下?lián)P子區(qū)不同應(yīng)力場下的成巖作用特征研究

楊少春，王惠娟 任懷強，史祥明 （中國石油大學(xué) （華東）地球資源與信息學(xué)院，山東 青島266555）

談 迎 （江蘇省華東有色地質(zhì)勘察局，江蘇 南京250007）

下?lián)P子區(qū)不同應(yīng)力場下的成巖作用特征研究

楊少春，王惠娟 任懷強，史祥明 （中國石油大學(xué) （華東）地球資源與信息學(xué)院，山東 青島266555）

談 迎 （江蘇省華東有色地質(zhì)勘察局，江蘇 南京250007）

通過對下?lián)P子區(qū)三疊系青龍組和侏羅系象山組的野外露頭觀察、普通光學(xué)鏡下分析、掃描電鏡與能譜測試分析、X－衍射分析和包裹體觀察等一系列分析測試，研究表明下?lián)P子區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場可分為擠壓和拉張兩種：擠壓應(yīng)力場對應(yīng)構(gòu)造縫合線、泥縫、泥質(zhì)不均勻富集、分散的微縫合線和局部的重結(jié)晶現(xiàn)象等構(gòu)造成巖作用特征，其不同變形程度的褶皺中巖石構(gòu)造成巖現(xiàn)象和強度存在差別，隨褶皺程度的增強，構(gòu)造成巖作用強度增大；拉張應(yīng)力場對應(yīng)后期形成的構(gòu)造裂縫和石英張裂縫等構(gòu)造成巖作用特征。研究證實，不同的應(yīng)力作用下巖石表現(xiàn)出不同的構(gòu)造變形特征，成巖強度與變形強度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

擠壓應(yīng)力場；拉張應(yīng)力場；構(gòu)造成巖作用；成巖強度；下場子區(qū)

隨著油氣勘探程度的不斷增大，成巖作用在理論研究及具體實踐中都取得了長足的進(jìn)展［1］。目前，對成巖作用的研究主要集中在成巖環(huán)境、成巖流體活動、成巖作用的定量模擬試驗、成巖相與沉積相和層序地層學(xué)的緊密結(jié)合與交叉方面［2］。研究認(rèn)為，影響成巖作用的因素包括構(gòu)造因素、碎屑組分、間隙水、古地溫、壓力［3，4］，沉積相、粘土礦物轉(zhuǎn)化［5］、油氣聚集［6］等，其中碎屑組分、孔隙流體和溫度、壓力等因素對成巖作用的影響研究較為深入，而構(gòu)造因素對成巖作用影響的研究大多集中在基底沉降、抬升造成的可容空間大小的變化及其對成巖環(huán)境的影響方面［3］，即垂向的埋藏成巖作用。

近年來，伴隨研究工作的進(jìn)一步深入，側(cè)向構(gòu)造變形與成巖作用的關(guān)系研究開始逐漸引起各位學(xué)者的關(guān)注。壽建峰等［7，8］認(rèn)為，構(gòu)造應(yīng)力對成巖作用的影響表現(xiàn)在3個方面：①構(gòu)造側(cè)向擠壓作用；②構(gòu)造滑脫推覆作用；③基底塊斷隆升作用。田景春等［9］則得出不同構(gòu)造區(qū)帶的各種成巖作用特征不同。筆者通過對下?lián)P子區(qū)三疊系青龍組和侏羅系象山組在不同應(yīng)力場下巖石構(gòu)造成巖作用的差異研究，闡明側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力與成巖作用的相關(guān)關(guān)系。

1 地質(zhì)背景

下?lián)P子區(qū)是我國海相中、古生界發(fā)育最齊全，保存相對較完整的地區(qū)之一。經(jīng)歷了多旋回的盆地生成、改造及疊加過程。復(fù)雜的構(gòu)造發(fā)育史，使得區(qū)內(nèi)不同區(qū)塊在同一大地構(gòu)造背景下由于原生結(jié)構(gòu)或繼承結(jié)構(gòu)的差異而產(chǎn)生了差異性的構(gòu)造演化特征。

下?lián)P子區(qū)中、古生界地層沉積及以后經(jīng)歷了兩個大的構(gòu)造變形階段，分別是印支晚期－燕山中期的逆沖推覆構(gòu)造階段和黃橋轉(zhuǎn)換事件之后的區(qū)域性拉張作用階段。青龍組是印支運動開始前保存較好、分布較廣的最后沉降的一個層位，象山組是印支運動結(jié)束后沉積的第一個層位，選擇這兩個層位開展研究，可以通過解剖典型地層來反映構(gòu)造運動對成巖作用的影響。青龍組沉積臺地淺灘相和深水斜坡盆地相泥晶灰?guī)r；象山組沉積環(huán)境以河、湖并存為特點，巖性為青灰色、黃褐色石英砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。

