碳酸盐岩断裂破碎带结构、分布与发育机制

断裂带通常包括狭窄的断层核与宽阔的破碎带,并对岩石物理及其水力学、流体与渗透性具有重要作用。根据断裂破碎带结构的差异,将碳酸盐岩断层核划分为颗粒支撑、基质支撑与胶结支撑等3种类型,将碳酸盐岩破碎带划分碎裂带与裂缝带。不同类型碳酸盐岩断层核与破碎带形成多种类型组合,并造成断裂破碎带多种复杂的渗流结构。通过井—震资料的结合,可以判识沉积盆地内部较宽的碳酸盐岩断裂破碎带,其宽度—位移关系可以指示断裂破碎带的不同生长方式与机制。复杂内部结构、多期构造成岩作用与non-Andersonian破裂机制可能导致碳酸盐岩断裂破碎带的异常生长,也是碳酸盐岩断裂破碎带机理研究的重要方向。     

断裂带油气幕式运移:来自物理模拟实验的启示

断裂结构对油气运移的影响是当前油气输导体系研究的前沿与薄弱环节。本文在调研断裂结构及其流体流动机制的基础上,利用物理模拟实验研究断裂带油气幕式运移过程,探讨断裂带油气运移机理及相关问题。实验结果表明,断裂内部结构控制着油气运移的路径和方式,含油饱和度在一定程度上影响油气运移的路径;破碎带是油气幕式运移的优势通道,且油气聚集成藏的潜在圈闭为位于油源断裂主动盘一侧的圈闭。单次幕式充注过程中运移量与时间之间的对数型关系表明,流体沿断裂幕式运移具有非线性流的特征,且流动速率可能介于一个相对固定的范围,其数量级约为10~2~10~3m/a;流体沿断裂幕式流动过程包含高速非线性流、过渡流动机制和线性达西流3种流体流动机制,其间的相互转换是一个多物理场相互作用的复杂过程。此外,断层体油气藏的形成条件为油气沿断裂运移时,运移动力与阻力在断裂带内达成平衡状态。     

碳酸盐岩内断裂带结构及其与油气成藏

以野外观察描述为手段,系统研究了碳酸盐岩断裂变形机制的影响因素及断裂带结构演化过程,剖析了碳酸盐岩地层中断裂带结构与流体运移的关系。研究表明,影响碳酸盐岩内断裂变形机制的因素包括岩性、孔隙度、变形深度、温度、胶结作用、先存裂缝等,控制断裂带结构形成的因素包括滑动位移和破裂模式等。低孔隙度碳酸盐岩以裂缝发育为主,高孔隙度碳酸盐岩变形早期产生变形带,带内裂缝联接逐渐发育成断层带。随着埋藏深度的增加,断裂带结构不同：埋藏深度小于3 km,断层核主要发育无内聚力的断层角砾岩和断层泥;埋藏深度大于3 km,断层核普遍发育有内聚力的断层角砾岩和碎裂岩,破碎带发育多种成因的裂缝。随着位移的增加,破裂模式从早期的破裂作用变为后期的碎裂作用,最终形成碎裂流。断裂带演化是一个四维过程,断层核和破碎带发育情况直接影响断层对油气的运移和封闭的作用。断裂变形机制、断裂带内部结构以及与流体运移关系的研究,都可为封闭性提供重要的理论依据。     

准噶尔盆地北三台凸起断裂结构特征及成岩封闭作用

断层具有复杂的内部结构,可划分为滑动破碎带和诱导裂缝带两个结构单元。断裂带内部成岩作用普遍发育,其中,胶结作用是断裂两侧诱导裂缝带中较常见的成岩作用,影响着断裂的垂向封闭性。利用地震、测井、岩心等资料定量化的对准噶尔盆地北三台凸起主要断裂进行结构划分,利用岩心、镜下薄片观察的方法研究断裂带成岩胶结作用。研究发现:断裂带成岩胶结作用显著,胶结物以方解石为主,还发现有粘土矿物、沸石、石英等胶结裂缝。大型主控断裂裂缝充填程度相比派生断裂高,胶结程度致密,对油气的封堵性能更强。通过镜下鉴定及流体包裹体均一温度测定发现:北三台凸起断裂带至少经历了3期大规模流体活动,多期的流体作用导致该区断裂的成岩封闭。      

