鄂爾多斯盆地中侏羅統延安組軟沉積變形構造特征研究

黃天坤,任戰利

(1.西北大學 地質學系,陜西 西安 710069;2.延長油田股份有限公司 勘探開發技術研究中心,陜西 延安 716001)

軟沉積物變形構造(SSDS)是沉積物在沉積之后,未固結成巖之前的軟沉積物階段,還處于富含孔隙水的狀況下,受差異載荷、重力滑動滑塌、液化和流化等物理作用的影響,所形成的一系列沉積構造。和區域構造運動所形成的構造不同,同生變形構造在縱向上僅限于未受擾動的正常的沉積巖層之間。當前，國內外對軟沉積物變形構造的研究涉及到類型識別[1-15]、成因機制和變形過程[16-30]、分類方案[31]等。國內學者將軟沉積物變形的成因多歸結于古地震成因[32],忽略了軟沉積物變形構造的多成因性;對其變形過程和成因分析的深入討論和實驗模擬也較少。在對鄂爾多斯盆地的軟沉積物變形構造的研究中，研究對象絕大多數出現在延長組[1,33-37]，鮮有針對侏羅系延安組軟沉積物變形研究的文獻報導。本研究以延安地區的兩處延安組地層露頭為研究對象,在侏羅系延安組延7油層組中識別出了不同類型的軟沉積物變形構造；結合區域地質背景,對該地區的軟沉積物變形構造類型、成因機制及地質意義進行分析。

1 露頭描述

1.1 安塞延河露頭

地層出露位置地理上位于陜西省延安市安塞區陽光小區旁，北緯36°52′38″，東經109°18′32″，海拔1 053 m±3 m(型號GPS map 621sc)的延河西岸處(見圖1)。出露剖面厚度約3.4 m,長度約22 m;巖性以灰黑色泥巖、灰色泥質粉細砂巖夾薄層細砂巖為主;剖面大致隨延河，局部走向呈南北向延伸,但出露點向南北兩側近距離范圍內,軟沉積物變形層位均被后期河道沖刷不復存在(見圖2)。其中，沿河岸向北,受第四紀黃土層和植被覆蓋的影響,無法追蹤觀察;沿河岸向南,追蹤至約2.5 km處的腰鼓山下,亦未見軟沉積物變形構造現象。

1.2 延安裴莊露頭

該露頭點位于延安市棗園西裴莊村南500 m左右，北緯36°37′31″，東經109°22′35″，海拔1 070 m±3 m的杏子河河岸處(見圖1)。整體剖面厚度較大,軟沉積物變形層厚約1.8 m,層位位于延6裴莊砂巖段之下的延7頂部,巖性為河漫灘、淺湖及較深湖亞相砂、泥巖。

圖1 區域地質和地理位置疊合圖Fig.1 Superposition graph of regional geology and geographical location

1.3 露頭層位的確定

前人對裴莊杏子河剖面的層位已確定[38-39],本研究主要針對安塞延河剖面進行層位分析。安塞延河露頭周圍有杏子川采油廠的杏703井和真55井,其處于兩者之間(見圖1)。杏703井距露頭點約2.5 km,真55井距露頭點約2.8 km。為確定出露地層的地質年代,本研究利用臨近分布的井位及其海拔高程,根據延安組的地層特征、測井響應特征進行地層分層,根據各層的地面海拔和地層出露點的海拔高程進行反推,從而確定出露地層的地質年代。杏703井地面海拔1 318.00 m,真55井地面海拔1 252.00 m。根據已知地層出露點位于真55井和杏703井之間,以及出露點的海拔高程，進行了地層對比和反推(見圖3)。兩井在延10寶塔砂巖的地層響應特征比較明顯,延9至延7沉積特征對比性較好,延6裴莊砂巖亦較為明顯(見圖3);杏703井的延6地層底部海拔為1 068.70 m,真55井延6地層底部海拔為1 072.80 m;露頭位置地面海拔(1 053.00±3.0)m。由此可以確定，安塞延河出露地層為延7中上部地層,和裴莊西杏子河剖面為同時期的延7地層。另外,安塞延河露頭和裴莊杏子河露頭上覆地層均為延6裴莊砂巖,下伏地層均為厚度較大的泥巖層,中間為軟沉積物變形層位,且二者均表現出兩期沉積物變形的特征(見圖5b，圖7)。因此,從地層發育特征推測兩處露頭層位均為延7后期沉積。

