综述：碳酸盐岩裂缝系统：来自中国深层碳酸盐岩储层的综述与洞察

《Earth-Science Reviews》：Fracture systems in carbonate rocks: A synthesis and insights from deep carbonate reservoirs in China

　　

碳酸盐储层中流体的运移和储集强烈受天然裂缝系统的影响，而传统上对裂缝系统的解释主要从构造-力学角度出发。本文综合多项证据表明，碳酸盐裂缝系统并非静态的力学结构，而是继承性沉积架构、力学变形与流体-岩石反应长期耦合的动态产物。碳酸盐裂缝通常记录了继承性沉积模板的累积印记，如矿物学、纹理及地层格架等，这些要素将应力进行分区并引导裂缝的核化与扩展。白云岩化、胶结、压溶及间歇性溶解等成岩过程持续重塑岩石强度与各向异性，改变裂缝几何形态、间距和连通性。因此，裂缝网络几何形态和有效性反映的是沉积-成岩叠加作用的结果，而非仅由构造作用控制。

中国深至超深碳酸盐储层记录了古老的构造-成岩过程，为研究裂缝系统与储层演化之间的相互作用提供了天然实验室。在塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地，裂缝既充当流体通道，又作为反应界面。在岩溶储层中，走滑断层和裂缝控制着溶解流体的运移路径和聚焦作用，决定岩溶作用的空间分布与强度，最终导致构造分带性裂缝-孔洞系统的发育。相比之下，在白云岩储层中，裂缝调节流体通量、水岩比和反应表面条件，从而对白云岩化的范围、结构类型和非均质性起到根本控制作用。在多次构造-成岩叠加作用下，裂缝系统经历反复的开启、溶解、矿物充填和再活化。因此，在不同储层演化阶段，它们可能交替作为高效流体通道或胶结封堵体，同时促进储层空间的创造与破坏。总之，有效预测碳酸盐储层需要将裂缝演化与多尺度沉积和成岩过程相结合，为预测裂缝分布、流体路径和储层质量提供基于过程的框架。

**引言**

在上地壳中，天然裂缝系统是控制岩石渗透率和流体循环的主要因素之一（Nelson, 1985; Caine et al., 1996; Faulkner et al., 2010; Wennberg et al., 2016）。通过提供高渗透率通道并增强原本孤立孔隙域之间的连通性，裂缝在广泛的地质过程中控制着流体的运移和再分布（Warren and Root, 1963; Larsen et al., 2010; Rashid et al., 2023）。这些过程包括地下水流动与含水层连通性（如 Larsen et al., 2010; Maurice et al., 2012; Petrella et al., 2015; Bauer et al., 2016; Corniello et al., 2018），地热系统中的热量传输（如 Dezayes et al., 2010; Lamur et al., 2017），成矿系统中的热液流体循环与矿物沉淀（如 Corbella et al., 2004; Davies and Smith, 2006），以及地下CO?储层的封存与泄漏行为（如 Dockrill and Shipton, 2010;Wennberg et al., 2016; Peacock and Sanderson, 2018; Keegan-Treloar et al., 2022）。在含断层和裂缝的岩石中，渗透率结构从根本上与裂缝网络的几何形态、连通性及演化密切相关，这些因素对地壳尺度的物质和能量传输起一阶控制作用（Laubach et al., 2009; Peacock and Sanderson, 2018; de Joussineau, 2023; Faulkner et al., 2010）。

碳酸盐岩通常发育跨多空间尺度的非均质孔隙网络。据估计，全球常规石油储量的50%以上和约40%的天然气储量赋存于碳酸盐储层中（Chu, 2009; Garland et al., 2012; Sun et al., 2013; Moore and Wade, 2013; Xiong and He, 2022），主要富集于中东、北美和中国的大型含油气盆地（图1a）。在许多情况下，这些系统可概念化为双孔隙度介质，其中流体储集主要与基质孔隙和孔洞相关，而流体流动则由互连的裂缝网络主导（如 Warren and Root, 1963; Rashid et al., 2020; Shi et al., 2022; Luo et al., 2024）。裂缝通常与其他孔隙系统相互作用，形成多种以裂缝为主导的储层架构（图1a-b）。在地质记录的所有主要地层单元中，涵盖所有常见碳酸盐岩相组合的碳酸盐烃类储层中，高裂缝密度和有效裂缝流动的生产证据普遍存在（图1c-d）。碳酸盐系统中的裂缝不仅作为流体通道，还作为流体-岩石作用的优先场所，促进溶解、胶结和重结晶作用（Corbella et al., 2004; Bons et al., 2012; Laubach et al., 2019; Hooker et al., 2012; Hooker et al., 2023）。这些耦合的构造-成岩过程可随时间显著改变孔隙架构，导致复杂且高度非均质的渗透率结构发育。因此，裂缝系统对碳酸盐岩系中流体循环、成岩改变和地下储层性质发育起一阶控制作用（Warren and Root, 1963; Nelson, 1985; Rashid et al., 2020; Wang et al., 2022; Zhang et al., 2023）。因此，理解这些裂缝系统的成因、分布和演化对于重建流体流动历史以及在多种地质背景下预测碳酸盐岩系统行为至关重要。

