0 引言
四川盆地五峰组—龙马溪组是目前我国页岩气勘探开发的重点层系之一［1-3］，其中位于川南地区的长宁页岩气田已经率先实现了商业开发，显示了川南地区巨大的页岩气资源勘探潜力。与北美相比，四川盆地海相页岩经历了多个时期的构造运动和长期的演化历史，使得页岩气的保存条件更加复杂［4-5］，有效评价保存条件是实现页岩气高效开发的关键。页岩的含气性和页岩气产能均与天然裂缝（特别是构造裂缝）发育密切相关［6-7］，该领域研究重点关注构造裂缝特征分析、形成期次及成因机理的厘定。而构造裂缝期次的研究方法包括露头、岩心裂缝资料的观察、井下断裂构造解析分析、岩石声发射实验、裂缝充填物包裹体均一温度等［8-9］；裂缝不仅可以沟通附近的孔隙或裂缝，形成多套复杂的缝网系统，有利于改善页岩气藏内部的孔渗条件，其本身还可以作为页岩气的运移通道与储集空间，对控制地下页岩气运移和增强水力压裂的连通性具有至关重要的作用［10-12］。此外，在对天然裂缝发育区域进行水力压裂的过程中，水力压裂缝可与天然裂缝进行交会而使得裂缝传播路径发生偏转和分支［13］，在相同地质背景下，该类岩石往往具备较高的脆性指数，可压性较好，破坏后更易形成复杂的裂缝网络［14］。然而，目前裂缝发育特征及期次对页岩气富集成藏的具体影响尚不明确，开展页岩构造裂缝特征及发育期次精细研究，对页岩气的勘探部署、钻井优化、有利区筛选等具有重要指导作用。
基于此，本文以四川盆地南部双龙—罗场地区为例，利用岩心观测、FMI测井解析、实验测试分析等明确构造裂缝的发育特征及产状，结合裂缝充填物包裹体温度、岩石声发射及埋藏—热演化史等实验测试数据，厘定构造裂缝的形成时间及发育期次。研究成果对双龙—罗场地区及相邻区块页岩气勘探评价部署、复杂构造背景下海相页岩气藏的高效勘探和开发具有重要意义。
1 研究区地质概况
双龙—罗场地区在区域上位于川西南低褶构造带、娄山褶皱带，处于峨眉瓦山块断带与娄山褶皱带交汇部位，东邻建武向斜与长宁背斜，南接盐津背斜，西为天宫堂构造（图1）。研究区东侧受到川东—湘鄂西构造带的挤压，西侧受到龙门山方向的挤压应力远程传递影响，北部受限于四川盆地及华蓥山断裂带的影响，紫云—罗甸断裂带构造转换作用引发研究区南部的挤压、抬升。处于多方受力的构造三角带，构造行迹复杂，构造叠加明显，多方向褶皱构造共生，长宁、建武、天宫堂等褶皱构造主体呈NWW向，罗场向斜呈NE向、双龙向斜呈NE向［15］。地表除长宁背斜外，主要出露侏罗系，局部出露三叠系。整体而言，裂缝从三叠系到寒武系发育程度较高，主要分布在褶皱两翼及转折端上。
2 裂缝特征
观测岩心裂缝，统计分析裂缝的倾角、密度等相关发育特征参数，可较为直观地了解裂缝纵向发育特征以及区域裂缝发育程度，并为后期探讨裂缝发育主控因素等方面的研究和认识提供必要的基础条件。结合裂缝产状可得出研究区所受地应力及裂缝优势方位。
根据裂缝交切关系可初步判定裂缝形成期次。对研究区N219、N221、N228、N230共4口井龙马溪组约200 m的岩心进行观测（图2），结合成像测井资料，统计分析了裂缝成因类型、岩心裂缝发育特征、裂缝产状以及交切关系。
2.1 裂缝成因类型
双龙—罗场地区龙马溪组发育的裂缝类型主要包括构造成因的剪切缝、复合缝，以及少量张性缝及层间缝，其中剪切缝主要以高角度缝和直立缝为主，主要特征为缝面平直、产状稳定，延伸较远，常常切穿整个岩心柱面等特征，缝面多被方解石全充填或半充填［图3（a）—图3（c）］［18-19］；此外受多期构造运动影响，在已存在的剪切缝基础上，经过后期构造运动的叠加、改造，使得早期剪切缝扩展、张开和转向等，形成了研究区典型的复合缝，该类裂缝常继承早期发育的剪切缝，局部偶有弯曲，张开程度变大，延伸距离长短不一［图3（d）］。张性缝和层间缝常与层面平行，且具有明显的镜面和擦痕特征，这可能是由于应力作用下发生层间滑动所致，缝面常充填方解石和黄铁矿［图3（e），图3（f）］。由于层间缝的存在，岩心取出地表后常呈一截一截的饼块状［图3（g）］。
