松遼盆地白堊紀青山口組—姚家組震積巖及其油氣地質意義

劉澤璇， 邵珠福， 黃 亮， 王 瑞， 劉晶晶， 趙 冰， 張文鑫

( 1. 東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田勘探開發研究院 油藏評價研究室，黑龍江 大慶 163712 )

0 引言

震積巖是地震引發的一類事件沉積，為地震標志物之一，2018年吉林松原里氏5.7級地震后，震源附近發現多種地震成因液化變形構造[1]。震積巖一詞由SEILACHER A[2]在1969年一次美國加州海灘地質考察后的一篇短訊中首次提出，原文為seismite，后經龔一鳴[3]引入并翻譯為震積巖。2000年，《Sedimentary Geology》將seismite、tsunamites(海嘯巖)和tempetites(風暴巖)作為事件沉積的產物進行專題總結，2007年又對地震引起的軟沉積物變形作出專題。中國震積巖研究目標主要集中在對震積巖垂向序列的建立和其產生的實際影響上。目前，中國對于震積巖的研究程度更深入，研究方向更廣泛，包括利用震積巖軟沉積變形推測古地震震級[4]、震積巖地層與斷裂構造相結合[5]、震積巖的油氣意義[6]等方向。

地震是造成地層破裂的原因之一，斷裂對油氣的影響很大。當斷裂橫切砂體時，可形成斷層圈閉，阻止油氣的運移和散逸。斷塊圈閉、斷層—巖性復合圈閉等受斷層影響而形成油氣藏圈閉類型。亦有新聞報道地震后廢棄油井重新出油或油井減產等現象。在中國的七大主要油氣產區，如松遼盆地、柴達木盆地、鄂爾多斯盆地等主要含油氣層發現震積巖的存在。

松遼盆地震積巖研究主要集中于變形構造特征[7]。筆者利用青山口組—姚家組油層巖心，總結松遼盆地震積巖識別特征，分析震積巖對研究區在油氣及地質方面的影響。

1 地質概況

松遼盆地位于中國東北部，整體呈北北東向延伸，是中國最大的陸相沉積盆地和最重要的含油氣盆地。松遼盆地共有6個一級構造單元(見圖1)，研究區位于地層發育全面的中央坳陷區。齊家—古龍凹陷位于中央坳陷區西北側，緊鄰中央的大慶長垣背斜區。白堊紀，松遼盆地處于坳陷階段，中央坳陷區沉積從青山口組到嫩江組，地層巖性以砂泥巖互層為主[8]，沉積相以陸相大中型三角洲—半深湖—深湖相為主[9]，地形整體西高東低，青山口組—姚家組沉積時期，研究區沉積相整體以三角洲平原—三角洲前緣相為主。葡萄花油層作為古龍凹陷的主力油層，位于地層中淺層的姚家組一段。研究區斷裂方向以近南北向和北北西向為主，斷裂分層性明顯，巖性以灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖、砂巖為主[10]。

圖1 研究區地理位置及構造單元(據文獻[11-12]修改)

2 震積巖識別特征

2.1 軟沉積變形

2.1.1 液化砂巖脈

液化砂巖脈是震積巖中常見的一種軟沉積變形構造，分布廣泛，可見于各個地層，常與其他結構(如球枕構造、卷曲變形)伴生。震積巖規模大小不一，形態多樣，具有多類型、多尺度、多組合的特點(見圖2)。觀察到的最大砂巖脈見圖2(a)。液化砂巖脈是由地震震動導致未固結地層的顆粒震蕩過飽和，致使壓力升高，砂巖顆粒重新排列，最終向某一方向穿入泥巖而形成的脈狀軟沉積變形構造。垂向砂巖脈常為S形，圍巖發生向上或向下彎曲。研究區砂巖脈有飄帶狀、蘑菇狀、蠕蟲狀、席狀和不規則狀等形態，主要分為橫向和垂向兩大類[13]，且兩種形態相互穿插連通，形成巨大的砂巖網溝通地層[14]。此外，還有一種充填裂縫形成的小型砂泥巖脈，脈壁通常規整清晰[15]。

