断层带与裂缝关系研究进展

断层带与裂缝关系研究进展
陈霞飞;桑晓彤
【摘要】通过对近年来众多学者对断层带与裂缝形成机制、特征、油气运移等方面大量的文献调研得出:断层带两盘裂缝发育程度存在差异,不同力学性质的断裂带两盘裂缝发育相差较大,不同岩性的断层带裂缝发育程度不同,断层带产状对裂缝发育程度也有影响.近年来的研究成果主要在定性的基础上对断层带和裂缝关系进行研究,但对两者的关联性的定量研究相对比较薄弱,随着数值模拟和物理模拟的不断完善,多种手段综合运用将会是断层带与裂缝今后研究的一个趋势.%Fault zone and fracture correlation played a very important role in oil and gas migration and accumulation.The paper drew a conclusion in recent years through many scholars for fault zone and the crack formation mechanism,characteristics,oil and gas migration aspects,such as a large number of literature study.We found between the side crack development degree existed differences,the mechanical properties of different fault zone two side crack growth was a large distinct.Different lithologic fault zone of the crack development degree were different.Fault occurrence of fracture development degree would also be affected.In recent years,the research mainly based on qualitative research of the relationship between fault and fracture.But for both of the relevance of quantitative research was relatively weak.With the constant improvement of numerical simulation and physical simulation,we found integrated use would be one of the fault zone and cracks of the future research trend.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2017(035)006
【总页数】8页(P951-958)
【关键词】断层带;不同力学性质;断层两盘裂缝;裂缝发育程度
【作者】陈霞飞;桑晓彤
【作者单位】中国石油大学华东地球科学与技术学院,山东青岛266580;中国石油大学华东地球科学与技术学院,山东青岛266580
【正文语种】中文
【中图分类】P618.130.2+5
断层是地质体沿着破裂面发生了明显位移［1］，而与断层有着密切关系的裂缝是岩石受力发生破裂，且两侧的岩石沿破裂面未发生明显位移［2］，断层和裂缝最主要的区别在于位移规模的大小.断层带是断层两侧一定宽度、长度、高度的三维地质体，具有复杂的内部结构［3-5］.对于断裂带内部结构，不同学者具有不同分类方案，Caine在研究断层对流体疏导、阻碍等水文地质条件时，把断层带划分为断层核、破碎带和围岩，其中断层核包括滑动面、断层角砾岩、碎裂岩和断层泥等断层岩充填的部分，其渗透率较小；破碎带是断层核外侧断层从属构造，如裂缝、断层褶皱发育带等，其孔渗率较高；围岩为破碎带外侧的正常岩层，其孔渗性介于两者之间［3］.也有学者根据渗透性高低划分为滑动破碎带和诱导裂缝带［4］.付晓飞把断层核定义为由不同类型的断层岩和后期胶结物组成，具有分选差、黏土含量高、颗粒粒径小、岩石比较致密等特征，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，孔渗较
高［5］.虽然不同学者对断层带内部结构分类方案存在差异，但其划分的本质是根据断层内部结构带对油气输导能力，即断层带内部结构渗透性高低，也反映出断层带裂缝发育程度.断层带与裂缝形成机制、特征及油气运移是断层带与裂缝研究的
侧重点，断层带性质与裂缝性质及发育方位密切相关［6］；张性正断层控制的裂缝主要是与主断裂平行的张裂缝和剪裂缝，而走滑断裂控制的裂缝是与其斜交的多组剪裂缝、一组张裂缝和一组与其平行剪裂缝［7-9］，而逆断层控制裂缝主要是垂直于逆断层走向的最大主应力方向形成的张裂缝、一组产状与断层面相同的和另一组与断层面在剖面上呈一定角度相交的剪裂缝［10］.断层带两盘可根据裂缝发
育程度分为主动盘和被动盘［11，4］.通常正断层的产状比较陡，大多数在45°以上，以60°左右较为常见，正断层上盘在自身重力作用和最大主应力共同作用下易沿着高角度断层面向下滑动，相对运动强烈，裂缝较为发育，有利于油气运移、储集.逆断层上盘在最大主应力的作用下沿低角度断层面向上运动，上升盘相对运动
较为强烈，更容易形成裂缝.也有学者对碳酸盐岩地区走滑断层周围的裂缝与距断
裂距离的定量关系进行统计分析，得出两者之间呈指数关系，即随着断裂距离的增大，裂缝发育程度减弱［12］，但对于走滑断层两盘裂缝差异性，在现有的研究
成果中未取得很大进展.本文就从断层带与裂缝的形成机制、断层带与裂缝的关系、断层带周围裂缝的特征等对近年来国内外学者的研究成果进行归纳，以方便学者更加快速了解近年来研究成果，并提出了一些自己关于断层带与裂缝研究的见解，为学者对断层带与裂缝进一步研究奠定良好的基础.
