斷層帶結構及滲透特性分析

陳 瑋，張麗芬，趙艷南

（中國地震局地震研究所〈地震大地測量重點實驗室〉，湖北武漢430071）

1 概述

在淺層地殼中沿著斷層的破裂造成了介質滲透性的非均勻性和各向異性，這對區域地下流體運移、地熱流體循環、溶質遷移等過程均有重要影響。斷層帶可以作為淺部流體向深部運移的水力通道，但也可能對流體的運移起到阻礙作用[1]。加強對斷層帶滲透性的研究，一方面能夠幫助人們了解地殼巖石滲透性的變化規律和變化機理；另一方面，也能夠為斷層帶滲流模式以及影響研究提供參考依據，具有重要的理論和實際意義。

本文從斷層帶結構、斷層帶不同結構部位的滲透特性等角度出發，通過對前人研究的歸納總結，討論了斷層帶各種變形過程的產生以及其對滲透性的影響，旨在能從水文地質學的角度對研究流體與斷層相互作用起到一定的促進作用。

2 斷層帶結構

斷層帶有多種類型的分類，這里的分類主要是基于巖石類型的水文地質概念模型，選擇這個分類的原因是斷層帶的結構構造及其導致的滲透性結構和含水層的發育受到巖石類型的控制[1]。Caine[2]等（1996）根據現場調查、實驗室滲透率測量和斷層及附近的流量的數值模擬結果，提出了斷層滲透性結構模型，認為斷層帶主要包括斷層核和破裂帶。Heynekamp等認為在固結程度較低的沉積物中發育的斷層，破裂帶和斷層核之間還有一種混合帶。混合帶由于構造錯動圍巖層狀結構被破壞,并在斷裂活動中混合了相鄰沉積層物質,結構上從輕微變形到頁理化。為避免造成混亂,在本文中，我們僅考慮單個斷層帶的滲透率，并將斷層核和破裂帶作為斷層帶的基本結構單元來進行闡述。

2.1 斷層核

斷層核（Fault Core）包括斷層滑動面以及斷層泥、糜棱巖、碎粉巖等斷層巖的充填部分,滲透率低,通常表現為隔水性質[3]。粒度的減小和礦物的沉淀造成斷層核的孔隙度和滲透率低于相鄰的圍巖。基于現場的觀測結果表明，斷層沿傾向和走向的厚度變化及內部的結構和組成，在控制斷層核的滲流特性方面發揮了重要作用。

斷層核通常具有低滲透性，但不一直是作為滲流的隔水障礙，特別是在變形期間[1]。例如，在Dixie Val?ley斷層帶上的研究表明，在變形時，斷層核可作為一定短時期的導水通道，然后迅速密封形成隔水障礙。

2.2 破裂帶

破裂帶是斷層核的邊界結構。破裂帶中的從屬構造包括導致斷層帶的滲透性和彈性特性的非均質性和各向異性的次級斷層、節理、裂縫等。微構造數量隨著與斷層核距離的增加而逐漸減小。當破裂帶密度與區域裂縫或變形帶密度一致時，標志著破裂帶結束[5]。斷層帶變形過程和結構單元對斷層發展過程和斷層滲透率的理解尤為重要。

斷層核中的裂隙密度通常明顯小于破裂帶。因此，斷層核的滲透率可能由斷層巖石介質粒度的滲透率主導，而破裂帶滲透率則由裂隙網絡的水力特性支配。Caine[2]（1996）現場觀測表明，破裂帶的滲透率是裂隙主導的。Bruhn（1993）采用Oda等人（1987）的斷裂滲透率估算方法對Dixie Valley斷層帶和東格陵蘭Traill碎屑巖的單斷層的破裂帶滲透率進行初步估計,結果表明破裂帶的滲透率比圍巖的滲透率大2～3個數量級，比斷層核粒徑滲透率大4～6個數量級。實驗室的滲透率測試也表明在一定尺度下，斷層巖、破裂帶和圍巖樣品之間的滲透率差異達到約4個數量級[8]。

2.3 斷層滲透性模型

定向樣品的實驗室滲透率測試結果顯示，破裂帶通常是平行于斷層面的導水通道，而斷層核是平行和垂直于斷層的隔水障礙。斷層核與破裂帶之間的滲透率的對比是導水—隔水耦合系統的主要控制因素[2]。

