实验开始后, 不断向地层中注水, 地层压力逐渐增大, 流体压力增加足以驱使其垂向流动但不足以引起破裂。之后压力慢慢积累起来, 在细粒层的底部形成流水充填的空隙。Run 3、 Run 4和Run 5(第3轮、第4轮和第5轮实验, 下同)中可观察到明显的空隙形成过程, 并且空隙的高度逐渐增大, 代表了地层中有效应力缓慢增大的过程(图2), 其中Run 3中空隙的最大高度可达1.5~2 cm。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 砂岩侵入体系模拟实验Run 3中空隙增大现象Fig.2 Void growing progressively in Run 3 of sand injectite simulation

理论上认为, 当孔隙流体压力超过地静压力的70%~90%时, 地层就会发生破裂。Run 1至Run 5中, 地层的破裂压力和盖层破裂后地层压力变化情况如表2所示。根据表2中的顶层厚度与破裂压力来看, 基本上, 上覆地层厚度越大, 上覆压力就越大, 破裂压力也越大。一旦盖层发生破裂, 地层压力便得到了释放, 就会有所降低, 如Run 1砂火山喷出口5 min后地层压力就降低了1.1 kPa, Run 2盖层破裂5 min后地层压力降低了0.2 kPa, Run 3管涌出现10 min后也降低了0.2 kPa, Run 4盖层破裂3 min后降低了0.3 kPa, Run 5盖层破裂5 min后降低了0.45 kPa。对比这些实验中压力下降的速度和幅度, 认为盖层厚度越大, 越不利于压力的释放, 从而疏松沉积物的变形活跃时间越长, 现象越剧烈。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 砂岩侵入体系模拟中地层压力统计分析 Table2 Statistical analysis of formation pressure in sand injectite simulation 轮次 顶层厚度 /cm 破裂压力 /kPa 压力下降值 /kPa 下降时间 /min Run 1 Run 2 Run 3 Run 4 Run 5 3 5 5 5 7 3.90 3.80 4.20 3.90 4.45 1.10 0.20 0.20 0.30 0.45 5 5 10 3 5

表2 砂岩侵入体系模拟中地层压力统计分析 Table2 Statistical analysis of formation pressure in sand injectite simulation

随着地层压力的聚集, 实验中的红色示踪物质经历了液化到流化的过程。一旦盖层发生破裂, 超压水从空隙中排出时出现管涌, 流化其沿途和周边的沉积物, 淘洗沉积物搬运到沉积物表面并进入到上覆水柱。管道在沉积物表面表现为单个喷出口, 与裂缝口相反, 并且一旦管道开始在地表喷出就很明显, 管道中的流速亦增加, 通常在破裂口形成羽状水流(图3)。管涌现象很复杂, 是多种因素共同作用的结果, 故导致了管道的形态和结构呈多样化。在这8轮实验中, 发现了7种不同形态、不同样式的管道(图 4), 分别为:(1)垂直的窄管道(图 4-A), (2)垂直的宽管道(图 4-B), (3)漏斗形的、向顶部变宽的管道(图 4-C), (4)倾斜管道(图 4-D), (5)弯曲岩墙或阶梯状地形(图 4-E), (6)不规则形态的管道(图 4-F), (7)分选差但较宽的流化沉积物带(图 4-G)。实验中经常同时出现多种类型的管道, 可能由于管道形成时是相互独立的, 但是在整个实验过程中管道的形态是变化的。同时, 管道的充填方式也是多样的, 可以分为粗粒物质充填的管道(图 5-A)、细粒物质充填的管道(图 5-B)和混杂物质充填的管道(图 5-C), 其中有的管道与母体沟通良好, 有的管道与母体隔离开来。管道不断地迁移和摆动, 使流化带不断地形成、改造。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 砂岩侵入体系模拟实验中盖层破裂、管涌和羽状水流现象Fig.3 Overlying layer breaks, piping and plume flow occurred in sand injectite simulation

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 砂岩侵入体系模拟实验中不同形态的管道Fig.4 Pipes in different shapes from experiment runs of sand injectite simulation

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 砂岩侵入体系模拟实验中不同充填样式的管道Fig.5 Pipes in different filling types from experiment runs of sand injectite simulation

实验过程中, 发生破裂的破裂口多位于空隙的最高处及其邻区位置, 各轮实验中, 除Run 4和Run 5以外, 都在沉积管的侧壁和管体中部发生了破裂和喷出。Run 4中由于只有中间3个进水管供水, Run 5中只有周围的7个进水管供水, 导致水力实在太弱、供给不足, 实验现象并不丰富。在有一定坡度的情况下, 破裂口多出现在地形坡度突变的地方(图6), 如Run 7设计了15° 的坡度, 试图模拟实际地质条件下三角洲平原和三角洲前缘交界处、陆架和陆坡交界的坡折带等地形。地形的不稳定在一定程度上能帮助触发疏松沉积物发生变形, 因为理论上, 重力作用也能触发疏松沉积物变形。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 砂岩侵入体系模拟实验Run 7中喷出口位于地形变化处Fig.6 Vent occured in topographic relief change zone from Run 7 of sand injectite simulation

流化物质喷出沉积物表层后, 一般在顶面连接成片并沉降下来。但由于喷出口发生了喷射作用, 因此喷出口通常形成下凹地形(图 7)。并且, 在管道迁移、摆动的过程中, 流体仍然不断地流化围岩, 淘洗细粒母岩物质。最终, 管道关闭, 实验结束。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 砂岩侵入体系模拟实验Run 1中喷出口的下凹地形Fig.7 Negative relief of vent from Run 1 of sand injectite simulation