橫向型砂脈一般在水平方向沿巖層層理發育，垂向上巖脈發育較粗且長。常見的變形砂脈有念珠狀、腸狀等構造。念珠狀構造又稱狹縮—膨脹構造(見圖2(b))，因砂巖和泥巖層的塑性程度不同，在受擠壓或拉伸作用時，泥巖顆粒塑性流動對砂巖層造成剪切力，使砂巖顆粒不均勻收縮、膨脹，發生變形而形成；腸狀砂巖脈(腸狀構造)受地震影響，發生拉張、擠壓、剪切等運動，使砂巖脈發生彎曲變形和斷裂而形成[16]。腸狀構造發育于上下兩泥層之間的砂巖中，厚度為幾厘米到十幾厘米，其軸面無規則，紋層連續彎曲，有少量錯斷[17](見圖2(c))。

垂向型砂巖脈是砂巖脈中最常見的一種類型。其形態多樣、大小不一，分為向上侵入和向下侵入兩類。根據單一砂脈體，砂巖脈一般靠近砂巖源頭較粗，臨近端部較細，且源頭段一般呈向上凸起、末端呈向下凹陷的狀態[7]。由于砂巖脈形成的環境復雜不一，有的可以找到砂巖巖脈的主要來源，有的被泥巖切斷而呈現類似懸浮的狀態。剖面上，砂巖脈形態多呈S形彎曲。垂向型砂巖脈有飄帶狀(見圖2(a))、蘑菇狀(見圖2(d))、蠕蟲狀等形態(見圖2(e))。其中，飄帶狀砂巖脈常發育于夾于泥巖的砂巖或中厚層泥巖下的薄層砂巖。地震作用下，下層未固結砂巖刺穿上覆泥巖并終止于泥巖而形成飄帶狀砂巖脈[18]。蘑菇狀砂巖脈也稱砂侵蘑菇，未固結的細砂或粉砂巖侵入上覆泥質巖而形成垂面上狀似蘑菇、紡錘等不規則形態，層面上呈帶狀的砂巖脈。蠕蟲狀砂巖脈屬于小型砂脈，多發育于薄層砂巖，形態雜亂，可獨立出現，也可相互連通、密集分布。

圖2 液化砂巖脈

2.1.2 液化卷曲

液化卷曲變形又稱震褶巖，是震積巖中的常見構造。主要是未固結地層在地震作用下發生層內變形的現象，形成各種扭曲變形的復雜形態。液化卷曲變形和液化砂巖脈發生在受地震影響強烈的地層，常常同時出現。由地震引起的卷曲變形褶曲軸面無規律，重力流成因卷曲變形軸面傾斜方向一致[19]。卷曲變形(見圖3)在松遼盆地廣泛分布，研究區英39、英142井，以及位于研究區外的杜30井中的卷曲變形構造最為典型。英39井1 480.31 m處的箱型卷曲構造形態向內卷曲，內部可見主體呈垂直狀的砂泥互層紋理(見圖3(a-b))；英142井卷曲變形位于青二段湖相沉積地層，與砂巖脈、球枕構造伴生，其中，中間呈云團狀堆疊(見圖3(c))；杜30井為青山口組二三段較大型液化卷曲變形，長度約為20 cm，位于粉砂巖層，呈尖狀凸起(見圖3(d-e))。

圖3 液化卷曲變形

2.1.3 球枕構造

球枕構造與包卷層理的形狀相近(見圖4)，但形成方式不同，是在泥巖中懸浮的球形或枕形形態的砂體構造，常與負載構造伴生[20]。砂泥交界處在地震的作用下發生震動，由于砂泥比不一致，上覆砂巖受重力下陷，沉積物在液化作用停止后體積發生收縮并脫離原有砂體。英36、英39、英142井出現大量球枕構造，或單個懸浮、近乎平行排列在泥巖或粉砂巖的圍巖中。單個球枕構造的大小為3～10 cm，形狀多樣，近圓形或橢圓形(見圖4(a-d))。

