河北滦平东杨树沟剖面砂岩中的发散状层理及其成因探讨*
纪友亮, 吴胜和, 周勇, 商超, 卢欢
中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249

第一作者简介: 纪友亮,男,1962年生,教授,博士,博士生导师,目前在中国石油大学(北京)从事沉积学、储集层地质学和层序地层学研究。电话:010-89731636;E-mail:jiyouliang@cup.edu.cn

摘要

河北省滦平县下白垩统断陷盆地东杨树沟剖面,发育砂岩—泥岩互层序列,在砂岩急剧变厚的部位见到一种“发散状”层理。在这种层理中,纹层从砂体较薄的部位向砂体变厚的方向发散和倾斜,且纹层面与岩层面的夹角从上往下逐渐增大,最上部纹层面与岩层面的夹角接近,最下部纹层面与岩层面的夹角接近 90°,由于岩层层面是近于水平的,也就是最下部的纹层的倾角接近 90°,如此高角度的层理不可能是正常水流作用下沉积的。关于这种层理类型,文献中没有找到记录。前人对该剖面的研究成果中曾经把它当作交错层理,认为这个急剧变厚砂岩是河道沉积。根据这个成因分析,可以预测砂体的展布方向是垂直于岸线的。经仔细观察,发现这种“发散状”层理是小型同生正断层控制下的同生层理。该套砂岩不是河道砂,砂层局部变厚是由于同生正断层引起的,其沉积环境被认为是扇三角洲前缘的舌状体沉积,根据这种成因分析,可以预测砂体的展布方向垂直于断层走向,根据区域资料,断层是平行于湖岸线分布的。

关键词: 滦平盆地; 西瓜园组; 发散状层理; 同生断层; 沉积模式
中图分类号:P512.2,P542+.31 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2013)01-0043-06
Radiational bedding in sandstone and analysis of its origin in Dongyangshugou section of Luanping,Hebei Province
Ji Youliang, Wu Shenghe, Zhou Yong, Shang Chao, Lu Huan
College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249

About the first author: Ji Youliang,born in 1962,is a professor at China University of Petroleum(Beijing). Now he is mainly engaged in researches of sedimentology,reservoir geology and sequence stratigraphy.Tel:010-89731636.E-mail:jiyouliang@cup.edu.cn.

Abstract

A radiational bedding was found in the Lower Cretaceous mudstone and sandstone section located at Dongyangshugou village in Luanping County of Hebei Province, where the sandstone is suddenly thickened.In this kind of bedding,the laminas radiate and incline from the thin side toward the thick side of the strata,the angle between the lamina and the interface of the strata is increasing from top to bottom.At the top,the angle between the lamina and the interface of the strata is near 0°. At the bottom,the angle between the lamina and the interface of the strata is about 90°. Interface of the strata is nearly horizontal,that is to say,there is no record in reference about this kind of radiational bedding. In the earlier study result in this area,the incline angle of the lamina at the bottom is 90°,which can not be formed by normal fluid flow. This kind of bedding was considered was cross bedding,and the locally thicken sandstone with this kind of bedding was thought as river channel,so the distribution of the thick sand was considered as perpendicular to the lake shore.By careful observation and study,this kind of radiational bedding is a kind of syngenetic bedding controlled by the growth normal fault.The sandstone with this kind of bedding is not river channel sand,the phenomenon of locally sudden change in thickness is caused by growth fault.The sedimentary environment of the sandstone is lobe of delta front,according to this model,the distribution of the thick sand is considered as parallel to the growth fault and the lake shore.

Key words: Luanping Basin; Xiguayuan Formation; radiational bedding; growth fault; sedimentary model

砂岩和含砾砂岩中常见的层理类型按成因可以分为3大类:第1类是牵引流成因的层理类型, 如平行层理、交错层理和波状层理等; 第2类是重力流成因的层理, 如块状层理、递变层理等; 第3类是与地震活动有关的震积岩中的各种变形层理, 如在震积岩中常见到包卷层理等。本次在在河北省滦平县下白垩统断陷盆地东杨树沟砂岩— 泥岩互层剖面的观测过程中, 在砂岩急剧变厚的部位见到了一种“ 发散状” 层理。关于这种层理类型, 没有在文献中找到相关记载和描述, 前人对该剖面的研究成果中曾经把它当作交错层理, 解释为牵引流成因(穆龙新等, 2003)。作者对此有不同的看法, 将对 “ 发散性型” 层理的成因进行研究、讨论和分析。

