孔隙性砂岩中单条变形带与簇状变形带的特征与区别——以远安地堑上白垩统红花套组中变形带为例

渠芳，连承波，柴震瀚，任冠雄

1)油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都，610500；2)西南石油大学，成都，610500

内容提要:孔隙性砂岩中的变形带研究近年来取得长足进展，但有关单条变形带与簇状变形带如何区分和界定仍是一个较模糊的问题。本文以远安地堑上白垩统红花套组高孔砂岩中发育的剪切增强压实带和压实剪切带为例，对单条及簇状变形带的特征和区别做出系统分析。研究表明，虽然单条变形带的长度、宽度、错断位移、凸起高度等均明显小于簇状变形带，但是不同运动学成因的变形带宏观特征、微观结构不同，因此不能单纯以规模大小区分二者，需要结合带密度将簇状变形带与变形带列、网格构造等相区分，还需要结合其微观结构特征进行准确鉴定。单条及簇状剪切增强压实带特征类似，均不具核心碎裂带，颗粒主要为中等破碎，多表现为多个不连续分布的碎裂核。簇状剪切增强压实带内部的非均质性更强。单条压实剪切带具有核心碎裂带，依剪切力大小不同，其核心碎裂带内颗粒粉碎程度及边缘过渡带宽度不同，常伴随微小剪切缝痕迹。簇状压实剪切带在镜下可清晰识别出不同的核心碎裂带、带间区域及微小剪切缝，可见S—C组构和断续分布的滑动面。单条及簇状变形带的发育会不同程度地改变储层的物性并可能会对油气运移和开采产生影响。

孔隙性砂岩中的变形带(deformation band)，是指发育于高孔隙性岩石(孔隙度大于15%)或未完全胶结的颗粒沉积物中的一种很特别的亚地震构造。常表现为小型、断层状结构的局部应变薄层带，但是与一般的断裂相比，缺少独立、连续的滑脱面(Aydin et al.,2006;Fossen et al.,2007;Braathen et al.,2009;Kaproth et al.,2010;黄磊等，2019；刘鹏等，2019)。与未变形的围岩相比，具有程度不同的肋状突起及颜色、物性差异，纯净砂岩中的变形带颜色常浅于围岩，在变形带形成及发展过程中，其孔隙度及渗透率通常会明显低于周围岩石(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)。因此变形带研究对更加精确地掌握储层的物性分布及流体渗流特征具有重大意义。

近年来孔隙性砂岩中变形带研究已取得长足进展，变形带的分类越来越细化，重视不同类型变形带的特征、形成机制及对流体渗流的影响研究。目前关于变形带的分类主要有3种：① 按其形成阶段，在未固结—半固结、固结到超固结成岩阶段分别形成解聚带(Disaggregation band)、碎裂带(Cataclastic band)和压溶胶结带(solution band)；②根据母岩泥质含量的不同又可分为碎裂带和层状硅酸盐变形带(Phyllosilicate band)(Cashman and Cashman,2000;Fossen et al.,2007)；③按力学性质可分为膨胀带(dilation bands)、剪切带(shear bands)、压实带(compaction bands)及其过渡类型如剪切增强型压实带(shear-enhanced compaction band)、压实剪切带(compactional shear bands)、膨胀剪切带(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)。

根据变形带发育的基本形态，变形带可分为单条变形带和簇状变形带(Aydin,1978;Nicol et al.,2013;Soliva et al.,2016;Philit et al.,2018)。

