目前, 研究者一致认为超压是砂岩侵入体形成的一个必备条件。只有存在超压, 砂体才可以有足够的能量保持侵入复合体的弹性张力, 并且克服内摩擦力维持砂流的向上流动(James et al., 2003)。对地层进行应力分析时, 一般涉及到地静压力(上覆压力)、静水压力、流体压力(地层压力、孔隙流体压力)、破裂压力和有效应力等。当地层压力大于静水压力时就会形成超压或高压。

罗晓容等(2000)将沉积盆地渗透性地层中异常高压的形成机制分为3类, 即自源高压、邻源高压和他源高压。引起上述3种机制的地质作用有:沉积物的欠压实作用、构造应力(包括局部和区域断层、褶皱、侧向滑动和滑脱、断块下降、底辟盐丘/泥丘运动以及地震等构造活动)、水热增压、黏土矿物脱水、烃类物质生成、相邻高压泥质岩的压力和流体的传递等。这里只讨论差异压实、地震引发的液化、流体的加入和压力传递这4种主要的形成机制。

1.3 流体加入

流体的加入, 比如烃类气体或者盆内流体的介入, 是另一个可能使封闭砂岩产生超压的机制, 因为外来流体的加入会引起孔隙流体体积增大, 上覆岩层的重量会逐渐转移到孔隙流体中。根据太沙基公式(σ _p=P_o-P_f, 其中σ _p为颗粒承受的有效压力, P_o为上覆压力, P_f为孔隙流体压力)可知:孔隙流体压力增加, 颗粒承受的压力就减小。即使是很小的剪切应力, 也可能会引发不稳定格架的崩塌, 即静态液化。如图1中C所示, 孔隙压力因差异压实而增加X(₁Z— ₁), 外部流体或气体的加入使孔隙流体压力迅速增大Z(₁Z— ₂), 直到颗粒格架倒塌, 超过破裂压力Z(₂Z— ₃)。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 砂体埋藏时其孔隙流体压力的变化过程(据Duranti 和 Hurst, 2004, 修改)Fig.1 Possible paths of pore-fluid pressure in a sand unit uring burial(modified from Duranti and Hurst, 2004)

砂岩侵入的裂缝可以是侵入前已有的裂缝或断层, 也可以是侵入时由水力破裂产生的裂缝。当孔隙流体压力超过地静压力的80%~90%时就会发生水力破裂(Jolly and Lonergan, 2002), 即破裂压力梯度为地静压力的80%~90%。理论上, 当应力差与格里菲思张性破裂包络线相交(图 2-A中虚线莫尔应力圆)或与纳维尔斯库仑破裂包络线相交时(图 2-A中实线莫尔应力圆), 盖层发生水力拉张破坏或剪切破坏。拉张(1)和剪切(2)特征可表达为:

τ ²+4Tσ _n-4T=0(1)

τ =C+μ σ _n(2)

这里τ 是剪切力, σ _n为正应力, T为岩石的抗拉强度, C为粘结强度, μ 为内摩擦系数。主应力和张应力或剪切力方向之间的关系表明, 存在应力差(比如σ '₁-σ '₃, 张性破裂; σ ₁-σ ₃, 剪切破裂)时发生破裂(Cosgrove, 2001)。当在沉积过程中内部流压(P)与外加应力(σ ₁-P)(σ ₂-P)(σ ₃-P)相反时, 一般也发生破裂。砂岩侵入时, 当母岩中孔隙流压较大并且与主应力相反时, 就导致了应力差与上覆岩层的破坏包络线相交, 形成拉张破裂(图2-B, 虚方框)。同理, 当盆地的构造应力为剪切应力时, 便形成剪切破裂(图2-C, 实方框)。水力破裂缝的识别特征为网状和锯齿状。孔隙压力超过岩层静压力(上覆压力)梯度, 盖层的破裂会产生任意方向的裂缝, 包括垂直裂缝和水平裂缝, 砂岩侵入到这些裂缝中分别形成岩墙和岩床。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 水力破裂机理示意图(据 Cosgrove, 2001, 修改)Fig.2 Sketch of mechanism of hydrofractures(modified from Cosgrove, 2001)

