低—非孔隙岩石中走滑断裂带内部结构的形成演化

王孝彦，高强，孟令东，王海学，魏志鹏

（1.东北石油大学CNPC断裂控藏研究室，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000；3.中国石油大庆油田有限责任公司第八采油厂，黑龙江 大庆 163000；4.中海油田服务股份有限公司，天津 300450）

低—非孔隙岩石中的油气资源规模非常大，截至2013年，世界致密油储量约为6.9×1011t，是常规石油资源量的2.5倍以上，我国重点盆地致密油地质资源量约为 1.1×1010t，致密气产量达到 3.0×1010m3，约占全国天然气总产量的29%，因此，研究低—非孔隙岩石中油气分布具有非常重要的意义。低孔隙岩石包括低孔隙度砂岩即孔隙度小于15%的石英砂岩[1]，非孔隙性岩石为孔隙度小于5%的碳酸盐岩、火山岩和大部分变质岩，岩性涵盖范围广；同时，走滑断裂也在地表分布广泛，占地表线性构造的70%以上：因此，研究低—非孔隙岩石中走滑断层内部结构就变得十分重要。低—非孔隙岩石中断裂变形会形成特殊的断裂带内部结构，断裂变形后产生的裂缝可以有效提高储层物性，改善储层，对油气分布有着重要影响。

1 走滑断层断裂带内部结构特征

Peacock和Sanderson[2]将断裂带定义为分布在狭窄范围内相互作用、相互连接的断裂系统，包括与主位移带同向和反向的断层。

走滑断裂带内部具有典型的“二元结构”，即断层核和破碎带[3]。根据破碎带在断层核附近出现的位置，将其分为对称型断裂带和不对称型断裂带。对称型断裂带是指在断层核两侧出现破碎带的断裂带 （见图1a），不对称型断裂带是指在断层核一侧出现破碎带的断裂带（见图1b）。

图1 走滑断层断裂带的类型

1.1 断层核定义及分类

断层核是指由滑动面、构造透镜体和断层岩组成的剪切带。断层岩包括断层泥、断层角砾岩、碎裂岩和泥岩涂抹（见图2）。断层核的标志特征是断层泥带和断层角砾带中出现透镜体和粗粒包裹体[5]。断层角砾带和断层泥带中出现的粗粒以及断层泥带中出现的角砾包裹体和透镜体，表明断层泥是由早期角砾岩破碎而来。吉林省四平市叶赫镇皇家山滑草场剖面登楼库组砂岩中发育一条正断层（F10断层），该断层位于叶赫经济开发区叶赫影视城北侧X053公路旁，GPS位置为：N43°0′20.502″，E124°35′28.9″。地层产状基本相同，属于NWW—SEE走向，地层倾角均在15°∠64°左右，F10断层产状为251°∠58°，呈高角度倾斜。在F10断层核中央附近，由于岩块之间相互摩擦、相互作用形成条带状的断层泥，断层泥中岩石的粒度明显变小。由于断层形成过程中，断层两盘相互作用，因此，断层泥两侧卷入了断层角砾岩和构造透镜体（见图2）。

低—非孔隙岩石中走滑断层的断层核是由剪切作用和破裂作用形成的细粒断层岩组成，断层泥沿着主滑动面呈定向展布，其展布方向符合里德尔剪切[6]，周围分布粒度比断层泥大的粗粒断层角砾岩。如意大利南部 Adriatic-Apulian 前陆 Mattinata Fault断裂带内[5]，侏罗纪灰岩中断层核的微观特征显示：粗角砾岩分布于断层核与破碎带的交界处，由于破裂作用和剪切作用导致粗角砾颗粒破碎，颗粒之间相互作用，磨损程度增强，颗粒的粒度减小，粒级减少，致使粒度由粗粒向细粒转化，逐渐形成断层泥。

断层角砾带和断层泥带可以分布在主位移带的一侧或者两侧，根据断层核中滑动面附近断层泥和断层角砾岩的分布位置，将走滑断层的断层核分为对称型、不对称型2类。对称型断层核的结构，一般是指滑动面两侧均发育断层泥和断层角砾岩，其展布依次为断层角砾带、断层泥带、主位移带、断层泥带和断层角砾带，火山岩[4]和变质岩[7]中发现出露对称型断层核。如日本三重县中央构造线附近，早白垩纪Ryoke糜棱岩和Sambagawa片岩中发育对称型断层核[7]，断层核从北向南依次为无内聚力富含层状硅酸盐的糜棱岩、有内聚力的叶理化碎裂岩和断层角砾岩、主位移带、叶理化断层泥和断层角砾带；日本西南部的Usukidani走滑断层晚白垩纪硅化凝灰岩和凝灰角砾岩也同样出露对称型断层核[4]。不对称型断层核的结构，一般是指滑动面两侧断层泥和断层角砾岩发育不对称。碳酸盐岩中多数断层核都发育不对称结构[5]。如意大利南部Mattinata Fault走滑断裂带侏罗纪灰岩出露断层核具有不对称结构，从一侧向另一侧分别是边界剖光的断层面、沿边界断层的断层泥带、断层泥带附近的断层角砾带[8]。