虽然裂缝生长的主要力学驱动因素，包括构造应变、孔隙流体压力、岩石力学性质和力学层厚度，已得到充分确立（如 Williams and McNamara, 1992; Palchik and Hatzor, 2002; Ferrill et al., 2004a; Toussaint et al., 2018; Korneva et al., 2018; Regnet et al., 2019; Kaminskaite et al., 2020; Van Der Voet et al., 2022），但它们在天然碳酸盐岩系中的表现强烈受沉积和成岩历史的制约。因此，裂缝的起始和演化并不反映单一控制因素，而是源于多个过程耦合效应的共同作用（如 Sammis and King, 2007; Zahm and Hennings, 2009; Zeeb et al., 2013; Sch?pfer et al., 2011; Spence et al., 2014; Peacock and Sanderson, 2018; Toussaint et al., 2018; Smeraglia et al., 2021; Zeng et al., 2023）。现有研究通常从单个或有限组控制因素的角度研究裂缝，包括构造应力场、岩性组合、力学层性质与尺寸、埋深和孔隙流体压力（如 Pollard and Segall, 1987; Underwood et al., 2003; Laubach, 2003; Ferrill et al., 2004b; Rustichelli et al., 2015; Regnet et al., 2019; Laubach et al., 2019; Liao et al., 2020; Balsamo et al., 2023）。在此框架内，裂缝的发育和空间分布通常被解释为广义力学参数的函数，如杨氏模量、泊松比、脆性指数或层厚度（如 Gross et al., 1995; Schlische et al., 1996; Palchik and Hatzor, 2002; Underwood et al., 2003; Wennberg et al., 2006; Laubach et al., 2009; Zahm and Hennings, 2009; Sch?pfer et al., 2011; Peacock and Sanderson, 2018; Yang et al., 2020）。虽然这些参数对于描述弹性行为和裂缝力学至关重要，对于化学惰性岩石（如某些砂岩）可能足够，但它们往往不足以捕捉区分碳酸盐岩的耦合力学-化学行为，在这些岩石中，压溶、溶解和胶结等过程随时间不断改变岩石强度、刚度和裂缝性质（如 Palmer, 1991; Williams and McNamara, 1992; Woodcock et al., 2007; Zahm et al., 2010; Rustichelli et al., 2015; Schulz et al., 2016; Toussaint et al., 2018; Nader et al., 2024）。因此，仅凭广义力学参数不足以全面、基于过程地理解碳酸盐岩系中裂缝的形成。

碳酸盐岩中常见的不同矿物，包括方解石、白云石、蒸发岩矿物和黏土矿物成分，在应力作用下表现出根本不同的变形机制。这些矿物尺度力学行为的差异，当与沉积纹理的普遍非均质性及碳酸盐岩系特有的周期性架构相结合时，会产生复杂且高度多变的应力局部化模式（如 Underwood et al., 2003; Ehrenberg and Nadeau, 2005; Wennberg et al., 2006; Rustichelli et al., 2012; Zahm et al., 2010; Toussaint et al., 2018; Regnet et al., 2019; Yu et al., 2022）。因此，碳酸盐岩中裂缝的几何形态和空间排列显示出显著多样性，无法仅通过纯力学或基于弹性的裂缝模型充分解释。值得注意的是，碳酸盐岩的矿物学和纹理复杂性从根本上由其沉积和成岩历史控制，这一关系常被忽视。

在碳酸盐储层中，裂缝系统直接控制储层的发育及其显著的空间和时间非均质性。一方面，裂缝可作为高渗透率通道，显著增强原本致密碳酸盐基质中的流体流动，从而促进烃类运移和充填。另一方面，通过胶结、压溶或矿物充填，裂缝可能演变为低渗透率甚至封堵结构，阻碍流体流动。更重要的是，裂缝与岩溶作用、白云岩化、埋藏溶解和晚期胶结密切相关。在整个地质演化过程中，它们可能反复在通道和屏障角色之间交替，不断重塑储层空间创造、破坏和保存的条件。这种动态行为产生了碳酸盐储层的显著非均质性和方向各向异性特征（Palmer, 1991; Ford and Williams, 2007; Esteban and Taberner, 2003; Machel and Lonnee, 2002; Davies and Smith, 2006; Laubach, 2003; Rustichelli et al., 2015; Xiao et al., 2021a）。

