冀中坳陷晋县凹陷古近系震积岩的发现及地质意义①

杨剑萍 王海峰 聂玲玲 李 亚 张 永 李 静

(1.中国石油大学地球科学与技术学院 山东青岛 266580;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300452;3.中国石油华北油田分公司第五采油厂 河北辛集 052360)

0 引言

地震是一种常见的灾害性地质事件，主要是由于断裂构造活动、火山活动、崩塌陷落及一些诱发因素影响引起的。地震发生时地壳内巨大的能量在短时间内释放，在沉积物中形成了一系列的地震记录，表现为各种具有典型特征的变形构造，在地层中具有这类古地震事件记录的岩石即震积岩。

震积岩最早由Seilacher在1969年提出［1］，随后许多学者进行了完善［2～4］。国内震积岩的研究始于1988年宋天锐对北京十三陵前寒武纪碳酸盐岩地层中震积岩的研究［5］，二十多年来国内震积岩的研究取得了丰硕的成果，体现在海相震积岩和陆相湖盆震积岩的研究，涉及到华北地台元古宙—古生代［6，7］、西南三江地区古生代［8，9］、滇西中元古代［10，11］以及四川晚侏罗世［12］、酒西盆地早白垩世［13］、济阳坳陷古近纪［14～18］等不同地区、不同时代的震积岩，其中分别以乔秀夫等在华北地台东部震旦系建立的碳酸盐岩振动液化地震序列和吴贤涛等在四川峨眉晚侏罗世建立的湖相碎屑岩原地系统的地震液化序列为代表［6，12］。

近十年来，陈世悦、杨剑萍、袁静等依据钻井岩芯资料研究渤海湾盆地济阳坳陷古近纪震积岩的特征，并与盆地构造、油气储层等联系讨论，开辟了新生代陆相断陷湖盆震积岩研究的新领域［14～18］。本文首次在渤海湾盆地冀中坳陷晋县凹陷古近系孔一沙四段地层岩芯中发现了大量软沉积物变形构造和特殊岩石类型，认为具有震积岩的特征。该发现不仅丰富了中国东部陆相断陷湖盆震积岩研究的内容，而且对于研究晋县凹陷古近纪的构造活动、凹陷内膏岩和凝灰岩等特殊岩类的成因、改善储层储集性能的因素等都有十分重要的意义。

1 区域地质背景

晋县凹陷位于河北省晋县、赵县、高邑县境内，构造位置位于渤海湾盆地冀中坳陷的西南部，西邻无极—藁城凸起，东以宁晋断裂为界，西南与太行山大断裂相接，呈NE—SW方向展布，面积1 700 km2(图1)，是典型的新生代小型断陷湖盆。一系列NW向古隆起使得凹陷南、北部的构造特征截然不同，北部为东断西超的单断凹陷，而南部为东陡西缓的不对称双断凹陷;同时一系列NE—NNE向的断层将凹陷分割成三个构造带，即东部断阶带、中央洼槽带和西部斜坡带，因此晋县凹陷呈现“南北分区、东西分带”的构造格局［19］。

晋县凹陷是古近纪初期在喜山运动NNE—SSW区域右旋拉张应力作用下形成的新生代小型断陷盆地。新生代以来，晋县凹陷的构造和沉积演化可以划分为三个阶段:孔店—沙四时期，前期燕山运动的左旋挤压应力场和喜山运动的右旋拉张应力场形成了凹陷内复杂的构造形态，至始新世末期，晋县凹陷发生了一次最剧烈的构造运动，南柏舍—黎村和里庄等NW向构造进一步隆升，凹陷内形成东西分带、南北分区的构造格局，该时期地层区域性抬升，与上覆地层呈角度不整合接触，凹陷北部发育膏泥岩沉积，而南部以湖相砂泥岩沉积为主;沙三—沙二时期，构造运动表现为张裂断陷，以伸展构造运动和NNE向断裂活动为主，主要发育三角洲和滨浅湖滩坝沉积;沙一—东营时期，继承了以前的构造特征，构造运动不显著，地层整体抬升，湖盆消亡，沉积相由三角洲相演变为河流相［19，20］。

