1.3.1.1 断层带结构与物质组成
断层的开启或封闭，应考虑两个方面：首先，断面本身作为通道（或渗漏带）或遮挡的可能性；其次，断层两侧渗透层或非渗透层接触关系的变化。油气通过渗透层相对接的部位发生运移（图1.5）。因此，在分析断层封闭性时，既要研究断层带的结构与物质组成，又要研究断层带本身的几何形态、形成演化、活动方式、期次和强度等。
图1.5 油气沿断层带发生运移（渗漏）的两种方式
由于断层带内物质变形既受岩石性质（矿物组成、结构、孔隙度和渗透率）的制约，也受环境条件（应力值、围压、孔隙水压、温度等）的影响，因此，断层带的结构和物质组成是比较复杂的。
1.3.1.1.1 断层带结构
（1）内部结构特征
断层带是由已被识别的围绕（或环绕）较大位移断层的一套变形体组成的（Engelder，1974；Aydin，1978；Chester和Logan，1986；Wallace和Morris，1986）。破碎带代表着大断层周围的应变释放区，是断层带发育过程中断层相互扩展、移动和联结作用的结果。破碎带是围绕大断层的岩体中应变累计的最终产物，应该与断层作用带区别开。断层作用带是断层扩展过程中在断层端部发育的，认识这一点很重要（Cowie和Scholz，1992）。
断层破碎带关键参数有：(1)破碎带的规模；(2)断层的成群分布特点；(3)断层错动的种类（对断层岩的分布和并置关系有控制作用）；(4)破碎带中变形构造的方位分布；(5)断层岩的总厚度。Knipe等（1997）已经评述了这些方面的内容，这些参数是断层封堵性评价和油藏特性模拟所需要的。
Knipe（1992b，1994）指出了油气藏中破碎带对断层封堵性分析的重要性。图1.6表示的是破碎带对断层封堵性的影响。破碎带对断层封堵性和油藏分析的主要影响有：
(1)用单断层模型得到的地层并置与一组小断层模型得到的不同；(2)断层周围的变形岩石体积会影响含可采烃的储层体积；(3)现今的一组变形构造而不是一个断层可以通过构造复活事件影响断层连通性的变化。
图1.6 断层破碎带构造元素示意图（据R.J.Knipe等，1999）
由此可见，断层破碎带是由一组变形构造组成的，它们围绕着一条位移较大的断层分布。需要注意的是，断层破碎带的并置关系与仅有单条断层时的情形不同，在这里存在的变形构造组合可以在断层带内发育微型储存空间或封堵单元（图1.6）。
（2）几何形态与力学性质
断层破碎带可以具有不同几何形态，面状断层简单的椭圆形态实际上可以受到破碎带中各种应变场的改造（图1.7）。断层变形带的大小取决于发生断层作用的主控因素、变形条件和上、下盘之间的应变分布。
不同性质断层的断面往往具有不同的力学性质，正断层、剪切断层和逆断层带等断面应力分布亦不相同。可以划分出相对伸展带、相对压缩带和相对剪切带（图1.8）。
1.3.1.1.2 断层带物质组成
断层带通常由脆性的碎裂变形带（如砂岩）和塑性变形带组成，后者主要指泥岩涂抹层，而不是糜棱岩组成的韧性剪切带。泥岩涂抹层是在泥岩层产生相对运移的情况下发育的，即未压实泥岩由于顺断层面拖曳可以产生局部泥岩涂抹层（断层泥）（图1.9）。Antonellini和Aydin（1994，1995）认为泥岩涂抹层可以从微米到厘米厚，也可以是几米厚的复杂带。断层面上的泥质物常发育网状纹、磨光面和擦痕阶步，往往具有一定的方向性。泥岩涂抹物内常夹杂有大小不等的透镜状或碎片状物质。镜下鉴定表明，泥质物中呈定向排列的是硅酸盐物质组成的薄带。泥岩带可由混合状的砂质、硅质和泥质组成。
脆性变形带可以是密集排列的、次平行的碎裂带或者是由断层角砾、断层泥、微裂缝及其内沉淀的化学胶结物组成。
此外，在断层带的两侧通常伴生有小裂隙或次生构造，它们对断层的封闭也具有一定的影响。因此，断层带主要是由机械和化学变形物或几何变形带组成。变形物可以是强烈变形的断层泥或弱变形的断层带破碎物或未变形的断层角砾岩；几何变形带是指岩层只发生破裂，但并没有改变岩石的形状、颗粒大小和结构。
1.3.1.2 主要岩石变形机制
岩石普通变形方式主要有：(1)碎裂作用，包括原岩的细粒化和碎裂；(2)颗粒边界的滑移由颗粒间的相互滑动产生变形；(3)压溶形成岩石溶解物带；(4)晶体塑性变形，包括部分岩石的完全重结晶，造成保留有外部边界的矿物定向排列。但内部由彼此镶嵌的未发生变形的晶体组成。
（1）碎裂作用
图1.7 断层破碎带几何形态示意图（据R.J.Knipe等，1999）
图1.8 不同性质的断层断面力学性质（据陈布科等，1997）
脆性变形集中在沿着颗粒间无黏接力的、分离的未变形区的表面运动的岩石块体，其特征是产生角砾岩、断层泥、裂缝和断裂、微角砾和微裂隙。
