不同成巖期泥質(zhì)巖非構(gòu)造裂縫發(fā)育規(guī)律、形成機(jī)理及其地質(zhì)意義①

趙振宇 郭彥如 顧家裕 張 慶 劉 虹

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 北京 100083;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 西安 710018)

早在1821年，美國(guó)就在阿巴拉契亞盆地泥盆系富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中進(jìn)行了商業(yè)性天然氣開(kāi)采，截止至2010年，此類(lèi)天然氣產(chǎn)量已占全球天然氣總產(chǎn)量的8%～10%，并呈指數(shù)上升趨勢(shì)。雖然目前不同學(xué)者對(duì)于泥巖油氣藏內(nèi)涵的表述不盡相同［1～4］，但有兩點(diǎn)基本達(dá)成共識(shí):(1)烴源巖巖性以暗色泥頁(yè)巖或泥質(zhì)碳酸鹽巖為主，富含有機(jī)質(zhì);(2)儲(chǔ)運(yùn)空間主要為裂縫。根據(jù)成因類(lèi)型，許多學(xué)者將泥質(zhì)巖裂縫分成兩大類(lèi)，即構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫［5～7］。前者主要受地應(yīng)力影響，與構(gòu)造事件緊密相關(guān)，包括張裂縫、剪切縫和壓裂縫三種;后者則受多方面因素影響，包括異常高壓縫、成巖縫(成巖收縮縫、層間縫、溶蝕縫)、垂向載荷縫以及變質(zhì)收縮縫等［8～10］。相對(duì)構(gòu)造裂縫而言，非構(gòu)造裂縫的研究卻處于發(fā)展初期，主要體現(xiàn)在不同成因裂縫間的混淆、簡(jiǎn)單的定性描述以及思想上忽視其在地質(zhì)流體運(yùn)聚方面的作用等。近年來(lái)，周瑤琪、趙振宇等對(duì)現(xiàn)代泥質(zhì)沉積物水下收縮裂縫進(jìn)行了較為詳盡的研究，提供了較為可靠的泥裂數(shù)據(jù)和地質(zhì)模型［11～14］。在上述工作基礎(chǔ)上，本文結(jié)合野外露頭踏勘、室內(nèi)巖芯觀測(cè)及鏡下微區(qū)掃描分析等，詳細(xì)刻畫(huà)了同生成巖期(現(xiàn)代泥質(zhì)沉積物)、埋藏成巖期和表生成巖期泥質(zhì)巖非構(gòu)造裂縫(泥裂)的空間展布形態(tài)、發(fā)育規(guī)律、形成機(jī)理及相似性等，這些對(duì)于定量描述裂縫形態(tài)、結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律，預(yù)測(cè)區(qū)域性裂縫規(guī)模、分布范圍，判別區(qū)域沉積環(huán)境等具有十分重要的理論現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 野外工區(qū)位置分布示意圖Fig.1 The map showing the field work area

1 同生期泥質(zhì)沉積物脫水收縮裂縫(泥裂)

泥裂是泥質(zhì)層脫水收縮或者含鹽度增大而形成的沉積變形構(gòu)造，常見(jiàn)于潮間、瀉湖等海、湖相泥質(zhì)沉積物中。多年來(lái)，筆者及其研究團(tuán)隊(duì)在野外多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了大量的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)，包括山東省東營(yíng)市黃河三角洲分流間灣亞相4處、山東省青島市濱岸障壁瀉湖亞相7處，具體位置分布如圖1。上述工區(qū)均為自然發(fā)育而成，避免了人為干擾等因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，具體實(shí)驗(yàn)條件如文獻(xiàn)周瑤琪、趙振宇所述［11，12］，此不再累述。

1.1 泥裂發(fā)育過(guò)程及特征

現(xiàn)代泥裂發(fā)育過(guò)程大致經(jīng)歷了四個(gè)階段［11～13］:(1)泥水混合物進(jìn)入低洼地帶的初始混濁階段;(2)沉積壓實(shí)穩(wěn)定階段;(3)水位線下降，鹽度增大，裂縫形成階段;(4)沉積裂縫充填階段。其中泥裂發(fā)育階段沉積物粒間水主要以?xún)煞N方式排出，且滲流渠道各不相同:(一)異常高壓爆發(fā)式，主要發(fā)育于具有多期旋回(砂—泥旋回地層)充注的相對(duì)平坦區(qū)域，隨著沉積物的逐步壓實(shí)，表層泥質(zhì)隔水層阻礙了下伏粒間水的有效滲出，致使透水速率不斷減小，破壞了其與蒸發(fā)速率之間的平衡，因此在隔水層以下便形成了異常高壓(如圖2a)。裂縫產(chǎn)生瞬間，隔水層內(nèi)部及其下伏粒間水在異常高壓作用下爆發(fā)式涌出。(二)隙壁滲流式，該模式滲流通道的形成主要源于兩種機(jī)制，分別為異常高壓作用和生物擾動(dòng)作用，其中前者是主導(dǎo)，適用于多數(shù)地區(qū)，后者主要適用于水體較淺的潛穴生物繁育帶。目前，國(guó)際上有關(guān)生物潛穴通道有利于泥質(zhì)沉積物內(nèi)部流體運(yùn)移的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，一些學(xué)者還用亞甲藍(lán)試劑和玻璃纖維樹(shù)脂澆鑄了Lumbricus terrestris的潛穴通道，進(jìn)而模擬出了生物潛穴的三維模型［15］，如圖2b。這些通道的發(fā)育，對(duì)于基塊泄流具有積極作用，同時(shí)也可以影響裂縫進(jìn)一步開(kāi)裂的位置和走向。隨著裂縫基塊次級(jí)裂縫的發(fā)育，這些滲流通道也隨之被破壞、遺棄。

