东海西湖凹陷古近系砂岩侵入体及其地质意义

黄苓渝，张昌民，刘江艳，向小玲，徐　发，侯国伟

（1.长江大学地球科学学院，武汉430100；2.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依834000；3.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海200030）

东海西湖凹陷古近系砂岩侵入体及其地质意义

黄苓渝1，张昌民1，刘江艳1，向小玲2，徐发3，侯国伟3

（1.长江大学地球科学学院，武汉430100；2.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依834000；3.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海200030）

在调研国外文献的基础上，通过对中国东海西湖凹陷的区域构造背景及岩心资料进行对比分析，认为在东海西湖凹陷中发育砂岩侵入体。研究区发育的砂岩侵入体包括大量泥岩碎屑、液化岩脉、泄水构造（碟柱状构造）、液化卷曲变形构造、重荷模与火焰状构造及球-枕状构造。从沉积学角度对砂岩侵入体的形成机制、岩心特征及其对石油地质的意义等方面进行了简要的讨论。砂岩的侵入能够形成特殊的侵入圈闭，并能极大地提高储层的孔隙度和渗透率，从而改善油气储层的储集物性。因此，正确认识并深入研究砂岩侵入体对岩性-地层油气藏的勘探开发具有重要意义。

砂岩侵入体；岩心特征；古近系；西湖凹陷

0　引言

依据地层层序律（law of superposition），在正常的自然层序中，新地层应位于老地层之上。除了最常见的断裂和褶皱等构造现象外，还有一种特殊的机理能够打乱这种正常的自然层序：当有流体携带沉积物寻找低压位置时，过压沉积物会再活动，并侵入到周围地层中形成一种特殊砂体，这种特殊的砂体被称为砂岩侵入体（sand injectite）。

砂岩侵入现象在19世纪就开始有研究人员报道，但并没有得到重视，仅仅被归类为一种特殊的地质现象。Jenkins［1］在1930年提出砂岩侵入体的概念之后，直到1995年Dixon等［2］才开始意识到砂岩侵入体可能对油气勘探和开发具有较大的影响。在近十几年的区域性砂岩侵入体的勘探过程中，因成功勘探到油气［3］，人们才开始意识到砂岩侵入体对油气藏勘探开发的重要性［4］。目前，对于砂岩侵入体的研究尚处于识别和定性描述阶段，研究人员从最初的观察野外露头，到近几十年来利用岩心资料、测井曲线及地震资料来进行识别。虽然在一些国际性的地质学、沉积学学术会议和刊物上有大量关于砂岩侵入体的报道，但作为一个涉及到地质学多个传统分支学科的新领域，有关其研究迄今为止还不够成熟。国内虽有数篇关于砂岩侵入体研究进展的报道，但对于砂岩侵入体的实例分析却鲜有介绍。笔者通过对研究区钻井岩心的详细观察，发现大量砂岩侵入现象，在对其岩心特征进行详细描述的基础上，对其形成机制进行简要的讨论，认为正确认识并深入研究砂岩侵入体对岩性-地层油气藏的勘探开发具有重要意义。

图1　西湖凹陷构造划分（据文献［7］修改）Fig.1　The tectonic subdivision of Xihu Sag

1　区域地质概况

西湖凹陷位于下扬子地区东海陆架盆地的东北部，西邻海礁隆起与渔山东低隆起，东以钓鱼岛隆褶带为界，呈北东向展布，面积约5.9万km2，其地质结构总体表现为在张性背景下发育的复杂半地堑构造。该凹陷自西向东划分为西部斜坡带、中央凹陷反转带和东部断阶带［5］，具有“多凹、多隆”及多沉积中心的沉积格局（图1）。目前认为西湖凹陷经历了多次大的区域构造运动，即瓯江运动、玉泉运动、花港运动、龙井运动及冲绳海槽运动等。西湖凹陷新生界最大埋深为15 km，自下而上划分为宝石组、平湖组、花港组、龙井组、玉泉组、柳浪组、三潭组和东海群。其中，古近系包括始新统宝石组、平湖组和渐新统花港组，岩性主要为灰色和深灰色的泥岩、粉砂岩和细砂岩，并夹有少量煤层和沥青质煤，先后经历的运动有雁荡运动、瓯江运动和玉泉运动［6］（表1）。

