遠安地塹碎裂帶的微觀特征及其形變機制

連承波，柴震瀚，渠 芳，任冠雄

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500）

1978 年，AYDIN 等最早使用“變形帶”（deforma?tion band）一詞來描述孔隙性砂巖中的形變現(xiàn)象［1-3］。隨后，多位國外學者使用變形帶來描述高孔隙性巖層中的微小斷裂［4］、具有剪切性質的變形帶［5］、巖石的破碎滑動面［6］等。FISHER 等認為可將15%作為高孔隙性和低孔隙性巖石的界限［7］。目前，孔隙性砂巖中的變形帶是指發(fā)育于孔隙性巖層或未完全固結成巖的高孔隙砂質沉積物中的局部應變構造，常以具板狀結構的薄層帶或者小斷層形式出現(xiàn)。變形帶內部內聚力增強，與一般的斷裂相比，常缺少獨立、連續(xù)的滑脫面［8-9］。而在孔隙度小于15%的低孔隙性巖層中，巖石受力變形多形成不連續(xù)性的節(jié)理、裂縫。在擠壓、拉張以及剪切性質的構造背景中均有變形帶發(fā)育，且變形帶具有多種分類形式，其類型主要取決于變形帶的形成環(huán)境、巖石埋藏深度以及巖石中的泥質含量［8］。根據(jù)其形成時的力學性質，變形帶可分為膨脹帶、剪切帶、壓縮帶和混合變形帶［10-11］。根據(jù)其成巖階段，在泥質含量小于15%的純凈孔隙性砂巖中，在未固結-半固結階段常受顆粒流作用形成解聚帶，在固結階段常受碎裂作用或碎裂流作用形成碎裂帶，而在超固結階段則會受石英顆粒溶解及膠結作用影響出現(xiàn)壓溶膠結型變形帶［12-16］；根據(jù)巖層的泥質含量，純凈砂巖中常發(fā)育碎裂帶，而層狀硅酸鹽含量大于15%的巖層中常表現(xiàn)為層狀硅酸鹽的混合及涂抹作用，發(fā)育層狀硅酸鹽變形帶［8］；野外環(huán)境中常見因碎屑顆粒旋轉破碎形成的壓實型剪切碎裂帶和剪切增強型壓實帶，并且常以簇狀變形帶出現(xiàn)［17］。而純剪切變形帶和純擠壓性變形帶野外少見，多在實驗室條件或理論上存在［18-27］。

變形帶可以作為單獨的局部構造發(fā)育于孔隙性儲層中，也常見規(guī)模不等的變形帶聚集在一起出現(xiàn)在斷裂破碎帶中［28］。在大多數(shù)變形帶形成及發(fā)展的過程中，儲層孔隙度及滲透率均明顯降低［18，29-34］。因此，儲層中如果存在密集發(fā)育的變形帶，則可能會使儲層的物性改變，增加其非均質性，并對油氣運聚產生影響［28，32，35］。筆者以遠安地塹上白堊統(tǒng)紅花套組密集發(fā)育的變形帶為例，在野外宏觀研究及取樣分析的基礎上，通過大尺寸鑄體薄片，結合三維X射線顯微鏡成像技術，對樣品進行高分辨率、高襯度的掃描和三維重構，精細研究變形帶的類型、碎裂帶的微觀特征及其發(fā)育非均質性，并據(jù)此對其形變機制進行探討，以期對之后更加深入地研究變形帶對流體運移的影響、更好地指導流體運移與模擬、掌握油氣成藏規(guī)律等方面起到拋磚引玉的作用。

1 區(qū)域地質背景

遠安地塹為江漢盆地西北緣的一個次級地塹構造，位于湖北省西部，西以通城河斷裂為界與黃陵背斜相鄰，東以遠安斷裂為界，南接廣闊的江漢盆地。其形成和發(fā)育受通城河斷裂及遠安斷裂的控制，總體呈NNW—SEE 向展布，長度約為36 km，寬度約為5～10 km，向北西逐漸尖滅［36］（圖1）。遠安地塹以震旦系—中三疊統(tǒng)的淺海相碳酸鹽臺地為基底，斷陷發(fā)育于中、新生代，目前普遍認為晚白堊世至早始新世為裂谷拉張階段，中始新世至第四紀轉后裂谷階段［37-38］。

圖1 遠安盆地地質簡圖（據(jù)文獻［36］修改）Fig.1 Simplified geological map of Yuan’an Basin（Modified according to Reference［36］）