2 采樣點設(shè)計與分布

青龍組經(jīng)歷了強烈的擠壓改造作用和拉張應(yīng)力作用，地層變形強烈，褶皺發(fā)育，斷裂相對較少；象山組整體表現(xiàn)為剛性變形，隨處可見節(jié)理和斷層。

針對兩組地層不同的地層發(fā)育特征和研究工作的實際需要，采樣時遵從以下3項基本原則：①考慮全區(qū)面上的控制。理想情況下，樣品應(yīng)在整個下?lián)P子區(qū)不同的變形結(jié)構(gòu)分區(qū)中均勻分布，但由于實際的露頭發(fā)育不均勻以及地面建筑等的限制，只能在已掌握的露頭資料中盡可能全面取樣。②考慮不同特征構(gòu)造變形中成巖作用的差異。重點選取擠壓應(yīng)力場對應(yīng)的撓曲、背斜、向斜和拉張應(yīng)力場對應(yīng)的斷層兩側(cè)以及斷裂帶產(chǎn)物。③考慮典型構(gòu)造變形中成巖作用的解剖。褶皺是研究區(qū)發(fā)育最為廣泛的一類變形構(gòu)造，選擇發(fā)育完整的同一褶皺的轉(zhuǎn)折端和翼部、斷層帶內(nèi)部和斷層兩盤、撓曲的緩傾斜巖層和突然變陡處分別取樣。

3 擠壓應(yīng)力場下的成巖作用

野外踏勘結(jié)果表明，青龍組露頭發(fā)育，覆蓋面廣，因受強烈擠壓，地層變形明顯，隨處可見陡傾近直立巖層中摻雜揉皺，褶皺種類多樣，變形程度不一，包括直立褶皺、斜歪褶皺、平臥褶皺和翻卷褶皺4種，另有大量的小型撓曲。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，青龍組成巖作用類型表現(xiàn)為泥晶化作用、深水海底膠結(jié)作用、淺水灰?guī)r膠結(jié)作用、白云石化作用、新生變形作用、壓實壓溶作用、黃鐵礦化和硅化、溶解作用以及后生階段的構(gòu)造裂縫。其中多數(shù)為沉積成巖作用，而構(gòu)造成巖作用中與擠壓應(yīng)力場對應(yīng)的則主要體現(xiàn)在壓溶作用上。

Wanless［10］指出，含泥灰?guī)r中的泥縫至少有一部分是壓溶作用的產(chǎn)物，那些平滑的細(xì)微波狀的縫線與典型的鋸齒狀縫合線有明顯的不同。并提出壓溶作用有3種基本類型，即縫合線狀縫溶解作用，非縫合線狀縫溶解作用 （微縫合線，微縫合線群和粘土縫）以及非縫 （彌漫型）溶解作用 （一個單元普遍減?。?。

縫合線是碳酸鹽巖層中常發(fā)育的一種構(gòu)造。它實際是縫合面與巖層應(yīng)力作用面的交面，屬壓溶作用產(chǎn)物，可分為垂直縫合線和水平縫合線。垂直縫合線的錐軸與層面垂直，縫合面與層面平行。形成垂直縫合線的壓力來自上覆巖層的重載荷或升降運動造成的壓力。因此，只是一部分垂直縫合線是成巖期形成的，也可能是構(gòu)造成因的。水平縫合線的錐軸水平或傾斜，縫合面與層面垂直或斜交。它是由構(gòu)造應(yīng)力造成的，顯然屬構(gòu)造成因。因此，水平縫合線和構(gòu)造成因的垂直縫合線在此統(tǒng)稱為構(gòu)造縫合線。

3.1 微弱褶皺區(qū)成巖作用特征

該類變形區(qū)集中在浮梁縣附近的壽安鎮(zhèn)和仙槎水泥廠，褶皺作用強度微弱，巖層變形程度相對較弱，形態(tài)不明顯，表現(xiàn)為剛性變形。野外露頭中，巖層按原始沉積形貌呈近水平狀產(chǎn)出，層間無強烈揉皺。顯微鏡下多見均質(zhì)的泥晶灰?guī)r，局部有重結(jié)晶現(xiàn)象，泥縫、縫合線很少出現(xiàn)。掃描電鏡下，方解石晶體之間的原生孔隙仍有殘留，孔隙中不完全充填蠕蟲狀粘土礦物和自形程度高的方解石小晶體，溶蝕作用不強。能譜測試發(fā)現(xiàn)研究區(qū)樣品中含有Sr元素，證明成巖作用較弱，未進(jìn)入成巖后期演化階段。全巖衍射結(jié)果顯示樣品中只有石英、方解石和粘土礦物3種類型，證明沉積和成巖作用以及后期的改造作用程度都很弱。包裹體全都都是原生包裹體，大小不一，以單相為主，也有兩相包裹體。