圖2 地層露頭剖面特征Fig.2 Profile characteristics of formation outcrop

圖3 出露地層層位對比圖Fig.3 Contrast map of exposed strata

1.4 變形構造描述

1.4.1 安塞縣延河剖面 安塞延河剖面厚約3.4 m,近南北走向,長約22 m。其構造特征如下。

1)底部為灰黑色泥巖夾灰色泥質粉砂巖,厚約1.67 m,灰色泥質粉砂巖中可見水平層理。

2)下變形層位:巖性為灰色粉細砂巖,厚約0.50 m,發育大量砂枕砂球構造、液化變形構造、碎裂小揉皺等變形構造。砂枕長度0.2～1.76 m,多在0.6～0.8 m;厚度約0.15 m;砂枕基本平行于上下層面,但斷續分布,中間被較細粒的粉砂巖沉積隔離。碎裂小揉皺大小不一,棱角明顯,較大的可以見到內部的紋層。另外,還可以見到沉積物液化,孔隙水向上排出所形成的液化變形紋層。

3)未變形層位:巖性為灰色細砂巖,厚度約0.10 m,平行層理發育,橫向連續未錯斷。

4)上變形層位:巖性和下變形層位相近,為灰色粉細砂巖,厚約0.48 m。發育大量的砂球構造,內部見明顯的包卷紋層,其橫向延伸基本平行于上下層位,但斷續分布,中間同樣被較細粒的灰黑色粉砂巖隔離;但其厚度約0.22 m,形態上多為砂球形態。本層碎裂小揉皺發育較多,形態與下變形層位相近;但見到一處位于上變形層位底部的平臥褶皺。平臥褶皺長約17 cm,高僅8 cm左右;褶皺層較薄,單層厚度僅3 cm左右,軸面大致呈南傾特征。

5)頂部未變形層位:巖性為灰色細砂巖,厚約0.65 m,表面多被白色鹽類化合物覆蓋,沉積構造不明顯。

圖4 安塞延河剖面巖石序列特征Fig.4 Rock sequence profile property of Ansai Yan River

1.4.2 延安裴莊杏子河剖面 該露頭軟沉積物變形層位位于延6裴莊砂巖之下的延7油層組的頂部地層中。軟沉積物變形層位可以劃分為兩段,下變形層位以砂巖為主,厚度約1.0 m,可見大型負載構造和枕狀構造;上變形層位以灰黑色泥質粉砂巖為主,厚度約0.8 m,可見順層分布的枕狀構造,碎裂褶皺發育。

1.4.3 變形構造特征 1)枕狀構造(pillows)。枕狀構造主要出現在砂、泥互層并靠近砂巖底部的泥巖中,是被泥質包圍了的緊密堆積的砂質橢球體或枕狀體,大小從十幾厘米到幾米,孤立或成群作雁行排列。產狀上,枕狀構造呈“凹”形彎曲它的原始層，平行于枕狀體的底面、頂面則是一個平直的截切面[20]。

枕狀構造在安塞延河剖面和西杏子河裴莊剖面均可見到(見圖5a中的數字標注⑤,見圖6),單個枕狀體的頂、底面呈現較平直的特征,且總體平行于上下巖層;單個枕狀體內部,呈現寬闊的向斜形態,且紋層平行于枕狀體的底面(見圖6)。總體而言,多個枕狀體在橫向上斷續分布,中間被下伏地層穿刺隔離(見圖5a中的數字標注⑤)。因此,枕狀構造在本區表現為多個枕狀體在橫向上斷續分布的枕狀構造層,表明其成因應該是原始砂層在原地被下伏液化層向上穿刺侵位的結果。

圖5 裴莊杏子河剖面變形構造Fig.5 Deformation structure of Xingzi River profile in Peizhuang

2)球枕構造(ball and pillow)與負載構造(load)。球枕構造不同于枕狀構造：球枕構造與負載構造共生，其源自負載構造脫離母巖層而向下沉落陷入下伏，在相對較細、較粗的砂層中形成[20-40]。本區球枕構造(見圖7b;圖5a中的數字標注④)和火焰狀構造非常發育(見圖7a;圖5a中的數字標注① ③,圖5b中的⑥)。本區的球枕構造在形態上有球狀和枕狀兩種,被泥質粉砂巖所包裹;球狀形態多呈橢圓狀,內部可見砂質紋層(見圖7a，b);火焰狀構造則表現為下伏的泥質粉砂沉積物向上覆的砂質沉積物貫入(圖5b中的⑥),甚至穿刺上覆沉積物(圖7a和圖5a中的①)。前人已經就負載構造和球枕構造的動力機制進行了地震震動模擬實驗[17,19],認為厚度大于1 cm的負載構造是地震成因的[6,9],對應的地震震級可能為6.0～7.0級[40]。

