《Journal of Structural Geology》：Influence of stress field changes on fracture network development: an outcrop study in carbonate rocks, Potiguar Basin, Brazil
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本研究通过无人机影像、结构分析和岩石物理性质分析，揭示了巴西Potiguar盆地Jandaíra Formation碳酸盐岩中断裂网络的形成机制。发现断裂由两次不同压缩应力场（N-S和NW-SE）控制，后期叠加形成更连通的网状结构，并通过karst溶解进一步改造，提升网络连通性20%以上。
马特乌斯·阿马多尔·尼基奥（Matheus Amador Nicchio）|弗朗西斯科·希拉里奥·贝泽拉（Francisco Hilario Bezerra）|米凯莱·科雷亚·阿雷纳·萨尔瓦多·达席尔瓦（Michele Correa Arena Salvador da Silva）|基莫利·法拉利（Kimmolly Ferrari）|卡拉·帕特里夏·凯罗兹·富尔塔多（Carla Patricia Queiroz Furtado）|瓦尔特·欧亨尼奥·德·梅德埃罗斯（Walter Eugênio de Medeiros）|莱昂纳多·博尔吉（Leonardo Borghi）|法布里齐奥·巴尔萨莫（Fabrizio Balsamo）
巴西里约热内卢联邦大学地球科学研究所地质系沉积地质学实验室（Lagesed），里约热内卢21941-916
摘要：
本研究利用野外观察、无人机（UAV）图像的数字结构测绘、断裂拓扑分析以及岩石物理分析，研究了巴西波蒂瓜尔盆地（Potiguar Basin）晚白垩世詹达伊拉组（Jandaíra Formation）中缓褶皱碳酸盐岩的断裂网络特征。詹达伊拉组的碳酸盐岩原始孔隙度低于15%，渗透率小于0.5毫达西（mD）。富含方解石的脉状构造、剪切脉状构造和构造层理的产状和运动学表明，它们是在两个不同的缩短方向上形成的，这两个方向分别对应着N-S和NW-SE方向的压缩应力场。无人机追踪图显示，最长数字测绘的脉状构造、断裂和层理呈N-S、NW-SE和NE-SW方向排列。N-S和NW-SE方向的脉状构造可能是由于N-S和NW-SE方向的压缩共同作用的结果。N-S方向脉状构造中的方解石碎屑和滑动面表明，原有的脉状构造在后期压缩过程中被重新激活，形成了数百米长的新段。应力场的叠加导致新的断裂网络覆盖在原有网络上，并形成了额外的分支，使网络连通性至少提高了20%。随后，喀斯特作用主要沿着层理和原先富含方解石的脉状构造发生，将其转变为开放性断裂。
引言
研究断裂特性对于理解天然裂缝储层和含水层中的流体流动至关重要（Zimmerman和Bodvarssonn，1996；Peacock和Mann，2005；Wennberg等人，2016）。这类脆性结构通常会增加岩石的孔隙度和渗透率，从而影响流体流动（Bisdom等人，2016）。由于缺乏适合的大规模露头，难以准确预测地下断裂网络的属性（如断裂长度、强度和连通性），这给断裂分析带来了挑战（Benedetti等人，2024）。虽然可以通过井测试、测井资料或岩芯样本（例如?zkaya，2003；Rashid等人，2021；Tanaka等人，2022；Brand?o等人，2024）获取数据，但这些方法需要大量资金支持，且数据分布不均，使得断裂分析复杂且结果往往不明确。通过野外类比研究来研究断裂对于了解其特性及其对流体流动的影响至关重要（Berkowitz 2002；Bisdom等人，2016；Forstner等人，2022，2024）。通过对露头中断裂的研究，可以了解断裂网络的发展和几何特征，包括方向、长度、密度、强度、开口度和连通性（Berkowitz 2002）。为此，确定控制断裂形成的应力场对于断裂预测至关重要，因为它是影响断裂方向的最重要因素之一（Mckinnon和Barra 1998）。此外，大尺度褶皱（Watkins等人，2015；Ahmadi等人，2019；La Bruna等人，2021；Furtado等人，2022；Cross和Burchette，2024）和断层（Choi等人，2016；Meier等人，2015；Aubert等人，2019；Berio等人，2023）是预测断裂网络的有效指标。尽管多项研究表明褶皱和断层沉积岩中的断裂网络连通性存在变化，但区域应力场的变化如何影响断裂网络及其相关属性仍不明确。在本研究中，我们通过整合波蒂瓜尔盆地阿波迪褶皱枢纽区（Apodi fold hinge zone）10个露头的结构和岩石物理数据，展示了区域应力场变化对詹达伊拉组碳酸盐岩断裂特性的影响。其中4个露头使用高分辨率无人机图像绘制了断裂网络图，并结合了野外观察和测量结果。我们还在所有地点收集了岩石物理和岩石学数据。