Caine[2]等(1996)通過一系列的露頭觀測，提出了一個低孔隙巖石的斷層滲透結構的概念模型（圖1）。該模型給出了4種典型滲透結構：導水—隔水復合斷層帶（CDZ）、導水斷層帶(DDZ)、局部隔水帶(LDZ)和局部導水帶(SFF)（圖1）。這4個特征結構受控于相對低滲透率斷層核與較高滲透率破裂帶占據的斷層厚度的百分比。在該模型中,使用破裂帶寬度與總斷層厚度的比值來對斷層滲透性結構進行量化描述，并且斷層滲透性結構可以是以4個特征滲透結構作為端值，組成的連續性模型中的任意一點。

圖1 斷層帶滲透性結構

4個特征滲透結構既表示一類特定水文地質性質的斷層,也可以視為斷層演化過程的一個階段。一般而言，局部隔水帶中破裂帶不發育,構造巖膠結完好,斷盤巖為延性巖體。局部導水帶中破裂帶不發育,斷層面無充填或充填物疏松,通常斷盤巖為脆性巖體。導水—隔水復合斷層帶為兩側導水、中間隔水的滲透結構，構造破裂帶發育,斷層核構造巖膠結完好,透水性差。導水帶破裂帶發育中斷層核寬度大,膠結疏松,主要為張性正斷層,斷盤的巖性以脆性為主[5]。

3 影響斷層帶滲透特性的變形過程

斷層帶的滲透性受到斷層不同變形過程的影響，變形過程的產物導致斷層帶的滲透性提高或者降低。在此，我們主要介紹與斷層演化直接相關的變形過程，并討論這些過程是如何產生以及其對斷層滲透性的影響。

3.1 未固結巖石中的顆粒流

R.A.Bagnold(1954)認為在流動的沉積物內，無凝聚力的顆粒之間碰撞作用所產生的支撐應力在顆粒之間傳遞剪應力所引起的顆粒流動，稱為顆粒流。在內聚力較低的巖石中，特別是未固結的巖石，吸收拉應力后的第一階段是形成膨脹帶(Du Bernard，2002)。沿膨脹帶，巖石顆粒被解聚，但是沿著膨脹帶每個顆粒彼此間沒有錯動而產生任何剪切偏移。一旦沿著膨脹帶發生偏移，就形成剪切帶（圖2），剪切帶和膨脹帶都屬于變形帶范疇。顆粒流的產生導致孔隙網絡的重新排列，最初的膨脹造成滲透性的略有增加。而隨后沿變形帶的剪切和顆粒的旋轉產生各向異性的特性（Bense，2003）。在地球淺表（＜100m），未固結巖石的滲透性通常不會受到斷層過程的影響。隨著埋深逐漸增大，顆粒的碎裂逐漸沿變形帶產生，使得變形帶顆粒粒度不均，分選性變差，進而可能造成滲透率的明顯降低。

圖2 膨脹帶和剪切帶

當斷層位移大于沉積層厚度時，顆粒流導致不同粒度的未固結巖石的混合，混合后的斷層中的構造沉積物導致斷層帶的孔隙率和滲透性降低。Heynekamp等（1999）研究結果表明，相對均質的源層混合導致了斷層帶的非均質性。與原砂層相比，沿美國新墨西哥州的Sand Hill斷層帶形成的砂巖和粘土的互層,由于不完全的混合，滲透率降低了6個數量級。除此之外，某些硅質沉積物顆粒的旋轉造成的滲透率的各向異性，也會造成滲透率降低[1]。