1 剖面特征

在河北省滦平县城以西约15 km处的东杨树沟村的村北(图 1), 有一小型陆相断陷湖盆野外露头剖面(图 2), 该剖面的地层为下白垩统西瓜园组。西瓜园组可进一步划分为3段:下段主要为暗色泥页岩、油页岩及含碳酸盐岩纹层的泥岩, 页理发育, 不同的页理颜色略有差异,

图1 河北滦平东杨树沟村剖面位置Fig.1 Location of Dongyangshugou section of Luanping, Hebei

其沉积环境为前扇三角洲、半深湖— 深湖相; 中段和上段为暗色泥岩和油页岩与砂岩和含砾砂岩互层, 其中砂砾岩和砂岩具交错层理、平行层理及波状层理, 其沉积环境为扇三角洲前缘舌状体沉积; 暗色泥岩和油页岩中, 泥岩单层厚度0.1~1.0 m, 其沉积环境为前扇三角洲、半深湖— 深湖相沉积(穆龙新等, 2003; 纪友亮等, 2008)。

图2 东杨树沟剖面下白垩统西瓜园组Fig.2 Stratum of the Xiguayuan Formation of Lower Cretaceous in Dongyangshugou section

在西瓜园组中段, 砂岩层和含砾砂岩层厚度较稳定, 砂岩层厚度0.1~2 m不等。其中有几层含砾砂岩, 砂层的厚度约0.5 m, 但在横向上厚度急剧变化, 最厚处可达3 m, 剖面上呈顶平底凹状(图 3, 图4)。前人曾将该砂岩定为河道边滩砂(纪友亮等, 2008)和下切河谷充填沉积(穆龙新等, 2003)。本次研究在这种砂岩层厚度急剧变化的部位发现了“ 发散状层理” , 有些层系的纹层倾角到90° , 与岩层层面几乎垂直, 无法用河道成因的牵引流来解释, 从而否定了把该砂岩定义为河道砂和下切河谷沉积的结论。

图3 东杨树沟剖面下白垩统西瓜园组发育“ 发散状” 层理的砂岩Fig.3 “ Radiational bedding” in sandstone of the Xiguayuan Formation of Lower Cretaceous in Dongyangshugou section

图4 东杨树沟剖面下白垩统西瓜园组发育“ 发散状” 层理的砂岩素描Fig.4 Sketch of “ radiational bedding” in sandstone of the Xiguayuan Formation of Lower Cretaceous in Dongyangshugou section

2 层理特征

在河北省滦平县东杨树沟剖面砂岩— 泥岩的互层中, 砂岩中可见到交错层理、平行层理和斜层理, 反映出扇三角洲前缘相的沉积特征。

在多处砂岩急剧变厚的部位还见到了一种“ 发散状” 层理, 关于这种层理类型, 没有在文献中找到相关记载和描述(乔秀夫等, 1994, 2008; 乔秀夫等, 2001; 陈世悦等, 2003; 乔秀夫和高林志, 2007; 乔秀夫和李海兵, 2008, 2009; 周勇等, 2011)。可观察到的现象分析如下。

2.1 层系的特征

剖面中所见“ 发散状” 层理可大致分为4个层系, 层系与层系之间有侵蚀面, 每个层系内的纹层都是放射状的。最下面的层系, 纹层的倾角近于90° , 所有纹层向上方收敛, 向下部发散, 纹层有变形, 呈波状。第2层系内的纹层倾角可达70° , 所有纹层向右上方收敛, 向左下方发散。第3层系内的纹层倾角可达50° , 所有纹层向右上方收敛, 向左下方发散。第4层系内的纹层倾角可达30° , 所有纹层向右上收敛, 向左方发散, 顶部纹层近于水平(图 3, 图4)。

2.2 纹层的特征

剖面中所见“ 发散状” 层理中的纹层厚度大小不一, 厚处一般为2~5 cm, 薄处0.2~1 cm, 纹层的收敛端相对较薄, 发散端相对较厚。纹层由粒度的变化来显示, 每个纹层下部含砾石, 粒度较粗, 上部粒度偏细, 整体呈现正韵律。纹层的长度有变化, 最短的只有0.5 m, 最长的可达5.7 m(图 3, 图4)。

