（地质学专业论文）泥岩收缩裂缝发育规律与形成机理研究.pdf

s t u d y o nd e v e l o p m e n t p a t t e r na n df o r m a t i o n -n l l m e c i i a n l s mo tm l l d s t o n es h r i n k a g ec r a c k s at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e 轳e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c h e n gw e i s u p e r v i s o r ：p r o f z h o uy a o q i c o l l e g eo fg e o - r e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o n c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 荆嬲攀 y 17 7 7 9 “攀 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 惑聋日期：2 吖。年夕月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 黧芋一 指导教师签名：坦l 型垒! 兰： 日期：) 卯。年广月力1 日 日期：。年厂月多日 摘要 随着勘探难度的增加，泥岩裂缝性油气藏等非常规油气藏越来越受到人们的重视( 张 金功，袁政文，2 0 0 2 ；曾联波，肖淑蓉，1 9 9 9 ；甘秀娥，2 0 0 3 ；丁文龙，张博闻等，2 0 0 3 ；杨 涛，2 0 0 7 ；徐福刚，李琦等，2 0 0 3 ) 。泥岩裂缝可分为构造裂缝和非构造裂缝，非构造裂缝 是指由非构造因素诱发形成的与构造应力无关或间接有关的裂缝类型( 郭璇，钟建华等， 2 0 0 4 ；赵澄林，2 0 0 1 ；姜在兴，2 0 0 3 ) 。 现代泥质沉积物非构造裂缝主要包括水下收缩裂缝和干燥裂缝两种，国内外学者已 经对其进行了卓有成效的探索和研究，然而多数只针对其中一种裂缝展开讨论，且定量 化程度低，尚缺乏综合性、定量化的研究。本文以黄河三角洲古河道为研究工区，分别 针对水下收缩裂缝、干燥裂缝和首次提出的混合成因裂缝，进行了定量分级、分形特征、 生长特征和形成模式等方面的研究，建立了不同种类现代泥质沉积物非构造裂缝的定量 描述和对比标准。另外针对安徽巢湖凤凰山剖面石炭系高骊山组泥岩非构造裂缝，分析 了其形态特征及可能的成因类型。 黄河口现代泥质沉积物非构造裂缝可分为：水下收缩裂缝、干裂和混合成因的裂缝。 本文详述了各个工区不同类型裂缝的形态特征，并且认为在沉积相无明显变化的研究区 内能够发育如此多种多样的裂缝类型，其根本原因与原上覆水体体积和深度有关。 通过对各个工区发育完全的裂缝最高级基块面积采取统一的标准进行定量分级，得 到面积分布情况：水下收缩裂缝的面积分布最集中，干裂缝面积分布最广，而混和成因 裂缝介于两者之间。选择覆盖法计算了裂缝分维度，发现裂缝的分形维值从水下收缩裂 缝到暴露阶段和干裂随着发育程度有逐渐变大的趋势。 观测发现干燥裂缝与水下收缩裂缝有相似的平面生长特征。文章通过选择合适的裂 缝阶段，分别针对新开裂的裂缝和方向发生改变的裂缝，测量和统计了裂缝开裂和变化 的角度，建立了相应的裂缝生长角度模式。利用收缩圆这种非线性模式解释裂缝的平面 生长特征。剖面上可由收缩圆引申为收缩体来解释水下收缩裂缝，但是这与干裂的v 字 型成因有着本质的不同。 通过综合分析，分别探讨了干燥裂缝、水下收缩裂缝及混合成因裂缝的形成模式， 建立了某些裂缝间的相互联系、转化的关系。总的规律可以概括为对于不同深度的水体， 由深至浅会发育水下收缩裂缝到混合成因裂缝到干裂，随着季节的变化，已有的裂缝类 型也会发生一定程度的转化。可以预测在复杂的条件下会有更多不同成因类型的裂缝出 现。 论文第二部分研究了安徽巢湖凤凰山剖面石炭系高骊山组泥岩非构造裂缝。通过对 安徽巢湖凤凰山剖面高骊山组岩性、地层及沉积环境进行了充分的调研总结，并对发育 在高骊山组中段上部紫红色泥岩中的泥岩非构造裂缝的成因进行了分析，通过与以往国 内外文献中记载的裂缝和黄河三角洲泥岩非构造裂缝考察成果的对比，否定了高骊山组 泥岩裂缝的暴露干燥成因、地震成因和重荷构造压裂成因，认为该裂缝形成于表层沉积 物。 虽然对现代泥质裂缝的空间展布有了较多的认识，但是各种边界条件对于裂缝的发 生、发育的控制作用，仍然没有细致可靠的研究。在接下来的研究工作中，如果能够进 行裂缝模拟实验，通过控制单因素、多因素变化来分析裂缝发生、发育规律，将会取得 更好的成效。 