遠安地塹沉積地層厚度超過2 000 m，自東、西邊界處向盆地中心緩傾，在地塹中心處地層近水平展布，地層傾角僅為5°～10°左右。上白堊統(tǒng)自下而上分為羅鏡灘組（K2l）、紅花套組（K2h）和跑馬崗組（K2p），其中紅花套組出露最為廣泛（圖1），厚度約為400～800 m。由于在晚白堊世研究區(qū)為干旱氣候，因此有學者認為紅花套組具有沙漠相沉積特征，局部有間歇性河流影響［39-40］。在地塹中、南部地區(qū)主要為棕紅色厚層塊狀中砂巖-細砂巖，而遠安縣城以西靠近地塹邊緣以及葉家橋-干溪鎮(zhèn)南部附近地區(qū)則主要為厚層中-細砂巖夾中層-薄層泥、頁巖，局部可見底礫巖。

根據(jù)圖1 所示的17 個觀察點觀測到的變形帶主要發(fā)育在地塹中、南部舊縣-干溪一帶紅花套組高孔隙性塊狀砂巖中，分布極為密集，在平面及剖面上具有多種組合形式，以平行、網(wǎng)狀、硬連接、截斷、交叉最常見［41］，在地塹西部緊鄰通城河斷裂帶以及靠近地塹中部軸線附近常發(fā)育共軛變形帶。

2 變形帶的微觀特征及形變機制

野外觀測及樣本分析表明，研究區(qū)變形帶發(fā)育區(qū)的紅花套組巖層主要為較純凈的巖屑質石英砂巖，泥質含量約為3%，石英顆粒含量大于80%，少量長石、巖屑，分選和磨圓均較好。母巖成分成熟度及結構成熟度較高，主要為中砂-細砂，顆粒尺寸約為0.2～0.5 mm，石英顆粒邊緣見高價鐵質浸染膜（圖2）。母巖孔隙發(fā)育，本次取樣測試孔隙度為12%～24.2%，在取樣過程中巖石容易發(fā)生破碎，并且其結構也較為松散，這些均反映出紅花套組砂巖淺埋藏-中埋藏深度的特點。目前在研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)石英壓溶膠結型變形帶和層狀硅酸鹽變形帶，解聚帶發(fā)育極少，碎裂帶發(fā)育最為廣泛，且規(guī)模不一，微觀特征典型，對其形變機制具有很好的指示作用。

圖2 遠安地塹紅花套組碎裂帶微觀顆粒破碎形式Fig.2 Modes of grain breakage in cataclastic bands in K2h Formation in Yuan’an Graben

2.1 碎裂帶的顆粒碎裂特點

宏觀上看，遠安地塹紅花套組碎裂帶肋狀突出的特征非常明顯，顏色總體比母巖稍淺，延伸長度達幾十米到上百米，呈巨大的網(wǎng)狀、交叉、平行、共軛、截斷等形式密集產出，局部可見大約3～5 cm 的斷距，顯示出部分碎裂帶具有明顯剪切特征。

結合鏡下微觀特征來看，碎裂帶內顆粒的破碎主要發(fā)生在單個顆?；蛳噜彽膸讉€顆粒間，同母巖相比，顆粒總體發(fā)生明顯破碎。顆粒破碎的程度與級別有差異，由弱到強主要有：①顆粒內形成單條粒內縫，為單點接觸所形成（圖2a）；②顆粒內產生1條或2條微裂縫，為雙點接觸所形成，普遍產生在顆粒承受軸向載荷條件下（圖2b），?？梢姷筋w粒內部的“X”剪裂縫（圖2c）；③顆粒內產生多條微裂縫，一般具有多個接觸點，沿著破裂面呈現(xiàn)放射狀或網(wǎng)狀，顆粒破碎為多部分，具明顯棱角狀（圖2d，2e）；④顆粒發(fā)生完全碎裂，形成多個尺寸很小的碎基，顆粒尺寸小于母巖顆粒尺寸的1/10，分選變差（圖2f）。

碎裂帶最常見的顆粒破碎方式為多點接觸的破裂（圖3a）和完全碎裂（圖3b）。變形帶內孔隙坍塌，孔隙度和滲透率均不同程度的降低。根據(jù)本次野外觀測，研究區(qū)碎裂帶按其力學性質可以分為剪切增強型壓實帶和壓實型剪切帶2種。碎裂帶受到的剪切力越大，顆粒碎裂程度越嚴重，對流體滲流的影響越大。

圖3 遠安地塹紅花套組碎裂帶內顆粒發(fā)生不同程度的碎裂Fig.3 Broken grains within cataclatic band in K2h Formation in Yuan’an Graben

