構(gòu)造成巖作用研究現(xiàn)狀及展望

袁靜，俞國鼎，鐘劍輝，董志芳，謝君，單康

1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071

長期以來，盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在沉積盆地儲(chǔ)層的形成與演化過程中沉積作用是其基礎(chǔ)，成巖作用和后期構(gòu)造作用是其關(guān)鍵，但有關(guān)變形構(gòu)造與巖石化學(xué)組分變化之間相互關(guān)系的研究只限于高溫變質(zhì)領(lǐng)域[1-2]，在沉積盆地這方面的研究到進(jìn)入本世紀(jì)才引起人們的重視[3]。

20世紀(jì)七、八十年代，國外學(xué)者開始關(guān)注并研究砂巖中的變形條帶、裂縫及張開—閉合構(gòu)造等變形構(gòu)造，并在變形構(gòu)造形成機(jī)制、流體流動(dòng)過程及流動(dòng)樣式、成巖作用特征及其對(duì)構(gòu)造與成巖演化響應(yīng)等方面取得了一系列重要進(jìn)展[4-10]；近年來礫巖、泥巖，尤其碳酸鹽巖中的變形條帶也開始受到人們的重視[11-14]。Laubachetal.[3]在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，首次明確提出構(gòu)造成巖作用(structural diagenesis)這一概念，強(qiáng)調(diào)變形構(gòu)造或變形過程與沉積物化學(xué)變化之間的相互關(guān)系研究的重要性。

中國學(xué)者主要在我國中西部盆地開展了構(gòu)造應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層物性的影響、構(gòu)造—成巖耦合背景下的儲(chǔ)層演化及裂縫有效性評(píng)價(jià)等方面的相關(guān)研究[15-21]，逐漸認(rèn)識(shí)到構(gòu)造作用在儲(chǔ)層演化過程中扮演著重要角色。壽建峰等[22]提出砂巖動(dòng)力成巖作用，強(qiáng)調(diào)將儲(chǔ)層置于盆地動(dòng)力環(huán)境(沉積—熱—構(gòu)造—流體)中探討其成巖演化。李忠等[23]是國內(nèi)最早報(bào)道砂巖儲(chǔ)層中變形構(gòu)造的學(xué)者之一，指出變形條帶對(duì)砂巖儲(chǔ)層物性及流體活動(dòng)有重要影響，并將其與沉積盆地成巖作用的動(dòng)力機(jī)制相聯(lián)系[24]。張金亮等[25]指出構(gòu)造成巖作用有益于開拓深部盆地研究的新思路，為深層碎屑巖儲(chǔ)層提供新的研究方向與攻關(guān)點(diǎn)；曾聯(lián)波等[26]也強(qiáng)調(diào)構(gòu)造成巖作用研究在深部致密儲(chǔ)層研究中的應(yīng)用潛力與價(jià)值。鄔光輝等[27]對(duì)塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖中的變形條帶進(jìn)行了研究，指出變形條帶經(jīng)成巖改造后滲透率得到明顯改善，可為成巖流體提供有效滲流通道。袁靜等[19,28]則對(duì)庫車坳陷大北和迪那氣田中新生代與構(gòu)造裂縫有關(guān)的成巖現(xiàn)象和儲(chǔ)層致密化過程進(jìn)行了探討，其中對(duì)大北氣田中生界致密砂巖膠結(jié)作用及其與構(gòu)造裂縫關(guān)系的研究是國內(nèi)對(duì)深部砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造成巖作用最早的專文報(bào)道。

從成巖作用研究發(fā)展歷史角度來看，自二十世紀(jì)90年代以來，成巖作用研究進(jìn)入“成巖過程及動(dòng)力機(jī)制研究階段”，當(dāng)前的成巖作用研究已非沉積巖石學(xué)單一學(xué)科所能包容，而是具有強(qiáng)烈的學(xué)科交叉特點(diǎn)[24]。構(gòu)造成巖作用的正式提出和國內(nèi)外學(xué)者不約而同地將構(gòu)造變形、變位和沉積儲(chǔ)層的演化與分布的關(guān)系作為焦點(diǎn)研究正體現(xiàn)了構(gòu)造活動(dòng)格架下的成巖作用過程不僅成為揭示沉積盆地油氣儲(chǔ)層演化與分布規(guī)律的新思路，也是揭示沉積盆地成巖作用動(dòng)力機(jī)制的重要途徑。

有鑒于此，本文對(duì)構(gòu)造成巖作用的定義與內(nèi)涵、其典型產(chǎn)物變形條帶與裂縫的主要特征及其對(duì)流體流動(dòng)的影響以及變形構(gòu)造成巖作用特征及其對(duì)構(gòu)造與成巖演化過程的指示等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與總結(jié)，并對(duì)構(gòu)造成巖作用在中國含油氣盆地的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧，在此基礎(chǔ)上為我國構(gòu)造成巖作用研究的未來發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并提出建議，旨在拋磚引玉，為進(jìn)一步推進(jìn)沉積盆地儲(chǔ)層成巖作用動(dòng)力機(jī)制研究、形成機(jī)理研究乃至沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究提供新的思路。

