構造變形作用下頁巖孔裂隙結構演化特征及其模式
——以四川盆地及其周緣下古生界海相頁巖為例

朱洪建，琚宜文，孫 巖，黃 騁，馮宏業，Ali Raza，余 坤，喬 鵬，肖 蕾

(1.中國科學院 計算地球動力學重點實驗室，北京 100049；2.中國科學院大學 地球與行星科學學院，北京 100049；3.燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066000；4.南京大學 內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210093；5.南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093)

中國南方上揚子區域地質構造復雜，下古生界海相頁巖層系經歷了印支期以來的抬升以及燕山期和喜馬拉雅期等多期構造運動的強烈擠壓、隆升和疊加改造，褶皺、斷裂、抬升及剝蝕作用強烈，頁巖氣賦存和保存條件復雜，給海相頁巖氣勘探開發增加了難度[1-2]。在四川盆地及其周緣，先后發現了涪陵和長寧等高產頁巖氣田[3]，然而在盆外至今還沒有取得大規模的商業性頁巖氣發現，揭示了四川盆地廣大外圍區域頁巖氣富集和成藏的復雜性，也表明中國南方頁巖氣的勘探開發還存在許多特殊地質問題需要解決。

近年來，關于富有機質頁巖微-納米孔裂隙結構、儲集類型、運移能力、儲層物性、吸附性和含氣性等相關研究受到了廣泛重視[4-6]。其中，孔裂隙結構是評估儲層質量、總含氣量以及研究頁巖氣賦存、運移和富集機理的重要參數，也是當前非常規致密儲層研究的重點[5]。前人研究表明，富有機質頁巖中含有豐富的微-納米級孔隙和少量的微裂隙，孔隙是頁巖氣的主要儲集場所，而微裂隙是氣體分子重要的運移通道，它們受構造-沉積演化、成巖作用、熱演化和巖石組分等控制，其中構造應力作用是其重要的外部影響因素之一[7-10]。然而，目前國內外針對構造變形作用對頁巖儲層微-納米結構控制的研究并不多見，多是從宏觀角度去描述儲層的構造樣式、頁巖氣富集模式和保存條件等[1-3]，尚未從微觀角度系統地討論構造變形作用下頁巖孔裂隙結構的演化特征及其對儲層的改造作用。在外部構造應力的影響下，頁巖有機質和礦物結構受到改造，繼而影響孔隙和裂隙的結構特征，從而使頁巖氣的賦存和運移產生相應變化[7-10]。本文以川東南下志留統龍馬溪組及川東北下寒武統魯家坪組等潛力海相頁巖為研究對象，對不同構造類型和不同變形機制頁巖進行了掃描電鏡、低溫氣體吸附和壓汞實驗，根據實驗結果進行對比與分析，探討了構造應力對富有機質海相頁巖微-納米孔裂隙結構演化的影響。

1 區域地質概況

揚子陸塊是中國3大古老的板塊之一，其在新元古代末晉寧運動中形成了穩定的基底，可分為上揚子、中揚子和下揚子3個部分[11]，其中上揚子主體位于四川盆地及其周緣，是目前中國海相頁巖氣勘探開發的主要區域[12-14](圖1)。晚三疊世以來，在強弱交替的水平擠壓作用下，上揚子區域受到多期次構造疊加和構造改造作用[15]。印支運動導致全區抬升，構造格局和性質均發生了巨大變化，使整個上揚子出現海-陸過渡和轉換，由于強烈的構造反轉以及前陸造山作用，其總體地貌呈現為被周緣山系所圍限的四川“菱形”盆地[16]。在燕山期，該區處于強烈的擠壓性構造環境，表現為差異性的升隆運動，而在喜馬拉雅運動后由于更加強烈的擠壓變形，形成了更復雜的褶皺和斷裂組合，進入了陸內復合造山與前陸盆地的新一階段的構造演化事件[17]。

圖1 中國南方上揚子區域構造綱要示意圖

川東南從川東至湘鄂西接近400km的寬闊褶皺-沖斷帶由一系列被斷層切割改造的復向斜和復背斜相間構成[18]。以齊岳山斷裂為界，可進一步劃分出川東隔擋式褶皺帶與湘鄂西隔槽式褶皺帶2個不同的構造區(圖1，圖2a)。川東北位于上揚子板塊東北緣，跨越揚子板塊和秦嶺造山帶2個大的構造和沉積單元，整體為一向南西凸出的弧形構造帶[7]。該地區區域構造復雜，在印支期秦嶺碰撞造山帶南緣前陸盆地的基礎上，經歷了多期構造疊加而形成了沖斷褶皺帶[19](圖2b)。

