川東北須家河組致密砂巖斷縫系統II：斷層破碎帶的結構特征

廖宗湖，凡睿，李薇，陳偉倫，劉輝，鄒華耀，郝芳

1 中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249

2 中國石化勘探分公司，成都 610041

3 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，青島 266580

*通信作者, zonghuliao@163.com

0 引言

斷層在過去一直被簡化為一種單一的平面結構，但是隨著研究的深入，發現它們其實是由各種復雜結構構成的一種立體區域(圖1)[1-3]。斷層破碎帶在很多地質領域的研究當中一直被視為關鍵因素，比如和斷層相關的地層變形過程、區域應力分布和構造演化史、地震破裂傳播和地殼中流體的滲流等[1-2]。斷層破碎帶通常伴生有復雜的裂縫系統[4-5]，不僅是地下油氣運移重要通道，也可能為一些致密儲層提供了儲集空間，影響著油氣藏的富集和分布規律[3,6-10]。

圖1 斷層破碎帶量化模式示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of quantitative model of fault damage zone

前人研究結果表明[3,5]，斷層破碎帶結構是逐漸而非某次劇烈變化形成的，這也直接導致了破碎帶結構在幾何空間上的復雜性。已有不少學者較詳細地描述了斷裂帶的結構特征，認為斷裂帶主要由斷層核和破碎帶這兩個部分組成[1]，這兩個部分組成的區域又常稱為斷層破碎帶，且以一定的背景變形強度和周圍的巖石區分開來(圖1a，1c)。斷層核內部發育有斷層泥、角礫巖等成分，是強烈局域應變和強烈剪切的結果。破碎帶主要發育小斷層、裂縫等次級構造，其整體表現出相較于斷層核明顯較低的應變和較小的變形、相較于圍巖較強的構造變形。但是在某些情況下，比如大規模或者構造變形強烈的斷層中，斷層幾何形態復雜。此時，上文提到的簡單的斷層結構的定義不能滿足要求。因此，Jones等(1996)認為[11-12]，應根據斷層不同的規模、不同的巖性特征和構造背景對斷層破碎帶模型進行分類和詳細描述。Berg等(2005)具體建議應該將斷層核和破碎帶根據變形情況分別進一步劃分，比如將斷層核分為中心核和遠端核，將破碎帶分為內部破碎帶和外部破碎帶[13-14]。在某些情況下，在破碎帶和斷層核的邊界以及破碎帶和圍巖的邊界可以觀察到較明顯的過渡區或混合區。Faulkner等(2010)研究表明斷層破碎帶可能是單一核，也可能具有多核的復雜結構(圖1b，1d)[1,3]。Brogi (2008)和Kristensen(2016)等人[15-16]還通過斷層裂縫發育程度的變化情況量化了破碎帶的寬度，發現斷層兩盤的破碎帶區域呈現不對稱性，不僅破碎帶的寬度不相同，破碎強度也不一致。

為了探索斷層破碎帶這樣的復雜結構，本文選取對斷層破碎帶最敏感的三維地震方差屬性，在馬路背地區須家河組二段致密砂巖的斷層破碎帶的多屬性分析基礎上(廖宗湖等，2020，見本刊[17])，對目標層的重點斷層破碎帶結構進行分析，也對其層控特征進行初步解析。該研究為地下斷層破碎帶內部結構解析提供了工具，也是建立川東北致密砂巖斷縫成藏系統的基礎。

1 研究方法

地震的方差屬性是通過計算地震道波形之間方差來形容道與道之間的差異程度，以此檢測地下斷層的發育情況[3]。這種方差屬性的方差值是定量的，通過加權歸一化處理后方差值介于0～1之間，在斷層發育區，構造變形越強烈的地方，相鄰道之間的波形差異越大，方差越高，其值越接近于1。基于以上理論，Liao等 (2019)提出了利用方差屬性值量化斷層破碎帶寬度的方法[3,18-20]。圖1為斷層破碎帶結構平面或剖面示意圖，其中圖1a為單核斷層，圖1b為復合斷層(多個斷層核)。圖中紅色表示斷層核發育的區域，灰色表示破碎帶發育的區域。那么圖中斷層破碎帶寬度基于方差屬性值的具體量化方法為：①在距離破碎帶合適的位置選擇一條基線(圖2下圖藍線)，該基線需要平行于所量化的斷層帶局部延伸方向。②以該基線為起點作適量測線垂直于斷層破碎帶，測線之間的距離不宜過大。③在每條測線上選擇一定的間隔取適量的測點。④以測點離基線的距離為橫坐標，測點的方差值為縱坐標，制作每條測線距離—方差值的變化曲線。⑤選擇合適的破碎帶和圍巖的方差邊界值(背景值)以確定斷層具體寬度。

