0 引言

针对断层封闭性，国内外学者做了大量研究^[1-15]。断层对油气藏的形成与分布具有重要作用^{[1-2, 8]}，封闭的断层可参与形成断层圈闭^[3-5]，开启的断层可作为油气运移的通道，也可破坏已经形成的油气藏^{[2, 6-7]}，因此，准确评价断层封闭性对正确认识油气运移、聚集、散失过程及油气分布规律具有重要意义^[8]。

断层封闭性评价包括侧向封闭性和垂向封闭性评价两方面^[8-9]。断层的垂向封闭机理包括断层面紧闭封闭机理和断裂带高排替压力封闭机理^[10]。针对断层封闭机理，前人的评价方法主要从断层内部结构和断层正面压力两方面入手^{[8-9, 11-14]}。周庆华^[12]指出破碎带填充大量断层泥是断层垂向封闭的关键，付晓飞等^[14]将断层带细分为脆性地层断层带、塑性断层带并分别提出评价指标。针对断层正面压力表征，学者也进行了深入的研究^{[8-9, 10-11, 13, 15]}，这些方法能够在一定程度上表征断层的垂向封闭性。前人的评价方法较少使用地球化学手段。根据断层两侧流体的地球化学差异评价断层侧向封闭性已经建立了成熟的方法^[16-19]。表征断层垂向封闭性的地球化学方法近年发展较快，地球化学方法具有直接反映断层封闭性、精度高的特点。前人运用构造解析等方法对焦石坝地区断层封闭性进行了大量研究，但精度较低，随着焦石坝一期产区开发的深入，需要明确断层封闭性对保存条件的影响。本研究利用断层流体锶、碳、氧同位素示踪开展断层垂向封闭性评价，取得良好效果。

锶同位素近年来常用作研究地下流体差异的重要指标。锶同位素在同一地质时期、同一水域⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的值基本不变^[20]。前人运用锶及其同位素开展了大量的水岩作用和地下水循环与演化的研究^[21-23]。与其他地球化学指标相比，锶同位素分馏作用弱^[24]，干扰因素较少；此外，任一时代全球海水锶元素在同位素组成上是均一的，不受纬度、深度的影响^[25]，可进行时代对比。在碳酸盐岩地层中断层带被方解石所充填，方解石脉体是流体与岩石相互作用的产物，能够反映流体的活动特性^[26-27]。封闭断层上下属于不同的流体系统，会有不同的锶同位素组成，锶同位素特征会有很大的差别，这种差别会继承在其沉淀形成的方解石脉中。测量方解石脉锶同位素数值，辅助以碳、氧同位素特征，可获得断层的垂向封闭性。

1 断层发育特征及样品测试

焦石坝背斜带位于川东高陡褶皱带，东侧以齐岳山深大断裂为界与鄂西端相连，西侧为华蓥山深大断裂，多期构造运动造成大量断层^[28-33]。距今135~100 Ma，地层受南东—北西向挤压，该时间段地层缩短率为5.6%，断层基本不发育。断层的形成主要集中在喜马拉雅中晚期(25~15 Ma)，形成一系列由南东向北西方向逆冲的断层，包括大耳山、天台场、方斗山、乌江等多条断裂(图 1)。断层从基底断穿至地表，焦石坝地区共发育四套滑脱层：分别为嘉陵江组膏岩层、志留系泥岩层、寒武系页岩层以及深层基底—震旦系滑脱层。多套滑脱层及复杂的地应力造成断层在垂向上的封闭性具有明显的差异。根据区域应力场及构造样式的分析，方斗山断裂形成时间最早，规模最大，所受应力场复杂，断层封闭性差；天台场断裂带远离方斗山断裂带，且形成时间相对较晚，断层封闭性较好；大耳山断裂是方斗山断裂的伴生构造，越靠近方斗山断裂，断层活动越强烈，封闭性越差；乌江断裂为北西—南东走向，形成晚，活动弱，断层封闭性较好。

地表出露下二叠统、上二叠统，三叠系飞仙关组、嘉陵江组、雷口坡组地层，为研究断层的垂向封闭性，围绕焦石坝背斜带及周围采集方解石脉样品81块，其中野外样品79块，涵盖了不同期次的方解石脉样品。此外由于地表缺乏志留系的地层出露，为了便于研究，采集JY51-2HF井志留系龙马溪组的方解石脉样品两块以便对比，采集样品的位置见图 1。