沉积物在沉积过程中受物源距离、矿物成分、环境等因素的影响，形成地层碎屑矿物的分选性和磨圆度存在差异性.矿物颗粒内部或矿物颗粒及集合体之间存在微小
的弱面以及孔隙，这也在本质上影响了岩石的强度，制约了断裂发生的难易程度，影响了断裂带裂缝发育的密度.有学者通过实验来探索裂缝形成过程，把岩石变形
至破裂过程分为4个阶段（见图1）：第一个阶段为裂缝紧闭，岩石中原有的孔隙
和裂缝由于受压而逐渐紧闭；第二个阶段为线弹性阶段，裂缝完全闭合，由于裂缝面上摩擦力阻碍了相对滑动，纵向应变、横向应变以及体积应变都与应力呈线性关系，在方位最不利的裂缝两端出现拉应力集中，当拉应力超过岩石的抗拉强度时，会在裂缝端部形成张裂缝扩展，先存裂缝会因受到剪应力值超过摩擦力值而开始滑动；第三个阶段为裂缝稳定扩展阶段，应力与应变不再呈线性关系，新扩展的裂缝面随应力值逐渐与最大主应力平行，随着裂缝扩展和转向，其端部的应力集中趋于缓慢，要延伸需要更大的应力，随着应力值的增大，其他方向裂缝也发生延伸和滑动，到新产生的裂缝不足以吸收因裂缝延伸而释放的应变能时，裂缝延伸会重新加速；第四个阶段为裂缝不稳定扩展阶段，裂缝快速发展、交叉且联合成宏观的断裂面，最后块体间进行滑移［13］.
Byerlee研究表明，断层滑动发生在内摩擦系数一定范围内的岩层中，在地壳浅部，内摩擦系数f大致可取0.85，在地壳深部时，f大致可取0.6［14］，因此有学者认为可以通过Byerlee定律来评价断裂发生的难易度，进而评价裂缝发育程度.就
断层而言，断层面一旦开始滑动，破碎的岩石会充填断层拉开的空间形成破碎带.
由于碎裂作用、黏性流动、研磨作用及胶结作用，导致破碎带内的岩石发生变质，形成断层岩，围岩由于应力集中产生大量的裂缝［15］，对于断裂带来说，断裂
带的形成受到多种因素的互相影响，研究时不能局限在某单一因素，应在多种因素共同考虑的基础上，去综合研究断裂带裂缝存在规律性.
断裂发育程度与岩石的力学性质密切相关，Anderson分析了应力状态，认为形成主应力轴趋于垂直平面，断裂面为一个剪裂面，最大主应力（σ1）指向断裂面的
锐角平分线方向，而最小主应力（σ3）指向钝角平分线方向.遵循此种模式对应形
成正断层的应力状态为最大主应力直立（σ1）、中间主应力（σ2）和最小主应力
水平（σ3）［16］，引起正断层有利条件是：最大主应力（σ1）在铅直方向逐渐增大或者最小主应力在水平方向逐渐缩小（图2a）［17］.逆断层的应力状态和莫
尔圆表明，有利于逆断层的形成条件为σ1在水平方向逐渐增大或者是最小主应力σ3在垂直方向逐渐减少见图2b［17］.但也有学者在野外地质勘查也发现了在某
些情况下共轭剪切角为钝角，即最大主应力为钝角的角平分线［18-19］.吕洪波
详细地论述了造成这种现象的原因：①前人的破裂实验都是在干样品在地表围压下进行的，而原始的沉积过程岩石与干样品的物性差异性很大；②最初沉积过程最大主应力在锐角角平分线上，但随着水平挤压继续进行，主压应力方向地壳发生了水平缩短，而相应地在与之垂直的水平方向则可发生拉伸，发生象限反转，最大主应力变为后来钝角所在的象限（见图3）.也有学者通过实验验证了在塑性或韧性剪
切带的情况下共轭角大于45°［20］.对于岩石破裂过程中最大主应力方向是钝角
角平分线还是锐角角平线，应根据具体的实际情况而定，而不是简单地搬用一些现成的模式.
