随着湖相盆地油气勘探开发从构造油气藏转向复杂的岩性油气藏, 并进一步向更为隐蔽复杂的致密油气延展, 沉积学的研究也从粗粒相区转向半深湖— 深湖的细粒相区, 同时深水细粒沉积岩中极为常见的软沉积物变形构造也越来越受到国内外学者的重视。近年来, 许多学者针对软沉积物变形构造的类型(赵澂林和刘孟慧, 1988; 袁静等, 2008; Kale et al., 2016; )、成因、构造意义(乔秀夫和郭宪璞, 2011、2012)、发育相带(李元昊等, 2008; 鄢继华等, 2009; Kundu et al., 2011; 刘金华等, 2014; 田媛, 2015)及对油气勘探的影响(李元昊等, 2008; 刘金华等, 2014)等方面进行了深入的研究。

从目前已有的湖相盆地软沉积物变形研究程度来看(表 1), 软沉积物变形构造的类型主要包括液化岩脉、同沉积断层、层内褶皱、环形层理、包卷层理、滑塌褶皱、泥岩撕裂屑、砂球— 砂枕构造、重荷模火焰状构造、布丁构造、多米诺骨牌、锥形体和滴状体等多种类型, 由于主控因素或成因机制等因素的不同, 各研究区主要发育的类型也不尽相同。总体来说, 软沉积物变形构造主要发生在砂泥岩互层的地层之中, 以三角洲前缘、扇体内部、湖底扇、较深水水下斜坡等沉积环境中最为发育, 其规模以厘米级以上为主, 少量为毫米级。软沉积物变形构造的成因很多被解释成与地震作用相关而产生的震积岩相标志, 或者地震作用、火山作用、洪水作用等引起的重力流堆积和滑塌变形。

笔者在对渤海湾盆地沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩的沉积特征研究过程中, 发现这种整体以悬移载荷沉降和化学沉淀为主的深水细粒沉积区仍然发育大量的、各种类型的软沉积物变形构造。这些变形构造整体发育在细粒沉积岩之中, 部分在岩心中可以明显观察到, 而更多的变形构造是在显微镜下观察到的, 其规模为毫米级别的, 甚至更小。作者以这种细粒沉积岩中的软沉积物变形构造为研究对象, 通过对变形特征的整理和区域环境的分析, 尝试探索湖盆深水区细粒软沉积物变形的成因及控制因素, 以期对古沉积环境的恢复提供更多的理论依据。

沧东凹陷是黄骅坳陷南部的一个次级构造单元(图1), 是东部的沧东断裂和西部的徐西断裂共同作用下形成的一个新生代“ 双断式” 断陷盆地。孔店组沉积时期沧东凹陷为内陆坳陷型封闭湖盆, 盆地边界的沧东断层、徐西断层尚未开始活动, 孔二段时期为孔店组最大水进期, 环湖盆虽然受到多个物源体系的影响(图 1), 但盆地内部仍然沉积了较厚的细粒沉积岩, 主要为深湖、半深湖相的深灰色泥岩、云质泥岩和粉砂质泥岩。

表1

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表1(Table1)

