沾化凹陷古近系-新近系沉积岩裂缝形成研究

门晶璇，宋 哲

（西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西西安 710069）

前人研究认为，影响裂缝形成的因素大致可归纳为两类：即沉积岩的组成与结构和应力。康恩玉[1]研究认为，砂质沉积物中的碎屑颗粒含量越高，由其构成砂岩的弹性模量和抗压强度就越大。

孙广忠[2]提出“岩体结构控制论”；安欧[3，4]发现岩石抗压、抗剪、抗拉强度存在差异的原因是结构的不同；孟召平等[5]通过岩石力学实验研究了沉积岩碎屑颗粒的结构、胶结物结构以及结构面的发育特征等对其力学性质的影响。在拉张盆地中，当岩石受到上覆垂向压力的作用时，岩石发生形变的原因是内部质点的位移。岩石形变达到上限时，它就会发生破裂[6]。

本文在前人研究的基础上进一步探讨了裂缝形成的机制，以沾化凹陷古近系-新近系沉积岩为研究对象，结合三轴向岩石力学测试明确岩性与裂缝的关系，从而为更加精准有效地进行油气勘探与开发提供相关资料。

1 区域地质概况

沾化凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷的东北部，是重要的富油气凹陷，面积约2 800 km2，主要发育古近系、新近系及第四系地层，古近系自下而上为孔店组、沙河街组和东营组；新近系自下而上为馆陶组和明化镇组，以湖泊、河流相砂泥岩沉积为主[7，8]。沾化凹陷是由系列的基底断块构成，平面上为近北东向的“北断南超”复式半地堑构造，主要受到北东、北东东向张性、张扭性大断裂的控制[9]。

2 裂缝类型

为了对沾化凹陷古近系-新近系沉积岩裂缝进行分类和描述，共收集整理了13 000余张岩心和薄片照片，以岩层层面为基准面，将裂缝分为平行缝、垂向缝、斜向缝，同时对多种裂缝组合形成的“类香肠”型裂缝特征进行了分析（图1）。

图1 裂缝分类方法示意

平行缝。裂缝面倾向与岩层层面伸展方向夹角小于15°的裂缝称为平行缝。平行缝在沾化凹陷中较为常见，颗粒细小的如泥岩、泥灰岩等岩石中的裂缝较为平滑，在岩心中常可以观察到有明显摩擦痕迹的滑移面；而在砂岩等颗粒较大的岩石中，裂缝一般呈不完全平行状态。

垂向缝。裂缝面倾向与岩层层面伸展方向夹角超过75°的裂缝称为垂向缝。岩心中可以观察到长度可达数十厘米，宽度数厘米，镜下观察时发现垂向缝有时存在于不同岩性的互层中，且裂缝被充填。

斜向缝。裂缝面倾向与岩层层面伸展方向夹角介于15°和75°之间的裂缝称为斜向缝。岩心和薄片中观察到的斜向缝与地层层面的夹角多超过45°，为高角度斜向缝。

除了以上三种单一的裂缝类型以外，还出现了多种裂缝组合，此现象大多表现为两种裂缝类型的组合，常见有平行缝与斜向缝的组合、平行缝与垂向缝的组合。当裂缝组合重复出现并且裂缝被充填时呈现出“香肠”的形态，本文将这种裂缝称为“类香肠”裂缝。“类香肠”裂缝的一个典型特征是一种岩性发生断裂，而另外一种岩性填充了这些断裂处，这一现象出现在不同岩性的互层中，因此，本文提出了“岩性组合”的概念。

3 三轴向岩石力学实验结果

本文选取较具代表性的砂岩、泥岩、灰岩、白云岩垂向岩石样品各一个，样品号分别是 Y4SV-1、Y15MV-1、Y9MV-1、Y2LV-1（表 1），采用美国Terratek公司三轴向岩石力学测试，分析在受到垂向压力时不同岩性之间的应力应变差异。测试过程中，在单轴方向、低围压条件下进行加压或卸压循环，直至岩样破裂，详细记录各岩性在各压力点的力学参数及破裂强度。结果表明，岩性的不同导致了岩石在轴向和径向应变的差异，破裂点的压力由大到小依次是碳酸盐岩、泥岩、砂岩（表2），四个样品的应变曲线如图2。