3.2 寬緩褶皺區(qū)成巖作用特征

該類褶皺在整個下?lián)P子區(qū)較為常見，研究中采集的樣品主要來自銅陵大通鎮(zhèn)和南京－鎮(zhèn)江一帶。露頭褶皺形態(tài)清晰可見，巖層擠壓彎曲程度適中，有背斜、向斜、撓曲多種表現(xiàn)形態(tài)。顯微鏡下觀察：樣品的構(gòu)造成巖作用特征總體表現(xiàn)為分散的微縫合線、延伸較長的構(gòu)造縫合線以及局部的重結(jié)晶現(xiàn)象。因采集樣品為定向樣品，分析時可以將樣品中的特殊構(gòu)造進(jìn)行方向恢復(fù)，從而提供有價值的方向性數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。對于構(gòu)造縫合線，如果只有走向和傾向薄片中存在縫合線，而順層薄片中沒有縫合線，那么可以斷定這條縫合線是由重力壓溶即垂向的沉積成巖作用形成；如果在順層薄片中見有縫合線，而走向或者傾向薄片中沒有縫合線，那么可以斷定這是側(cè)向構(gòu)造擠壓作用的結(jié)果。分散的微縫合線是指不連續(xù)的泥薄膜面在一個方向切片中的反映，判斷方法與構(gòu)造縫合線相同 （圖1）。

掃描電鏡下可見充填于方解石晶間的石英顆粒被錯斷，并有后期的大片狀伊利石充填 （圖2），晶體邊緣棱角已不明顯，溶蝕程度中等。Na、K、Mg元素含量相對高，F(xiàn)e元素沒有測出。礦物種類多樣，涵蓋了研究區(qū)所有樣品中包含的礦物類型。包裹體個體較小，以單相為主，也有少量的兩相包裹體，數(shù)量較多，只有個別樣品中可以見到串珠狀的次生包裹體沿裂縫分布 （圖1、圖2）。

圖1 分散的微縫合線

圖2 石英晶體的錯斷與伊利石的填充

3.3 緊閉褶皺區(qū)成巖作用特征

緊閉褶皺是整個下?lián)P子區(qū)分布最廣、數(shù)量最多的一類褶皺，分別在宿松、安慶、宣城、巢湖等地取樣中，樣品覆蓋面積較大，多個變形區(qū)都有該類露頭。野外觀察發(fā)現(xiàn) （圖3），該類褶皺彎曲復(fù)雜、變形強烈、層內(nèi)揉皺發(fā)育，巖層原始形貌已破壞殆盡，尤以平臥褶皺和翻卷褶皺為典型代表。

顯微鏡下觀察，巖石構(gòu)造成巖作用表現(xiàn)為泥縫、由縫合線分隔的泥質(zhì)的不均勻富集和彎曲的重結(jié)晶帶 （圖4）。掃描電鏡下，樣品中長石顆粒向粘土礦物轉(zhuǎn)化程度高，方解石晶體上發(fā)育相互垂直的破裂紋，顆粒溶蝕嚴(yán)重，溶孔發(fā)育。Na、K、Mg元素含量相對低，F(xiàn)e含量高，證明成巖演化強度高一些。包裹體以兩相為主，大小不一，多見沿裂隙分布的串珠狀次生包裹體 （圖5）。

圖3 緊閉褶皺露頭特征

圖4 縫合線分隔的泥質(zhì)不均勻富集

4 拉張應(yīng)力場下的成巖作用

圖5 串珠狀包裹體

受拉張應(yīng)力的作用，巖石中與構(gòu)造成巖相關(guān)的現(xiàn)象多表現(xiàn)為張裂縫，在沉積、成巖過程中，這些先期形成的裂縫多被方解石、石英、泥質(zhì)和鐵質(zhì)等充填。

構(gòu)造應(yīng)力形成的裂隙一般邊緣平直，延伸較遠(yuǎn)，具一定方向和組系性。多次構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的不同期次裂隙可以互相切割。研究區(qū)構(gòu)造縫大致可分填縫、半填半開縫和開縫3種。構(gòu)造裂隙及其他縫隙在形成以后，在其后的成巖過程中可被溶蝕增大，亦可被膠結(jié)充填而消失。

研究區(qū)的構(gòu)造裂縫多為充填縫，開縫很少。裂縫寬窄不一，延伸長度也不同，裂縫間的互相切割錯斷現(xiàn)象普遍，可以分清構(gòu)造應(yīng)力的不同期次。部分裂縫中充填的亮晶方解石從裂縫邊緣到中部，晶粒逐漸變大，顯示一定的世代性。