碳酸盐岩断裂破碎带结构、分布与发育机制

断裂带通常包括狭窄的断层核与宽阔的破碎带,并对岩石物理及其水力学、流体与渗透性具有重要作用。根据断裂破碎带结构的差异,将碳酸盐岩断层核划分为颗粒支撑、基质支撑与胶结支撑等3种类型,将碳酸盐岩破碎带划分碎裂带与裂缝带。不同类型碳酸盐岩断层核与破碎带形成多种类型组合,并造成断裂破碎带多种复杂的渗流结构。通过井一震资料的结合,可以判识沉积盆地内部较宽的碳酸盐岩断裂破碎带,其宽度一位移关系可以指示断裂破碎带的不同生长方式与机制。复杂内部结构、多期构造成岩作用与non-Andersonian破裂机制可能导致碳酸盐岩断裂破碎带的异常生长,也是碳酸盐岩断裂破碎带机理研究的重要方向。     

渤海湾盆地车镇凹陷断裂带微观特征

正断裂带具有复杂的内部结构,多由断层核和破碎带组成(贾茹等,2017;付晓飞等,2013;陈伟等,2010)。断层核一般紧邻滑动面发育,主要由多种类型的断层岩(断层角砾岩和碎裂岩)构成,破碎带由次级断层、裂缝和节理或者变形带等组成。受控于微观构造特征,不同类型的断层岩孔隙度和渗透率差异明显,其空间分布和演化特征决定了断裂带的输导性和封堵性,不仅影响流体运移的路径,而且对储层的物性具有重要的影响。渤海湾     

碳酸盐岩断层破碎带构造成岩作用——以塔中Ⅰ号断裂带为例

多旋回叠合盆地断层具有异常复杂的构造变形与成岩演变,跨学科结合的构造成岩作用研究为断层破碎带演变机制与流体-岩石作用分析提供了新思路。结合塔中Ⅰ号断裂带构造解析和地化资料分析,探讨古老碳酸盐岩断层破碎带构造成岩作用的特殊性。结果表明,塔中Ⅰ号断裂带上奥陶统台缘带碳酸盐岩断层破碎带发育多类、多期构造成岩作用,明显不同于围岩。断层破碎带宽度高达2~4km,裂缝类型多样、纵横向变化大、开启程度较高。沿断裂带压实作用较弱且有差异,发现有碳酸盐岩压实变形带发育,并有后期裂缝与溶蚀作用形成的局部高渗透带。断层破碎带观测到多期压溶低角度缝合线与高角度构造缝合线,部分具有渗透性。多达4~5期不同类型胶结作用沿裂缝带发育,大气淡水胶结较多,胶结程度相对较弱。准同生期大气淡水溶蚀与局部风化壳岩溶主要沿断层破碎带发育,而且埋藏溶蚀作用较强,发育大型缝洞体与溶蚀孔洞。构造成岩作用揭示塔中Ⅰ号断裂带东段上奥陶统碳酸盐岩断层破碎带经历断裂萌芽期-形成期-定型期-复活扩张期-局部开启期等5期演变,不同演化期构造成岩作用有明显差异。构造成岩作用的多期差异活动是造成古老碳酸盐岩断层破碎带复杂性的重要因素。     

断裂带对油气运聚控制作用探讨：以塔里木台盆区阿克库勒凸起与塔中低隆为例

将断裂带分作高渗带和低渗带,利用逾渗数学模型模拟不同渗透性断裂带油气运移特征。不管将断裂考虑为低渗带还是高渗带,断裂都对油气运移有阻挡、汇聚作用。凡是在断裂投影范围内的运移路径都汇聚为一条运移路径,也就是说,断裂控制了其投影范围内的油气运移,增强了油气运移的效率。高渗带断裂和低渗带断裂存在一定的差异性,即：油气运移路径抵达高渗带时,直接进入断裂带内部,且沿着断裂带的上缘发生运移;而油气运移抵达低渗带时,运移路径并不进入断裂带内部,而是沿着断裂带下缘外部汇聚并向上运移。进一步的研究分析表明,在多个断裂带并存的条件下,塔中隆起油气主要聚集于塔中Ⅱ号带以北,且各块体分散聚集,油气分布规律复杂。而阿克库勒地区,只要断层是油气的通道,最终油气都要在高点或封堵好的圈闭聚集。但与鼻隆大角度相交的断层具有阻挡和截流聚集的特点。     

北方岩溶区断裂带水文地质性质及结构模型

断层带结构和内部流体流动特性是水文地质研究领域的难点问题。石油地质领域,在油气运移与成藏方向已形成较成熟的断层封闭性定量评价技术手段。相比较,断裂的水文地质性质研究尚停留在断裂的力学性质对断层导水、阻水特性的定性评价阶段,尚未详细开展断裂带结构、渗透性各向异性等方面的研究工作。文章梳理总结国外断裂带水文地质性质研究中关于结构组成、断裂带演化、渗透率影响因素等方面的研究成果,引入断裂带渗透率结构模型,并以中国北方岩溶区碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组为例,构建断裂带水文地质结构模型。断裂带研究尺度和精度不同、断裂带发育部位不同,导致其结构及水文地质性质亦不相同,如何建立起精确、典型的断裂带水文地质结构模型,需要各领域数据共享及多学科融合共同开展研究工作。      