圖2 局部單核、多核斷層在須家河組二段頂層方差屬性圖中位置Fig. 2 The location of local single core and multiple cores fault in the variance attribute map on the top of T3x2

2 結果與分析

2.1 斷層破碎帶的結構識別

由馬路背地區須二段地層的方差屬性圖可以看出(圖2)，研究區主要斷層破碎帶的斷層核表現出多個斷層核的復合特征，且多個斷層核之間也表現出斷開、交叉、扭曲等復雜的結構，僅有部分次生小斷層表現為單斷層核形態。本文選擇局部斷層核形態較清晰的部分為例進行進行量化分析；圖2右下角處于通南巴背斜側翼構造低部位，本文不做分析。其中L1～L5為單核斷層破碎帶的測線，L6～L8為多核斷層破碎帶的測線。圖3展示了沿每條測線上方差值的變化曲線。從圖中可以看出：具有單個斷層核的斷層破碎帶量化曲線表現出明顯的單峰特征，而具有多個斷層核的復合斷層破碎帶表現出明顯的多峰特征[17](圖3中粉色區域)，且越靠近斷層核的的位置，方差峰值相對而言越高。

圖3 局部單核、多核復合斷層方差屬性值分布圖[17]Fig. 3 Local single core and composite fault (with multiple cores) variance value distribution maps[17]

圖4 局部單核斷層方差值和累計方差值與斷層核距離的關系Fig. 4 Relationship between local single core fault variance value/cumulative variance value and fault core distance

破碎帶和圍巖的方差邊界值(背景值)的選擇對量化斷層破碎帶的寬度尤為重要。這里沿用累計裂縫密度的方法，通過使用累計方差值，將累計方差值曲線斜率突然降低的地方視為破碎帶和圍巖的邊界，該地方的方差值作為背景值。我們使用單核斷層測線L1～L5的平均值分別作斷層兩盤方差值和累計方差值隨斷層核距離變化的曲線(圖4)。這里的坐標原點為斷層核而非測線基線，其中斷層核的選取為每條曲線的方差最高值。從累計方差值斜率的變化特征可以看出，在斷層兩盤分別有兩個不同梯度的斜坡交點，將該量化區域分為三個帶：中高方差值的強破碎帶(約為100 m)，中低方差值的過渡帶(斷層兩盤都約為80 m)、特低方差值的圍巖帶。理論上，該處背景值應處于過渡帶與圍巖交界的方差值(0.1)和過渡帶與強破碎帶交界的方差值(0.3)之間，這種選擇方法可以在一定程度上減少人為主觀定義斷層破碎帶的邊界的差異導致的破碎帶寬度的變化。因為整個工區主要斷層帶周圍的背景裂縫較多，不宜選擇過低的背景值進行量化，所以本文選擇方差值0.2作為破碎帶的邊界值。但這里的方差值0.2仍然是經驗取值。

根據邊界值0.2，可以在“測點離基線的距離—方差值”坐標系中得到單核和復合斷層破碎帶的寬度(圖3)。其中，單核破碎帶寬度為125 m，復合斷層帶的寬度為850 m。兩個斷層破碎帶比較，可以發現隨著離破碎最嚴重的區域(峰值區)距離增加，破碎強度逐漸減弱(方差值逐漸降低)，且在開始的時候減弱速度較快，一段距離后，減弱速度降低。這些規律和我們之前的研究成果一致[3,17-18]。