但是有一个很重要的问题，即单条变形带和簇状变形带到底如何进行区分和界定，尚且是一个很模糊的领域。Aydin(1978)将单条变形带(single deformation band)描述为白色直立肋状、厚约1 mm的变形构造，变形带内砂粒破裂、孔隙塌陷，导致颗粒尺寸的减小和密度的增加。而簇状变形带(clusters of deformation bands)则是由数条紧密排列、产状相似的单条变形带组成，其厚度可达数毫米至数分米，一般不宽于1 m，长度可达数百米(Fossen and Bale,2007;Johansen and Fossen,2008;Philit et al.,2018)。以上对于簇状变形带的定义是比较笼统的，究竟单条变形带间距多大才称为簇状变形带，目前并没有很明确的规定。如果不能厘清二者之区别，则进行变形带后续研究的重要基石将不复存在。因此，本文以远安地堑上白垩统红花套组高孔砂岩中发育的变形带为例，从变形带的定义、变形带的形成机理、宏观及微观特征等方面出发，对单条变形带和簇状变形带的特征及区别做出系统分析，并探讨其石油地质意义，为之后的变形带微观结构及对流体渗流的影响研究起到抛砖引玉之作用。

1 单条变形带与簇状变形带的一般性特征

1.1 单条变形带的宏观特征

远安地堑是位于江汉盆地西北缘的一个次级地堑构造，以震旦系—中三叠统的浅海碳酸盐台地为基底，晚白垩世—早始新世为其裂谷阶段，中始新世—第四纪为后裂谷阶段(戴少武,1996;舒良树和周新民,2002)。上白垩统红花套组在地堑内出露最为广泛，厚度约400～800 m(乔彦波等，2012)。红花套组主要为红棕色厚层块状中—细粒岩屑石英砂岩，石英颗粒含量大于80%，岩屑少量，长石极少，结构成熟度与成分成熟度较高。孔隙度介于15%～25%之间，胶结物含量少，主要为泥质、铁质胶结。取样过程中，岩样容易发生松散，反映出其形成期岩层具中—浅埋藏深度(连承波等，2020)。根据对远安地堑的野外勘测，变形带并非分布在整个地堑内，而是有选择地发育在地堑中、南部上白垩统红花套组高孔块状砂岩中(图1)。在变形带发育区，变形带常呈密集分布，平面和剖面组合模式多样，如网状、交叉、平行、共轭、截断及错断等(图2～图4)。镜下观察发现变形带发生不同程度的颗粒碎裂，其形成机制主要为碎裂作用，成因类型为碎裂带。从变形带形成的力学性质上分析，大多数变形带在简单剪切和纯压实之间的运动学环境中发育，目前在自然界中发现的变形带最常见的力学类型是压实型剪切带(compactional shear band,CSB)，其次是剪切增强型压实带(shear-enhanced compaction band,SECB)，而纯压实带(pure copaction band,PCB)少见，一般只在孔隙度大于30%的高孔砂岩中形成(Fossen et al.,2011,2015,2017)。经研究，远安地堑上白垩统红花套组中发育的变形带有3期，其中形成于伸展构造体系和挤压构造体系的压实剪切带广泛分布于地堑中南部高孔砂岩中，而只形成于挤压应力环境的剪切增强压实带则受应力场和岩性的控制，分布比较局限。本文主要针对这两种类型进行分析与探讨。

图1 江汉盆地西北缘远安地堑地质简图及变形带观测点位分布(据湖北省地质矿产局修改，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)上白垩统：K2p—跑马岗组，K2h—红花套组，K2l—罗镜滩组；T3—J—上三叠统—侏罗系；T1-2—下—中三叠统；S—P—志留系—二叠系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

图2 江汉盆地西北缘远安地堑上白垩统红花套组中单条变形带宏观特征Fig.2 Macroscopic characteristics of the single deformation band of Upper Cretaceous Honghuatao Formation in Yuan’an Graben,Jianghan Basin(a)单条压实型剪切带(观测点2)；(b)图中后期形成的2号单条变形带切割其他变形带，产生不明显位移；2号变形带位移约5 mm(观测点12)；(c)一组近于平行的单条变形带，为局部应变硬化作用所产生(观测点3)；(d)相互交叉形成局部网络的单条压实型剪切带(观测点10)；(e)平行展布的剪切增强压实带(观测点4)；(f)共轭展布的单条剪切增强压实带(观测点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)

