鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段重力流沉积特征
2016-01-26钟高润
钟 高 润
(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室， 西安 710069； 2.西北大学地质学系， 西安 710069)
鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段重力流沉积特征
钟 高 润1,2
(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室， 西安 710069； 2.西北大学地质学系， 西安 710069)
摘要：根据重力流的沉积理论，利用岩心、测井等资料，探讨鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段重力流的沉积特征及其成因，并结合试油结果讨论重力流的地质意义。该区重力流沉积物可分为砂质碎屑流沉积物、液化流沉积物、滑塌岩和浊积岩，其中浊积岩最为发育。构造事件、沉积物力学平衡的破坏是形成该区重力流的主要原因，流体性质的变化促使了不同类型的重力流沉积的形成。
关键词：鄂尔多斯盆地； 延长组； 长7段； 重力流； 沉积特征
重力流沉积模式、沉积理论和实验研究是当今沉积学领域的几大研究热点[1]。20世纪40年代对浅海大陆架边缘取心及深海沉积物的研究，证实了深海中重力流和浊流沉积作用的存在[2]。重力流理论也广泛应用在国内的陆相湖盆地质特征研究中[3-5]。目前，国内重力流研究主要集中在以下2个方面：(1)集中于传统浊流理论指导下的滑塌浊积扇、浊积水道沉积特征研究；(2)伴随着致密油的发现，结合重力流最新研究进展，分析国内陆相湖盆深水重力流沉积与非常规油气的关系[6]。
以鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段为例，在35口井岩心观察的基础上，分析重力流的沉积特征和沉积类型，探讨重力流的成因。
1重力流沉积
1.1岩石学特征
通过对鄂尔多斯盆地西南部地区长7段的岩心观察与描述，发现长73段的岩性主要为油页岩和黑色泥岩，长72段 — 长71段的岩性主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩。可见重力流沉积物与深湖相油页岩或黑色泥岩直接接触，常见凝灰质夹层(图1(A))、铁质结核(图1(B))、凝灰质与黄铁矿夹层(图1(C))，可见植物碎屑、鱼类化石、煤线(图1(E)、(F)、(G))。通过分析轻矿物碎屑组分可知：该区常见的岩石类型为长石砂岩、长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩。
1.2重力流沉积类型
基于Shanmugam和Middleton等人对重力流的研究成果和分类原则[7-8]，将该区的重力流沉积分为滑塌沉积、砂质碎屑流沉积、液化流沉积和浊流沉积4类。不同的沉积类型具有不同的沉积构造特征。按照各种沉积物的沉积环境及沉积位置的不同，从三角洲前缘到深湖平原依次为滑塌沉积、碎屑流沉积、液化流沉积和浊流沉积；从下向上依次为深湖平原的油页岩和黑色泥岩、砂质碎屑流沉积和浊积岩沉积。
1.2.1滑塌沉积
滑塌岩是三角洲前缘沉积物的力学平衡被破坏后，在自身重力作用下沿斜坡发生滑动变形的产物。其本质上是由于沉积物液化作用而产生的，支撑沉积物的机制是流体向上运动产生的超孔隙压力[9]。这种异地的液化作用受滑塌作用与液化作用共同影响。块体在滑动过程中，往往形成砂泥岩的变形层理和一些滑塌构造，在泥岩与砂岩的接触面间可见光滑的滑动面。
本区滑塌岩发育的沉积构造有：(1)泥岩的卷曲变形(图1(D))；(2)滑塌体中粒度大小不一的角砾状泥岩撕裂屑(图1(H))；(3)砂泥岩高度混杂(图1(I))；(4)在泥岩和砂岩的接触面之间发育的光滑滑动面(图1(J))。
1.2.2砂质碎屑流沉积
碎屑流具塑性流变性质和多种沉积物复合支撑机制，砂质碎屑流以冻结方式整体沉降[9-10]。研究区延长组长7段砂质碎屑流的沉积物粒径变化范围较大(0.003 9~20 mm)，岩性以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，分选性和定向性很差，粉砂岩和细砂岩以块状结构为主，具有一定的层理特征，发育火焰状构造(图1(K))。在块状砂岩中常有泥砾(图1(L))和泥岩的撕裂屑(图1(M))存在。
图1 鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段重力流沉积特征
1.2.3液化流沉积