圖2 四川盆地及其周緣地質剖面

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集

本次研究為了初步量化構造應力的大小、機制以及復合疊加等特性，在野外巖石露頭剖面分別采集了不同構造類型以及不同變形機制的頁巖樣品，因而能從多角度和多層次來細化構造變形作用這一綜合概念，從而能夠系統地揭示構造應力對頁巖結構演化的控制作用。

不同構造類型樣品采自重慶市秀山石耶鎮剖面(圖1，紅色五角星指示)，該剖面出露一套完整的頁巖滑脫層構造樣式，由于層滑構造的存在，頁巖層表現出明顯的構造變形特征(圖3a)。樣品為下志留統龍馬溪組富有機質頁巖，類型包括單斜巖層未變形頁巖、褶皺部位頁巖和斷層部位頁巖。2塊樣品采自褶皺的翼部，為單斜巖層，距離褶皺核心部位較遠，變形程度較弱，顯微尺度上未見變形結構特征(圖3b)；6塊樣品位于褶皺2個連續背斜和向斜構造的軸部，為褶皺部位頁巖，變形程度較強，顯微尺度上可見強烈的揉皺變形特征(圖3c)；4塊樣品位于一個逆沖斷層內部，為斷層部位頁巖，變形程度較強，顯微尺度上可見強烈的顯微裂隙及脈體發育，基質被切割成多個碎片(圖3d)。從野外剖面中可以看出所采單斜巖層頁巖所受變形作用較弱，巖石層理結構完整，而褶皺部位和斷層部位頁巖所受變形作用較強，巖石層理結構被嚴重破壞。

脆性和韌性變形的頁巖樣品分別采自重慶市城口河魚和修齊剖面(圖1，黃色五角星指示)，為下寒武統魯家坪組頁巖。脆性變形頁巖采自城口河魚剖面(圖3e)，剖面斷層和節理十分發育。較大規模的斷裂與巖層夾角超過50°，切穿了巖層層理，按照距主斷裂的距離以及裂縫/節理密度，依次采集了5塊頁巖樣品，脆性變形程度由弱變強。脆性變形序列頁巖宏觀上表現為巖石較堅硬、斷口清晰平直，顯微尺度上表現為多組裂隙發育，以脆性破裂構造為主(圖3f)。韌性變形頁巖采自城口修齊鎮剖面(圖3g)，頁巖地層呈緊閉復雜褶皺，按照從褶皺翼部到核部的順序，依次采集了5塊頁巖樣品，韌性變形程度由弱變強。韌性變形序列頁巖宏觀上表現為強烈韌性流變變形，巖石較松軟，顯微尺度上表現為基質組分定向排列，具有強化面理、線理或流動構造(圖3h)，頁巖可被劈理化和糜棱巖化，頁巖的原生結構完全遭到破壞。

圖3 四川盆地周緣海相頁巖樣品采樣地質剖面與顯微尺度結構特征

2.2 研究方法

本文的研究方法有：巖石薄片觀察、聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)二維觀測、低溫氣體吸附實驗以及壓汞法測試，依次用于頁巖顯微變形結構、孔裂隙形貌和類型、孔徑分布等定性表征或定量計算。

巖石薄片的制作按照中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 5913—2004標準執行。具體的巖石制片方法遵循如下步驟：取樣、膠固、磨平面、粘片、磨片、蓋片以及貼標簽。巖石薄片的觀察采用萊卡DMLP偏光顯微鏡與萊卡DFC450C相機系統，測試分析在中國科學院大學地球與行星科學學院顯微鏡實驗室完成。

FIB-SEM二維觀測在FEI公司生產的Helios 600型聚焦離子束掃描電鏡(型號為：FEI Helios NanoLabTM600 DualBeamTMFIB-SEM)上完成，儀器最大分辨率小于1 nm，樣品制備及觀測分析均在哈爾濱工業大學分析測試中心完成。制樣和觀測程序如下：沿垂直于露頭或巖心樣品層理方向將頁巖樣品切割成較薄光片，尺寸在0.5 cm×0.5 cm，然后依次進行機械磨平和氬離子拋光處理。將拋光好的樣品表面再進行噴金處理以增加其導電性，最后將其用導電膠固定在樣品臺上進行觀測。

