0 引言
页岩气以自生自储的方式富集于页岩储层的孔隙、裂缝之中。海相页岩脆性矿物含量高、非均质性强，导致其具有复杂的裂缝特征［1-3］。龙马溪组作为中国南方重要的页岩气储层，其裂缝特征对页岩气的生成、储存和运移具有关键作用。近年来，随着页岩气勘探开发的不断推进，龙马溪组裂缝的研究逐渐成为地质学和油气勘探领域的热点。前人研究表明［4-6］，龙马溪组裂缝发育特征复杂，裂缝类型多样，包括构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝等。这些裂缝不仅为页岩气提供了重要的储集空间和运移通道，还显著影响了储层的渗透性和采收率，但天然裂缝有效储集空间和导流能力有限，开采中往往通过水力压裂技术注入压裂液加压，使储层天然裂缝延伸扩展产生更大规模的裂缝网络，以实现页岩气的增产［7-8］。因此明确裂缝发育特征并妥善利用天然裂缝是页岩气高效勘探开发过程中至关重要的一步。川南地区受多期次构造运动叠加改造，构造特征复杂，发育了不同尺度、不同类型的复杂天然裂缝系统，前人对龙马溪组页岩裂缝研究表明龙马溪组裂缝的发育受到多种因素的控制，包括构造应力、岩石力学性质、有机碳含量以及地层埋深等。裂缝充填物的研究也表明，裂缝的形成与演化过程与古流体活动密切相关，裂缝充填物的类型和充填程度对裂缝的有效性有重要影响。此外，裂缝的倾角、延伸长度和连通性等特征也对页岩气的富集和保存具有显著影响［9-12］。尽管前人对龙马溪组裂缝进行了大量研究，但由于研究区为复杂构造条件下发育的深层页岩，裂缝类型丰富、形态多样，目前针对Y101区块的裂缝特征和形成期次还未形成系统性的认识，裂缝形成演化模式还未明确。
本文研究以岩心和薄片资料为基础，结合区域构造背景，综合运用 宏微观观察、岩石声发射实验、FMI成像测井、裂缝充填物包裹体均一温度测定及δ13C—δ18O同位素分析等多种技术手段，对四川盆地南部Y101区块下志留统龙马溪组的天然裂缝特征及其形成期次进行了系统研究，旨在为该地区页岩气的勘探与开发提供科学依据。
1 区域地质概况
Y101区块位于泸州页岩气开采区东北部，其所在的泸州地区位于川南低陡褶皱带与川中平缓褶皱带、川西南平缓褶皱带交会区域，泸州古隆起为该地区的构造主体［13］，其现今地表构造形态呈NNE向，出露侏罗系和三叠系，为“堑垒”相间的隔挡式褶皱构造，由西向东发育古佛山构造、德胜向斜、阳高寺构造、九奎山构造、宝藏向斜、九龙洞构造、云锦向斜［14-16］。背斜构造轴向相近、剖面形态相似、褶曲程度大致相同，向斜构造整体宽缓，古佛山构造核部可见一条走向与构造轴迹基本平行的断层（NE向）；研究区内地表各构造在地腹仍然存在，构造格局基本一致，为紧闭背斜与宽缓向斜相间排列。志留系褶皱变形明显，断层发育程度高，构造形态复杂，龙马溪组断层走向有NE向、近SN向、NEE向和近EW向，具多向性特征，反映该区域经历多期构造运动，现今断层展布格局是受多个不同方位应力作用复合叠加和改造的结果［图1（a）—图1（c）］［17］。
五峰组—龙马溪组沉积时期，海平面快速上升，位于古地貌低点的研究区处于沉降中心，整体为低能欠补偿的缺氧环境，纵向上U/Th值多大于1.25，为深水陆棚相沉积，龙马溪组一段（龙一段）主要发育一套富有机质的黑色泥页岩地层，前人［18］以储层特征变化和钻井资料为依据，将龙一段划分为龙一1亚段和龙一2亚段 ，下部龙一1亚段TOC值一般>2%，高于上部龙一2亚段。研究区内优质页岩主要发育在龙一1亚段，其页岩储层厚度介于62~82 m之间，是当前川南地区页岩气勘探开发的主要层段。可进一步将龙一1亚段细分为1~4个小层（龙一1 1、龙一1 2、龙一1 3及龙一1 4小层）［图1（b）］，其中龙一1 1、龙一1 2小层储层品质最优。