圖6 安塞延河剖面枕狀構造(下變形層位)Fig.6 Pillow structure of Ansai Yan River section

注：a位于下變形層位； b位于上變形層位圖7 安塞延河剖面球枕構造和負載構造Fig.7 Spherical pillow structure and load structure of Ansai Yan River profile

震積褶皺多以幾乎不發生位移與滑塌體所形成的褶皺來區別[41]。本次觀察到的褶皺位于安塞延河剖面的上變形層位底部,緊靠未變形細砂巖層位;其規模較小,長約17 cm,高僅8 cm左右;褶皺層較薄,單層厚度僅3 cm左右(見圖8a),形態與Sims(1973)在Van Norman湖中觀察到的地震成因的平臥褶皺極其相似(見圖8b)。Van Norman湖頂部沉積物發育的平臥褶皺(Recumbent fold),其成因為1971年2月9日的南加州圣費爾南多地震(震級6.6級,震源深度12.8 km)。

圖8 安塞延河剖面平臥褶皺與Van Norman湖頂部沉積物中的平臥褶皺比較Fig.8 To compare Recumbent fold between a which is in the Ansai Yan River profile and b which is in the sediments at the top of Van Norman lake

“碎裂揉皺”在安塞延河剖面和西杏子河裴莊剖面均有發現,未見其順層分布,僅局部發育;其碎裂嚴重,但有的呈棱角狀,有的呈次圓狀，大小不等,一般為幾厘米至十幾厘米;內部紋層清晰,褶皺明顯,軸面傾向無規律性(見圖5a中②;見圖9)。推測其成因為局部較薄的砂巖夾層,受地震液化作用的影響,被周圍強液化變形沉積物反復擾動、揉皺變形所致。

圖9 安塞延河剖面碎裂揉皺Fig.9 Cracked and crumpled of Ansai Yan River profile

3)液化變形紋層。液化變形紋層多出現在包裹枕狀構造、球枕狀構造的泥質粉砂巖中,其方向性受液化變形層內孔隙流體的流向所影響(見圖5a中的①;見圖10);當液化作用較為強烈時,可以見到液化紋層的錯斷現象(見圖10)。

圖10 安塞延河剖面液化變形紋層及紋層錯斷現象Fig.10 Liquefaction deformation lamination and laminar dislocation in Ansai Yan River section

2 成因機制分析

可以引發軟沉積物變形構造的因素很多,包括滑塌、液化作用、流化作用等。但前人指出，在未固結的飽含水的砂巖沉積物中,最可能的變形機制是液化作用和流化作用,而流化作用需要有外部流體的供應。液化作用主要由于孔隙流體壓力的變化,而地震震動是導致孔隙流體壓力增加的一種因素。本研究通過對原始沉積條件、軟沉積物變形構造規模和分布范圍,以及延安組延7沉積時期盆地周緣活動情況進行分析,認為延7頂部軟沉積物變形構造為古地震活動成因。

2.1 區域地質背景

在沉積演化方面受印支運動的影響, 鄂爾多斯盆地在三疊紀末期發生抬升剝蝕, 形成凹凸不平的古地貌背景。 侏羅系富縣組和延安組早期延10，延9油層組便是以河流相為主的填平補齊沉積,延8至延7形成于以湖泊三角洲沉積體系為主的湖盆形成階段,延6以后,構造運動明顯加強,發育以河流相沉積為主的湖盆過補償沉積。延8—延7沉積時期,研究區處于延安期濱、淺湖亞相區,巖性以中—細砂巖和泥巖沉積為主[42]。

構造活動方面,延安組延7油層組為中侏羅世早期沉積。早中侏羅世(190～175 Ma),華北巖石圈處于弱伸展狀態,沿陰山燕山構造帶發育有正斷層和裂谷作用[43-44];鄂爾多斯盆地西南緣和東北緣發生4次凝灰巖噴發事件(179.2 Ma±0.79 Ma,175.2 Ma±2.4 Ma,171.0 Ma±1.0 Ma,168.4 Ma±1.3 Ma)[45]。因此,在侏羅紀早、中期,鄂爾多斯盆地及其周緣存在古火山活動。

2.2 成因及期次分析

軟沉積物變形構造不能反映特定的沉積環境，但可確定水動力條件,解釋古水流、古氣候、古地震事件[21]。軟沉積物變形主要有4種成因機制,即液化或流化作用、反密度梯度、滑塌或斜坡失穩、剪切應力,且往往4種機制組合共同作用[30]。其觸發因素有4類,一是周期外力,如地震,風浪,特別是風暴成因的風浪;二是脈沖力,如山崩(landslide);三是孔隙流體壓力的增加,通常與地下水充注和運動有關;四是液化作用的發生[16]。根據研究區兩處軟沉積物變形的構造特征、地層序列特征,結合區域地質背景，認為研究區軟沉積物變形為古地震活動成因。