2.2 碎裂帶的微觀特征及對形變機制的指示

碎裂帶雖然都表現(xiàn)出碎裂變形的特點，但是由于其形變機制不同，不同期次的碎裂帶表現(xiàn)出復雜而典型的非均質性。通過研究大尺寸鑄體薄片，結合三維X 射線顯微鏡成像技術，對樣品進行高分辨率、高襯度的掃描和三維重構，精細研究了碎裂帶的微觀特征及其發(fā)育非均質性。其微觀特征主要表現(xiàn)為單條碎裂帶順其延伸方向形變不均一、單條碎裂帶內部垂直于其延伸方向形變相對均一、碎裂流作用導致碎裂帶強化、簇狀碎裂帶內部結構不均一等，而這些特征均對其形變機制有重要指示作用。

單條碎裂帶順其延伸方向形變不均一 單條碎裂帶順其延伸方向普遍存在不均一形變現(xiàn)象（圖4），并且這種現(xiàn)象在顆粒僅發(fā)生多點接觸破裂時更為常見。圖4a 中所示為一條寬度約為2 mm 的單條碎裂帶，顆粒碎裂強度中等，反映出處于淺埋藏階段的高孔隙性疏松砂巖經(jīng)歷了較強應變硬化時，顆粒發(fā)生單點、雙點及多點接觸破裂，形成直徑約為原來母巖顆粒的1/4 或更小的棱角狀碎粒。在碎裂帶中雖然孔隙總體均發(fā)生一定程度的坍塌，但一個明顯特征是：沿碎裂帶延伸方向，孔隙的減小呈現(xiàn)非均一性，表現(xiàn)為相對高孔隙-相對低孔隙-相對高孔隙相間分布的特點。在一條經(jīng)歷更強壓剪作用而形成的碎裂帶（圖4b）中，顆?；景l(fā)生完全破碎，形成直徑小于母巖顆粒直徑1/10 的“基質”。碎裂帶中孔隙坍塌十分嚴重，沿其走向延伸方向同樣呈現(xiàn)出孔隙減小的明顯差別，在相對高孔隙處顆粒破碎程度稍弱。

圖4 遠安地塹紅花套組單條碎裂帶內順延伸方向的不均一形變Fig.4 Inhomogeneous deformation along the strike within a single cataclastic band in K2h Formation in Yuan’an Graben

究其原因，這種沿碎裂帶走向方向出現(xiàn)的顆粒破碎、孔隙坍塌不均一化的現(xiàn)象與碎裂帶本身的形成機制有密切關系。碎裂帶與裂縫根本的區(qū)別就是碎裂帶的顆粒破碎是起因于一個或幾個鄰近顆粒之間的摩擦滾動與應變累積，而裂縫面是貫穿眾多顆粒所形成的明顯不連續(xù)構造。在固結成巖階段，埋藏深度為1～3 km、中等圍壓條件的高孔隙性巖石，當巖石顆粒之間積累的局部應變超過巖石的破裂強度時，便會發(fā)生顆粒最初的破裂，同時伴隨孔隙的局部坍塌，在此處便會形成一個碎裂核，此時巖石的形變機制主要為碎裂作用。巖石在區(qū)域構造應力作用下，會沿著基本相同的方向，在孔隙度相對較高之處優(yōu)先形成一系列碎裂核，這些距離不等的碎裂核相互影響，逐漸發(fā)展，隨碎裂核之間的應變硬化作用［10］而最終連接在一起，單條碎裂帶便形成了。由于碎裂核最先形成，所以其顆粒碎裂相對最強烈。在核與核之間的應變硬化區(qū)，巖石顆粒破碎程度弱于碎裂核。故順著單條碎裂帶延伸方向，常出現(xiàn)巖石顆粒碎裂及孔隙坍塌強弱不均的特點。需要指出的是，如果在應力作用下碎裂帶內顆粒碎裂程度進一步增強，則這種非均一特點會明顯減弱。