液化流是一种介于塑性流体和非塑性流体间的沉积物流，是结构松散的砂液化后具有超孔隙压力支撑的液体流[10]。在重力作用下进行块体流搬运和沉积,发育砂岩香肠构造、砂球构造 (图1(N)、(O))，与碎屑流、浊流沉积共生，研究区的液化流发育在浊流沉积启动初期。
1.2.4浊流沉积
鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段浊积岩中层理类型发育,以块状为主,多见变形层理,平行层理、沙纹层理和水平层理。变形层理和包卷状层理主要发育在泥质粉砂岩和粉砂质泥岩中；沙纹层理主要发育在粉砂岩 — 细砂岩中；水平层理主要发育于泥岩中；槽模、沟模、印模工具模、重荷模(图1(P) — 图1(S))等底层面构造，主要发育在粉砂岩、细砂岩与泥岩的互层段，伴生卷曲变形、裂缝等构造现象。
结合岩石类型、沉积构造、结构特征，发现研究区发育5种类型的鲍马序列组合，即 “ABCDE”、“AB”、“BCD”、“CD”、“AAAAA”(图2)。其中“AB”、“BCD”和“CD”的组合类型主要发育在薄层浊积岩(厚度小于10 cm)中；完整的鲍马序列“ABCDE”主要发育在厚度为30 cm左右的中层浊积岩中；“AAAAA”的组合类型发育在厚层状的浊积岩(厚度大于30 cm)中。
图2 鄂尔多斯盆地西南部延长组长7段鲍马序列特征
2重力流成因分析
重力流是指由沉积介质(流体)与沉积物混为一体并依靠自身重力产生动力搬运的流体[11]，触发机制和较大的斜坡是形成重力流的必备条件。研究区形成重力流的主要成因有：构造事件、沉积物力学平衡的破坏及流体性质的变化。
2.1构造事件
晚三叠世在鄂尔多斯地块西、南缘发生了断裂逆冲，特别是在中三叠世末和晚三叠世初， 随着古特提斯海的扩张，扬子板块向北推挤加剧，封闭了残余的秦岭海槽，因挤压构造负荷引起盆地的挠曲沉降，在其北侧产生了中生代差异沉降盆地，沉积中心偏于盆地南部,使盆地在西缘和南缘发生沉降并在一些地区形成深湖环境[13]。长73段沉积时期是湖盆发展演化的鼎盛时期，全区湖水伸展范围最大，以浅湖 — 深湖相沉积为主，盆地快速沉降，物源供给量少，盆地整体处于沉降速率大于盆地沉积速率的欠补偿环境下，三角洲前缘的陡岸斜坡带发育；从长72到长6时期，沉积水体逐渐变浅，物源供给量增加，盆地处于沉降速率小于盆地沉积速率的补偿环境下，形成了扇三角洲、辫状河三角洲和曲流河三角洲的沉积；长7段沉积时期，盆地从欠补偿环境转化到补偿环境。这种大的区域构造背景为重力流的形成提供了有利条件。
三角洲前缘砂体堆积不稳，在洪水、地震、波浪、地形等外在力触发机制下容易发生滑塌，进而演化为碎屑流沉积和浊流沉积。凝灰岩是印支中期构造活动最直接的产物[14]。凝灰岩夹层(图1(A))在鄂尔多斯盆地西南地区延长组长7地层中频繁出现，表明火山活动和地震作用频发是触发重力流的动力机制；岩心观察发现，裂缝在该区发育广泛，说明构造挤压作用强烈，构造应力场处于动态的调整阶段，易发生重力流沉积；气候潮湿、干旱的周期性变化及水动力条件的周期性变化等因素也为重力流的形成提供了有利的条件。
2.2沉积物力学平衡的破坏
在三角洲不断向前推进过程中，三角洲前缘形成前积式沉积。在平衡状态下，可认为沉积物沿斜坡带滑动时的动摩擦力与静摩擦力大小相等(见图3)，其平衡方程用式(1)表示：
mgsinφ1=μmgcosφ1
(1)
由式(1)推得：φ1=arctanμ。
伴随着持续前积式沉积，沉积界面与地面的夹角φ逐渐增大，当φ>φ1时，根据牛顿定律得出：
ma=mgsinφ-μmgcosφ
(2)
a=gsinφ-μgcosφ
(3)
式中：a— 加速度；
g— 重力加速度；
μ— 动摩擦因子；
m— 沉积物的质量。
若a>0，则三角洲前缘的沉积物就会沿着斜坡向下搬运，发生滑塌沉积。孙其诚和CamPbell等人进行颗粒流动力学研究后发现[15-16]：颗粒流沿斜坡带发生滑动时，μ介于0.4～0.5，因此φ1max
图3 沉积物受力模式图
2.3流体性质的变化
流变学研究的是流体和固体形态物质的流动和变形特征，即剪切应力与剪切应变率之间的关系[18]。流体具有流变特征，因此在流变学上将流体分为牛顿流体和非牛顿流体2类。服从内摩擦定理的称为牛顿流体，不服从内摩擦定理的称为非牛顿流体。在温度不变、流速梯度变化的条件下，动力黏滞系数为常数，剪切应力与剪切应变率之间满足线性关系；非牛顿流体或者剪切应力与剪切应变率之间不满足线性关系，具有一定的屈服强度。当外力大于其屈服力时，非牛顿流体可以向牛顿流体转化。