3.2 破裂作用和角礫成巖作用

斷裂是巖層在應力作用下發生破裂并沿破裂面產生明顯相對移動的一種構造變形現象（Arch，1990），破裂作用是一個增加滲透性的典型過程。

單一裂隙，或若干個互不切割的裂隙不能構成連續的導水通道。只有不同方向的裂隙互相交切，才能形成裂隙網絡，構成滲透性良好的導水介質[8]。對于低孔隙度（＜10%）和低滲透率的巖石，其孔隙度和滲透率主要取決于裂隙網絡。裂隙網絡的滲透性受斷裂網絡的連通性和裂隙孔徑分布的控制（Bour，1997）。而裂隙網絡的連通性則主要取決于裂隙密度、裂隙取向和裂隙長度分布。一般來說具有中等孔徑的單個裂隙可以控制局部的滲透性。近斷層帶斷裂密度和連通性通常增加顯著，這就使得在斷層附近的巖石的滲透性大于原巖的滲透性[1]。Evans等（1997）研究論證了這一點，他們對美國懷俄明州的East Fork逆斷層的進行觀測，結果表明相比圍巖，其有效滲透率增加了2～3個數量級。

角礫成巖作用是低孔隙度巖石（如結晶巖和碳酸鹽巖）的典型斷層變形過程（Sibson，1977）。角礫巖是由高強度角礫作用產生的棱角狀、粗粒碎片構成的斷層巖（Borradaile，1981），埋藏在不超過30%巖石體積的細粒基質中。近地殼幾公里通常形成無內聚力角礫巖,隨著節理的發育，通常導致滲透性的提高，或者埋藏固結成巖后抬升階段發生斷裂變形。由于應力松弛和應力釋放，裂縫大量發育，斷裂變形形成無內聚力的斷層角礫巖，形成高滲透斷層帶。以碳酸鹽巖為例，在埋藏不足3km時，斷裂變形開始是以破裂作用為主，產生大量的粒間裂縫和粒內裂縫，逐漸形成無內聚力的斷層泥和斷層角礫巖。一般來說，這種斷層帶具有“膨脹”特征，隨著裂縫形成和張開，滲透率明顯增大。在秦皇島山羊寨發育在小于3km的淺層斷層，在斷層面發育有無內聚力斷層角礫巖，滲透性相較圍巖有明顯的增大[4]。在結晶巖中，根據Caine等(2010)的研究，美國內華達州迪克西瓦利地區發育Stillwater發震正斷層的角礫巖，在同震期間混合模式變形，以剪切和膨脹為主，導致角礫巖滲透率的相對提高。之后由于孔隙的膠結作用，或者沿著斷層帶進一步研磨細化，造成滲透性劇烈降低。

3.3 泥巖涂抹

泥巖涂抹是斷層滲透性降低的重要機制之一[1]。在未固結巖石、硅質沉積巖和碳酸鹽巖等圍巖中均發現泥巖涂抹造成斷層滲透率顯著降低的現象。

未固結、半固結和固結成巖的泥巖均可形成泥巖涂抹，規模從來源于砂泥巖薄互層中的數毫米或數厘米，厚到復雜斷層帶中的幾米厚[6]。泥巖涂抹量主要取決于斷層的斷距、巖性組合及泥巖塑性等多種因素[7]。泥巖涂抹的形成和演化規律內容較多，不在本文中贅述，但其他文獻已有詳細描述。

泥巖涂抹產生沿斷層面分布的一個連續低滲透粘土物質帶，造成垂向和/或側向滲透性的顯著降低（如圖3所示）。斷層變形過程形成了多種類型的斷層巖，包括碎裂巖、解聚帶和膠結斷層巖等，對比這幾種類型的斷層巖滲透率，泥巖涂抹有最低的滲透率，具有較強的封閉能力。泥巖涂抹比圍巖中泥巖滲透率降低2～3個數量級，比圍巖中砂巖滲透率降低3～9個數量級。現場調查表明，在Roer裂谷系統中萊茵河下游的未固結沉積斷層，沿斷層面的泥巖涂抹是造成沿斷層滲透率低的主要作用（Bense，2004）。

圖3 泥巖涂抹

泥巖涂抹的作用可以用斷層泥比率（SGR）方法進行量化描述，這在油氣相關研究中是很常見的，但目前極少應用于地下水滲流研究。Bense等（2004）使用Sperrevik等人（2002）提出的SGR和斷層位移的經驗關系，計算出Rheindahlen斷層帶滲透率和寬度，與地下水數值模型得到的結果相吻合，他認為在水文地質模型中SGR方法可以應用于計算斷層的水力特性。

