鄂尔多斯盆地华池—庆阳地区上三叠统延长组长6油层组古地震变形构造及砂体叠置关系*
田景春, 王文之, 王峰, 王卫红, 张锦泉
油气藏地质与开发工程国家重点实验室,成都理工大学,四川成都 610059

第一作者简介 田景春,男,1963年生,博士,成都理工大学教授,博士生导师,主要研究方向为岩相古地理和层序地层学。电话:028-84073178;E-mail:tjc@cdut.edu.cn

摘要

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长 6 油层组是盆地内中生界最重要的含油层段之一。长 6油层组以储集砂体发育、成因类型多样为特征。其中,位于湖盆中部的华池—庆阳地区在长 6油层组沉积演化过程中广泛发育了一套与古地震事件有关的液化变形构造砂体。该地区长 6油层组砂体中所发育的液化变形构造类型主要包括:负荷及砂球构造、振动液化卷曲变形构造、沙侵蘑菇、液化岩脉、液化摆动构造等。地震事件与重力滑塌所形成的变形构造的区别主要表现在:变形构造的优势方位、是否存在滑动面和是否存在均一化层。与古地震事件有关的液化变形构造砂体和其他成因类型砂体的叠置,主要包括两种类型:一为地震事件成因砂体与正常沉积作用所形成的砂体(三角洲前缘砂体)的叠置;二为地震事件成因砂体与由地震作用导致的三角洲前缘滑塌再搬运而形成的浊积砂体的叠置。最后,建立了不同沉积作用所形成砂体的成因模式。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 6油层组; 液化变形构造; 变形构造成因; 砂体叠置关系; 成因模式
中图分类号:P512.2 文献标志码:文章编号:1671-1505(2012)03-0303-08 文章编号:1671-1505(2012)03-0303-08
Palaeoearthquake deformation structures of the Chang 6 interval of Upper Triassic Yanchang Formation and superimposed relationship between sandbodies in Huachi-Qingyang area of Ordos Basin
Tian Jingchun, Wang Wenzhi, Wang Feng, Wang Weihong, Zhang Jinquan
State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan

About the first author Tian Jingchun,born in 1963,is a professor at Chengdu University of Technology,and is mainly engaged in palaeogeography and sequence stratigraphy.

Abstract

The Chang 6 interval of the Upper Triassic Yangchang Formation in the Ordos Basin is one of the most important interval of the Mesozoic section.The Chang 6 interval are characterized by the development of reservoir sandbodies and multiple genetic types.During the sedimentary evolution of the Chang 6 interval of Yanchang Formation in Huachi-Qingyang area of the Ordos Basin,liquefaction deformation structures related with palaeoearthquake are developed extensively.The authors,based on many previous research results,by detailed description and observation of drilling cores of Chang 6 interval in the research area,studied the characteristics of liquefaction deformation structures systematicly.The structures mainly include: Load and sand ball structure,vibrational liquefaction curl deformation structure,sand invasion mushroom,liquefaction dike,such as liquefied swing structure.The difference of deformation structures formed by seismic events and gravity slumping are distinguished,mainly as: The advantage deformation direction of deformation structures,the existence of the sliding surface and the existence of uniform layer. Based on the above analyses,the vertical relationship between the delta front sandbody formed by normal deposition or slump turbidite sandbody and seismite sandbody are also studied which include two types: The overlay between seismic events sandbody and the normal deposition sandbody(delta front sandbody); the seismic events sandbody and slump turbidite sandbody formed from delta front.At the end,the origin models are established.