综合观察和对比8轮实验的全过程, 可以发现, 这些实验过程都经历了基本相似的5个阶段, 才最终形成各种疏松沉积物变形构造(易雪斐等, 2014):(1)开始注水, 地层压力逐渐增大, 但地层没任何明显变化; (2)在细粒层的底部, 形成水充填空隙和渗透层; (3)空隙逐渐增大; (4)空隙最高处及其邻区一个地方或多个地方出现破裂; (5)沉积物喷出地表, 管道关闭。通过本次砂岩喷出体的模拟实验, 建立了砂岩喷出体形成演化的模式(图 8)。图8中:(A)为起始条件, 2层厚层粗粒沉积层中夹1层细粒沉积层。当地层压力累积形成超压后, 顶层的非均质性决定了这个体系是否朝着(B)(均质顶层)在细粒层下面形成平坦的空隙或者(C)在细粒层下面形成丘形的空隙方向进行, 之后发生(B1)破裂和初始管道形成。夭折的破裂带可能会保存下来, 在管道的底部形成1个流化带, 淘洗流化的沉积物。这种结构可能不稳定。(C1)在这种情况下, 可能出现1个或2个破裂带, 导致2个淘洗沉积物和水的管道。大部分细粒物质都发生了迁移, 但是一小部分还会留在2个管道之间。(C2)出现多个破裂带, 导致多个管道形成。大部分细粒物质都被淘洗, 在管道的底部存在1个流化物带。这是不稳定的结构, 会导致其中1个管道成为主管道, 其他的管道会关闭。(D1)主管道很稳定, 其边缘为细粒物质, 抑制了管道的迁移。在喷出口周围存在1个局部流化沉积物带, 但是所有地层都向管道的底部弯曲。(D2)管道的横向迁移不受限制。在管道前边的原始地层是未受影响的, 但是管道往那里移动, 沉积物是均质的, 残留地形保存在界面上。迁移管道的尾部有1个循环流化沉积物带。这个模型没考虑一些不规则的特征, 比如形成2个空隙顶端、岩墙和岩床侵入及与地形和渗透层有关的近垂直管道等。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 砂岩侵入体系的演化模式Fig.8 Schematic showing an evolution model of sand injectites

上述8轮实验中, Run 1大致经历了A-B-B1-D1的演化过程, Run 2大致经历了A-B-B1-D2的演化过程, Run 3、 Run 4和Run 5大致经历了A-C-C1-D1的演化过程, Run 6大致经历了A-C-C2-C1-D2的演化过程, Run 7和Run 8大致经历了A-C-C1-D1的演化过程。

砂岩侵入体系是深水盆地松散沉积物变形构造中常见的地质现象。其形成的一般过程为:形成超压、盖层水力破裂、砂岩流化和侵入(易雪斐等, 2012)。实验也证实了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, 以达到地层破裂压力, 并且克服内摩擦力维持砂流的向上流动, 形成侵入和喷出。

超压可发育于任何构造背景、任何沉积环境形成的地层中。尽管超压的发育与多种因素(包括不均衡压实、生烃作用、水热增压、黏土矿物脱水、构造应力等)(Osborne and Swarbrick, 1997; Holm, 1998; Swarbrick, 1999)有关, 但除强挤压背景外, 压实不均衡和排烃是可独立产生大规模超压的2种主要机制。在盆地沉降速率较大、地层压实程度较低时, 压实不均衡是超压发育的主要因素, 主要由压实不均衡引起的超压系统地层密度较低、孔隙度较高; 而在沉降速率较低, 特别是机械压实趋于终止的深埋藏阶段, 生烃作用成为主要生压机制, 主要由生烃特别是生气作用引起的超压地层可能已达到压实极限, 因此密度高、孔隙度低(郝芳和董伟良, 2001)。在特定沉积盆地中, 压实不均衡和生烃作用可同时起作用, 水热增压、黏土矿物脱水亦可能对超压的发育产生一定的贡献。同一盆地不同演化阶段, 产生超压的主要机制也会发生变化。

1)在国内外调研的基础上, 自行设计和组建了一套实验装置, 模拟了砂岩侵入体系的形成过程。实验过程主要考察了顶层沉积物的厚度、进水管的结构和地形坡度3种参数的变化, 共进行了8轮实验。

2)随着地层压力的增大, 地层依次出现了空隙形成— 盖层破裂— 砂火山喷发— 管道变迁等一系列过程。并且一旦盖层发生破裂, 地层压力便会发生一定程度的减小。顶层厚度越大, 压力下降越慢, 越不利于压力的释放, 导致疏松沉积物的变形时间越长, 现象越剧烈。破裂口多位于空隙的最高处及其邻区位置。

3)实验过程中观察到7种不同形态、不同样式的管道, 包括垂直的窄管道、垂直的宽管道、漏斗形向顶部变宽的管道、倾斜管道、弯曲岩墙或阶梯状地形、不规则形态的管道、分选差但较宽的流化沉积物带。管道内充填的实验中经常出现多种类型的管道, 可能是由于管道形成是相互独立的, 但是在整个实验过程中管道的形态是变化的。这些管道可以被粗粒物质充填、细粒物质充填或者混杂充填。有的管道与母体沟通良好, 有的与母体隔离开来。

4)通过对实验过程中实验现象的观察和分析, 建立了砂岩侵入体系的演化模式, 即:超压条件下空隙和渗透层的形成— 盖层发生破裂— 管道不停地迁移摆动— 趋于稳定化。

5)超压是砂岩侵入体发生的必备条件之一, 也是最重要的一个条件。超压的发育与多种因素有关, 压实不均衡和排烃是可独立产生大规模超压的2种主要机制。