廖宗湖，凡睿，李薇，陳偉倫，劉輝，鄒華耀，郝芳

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

2 中國(guó)石化勘探分公司，成都 610041

3 中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，青島 266580

*通信作者, zonghuliao@163.com

0 引言

斷層在過去一直被簡(jiǎn)化為一種單一的平面結(jié)構(gòu)，但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)是由各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一種立體區(qū)域(圖1)[1-3]。斷層破碎帶在很多地質(zhì)領(lǐng)域的研究當(dāng)中一直被視為關(guān)鍵因素，比如和斷層相關(guān)的地層變形過程、區(qū)域應(yīng)力分布和構(gòu)造演化史、地震破裂傳播和地殼中流體的滲流等[1-2]。斷層破碎帶通常伴生有復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)[4-5]，不僅是地下油氣運(yùn)移重要通道，也可能為一些致密儲(chǔ)層提供了儲(chǔ)集空間，影響著油氣藏的富集和分布規(guī)律[3,6-10]。

圖1 斷層破碎帶量化模式示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of quantitative model of fault damage zone

前人研究結(jié)果表明[3,5]，斷層破碎帶結(jié)構(gòu)是逐漸而非某次劇烈變化形成的，這也直接導(dǎo)致了破碎帶結(jié)構(gòu)在幾何空間上的復(fù)雜性。已有不少學(xué)者較詳細(xì)地描述了斷裂帶的結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為斷裂帶主要由斷層核和破碎帶這兩個(gè)部分組成[1]，這兩個(gè)部分組成的區(qū)域又常稱為斷層破碎帶，且以一定的背景變形強(qiáng)度和周圍的巖石區(qū)分開來(圖1a，1c)。斷層核內(nèi)部發(fā)育有斷層泥、角礫巖等成分，是強(qiáng)烈局域應(yīng)變和強(qiáng)烈剪切的結(jié)果。破碎帶主要發(fā)育小斷層、裂縫等次級(jí)構(gòu)造，其整體表現(xiàn)出相較于斷層核明顯較低的應(yīng)變和較小的變形、相較于圍巖較強(qiáng)的構(gòu)造變形。但是在某些情況下，比如大規(guī)模或者構(gòu)造變形強(qiáng)烈的斷層中，斷層幾何形態(tài)復(fù)雜。此時(shí)，上文提到的簡(jiǎn)單的斷層結(jié)構(gòu)的定義不能滿足要求。因此，Jones等(1996)認(rèn)為[11-12]，應(yīng)根據(jù)斷層不同的規(guī)模、不同的巖性特征和構(gòu)造背景對(duì)斷層破碎帶模型進(jìn)行分類和詳細(xì)描述。Berg等(2005)具體建議應(yīng)該將斷層核和破碎帶根據(jù)變形情況分別進(jìn)一步劃分，比如將斷層核分為中心核和遠(yuǎn)端核，將破碎帶分為內(nèi)部破碎帶和外部破碎帶[13-14]。在某些情況下，在破碎帶和斷層核的邊界以及破碎帶和圍巖的邊界可以觀察到較明顯的過渡區(qū)或混合區(qū)。Faulkner等(2010)研究表明斷層破碎帶可能是單一核，也可能具有多核的復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖1b，1d)[1,3]。Brogi (2008)和Kristensen(2016)等人[15-16]還通過斷層裂縫發(fā)育程度的變化情況量化了破碎帶的寬度，發(fā)現(xiàn)斷層兩盤的破碎帶區(qū)域呈現(xiàn)不對(duì)稱性，不僅破碎帶的寬度不相同，破碎強(qiáng)度也不一致。

為了探索斷層破碎帶這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，本文選取對(duì)斷層破碎帶最敏感的三維地震方差屬性，在馬路背地區(qū)須家河組二段致密砂巖的斷層破碎帶的多屬性分析基礎(chǔ)上(廖宗湖等，2020，見本刊[17])，對(duì)目標(biāo)層的重點(diǎn)斷層破碎帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，也對(duì)其層控特征進(jìn)行初步解析。該研究為地下斷層破碎帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析提供了工具，也是建立川東北致密砂巖斷縫成藏系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1 研究方法