單條碎裂帶內部垂直于其延伸方向形變相對均一 研究區(qū)單條碎裂帶厚度較小，一般為0.5～8 mm，形成機制不同的碎裂帶厚度變化范圍較大。從力學性質上講，研究區(qū)最常見的碎裂帶類型為壓實型剪切帶及剪切增強型壓實帶。這說明不同期次形成的碎裂帶，其形變除了受控于碎裂作用，還受大小不同的剪切力分量影響。單條壓實型剪切帶剪切分量更大，寬度較?。ǘ嘈∮? mm），往往顆粒破碎更為嚴重，帶緣及混入帶內的少量大顆粒長軸方向近于與碎裂帶延伸方向平行，反映出在其形成過程中經(jīng)歷了較強剪切作用。帶內顆粒尺寸破碎到50μm以下，形成多個尺寸很小的碎基，孔隙及滲透率減小嚴重，且破碎帶邊緣非常清晰（圖5a）。而剪切增強型壓實帶寬度相對較大，可達2～8 mm，帶內顆粒破碎較為明顯，破碎亞顆粒尺寸相近，相對均一化，但尺寸比前者稍大，約為100～200μm，碎裂帶邊緣與圍巖的界限同樣較為清晰（圖5b）。因此，在垂直于碎裂帶的延伸方向上，單條碎裂帶的顆粒變形呈現(xiàn)出相對均一化特點。與順其延伸方向明顯的非均質化變形相比而言，碎裂帶最初形成時會沿同一方向形成一系列密集分布的碎裂核，而在同一碎裂核附近，巖石顆粒碎裂程度相似，總體形變相對均一化。

圖5 遠安地塹紅花套組單條碎裂帶內部垂直于其延伸方向的相對均一形變Fig.5 Relative homogeneous deformation perpendicular to strike within a single cataclastic band in K2h Formation in Yuan’an Graben

碎裂流作用導致碎裂帶強化 隨著埋藏深度增加，巖石圍壓增高，如果遇到構造作用力再次快速作用于巖石或碎裂帶，由于應變速率較高，巖石顆粒之間的摩擦、滑動會愈加強烈，顆粒的碎裂會增強，或劇烈破碎、定向排列，從而形成碎裂流。碎裂流作用可能會在巖石中形成新的致密碎裂帶，也可能使先存碎裂帶發(fā)生強化，即顆粒碎裂程度進一步增強，孔隙度和滲透率進一步降低；同時巖石也可能會伴隨形成破裂面。

如圖6a，據(jù)其交切關系可識別出2期碎裂帶，第1 期碎裂帶寬度較大，約為1.5 mm，為擠壓應力環(huán)境下形成的剪切增強型壓實帶，顆粒主要發(fā)生碎裂作用，破碎程度為多點接觸的中等破碎；第2期碎裂帶將第1 期碎裂帶左旋截斷錯開，斷距約為1 mm，表明具有較強的剪切作用力，為壓實型剪切帶。其寬度約為0.5 mm，明顯小于第1期碎裂帶，帶緣非常清晰，帶內顆粒破碎劇烈，普遍已發(fā)生泥質化，殘留少量細小碎基，并且呈定向排列的特點，顯示出明顯的碎裂流作用。

圖6 遠安地塹紅花套組碎裂作用與碎裂流作用Fig.6 Cataclasis and cataclastic flow in K2h Formation in Yuan’an Graben

圖6b 存在一條寬度約為2 mm 的碎裂帶，在巖層繼續(xù)成巖演化過程中，隨埋深加大、周圍溫壓條件的增強，先期碎裂顆粒由多點接觸碎裂方式向完全碎裂型轉化，局部開始顯現(xiàn)碎裂流的特點，其內部形變非均質性增強，孔隙度和滲透率亦呈現(xiàn)出較大變化。

簇狀碎裂帶內部結構不均一 簇狀碎裂帶是由多條碎裂帶之間的應變硬化作用發(fā)展而來。隨著單條碎裂帶數(shù)目不斷增多，密度不斷增大，相鄰碎裂帶之間相互作用形成應力增強區(qū)，在這些帶間區(qū)域的巖石顆粒也會產生破裂，最終單條碎裂帶會以一定的形式相連，可以是相鄰的密集碎裂帶相連，也可是不同碎裂帶首尾相連（具體視其應力方式而定），從而發(fā)展成簇狀碎裂帶。此階段的形變機制主要是碎裂流作用及應變硬化作用。簇狀碎裂帶延伸長達幾十至上百米，寬度一般遠大于單條碎裂帶，可呈數(shù)毫米至幾十厘米產出，沿其走向寬度變化較大（圖7）。

所謂單條碎裂帶與簇狀碎裂帶僅用肉眼分辨是會產生巨大偏差的，肉眼所觀察到的變形帶，即使寬度很窄且規(guī)則，也未必就是單條碎裂帶，必須結合微觀特征來準確的識別分辨。如圖7b，在巖樣中觀測碎裂帶寬度約為1～2 mm，邊緣清晰，形態(tài)規(guī)則無分叉，肉眼觀測類似單條碎裂帶特征，但在鏡下觀察可見其實為2條碎裂帶，彼此之間有交叉，顆粒破碎程度中等，帶間區(qū)域的巖石顆粒受應變硬化作用影響亦發(fā)生較弱程度的破碎，破碎顆粒的尺寸明顯大于單條碎裂帶內顆粒，實為碎裂作用所形成的簇狀碎裂帶。