1 構(gòu)造成巖作用的定義與內(nèi)涵

構(gòu)造成巖作用(structural diagenesis)是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與沉積學(xué)的交叉研究領(lǐng)域，引導(dǎo)人們將研究視角從高溫變質(zhì)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向相對(duì)低溫的沉積盆地的構(gòu)造和成巖現(xiàn)象中。不同于只關(guān)注流體與巖石骨架反應(yīng)過程的傳統(tǒng)成巖作用研究，構(gòu)造成巖作用將變形過程或變形構(gòu)造也納入了儲(chǔ)層成因與演化研究。Laubachetal.[3]指出構(gòu)造成巖作用主要研究變形過程或變形構(gòu)造與沉積物化學(xué)變化之間的相互關(guān)系。曾聯(lián)波等[26]將其定義為沉積巖層從松散沉積物到固結(jié)形成沉積巖石及之后的過程中所發(fā)生的構(gòu)造和成巖相互作用。

由于構(gòu)造作用除形成變形構(gòu)造以外，往往還具有壓實(shí)效應(yīng)以及形成流體超壓等大尺度變形效應(yīng)。參考國際經(jīng)典釋義[3,26]，考慮國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，筆者將構(gòu)造成巖作用定義為構(gòu)造作用、構(gòu)造和非構(gòu)造成因的變形構(gòu)造和變形效應(yīng)與沉積物(巖)成巖變化之間的相互作用。這一定義有兩層含義。其一，構(gòu)造成巖作用并非構(gòu)造作用與成巖作用簡單地耦合，而是強(qiáng)調(diào)構(gòu)造作用→成巖作用的正向研究與成巖作用→構(gòu)造作用的反向研究，既重視變形過程(變形構(gòu)造)及構(gòu)造作用引起的大尺度變形效應(yīng)對(duì)成巖作用的影響，也重視成巖產(chǎn)物對(duì)變形及成巖過程的響應(yīng)(圖1)。其二，構(gòu)造和非構(gòu)造成因的變形構(gòu)造(如軟沉積物變形構(gòu)造及砂巖脈等)以及與這些構(gòu)造相關(guān)的成巖作用都屬于構(gòu)造成巖作用的研究范疇。

變形過程或變形構(gòu)造通過改變儲(chǔ)層的滲流能力、物質(zhì)遷移方式等影響成巖作用過程；與變形過程或變形構(gòu)造相關(guān)的成巖產(chǎn)物的礦物巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征及流體包裹體特征則能提供成巖流體來源、遷移方式以及構(gòu)造活動(dòng)時(shí)間、期次及活動(dòng)速率等重要信息[29]。構(gòu)造變形作用貫穿沉積盆地演化及沉積物成巖作用的整個(gè)過程，考慮到變形條帶與裂縫是構(gòu)造成巖作用的典型產(chǎn)物，也是影響成巖作用非均質(zhì)性與油氣開發(fā)產(chǎn)能的主要變形構(gòu)造，且目前研究程度相對(duì)較深入，本文主要對(duì)這兩者的特征及其成巖作用研究方面的進(jìn)展進(jìn)行梳理與總結(jié)。

圖1 構(gòu)造成巖作用主要研究內(nèi)容示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural diagenesis

2 主要變形構(gòu)造及其對(duì)成巖作用的影響

2.1 變形條帶

2.1.1 分類

變形條帶(deformation bands)一詞由來已久，Aydin于1978年首次將其引入砂巖變形研究中[30]，并從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)將砂巖中的變形條帶分為壓實(shí)帶(compactional bands)、單剪帶(simple shear bands)、擴(kuò)張帶(dilation bands)、壓實(shí)剪切帶(compactional shear bands)及擴(kuò)張剪切帶(dilation bands)5類[31]。Fossenetal.[4]綜合考慮變形條帶礦物學(xué)特征、顆粒粒徑、顆粒形狀、分選、膠結(jié)程度、孔隙度及應(yīng)力狀態(tài)等因素依據(jù)形成機(jī)制將砂巖中的變形條帶分為解聚帶(disaggregation band)、層狀硅酸鹽帶(phyllosilicate band)、碎裂帶(cataclastic band)以及溶蝕—膠結(jié)帶(solution and cementation band)4類，并總結(jié)了前人有關(guān)變形條帶的巖石學(xué)特征、幾何特征、物性及其對(duì)流體流動(dòng)的影響等方面的研究成果(表1)。成因分類中的解聚帶對(duì)應(yīng)于動(dòng)力學(xué)分類當(dāng)中的單剪帶；碎裂帶的產(chǎn)生除了剪切分量外，還需要一定的壓實(shí)分量，因此其大致對(duì)應(yīng)于壓剪帶[32]。

Aydin[30]的動(dòng)力學(xué)分類方案與Fossenetal.[4]的成因分類方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者的分類方案能反映變形條帶形成的主要?jiǎng)恿W(xué)過程，但沒有考慮變形條帶的礦物學(xué)、顆粒粒徑、分選及膠結(jié)狀態(tài)等影響儲(chǔ)層形變特征的一系列因素。而后者的分類方案所考慮的因素是影響流體滲流的主要因素，對(duì)于成巖作用、油氣成藏及油氣開發(fā)等方面的研究更具實(shí)用意義，但其不能反映變形條帶形成的動(dòng)力學(xué)過程；層狀硅酸鹽帶在實(shí)際研究過程中可能相對(duì)少見，溶蝕—膠結(jié)帶則更多是對(duì)前期變形條帶的改造[33]，將其單獨(dú)列為一類是否合適值得進(jìn)一步商榷。此外，兩者的分類方案都只是針對(duì)砂巖的，涉及不同巖性的更加合理與完備的分類體系尚有待建立。