低溫氣體吸附實驗使用美國康塔公司生產的Autosorb IQ全自動比表面積及孔徑分析儀，執行標準依據GB/T 21650.3—2011，測試地點為北京市理化分析測試中心。首先，頁巖樣品粉碎為60～80目，在110 ℃條件下進行12 h的抽真空預處理；然后，在0 ℃(273.1 K)條件下升高壓力，測得頁巖樣品在不同相對壓力下的二氧化碳吸附量；最后，獲得吸附曲線，對數據進行處理。液氮吸附實驗以純度大于99.999%的氮氣作為吸附質。頁巖樣品(60～80目)經110℃真空脫氣12 h，去除樣品中存在的水分和具有揮發性物質，在低溫-195.8 ℃(77.3 K)液氮中進行等溫吸附、脫附測定。基于吸附數據，利用DFT(Density Function Theory)方程分別計算了樣品微孔(<2 nm)和中孔(2～50 nm)的孔隙結構參數。

壓汞法測試執行中華人民共和國石油天然氣行業標準為SY/T 5336—2006《巖心常規分析方法》和SY/T 5346—2005《巖石毛管壓力曲線的測定》。實驗儀器為AutoPore Ⅳ 9505壓汞儀，樣品測試前在105 ℃下烘干至恒重，壓汞實驗包括加壓進汞、減壓退汞過程，最高實驗壓力200 MPa。

本文采用低溫二氧化碳吸附法來確定微孔的分布特征，通過低溫液氮吸附法測定中孔的分布特征，利用壓汞法測定大孔(>50 nm)的分布特征，以此來獲取頁巖全孔徑的孔隙結構特征。

3 不同構造類型頁巖孔裂隙結構特征

近年來有關構造煤微-納米孔裂隙結構與瓦斯賦存耦合關系的研究較多[20-22]，為研究頁巖構造變形與微-納米結構演化帶來了重要啟示。前人研究表明，超過80%煤礦瓦斯突出的地點與斷層、褶皺、巖漿巖侵入以及煤層顯著增厚等地質構造類型相關，它們均屬于地應力或構造應力相對集中的地點，不同構造部位發育的煤巖具有與原生結構煤巖不同的物理和化學結構，從而導致這些構造部位成為瓦斯突出的多發地帶[23]。在不同構造部位，由于局部應力分布的不均一性[24]，使巖石內部孔裂隙的發育程度不同，從而對氣體的賦存和運移產生較大影響。

3.1 孔裂隙類型

國際理論與應用化學聯合會(IUPAC)按照孔徑大小將巖石孔隙分為微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)以及大孔(>50 nm)，其中微孔、中孔及部分大孔(50～1 000 nm)均屬于納米級孔隙的范疇。Loucks等(2012)以及Slatt和O’Brien(2011)根據頁巖中孔裂隙與礦物、有機質的相互關系將頁巖儲集空間類型分為有機質孔、粒間孔、粒內孔、微裂隙和微通道5類[5-6]。因此，本文采用以上2種頁巖孔裂隙的分類方案。

3.1.1 有機質孔隙

在單斜巖層頁巖中，有機質孔是最主要的孔隙類型。有機質孔在二維平面具有氣泡狀、球形和橢圓形等形態，孔徑在0.5～200 nm，圓度較好(圖4a)，基本上保持著熱演化形成后的初始形態。相比之下，褶皺或斷層部位頁巖有機質孔隙結構保存情況較差，孔隙尺寸較未變形頁巖大幅度減小(圖4b,c)，平均孔徑小于50 nm，且形態變化較大，“月牙狀”是最常見的孔隙形態(圖4b)，有機質顆粒具有向內縮聚的趨勢，有機質孔隙平面孔隙度急劇減小，這可能是強烈構造擠壓的結果。另外，在斷層部位頁巖的有機質中可見微裂隙發育(圖4c)，可以較好地改善頁巖的儲層物性。

3.1.2 礦物孔隙

礦物粒間孔和粒內孔在兩類強烈構造類型頁巖中發育較好，而在單斜巖層頁巖中發育較差，除了少量發育在長石和方解石等礦物邊緣或內部的分散、孤立狀溶蝕孔(圖4d)，幾乎不可見。褶皺或斷層部位頁巖中發育的粒間孔形態多樣，尺寸分布在幾十納米到幾微米，連通性較好，可以形成有效的孔隙網絡(圖4e,f)。褶皺部位頁巖中的粒間孔主要與韌性粘土礦物有關(圖4e)，孔徑變化較大，整體呈彎曲狀，局部可見微弱的孔隙定向，連通性較強，但保存情況不穩定，易受壓實作用的影響。斷層部位頁巖中的粒間孔主要與剛性顆粒有關，孔徑較大，連通性更強(圖4f)，其保存情況相對穩定。