断裂在纯净砂岩中的变形机制及断裂带内部结构

以纯净砂岩为对象,考虑了影响断裂变形的主要因素,包括成岩阶段、孔隙度、温度和围压,系统剖析了不同性质砂岩的断裂变形机制、微构造特征及形成断裂带的内部结构,对研究砂岩内断裂封闭性具有重要的指导意义。研究表明：纯净的砂岩在未固结-半固结成岩阶段发生断裂,变形机制为颗粒边界摩擦滑动,导致颗粒旋转和滚动,即为颗粒流,形成的微构造为解聚带,孔渗性同母岩比没有明显降低,断裂带尽管具有断层核和破碎带二分结构,但渗透率比母岩高,为流体垂向运移的通道;在固结成岩阶段（孔隙度大于15%）发生断裂,变形机制为碎裂作用,颗粒边界摩擦滑动导致颗粒旋转,即为碎裂流,形成的微构造为碎裂带,渗透率同母岩比一般降低1～3个数量级,形成侧向有一定封闭能力、垂向渗透的断裂带;固结阶段（孔隙度小于15%）发生断裂,开始由于破裂作用,形成断层角砾岩,伴随着碎裂流发生,形成碎裂岩,因此早期形成高渗透断裂带,后期断层逐渐封闭。固结成岩的砂岩在抬升过程发生断裂,变形机制为破裂作用,形成无内聚力的角砾岩,为高渗透断裂带。在不同成岩阶段发生变形,形成多类型变形构造的叠加,对于一条晚期形成的断层而言,由于不同深度变形机制及微构造类型不同,导致油气选择性充注,碎裂带和压溶胶结碎裂带阻止油气向高孔隙度砂岩中充注,解聚带会成为油气运移的通道,裂缝有利于油气优先充注。因此,高孔隙性砂岩中孔隙度较低的储集层由于碎裂带不发育常常含油气性最好,而低孔隙性砂岩由于裂缝产生含油气性较好。     

南白碱滩断裂带结构特征及流体作用

南白碱滩断裂带可分为滑动破碎带和诱导裂缝带两个结构单元。滑动破碎带具断裂角砾岩特征,厚度小,压实强,岩性致密,封闭性好;诱导裂缝带宽度大,裂缝发育,胶结充填作用强。断裂充填物主要为方解石,其次为方沸石,另外还发现硅质和沥青充填。充填物中流体包裹体发育,有盐水包裹体,也有有机包裹体,主要沿方解石解理面和微裂隙呈线状分布。盐水包裹体均一温度可分为3个区间,有机包裹体在荧光镜下也显示出棕色、亮黄色及蓝绿色3种颜色,表明南白碱滩断裂带至少经历了3期大规模的流体活动。成岩胶结作用对南白碱滩断裂带的封闭性起重要作用,受后期构造运动的影响,早期封闭性断裂会重新开启,流体将再次活动,形成新的胶结物,故该断裂的封闭是多期流体活动发生成岩胶结作用的结果。      

克拉苏冲断带白垩系储层成岩作用及其对储层质量的影响

利用大量岩石薄片、铸体薄片、测录井资料及岩芯观察等资料,对库车坳陷克拉苏冲断带白垩系巴什基奇克组储集层的岩石组分、成岩作用及孔隙类型特征等进行了系统研究。其岩石学特征为:成分成熟度低,分选中-好,磨圆次棱角状-次圆状,结构成熟度中等-偏低。储集空间为次生孔隙及原生孔隙。储层经历了压实、胶结、溶解、破裂等成岩作用,主要处于中成岩A2-B期。压实作用以机械压实为主,胶结作用主要为碳酸盐胶结;溶蚀作用导致碳酸盐胶结物、长石颗粒和少量岩屑溶解、破裂作用产生裂缝。在克拉苏断裂的上、下盘地层中,压实作用及胶结作用是孔隙减少的主要原因。断裂带上盘埋深较浅,抬升遭受表生溶蚀作用使得溶蚀孔隙非常发育;断裂带下盘埋深较深,压实和胶结作用使得储层致密化,后期构造挤压破裂作用形成的裂缝及溶蚀扩大缝有效地改善了深部储层物性。     