4.1 象山組巖石拉張應(yīng)力場下特征

象山組砂巖樣品出露較局限，僅在南京市北象山和景德鎮(zhèn)市露頭發(fā)育，其他地區(qū)只有零星分布。野外觀察發(fā)現(xiàn)，在拉張應(yīng)力作用下，象山組巖層中發(fā)育錯綜復(fù)雜的節(jié)理縫和寬窄不一的裂縫，有的裂縫延伸很長且邊緣平直、縫寬也較大。對薄片的鏡下鑒定可以看到，石英晶體表面出現(xiàn)張裂口和顆粒間的錯斷彎曲現(xiàn)象。掃描電鏡下，見有厚層片狀的伊利石和絨球狀的綠泥石集合體，形態(tài)特殊，石英晶體表面棱角不明顯，溶蝕現(xiàn)象多見，粘土礦物多呈孔隙襯墊式存在。粘土衍射結(jié)果顯示，象山組砂巖樣品，以南京北極閣一帶為例，伊利石和伊蒙混層是最主要的粘土礦物，高嶺石和綠泥石含量極低或不存在。包裹體全為原生包裹體，個體偏小。

4.2 青龍組巖石拉張應(yīng)力場下特征

青龍組灰?guī)r野外露頭表現(xiàn)出的拉張應(yīng)力作用特征以被方解石充填的節(jié)理縫和張裂縫為主，張裂縫產(chǎn)狀復(fù)雜，有的多條裂縫近平行產(chǎn)出，有的呈環(huán)狀，還有裂縫與縫合線的垂直錯斷，據(jù)此可判斷拉張應(yīng)力與擠壓應(yīng)力作用的先后次序。另外，研究區(qū)青龍組還見有極少數(shù)的開啟縫，薄片中可以看出開啟縫又經(jīng)過后期的剪切應(yīng)力作用（圖6）。

圖6 開啟縫

5 結(jié) 論

1）下?lián)P子區(qū)青龍組經(jīng)歷了擠壓和拉張兩種應(yīng)力作用，變形強烈，褶皺非常發(fā)育，斷裂少見；象山組整體表現(xiàn)為剛性變形，只經(jīng)歷了拉張應(yīng)力的作用，未見褶皺，但斷裂極其發(fā)育，不同地區(qū)斷裂特征各異。

2）構(gòu)造成巖作用在擠壓應(yīng)力場下對應(yīng)構(gòu)造縫合線、泥縫、泥質(zhì)不均勻富集、分散的微縫合線和局部的重結(jié)晶現(xiàn)象；拉張應(yīng)力場下對應(yīng)各種后期形成的構(gòu)造裂縫和石英顆粒中的張裂口等。

3）擠壓應(yīng)力場下不同變形程度的褶皺中，巖石構(gòu)造成巖現(xiàn)象和強度的差別證明：構(gòu)造應(yīng)力對成巖作用的影響是確實存在的，不同的應(yīng)力作用下巖石表現(xiàn)出不同的構(gòu)造變形特征，成巖強度與變形強度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

4）需指出的是：構(gòu)造應(yīng)力的作用不僅包括擠壓應(yīng)力和拉張應(yīng)力兩種，還應(yīng)包括剪切應(yīng)力。研究中，受研究層位樣品和測試條件的限制，沒有將剪切應(yīng)力單獨分析，但其對成巖作用的影響也是不可忽視的。

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Research on Diagenetic Characteristics of Various Stress Fields in Lower Yangtze Area

YANG Shao－chun，WANG Hui－juan，REN Huai－qiang，SHI Xiang－ming，TAN Ying（First Author's Address：College of Earth Resources and Information，China University of Petroleum，Qingdao266555，Shandong，China）

Based on the outcrop observation，analysis of optical microscope，SEM inspection and electron energy spectrometry，X－Ray diffractometry and inclusion analysis，the Triassic Qinglong Formation and Jurassic Xiangshan Formation in Lower Yangtze Aera were studied.The research indicates that there were two kinds of stress fields in Lower Yangtze Aera，they were compressional stress field and extensional stress field.The compressional stress field was corresponded to the characteristics of structural diagenesis，such as structural stylolite，mud suture，nonuniform muddy enrichment，discrete microstylolite and regional recrystallization etc.Folds in different deformational levels had different tectonic diagenetic phenomena and intensities，with the increase of fold deformation，the tectonic diagenetic intensity became stronger and stronger.The extensional stress field was corresponded to various post tectonic fractures and tensile cracks of the quartz particles etc.The study demonstrates that rocks and layers under different stresses have various tectonic deformational characters.There is an apparent positive correlation between diagenetic intensity and deformational intensity.

compression stress field；extensional stress field；tectonic diagenesis；diagenetic intensity；Lower Yangtze Area

TE122.2

A

1000－9752（2011）06－0022－04

2011－03－28

國家科技重大專項 （2011ZX05009－003）。

楊少春 （1962－），男，1992年研究生畢業(yè)，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事油氣地質(zhì)及油藏描述研究工作。

［編輯］ 宋換新