由圖1和圖2可知，全國大部分地區Cd污染較為嚴重，而Cr和Ni污染較輕，這與表4表5評價結果一致。總體而言，除 Zn之外，非工業區和工業區的重金屬污染嚴重區域有相同的分布規律，即人口較多、工業集中、經濟發達的中東部地區的降塵中重金屬含量普遍高于人口稀少、發展滯后的西部地區。不同之處在于，工業區中重金屬的污染情況更為嚴重且區域多集中在中西部重工業基地以及有色金屬礦區和冶煉區。

圖5 方差平均值和距斷層核距離的關系圖(注：a,b為破碎帶方程參數，見式(1)和(2))Fig. 5 Relationship between average variance value and distance from fault core (Note a and b are parameters for damage zones as indicated by Eqs. (1) and (2))

2.2 變形程度和斷層核距離的關系

為了進一步研究破碎程度隨著離斷層核距離的增加而降低的規律，我們對單核斷層和典型的復合斷層的方差數據進行初步的數值分析。首先分別求取L1～L5、L6～L8方差的平均值，然后以離基線距離為橫坐標，平均方差值為縱坐標作散點圖，對每個斷層核兩邊的方差值進行函數擬合(圖5)，擬合結果顯示指數模型的效果好，其擬合優度總體上都在0.9以上。

根據圖5中對局部單核、復合斷層的指數函數擬合結果，可以分別用一個分段函數來表示該局部單核、復合斷層方差值隨離基線距離增加的變化的情況。特別地，雖然該局部多核斷層的斷層核有三個，但是其方差峰值大于三個，且在遠中心的峰值遠遠低于中心、近中心處的峰值。這里根據實際情況選擇5個峰值，10個指數函數來表征該多核斷層的方差變化情況。綜上，單核、多核復合斷層的方差值v和離基線距離d的函數關系分別如式(1)和式(2)所示。

我們可以比較容易地將以上特例的函數關系推廣至一般情況。如圖6所示，若某個斷裂帶有n個斷層核(n≥1)，第一個斷層核和基線之間的距離為D1，第二個斷層核和基線之間的距離為D2…第n個斷層核和基線之間的距離為Dn，且第一個斷層核與第二個斷層核之間方差值的最小之處和基線的距離為D12，第二個斷層核與第三個斷層核之間方差值的最小之處和基線的距離為D23，……，第n-1個斷層核與第個斷層核之間方差值的最小之處和基線的距離為D(n-1)n。

在該坐標系內，若某點離基線的距離為，則該點的方差值和的函數關系為：

其中，a、b是和巖層物理性質或者該處所受應力強弱有關的常數。

至此，我們得出一個基本由多個指數函數組成的分段函數，來描述在“測點離基線的距離—方差值”坐標系方差值具體的變化規律，這個函數本質上描述了隨著離斷層核距離的增加，破碎程度呈指數函數的趨勢減小。

2.3 斷裂帶的縱向分布特征及層控效應

基于上述對于斷裂破碎帶的定量研究，Liao等(2019)[3]利用地震相干屬性通過提取不同地層的斷層兩側的相干值來研究斷裂帶的垂向分布特征。在這里，我們使用地震方差屬性來研究高產井馬101井附近斷層破碎帶的垂向分布特征。

首先，我們對馬路背地區斷層塊中不同深度F3破碎帶的寬度進行了量化，在方差屬性平面圖的頂部，沿著斷層走向分布了多條測量線，根據測量線的方差分布，刻畫不同層位的斷裂發育情況，并顯示了該級別裂縫區域的大致分布位置。

圖6 方差值和距斷層核距離關系示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the relationship between the variance value and the distance from the fault core

隨后，對須二段內部的斷裂帶分布進行了研究。我們可以看到內部的破碎帶更加發達，破碎帶更寬(圖7)。據此刻畫出須二段不同層位斷層破碎帶的寬度，發現須二段中部的破裂強度比上下兩個部分更明顯，并且裂縫也更加發育(圖7b)。根據方差值的高值范圍確定斷層斷裂帶的寬度，并表征斷層形態從須二段頂部到底部的變化。破裂更顯著時，裂縫區域的寬度越大，在一定程度上表明裂縫區域的動態蔓延過程。根據經驗背景值0.2確定斷層破碎帶的寬度為700～1200 m(圖8a)。不同的破碎帶寬度充分體現了斷層在破裂擴展過程中在不同地層產生不同的破裂形變程度。總體變化規律是斷層破碎帶寬度從上到下逐步變小，可能代表著斷層破裂最劇烈的中心點在研究區上方[21]。然而，這種破碎帶的寬度變化，更多代表著研究區須二段致密砂巖內部存在力學性質的差異性。須家河組須二段和須四段都是脆性致密砂巖，須三和須五是具有一定塑性的泥頁巖，這些地層的力學差異在主斷層破裂過程中產生了不同的變形區間，進而出現了“層控特征”。總體來說，致密砂巖地層具有較寬的破碎帶，而泥頁巖則較窄，這些層控特征直接影響著斷層破碎帶的空間立體分布[3]。