图1 晋县凹陷构造简图(据文献［19］，有修改)Fig.1 The structural sketch of Jinxian sag(modified after reference［19］)

2 震积岩特征

晋县凹陷古近系岩芯中识别出大量震积岩标志，根据杜远生等［21］的分类，主要包括:沉积与成岩标志(液化砂泥岩脉、泥岩株、泄水通道、重荷模与火焰状构造、球枕构造、振动液化卷曲变形构造、串珠状构造等)，构造标志(微同沉积断层、地裂缝等)，特殊岩石类型(震褶岩、震裂岩、震塌岩等)。

2.1 沉积与成岩标志

(1)泄水构造

液化砂泥岩脉是沉积物液化泄水过程中充填上覆及下伏沉积物的脉状构造，发育于砂泥岩互层沉积物中，切穿围岩，延伸不规则，是最常见的软沉积物变形构造。研究区赵42、赵52、赵91、赵121等井孔一沙四段岩芯中大量发育，脉体宽0.5～3.0 cm，延伸距离较近，多为砂岩脉(图版Ⅰ-A，B)。脉体形态各异，部分垂直于围岩层理，呈岩墙状，上下等宽;部分斜交围岩层理，呈喉道状，下粗上细;还可见蠕肠状砂岩脉，显然为地震作用的振动成因。

强地震(震级大于5级［22］)时，地震引起的剪切力促使未固结的砂泥颗粒滑移而改变排列状态，应力由砂泥骨架转移至孔隙水，引起超孔隙水压力。当超孔隙水压力等于饱和砂承受的应力时，砂泥层便发生液化，形成悬浊液，进入围岩裂缝后便形成砂泥岩脉［6］。悬浊液沿柱状通道向上运移并顺层侵入围岩后，便形成砂、泥岩株(图版Ⅰ-C);若围岩裂缝不发育，悬浊液刺穿围岩泄出后只留下泄水通道(图版Ⅰ-D)，而不发育砂泥岩脉。

(2)负载构造

研究区赵52、赵78、赵94、赵121等井孔一沙四段和沙三段岩芯中发育重荷模(图版Ⅰ-E)，构造规模1.0～6.0 cm，特征明显。重荷模是由于液化砂层在地震剪切力与重力作用下沉陷于未固结的塑形软泥中形成，同时泥质以火焰状向上穿插到上覆的砂层中，形成火焰状构造。

在地震振动作用下，液化砂层负载体脱离母岩完全落入下伏泥质层形成球体或椭球体，即球枕构造。研究区球枕构造直径多3.0～5.0 cm，最大可达8.0 cm以上，多呈长轴近水平的椭球形，是砂岩球在下沉过程中受到软沉积物浮力阻挠所致(图版Ⅰ-F)。

负载构造的形成演化如图2所示，密度倒置是重要的形成条件之一。Moretti等［24］研究表明，大于1.0 cm规模的负载构造为地震诱发形成，负载构造为地震成因的观点逐渐得到认可。

(3)振动液化卷曲变形构造

振动液化卷曲变形构造发育于砂、泥薄互层中，卷曲限于层内部，上下岩层不受影响，表现为一系列形态各异、轴面方向不定的小褶曲，相当于乔秀夫等所称的震褶岩［6］和杜远生所称的微褶皱纹理［21］。振动液化卷曲变形构造在研究区的赵43、赵53、赵94等井的孔一沙四段岩芯中均有发育(图版Ⅰ-G)，单个褶曲的大小为5.0～10.0 cm。地震成因的卷曲变形与构造挤压、滑坡等成因的卷曲变形区别在于，前者的褶曲形态及轴面是不规则的，而后者遵循一定的力学原则［25］。

图2 负载构造形成演化示意图(据文献［23］，有修改)Fig.2 Schematic illustration of load structure formation and evolution(modified after reference［23］)

(4)串珠状构造

串珠状构造出现在砂、泥薄互层剖面中，横向拉伸使其变薄，挤压使砂层变厚［26］，与其它地震成因的软沉积物变形构造伴生，说明是地震引发的沉积层拉伸和挤压的结果。研究区赵42井孔一段岩芯中发育串珠状构造(图版Ⅰ-H)。