表1 三轴向岩石力学测试样品信息

表2 样品实验数据

图2 四个样品应变曲线对比

4 不同岩性应力应变对比分析

在获得单个沉积岩样品的应变曲线之后进行两两对比，形成了三组岩性组合，即：砂岩-泥岩组合、砂岩-碳酸盐岩组合、泥岩-碳酸盐岩组合。分析不同类型沉积岩在垂向压力的作用下径向、轴向应变的大小及破裂强度等特征的差异，并通过岩心、薄片照片来验证其与岩性组合的关系[10]。

4.1 砂岩-泥岩组合应变分析

Y4SV-1和Y15MV-1两个样品的应变曲线对比表明，两条“凹”型曲线中夹角较大的是砂岩样品，夹角较小的是泥岩样品，相同压力条件下，Y4SV-1的径向应变值小于 Y15MV-1；Y4SV-1的轴向应变值大于 Y15MV-1。Y4SV-1的破裂强度也小于Y15MV-1。岩心、薄片照片观察发现，裂缝常发育在砂岩、泥岩互层界面上，且大多为平行缝。由于砂岩比泥岩的破裂强度小，在受到足够大的垂向压力时泥岩会首先发生破裂，呈现相对刚性，砂岩则呈现相对弹塑性（图3）。

图3 单轴岩石力学实验Y4SV-1与Y15MV-1应变对比

4.2 砂岩-碳酸盐岩组合

Y4SV-1与 Y9MV-1、Y4SV-1与 Y2LV-1两组样品的应变曲线显示，每两条“凹”型曲线中夹角较大的是砂岩样品，夹角较小的是碳酸盐岩样品。对比结果表明，相同压力条件下，Y4SV-1的径向应变值小于Y9MV-1和Y2LV-1；Y4SV-1的轴向应变值大于 Y9MV-1和Y2LV-1。Y4SV-1的破裂强度也小于Y9MV-1和Y2LV-1。岩心、薄片观察发现，裂缝常发育在砂岩、碳酸盐岩互层界面上，且大多为近平行缝。由于砂岩比碳酸盐岩的破裂强度小，在受到足够大的垂向压力时，碳酸盐岩会首先发生破裂，呈现相对刚性，砂岩则呈现相对弹塑性（图4，图5）。

图4 单轴岩石力学实验Y4SV-1与Y9MV-1应变对比

4.3 泥岩-碳酸盐岩组合应变分析

Y15MV-1与Y9MV-1、Y15MV-1与Y2LV-1两组样品的应变曲线显示，两条“凹”型曲线中夹角较大的是泥岩样品，夹角较小的是碳酸盐岩样品。对比结果表明，相同压力条件下，Y15MV-1的径向应变值小于Y9MV-1和Y2LV-1；Y15MV-1的轴向应变值大于Y9MV-1和Y2LV-1。Y15MV-1的破裂强度也小于Y9MV-1和Y2LV-1。岩心、薄片观察发现，裂缝常发育在泥岩、碳酸盐岩互层界面上，且大多为平行缝。由于泥岩比碳酸盐岩的破裂强度小，在受到足够大的垂向压力时，碳酸盐岩会首先发生破裂，呈现相对刚性，泥岩则呈现相对弹塑性（图6，图7）。

图5 单轴岩石力学实验Y4SV-1与Y2LV-1应变对比

图6 单轴岩石力学实验Y15MV-1与Y9MV-1应变对比

图7 单轴岩石力学实验Y15MV-1与Y2LV-1应变对比

综合研究表明，破裂强度由大到小依次是碳酸盐岩、泥岩、砂岩，即在垂向压力的作用下，破裂强度越大的岩石越容易产生裂缝，裂缝常常出现在不同岩性的互层界面上，且多发育平行缝或近平行缝。可将此现象归纳为：当岩性组合地层同时受到垂向压力的作用时，岩石会被挤压，因而发生径向伸展，当压力增大到一定程度时，在岩性互层界面上首先发生滑移，形成裂缝，呈相对刚性的岩石难以承受压力先破裂产生裂缝，随着压力的持续增大，呈相对弹塑性的岩石再产生裂缝，最终随着时间的推移会形成多种裂缝类型同时出现的情形。

5 结论

沾化凹陷古近系-新近系沉积岩裂缝多发育在不同岩性的互层界面上，主要发育有砂岩-泥岩组合、砂岩-碳酸盐岩组合和泥岩-碳酸盐岩组合。依据不同类型沉积岩的应力应变差异，证实了破裂强度由大到小依次为碳酸盐岩、泥岩、砂岩。