縫合線構(gòu)造與油氣地質(zhì)意義

黃傳卿，張金功，張建坤

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

縫合線構(gòu)造是一種與節(jié)理相似的小型構(gòu)造，常見于不純石灰?guī)r和白云巖中，在我國北方的奧陶系和南方三疊系等灰?guī)r中廣泛發(fā)育。過去認(rèn)為縫合線都是順層理發(fā)育的，是壓溶作用的結(jié)果。但是，近年來研究發(fā)現(xiàn)，縫合線不僅順層理產(chǎn)出，也有與層理斜交或直交的。在平面上，即在沿裂縫破裂面上，它呈現(xiàn)為參差不平凹凸起伏的面，即縫合面;從立體上看，這些凹下或凸起的大小不等的柱體，稱為縫合柱?？p合線構(gòu)造的大小差別較大，大者可達(dá)十幾厘米甚至更大，小者為毫米級甚至僅在顯微鏡下才能看出。

1 縫合線構(gòu)造的特征與分類

前人對縫合線構(gòu)造進(jìn)行過許多觀察和描述［1，2］，并按照其形狀、規(guī)模大小、與巖層層理面關(guān)系、形成時間和產(chǎn)出位置等特征進(jìn)行分類命名和特征研究，其中有很多的命名得到了廣泛的認(rèn)可并一直沿用至今。其中按縫合線形態(tài)、其與層理面的關(guān)系來劃分縫合線類型具有一定的普遍性。

趙健等［3］(2005)從形態(tài)上它們分成波狀縫合線、鋸齒狀縫合線、城墻狀縫合線、細(xì)柱狀縫合線、網(wǎng)狀縫合線、不規(guī)則狀縫合線等。其中波狀縫合線最為常見的一類縫合線，其形態(tài)在二維剖面上為波狀起伏，有的波形較為寬緩(圖1中a);有的較為尖陡(圖1中b)，將二者分別稱為平緩型波狀縫合線和碎浪型波狀縫合線。城墻狀縫合線是兩側(cè)的巖塊彼此接觸相交，相交部分像古城墻一樣?？p合線的拐角通常由于錯位變形而形成非直角(圖1中c)。鋸齒狀縫合線又稱錐狀縫合線，這類縫合線也較為常見?？p合線跡線彼此之間像鋸齒一樣參差交錯連接，每一個小齒都是一個三角形和錐形，頂端均較為尖銳?？p合線起伏幅度有的較大，呈錐狀;有的卻很小，像小型鋸齒(圖1中d和e)。

Carl N.Drummond 和 Damon N.Sexton［4］(1999)認(rèn)為縫合線在幾何形態(tài)上是復(fù)雜的二維表面，在垂向剖面呈鋸齒狀線條(圖2)，在三維情況下，縫合線的表面以該面上下物質(zhì)的復(fù)雜指狀交錯為特征。這些柱形或塔形在水平面觀察時表現(xiàn)為極復(fù)雜的二維截面。顯然，穿過縫合線的垂向剖面使人聯(lián)想起由Mandelbrot(1983)概括并在一定程度上普遍發(fā)育的自相似幾何形態(tài)。這種可見的相似性提示人們可將分形幾何學(xué)技術(shù)運(yùn)用于縫合線的形態(tài)分析中。為了從兒何形態(tài)上描述縫合線的表面，在南印第安納州的密西西比紀(jì)Salem灰?guī)r采取樣品加以分析。Salem灰?guī)r多歸類于“印第安納建筑石材”，以分選良好的粉砂屑灰?guī)r到細(xì)粒的砂屑灰?guī)r為主，其中常見縫合線構(gòu)造。