2 材料与方法
2.1 材料
本文研究主要分为2个部分，即裂缝发育特征研究及裂缝的形成时期分析。其中裂缝形成期次主要方法为宏观地质分析和微观实验测试。宏观地质分析主要利用露头地质调查、钻井岩心观测、FMI测井及地震构造解析和并结合生产实际资料来开展。在露头区5个观测点进行裂缝调查和统计，采集526组数据和202张裂缝照片；收集Y101H2-7井、Y101H56-1等25口龙马溪组的FMI测井数据；对钻遇龙马溪组的Y101H41-2、Y101H56-1等7口钻井约220 m岩心进行观测和采样，共观测裂缝充填物样品42件、全直径样品18件，主要用于岩石声发射实验与裂缝充填物包裹体测试。
2.2 宏观地质分析方法
本文研究基于区域构造背景，对Y101区块龙马溪组的裂缝特征进行了系统分析。通过野外露头调查，统计裂缝产状，并结合构造演化历史开展分期与配套研究；利用岩心观测数据，对裂缝类型、发育特征、充填性质及交切关系进行分析；此外，结合成像测井资料，解译井下裂缝产状特征。
2.3 微观实验测试方法
实验测试主要包括岩石声发射实验、裂缝充填物碳氧同位素分析及包裹体测试，基于岩石声发射和裂缝充填物包裹体测试结果，结合宏观地质分析与埋藏史，综合判定裂缝形成期次。本文对Y101区块6口单井龙马溪组不同方位或具有交切关系的构造裂缝中方解石充填物进行取样，利用MAT Delta V IRMS稳定同位素质谱仪测定裂缝充填物方解石粉末的18O值和13C值，并通过标准化划分同位素区间，以确定构造裂缝形成期次；通过对18件全直径岩心样品在0°、45°和90°这3个不同方向进行取样，制成规格为50 mm×25 mm的圆柱形样品，利用GCTS公司生产的RTR-1000高温高压三轴岩石力学试验系统进行岩石声发射实验；包裹体测试旨在通过均一温度分布区间推断裂缝形成期次。具体方法为：制备7口井共42份裂缝充填物岩石薄片，于室温条件下利用THMSG600地质冷热台以2 ℃/min的速率升温，直至气液包裹体达到均一化状态，并记录其均一化温度。基于包裹体特征及均一温度区间的统计分析，划分流体充注期次，从而揭示裂缝的形成时限及演化过程；结合研究区区域构造背景和沉积构造演化，以R O值为限定条件，基于研究区Y101H2-7井地层层序、厚度、岩性资料和剥蚀量恢复结果，利用PetroMod软件恢复研究区埋藏热演化史。
3 裂缝类型及发育特征
3.1 裂缝类型
宏观上，根据形成机理和特征的不同，可将研究区裂缝分为构造缝、非构造缝两大类。构造缝形成于区域应力场，发育规模大、平面分布广和垂向延伸远的特点，而非构造缝主要受成岩作用或局部应力场影响，通常发育局限，其延伸短、规模小。微观上，微裂缝的发育进一步揭示了页岩储层的非均质性，表明裂缝系统在不同尺度上对页岩气的储集与运移具有重要控制作用。
3.1.1 构造缝
