泥岩层数对泥岩涂抹形成及演化影响的物理模拟

刘新宇，李会元

（东北石油大学CNPC断裂控藏研究室，黑龙江 大庆 163318）

0 引言

早在 1935 年，Rettger[1]在软沉积物断裂变形实验中观察到泥岩流入断裂带的现象，Perkins[2]于1961年首次应用泥岩流入断裂带机理去解释路易斯安那湾岸地区砂砂对接断层封闭的现象。1980年，Smith[3]将泥岩涂抹定义为泥岩地层被拖入到断裂带中，以区别于断裂带中的断层泥（fault gouge）。 1913 年，Reid 等[4]将断层泥定义为在围岩之间的断裂带中发育的细粒岩，潮湿时有点像泥；1977年，Sibson[5]将其定义为碎屑成分小于30%、具有随机组构的无黏结力断层岩。2000年，Sperrevik[6]将泥岩涂抹定义为断层上下盘泥岩层中的泥进入发育的断裂带中、沿着断层面分布的泥岩薄膜。Peacock等[7]综合前人的研究成果认为，围岩富泥物质沿着断层面分布，即为涂抹（smear）[2，8-10]。由于泥岩涂抹具有较小的孔喉半径、较低的渗透率和较高的排替压力，所以泥岩涂抹具有较强的封闭能力[11]，对准确评价断层封闭性具有重要的意义。从而进一步准确厘定油水界面，降低钻探风险。

物理模拟实验是研究地质构造变形演化机制的一种重要方法，在国内外都得到了广泛的运用[12]。前人认为，在构造物理模拟砂箱实验中，干燥的石英砂和润湿的黏土是模拟上地壳中的构造变形的理想材料[13-16]。1997 年，Hornbaker等[17]指出，对于颗粒材料，当颗粒之间有少量水存在的时候，其力学性质会发生改变。干燥的石英砂和润湿后的黏土接触后，由于毛细管的虹吸作用会导致石英砂吸水，从而使得石英砂和黏土的物理性质都会发生改变，增大了实验误差。为了克服这一困难，2005年，Adam[18]进行了饱和水砂箱实验。2010年，Schmatz沿用了Adam的实验条件，在砂箱内铺设了不同层数的湿黏土和石英砂，对断层内部结构的发育进行了研究，并结合PIV技术对整个实验过程作了详细的解析[19-20]。然而，Schmatz并没有详细对比不同层数的实验结果，并且在饱和水砂箱实验条件下，黏土层的物理性质在实验过程中会改变，导致实验误差增大。本实验采用了另外一种思路，尝试采用了干燥的石英砂和干黏土进行断层变形模拟，并结合PIV技术对实验过程进行分析研究。

1 实验方法

物理砂箱模拟通常是用来模拟规模较大的构造变形和构造样式，对于小规模的构造现象模拟较少[21-22]。本实验模拟的重点是泥岩涂抹形成及演化过程，实验设备参考 Schmatz 2010年所用实验装置（见图 1）[19-20]。实验砂箱长40 cm，宽20 cm，高40 cm；底部用硬度大形变量小的材料制作成倾角为70°的基底正断层；基底正断层上盘在2块平行的玻璃板之间运动，断层模具与玻璃的接触部分都采用了密封措施，同时添加了润滑剂（如白凡士林）以减小砂泥层和玻璃面的摩擦阻力。实验最大断距20 cm，变形速率0.01～10 mm/min。

图1 实验设备示意

建立实验模型必须考虑边界条件，而真实的地质现象是没有边界条件的。模拟断层形成的理想条件是在一种均质的材料中形成单一的面状剪切带[20]。为了消除边界条件对实验结果的影响，需要在实验进行前选择合适的边界条件。实验砂箱主要包括2个边界条件，即砂箱底部采用坚硬的底板和上顶面采用自由顶面。砂箱内填充物总高为38 cm，基底断层滑动速率为0.5 mm/min，实验过程中每30 s拍照1次，这些参数在所有实验中保持不变。