1)早中侏羅世,盆地及其周緣存在古火山活動。

2)沉積物粒度較細,易于在外力的影響下發生變形。軟沉積物變形主要發生在粗粉砂和細粉砂級別的沉積物中,這種沉積物的高沉積速率、低滲透性、低剪切力使得其更易變形[30]。天然地震時,對地表能造成極大危害的是地震面波。水與砂兩者力學性質不同,面波在自由表面傳播時,產生的剪切力使富含水的砂層發生液化作用[20]。按照十進制碎屑顆粒粒度分級表,粗砂粉砂級別(0.01～0.90 mm)的軟沉積物均具備在外力條件下發生液化形變的可能[46],但粉砂級別(包括細粉砂和粗粉砂,粒徑范圍0.01～0.10 mm)的軟沉積物極易發生液化形變[47]。因此,泥巖沉積物(<0.01 mm)或者粗細砂級沉積物(0.1～0.09 mm)多表現為弱液化作用,粉砂級沉積物(0.01～0.1 mm)多表現為強液化作用。但是，地震強度或外力強度是否會導致強液化層和弱液化層的粒度分布范圍的變化,是值得深究的。本地區以湖相灘壩沉積的細砂巖、粉砂巖夾三角洲前緣分流間洼泥巖沉積為主,在古地震的影響下,易發生軟沉積物的液化變形。

3)區域分布廣泛,且被限定在未變形層位之間。安塞和延安裴莊同一層位的兩個地層出露點,直線距離約29 km,均發生軟沉積變形構造,且被限定在未變形層位之間。

4)枕狀構造有固定層位,且平行于未變形地層,斷續分布。枕狀構造地震成因的觀點被多數地質學家所接受。有固定層位,沿走向在一定距離內分布的枕狀構造層應是地層記錄中的古地震證據[20]。安塞延河剖面和延安西杏子河裴莊剖面均發育斷續分布的枕狀構造層,且發現的巖枕寬度達到1 m以上,可以確定是地震成因的。

5)典型的延安組砂巖是富含石英及石英巖屑的長石巖屑砂巖,而在實測剖面資料上,軟沉積物變形之上的延6裴莊砂巖存在一套富含噴發巖屑和淺變質巖屑的巖屑砂巖。這一信息和區域構造背景吻合,也表明了這一時期構造活動發生的確切性。

在地震活動期次方面,安塞延河剖面上、下兩套變形層位之間夾一細砂巖地層,該細砂巖地層厚度較薄,約10 cm;且在出露剖面中呈現連續、未變形的特征。該特征表明，古地震活動在兩次軟沉積物變形之間,存在短暫的古地震活動較弱的可能。另外,延安西杏子河裴莊剖面,雖未發現上、下兩套軟沉積物變形層位之間有連續的未變形層位,但該剖面下變形層位和上變形層位明顯不同,也指向兩次古地震活動。因此認為，這一時期，研究區發生兩次古地震活動。

3 地質意義

延安組地層形成于中侏羅世早期[48]。此時，研究區古地貌呈西高東低的特征,盆地東部以寧武延安為湖盆中心,開闊湖泊穩定發育,盆地西部的沖積三角洲體系總體向東快速推進[48]。該時期發生區域性的地震活動,可能對這一時期的三角洲沉積砂體的分布產生顯著的影響,為晚侏羅世到早白堊世的油氣成藏提供了物質基礎。同時,結合油氣運移研究,可以為鄂爾多斯盆地延安組中淺層的油氣勘探指明方向。軟沉積物變形構造的發現,打破了前人對延安組沉積時期構造活動比較穩定的傳統觀點,為盆地的油氣勘探提供了思路。

4 結 論

1)鄂爾多斯盆地中侏羅統延安組延7地層發育了兩套軟沉積物變形層位,其代表性的沉積構造包括負載構造、枕狀構造、液化變形紋層、微斷層等。其中枕狀構造和負載構造是主要類型。

2)早侏羅世延7沉積時期,鄂爾多斯盆地發生兩次古地震活動,其成因可能與早、中侏羅紀鄂爾多斯盆地及其周緣古火山活動的構造背景有關。

3)軟沉積物變形構造的發現,打破了前人對延安組沉積時期構造活動比較穩定的傳統觀點。延7沉積時期,古地震活動對三角洲沉積砂體的分布產生顯著的影響，這可以為鄂爾多斯盆地延安組中淺層的油氣勘探指明方向。