2.1.2 變形條帶特征

早期研究認(rèn)為變形條帶一般形成于高孔砂巖中，可發(fā)育于裂谷環(huán)境、沉積物滑塌及底辟構(gòu)造等多種構(gòu)造背景以及非構(gòu)造背景下[4]；往往密集排列于斷裂兩側(cè)，遠(yuǎn)離斷裂變形條帶的密度呈明顯降低的趨勢(shì)，說明變形條帶的形成與斷層活動(dòng)之間存在成因聯(lián)系[34]。事實(shí)上，變形條帶除普遍存在于各種拉張或擠壓構(gòu)造背景下的高孔隙砂巖中外，也廣泛存在于碳酸鹽巖中[11-12,35-36]，泥巖及礫巖中的變形條帶也偶有報(bào)道[13-14]。

與砂巖中的變形條帶相比，碳酸鹽巖中的變形條帶厚度一般較薄。研究表明上覆地層壓應(yīng)力產(chǎn)生的壓溶作用在變形條帶形成過程中起了重要作用[11,35]。碳酸鹽巖顆粒分選程度、球度以及粒間超大孔孔隙度等是控制碳酸鹽巖中變形條帶形成的重要因素[35]：弱膠結(jié)高孔顆?；?guī)r中易產(chǎn)生壓實(shí)條帶；分選好、低黏土基質(zhì)含量、緊密排列的細(xì)粒灰?guī)r中易發(fā)生壓溶作用而產(chǎn)生縫合線構(gòu)造。不同構(gòu)造背景下的碳酸鹽巖變形機(jī)制可能有所差別。Rotevatnetal.[36]對(duì)拉張構(gòu)造背景下碳酸鹽巖中的變形條帶進(jìn)行了研究，指出拉張背景下壓溶作用對(duì)變形條帶形成的貢獻(xiàn)相對(duì)較??；生物灰?guī)r不易形成變形條帶。

變形條帶之間可以相互轉(zhuǎn)化，隨著硅酸鹽礦物含量的增加，解聚帶可轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罟杷猁}帶[4]；溶蝕帶也可以轉(zhuǎn)變?yōu)閴簩?shí)帶[37]。變形條帶厚度較小，一般為毫米級(jí)至厘米級(jí)，厚者可高達(dá)幾十厘米，薄者甚至須借助高分辨率掃描電鏡才能識(shí)別[38]。與圍巖(儲(chǔ)層中未變形區(qū)域)相比，變形條帶一般表現(xiàn)為低孔低滲[39](表1)，但也可能表現(xiàn)出較高的滲透率，為成巖流體提供滲流通道，對(duì)前期膠結(jié)物進(jìn)行溶蝕[40]。擴(kuò)張帶形成初期的物性可能好于圍巖，由于后期的膠結(jié)作用使得物性變差[41-42]。

2.1.3 變形條帶對(duì)流體流動(dòng)的影響

變形條帶對(duì)流體流動(dòng)過程及動(dòng)力學(xué)的影響目前尚有爭(zhēng)議，除與變形條帶的厚度、滲透率、變形條帶數(shù)量、流體相態(tài)(單一油或水相、油水兩相)及毛管壓力等因素有關(guān)外(表1)，還與變形條帶的原始組分[41]、空間組合關(guān)系[43]、類型[44]及其形成之后的成巖改造等因素有關(guān)[27,33]。

Parnelletal.[45]認(rèn)為變形條帶是否影響流體流動(dòng)過程取決于流體活動(dòng)與變形條帶形成之間的相對(duì)時(shí)序關(guān)系。Fossenetal.[46]認(rèn)為變形條帶對(duì)流體流動(dòng)的影響主要取決于K/KDB(圍巖滲透率與變形條帶滲透率之比)以及變形條帶三維空間上的連續(xù)性；考慮到K/KDB一般較小，且變形條帶連續(xù)性較差，他們認(rèn)為其對(duì)流體流動(dòng)的影響較小甚至可以忽略。Rotevatnetal.[47]通過野外觀測(cè)與數(shù)值模擬研究了變形條帶厚度變化對(duì)流體流動(dòng)的影響，證實(shí)變形條帶彼此之間以及變形條帶與圍巖之間的滲透率差以及變形條帶的平均厚度是決定其有效滲透率的主要因素。Rotevatnetal.[48]進(jìn)一步通過兩相流(水驅(qū)油)流體模擬，證實(shí)變形條帶局部滲透率降低會(huì)引起流體流動(dòng)的復(fù)雜化，造成水驅(qū)前緣不規(guī)則，降低波及系數(shù)；上述影響在低滲透儲(chǔ)層中表現(xiàn)的尤為明顯。除此之外，變形條帶空間組合關(guān)系對(duì)其是否可作為流體運(yùn)移遮擋層也有重要影響，不同延伸方向的變形條帶空間上呈相互切割接觸時(shí)對(duì)流體流動(dòng)的影響較小[49]。碎裂帶形成過程中可能伴隨多次擴(kuò)張作用，因而可作為流體滲流通道[50]。