走滑断层早期造成两组相交的共轭破裂，其中一组R剪切面与主扭带走滑成低角度，为右行剪切，产生左阶步破裂.另一组R′剪切面与主纽带走向成高角度，为左
行剪切，产生右阶步破裂（见图4），P剪切破裂和R剪切面与主扭断层带夹角一般为10°左右，是在扭动过程中晚期形成的［21］.
断裂发生的最本质的原因是有力源，而构造运动是这个力源的诱导者，构造应力场为这个力源传播的媒介，构造应力是裂缝形成与分布的外界条件，它主要控制了储层裂缝形成的空间分布和力学性质［22-23］.孔隙流体压力也影响着裂缝的发育，当孔隙流体压力累积到超过断裂开启时，断裂及裂缝开启，断裂附近应力得到释放，引起岩石体积膨胀，脆性增大，容易发育裂缝，形成油气运移储集场所［24］.对
构造应力和孔隙流体压力来说，构造应力可以通过作用于孔隙中的流体，促使孔隙流体压力增大，使岩石体积膨胀，脆性增大，容易形成裂缝，进而成为油气运移、储集场所.
成分相同的岩石，随着其粒度和孔隙度减少变得致密，岩石强度增加，岩石在经过
弹性变形后，在应变能较小时表现出破裂变形的性质，更加有利于岩石中裂缝的形成.温度对岩石力学性质有显著的影响，在地表的多数岩石表现为脆性；随着深度的增加，温度升高，到一定深度就会从脆性向塑性过渡.脆性地层受力变形后颗粒间发生较小晶间位移，结构面失稳需要较小的能量，有利于形成裂缝.对塑性地层受力变形时而言，组成岩体颗粒的变形方式为晶间会发生较大的位移滑动，消耗能量多，剩余能量少，滑动结束后结构无破坏，无明显破裂产生，也不易形成裂缝［11］，因此脆性地层比韧性地层更容易形成裂缝.
层面相交的构造裂缝可能有两种成因：第一种，裂缝是在层间剪切作用下在地层中形成的新构造裂缝（见图5）［25-26］；第二种，裂缝可能是早期存在的微破面的基础上发生层面滑动，对于地层间滑动作用下活动的早期裂缝以及新形成的裂缝来说，早期存在微裂缝也大多与地层面斜交，新构造裂缝形成所需要应力大于早期裂缝活动所需要应力［27］，对于层面相交的构造裂缝成因的作用力与微破裂的先后顺序是相对于各自所占的比重大小，当作用力大时，力主导了构造裂缝形成，当微破裂较为发育时，微破裂在构造裂缝形成中占了主导作用.
对于地层厚度与裂缝之间相关性，不同学者有不同的认识，有部分学者认为裂缝系统随着地层厚度增加而减少［11］，也有学者研究发现，在滑动量较大的厚地层中，裂缝也较为发育［28］.总而言之，对于地层厚度和裂缝关系，在岩性，构造应力差异值较小的情况下，岩层厚度越大裂缝越不发育，但在滑动量较大的厚地层中裂缝也有可能发育.地层岩性的脆性对构造裂缝影响重大，通常砂岩脆性最大，含泥质砂岩次之，泥岩脆性最小，在特定的构造应力背景下，地层脆性控制了构造裂缝发育，当地层岩性脆性度大于某一极限值时更易发育高角度裂缝，而低于极限值时更易发育中低角度裂缝［29］，对地层与裂缝之间的关联性，需要综合多种因素，如地层厚度、岩性、古构造应力来综合分析，探索它们内在规律性，从而更好地服务于油田生产.
