《Journal of Structural Geology》：Multi-scale characterization of fault zones in the Groningen gas field: Implications for fault reactivation
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地下地质资源（georesources）的开采和地下储存（subsurface storage）可能导致各种危害，包括地面沉降（subsidence）和诱发地震活动（induced seismicity）。断层岩性质（fault-rock properties
地下地质资源（georesources）的开采和地下储存（subsurface storage）可能导致各种危害，包括地面沉降（subsidence）和诱发地震活动（induced seismicity）。断层岩性质（fault-rock properties）的先验知识在地下开采中的必要性由格罗宁根气田（Groningen gas field）清楚阐明，该气田的气体开采已在复杂的前存断裂网络上引发了诱发地震活动。尽管格罗宁根气田在沉积相（depositional facies）、围岩组成（host rock composition）和储层尺度断层分布方面已有先进的知识状况，但在所有观测尺度上仍缺乏这些断层的运动学定义和构造观测。特别是断层带的内部结构和断层岩的组成需要更深入的认识。在本研究中，研究人员展示了一个综合数据集，综合了来自格罗宁根一条储层断层样品的断层泥（fault gouge）微观构造观测和实验性质，并辅以反射地震（reflection seismics）和井数据得出的中尺度解释。研究人员在储层尺度上识别出两种成因不同的断层岩类型。具有间隙黏土（interstitial clays）的石英长石质断层泥（quartzofeldspathic gouges）由碎裂粒径减小（cataclastic grain size reduction）随后发生压溶（pressure solution）相关的颗粒压痕（grain indentations）而形成，这推断出压溶以及胶结作用（cementation）引起的时间相关愈合（time-dependent healing）。黏土支撑断层泥（clay-supported gouges）由岩性混合（lithology mixing）形成，变形通过层状硅酸盐叶理面（phyllosilicate foliation planes）上的滑动来调节。研究人员推断，富黏土断层核中的断层再活化促进无震滑动（aseismic slip），而胶结的石英长石质断层的再活化可能涉及先前存在的断层核外部的碎裂作用（cataclasis），从而促进地震滑动（seismic slip）。岩心尺度和微观尺度的观测为格罗宁根赤底统储层（Rotliegend reservoir）中断层岩的固有性质及其在断层带中的分布提供了定量数据。结合储层尺度构造断层解释和力学实验的推断，这些数据为当前观测到的诱发地震活动提供了地质背景。
**论文解读文章**
**1. 研究背景与问题**
地下资源开采与地下储存活动可能引发地面沉降、诱发地震等灾害。人类活动引起的应力变化是否导致诱发地震，取决于背景构造应力、施加应力变化的幅度与性质，以及断层带的结构和力学性质，其中包括断层岩的固有属性。大型位移断层通常由多个断层核和损伤带组成，断层核内富集断层泥、碎裂岩等。然而，由于钻探岩心回收有限，储层断层岩的直接研究常常受阻，导致对断层岩固有性质及其对力学行为影响的储层特异性约束不足。
格罗宁根气田是这一问题的典型案例。该气田天然气开采已在复杂的前存断层网络上诱发地震活动。通过反射地震数据已绘制近700条断层，但空间分辨率超过20米。尽管对格罗宁根气田的沉积相、围岩组成、成岩蚀变和断层分布已有较深入认识，但断层带的内部结构和断层岩组成仍缺乏约束，特别是断层泥的粒径、孔隙度和组成等定量数据不足。这类数据对于约束断层力学行为的实验和数值模拟以及基于观测和物理的地震危险性评估至关重要。
**2. 研究目的与意义**
研究人员旨在通过多尺度表征，提供格罗宁根气田断层岩的定性和定量数据，包括运动学、结构、矿物学以及粒径、形状和组成，以理解断层泥的形成机制、愈合过程及其对断层再活化行为的影响，为诱发地震活动的地质解释和物理模型提供约束。