表1　西湖凹陷古近系地层综述Table 1　The strata of Paleogene in Xihu Sag

2　砂岩侵入体的岩心特征

通过对西湖凹陷30口探井900余米岩心的详细观察，发现大量泥岩碎屑、液化岩脉、泄水构造（碟柱状构造）、液化卷曲变形构造、重荷模与火焰状构造及球-枕状构造等典型的砂岩侵入体构造。这些砂岩侵入体构造集中发育于平湖组与花港组中，其形成与始新世—渐新世的瓯江运动和玉泉运动2个大型的构造运动有关。结合前人研究成果，针对东海西湖凹陷平湖组和花港组的砂岩侵入体，从形成机制、形态特征、发育规模及岩性等方面进行了阐述。

2.1泥岩碎屑

砂岩的侵入常伴随有大量不规则展布的泥岩碎屑（mudstone debris）出现。砂岩在流动和侵入到周围泥岩的过程中将泥岩冲垮破碎而形成泥岩碎屑，因此，在砂岩侵入体与泥质围岩接触的界面附近易形成大小及长短差异较大的撕裂状泥岩碎屑［8］。研究区发现的泥岩碎屑粒径差异较大，为0.1～7.0 cm，多富集在砂岩的顶部或底部，且未经磨圆，常呈棱角—次棱角状（图2）。由此表明，泥岩破碎后在原地沉积，而砂岩在异常压力的作用下，向周围泥岩侵入，造成泥岩破碎并以碎屑的形式保存在砂质沉积物中。在砂岩侵入的过程中，泥质碎屑会随着侵入的砂体一起运移，并不断发生混合和分选作用，因此，在这种沉积环境中泥质碎屑常呈长条状并具有定向性。

图2　泥岩碎屑岩心素描Fig.2　The sketch of mudstone debris

图3　液化砂岩脉岩心素描Fig.3　The sketch of liquefied sandstone dyke

2.2液化岩脉

液化岩脉（liquefaction dyke）是研究区较为普遍的一种砂岩侵入体构造。一般认为液化岩脉的形成需要满足2个条件：①存在粒度不同的2种岩性；②发生突发事件使其液化并有足够的能量刺穿上覆岩层。由于未固结的沉积物上覆岩层具低渗透性，其内部孔隙流体因无法正常排出而不断聚集，压力逐渐增大，形成超孔隙压力，此时碎屑颗粒间的摩擦力减小并失去抗剪强度，从而促使了液化作用的发生。然而，随着孔隙流体压力的持续增大，当其超过地静压力的80%～90%或发生地震等突发事件时，上覆岩层发生破裂，碎屑颗粒受超压驱动而产生流动，并对上覆岩层进行刺穿而形成液化岩脉［9］。砂岩脉皆植根于下伏砂质母岩之上，向上刺穿上覆岩层，一般都是下部较粗，向上变细且形态弯曲。

在西湖凹陷平湖组与花港组中所识别出的液化岩脉的主要成分为粉砂岩和细砂岩，其脉体宽度不均，为0.2～3.0 cm。液化岩脉形态不一，主要可分为2种类型：①当侵入砂体刺穿上覆泥质层时，砂岩脉呈喉道状连通上、下2个或多个砂质层［图3（a）］；②当侵入砂体未刺穿上覆泥质层时，侵入砂岩脉在泥质层内呈不规则蛇曲状向上延伸，并逐渐尖灭［图3（b）］。液化岩脉与遗迹化石（ichnofossil）形态类似，但相互间也有较明显的区别：①液化岩脉通常是由下至上刺穿上覆岩层，而遗迹化石常呈相反形态；②液化岩脉脉体内部常有砂质向上流动的痕迹，泥质层与砂岩脉的交界处通常可见泥质层稍稍向上翘起；③液化岩脉脉体与泥质围岩接触的部分，其纹层常有扭曲变形，而遗迹化石与泥质围岩接触处如侵蚀面一般，没有较为明显的变形现象；④液化岩脉往往伴随着泄水构造与球-枕状构造同时出现；⑤液化岩脉一般下部较粗，向上变细，而遗迹化石宽度往往比较均匀，或是其尾部较起始处宽度更大一些。

