川东北城口地区筇竹寺组页岩流变对孔隙结构的影响

于淑艳，汪洋，冯宏业，朱洪建

（1.河南地矿职业学院 地质矿产勘查系，郑州 451464；2.中国科学院大学 地球与行星科学学院，北京 100049；3.燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000）

岩石天然流变是在应力作用下的物质迁移过程，可导致岩层发生各种尺度的形态变化[1-4]。岩石发生流变会不同程度地改变微观颗粒结构和孔隙结构，进而影响储集层物性，流变程度越强，对储集层物性的影响就越大[5-11]。富有机质页岩层为非能干层，具有低杨氏模量、高泊松比的岩石力学特性和明显的塑性[6]，容易成为地壳浅层的滑脱层[4，6]，随滑脱产生不同强度的流变。前人对煤岩、砂岩、碳酸盐岩、大理岩、花岗岩等的流变研究较多，且主要集中在对流变特征、流变过程、流变模式、流变机理及其制约因素等方面[6]，但对富有机质页岩流变特征及其对页岩微观结构制约性的研究较少。本文以川东北城口地区下寒武统筇竹寺组海相页岩为对象，利用岩石薄片、聚焦离子束扫描电镜和低温液氮吸附实验，研究了页岩天然流变构造的主要类型及特征，探讨了页岩流变对页岩孔隙结构的影响。

1 区域地质概况

川东北城口地区位于上扬子区东北缘，跨越扬子陆块和秦岭地槽2 个大的构造和沉积单元，整体为一向南西凸出的弧形构造带[10，12]，由一系列褶皱和逆冲断裂组成（图1），是古生界海相页岩气勘探的重点区域。以城口—房县断裂为界，可划分为南大巴山前陆冲断褶皱带和北大巴山逆冲推覆构造带，其演化受构造单元制约[12]。印支运动以来，该地区一直处在强烈的构造活动下，受多期构造运动影响，出露地层多高角度倾斜，多见大型断裂和褶皱。该地区广泛分布下寒武统筇竹寺组富有机质页岩，但后期构造改造作用强烈，对页岩展布、页岩气富集和保存等产生较大影响[10]。

2 样品及实验

共采集城口县修齐镇剖面下寒武统筇竹寺组页岩样品8 块，包括2 块原生结构页岩和6 块天然流变页岩（图1）。该地区构造活动频繁，构造变形强烈，页岩地层倾角大，不对称褶皱、断裂及相互叠加构造常见。在强烈褶皱的核部采集了6 块天然流变页岩样品（样品L1—L6），岩石手标本上见强烈韧性流变变形，岩石较松软，具有强化面理和线理构造；在相距褶皱核部较远的翼部采集2 块弱变形样品（样品U1和U2），样品的岩石层理结构基本完整，质地较硬。城口地区筇竹寺组页岩总有机碳含量为0.44%～6.91%，矿物主要为石英、黏土矿物、长石、方解石和黄铁矿，有机质镜质体反射率为3.3%～4.3%，处于过成熟阶段，表明该地区富有机质页岩已大量生烃[10，13]。

3 页岩天然流变构造特征

页岩中广泛发育层理构造，具较丰富的黏土矿物和有机质，是其易发生韧性变形的重要内因，而构造演化过程中的剪切或挤压应力，是导致页岩流变的重要外因[3，8-9，14]。在较强的构造应力作用下，页岩破裂后粉碎，微颗粒在应力作用下重新分配和局部聚合，微颗粒发生分选和定向排列，再固结形成流动构造[3]。

