流体底辟构造及其成因探讨

张树林　黄耀琴　黄雄伟

摘　要　以莺歌海和渤海湾盆地为例，总结了一种新的构造类型——流体底辟构造的特点；根据流体底辟破碎带中泥质混入程度，将它分为断裂破裂带、混杂破裂带、混合岩带和泥火山4种类型；并在综合分析国内外流力破裂研究成果的基础上，论述了流体底辟形成的机制和地质背景。
关键词　流力破裂　流体底辟　底辟构造　断裂　流体运移
分类号　P54

FLUID DIAPIR STRUCTURE AND ITS GENESES

Zhang Shulin　Huang Yaoqin　Huang Xiongwei
(Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,Wuhan,430074)

Abstract　The features and types of a new structure——fluid diapir structure are discussed in this paper,taking those in Yinggehai and Bohai Bay basins as examples.According to mixed ratio of mudrock,fluid diapir structure can be divided into four types:fracture zone,chaotic fracture zone,mixed sandstone-mudrock zone (or mudlump) and mud volcano.Besides,the mechanism and geologic setting of fluid diapir are analyzed,on the basis of the theory of fluid fracturing.
Key words　fluid fracturing,fluid diapir,diapir structure,fault,fluid migration

　　底辟作用是指地球深部物质上拱或刺穿到浅部的过程^〔1〕。笔者论述的流体底辟系指沉积盆地中的孔隙流体依靠其自身的能量突破上覆岩层快速地运移到浅层。流体底辟与压实过程中流体通过孔隙缓慢渗流不同，它能够改变上覆岩层的原始结构，从而产生一些特定的构造现象，即流体底辟构造。

1　流体底辟构造的特点

图1　渤海湾盆地由两套不同倾向破裂带组成的流体底辟构造
Fig.1　Fluid diapir cluding in two fracture systems in Bohai
Bay basin

图2　莺歌海盆地流体底辟泥丘及其伴生构造^〔3〕
Fig.2　Fluid diapir mudlump and associated structure
in Yinggehai basin

1.4　流体运移
　　流体底辟构造作为以流力破裂和流体活动为主形成的一种构造类型，伴有大量流体运移是其有别于构造应力作用下形成的相似构造的重要特点之一。而且，大量流体活动是以深部流体快速向浅层运移为特点。因此，流体底辟构造常伴有高温、高压异常。以莺歌海盆地为例，流体底辟构造顶部附近的钻井证实，其地层温度和压力分别可高于正常值20°C和40 MPa^〔3〕。
1.5　地质背景
　　在笔者研究的断陷盆地中，流体底辟活动主要发育于沉降快、沉积厚度大的坳陷构造层或凹陷中央部位的断陷构造层中。如目前我国发现的流体底辟构造主要分布在莺歌海、渤海湾和珠江口盆地。流体底辟构造形成的地质背景具有三大特点：第一，沉降快、沉积厚度大，有大量压实剩余流体需要排出，而附近又没有大断层或其它通道作为流体垂向释放的有效途径；第二，盆地内具有明显的高压异常带，流体底辟构造的根部往往起源于这些高压异常带；第三，流体底辟构造主要沿构造转换带或隐伏断裂带等应力集中带和构造软弱带分布，如前述莺歌海盆地流体底辟构造的分布可能与隐伏的沿盆地轴线展布的红河断层有关^〔2〕。

