鄂尔多斯盆地中侏罗统延安组软沉积变形构造特征研究

黄天坤,任战利

(1.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;2.延长油田股份有限公司 勘探开发技术研究中心,陕西 延安 716001)

软沉积物变形构造(SSDS)是沉积物在沉积之后,未固结成岩之前的软沉积物阶段,还处于富含孔隙水的状况下,受差异载荷、重力滑动滑塌、液化和流化等物理作用的影响,所形成的一系列沉积构造。和区域构造运动所形成的构造不同,同生变形构造在纵向上仅限于未受扰动的正常的沉积岩层之间。当前，国内外对软沉积物变形构造的研究涉及到类型识别[1-15]、成因机制和变形过程[16-30]、分类方案[31]等。国内学者将软沉积物变形的成因多归结于古地震成因[32],忽略了软沉积物变形构造的多成因性;对其变形过程和成因分析的深入讨论和实验模拟也较少。在对鄂尔多斯盆地的软沉积物变形构造的研究中，研究对象绝大多数出现在延长组[1,33-37]，鲜有针对侏罗系延安组软沉积物变形研究的文献报导。本研究以延安地区的两处延安组地层露头为研究对象,在侏罗系延安组延7油层组中识别出了不同类型的软沉积物变形构造；结合区域地质背景,对该地区的软沉积物变形构造类型、成因机制及地质意义进行分析。

1 露头描述

1.1 安塞延河露头

地层出露位置地理上位于陕西省延安市安塞区阳光小区旁，北纬36°52′38″，东经109°18′32″，海拔1 053 m±3 m(型号GPS map 621sc)的延河西岸处(见图1)。出露剖面厚度约3.4 m,长度约22 m;岩性以灰黑色泥岩、灰色泥质粉细砂岩夹薄层细砂岩为主;剖面大致随延河，局部走向呈南北向延伸,但出露点向南北两侧近距离范围内,软沉积物变形层位均被后期河道冲刷不复存在(见图2)。其中，沿河岸向北,受第四纪黄土层和植被覆盖的影响,无法追踪观察;沿河岸向南,追踪至约2.5 km处的腰鼓山下,亦未见软沉积物变形构造现象。

1.2 延安裴庄露头

该露头点位于延安市枣园西裴庄村南500 m左右，北纬36°37′31″，东经109°22′35″，海拔1 070 m±3 m的杏子河河岸处(见图1)。整体剖面厚度较大,软沉积物变形层厚约1.8 m,层位位于延6裴庄砂岩段之下的延7顶部,岩性为河漫滩、浅湖及较深湖亚相砂、泥岩。

图1 区域地质和地理位置叠合图Fig.1 Superposition graph of regional geology and geographical location

1.3 露头层位的确定

前人对裴庄杏子河剖面的层位已确定[38-39],本研究主要针对安塞延河剖面进行层位分析。安塞延河露头周围有杏子川采油厂的杏703井和真55井,其处于两者之间(见图1)。杏703井距露头点约2.5 km,真55井距露头点约2.8 km。为确定出露地层的地质年代,本研究利用临近分布的井位及其海拔高程,根据延安组的地层特征、测井响应特征进行地层分层,根据各层的地面海拔和地层出露点的海拔高程进行反推,从而确定出露地层的地质年代。杏703井地面海拔1 318.00 m,真55井地面海拔1 252.00 m。根据已知地层出露点位于真55井和杏703井之间,以及出露点的海拔高程，进行了地层对比和反推(见图3)。两井在延10宝塔砂岩的地层响应特征比较明显,延9至延7沉积特征对比性较好,延6裴庄砂岩亦较为明显(见图3);杏703井的延6地层底部海拔为1 068.70 m,真55井延6地层底部海拔为1 072.80 m;露头位置地面海拔(1 053.00±3.0)m。由此可以确定，安塞延河出露地层为延7中上部地层,和裴庄西杏子河剖面为同时期的延7地层。另外,安塞延河露头和裴庄杏子河露头上覆地层均为延6裴庄砂岩,下伏地层均为厚度较大的泥岩层,中间为软沉积物变形层位,且二者均表现出两期沉积物变形的特征(见图5b，图7)。因此,从地层发育特征推测两处露头层位均为延7后期沉积。