地震的方差屬性是通過計(jì)算地震道波形之間方差來形容道與道之間的差異程度，以此檢測(cè)地下斷層的發(fā)育情況[3]。這種方差屬性的方差值是定量的，通過加權(quán)歸一化處理后方差值介于0～1之間，在斷層發(fā)育區(qū)，構(gòu)造變形越強(qiáng)烈的地方，相鄰道之間的波形差異越大，方差越高，其值越接近于1?；谝陨侠碚?，Liao等 (2019)提出了利用方差屬性值量化斷層破碎帶寬度的方法[3,18-20]。圖1為斷層破碎帶結(jié)構(gòu)平面或剖面示意圖，其中圖1a為單核斷層，圖1b為復(fù)合斷層(多個(gè)斷層核)。圖中紅色表示斷層核發(fā)育的區(qū)域，灰色表示破碎帶發(fā)育的區(qū)域。那么圖中斷層破碎帶寬度基于方差屬性值的具體量化方法為：①在距離破碎帶合適的位置選擇一條基線(圖2下圖藍(lán)線)，該基線需要平行于所量化的斷層帶局部延伸方向。②以該基線為起點(diǎn)作適量測(cè)線垂直于斷層破碎帶，測(cè)線之間的距離不宜過大。③在每條測(cè)線上選擇一定的間隔取適量的測(cè)點(diǎn)。④以測(cè)點(diǎn)離基線的距離為橫坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)的方差值為縱坐標(biāo)，制作每條測(cè)線距離—方差值的變化曲線。⑤選擇合適的破碎帶和圍巖的方差邊界值(背景值)以確定斷層具體寬度。

圖2 局部單核、多核斷層在須家河組二段頂層方差屬性圖中位置Fig. 2 The location of local single core and multiple cores fault in the variance attribute map on the top of T3x2

2 結(jié)果與分析

2.1 斷層破碎帶的結(jié)構(gòu)識(shí)別

由馬路背地區(qū)須二段地層的方差屬性圖可以看出(圖2)，研究區(qū)主要斷層破碎帶的斷層核表現(xiàn)出多個(gè)斷層核的復(fù)合特征，且多個(gè)斷層核之間也表現(xiàn)出斷開、交叉、扭曲等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，僅有部分次生小斷層表現(xiàn)為單斷層核形態(tài)。本文選擇局部斷層核形態(tài)較清晰的部分為例進(jìn)行進(jìn)行量化分析；圖2右下角處于通南巴背斜側(cè)翼構(gòu)造低部位，本文不做分析。其中L1～L5為單核斷層破碎帶的測(cè)線，L6～L8為多核斷層破碎帶的測(cè)線。圖3展示了沿每條測(cè)線上方差值的變化曲線。從圖中可以看出：具有單個(gè)斷層核的斷層破碎帶量化曲線表現(xiàn)出明顯的單峰特征，而具有多個(gè)斷層核的復(fù)合斷層破碎帶表現(xiàn)出明顯的多峰特征[17](圖3中粉色區(qū)域)，且越靠近斷層核的的位置，方差峰值相對(duì)而言越高。

圖3 局部單核、多核復(fù)合斷層方差屬性值分布圖[17]Fig. 3 Local single core and composite fault (with multiple cores) variance value distribution maps[17]

圖4 局部單核斷層方差值和累計(jì)方差值與斷層核距離的關(guān)系Fig. 4 Relationship between local single core fault variance value/cumulative variance value and fault core distance

