断层带结构及渗透特性分析

陈 玮，张丽芬，赵艳南

（中国地震局地震研究所〈地震大地测量重点实验室〉，湖北武汉430071）

1 概述

在浅层地壳中沿着断层的破裂造成了介质渗透性的非均匀性和各向异性，这对区域地下流体运移、地热流体循环、溶质迁移等过程均有重要影响。断层带可以作为浅部流体向深部运移的水力通道，但也可能对流体的运移起到阻碍作用[1]。加强对断层带渗透性的研究，一方面能够帮助人们了解地壳岩石渗透性的变化规律和变化机理；另一方面，也能够为断层带渗流模式以及影响研究提供参考依据，具有重要的理论和实际意义。

本文从断层带结构、断层带不同结构部位的渗透特性等角度出发，通过对前人研究的归纳总结，讨论了断层带各种变形过程的产生以及其对渗透性的影响，旨在能从水文地质学的角度对研究流体与断层相互作用起到一定的促进作用。

2 断层带结构

断层带有多种类型的分类，这里的分类主要是基于岩石类型的水文地质概念模型，选择这个分类的原因是断层带的结构构造及其导致的渗透性结构和含水层的发育受到岩石类型的控制[1]。Caine[2]等（1996）根据现场调查、实验室渗透率测量和断层及附近的流量的数值模拟结果，提出了断层渗透性结构模型，认为断层带主要包括断层核和破裂带。Heynekamp等认为在固结程度较低的沉积物中发育的断层，破裂带和断层核之间还有一种混合带。混合带由于构造错动围岩层状结构被破坏,并在断裂活动中混合了相邻沉积层物质,结构上从轻微变形到页理化。为避免造成混乱,在本文中，我们仅考虑单个断层带的渗透率，并将断层核和破裂带作为断层带的基本结构单元来进行阐述。

2.1 断层核

断层核（Fault Core）包括断层滑动面以及断层泥、糜棱岩、碎粉岩等断层岩的充填部分,渗透率低,通常表现为隔水性质[3]。粒度的减小和矿物的沉淀造成断层核的孔隙度和渗透率低于相邻的围岩。基于现场的观测结果表明，断层沿倾向和走向的厚度变化及内部的结构和组成，在控制断层核的渗流特性方面发挥了重要作用。

断层核通常具有低渗透性，但不一直是作为渗流的隔水障碍，特别是在变形期间[1]。例如，在Dixie Val⁃ley断层带上的研究表明，在变形时，断层核可作为一定短时期的导水通道，然后迅速密封形成隔水障碍。

2.2 破裂带

破裂带是断层核的边界结构。破裂带中的从属构造包括导致断层带的渗透性和弹性特性的非均质性和各向异性的次级断层、节理、裂缝等。微构造数量随着与断层核距离的增加而逐渐减小。当破裂带密度与区域裂缝或变形带密度一致时，标志着破裂带结束[5]。断层带变形过程和结构单元对断层发展过程和断层渗透率的理解尤为重要。

断层核中的裂隙密度通常明显小于破裂带。因此，断层核的渗透率可能由断层岩石介质粒度的渗透率主导，而破裂带渗透率则由裂隙网络的水力特性支配。Caine[2]（1996）现场观测表明，破裂带的渗透率是裂隙主导的。Bruhn（1993）采用Oda等人（1987）的断裂渗透率估算方法对Dixie Valley断层带和东格陵兰Traill碎屑岩的单断层的破裂带渗透率进行初步估计,结果表明破裂带的渗透率比围岩的渗透率大2～3个数量级，比断层核粒径渗透率大4～6个数量级。实验室的渗透率测试也表明在一定尺度下，断层岩、破裂带和围岩样品之间的渗透率差异达到约4个数量级[8]。

2.3 断层渗透性模型

定向样品的实验室渗透率测试结果显示，破裂带通常是平行于断层面的导水通道，而断层核是平行和垂直于断层的隔水障碍。断层核与破裂带之间的渗透率的对比是导水—隔水耦合系统的主要控制因素[2]。