圖1 發(fā)育在鐵山地區(qū)的各種類型的縫合線構(gòu)造

圖2 Salem灰?guī)r發(fā)育的縫合線構(gòu)造

董火根等［5］(1986)認(rèn)為水平縫合線可以分為兩類:一類為早期水平縫合線，另一類為晚期水平縫合線，其形成機(jī)制是受早晚期地層壓應(yīng)力方向上的差異控制。蔡杰興［6］(1990)認(rèn)為縫合線主要由圍巖、縫合面和縫合膜三要素組成。圍巖是縫合線兩側(cè)的巖石，縫合面是圍巖的溶解面，即縫合膜與圍巖相結(jié)合的兩個同向凹凸復(fù)雜曲面;縫合膜是圍巖間夾一層與圍巖的成分、結(jié)構(gòu)和顏色不同的薄膜狀巖石。依垂直縫合面的形態(tài)大小，肉眼可見的稱顯縫合線;只在顯微鏡下才能見到的稱隱縫合線?？p合線僅在同一巖層內(nèi)的稱層內(nèi)縫合線，在兩巖層之間的稱層間縫合線，穿過不同巖層的稱穿層縫合線。絕大多數(shù)縫合面與巖層面是平行的，稱之為平行縫合線，也有少數(shù)縫合面與巖層面是斜交的，稱之為斜縫合線。

2 縫合線構(gòu)造的成因機(jī)理

縫合線的形成機(jī)理一直備受重視，研究方法很多，有野外露頭觀察、巖心觀察描述、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等，爭論也很多。Stockdale［7］認(rèn)為縫合線的形成是和壓應(yīng)力驅(qū)動下的巖石溶解聯(lián)系在一起的。這種觀點(diǎn)己經(jīng)被普遍接受［8，9］。但有一些作者［10］卻認(rèn)為碎裂變形也能夠形成特定的縫合線類型。根據(jù)縫合線大致的分布規(guī)律，有學(xué)者［11，12］認(rèn)為縫合線的層狀面發(fā)育與自身的組合作用過程有關(guān)。而有的研究者［13，14］對這種理論提出質(zhì)疑，他們認(rèn)為縫合線的出現(xiàn)要么是物質(zhì)隨機(jī)組合的結(jié)果，要么是巖石初始狀態(tài)下物質(zhì)本身的這種大致的規(guī)律性分布。李國蓉等［15］對鄂爾多斯盆地馬家溝組灰?guī)r中的縫合線進(jìn)行觀察和研究后提出:(1)外部應(yīng)力是縫合線形成的必要條件;(2)構(gòu)造作用對縫合線的形成有重要作用。本文通過對大量巖心觀察、不同巖性的薄片的觀察以及前人資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為縫合線的形成機(jī)理主要有以下幾種:

1)地震的震動、拉張與擠壓:洪天求等［16］(2004)在研究華北宿州震旦系沉積時，發(fā)現(xiàn)望山組含風(fēng)暴沉積的白云質(zhì)灰?guī)r中發(fā)育有大量密集出現(xiàn)的順層以及垂直層面的縫合線構(gòu)造，并分析指出這些縫合線構(gòu)造與這一時期的地震活動關(guān)系密切。根據(jù)惠更斯(Huygens)原理［18］，地震波在均勻地層傳播過程中，如果遇到與均勻地層差別比較大的顆粒時，很容易以這個均勻?qū)又械耐蛔兘橘|(zhì)作為新的子波源，并且會以新的子波源為中心向各個方向發(fā)出新的子波。如果原來的地震波跟均勻?qū)又械耐蛔冾w粒的固有頻率相等，那么這個不均勻顆粒介質(zhì)將會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，將會引起劇烈的震動。子波源附近的軟沉積物可能會以產(chǎn)生子波源的突變介質(zhì)為中心，在劇烈的地震波的影響下產(chǎn)生環(huán)狀層理或不具有環(huán)狀層理的成巖程度更高的團(tuán)塊體，這些團(tuán)塊可能因抖動或因與圍巖巖性、含水等性質(zhì)不同收縮而在周緣形成橢圓形縫合線。

2)構(gòu)造運(yùn)動:構(gòu)造運(yùn)動能夠產(chǎn)生大地構(gòu)造縫合線［14，19］。因此，構(gòu)造運(yùn)動是縫合線的重要成因之一。根據(jù)地質(zhì)全息論中宏觀和微觀對應(yīng)觀點(diǎn)［20］，大地構(gòu)造中廣泛發(fā)育縫合線，巖心中也應(yīng)該能見到構(gòu)造縫合線。

3)超壓:超壓形成縫合線機(jī)理可能類似于超壓裂縫，也可能是由超壓裂縫在特定的地質(zhì)條件直接連接而成［23］。鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖埋藏史和油氣成藏史研究表明，在早白堊世末，下太原組烴源巖埋深已達(dá)到3000～4400m，正處于排烴高峰期。由于壓實(shí)作用使巖層孔隙度減小，加之烴源巖成熟演化階段產(chǎn)生的大量液態(tài)烴類的排出，使這一深度的巖層孔隙流體壓力在館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積期迅速增大，以致產(chǎn)生異常高孔隙流體壓力。高孔隙流體壓力的存在使巖層所受的有效應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致巖石產(chǎn)生張性破裂或剪切破裂。