破碎帶和圍巖的方差邊界值(背景值)的選擇對(duì)量化斷層破碎帶的寬度尤為重要。這里沿用累計(jì)裂縫密度的方法，通過使用累計(jì)方差值，將累計(jì)方差值曲線斜率突然降低的地方視為破碎帶和圍巖的邊界，該地方的方差值作為背景值。我們使用單核斷層測(cè)線L1～L5的平均值分別作斷層兩盤方差值和累計(jì)方差值隨斷層核距離變化的曲線(圖4)。這里的坐標(biāo)原點(diǎn)為斷層核而非測(cè)線基線，其中斷層核的選取為每條曲線的方差最高值。從累計(jì)方差值斜率的變化特征可以看出，在斷層兩盤分別有兩個(gè)不同梯度的斜坡交點(diǎn)，將該量化區(qū)域分為三個(gè)帶：中高方差值的強(qiáng)破碎帶(約為100 m)，中低方差值的過渡帶(斷層兩盤都約為80 m)、特低方差值的圍巖帶。理論上，該處背景值應(yīng)處于過渡帶與圍巖交界的方差值(0.1)和過渡帶與強(qiáng)破碎帶交界的方差值(0.3)之間，這種選擇方法可以在一定程度上減少人為主觀定義斷層破碎帶的邊界的差異導(dǎo)致的破碎帶寬度的變化。因?yàn)檎麄€(gè)工區(qū)主要斷層帶周圍的背景裂縫較多，不宜選擇過低的背景值進(jìn)行量化，所以本文選擇方差值0.2作為破碎帶的邊界值。但這里的方差值0.2仍然是經(jīng)驗(yàn)取值。

根據(jù)邊界值0.2，可以在“測(cè)點(diǎn)離基線的距離—方差值”坐標(biāo)系中得到單核和復(fù)合斷層破碎帶的寬度(圖3)。其中，單核破碎帶寬度為125 m，復(fù)合斷層帶的寬度為850 m。兩個(gè)斷層破碎帶比較，可以發(fā)現(xiàn)隨著離破碎最嚴(yán)重的區(qū)域(峰值區(qū))距離增加，破碎強(qiáng)度逐漸減弱(方差值逐漸降低)，且在開始的時(shí)候減弱速度較快，一段距離后，減弱速度降低。這些規(guī)律和我們之前的研究成果一致[3,17-18]。

由圖1和圖2可知，全國(guó)大部分地區(qū)Cd污染較為嚴(yán)重，而Cr和Ni污染較輕，這與表4表5評(píng)價(jià)結(jié)果一致?？傮w而言，除 Zn之外，非工業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)的重金屬污染嚴(yán)重區(qū)域有相同的分布規(guī)律，即人口較多、工業(yè)集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中東部地區(qū)的降塵中重金屬含量普遍高于人口稀少、發(fā)展滯后的西部地區(qū)。不同之處在于，工業(yè)區(qū)中重金屬的污染情況更為嚴(yán)重且區(qū)域多集中在中西部重工業(yè)基地以及有色金屬礦區(qū)和冶煉區(qū)。

圖5 方差平均值和距斷層核距離的關(guān)系圖(注：a,b為破碎帶方程參數(shù)，見式(1)和(2))Fig. 5 Relationship between average variance value and distance from fault core (Note a and b are parameters for damage zones as indicated by Eqs. (1) and (2))

2.2 變形程度和斷層核距離的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究破碎程度隨著離斷層核距離的增加而降低的規(guī)律，我們對(duì)單核斷層和典型的復(fù)合斷層的方差數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的數(shù)值分析。首先分別求取L1～L5、L6～L8方差的平均值，然后以離基線距離為橫坐標(biāo)，平均方差值為縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖，對(duì)每個(gè)斷層核兩邊的方差值進(jìn)行函數(shù)擬合(圖5)，擬合結(jié)果顯示指數(shù)模型的效果好，其擬合優(yōu)度總體上都在0.9以上。

根據(jù)圖5中對(duì)局部單核、復(fù)合斷層的指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果，可以分別用一個(gè)分段函數(shù)來表示該局部單核、復(fù)合斷層方差值隨離基線距離增加的變化的情況。特別地，雖然該局部多核斷層的斷層核有三個(gè)，但是其方差峰值大于三個(gè)，且在遠(yuǎn)中心的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中心、近中心處的峰值。這里根據(jù)實(shí)際情況選擇5個(gè)峰值，10個(gè)指數(shù)函數(shù)來表征該多核斷層的方差變化情況。綜上，單核、多核復(fù)合斷層的方差值v和離基線距離d的函數(shù)關(guān)系分別如式(1)和式(2)所示。