综上所述，断层带与裂缝的形成机制主要受岩石力学性质、构造应力、组成矿物颗粒的大小、孔隙流体压力、地层厚度等多种因素的影响，就岩石力学性质而言，脆性岩石破裂所需要的应力低于韧性岩石破裂的应力，因此，一般来说脆性岩石易于破裂，而岩石温度高低直接影响其力学性质，温度越高岩石韧性越高，越不利于岩层形成裂缝，而饱和的孔隙流体压力能够增加岩石的脆性，构造应力与岩石破裂的应力差值越大越有利于岩石破裂，就地层厚度而言，一般来说越厚越不利于形成裂缝，但在滑动量较大的厚地层也有利于裂缝形成.
断层带裂缝直接影响着油气运移、聚集成藏，对于油田勘探开发具有重大意义.国内外学者针对不同力学性质断层（正断层、逆断层、走滑断层）断裂带的裂缝特征进行了大量研究，主要通过野外露头观察、岩心及薄片描述、EMI成像测井、物理模拟试验手段，而野外露头观察是最直接、最直观研究断层带裂缝的手段.研究表明，裂缝发育方位与断裂发育方位关系紧密，断裂发育程度直接决定裂缝的发育程度［30］，而断裂（空间分布）与裂缝发育密度密切相关，断裂活动性越强，断裂穿层越多，裂缝发育规模越大［31］.一般来说，大规模断裂随着与其距离的逐步增大，周围围岩所受到的应力逐渐变小，岩石越不容易破裂形成裂缝，裂缝密度越来越小（见图6）［12，32-34］.也有学者研究得出断层带存在一个临界宽度与影响裂缝发育密度密切相关，在临界宽度以内，裂缝发育密度与距断层距离成反比［35］，即越靠近断层带裂缝越密集，越有利于油气运移、储集.
正断层既可以是张应力下形成的张破裂，也可以是由剪应力作用下形成的剪破裂，但受围压环境的影响，形成正断层更多是剪破裂而不是张破裂［36］，由于正断层面较陡，因此，可能形成高角度或垂直张裂缝以及平行断层和断层共轭的剪裂缝.也有学者研究认为，断层带张裂缝的平面走向平行于正断层面，发育的共轭剪裂缝面与最大主应力夹角小于45°，大多数情况下为30°［10］.但对于多期构造运动形成的断裂，断裂带周围的裂缝特征会更加复杂化.对正断层而言上盘通常为主动
盘，而下盘为被动盘，在岩性相差不大的两盘，上盘裂缝更为发育，在断距超过
10 m的断层，上盘裂缝发育宽度比下盘更大，越靠近断层核部位变形强度越大，裂缝规模和密度越大［24］.随着远离断层核变形程度减弱，上盘裂缝密度逐渐减小，相比之下，下盘裂缝密度更复杂，无明显减小规律［37］.对断层相关褶皱而言，位于断层转折端附近的构造裂缝要比两翼的构造裂缝发育；其次，构造裂缝密度与距断层距离之间有明显的指数关系（见图7）［38］.但是断层带两盘裂缝内
充填矿物影响着裂缝的有效性，全充填或半充填矿物对两盘裂缝影响如何，没有一个较为详细的定性或定量评价.而对于裂缝形成期次来说，一般切穿矿物裂缝形成
时期晚于矿物形成时期，要定性判断切穿裂缝的形成期次，需要对所切穿的矿物进行测定形成时间，但要更精确确定裂缝形成期次，可以通过岩石声发射实验进行确定，也可以通过包裹体测温来确定裂缝期次，主要依据不同期次裂缝充填物中含不同均一温度包裹体.一般情况下，正断层倾角越大，断裂发生时所需要的时间幅度
越小，产生的应变能也较小，两盘裂缝越不发育；正断层倾角越平缓，由于两盘相互作用幅度大，作用时间越长，越有利于形成裂缝.