在實(shí)驗(yàn)工區(qū)內(nèi)，主要發(fā)育兩種裂縫組合形態(tài)，分別為矩形裂縫(如圖2c)和網(wǎng)狀裂縫(如圖2d)。前者多發(fā)育于實(shí)驗(yàn)工區(qū)斜坡地帶，形狀規(guī)則呈矩形，包括兩條相互平行的縱向裂縫(垂直岸邊)、橫向裂縫(平行岸邊)以及二者共同圍成的裂縫基塊。后者多發(fā)育于相對(duì)平緩區(qū)域，表面形態(tài)類(lèi)似網(wǎng)狀，拐點(diǎn)多為泥裂轉(zhuǎn)折或分叉而成。

圖2 現(xiàn)代泥裂野外發(fā)育特征Fig.2 Growth process and main features of modern mud cracks in fields

1.2 泥裂開(kāi)裂方式與地質(zhì)建模分析

近四十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在泥質(zhì)沉積物開(kāi)裂規(guī)律與建模方面做了大量的研究工作，包括定量化裂縫參數(shù)［16～19］、建立泥裂開(kāi)裂模型［18，20，21］以及探討影響建模的諸多因素等［22，23］。然而上述工作都未能建立一套較為完整、可靠的開(kāi)裂模型，并且大部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于水槽實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。至二十世紀(jì)，周瑤琪、趙振宇等［11，12］在天然瀉湖亞相、三角洲前緣分流間灣亞相完成了多處現(xiàn)代泥裂開(kāi)裂規(guī)律與地質(zhì)建模分析，并積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文結(jié)合前人研究成果，建立了一套較為完善的裂縫開(kāi)裂模型體系，共分為3大類(lèi)7種模式，具體如圖3所示。

1.2.1 單邊延展開(kāi)裂式

(一)直線生長(zhǎng)模式:泥裂沿直線生長(zhǎng)通常需要兩個(gè)條件:一是泥質(zhì)沉積物化學(xué)成分、粒度相對(duì)均勻;二是地形具有一定的坡度。如圖3，實(shí)驗(yàn)工區(qū)斜坡地帶縱向裂縫平面生長(zhǎng)模型，隨著水位的逐漸下降，裂縫前端由岸邊向水中心一直延伸，走向垂直于等水量線。換句話說(shuō)，裂隙的開(kāi)裂方向與退水方向一致，二者路徑重合［11～14］。

(二)折線生長(zhǎng)模式:裂縫以單邊形式開(kāi)裂延伸時(shí)，如果前方粘土成分、顆粒大小不均勻，或者泥質(zhì)體內(nèi)部應(yīng)力變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂縫生長(zhǎng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，偏離預(yù)定的“軌道”。如圖3，展示了泥裂野外折線生長(zhǎng)特征及模式，由照片可以看出，裂縫沿折線生長(zhǎng)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)狀裂隙組合形態(tài)，與直線生長(zhǎng)模式相差較大，其中兩拐點(diǎn)間直線距離ΔL、兩拐點(diǎn)間垂直距離Sd、延伸角度δθ等均能反映裂縫發(fā)育特征及其泥質(zhì)體沉積環(huán)境等［11～14］。

(三)分叉生長(zhǎng)模式:分叉裂縫的產(chǎn)生，與裂縫本身的物理生長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)［11，24］，如圖3。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，分叉角度分布概率最大的是120°，多發(fā)育于沉積物粒度相對(duì)均勻地區(qū)，主要形成于裂縫生長(zhǎng)的初始階段;其次是90°，發(fā)育區(qū)沉積物粒度均質(zhì)性相對(duì)較差，主要形成于裂縫生長(zhǎng)的晚期階段，且容易被后期裂縫所切割，因此平面上多呈“Y”字型或“T”字型。大量研究表明，兩種分叉角度格局的形成與沉積物顆粒排列方式(顆粒不均勻，分叉角度多為90°)及泥質(zhì)體能量釋放(顆粒均勻條件下，等角度三叉開(kāi)裂滿(mǎn)足能量最小化原則)有關(guān)［19，25］。

