苏北盆地高邮凹陷戴南组震积岩特征及其石油地质意义

刘建宁，董桂玉,2，王兵杰，张琳婷,2，霍少川，曹玉鹏，彭凯，冷春鹏 ,2

1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063000 2.华北理工大学剩余油—提高采收率实验室，河北唐山 063000 3.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏扬州 225009

0 引言

1969年，A. Seilacher认为美国加州地区中新世具有递变断裂的蒙特里页岩是由断层活动引发地震而造成的，并首先提出用“seismites”来表示这些岩层[1]，龚一鸣[2]将其翻译为“震积岩”，国内很多学者一直沿用“震积岩”来作为“seismites”一词的翻译。冯增昭等[3]提出英文“seismites”应该译为“地震岩”，并定义地震岩为真正由地震引起的软沉积物变形构造的岩层，这与震积岩是有区别的，并认为“震积岩”是误译术语，若继续使用的话需重新定义。本文继续使用“震积岩”这个名词，并采用由地震和沉积作用共同引起的具有软沉积物变形构造的岩层做为震积岩的定义[4]。国内对地震事件的研究最早见于朱海之等[5]对史前古地震剖面特征的描述。之后，宋天锐[6]对北京十三陵地区前寒武系地震—海啸序列的研究及葛宝勋等[7]对河东煤田石炭系含煤岩系中震积岩的研究，称得上是国内最早专门针对古老地层中震积岩的研究，揭开了国内研究震积岩的序幕。而后二十多年间震积岩的研究取得丰硕的成果，这其中具代表性的有乔秀夫等[8]、杜远生等[9]学者对海相地层震积岩特征和序列的研究，吴贤涛等[10]对陆相湖盆震积岩的研究。而近些年来，许多学者依据钻井岩芯资料研究震积岩特征，并与盆地构造、油气储层等联系讨论，对于陆相断陷湖盆中震积岩油气地质意义的研究取得了新的进展[11-20]。

苏北盆地高邮凹陷目前已进入了高成熟勘探阶段，长期以来，高邮凹陷戴南组主要针对构造圈闭进行勘探，随着高邮凹陷油气勘探的深入，探明程度越来越高，发现构造圈闭的难度也越来越大。但江苏油田高邮凹陷隐蔽油气藏勘探不断取得新的勘探成果，展示了深凹带隐蔽油气藏具有一定的勘探潜力[21]。高邮凹陷戴南组沉积时期构造活动强烈，地震频发，而这些古地震事件对于沉积物的影响和改造不可避免的会对油气储集和运移产生深远的影响。在戴南组岩层的钻井取芯中发现了大量地震发生的证据，为戴南组震积岩研究打开了新的一页，这很有可能为研究区隐蔽油气藏的勘探与开发提供新思路。

1 区域地质概况

苏北盆地高邮凹陷是苏北南黄海盆地的陆上部分中的一部分，高邮凹陷是苏北盆地中沉降最大，构造最复杂，油气产量最多的凹陷；高邮凹陷古近系戴南组形成于阜宁组不整合面之上，经历了三次较大的构造运动，包括仪征事件(83 Ma)、吴堡事件(53 Ma)、三垛事件(37 Ma)，这三次事件分别是断—坳阶段(K2t-E1f4，83.0～53 Ma)、断陷阶段(E2d1-E2s2，53～23.5 Ma)、坳陷阶段(Ny1-Ny2，23.5～11 Ma)的时间节点，其中仪征事件奠定盆地的基础，仪征事件至吴堡事件的20 Ma是戴南组地层发育的时期。戴南组沉积时期高邮凹陷受郯庐断裂走滑拉分活动的影响，呈现出南陡北缓的构造格局，断层错综复杂，断块支离破碎，因而获得“地质家的考场”之称(图1)。