表1 国内外湖相盆地软沉积物变形构造研究现状统计表 Table1 Statistics of the current researches of soft￣sediment deformation structures in lacustrine at home and abroad 地区 盆地 类型 发育层位 软沉积物变形类型 岩性特征及岩性组合 发育相带 主控因素 引用文献 东濮 凹陷 裂谷型 古近系 卷曲构造、重荷模构造、塑性沉积物滑动、滑塌变形、液化作用及泄水构造 泥或粉砂、泥岩— 纹层状粉砂岩互层 深水— 较深水、水下斜坡 重力引起的变形、沉陷、滑塌 赵澂林和 刘孟慧, 1988 滇中 地区 裂陷型 中元古代 大龙口组 塑性变形、液化构造、流化构造、同沉积断裂、地裂缝构造 厚层泥岩夹薄层砂岩、灰岩与砂屑灰岩互层 / 地震驱动 武振杰, 2006 鄂尔多斯 盆地 坳陷型 三叠系 延长组 液化砂岩脉、振动液化卷曲、层内错断及阶梯状断层、震积砂球— 枕构造、泥岩撕裂屑、滑揉构造 粉砂岩、粉砂质泥岩和砂泥岩薄互层 三角洲前缘、深湖— 半深湖 火山活动和地震活动 李元昊等, 2008 济阳 凹陷 断陷型 古近系 喉道状砂岩脉、脉络状砂岩脉、飘带状砂岩脉、裂缝充注型砂岩脉 砂泥岩互层、砂岩中的泥岩夹层 / 震动流体化、震动液化挤压、震动拉张 袁静等, 2008 印度 大吉岭区 前陆型 中上新统 — 上新统 包卷层理、火焰状构造、层内褶皱、同沉积断层 砂— 泥或异类岩性单元; 砂泥间互层; 细砂岩层 冲积扇内扇, 中扇, 外扇 地震驱动 Kundu, et al. 2011 新疆 乌恰地区 走滑 拉分型 下侏罗统 负载与球枕、滴状体与锥形体、液化均一层与液化不整合 中— 细砂岩与粉砂岩 湖相 地震作用 乔秀夫和 郭宪璞, 2011 龙门山 前陆型 上三叠统 球枕构造、卷曲构造、液化角砾岩、软布丁构造、液化底劈、锥形体 泥微晶灰岩、粉细砂岩、钙质砂岩、泥岩 / 地震 乔秀夫等, 2012 鄂尔多斯 盆地 坳陷型 上三叠统 延长组 阶梯状小断层、液化砂岩脉、枕状构造、球枕构造、液化卷曲变形、泥岩撕裂屑 薄的砂泥互层 / 地震振动、重力流堆积 杜芳鹏等, 2014 苏北盆地 高邮凹陷 断陷型 古近系 戴南组 同生微断层、液化岩脉、微裂缝、液化扭曲变形、自碎角砾岩 砂泥岩互层、具有层理的砂岩和泥质砂岩 边界断层形成的斜坡区 古地形(边界断层坡度) 刘金华等, 2014 印度 Kutch县 裂谷型 Khari 河组 滑塌褶皱、碎屑岩墙、同沉积断层、包卷层理 红棕色细砂岩和黄白色粉砂岩 潮间带沙坪沉积 地震驱动 Kale et al., 2016 鄂尔多斯 白豹地区 坳陷型 长6段 滑塌角砾岩、液化岩脉及岩肠、滑塌褶皱、包卷层理、环形层理、砂枕、重荷模及火焰状构造 砂泥薄互层、纯泥岩 三角洲前缘近前三角洲斜坡带 沉积物自身重力发生滑塌 巨银娟和 张小莉, 2016

表1 国内外湖相盆地软沉积物变形构造研究现状统计表 Table1 Statistics of the current researches of soft￣sediment deformation structures in lacustrine at home and abroad

图1

Fig.1

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	图1 沧东凹陷构造位置(a)及孔二段沉积体系(b) (据大港油田, 有修改)Fig.1 Sedimentary systems of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag (modified after Dagang Oilfield)

研究区内多口取心井钻遇孔二段深水细粒沉积岩, 其中G108-8井处于深水沉积区, 孔二段连续完整取心500, m, 除孔二段二亚段和孔二段四亚段发育两套累计83.9, m厚的砂岩外, 其余400余米均为深水细粒沉积。针对该井开展了精细的岩心描述和密集的取样分析, 为进一步的研究提供了丰富的资料。通过岩心精细观察描述以及近900个密集取样点的镜下观察, 发现了大量的软沉积物变形构造。这些变形构造均发育在粒径小于0.0625, mm的细粒沉积岩之中, 岩性以泥岩、粉砂质泥岩、云质岩的互层和混合沉积为主, 非细粒沉积很少发育。从变形构造的形态特征来看, 包括同沉积微断裂、液化岩脉、微褶皱变形、微重荷变形、杂乱变形等多种类型。

同沉积微断裂是指沉积物沉积后还处于塑性状态下, 受外力作用而发生的微断裂。研究区同沉积微断裂变形在镜下观察中较为常见, 主要通过细粉砂岩纹层、泥质云岩纹层或方沸石纹层的错断表现出来。由于纹层厚度一般小于1, mm, 断裂的断距也小于1, mm, 因此大部分同沉积微断裂在岩心上很难观察到。细粉砂岩纹层断裂多伴生有断面的弯曲和砂质粘连, 呈圆弧形的拖曳现象(图 2-a, 2-b), 这与砂质沉积物的可流动性有关; 泥质云岩纹层无拖曳现象, 但由于其塑性特征明显, 形成微断裂后往往会进一步变形造成纹层弯曲或者相互穿插叠置(图 2-c)。