图3 江汉盆地西北缘远安地堑上白垩统红花套组中簇状变形带宏观特征Fig.3 Macroscopic characteristics of deformation band clusters of Upper Cretaceous Honghuatao Formation in Yuan’an Graben,Jianghan Basin(a)、(b)宽度10 cm左右的簇状变形带局部，凸起高度2 cm，内部变形带密度高(分别来自观测点17和15)；(c)局部宽度达50 cm以上的大型簇状变形带，内部各单条变形带非常清晰(观测点16)；(d)簇状剪切增强压实带，宽度约5 cm，凸起高度1～1.5 cm(观测点4)；(e)宽度局部达10 cm的中大型簇状变形带将另一小型簇状变形带错断，错动位移约7 cm(观测点12)；(f)簇状变形带的尖端型末端，消失于围岩(观测点4)；(g)簇状变形带树枝状分叉末端，消失于围岩(观测点10)；(h)簇状变形带中形成的滑动面(观测点14)；(i)巨大簇状变形带之间的交切错动，位移约 40 cm(观测点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)

图4 不同规模的簇状变形带及其沿走向的宽度变化Fig.4 Clusters of deformation bands of different scales and their width variation along strike(a)白色虚线指示雁列式细簇(观测点4)。(b)纺锤式细簇，其连接区宽度、变形带密度明显增大。红色箭头指示不同簇状变形带的连接区(观测点16)。(c)不同期次的簇状变形带交叉、切割形成网格构造，簇状变形带2组切割簇状变形带1组，表现出左旋走滑特征，位移介于1～10 cm。图中红色箭头指向变形带1组，绿色箭头指向变形带2组(观测点2)。(d)、(e)、(f)具备多个连接区的中簇，连接区宽度介于5～10 cm(观测点2)。(g)巨簇，整体厚度大于10 cm，变形带密度大，延伸长度超过百米(观测点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)

单条变形带的规模总体较小，延伸长度较短，一般无分叉，其末端自然消失于围岩或终止于邻近簇状变形带。不同类型的碎裂变形带其特征不完全相同。单条压实剪切带长度通常在几十厘米到几米之间，有时可以达到十几米；宽度通常仅有0.2～1.5 mm，其走向相对稳定，沿走向其宽度变化不大，倾角较大，通常在50°以上。风化面颜色橘红到棕褐色，根据风化程度呈差异性肋状凸起，凸起高度5 mm以下(图2a—c)。多在新鲜面表现出比围岩相对较浅的颜色(图2d)。由于受到较强剪切力的作用，发生于高孔隙岩石内部的颗粒破碎、坍塌及形成的微小剪切缝会使变形带两侧出现一定的位移。单条变形带剪切位移不明显或较小，一般在几毫米到1 cm(图2b)。同期次形成的多条变形带常呈近平行或雁列式展布，被不同期次形成的变形带切割可呈复杂的网络结构，但分布较为局限(图2c)。也常发育于簇状变形带附近，与其呈交叉或截断方式展布(图2d)。

剪切增强压实带则总体表现为比剪切带宽度大，即使是单条变形带宽度也常在0.5～2 cm，凸起高度小于2 cm，延伸长度在几米到十几米(图2e、f)。与单条压实剪切带相比，它有更加稳定的走向、更大的延伸长度和更大的倾角(图2e中剪切增强压实带产状330°∠75°)，分布密度小，一般1～3条/m。新鲜面上和围岩颜色接近，在野外剖面上常呈同向倾斜的近平行排列或在局部呈共轭出现(图2f)。

1.2 簇状变形带的宏观特征

单条变形带形成后，由于应变硬化作用使变形带厚度不再增加，围岩受力继续在原有单条变形带周围形成新的变形带，当数条单条变形带密集到一定程度时，则形成簇状变形带。因此，大多数簇状变形带内多条单条变形带密集分布、协同作用，其特点与单条产出的变形带差异甚大，肋状突起高度更大，通常介于几厘米到十几厘米(图3a—c)。