變形條帶對(duì)流體流動(dòng)的影響比較復(fù)雜，除與上述影響因素有關(guān)外，可能還與流體流動(dòng)方向與變形條帶延伸方向、變形條帶形成時(shí)間等因素有關(guān)。當(dāng)流體流動(dòng)方向與變形條帶延伸方向呈高角度斜交時(shí)，變形條帶對(duì)流體流動(dòng)的影響相對(duì)較大；反之，則影響可能相對(duì)較小。變形條帶形成的時(shí)間越早，后期構(gòu)造及成巖作用對(duì)其疊加改造越復(fù)雜，其對(duì)流體流動(dòng)的影響就越復(fù)雜。

2.1.4 變形條帶對(duì)成巖作用的影響

變形構(gòu)造對(duì)成巖作用具有明顯的控制作用。變形條帶與圍巖之間的物性差異影響了成巖作用過程中成巖流體的分布及物質(zhì)遷移過程，導(dǎo)致不同變形條帶之間或變形條帶與圍巖之間在成巖產(chǎn)物的巖石學(xué)(顏色、成分及結(jié)構(gòu)等)及成巖特征等方面存在明顯差異。已有部分學(xué)者通過研究證明某些變形條帶曾經(jīng)是成巖流體的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道。Parryetal.[51]認(rèn)為Navajo紅色砂巖中白色變形條帶系還原性流體沿變形條帶提供的滲流通道運(yùn)移時(shí)對(duì)高價(jià)鐵離子的淋濾而成，并通過物質(zhì)平衡計(jì)算出了參與成巖反應(yīng)所需的流體體積。Exneretal.[33]認(rèn)為維也納盆地Matzen油田碎屑巖儲(chǔ)層中的碎裂帶在演化初期經(jīng)歷了孔隙度短暫增大的過程，為內(nèi)源流體提供運(yùn)移通道，形成了順層分布的膠結(jié)物。

表1 變形條帶形成機(jī)制分類及其特征、識(shí)別標(biāo)志、物性及對(duì)流體活動(dòng)的影響(據(jù)Fossen et al.[4]修改)

2.2 裂縫

2.2.1 主要特征

當(dāng)作用于巖石的應(yīng)力超過其抗破裂強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破裂產(chǎn)生裂縫。從時(shí)間上看，裂縫的形成可能要晚于變形條帶。根據(jù)形成機(jī)制及裂縫面兩側(cè)巖石的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，可將裂縫分為張裂縫與剪裂縫兩種[52]；根據(jù)傾角可裂縫分為垂直裂縫、高角度斜交裂縫、低角度斜交裂縫及水平裂縫[53]；根據(jù)發(fā)育規(guī)模可將裂縫分為宏觀縫(macrofracture)與微裂縫(microfracture)[54]。

裂縫廣泛存在于碎屑巖[55-56]及碳酸鹽巖儲(chǔ)層中[57-58]，泥巖及頁巖中相對(duì)不發(fā)育。裂縫的形成、發(fā)育規(guī)模及幾何學(xué)特征受沉積作用、成巖作用、構(gòu)造作用、受力巖層所處的構(gòu)造部位及巖層厚度等多種因素的控制[59-61]。沉積相帶是決定巖石后期變形行為的基礎(chǔ)條件，相對(duì)來說高能環(huán)境下的沉積產(chǎn)物以剛性變形為主，更易于產(chǎn)生裂縫。成巖作用在很大程度上改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)后期巖石的變形行為及過程產(chǎn)生重要影響。如Lavenuetal.[60]認(rèn)為受早期成巖作用改造的碳酸鹽巖(沉積物)即使遭受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也不易產(chǎn)生裂縫。巖層厚度與裂縫發(fā)育程度一般呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。溫度除影響沉積物(巖)的形變特征外，還對(duì)裂縫幾何學(xué)特征有重要影響。相關(guān)研究表明裂縫粗糙度隨溫度升高呈現(xiàn)低溫階段(20 ℃～100 ℃)緩慢增大，中溫階段(100 ℃～500 ℃)緩慢減小，高溫階段(500 ℃～800 ℃)迅速減小至基本穩(wěn)定的階段性特征[62]。