Caine[2]等(1996)通过一系列的露头观测，提出了一个低孔隙岩石的断层渗透结构的概念模型（图1）。该模型给出了4种典型渗透结构：导水—隔水复合断层带（CDZ）、导水断层带(DDZ)、局部隔水带(LDZ)和局部导水带(SFF)（图1）。这4个特征结构受控于相对低渗透率断层核与较高渗透率破裂带占据的断层厚度的百分比。在该模型中,使用破裂带宽度与总断层厚度的比值来对断层渗透性结构进行量化描述，并且断层渗透性结构可以是以4个特征渗透结构作为端值，组成的连续性模型中的任意一点。

图1 断层带渗透性结构

4个特征渗透结构既表示一类特定水文地质性质的断层,也可以视为断层演化过程的一个阶段。一般而言，局部隔水带中破裂带不发育,构造岩胶结完好,断盘岩为延性岩体。局部导水带中破裂带不发育,断层面无充填或充填物疏松,通常断盘岩为脆性岩体。导水—隔水复合断层带为两侧导水、中间隔水的渗透结构，构造破裂带发育,断层核构造岩胶结完好,透水性差。导水带破裂带发育中断层核宽度大,胶结疏松,主要为张性正断层,断盘的岩性以脆性为主[5]。

3 影响断层带渗透特性的变形过程

断层带的渗透性受到断层不同变形过程的影响，变形过程的产物导致断层带的渗透性提高或者降低。在此，我们主要介绍与断层演化直接相关的变形过程，并讨论这些过程是如何产生以及其对断层渗透性的影响。

3.1 未固结岩石中的颗粒流

R.A.Bagnold(1954)认为在流动的沉积物内，无凝聚力的颗粒之间碰撞作用所产生的支撑应力在颗粒之间传递剪应力所引起的颗粒流动，称为颗粒流。在内聚力较低的岩石中，特别是未固结的岩石，吸收拉应力后的第一阶段是形成膨胀带(Du Bernard，2002)。沿膨胀带，岩石颗粒被解聚，但是沿着膨胀带每个颗粒彼此间没有错动而产生任何剪切偏移。一旦沿着膨胀带发生偏移，就形成剪切带（图2），剪切带和膨胀带都属于变形带范畴。颗粒流的产生导致孔隙网络的重新排列，最初的膨胀造成渗透性的略有增加。而随后沿变形带的剪切和颗粒的旋转产生各向异性的特性（Bense，2003）。在地球浅表（＜100m），未固结岩石的渗透性通常不会受到断层过程的影响。随着埋深逐渐增大，颗粒的碎裂逐渐沿变形带产生，使得变形带颗粒粒度不均，分选性变差，进而可能造成渗透率的明显降低。

图2 膨胀带和剪切带

当断层位移大于沉积层厚度时，颗粒流导致不同粒度的未固结岩石的混合，混合后的断层中的构造沉积物导致断层带的孔隙率和渗透性降低。Heynekamp等（1999）研究结果表明，相对均质的源层混合导致了断层带的非均质性。与原砂层相比，沿美国新墨西哥州的Sand Hill断层带形成的砂岩和粘土的互层,由于不完全的混合，渗透率降低了6个数量级。除此之外，某些硅质沉积物颗粒的旋转造成的渗透率的各向异性，也会造成渗透率降低[1]。

3.2 破裂作用和角砾成岩作用

断裂是岩层在应力作用下发生破裂并沿破裂面产生明显相对移动的一种构造变形现象（Arch，1990），破裂作用是一个增加渗透性的典型过程。

单一裂隙，或若干个互不切割的裂隙不能构成连续的导水通道。只有不同方向的裂隙互相交切，才能形成裂隙网络，构成渗透性良好的导水介质[8]。对于低孔隙度（＜10%）和低渗透率的岩石，其孔隙度和渗透率主要取决于裂隙网络。裂隙网络的渗透性受断裂网络的连通性和裂隙孔径分布的控制（Bour，1997）。而裂隙网络的连通性则主要取决于裂隙密度、裂隙取向和裂隙长度分布。一般来说具有中等孔径的单个裂隙可以控制局部的渗透性。近断层带断裂密度和连通性通常增加显著，这就使得在断层附近的岩石的渗透性大于原岩的渗透性[1]。Evans等（1997）研究论证了这一点，他们对美国怀俄明州的East Fork逆断层的进行观测，结果表明相比围岩，其有效渗透率增加了2～3个数量级。