簇状压实剪切带的延伸长度比单条变形带平均高出1～2个数量级，从几十厘米到上百米。沿走向其宽度范围变化很大，几毫米到几十厘米均有分布，大部分宽度范围在1～30 cm(图3a—i)。在风化面上可清晰识别其内部的多条变形带(图3a—c，g，i)，新鲜面上有时单条变形带痕迹不明显，但总体颜色比围岩略浅。而主要在挤压应力环境中形成的簇状剪切增强压实带则总体较规则，宽度变化不大，分叉很少，并且新鲜面上很难区分单条，或者说整体看起来很像加宽加粗的单条变形带，宽度常见2～5 cm，凸起高度小于2 cm。特征与压实剪切带明显不同(图3d，f)。

总体来讲，簇状变形带一定会出现程度不同的单条变形带的集合与分叉，其末端常表现为两种形式，一种尖端型末端，即多条变形带最终聚集成一条而逐渐消失(图3f)。另一种是是呈树枝状分叉散开(图3g)；簇状压实剪切带内汇聚了多条变形带的位移，因此远大于单条变形带位移，多为几厘米到几十厘米，一般不超过50 cm(图3e，i)。簇状变形带有可能因应变软化而形成滑动面，也是识别变形带的一个重要标志。野外所发现的由簇状变形带形成的滑动面一般断续分布，长度常见几厘米到十几厘米，较为光滑，表面可见擦痕(图3h)。

2 对单条变形带与簇状变形带宏观特征的讨论

(1)簇状变形带的规模差异巨大，且常具有纺锤状构造。簇状变形带规模上的变化，除了受到岩石物理性质的控制之外，还与其形成时受到的应力有关。在张剪及压剪性构造应力场中，原本呈雁列式展布的变形带之间的连接区(relay zone)为应力集中部位，常在连接区内接连形成更多更密的变形带，从而形成“纺锤状”构造(Nicol et al.,2013)。在一条连续的簇状变形带内可包含多个连接区，连接区内变形带叠覆在一起，从而使整条簇状变形带延伸较远，且每个连接区的长度、宽度、内部变形带的密度同样也存在差异，从而使簇状变形带具有很强非均质性。在簇状变形带发育初期，多条变形带成雁列式排列，连接区形成的纺锤状构造比较明显，整条簇状变形带宽度较窄，纺锤状构造宽度相对较大，但也低于5 cm，内部多条变形带密集分布，清晰可辨，多形成雁列式或者纺锤式细簇(图4a，b)，延伸长度多数只有几十厘米。随其发展，不止连接区变形带密度增大，厚度增加(可达5～10 cm)，而且在非连接区也会由于应变硬化作用而使变形带宽度继续增大，成为中簇(图4d—f)，延伸达几十米。当巨大簇状变形带整体厚度较厚(厚度整体大于10 cm)，内部变形带的密度也会更高，连接区厚度可达20 cm以上，延伸达几十米至上百米(图4g)。

(2)不能单纯以规模大小区分单条及簇状变形带。通过以上对单条变形带与簇状变形带的发育特征的分析，可以明确单条变形带与簇状变形带的发育特征存在明显不同，在野外仅靠肉眼观察，似乎很容易区分两者。但必须指出的是，这并非是万用法则，有时会出现例外。肉眼所观察到的变形带，即使宽度很窄且相对规则，也未必就是单条变形带，可能是发育初期的剪切型簇状变形带(图4a)；而宽度略大的变形带也未必一定是簇状变形带，可能是剪切增强型压实带(图3e)。因此必须结合其微观特征来准确地识别与分辨。