波蒂瓜尔盆地
波蒂瓜尔盆地（PB）（图1A）是巴西东北部博尔博雷马省（Borborema Province）的裂谷盆地之一（Szmatmari等人，1987；Matos等人，1992）。这些裂谷主要呈NE-SW方向，形成于早白垩世（约1.3亿年前）的赤道和大西洋边缘构造运动（Szatmari等人，1985；1987；Matos，1992）。在波蒂瓜尔盆地的陆上区域，NE向的背斜和地堑被认为是由NW-SE方向的新生代伸展作用和随后的E-W方向的巴雷米安（Barremian）伸展作用形成的。
方法
本研究结合了野外和实验室测量。在野外，我们在10公里×10公里范围内采集了11个露头的岩石样本并测量了其结构（图1B）。实验室中使用这些样本进行了岩石学和岩石物理特征分析。岩石学分析重点关注了岩石纹理和孔隙度分类（依据Choquette和Pray，1970的方法）。
宿主岩石特性
研究区域内识别出两种岩石类型（图3）。基底岩层为白云石化泥灰岩，其特征是平行的层理，层厚从数十厘米到数米不等（图3A和B），层理接触带及岩石内部存在孔隙（图3A和C）。岩石经过强烈白云石化作用，其中含有少量生物碎屑，这些生物碎屑被细粒至粗粒的菱形白云石晶体取代（图3D和E）。
断裂系统发育
詹达伊拉组的断裂几何形态先前被描述为一系列分离的断裂系统，包括正交和斜交的断裂模式（Bisdon等人，2016；Lopes等人，2022）。然而，我们的野外观察有助于理解脉状构造和构造层理之间的相互作用（图9）。这些现象在野外显而易见，在不同分析尺度上均得到一致验证，并且在无人机图像中也能清晰识别。
结论
本研究结合了无人机图像、露头结构特征和微观结构数据，分析了预变形褶皱带中复杂断裂网络的形成过程。研究结果表明：
詹达伊拉组的孔隙度通常低于15.5%，渗透率低于0.5毫达西。方解石胶结物和白云石化作用填充并隔离了岩石孔隙，使得流体流动依赖于断裂和由断裂控制的喀斯特作用。
断裂网络的形成经历了两个阶段
作者贡献声明
基莫利·法拉利（Kimmolly Ferrari）：撰写、审稿与编辑、数据管理。米凯莱·科雷亚·阿雷纳·萨尔瓦多·达席尔瓦（Michele Correa Arena Salvador Silva）：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理、资金争取。法布里齐奥·巴尔萨莫（Fabrizio Balsamo）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、数据分析、数据管理。弗朗西斯科·希拉里奥·贝泽拉（Francisco Hilario Bezerra）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论设计、调查、数据分析、概念化。莱昂纳多·博尔吉（Leonardo Borghi）：验证
未引用参考文献
Benedetti等人，2025；Gross和Eyal，2007；McKinnon和Garrido de la Barra，1998；Wennberg等人，2016；Zimmerman和Bodvarsson，1996。
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了Grammarly和Microsoft 365 Copilot工具检查语法和可读性。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究是在与ANP（巴西国家石油、天然气和生物燃料局）资助的“研究与开发投资承诺”项目（项目编号：20225-9，项目名称：桑托斯盆地（Santos Basin）前盐段碳酸盐储层的地质特征研究及类似地质体研究——里约热内卢联邦大学沉积地质学实验室）的合作下完成的。MAN感谢PRESAL II项目的支持。