Key words: Ordos Basin; Chang 6 interval; liquefaction deformation structure; origin of deformation structure; superimposed relationship between sandbodies; origin mode
1 前言

鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区(图1)的上三叠统延长组长6油层组是盆地内中生界最重要的含油层段之一, 其中所蕴藏的石油占鄂尔多斯盆地中生界探明石油地质储量和原油产量70%以上。在该地区长6油层组沉积演化过程中, 广泛发育了一套与古地震有关的液化变形构造砂体。作者在众多国内外关于震积岩特征、识别标志、分类等大量研究成果(Kuenen, 1958; Plaziat et al., 1990; Guiraud and Plaziat, 1993; Owen, 1996; 杜远生等, 1999, 2001; Rodriguez-Pascua et al., 2000; Rossetti and Goes, 2000; Takahama et al., 2000; Moretti et al., 2002; 张琴等, 2003; 杨剑萍等, 2004; 袁静, 2004, 2005; 袁静等, 2006; 魏垂高等, 2006, 2007; 周志广等, 2006; 乔秀夫等, 2006, 2008; 张宪依等, 2006; Montenat et al., 2007; Moretti and Sabato, 2007; Fortuin and Dabrio, 2008; 乔秀夫和高林志, 2007; 乔秀夫和李海兵, 2008, 2009; 王昌勇等, 2008; Du Yuansheng et al., 2009)的基础上, 结合区内研究成果(夏青松等, 2007; 邵晓岩等, 2009), 充分利用研究区内众多钻井岩心资料, 并在事件沉积学理论(Rodriguez-Pascua et al., 2000; Ralph, 2006)指导下, 系统研究鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区长6油层组中与古地震有关的液化变形构造类型及特征, 分析地震事件与重力滑塌所形成的变形构造的区别, 研究不同成因砂体的叠置关系, 进而建立不同沉积作用所形成砂体的成因模式。通过研究, 为该地区进一步油气勘探提供基础地质资料和科学依据。

图1 鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区位置Fig.1 Location of Huachi-Qingyang area, Ordos Basin

2 延长组长6油层组与古地震有关的液化变形构造类型及特征

鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区上三叠统延长组长6油层组中发育的与古地震有关的变形构造类型多样。主要包括:负荷及砂球构造、振动液化卷曲变形构造、沙侵蘑菇、液化砂岩脉、液化摆动构造等。下面分别描述各类液化变形构造特征。

2.1 负荷及砂球构造

负荷及砂球构造是与地震作用伴生的沉积构造, 此类构造多出现在以泥质沉积物为主的层段中, 在地震和重力的作用下, 上覆细砂、粉砂层向软性泥质沉积物中沉陷而成的, 震动强烈的形成砂球沉入下伏泥岩中(图 2-A)。

图2 鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区典型液化变形构造类型及特征Fig.2 Types and features of liquefaction deformation structures in Huachi-Qingyang area, Ordos Basin

2.2 振动液化卷曲变形构造

振动卷曲变形构造主要表现为粉砂岩、泥岩条带在层内发生明显褶曲, 形成一系列形态各异的小型褶曲, 呈波状、槽状起伏, 相当于乔秀夫等(1994)所称的“ 震褶岩” 。振动卷曲变形构造在镇80井中比较典型(图 2-B)。

2.3 沙侵蘑菇

沙侵蘑菇构造主要发育在泥岩夹薄层砂岩岩系中, 表现为分选较好的细砂、粉砂侵位在上覆的泥质粉砂岩中, 形成沙枕、沙侵蘑菇(图 2-C)。剖面上, 砂体呈蘑菇状、纺锤状或不规则状; 层面上, 砂体呈带状。有些沙侵蘑菇内部发育纹层, 内、外层砂岩特征存在差异。外层泥质含量较高, 且发育多层同心状纹层, 而内层砂岩则粒度稍大, 泥质较少。这一特征表明, 它们是多期沙侵的结果。内、外层砂岩特征差异应反映源沉积物液化淘洗程度的变化。沙侵蘑菇构造常与液化砂岩脉构造、球枕构造和滑混层共生, 显示它们形成于相近的环境之中(张传恒等, 2006, 2007)。