1.2.2 多邊交匯開(kāi)裂式

(一)交叉生長(zhǎng)模式:由圖3可以看出，A、B兩條起始裂縫順著延伸方向裂縫寬度逐漸變窄，中間交叉后繼續(xù)生長(zhǎng)的側(cè)向裂縫C只是其中一條起始裂縫的延伸，而另一條起始裂縫則在交叉點(diǎn)被截?cái)唷Ｍ瑫r(shí)，裂縫A多沿直線生長(zhǎng)，與裂縫B相距一定距離L時(shí)，裂縫B開(kāi)始發(fā)生彎曲，其彎曲方向指向被二者切割的左、右兩側(cè)較大基塊一側(cè)。此種模式可以發(fā)育于平面，也可以發(fā)育于剖面，特別是泥頁(yè)巖夾中—薄層砂巖地層，分布較為廣泛。

(二)匯合生長(zhǎng)模式:包括雙邊匯合開(kāi)裂式和多邊匯合開(kāi)裂式兩種，其中前者主要為兩條裂縫相向生長(zhǎng)，并最終交于中部形成核形區(qū)域的過(guò)程。圖3展示了已成核部(早期)和暫未成核部(后期)的情況，核部完整程度代表著泥裂發(fā)育的先后期次，該模式主要發(fā)育于實(shí)驗(yàn)工區(qū)內(nèi)的相對(duì)平坦區(qū)域［12］。在自然界中，多邊匯合模式主要由三邊或四邊主干裂縫通過(guò)多次變化匯合而成，根據(jù)裂縫邊數(shù)不同、開(kāi)裂方式不同而進(jìn)行排列組合就有50余種。因此，在沒(méi)有完全掌握基礎(chǔ)理論模型的前提下進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，將會(huì)與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。

(三)中心分散生長(zhǎng)模式:泥質(zhì)沉積物脫水收縮過(guò)程中，由于內(nèi)部應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致裂縫以某一應(yīng)力集中點(diǎn)為中心，呈發(fā)散狀生長(zhǎng)。產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因有很多，包括地形起伏、內(nèi)部異常高壓、沉積物內(nèi)部顆粒物等。其中前兩者容易形成頂部中心開(kāi)裂式，如圖2a，即裂縫首先從沉積物表面發(fā)育。如果在沉積物底部存有大型顆粒物或者地形建隆，裂縫就會(huì)首先從沉積物底部開(kāi)始發(fā)育，并逐漸向上、側(cè)上方延伸，并最終到達(dá)頂面。如圖3，整個(gè)泥裂剖面結(jié)構(gòu)清晰，包括羽軸、羽線、裂縫面三部分，與大地構(gòu)造應(yīng)力下產(chǎn)生的羽狀構(gòu)造極其相似。因此，通過(guò)上述研究可以使我們很容易判斷出野外巖石剖面中羽狀構(gòu)造的力學(xué)機(jī)制、開(kāi)裂方向及動(dòng)力來(lái)源方位等。

1.2.3 混合生長(zhǎng)模式

泥裂在自然界中的形態(tài)千奇百怪，并能通過(guò)上述開(kāi)裂模式任意組合，因此，在實(shí)驗(yàn)工區(qū)內(nèi)，無(wú)論是矩形裂縫還是網(wǎng)狀裂縫，都經(jīng)歷了若干組合過(guò)程而成。混合生長(zhǎng)模式是泥裂發(fā)育后期的必然結(jié)果，過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜(如圖3，由7條主干裂縫(①～⑦)經(jīng)過(guò)分叉、折線、交叉、匯合等方式共同形成了照片中的裂縫組合形態(tài))，因此，不少學(xué)者避開(kāi)了泥裂的發(fā)育過(guò)程，直接進(jìn)行泥裂空間展布形態(tài)的描繪，并通過(guò)裂縫交叉點(diǎn)、裂縫數(shù)量、裂縫分割基塊數(shù)量等來(lái)簡(jiǎn)化泥裂發(fā)育過(guò)程［13，18，19，21］，這樣雖然有利于計(jì)算機(jī)模擬，但是模擬結(jié)果與實(shí)際偏差較大，因此，進(jìn)行全面細(xì)致的泥裂發(fā)育機(jī)理研究十分必要。

圖3 現(xiàn)代泥裂開(kāi)裂模式及地質(zhì)建模分析Fig.3 The growth patterns and mechanisms of modern mud cracks

1.3 泥裂發(fā)育影響因素分析

1.3.1 粘土含量、鹽度是泥裂發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)