1.2 破碎带定义及分类

破碎带是指断层核两侧低序次构造（次级断层、裂缝和岩脉等）发育的高渗透带[8]。 Kim[8]根据破碎带在断层核内和围绕断层核分布的位置，将走滑断层破碎带分为端部破碎带、围岩破碎带和连接破碎带（见图3）。

图3 走滑断层破碎带类型

端部破碎带主要发育在断层端部，为应力集中区，并具有调节断层端部位移的功能；围岩破碎带是指出现在围岩中的裂缝，应力集中相对较低，随着远离主断层破碎程度降低；连接破碎带发育在走滑断层叠覆区内，带内高度发育裂缝[2，9-10]。

端部破碎带，一般以发育羽状裂缝、马尾状裂缝、同向分支断层和反向断层为特征。在高孔隙压力条件下或低围压的张应力下可以形成羽状裂缝，羽状裂缝与主断层呈较高角度相交，交角大于 40°[11]，具有厚、短、羽状开启等特征；马尾状裂缝与主断层呈较低角度相交，夹角在 25～40°[11]，马尾状裂缝具有长、薄、分叉等特点；同向分支断层，主要是指断层的滑动方向与主断层同向；反向分支断层，主要指断层的滑动方向与主断层相反。

围岩破碎带的裂缝密度随着远离断层核而减小，当裂缝密度与区域围岩接近一致时，标志着破碎带结束。其主要分为3种类型[8]：沿着断层出现的楔形围岩破碎带、长且相对较窄的围岩破碎带，以及横跨断层不对称的围岩破碎带。吉林省叶赫镇滑草场剖面中F10断层附近出露围岩破碎带，主要发育北东、北西2个方向的裂缝。图4为F10断层附近白色砂岩层中北西向裂缝的发育情况（图中，横坐标正值表示上盘、负值为下盘，玫瑰图为裂缝产状），可以看出，在同等情况下，距离断层核1 m范围内，上盘的裂缝间距要比下盘小，即上盘裂缝密度大于下盘裂缝密度。在距离断层核7 m左右处，下盘裂缝发育程度较高，主要是由于此处发育另一条断层。

图4 F10断层附近白色砂岩层中发育的裂缝

连接破碎带，可能是由早期断层端部破碎带叠加形成，或者应变导致的。其中发育的次级裂缝可以有效改善储层，是油气富集的场所。根据断层叠覆的方向，连接破碎带主要分为伸展型和挤压型2种。一般来说，伸展型连接破碎带内的渗流作用要大于挤压型。如：韩国南部 Cheondong cave石灰岩洞中[12]，在挤压型连接破碎带内，断层的叠覆区相对较小，发育的钟乳石柱相对较短且数量较少，表明流体流动作用较弱；在伸展型连接破碎带内，断层的叠覆区相对较大，钟乳石柱相对较长且数量较多，表明流体流动作用较强。

2 走滑断层断裂带内部结构物性特征

成熟走滑断裂带的渗透性，主要由2部分组成：高渗透性的破碎带和低渗透性的断层核[5]。砾岩、砂岩、碳酸盐岩、火山岩、变泥质岩中均有发育。

2.1 围压对走滑断裂带物性的影响

围压对断层核和破碎带的渗透率有着重要影响。围压增大时，围岩、破碎带和断层核的渗透率均下降，同等围压条件下，破碎带的渗透率大于围岩和断层核的渗透率。如日本三重县中央构造线早白垩纪Ryoke糜棱岩中，在孔隙压力20 MPa条件下[7]，围压从100 MPa增加到200 MPa时，围岩的渗透率从10-19m2下降到10-20m2，渗透率下降约1个数量级；断层核中有内聚力的碎裂岩渗透率从10-19m2下降到10-20m2，渗透率下降约1个数量级；断层核中无内聚力的叶理化碎裂岩渗透率从10-17m2下降到10-20m2，渗透率下降约3个数量级；破碎带渗透率从10-17m2下降到10-18m2，渗透率下降约1个数量级。由上述数据可知，围压在100 MPa左右时，破碎带的渗透率最高，且断层核中无内聚力的碎裂岩可以提高断层核的渗透率。

2.2 有效压力对走滑断裂带断层核物性的影响

有效压力对断层核的孔隙度和渗透率也起着重要作用[4]。有效压力pe与围压pc和孔隙压力pp的关系可以表示为

其中，系数 α≤1[13]，在不同孔隙压力条件下，不同断层岩中的α值也不同。结晶岩中，孤立的裂缝扩容可能导致α<1，但如果裂缝连通性提高（如破碎带）就可以使其接近于1。由式（1）可以看出，有效压力与围压呈正相关关系。当有效压力增加时，断层核的孔隙度和渗透率均会下降，如日本西南部Usukidani走滑断层晚白垩纪火山岩中[4]，当有效压力从10 MPa增加到100 MPa时，断层核中叶理化黏土质断层泥孔隙度从25%～40%下降到23%～34%，中等固结的细粒断层角砾岩的孔隙度从17%下降到9%；当有效压力从20 MPa增加到100MPa时，断层核中叶理化断层泥的渗透率从 10-17～10-14m2降到 10-19～10-16m2，渗透率下降 2 个数量级左右，中等固结的细粒富含黏土的断层角砾岩，渗透率从 10-16～10-15m2降到 10-18～10-16m2，渗透率下降1～2个数量级。