4)壓溶:壓溶作用產(chǎn)生縫合線是一種普遍被接受的觀點(diǎn)［7，21，22，23］，而且 J.P Gratier［24］在石英顆粒作為壓溶對象的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生出微縫合線。一般壓溶縫，縫閉合，有充填物，縫合線內(nèi)自生礦物的膠結(jié)與縫合線是同一時期的。與層理不一致的縫合線(圖3)一般是在構(gòu)造作用下先形成裂縫，然后在壓溶作用下發(fā)育成縫合線。所以，縫合線構(gòu)造的形成總是經(jīng)過兩個階段，先有裂面，進(jìn)而壓溶。在垂直裂面的壓溶作用下，易溶組分流失，難溶組分則殘存聚積，以致原來平直的面轉(zhuǎn)化成無數(shù)細(xì)小尖峰突起的縫合面。在許多大理巖中，經(jīng)常會見到壓溶作用引起的縫合線。

縫合線構(gòu)造與主壓應(yīng)力軸直交，即主壓應(yīng)力軸與縫合線錐軸一致(圖4)。因此，縫合線構(gòu)造在一定程度上有助于人們分析其所在部位的應(yīng)力狀態(tài)。剖面上縫合線還表現(xiàn)為柱狀和錐狀等多種型式。

圖3 縫合線構(gòu)造及其與層理的斜交關(guān)系

圖4 縫合線錐軸與主壓應(yīng)力軸的關(guān)系

3 盆地中縫合線的油氣地質(zhì)意義

3.1 利于生烴和排烴

如果地層中存在壓溶作用形成的縫合線，那么該地層中礦物質(zhì)以離子形式被孔隙流體搬運(yùn)至附近或較遠(yuǎn)的地層中沉淀下來，若有油氣的產(chǎn)生，則部分已生成的油氣可以與孔隙流體一同運(yùn)移到其他地方，固體有機(jī)質(zhì)殘留下來得以富集，從而造成了縫合線的有機(jī)質(zhì)的含量要高于周圍介質(zhì)。但是由于縫合線的有機(jī)質(zhì)豐度還低，所以也不能形成好的烴源巖。縫合線形成的過程實(shí)際是碳酸鹽巖基質(zhì)不斷消失，地層厚度不斷減少的過程，在這一過程中必然伴有流體的排出。由于縫合線本身的孔隙度比周圍基質(zhì)要高，它的產(chǎn)烴指數(shù)愈低，排烴越低，排烴效率越高，所以縫合線比基質(zhì)更容易排烴。

3.2 運(yùn)移通道

縫合線對碳酸鹽巖儲集層及烴源巖的孔隙度、滲透率均有影響。在儲集層中，對流體的滲透作用影響很大?？p合線能夠作為致密儲層油氣藏中流體的滲流通道，對油氣井的產(chǎn)能有直接的影響。單個縫合線在橫向上具有一定延伸性，但距離不長。然而由許多單個縫合線組成的縫合線網(wǎng)，在平面上和剖面上在相當(dāng)范圍內(nèi)相對連續(xù)，能控制流體的流動與分布。對于發(fā)育在烴源巖中的縫合線，由于其孔隙度和滲透率都比較大，而且排烴效率較高，烴類相對易于運(yùn)移，可以作為油氣運(yùn)移的通道。

3.3 儲集空間

縫合線一般發(fā)育在巖層中相對脆弱的部位，在構(gòu)造應(yīng)力作用下容易沿著這個脆弱帶發(fā)生破裂，導(dǎo)致微張型縫合線或伴隨縫合線微裂縫的形成。同時，在地下流體的沖擊下，縫合線再度活化，從而使其向著縫合線孔隙方向轉(zhuǎn)化。特別是在低孔低滲的儲層中，縫合線有可能成為一種重要的裂縫型儲集空間，所以作為一種儲集空間，需要加強(qiáng)儲集巖特別是碎屑巖中縫合線的研究。

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