关键词：黄河三角洲，高骊山组，泥岩，定量描述，干裂缝，水下收缩裂缝 s t u d y o nd e v e l o p m e n t p a t t e r na n df o r m a t i o nm e c h a n i s m o fm u d s t o n e s h r i n k a g ec r a c k s c h e n gw e i ( g e o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h o uy a o q i a b s t r a c t u n c o n v e n t i o n a lr e s e r v o i r ss u c ha sf r a c t u r e dm u d s t o n er e s e r v o i r sa r ed r a w i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sw i t ht h ei n c r e a s i n gd i f f i c u l t yo fe x p l o r a t i o n m u d s t o n ec r a c k sc a l lb ef u r t h e rd i v i d e di n t ot e c t o n i c c r a c k sa n dn o n - t e c t o n i cc r a c k s n o nt e c t o n i cc m c k sc a l lb ed e f i n e da sc r a c k sw h i c ha r ei n d u c e db y n o n - t e c t o n i cf a c t o r s m o d e mc r a c k so fm u ds e d i m e n t sc o n t a i nm a i n l yt w ot y p e s ：d e s i c c a t i o nc r a c k sa n ds y n a e r e s i sc r a c k s a b u n d a n ta n de f f e c t i v er e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eo nt h e m ，h o w e v e r , m o s to fw h i c hc o n c e n t r a t e do n o n l y o n et y p eo fc r a c k sa n dl a c k e dq u a n t i t a t i v ea n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c h e s t h i se s s a ys t u d i e dc o n t e m p o r a r y n o n - t e c t o n i cc r a c k si nm u ds e d i m e n t o fd e l t ap l a i na ty e l l o wr i v e rd e l t a s u b a q u e o u ss h r i n k a g ec r a c k s ， d e s i c c a t i o nc r a c k sa n dm i x e do r i g i nc r a c k sa r es t u d i e di nd e t a i la tt h ea s p e c t so fq u a n t i t a t i v ec l a s s i f i c a t i o n ， f r a c t a lf e a t u r e s ，p l a n a ra n ds e c t i o n a lg r o w t hp a t t e ma n dd e v e l o p m e n tm o d e l s t h i se s s a yh a se s t a b l i s h e d t h eq u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i z a t i o na n dc o m p a r i s o ns t a n d a r d so fd i f f e r e n tn o n - t e c t o n i cc r a c k si nm o d e mm u d s e d i m e n t m o r e o v e r , t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m sa r es t u d i e df o rn o