粒內孔是形成于礦物顆粒內部的孔隙類型，樣品中最常見的粒內孔為礦物溶蝕孔，主要出現在方解石等礦物的內部或顆粒邊緣，其大小在幾百納米到幾十微米之間。FIB-SEM數據表明：單斜巖層頁巖中含有較完整的方解石等礦物顆粒，僅在礦物邊部發育少量的溶蝕縫(圖4g)。斷層或褶皺部位頁巖中則幾乎不可見結構完整的方解石顆粒，礦物內部及邊緣均發育了大量的溶蝕孔/縫，孔隙發育程度極高(圖4h,i)。

圖4 重慶秀山地區不同構造類型頁巖孔裂隙結構特征(據文獻[10]修改)

在埋藏成巖以及熱演化過程中，從沉積物到沉積巖中的粒間孔和粒內孔的結構發育規律是眾所周知的，這一系列復雜的過程可以嚴重破壞孔隙結構，極大地降低沉積物孔隙度和滲透率[5]。然而，在構造變形強烈的頁巖中，粒間孔和粒內孔結構并未因巖石組分和結構受到應力改造繼續減小，而是極大地改善了頁巖儲集性和滲透性。

3.1.3 裂隙結構

前人研究表明，裂隙結構(如微裂隙和微通道)多為構造變形作用的產物，它們是頁巖中氣體重要的運移通道和儲集空間[9,25]。與微裂隙相比，微通道結構具有更小的尺寸和更強的局部連通性，是納米級的線性開口[6]。單斜巖層樣品中幾乎沒有或僅發育少量的非構造成因微裂隙(圖4j)，這些微裂隙分布相對集中，多為成巖作用(層理縫)、熱生烴或粘土失水等造成[25]。而在其他兩類強變形的構造部位，構造成因或混合成因的微裂隙和微通道十分常見且發育程度較高，可呈現復雜的切割關系(圖4k,l)。混合成因微裂隙一般是在初始非構造成因(如粘土失水)微裂隙的基礎上疊加了構造成因微裂隙(圖4k)。

3.2 孔徑分布

由圖5可知，所有樣品的孔體積在微孔、中孔和大孔中均有發育，其共同點是普遍呈現出多峰值的特點，但不同類型頁巖樣品在每一個分布區段又具有較大的差異，具體情況如下。

1)單斜巖層頁巖：微孔分布區段存在1個穩定的主峰(0.4～0.5 nm)和3個次峰(0.3～0.4，0.5～0.6，0.8～0.9 nm)，主峰峰值較大，這些峰值所跨孔徑范圍較廣(0.3～1 nm)(圖5a1)。中孔發育區段同樣存在1個穩定的主峰(2.5～3.5 nm)，且多個次峰發育，但峰值不明顯，主要集中在3.5～12 nm(圖5a2)。大孔發育，峰值不明顯(圖5a3)。從整體來看，單斜巖層頁巖中的微孔和中孔略占優勢。

2)褶皺部位頁巖：微孔發育區段存在2個主峰(0.3～0.4 nm以及0.4～0.5 nm)，主峰峰值較單斜巖層頁巖更大，所跨的孔徑范圍更廣，表明微孔發育程度更高，數量更多，占絕對優勢(圖5b1)；中孔較發育，除了樣品X7和X8外(兩個樣品的主峰范圍在2.5～3.5 nm)，其余4個樣品的發育均差于單斜巖層頁巖，不存在明顯的主峰，次峰較多，峰值較小，且多集中分布在8nm以內(圖5b2)；大孔僅在部分樣品X4和X6中較發育，存在多個峰值較小的峰(圖5b3)。從整體來看，褶皺部位頁巖中的微孔略占優勢。

圖5 重慶秀山地區不同構造類型頁巖孔體積全孔徑分布

3)斷層部位頁巖：僅在樣品X9的微孔發育區段存在2個峰值較小的峰(0.3～0.4 nm以及0.4～0.5 nm)，其余樣品的微孔發育均較差(圖5c1)。中孔僅在樣品X9中大量發育，峰值和分布范圍均遠遠超過其他樣品，但是其余3個斷層部位頁巖的中孔發育較差，不存在明顯的主峰，且峰值和分布區間較小(圖5c2)；大孔極其發育，存在多個穩定的主峰，峰值較大，所跨的孔徑范圍較廣，數量多(圖5c3)。從整體來看，斷層部位頁巖中的大孔占絕對優勢。