我們可以比較容易地將以上特例的函數(shù)關(guān)系推廣至一般情況。如圖6所示，若某個(gè)斷裂帶有n個(gè)斷層核(n≥1)，第一個(gè)斷層核和基線之間的距離為D1，第二個(gè)斷層核和基線之間的距離為D2…第n個(gè)斷層核和基線之間的距離為Dn，且第一個(gè)斷層核與第二個(gè)斷層核之間方差值的最小之處和基線的距離為D12，第二個(gè)斷層核與第三個(gè)斷層核之間方差值的最小之處和基線的距離為D23，……，第n-1個(gè)斷層核與第個(gè)斷層核之間方差值的最小之處和基線的距離為D(n-1)n。

在該坐標(biāo)系內(nèi)，若某點(diǎn)離基線的距離為，則該點(diǎn)的方差值和的函數(shù)關(guān)系為：

其中，a、b是和巖層物理性質(zhì)或者該處所受應(yīng)力強(qiáng)弱有關(guān)的常數(shù)。

至此，我們得出一個(gè)基本由多個(gè)指數(shù)函數(shù)組成的分段函數(shù)，來描述在“測(cè)點(diǎn)離基線的距離—方差值”坐標(biāo)系方差值具體的變化規(guī)律，這個(gè)函數(shù)本質(zhì)上描述了隨著離斷層核距離的增加，破碎程度呈指數(shù)函數(shù)的趨勢(shì)減小。

2.3 斷裂帶的縱向分布特征及層控效應(yīng)

基于上述對(duì)于斷裂破碎帶的定量研究，Liao等(2019)[3]利用地震相干屬性通過提取不同地層的斷層兩側(cè)的相干值來研究斷裂帶的垂向分布特征。在這里，我們使用地震方差屬性來研究高產(chǎn)井馬101井附近斷層破碎帶的垂向分布特征。

首先，我們對(duì)馬路背地區(qū)斷層塊中不同深度F3破碎帶的寬度進(jìn)行了量化，在方差屬性平面圖的頂部，沿著斷層走向分布了多條測(cè)量線，根據(jù)測(cè)量線的方差分布，刻畫不同層位的斷裂發(fā)育情況，并顯示了該級(jí)別裂縫區(qū)域的大致分布位置。

圖6 方差值和距斷層核距離關(guān)系示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the relationship between the variance value and the distance from the fault core

隨后，對(duì)須二段內(nèi)部的斷裂帶分布進(jìn)行了研究。我們可以看到內(nèi)部的破碎帶更加發(fā)達(dá)，破碎帶更寬(圖7)。據(jù)此刻畫出須二段不同層位斷層破碎帶的寬度，發(fā)現(xiàn)須二段中部的破裂強(qiáng)度比上下兩個(gè)部分更明顯，并且裂縫也更加發(fā)育(圖7b)。根據(jù)方差值的高值范圍確定斷層斷裂帶的寬度，并表征斷層形態(tài)從須二段頂部到底部的變化。破裂更顯著時(shí)，裂縫區(qū)域的寬度越大，在一定程度上表明裂縫區(qū)域的動(dòng)態(tài)蔓延過程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)背景值0.2確定斷層破碎帶的寬度為700～1200 m(圖8a)。不同的破碎帶寬度充分體現(xiàn)了斷層在破裂擴(kuò)展過程中在不同地層產(chǎn)生不同的破裂形變程度。總體變化規(guī)律是斷層破碎帶寬度從上到下逐步變小，可能代表著斷層破裂最劇烈的中心點(diǎn)在研究區(qū)上方[21]。然而，這種破碎帶的寬度變化，更多代表著研究區(qū)須二段致密砂巖內(nèi)部存在力學(xué)性質(zhì)的差異性。須家河組須二段和須四段都是脆性致密砂巖，須三和須五是具有一定塑性的泥頁(yè)巖，這些地層的力學(xué)差異在主斷層破裂過程中產(chǎn)生了不同的變形區(qū)間，進(jìn)而出現(xiàn)了“層控特征”?？傮w來說，致密砂巖地層具有較寬的破碎帶，而泥頁(yè)巖則較窄，這些層控特征直接影響著斷層破碎帶的空間立體分布[3]。

圖7 須二段內(nèi)部F3斷層破碎帶分布圖(截取區(qū)間見圖2綠框；圖b中數(shù)字代表空間距離，單位m)Fig. 7 Fault damage zone distribution of F3 within Xu2 Formation(Area extracted from green box, Fig. 2; Numbers in Fig. b represents relative distance/m)