n - t e c t o n i cc r a c k si ng a o l i s h a n f o r m a t i o n o fc a r b o n i f e r o u si nf e n g h u a n g s h a np r o f i l ei nt h ec i t yo fc h a o h u ，a n h u i ，c h i n a n o n - t e c t o n i cc r a c k sa ty e l l o wr i v e rd e l t ac a nb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ：s u b a q u e o u ss h r i n k a g e c r a c k s ，d e s i c c a t i o nc r a c k sa n dm i x e do r i g i nc r a c k s c h a r a c t e r i s t i c so f e a c hc r a c kt y p ei ne a c ht y p i c a lw o r k a r e aa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h eo c c u r r e n c eo fm a n yd i f f e r e n tc r a c kt y p e si nt h i ss t u d ya r e aw i t h o u t s i g n i f i c a n tm i c r o f a c i e sc h a n g e sc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ev a r i o u sv o l u m ea n dd e p t ho fo v e r l y i n gw a t e rb o d y q u a n t i t a t i v ec l a s s i f i c a t i o no ff i r s t - g r a d ec r a c ku n i ta r e ai sa p p l i e dt oa l ls t u d ya r e a su n d e rt h es a m e c r i t e r i a t h ed i s t r i b u t i o no fa r e a so fs u b a q u e o u ss h r i n k a g ec r a c k si st h em o s tc e n t r a l i z e d ；d e s i c c a t i o nc r a c k s u n i ta r e a sh a v et h el a r g e s ta r e as p a n ；w h i l et h em i x e do r i g i nc r a c k sf a l li nb e t w e e nt h ef i r s tt w o f r a c t a l d i m e n s i o n sa r ec a l c u l a t e df o re a c hc r a c ka r e ab yt h eo v e r l a p p i n gm e t h o d i ti sf o u n dt h a tt h ef r a c t a l d i m e n s i o nr i s e sf r o ms u b a q u e o u ss h r i n k a g ec r a c k st od e s i c c a t i o n s i m i l a rp l a n a rg r o w t hp a t t e m so fa l lk i n d so fc r a c k sa r eo b s e r v e d ：n e wc r a c kb i f u r c a t i n ga n do r i g i n a l c r a c ko r i e n t a t i o nc h a n g i n ga n g l e sa r em e a s u r e da n da n g l ed e v e l o p m e n tm o d e sa r ee s t a b l i s h e d at h e o r yo f s h r i n k a g ec i r c l ei sa d o p t e dt od e m o n s t r a t ec r a c kg r o w t hp a t t e r n i nv e r t i c a ls e c t i o n ，s h