**3. 主要技术方法**
研究人员使用来自格罗宁根气田东北部Bierum-01（BIR-01）井的1.4米宽断层带岩心样本（深度2924.7–2926.1米），该井是唯一钻遇完整断层带的近垂直井。研究结合了宏观和微观构造分析，利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM-BSE/SEM-SE）对天然断层泥进行定性与定量分析，包括粒径分布、形状参数（纵横比、形状因子、圆度）和分形维数（D）。同时，将天然断层泥与来自SDM-01井的赤底统岩石粉碎后经摩擦实验产生的模拟断层泥（速度步进实验VST和地震滑动脉冲实验SSP）进行相同方法的定量对比。此外，对四条关键SW-NE测线进行反射地震再解释，结合NAM Petrel地质模型分析断层几何与运动学。
**4. 研究结果**
**4.1 岩心材料定性分析**
BIR-01井岩心显示，在2924.7–2926.0米深度存在一个高变形带，其中20厘米宽的破碎砂岩被富黏土叶理化断层泥包围，构成断层核；上下损伤带发育密集的、倾斜60–80度的 anastomosing（网状）碎裂变形带。黏土支撑断层泥与围岩边界不规则，内部包裹石英、长石颗粒和砂岩碎块，局部叶理围绕颗粒弯曲。石英长石质断层泥与碎裂岩之间呈过渡关系。
**4.2 天然与实验断层泥定量分析**
天然石英长石质断层泥以次圆至次棱角石英颗粒为主，中值等效直径4.5微米，比围岩小两个数量级，D值为2.07；颗粒支撑结构，颗粒间有压溶压痕，基质约35%，孔隙度约11%。实验石英长石质断层泥中值粒径6.8微米，D值2.01，但常见颗粒内裂隙，无压溶压痕。天然黏土支撑断层泥中石英颗粒粒径分布与围岩相似，中值等效直径242微米，D值0.78，黏土基质具弱叶理并绕颗粒弯曲；实验黏土支撑断层泥颗粒中值粒径50微米，D值1.22，叶理更连续。总体趋势相似。
**4.3 区域构造解释**
四条反射地震测线显示，储层断层向下延伸至石炭系，但不穿透上覆的厚层Zechstein盐层，说明机械去耦。西南区的大型NW-SE向断层系统沿走向发生偏移传递，形成复杂的传递、撕裂和连接构造，局部出现反向断层和反转构造。东北部较稳定隆起区的小位移断层也显示出沿走向的几何和运动学变化。BIR-01井附近存在两条E-W向小位移断层，其阶区结构与NNW-SSE向断层相互作用。
**5. 讨论总结**
讨论部分指出，天然与实验石英长石质断层泥的微观差异表明压溶和胶结作用导致的时间相关愈合是断层强化的重要机制。天然断层泥中的颗粒压痕证实了压溶愈合，而实验断层泥中缺乏压痕表明短期实验无法模拟长期愈合。石英和硬石膏胶结进一步强化断层核。因此，石英长石质断层再活化可能发生在预先存在的断层核外部，涉及碎裂作用。相反，黏土支撑断层泥因黏土矿物抑制胶结且渗透性低，长期保持弱化，再活化发生在断层核内部，且速度强化行为抑制地震成核，促进无震滑动。区域尺度的断层复杂几何（铲式形态、分支、传递）影响断层粗糙度和应力分布，且分散变形在孔隙砂岩中形成低于地震分辨率的低位移断层，可能与部分诱发地震事件有关。
**6. 研究结论（翻译）**
对格罗宁根气田Bierum-01井的岩心尺度观测显示，存在一个由叶理化富黏土断层泥、石英长石质断层泥和破碎包裹透镜体组成的断层核，其外围为变形较弱的损伤带，包含角砾岩和胶结碎裂带。基于微观构造观测，研究人员在储层尺度上区分出两种成因不同的断层岩类型：黏土主导断层岩和石英长石质断层岩。通过定量微观结构分析，提供了控制这些断层岩摩擦行为的固有性质（如矿物学、孔隙度、粒径和形状）的新数据。
石英长石质断层泥呈颗粒支撑结构，含间隙黏土，粒径相对围岩减小两个数量级，由碎裂过程形成。颗粒压痕表明压溶时间相关愈合是该类型断层泥的重要机制。富黏土断层泥呈基质支撑结构，包裹碎屑颗粒和砂岩碎片，表明岩性混合在其形成中起重要作用。
研究人员将天然微观断层岩性质与来自格罗宁根地层的实验模拟断层泥进行对比。实验断层泥再现了天然断层泥的粒径分布和微观结构，验证了其作为类似物的有效性。一个重要的差异是天然石英长石质断层泥中存在的压溶相关颗粒压痕未在短期实验室实验中再现，这强调了需要微观物理模型来外推长期愈合和摩擦行为。此外，成岩研究表明石英长石质断层岩受到石英和硬石膏的优先胶结。压溶和胶结共同导致的强化推断表明，断层再活化可能发生在预先存在的断层核外部。相反，天然和模拟的富黏土断层泥均未显示断层愈合的证据，推断其相对于周围围岩仍保持弱化。然而，富黏土断层核的再活化可能因其速度强化行为而不导致地震成核。
沿四条关键测线的反射地震数据重新解释表明，其分辨率下观测到的众多断层是分支、传递、调节、撕裂断层或连接带的结果，反映了在预先存在的构造格架之上的变形。观测到的构造复杂性还表明，地震分辨率之下存在额外的断层和分散变形。这一解释得到孔隙砂岩中因应变硬化效应而倾向于分散变形以及愈合效应导致断层强化的事实支持。
岩心尺度和微观尺度观测为格罗宁根赤底统储层中断层岩的固有性质及其在断层带中的分布提供了定量数据。结合储层尺度构造断层解释和力学实验推断，这些数据为当前观测到的地震活动提供了地质背景，不仅涉及已绘制的主要断层，还涉及低于反射地震分辨率的断层。
