形帶類型就是簇狀壓實(shí)剪切帶(圖7c—f)。這類變形帶在鏡下特征明顯，具有連續(xù)的多條核心碎裂帶，核心碎裂帶之間為帶間區(qū)域，其破碎程度明顯弱于核心碎裂帶。鏡下有時(shí)可見到較明顯的S—C組構(gòu)，長石、巖屑及次生高嶺石等礦物呈片理化與剪切帶成低角度相交，說明變形帶具有韌性剪切特征(圖7c)。簇狀變形帶內(nèi)部非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同的核心碎裂帶其碎裂程度并不相同(圖7d、e)，即使同一條核心碎裂帶內(nèi)常出現(xiàn)多顆粒接觸碎裂與完全碎裂共存，帶間區(qū)域破碎程度不均一(圖7d)。圖7e中的簇狀變形帶發(fā)育左右兩條核心碎裂帶，其中左側(cè)核心碎裂帶碎裂程度更高，碎基達(dá)75%，與圍巖界限清晰，為突變接觸；右側(cè)核心碎裂帶碎裂程度弱于左側(cè)，且與圍巖為漸變接觸，存在較明顯的邊緣過渡帶。圖7f中的兩條核心碎裂帶中碎基可達(dá)75%以上，發(fā)育數(shù)量較多的微小剪切縫，反映了較強(qiáng)的剪應(yīng)力作用，但長度只有1 mm左右，并未形成宏觀滑動(dòng)面。簇狀變形帶發(fā)展到后期，在一定的應(yīng)力環(huán)境中可演變?yōu)檠睾诵乃榱褞С霈F(xiàn)應(yīng)變軟化，形成宏觀可見的滑動(dòng)面，如圖8中存在3條核心碎裂帶，其中最左側(cè)的核心碎裂帶在剪切力作用下碎基化非常嚴(yán)重，且此條核心碎裂帶左右兩側(cè)出現(xiàn)破碎不對(duì)稱現(xiàn)象。左側(cè)邊緣出現(xiàn)整齊的剪切滑動(dòng)面，鏡下觀察大約延伸2.5～3 cm，不連續(xù)分布，和野外所觀察到的不連續(xù)滑動(dòng)面特征吻合。而其右側(cè)邊緣則沒有滑動(dòng)面，和帶間區(qū)域保持應(yīng)變硬化狀態(tài)。

4 對(duì)變形帶的石油地質(zhì)意義的討論

由以上變形帶的宏觀及微觀特征分析可知，變形帶可以呈現(xiàn)多種組合交切模式，常見有平行、錯(cuò)斷、共軛、網(wǎng)狀交叉及截?cái)嗟?渠芳等，2019)，不同類型的變形帶由于其規(guī)模、內(nèi)部顆粒坍塌程度不同，對(duì)巖層的物性造成的影響也不同。將其推廣到石油地質(zhì)研究中，孔隙性砂巖中變形帶的發(fā)育會(huì)改變儲(chǔ)集層的物性并很可能會(huì)對(duì)油氣運(yùn)移和開采產(chǎn)生影響。很多學(xué)者通過研究不同類型的變形帶及其兩側(cè)的滲透性，多認(rèn)為碎裂帶、壓溶膠結(jié)變形帶、層狀硅酸鹽帶會(huì)降低儲(chǔ)層的滲透性(Antonellini and Aydin,1995;Balsamo and Storti,2010;Rotevatn et al.,2013;Ballas et al.,2015)。但是也有一些例子表明淺層形成的膨脹型解聚帶有時(shí)亦可作為流體運(yùn)移通道(Parry et al.,2004;Sample et al.,2006；Schultz et al.,2010;Baud et al.,2012)。