2.2.2 裂縫對(duì)流體流動(dòng)的影響

開啟的裂縫是儲(chǔ)層，尤其是低孔低滲儲(chǔ)層中流體運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道。Parsons[63]是最早關(guān)注裂縫中流體流動(dòng)特征的學(xué)者之一，其率先對(duì)流體流動(dòng)、裂縫開度及滲透率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。裂縫在形成之后往往經(jīng)歷成巖作用與構(gòu)造作用等一系列改造[64-65]，其開度及連通性發(fā)生變化，從而對(duì)流體流動(dòng)過程及動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生復(fù)雜的影響[66]；因此可以說成巖流體對(duì)裂縫的改造與裂縫對(duì)流體流動(dòng)過程及動(dòng)力學(xué)的影響是兩個(gè)相互影響的過程。Laubachetal.[67]認(rèn)為通過現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)有效裂縫的方法存在偏頗，強(qiáng)調(diào)成巖改造對(duì)裂縫有效性的影響，建議人們通過裂縫與圍巖的成巖歷史預(yù)測(cè)有效裂縫。Wennbergetal.[68]同樣強(qiáng)調(diào)成巖改造對(duì)裂縫水力學(xué)特征的影響，他通過結(jié)合巖芯與露頭對(duì)碳酸鹽巖中裂縫的水力學(xué)特征進(jìn)行研究，指出裂縫中的流體呈集中式而非分裂式流動(dòng)，也就是說流體往往沿極少數(shù)優(yōu)勢(shì)通道進(jìn)行運(yùn)移，絕大多數(shù)裂縫為無效通道。

2.2.3 裂縫對(duì)成巖作用的影響

裂縫的產(chǎn)生對(duì)成巖過程具有重要意義。一方面裂縫影響成巖系統(tǒng)封閉性[69]。隨著儲(chǔ)層埋深逐漸增大，成巖系統(tǒng)趨于封閉，物質(zhì)遷移受到極大限制，裂縫的產(chǎn)生將封閉成巖系統(tǒng)激活為開放成巖系統(tǒng)，促進(jìn)了溶蝕物質(zhì)快速而高效地排出，有利于次生孔隙的產(chǎn)生[70]。另一方面裂縫影響成巖流體的流動(dòng)過程及波及范圍，對(duì)成巖作用非均質(zhì)性產(chǎn)生重要影響[71]。裂縫是成巖流體的高效滲流通道，成巖流體沿裂縫運(yùn)移過程中對(duì)裂縫進(jìn)行溶蝕改造，形成溶蝕擴(kuò)大縫，并對(duì)巖石骨架或前期粒間膠結(jié)物進(jìn)行溶蝕，產(chǎn)生新的次生孔隙[19]。當(dāng)條件合適時(shí)，自生礦物析出形成裂縫充填物。Emmanueletal.[72]通過研究認(rèn)為介質(zhì)的孔隙大小對(duì)自生礦物的溶解度有明顯的控制作用，孔徑控制溶解度理論(PSC)可較好地解釋成巖流體流動(dòng)過程中大孔隙及裂縫中自生礦物的沉淀。裂縫被膠結(jié)物完全充填時(shí)則失去滲流能力[73]，張開—閉合構(gòu)造、裂縫膠結(jié)物搭橋以及未完全充填裂縫則仍可作為成巖流體運(yùn)移通道影響成巖作用[74-75]。

3 變形構(gòu)造成巖特征及其對(duì)構(gòu)造與成巖演化過程的指示

與變形構(gòu)造相關(guān)的成巖作用特征可指示成巖作用過程及構(gòu)造演化。Buschetal.[40]注意到位于英國Cumbria的Eden半地塹二疊系發(fā)育巖石學(xué)及成巖作用特征明顯不同的兩種類型的變形條帶：一類呈灰白色，另一類呈米黃色。通過微觀觀察他們認(rèn)為研究區(qū)經(jīng)歷過兩期變形條帶的形成以及伴隨該過程的兩期不同成因的流體運(yùn)移。Paganonietal.[76]對(duì)阿拉伯Abu Dhabi油田下白堊統(tǒng)碳酸鹽巖中的縫合線構(gòu)造成巖作用進(jìn)行了研究，認(rèn)為縫合線構(gòu)造曾是構(gòu)造擠壓期熱流體與烴類的運(yùn)移通道。

微裂縫及其中充填的膠結(jié)物記錄了構(gòu)造及成巖演化的重要信息。微裂縫是構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物，其本身可反映古應(yīng)力狀態(tài)[9]。不同期次與產(chǎn)狀的裂縫中充填的膠結(jié)物類型、地球化學(xué)特征及流體包裹體特征保留了流體來源、理化特征及成因信息，也為了解不同成因流體混合情況提供了重要信息[77]。膠結(jié)物是成巖流體性質(zhì)、來源及演化歷史等重要地質(zhì)信息的承載者；確定自生礦物之間的穿插與接觸關(guān)系及形成序列不僅是成巖作用研究的基礎(chǔ)，同時(shí)也是地球化學(xué)及流體包裹體等示蹤方法必須解決的關(guān)鍵問題。同位素保存了有關(guān)流體成因及自生礦物析出時(shí)的理化條件等重要信息[78-81]，是恢復(fù)古流體活動(dòng)的有力工具。包裹體中封存的古流體是最理想的流體示蹤劑。一方面包裹體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)能記錄成巖流體活動(dòng)時(shí)的溫度背景或熱液活動(dòng)信息[82-83]，另一方面包裹體分析能提供流體成分、鹽度及壓力等諸多信息[84-85]。