3 走滑断层断裂带内部结构演化

低—非孔隙岩石中走滑断层的成核模式有3种：破碎带成核、压溶缝成核和先存节理成核。

3.1 破碎带成核

碳酸盐岩成核模式中普遍存在由破碎带形成的断层核。 早期在压应力作用下发育大量的裂缝[5，14]，这些裂缝可以作为流体运移的通道[15]，裂缝切割岩石后形成斜方晶系岩石。随着断层演化，在应力集中处岩石变形程度高，斜方晶系岩石被裂缝切割后，岩石的粒度减小，形成破碎带。岩石被切割后，岩石的外形非均质性下降，岩石内部强度增强，抑制了裂缝的发育程度，促进了岩石的旋转，岩石之间相互滚动、相互摩擦形成初始细粒断层泥。在早期碳酸盐岩断层核中，由于颗粒开始发生滑动和旋转[16]，导致在颗粒旋转期间岩石开始破碎，当颗粒被磨圆到一定程度时，无内聚力的碳酸盐岩断层核进一步演化，走滑断裂带发育成熟的断层核。成熟走滑断裂带是由高渗透性的破碎带和低渗透性的断层核组成的[5，17]。

3.2 压溶缝成核

在走滑断层段形成断层核的过程中，压溶缝起着十分重要的作用。早期雁列岩脉被矿物充填后形成充填脉，随着岩脉变长变宽，岩脉互相接近并相互作用。Peacock[18]认为在岩桥区应力重新分布，相邻雁列脉之间通过剪裂缝相互连接，剪应力与早期形成的雁列岩脉呈一定角度分布，剪应力的分量作用在剪裂缝上引起压溶，压溶的结果是，在压性岩桥区域，外侧岩脉优先形成第1期压溶缝。随着岩脉持续开启，沿着岩脉形成剪切，岩桥发生旋转，岩块开始滑动，压溶缝受到剪切作用影响[14，19-25]， 沿着压溶缝的持续剪切拓宽了拉分，形成第2期压溶缝。第2期压溶缝的外形特征类似于走滑断层端部缝合线和羽状裂缝，且与主走滑断裂带呈高角度相交。随着滑动加剧，第2期压溶缝产生滑动，其方向与主走滑断层的滑动方向相反。伴随着岩块旋转、滑动，在第2期压溶缝端部形成第3期压溶缝，以此类推，最终形成走滑断裂带。如：英国Somerset侏罗纪灰岩走滑断层起始于开启型雁列岩脉[14]，雁列岩脉端部形成的压溶缝将走滑断层相互连接起来，形成走滑断层网。

3.3 先存节理成核

早期在应力作用下形成张性裂缝后，沿着先存裂缝形成剪切滑动，最终发育成走滑断层网。在岩石中形成的先存裂缝是脆弱面，先存构造控制了断层的成核和生长。早期变形形成的节理被绿帘石、绿泥石和石英等矿物充填。随后，剪应力沿着裂缝滑动形成小型断层，滑动的同时会在断层端部产生次级裂缝，有些次级裂缝在相邻的断层面上滑动后产生楔形开启，形成三角缝。一些次级裂缝传播到附近相邻的小型断层处终止。断层上的滑动导致连接2条走滑断层的次级裂缝开启，形成菱形缝。随着变形持续，沿着次级裂缝延伸的方向，次级裂缝与小型断层呈高角度相连。随着剪切作用增强，小型断层从一侧向另一侧成对连接起来，断层从孤立断层演化成走滑断裂带。如：美国Nevada火焰谷侏罗纪 Aztec 低孔隙砂岩[20]和白垩纪花岗岩[21]，以及片岩、片麻岩[22]中发育的走滑断层网。

4 结论

1）低—非孔隙岩石中走滑断裂带内部，为断层核和破碎带组成的“二元结构”。

2）围压和有效压力对断裂带内部结构的孔渗性有重要影响。围压增大时，断层核、破碎带、围岩的孔渗性均下降；同等围压条件下，破碎带的渗透率最大；有效压力增大时，断层核中断层泥和断层角砾岩的渗透率均下降。

3）低—非孔隙岩石中走滑断层断层成核作用，有破碎带成核、压溶缝成核和先存节理成核3种方式。它们都是在走滑断裂带形成的早期发育大量裂缝，裂缝可以作为油气运聚的通道，有效改善储层物性，随着断裂带的演化，逐渐形成封闭的断层核，进而形成具有封闭能力的走滑断层网。

4）本文的研究内容，有助于进一步了解致密岩石中流体的活动，为致密岩石中走滑断裂带附近的油气开采提供了一定的理论基础。

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