页岩的天然流变显微构造主要有碎斑系、碎裂流、压溶缝合线、显微褶皱、S-C 组构和褶劈理（图2）。页岩基质中常见斑状颗粒分布，这些碎屑颗粒和斑晶颗粒粒径为10～100 μm，磨圆较好，呈眼球状，具较好的定向排列，被周围粒级更小的基质颗粒包围，发生韧性流变（图2a、图2b）。碎裂流是相对低温、高应变速率和高流体压力条件下的岩石变形，岩石碎块经颗粒化、旋转和位移3 个基本过程，本文将其归于流变构造。碎裂流构造首先是从刚性矿物（石英、长石、方解石、黄铁矿等）颗粒开始，这是由于矿物的粒间结合强度通常要比颗粒内部强度低，随着变形程度的增大，颗粒内部变形逐渐发生。碎裂作用将矿物颗粒或脉体破碎形成细小的碎屑（图2a、图2b），一方面，不同尺寸的碎屑发生混杂，有的碎屑棱角较为明显，有的则被磨圆；另一方面，大粒径碎屑嵌布于粒径更小的韧性黏土矿物或有机质颗粒之间，形成更为复杂的混杂。圆状—次棱角状不同粒径的碎屑颗粒定向排列形成的流变构造，表明其形成过程中经历了多次韧性剪切滑动。缝合线是沉积岩中十分常见的构造类型，页岩样品中观察到的压溶缝合线整体呈台阶状或柱状，局部呈锯齿状（图2c），是页岩的典型韧性流变构造。在页岩变形带内，剪切层滑作用导致揉皱型构造发育，如显微褶皱（图2d）、S-C组构（图2e）和褶劈理（图2f），页岩糜棱岩化可通过页岩中时断时连的矿物和有机质细条带显现出来。褶劈理以页岩中碎屑状显微组分碎片的定向排列为特征，常与S-C 组构和斜歪或倒转褶皱组合叠加，形成更为复杂的揉皱形态。

页岩韧性流变的微米—纳米级构造主要包括糜棱岩化带（韧性剪切带）、微型混杂带和旋转碎斑。微型糜棱岩化带与层理近平行，以黏土矿物和有机质为主，黄铁矿、长石、方解石等掺杂其中（图3），糜棱岩化带中黏土矿物层与有机质层交互共存，刚性颗粒可定向排列，形成碎斑。较大粒径的黏土矿物、有机质等韧性组分，可不同程度弯扭变形，形成微褶皱，呈现流动状态，反映较强的韧性流变。在局部视域下，可观察到多种有机和无机组分相互混杂的现象，发育明显的微型混杂带和旋转碎斑。不同组分几乎完全变形且混杂堆积，颗粒定向性明显，长石、方解石、石英、黏土矿物和有机质颗粒具不同程度的流动变形。在页岩基质流变区域，粒间孔隙在较大的刚性颗粒边缘顺页岩基质颗粒的流变方向发育，孔径为100～500 nm，连通性较差，多为孤立孔隙，孔径小于100 nm 的孔隙受仪器分辨率所限而无法观测。页岩基质中的塑性颗粒，如黏土矿物和有机质颗粒，在应力作用下极易发生变形，且变形幅度较大，受流变作用的影响明显，对原生孔隙结构保存作用较弱；而刚性矿物对孔隙结构起到支撑作用，使矿物粒间孔隙在强烈的流变作用下得以保存。

综上所述，页岩层内韧性流变构造反映了较强的构造演化背景[10，13-15]，在较高的温度下，页岩受到较强的构造应力，黏土矿物、有机质等塑性组分通过流变，将积累的应力应变能逐渐消除。随着构造应力的持续增大，页岩微观结构从最初的破裂到碎粒，其分布逐渐均匀，碎粒从棱角状到磨圆，到形成流变结构等一系列变化。在该过程中，不仅改变了矿物和碎屑颗粒的大小和形状，也使不同组分颗粒相互混合并定向排列，孔隙结构受到严重破坏[9]，仅在刚性矿物颗粒的边缘留存少量的粒间孔隙，而且孔隙的连通性极差。

4 页岩流变对孔隙结构的改造

根据低温液氮吸附实验，所有样品的微观孔径分布曲线特征较为相近，在孔径为10 nm、25 nm、35 nm、50 nm及90 nm左右具明显的波峰，孔径为90 nm的波峰附近的大孔（孔径大于50 nm）明显较其他4 个波峰处的孔隙数量多，孔体积增量多，为主峰（图4）。对比弱变形样品（样品U1 和U2）与天然流变样品（样品L1—L6）发现，在孔径大于5 nm 时，样品U1 和U2 的5 个波峰值更大，孔径范围更广，表明弱变形样品介孔（孔径为2～50 nm）和大孔发育程度更高[16]。整体来看，弱变形样品与天然流变样品的微孔（孔径小于2 nm）结构发育相当，差异不大；但弱变形样品的介孔和大孔结构发育程度高，造成上述差异的原因可能是较大的构造应力导致页岩中大部分介孔和大孔结构受到挤压闭合，并未大量转变为微孔，这不同于前人的结论[11]。