隨著裂縫的多次開啟與伴隨該過程的流體活動(dòng)及多期膠結(jié)物充填形成張開—閉合構(gòu)造(crack-seal structure)[5](圖2)，其內(nèi)充填的膠結(jié)物記錄了成巖流體活動(dòng)特征及小尺度的構(gòu)造活動(dòng)信息，這些構(gòu)造信息往往是常規(guī)構(gòu)造分析方法無法獲得的。Beckeretal.[29]通過聯(lián)用高分辨率掃描電鏡與陰極發(fā)光技術(shù)(SEM-CL)確定了微裂縫中充填的膠結(jié)物期次(圖2)；通過包裹體測(cè)溫與激光拉曼光譜確定了膠結(jié)物中流體包裹體的成分以及被捕獲時(shí)的物理化學(xué)條件，在此基礎(chǔ)上結(jié)合埋藏史背景精確確定了微裂縫的開啟時(shí)間、活動(dòng)期次及速率。Vandeginsteetal.[86]在構(gòu)造成巖作用研究思路指導(dǎo)下運(yùn)用同位素地球化學(xué)方法對(duì)落基山脈西卡爾加里地區(qū)褶皺沖斷帶古流體來源及運(yùn)移情況進(jìn)行了調(diào)查，研究結(jié)果表明該地區(qū)Laramide擠壓期以擴(kuò)散遷移的內(nèi)源流體流動(dòng)為主，抬升期則以高速水平對(duì)流遷移的大氣水為主。近期研究發(fā)現(xiàn)亞地震尺度(米級(jí))碳酸鹽巖露頭中發(fā)育的裂縫—充填構(gòu)造對(duì)縱波(Vp)各向異性有較好的響應(yīng)，表明地球物理方法將有助于挖掘多期構(gòu)造活動(dòng)疊加影響下的儲(chǔ)層裂縫開啟—閉合歷史[87]。

圖2 根據(jù)SEM-CL照相結(jié)果繪制的張開—閉合構(gòu)造。裂縫多次開啟形成寬約0.6 mm的微裂縫，在此過程中發(fā)生了多期流體運(yùn)移，形成石英膠結(jié)物 (I～V代表石英膠結(jié)物的期次)(據(jù)Becker et al.[29])Fig.2 Image of crack-seal structure mapped according to photograph revealed by integration of high resolution SEM and CL. Cracks opened many times to form a micro-crack width of 0.6 mm, during the process multi-stage fluid migration and formation of quartz cement (I-V represents stages of quartz cement) (after Becker et al.[29])

本文僅就目前構(gòu)造成巖作用的主要研究對(duì)象——變形條帶與裂縫的特征、成巖作用及其構(gòu)造—成巖響應(yīng)進(jìn)行了簡要總結(jié)。事實(shí)上，軟沉積物變形構(gòu)造與砂巖脈等變形構(gòu)造的成巖作用研究價(jià)值同樣不可忽略。已有學(xué)者注意到軟沉積物變形構(gòu)造成巖作用研究在恢復(fù)沉積物變形過程方面有著重要的意義[88-89]；與變形條帶及微裂縫一樣，針對(duì)砂巖脈的構(gòu)造成巖作用研究對(duì)揭示成巖流體流動(dòng)及儲(chǔ)層演化過程具有同樣重要的意義[90]。

4 構(gòu)造成巖作用在中國含油氣盆地的應(yīng)用

盡管構(gòu)造成巖作用是最近才出現(xiàn)的概念,中國學(xué)者已在塔里木、鄂爾多斯、四川、渤海灣等多個(gè)含油氣盆地深層系開展了相關(guān)研究，取得重要進(jìn)展，開拓了深部盆地研究的新思路，有效地推動(dòng)了油氣勘探與開發(fā)。

構(gòu)造成因裂縫(包含斷裂)廣泛發(fā)育于我國各個(gè)含油氣盆地，在很大程度上改善了儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能。裂縫一方面增加了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間，另一方面為成巖流體提供了高效滲流通道，增加了成巖作用非均質(zhì)程度[91-92]；裂縫與不整合面附近往往是次生孔隙發(fā)育優(yōu)勢(shì)帶[92-96]。裂縫對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造作用尤為明顯，構(gòu)造裂縫將各類儲(chǔ)集空間聯(lián)系起來形成的復(fù)合儲(chǔ)集系統(tǒng)往往是有利的儲(chǔ)集層段[97-99]。隨著埋深增大，儲(chǔ)層致密化程度越來越強(qiáng)，裂縫成為儲(chǔ)層中的重要儲(chǔ)集空間，裂縫的發(fā)育也是改善致密儲(chǔ)層儲(chǔ)集滲流能力的主要因素之一[100-102]。

與裂縫相關(guān)的多層式充填構(gòu)造為恢復(fù)儲(chǔ)層經(jīng)歷的改造作用及其相對(duì)時(shí)序提供了寶貴信息，開始引起人們的重視。這種構(gòu)造與裂縫多次開啟與充填有關(guān)，當(dāng)屬張開—閉合構(gòu)造。袁靜等[28]研究認(rèn)為大北氣田白堊系儲(chǔ)層裂縫中充填的微晶方解石、原油裂解產(chǎn)物及亮晶方解石依次記錄了早期碳酸鹽膠結(jié)、發(fā)生于50 Ma左右的液態(tài)烴充注及其逸散過程及晚期碳酸鹽膠結(jié)。馮明友等[103]運(yùn)用同位素測(cè)試、流體包裹體測(cè)溫等技術(shù)手段，并結(jié)合地層埋藏史對(duì)四川盆地川北地區(qū)寒武系筇竹寺組鈣質(zhì)結(jié)核裂縫中充填的膠結(jié)物進(jìn)行了研究，認(rèn)為裂縫中充填的四期膠結(jié)物分別指示了早期脫水、烴源巖早成熟期生烴、加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升釋壓及深埋藏期硫酸鹽熱還原作用事件。