大量實(shí)驗(yàn)表明，泥質(zhì)成分與沉積體鹽度將對(duì)泥裂發(fā)育產(chǎn)生重要影響［25，26］。當(dāng)在泥裂實(shí)驗(yàn)中使用純非膨脹土(高嶺石、伊利石、綠泥石)時(shí)，裂縫形成只與鹽度有關(guān)。在清水溶液中純非膨脹土不產(chǎn)生裂縫，但只要泥中含有2%膨脹土?xí)r，周?chē)w鹽度的小幅變化就會(huì)馬上出現(xiàn)裂縫，這種裂縫是黏土層對(duì)鹽度變化的收縮反應(yīng)。Vogel 2005年將砂子與膨潤(rùn)土按照1∶1和5∶1的比例進(jìn)行充分混合，在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行裂縫發(fā)育模擬試驗(yàn)，結(jié)果前者無(wú)論從裂縫數(shù)量和裂縫寬度方面均高于后者［25］。可以說(shuō)，沉積物內(nèi)黏土含量、鹽度是決定泥裂發(fā)育與否的物質(zhì)基礎(chǔ)。在現(xiàn)代黃河三角洲分流間灣亞相與唐島灣沿岸以障壁潟湖相工區(qū)內(nèi)，隨著黏土含量和水體鹽度的增加，泥裂發(fā)育時(shí)間縮短，發(fā)育程度、規(guī)模、連通性等明顯增加［11～13］。

1.3.2 砂—泥旋回地層裂縫發(fā)育特征

砂—泥旋回地層裂縫的開(kāi)裂過(guò)程與單一性泥質(zhì)地層略有差異，大體分為三個(gè)階段(如圖4):第一階段，由于外界物源的多期充注，沉積區(qū)內(nèi)發(fā)育了砂—泥互層的多期正韻律旋回，如圖4a，沉積物粒度普遍偏小，且以泥質(zhì)沉積物為主(泥質(zhì)含量＞75%)。第二階段，當(dāng)泥質(zhì)層開(kāi)始脫水收縮時(shí)，由于砂層的潤(rùn)滑作用，發(fā)生了層間滑動(dòng)，大大減小了表層泥質(zhì)體收縮時(shí)下伏泥質(zhì)體發(fā)生形變而帶來(lái)的阻力(如圖4b)。經(jīng)過(guò)工區(qū)內(nèi)大量的研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，裂縫發(fā)育較好的區(qū)域，泥/砂層厚度比通常為3～4。第三階段，當(dāng)泥質(zhì)層裂縫寬度增大到一定程度時(shí)，由于沙子自身的重力作用，便會(huì)滑落到裂縫底部，形成了最早期的無(wú)序狀砂層堆積(如圖4c)，這與單一性泥質(zhì)地層裂縫內(nèi)的早期沉積明顯不同。

1.3.3 早期裂縫內(nèi)充填物對(duì)后期裂縫發(fā)育的影響

在泥裂發(fā)育過(guò)程中，早期裂縫充填物沉積模式對(duì)后期裂縫的形成產(chǎn)生了重要影響。如圖5a，由于早期裂縫內(nèi)有機(jī)質(zhì)泥的壓實(shí)系數(shù)遠(yuǎn)小于裂縫基塊的壓實(shí)系數(shù)，致使后期泥質(zhì)沉積物很容易擠入早期裂縫內(nèi)，形成了沉積界面略顯下凸的類(lèi)火焰構(gòu)造。同時(shí)，也正是多出來(lái)的這部分下凸體，導(dǎo)致該部分泥質(zhì)體收縮應(yīng)力圓半徑遠(yuǎn)大于周邊區(qū)域，因此，新裂縫的開(kāi)裂位置通常位于收縮應(yīng)力圓兩側(cè)(箭頭所示)，這樣就形成了新、老裂縫在縱向上交錯(cuò)搭配的格局，在剖面上表現(xiàn)為矩形裂縫組合。但該種開(kāi)裂模式不利于粒間水的有效排出，通常情況下，粒間水運(yùn)移的首選途徑為沉積間斷面，然后通過(guò)新裂縫曲線上移。如圖5b，二次沉積物內(nèi)含砂量較大，并發(fā)育異常高壓，因此，新裂縫的發(fā)育則是泥質(zhì)體收縮力與水壓上拱力的合力，且新裂縫的開(kāi)裂位置位于早期裂縫的正上方。同時(shí)，由于砂層的存在，也為地質(zhì)流體初次運(yùn)移提供了有利條件。

如果早期裂縫內(nèi)充填物為砂質(zhì)沉積(如圖5c、5d)，由于泥、砂壓實(shí)系數(shù)不同，致使兩期沉積物界面略顯上凸，這樣早期裂縫上覆地層內(nèi)應(yīng)力就會(huì)相對(duì)集中。如圖5c，粒間水受上覆重力擠壓，向上運(yùn)移時(shí)可以產(chǎn)生上拱作用力，同時(shí)由于上覆泥質(zhì)體收縮應(yīng)力相對(duì)集中，因此新裂縫就會(huì)形成于老裂縫正上方。同樣，圖5d中新裂縫的形成也主要是水壓上拱的結(jié)果，并且開(kāi)裂位置也位于老裂縫的正上方。由此可知，裂縫內(nèi)充填物類(lèi)型對(duì)后期裂縫開(kāi)裂位置的影響十分重要。

圖4 砂—泥互層地層裂縫發(fā)育過(guò)程示意圖Fig.4 Geological model of crack growth process in sand-mud interbedded strata