变形环境相同的天然流变页岩孔体积和孔比表面积相近，与弱变形页岩明显不同（表1）。弱变形页岩平均孔体积为0.005 08 cm³/g，天然流变页岩平均孔体积为0.002 17 cm³/g，平均减小57%；弱变形页岩平均孔比表面积为0.344 33 m2/g，天然流变页岩平均孔比表面积为0.130 46 m2/g，平均减小62%。天然流变页岩样品微孔孔体积平均减小50%，介孔孔体积平均减小65%，大孔孔体积平均减小49%；微孔孔比表面积平均减小39%，介孔孔比表面积平均减小66%，大孔孔比表面积平均减小65%。实验结果表明，页岩发生流变可以显著改变其内部微观孔隙的结构及数量。在较高的构造应力条件下，韧性流变对页岩孔隙结构的改造是全方位的，不同类型的孔隙均会受到影响。相比之下，大孔和介孔（孔径大于2 nm）可能更易受到挤压、冲击、变形等作用，致使其孔隙结构坍塌，甚至闭合，受到强烈改造。以上结论也与电镜结果及前人的研究成果一致[3，8-10，13-15]，糜棱化页岩或经受强烈构造挤压变形的页岩，从微米—纳米级有机质-矿物颗粒结构到孔隙结构受到了构造应力的强力改造，导致页岩孔径、孔体积和孔比表面积急剧减小，减小幅度超过50%。

表1 研究区页岩样品微观孔体积和孔比表面积Table 1.Statistics of microscopic pore volume and pore specific surface area of the shale samples from the study area

基于上述分析，提出了页岩流变作用下微观孔隙结构改造模式：页岩流变使得有机质、石英、长石、黄铁矿、黏土矿物等颗粒充分混合，一方面，较大的刚性矿物颗粒破碎，在挤压或剪切应力作用下，破碎颗粒作为岩石基质的碎斑发生旋转而产生定向排列；另一方面，黏土矿物、有机质等韧性组分亦可不同程度地混杂堆积和褶皱变形，形成微型混杂带、糜棱岩化带和旋转碎斑（图5a）。当页岩层受到强烈流变作用，原生孔隙结构受到强烈的挤压和破坏，仅存部分纳米级矿物粒间孔隙，海相页岩中广泛发育的有机质孔隙和黏土矿物孔隙几乎不可见（图5b）。文献［10］将流变后页岩的纳米级矿物粒间孔隙称为糜棱化孔，该类孔隙的孔喉半径较小，连通性较差，致使其吸附能力增强，孔隙内表面与甲烷分子间的相互作用更加强烈，甲烷气体在这种孔隙内可被稳定吸附，页岩中的吸附气含量增加。矿物颗粒发生混杂、旋转、流动、迁移和重新排列，致使孔隙形态发生明显变化[17-19]，孔径、孔体积和孔比表面积减小，孤立孔隙数量增加，连通孔隙数量减少，孔隙连通性变差，定向性明显。同时，由于强烈的流变作用，介孔和大孔占比降低，微孔结构变化不明显。因此，页岩由于受到了挤压收缩变形，流变前发育的大部分介孔和大孔封闭，仅有少部分转化为微孔；而原始的微孔结构改造程度较低，这可能与刚性纳米级矿物颗粒的支撑作用有关。

5 结论

（1）川东北城口地区下寒武统筇竹寺组页岩在经受多期构造应力作用下发生了强烈的韧性流变，发育碎斑系、碎裂流、压溶缝合线、显微褶皱、S-C 组构和褶劈理显微流变构造及糜棱岩化带、微型混杂带、旋转碎斑等微米—纳米级构造。

（2）页岩流变对微观孔隙结构演化具有强烈的控制作用，以发育纳米级矿物粒间孔隙为主，大部分原生孔隙在流变作用下难以保存。孔隙形态和数量与页岩流变具有显著的相关性，流变过程中强烈的构造挤压对微观孔隙有改造、压实、破坏及封堵作用，并导致孔径、孔体积、孔比表面积等结构参数减小。

（3）流变作用对页岩储集性能具有重要控制作用，随流变作用增强，页岩物性降低。