据岩石力学性质和破裂机制可将构造缝划分为穿层剪切缝、顺层滑脱缝、复合缝和构造压溶缝。其特征如下：穿层剪切缝缝面平直、产状稳定、规模跨度大，裂缝以近直立的纵截面贯穿取心柱面［图2（a）］，裂缝面被方解石半充填至全充填。裂缝倾角多大于75°（近直立），早期穿层剪切缝在后期构造的叠加和改造作用下，通常会被晚期剪切缝切割［图2（b）］，可据此判断裂缝形成的先后顺序；顺层滑脱缝的形成主要受挤压构造作用的控制，在挤压应力作用下，页岩层理面之间因差异滑动而产生滑脱缝。顺层滑脱缝与岩层面近乎平行或低角度相交，宽度较大，多被方解石与黄铁矿等矿物充填，裂缝不平直，但缝面光滑，具显著的镜面特征，并常伴有明显的擦痕、阶步等明显滑动现象［图2（c）］；研究区多期次、多成因的复合缝较为发育，在局部拉张应力作用下（或先张后剪），早期的剪切裂缝逐渐扩展并变宽，最终形成复合缝。复合缝通常具有较大的宽度和较长的延伸距离，多被石英和方解石充填，延续了早期剪切缝的形态，单条裂缝整体上呈直线状，周边衍生出一些微小裂缝，常有多种类型的裂缝交错形成复杂的缝网［图2（d）］；构造压溶缝合线是指在持续的构造作用下先形成断面，而后发生垂直于层理面的压溶作用，易溶组分流失，其形态由原来的较为平直的裂缝转变为多个细小的突起，受水平挤压作用影响，发育成缝合线，大多垂直于层面，缝面内凹凸不平，常见构造压溶缝合线与页理缝相交的组合［图2（e）］。
图2 研究区龙马溪组裂缝发育宏微观特征及交切关系（a）穿层剪切缝，方解石全充填，Y101H41-2井，4 082.73~4 082.99 m；（b）穿层剪切缝，呈X交切，方解石半充填，Y101H41-2井，4 117.06~4 117.17 m；（c）顺层滑脱缝，方解石充填，Y101H56-1井，4 136.19 m；（d）复合缝，石英和方解石充填，Y101H53-3井，4 042.21~4 042.36 m；（e）构造压溶缝，Y101H75-1井，3 862.98~3 863.12 m；（f）页理缝，方解石充填，Y101H3-8井，3 725.90~3 726.00 m；（g）异常高压缝，Y101H3-8井，3 729.33~3 729.53 m；（h）构造微裂缝，灰质全充填，单偏光，×5，Y101H41-2井，4 082.73 m；（i）层理微裂缝，方解石全充填，单偏光，×2.5，Y101H41-2井，4 117.06 m；（j）粒缘微裂缝，黄铁矿斑块边缘伊利石全充填，单偏光，×2.5，Y101H53-3井，4 042.36 m；（k）2期裂缝相切，Y101H41-2井，4 117.12~4 117.26 m；（l）2期裂缝相切，Y101H53-3井，3 576.28~3 576.44 m；（m）2期裂缝相切，单偏光，×2.5，Y101H3-8井，4 102.73 m Fig.2 Macroscopic and microscopic characteristics and intersection relationships of fractures in the Longmaxi Formation in the study area |
3.1.2 非构造缝
3.1.3 微裂缝
对研究区8口取心井岩心进行裂缝观测统计，结果显示构造缝占全部裂缝的76%，是研究区主要发育的裂缝类型。非构造裂缝占24%。构造缝中穿层剪切缝最为发育，占构造缝的60%，其次是复合缝、压溶缝，分别占构造缝的20%、12%，另发育少量滑脱缝。非构造缝中主要为页理缝，发育极少量异常高压缝（图3）。
3.2 天然裂缝发育特征