圖5 早期裂縫充填模式對(duì)后期裂縫發(fā)育的影響Fig.5 Effect of early crack filling patterns on late crack growth

1.3.4 其它外界因素對(duì)泥裂發(fā)育的影響

除上述影響泥裂發(fā)育的主要因素之外，還包括地形變化、顆粒物粗細(xì)、流水溝槽、生物擾動(dòng)、冰晶痕等。通常認(rèn)為泥裂主要發(fā)育于表面水平或近于水平的地區(qū)，但是 MacCarthy、Hastenrath發(fā)現(xiàn)了38°陡坡上的多邊形干裂［27］。Donovan和Archer認(rèn)為大于5°斜坡上的均質(zhì)沉積物可以形成矩形干燥裂縫，且主裂縫平行于斜坡走向［28］。趙振宇等也發(fā)現(xiàn)了地形坡度與裂縫形態(tài)的關(guān)系，并認(rèn)為斜坡之上多發(fā)育矩形裂縫，平坦地區(qū)多發(fā)育網(wǎng)狀裂縫，其中矩形裂縫的主裂縫方向與水退方向一致，即主裂縫垂直于斜坡走向［12］，這一點(diǎn)與Donovan和Archer的觀點(diǎn)相悖［28］，分析原因可能有兩個(gè):一是Donovan和Archer的觀測(cè)時(shí)機(jī)稍晚，未能有效分辨主裂縫(縱向裂縫)和次裂縫(橫向裂縫)，因?yàn)槎邊?shù)類(lèi)同;二是研究區(qū)坡度過(guò)大，導(dǎo)致重力沿斜坡走向的分量大于脫水收縮應(yīng)力而過(guò)早的產(chǎn)生了沿斜坡走向的裂縫(橫裂縫)，但這已然超出了泥裂的范疇，因此，現(xiàn)代泥裂觀測(cè)區(qū)坡度不宜過(guò)大，最好小于15°。

當(dāng)?shù)匦屋^高、沉積物較薄、沉積物底部有顆粒物時(shí)，通常會(huì)在該處首先出現(xiàn)裂縫。在流水沖刷溝槽內(nèi)，裂縫會(huì)沿溝槽首先發(fā)育。同時(shí)，生物爬行跡、覓食跡，冰晶痕以及暴露情況下裂縫內(nèi)生物的發(fā)育程度等都會(huì)對(duì)裂縫產(chǎn)生重要影響［11，12］。由此可知，泥質(zhì)沉積物在臨界狀態(tài)下只要給予很小的擾動(dòng)，裂縫就可以按一定的規(guī)律分布。因此，當(dāng)?shù)叵履噘|(zhì)巖在形成裂縫的臨界狀態(tài)下，如果受到一定規(guī)律的擾動(dòng)，裂縫的分布特征同樣會(huì)受到擾動(dòng)因素的控制。

2 埋藏成巖期泥裂發(fā)育特征

探討成巖期泥裂的發(fā)育過(guò)程比較復(fù)雜，其中不同成巖期地化環(huán)境的多樣性、構(gòu)造演化的多期性、構(gòu)造樣式與構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性等都會(huì)對(duì)泥裂的發(fā)育產(chǎn)生直接影響。截至目前，仍沒(méi)有一種技術(shù)方法能有效識(shí)別該尺度范圍內(nèi)泥裂的空間展布形態(tài)［5，7，17，19，25，27］，因此，現(xiàn)階段只能依靠較為系統(tǒng)的現(xiàn)代泥裂研究和借助有限的成巖期裂縫定性、半定量描述，來(lái)盡量模擬地下泥裂的空間展布形態(tài)、開(kāi)裂期次及其對(duì)地下流體排—運(yùn)—聚的影響。

2.1 早成巖期泥裂發(fā)育特征

早成巖期泥裂往往與同生期泥裂相伴生，且二者發(fā)育時(shí)間相近、特征類(lèi)似，要想有效區(qū)分，關(guān)鍵在于沉積期次的劃分。安徽巢湖鳳凰山石炭系高驪山組，泥裂主要發(fā)育于該層中段頂部的雜色泥頁(yè)巖內(nèi)，野外照片如圖6a，b。泥裂發(fā)育大致經(jīng)歷兩期，首先是暴露泥裂—填充期(如圖6a，同生期泥裂)，其次是地下埋藏開(kāi)裂—填充期(圖6b，早成巖期)。