逆断层在不同控制因素下两盘裂缝发育特征存在差异性，由逆断层产生的构造裂缝，主要由张裂缝和剪裂缝组成.在断层附近，由于断层活动造成的应力扰动作用，沿
断裂带具有明显的应力集中现象，裂缝发育程度大［39］.越靠近断层带，构造裂
缝面发育程度越高；反之，越低.就岩性方面而言，岩石脆性越大，逆断层带裂缝
越容易发育.也有学者通过数值模拟在施加水平力一定时，改变断层倾角，断层区
域具有不同的应力和应变分布，当逆断层角度改变为20°时，应力、应变值最大，裂缝发育程度高（见图8）.但是现场实际情况与模拟结果的吻合度并没有得到充
分的验证.就现今数值模拟来说，主要是对单一变量进行模拟，在现有的技术手段
下对多种变量进行数值模拟仍然不能进行，也制约了断层带裂缝特征的研究，如何在多种变量下进行数值模拟，将会是今后研究所要攻破的关键问题点.
对逆断层而言，有学者研究发现，靠近断层带附近发育两组共轭剪性缝：一组平行于断层面的低角度裂缝，另一组则与断层面有一定角度斜交.远离断层面时，主要
以高角度裂缝为主，包括张性缝和剪性缝［40］，也有学者认为张裂缝是垂直于
逆断层走向的最大主应力方向形成的，平面上走向与断层面走向垂直，剖面上也近垂直产状［10］.通常情况下，逆断层是在挤压环境下形成的，当岩层受到挤压应
力作用时，岩石在出现破裂之前应力在连续地质体内部传递；岩石破碎之后，随着破裂面出现，一大部分应力会消耗在断层上盘，因此，传递给断层下盘应力减少，导致断层上盘裂缝比断层下盘裂缝更发育的现象.而断裂活动时产生的诱导作用，
可以使逆断层带内部的裂缝发生扩张，体积膨胀，可以形成空腔［41］，是断裂
活动时油气运移主要运输通道.断裂静止裂缝未充填前期，裂缝具有较高的孔渗性，油气通过裂缝带运移，裂缝充填后，破碎带主要为油气运移的主要通道［42］，
因此，油气运移时间与断层活动时间、裂缝充填顺序密切相关，在研究时需要综合考虑多种因素，以便取得更大突破.
剪切作用形成的走滑断层带两侧的裂缝是断层带油气运移、聚集的路径之一，研究其周围断层带两侧裂缝特征在油田探勘开发中具有重要意义.走滑断层内部结构可
分为断层核和破碎带［43］，就断层核而言由于受到挤压、研磨断层泥异常发育，塑性较大，不利于发育裂缝，有学者根据破碎带在断层核内和围绕断层核分布分为端部破碎带、围岩破碎带和连接破碎带［33］：端部破碎带为应力集中区，一般
发育羽状裂缝、马尾状裂缝为特征，而羽状裂缝具有厚、短、羽状开启等特征；马尾状裂缝具有长、薄、分叉等特点，围岩破碎带的裂缝密度随着远离断层核距离而减小［44］.连接破碎带内发育高角度裂缝是有效的油气运移、储集的场所.研究表明，走滑断层带控制的构造裂缝与断裂距离存在一种指数关系，随着与断裂带距离增加，裂缝密度呈指数下降，并且存在一个裂缝密度逐渐减少的范围，此范围以外区域控制的裂缝带，裂缝密度变化缓慢，相对稳定.研究发现，走滑断层可以在拉
张力和挤压力环境下形成，因此，有学者就从张性和压性来研究裂缝发育情况：压性走滑断裂带控制的构造裂缝带远比张性断裂控制的构造裂缝宽，压性走滑断裂附近的构造裂缝相对比较发育，前者约为后者的10倍［12］，因此压性走滑断层带裂缝发育规模更大更加有利于油气聚集.走滑断层破碎带范围较大，由走滑断层应
力状态所决定，走滑断层两盘，其裂缝基本同等发育，平面上断层带与裂缝呈锐角相交，剖面上近于垂直［10］.不同学者对走滑断层带裂缝特征研究侧重点有所不同，但总的研究成果表明，破碎带为裂缝最发育的部位，也是油气最有利运移、聚集的场所.但是现在研究走滑断层带与裂缝关系特征都是建立在野外露头的直接观
察上，在野外实际观察中受各种条件的限制，研究只局限于露头比较发育的极少一部分区域，对埋藏于覆盖区的走滑断层并不能进行系统研究，因此，在研究时注重野外调查的基础上，同时结合室内物理模拟和数值模拟，才能使走滑断层带与裂缝关系特征的研究从定性到定量的过渡，从而在走滑断层带与裂缝关系中取得较大的突破.随着油田勘探难度日益增大，从定性到定量研究已成为断层带与裂缝研究的
一种趋势.