在构造作用和流体力学平衡被破坏后，沉积物发生滑塌，形成碎屑流沉积。碎屑流沿着三角洲前缘斜坡向盆地中心滑动过程中，部分沉积物不断卸载，依次形成“超高密度流”和“高密度流”。对碎屑流而言，一般沉积物浓度较高。砂质碎屑流体积浓度达25%～95%[19-21]，泥质碎屑流体积浓度达50%～90%[19]。牛顿流体和非牛顿流体的边界体积浓度值一般为20%～25%[19]，宾汉(Bingham)模式能很好地拟合碎屑流的流变模式[22-23]，即碎屑流是一种具有塑性流变或非牛顿流变性质的流体，呈层流流动状态[18-19]。沉积物的支撑机制主要由其塑性流变性质决定，沉积物的塑性流变性质又与屈服强度密切相关。屈服强度包括了黏土 — 水基质产生的基质强度和颗粒碰撞所产生的摩擦强度。其表现形式用库仑公式表示[23]：
κ=c+δtanφ
(4)
式中：κ— 碎屑流的屈服强度；
c— 黏土 — 水的基质强度；
δtanφ— 碎屑流中颗粒之间的摩擦强度；
δ— 沉积物所承受的正压力；
φ— 摩擦角。
在上覆沉积物不断增加，δ值不断增大的情况下，c+δtanφ值在某一时刻超过碎屑流的屈服强度，碎屑流就会从非牛顿流体向牛顿流体转化，形成液化流沉积；当碎屑流完全转化为牛顿流体时，在很小的剪应力条件下流体就会发生流动，形成浊流沉积。这也是鄂尔多斯盆地在坡角整体较小的情况下仍然发育浊积岩的原因。
3结语
(1)鄂尔多斯西南部地区发育的4种重力流类型分别为浊积岩、砂质碎屑流、液化流沉积和滑塌岩沉积，其中浊积岩最为发育。浊流沉积中鲍马序列有“ABCDE”、“AB”、“BCD”、“CD”、“AAAAA”5种组合类型。
(2)构造事件、沉积物力学平衡被破坏和流体性质变化是引起该区发生重力流沉积的主要因素。构造事件从区域上控制着盆地的类型和沉积体系；沉积物力学平衡的破坏为沉积物发生滑塌提供了动力来源；流体性质的变化使得流体从非牛顿流体向牛顿流体逐渐转化，从而形成了不同类型的重力流沉积。
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The Gravity Flow Deposits in Chang Member7 Yanchang
Formation of Southwest Ordos Basin
ZHONGGaorun1,2
(1. State Key Laboratory for Continental Dynamics, Northwest University, Xi′an 710069, China;
2. Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China)
Abstract:This thesis focuses on the analysis of the sedimentary structure characteristics of gravity flow and the factors of gravity flow deposits in Chang member7 Yanchang formation southwest Ordos Basin and combined with the logging data and the result of the oil test it emphasized the petroleum geological significance of gravity flow. The gravity flow deposits of the area can be divided into slump rock, sandy debris sediment flow, liquefaction flow, and turbidite. Tectonic events and the destruction of the balance of sediment mechanics are the factors for the formation of gravity flow, while changes in fluid properties form different types of gravity flow deposits.
Key words:gravity flow deposits; Ordos Basin; Yanchang formation; Chang member7; sedimentary characteristics
文献标识码：A
文章编号：1673-1980(2015)03-0005-05
中图分类号：P618
作者简介：钟高润(1990 — )，男，西北大学在读硕士研究生，研究方向为测井资料处理与解释。
基金项目：中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“鄂尔多斯盆地致密油勘探开发关键技术研究”(2011E-2602)
收稿日期：2014-07-20