图2

Fig.2

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	图2 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中的同沉积微断裂(G108-8井)Fig.2 Syndepositional micro faults in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag(Well G108-8) a— 3272.06, m, (-); b— 3101.48, m, (-); c— 3300.4, m, (-)

研究区液化现象丰富, 从液化脉体岩性特征来看, 主要分为以下2种类型: 第一, 发育于砂泥薄互层中的液化砂岩脉; 第二, 发育于纹层状泥质云岩中的液化云岩脉。其中, 液化砂岩脉走向以垂向为主, 岩脉中间膨大, 向上变细, 脉体呈“ 蠕虫状” 向上刺穿多层砂泥薄互层, 靠近脉体的薄互层层理受挤压往往向上下两端发生明显弯曲(图 3-a, 3-c)。部分液化砂岩脉在刺穿多层泥质纹层后, 没有足够大的能量进一步刺穿上覆岩层, 就会在已穿透的最上部的岩层中堆积起来, 形成类似砂岩透镜体的现象(图 3-b)。而液化云岩脉相比液化砂岩脉的弯曲变形程度更高, 如图3-d岩脉为较为纯净的微晶白云岩, 呈“ 蛇曲状” 刺穿黏土质和长英质薄互层向上延伸。

图3

Fig.3

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	图3 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中的液化岩脉(G108-8井)Fig.3 Liquefied veins in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag(Well G108-8) a— 3277.91, m, (-); b— 3104.44, m, (-); c— 2988.72, m, (-); d— 3203.14, m, (+)

研究区孔二段细粒沉积岩的褶皱变形发育在细密纹层发育的层段, 岩性为黄褐色黏土质纹层、灰黑色有机质纹层和灰黄色、灰色长英质、云质纹层互层, 纹层厚度小于0.2, mm。显微镜下表现为层内的定向倾斜微褶皱或纹层卷曲变形。定向倾斜微褶皱显示褶皱背斜的轴面向同一方向倾斜, 呈“ 之” 字状, 褶皱层的总厚度为毫米级别的, 一般在1, mm左右(图 4-a, 4-b)。纹层卷曲变形是纹层的弯曲、卷曲和扭曲为主的变形, 纹层组合成“ U” 字形或“ V” 字形( 图 4-c, 4-d), 与下伏未变形纹层呈突变相交接触。

定向倾斜褶皱下伏纹层为水平纹层, 不受褶皱变形干扰; 上覆纹层呈弯曲波状, 与褶皱变形层段相互映衬( 图 5)。说明上覆纹层沉积在变形之后, 褶皱变形并非是层内流动变形, 而是该段刚沉积之后的层面变形。

图4

Fig.4

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	图4 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中的微褶皱变形构造(G108-8井)Fig.4 Microfold deformation structures in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag(Well G108-8) a— 3200.87, m, (+); b— 3207.14, m, (+); c— 3217.49, m, (+); d— 3234.73, m, (-)

图5

Fig.5

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	图5 沧东凹陷孔二段微褶皱变形层与上、下纹层接触关系(G108-8井, 3200.87, m, (-))Fig.5 The contact relationship between microfold deformation layers and the upper and lower laminas of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag (Well G108-8, 3200.87, m, (-))

微重荷变形构造是微型的重荷模构造、火焰状构造、砂球砂枕构造的统称, 与常规的重荷变形构造相比, 其规模很小, 都在毫米级别, 岩心上很难观察到, 镜下观察特征明显。研究区主要发育在细粉砂岩和泥岩的薄互层沉积中, 细粉砂岩层也是1, mm厚左右, 底部发育微型的重荷模、火焰状构造, 火焰状构造的垂向变形幅度均小于0.2, mm( 图 6-a)。砂球、砂枕构造中的砂球规模一般也小于0.5, mm( 图 6-b)。镜下可以观察到细粉砂岩层中发育粒序层理, 说明与深水重力流引起的事件沉积有关。但总体来说, G108-8井孔二段由于砂岩不发育, 微重荷变形构造也比较少见。