角砾成岩作用是低孔隙度岩石（如结晶岩和碳酸盐岩）的典型断层变形过程（Sibson，1977）。角砾岩是由高强度角砾作用产生的棱角状、粗粒碎片构成的断层岩（Borradaile，1981），埋藏在不超过30%岩石体积的细粒基质中。近地壳几公里通常形成无内聚力角砾岩,随着节理的发育，通常导致渗透性的提高，或者埋藏固结成岩后抬升阶段发生断裂变形。由于应力松弛和应力释放，裂缝大量发育，断裂变形形成无内聚力的断层角砾岩，形成高渗透断层带。以碳酸盐岩为例，在埋藏不足3km时，断裂变形开始是以破裂作用为主，产生大量的粒间裂缝和粒内裂缝，逐渐形成无内聚力的断层泥和断层角砾岩。一般来说，这种断层带具有“膨胀”特征，随着裂缝形成和张开，渗透率明显增大。在秦皇岛山羊寨发育在小于3km的浅层断层，在断层面发育有无内聚力断层角砾岩，渗透性相较围岩有明显的增大[4]。在结晶岩中，根据Caine等(2010)的研究，美国内华达州迪克西瓦利地区发育Stillwater发震正断层的角砾岩，在同震期间混合模式变形，以剪切和膨胀为主，导致角砾岩渗透率的相对提高。之后由于孔隙的胶结作用，或者沿着断层带进一步研磨细化，造成渗透性剧烈降低。

3.3 泥岩涂抹

泥岩涂抹是断层渗透性降低的重要机制之一[1]。在未固结岩石、硅质沉积岩和碳酸盐岩等围岩中均发现泥岩涂抹造成断层渗透率显著降低的现象。

未固结、半固结和固结成岩的泥岩均可形成泥岩涂抹，规模从来源于砂泥岩薄互层中的数毫米或数厘米，厚到复杂断层带中的几米厚[6]。泥岩涂抹量主要取决于断层的断距、岩性组合及泥岩塑性等多种因素[7]。泥岩涂抹的形成和演化规律内容较多，不在本文中赘述，但其他文献已有详细描述。

泥岩涂抹产生沿断层面分布的一个连续低渗透粘土物质带，造成垂向和/或侧向渗透性的显著降低（如图3所示）。断层变形过程形成了多种类型的断层岩，包括碎裂岩、解聚带和胶结断层岩等，对比这几种类型的断层岩渗透率，泥岩涂抹有最低的渗透率，具有较强的封闭能力。泥岩涂抹比围岩中泥岩渗透率降低2～3个数量级，比围岩中砂岩渗透率降低3～9个数量级。现场调查表明，在Roer裂谷系统中莱茵河下游的未固结沉积断层，沿断层面的泥岩涂抹是造成沿断层渗透率低的主要作用（Bense，2004）。

图3 泥岩涂抹

泥岩涂抹的作用可以用断层泥比率（SGR）方法进行量化描述，这在油气相关研究中是很常见的，但目前极少应用于地下水渗流研究。Bense等（2004）使用Sperrevik等人（2002）提出的SGR和断层位移的经验关系，计算出Rheindahlen断层带渗透率和宽度，与地下水数值模型得到的结果相吻合，他认为在水文地质模型中SGR方法可以应用于计算断层的水力特性。