暴露泥裂—填充期:下部褐紫色泥巖在暴露—淺水氧化環(huán)境下首先發(fā)育了同生期泥裂(現(xiàn)代泥裂研究表明，泥裂下切深度最快可達(dá)80 cm/月)，由于后期快速海侵并在裂縫內(nèi)填充了灰綠色泥巖，因而保留了早期的裂縫形態(tài)，呈“V”字型，底部彎曲，長(zhǎng)度20～50 cm(如圖6a)。同樣，在井下巖芯樣品中也可觀測(cè)到這種現(xiàn)象，如圖6c，泥巖巖芯橫切面可見(jiàn)泥裂星羅分布，有矩形裂縫、三角裂縫及網(wǎng)狀裂縫，裂縫寬度最大可達(dá)5 mm，其余主要為1～3 mm，部分裂縫不可見(jiàn)(顯影技術(shù)較差)，裂縫內(nèi)充填物為砂質(zhì)沉積(直接印證了現(xiàn)代泥裂沉積模型5c、5d的正確性)。此種沉積構(gòu)造類(lèi)似于層面生物擾動(dòng)，但裂縫壁曲率變化有別，如果后期遭受抬升、風(fēng)化剝蝕，就會(huì)形成大家所熟知的“龜背石”。

地下埋藏開(kāi)裂—填充期:褐紫色泥質(zhì)層進(jìn)入早成巖階段后開(kāi)始發(fā)育二期泥裂，上覆灰綠色泥質(zhì)層受地層水淋濾后填充了下部的次級(jí)裂縫，因此裂縫較窄，平面上規(guī)律性較差，時(shí)斷時(shí)續(xù)，但從圖6b可以看出，泥裂在空間形態(tài)表現(xiàn)為網(wǎng)狀，連通性較好，與現(xiàn)代泥裂十分相似。

同樣，早成巖期裂縫內(nèi)填充物類(lèi)型也會(huì)對(duì)后期裂縫的開(kāi)裂位置產(chǎn)生影響，與現(xiàn)代泥裂類(lèi)似(如圖5)。河北邯鄲太行山第四系紅土屬洪泛平原相，如圖6d，由下至上可以分成三部分:下部為紅土層，早期裂縫被灰白色砂泥質(zhì)沉積物填充，剖面上裂縫組合呈矩形、三角形或網(wǎng)狀，裂縫寬度3～15 cm，裂縫前端有逐漸向上延伸的趨勢(shì)，由于沉積間斷影響，停止于綠線處;中部為縱向裂縫發(fā)育區(qū)，半充填或者未充填，裂縫長(zhǎng)30～200 cm，裂縫寬3～5 cm，橫向裂縫不明顯，但局部仍可見(jiàn);上部為第四系黃土覆蓋，沉積松散，不發(fā)育裂縫。由于早期裂縫(下部裂縫)內(nèi)充填了砂泥質(zhì)沉積，因此后期裂縫(中部裂縫)多是在早期裂縫方向上的延伸，如現(xiàn)代泥裂模型5c和5d，圖中紅色箭頭指示早—晚兩期泥裂對(duì)接處，黃色箭頭指示早—晚兩期裂縫即將對(duì)接處，此種模式的出現(xiàn)，可以用現(xiàn)代泥裂模式進(jìn)行很好的解釋。

2.2 中—晚成巖期泥裂發(fā)育特征

當(dāng)成巖作用進(jìn)入到中—晚成巖階段后，泥質(zhì)巖在地下高溫、高壓條件下處于塑性狀態(tài)，因此泥裂發(fā)育規(guī)模和數(shù)量均有所降低，主要表現(xiàn)為地下流體對(duì)早期裂縫的改造，包括溶蝕和填充，因此，建設(shè)性作用與破壞性作用并存。

圖6 早成巖期泥裂發(fā)育期次與特征Fig.6 Mud crack characteristics at early diagenetic stage in fields

圖7 中—晚成巖期泥裂發(fā)育特征Fig.7 Growth patterns and characteristics of mud cracks at the middle-late digenetic stages

如圖7a，泥質(zhì)碳酸鹽巖芯樣品縱剖面發(fā)育泥裂，裂縫內(nèi)有機(jī)質(zhì)充填，對(duì)后期流體運(yùn)移較為不利，但在完全填充之前，仍然具有疏導(dǎo)功能。裂縫開(kāi)裂方式主要有兩種，分別為匯合開(kāi)裂式(JGM)和折線開(kāi)裂式(CGM)，發(fā)育部位起始于巖芯層位上部的層間溶蝕縫(裂縫內(nèi)殘留有機(jī)質(zhì))。如圖7b，泥質(zhì)碳酸鹽巖芯樣品縱剖面泥裂處于半充填或者未充填狀態(tài)，顯影效果較差，這也是常被忽略其存在的主要原因。從整個(gè)圖片來(lái)看，裂縫組合形態(tài)表現(xiàn)為矩形，與現(xiàn)代泥質(zhì)剖面開(kāi)裂模式無(wú)異，但它給我們的啟發(fā)還遠(yuǎn)不在此，而是在中—晚成巖期也能發(fā)育規(guī)模性泥裂，并能為地下流體運(yùn)移和儲(chǔ)集發(fā)揮積極作用。從剖面上看，裂縫發(fā)育起始位置也有構(gòu)造裂縫發(fā)育。同樣，在泥質(zhì)碳酸鹽巖巖芯層面上，同樣可見(jiàn)網(wǎng)狀泥裂發(fā)育(如圖7c、7d)，形狀不如現(xiàn)代泥裂規(guī)則。從圖7c可以看出，裂縫半充填，與構(gòu)造裂縫伴生，開(kāi)裂模式包含了現(xiàn)代泥裂的所有種類(lèi)，較為齊全。從7d可以看出，區(qū)域內(nèi)無(wú)構(gòu)造裂縫，泥裂方解石亮晶充填，顯影較好，表現(xiàn)為網(wǎng)狀，裂縫基塊大小相對(duì)均一。