2.3 伴生的构造

东杨树沟剖面在具有“ 发散状” 层理的砂岩层中, 还发育有与地震活动有关的复杂的包卷层理(图 3, 图4), 在砂层中呈“ 包卷” 形或复杂弯曲的变形沉积体。

3 形成机理分析

在这种层理中, 纹层从砂体较薄的部位向砂体变厚的方向发散和倾斜, 且纹层面与岩层面的夹角从上往下逐渐增大, 最上部纹层面与岩层面的夹角接近0° , 最下部纹层面与岩层面的夹角接近90° , 由于岩层层面是近于水平的, 也就是最下部的纹层的倾角接近90° , 如此高角度的层理不可能是正常水流作用下沉积的。

经过详细分析, 这种“ 发散状” 层理是由地震活动引起的小型同生断层和重力下跌作用共同控制的, 其形成机理如同“ 滚动背斜” 的形成机理(祁大晟, 1993)。断陷盆地发育期, 地震活动强烈, 由于地震活动产生小型正断层, 这类正断层倾角向下逐渐变小, 因此当其上部被拉开并出现裂口时, 必然产生顺着上盘下降的拖力, 将断层近旁的上盘地层拖向裂口, 填补空间, 使得上盘地层呈现向上突出的弧形弯曲, 形成反牵引构造(图 5)。其上部会产生新的可容空间, 供后期沉积物充填。由于断层活动在多期地震的作用下不停地活动, 最后形成发散状的同生层理构造。发散的纹层厚度基本上反映了小型同生断层每次活动的断距。同时由于断层的持续活动, 使得下降盘砂体的厚度比上升盘厚度大很多, 且在下降盘的远端, 砂体厚度恢复正常(图 6)。

图5 “ 发散状” 层理形成机理示意图Fig.5 Sketch of formation mechanism of “ radiational bedding”

图6 “ 发散状” 层理砂岩的分布特征示意图Fig.6 Sketch of distribution of sandstone with “ radiational bedding”

4 地震活动的其他证据

在下白垩统栾平断陷盆地, 除了东杨树剖面上观察到了地震活动的证据外, 还在其他相邻区域剖面上也见到了相似现象, 比如在桑园剖面、兴州河剖面和曹营剖面, 砂岩层多发育大型交错层理、槽状交错层理和平行层理(图 7), 在这些砂岩层的界面, 可以见到大量重荷构造(图 8), 泄水构造和包卷层理(图 9)。另外, 桑园剖面垂直方向的剖面上, 见到同生正断层的存在。这些构造和同生断层反映当时地震活动频繁(Anketell et al., 1970; Plaziat et al., 1988; Rodriguez-Pascua et al., 2000; Knaust, 2002; 鄢继华等, 2007, 2009)。

图7 桑园剖面西瓜园组中段砂岩中交错层理发育Fig.7 Cross bedding in sandstone of the middle part of Xiguayuan Formation in Sangyuan section

图8 桑园剖面西瓜园组中段砂岩层底部的重荷构造Fig.8 Load structure in bottom of sandstone of the middle part of Xiguayuan Formation in Sangyuan section

图9 东杨树沟剖面西瓜园组中段砂岩层中的包卷层理和火焰构造Fig.9 Fianmme structure and convolute bedding in sandstone of the middle part of Xiguayuan Formation in Dongyangshugou section

5 结论及地质意义

1)在垂直于水流方向上, 河道砂体和三角洲或扇三角洲的水下分流河道砂体, 横向上厚度变化大, 为顶平底凹之砂体, 同生断层所控制的这种砂体也是顶平底凹之砂体。因此在石油地质工作过程中, 如果不仔细研究, 顶平底凹的砂体很容易被认为是河道砂体或分流河道砂体, 但这种砂体的延伸方向受同生断层的控制, 这条小型同生断层一般会平行于盆地的边界断层, 即垂直于物源方向或平行于岸线方向。而河道砂体或分流河道砂体的延伸方向多垂直于岸线。这种“ 发散状” 层理可以帮助区分河道砂体与同生断层控制的局部变厚的砂体。

2)地震活动不仅产生各种复杂的变形构造, 还可形成“ 发散状” 层理。这种层理与张型同生小型断层的生长有关。

3)具有“ 发散状” 层理的砂体往往局部变厚, 顶平底凹, 类似河道砂体, 但这种砂体平行于盆地的边界张性断层, 即垂直于物源方向分布。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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