缝合线构造与油气地质意义

黄传卿，张金功，张建坤

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

缝合线构造是一种与节理相似的小型构造，常见于不纯石灰岩和白云岩中，在我国北方的奥陶系和南方三叠系等灰岩中广泛发育。过去认为缝合线都是顺层理发育的，是压溶作用的结果。但是，近年来研究发现，缝合线不仅顺层理产出，也有与层理斜交或直交的。在平面上，即在沿裂缝破裂面上，它呈现为参差不平凹凸起伏的面，即缝合面;从立体上看，这些凹下或凸起的大小不等的柱体，称为缝合柱。缝合线构造的大小差别较大，大者可达十几厘米甚至更大，小者为毫米级甚至仅在显微镜下才能看出。

1 缝合线构造的特征与分类

前人对缝合线构造进行过许多观察和描述［1，2］，并按照其形状、规模大小、与岩层层理面关系、形成时间和产出位置等特征进行分类命名和特征研究，其中有很多的命名得到了广泛的认可并一直沿用至今。其中按缝合线形态、其与层理面的关系来划分缝合线类型具有一定的普遍性。

赵健等［3］(2005)从形态上它们分成波状缝合线、锯齿状缝合线、城墙状缝合线、细柱状缝合线、网状缝合线、不规则状缝合线等。其中波状缝合线最为常见的一类缝合线，其形态在二维剖面上为波状起伏，有的波形较为宽缓(图1中a);有的较为尖陡(图1中b)，将二者分别称为平缓型波状缝合线和碎浪型波状缝合线。城墙状缝合线是两侧的岩块彼此接触相交，相交部分像古城墙一样。缝合线的拐角通常由于错位变形而形成非直角(图1中c)。锯齿状缝合线又称锥状缝合线，这类缝合线也较为常见。缝合线迹线彼此之间像锯齿一样参差交错连接，每一个小齿都是一个三角形和锥形，顶端均较为尖锐。缝合线起伏幅度有的较大，呈锥状;有的却很小，像小型锯齿(图1中d和e)。

Carl N.Drummond 和 Damon N.Sexton［4］(1999)认为缝合线在几何形态上是复杂的二维表面，在垂向剖面呈锯齿状线条(图2)，在三维情况下，缝合线的表面以该面上下物质的复杂指状交错为特征。这些柱形或塔形在水平面观察时表现为极复杂的二维截面。显然，穿过缝合线的垂向剖面使人联想起由Mandelbrot(1983)概括并在一定程度上普遍发育的自相似几何形态。这种可见的相似性提示人们可将分形几何学技术运用于缝合线的形态分析中。为了从儿何形态上描述缝合线的表面，在南印第安纳州的密西西比纪Salem灰岩采取样品加以分析。Salem灰岩多归类于“印第安纳建筑石材”，以分选良好的粉砂屑灰岩到细粒的砂屑灰岩为主，其中常见缝合线构造。

图1 发育在铁山地区的各种类型的缝合线构造

图2 Salem灰岩发育的缝合线构造

董火根等［5］(1986)认为水平缝合线可以分为两类:一类为早期水平缝合线，另一类为晚期水平缝合线，其形成机制是受早晚期地层压应力方向上的差异控制。蔡杰兴［6］(1990)认为缝合线主要由围岩、缝合面和缝合膜三要素组成。围岩是缝合线两侧的岩石，缝合面是围岩的溶解面，即缝合膜与围岩相结合的两个同向凹凸复杂曲面;缝合膜是围岩间夹一层与围岩的成分、结构和颜色不同的薄膜状岩石。依垂直缝合面的形态大小，肉眼可见的称显缝合线;只在显微镜下才能见到的称隐缝合线。缝合线仅在同一岩层内的称层内缝合线，在两岩层之间的称层间缝合线，穿过不同岩层的称穿层缝合线。绝大多数缝合面与岩层面是平行的，称之为平行缝合线，也有少数缝合面与岩层面是斜交的，称之为斜缝合线。

2 缝合线构造的成因机理

缝合线的形成机理一直备受重视，研究方法很多，有野外露头观察、岩心观察描述、实验模拟等，争论也很多。Stockdale［7］认为缝合线的形成是和压应力驱动下的岩石溶解联系在一起的。这种观点己经被普遍接受［8，9］。但有一些作者［10］却认为碎裂变形也能够形成特定的缝合线类型。根据缝合线大致的分布规律，有学者［11，12］认为缝合线的层状面发育与自身的组合作用过程有关。而有的研究者［13，14］对这种理论提出质疑，他们认为缝合线的出现要么是物质随机组合的结果，要么是岩石初始状态下物质本身的这种大致的规律性分布。李国蓉等［15］对鄂尔多斯盆地马家沟组灰岩中的缝合线进行观察和研究后提出:(1)外部应力是缝合线形成的必要条件;(2)构造作用对缝合线的形成有重要作用。本文通过对大量岩心观察、不同岩性的薄片的观察以及前人资料进行分析的基础上，认为缝合线的形成机理主要有以下几种:

1)地震的震动、拉张与挤压:洪天求等［16］(2004)在研究华北宿州震旦系沉积时，发现望山组含风暴沉积的白云质灰岩中发育有大量密集出现的顺层以及垂直层面的缝合线构造，并分析指出这些缝合线构造与这一时期的地震活动关系密切。根据惠更斯(Huygens)原理［18］，地震波在均匀地层传播过程中，如果遇到与均匀地层差别比较大的颗粒时，很容易以这个均匀层中的突变介质作为新的子波源，并且会以新的子波源为中心向各个方向发出新的子波。如果原来的地震波跟均匀层中的突变颗粒的固有频率相等，那么这个不均匀颗粒介质将会产生共振现象，将会引起剧烈的震动。子波源附近的软沉积物可能会以产生子波源的突变介质为中心，在剧烈的地震波的影响下产生环状层理或不具有环状层理的成岩程度更高的团块体，这些团块可能因抖动或因与围岩岩性、含水等性质不同收缩而在周缘形成椭圆形缝合线。

2)构造运动:构造运动能够产生大地构造缝合线［14，19］。因此，构造运动是缝合线的重要成因之一。根据地质全息论中宏观和微观对应观点［20］，大地构造中广泛发育缝合线，岩心中也应该能见到构造缝合线。

3)超压:超压形成缝合线机理可能类似于超压裂缝，也可能是由超压裂缝在特定的地质条件直接连接而成［23］。鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩埋藏史和油气成藏史研究表明，在早白垩世末，下太原组烃源岩埋深已达到3000～4400m，正处于排烃高峰期。由于压实作用使岩层孔隙度减小，加之烃源岩成熟演化阶段产生的大量液态烃类的排出，使这一深度的岩层孔隙流体压力在馆陶组和明化镇组沉积期迅速增大，以致产生异常高孔隙流体压力。高孔隙流体压力的存在使岩层所受的有效应力增加，从而导致岩石产生张性破裂或剪切破裂。

4)压溶:压溶作用产生缝合线是一种普遍被接受的观点［7，21，22，23］，而且 J.P Gratier［24］在石英颗粒作为压溶对象的实验中产生出微缝合线。一般压溶缝，缝闭合，有充填物，缝合线内自生矿物的胶结与缝合线是同一时期的。与层理不一致的缝合线(图3)一般是在构造作用下先形成裂缝，然后在压溶作用下发育成缝合线。所以，缝合线构造的形成总是经过两个阶段，先有裂面，进而压溶。在垂直裂面的压溶作用下，易溶组分流失，难溶组分则残存聚积，以致原来平直的面转化成无数细小尖峰突起的缝合面。在许多大理岩中，经常会见到压溶作用引起的缝合线。

缝合线构造与主压应力轴直交，即主压应力轴与缝合线锥轴一致(图4)。因此，缝合线构造在一定程度上有助于人们分析其所在部位的应力状态。剖面上缝合线还表现为柱状和锥状等多种型式。

图3 缝合线构造及其与层理的斜交关系

图4 缝合线锥轴与主压应力轴的关系

3 盆地中缝合线的油气地质意义

3.1 利于生烃和排烃

如果地层中存在压溶作用形成的缝合线，那么该地层中矿物质以离子形式被孔隙流体搬运至附近或较远的地层中沉淀下来，若有油气的产生，则部分已生成的油气可以与孔隙流体一同运移到其他地方，固体有机质残留下来得以富集，从而造成了缝合线的有机质的含量要高于周围介质。但是由于缝合线的有机质丰度还低，所以也不能形成好的烃源岩。缝合线形成的过程实际是碳酸盐岩基质不断消失，地层厚度不断减少的过程，在这一过程中必然伴有流体的排出。由于缝合线本身的孔隙度比周围基质要高，它的产烃指数愈低，排烃越低，排烃效率越高，所以缝合线比基质更容易排烃。

3.2 运移通道

缝合线对碳酸盐岩储集层及烃源岩的孔隙度、渗透率均有影响。在储集层中，对流体的渗透作用影响很大。缝合线能够作为致密储层油气藏中流体的渗流通道，对油气井的产能有直接的影响。单个缝合线在横向上具有一定延伸性，但距离不长。然而由许多单个缝合线组成的缝合线网，在平面上和剖面上在相当范围内相对连续，能控制流体的流动与分布。对于发育在烃源岩中的缝合线，由于其孔隙度和渗透率都比较大，而且排烃效率较高，烃类相对易于运移，可以作为油气运移的通道。

3.3 储集空间

缝合线一般发育在岩层中相对脆弱的部位，在构造应力作用下容易沿着这个脆弱带发生破裂，导致微张型缝合线或伴随缝合线微裂缝的形成。同时，在地下流体的冲击下，缝合线再度活化，从而使其向着缝合线孔隙方向转化。特别是在低孔低渗的储层中，缝合线有可能成为一种重要的裂缝型储集空间，所以作为一种储集空间，需要加强储集岩特别是碎屑岩中缝合线的研究。

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