沙侵蘑菇构造的成因与地震发生过程有关, 强地震发生时, 地震诱发的剪切力促使砂粒滑移而改变排列状态, 应力由砂骨架转移到粒间水, 产生超孔隙水压力。当全部应力转移至孔隙水后, 超孔隙水压力等于饱和砂所承受的总应力, 在完全水平的砂层中便产生了液化, 这时砂本身的重量也加到水上, 砂与水浑然一体形成了悬液, 产生喷砂冒水现象, 最终形成各种形态的砂脉, 其中似蘑菇状的称之为“ 沙侵蘑菇构造” 。

2.4 液化砂岩脉

砂岩脉是指在砂、泥岩互层沉积物中发育的砂质岩脉或岩墙。其呈不规则状延伸, 并切穿围岩的水平层理, 液化砂岩脉与层面垂直或斜交, 少数与层面基本平行。砂岩脉规模大小不等, 一般0.2~5, cm宽, 长度1, cm至几十厘米。形态各异, 一般呈不规则脉状、板状或蠕虫状等。有的中部膨大, 向两端变细、尖灭, 且分叉现象较普遍, 平面上无统一走向; 有的下部小上部膨大。脉体在穿切围岩时发生弯曲, 尤其在脉体两端形成上凸或下凹现象(图 2-D)。

2.5 液化摆动构造

地震产生的振动使上覆沉积物发生变形, 坠入下伏包含水的液化层中, 同时地震的水平剪切力对其发生作用, 由于水平剪切力的左右方向不断改变, 对液化层产生水平扰动, 于是上覆坠入沉积物在液化层中左右来回摆动, 结果表现为上覆沉积物在水平上表现出不同的运动方向。如图2-E 所示, 上覆未固结粉砂岩在液化的泥岩背景中表现既有向左运动又有向右运动的迹象, 有的呈明显的拖移状像蝌蚪一样在液化层中游来游去。Vincent等(1998)也描述过这种现象, 他称之为“ fold oscillation structure” , 并认为该现象是地震引起的水平剪切力对软沉积物作用的结果。

3 地震驱动与重力滑塌形成的变形构造区别

研究区延长组长6油层组中发育的液化变形构造都只限定在特定的层内, 上、下均为不变形层, 清楚地显示它们为地质事件控制的同沉积变形。一般而言, 陆相湖泊具有事件意义的驱动机制只有水下重力滑坡和地震两种。水下滑坡和地震两种机制的区别主要表现为以下3个方面。

1)水下滑坡因受盆地坡度控制, 因此它的变形构造具有优势方位。

2)水下滑坡为异地沉积, 具有基底滑动面, 它们与非变形层沉积相不同, 地震活动产生的变形构造为原地形成。

3)地震活动可形成均一液化层而滑塌不能形成。均一液化层是目前公认的震积岩标志之一, 是水和沉积物界面以下的沉积物, 因地震晃动而稀释液化, 破坏了原生层理而呈均匀的结构, 地震活动过后, 水体恢复正常沉积, 原生层理又复出现。塔17井中均一层和上覆未震层保存完好。此外, 滑坡运动方向与古坡向一致, 而地震驱动的变形运动方向与坡向无明确的对应关系(张传恒等, 2006, 2007)。

研究区延长组长6油层组中发育的变形构造岩层与上、下未变形的岩层在岩性、岩石组合、沉积相方面一致, 与滑坡形成的变形构造相矛盾。

另外在固9井中发现的同沉积的两组断层向两个相反的方向错断(图 2-F), 表明断层的形成不受古斜坡控制, 如果说断层方向与古斜坡有关, 那么断层应该一致向斜坡方向错断; 该断层应为间隔时间不长的两次地震事件发生时地震拉伸应力作用下形成的, 其震源位置也应不同。基于以上原则, 通过对前述的各类变形构造的位态、形态及其与沉积相、古坡向关系的系统研究, 确定地震事件是这些变形构造形成的驱动机制。