相對(duì)于(微)裂縫，變形條帶相關(guān)研究要薄弱的多。李忠等[23]對(duì)庫車坳陷中新生界碎屑巖儲(chǔ)層構(gòu)造應(yīng)變特征進(jìn)行了研究，強(qiáng)調(diào)構(gòu)造作用對(duì)成巖作用及儲(chǔ)層演化的重要性，提出從應(yīng)變角度認(rèn)識(shí)變形條帶是研究儲(chǔ)層形成與分布的重要途徑。目前關(guān)于這方面的研究報(bào)道還很少[27]，且只針對(duì)塔里木盆地。值得注意的是變形條帶并不是擠壓應(yīng)力作用下的特有產(chǎn)物，拉張應(yīng)力作用下同樣可以發(fā)育變形條帶。變形條帶可能廣泛發(fā)育于我國含油氣盆地，并對(duì)儲(chǔ)層流體活動(dòng)及成巖作用過程有重要影響[26]，在未來研究中應(yīng)給予足夠的重視。

構(gòu)造擠壓對(duì)我國中西部盆地儲(chǔ)層演化過程具有雙重影響。我國中西部盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造擠壓作用，側(cè)向擠壓在形成裂縫改善儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的同時(shí)，也加劇了儲(chǔ)層的壓實(shí)效應(yīng)。側(cè)向構(gòu)造擠壓引起的壓實(shí)作用可能是我國中西部盆地儲(chǔ)層致密化的主要因素之一。研究表明，四川盆地川西坳陷側(cè)向構(gòu)造擠壓約造成11%的減孔量[16]，塔里木盆地側(cè)向壓實(shí)減孔量介于1.9%～12%[15,19,104]。另外，側(cè)向構(gòu)造擠壓是四川盆地、塔里木盆地及準(zhǔn)噶爾盆地超壓成因機(jī)制之一，甚至是形成超壓的主要因素[105-107]。超壓的形成不僅有效地減緩了壓實(shí)效應(yīng)，還促進(jìn)了溶蝕作用與超壓裂縫的形成，有益于原生孔隙的保存與次生孔隙的形成[19,108]。

5 展望與建議

(1) 構(gòu)造成巖作用勢(shì)必成為未來盆地和儲(chǔ)層研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。在20世紀(jì)80年代萌生的成巖流體研究與近期出現(xiàn)的構(gòu)造成巖作用研究的催生與推動(dòng)下，儲(chǔ)層成巖作用研究正在經(jīng)歷研究方法由粗略向精細(xì)，研究思路由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)，所涉及的學(xué)科由單一的沉積學(xué)向地球化學(xué)、沉積學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科交叉融合等一系列轉(zhuǎn)變。構(gòu)造—成巖格架約束下的成巖作用研究將使人們對(duì)沉積盆地動(dòng)力學(xué)過程、流體流動(dòng)過程及儲(chǔ)層成因與演化等方面的認(rèn)識(shí)更加全面與深刻，因此，構(gòu)造成巖作用勢(shì)必成為沉積地質(zhì)學(xué)家與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家共同感興趣的研究領(lǐng)域，成為未來盆地和儲(chǔ)層研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

(2) 構(gòu)造成巖作用研究思路將成為恢復(fù)盆地演化歷史的有力工具。變形構(gòu)造及與其相關(guān)的成巖產(chǎn)物記錄了變形構(gòu)造形成時(shí)期、期次及活動(dòng)速率等構(gòu)造信息，也記錄了流體成因、流動(dòng)樣式等成巖作用信息以及變形過程與成巖作用之間的時(shí)序及相互關(guān)系。含油氣盆地深層系經(jīng)歷了多期構(gòu)造作用，形成多期次、多尺度變形構(gòu)造，為恢復(fù)沉積盆地演化提供了實(shí)證。借助高分辨率顯微設(shè)備開展構(gòu)造成巖作用研究，所揭示的構(gòu)造信息的尺度與精度可為儲(chǔ)層及盆地構(gòu)造演化歷史提供寶貴信息。

(3) 構(gòu)造成巖作用研究深入開展亟待建立更全面、合理的變形條帶分類體系。作為構(gòu)造成巖作用主要研究對(duì)象之一的變形條帶研究最早始于高孔砂巖，因此目前較為系統(tǒng)的變形條帶分類只是針對(duì)砂巖，且分類的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)也不相同；其他巖性尤其是碳酸鹽巖中變形條帶的發(fā)現(xiàn)更是對(duì)現(xiàn)有的分類方案提出了新的要求。碳酸鹽巖與砂巖在成因、組分及成巖過程等方面差異懸殊，其在漫長的演化歷史中更易受到構(gòu)造控制下的相關(guān)流體活動(dòng)與深埋藏成巖作用的影響，因此其變形行為及形成的變形構(gòu)造與砂巖存在較大差別。此外，碳酸鹽巖與砂巖中的變形條帶在巖石力學(xué)性質(zhì)、孔滲性、滲流能力及成巖作用過程等方面可能存在較大的差別。故而亟須建立將動(dòng)力學(xué)、形成機(jī)制及巖性等因素綜合考慮的新的變形條帶分類體系。