2 震积岩构造及特征研究

古地震是依据地层中保留的沉积物变形记录而确定的[22]，戴南组地层所取岩芯中，一些沉积构造用经典的沉积学、构造学理论无法给出解释，通过比对前人对震积岩的描述，在高邮凹陷戴南组的钻井取芯中识别出了震积岩。所谓震积构造是指在地震能量释放过程中和过程后直至接受正常沉积前对沉积岩(物)产生的改造，广义上震积岩主要包括原地震积岩(狭义震积岩)、地震引发海啸(津浪)形成的海啸岩以及地震引发重力流形成的震浊积岩3种类型[22]。震积岩是事件作用改造沉积物的结果，具有独特的变形特征。软沉积物液化、挤压构造，固结或刚性沉积物的脆性变形构造等。在构造活动频发的戴南组中，地震对沉积物的改造作用必然会在沉积岩中有所记录。

地震周期通常包括强震期，衰退期两个阶段，各个阶段对沉积物的改造作用各不相同，强震期主要产生的是震动成因的构造，而衰退期主要形成震—浊积岩构造。在参考了乔秀夫等人的研究成果，将沉积物变形构造划分为磨拉石建造(磨拉石堆积与浊积岩)，软沉积物变形构造，脆性变形构造三部分[22]。由于磨拉石建造部分的尺度巨大，需要大幅度野外地质露头等资料的支持，本论文主要就后两部分，从岩芯观察的角度进行详细阐述。

根据鄢继华等[23]对震积构造的模拟以及前人对震积岩垂向序列研究[24]，软沉积物变形主要可以划分为重力垮塌、液化变形(是强剪切力诱发软沉积物液化变形，形成复杂多变的各种变形体)和液化挤压(挤压力使软沉积物变形，但软沉积物本身并未产生强液化作用)，以及脆性变形(拉张力)，它们在空间(平面)和时间(剖面)上都能形成连续的震积序列。本次研究为了寻求一种简易有效且不易混淆的震积岩构造及分类，在综合采纳前人研究成果的基础上，根据震积岩识别尺度将震积岩划分为大尺度和小尺度进行分类研究。这两大类的划分主要视其规模的大小，所谓大尺度即乔秀夫等提出的磨拉石建造，其余为小尺度。通常小尺度在露头、岩芯上均能进行良好识别，进而在力学机制上按照重力、液化挤压力和拉张扭曲力的力学特征对震积构造进行划分，即前人提出的软沉积物液化挤压变形构造和脆性变形等构造。

图1 苏北盆地高邮凹陷构造要素图Fig.1 Tectonic elements of Gaoyou sag in northern Jiangsu Basin

2.1 震积构造

2.1.1 液化、挤压变形构造

在研究区戴南组岩芯资料中，发现了大量此类构造，它们具有不同于正常沉积的特征，揭示了压力作用下，液化物相互切入和穿插的应力释放特征。在戴南组岩芯中观察到液化变形构造有液化砂泥岩脉、液化角砾岩、震褶岩等液化变形现象。

(1) 液化砂岩脉

液化砂岩脉是一种在砂、泥岩互层沉积物中发育的不规则状砂岩脉向上刺穿围岩形成的液化变形构造。其特征是岩脉规模大小不等，通常0.5～3 cm宽，数厘米至十几厘米长。液化砂岩脉是粉砂等富含水沉积物在震动作用下液化，同时受上覆沉积物重力挤压，穿透了上覆层系进行泄压产生的；切穿的围岩随液化砂岩脉一起发生拖曳弯曲，破坏已形成的水平、平行的层状结构，相当于乔秀夫等[22]提到的液化泄水里的液化脉构造。剖面上砂岩脉呈现出复杂的、不规则弯曲的空间几何形状，中部由于压力排泄不畅而膨大，向上端泄压后变细、随之尖灭，并且具有普遍的分叉现象(图2a，b)。