4 地震事件形成的发育液化变形构造砂体与其他成因砂体的叠置关系
4.1 发育液化变形构造砂体与正常沉积成因砂体的叠置特征

此类叠置关系在研究区表现为具有液化变形构造砂体与正常三角洲前缘沉积砂体在垂向上相互叠置(图 3)。这是由于液化变形构造层段的物质来源基础为三角洲前缘砂体, 在地震发生期, 原始沉积的三角洲前缘发生变形坍塌形成具有液化变形构造的砂体; 在地震间歇期正常沉积作用所形成的三角洲前缘砂体叠置其上, 造成了在相序演化上地震事件形成的液化变形沉积与正常三角洲沉积成因砂体的叠置复合特征(图 3-A, 3-B)。

图3 鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区三角洲前缘砂体与震积岩叠置特征Fig.3 Overlay feature of delta front sandbody and seismite in Huachi-Qingyang area, Ordos Basin

4.2 液化变形构造层段与浊流事件成因砂体的叠置特征

在华池— 庆阳地区长6油层组沉积演化过程中, 不仅广泛发育与古地震有关的液化变形构造层, 而且也广泛发育有浊流事件沉积形成的浊积砂体(尤其在庆阳、固城川、合水、宁县地区最为发育)。上述两种沉积的砂体在垂向上相互叠置、在平面上密切共生, 构成地震事件成因的沉积体与浊流事件成因砂体的叠置复合砂体(图 4-A, 4-B, 4-C, 4-D)。

图4 鄂尔多斯盆地华池— 庆阳地区震积岩与浊积砂体叠置特征Fig.4 Overlay feature of turbidite sandbody and seismite in Huachi-Qingyang area, Ordos Basin

5 不同砂体之间的成因关系

从以上可以看出, 鄂尔多斯盆地中部华池— 庆阳地区在三叠系延长组长6油层组沉积演化过程中, 不仅广泛发育与古地震有关的液化变形构造层, 而且也广泛发育正常三角洲前缘砂体和浊流事件沉积形成的浊积砂体。它们在垂向上相互叠置、在平面上密切共生, 构成了地震事件沉积体与正常沉积和浊流事件成因砂体的叠置复合现象。虽然它们自身特征不同、成因机制不同, 但它们之间的成因是密切相关的。

从区域沉积格局上看, 长6沉积时期鄂尔多斯盆地湖盆开始收缩、三角洲向湖盆不断进积, 大量的陆源碎屑向湖盆搬运, 而此期华池— 庆阳地区正好处于东北三角洲前缘和西南三角洲前缘叠加部位, 三角洲前缘不规则的朵叶体由于地震作用引起的震动可导致不稳定的朵叶体被震塌首先形成震积岩, 震积岩最上部在重力沉积作用下转化为浊积体。当新一期地震发生时, 就会导致上述过程再次发生, 结果就会导致与古地震有关的液化变形构造层与正常三角洲前缘砂体和浊流事件沉积形成的浊积砂体在垂向上相互叠置, 在平面上相互交叉的特征(图 5)。

图5 地震作用下震积岩与三角洲前缘砂体及与浊积砂体叠置形成过程示意图Fig.5 Sketch showing forming process of overlay beteween seismite and delta front sandbody or turbidite sandbody

6 结论

1)鄂尔多斯盆地三叠系延长组长6 油层组沉积期, 湖盆中部的华池— 庆阳地区长6 油层组砂体中发育多种类型与地震事件有关的变形构造, 主要包括:负荷及砂球构造、振动液化卷曲变形构造、沙侵蘑菇、液化岩脉、液化摆动构造等。

2)由地震事件所形成的变形构造与重力滑塌所形成的变形有明显的区别, 主要表现在变形构造的优势方位、是否存在滑动面和是否存在均一化层3方面。

3)与古地震事件有关的液化变形构造砂体与其他成因类型砂体的叠置关系, 主要包括两种类型:一为地震事件成因砂体与正常沉积作用所形成的砂体(三角洲前缘砂体)的叠置; 二为地震事件成因砂体与由地震作用导致的三角洲前缘滑塌再搬运而形成的浊积砂体的叠置。