图6

Fig.6

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	图6 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中的微火焰状构造和微砂球砂枕构造(G108-8井)Fig.6 Micro flame structures and ball-and-pillow structures in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag(Well G108-8) a— 2992.79, m, (-); b. 3361.47, m, (-)

研究区细粒沉积岩中的杂乱变形构造多出现在孔二段二亚段中, 镜下显示变形特征比较杂乱, 往往同时存在微断裂和褶皱变形, 纹层弯曲幅度大, 不具有定向性或规律性(图 7)。从形态特征来看, 研究区的杂乱变形应该是同沉积微断裂和微褶皱变形的混合变形和深入变形。

图7

Fig.7

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	图7 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中的杂乱变形构造(G108-8井)Fig.7 Random deformation structures in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag(Well G108-8) a— 3108.48, m, (-); b— 3110.59, m, (-); c— 3022.42, m, (-)

总体来说, 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中软沉积物变形构造较发育, 类型多样。由于其发育在深水沉积背景之下, 水体安静, 沉积物以悬移载荷的沉降和化学物质的沉淀为主, 因此形成的软沉积物变形构造与重力流搬运形成的变形构造有很大区别。通过G108-8井的详细观察分析, 研究区深水细粒沉积岩软沉积物变形构造的特点可以概括为:

1)规模小, 变形构造规模多为毫米级别, 除液化变形外, 仅在显微镜下容易识别;

2)发育在细粒沉积岩之中, 垂向上无明显重力流砂体伴生;

3)不同岩性的互层有利于软沉积物变形构造的识别;

4)纹层厚度与变形构造类型有一定的关联, 一般来说, 较厚纹层(纹层厚度大于0.2, mm)多发育液化变形、同沉积微断裂和微重荷变形, 细密纹层(纹层厚度小于0.2, mm)多发育微褶皱变形。

沧东凹陷在孔二段沉积期属于亚热带潮湿气候下的坳陷型封闭湖盆, 湖盆范围小, 水体较浅, 气候温暖潮湿, 陆源碎屑供应充足, 周边断层活动较弱, 深水区的细粒沉积岩的形成主要受气候变化和陆源碎屑供应强度的综合影响。研究区孔二段的软沉积物变形构造与震积岩相标志有较大的区别, 其变形构造发育规模小, 绝大多数仅在显微镜下清晰可见, 变形构造主要发生在悬移载荷沉降和化学沉淀物质组成的纹层状和细密纹层状的细粒沉积岩之中。因此湖相细粒沉积岩中的软沉积物变形构造成因不适合完全从地震作用的角度去分析。

软沉积物变形属于物理、机械成因的变形构造, 从形成过程来看可以分为2大类, 一类是沉积物在搬运过程中内部运动差异所形成的, 主要是斜坡区或者沉积坡折处因自身重力驱动形成的滑塌变形和层内流动变形等; 另一类则是因为外力的注入引起的沉积层应力释放和再平衡。深水细粒沉积岩中的软沉积物变形属于后者, 其变形过程基本发生在原地。正常的深水细粒沉积物只受到上覆沉积物和水的垂向压力, 而且这种压力是缓慢增加的, 沉积物形成纹层状的构造特征, 不会产生变形构造。但是, 当有非正常的应力打破这一平衡的时候, 纹层状的细粒沉积岩就会通过调节自身形态特征来缓解和释放这种非常态的应力, 从而产生各种变形构造。因此, 根据细粒沉积物对非正常应力的调节方式, 可以进一步分析软沉积物变形构造的形成机制。

图8

Fig.8

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	图8 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩上覆应力卸载变形机理分析Fig.8 Mechanism analysis of overlying stress unloading deforma- tion in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag a— 下伏泥岩未固结; b— 下伏泥岩弱固结