室内结合镜下鉴定等手段对采集的样品进一步筛选，运用阴极发光对方解石脉期次进行识别，部分方解石脉较细，为避免围岩影响，采用专用钻头及显微镜镜下挑选样品的方法保证所取样品的纯净。取样量大于1 000 mg，经玛瑙研钵研磨至小于200目并充分混合。碳、氧同位素测试依据DZ/T 0184.17—1997《碳酸盐矿物或岩石中碳、氧同位素组成的磷酸法测定》标准进行测定。仪器为北京核工业地质研究院同位素实验室MAT253型。锶同位素在南京大学完成，仪器型号为Neptune Plus的MC-ICP-MS，采用醋酸、硝酸溶样法进行测试。测试结果见表 1。

2 研究方法及测试结果分析

断裂带附近方解石脉是断层开启期间流体充填形成的。流体来源可分为原地流体、内源异位流体和外源流体。通过对外源流体形成的方解石脉的锶同位素的测定，可以追踪流体可能的来源地层。其地质意义在于在地质历史时期，来源地层和方解石脉充填地层之间曾被断层沟通。海水的锶同位素组成主要受壳源和幔源两个来源控制：壳源锶主要由大陆古老岩石风化提供，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的全球平均值为0.711 9^[34]；幔源锶主要由洋中脊热液系统提供，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr平均值为0.703 5^[35]。锶同位素数据库随着时间的积累和数据量的扩大，已经越来越完善。国外学者已经建立了不同时代的海水锶同位素数据库^[36-37]，针对四川盆地不同时期地层的锶同位素数据，黄思静、王国芝等做了大量的工作^{[22, 38]}，形成了完善的数据库，这些地质历史时期的海水锶同位素数值可以作为对比的标准，确定形成方解石脉的成岩流体的来源地层。脉体氧同位素受温度、大气淡水影响，碳同位素受有机质、成岩的影响较大^[39]，可以作为一种补充。根据δ¹³C、δ¹⁸O计算的Z值能够反映盐度^[40]，当Z＞120时为海相灰岩，当Z < 120时为淡水灰岩，从表 1中可知大部分方解石为海相成因。

分析时选择距离接近、垂直断层分布样品进行组合对比。根据表 1中的锶、碳、氧同位素数据绘制流体示踪图。通过绘制流体示踪图可对断层带某一位置的流体期次，单期流体的联通范围做出明确的说明。以图 2为例，图中的蓝线为同时期海水锶同位素的数值范围，红色短线为外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围，红色圆点为外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值的平均值。以三叠系嘉陵江组地层为例：外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围为0.708 173~0.708 210，通过对比同时期海水的锶同位素数值范围，来自于上志留统地层，证明期间发生过一次断层活动，上志留统地层和三叠系嘉陵江组地层垂向联通。

2.1 方斗山断裂带垂向封闭性评价

方斗山断裂带呈北东走向，位于焦石坝地区的东南部，延伸较远，中部与大耳山断裂带交汇，南部与乌江断裂带交汇。方斗山断裂带流体示踪图见图 2—图 4。断裂带各个位置的志留系充填一期外源流体形成的方解石脉，方解石脉的锶同位素数值范围为0.726 713~0.727 327，远大于同时期地层海水，来自于下部的富锶流体；除这一期流体，在方斗山断裂带中部，下二叠统、上二叠统、三叠系嘉陵江组充填的外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围为0.707 620~0.708 456、0.707 807~0.708 298、0.708 173~0.708 210。根据锶同位素数值可知从下二叠统到三叠系嘉陵江组有一期锶同位素为0.707 80~0.707 840的流体形成的方解石脉充填，氧同位素负漂移，证明受深部热流体的影响。结合同时期地层海水的数值，推测为上志留统来源的流体；下二叠统有一期锶同位素数值为0.707 62左右的方解石脉充填，碳、氧同位素正常，推测为邻层上二叠统的流体充填形成；在方斗山断裂北部，上二叠统、三叠系飞仙关组充填锶同位素数值范围为0.707 566~0.707 936的方解石脉。大部分方解石脉的δ¹³C_V-PDB的范围为1.2‰~4.3‰、δ¹⁸O_V-PDB的范围为-8.6‰~-6.3‰，碳同位素偏正，可能来自于含膏岩盐地层，与地层流体浓缩有关，氧同位素轻度负漂移，Z值 < 120，可能是受大气淡水影响，对比同时期海水锶同位素范围，其来源为嘉陵江组地层的流体；方斗山南部断层流体示踪图见图 4，仅部分位置下二叠统、三叠系飞仙关组充填锶同位素数值范围为0.707 339~0.707 604的方解石脉，δ¹³C_V-PDB的范围为-1‰~3.2‰、δ¹⁸O_V-PDB的范围为-9.3‰~-6.3‰，氧同位素偏负，受温度的影响。对比同时期海水锶同位素范围，其来源为上二叠统地层的流体。

