白垩系白垩质碳酸盐岩中断裂带变形与裂缝发育特征及其对油气运移的启示

本研究针对白垩系Anacacho灰岩（白垩质碳酸盐岩）在正断层变形机制下的裂缝发育规律，通过野外地质调查、流体包裹体分析和U-Pb定年技术，揭示了矿物成分（如黏土含量>7%抑制张裂缝发育）和断层邻近效应对裂缝网络的控制作用，证实小位移断层和张开型裂缝是低渗透性白垩质碳酸盐岩中油气运移的关键通道，为非常规油气藏开发和CO2 封存提供了重要理论依据。

　　

在得克萨斯州中部Balcones断裂系统的地质露头中，白垩系Anacacho灰岩以其独特的白垩质碳酸盐岩（chalk-dominated carbonates）特性成为研究裂缝发育机制的天然实验室。这类岩石在全球范围内既是重要的常规油气储层，又是潜在的CO₂
封存载体，但其低基质渗透性（通常仅0.1–4.8 mD）严重制约流体运移效率。尽管前人已认识到裂缝网络可显著提升此类储层的渗透性，但关于裂缝发育的矿物学控制因素、近断层变形特征及其与油气运移的时空耦合关系仍存在重大知识空白。

针对这一科学问题，来自美国研究机构的科研团队选择Balcones断裂系统中Anacacho灰岩露头开展系统研究。通过整合野外构造解析、无人机摄影测量、X射线衍射（XRD）矿物分析、流体包裹体显微测温与U-Pb同位素定年等多元技术，首次揭示了白垩质碳酸盐岩中微妙的矿物成分变化如何引发显著的变形行为转变，并精确限定了断层活动与油气运移的关键时期。相关成果发表于《Journal of Structural Geology》，为理解低渗透性碳酸盐岩中流体运移机制提供了范式级案例。

研究主要采用四项关键技术：1）基于无人机摄影测量（UAV photogrammetry）的三维露头建模，实现断层和裂缝网络的数字化表征；2）施密特回弹仪（Schmidt rebound）与XRD联用建立矿物成分-力学性质定量关系；3）流体包裹体显微测温（microthermometry）和紫外荧光分析，重建古流体温度、盐度和烃类API比重；4）激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）U-Pb定年，精确测定方解石脉形成时代。

研究结果可分为四个核心发现：

1. 矿物成分对变形行为的阈值控制
XRD数据显示，当碳酸盐含量>90%且黏土<7%时，岩石回弹值>25，发育两组正交的张开型裂缝（平均强度0.91条/米）；而黏土含量>7%的层段几乎不发育裂缝。这种突变性响应揭示了白垩质碳酸盐岩中7%黏土含量是裂缝发育的临界阈值。

2. 断层损伤带的三重变形特征
距主断层10米范围内，变形表现为：①裂缝强度达背景值5倍（6.6条/米）；②发育与主断层共轭的小位移正断层（位移<1米）；③局部地层倾斜达10–20°。断层在穿越不同力学层位时呈现折射现象——在黏土质层段表现为剪切破裂，而在高碳酸盐层段形成扩容性断层阶步（dilational jogs）。

3. 多期流体活动的直接证据
流体包裹体分析发现：①液态烃包裹体（28–36 API）均一温度（T_hH
）46–63°C，对应埋深0.9–1.5 km；②含盐水包裹体T_hA
104–108.5°C，指示更深部（2.4–2.9 km）的盆地卤水活动；③δ¹⁸
O值显示脉体沉淀流体来自封存水而非大气降水。

4. 断层活动的革新性年代学框架
U-Pb定年获得两组关键年龄：①主体为始新世（57.9±3.2至38.9±4.1 Ma），比传统认为的渐新世-中新世活动期早2000万年；②个别脉体记录中新世（16.6±2.2 Ma）活动，证实Balcones断裂系统具有长期活动性。

这项研究通过多学科交叉方法，首次建立了白垩质碳酸盐岩中"矿物成分-变形行为-流体运移"的定量关系模型。其科学价值体现在三方面：1）发现7%黏土含量的力学行为阈值，为储层甜点预测提供新指标；2）证实小位移断层在油气垂向运移中的核心作用，修正了传统裂缝网络评价模型；3）建立的Eocene期断层活动新年代学框架，将Balcones断裂系统与Laramide造山事件的动力学关联研究推向新高度。在能源应用领域，该成果不仅指导非常规油气开发中的裂缝预测，也为CO₂
封存选址中盖层完整性评估提供了关键参数。