地震活动是一种以突发性、高能性、瞬时性为特征的, 由地球内部动力(如火山爆发、断裂活动等)引起的破坏性较强的灾变性地质事件。震积岩(Seismite)是古地震活动的记录, 具有一定的层内变形构造及垂向序列, 是地层中具有成因联系的灾变性事件岩的典型代表(吴勘, 2010)。

震积岩研究起源于Heezen和Ewing(1952)对1929年加拿大格兰德班克7.2级地震触发的海底沉积物位移、变形和引发的浊积岩研究。在上述研究的基础上, Seilacher(1969)发现美国加州新近系中新统发育具有递变断裂特征的蒙特利页岩, 认为其是断层活动诱发地震作用的产物, 首次提出“ 震积岩” , 并将其定义为发育于构造活动区、经地震作用改造的未固结水下沉积物所形成的再沉积层。随后Seilacher(1984)以 “ 将今论古” 地质思想为指导, 对比分析了古代和现代震积成因沉积物, 指出了一系列用以识别震积成因的标志性沉积建造, 并首次建立了震积岩标准序列。同年, 美国《Marine Geology》杂志刊登了“ 地震与沉积作用” 研究专集, 对地震活动、震积作用及相伴生的震积岩做了系统的阐述。

国内对于震积岩及震积作用研究起步较晚。1988年, 宋天锐通过对北京十三陵前寒武纪碳酸盐岩地层的研究, 初步建立了一个地震— 海啸序列(宋天锐, 1988)。此后, 其他学者也展开了对古生代海相地层震积岩的研究(乔秀夫等, 1994, 1997; 乔秀夫, 1996; 郭建华等, 1999; 杜远生和韩欣, 2000; 杜远生, 2011), 建立了碳酸盐岩振动液化地震序列, 总结了震积岩的类型, 归纳了一系列辨别震积岩的典型沉积及构造标志。近十几年来, 其他一些学者也相继展开了对陆相湖盆震积岩的研究, 并建立了相应的震积垂向序列(陈世悦等, 2003; 杨剑萍等, 2004, 2008a, 2008b; 袁静, 2004, 2005; 王化爱等, 2008; 鄢继华等, 2009; 钟建华等, 2011)。

已有部分学者对鄂尔多斯盆地延长组震积岩展开初步研究(夏青松和田景春, 2007; 李元昊等, 2008; 邵晓岩等, 2009; 田景春等, 2010; 李洁等, 2010), 但针对富县探区延长组震积岩特征及其垂向序列还没有系统的研究, 笔者在研究鄂尔多斯盆地富县地区延长组湖泊— 三角洲沉积体系的过程中, 初次发现该区广泛发育的震积构造, 认为该套沉积体系发育典型的震积岩, 进而研究了震积岩的特征、垂向序列及沉积模式, 这一发现及研究成果对于研究鄂尔多斯盆地延长期的构造活动、古地震活动以及震积岩对储集层物性的影响都具有深远的理论和实践意义。

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部, 是一个稳定沉降、坳陷迁移、构造简单的大型多旋回克拉通叠合盆地(何自新, 2003; 李德生, 2004)。根据盆地构造形态、基底性质及演化历史, 可将盆地划分为6个一级构造单元(图 1):西缘冲断构造带, 天环坳陷, 陕北斜坡, 晋西挠褶带, 伊盟隆起和渭北隆起。鄂尔多斯盆地延长组厚约1300 m, 与盆地周缘的上覆下侏罗统富县组及下伏中三叠统纸坊组均呈微角度不整合接触, 在盆地内部呈假整合或整合接触(邓秀芹等, 2011)。根据岩性、古生物组合及油层纵向分布规律, 延长组自上而下可划分为5个岩性段、10个油层组(表 1)。综合区域构造背景及前人研究成果, 认为延长组主要发育河流、三角洲、湖泊及深水重力流4大沉积体系。晚三叠世延长期扬子板块与华北板块直接碰撞, 中国古大陆秦岭造山带内陆造山阶段开始, 使鄂尔多斯盆地周缘大地构造运动频发, 属于地震活动的高潮期(赵俊兴等, 2011)。