侧向应力挤压主要来自于邻近浊积体对深水区细粒沉积表层的推挤, 是表层沉积的褶皱变形构造, 而非层内褶曲形成的震褶岩(乔秀夫等, 1994)。这种侧向应力推挤所致的褶皱变形在物理模拟实验中已经得到了证实( 图 9-a)(鄢继华等, 2009)。沧东凹陷孔二段沉积时期, 在三角洲砂体前方广泛发育浊积扇砂体, 这些砂体主要以砂质碎屑流的方式向湖盆深水方向搬运和沉积, 搬运过程中对前方的细粒沉积物产生侧向的推挤应力, 导致前方已经半固结或弱固结的沉积层发生弯曲变形, 褶曲轴面均向深水方向倾斜( 图 9-b)。距离浊积扇体越近褶皱程度越强, 甚至会出现反向褶皱和杂乱褶皱; 距离浊积扇体越远褶皱程度越弱, 可形成一系列的同向倾斜微褶皱, 向远离浊积体的方向倾斜。

图9

Fig.9

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	图9 沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩侧向应力挤压变形机理分析Fig.9 Mechanism analysis of lateral extrusion stress deformation in deepwater fine-grained sedimentary rocks of the Member 2 of Eocene Kongdian Formation in Cangdong sag a— 水槽模拟实验中的层面微褶皱纹理(鄢继华等, 2009); b— 侧向应力挤压变形形成过程模式

如G108-8井孔二段岩心的薄片镜下观察发现, 杂乱褶皱变形主要出现在孔二段二亚段( 图 7), 定向微褶皱变形都出现在孔二段三亚段( 图 4, 图5)。孔二段二亚段是浊积扇最为发育的时期, 在G108-8井中发育有10余米厚的浊积砂体, 该段细粒沉积岩的变形程度也最强, 以杂乱褶皱变形为主。G108-8井孔二段三亚段以深色泥岩和云质泥岩沉积为主, 基本不发育砂岩, 说明该时期浊积扇体还未达到G108-8井区域, 但是向源方向浊积扇体的搬运和沉积作用也已经影响到了该区域, 形成了定向倾斜的微褶皱。因此, 侧向应力挤压变形的变形程度可以作为预测深水浊积扇的依据之一。

湖相深水细粒沉积岩中的软沉积物变形构造也是对后沉积环境变化的一种响应, 虽然构造规模比较小, 但是对于沉积环境的变化分析仍然可以提供直接、有效的证据, 且分布广泛。一般来说, 上覆应力卸载变形与陆源洪水作用有关, 侧向应力卸载变形与深水砂质碎屑流有关, 二者都代表了陆源的事件性沉积作用发生。层内应力释放多与地震活动有关, 是对盆地边界构造活动的响应。

侧向应力挤压变形构造的特征和规模可以用来预测重力流的方向和位置。细粒沉积岩中定向倾斜微褶皱的轴面倾斜方向指示重力流的运移方向; 侧向应力挤压变形构造的变形程度会随着距离重力流沉积由近到远, 软变形构造由杂乱向有规律的定向倾斜褶皱转化。

软沉积变形构造对于油气勘探具有重要的意义。如北海油田和尼日利亚的深海已经发现了与软沉积变形构造有关的油气田(Davies, 2003; Duranti and Hurst, 2004), 中国湖相沉积中与软沉积物变形构造有关的油气显示也逐渐被发现(王化爱等, 2008, 2010; 杨剑萍等, 2008; 石亚军等, 2009; 岳信东等, 2009; 钟建华等, 2011; 李勇等, 2012)。湖相深水细粒沉积岩中的软沉积物变形构造, 在某种程度上也可以提高深水细粒沉积岩的储集与运移性能, 提高岩石脆性和可压裂性, 可增加细粒沉积岩油气的勘探开发效益。

1)沧东凹陷孔二段深水细粒沉积岩中发育同沉积微断裂、液化岩脉、微褶皱变形、微重荷变形、杂乱变形等多种类型的软沉积物变形构造。这些变形构造发育在深灰色泥岩、云质泥岩和粉砂质泥岩互层和混合沉积中, 规模小且垂向上无重力流砂体伴生。

2)依据细粒沉积物对非正常应力的调节方式, 将研究区孔二段深水细粒沉积岩中的软沉积物变形构造的成因机制划分为上覆应力卸载、侧向应力挤压和层内应力释放等3种。

3)湖相深水细粒沉积岩中的软沉积物变形构造是环境变化的响应。结合软沉积变形构造特征和应力调节方式, 可以判断沉积环境的事件变化和预测重力流。