断层的垂向封闭性针对志留系龙马溪组页岩气产层。综合分析认为，在方斗山断裂带整体，志留系以下为一套流体系统，以重锶同位素为特征，流体来源可能为深大断裂形成时沟通的深部壳源富锶流体，在断层形成时志留系以下地层通过断层联通，断层垂向封闭性差，但受志留系泥岩的保护，志留系下部的流体无法通过断层向上运移。晚期构造活动造成断层活动，断裂带中部开启过两次，一次志留系上部至三叠系地层通过断层垂向联通，充填志留系上部流体；一次上下二叠统地层通过断层垂向联通，充填上二叠统地层流体。断裂北部开启过一次，上二叠统至三叠系嘉陵江组地层通过断层垂向上联通，充填嘉陵江组流体；断裂南部开启过一次，下二叠统至三叠系飞仙关组地层通过断层垂向上联通，充填上二叠统流体。方斗山中部由于受到大耳山断裂带的影响，有上志留统的地层流体向上运移，对志留系龙马溪组页岩气储层来说，垂向封闭性最差，方斗山南部、北部没有志留系地层流体通过断层向上运移，对志留系龙马溪组页岩气储层来说，垂向封闭性较好。

其他各条断裂带也存在早期志留系以下地层充填重锶流体的情况，与方斗山断裂情况相同，仅对晚期的活动的差异进行说明。

2.2 大耳山断裂带垂向封闭性评价

大耳山断裂带呈北东走向，位于焦石坝地区东南部，南部与方斗山断裂带交汇。大耳山断裂带流体示踪图见图 5，图 6。大耳断裂带南部，下、上二叠统二叠统、三叠系飞仙关组、嘉陵江组充填的外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围为0.707 406~0.707 698、0.708 255~0.709 111、0.707 451~0.708 264、0.708 200~0.708 328。由锶同位素数值可知从下二叠统到三叠系嘉陵江组有一期锶同位素为0.707 800~0.707 911的流体形成的方解石脉充填，氧同位素负漂移，证明受深部热流体的影响。结合同时期地层海水锶同位素数值，推测源自上志留统流体；下二叠统、三叠系飞仙关组充填一期锶同位素数值为0.707 752左右的方解石脉，碳、氧未有明显负偏移，可能为邻层上二叠统流体充填形成；大耳山断裂北部，三叠系嘉陵江组充填锶同位素数值范围为0.708 086~0.708 424的方解石脉，δ¹⁸O_V-PDB范围为-8.7‰~-7.2‰，主要受温度影响，对比同时期海水锶同位素，来源为上志留统地层流体。

综合分析认为，晚期断层活动，二叠系至三叠系地层充填第二期流体系统，二叠系、三叠系地层通过断层联通，在地质历史期曾发生过志留系的流体充填。此外大耳山断裂南部，在第二套流体系统内曾发生过局部的二叠系内的流体活动。对志留系龙马溪组页岩气储层来说，大耳山断裂带整体封闭性差，北部封闭性相对较好。

2.3 乌江断裂带垂向封闭性评价

乌江断裂带呈北北西走向，位于焦石坝主产区西部，与方斗山断裂带、天台场断裂带交汇。乌江断裂带流体示踪图见图 7，图 8。在乌江断裂带北部三叠系嘉陵江组充填的外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围为0.707 383~0.708 189。其中，锶同位素数值在0.708 189左右的方解石的碳同位素为2.4‰，碳同位素偏正，与地层流体浓缩有关，可能与来自于膏岩盐地层，结合同时期地层海水的数值，推测为三叠系雷口坡组来源的流体受到三叠系嘉陵江组膏岩的影响；锶同位素数值在0.707 383左右的方解石的氧同位素偏负，推测受温度影响，结合同时期地层海水的数值，推测为上二叠统来源的流体。在乌江断裂带南部下二叠统、三叠系嘉陵江组充填的外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围分别为0.707 580、0.708 173~0.708 394。根据锶同位素数值可知从下二叠统的方解石脉来自相邻的上二叠统的流体活动、三叠系嘉陵江组充填的方解石脉来自于上志留统地层的流体。