r i n k a g es p h e r e i s u s e dt oi l l u s t r a t et h es t r u c t u r eo fb o t t o m u ps u b a q u e o u ss h r i n k a g ec r a c k s ，w h e r e a st h e r e i sad i s t i n c t d i f f e r e n c ef r o mt h ev - s h a p e dt o p - d o w nd e s i c c a t i o nc r a c k s d e v e l o p m e n tm o d e l sa r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yf o r a l lt y p e so fc r a c k s ，i nw h i c hr e l a t i o n s h i p so f m u t l 场lt r a n s f o r m a t i o no fc e r t a i nc r a c kt y p e sa r es h o w n g e n e r a l l y , f r o md e e pt os h a l l o wa r e a s ，s u b a q u e o u s s h r i n k a g ec r a c k s ，m i x e do r i g i nc r a c k sa n dd e s i c c a t i o nc r a c k sd e v e l o p i ns e q u e n c e ，a n ds o m eo ft h e mc a n t r a n s f o r mi fa f f e c t e db yw e a t h e r i ti sp o s s i b l et h a tm o r et y p e so fm i x e do r i g i nc r a c k sa p p e a ru n d e r m o r e c o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s t h es e c o n dp a r to ft h i se s s a yf o c u s e so nt h en o n - t e c t o n i cc r a c k si ng a o l i s h a n f o r m a t i o no f c a r b o n i f e r o u si nf e n g h u a n g s h a np r o f i l ei nt h ec i t yo fc h a o h u ，a n h u i ，c h i n a l i t h o l o g y , s t r a t a , a n d s e d i m e n t a r ye n v i r o n m e n ta r es u m m a r i z e d t h e nf o r m a t i o n m e c h a n i s mo fo a o l i s h a nf o r m a t i o nc r a c k si s s t u d i e db ya n a l o g yo f t h o s ei nd o c u m e n t a t i o na n dr e s e a r c h e da ty e l l o wr i v e rd e l t a t h ec a u s e so f d e s i c c a t i o n ，e a r t h q u a k e sa c t i v i t i e sa n d b u r t h e na r ed e n i e dr e s p e c t i v e l y ，a n df i n a l l y , i ti ss u g g e s t e d t h a tt h e g a o l i s h a nf o r m a t i o nc r a c k sa r ef o r m e da tt h es e d i m e n t w a t e ri n t e r f a c e a l t h o u g ht h e r es e e mt ob en u m e r o u ss t u d i e so ns p a t i a ld i s t r i b u t i o no f n o n - t e c t o n i cm u ds h r i n k a g e c r a c k s ，c o n v i n c i n gt h e o r