(3)需要将变形带列及网格构造与簇状变形带相区分。在野外剖面常见同期次变形带形成变形带列(图3c，图4a)或局部共轭交叉，不同期次变形带则纵横交错，形成网格构造(图4c)，而这些不能等同于是簇状变形带。簇状变形带是同期次多条变形带的近距离密集分布，且各变形带之间一定会出现交叉、叠覆等现象。为了更好地定量化表征簇状变形带的分布，国外学者提出了带密度的概念。带密度是指在簇状变形带内，各单条变形带总厚度与簇状变形带厚度的比值(Wibberley et al.,2007;Philit et al.,2018)。变形带类型不同、部位不同都会导致带密度差异很大，一般簇状变形带带密度>0.15，多在0.2～0.7；如图4d的中簇在视域范围内可划分出3个连接区，每个连接区内部变形带发育密度不同。其中最上端红色框内的连接区(图4e)变形带发育密度较大，带密度约0.4；中间蓝色框内的连接区带密度只有0.3左右。带密度在变形带的不同部位差异较大，例如在变形带的尖端型末端，以及厚度>10 cm的簇状变形带由于变形带极度密集，带密度接近于1(图4g)，而在变形带的树枝状分叉末端则带密度<0.1。由此可见，对于多条变形带组成的雁列状及网格状构造，由于其间距较宽，带密度远小于0.1，所以不属于簇状变形带范畴。

3 微观特征的差异

3.1 变形带的微观结构要素

变形带的形成应当被认为是一个包括时间在内的四维系统，最初在孔隙性砂岩中形成时会受应力场及岩性影响，沿某一方向的高孔渗部位先形成一系列密集分布的“碎裂核”，继而随着时间的累积形成具有一定剪切分量的变形带，同时形成较小的剪切位移。由于单条变形带周围的“应变硬化作用”，在容易形成 “应变硬化区”的部位会接着形成多条新的单条变形带，多条变形带之间又形成应变增强区，从而使变形带之间亦产生一定程度的碎裂作用，最终促使其相互连接形成簇状变形条带(Fossen et al.,2007;Philit et al.,2018)。因此，从微观结构上来讲，一个发育完全的簇状变形带必定会包括边缘过渡带、核心碎裂带、带间区域以及滑动面等结构要素(图5)。而单条变形带则必定不会存在带间区域，通常由碎裂核(或核心碎裂带)、边缘过渡带等组成，偶尔会伴有不连续滑动面。

3.2 单条变形带与簇状变形带的微观特征

不同类型的变形带在微观上呈现出不同的特点，具体主要有以下几方面：

(1)剪切增强压实带不具核心碎裂破碎带，颗粒主要为中等破碎，多表现为多个不连续分布的碎裂核。由于剪切增强压实带主要是在区域压应力下所形成(图6a，d)，承受的剪应力较小，所以颗粒破碎不严重，基本表现为排列比围岩紧密，破碎的亚颗粒粒径稍小于围岩，多在0.1～0.25 mm，属中等破碎程度(图6b)。在局部剪应力较大处会形成破碎明显的碎裂核，粒径比围岩粒径小得多，多数小于100 μm。碎裂核长度通常只有1～2 mm，在变形带中分散分布，从而使变形带内部呈现出较强的颗粒碎裂不均一性(图6c，e，f)。多个碎裂核可呈现出相似的剪切方向，偶见共轭，但并未能相互连接形成连续的核心碎裂带。当碎裂核呈现出较明显剪切特征时，其内部颗粒碎裂性更强，常表现为完全粉碎性泥基包裹碎裂亚颗粒(图6c，e)。剪切增强压实带即使形成簇状变形带，也很难像剪切带那样多条密集分布(图6d)，而是分叉较少，在镜下不存在连续分布的核心碎裂带，故很难识别出单条变形带。单条及簇状剪切增强压实带特征类似，只是簇状剪切增强压实带内部的非均质性会更强。