圖7 須二段內部F3斷層破碎帶分布圖(截取區間見圖2綠框；圖b中數字代表空間距離，單位m)Fig. 7 Fault damage zone distribution of F3 within Xu2 Formation(Area extracted from green box, Fig. 2; Numbers in Fig. b represents relative distance/m)

基于上述方差屬性數據及相關分析結果和平面分布結果，本文刻畫了馬路背區塊斷裂帶的立體示意圖(圖8b)，圖中用紅色陰影部分表示斷層破碎帶發育區，彩色虛線表示須二段不同層位斷裂破碎帶帶的寬度變化情況。由此可以看出，破碎帶伴生的裂縫和背斜頂部的裂縫帶是須二段重要的儲集空間。

2.4 局限性分析

本文基于屬性的量化模型相較于地表裂縫測量的方法具有明顯優勢。首先這種量化模型適用于地下的斷裂破碎帶寬度量化；其次，由于方差屬性值是由地震數據中計算得到，所以這種方差值大小不受人為因素影響，更加客觀；此外，因為方差的數據在工區范圍內隨處可取，所以理論上是可以計算目標斷層在空間任何位置的破碎帶寬度。

但是問題同樣存在，如對斷層局部破碎帶寬度沒有統一定義。本文是以局部位置的破碎寬度平均值作為該斷層破碎帶的寬度，而也有學者以局域范圍內的最大寬度作為該斷層的破碎帶寬度[3]。還有更重要的一個問題是關于破碎帶和圍巖的方差邊界值(背景值)的選擇。因為所有的物理性質都是逐漸而不是突然變化，所以精確識別破碎帶與圍巖之間的邊界較困難。本文采取的方法和地表露頭的研究方法有所類似，即采用裂縫的累計密度曲線的斜率表示破碎帶裂縫數量的變化率，把該曲線斜率突然降低的位置作為破碎帶和圍巖的邊界[14]。但是該方法受限于地震資料的品質，對小于100 m的斷層破碎帶難以刻畫。

圖8 (a)通南巴地區斷裂破碎帶不同地層寬度和(b)斷縫系統模式圖Fig. 8 (a) Widths of fault damage zones for various beds and (b) Geological model of fault-fracture system in Tongnanba anticline

3 結論

本文基于三維地震屬性技術刻畫馬路背地區須家河組二段致密砂巖的斷層破碎帶，并基于方差屬性對工區內的主要斷層破碎帶寬度進行量化分析，得出如下認識：

(1)工區斷層破碎帶的結構可以分為單核斷層破碎帶和多個核部的復合斷層破碎帶。結果顯示，無論是在斷層破碎帶和圍巖之間、還是斷層核與斷層核之間，隨著離核距離的增加，變形強度都呈指數衰減。

(2)基于方差屬性量化斷裂帶寬度的難點在于破碎帶和圍巖邊界值的選取。本文利用累計方差值的斜率變化點，結合川東北致密砂巖具體情況，選取方差值0.2作為邊界值，確定該斷層破碎帶寬度在700～1200 m之間，但該值仍然具有人為主觀性，屬于經驗取值。

(3)通過破碎帶寬度量化分析，認為研究區目的層斷裂帶的寬度表現出極強的不均質性。致密砂巖不僅各斷層破碎帶之間寬度差異大，對該區主要斷層破碎帶寬度分析顯示，斷層破碎帶寬度在深度上也有明顯變化，其結構顯示出明顯的“層控效應”。這些構造特征對構建該區致密砂巖斷縫成藏體系具有重要意義[22-24]。