硅质碎屑-碳酸盐岩层序中断裂变形样式与流体流动行为的耦合机制研究

本研究针对断层带流体流动行为的关键科学问题，通过多方法联合分析意大利撒丁岛Logudoro盆地Oligo-Miocene硅质碎屑-碳酸盐岩互层序列，揭示了岩石力学性质与变形结构的控渗机制。研究发现变形带(DB)与裂缝网络形成复杂的导流-阻流系统，建立的流体流动模型证实变形带显著影响水力梯度和流场分布，为资源开发和CO2 封存提供了理论支撑。

　　

在构造地质学和能源地质学领域，断层带作为地壳流体运移的关键通道，其复杂的导流-阻流特性长期困扰着资源勘探和碳封存技术发展。传统研究多聚焦单一高孔隙度或低孔隙度岩层，而对硅质碎屑-碳酸盐岩互层这类力学性质悬殊的层序缺乏系统认知。意大利撒丁岛大学等机构的研究团队选择Logudoro盆地Oligo-Miocene地层中Torralba和Lachesos两条断层带为研究对象，通过创新性的多尺度分析方法，揭示了岩石力学异质性如何控制变形样式与流体流动行为的耦合关系，相关成果发表于《Journal of Structural Geology》。

研究团队综合运用野外构造测量、原位渗透率测试、施密特锤回弹值转换单轴抗压强度(UCS)、薄片分析等技术，结合数值模拟手段，构建了涵盖微观孔隙结构到宏观流动场的三维研究体系。特别值得注意的是，团队采用便携式空气渗透仪(Tiny-Perm 3)获取了断层损伤带(FDZ)内变形结构的渗透率数据，并通过SEM-EDX实现了矿物组成与孔隙结构的定量表征。

研究结果部分通过四个层次展开：

1. 断层带特征描述：Torralba断层(西倾正断层)和Lachesos断层(东倾正断层)分别展现出5-7m宽的变形带主导区和4m宽的非对称损伤带。高分辨率扫描线统计揭示变形带(DB)频率最高达22条/0.5m，与上覆裂缝系统呈阶梯式过渡。

2. 岩性与变形样式关联：未胶结砂岩中发育压实剪切带(DB)，其核部孔隙度从35%骤降至4%；钙质胶结砂岩则发育裂缝网络，部分被岩溶扩增至10-50mm孔径。断层核(FC)岩性受控于并置条件：灰岩并置形成10cm厚碎裂岩，砂岩并置则产生50-80cm角砾岩。

3. 物性参数规律：UCS与渗透率呈指数负相关(R²
   =0.9985)，其中灰岩UCS达55MPa对应渗透率<0.01 Darcy，而未胶结砂岩UCS仅15MPa时渗透率>10 Darcy。断层核内钙质胶结断层泥使渗透率降低2个数量级。

4. 流体流动模型：三种情景模拟显示，包含单个DB簇的模型在梯度0.73时即激活排水，而忽略DB的模型需0.93梯度。DB簇使流线产生10-15°偏转，形成局部各向异性流动场。

讨论部分强调了三个关键发现：
首先，岩性并置控制断层岩类型与厚度，如Lachesos断层中粘土质砂岩与泥灰岩并置导致1-3cm厚钙质胶结断层泥，其渗透率较围岩低3个数量级。这一发现印证了Faulkner et al. (2010)提出的断层带"导管-屏障"二元模型。

其次，变形带几何构型显著影响流动激活阈值。模型证实DB簇网络使垂向连通所需水头降低21%，这与Antonellini et al. (2014)的等效介质理论预测相符，但首次在硅质碎屑-碳酸盐岩互层中获得实证。

最具创新性的认识是提出"力学层序控渗"概念：在Torralba断层中，未胶结砂岩(高Φ)-钙质砂岩(低Φ)-灰岩(极低Φ)的垂向叠置，导致变形从DB向裂缝系统转变，形成垂向渗透率突变面。这种分层控渗机制为预测断层带流体运移提供了新范式。

该研究对油气二次运移和地热系统开发具有直接指导意义。特别是发现DB簇密度>15条/m时，即使存在高渗裂缝网络，横断层流动仍受显著抑制。这解释了Logudoro盆地西部油气田的异常压力分布，也为CO₂
封存选址中断层密封性评估提供了量化指标。未来研究可结合三维地震属性分析，将这种露头尺度的认识推广至盆地模拟。