图6 剪切增强压实带微观结构特征Fig.6 Microstructural characteristics of shear-enhanced compactional band(a)单条剪切增强压实带，宽度约1.5～2 cm，其样品微观特征如(b)、(c)所示(观测点4)；(b)围岩与变形带之间界限较模糊，变形带内部颗粒为多点接触的中等破碎(单偏光)；(c)表现出剪切特征的碎裂核(单偏光)；(d)簇状剪切增强压实带的新鲜面，图中宽度介于5～10 cm，其样品微观特征如(e)、(f)所示(观测点4)；(e)表现出明显剪切特征的碎裂核，完全粉碎性泥基包裹粒径仅几十微米的碎裂亚颗粒(单偏光)；(f)未表现出明显剪切特征的团块状碎裂核，碎裂核内部颗粒碎裂比周围更严重，粒径为50 μm左右(单偏光)(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)单条压实剪切带通常具有核心碎裂带，依剪切力大小不同，其核心碎裂带内颗粒粉碎程度及边缘过渡带宽度不同，常伴随微小剪切缝痕迹。单条压实剪切带虽然宽度小于剪切增强压实带(图7a)，但是由于其所受剪切分量大，故颗粒破碎程度较强，具有连续的核心碎裂破碎带，镜下可清晰识别。在压实剪切带内，长石、岩屑的粉碎程度远高于石英颗粒，一般形成暗褐色泥质碎基或粒径仅几十微米的亚颗粒；而石英多表现为出现多点接触裂缝或碎裂为几个亚颗粒(图7a、b)。其形成时所受的剪切力越大，核心碎裂破碎带内颗粒粉碎程度越强，边缘过渡带越窄，与围岩之间边界越清晰(图7a)。反之，则核心碎裂带内颗粒破碎程度较低，受较大压实作用力的影响在核心碎裂破碎带周围形成较明显的边缘过渡带，与围岩的边界较为模糊(图7b)。有时在核心碎裂带内也可观测到剪切缝痕迹，延伸较短，通常只有1～2 mm，不连续，属于微小裂缝(图7a)。

图7 压实剪切型单条及簇状变形带的微观结构特征Fig.7 Microscopic characteristics of single and clusters of compactional shear bands (a)边界清晰的单条压实剪切带(单偏光)(观测点10)；(b)边界较模糊的单条压实剪切带(单偏光)(观测点10)；(c)簇状压实剪切带，带间区域形成较明显的S—C组构(单偏光)(观测点10)；(d)簇状压实剪切带内部存在强非均质性，不同的核心碎裂带及带间区域碎裂程度不同(单偏光)(观测点10)；(e)簇状压实剪切带呈现两侧与围岩接触的非对称性，左侧核心碎裂带碎裂程度更强(单偏光)(观测点16)；(f)发育程度较高的簇状压实剪切带，核心碎裂带中形成多条微剪切缝(单偏光)(观测点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)簇状压实剪切带在镜下可清晰识别出单条核心碎裂带、带间区域及微小剪切缝，可见S—C组构和断续分布的滑动面。野外最常见的簇状变形带类型就是簇状压实剪切带(图7c—f)。这类变形带在镜下特征明显，具有连续的多条核心碎裂带，核心碎裂带之间为带间区域，其破碎程度明显弱于核心碎裂带。镜下有时可见到较明显的S—C组构，长石、岩屑及次生高岭石等矿物呈片理化与剪切带成低角度相交，说明变形带具有韧性剪切特征(图7c)。簇状变形带内部非均质性较强，不同的核心碎裂带其碎裂程度并不相同(图7d、e)，即使同一条核心碎裂带内常出现多颗粒接触碎裂与完全碎裂共存，带间区域破碎程度不均一(图7d)。图7e中的簇状变形带发育左右两条核心碎裂带，其中左侧核心碎裂带碎裂程度更高，碎基达75%，与围岩界限清晰，为突变接触；右侧核心碎裂带碎裂程度弱于左侧，且与围岩为渐变接触，存在较明显的边缘过渡带。图7f中的两条核心碎裂带中碎基可达75%以上，发育数量较多的微小剪切缝，反映了较强的剪应力作用，但长度只有1 mm左右，并未形成宏观滑动面。簇状变形带发展到后期，在一定的应力环境中可演变为沿核心碎裂带出现应变软化，形成宏观可见的滑动面，如图8中存在3条核心碎裂带，其中最左侧的核心碎裂带在剪切力作用下碎基化非常严重，且此条核心碎裂带左右两侧出现破碎不对称现象。左侧边缘出现整齐的剪切滑动面，镜下观察大约延伸2.5～3 cm，不连续分布，和野外所观察到的不连续滑动面特征吻合。而其右侧边缘则没有滑动面，和带间区域保持应变硬化状态。