断层的垂向封闭性针对志留系龙马溪组页岩气产层。分析认为，在乌江断裂整体，后期断层活动断裂南部开启过两次，一次志留系上部至三叠系地层通过断层联通，充填志留系上部流体，一次上下二叠统地层通过断层联通，充填上二叠统地层流体；断裂北部流体连通限于三叠系雷口坡组到上二叠统。断裂南部由于受到方斗山断裂带的影响，有来自于上志留统地层的流体沿断层向上运移，垂向封闭性最差；断裂北部断垂向封闭性相对较好。

2.4 天台场断裂带垂向封闭性评价

天台场断裂带北部呈北西走向，南部转换为南北走向，位于焦石坝地区的西北部。天台场断裂带流体示踪图见图 9、图 10。除志留系充填一期外源流体形成的方解石脉外。在天台场断裂带北部三叠系雷口坡组、飞仙关组分别充填锶同位素数值为0.707 913、0.707 889 5的外源流体形成的方解石脉，碳同位素偏正，可能来自于含膏岩盐地层，结合同时期地层海水的数值，推测为三叠系嘉陵江组来源的流体；在天台场断裂带南部三叠系雷口坡组充填的外源流体形成的方解石脉的锶同位素数值范围为0.708 363~0.708 474。根据锶同位素数值可知方解石脉来自于上志留统地层的流体。

在天台场断裂整体，后期断层活动，断裂北部发生过三叠系内流体连通，没有来自产层的地层流体，垂向封闭性最好。断裂南部部垂向封闭性较差，后期活动造成上志留统到雷口坡组地层连通。

2.5 综合评价

通过不同部位的流体示踪图可对断层垂向封闭性进行评价，断层的垂向封闭性针对志留系龙马溪组页岩气产层。评价结果见表 2和图 11。各断裂带早期志留系以下地层流体通过断层联通，受志留系泥岩的保护，志留系下部的流体无法通过断层向上运移。晚期构造运动使断层开启。实验结果表明，焦石坝背斜带及周边不同位置断层的垂向封闭性具有明显差异。根据流体期次和联通范围对焦石坝背斜带周围断层垂向封闭性进行评价，认为断层晚期开启一次且没有志留系流体沿断层向上运移的部位断层垂向封闭性好、断层晚期开启过两次且有志留系流体沿断层向上运移的部位断层垂向封闭性差、断层晚期开启过一次但有志留系流体向上运移的部位或断层晚期开启过两次但没有志留系流体沿断层向上运移的部位断层垂向封闭性中等。结果表明：方斗山断裂中部、大耳山断裂南部、乌江断裂南部充填多期流体且充填志留系流体形成的方解石脉，断层垂向封闭性差；大耳山断裂北部、乌江断裂带北部、天台场断裂带南部后期经过一期流体充填但充填志留系流体形成的方解石脉或经过多期流体充填，断层垂向封闭性中等；方斗山断裂带北部、南部、天台场断裂带北部晚期仅经历一期流体充填且没有来自志留系的流体，断层垂向封闭性好。

断层的形成晚于页岩气的生烃高峰，处于页岩气的散失阶段，断层垂向封闭性越差，页岩气越可通过断层散失，其产能越差。因此可通过生产动态数据证实上述结论，焦石坝一期产区主体区的平均无阻流量为52.1万方/天。靠近乌江断裂南部的生产井存在井漏、压力降低的现象，平均无阻流量为9.1万方/天，证明该区断层对页岩气产层影响较大，断层封闭性差。此外统计发现，靠近大耳断裂带北部的生产井的无阻流量明显大于南部，证明了大耳山断裂北部断层垂向封闭性好于南部。

3 结论

(1) 以锶同位素为主体、辅助以碳、氧同位素建立的断层流体示踪断层垂向封闭性评价方法能够对碳酸盐岩地层中的断层垂向封闭性进行评价，是对其他方法的有力补充。

(2) 焦石坝地区志留系以下地层早期充填一期深部壳源富锶流体，受志留系泥岩滑脱层的保护，志留系下部的流体未通过断层向上运移。晚期断层活动，针对志留系龙马溪组页岩气储层，评价认为方斗山断裂中部、大耳山断裂南部、乌江断裂南部断层垂向封闭性差；大耳山断裂北部、乌江断裂带北部、天台场断裂带南部断层垂向封闭性中等；方斗山断裂带北部、南部、天台场断裂带北部断层垂向封闭性好。

(3) 通过与生产动态资料的对比证明了方法的有效性；认为垂向封闭性好的区域可能是高产区域。