i e so ff a c t o r sa f f e c t i n gc r a c kd e v e l o p m e n t i ss t i l ly e tt ob ed i s c o v e r e d i ti s r e c o m m e n d e dm o r es t u d i e so fc r a c ks i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nc e r t a i nc r a c kd e v e l o p m e n tf a c t o r ( s ) t ob e d o n ei no r d e rt og a i nab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fn o n t e c t o n i cs h r i n k a g ec r a c k s - k e yw o r d s ：y e l l o wr i v e rd e l t a ，g a o l i s h a nf o r m a t i o n ，m u ds t o n e ，q u a n t i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o n ，d e s i c c a t i o nc r a c k s ，s y n e r e s i sc r a c k s 目录 第一章前言l 1 1 选题的目的及意义1 1 2 干燥裂缝研究综述1 1 2 1 干燥裂缝的形态特征2 1 2 2 干裂缝的成因3 1 2 3 干裂缝的实验模拟4 1 3 水下收缩裂缝研究综述5 1 3 1 水下收缩裂缝的不同成因类型5 1 3 2p r a t t 的地震成因说。6 1 3 3 现代水下收缩裂缝定量研究8 1 3 4 水下收缩裂缝的实验研究1 0 1 4 研究方法及技术路线1 1 第二章黄河三角洲现代泥质沉积物收缩裂缝空间展布研究1 3 2 1 工区介绍1 3 2 2 裂缝分类描述1 4 2 2 1 水下收缩裂缝1 4 2 2 2 千裂1 7 2 2 3 混合成因的裂缝1 9 2 2 4 不同类型裂缝发育条件分析2 1 2 3 裂缝的统计变化规律2 1 2 3 1 面积定量分级2 2 2 3 2 裂缝的分形特征2 2 2 4 ，j 、结2 4 第三章黄河三角洲泥质沉积物收缩裂缝发育规律及成因分析2 6 3 1 裂缝生长特征分析2 6 3 1 1 裂缝平面生长2 6 3 1 2 裂缝剖面生长模式3 0 3 2 裂缝发育影响因素分析31 3 2 1 含砂量对裂缝形态的影响3 l 3 2 2 裂缝基块大小的控制因素分析3 2 3 3 现代泥质沉积物非构造裂缝的形成模式3 4 3 3 1 干燥裂缝的形成模式3 5 3 3 2 水下收缩裂缝及混合成因裂缝的形成模式3 6 第四章安徽巢湖凤凰山高骊山组泥岩非构造裂缝研究3 9 4 1 工区概况3 9 4 1 1 地理位置3 9 4 1 2 区域构造背景3 9 4 1 3 高骊山组地层及沉积环境4 0 4 2 高骊山组泥岩非构造裂缝描述4 3 4 2 1 裂缝剖面形态特征4 4 4 3 高骊山组裂缝的成因分析及地质意义4 5 4 3 1 暴露干燥成因分析4 6 4 3 2 地震成因水下裂缝分析4 7 4 3 3 重荷构造压实成因分析4 7 4 3 4 表层水下收缩裂缝成因分析4 8 4 4d 、结4 9 第五章结论5 0 5 1 裂缝分类描述5 0 5 2 裂缝的统计变化规律。5 0 5 3 裂缝生长特征分析5 1 5 4 现代泥质沉积物非构造裂缝的形成模式5 l 5 5 安徽巢湖凤凰山高骊山组泥岩非构造裂缝研究5l 5 6 讨论! ；l 参考文献5 3 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 0 致谢6 1 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 1 1 选题的目的及意义 第一章前言 泥岩收缩裂缝往往在潮坪、湖岸、干盐湖、泛滥平原等环境中出现。不管这些裂缝 形状是常见的多边形还是纺锤形，均常被地质学家当做暴露成因环境的指示标志。对于 后两者不常见的形状，也曾被解释为虫穴( e g ，d a w s o n ，1 9 8 0 ；y a b e ，1 9 3 9 ；f a u l ，1 9 5 0 ；趾f ， 1 9 5 9 ；f r a r e ya n dm c l a r e n ，1 9 6 3 ；b o s e ，1 9 7 7 ) 。后来的研究发现这些弯曲、纺锤结构是非 生物成因的，而且这些结构在完全被水淹没的环境中也能形成，因此被解释为脱水收缩 机制，从而丰富了泥岩非构造裂缝的形成理论。 