4 不同變形機制頁巖孔裂隙結構特征

前人對構造煤的研究中，認為煤巖在構造應力尤其是剪切應力作用下容易發生變形，可先后經歷脆性變形、脆-韌變形和韌性變形3個重要階段，從而形成一系列結構各異的構造煤[26]。琚宜文等(2004)依據構造變形機制將構造煤分為脆性變形、脆-韌性變形和韌性變形3個變形序列的10類煤[20]。前人成果可為富有機質頁巖變形結構研究提供重要參考。由于目前巖石脆-韌性變形轉換的邊界條件以及標志性構造特征存在較大爭議[27]，因此本文只考慮脆性變形和韌性變形2種變形序列。

頁巖脆性變形是頁巖巖體在低溫、快速應變條件下發生破裂的過程，主要表現為頁巖中不同尺度和不同規模破裂構造的形成，其原生結構遭到一定程度的破壞，層理不清晰(圖3c)。頁巖韌性變形是在地質構造作用下，頁巖體發生流變的過程，主要表現為頁巖中不同尺度褶劈理、褶皺以及組分定向排列等構造的形成和發育，具有強化面理、線理構造，頁巖可被劈理化和糜棱巖化，頁巖的原生結構完全遭到破壞，變形作用相對較強(圖3e)。在后期構造改造過程中，隨著頁巖發生脆性和韌性變形作用，頁巖孔裂隙結構也會隨之發生顯著的變化。

4.1 孔裂隙類型

脆性變形頁巖中有機質孔隙結構保存較差，孔徑主要集中在50 nm以下(圖6a)，在有機質與無機礦物的結合處偶見孔徑超過200 nm的大孔(圖6a，箭頭指示)。方解石等礦物內部及邊緣發育大量的礦物溶蝕孔(圖6b)。前已述及，溶蝕孔在強烈構造部位頁巖中廣泛存在，且發育程度較高。礦物粒間孔也十分發育(圖6c)，它們可以連接相鄰的孔隙和微裂隙，顯著改善頁巖的孔隙度和滲透率。圖6d展示了脆性變形頁巖中微裂隙和微通道的發育特征。微裂隙寬度一般大于0.5 μm，長度普遍超過20 μm，而微通道的寬度和延伸相對較小，呈魚骨狀或鋸齒狀結構，喉道狹窄，可與相鄰的孔隙和微裂隙相互連接和疊加，形成“孔隙+裂隙型”復雜微結構(圖6d，箭頭指示)。

圖6 重慶河魚地區脆性變形頁巖孔裂隙結構特征

韌性變形頁巖中有機質孔隙的保存情況同樣較差(圖7a)，在有機質顆粒與粘土礦物結合部位亦可見發育較好的有機-粘土粒間孔(圖7b)。同樣地，在韌性變形頁巖中可見發育較好的礦物溶蝕孔(圖7c)以及微裂隙和微通道(圖7d)。微通道具有較好的定向性(圖7d)。

圖7 重慶修齊地區韌性變形頁巖孔裂隙結構特征

4.2 孔裂隙結構參數

二氧化碳吸附、液氮吸附和壓汞法聯合應用的定量計算結果表明(表1)，隨著變形程度的增加，頁巖孔裂隙結構發生了明顯變化。

表1 不同變形機制頁巖孔體積和孔隙比表面積統計

在脆性變形序列頁巖中，總孔體積隨著脆性變形作用的增強而增加，孔體積值增加了1.2倍，而孔隙總比表面積變化不明顯。具體來看，微孔和中孔體積以及所占比例均隨脆性變形作用的增強而減少，而大孔體積和所占比例隨著脆性變形作用的增強而增加，大孔體積值增加近2倍。從樣品B1到B5，微孔比表面積值先增加后降低，中孔比表面積值及其占比隨脆性變形作用的增強而減少，表面積值降低了近20倍。總孔比表面積值分別為14.529 0，20.130 0，11.334 0，14.399 0和11.374 0 m2/g，規律不明顯。從全孔徑分布圖中也可以看出(圖8)，隨著脆性變形作用的增強，頁巖樣品的孔體積在大孔中更為發育，微孔和中孔呈現降低趨勢。由于大孔具有較小的孔隙比表面積，因而大孔數量和體積的增加，并不會導致孔隙比面積大幅度增加。因此，脆性變形序列頁巖中的孔隙比表面積變化并不明顯。結合FIB-SEM研究結果，認為強脆性變形頁巖中大量發育的裂隙結構和粒間孔是大孔體積和所占比例增加的主要原因，這會導致頁巖中氣體的吸附能力變弱，運移能力增強。