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献
1 杜远生, 张传恒, 韩欣. 1999. 滇西地区中元古代大龙口组震积岩的新发现[J]. 沉积学报, 24(): 28-97. [文内引用:1]
2 杜远生, 张传恒, 韩欣. 2001. 滇西中元古代昆阳群的地震事件沉积及其地质意义[J]. 中国科学(D), 31(4): 284-290. [文内引用:1]
3 乔秀夫, 高林志. 2007. 燕辽裂陷槽中元古代古地震与古地理[J]. 古地理学报, 9(4): 337-352. [文内引用:1]
4 乔秀夫, 李海兵. 2008. 枕、球—枕构造: 地层中古地震记录[J]. 地质论评, 54(6): 721-730. [文内引用:1]
5 乔秀夫, 李海兵. 2009. 沉积物的地震及古地震效应[J]. 古地理学报, 11(6): 593-610. [文内引用:1]
6 乔秀夫, 宋天锐, 高林志, . 1994. 碳酸盐岩振动液化地震序列[J]. 地质学报, 68(1): 16-31. [文内引用:1]
7 乔秀夫, 宋天锐, 高林志, . 2006. 地层中地震记录(古地震)[M]. 北京: 地质出版社, 1-263. [文内引用:1]
8 乔秀夫, 李海兵, 王思恩, . 2008. 新疆境内塔拉斯—费尔干纳断裂早侏罗世走滑的古地震证据[J]. 地质学报, 82(6): 721-730. [文内引用:1]
9 邵晓岩, 田景春, 张锦泉, . 2009. 鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长4+5油层组中的古地震记录[J]. 古地理学报, 11(2): 177-186. [文内引用:1]
10 王昌勇, 郑荣才, 高振中. 2008. 准噶尔盆地下侏罗统八道湾组震积岩的发现及其研究意义[J]. 地质论评, 54(6): 821-826. [文内引用:1]
11 魏垂高, 张世奇, 姜在兴, . 2006. 东营凹陷现河地区沙三段震积岩特征及其意义[J]. 沉积学报, 24(6): 798-805. [文内引用:1]
12 魏垂高, 张世奇, 姜在兴, . 2007. 塔里木盆地志留系震积岩特征及意义[J]. 地质学报, 81(6): 827-833. [文内引用:1]
13 夏青松, 田景春, 黄昌武. 2007. 鄂尔多斯盆地上三叠统延长组震积岩识别标志研究[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 34(3): 312-317. [文内引用:1]
14 袁静. 2004. 山东惠民凹陷古近纪震积岩特征及其地质意义[J]. 沉积学报, 22(1): 41-46. [文内引用:1]
15 袁静. 2005. 中国震积作用和震积岩研究进展[J]. 石油大学学报(自然科版), 29(1): 144-149. [文内引用:1]
16 袁静, 陈鑫, 田洪水. 2006. 济阳坳陷古近纪软沉积物变形层中的环状层理及成因[J]. 沉积学报, 24(5): 672-680. [文内引用:1]
17 杨剑萍, 王辉, 陈世悦, . 2004. 济阳坳陷古近系震积岩特征[J]. 沉积学报, 22(2): 281-287. [文内引用:1]
18 张传恒, 刘典波, 张传林, . 2006. 新疆博格达地区早二叠世软沉积物变形构造——弧后碰撞前陆盆地地震记录[J]. 地学前缘, 13(4): 255-266. [文内引用:2]
19 张传恒, 武振杰, 高林志, . 2007. 华北中元古界雾迷山组地震驱动的软沉积物变形构造及其地质意义[J]. 中国科学(D), 27(3): 336-342. [文内引用:2]
20 张琴, 朱筱敏, 张军, . 2003. 酒西盆地青南凹陷柳沟庄—密窿山地区下白垩统震积岩的发现及意义[J]. 地质学报, 77(2): 158-162. [文内引用:1]
21 张宪依, 王炳山, 李云仲, . 2006. 鲁西枣庄—临沂地区新元古界震积岩的主要特征[J]. 地质科学, 41(3): 489-493. [文内引用:1]
22 周志广, 梁定益, 刘文灿, . 2006. 藏南晚白垩世宗卓组巨型混杂堆积的特征及其地裂—地震成因论证[J]. 地质论评, 52(3): 314-320. [文内引用:1]
23 Du Yuansheng, Xu Yajun, Yang Jianghai. 2009. Soft-sediment deformation structure of the Eastern North Qilian Mts and its tectonic significance[J]. Acta Geologica Sinica, 82(6): 1185-1193. [文内引用:1]
24 Fortuin A R, Dabrio C J. 2008. Evidence for Late Messinian seismites, Nijar Basin, south-east Spain[J]. Sedimentology, 55: 1595-1622. [文内引用:1]
25 Guiraud M, Plaziat J C. 1993. Seismites in the fluviatile bima sand stone: Identification of paleoseismis and discussion of their magnitudes in a Cretaceous synsedimentary strike-slip basin(Upper Benue, Nigeria)[J]. Tectonophysics, 225(4): 493-522. [文内引用:1]