2.3泄水构造（碟柱状构造）

砂岩在侵入过程中会伴随有大量的孔隙水向上泻出，破坏了原始沉积物的颗粒支撑关系，引起颗粒位移和重新排列，导致沉积物的原生沉积构造遭到破坏。砂岩侵入体多表现为块状无构造特征，其间可识别出部分假层理［10］。

在西湖凹陷平湖组与花港组中存在大量的泄水构造，主要包括：①泄水管。在砂岩侵入过程中，孔隙水向上泻出而留下的通道，既可出现在砂岩体内部，也可穿透砂岩体进入到上部的砂泥互层带中（图4中虚线处）。②泄水嘴。泄水嘴是下伏变形砂岩上拱侵入到上覆砂质层中形成的一种变形构造，宽度为0.5～3.0 cm，其形态弯曲，与火焰状构造相类似，但火焰状构造形成于泥岩中。③碟柱状构造。这种构造在垂向上分布的厚度一般比较大，而且能局部性地消除岩石上已有的沉积构造。研究区识别出的碟柱状构造常赋存于粉—细砂岩中，其纹层向上弯曲如碟形，单个延伸长度通常为2～5 cm，常互相叠置，中间被砂体所形成的泄水管所分开。

图4　泄水构造（碟柱状构造）岩心素描Fig.4　The sketch of water escape structure（dish-and-pillar structure）

2.4液化卷曲变形构造

液化卷曲变形构造（liquefied fold deformed lamination）是一种由固结的可塑性泥砂沉积物液化引起的以层内扭曲和卷曲变形为主的变形构造，又称包卷层理，以层内发育一些小揉皱和卷曲变形构造为特征。其形态不规则，定向性差，褶曲轴面分布没有规律，与由构造作用引起的层间褶皱构造和由沉积物滑动产生的变形构造具有明显的区别。这种构造与液化岩脉的成因相似，但其差别在于，液化岩脉主要受剪应力影响，而液化卷曲变形构造主要是受切应力作用影响而产生流动［11］，进而在层内发生明显褶曲，形成一系列形态不同的小型扭曲变形。通常认为发生液化的砂岩颗粒粒径主要为0.01～0.30mm，粒径大于0.30 mm的砂岩颗粒基本不会发生液化作用。研究区发生液化的砂岩以粉砂—细砂岩为主，液化卷曲变形层的厚度一般为5～20 cm，多限于单一薄层内部，其上、下岩层多为未变形的正常岩层。液化卷曲变形层内扭曲单体的厚度一般较小，通常为2～8 cm，其形态差异较大，排列不规则（图5）。

图5　液化卷曲变形构造岩心素描Fig.5　The sketch of liquefied fold deformation structure

2.5重荷模与火焰状构造

重荷模（load cast）也称负载构造和重荷构造，是指覆盖在泥岩之上的砂岩底面上的不规则瘤状突起。这种构造发育层段的上、下岩层可能均是发生了液化作用的疏松沉积物，否则上覆的砂质沉积物无法陷入到下伏泥质层段中。当尚未固结的泥质沉积物处于可塑状态下，因不均匀的负荷压力作用，上覆的砂质沉积物发生局部下陷而陷入到下伏泥质层中，从而在泥质层顶面上形成突起状的重荷模［12］。研究区识别出的重荷模常呈圆丘状和不规则瘤状突起，其突起高度不一，一般为0.5～3.0 cm，排列杂乱，其泥质围岩的纹层通常具有一定程度的弯曲变形，在同一层面上的重荷模其形状与大小均较接近（图6）。在重荷模的形成过程中，差异压实会引起砂质层与泥质层之间发生相互垂向运移，泥质沉积物常补偿性地向上侵入到上覆砂质层中，因其形态似火焰状，所以将这种构造称为火焰状构造（flame structure）。研究区识别出的火焰状构造规模较小，纵向延伸长度一般为0.2～1.0 cm，其规模一般与相伴生的重荷模规模相关联。