2 相似分析及实验材料选择

实验模型与自然界原型之间相似性的确定，是通过模拟实验来讨论地质问题的前提[12]。相似性主要分为几何学、运动学和动力学3个方面[23-25]。

实验中一般采用的相似比为 10-4～10-5[25-26]。 本实验的几何学相似比L*=5.0×10-5，运动学相似比e*=2.0×10-4（参照晚第四系断裂活动速率 1 mm/a[27]）。

根据Hubbert 1937年和Van Mechelen 2004年提出的相似理论[23，25]，实验材料的选取应该满足：内聚力的相似比要尽可能地满足动力学的相似比，内摩擦角应该尽可能接近。上地壳中塑性岩层的内聚力一般为1～5 MPa，脆性岩石的内聚力一般为 10～50 MPa[25，28]。内摩擦角φ，泥（页）岩的一般为25°，砂岩的一般为40°[29]。

本实验的动力学相似比σ*=ρ*g*L*。其中，重力加速度相似比 g*=1，密度相似比 ρ*≈0.5，则 σ*=2.5×10-5。 那么，这就要求模拟砂岩层的实验材料内聚力为250～1 250 Pa，模拟泥岩层实验材料的内聚力为25～125 Pa。1991年，Krantz通过对石英砂和黏土进行剪切测试，石英砂的内聚力为 200～500 Pa，黏土约为 300 Pa[30]，本实验选取的实验材料符合相似理论（见表1）。

表1 实验材料的物理特性

3 PIV（粒子成像测速）技术

PIV技术是一种非接触式的光学测量技术，被广泛应用于流体位移的测量[20]。该技术最早应用于流体力学、岩土力学和空气动力学研究[31-32]，近几年才被应用于构造物理模拟实验中[33]。本文运用PIV技术对实验模型剖面上剪切应变的分布和变化进行计算，进而对泥岩涂抹的形成演化过程进行讨论。

应用PIV图像后处理软件对实验过程照片进行处理，可以获得不同时刻颗粒运动的二维矢量场。由于实验照片拍摄的面积一般比PIV处理的面积大，为了节约计算的时间，先确定PIV处理的区域。进行相关计算之前需要把图像分割为若干块，每一个块即为一个“判读区 （interrogation windows）”， 判读区的大小决定了PIV处理的精度，每一个判读区的大小通常为几粒石英砂，其在实验照片中的位置都是确定的。图2a中，黑色矩形代表一个判读区在t1时刻图像中的位置；图2b中，黑色矩形表示的是t2时刻判读区所在的位置，从而可以计算出此判读区在t1时刻到t2时刻对应的速度v（见图2c）。通过对每一个判读区进行计算，获得某时刻的速度场。

图2 PIV图像分割及计算过程

4 实验结果

本文共设计完成了4个实验（见表2），黏土间夹层厚度为10 mm，黏土层厚度为5 mm，黏土类型为干，变形速率0.5 mm·min-1，黏土层数是实验唯一的变量。可以根据标志层、泥岩层的变形和PIV分析图像，确定断层的形成位置和传播途径。

表2 实验数据

通过对所有实验分析发现，在断距较小时 （0～2 mm），沿基底断层的方向形成一条断层，2000年，Mandl把这条断层命名为“先存断层（precursor fault）”[15]。 随着基底断层的活动，在近垂直的方向上又形成一条断层，笔者为了描述方便将其命名为“直裂断层”。一般情况下先存断层先出现，也有两者同时出现的情况（见图4a）。2010年，Schmatz把以先存断层和直裂断层为边界的“倒三角状”区域定义为“三角运动有利区”，断层发育的过程中此区域内应变较为集中[19]。实验中断层的发育分为2个方向。横向上，直裂断层向先存断层方向旋转，并最后逐渐形成一条断层；垂向上，断层在向上传播的过程发生了垂向分段生长，并逐渐连接形成一条断层。

4.1 纯石英砂变形实验

为了了解实验中用来模拟上地壳脆性岩层的石英砂在本实验条件下的变形特点，进行了纯石英砂变形实验（见图3）。在砂箱中随机铺设了3层不同厚度的用甲基蓝试剂染色的石英砂作为标志层，染色不会改变石英砂的物理性质[19]。在铺设过程中，为了消除人为压实的影响，石英砂从统一的高度均匀撒入砂箱。