图1

Fig.1

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	图1 鄂尔多斯盆地构造划分、研究区位置及井位分布Fig.1 Tectonic division of Ordos Basin and location of study area and wells

表1

Table1

表1(Table1)

表1 鄂尔多斯盆地三叠系延长组地层划分(据邓秀芹等, 2011, 有修改) Table1 Stratigraphic division of the Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin(modified from Deng et al., 2011)

表1 鄂尔多斯盆地三叠系延长组地层划分(据邓秀芹等, 2011, 有修改) Table1 Stratigraphic division of the Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin(modified from Deng et al., 2011)

富县位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南部, 紧邻渭北隆起, 区域内地层平缓(地层倾角仅1° 左右)、构造简单、断裂极少, 局部地区存在因差异压实作用形成的低幅度鼻隆构造。受印支Ⅰ 期秦岭造山带构造运动影响(陈安清等, 2011), 盆地形成以“ 南陡北缓、西陡东缓” 为特点的基本构造格局, 造成了研究区北部主要发育缓坡型湖泊三角洲沉积, 而在南部、东南缘则发育陡坡型扇三角洲和曲流河三角洲前缘, 斜坡广泛发育砂质碎屑流及浊流沉积(邹才能等, 2009; 陈飞等, 2012)。

地震活动诱发的一系列同沉积变形构造可以作为震积岩的识别标志。笔者在研究区26口关键井岩心观察中发现了许多变形构造, 包括软沉积变形和固结地层中的变形构造。

3.1 软沉积物塑性变形构造

软沉积物变形构造是指沉积物在沉积之后、未固结之前由于差异压实、滑移、滑塌、液化等作用形成的一系列同沉积塑性变形构造。多属地震产生的软沉积变形, 地震活动强度不同, 软沉积物变形程度不同, 从而会产生形态各异的变形构造。

3.1.1 液化砂脉

液化砂脉是地震振动使饱和砂层内形成的超孔隙水压力克服了砂粒间的内摩擦力, 导致饱和砂液化, 液化砂沿震裂隙侵入或挤入围岩形成的产物。土力学实验证明砂土液化与其密实度和黏土颗粒的含量有关, 高密实度及黏粒含量高(一般超过15%)的饱和砂土不会液化(田洪水和张增奇, 2005; 田洪水等, 2005)。砂脉一般发育于砂、泥互层的沉积层中, 形态不规则, 向四周切穿围岩。根据剖面上砂脉侵入围岩的特点, 将延长组中的液化砂脉分为2种类型:

1)上侵砂脉(图 2-a, ①; 图2-c, ②; 图3-h, ②)。此类砂脉常发育于中— 厚砂岩层与泥岩互层中, 脉体以垂直或大于60° 倾角向上刺穿上覆纹层, 围岩纹层受到挤压后向上、下两端发生弯曲变形。研究区内富指32井、富指51井、富指80井、富指84井、富指102井和富指103等多口取心井中均有发现, 其规模大小不等, 长为2.0~15.0 cm, 宽为0.5~4.5 cm。

2)侧向砂脉(图 2-a, ②; 图2-b)。此类砂脉常发育于暗色厚层泥岩夹薄— 中层细砂岩中, 砂脉液化后侧向流动, 不仅垂向上切穿围岩层理, 由于受到四周及上部压力, 向四周方向均有延伸, 水平方向上顺岩层侵入泥质沉积物中。

3.1.2 狭缩— 膨胀构造

也称串珠状布丁构造(图 2-c, ①; 图2-d)。此类砂脉多发育在泥与砂沉积的夹层或互层中, 狭缩处为0.2~2.0 cm, 膨胀处可达2.3~5.0 cm, 形似串珠。依据模拟实验(吴武军等, 2005)和相关研究(Knaust, 2002; Tian et al., 2013, 2014; 田洪水等, 2015), 细粒黏土沉积层的塑性较大, 而较粗的沉积层的刚性较大, 所以, 两者的力学性质有明显的差异。在竖向不均匀挤压和横向拉张地震力作用下, 细粒沉积物向两侧塑性流动, 并在砂层层面上产生剪应力, 同时砂层受到不均匀的竖向挤压和横向拉伸, 而发生不均匀的收缩与膨胀, 但本身尚未拉断, 形成了狭缩— 膨胀构造(pinch and swell structure)。