图6　重荷模与火焰状构造岩心素描Fig.6　The sketch of load cast and flame structure

2.6球-枕状构造

在饱含水的未固结砂质层内纵向上相邻的沉积物之间存在较大的密度差，因在不均匀负荷压力及地震等事件的触发下，密度相对较大的上覆粗粒砂质沉积物受重力驱动发生局部沉陷，下陷的砂质体脱离母岩层后，最终以球-枕状砂体的形态赋存于下伏泥质层中而形成球-枕状构造（ball and pillow structure）。在球-枕状构造发育的层段中，上覆砂质层一般并未发生变形，而下伏泥质层常由于球-枕状体的陷落而具有一定程度的扰动变形。

西湖凹陷花港组中识别出的球-枕状砂体岩性以粉砂—细砂岩为主，直径一般为1～6 cm，多呈孤立悬浮状（图7），少数呈彼此连接状。研究区发育的大部分球-枕状砂体内部一般无明显构造，但若其上覆母岩层内发育纹层，则在球-枕状砂体内可见到大致平行于球-枕状砂体外壳的同心纹层。

图7　球-枕状构造岩心素描Fig.7　The sketch of ball and pillow structure

3　形成机制

砂岩侵入体形成的常规触发机制包括地震［13］、快速沉积负载导致的过压［14］、热压［15］及流体运移［16］等。越来越多的特殊触发机制在地质记录中被识别出来，如撞击作用［17］及岩浆的侵入作用［18］。地震与快速沉积负载导致的过压近几年被认为是最典型的2种触发机制。

地震能够触发大面积砂岩侵入体的形成，近年来在地壳表层发现的砂岩侵入体普遍与地震活动有关。砂岩侵入体常位于地震活动中心的断裂带中，而高级数的地震（大于6级）可以引起距震中15～20 km内砂岩侵入体的形成。在地震活跃区域发现了大量砂岩侵入体，说明地震是一个重要的触发机制。然而，若考虑到上十立方千米的砂体进行液化与侵入所需要的能量，地震或许不足以单独形成如此大规模的砂岩侵入体［19］。

快速沉积负载导致的过压通常是由深水斜坡上的沉积物失稳而引起的，一般表现为沉积物滑动与滑塌这种大型向下作用的块体搬运［20］，风暴浪能够造成非常快速的海底沉积负载。这种突发事件通常形成局部地区的砂岩侵入体，而且这类砂岩侵入体常与砂岩喷出现象（sand extrusion）所伴生。砂岩喷出现象最为典型的是砂火山，其出现的地点与事件通常都与砂岩侵入体相同［21］。海底的砂质液化和侵入通常与块体搬运和风暴浪负载有关［22］，但是负载引起的构造成因的砂岩侵入体往往出现在较深的地层中。

砂岩侵入体的触发机制复杂且多样，但其形成有3个条件却是必须具备的［23］：第一，低渗泥岩中夹有分布广泛而未固结的砂岩，其侵入规模在一定程度上与砂岩量有关；第二，需要一种或多种机理引起的过压，如不平衡压实、侧向压力传递及流体富集造成的超高压；第三，发生地震、断层及火山喷发等突发事件，这些突发事件可导致瞬时压力骤增和砂岩液化。