圖7c 為一典型完全碎裂型簇狀碎裂帶，變形帶最寬處約為1 cm，變形程度強于圖7b，鏡下視野內所見顆粒皆發(fā)生碎裂變形，3 條碎裂帶內顆粒發(fā)生完全碎裂，形成泥質化碎基，包裹的殘存顆粒呈明顯定向排列，體現(xiàn)出碎裂流的典型特點。碎裂帶之間過渡區(qū)顆粒破碎尺寸約為母巖的1/4，孔隙同樣有較大減小，整體簇狀變形條帶物性明顯降低，很可能對流體滲流產生影響。通過AUTOSCAN 對高孔隙性砂巖中變形帶巖石樣品滲透率進行密集測試，結果表明，完全碎裂型簇狀碎裂帶滲透率降低最為明顯，最大可達到4 個數(shù)量級。但到底降低到多少才能真正影響到流體滲流，以及其寬度會對流體滲流到底存在何種影響，目前還認識不清，需要進一步研究。

圖7 遠安地塹紅花套組簇狀碎裂帶的鏡下識別照片F(xiàn)ig.7 Micro-characteristics of cataclastic band clusters in K2h Formation in Yuan’an Graben

2.3 變形帶的時間演化序列

孔隙性砂巖中變形帶內顆粒破碎的過程是變形帶微觀結構揭示的關鍵問題?；诳紫缎陨皫r中變形帶微觀產出狀態(tài)特征，可以揭示變形帶的時間演化序列。變形帶的演化過程具有連續(xù)性。首先，在淺埋藏階段（埋藏深度小于1 km），由于顆粒流作用會在巖層中形成強度較低的解聚帶，隨后，隨埋深加大，巖層受力增加，在巖層中沿某一方向形成多個碎裂核，然后這些核會繼續(xù)發(fā)展相互連接形成單條碎裂帶，隨著碎裂作用向碎裂流作用的轉變，帶內顆粒由多點接觸的中等碎裂程度向完全碎裂轉化，碎裂帶強度增大。而帶間應變硬化作用進一步增強，多個離散的單條碎裂帶發(fā)展形成簇狀碎裂帶。而單條碎裂帶的顆粒破碎程度決定了簇狀碎裂帶的類型。野外常見中等碎裂型簇狀碎裂帶以及完全碎裂型簇狀碎裂帶。當帶內顆粒破碎到一定程度時，在應力的持續(xù)作用下可能會發(fā)生應變軟化作用，在壓剪性簇狀碎裂帶內部沿某條碎裂帶形成滑動面。因此，不同成巖階段形成的變形帶雖然類型不同，但是在砂巖中可以同時存在，如半固結成巖階段形成的解聚帶與固結成巖階段形成的碎裂帶的組合，或是中等碎裂程度的碎裂帶與碎裂流階段形成的完全碎裂型碎裂帶組合。

3 結論

遠安地塹紅花套組巖屑質石英砂巖中密集發(fā)育變形帶，而碎裂帶為研究區(qū)發(fā)育最為廣泛的成因類型。碎裂帶最常見的顆粒破碎方式為多點接觸的破裂以及完全碎裂。變形帶內孔隙坍塌，孔隙度和滲透率均不同程度降低。研究區(qū)碎裂帶按其力學性質可以分為剪切增強型壓實帶和壓實型剪切帶2 種。碎裂帶受到的剪切力越大，帶內顆粒碎裂程度越嚴重，對流體滲流的影響越大。

研究區(qū)碎裂帶微觀呈現(xiàn)出單條碎裂帶順其延伸方向的形變不均一、狹窄的單條碎裂帶內部垂直于延伸方向的形變相對均一、強烈的碎裂流作用導致的碎裂帶強化、簇狀碎裂帶內部結構不均一等特點，反映了碎裂變形帶的形成過程，也指示其形變機制由碎裂作用向碎裂流作用的轉變。

變形帶時間演化序列一般按照碎裂核形成-中等碎裂程度型碎裂帶-完全碎裂型碎裂帶-簇狀碎裂帶等順序，最終可能會沿某條碎裂帶形成滑動面。野外常見中等碎裂型簇狀碎裂帶以及完全碎裂型簇狀碎裂帶，完全碎裂型簇狀碎裂帶內孔隙度和滲透率與母巖相比減小嚴重，實測可降低4 個數(shù)量級，很可能會對流體滲流產生較大影響。