通过岩心以及成像测井资料识别裂缝，对研究区的裂缝发育特征参数进行观察和统计分析，总结裂缝密度、倾角、长度、宽度、充填程度和充填物类型等参数特征，结果见图4所示。岩心裂缝线密度较小，大多小于3条/m，占总数的75%以上，钻遇到部分裂缝发育程度较高的层段，线密度可达5条/m［图4（a）］。研究区内岩心裂缝以倾角45°~75°的高角度缝和>75°的直立缝为主，分别占研究区裂缝总数的42.1%和26.4%，15°~45°的低角度缝和<15°的水平缝相对较少，占比分别为19.8%和11.7%［图4（b）］。岩心裂缝长度主要为5~10 cm和10~15 cm，分别占比42.1%和28.3%［图4（c）］。研究区内裂缝宽度总体宽度较小，以0.5~1.5 mm为主，所占比例为45.8%，其次是<0.5 mm裂缝，占比为24.5%，>3.5 mm裂缝较少，偶见于部分层段，占比约6.8％［图4（d）］。岩心裂缝中以全充填缝为主，占比76.9%，半充填缝和未充填缝分别占17.2%和5.9%［图4（e）］。岩心裂缝充填物以方解石为主，占比达81.5%，其次为黄铁矿，占比为16.3%。硅质及其他充填物偶见于部分层段裂缝中，占比最少，约为2.2%［图4（f）］。
4 裂缝形成期次综合分析
4.1 宏观地质分析
根据地质学原理，X形共轭剪切缝的两缝面交线方位与形成剪切缝的中间主应力σ2的应力轴方位相一致，而两缝面交角的锐角角平分线方向代表最大主应力σ1的应力轴方位，钝角角平分线方位对应最小主应力σ3的应力轴方位。根据野外裂缝交切关系以及共轭裂缝识别原则，根据层面产状对原始裂缝产状进行校正，对裂缝进行分期与配套，可将其匹配为3组：①NW向（325°±5°）与②NNE向（15°±5°）、③NWW向（285°±5°）与④NNW向（355°±5°）、⑤NWW向（295°±5°）与⑥NE向（45°±5°）裂缝各为一组X共轭剪切缝。综合分析认为3组共轭剪切缝对应3组不同方位的构造应力，分别为NNW向、NW向和NEE向应力［图6（a）］，这些裂缝的交切关系不仅反映了多期构造运动的叠加效应，还为页岩气的富集提供了复杂的裂缝网络，显著提升了储层的渗透性和可采性。
成像测井（FMI）是有效识别裂缝产状和充填特征的重要手段［20-24］。根据地层中不同岩石组分、流体和结构所显示的电阻率不同来辨别裂缝。本文对Y101区块Y101H2-7井、Y101H56-1井及Y101H10-3井等共计25口单井的龙马溪组成像测井资料进行观测统计，依据天然裂缝走向数据绘制玫瑰花图［图6（b）］，如图所示，裂缝主要有6个走向方位：①NW向（326°±5°）、②NNE向（19°±5°）、③NWW向（293°±5°）、④NNW向（336°±5°）、⑤EW向（273°±5°）、⑥NEE向（55°±5°），①②、③④和⑤⑥可分别组成3组X共轭剪切缝，分别对应NNW向、NW向和NEE向应力［图7（b）］。结合野外露头裂缝分期配套成果进行比对，发现地表和井下裂缝发育情况及产状比较一致，反映研究区经历多期、多源构造运动。要区分3期构造应力的先后关系，需要结合地质背景及实验测试进一步分析。此外，早期形成裂缝会被后期形成的裂缝所切割或限制后期裂缝延伸，通过观察岩心裂缝及微裂缝交切关系，可以直观地识别出井下至少发育2期构造裂缝，多被方解石所充填［图2（k）—图2（m）］ 。
4.2 微观实验测试方法
4.2.1 裂缝充填物包裹体均一温度分析
根据不同构造裂缝充填物的均一温度显示，可以确定构造裂缝经历流体充注的次数［25-29］。本文对Y101区块裂缝充填物流体包裹体样品测试数据进行了统计分析（图7）。结合区域构造背景，认为区内构造裂缝的形成演化可分为3个期次［图8（a）］：第一期构造裂缝充填物包裹体的均一温度介于92~137 ℃之间，反映了该区龙马溪组在泸州古隆起作用下的首次构造抬升事件。这一阶段的包裹体温度最低，埋藏深度也最浅；第二期流体充注活动发生在龙马溪组达到最大埋深后经历的一次构造抬升，其包裹体温度最高，分布范围为212~230 ℃；最后一期流体充注活动发生在抬升后期，构造裂缝中充填物仍为方解石，均一温度范围为137~212 ℃。综合认为研究区龙马溪组共发生3次流体充注活动，对应3期构造裂缝形成期次。