图2

Fig.2

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	图2 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组中的液化砂脉和液化卷曲变形构造Fig.2 Liquefied sand-veins and liquefied crinkled deformation structures of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

3.1.3 液化卷曲变形

液化卷曲变形形成的岩石又称震褶岩(苏德辰和张爱萍, 2011)。在强地震振动作用生成了异常高的孔隙水压力条件下, 可塑性沉积颗粒发生液化重组, 面状构造发生不规则揉皱弯曲变形所形成的一系列形态各异的小型— 中型紧闭褶曲。此变形构造多发育于薄层粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩中, 常与小型微断层伴生, 在研究区内多口取心井中均由发现, 发育广泛。笔者根据褶皱剖面转折端的形态, 将其分为以下4类:

1)圆弧状褶皱变形(图 2-e)。褶皱的转折端呈圆弧形弯曲, 又似扇形。

2)尖棱状褶皱变形(图 2-f)。褶皱的转折端为尖顶倒“ V” 型, 常由平直的两翼相交而成。

3)箱形褶皱变形(图 2-g)。褶皱转折端宽阔平直, 两翼的产状较陡, 形似箱形。

4)膝折状褶皱变形(图 2-h)。在平缓的岩层中, 因地震振动作用引起的层内液化变形所表现出的突然变陡的褶皱面的膝状弯曲, 似阶梯状。

3.1.4 环状层理

环状层理(loop bedding)是未固结的细粒薄互层砂泥质沉积物受较弱地震拉张作用(震级低于5级)形成的、呈环状或链条状形态展布的断裂变形层理(Moretti et al., 2002; 邵珠福等, 2014), 常与液化砂脉、液化卷曲变形构造相伴生。研究区内环状层理(图 3-a, 3-b)主要受震动塌落、震动拉伸变形作用影响, 多发育于三角洲前缘泥质粉砂岩、粉砂质泥岩或泥岩的薄互层中, 一般呈较规则椭圆状(图 3-d), 单个环圈高为2.0~8.0 cm, 长为4.5~9.0 cm, 上部常有蝌蚪状“ 小尾巴” (图 3-c)。钟建华(2011)认为这种构造的形成与水下滑动对半固结沉积物作用形成的牵引剪切有关, 在中国其他地方也常有所见。

图3

Fig.3

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	图3 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组中的环状层理、负载构造及球枕构造Fig.3 Loop bedding, load structures and ball-and-pillow structures of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

3.1.5 负载构造及球枕构造

负载构造(load structure)包括重荷模构造(load cast)和火焰状构造(flame structure), 是上覆粗颗粒的沉积物下陷落至下伏相对细粒层中的变形构造。下伏塑性泥质承受上覆砂岩不均匀负荷压力, 于砂层底部形成瘤状凸起的变形构造为重荷模(图 3-g, ②; 图3-i, ①); 同时, 下伏泥质沉积物向上穿刺砂岩层则形成舌形或火焰状构造(图 3-e, ①; 图3-g, ①; 图3-i, ②)。

球枕构造(ball-and-pillow structure)一般与负载构造共生, 是强地震剪切力诱发的地震液化变形构造。当密度较大的沉积物上覆于密度较小的沉积物时, 在密度差、重力作用、地震振动三者的共同作用下产生差异压实, 砂质沉积物发生垂向运动, 脱落形成球枕构造(图 3-e, ②; 图3-f; 图3-h, ①; 图3-i, ③)。Moretti等(2002)根据野外调研发现球枕体体积及负载体大小均取决于液化层厚度, 而球枕体的宽度及长度则取决于负载体陷落深度, 即随着负载体下沉深度的增加, 球枕体宽度加大, 枕状体变得更扁(图 4)。近几年国内许多学者对负载构造及球枕构造展开了相关研究(何碧竹等, 2011; 田洪水等, 2011; 周勇等, 2011; Tian et al., 2013, 2014)。

图4

Fig.4

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	图4 球枕变化示意图Fig.4 Sketch map of pillows change