圖8 重慶河魚地區脆性變形頁巖孔體積孔徑分布

在韌性變形序列頁巖中，總孔體積隨韌性變形作用的增強而減少，孔體積值降低了80%，而孔隙總比表面積隨韌性變形作用的增強而增加，其值增加了近1.5倍(表1)。具體來看，微孔體積值及其占比隨韌性變形作用的增強而增加，體積值增加了近1.6倍，中孔體積值和占比變化規律均不明顯，大孔體積值先減少后增加，但總的趨勢是減小，該值減小了2.4倍。5個樣品的微孔比表面積值隨韌性變形作用的增加而增加，其值增加了近1.5倍。中孔比表面積值變化規律不明顯。總孔比表面積值隨著韌性變形作用的增強而增加，漲幅可達1.5倍。從孔徑分布圖來看(圖9)，隨著韌性變形作用的增強，頁巖樣品孔隙的孔體積在微孔中更為發育，中孔和大孔呈現降低趨勢。結合FIB-SEM可視化數據，可以推測強韌性變形頁巖中有機質孔和粘土礦物粒間孔是微孔體積和所占比例增加的重要原因，這會導致頁巖中氣體的吸附能力增強，運移能力變弱。

圖9 重慶修齊地區韌性變形頁巖孔體積孔徑分布

5 構造變形過程中頁巖孔裂隙結構影響因素及其演化模式

下古生界海相富有機質頁巖是中國四川盆地及其周緣復雜構造區頁巖氣勘探開發的重點層位，強改造頁巖層系的儲集物性是南方下古生界典型地質特色的科學問題[1-3,16]，但至今在全世界范圍內尚缺乏系統的研究和可靠的結論。南方下古生界頁巖層系在地質歷史時期受到復雜多期構造的影響，在這種嚴峻的條件下，頁巖的孔裂隙結構、巖石組成、儲層物性及含氣性等都與北美變形程度較弱的頁巖有很大的差別[9-10]。前人在構造變形作用對頁巖氣儲層改造等方面已做了相關的研究工作，發現構造變形是影響頁巖微觀孔裂隙結構、頁巖氣分布以及保存的重要因素之一。例如，Ma等(2015)在川東北城口斷裂帶附近的魯家坪組頁巖的基質中發現了由粘土礦物夾有機質顆粒組成的劈理域和糜棱結構，其中可發育納米級粒間間隙-層片間隙集合體-孔隙網絡體系，這類孔隙結構具有較大的孔隙比表面積和氣體吸附能力[7]。Liang等(2017)利用氣體吸附和壓汞實驗詳細分析了川東滑脫構造變形強烈區域內的五峰-龍馬溪組頁巖的孔隙結構演化，認為構造應力能夠對孔隙比表面積以及氣體吸附量產生較大的影響[8]。鄭益軍(2017)發現微裂隙的發育與頁巖的脆性礦物含量具有緊密的聯系，脆性礦物含量越高，頁巖滑脫層中的微裂隙越發育，孔隙度和滲透率越高[28]。張燦(2019)對不同構造位置的頁巖孔隙結構進行了對比研究，結果表明構造強烈區頁巖由于受到構造擠壓作用的影響，孔徑和孔體積急劇減小，孔體積下降可達50%[29]。

