综述：沉积盆地中页岩裂缝系统的演化：多阶段成岩过程与多场耦合作用的制约作用

《Earth-Science Reviews》：Evolution of shale fracture systems in sedimentary basins: Constraints from multi-stage diagenetic processes and multi-field coupling

　　

王俊然|梁超|秦天佑|曹英昌|刘凯宇|方浩

中国石油大学（华东）深油气国家重点实验室，青岛市266580，中华人民共和国

摘要

本文通过整合多尺度表征技术、地质年代学和地球化学工具，系统回顾了页岩中裂隙系统的演化过程，以重建裂隙历史。研究综合了当前对裂隙分类、形成机制和尺度关系的理解，提倡使用结合几何形状和形成机制的描述性术语，作为遗传分类的替代方案。文章探讨了成岩作用在调节岩石力学性质和影响裂隙生长中的关键作用，并展示了现代裂隙定年技术和流体包裹体分析如何克服早期反应-传输-力学（RTM）耦合模型固有的局限性。以中国四川盆地长宁地区的案例研究为基础，本文结合地质年代学和热测年数据，构建了多场耦合条件下裂隙演化的时间约束概念模型。结果表明，将裂隙时间数据与耦合过程建模概念相结合，能够超越静态遗传分类框架，迈向动态的、可检验的裂隙系统演化模型。这些模型捕捉了温度、压力、流体化学成分和应力随时间的动态相互作用，揭示了不同阶段裂隙系统演化的主要控制因素，从而加深了我们对沉积盆地中页岩裂隙系统的理解。

引言

自然裂隙系统对多种地下工程活动有着重要影响，包括碳氢化合物勘探与生产（Carey等人，2015；Ilgen等人，2017；Jarosiński等人，2025）、碳封存（Keles和Ripepi，2016；Pranesh，2018）以及核废料处置（Sasaki和Rutqvist，2024；Wang等人，2025）。然而，由于采样限制（National Research Council，1996；Hooker等人，2009；Casini等人，2011；Laubach等人，2019；Cawood等人，2023）、加载路径与裂隙模式关系的非唯一性（Beven，2006；Hooker等人，2013），以及裂隙发育对随时间变化的岩石性质的敏感性（Chang等人，2006；Laubach等人，2009；Gale等人，2014），准确表征和预测地下裂隙模式仍然是一个巨大的挑战。

过去一个世纪中，关于自然裂隙的研究经历了几个不同的阶段。Woodworth（1896）和Taber（1918）的早期研究主要关注露头中的裂隙形态记录。Griffith（1921）通过其关于裂隙强度的工作，为理解岩石破坏奠定了理论基础。20世纪中叶，随着石油勘探需求的推动，发展出了将裂隙模式与构造起源联系起来的解释框架（Friedman和Stearns，1971；Stearns和Friedman，1972；Hancock，1985）。Nelson（1985）总结了当时通过岩石变形实验获得的裂隙力学实验约束。到了20世纪末，裂隙研究扩展到了包括岩石物理特性表征（Aguilera等人，1995）、统计尺度分析（Marrett和Allmendinger，1991；Gillespie等人，1993；Marrett，1996）以及裂隙发育的数值模拟（Ortoleva，1994；Ortoleva等人，1997；Payne等人，2000）。Ortoleva及其同事提出了一个重要的概念性进展，他们开发了反应-传输-力学（RTM）框架，用于模拟沉积盆地中的裂隙形成、流体流动和化学反应（Ortoleva，1994；Ortoleva等人，1998；Tuncay和Ortoleva，2001）。这项工作将裂隙从静态特征转变为长时间尺度上相互作用地质过程的动态产物。然而，正如Laubach等人（2019）所批判的，这些早期模型缺乏对裂隙生长时间和温度条件的直接约束。

最近的研究强调了量化裂隙形成过程和发展原位可视化能力（Curtis，2002；Bons等人，2012；Shao等人，2025）。Gale等人（2014）记录了不同尺度的裂隙可能属于遗传相关的群体，而Anders等人（2014）表明相似的裂隙几何形状可以由不同的形成机制产生。Laubach等人（2019）强调了化学过程在塑造裂隙模式中的重要性，认为主要挑战在于识别形成过程，而不是仅基于几何形状进行假设。重建裂隙历史需要整合多种证据，包括交叉关系、矿物填充特征、流体包裹体数据和绝对年龄测定（Laubach等人，2004；Laubach等人，2009；Mangenot等人，2024；Yu等人，2025）。这种从描述到遗传解释的综合方法避免了循环推理，并遵循了已建立的裂隙力学原理。