2　流体底辟构造的分类

图3　渤海湾盆地中的断裂破碎带
Fig.3　Fluid diapir fracture zone in Bohai Bay basin

图4　渤海湾盆地中的混杂破碎带
Fig.4　Fluid diapir chaotic fracture zone in Bohai Bay basin

图5　莺歌海盆地中的混合岩带^〔3〕
Fig.5　Fluid diapir mudlump in Yinggehai basin

2.4　泥火山
　　泥火山是流体底辟刺穿到地表的一种特殊地质现象，也是最直观的流体底辟现象。其特点已有大量研究，这里不再论述。

3　流体底辟构造的成因

　　流体底辟构造是在流力破裂的基础上大量流体沿破裂面快速运移、甚至后期有塑性泥岩沿流体通道侵入的一种破裂扰动构造，但成带集中分布也与构造背景有一定关系。
3.1　流力破裂
　　早期学者将沉积盆地中的孔隙流体仅看作是一种可运动的物质，只能在先期存在的连通孔隙或裂缝中运移，将许多用缓慢渗流无法解释的流体运动现象归结为断层的输导作用^〔4〕。Secor^〔5〕最早注意到在孔隙流体压力异常高的作用下能产生微裂隙，称之为水成裂隙，并提出了当孔隙流体压力大于最小地应力与岩石破裂强度之和时产生破裂的单轴应力模型。考虑到在三轴应力条件下，并不是所有地下裂隙都能保持开口状态而成为流体运移的通道，Palciauskas和Domenico结合三轴应力模型、孔隙流体压力与上覆负荷压力的关系和地质观察，总结出“开口裂隙”形成和保持的条件及经验判断公式，认为这种裂隙呈周期性开合，孔隙流体也呈周期性(幕式)排出。上述研究肯定了孔隙流体能够依靠自身的能量突破固体岩石骨架的封闭向外运移，但主要局限于超压层内及其附近，被广泛应用于解释超压泥岩^〔5〕和压力仓^〔7〕中的超压流体释放。在结合油气运移研究过程中，人们发现产生微裂隙不单是水力作用，油气生成也是重要动力之一^〔8〕，并统称为流力破裂。Engelder^〔9〕根据断裂力学理论，考虑到应力集中现象，提出了裂隙扩展模型，由于在有原始微裂缝条件下，在裂缝末端由于应力集中造成裂缝扩展所需的孔隙流体压力比较小，而地下岩层中的微裂缝又普遍存在，Engelder模型预示着流力破裂是相当普遍的地质现象。
3.2　流体底辟作用
　　在快速沉降盆地内异常超压是一种普遍现象，超压体系中的剩余孔隙流体需要通过一定通道周期性排出^〔8〕。大断层可以起输导作用^〔4〕：在没有先期通道条件下，也可以通过广泛产生流力破裂、甚至一些发展成贯穿封闭层的层内密集分布的正断层系统释放剩余孔隙流体^{〔10，11〕}。但是，大多数盆地并不是一个均质体，构造应力在盆地内也不是均匀分布，在构造软弱带和具有张性或张扭性隐伏断裂带更有利于流力破裂产生，也有利于裂隙扩展。一旦流力破裂在一定部位优先产生，流体就能在该带集中释放，并使裂隙不断垂向扩展，经过多期流体周期活动形成垂向断裂破碎带。如果在流体活动末有塑性泥岩沿流体通道侵入，断裂破碎带成为混杂破碎带或混合岩带^〔2〕，刺穿到地表则成为泥火山。因此，不同的流体底辟构造类型可以看作是流体底辟作用不同发展阶段的产物。流体底辟作用可以分为流力破裂、裂隙扩展和大规模流体运移、塑性泥岩混入以及大量泥岩混合成泥丘等4个过程，后3个演化阶段分别形成不同的流体底辟构造类型。如果将这4个过程看作一个流体底辟旋回，则流体底辟活动还具有多旋回性，不同演化阶段的产物垂向叠加，使流体底辟构造不断向上生长(图2)。

4　结　论

　　(1)超压流体能够依靠自身的能量突破上覆地层向浅层运移，并产生特定的流体底辟构造现象。
　　(2)根据地下流体底辟破碎带泥质物混入程度，可形成断裂破碎带、混杂破碎带和混合岩带，加上刺穿到地表的泥火山，流体底辟构造共可分为4种构造类型，前3种可以看作是流体底辟不同演化阶段的产物。
　　(3)流体底辟活动主要发生在沉降快、沉积厚度大的构造层内，并沿构造软弱带或应力集中带分布。

作者单位：(中国地质大学资源学院，武汉，430074)

参考文献