基于上述方差屬性數(shù)據(jù)及相關(guān)分析結(jié)果和平面分布結(jié)果，本文刻畫了馬路背區(qū)塊斷裂帶的立體示意圖(圖8b)，圖中用紅色陰影部分表示斷層破碎帶發(fā)育區(qū)，彩色虛線表示須二段不同層位斷裂破碎帶帶的寬度變化情況。由此可以看出，破碎帶伴生的裂縫和背斜頂部的裂縫帶是須二段重要的儲(chǔ)集空間。

2.4 局限性分析

本文基于屬性的量化模型相較于地表裂縫測(cè)量的方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先這種量化模型適用于地下的斷裂破碎帶寬度量化；其次，由于方差屬性值是由地震數(shù)據(jù)中計(jì)算得到，所以這種方差值大小不受人為因素影響，更加客觀；此外，因?yàn)榉讲畹臄?shù)據(jù)在工區(qū)范圍內(nèi)隨處可取，所以理論上是可以計(jì)算目標(biāo)斷層在空間任何位置的破碎帶寬度。

但是問題同樣存在，如對(duì)斷層局部破碎帶寬度沒有統(tǒng)一定義。本文是以局部位置的破碎寬度平均值作為該斷層破碎帶的寬度，而也有學(xué)者以局域范圍內(nèi)的最大寬度作為該斷層的破碎帶寬度[3]。還有更重要的一個(gè)問題是關(guān)于破碎帶和圍巖的方差邊界值(背景值)的選擇。因?yàn)樗械奈锢硇再|(zhì)都是逐漸而不是突然變化，所以精確識(shí)別破碎帶與圍巖之間的邊界較困難。本文采取的方法和地表露頭的研究方法有所類似，即采用裂縫的累計(jì)密度曲線的斜率表示破碎帶裂縫數(shù)量的變化率，把該曲線斜率突然降低的位置作為破碎帶和圍巖的邊界[14]。但是該方法受限于地震資料的品質(zhì)，對(duì)小于100 m的斷層破碎帶難以刻畫。

圖8 (a)通南巴地區(qū)斷裂破碎帶不同地層寬度和(b)斷縫系統(tǒng)模式圖Fig. 8 (a) Widths of fault damage zones for various beds and (b) Geological model of fault-fracture system in Tongnanba anticline

3 結(jié)論

本文基于三維地震屬性技術(shù)刻畫馬路背地區(qū)須家河組二段致密砂巖的斷層破碎帶，并基于方差屬性對(duì)工區(qū)內(nèi)的主要斷層破碎帶寬度進(jìn)行量化分析，得出如下認(rèn)識(shí)：

(1)工區(qū)斷層破碎帶的結(jié)構(gòu)可以分為單核斷層破碎帶和多個(gè)核部的復(fù)合斷層破碎帶。結(jié)果顯示，無(wú)論是在斷層破碎帶和圍巖之間、還是斷層核與斷層核之間，隨著離核距離的增加，變形強(qiáng)度都呈指數(shù)衰減。

(2)基于方差屬性量化斷裂帶寬度的難點(diǎn)在于破碎帶和圍巖邊界值的選取。本文利用累計(jì)方差值的斜率變化點(diǎn)，結(jié)合川東北致密砂巖具體情況，選取方差值0.2作為邊界值，確定該斷層破碎帶寬度在700～1200 m之間，但該值仍然具有人為主觀性，屬于經(jīng)驗(yàn)取值。

(3)通過破碎帶寬度量化分析，認(rèn)為研究區(qū)目的層斷裂帶的寬度表現(xiàn)出極強(qiáng)的不均質(zhì)性。致密砂巖不僅各斷層破碎帶之間寬度差異大，對(duì)該區(qū)主要斷層破碎帶寬度分析顯示，斷層破碎帶寬度在深度上也有明顯變化，其結(jié)構(gòu)顯示出明顯的“層控效應(yīng)”。這些構(gòu)造特征對(duì)構(gòu)建該區(qū)致密砂巖斷縫成藏體系具有重要意義[22-24]。