2.2 构造标志

微同沉积断层是沉积时由于振动形成的小规模断层，主要为张性断裂，单独或成组发育，限于层内，不切穿上下岩层，也称为层内断层。研究区的微同沉积断层主要为一系列小型正断层组成的阶梯状断层，以及断层组合成的微地堑(图版Ⅰ-I，J)，断距0.5～1.0 cm，倾角较大，多大于60°，发育于赵82、赵110等井中。

地裂缝多发育于砂、泥互层中，剖面呈楔形，产状垂直于层面，研究区地裂缝上部宽0.5～1.0 cm，向下尖灭，裂缝深度约2.0 cm，被上覆砂质沉积物充填(图版Ⅰ-K)。地裂缝是地震发生时软沉积物振动、液化共同作用的结果。

作为地震成因的唯一性构造，研究区的微同沉积断层、地裂缝等与泄水构造、负载构造等软沉积物变形构造共生，再次证明前述的各类变形构造为地震成因［27］。

2.3 震积岩类型

乔秀夫等［6］将震积岩分为震褶岩、震裂岩、震塌岩等类型。

震褶岩是指具有地震成因的振动液化卷曲变形构造的岩石，褶曲程度高，轴面不规则，厚度较小，一般不超过20 cm(图版Ⅰ-G)。

震裂岩是指以破裂变形为主(具微地震断裂)的岩石，研究区的震裂岩主要是发育微同沉积断层和地裂缝的岩石(图版Ⅰ-I，J，K)。通常物质的破裂是在塑性变形后随外力增大而发生，因此部分震裂岩是由能量更强的地震振动使震褶岩发生进一步形变直至破裂而成［28］。

震塌岩是指由地震成因的不协调岩块组成的岩石，相当于Spallctta等提出的自碎屑角砾岩［2］，是地震振动破坏原沉积层形成的初始断裂角砾岩。研究区赵52、赵78、赵82等井的岩芯中发育震塌岩(图版Ⅰ-L)，表现为泥岩角砾形态不规则，分选极差，顺层分布，相邻角砾有时可以拼接到一起，反映沉积物的原始状态。

3 震积岩序列

震积岩的垂向沉积序列反映了地震事件的沉积作用过程，多位学者曾在渤海湾盆地济阳坳陷、黄骅坳陷等地建立了陆相断陷湖盆的震积岩序列［14～18，29］。根据对晋县凹陷赵 35、赵 52、赵 82、赵94、赵121等井孔一沙四段岩芯的观察结果，以赵52井2 811.6～2 812.8 m、赵82井2 481.3～2 482.5 m以及赵94井3 257.6～3 260.8 m震积岩层段为例，建立了晋县凹陷古近系震积岩的垂向序列(图3)。

A.底部未震层

岩性为灰色砂岩夹泥岩，厚度约15 cm，未受地震振动干扰，原生层理保存良好。

B.震塌层

该层厚度约30 cm，底部为震塌岩，内部角砾为震碎的深灰色泥岩，相邻角砾可以拼接，液化程度低，受地震影响时，该层沉积物已固结或半固结。

图3 晋县凹陷古近系震积岩垂向序列Fig.3 The seismite vertical succession of Paleogene in Jinxian sag

C.震裂层

该层厚度不定，一般10～20 cm，微断层密集，断距小，表现为一系列小正断层组合形成的阶梯状断层。由于不同时期地层的压实强度不同，其形变能力随时间和上覆载荷的增加而减小，故受地震影响时，阶梯状断层的断距向下逐渐增加，并迅速消失，进入下伏层段［14，30］。

D.震褶层

岩性为砂泥岩互层，厚度约25 cm，构造类型复杂，包括振动液化卷曲变形构造、砂岩脉和泄水通道等。其中卷曲层表现为一系列相互连接的紧闭小褶皱，围岩层保持不变;而砂岩脉和泄水通道则切穿围岩。