(2) 液化角砾岩

液化角砾岩是震积岩中液化泄水构造的一种，是液化变形过程中形成的复杂多变的变形体，其特征是液化过程中砂岩体强烈变形，使得原有沉积构造发生了变化，密集的液化砂岩脉穿刺围岩形成的角砾岩或砾岩，破坏了原有的层理，在岩层中显示出独特的几何形态(图2c，d)，它是一种原地形成的角砾岩。照片所示角砾岩即由下伏砂层液化泄水成砂岩脉向上穿插薄层灰黑色泥形成角砾构成的“液化角砾岩”。

(3) 震褶岩

这类变形构造称为液化卷曲构造[9]，指液化变形中薄层、条带状岩层或具纹层的沉积层中软沉积物发生卷曲变形，而上覆、下伏层未受影响的构造，区别于构造、滑坡等成因的卷曲构造(通常遵循力学原则)，地震成因的卷曲变形其褶皱轴面则是无序的(图2e，f)。

(4) 枕状层

高邮凹陷戴南组观察到的枕状层特征明显，它们是负载构造的一种，形成了枕与枕之间被向上液化底劈穿刺的液化沉积物(砂、粉砂)分割形成的，通常认为枕状层是密集的负载构造，是负载构造的一种表现形式。其特征是密集的负载连续下沉，通常该构造的上部还有负载构造的残余部分(图2g，h，i)。

(5) 环状层理

环状层理是一组纹层岩石组成的环状构造，是未固结的岩体受到震动作用挤压下产生的变形构造，这种构造的形成机制类似于香肠构造(图2j～k)。

2.1.2 脆性变形

该类构造是硬岩层及弱固结的沉积物在拉张作用力下在原地产生的变形构造，研究区主要识别出粒序正断层、震裂岩、自碎角砾岩和内碎屑副角砾等构造。

普遍认为，粒序正断层是脆性岩体发生的拉张断裂，据前人研究，粒序正断层(又称阶梯状正断层)的形成可能是沉积物在震动液化后期，沉积物泄水后，沉积物体积压缩，内部颗粒重新调整的结果，其成因并不完全出于脆性变形，跟液化变形有密切联系，区别于构造活动产生的生长断层，它们具有自己的优选优势方向，往往不同于区域地质应力方向(图3a，b)。

此外，如震裂岩(图3c，d)、自碎角砾岩(图3e，f)、内碎屑副角砾(图3g，h)，是硬岩层在地震过程中原地发生破裂后埋藏成岩形成的，震裂岩最常见的特征是层内无序的微裂缝，是未固结和软固结的岩层在猛烈的大地震动下发生原地破碎而形成的构造；自碎角砾岩是在强烈的震动作用下原有的沉积层发生破碎，震碎的块体原地堆积形成的，破碎后的沉积物多是顺层排列，位移不明显，保留原始破碎棱角和相邻的破碎块体形状吻合可以拼凑的特征；内碎屑副角砾是地震作用下，未完全固结的岩层发生破碎，并发生一定距离的迁移形成的。

2.2 震积序列

前人对于震积岩垂向序列研究已经取得非常丰硕的成果[25-26]，不同的盆地构造和沉积物物性以及地震震级都会影响震积岩的垂向序列分布。在前人研究基础上，结合研究区沉积构造特征，观察岩芯等资料，发现了大量前人总结的地震事件沉积构造，但是在单井岩芯垂向上的观察中很难总结出前人提到的完整的序列，大多数是1～3个左右序列组合。对比研究区的构造特征发现北部缓坡带距离断裂带较远，构造特征相对来说比较简单，震积构造单一。而南部断阶带断层错综复杂，坡度较陡，油气藏分布杂乱，故选取了靠近南断阶带的井作为联井分析的依据，建立了区域性的联井序列，通过地层对比和震积岩特征组合分析，可以从一个区域的岩芯实例为依据，然后连接其他区域的目标井，得出相对符合研究区实际的震积岩垂向序列。如下图是两条联井剖面，一是以联盟庄地区的三口井联26井、联27、联28为中心，并沿着断阶带延伸选取了富54井和黄18井作为目标井，二是沿着汉留大断裂延伸到吴堡断裂带选取了井马14、联26、富23和周26(图4右下角所示)，以其岩芯实例和联井地层对比为依据刻画出联井序列(图4)。底部为脆性变形形成的阶梯状小断层，在此之上的是震皱岩、枕状层、环状构造等液化挤压变形构造，顶部是震塌岩和自碎角砾岩等原地破裂构造。