本文回顾和总结了国内外对于泥岩收缩裂缝、现代泥质收缩裂缝的诸多研究，结合 国家自然科学基金项目泥岩非构造裂缝发育规律与形成机理研究项目的部分研究成 果，主要针对干裂缝和水下收缩裂缝，介绍了两者的不同种类、特征和实验研究，对某 些观点提出了新的认识；通过对黄河三角洲现代泥质沉积物非构造裂缝进行实地考察观 测、室内数据处理、实验分析等，分别针对水下收缩裂缝、干燥裂缝和混合成因裂缝， 研究其定量分级、分形特征、平面及剖面生长特征及形成模式；论文最后针对安徽巢湖 凤凰山泥岩非构造裂缝进行了成因分析。本研究对于建立不同种类泥质沉积物非构造裂 缝系统的定量化的描述和对比标准有重要意义。 值得一提的是，除了干燥裂缝和水下收缩裂缝，还有众多其他的裂缝种类，包括土 壤冰冻裂缝、霜冻裂缝、蒸发盐类矿物成岩裂缝和最常见的构造裂缝，本文并没有涉及 到这些裂缝。 1 2 干燥裂缝研究综述 国内关于干燥裂缝的地质学深入研究并不多，涉及到的文献中多简单地将其出现作 为暴露环境的相标志，而国外早在1 9 1 7 年k i n d l e 等人便对干燥裂缝进行了实验研究， 至今已有将近百年的研究历史，然而新的理论和研究方法仍然不断地被提出。干燥裂缝 的研究多见于对土壤裂缝的农业科学研究，如h a i l e r 、d e x t e r 和s e v i l l e ( 1 9 9 5 ) 使用亚甲 基蓝染料来识别土壤裂缝表面的构造孔隙度；s t o r e 、r i t s e m a 和r o o ( 1 9 9 7 ) 的研究试图 测量完全结皮和结皮并且裂缝的土壤的水动力特性，并且使用l i s e m 土壤剥蚀模型来 衡量了这些测量在排水和土质流失方面的作用；m a l o o f , k e l l o g g 和a n d e r s ( 2 0 0 2 ) 定量分 1 第一章前言 析周期性温度变化对固体裂缝的影响，并据此研究了昼夜温度循环对于新元古代冰期由 于热膨胀导致的冻土裂缝多边形的可能性； s h i p i t a l o 、n u u t i n e n 和b u t t ( 2 0 0 4 ) 研究了地 下灌溉管道导致的土壤和化学物质经由虫穴和泥裂的流失；b a e r 、k e n t 和a n d e r s o n ( 2 0 0 9 ) 利用图像分析和分维度理论来描述不同样式的土壤裂缝； 1 2 1 干燥裂缝的形态特征 1 ) 干燥裂缝的平面形态特征 l a c h e n b r u c h ( 1 9 6 2 ) 和a n d e r s o n 和e v e r e t t ( 1 9 6 4 ) 认为干裂多边形通常属于正交裂缝 系统( o r t h o g o n a lc r a c ks y s t e m ) ，意即裂缝相互之间是垂直相交的关系，裂缝的生长传播 极为缓慢且不易于分叉。s m o c k ( 1 9 4 0 ，1 9 4 8 ) 也将这种理想状态的泥裂描述为四边形泥 裂。 然而这种泥裂不常见，事实上，微弱的沉积物不均一性或者微小的环境物理条件变 化都足以导致裂缝弯曲生长。常见的干裂三联点由l a c h e n b r u c h 解释为泥裂弯曲时凸缘 一侧的直角张裂。a n d e r s o n 和e v e r e t t ( 1 9 6 4 ) 发现裂缝由于沉积物结构或所处应力场的 不均一而分叉。 图1 - 1 黄河三角洲干裂缝的向上翘起现象 通常认为能够产生干裂的表面是水平或者近于水平的，但是m a c c a r t h y ( 1 9 2 2 ) 和 h a s t e n r a t h ( 1 9 7 3 ) 发现了坡度为3 8 度的陡山坡上的干裂多边形。d o n o v a n 和a r c h e r ( 1 9 7 5 ) 则认为大于5 度的斜坡上均一沉积物形成的干燥裂缝多为矩形，主裂缝平行于斜坡的走 2 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 向。周瑶琪等( 2 0 0 6 ) 研究了青岛唐岛湾的水下收缩裂缝，也发现了地形坡度与裂缝形态 的关系，周瑶琪等认为斜坡之上多发育矩形裂缝，而平坦的地形多发育网状裂缝，其中 矩形裂缝的主裂缝发育方向与水退方向一致。 2 ) 干燥裂缝的剖面形态特征 通常认为垂向上泥质干裂的形状有两种形式，分别为“u ”和“v ”字型。研究发现： 当粘土强度低时，受到干燥作用的泥质层不受下伏地层的影响，会形成两壁平行的( 矩 形切面) 裂缝截面形状，近似于“u ”字型；而当粘土强度较高时，泥质层受到干燥作 用程度从而收缩程度向下降低则形成v ”字型形裂缝。另外一种极少见的情况是，长 期的干燥使得裂缝可达1 5 m 深，地下水面此时控制着裂缝的进一步发育。 垂向上裂缝的变化不仅仅是垂直于层面的开裂，往往还表现为干裂层的卷曲，研究 表明：对于原来处在低盐度水体中的沉积物，后期暴露干燥会产生向上卷曲的多边形块 体；反之，若初始水体为高盐度，则会产生向下卷曲的现象。