圖4 包卷層理及球枕構造

2.1.4 環形構造與包卷層理

地震由強減弱過渡的弱地震作用時期(震級≤里氏5級)，未固結地層液化變形多樣，環形構造和包卷層理為最常見的識別構造之一。砂泥巖薄互層在地震的拉張力作用下發生局部凹陷斷裂[21-22]，形成環環相套的環形構造，或相連的鏈條狀構造。在巖心中，包卷層理常見一蝌蚪形尖端，通過尖端指示方向可大致推測砂體物源來源。研究區發現的環形構造數量不多但大小不一，長度為5～10 cm(見圖4(e))。發育于英901井青山口二三段地層中的包卷層理形態呈半包狀態，內部紋理清晰，長度為6～7 cm(見圖4(f))；英331井發現的環形構造完全包卷，內部發育多層紋理，左上方可見蝌蚪狀尾端。

2.1.5 變形構造

(1)負荷構造。負荷構造包括重荷模構造和火焰構造(見圖5)，二者伴生，是由KUENEN P H[23]對濁積巖提出的構造[24]。負荷構造多見于砂巖互層交接處，且為砂上泥下、粗上細下的地層分布。地震發生時，重的顆粒下沉，下方細顆粒泥巖填充空隙，形成負荷構造。負荷構造的橫截面凹凸不平，識別特征強，一般認為地震成因的負荷構造規模大于1 cm[25]。負荷構造在松遼盆地英68、和4、英142、英901井發育，其中，英68井的負荷構造規模最大，為3～5 cm，火焰構造尖端明顯、重荷模構造底端圓鈍，下方地層有明顯下凹趨勢(見圖5(a))。和4、英142井為連續發生的多個負荷構造(見圖5(b-c))。英901井負荷構造規模較小，不能判定是否為地震成因(見圖5(d))。

圖5 震積巖識別構造

(2)滴漏構造。滴漏構造的本質是負荷構造和液化變形的結合體。當未固結砂體受重力影響下沉時，砂體液化滲入縫隙或空余空間內形成狀似漏斗上粗下細的形狀。滴漏構造形態較小，多為1～5 cm，常與砂巖脈伴生。其與蠕蟲狀砂巖脈的不同在于砂巖脈多為主動刺穿泥巖形成，滴漏構造是被動充填形成，兩者為小型液化變形，但形態不同。松遼盆地有大量的滴漏構造，其中，英142井發現的滴漏構造共兩端，一端位于兩個砂巖脈之間的泥巖，多條滴漏構造似蝌蚪狀連接上下砂巖；另一端位于下層砂巖與泥巖交接處，尾端向右側偏移(見圖5(e))。

(3)揉皺構造。揉皺構造的特點是砂泥巖夾雜，紋層強烈扭曲變形似展開后揉皺的紙團。揉皺構造形成于陡坡，受地震剪切力的作用發生滑塌，原本平行未固結的粉砂巖泥巖互層顆粒重新排列，層理錯亂、砂泥混雜堆積而形成[26]。英64井發現揉皺構造，巖心被自然斷開，剖面粗糙不平，砂泥巖混雜扭曲(見圖5(f-g))。

2.2 脆性變形

軟沉積結構變形的成因多樣，如滑塌成因、地震成因、海嘯成因等，單獨依靠一段軟沉積變形不能準確判定震積巖，只有軟沉積變形在超過幾米的范圍內反復出現或斷裂與軟沉積變形同時存在，才能認為是震積巖[27]。

2.2.1 階梯狀斷層

階梯狀斷層又稱粒序斷層，多為正斷層，傾角較大，為古地震證據之一[28-30]，是已固結的地層受拉張作用發生斷裂而形成。研究區階梯狀斷層之間斷距為1～2 cm(見圖5(h))，少數斷層裂縫較長可達數厘米(見圖5(i))。部分巖心經歷兩期地震，未固結時發生液化現象，固結后再次發生地震而形成階梯狀斷層(見圖5(h))。

2.2.2 碎屑角礫巖

碎屑角礫巖分為自碎屑角礫巖和內碎屑角礫巖[31-32]。二者區別在于角礫巖是自碎屑角礫巖原地形成，而內碎屑角礫巖為自碎屑角礫巖發生位移形成。杜遠生等[32]將碎屑角礫巖分為塑性角礫巖和脆性角礫巖。殷秀蘭等[33]將塑性角礫巖稱為液化角礫巖，認為其為泄水構造的一種。當液化砂巖脈刺透周圍圍巖后，將圍巖切割破碎形成撕裂狀充填于角礫之間。田洪水等[34]認為液化角礫巖的形成是地震作用將已固結巖塊震碎后未固結巖體填充入角礫巖間孔隙。液化角礫巖大小各異且無分選，排列雜亂。在雙X73井發現的液化角礫巖與液化砂巖脈伴生(見圖5(i))。