泥巖地層中，中—晚成巖期裂縫發(fā)育特征不明顯。在野外剖面上，該期泥裂形態(tài)與表生期泥裂容易混淆;在室內(nèi)巖芯樣品上，由于壓力釋放容易形成葉狀層間縫或者破碎顆粒;在地球物理測(cè)井響應(yīng)上，成像測(cè)井雖然能偵測(cè)到裂縫的存在，但是不能有效區(qū)分裂縫的種類(lèi)和空間形態(tài)。鑒于上述條件限制，為甄別和描述中—晚成巖期泥裂帶來(lái)了很大困難。鄂爾多斯盆地西緣甘肅平?jīng)鎏y(tǒng)山下古生界奧陶系平?jīng)鼋M發(fā)育大規(guī)模半深水海相泥頁(yè)巖(區(qū)域位置如圖1)，富含筆石，發(fā)育葉—薄狀層理，單層厚2～10 cm。縱剖面上，個(gè)別穿層裂縫長(zhǎng)度大于50 cm，隙壁平直，為構(gòu)造裂縫，而泥裂長(zhǎng)度通常小于其所發(fā)育層位的單層厚度，開(kāi)裂方式多為交匯開(kāi)裂式和單邊延展開(kāi)裂式(如現(xiàn)代泥裂開(kāi)裂模型圖3)，這些裂縫的發(fā)育，為泥質(zhì)巖流體運(yùn)—聚提供了有利的通道和空間。如圖7e，可見(jiàn)六塊矩形裂縫，依次編號(hào)Ⅰ～Ⅵ，該級(jí)別裂縫可能發(fā)育于早—中成巖期，裂縫半充填或未充填，形狀較為規(guī)則，矩形裂縫長(zhǎng)邊方向代表了泥裂發(fā)育時(shí)所處斜坡的傾向。在矩形基塊內(nèi)可見(jiàn)大量次級(jí)、晚期裂縫(主要為中晚成巖期泥裂)，各基塊內(nèi)數(shù)量不等，可能與矩形裂縫的發(fā)育寬度有關(guān)，平面組合形態(tài)以網(wǎng)狀為主，代表開(kāi)裂前構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可能致使該區(qū)地形變緩。矩形基塊內(nèi)泥裂的開(kāi)裂模式與現(xiàn)代泥裂無(wú)異，種類(lèi)如圖7e所示。圖7f為泥巖鑄體薄片下的顯微特征，在微米級(jí)尺度內(nèi)展現(xiàn)了泥裂的匯合開(kāi)裂模式，為我們深入認(rèn)識(shí)不同尺度內(nèi)泥裂的發(fā)育特征提供了有效途徑與借鑒。

通過(guò)對(duì)圖7的分析可以得出兩點(diǎn)結(jié)論:一是成巖期泥裂與現(xiàn)代泥裂具有很高的相似性，包括裂縫形態(tài)、開(kāi)裂模式等;二是進(jìn)一步明確了泥質(zhì)巖構(gòu)造裂縫與泥裂的關(guān)系，前者為泥裂廣泛發(fā)育提供了必要的動(dòng)力條件(靠近構(gòu)造裂縫泥裂相對(duì)發(fā)育)，并疏導(dǎo)了地層內(nèi)滯留的流體(與構(gòu)造裂縫相伴生的泥裂，通常未充填或者半充填)，后者為構(gòu)造裂縫提供了區(qū)域微觀理、影響因素、地質(zhì)意義等相關(guān)議題也逐漸被人們所重視。本文通過(guò)野外剖面踏勘、巖芯觀測(cè)、微區(qū)掃描等手段，采用系統(tǒng)的理論研究方法，以現(xiàn)代泥裂為基連通作用，同時(shí)提高了地質(zhì)體內(nèi)的存儲(chǔ)空間和有效滲透率。

3 表生成巖期泥裂發(fā)育特征

對(duì)于多數(shù)沉積盆地而言，大都經(jīng)歷了沉積—埋藏—抬升的演化過(guò)程，因此也都經(jīng)歷了表生成巖期泥裂發(fā)育階段。根據(jù)地層后期抬升幅度大小，表生期泥裂的發(fā)育規(guī)模和程度不盡相同，但有一點(diǎn)可以肯定，由于地層抬升而導(dǎo)致的壓力釋放能夠有效增大地層中早期泥裂的孔隙度和滲透率，同時(shí)也可以產(chǎn)生一些新的應(yīng)力釋放裂縫。雖然二者在力學(xué)性質(zhì)上明顯不同，表現(xiàn)為收縮與拉張兩種狀態(tài)，但在區(qū)域范圍內(nèi)，就泥質(zhì)基質(zhì)而言，效果類(lèi)同。