m i n t e r ( 1 9 7 0 ) 发现，在抬 高的河床上的薄层泥质沉积，由于水向下的渗透量比向上的蒸发量来得多，会导致向下 卷曲。b r a d l e y ( 1 9 3 3 ) 认为泥裂的卷曲与递变层理有关，细沉积物收缩程度比粗沉积物高 从而干燥层总体上向细的方向卷曲，图l 为黄河三角洲某处于裂缝，可见明显向上翘起。 1 2 2 干裂缝的成因 根据一般的推理，干裂毋庸质疑地被认为是由于暴露干燥作用，泥质层脱水收缩， 由上至下逐渐裂开，而由于干燥影响的深度范围有限，裂缝在一定深度处终止。然而 w e i n b e r g e r ( 2 0 0 1 ) 通过对自然干裂的考察研究提出了完全相反的裂缝形成模式：首先，对 自然界岩石和其他与岩石类似的材料的野外观察和实验研究表明裂缝总是先出现在某 种杂质处。这样的原因是由于材料中杂质和缺陷处增强了应力，从而使得缺陷局部的张 应力超过了材料的抗拉强度。这些杂质包括之前存在的微裂隙、洞、颗粒边缘和广泛分 布于材料中的不规则颗粒。 对于自然界泥裂来说，泥裂始形成于干裂泥质的底部，在这里，干燥脱水导致的张 力在有利的杂质处和表面不连续处得到增强。表面裂缝网格的复杂性与裂缝从底部向上 的演化有很大的联系。根据以往的干裂形成理论观点，裂缝并不应当终止于相同的平面， 而应该开裂到不同的深度。而w e i n b e r g e r ( 2 0 0 1 ) 的研究发现裂缝的发育均终止于同一平 面。因此他认为泥裂在底部的同一平面形成并向上生长，向下变细的泥裂与体积随深度 的变化有关，而与裂缝传播方向无关。 假如这个理论成立，这对于沉积岩中的泥裂有重要的意义：泥裂的形状因而不能简 3 第一章前言 单地作为向上的指示，也不能当做裂缝传播方向的标志。w e i n b e r g e r 称其还观察到新第 三纪的泥裂，这种泥裂同时向上和向下两个方向终止生长。然而，本文作者对w e i n b e r g e r 理论将裂缝终止于相同平面作为一个原因表示反对，裂缝的终止是因为在一定范围内， 不同区域受到的干燥作用的强度是一定的，因而其影响深度也是一定的，且通常裂缝终 止生长的平面也会发生横向贯通的裂缝，这是因为上面的脱水层的收缩而使之与其下地 层发生剥离，最重要的是，这种作用是均匀的，因此发生横向伸展的裂缝深度也是基本 相同的。所以w e i n b e r g e r 的这个结论似乎站不住脚。 1 2 3 干裂缝的实验模拟 使用均一物质和颗粒大小来进行的干裂模拟实验包括：淀粉( w a l k e r , 1 9 8 6 ；m o i l e r , 19 9 8 ) ，咖啡粉( g r o i s m a na n dk a p l a n ，1 9 9 4 ) ，a n d 筛选过的土壤( c o r t ea n dh i g a s h i ， 1 9 6 0 ) 实验进行时通常将这些材料与水混合然后倾倒至玻璃、塑料或者木材上，然后经 过干燥进而产生裂缝。 这些研究并没有模拟自然过程中的颗粒分选和成层泥质，也没有考虑常常出现在自 然泥质之下的砂质。在这些实验中并没有使用宏观可见的杂质并且裂缝产生于混合物内 在的不均一处。c o n ea n dh i g a s h i ( 1 9 6 0 ) 指出垂向剖面上的水分含量不能控制裂缝在哪里 生长。g r o i s m a na n dk a p l a n ( 1 9 9 4 ) 认为泥质底部的摩擦力控制着裂缝生长，而即使存在 水分含量的不均一，这也不是泥质裂缝的最重要因素。然而，实验产生的裂缝通常都是 始于干裂层的顶部( c o n ea n dh i g a s h i ，1 9 6 0 ；m i i l l e r , 1 9 9 8 ) 。 以上实验结果与w e i n b e r g e r ( 2 0 0 1 ) 的野外观察完全相悖，他的野外观察表明裂缝很 明显是从成层泥质底部开始生成的。w e i n b e r g e r 认为实验和自然环境有2 个主要区别应 当注意。第一，有利裂缝产生的杂质聚集在自然泥质的底部，而实验材料的内在杂质是 均一分布的。第二，自然泥质与下伏砂质之间的凝聚力比实验材料与玻璃之间的要低得 多，这意味着将各种材质放到玻璃上阻碍了底部的裂缝的形成( c o r t ea n dh i g a s h i ，1 9 6 0 ) 。 如果干裂泥层和下伏材质之间的凝聚力高于泥质自身，裂缝就会在除了底部的任何地方 形成。然而，如果干裂泥层和下伏材质之间的凝聚力低于泥质自身，那么裂缝便会在底 部或者近底部的任何一个杂质处发育。这些明显的实验与自然条件的不同之处表明了实 验并不能充分地模拟裂缝的生长。 