4 对变形带的石油地质意义的讨论

由以上变形带的宏观及微观特征分析可知，变形带可以呈现多种组合交切模式，常见有平行、错断、共轭、网状交叉及截断等(渠芳等，2019)，不同类型的变形带由于其规模、内部颗粒坍塌程度不同，对岩层的物性造成的影响也不同。将其推广到石油地质研究中，孔隙性砂岩中变形带的发育会改变储集层的物性并很可能会对油气运移和开采产生影响。很多学者通过研究不同类型的变形带及其两侧的渗透性，多认为碎裂带、压溶胶结变形带、层状硅酸盐带会降低储层的渗透性(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浅层形成的膨胀型解聚带有时亦可作为流体运移通道(Parry et al.,2004;Sample et al.,2006；Schultz et al.,2010;Baud et al.,2012)。

笔者等认为，对储层物性造成影响的不光要考虑其成因类型，还需要厘定同一成因类型下单条变形带与簇状变形带对储层物性的影响。以最常见的碎裂带为例，虽然颗粒的破碎、重排及后期胶结常会导致其渗透性比围岩低2～6个数量级(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)，但结合以上分析，很显然变形带内部不同结构要素的孔渗变化及其对流体渗流的影响差异很大，主要体现在以下方面：

(1)剪切增强压实带和单条压实剪切带对岩石孔渗降低很有限，故二者一般不会成为流体运移的阻碍，但可在一定程度上增强母岩渗透率的各向异性，降低注入水的波及效率。剪切增强型压实带多形成于孔隙度较高岩石中，其未变形围岩孔隙度通常可达20%～25%。与围岩相比，其断续分布的碎裂核孔隙度降低至2%，而变形带内孔隙度降低至约10%～15%，并常见溶蚀孔、铸模孔等，反映出剪切增强压实带内部孔隙度降低有限，整体对流体渗流影响不大(图6)。单条压实剪切带虽然具有连续分布的核心碎裂带，但其内部不同结构要素间孔隙坍塌差异很大(表1)。如图7a，围岩平均孔隙度为23%，平均渗透率6100×10-3μm2，核心碎裂带内部基本碎裂为泥质化碎基，有石英亚颗粒夹杂其中且呈明显定向排列，孔隙结构明显变差，致使变形带平均渗透率降低至800×10-3μm2。总体而言，单条变形带内部孔隙变小且孔隙之间连通性变差，渗透率一般比母岩降低1～2个数量级，但由于其宏观发育长度有限，多是形成局部化网格构造，因此很难真正意义上阻碍流体运移，但可在一定程度上增强储层非均质性，从而在开发过程中降低注入水的波及效率。

表1 单条及簇状变形带不同结构要素物性变化Table 1 Physical property changes of different structural elements in single and clusters of deformation bands