当一个相对稳定的沉积物突然因颗粒骨架的坍塌和孔隙流体压力瞬间增加而失去抗剪强度时, 便产生液化。而流化是指悬浮颗粒在流体拖曳力作用下, 随流体向上流动(Lowe, 1975)。

砂质的液化一般是由地震诱发的剪切作用产生的。周期性剪切引起松散颗粒的裂解, 因此将上覆压力转移到孔隙流体中。在埋藏时, 上覆压力的增加将增大沉积物的剪切强度, 从而阻碍液化。但液化可以使孔隙流压迅速增大, 当压力梯度超过颗粒的最小流化速率时, 孔隙流体便可拖曳悬浮颗粒向上运动, 形成流化。流化被认为是砂岩侵入到水力破裂裂缝的主要原因。

侵入砂岩是以流化和液化的形式发生搬运和沉积的。当砂体中流体把沙子搬运到上覆低渗透层的裂缝中时, 即砂体发生侵入。物理实验表明流化颗粒的搬运导致了管道边缘的侵蚀(改造)以及颗粒的分解。所以侵蚀构造和撕裂屑在砂岩侵入体中很常见。

虽然砂岩侵入体是一种常见的疏松沉积物变形构造, 但其形成需要一定的条件。这些条件主要包括:

1)大量未固结的深水沉积砂岩(或风成砂岩)。目前所报道的砂岩侵入体的母岩大都为深水碎屑砂岩, 包括深水扇砂体、深水水道、海底峡谷、陆坡水道和斜坡扇体等。侵入复合体的规模在一定程度上与砂岩的规模有关。小型富砂河道可能是贯入体的翼部, 而大规模的侵入必须有大量的砂岩才能保证。另外砂岩侵入体在全球很多地球动力和地质背景下发现过, 但主要为中— 细粒的砂岩, 这是因为中— 细粒砂岩具有最小的液化速率, 最容易被液化和流化。

2)低— 非渗透层的快速覆盖。如果地层中页岩和泥岩上部物质的沉积速率非常快, 造成了载荷的快速增加。分散包裹在页岩和泥岩内部或下部的砂体在不断加大的载荷作用下需要往外排出水分, 但是由于周围被低渗透率的页岩或泥岩包围, 其排水受到了阻碍无法正常压实, 从而造成了孔隙压力的增大, 形成超压。超压形成的本质即砂岩中孔隙流体的输排不均衡。

3)形成超压的机制。超压是形成砂岩侵入的必备要素, 是砂岩液化、流化和侵入以及盖层发生水力破裂的动力。差异压实、地震引发的液化、流体的加入和压力传递等其他机制的单独或协同作用将引发砂岩中形成超压。

4)出现触发事件。如发生地震、海啸、陨石、彗星或小行星撞击地球、火山喷发或山体滑坡等。差异压实, 压力侧向转化等可能引起相对较慢的超压积累, 但以上触发事件则可能导致未固结砂岩和高压砂岩瞬间压力骤增和流化, 或导致流化系统发生流动。同时这些突发事件又有利于盖层水力破裂。通常这些触发事件会相伴发生, 比如海啸、流星撞击等作用会导致地震, 从而加剧了砂岩侵入体的形成。

1)砂岩侵入体是深水沉积中一种常见的疏松沉积物变形构造, 并且对于世界深水油气勘探和开发具有重要的意义。研究砂岩侵入体形成过程有利于揭示其分布规律, 预防钻井时的地质灾害。

2)形成超压、盖层破裂、发生流化和侵入是砂岩侵入体形成的一般过程。其中超压是最核心的部分, 差异压实、地震引发的液化、流体的加入和压力传递等多种机制都可以引发渗透砂岩形成超压。在沉积盆地中, 一般为多种机制综合作用。

3)大规模砂岩侵入体的形成必须满足大量的未固结砂岩(最好为中— 细砂岩)被弱渗透层快速覆盖, 存在一种或多种形成超压的机制和触发事件。