E.砂岩球枕层

厚度20～30 cm，发育各种形态的砂岩球和砂岩枕构造，砂岩球在垂向上呈现一定的大小分异，上部发育重荷模与火焰状构造。

F.液化均一层

该层岩性主要为粉砂岩，厚约20 cm，是饱含水的软细粒沉积物在振动作用下稀释液化，性质趋于均一的结果，无层理或纹理等沉积构造，结构均一，向上逐渐过渡为未震层。

G.顶部未震层

为地震结束后沉积的正常岩层，与下伏的均一层渐变接触。

以上晋县凹陷古近系震积岩的垂向序列，记录了一次完整的地震事件。研究表明，震积岩序列发育的完整程度与地震震级、岩性以及所处构造位置有关［18］。赵 52井 2 811.6～2 812.8 m、赵 82井 2 481.3～2 482.5 m以及赵94井3 257.6～3 260.8 m的震积岩序列较完整，它们均发育在湖盆西部斜坡带且靠近中央洼槽带处的砂泥互层中;而湖盆东部断阶带坡度较大，岩性以砂砾岩为主，则不易保存完整的震积岩序列。

4 震积岩的地质意义

震积岩的发育与古断陷湖盆中的断裂活动有关，研究震积岩有助于恢复晋县凹陷的构造活动史，并为凹陷内膏岩和凝灰岩的成因研究提供思路。震积作用产生的微裂缝和砂岩脉等能够沟通原有孔隙，改善储集性能。

4.1 为晋县凹陷古近纪构造活动研究提供依据

整个凹陷内震积岩发育的情况(表1)表明，震积岩集中在孔一沙四段地层中。同时期地层中，研究区中部和北部发育厚层的膏岩，如赵113井、赵57井等处;中部南柏舍—黎村隆起附近的赵22井和赵古2井孔一沙四段地层中发育厚层凝灰岩，厚度超过15 m。

研究区膏岩主要与深灰色泥岩呈互层沉积，泥岩不同程度地含有灰质，未见红层等干旱氧化的标志，膏泥岩层不具有干旱成因的碳酸盐—硫酸盐—石盐—钾盐典型序列，仅硫酸盐发育，与浅水环境密切相关的钾盐不发育。孔一沙四段地层沉积时期，晋县凹陷地形高差大，湖盆水体深，发育较宽的半深湖相带，赵57井、赵113井等处的膏岩即发育于半深湖中。中央洼槽带附近的赵县大断层、赵60断层等控制着碎屑物质及膏岩的沉积，断层的下降盘是膏岩的沉积中心，靠近断层处膏岩厚度大。赵113井、赵80井孔一沙四段地层的孢粉资料显示，被子类、裸子类孢粉占绝对优势，含量均在40%以上，蕨类孢粉很少，被子类孢粉以栎粉属(9.6%～15.4%)和榆粉属(9.1%～13.6%)为主，裸子类孢粉以松科双气囊粉属(23.4%～47.2%)和麻黄粉属(6.8%～10.9%)为主，总体反映半湿润—半干旱的气候条件。以上膏岩的沉积特征以及古地貌与古气候条件表明晋县凹陷孔一沙四段地层中的膏岩为深水盐湖成因，而非浅水或大气环境中的干旱蒸发成因，并推断处于活跃期的深大张性断裂是深部盐源上升的通道。

表1 晋县凹陷古近系震积岩发育井位和层位表Table 1 The stratum location and wells of Paleogene seismites in Jinxian sag

震积岩、膏岩和凝灰岩的发育具有同空间性和同时间性，且均与强烈的构造运动有关。可以推断，活跃的深大断裂和岩浆活动相互作用，岩浆上涌引发深大断裂活动并顺其喷出地表，形成厚层凝灰岩，而深大断裂的活动诱发多期地震，形成了多种类型的震积岩，同时深大断裂沟通深部盐源，为膏岩的形成提供物质基础。该认识从沉积学的角度证明孔一沙四段地层沉积时期是晋县凹陷构造运动最为强烈的时期，为构造演化研究提供依据。

4.2 震积作用改善储集性能

图4 晋县凹陷赵82井储层物性和深度关系图Fig.4 The relationship between depth and porosity and permeability in the Well Zhao-82 of Jinxian sag

震积岩的石油地质意义体现在多个方面，例如，震积作用产生大量的微裂缝，沟通震裂岩和震塌岩原有的孔隙，能够显著提高储层渗透率;震积岩中的砂岩脉起源于砂岩层，发育于泥岩层，沟通上、下岩层，有利于油气的运移和聚集［31］;震积作用形成的震塌岩等本身也可成为良好的储层，形成岩性油气藏［18］。