(4) 變形構(gòu)造識(shí)別與空間分布預(yù)測(cè)是構(gòu)造成巖作用研究的基礎(chǔ)，也是致密儲(chǔ)層研究的重點(diǎn)。變形構(gòu)造空間分布及其對(duì)流體流動(dòng)的影響直接決定了儲(chǔ)層成巖作用非均質(zhì)性、儲(chǔ)層致密化過程以及油氣田開發(fā)過程中的產(chǎn)能；未來應(yīng)加強(qiáng)變形構(gòu)造，尤其是變形條帶與裂縫的空間分布預(yù)測(cè)及其對(duì)流體流動(dòng)影響的研究。對(duì)變形構(gòu)造空間分布預(yù)測(cè)既要重視巖芯尺度的變形構(gòu)造及與其相關(guān)的成巖作用、流體包裹體及地球化學(xué)研究，也要重視野外露頭同類變形構(gòu)造的空間分布狀態(tài)及其成因的研究。宏微觀結(jié)合明確變形構(gòu)造與流體流動(dòng)之間的相互關(guān)系與作用有利于對(duì)地下裂縫型儲(chǔ)層的有效性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(5) 與軟沉積物變形構(gòu)造、砂巖脈及縫合線等變形構(gòu)造相關(guān)的構(gòu)造成巖作用研究應(yīng)受到重視。目前主要針對(duì)變形條帶與裂縫開展構(gòu)造成巖作用研究，事實(shí)上，與軟沉積物變形構(gòu)造、砂巖脈及縫合線等變形構(gòu)造有關(guān)的構(gòu)造成巖作用研究價(jià)值與實(shí)際意義不容忽視。如，與同沉積變形構(gòu)造有關(guān)的構(gòu)造成巖作用研究為恢復(fù)沉積物，尤其是震積巖及各類重力流沉積物的成因與沉積過程的動(dòng)力學(xué)提供了解釋基礎(chǔ)；縫合線構(gòu)造與砂巖脈同樣能提供構(gòu)造控制下的儲(chǔ)層成巖演化的相關(guān)信息。

(6) 構(gòu)造成巖作用研究在我國尚處于起步階段，發(fā)展空間很大。當(dāng)前，中國學(xué)者在我國諸多含油氣盆地開展了構(gòu)造成巖作用研究，主要就構(gòu)造作用對(duì)儲(chǔ)層的機(jī)械效應(yīng)開展了較為深入的研究；與化學(xué)變化有關(guān)的構(gòu)造成巖作用研究則處于現(xiàn)象表征的起步階段。變形構(gòu)造或與其相關(guān)的成巖產(chǎn)物所蘊(yùn)含的構(gòu)造及成巖信息尚有待挖掘，相關(guān)的科學(xué)問題也尚待解決。今后應(yīng)加強(qiáng)不同尺度的構(gòu)造成巖作用研究，力求實(shí)現(xiàn)從定性到定量，從現(xiàn)象描述到形成機(jī)理的飛躍，以揭示構(gòu)造—流體耦合機(jī)制為發(fā)端，深入研究流體—巖石相互作用效應(yīng)，推進(jìn)儲(chǔ)層成巖動(dòng)力學(xué)過程和沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究。

6 主要認(rèn)識(shí)

(1) 構(gòu)造成巖作用主要研究構(gòu)造作用、構(gòu)造和非構(gòu)造成因的變形構(gòu)造和變形效應(yīng)與沉積物(巖)成巖變化之間的相互作用，變形構(gòu)造的成巖作用及形成這些構(gòu)造過程中所發(fā)生的成巖作用都屬于構(gòu)造成巖作用的研究范疇。

(2) 構(gòu)造成巖作用為人們提供了在構(gòu)造—成巖格架下探討儲(chǔ)層演化的新思路，有助于挖掘沉積盆地低溫條件下成巖與構(gòu)造演化等諸多信息。構(gòu)造成巖作用研究往往能獲得常規(guī)構(gòu)造研究方法無法獲得的小尺度構(gòu)造信息，能為恢復(fù)儲(chǔ)層乃至盆地演化歷史提供寶貴信息。

(3) 構(gòu)造成巖作用是一個(gè)新生的研究領(lǐng)域，仍有很多問題有待深入研究。碳酸鹽巖及泥巖中的變形條帶、軟沉積物變形構(gòu)造、砂巖脈及縫合線等變形構(gòu)造以及變形構(gòu)造空間分布預(yù)測(cè)是未來研究的重點(diǎn)。

(4) 當(dāng)前我國構(gòu)造成巖作用研究取得了不菲的成績，但與國際同行仍存在一定差距。在未來研究工作中一方面要兼顧東部盆地，做到東西部盆地均衡發(fā)展；另一方面工作重心要適當(dāng)?shù)叵蚺c構(gòu)造作用有關(guān)的化學(xué)成巖作用研究傾斜。