3.4 碎裂作用

碎裂作用是颗粒的普遍脆性压裂和粉碎。通常来说，碎裂作用是造成未固结岩石和低孔隙岩石渗透性降低的主要变形过程。

在低孔隙岩石中，碎裂作用通常在一定深度后变为主要的变形过程[4]。同样以碳酸盐岩为例，当埋深大于3km后，沿着裂缝发生摩擦滑动并伴随破碎的颗粒滚动，产生碎裂流，形成断层泥、断层角砾岩和碎裂岩，通常造成渗透率降低。例如，埋深超过5km的希腊Corinth断层带中的Pirgaki断层，靠近下盘发育颗粒直径50～200μm的固结超碎裂岩，与围岩的渗透率相比，降低了多个数量级[4]。

地表附近的未固结岩石通常发生颗粒流作用，然而随着深度增加，岩石强度增强，Sperrevik等认为在埋深超过500m时，碎裂作用会成为主要的变形过程。此外，发生在未固结沉积物中的碎裂作用的效率随着颗粒组成而变化[1]。强度相对较弱的颗粒如长石可以被完全粉碎，而强度高的石英颗粒则显示出晶粒剥落的破坏特征，而不是通过粉碎完全分解（Shipton，2001）。

固结砂岩中的碎裂变形带网络是碎裂作用研究的焦点。与未变形的砂岩相比，具有低粘土含量的固结砂岩中的碎裂变形带的渗透率通常降低4～5个数量级，这正被许多现场和渗透性试验所证实（Fisher，2001）。目前，对沿着碎裂变形带的渗透率降低的幅度和空间变异性的控制仍然是研究的重点（例如，Torabi和Fossen，2009）。

4 讨论与结论

本文讨论了几种变形过程对断层渗透性的影响（如表1所示）。然而需要注意的是，同一种变形过程在不同时期对渗透性的影响也是不同的，早期未固结岩石中的颗粒流作用会使得孔隙网络的重新排列，使得渗透率短暂提高。

断层渗透性是多种变形过程的产物耦合的结果，渗透性的增加或减少是由主导的变形过程所决定，如破裂作用占主导作用时，通常形成未固结的断层角砾岩和断层泥，渗透率相较于围岩有所增加。一些次生过程或更大尺度的过程如压实、构造应力和地球化学过程也对断层渗透性也具有相当大的影响。

变形过程的产物也同样受多重因素的制约，包括内因（岩性、矿物成分、成岩阶段等）和外因（温度、围压和变形深度等）。碎裂作用形成的断层泥带通常渗透率低于围岩，而形成的有内聚力的断层角砾岩带和碎裂岩带渗透率同围岩比，变化不一。

5 断层水文地质学的展望

为了更全面地了解断层水文地质，渗透性的研究仍然需要在以下几个方面不断的努力。

（1）增加对未固结岩石（松散沉积物）的研究。例如对可渗透的砂和砾石的水文地质研究较少，在断层带中砂砾可通过颗粒流替代或与低渗透性岩床（如粘土和页岩等）混合在一起。该过程通常会导致断层带的渗透性增加（Lewis,2002）。

（2）野外调查研究进一步细化。在各种尺度、不同岩性的断层带的各个部分采集样品并进行测试，以获取更多的数据。这样对断层特征渗透性结构的研究可以增加新的元素，如时间、岩性、尺度等，将使得该模型更加全面，并可能为更好地预测断层带渗透性结构提供更多帮助。

（3）跨学科的结合。现有文献所提出的断层水文地质模型，包括Caine所提出的导水-隔水耦合系统等概念模型都是由构造地质学家提出，这些概念模型很大程度上有待于相同断层带的同一位置的水文地质资料所进一步证实。

6 结语

本文通过对断层带的不同变形过程的研究进行回顾分析，进而分别从颗粒流、碎裂作用等方面对断层带渗透性的影响做出了系统总结，并对断层水文地质学的研究方向进行了展望。当前，关于断层水文地质学的成果较多，大多都是地质学家基于露头观测数据所提出的，缺少相应的水文地质资料和方法对其进行进一步的完善。同时断层渗透性研究的覆盖面可以进一步扩大，野外调研工作也需要进一步精细。