图2 高邮凹陷震积构造液化挤压变形实例a.马25井，液化砂岩脉；b.联26井，液化岩脉；c.联12井，液化角砾岩；d.马14井，液化角砾岩；e.富23井，震皱岩；f.富35井，震皱岩；g.马19井，枕状层；h.联26井，枕状层；I.曹20井，枕状层；j.富35井，环状层理；k.联28井，环状层理Fig.2 Examples of liquefaction extrusion deformation of seismites rock in Gaoyou sag

为了力求对研究区震积岩序列刻画的更为精确，笔者在联井序列的基础上，对比分析了一些相对完整的单井序列，结合单井的区域位置特征，最终得出符合研究区地震事件沉积规律的震积岩垂向序列。图5是选取了不同区块中震积岩特征相对具有代表性的三口井，对其单井序列进行了刻画。

总结前面的研究，得出了研究区的震积岩垂向序列。除去底部未震层A，序列B主要是拉张力引发的阶梯状断层，序列C是硬岩层在地震过程中原地发生破裂后形成震裂岩和自碎角砾岩，序列D主要是由振动引起的液化、挤压变形构造。序列E主要是重力作用下引发的重荷变形和负载构造，序列F为顶部重力流沉积，观察研究区的岩芯实例原地震积构造顶面普遍存在碎屑流和少量的浊流沉积构造，是在地震作用激发下形成重力流沉积(图6)。

图3 高邮凹陷震积构造脆性变形实例a.富82井，2 833.85 m，E2d12，阶梯状小断层；b.永4井，2 713.43 m，E2d12，阶梯状小断层；c.永4井，2 715.83 m，E2d12，震裂岩；d.曹34井，2 795.69 m，E2d12，震裂岩；e.周26井，2 681.43 m，E2d12，内碎屑副角砾岩；f.富82井，2 741.13 m，E2d25，内碎屑副角砾岩；g.富82井，2 741.23 m，E2d25，自碎角砾岩；h.黄18井，2 327.82 m，E2d11，自碎角砾岩Fig.3 Examples of brittle deformation of seismites in Gaoyou sag

图4 高邮凹陷戴南组震积岩联井序列图Fig.4 Example of united wells segregation sequence in Dainan Formation of Gaoyou sag

图5 高邮凹陷戴南组单井震积序列实例Fig.5 Example of single well segregation sequence in Dainan Formation of Gaoyou sag

3 研究区古地震事件油气意义

戴南组沉积时期高邮凹陷受郯庐断裂走滑拉分活动的影响，呈现出南陡北缓的构造格局，断层错综复杂，断块支离破碎[27]。而断层及断层活动引起的地震事件是隐蔽油气藏的主要控制因素之一。戴南组是研究区主要的油气开发层位，这一时期的地震活动及其引起的沉积物变形，对油气圈闭的形成必然起着重要的作用，所以说古地震事件研究是油气勘探与开发过程中非常必要的一环。笔者在综合前人对于震积岩油气地质意义研究成果的基础上，结合研究区油气藏的实际勘探情况，从油气的运移、储集、封堵三个方面对古地震事件沉积的油气地质意义进行系统研究。