此外，k i n d l e ( 1 9 1 7 ) 和k i n d l e 和c o l e ( 1 9 3 8 ) ，d o w ( 1 9 6 4 ) 和b a r i a ( 1 9 7 7 ) 的实验研究的 裂缝传播影响因素和h a r r i s ( 1 9 5 8 ) 的观察表明泥质成分、沉积体盐度、温度和交替干、 湿的持续时间都对裂缝有影响：在高盐度或者高古温度，大的泥裂多边形形成于较均质 4 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 的厚岩层。有的干盐湖中，大的干燥裂缝系统有3 0 0 m 直径的多边形块。相反，低盐度 或低古地温，薄层非均质沉积组成，则形成小的干裂多边形。产生广泛的收缩的情况下 ( 低盐度、高古温度、高粘土膨胀率和长期暴露) ，通常产生多于1 级的裂缝系k i n d l e 和c o l e ( 1 9 3 8 ) 。 1 3 水下收缩裂缝研究综述 1 9 3 4 年脱水收缩缝的地质意义被首次报导( j i l n g s t ，1 9 3 4 ) ，且这种长、蜿蜒的，通常 发现于波痕槽部的泥裂被认为是在水下沉积物流体界面处形成的( e g w h e e l e r & q u i n l a n ，1 9 5 1 ) ，在这之后，人们进行了大量的泥质水下裂缝实验研究。这些实验研究和 大部分对裂缝的解释都与古沉积物中保存的裂缝形态相似，因而假定他们都在沉积物 流体界面形成( f e n t o na n df e n t o n ，1 9 3 7 ；p i c a r d ，1 9 6 6 ，1 9 6 9 ；d o n o v a na n df o s t e r , 1 9 7 2 ) 。然 而我们相信，有大部分的收缩裂缝是沉积层下形成的( s u b s t r a t a l ) ，就像之前r i c h t e r ( 1 9 4 1 ) ， s h r o c k ( 1 9 4 8 ) ，r i c h ( 1 9 5 1 ) 和o l a e s s n e r ( 1 9 6 9 ) 提出的，由于沉积压实和或由沉积压实或上 覆沉积物陷落形成的。 虽然古代脱水收缩裂缝形状一度被认为是单独的纺锤形，极少相交。但是b u r s t ( 1 9 6 5 ) 和k u e n e n ( 1 9 6 5 ) 发现给予足够时间，多边形样式也会出现。b u r s t 发现不论什么形状， 在垂向上都是v 字形的。 g l a e s s n e r ( 1 9 6 9 ) 提出，对于水下收缩裂缝的产生，诸如粘土组成、沉积速率、压实 作用、层面结构、水介质的化学组成和其它因素都是很重要的。 1 3 1 水下收缩裂缝的不同成因类型 p l u m m e r ( 1 9 7 8 ) 对底层脱水收缩缝进行了深入研究，在南澳大利亚f l i n d e r sr a n g e s 的 晚前寒武纪b r a c h i n as u b g r o u p 。这个层序中，重荷构造和收缩缝印模都经常出现在砂岩 或粉砂岩的底面，下面覆盖着泥岩。这种情况下重荷构造和裂缝必须同时形成，因为砂 岩或粉砂岩之下的粘土产生变形时要被饱和。因此，裂缝不可能比重荷构造出现的早( 从 而排除了干燥暴露成因) ，而是由于载荷和上覆砂岩导致脱水和最终收缩裂缝而形成。 证明这种判断的证据是现存只有一代裂缝，进一步的证据为重荷构造底部对应出现的裂 缝铸模。 另一种相似的重荷脱水裂缝过程可以形成于厚层、未变形的砂层之下沉积的饱和 粘土，会产生随机或者对齐分布的裂缝排列，亦或产生于透镜砂体之间。在这些例子中， 裂缝很窄、要么是直的要么是s 形的纺锤形，通常相互交切。 5 第一章前言 在纵剖面上裂缝为v 形或浅u 形。裂缝的方向与变形压实过程中的应力方向垂直。 前述规则分布的脱水收缩裂缝中，裂缝方向归因于与均质物质在非构造的下倾的重力作 用运动方向垂直。 底层脱水收缩裂缝也被认为是向上卷曲的( 所谓的i n c i p i e n tp u l l a p a r t 构造，k u e n e n ， 1 9 5 3 ) v a nh o u t e n 详细讨论了上卷和下卷裂缝系统、展示了多边形样式和随机指向的、 离散的纺锤体。他同样指出了从弱裂缝向完全裂缝化的转变。n e l s o n 描述了三维脱水收 缩裂缝系统。v a nh o u t o n ( 1 9 6 4 ) 的由下向上发育的裂缝可能是由于压实过程中气、水和 流体沿裂缝上涌而使砂岩膨胀。 1 3 2p r a t t 的地震成因说 1 ) 地震成因裂缝的形态特征 水下收缩裂缝一般会表现出沉积物浅层的穿层现象，这里p r a t t ( 1 9 9 8 ) 提出了地震成 因假说。他认为裂缝能够同时反映沉积物的岩土特性和盆地的构造体制。p r a t t 认为 m o n t a n a 西北的b e l t 盆地的中元古界地层和相邻的南a l