分析技术的最新进展为克服早期耦合模型的局限性提供了新的可能性（Sonnenthal等人，2015；Lander和Laubach，2015）。高精度地质年代学方法的发展，如裂隙填充方解石和石英的U-Pb定年，现在可以直接确定裂隙时间（Smith和Farquhar，1989；Roberts和Walker，2016；Zhang等人，2025）。流体包裹体微测温和团簇同位素分析提供了裂隙形成和胶结过程中温度-压力条件的独立约束（Bourdet等人，2014；Mangenot等人，2024）。高分辨率三维成像技术，包括μ-CT、FIB-SEM和先进的岩石学方法，揭示了从纳米到厘米尺度的裂隙几何形状和矿物填充序列（Bertrand等人，2015；Zeng等人，2023a；Shao等人，2025）。这些数据使得能够重建时间约束的裂隙和成岩历史，为耦合过程模型的验证提供了关键约束（Laubach等人，2019；Gong等人，2021）。

本文系统回顾了页岩中裂隙系统的演化过程，强调了温度、孔隙压力、流体化学成分和远场应力之间的耦合作用——我们将其称为T-P-C-S框架。研究综合了当前对页岩中裂隙分类、形成机制和尺度关系的理解，提倡使用描述性术语和过程导向的分析方法。文章探讨了裂隙年代学、成岩分析和热历史重建的最新进展如何解决早期模型遇到的局限性。以中国四川盆地长宁地区的案例研究为基础，构建了多场耦合条件下裂隙演化的时间约束概念模型。本文旨在证明，将裂隙时间数据与耦合过程建模概念相结合，能够超越静态遗传分类框架，迈向动态的、可检验的裂隙系统演化模型，从而加深对页岩储层中裂隙网络的理解，并为将现场观测与数值模拟相结合开辟新的方向。

章节片段

自然裂隙描述和表征框架

自然裂隙是分布在岩石中的平面不连续体，其特征是随机分布、多样的形态以及复杂的形成和演化机制（Imber等人，2014；Gale等人，2014；Wei等人，2018）。

裂隙预测的力学框架

裂隙的脆性破坏模式通常使用Mohr应力圆结合来自Navier-Coulomb和Griffith破坏准则的破坏包络线进行分析（Hubbert，1951；Brace，1960；Phillips，1972；Cosgrove，2001）。这种综合方法采用Griffith-Murrell抛物线准则来准确模拟低围压下的开启模式破坏，而线性Navier-Coulomb准则则用于模拟高

成岩作用作为岩石性质的调节因素

与构造应力或流体超压不同，成岩作用并不直接导致岩石破裂。相反，成岩作用通过改变岩石的物理和力学性质间接影响裂隙发育。通过矿物学变化、胶结物分布和孔隙空间的变化，成岩反应逐渐改变岩石的关键性质，包括脆性、抗拉强度和亚临界裂纹扩展的敏感性（Laubach等人，2019）。

重建裂隙历史：记录器和工具

页岩裂隙形成的时间可以通过两种主要方法进行评估：地质相对时间分析和地球化学绝对定年（Rodrigues等人，2009；Zhang和DePaolo，2020）。地质相对时间分析主要依赖于野外露头和岩心观察、构造演化历史、倾角计和微电阻率成像测井、常规和阴极发光显微镜以及裂隙填充物的表征

T-P-C-S场耦合和裂隙系统演化

页岩裂隙系统的演化是由温度、流体压力、流体化学成分和构造应力场的非线性耦合引起的。这种耦合决定了裂隙的启动、扩展、填充和重新激活（Wang等人，2017；Wang等人，2023b；Li等人，2024）。

结论

通过对长宁地区Longmaxi组页岩裂隙系统的时间约束，本研究重建了一个五阶段的演化历史，记录了主导控制参数的逐步变化：从早期受温度控制的粘土收缩，到受流体化学成分主导的溶解，再到超压驱动的水力压裂，最后是受构造作用改变和抬升影响的裂隙系统。该模型捕捉了这些因素的动态相互作用

未引用的参考文献

Nelson，2001

Ortoleva等人，1995

Zeng和Tice，2014

Zhang等人，2025b

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文的研究得到了山东省重点研发计划（2024CXPT076）和国家自然科学基金（42488101）的支持。