4.2.2 裂缝充填物碳氧同位素分析
前人［30-32］在针对川南龙马溪组页岩的研究中提出，页岩层中的天然裂缝的形成与流体活动以及脉体充填沉淀三者之间应具有一定的同期性。实验数据显示，Y101区块龙马溪组构造裂缝中方解石充填物的δ13C值和δ18O值分别介于-17.18‰~-1.83‰和-15.04‰~-4.01‰之间，投点结果揭示了3个较为明显的同位素区间［图8（b）］。结合地质背景分析：早期龙马溪组埋藏较浅，温度较低，裂缝充填物的δ18O值较高（-8.52‰<δ18O<-4.01‰），对应的δ13C值较低（-17.18‰<δ13C<-11.90‰）；随着埋深的增加，地层温度逐渐上升，裂缝充填物的δ18O值降至最低（-15.04‰<δ18O<-11.83‰）；后期由于构造运动的影响，龙马溪组最大埋深范围向上抬升，地层温度下降，裂缝充填物的δ18O值增大至-13.24‰~-9.52‰。
4.2.3 岩石声发射实验
当岩石承受的外力超过其临界强度时，内部裂缝缺陷部位会发生变形或微观屈服，随着微裂缝的扩展导致应力松弛，部分能量以弹性波的形式向外传播，引发明显的声发射现象，在声发射计数曲线上，当出现明显转折点时，该点被称为Kaiser效应点，随着应力的持续加载，会产生多个转折点，这些点反映了岩体在地质历史中经历的不同期次构造运动［33-36］。本文研究应用高温高压三轴流变仪和声发射信号采集系统，对Y101区块2口单井龙马溪组样品进行声发射实验，测试数据显示，研究区内龙马溪组测试岩样出现4个Kaiser效应点（图9①—④）。本文研究为保证实验中的现象完整，对样品进行持续加载应力直到破碎，因此最后出现的“Kaiser效应点”为无效点，故认为能量累积曲线上3个Kaiser效应点对应3期显著的构造挤压活动。
4.2.4 埋藏—热演化史
通过分析研究区埋藏热演化史，认为Y101区块整体上在龙马溪组形成后经历了3期构造抬升（图10）。Ⅰ期为印支运动中期的快速抬升（235.2~224.6 Ma），随后印支运动中晚期—燕山运动晚期，地层持续深埋，其持续时间长（224.6~69.5 Ma）；Ⅱ期为燕山运动末期—喜马拉雅运动早期（69.5~46.3 Ma）的阶段性快速抬升，该阶段包括一次缓慢抬升及后续的快速抬升，应力作用方向一致，且持续进行；Ⅲ期为喜马拉雅运动中晚期（29.6 Ma以来）的快速隆升阶段，持续时间长。结合川南地区构造演化史分析认为，在经历抬升之前（印支运动中期235.2 Ma以前），研究区内地壳运动主要表现为垂直升降活动，Y101区块的构造变动相对较弱。基于此，研究区龙马溪组构造裂缝发育受3期构造运动控制，分别是印支运动中期（235.2~224.6 Ma）、燕山运动末期—喜马拉雅运动早期（69.5~46.3 Ma）和喜马拉雅运动中晚期—现今（29.6~0 Ma）。
5 裂缝成因机制
本文研究通过岩心与薄片裂缝的分期配套分析、室内Kaiser实验、包裹体均一温度测定以及碳氧同位素测试等手段，结合区域埋藏热演化史，揭示了研究区龙马溪组沉积后经历了3期显著的构造运动。基于力学裂缝成因模式［37］，在挤压应力环境下，共轭剪切缝锐角平分线的方向反映了最大水平主应力的分布。基于上述研究结果，建立了研究区龙马溪组天然裂缝的形成与演化模式。