3 震積巖垂向序列

建立震積巖垂向序列反映不同地層受地震作用變化而發生不同變形或破裂關系。地震時間長短、烈度不同，對震積巖垂向序列的排列方式也不完全相同，一次較大型地震(大于5級)[35]往往形成多種垂向序列形式。以英64井為例(見圖6)[36]，在姚一段葡萄花油層觀察到多段液化變形構造，中間有大段的砂巖分隔。

震積巖常出現在斷裂帶附近，不同沉積環境下的震積巖結構也發生變化，松遼盆地內震積巖沉積位置多見于三角洲前緣沉積相。鄢繼華等[37]對常見軟沉積變形進行砂箱實驗模擬，提出三角洲體系下的震積巖空間分布模式(見圖7)。當震源位于三角洲前緣，隨地震烈度減弱，軟沉積變形液化越劇烈，距離越遠，其中震濁積巖發生在最遠的盆地地區。

在研究區巖心中，共觀察到3種常見垂向沉積：未震層—卷曲變形—液化砂泥巖脈—球枕構造；液化砂巖脈—紊亂層—負荷構造—微斷層；液化砂巖脈—火焰構造、球枕構造—液化卷曲變形。結合三角洲前緣相震積巖的空間分布(見圖7)、地震發震規律等，建立研究區白堊紀震積巖垂向序列(見圖8)。由圖8可知，垂向序列由下至上依次為：(1)未震層。(2)濁積層。受重力作用，顆粒重新排列，形成正粒序排列。(3)強烈期。為液化變形最強烈的階段，以液化砂泥巖脈為最主要識別特征，雜有液化卷曲變形、球枕構造、滴漏構造等軟沉積變形構造。(4)過渡期。以球枕狀構造、負荷構造為主要代表，常見環形構造、蝌蚪狀構造等相關演化構造。(5)衰減期。以液化卷曲變形、液化角礫巖、微斷層為代表，此時地震的強烈程度減小，能量不足以使未固結層發生劇烈的扭曲變形，只局限在某一層中的較小程度上的彎折且變形程度逐漸減小至消失，固結地層因地震受到強烈的拉張或擠壓發生斷裂而形成微小錯斷。(6)異地相震塌巖。原地相構造結束，來自其他地區的礫石搬運堆積至此。

4 震積巖油氣地質意義

4.1 地質意義

4.1.1 對古地貌的影響

地質運動對地質地貌有強烈的改造作用，古地震形成的斷裂、斷層對地質環境有深遠影響。震積巖中砂巖和泥巖抗風化程度存在差異，大型砂巖脈侵入泥巖層，泥質含量較高的部分更易發生風化剝蝕而形成凹坑，從而造成對地貌的再改造。此外，利用震積巖研究，可以通過地層的等時對比對古大地構造環境和活動進行分析恢復。

4.1.2 對古地震的指示作用

震積巖是古地震的標志之一，通過震積巖所在地層的年代分析可以指明古構造運動或地震活躍時期[28]，并為古地震的地震強度、影響范圍提供依據，推測所處地區地質活動史。地震活動常呈周期性，震積巖的時空分布規律有助于了解地球的古地震帶分布、古地震活動周期規律及地震頻度和強度，預測現代地震的活動規律[38]。