江陵凹陷新沟咀组下段成岩特征及高孔隙带的分布规律

江陵凹陷成岩作用明显受沉积水介质性质的控制,成岩特征呈现出淡水-半咸水介质富碳酸盐胶结与盐湖富硬石膏胶结特征,两种胶结物含量存在互为消长的关系.从分析盐湖成因角度合理解释了成岩规律,认为盐湖环境成因受控于深层卤水和古气候.淡水一半咸水环境和盐湖环境成岩作用模式的差异导致两种环境抗压实的机理存在着差异,相应的高孔隙带分布规律不同,淡水一半咸水环境的早期碳酸盐胶结物被溶蚀形成高孔隙发育带;盐湖环境的膏岩层发育区有利于形成深部异常高压的"封存箱",保存原生孔隙,从而发育高孔隙带.     

油气穿越未成岩断裂运移富集成藏模式与主控因素 ——以珠江口盆地恩平凹陷为例

恩平凹陷隆起带远离洼陷生烃中心,油气以侧向运移为主。基于浅层断裂埋藏浅、活动晚、封闭性弱的特征,提出穿断成藏模式成功地指导了隆起带勘探,发现一批商业性油田。对恩平凹陷南、北隆起带浅层主要油田成藏特征进行剖析,阐述了浅层油气穿越未成岩断裂运移富集成藏模式及其成因机制。断层岩弱成岩导致有限油柱封闭高度与油气强充注是其形成机制,弱成岩是关键。断裂-输导砂体-构造脊构成多次穿断运移的地层格架,油气充注强度与圈闭汇聚能力的平衡控制穿断运移路径上圈闭的富集程度,断-储排替压差控制穿断过程中油气垂向侧向分流。穿断运移成藏模式对浅层油气成藏具有一定借鉴意义。     

断裂带的结构特征及其对油气的输导和封堵性

断裂带是具有复杂结构的三维地质体,其内部可以划分为低渗透性的滑动破碎带、高渗透性的诱导裂缝带等具有不同物性特征的结构单元类型;受各种地质条件和因素的控制,不同性质及活动强度的断裂带、断裂的上下盘、同沉积断裂的不同深度,其断裂带内部结构特征存在差异,这导致了断裂具有对油气输导、封堵的双重性和时空差异:诱导裂缝带可成为油气运移的通道,而滑动破碎带则具有较强的横向分隔性;同沉积断裂下部对油气的横向封堵性要明显强于上部;断裂活动早中期对油气的输导性要强于晚期及断裂活动停滞期。精细刻画盆地内部断裂带内部结构特征对于分析断裂在油气运聚中所起的作用具有重要意义。     

韧性剪切带向剪破裂的转化与成岩成矿作用

岩石应力-应变实验表明,在中等载荷(等于或大于岩石蠕变极限)作用下,岩石蠕变最终可导致破裂;三轴差应力实验后的试件中,多见极小的韧性剪切带中存在剪破裂;研究发现,糜棱岩并不一定有利于后来断层的叠加,然而二者共存一处的现象却十分普遍;牵引褶皱和剪切断层的应变速率差别极大,只能先牵后断。由此可见,韧性剪切带在同一构造层次情况下,可在变形较强的部位产生剪破裂;此时温度较高和压力骤降,导致部分熔融和流体卸载,这一转化过程产生的温度、压力和流体浓度等梯度变化,促使流体(物质)运移与富集导致成岩成矿。这一认识对解释动力成岩成矿、断层双层结构模式等诸多问题有重要意义。      

四川汶川MS 8.0大地震地表破裂带的遥感影像解析

2008年5月12日发生于四川盆地西部龙门山断裂带的汶川MS 8.0级大地震造成巨大的人员伤亡和财产损失,并形成了空间上基本连续分布的地表破裂带（地震断层）。根据地表破裂带的解译标志及影像特征,我们充分利用震后中国科学院航空遥感飞机所获取的高分辨率航空遥感图像以及我国台湾福卫-2卫星遥感图像进行详细解译分析,并结合震后的多次野外科学考察与验证,初步查明了四川汶川MS 8.0级大地震所产生地表破裂带的空间分布特征。遥感解译分析表明汶川大地震产生的地表破裂带总计长约300 km,其几何学特征十分复杂,主要沿先存的NE走向活动断裂带呈不连续展布;变形特征以逆冲挤压为主兼具右旋走滑分量。按同震地表破裂带所在断裂带位置,可将其分为两条： 中央地表破裂带：沿映秀-北川断裂带分布,从西南开始呈北东向延伸至平武县水观乡石坎子北东一带,长约230 km,最大垂直位移量达6.0 m左右,最大右旋水平位移达5.8 m;山前地表破裂带：沿灌县-安县断裂带分布,由都江堰市向峨乡一带开始呈北东向延伸至安县雎水镇一带,长约70 km,以逆冲挤压为主,最大垂直位移量可达2.5 m。此外,遥感图像分析还表明上述地表破裂带与地质灾害分布在空间上具有十分密切的相关性,因此,挤压逆冲-走滑型地震断层的致灾效应研究是未来应该加以重视的研究课题。     