遗憾的是，在全球许多情况下，晚期构造变形和成岩作用的复杂叠加不仅导致碳酸盐储层中孔隙和裂缝的强烈非均质性（Tian et al., 2024; Wang et al., 2020），还修改或掩盖了许多早期构造演化和流体流动历史（Wardlaw and Cassan, 1978; Wennberg et al., 2016; Meng et al., 2021）。中国的碳酸盐储层几乎全部发育于古生代和元古宙。这些碳酸盐岩系通常埋藏于4500米以下，这是通常用于定义深层储层的阈值（Barker and Takach, 1992）。在塔里木盆地和四川盆地，古生代碳酸盐储层通常埋藏于6000米以下，达到超深领域（He et al., 2021; Laubach et al., 2023）。中国深埋碳酸盐岩中富含多样裂缝系统，许多仍保持开启状态并能有效传输流体。研究这些深层储层中的裂缝具有特殊意义，因为它们记录了快速埋藏和与反应性流体强烈相互作用的效果，同时至今保存完好。

因此，本综述聚焦于碳酸盐岩中的裂缝系统，采用碳酸盐岩独特的沉积和成岩属性作为统一组织框架。我们系统综合了当前对碳酸盐系统中裂缝分类、形成机制和储层控制作用的理解。本综述的目标有三：(i) 整合露头观察、微观结构分析和地下数据集（如成像测井），建立一致的多尺度碳酸盐裂缝分类和表征方案；(ii) 从沉积-成岩角度重新审视碳酸盐岩中裂缝发育机制，明确考虑其岩性和演化特异性；(iii) 基于中国深层碳酸盐储层，总结裂缝和相关流体-岩石相互作用在控制储层性质中的作用。本综合旨在不仅将碳酸盐裂缝系统的理论理解置于更连贯的框架下，而且为广泛的地下能源和资源应用提供概念基础。

**节段摘要**

**碳酸盐岩中裂缝的分类与术语**

碳酸盐岩中的天然裂缝包括张开型裂缝和断层。张开型裂缝根据各种标准被称为张裂缝、节理或岩脉（Peacock et al., 2018）。许多不同的加载路径可导致张开型裂缝：高孔隙流体压力、构造拉伸和热弹性收缩的组合均可贡献并驱动地下裂缝的形成。这些过程可能共同作用，其

**矿物成分**

碳酸盐岩是典型的自生沉积岩，其矿物成分主要来自沉积盆地中的生物作用和/或化学沉淀。其矿物学以方解石和白云石为主，伴有少量伴生相。

与其他沉积岩一样，碳酸盐岩在应力逐渐增大的条件下，最初会发生可恢复的弹性变形，随后在持续加载下发生不可逆的塑性变形，以及

**裂缝对中国深层碳酸盐储层的控制作用** 中国的碳酸盐储层广泛分布于塔里木地块（塔里木盆地）、扬子地块（四川盆地）和华北地块（鄂尔多斯盆地）（图23a-b；He et al., 2021; Zeng et al., 2023; Dong et al., 2024）。其中，塔里木盆地的深层储层主要由奥陶纪和寒武纪的海相碳酸盐岩组成（图23c；例如 Yu et al., 2022; Zheng et al., 2024）。在四川盆地，深层储层主要包括海相和湖相碳酸盐岩的……

**结论** 碳酸盐岩裂缝系统并非构造应力的静态力学产物，而是记录了继承性沉积结构、力学变形、流体流动、化学反应以及长期成岩改造累积耦合的动态地质系统。我们在此提出一个综合框架，将沉积架构、成岩过程和构造变形联系起来，重新审视裂缝系统的特征、主控因素及储层影响。

**未引用参考文献** Sch?pfer et al., 2007

**利益冲突声明** 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢** 本研究由国家自然科学基金（编号：42522205和42402144）、四川省科技计划（编号：2025ZNSFSC1185）和中央高校基本科研业务费（编号：26820205CX104）资助。我们感谢Stephen E. Laubach和两位匿名审稿人提出的建设性意见，这些意见极大地提高了本文质量。我们还要感谢Dickson Cunningham和王琪琪提出的宝贵建议和……

Feifan Lu | Di Xiao | Yanlin Liang | Jiuyuan Wang | Kaibo Shi | Haofu Zheng | Xiucheng Tan
西南交通大学地质工程系，中国成都611756