(2)大型簇状压实剪切带的内部微观结构对储层孔渗变化有显著影响，密集发育于储层内部或分布于断裂带附近的簇状压实剪切带对流体渗流及储层非均质性的影响最大。簇状压实剪切带通常拥有更大宽度和更强烈的颗粒破碎，其渗透性显著低于单条变形带(表1)。需要强调的是，变形带厚度的大小虽然对其渗透性有一定影响，但并不是控制渗透率高低的主要因素，变形带自身渗透率的高低主要受控于其微观结构(盛军等，2018；渠芳等，2019a，b；吴松涛等，2020)。图7d中宽度仅4 mm的小型簇状变形带，虽然平均渗透率值为51×10-3μm2，但在核心碎裂带的渗透率低至(2～3)×10-3μm2。而大型簇状压实剪切带内部通常包含多个相间排列的核心碎裂带和带间区域，在泥质化严重的局部甚至未见孔隙(图7f)。孔隙的大小和连通性决定了其渗透性，其核心碎裂带渗透率可降低至0.5×10-3μm2左右。这是大型簇状压实剪切带渗透率能够比围岩降低3～6个数量级的本质原因。这类簇状变形带多密集发育于储层内部，形成网格构造，也常分布于断裂带附近，更大程度的增强储层非均质性。孔隙性砂岩中簇状压实剪切带的内部非均质性很强，定量化探讨不同厚度、不同内部结构要素、不同碎裂程度的变形带对流体渗流的影响，必然可以更好地指导流体运移模拟，从而提高开发效果。

5 结论

(1)远安地堑上白垩统红花套组中—细粒岩屑石英砂岩中发育大量碎裂变形带，从运动学机制上来说可分为剪切增强压实带和压实剪切带两种类型。其中，单条压实剪切带长度常在几十厘米到几米之间，有时可以达到十几米；宽度通常仅有0.2～1.5 mm，其走向相对稳定，沿走向其宽度变化不大，凸起高度5 mm以下，多在新鲜面表现出比围岩相对较浅的颜色。单条剪切增强压实带宽度常在0.5～2 cm，剪切位移不明显，凸起高度小于2 cm，延伸长度在几米到十几米，具有更稳定的走向、更大的延伸长度和倾角。分布密度小，一般1～3条/m。常呈同向倾斜的近平行排列或在局部呈共轭出现。

(2)簇状变形带会出现程度不同的单条变形带的集合与分叉，其末端常表现为两种形式：一种是树枝状分叉散开；另一种是尖端型末端，多条变形带最终聚集成一条而逐渐消失。簇状压实剪切带内多条单条变形带密集分布，肋状突起高度更大，延伸长度从几十厘米到上百米。沿走向其宽度范围从几毫米到几十厘米均有分布；簇状剪切增强压实带则总体宽度变化不大，分叉很少，新鲜面上很难区分单条，宽度约1～5 cm，特征与簇状压实剪切带明显不同。

(3)簇状压实剪切带常具纺锤状构造，具备雁列式或者纺锤式细簇—中簇—巨簇的发育序列，因此不能仅从规模大小区分簇状及单条变形带。需要结合带密度将簇状变形带与变形带列、网格构造等相区分，还需要结合其微观结构特征进行准确鉴定。

(4)不同类型的变形带在微观上呈现出不同的特点，剪切增强压实带不具核心碎裂破碎带，颗粒主要为中等破碎，多表现为多个不连续分布的碎裂核。单条及簇状剪切增强压实带特征类似，簇状剪切增强压实带内部非均质性更强。单条压实剪切带具有核心碎裂带，依剪切力大小不同，其核心碎裂带内颗粒粉碎程度及边缘过渡带宽度不同，常伴随微小剪切缝痕迹。簇状压实剪切带在镜下可清晰识别出单条核心碎裂带、带间区域及微小剪切缝，可见S—C组构和断续分布的滑动面。

(5)孔隙性砂岩中变形带的发育会改变储集层的物性并可能会对油气运移和开采产生影响。剪切增强压实带和单条压实剪切带对岩石孔渗降低很有限，故一般不会成为流体运移的阻碍，但可增强母岩渗透率的各向异性，降低注入水的波及效率。大型簇状压实剪切带的微观结构对储层孔渗变化有显著影响，密集发育于储层内部或分布于断裂带附近的簇状压实剪切带对流体渗流及储层非均质性的影响最大。