图3 双龙—罗场地区龙马溪组页岩岩心裂缝类型及发育特征（a）N219井，3 947.22~3 947.35 m，直立剪切缝，方解石充填；（b）N219井，3 958.26~3 958.97 m，直立剪切缝，缝面平直，方解石充填；（c）N228井，3 469.82~3 469.95 m，剪切缝，方解石全充填；（d）N221井，3 736.56~3 737.11 m，复合网状缝；（e）N221井，3 739.45~3 739.55 m，层间缝，黄铁矿方解石混合充填；（f）N219井，3 947.30~3 947.42 m，层间缝；（g）N216H21-2井，3 630.24~3 232.20 m，层间缝将岩心切割为饼块；(h)N211井,3 739.19~3 739.47 m,直立剪切缝，高角度剪切缝，方解石充填；(i)N219井,3 946.62~3 946.71 m,直立剪切缝，高角度剪切缝，方解石全充填；(j)N228井,3 468.9~3 469.07 m,直立剪切缝，方解石充填 Fig.3 Shale core fracture types and development characteristics of Longmaxi Formation in Shuanglong-Luochang areas |
2.2 岩心裂缝发育特征
据典型井岩心裂缝观测结果，统计与分析了双龙—罗场地区龙马溪组裂缝的发育特征参数。研究区龙马溪组岩心裂缝长度主要分布在15~25 cm之间，其次为25~35 cm，两者约占裂缝总数的60%［图4（a）］；裂缝倾角以45°~75°的高角度缝和75°以上的直立缝为主，分别占比35%和46%［图4（b）］；裂缝宽度主要集中在0~1 mm之间，占比56%，总体上闭合度高、宽度小［图4（c）］；裂缝密度可以直观反映某深度段裂缝的分布与发育程度，研究区裂缝密度主要集中在0.5~1.5条/m之间，占所有裂缝发育段的60%［图4（d）］。裂缝以全充填缝和半充填缝为主，所占比例约为75%，未充填缝所占比例25%左右［图4（e）］，充填物主要为方解石或黄铁矿，高角度缝直立缝充填程度较高，导致地层具有一定的垂向封闭性，而水平缝和层间缝充填程度较低或未被充填，提高了页岩气的运移效率，有利于页岩气的富集。
2.3 裂缝产状
成像测井图像上观测到的不连续亮色正弦曲线，代表裂缝被高电阻率矿物部分或全部充填，暗色条纹则表示裂缝未被充填。结合岩心观测结果发现，双龙—罗场地区龙马溪组裂缝较发育，测井解释的裂缝走向方位较为集中，优势方位较明显，主要以近EW向（85°±10°）、NNE向（35°±5°）和NWW向（290°±10°），其次是NNW向（325°±5°），以高角度缝和直立缝为主（图5），发育少量低角度缝与水平缝，这与岩心观测结果较为一致。
2.4 裂缝交切关系
利用岩心裂缝的交切关系可以划分裂缝期次，主要遵循以下3个原则：①被切割的裂缝形成时间较早；②被限制的裂缝形成时间较晚；③未充填的裂缝形成时间较晚。根据裂缝的交切关系，可将研究区构造裂缝分为3期（图6）。综合分析研究区岩心裂缝充填矿物成分、裂缝切割关系及成像测井识别出来的裂缝产状，双龙—罗场地区龙马溪组至少存在3个期次的构造裂缝，表明裂缝的形成至少受3个期次的构造运动影响。
3 裂缝形成的期次和时间
3.1 裂缝形成的期次
不同时期的构造活动会产生不同期次的断裂，断裂作为流体运移通道，多期次、不同性质的流体在断裂中运移时留下的痕迹也有所不同［19-20］。为实现裂缝发育期次的准确判别，本文研究主要对龙马溪组岩心进行声发射实验测试以及对裂缝充填物包裹体进行均一温度测试，结合研究区埋藏史，综合判断裂缝形成期次。通过对研究区4口井裂缝充填物流体包裹体样品共26个进行测试（均为龙马溪组样品），结果表明包裹体类型为原生气液包裹体以及次生气液包裹体，大小为2 μm左右，形态呈椭圆状，气液值为3%~5%，无色。裂缝内存在至少3期的流体充注活动，第一期对应研究区达到最大埋深后的第一期构造隆升，均一温度主要为165~198 ℃，形成的包裹体温度最高，第二期构造抬升造成的流体充注均一温度主要为115~146 ℃，最后一次流体活动充注形成于构造定型期，均一温度主要为74~105 ℃，温度范围小于前2期，表明此时抬升达到最大，埋深较浅（图7，图8）。
图7 双龙—罗场地区龙马溪组页岩岩心构造裂缝充填物流体包裹体均一温度测试Fig.7 Homogenization temperature test of fluid inclusion in structural fracture filling of shale core of Longmaxi Formation in Shuanglong-Luochang areas |