也有多位學者對四川盆地周緣涪陵(東緣)、長寧(南緣)等高產頁巖氣田構造變形類型與孔裂隙結構的改造關系及其控制因素等方面進行了深入的討論。如，郭旭升等(2014)以涪陵焦石壩龍馬溪組富有機質頁巖為研究對象，基于FIB-SEM、液氮吸附和壓汞法等實驗對該區頁巖儲層的微觀孔隙和裂隙結構進行了詳細分析，認為焦石壩構造主體以似箱狀斷背斜構造特征為主，有機質孔、粘土礦物孔和構造裂隙(主要發育了礦物顆粒內構造裂隙和層間滑動裂隙)是該區頁巖中發育最廣泛的3種孔裂隙類型，對頁巖氣的賦存和運移具有重要生產意義[30]。同時，他們也分析了斷背斜構造背景下頁巖微觀結構的主控因素，認為有機質豐度和熱演化程度為其主因[30]，以上結論與郭彤樓和劉若冰(2013)等學者的研究成果一致[31]。另一方面，長寧頁巖氣富集高產區位于川、滇和黔結合部，構造部位屬于川南低緩褶皺帶與大涼山-大婁山斷褶帶之間的過渡區，具有不同方向上的多期構造變形疊加特征[32]。盡管長寧和焦石壩氣田在沉積地層、頁巖分布、地球化學和巖石組成等方面具有相似性，但在構造背景、孔裂隙類型與發育特征等方面存在顯著差異[33]。前人研究表明，長寧區塊總體為一個大型寬緩向斜內的馬鞍型構造，下古生界平緩，富有機質頁巖多發育層間裂隙，局部可見高角度裂隙，但通天斷層不發育，保存條件十分優越[33]。基于王玉滿等(2016)的研究結果，認為長寧地區頁巖氣產層孔隙類型主體以基質孔隙(礦物孔和有機質孔)為主，盡管局部發育較大規模的微裂隙，但是發育程度相較于焦石壩區塊差，孔隙度和滲透率較低，儲集層物性在整體上略差于焦石壩氣田[33]。

關于頁巖孔裂隙結構演化及構造控制機理的爭論一直較多，總體來講，學者們普遍認為頁巖孔裂隙結構的發育和演化與有機質、粘土和石英等組分的含量和微結構等內因有關[7-10]。構造應力，作為一種重要的外界因素，對頁巖微觀結構具有重要的改造作用，內因與外因共同控制了頁巖孔裂隙結構的演化[8]。因此，本文認為構造變形作用對頁巖孔裂隙結構演化的控制作用首先體現在對頁巖組分的影響，進而控制孔隙和裂隙的演化，從而制約著頁巖氣的儲存和運移。

5.1 巖石組分含量變化與結構改造

1)石英礦物主要與礦物粒間孔、微裂隙和石英脈等的發育相關，在構造應力作用下石英礦物有利于產生大規模的礦物粒間孔和微裂隙，且在裂隙形成后，富含硅質的流體可參與脈體充填和封閉等過程[25]。石英礦物在頁巖孔裂隙結構演化過程中所扮演的角色與構造變形作用緊密相關，變形作用越強，樣品中石英的含量越高(由于石英脈的發育)，礦物孔裂隙結構越容易發育。

2)方解石和長石等礦物主要參與礦物溶蝕孔/縫和部分脈體充填等過程。構造變形作用導致裂隙結構發育，創造了一個相對開放的外部環境條件，這種開放的孔裂隙體系可以潛在地傳輸有機質在熱演化過程中排出的酸性流體以及外部富酸、富氧流體，從而發生礦物的溶蝕反應，形成大量的溶蝕孔/縫[10,25]。此外，在裂隙形成后，富含鈣質的流體亦容易參與脈體充填和封閉等過程。

3)有機質和粘土礦物等塑性顆粒及其聚合體結構極易受到構造應力的改造和破壞，導致微觀結構被重新改造，有機質孔、粘土礦物孔、有機-粘土層間孔隙及裂隙結構均受到強烈影響[9,34]。整體來看，在構造變形過程中剛性礦物顆粒主要控制了微米級孔隙和裂隙的發育，而塑性的粘土和有機質顆粒是納米級孔隙的主要發育載體。

5.2 孔裂隙結構發育規律和演化模式

不同構造類型頁巖孔裂隙結構的差異，可能是由于局部構造應力分布的不均一性所致，體現在不同構造類型頁巖中孔裂隙結構的發育程度和規模。隨著逐漸向強變形構造部位推進(圖10，紅色箭頭方向)，頁巖孔裂隙結構類型和結構發生了較大的變化。褶皺部位頁巖微孔結構增加較多，大孔增加較少，而中孔減少；斷層部位頁巖微孔和中孔結構均減少，而大孔明顯增加。具體來看：當頁巖層系受到強烈褶皺作用，孔裂隙結構發生強烈改造和重建。微孔和大孔結構占比逐漸增加，中孔結構逐漸減少。這可能意味著先前發育的大多數孔隙結構受到了擠壓收縮變形，一部分轉化為大孔(礦物粒間孔、溶蝕孔和裂隙結構)，一部分轉變為微孔(有機質孔受到壓縮變形)，而中孔結構受改造的程度可能較微弱。其可能的演化過程為：①孔隙結構受到破壞，發生“閉合改造”，逐漸被孤立，或轉化為部分微孔，或逐漸消失(圖11，模式a)；②也可能受到“聯合改造”，相鄰孔隙發生聯合和連接，重新發育為大孔(圖11，模式b)。同樣地，當頁巖層系受到強烈斷層作用，孔隙結構亦受到強烈改造，但結構演化存在差異性。微孔和中孔結構逐漸減少，大孔結構逐漸增加。這意味著頁巖層在受到斷層作用之后，先前發育的微孔和中孔等結構受到了破壞，發生相互聯合、組合，相鄰的多個孔隙相互連通，形成孔徑更大的大孔或微裂隙結構(圖11，模式b)。