板块俯冲带水流体活动及其效应的定量化数值模拟

为探讨水流体活动对板块俯冲隧道过程及大陆碰撞造山的制约作用,采用热力学和动力学耦合的数值模拟方法,建立了系统的数值模型.结果显示俯冲隧道内的混杂岩存在两种不同的折返路径:（1）平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩;（2）近垂直穿过上覆地幔楔侵入地壳深度.这两种差异性的模式主要受控于俯冲带热结构.俯冲带的温度结构控制俯冲隧道内水流体和熔体活动,从而影响上覆地幔楔的弱化程度,最终导致俯冲带内物质的不同运移过程和折返路径.同时,大陆俯冲碰撞带的岩石圈变形和拆沉作用均与俯冲带的流体-熔体活动所导致的岩石圈弱化息息相关.数值模拟结果极大促进了对于板块俯冲带流体-熔体活动及其动力学过程的理解.      

张性断裂带内部结构特征及油气运移和保存研究

断裂带是一个宽度、长度和高度均与断距呈正比关系的三维地质体,具有典型的二分结构：即断层核和破碎带。断层核由多种类型的断层岩和后期胶结物组成,具有分选差,粘土含量高,颗粒粒径小等特征,表现为具有比围岩更低的孔渗性。破碎带同围岩相比发育大量的裂缝,裂缝的密度随着离断层核距离的增大而逐渐减小,孔渗性较高。断层岩类型取决于断移地层的岩性、成岩程度和断裂变形时期。对于同生断层而言,泥岩和不纯净的砂岩主要发生泥岩涂抹作用;纯净砂岩发生解聚作用,形成颗粒重排的变形带。中成岩阶段发生断裂变形,泥岩发生泥岩涂抹作用,不纯净的砂岩发生碎裂作用和层状硅酸盐涂抹作用,形成碎裂岩和层状硅酸盐 框架断层岩;纯净砂岩主要发生碎裂作用,形成碎裂岩。晚成岩阶段发生断裂变形,碎裂作用成为主要的变形机制,泥岩破碎形成大量断层泥,不纯净的砂岩和纯净的砂岩均形成碎裂岩,其中纯净砂岩形成的碎裂岩由于石英的压溶胶结变得更致密。因此不同成岩阶段、不同岩性形成的断层岩类型不同,泥岩涂抹的排替压力高于层状硅酸盐 框架断层岩和碎裂岩,即使都是碎裂岩,其渗透率相差7个数量级。从断裂带结构看油气运移和保存,断层垂向封闭主要靠剪切型泥岩涂抹的连续性,侧向封闭能力取决于断层岩物性,物性很高的碎裂岩自身封闭能力很差,依靠两盘岩性对接封闭油气,最小断距决定油水界面位置。物性很低的断层岩一般能封住一定高度的油气柱,其是断裂带中泥质含量的函数。断层在储盖层段变形机制差异,决定了断裂输导与封闭油气的耦合,即破碎带双向输导充注,盖层段剪切型泥岩涂抹顶部封闭,断层核遮挡成藏。     

异常压力环境下流体活动及其油气运移主通道分析

沉积盆地的油气生成、运移和成藏过程与盆地流体作用密切相关, 而异常压力环境下流体活动有其特殊性, 因而与之相关的油气运移和成藏也有其特殊性.对于异常压力体系(包括高压和低压)而言, 存在2类流体系统, 即半开放型和封闭型流体系统.前者由于封闭层的间歇开启导致流体幕式释放, 后者以封闭层内热对流作用为主.按照封闭层开启的成因机制可划分为3类, 即水力破裂或流体压裂型、断裂型、断-压双控型.封闭层的间歇开启构成异常压力环境下油气运移的主通道.这些流体活动和油气运移在海底以及盆地的浅层和深层显示不同地球物理特征, 如气苗、麻坑、气烟囱和流体底辟带等.同样, 还可以利用岩石中残留的一些标记或异常现象示踪盆地流体活动, 如流体包裹体、地层水化学、有机地球化学异常、成岩作用异常、流体场动态模拟等.这些特征和标志为流体和油气运移主通道的识别, 同时也为异常压力环境下油气勘探提供重要的依据.