筆者等認(rèn)為，對(duì)儲(chǔ)層物性造成影響的不光要考慮其成因類型，還需要厘定同一成因類型下單條變形帶與簇狀變形帶對(duì)儲(chǔ)層物性的影響。以最常見的碎裂帶為例，雖然顆粒的破碎、重排及后期膠結(jié)常會(huì)導(dǎo)致其滲透性比圍巖低2～6個(gè)數(shù)量級(jí)(Knott,1993；Antonellini and Aydin,1995；Main et al.,2000;Fisher and Knipe,2001;Jourde et al.,2002；Shipton et al.,2002;Schultz et al.,2010;Balsamo and Storti,2010;Kaproth et al.,2010;Rotevatn et al.,2017)，但結(jié)合以上分析，很顯然變形帶內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)要素的孔滲變化及其對(duì)流體滲流的影響差異很大，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶和單條壓實(shí)剪切帶對(duì)巖石孔滲降低很有限，故二者一般不會(huì)成為流體運(yùn)移的阻礙，但可在一定程度上增強(qiáng)母巖滲透率的各向異性，降低注入水的波及效率。剪切增強(qiáng)型壓實(shí)帶多形成于孔隙度較高巖石中，其未變形圍巖孔隙度通?？蛇_(dá)20%～25%。與圍巖相比，其斷續(xù)分布的碎裂核孔隙度降低至2%，而變形帶內(nèi)孔隙度降低至約10%～15%，并常見溶蝕孔、鑄?？椎?，反映出剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶內(nèi)部孔隙度降低有限，整體對(duì)流體滲流影響不大(圖6)。單條壓實(shí)剪切帶雖然具有連續(xù)分布的核心碎裂帶，但其內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)要素間孔隙坍塌差異很大(表1)。如圖7a，圍巖平均孔隙度為23%，平均滲透率6100×10-3μm2，核心碎裂帶內(nèi)部基本碎裂為泥質(zhì)化碎基，有石英亞顆粒夾雜其中且呈明顯定向排列，孔隙結(jié)構(gòu)明顯變差，致使變形帶平均滲透率降低至800×10-3μm2。總體而言，單條變形帶內(nèi)部孔隙變小且孔隙之間連通性變差，滲透率一般比母巖降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，但由于其宏觀發(fā)育長度有限，多是形成局部化網(wǎng)格構(gòu)造，因此很難真正意義上阻礙流體運(yùn)移，但可在一定程度上增強(qiáng)儲(chǔ)層非均質(zhì)性，從而在開發(fā)過程中降低注入水的波及效率。

表1 單條及簇狀變形帶不同結(jié)構(gòu)要素物性變化Table 1 Physical property changes of different structural elements in single and clusters of deformation bands

(2)大型簇狀壓實(shí)剪切帶的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層孔滲變化有顯著影響，密集發(fā)育于儲(chǔ)層內(nèi)部或分布于斷裂帶附近的簇狀壓實(shí)剪切帶對(duì)流體滲流及儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響最大。簇狀壓實(shí)剪切帶通常擁有更大寬度和更強(qiáng)烈的顆粒破碎，其滲透性顯著低于單條變形帶(表1)。需要強(qiáng)調(diào)的是，變形帶厚度的大小雖然對(duì)其滲透性有一定影響，但并不是控制滲透率高低的主要因素，變形帶自身滲透率的高低主要受控于其微觀結(jié)構(gòu)(盛軍等，2018；渠芳等，2019a，b；吳松濤等，2020)。圖7d中寬度僅4 mm的小型簇狀變形帶，雖然平均滲透率值為51×10-3μm2，但在核心碎裂帶的滲透率低至(2～3)×10-3μm2。而大型簇狀壓實(shí)剪切帶內(nèi)部通常包含多個(gè)相間排列的核心碎裂帶和帶間區(qū)域，在泥質(zhì)化嚴(yán)重的局部甚至未見孔隙(圖7f)?？紫兜拇笮『瓦B通性決定了其滲透性，其核心碎裂帶滲透率可降低至0.5×10-3μm2左右。這是大型簇狀壓實(shí)剪切帶滲透率能夠比圍巖降低3～6個(gè)數(shù)量級(jí)的本質(zhì)原因。這類簇狀變形帶多密集發(fā)育于儲(chǔ)層內(nèi)部，形成網(wǎng)格構(gòu)造，也常分布于斷裂帶附近，更大程度的增強(qiáng)儲(chǔ)層非均質(zhì)性。孔隙性砂巖中簇狀壓實(shí)剪切帶的內(nèi)部非均質(zhì)性很強(qiáng)，定量化探討不同厚度、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)要素、不同碎裂程度的變形帶對(duì)流體滲流的影響，必然可以更好地指導(dǎo)流體運(yùn)移模擬，從而提高開發(fā)效果。