从实验开始到断距达到0.2 cm时，标志层几乎没有发生变化，而根据PIV分析图像显示，在石英砂中形成了一条与基底断层方向大致相同的剪切应变集中带，说明此时已经形成了先存断层（见图3a）。随着基底断层的活动，先存断层并没有进一步发育，而是在近垂直方向上出现了直裂断层（见图3b）。在此变形阶段，砂岩标志层发生了弯曲，并没有明显的减薄。由PIV分析图像显示，在断距为1.3 cm时断层出现了分段生长（见图3c，3d），并随着断距的进一步增大，断层段逐渐连接成为一条断层（见图3d）。在断层分段生长阶段，标志层的厚度基本保持不变，说明此过程标志层没有遭受强烈的研磨作用。当断层分段生长结束后，在砂箱内形成了一个稳定的断面，根据断层的位置和连接情况来看，断层段之间形成的是挤压型叠覆区。在断距从1.0 cm增大到5.0 cm这个过程中，直裂断层逐渐向先存断层方向旋转，最终趋于一致。

4.2 砂-泥岩互层变形实验

通过纯石英砂断层变形实验，对断层的发育特征已经有基本的了解，在石英砂中铺设一层厚度为5 mm的黏土层进行实验（见图4a—4c）。在断距达到1.0 cm时形成的“倒三角”状运动有利区的形态和纯石英砂实验相似，只是在泥岩层位置处剪切带发生了弯曲（见图4a）。根据PIV分析图像显示（见图4b），在断距达到2.0 cm时，断层在泥岩层位置处发生了明显的分段生长现象，断层段之间形成的是拉张型叠覆区。此时发生变形的泥岩层保存完整，厚度基本和原岩层相同，形成了连续的泥岩涂抹。随着断距的增大，断层段逐渐连接形成一条断层（见图4c）。在PIV分析图像中显示，剪切带在泥岩层位置处没有异常现象，说明泥岩层遭受强烈的研磨作用，没有连续的泥岩涂抹形成。

图3 石英砂变形实验

在实验条件不变的情况下，进行2层黏土变形实验（见图4d—4f），黏土层厚度均为5 mm，中间的石英砂夹层厚度均为为10 mm，构成一个简单的砂-泥互层。根据PIV分析显示，先存断层在砂-泥互层位置处分为2段，上半部分的方向和基底断层相似，下半部分近垂直。随着断距增大，直裂断层向先存断层方向旋转的同时，断层发生了分段生长，此过程对运动有利区内的泥岩层基本没有破坏。三角运动有利区内的泥岩层发生了弯曲变形，而夹层砂岩多发育断层透镜体。当断层段连接形成稳定断面时，泥岩层和砂岩夹层经过强烈的研磨混合，几乎看不到保存完整的泥岩层。

当砂箱内的黏土增加为3层时（见图4g—4i），先存断层的形态和2层时的形态大致相同。当断距为4 cm时（见图4h），断层处于分段生长阶段，此时的泥岩层破碎较为严重，多发育裂缝和泥岩透镜体，以脆性破裂为主[34]。随着断距的进一步增大，断层段逐渐合并形成一个断面，此时泥岩层以脆性变形为主，多发育裂缝和透镜体。三角运动有利区内泥岩发生弯曲变形成阶梯状，在实验s-s-0和s-n-5中这种现象不是很明显，随着泥岩层层数的增加，这种现象越来越明显。

图4 砂-泥岩互层断层变形实验

5 讨论

即使是物性相同的泥岩层，在不同的层序中变形特点也不同。如图5a所示，在单层黏土变形实验中，泥岩层以塑性变形为主，没有裂缝和透镜体出现，形成保存较好的泥岩涂抹。在2层黏土变形实验中，由于黏土层数的增加，形成的泥岩涂抹呈阶梯状，并且石英砂夹层发育“香肠”构造（见图5b）。当黏土的层数增加到3层时（见图5c），在相同的断距条件下和单层及2层黏土变形实验相比，黏土层表现出明显的脆性特征，有泥岩透镜体及明显的断裂形成，泥岩涂抹的连续性较差。