3.2 脆性变形构造

3.2.1 微断层

微断层是地震振动液化的过程中在岩层内形成的以张性断裂为主的小规模正断层(图 5-a)。其断层延伸距离短, 一般为1.0~7.0 cm, 断距小, 为0.2~2.5 cm, 近似平行; 断层面倾角较陡, 多大于60° 。部分微断层呈阶梯状排列发育于较薄岩层中(图 5-b)。

图5

Fig.5

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	图5 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组中的脆性变形构造Fig.5 Brittle deformation structures in the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

3.2.2 微裂缝

地震活动产生的裂缝不仅能够直观见于沉积物表层, 同时也发育于地下固结岩层中。微裂缝是指固结地层受地震振动和液化共同作用产生一系列断裂面不规则的垂向裂缝, 以张性裂缝为主, 产状较陡。

研究区延长组微裂缝在细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩中均有发育。如图5-c、图5-d所示, 富指22井灰色粉砂质泥岩、富指40井深灰色泥岩中“ V” 字形微裂缝, 长为5.0~15.0 cm, 宽为0.1~0.8 cm, 被方解石脉充填。

3.2.3 震裂岩和震碎角砾岩

这类震积岩是指地震振动诱发半固结或未完全固结的沉积物发生震裂震碎的产物。可分为无拼接性震碎角砾岩(图 5-e)和具可拼接性的震裂岩(图 5-f)两类(田洪水等, 2011)。前者中的角砾有短距离位移; 后者基本无位移, 裂缝宽为1.0~2.0 mm, 被方解石充填, 在富指182井长6油层组取心井中可见, 它们所形成的裂缝系统对储集层物性和运移通道均有重要的研究意义。

震积岩垂向序列是地震事件中地震形成的变形构造垂向的组合, 反应了地震沉积事件的过程(事件相)。在地震作用过程中, 由于地震震级、震域范围、持续时间、剖面位置及沉积物固结程度等因素的不同, 沉积物在剖面结构上所反映出的震积沉积构造类型及其组合差别较大。笔者通过岩心观察, 综合地震作用时期和液化作用强度不同时震积岩特征, 建立了富县探区延长组2种典型震积岩垂向序列。一种以断裂、破碎变形构造为主(图 6-a), 划分为7个单元, 自下到上依次为下伏未震层, 扰动层, 微断层、微裂缝及震裂岩层段, 液化卷曲变形层段, 震碎角砾岩, 液化砂脉, 上覆未震层; 一种以软沉积变形构造为主(图 6-b), 划分为8个单元, 自下到上依次为下伏未震层, 环状层, 扰动层, 球枕构造及负载构造, 上侵液化砂脉及液化卷曲变形, 狭缩— 膨胀构造, 枕状层, 上覆未震层。

图6

Fig.6

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	图6 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组震积岩垂向序列Fig.6 Vertical sequence of seismites of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

沉积模式是指根据沉积规律及特征总结出来的模型、图解或垂直序列。根据不同沉积环境、地震震级、液化程度作用下形成的震积构造特征不同, 结合Rodrigue-Pascua等(2000)震积岩地震震级判别图, 笔者建立了富县地区震积岩的沉积模式图(图7)。如图7中可见, 鄂尔多斯富县地区晚三叠世曾发生过多次地震, 最大震级可能达到8级, 其中液化砂脉发育最为广泛, 说明研究区当时的地震多为5.0~5.5级。

图7

Fig.7

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	图7 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组震积岩沉积模式(据Rodrigue et al., 2000; 改编)Fig.7 Sedimentary model of seismites of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin(modified from Rodrigue et al., 2000)

震积岩是古地震作用及古沉积环境叠合的标志性产物, 对于恢复古构造背景、沉积环境及储集层物性研究具有重要意义。

1)震积岩可指明古构造运动与地震活跃期。地震活动主要发育于大陆边缘盆地、拉分盆地、前陆盆地、裂谷盆地及与上述盆地动力学相关的毗邻地区(杜远生, 2011)。鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期是大型内陆坳陷湖盆发展的高潮阶段, 此时, 秦岭北麓频繁的断裂活动频发, 南缘亲祁海槽关闭, 南北向逆冲带及西缘逆冲带活动增强(李洁等, 2010), 尤其是渭北隆起的活动, 导致了一系列地震、海啸、火山等地质事件, 为该时期震积岩的广泛发育提供了条件。同时, 由于地震活动的阶段性和非同步性, 震积岩不同的发育变形程度和分布规律又指明了鄂尔多斯盆地的构造活动史, 因此对该区震积岩的研究可帮助我们了解鄂尔多斯盆地古地震的活跃期, 重现其古构造演化史。