圖10 重慶秀山地區不同構造類型頁巖中孔隙含量和分布模式

圖11 構造變形過程中頁巖孔隙結構發育模式

脆性和韌性2種變形序列頁巖中孔裂隙結構演化的差異，可能是由于頁巖層受不同作用方式和不同作用機制的構造應力所致[35-36]。本文建立了脆性變形和韌性變形2種變形序列中頁巖孔裂隙結構的改造演化模式(圖12)。不同構造變形機制能夠使頁巖孔裂隙結構發生重要變化，使頁巖孔隙和裂隙趨向單一化，結構非均質性降低。具體來看：

圖12 重慶城口地區不同變形機制控制的頁巖微觀結構演化模式(據文獻[9]修改)

脆性變形序列：脆性變形作用導致頁巖中微米級孔隙結構和裂隙結構大量發育。越靠近巖體破碎帶(節理和宏觀裂縫密度增加)，有機質孔隙、孔隙比表面積和微孔體積呈減小趨勢，但是大孔(剛性礦物粒間孔、溶蝕孔、微裂隙和微通道)及總孔體積是增加的，導致巖石整體的儲集性和滲透性增強，改善了氣體的運移能力(圖12)。這種孔隙結構的變化將會引起斷裂破碎帶中吸附態頁巖氣向游離態頁巖氣轉化，氣體發生解吸作用，被快速的釋放，從而極大地減弱了吸附能力。此外，這種脆性變形活動的干擾，可能會導致初期生成的頁巖氣發生遠距離運移而被耗散[37-40]。

韌性變形序列：韌性變形作用對頁巖中納米級孔隙結構產生重要的影響。越靠近巖體復雜褶皺帶(擠壓變形程度增加)，有機質孔隙、孔徑以及孔體積由于連續擠壓呈現減小的趨勢(圖12)。在整體上，韌性礦物粒間微孔、微通道和微孔比表面積是增加的，且儲層的儲集性和滲透性僅在頁巖基質的局部被增強。這種孔隙結構的變化將會引起強烈褶皺帶中游離態頁巖氣向吸附態頁巖氣轉化，氣體發生強烈的吸附作用，從而被快速的封存。這種韌性變形活動的干擾，有利于頁巖氣的吸附賦存和富集，使頁巖氣減少可能的運移傳輸路徑，從而避免大量散失[38]。

6 結論

1)構造變形作用是影響富有機質海相頁巖孔裂隙結構演化的重要外部因素之一，變形作用越強，孔裂隙結構的改造越強烈。構造應力首先對頁巖基質組分進行改造，進而控制孔裂隙的演化，最終制約著頁巖氣的儲存和運移。

2)局部構造應力分布的不均一性是導致不同構造類型頁巖孔裂隙類型和結構特征具有差異性的主要因素。相對于其他2個強烈構造部位，構造相對穩定的單斜巖層頁巖中有機質孔隙結構保存較好，而褶皺和斷層部位頁巖則發育較多的礦物孔隙和裂隙結構。構造穩定性對有機質孔隙的保存較為明顯，而構造應力對連通性較強的礦物孔裂隙發育和改造的控制作用較為突出。

3)脆性變形作用和韌性變形作用對有機質孔隙結構的改造十分強烈，且多為負效應，而對頁巖中連通性較強的礦物溶蝕孔、粒間孔、微裂隙和微通道的控制作用多為正效應，有利于改善儲層質量。頁巖總孔體積(主要為大孔體積)隨脆性變形作用的增強而增加，孔體積值增加了1.2倍，孔隙總比表面積變化不明顯，而隨韌性變形作用的增強而減少，孔體積值降低了80%，而孔隙總比表面積(主要為微孔比表面積)隨韌性變形程度的增強而增加，其值增加了近1.5倍。