图5 断距4.0 cm实验结果对比

实验中采用了干燥的石英砂和干黏土对断裂变形过程中泥岩涂抹的形成及演化进行了模拟。通过和前人的实验结果对比发现[18-20，26]，受基底断层活动影响形成的正断层的发育过程大致相同。本文应用PIV技术对实验过程做了详细的分析，更进一步详细描述了断层发育的各个过程。

在直裂断层向先存断层方向旋转的过程中，断层出现了垂向分段生长的现象。在纯石英砂变形实验中，断层段在垂向上形成的是左阶右旋的组合方式（见图3d），而在砂-泥岩互层断层变形实验中，断层段形成的是右阶右旋的组合方式（见图4c，4e，4h）。左阶右旋断层段叠覆区之间形成的挤压型叠覆区，而右阶右旋形成的拉张型叠覆区，有利于泥岩涂抹的发育。在s-n-5和s-2n-5实验中，拉张型叠覆区内没有泥岩层发生脆性破裂；而在s-3n-5实验中，泥岩层在拉张型叠覆区内形成了裂缝和泥岩透镜体，破碎较为严重。所以，受到泥岩层数的影响，拉张型叠覆区内部的泥岩层不一定都能保存完整。通过对比可以看出，在断层分段生长阶段有利于泥岩涂抹的形成，并且泥岩层数越少，形成的泥岩涂抹连续性越好。

在基底断层活动的初期，砂箱中会形成一个倒三角状的运动有利区，根据PIV分析显示，应变主要集中在这一区域内，说明运动有利区内岩石破碎较为严重。随着断层的进一步发育，无论在均质的石英砂变形实验中还是砂-泥互层变形实验中均会出现分段生长现象，并且在断层段之间形成不同类型的叠覆区。随着基底断层活动，砂箱中形成的断层和基底断层连接贯通形成一条断层。

基于上述认识，笔者将断层的发育分为破碎、转换和滑动3个阶段（见图6）。破碎阶段（见图6a）：受基底断层活动影响，在地层中形成一个近似倒三角状的运动有利区，此区域内应变相对集中。转换阶段 （见图6b）：在运动有利区内发育了一些断层段，断层段之间形成不同类型的叠覆区，其中拉张型叠覆区有利于泥岩涂抹的形成和保存。滑动阶段（见图6c）：随着基底断层的活动，断层段逐渐连接形成一条断层，断层活动较为稳定，此阶段泥岩层的破坏较为严重，常发育裂缝和泥岩透镜体，并遭受强烈的研磨作用，不利于泥岩涂抹的形成和保存。

图6 断层发育模式

对实验过程的分析，揭示了断层发育的不同阶段形成泥岩涂抹的差异，一般情况下，在直裂断层向基底断层方向旋转的过程中形成的泥岩涂抹保存较好。

6 结论

1）泥岩层的层数会影响泥岩的变形特点，在泥岩层与砂岩夹层厚度不变的情况下，泥岩层越多越不利于泥岩涂抹发育。

2）PIV技术在构造物理模拟实验中的应用取得了良好的效果，能够更清晰地分辨出肉眼所不能看到的现象，使得实验结果更加精确。

3）干燥的石英砂和黏土是模拟上地壳构造变形的理想材料，不仅能够消除石英砂的虹吸现象，而且能够避免实验过程中黏土层由于压实造成的脱水现象。

4）断层的分段生长在断层发育过程中是普遍存在的，纯石英砂变形实验中断层段间形成的是挤压型叠覆区，而砂-泥互层实验中形成的是拉张型叠覆区。

5）断层发育的位置存在区间性，即在实验过程中形成的三角运动有利区，断层主要发育于此区域内，并且最终断层的形态和基底断层趋于一致。

6）受基底断层活动影响形成的正断层发育呈现出阶段性，在转换阶段和滑动阶段都有泥岩涂抹形成，其中转换阶段形成的泥岩涂抹保存最好。

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