圖6 英64井葡萄花油層震積巖分布

4.1.3 作為相標志

松遼盆地為斷陷—坳陷幕式沉積[39]。白堊系沉積時期，松遼盆地處于盆地拗陷期，地層持續沉降，沉積相以湖相—三角洲相為主(見表1)。由表1可知，根據松遼盆地震積巖巖心觀察結果，結合實驗及其他地區震積巖研究，震積巖集中分布在坡折帶或斜坡條件下，普遍位于三角洲前緣，通過震積巖垂向序列出現區域反向判定震積巖所處沉積環境。形成時間上，階梯狀斷層一般發生于強震期，多為正斷層；微褶皺紋理和液化砂泥巖脈分別發生于地震的衰減早期和晚期。位置上，階梯狀斷層、液化均一層發育于三角洲前緣斜坡位置，微褶皺紋理主要發育于前緣斜坡的坡腳，液化砂泥巖脈發育于緊鄰前緣斜坡的前三角洲位置，且變形構造程度也從三角洲前緣斜坡到前三角洲依次增強[32]。

圖7 三角洲體系下震積巖空間分布模式

表1 松遼盆地震積巖地層—沉積相

4.2 油氣意義

以含有多段震積巖的英64井為例，該井位于大慶長垣古龍南地區的英臺月亮泡鼻狀構造核部的一條北西向斷裂附近。葡萄花油層段為三角洲前緣沉積相，巖心中可見油浸或油斑，該井獲0.021 t/d油流、20.16 t/d水，屬低產油水層[42]，除英64井外，月亮泡其他鉆探井未發現試油。月亮泡鼻狀構造上傾方向非圈閉，蓋層條件不好。該區為中高孔滲型儲層，橫縱向連通性好，儲層條件良好。對比含有震積巖的英64、英331和英142井葡萄花油層段巖心孔滲比(見圖9)，除英64井外，其余井孔滲比不高，可能與地震造成的顆粒間結構緊密有關。

4.2.1 儲層方面

在物性上，一方面，地震過程中，未固結地層砂泥巖顆粒受重力影響重新排列，顆粒間空隙減少，孔隙度、滲透率降低，致使油氣的儲存性連通性降低。另一方面，地震形成的軟沉積變形構造，尤其是液化砂巖脈可深入烴源巖，直接溝通油源與儲層。砂巖脈之間相互交叉串聯形成的液化砂巖網，可從大尺度上聯通儲層，有助于形成大片的油氣儲集體。地震形成的砂泥巖脈等軟沉積變形或地震在儲層中形成的裂縫被砂巖填充后相互交錯連通，儲層的孔滲性提高，儲層間裂縫構成儲層與儲層、儲層與油源之間溝通、運移的良好通道，有利于油氣的聚集。烏南油田震積巖巖心鏡下觀察發現，顆粒間接觸關系主要為線接觸，儲層物性特點呈低滲或超低滲致密型[43]。

4.2.2 蓋層方面

泥巖蓋層更利于封堵油氣散逸，形成良好的封堵層。同時，當地震造成泥巖層裂隙，蓋層的密閉性減弱，尤其是大量的裂縫導致油氣快速揮發散逸。此外，深切入儲層的裂縫直接破壞蓋層，不再構成油氣圈閉條件。

4.2.3 運移方面

地震劇烈程度達到一定震級時，已固結地層受力發生斷裂而形成一些微小的裂縫或斷層。這些裂縫為油氣的運移提供通道。地震造成的空間擠壓促使烴源巖區產生異常高壓，促進油氣的運輸與成藏。

圖8 震積巖垂向序列

圖9 英64、英331、英142井葡萄花油層段巖心孔滲關系

5 結論

(1)松遼盆地中央凹陷區白堊紀青山口組—姚家組發現大量震積巖分布，其形態結構復雜多樣，包括液化砂巖脈、液化卷曲變形、液化角礫巖、負荷構造、火焰構造、揉皺構造、滴漏構造、球枕構造、環形構造、階梯狀斷層、碎屑角礫巖等識別構造。

(2)空間分布上，震積巖多位于砂泥巖互層處，研究區震積巖主要為三角洲前緣相沉積環境；垂向分布上，建立未震層—濁積層—強烈期—過渡期—液化衰減期—異地相震塌巖的垂向沉積序列。

(3)震積巖對古地震有指示作用，根據震積巖的垂向序列可反向將震積巖作為相標志參考。油氣意義上，古地震和震積巖可使泥質蓋層更加密閉、儲層與儲層、儲層與烴源巖之間更加連通及造成儲層顆粒間孔隙度減小，泥層受裂縫影響封堵性減弱。