碎裂作用的变形条件通常是低温、低—中围压，有孔隙压力更好。高应变率会产生破裂。该作用常发生在几千米深的低温条件下，但是长石、石榴子石的碎裂变形温度为500 ～1000℃。
碎裂变形可使岩石的整个体积降低（通过岩石颗粒的紧密排列）。此外，碎裂作用和细粒化作用则使孔隙体积增大，不利于封闭。
在这种作用中，断层移动时颗粒破裂和压碎产生细粒的断层泥，大大地降低了断层带内的渗透率。控制碎裂断层泥发育的主要因素是断层移动时作用在断层面上的有效法向应力的大小。但是在逆断层和扭断层作用过程中高的法向应力常常暗示在这两种情况下形成（碎裂的）断层封闭性的比张性正断层作用情况下的要大。
（2）扩散物迁移作用
该作用也称蠕变作用。岩石的变形程度主要取决于应变速率，但产生的应变量不受应变率所限。蠕变是缓慢的，但随着时间的推移，应变量是巨大的。蠕变主要是物质从高应力环境扩散产生变形。变形分三个阶段：溶解—扩散或溶解物的转移、沉淀。
这种机制不受压力、温度门限值的限制，除非温度、压力或流体压力发生很大变化，否则会一直持续下去，因此又称稳定状态下的变形机制。
（3）晶体塑性变形
包括由颗粒内作用如错位和双晶造成的晶格变形。这种机制最适合于大颗粒的矿物变形，但对沉积物中层状硅酸盐的弯曲和弯折同样重要，并在低温塑性断裂中起重要作用。
（4）摩擦滑动、断裂作用和碎屑流
这种情况包括一系列过程：断裂增生、新生面上的摩擦滑移和单个颗粒的特殊流动，变形只是颗粒的摩擦滑动而不错断。破裂作用包括脆性破裂和亚破裂，主要是在低于脆性破裂产生所需应力值的条件下进行。颗粒沿边界滑动或流动主要是针对未成岩物质而言的。其变形条件是低围压和高流体压力。聚集物的渗透率和孔隙度在伴随破裂和摩擦滑移引起的扩容变形期间可临时增大。泥岩涂抹作用与这种作用关系密切。
图1.9 断层带泥岩涂抹层形成示意图（据Robert D.Hatcher，J.R，1995）
1.3.1.3 碎屑岩地层中的断层作用
对碎屑岩中断层作用的研究集中在两个方面：(1)由页岩的塑性造成的泥岩涂抹；(2)孔隙砂岩的碎裂变形。
与未变形的岩石相比，砂岩的碎裂变形作用可以使原岩的孔隙度和渗透率降低，而泥岩涂抹作用也可以使断层带物质的渗透率和孔隙度降低，形成薄膜封闭。
（1）断层作用对砂岩层的影响
砂岩层中的断层作用可以产生单个的变形带、由密集变形带组成的变形区和滑动面（Antonellini和 Aydin，1994），变形域内的岩石往往发生碎裂并多伴有断层泥的生成。在断层作用过程中往往有节理的产生。
变形带也常称为剪切带、剪裂隙、颗粒化（作用）裂缝、Luder带、粒状压实带或带状断层，这种带是一个薄（0.5～2mm厚）的“似断层”板状构造，侧面上具有一定的连续性。
变形带内孔隙度值比围岩的小一个数量级，渗透率比围岩中的小三个数量级，垂直于变形带渗透率的减小常受碎裂作用和泥岩含量的限制。滑动面比纯净砂岩的渗透率小七个数量级，变形带内的毛细管压力比围岩的大10～100倍。
围岩中低孔隙度和低围压在早期阶段利于造成扩容，而高孔隙度和高围压有利于造成压碎和压实。
在变形带密集区通常会产生断层泥，J.T.Engelder（1974）研究了碎裂作用与石英断层泥生成之间的关系，他认为这种联系可能与剪裂隙或断层的位移有关，这些剪裂隙可以分为次一级的微裂隙，随着位移和围压的不断增大，微裂隙间的颗粒大小和种类会逐步减小且会朝一定的方向发生旋转。微裂隙的排列方向通常与最大主应力平行。
（2）断层作用对泥岩层的影响
许多研究者指出，在中—高的页岩/砂岩比条件下断层活动时粘土可以借助碾压作用和楔入作用而掺入断层面内（图1.10）。如果粘土充填的断层面连续的话，往往会形成一种有效的、理论上能够保持烃柱的封闭。
图1.10 高砂泥比区断层作用对泥岩涂抹形成的影响示意图
泥岩涂抹首先由Weberet al.（1978）详细描述，泥岩涂抹层是通过泥岩层的减薄使泥岩卷入断层面形成的。结果是沿着断层的上、下盘泥岩层间的砂岩段保留了一薄层泥质膜（图1.9）。
当页岩层消减时，涂抹层的厚度随断距的增大而减薄。因此，泥岩涂抹层的空间连续性与页岩厚度的比率和断距有关。
上述情况主要是针对脆性变形而言的，但在超压发育和未充分压实的沉积层以及沉积物发生的块状滑动均可以形成剪切带。剪切带具有高的排替压力可对油气造成有效的封闭。
断层带内泥岩的流动是由断层上、下盘的局部应力性质不同造成的。对于上盘，其上端为张应力，下端为压应力；而下盘的则正好相反。中间的张应力有使断面张开的趋势，上、下端的压应力可使泥岩塑性流动形成剪切带，这样，由于塑性变形使摩擦减小，临近剪切带的砂岩层不产生弯曲，而与断层面接触的砂岩层就产生拖曳构造。
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