第一阶段为印支运动中期（235.2~224.6 Ma），在NNW向压应力影响下，泸州古隆起逐渐形成，导致龙马溪组沿下寒武统牛蹄塘组滑脱层发生重力滑脱。在此过程中，龙马溪组受力变形，形成了NW向和NNE向X共轭平面剪切缝，以及NEE向剖面剪切缝和断层（剖面剪切缝沿最大主应力垂直方向扩展形成断层）。这一阶段的裂缝形成时间最早，埋藏深度最浅，其裂缝充填物包裹体的均一温度最低，范围为92~137 ℃。此外，该期裂缝充填物的氧同位素值较高，介于-8.52‰~-4.01‰之间。
第二阶段为燕山运动末期—喜马拉雅运动早期（69.5~46.3 Ma）龙马溪组主要受青藏高原隆升作用的影响，该区域经历了NW向挤压作用，形成了NWW向和NNW向X共轭平面剪切缝，以及NE向的剖面剪切缝和断层。该期裂缝内包裹体的温度达到最高，范围为212~230 ℃，同时裂缝充填物的氧同位素值降至最低，介于-15.04‰~-11.83‰之间。
第三阶段为喜马拉雅运动中晚期（29.6 Ma至今）龙马溪组受江南雪峰隆起的挤压作用，研究区内NEE向应力为主导，形成了EW向和NEE向X共轭平面剪切缝NNW向剖面剪切缝和断层。这一阶段的裂缝形成于龙马溪组达到最大埋深后的缓慢抬升过程中，主要发生在抬升后期。裂缝充填物仍以方解石为主，均一温度范围为137~212 ℃，氧同位素值有所回升，介于-13.24‰~-9.52‰之间。
6 结论
（1）四川盆地南部Y101区块龙马溪组发育多种类型裂缝，主要分为构造缝和非构造缝两大类，其中，构造缝涵盖穿层剪切缝、顺层滑脱缝、复合缝以及构造压溶缝，而非构造缝包括异常高压缝和页理缝，在该区域内，穿层剪切缝是构造缝中最主要的类型；裂缝主要表现为延伸长度中等（5~10 cm）、宽度较小（0.5~1.5 mm）、倾角较大、充填程度高的特征，纵向上裂缝密度有向上减小的趋势；构造裂缝主要有6个优势方位，可匹配成3套X共轭剪切缝，即NW向和NNE向、NWW向和NNW向、EW向和NEE向，主应力方向分别为NNW向、NW向和NEE向。
（2）通过岩石声发射、裂缝充填物碳氧同位素及包裹体均一温度等实验手段，研究结果表明，龙马溪组在地质历史时期中至少经历了3次明显的构造活动和流体充注事件；结合埋藏热演化史分析，Y101区块在龙马溪组形成后整体上经历了3期构造抬升过程，是研究区内裂缝形成演化的主要构造期，分别为印支运动中期的快速抬升（235.2~224.6 Ma），包裹体均一温度范围为92~137 ℃；燕山运动末期—喜马拉雅运动早期（69.5~46.3 Ma）的阶段性快速抬升，包裹体均一温度范围为212~230 ℃；喜马拉雅运动中晚期（29.6 Ma以来）的快速隆升阶段，包裹体均一温度范围为137~212 ℃。
（3）综合岩心裂缝分期配套、实验测试成果及埋藏热演化史，区内龙马溪组构造裂缝的形成演化经历了3个时期：①在印支运动中期，受NNW向压应力的作用，龙马溪组发生形变，形成了NW向和NNE向的X共轭平面剪切缝，以及NEE向剖面剪切缝和断层；②燕山运动末期—喜马拉雅运动早期，NW向挤压应力导致NWW向和NNW向X共轭平面剪切缝，以及NE向的剖面剪切缝和断层；③喜马拉雅运动中晚期，NEE向挤压作用促使EW向和NEE向X共轭平面剪切缝，以及NNW向剖面剪切缝及断层的形成。
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