5 結(jié)論

(1)遠(yuǎn)安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組中—細(xì)粒巖屑石英砂巖中發(fā)育大量碎裂變形帶，從運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制上來說可分為剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶和壓實(shí)剪切帶兩種類型。其中，單條壓實(shí)剪切帶長度常在幾十厘米到幾米之間，有時(shí)可以達(dá)到十幾米；寬度通常僅有0.2～1.5 mm，其走向相對(duì)穩(wěn)定，沿走向其寬度變化不大，凸起高度5 mm以下，多在新鮮面表現(xiàn)出比圍巖相對(duì)較淺的顏色。單條剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶寬度常在0.5～2 cm，剪切位移不明顯，凸起高度小于2 cm，延伸長度在幾米到十幾米，具有更穩(wěn)定的走向、更大的延伸長度和傾角。分布密度小，一般1～3條/m。常呈同向傾斜的近平行排列或在局部呈共軛出現(xiàn)。

(2)簇狀變形帶會(huì)出現(xiàn)程度不同的單條變形帶的集合與分叉，其末端常表現(xiàn)為兩種形式：一種是樹枝狀分叉散開；另一種是尖端型末端，多條變形帶最終聚集成一條而逐漸消失。簇狀壓實(shí)剪切帶內(nèi)多條單條變形帶密集分布，肋狀突起高度更大，延伸長度從幾十厘米到上百米。沿走向其寬度范圍從幾毫米到幾十厘米均有分布；簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶則總體寬度變化不大，分叉很少，新鮮面上很難區(qū)分單條，寬度約1～5 cm，特征與簇狀壓實(shí)剪切帶明顯不同。

(3)簇狀壓實(shí)剪切帶常具紡錘狀構(gòu)造，具備雁列式或者紡錘式細(xì)簇—中簇—巨簇的發(fā)育序列，因此不能僅從規(guī)模大小區(qū)分簇狀及單條變形帶。需要結(jié)合帶密度將簇狀變形帶與變形帶列、網(wǎng)格構(gòu)造等相區(qū)分，還需要結(jié)合其微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定。

(4)不同類型的變形帶在微觀上呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶不具核心碎裂破碎帶，顆粒主要為中等破碎，多表現(xiàn)為多個(gè)不連續(xù)分布的碎裂核。單條及簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶特征類似，簇狀剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶內(nèi)部非均質(zhì)性更強(qiáng)。單條壓實(shí)剪切帶具有核心碎裂帶，依剪切力大小不同，其核心碎裂帶內(nèi)顆粒粉碎程度及邊緣過渡帶寬度不同，常伴隨微小剪切縫痕跡。簇狀壓實(shí)剪切帶在鏡下可清晰識(shí)別出單條核心碎裂帶、帶間區(qū)域及微小剪切縫，可見S—C組構(gòu)和斷續(xù)分布的滑動(dòng)面。

(5)孔隙性砂巖中變形帶的發(fā)育會(huì)改變儲(chǔ)集層的物性并可能會(huì)對(duì)油氣運(yùn)移和開采產(chǎn)生影響。剪切增強(qiáng)壓實(shí)帶和單條壓實(shí)剪切帶對(duì)巖石孔滲降低很有限，故一般不會(huì)成為流體運(yùn)移的阻礙，但可增強(qiáng)母巖滲透率的各向異性，降低注入水的波及效率。大型簇狀壓實(shí)剪切帶的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層孔滲變化有顯著影響，密集發(fā)育于儲(chǔ)層內(nèi)部或分布于斷裂帶附近的簇狀壓實(shí)剪切帶對(duì)流體滲流及儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響最大。