综上所述，不同性质断层带裂缝特征存在异同点，其共性为随着距断层带距离的增大，裂缝密度逐渐减少；对正逆断层而言存在主动盘和被动盘，主动盘裂缝密度大于被动盘，但对走滑断层而言主动盘与被动盘难以界定，因而难以去比较断层带两盘的裂缝发育程度，但可以通过借助走滑断层力学性质进行定性评价.断层带倾角
对裂缝发育程度影响也存在差异性，当前对于正断层和走滑断层的研究并未取得较好的成果，这可能会成为今后研究的一个创新点.但对于逆断层，有学者通过数值
模拟发现，断层倾角为20°裂缝最为发育，但在现场实际情况也没有得到验证.在
现今的研究水平下，远不能满足油田勘探开发，因此，今后我们需要综合多种手段，全方位地来研究断层带与裂缝关系，定量去评价断层带裂缝及油气运移、聚集关联性这必将是一种研究趋势.同时，需要把理论研究与油田生产紧密联系起来，才能
在油田勘探、开发技术方面取得更大突破，进而推动断层带裂缝特征研究取得更大突破.但断层带裂缝形成期次对油气来说至关重要，一般来说，定性的基础上很难取得较为详细的判断，但流体包裹体的测温花费较大，测试周期长，怎样在低廉的基础上去测定形成时较为精准的期次，也是我们在研究断层带裂缝特征中需要考虑的一个问题.
在现有研究水平下，断层带裂缝研究更多局限于构造裂缝，但就其断层带构造裂缝而言本身规模小，在后期成岩作用下很容易闭合，对油气运移来说是断续的、幕式的［45］.从应力方位来说，平行于最大主应力方向，即与最小主应力垂直方位的构造裂缝连通性最好，是油气运移主选方位；与最大水平主应力方位小于45°相交的前期断层带裂缝为油气运移优选方位［46］，因此，可以通过断裂主应力方位对油气在某个方向运移难易程度进行一个定性评价.随着研究不断深入，一些定量方法也逐渐应用到了油气运移的评价中.
断层带与裂缝具有相辅相成的关系，即断层带是裂缝进一步延伸的产物，断层带和裂缝的形成受到多重因素的影响，而古构造应力和岩性在其形成过程中具有非常重要的作用.就其断层带裂缝特征而言，不同力学性质断层带裂缝特征存在差异性.一般来说，距断层带距离越远，裂缝密度越小.主动盘裂缝密度大于被动盘，但对于走滑断层而言不易界定主动盘与被动盘，压性走滑断层比张性走滑断层裂缝更为发育，断层带与裂缝研究主要存在以下问题.
1）现有的研究断层带与裂缝关系都是建立在断层带与构造裂缝研究中，对次生裂缝研究较少，次生裂缝与断裂带关联性如何，对油气运移、聚集影响因子如何也许会是我们在具体研究过程中需要注意的一个问题.
2）对于断层带与裂缝研究大多依靠野外露头进行直接的描述，然后用统计学方法寻找其规律，其偶然性大，基本停留在定性的研究之中，即使现今也有学者用数值模拟手段进行研究，但仍然是控制多种变量不变，而只改变其中单一变量，模拟的。