研究区震积岩的石油地质意义体现在提高储层渗透率上，震积岩通常发育在构造活跃期，处于同生期和早成岩期的岩石被破坏，震裂岩的孔、缝形成时间较早，裂缝沟通原有的孔隙，使渗透率显著提高，从而改善储集性能。以赵82井为例，2 480.0～2 482.0 m井段孔隙度集中在 15%～20%，变化不大，而2 480.5～2 481.3 m井段的渗透率突然增大，可达1 000×10-3μm2以上(图4)，这是由于该段发育微同沉积断层、阶梯状断层等，沟通原有孔隙，使渗透率明显增大。

5 结论

(1)冀中坳陷晋县凹陷古近系震积岩的识别标志包括:沉积与成岩标志(液化砂泥岩脉、泥岩株、泄水通道、重荷模与火焰状构造、球枕构造、振动液化卷曲变形构造、串珠状构造等)和构造标志(微同沉积断层、地裂缝等)，震积岩主要发育在孔一沙四段地层中。

(2)研究区古近系震积岩垂向序列自下而上为:底部未震层—震塌层—震裂层—震褶层—砂岩球枕层—液化均一层—顶部未震层。

(3)孔一沙四段地层沉积时期是晋县凹陷古近纪构造活动最强烈的时期，深大断裂的活动诱发地震，形成震积岩，同时深大断裂为凝灰岩和膏岩的形成提供物质基础;通过微裂缝等沟通原有孔隙，震积作用能够明显改善储层渗透性。

图版Ⅰ说明 (岩芯直径10 cm)A.岩墙状砂岩脉，赵42井，2 728.10 m;B.蠕肠状砂岩脉，赵52井，2 896.60 m;C.泥岩株，赵52井，2 669.90 m;D.泄水通道，赵90X井，2 852.91 m;E.重荷模与火焰状构造、砂岩脉、微同沉积断层，赵94井，3 257.60 m;F.砂岩球，赵52井，2 811.80 m;G.振动液化卷曲变形构造，赵94井，3 260.78 m;H.串珠状构造，赵42井，3 019.85 m;I.阶梯状断层，赵 82 井，2 481.40 m;J.微地堑，赵 110 井，1 821.30 m;K.地裂缝，赵 109 井，1 679.00 m;L.震塌岩，赵 52 井，2 812.80 m。

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27 杜远生.中国地震事件沉积研究的若干问题探讨［J］.古地理学报，2011，13(6):581-589［Du Yuansheng.Discussion about studies of earthquake event deposit in China［J］.Journal of Palaeogeography，2011，13(6):581-589］

28 杨剑萍，聂玲玲，张琳璞，等.柴达木盆地西南缘乌南油田新近系古地震记录及储集性能研究［J］.地质学报，2008，82(6):805-813［Yang Jianping，Nie Lingling，Zhang Linpu，et al.Reservior characters and paleoseismic records in Neogene Wunan oilfield，southwestern margin of the Qaidam Basin［J］.Acta Geologica Sinica，2008，82(6):805-813］

29 杨萍，杜远生，徐亚军.黄骅坳陷古近纪地震事件沉积研究［J］.地质学报，2006，80(11):1711-1715［Yang Ping，Du Yuansheng，Xu Yajun.Eogene seismite of Huanghua depression［J］.Acta Geologica Sinica，2006，80(11):1711-1715］

30 夏青松，田景春.鄂尔多斯盆地南部上三叠统延长组震积岩的发现及地质意义［J］.沉积学报，2007，25(2):246-252［Xia Qingsong，Tian Jingchun.Characteristics and geological significance of seismites of the Yanchang Formation，Upper Triassic，Ordos Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2007，25(2):246-252］

31 袁静，陈鑫，张善文.济阳坳陷古近系软沉积变形层中的砂岩脉特征［J］.石油学报，2008，29(3):336-344［Yuan Jing，Chen Xin，Zhang Shanwen.Characteristics of sand dikes in the Paleogene softsediments of Jiyang depression［J］.Acta Petrolei Sinica，2008，29(3):336-344］