从油气运移意义上来说，研究区戴南组不具备烃源岩条件，为它源油气藏，必须依靠下伏阜宁组的烃源岩提供油源，由于储集层和烃源岩分属两个不同的二级层序，油气进入圈闭必须要有沟通烃源岩和隐蔽圈闭的途径。通过对研究区已知油藏的解剖分析，认为古地震过程中形成的深大断裂(大断层)是其主要的沟通途径之一(图7)，而断裂附近位置震动最强烈对沉积物的改造也最明显，在岩芯的观察过程中也发现大断裂附近的震积岩发育更丰富，地震作用产的震裂岩层、阶梯状小断层等破裂构造沟通岩层的原有空隙，使其渗透率增加，配合以深大断裂构造形成良好的油气运移通道(图8A)，如图7所示可以看出研究区含油气区块沿断层分布的规律性比较明显。

对于油气储集来说，震裂角砾岩可以成为较好的储集岩体[28]，研究区的隐蔽油气藏是以发生地震的断裂系统为中心，形成向两侧储集岩体尖灭的岩性圈闭(图7)，断裂引起的古地震事件可能是其形成的因素之一，因为沿着断层附近形成了震裂岩，提高了砂体储集性能，研究区内含有震裂构造的岩芯物性特征分析的结果证明，其更有利于油气成藏，油层中有震积构造的岩石取芯中发现了丰富的油气显示。研究区深凹带发育的透镜体圈闭(图7)，是在古地震激发下形成的重力流将砂体推向盆地深处，包裹于泥岩中形成的砂岩透镜体。在研究区常规圈闭勘探程度非常成熟的前提下，这些古地震作用下形成的砂体将为进一步勘探找油提供理论依据。

同样古地震作用下的断层对油气藏的封堵作用是研究区油气藏能够沿断层呈条带状分布的主要原因之一(图8B)，而地震剪切作用引起的沉积物改造过程，也有可能使沉积物重新排序加密[16]，可形成良好的岩性封堵层。

图6 高邮凹陷戴南组震积岩序列Fig.6 Sequence of seismite in Dainan Formation in Gaoyou sag

图7 高邮凹陷E2d隐蔽油气藏成藏模式图(江苏油田地质科学研究院，2007)Fig.7 Reservoir pattern of subtle reservoirs in Dainan Formation, Gaoyou sag

图8 高邮凹陷断裂带油气藏运移与封堵示意图Fig.8 Schematic diagram of migration and blockage of oil and gas reservoir in Gaoyou sag fault zone

4 结语

在观察研究区戴南组岩芯过程中，发现了大量的古地震事件沉积构造，这其中既有硬岩层脆性变形和软沉积物液化、挤压原地变形，又有古地震作用激发下形成的滑塌砂体、碎屑流(砂质碎屑流、泥质碎屑流)和浊流等一系列沉积现象。这些发现说明了频繁的构造运动和地震活动对研究区戴南组沉积时期的沉积岩层的形成，有很明显的影响。

古地震作为一种瞬时—频发的灾害性地质作用过程，其对沉积地质体进行改造的过程，都有可能对油气地质情况造成影响。研究区内古地震过程所形成的破裂、断层是油气运移的主要通道，断层附近的沉积体在地震作用下物性发生改变，可使之成为良好的油气圈闭，例如研究区内马—联地区油藏发育很多沿断层附近分布的窄条带状油气圈闭。而研究区深凹带内的透镜体圈闭，很可能是在古地震作用激发下形成的沉积物重力流将砂体推向盆地深处，包裹于泥岩中形成的砂岩透镜体，这将成为凹陷进一步勘探，寻找有利岩性油气藏的新战场。

构造运动影响着研究区构造坡折带发育状况，而大地震动必然是砂体运移的重要驱动力，通过对震积岩分布规律的系统研究，可以预测古地震作用强度，进一步结合研究区盆地构造模式和断层活动作用影响下的“梁沟坡”类型，则能更准确地预测出局部的砂体分布，再结合烃源岩的具体分布情况，是不是可以提供找隐蔽油气藏的新思路？