26 Kuenen P. 1958. Experiments in geology[J]. Transactions of the Geological Society of Glasgow, 23: 1-28. [文内引用:1]
27 Montenat C, Barrier P, Estevou P O, et al. 2007. Seismites: An attempt at critical analysis and classification[J]. Sedimentary Geology, 196: 5-30. [文内引用:1]
28 Moretti M, Sabato L. 2007. Recognition of trigger mechanisms for soft-sediment deformation in the Pleistocene lacustrine deposits of the SantArcangelo Basin(Southern Italy): Seismic shocks vs. overloading[J]. Sedimentary Geology, 196(Ⅲ-Ⅳ): 31-46. [文内引用:1]
29 Moretti M, Pieri P, Tropeano M. 2002. Late Pleistocene soft-sediment deformation structure interpreted as seismites in paralic deposits in the city of Bari(Apulian forland southern Italy)[C]. In: Ettensohn F R, RastN, Brett C E(eds). Ancient Seismites. Geological Society of America, Special paper, 359: 75-85. [文内引用:1]
30 Owen G. 1996. Experiment soft-sediment deformation: Structure formed by the liquefaction of unconsolidated sand s and some ancient example[J]. Sedimentology, 43: 279-393. [文内引用:1]
31 Plaziat J C, Purser B H, Philobbos E. 1990. Seismic deformation structures(seismites)in the syn-rift sediments of the NW Red Sea(Egypt)[J]. Bulletin Society Geology France, 8(3): 419-434. [文内引用:1]
32 Ralph N. 2006. Soft-sediment deformation in a tectonically active area: The Plio-Pleistocene Zarzal Formation in the Cauca Valley(Wsetern Colombia)[J]. Sedimentary Geology, 186: 67-88. [文内引用:1]
33 Rodriguez-Pascua M A, Calvo J P, Vicente G D, et al. 2000. Soft-sediment deformation structure interpreted as seismites in lacustrine sediments of the Prebetic Zone, SE Spain, and their potential use as indicators of earthquake magnitudes during the Late Miocene[J]. Sedimentary Geology, 135: 117-135. [文内引用:2]
34 Rossetti D F, Goes A M. 2000. Deciphering the sedimentological imprint of paleoseismic events: An example from the Aptian Codo Formation, Northern Brazil[J]. Sedimentary Geology, 135: 137-156. [文内引用:1]
35 Takahama N, Otsuka T, Brahmantyo B. 2000. A new phenomenon in ancient liquefaction the draw in process, its final stage[J]. Sedimentary Geology, 135: 157-165. [文内引用:1]
36 Vincent L, Christian B, Emmanuel C. 1998. Geometrical and textural characteristics of earthquake-induced disturbances in Quaternary glacio-lacustrine sediments(‘Argiles du Trieves’, Alps, France)[J]. Earth & Planetary Sciences, 327: 645-652. [文内引用:1]