從整個(gè)泥裂的發(fā)育階段來(lái)看，表生期不僅擴(kuò)大了早—中—晚成巖期泥裂的寬度，同時(shí)也是大量應(yīng)力釋放裂縫的發(fā)育期。如圖8a河北太行山二疊系石千峰組紫紅色泥巖矩形裂縫、圖8b鄂爾多斯盆地西緣平?jīng)鋈罍辖M泥質(zhì)碳酸鹽矩形裂縫，二者均處于大氣淡水淋濾帶，因此裂縫未充填。圖8c為鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組油頁(yè)巖巖芯樣品，層面發(fā)育矩形裂縫，由于應(yīng)力釋放，裂縫未充填。上述矩形組合裂縫均發(fā)育于大地構(gòu)造的緩斜坡部位。圖8d為河北太行山二疊系石千峰組紫紅色泥巖網(wǎng)狀裂縫，發(fā)育于現(xiàn)今構(gòu)造的平緩地帶。由此可見(jiàn)，地形坡度變化不僅控制著現(xiàn)代泥裂的組合形態(tài)，同時(shí)也影響著表生期泥裂的發(fā)育特征，這對(duì)于定性判斷區(qū)域泥裂空間展布形態(tài)具有積極意義。

同樣，在野外剖面上，表生成巖期泥裂的開(kāi)裂模式與現(xiàn)代泥裂也十分相似，如圖8e、8f，包含了直線生長(zhǎng)模式(LGM)、分叉生長(zhǎng)模式(BGM)以及交叉生長(zhǎng)模式(IGM)等，組合形態(tài)以矩形為主。同時(shí)，砂泥交互層更有利于泥裂的發(fā)育(圖8f)，與現(xiàn)代砂—泥互層泥裂發(fā)育特征也十分相似。

4 結(jié)論與討論

泥裂作為自然界中的一種沉積構(gòu)造，早已被人們所熟知，但多停留在簡(jiǎn)單的定性描述之上，缺乏深入的定量化研究，同時(shí)，泥裂在地質(zhì)演化中的作用也往往被大多數(shù)學(xué)者所忽略。隨著近些年人們對(duì)泥質(zhì)巖相關(guān)領(lǐng)域的深入研究，泥裂的空間展布形態(tài)、發(fā)育機(jī)礎(chǔ)，詳細(xì)分析了早成巖期、中—晚成巖期與表生成巖期泥裂的空間展布形態(tài)、發(fā)育機(jī)理、影響因素以及各期泥裂相似性與差異性等，對(duì)于全面了解泥裂發(fā)育過(guò)程、區(qū)域分布規(guī)律，解析構(gòu)造—沉積演化史，恢復(fù)沉積環(huán)境等具有積極意義。在泥裂研究過(guò)程中，有啟發(fā)也有問(wèn)題，列舉如下:

圖8 表生成巖期泥裂發(fā)育特征Fig.8 Growth patterns and characteristics of mud cracks at epidiagenetic stage

(1)泥裂存在于成巖演化的各個(gè)階段，可以劃分為同生成巖期、埋藏成巖期和表生成巖期，其中埋藏期又可進(jìn)一步劃分為早成巖期和中—晚成巖期。在野外剖面與井下巖芯描述中，表生期裂縫多是對(duì)前期裂縫的進(jìn)一步改造和新應(yīng)力釋放裂縫的混合。

(2)以現(xiàn)代泥裂為基礎(chǔ)的定量化描述和地質(zhì)建模分析，不僅為其它成巖期裂縫研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也提供了一套行之有效的方法。

(3)不同成巖期泥裂在剖面上的組合形態(tài)以矩形為主，在平面上主要為矩形和網(wǎng)狀，二者數(shù)量比與地形息息相關(guān)。

(4)泥裂的開(kāi)裂方式主要包括3大類(lèi)7種模式，具體特征如圖3所示。

(5)泥裂發(fā)育的影響因素包括多個(gè)方面，其中黏土含量與鹽度是泥裂發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，地形變化控制著泥裂的空間組合形態(tài)，地層沉積韻律影響著泥裂發(fā)育的程度、裂縫內(nèi)沉積物填充模式以及后期裂縫的發(fā)育位置等。

(6)與構(gòu)造裂縫相伴生的泥裂，裂縫內(nèi)填充程度一般較低、發(fā)育規(guī)模較大，二者相互依存，相互影響。

(7)泥裂存在于地質(zhì)演化的各個(gè)時(shí)期，其微觀“毛管作用”不容忽視，特別是不同時(shí)期泥裂對(duì)地質(zhì)流體排—運(yùn)—聚的影響，應(yīng)該引起大家更廣泛的關(guān)注。

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