图8 双龙—罗场地区龙马溪组页岩岩心构造裂缝充填物流体包裹体均一温度对应期次（a）、（b）第一期流体包裹体均一温度为170~190 ℃，宿主矿物为裂缝中的方解石；（c）第二期流体包裹体均一温度为115~130 ℃，宿主矿物为裂缝中的方解石；（d）第三期流体包裹体均一温度为90~105 ℃，宿主矿物为裂缝中的方解石 Fig.8 Corresponding phases of homogenization temperature of filling fluid body inclusions in structural fractures of Longmaxi Formation shale cores in Shuanglong-Luochang areas |
本文试验根据声发射能量—时间曲线的急增开始点作为声发射特征点。通过能量累计数—时间关系曲线可以看出，随着加载荷载的逐渐增大，从40 s开始出现能量陡增现象；之后出现4个能量累计陡增之处，总计5个能量累计高点（图9）。在能量累积—时间关系曲线上可见到5个明显的拐点，即Kaiser效应特征点。
结合四川盆地的构造发展历史，研究区燕山运动以前主要是以区域性升降运动为主，剔除早期升降运动和现今构造运动的影响，对应3次比较明显的构造挤压运动。结合裂缝交切关系以及井下裂缝走向方位，判断研究区至少经历了3次构造运动。
3.2 裂缝形成的时间
通过对X1井埋藏—热演化历史分析可知，研究区在加里东期以来经历了4次主要的构造隆升：第一阶段为印支运动期（260~78 Ma），为整体抬升和普遍沉积阶段，埋藏深度普遍在3 500~6 000 m之间；第二阶段是在燕山运动中晚期—喜马拉雅运动早期（78~56 Ma），经历了强烈隆升和剥蚀，埋藏深度在5 800~6 000 m之间；第三阶段是在喜马拉雅运动中期（56~29 Ma），经历快速隆升剥蚀，埋深3 800~4 100 m之间；第四阶段是在喜马拉雅运动晚期—现今（29 Ma至今），处于持续挤压隆升阶段，埋深在2 200~3 800 m之间（图10）。
川南地区奥陶系—侏罗系为整合接触或平行不整合接触关系，结合川南地区区域演化历史认为，燕山构造运动之前，双龙—罗场地区仅发生了简单的垂直升降运动，对整个研究区构造行迹的影响微弱。因此造成研究区龙马溪组沉积后主要经历的构造运动有3期，对应的裂缝发育期次也有3期，包括燕山运动中晚期—喜马拉雅运动早期（78~56 Ma）、喜马拉雅运动中期（56~29 Ma）和喜马拉雅运动晚期—现今（29 Ma至今）。
4 裂缝成因机制
在岩心裂缝观测、成像测井解析等地质手段研究的基础上，结合裂缝充填物包裹体均一温度、岩石声发射测试及埋藏—热演化史等实验手段的分析，证实双龙—罗场地区龙马溪组裂缝的形成主要经历了3期主要的构造运动。根据裂缝力学成因模式，挤压背景下共轭剪切缝锐角等分线方向代表最大水平主应力σ １的方位。综合本文研究成果，建立了双龙—罗场地区龙马溪组裂缝发育的主要期次及演化模式。
燕山构造运动早期以前（260~78 Ma）：双龙—罗场地区经历的构造运动以升降为主，构造环境较为稳定，在此基础上自下而上先后沉积了震旦系至侏罗系，这个阶段的构造运动对双龙—罗场地区裂缝的发育和构造形迹影响不大［24］。
5 结论
（1）四川盆地南部双龙—罗场地区龙马溪组裂缝以构造成因的高角度缝、直立缝和复合缝为主，具有间距大、密度小、角度大、充填程度高等特征。裂缝延伸方位以近EW向、NNE向和NWW向为主，其次为NNW向。
（2）双龙—罗场地区龙马溪组第一期裂缝形成于燕山运动中晚期—喜马拉雅运动早期（78~56 Ma），第二期裂缝形成于喜马拉雅运动中期（56~29 Ma），第三期构造缝形成时间为喜马拉雅运动晚期—现今（29 Ma至今）。
（3）双龙—罗场地区龙马溪组裂缝的发育主要经历3期构造运动而成。燕山运动中晚期—喜马拉雅运动早期受由N向S递进的挤压左右，形成NNW向和NNE向平面共轭剪切缝；喜马拉雅运动中期受NW—SE向挤压作用影响，形成NNW向和近EW向平面共轭剪切缝；喜马拉雅运动晚期—现今受到由近W—E向的挤压作用，形成NWW向和NNE向平面共轭剪切缝。
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