3.4 碎裂作用

碎裂作用是顆粒的普遍脆性壓裂和粉碎。通常來說，碎裂作用是造成未固結巖石和低孔隙巖石滲透性降低的主要變形過程。

在低孔隙巖石中，碎裂作用通常在一定深度后變為主要的變形過程[4]。同樣以碳酸鹽巖為例，當埋深大于3km后，沿著裂縫發生摩擦滑動并伴隨破碎的顆粒滾動，產生碎裂流，形成斷層泥、斷層角礫巖和碎裂巖，通常造成滲透率降低。例如，埋深超過5km的希臘Corinth斷層帶中的Pirgaki斷層，靠近下盤發育顆粒直徑50～200μm的固結超碎裂巖，與圍巖的滲透率相比，降低了多個數量級[4]。

地表附近的未固結巖石通常發生顆粒流作用，然而隨著深度增加，巖石強度增強，Sperrevik等認為在埋深超過500m時，碎裂作用會成為主要的變形過程。此外，發生在未固結沉積物中的碎裂作用的效率隨著顆粒組成而變化[1]。強度相對較弱的顆粒如長石可以被完全粉碎，而強度高的石英顆粒則顯示出晶粒剝落的破壞特征，而不是通過粉碎完全分解（Shipton，2001）。

固結砂巖中的碎裂變形帶網絡是碎裂作用研究的焦點。與未變形的砂巖相比，具有低粘土含量的固結砂巖中的碎裂變形帶的滲透率通常降低4～5個數量級，這正被許多現場和滲透性試驗所證實（Fisher，2001）。目前，對沿著碎裂變形帶的滲透率降低的幅度和空間變異性的控制仍然是研究的重點（例如，Torabi和Fossen，2009）。

4 討論與結論

本文討論了幾種變形過程對斷層滲透性的影響（如表1所示）。然而需要注意的是，同一種變形過程在不同時期對滲透性的影響也是不同的，早期未固結巖石中的顆粒流作用會使得孔隙網絡的重新排列，使得滲透率短暫提高。

斷層滲透性是多種變形過程的產物耦合的結果，滲透性的增加或減少是由主導的變形過程所決定，如破裂作用占主導作用時，通常形成未固結的斷層角礫巖和斷層泥，滲透率相較于圍巖有所增加。一些次生過程或更大尺度的過程如壓實、構造應力和地球化學過程也對斷層滲透性也具有相當大的影響。

變形過程的產物也同樣受多重因素的制約，包括內因（巖性、礦物成分、成巖階段等）和外因（溫度、圍壓和變形深度等）。碎裂作用形成的斷層泥帶通常滲透率低于圍巖，而形成的有內聚力的斷層角礫巖帶和碎裂巖帶滲透率同圍巖比，變化不一。

5 斷層水文地質學的展望

為了更全面地了解斷層水文地質，滲透性的研究仍然需要在以下幾個方面不斷的努力。

（1）增加對未固結巖石（松散沉積物）的研究。例如對可滲透的砂和礫石的水文地質研究較少，在斷層帶中砂礫可通過顆粒流替代或與低滲透性巖床（如粘土和頁巖等）混合在一起。該過程通常會導致斷層帶的滲透性增加（Lewis,2002）。

（2）野外調查研究進一步細化。在各種尺度、不同巖性的斷層帶的各個部分采集樣品并進行測試，以獲取更多的數據。這樣對斷層特征滲透性結構的研究可以增加新的元素，如時間、巖性、尺度等，將使得該模型更加全面，并可能為更好地預測斷層帶滲透性結構提供更多幫助。

（3）跨學科的結合。現有文獻所提出的斷層水文地質模型，包括Caine所提出的導水-隔水耦合系統等概念模型都是由構造地質學家提出，這些概念模型很大程度上有待于相同斷層帶的同一位置的水文地質資料所進一步證實。

6 結語

本文通過對斷層帶的不同變形過程的研究進行回顧分析，進而分別從顆粒流、碎裂作用等方面對斷層帶滲透性的影響做出了系統總結，并對斷層水文地質學的研究方向進行了展望。當前，關于斷層水文地質學的成果較多，大多都是地質學家基于露頭觀測數據所提出的，缺少相應的水文地質資料和方法對其進行進一步的完善。同時斷層滲透性研究的覆蓋面可以進一步擴大，野外調研工作也需要進一步精細。