2)震积岩分布规律与沉积环境有明显的一致性。从震积岩分布层位看(表 2), 长2、长3、长4+5、长6、长7和长8油层组均有发育。26口取心井中, 取心到长6的共26口井, 3口井震积岩发育于长2、长3及长4+5油层组, 占11.5%; 16口井震积岩发育于长6油层组, 占61.5%; 取心到长7的共24口, 11口井震积岩发育, 占45.8%; 取心到长8的共19口, 9口井震积岩发育, 占47.4%。根据统计学原理, 长6震积岩发育频率最高, 长7及长8次之。结合鄂尔多斯盆地沉积演化规律分析, 长8油层组沉积期末对应印支运动Ⅰ 幕, 盆地拗陷幅度急剧增大; 长7油层组沉积期进入湖盆发育鼎盛期, 湖盆凹陷最深, 沉积范围最广; 长6油层组沉积期拗陷湖盆稳定收缩, 进入三角洲建设时期。可见, 震积岩分布规律与沉积环境有明显的一致性。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组震积岩分布井位和层位 Table2 Wells and stratigraphic location of seismite of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

表2 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组震积岩分布井位和层位 Table2 Wells and stratigraphic location of seismite of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

3)鄂尔多斯盆地延长组储集层普遍致密, 而研究区震积岩可作为良好的储集层类型, 主要表现为:(1)地震作用产生的微裂缝、微断层、地层破碎可改善原始孔隙度, 增大渗透率, 不仅可作为油气储存空间, 也是油气运移的重要通道(杨剑萍等, 2008); (2)单独出现的液化砂脉可沟通上、下岩层, 有利于泥岩中油气顺利排出, 是油气运移的良好通道; 厚层的网状砂脉, 可作为油气有利储集体(李元昊等, 2007); (3)地震事件产生的震碎角砾岩也可作为油气的良好储集层, 若后期保存条件好则可形成透镜体圈闭。通过对研究区震积岩物性和生产数据整理分析, 笔者发现震积岩中油气是存在的(表 3)。

表3

Table3

表3(Table3)

表3 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组震积岩物性及含油性特征 Table3 Physical characteristics and oiliness of seismites of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

表3 鄂尔多斯盆地富县探区三叠系延长组震积岩物性及含油性特征 Table3 Physical characteristics and oiliness of seismites of the Triassic Yanchang Formation in Fuxian exploration area, Ordos Basin

1)鄂尔多斯盆地富县探区延长期处于湖盆发育高潮阶段, 受秦岭造山带、南北向及西缘逆冲带活动增强影响, 地震频发, 发育了大量震积构造。其代表性沉积构造有液化砂脉、液化卷曲变形、环状层理、负载构造、球枕构造、枕状层、微断层、微裂缝、地层破碎等。其中液化砂脉、液化卷曲变形是研究区主要震积构造类型。

2)研究区震积岩垂向序列划分为以富含孔隙水的软沉积变形构造为主和以脆性断裂、破碎变形构造为主的2种典型沉积序列。笔者在前人研究基础上, 根据沉积环境、地震震级、液化程度的不同, 建立了富县探区震积岩的沉积模式, 并阐明富县探区于三叠纪延长期地震活动频发, 震级多为5.0~5.5级, 最大震级可能达到8级。

3)震积岩不但有助于恢复古构造演化史; 同时, 震积岩的分布规律与沉积环境有着明显的一致性; 微裂缝、微断层、地层破碎可改善致密储集层物性条件, 液化砂脉、震碎角砾岩又可作为油气有利储集体, 对于油气成藏具有重大的指示意义。

致谢 感谢编辑及审稿专家提出的宝贵意见, 特别感谢田洪水教授提出的宝贵建设性意见。此外, 还要感谢陕西延长油田提供了大量宝贵的资料。