4　砂岩侵入体的研究意义

砂岩侵入体对圈闭的形成、储层的分布、盖层的性质以及运移的通道都具有一定的影响。砂岩侵入体能够形成一类特殊圈闭，称之为侵入圈闭（intrusive traps）。砂岩侵入体的岩性一般为粉砂—细砂岩，这就意味着其具有高孔隙度和高渗透率，是良好的储层。厚层、高孔隙度及高渗透率的砂岩侵入体穿透上百米厚的低渗泥岩，能够有效增加含油气盆地的油气藏体积，使之在构造上高于主储层，并能提高低渗透储层的渗透率，有利于提高流体的运移速度。砂岩侵入体中的液化岩脉在砂泥岩互层段中能够刺穿泥岩隔层向上侵入，使得上下储层砂岩段相互连通，从而极大地提高了储集砂体的连通性。此外，引起砂岩侵入体形成的突发事件所伴随的巨大能量可成为烃源岩内油气排驱的驱动力。

然而，砂岩侵入体在改善储层连通性的同时也有负面影响。砂岩侵入体在盖层中出现时，会使其封堵性遭到破坏，造成油气的快速散失，不利于油气保存，有时还会引起与其他储层中的流体串流，进而导致油气藏的损失。

5　结论

（1）西湖凹陷在古近纪先后经历了雁荡运动、瓯江运动和玉泉运动3次大的构造运动，强烈的多期构造活动导致凹陷内形成多种砂岩侵入体构造。在平湖组与花港组中所识别出的砂岩侵入体主要包括大量泥岩碎屑、液化岩脉、泄水构造（碟柱状构造）、液化卷曲变形构造、重荷模与火焰状构造及球-枕状构造。

（2）砂岩侵入体的触发机制复杂且多样，地震与快速沉积负载导致的过压被认为是最典型的2种触发机制。

（3）大型砂岩侵入体的形成需具备3个条件：低渗泥岩中夹有分布广泛而未固结的砂岩；需要一种或多种机理引起的过压；发生地震、断层及火山喷发等突发事件。

（4）砂岩侵入体对圈闭的形成、储层的分布、盖层的性质以及运移的通道都具有一定的影响。砂岩侵入体能够形成侵入圈闭，增加油气藏体积，极大地提高储层的渗透率、连通性以及流体运移速度，所伴随的巨大能量还能够为油气排驱提供驱动力，此外，砂岩侵入体会破坏盖层的封堵性，造成油气的快速散失或流体串流，进而导致油气藏的损失。

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（本文编辑：王会玲）

Sand injectites of Paleogene and its geological significance in Xihu Sag，East China Sea

Huang Lingyu1，Zhang Changmin1，Liu Jiangyan1，Xiang Xiaoling2，Xu Fa3，Hou Guowei3
（1.School of geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.Research Institute of Experiment and Detection，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，Xinjiang，China；3.Shanghai Branch of CNOOC Ltd.，Shanghai 200030，China）

Based on foreign literature and reports，sand injectites were recognized in the Xihu Sag of East China Sea through an analytical comparison of regional tectonic settings and cores.These sand injectites are characterized by abundant of mudstone debris，liquefied sandstone dyke，water escape structure（dish-and-pillar structure），liquefied fold deformation structure，load cast and flame structure，as well as ball and pillow structure.The formation mechanism，corecharacteristicsandgeologicalsignificanceofsandinjectites were simply discussed fromthe aspect of sedimentology. The intrusion of sand can form intrusive traps and improve the porosity and permeability of reservoirs obviously at the same time，and then improve reservoir properties.So it is very important for lithologic reservoir exploration and development to correctly understand and further research the sand injectites.

sand injectites；core feature；Paleogene；Xihu Sag

TE122.2+21

A

1673-8926（2015）05-0074-07

2015-05-06；

2015-07-20

国家“十三五”重大科技专项“深层优势储层形成条件及地质预测技术”（编号：2016ZX05027-02）资助

黄苓渝（1992-），男，长江大学在读硕士研究生，研究方向为沉积学与石油地质。地址：（430100）湖北省武汉市蔡甸区大学路111号长江大学地球科学学院。E-mail：200540052@qq.com

张昌民（1963-），男，教授，博士生导师，主要从事沉积学与石油地质方面的教学与科研工作。E-mail：zxm@yangtzeu.edu.cn。