图2 地层露头剖面特征Fig.2 Profile characteristics of formation outcrop

图3 出露地层层位对比图Fig.3 Contrast map of exposed strata

1.4 变形构造描述

1.4.1 安塞县延河剖面 安塞延河剖面厚约3.4 m,近南北走向,长约22 m。其构造特征如下。

1)底部为灰黑色泥岩夹灰色泥质粉砂岩,厚约1.67 m,灰色泥质粉砂岩中可见水平层理。

2)下变形层位:岩性为灰色粉细砂岩,厚约0.50 m,发育大量砂枕砂球构造、液化变形构造、碎裂小揉皱等变形构造。砂枕长度0.2～1.76 m,多在0.6～0.8 m;厚度约0.15 m;砂枕基本平行于上下层面,但断续分布,中间被较细粒的粉砂岩沉积隔离。碎裂小揉皱大小不一,棱角明显,较大的可以见到内部的纹层。另外,还可以见到沉积物液化,孔隙水向上排出所形成的液化变形纹层。

3)未变形层位:岩性为灰色细砂岩,厚度约0.10 m,平行层理发育,横向连续未错断。

4)上变形层位:岩性和下变形层位相近,为灰色粉细砂岩,厚约0.48 m。发育大量的砂球构造,内部见明显的包卷纹层,其横向延伸基本平行于上下层位,但断续分布,中间同样被较细粒的灰黑色粉砂岩隔离;但其厚度约0.22 m,形态上多为砂球形态。本层碎裂小揉皱发育较多,形态与下变形层位相近;但见到一处位于上变形层位底部的平卧褶皱。平卧褶皱长约17 cm,高仅8 cm左右;褶皱层较薄,单层厚度仅3 cm左右,轴面大致呈南倾特征。

5)顶部未变形层位:岩性为灰色细砂岩,厚约0.65 m,表面多被白色盐类化合物覆盖,沉积构造不明显。

图4 安塞延河剖面岩石序列特征Fig.4 Rock sequence profile property of Ansai Yan River

1.4.2 延安裴庄杏子河剖面 该露头软沉积物变形层位位于延6裴庄砂岩之下的延7油层组的顶部地层中。软沉积物变形层位可以划分为两段,下变形层位以砂岩为主,厚度约1.0 m,可见大型负载构造和枕状构造;上变形层位以灰黑色泥质粉砂岩为主,厚度约0.8 m,可见顺层分布的枕状构造,碎裂褶皱发育。

1.4.3 变形构造特征 1)枕状构造(pillows)。枕状构造主要出现在砂、泥互层并靠近砂岩底部的泥岩中,是被泥质包围了的紧密堆积的砂质椭球体或枕状体,大小从十几厘米到几米,孤立或成群作雁行排列。产状上,枕状构造呈“凹”形弯曲它的原始层，平行于枕状体的底面、顶面则是一个平直的截切面[20]。

枕状构造在安塞延河剖面和西杏子河裴庄剖面均可见到(见图5a中的数字标注⑤,见图6),单个枕状体的顶、底面呈现较平直的特征,且总体平行于上下岩层;单个枕状体内部,呈现宽阔的向斜形态,且纹层平行于枕状体的底面(见图6)。总体而言,多个枕状体在横向上断续分布,中间被下伏地层穿刺隔离(见图5a中的数字标注⑤)。因此,枕状构造在本区表现为多个枕状体在横向上断续分布的枕状构造层,表明其成因应该是原始砂层在原地被下伏液化层向上穿刺侵位的结果。

图5 裴庄杏子河剖面变形构造Fig.5 Deformation structure of Xingzi River profile in Peizhuang

2)球枕构造(ball and pillow)与负载构造(load)。球枕构造不同于枕状构造：球枕构造与负载构造共生，其源自负载构造脱离母岩层而向下沉落陷入下伏，在相对较细、较粗的砂层中形成[20-40]。本区球枕构造(见图7b;图5a中的数字标注④)和火焰状构造非常发育(见图7a;图5a中的数字标注① ③,图5b中的⑥)。本区的球枕构造在形态上有球状和枕状两种,被泥质粉砂岩所包裹;球状形态多呈椭圆状,内部可见砂质纹层(见图7a，b);火焰状构造则表现为下伏的泥质粉砂沉积物向上覆的砂质沉积物贯入(图5b中的⑥),甚至穿刺上覆沉积物(图7a和图5a中的①)。前人已经就负载构造和球枕构造的动力机制进行了地震震动模拟实验[17,19],认为厚度大于1 cm的负载构造是地震成因的[6,9],对应的地震震级可能为6.0～7.0级[40]。

图6 安塞延河剖面枕状构造(下变形层位)Fig.6 Pillow structure of Ansai Yan River section

注：a位于下变形层位； b位于上变形层位图7 安塞延河剖面球枕构造和负载构造Fig.7 Spherical pillow structure and load structure of Ansai Yan River profile

震积褶皱多以几乎不发生位移与滑塌体所形成的褶皱来区别[41]。本次观察到的褶皱位于安塞延河剖面的上变形层位底部,紧靠未变形细砂岩层位;其规模较小,长约17 cm,高仅8 cm左右;褶皱层较薄,单层厚度仅3 cm左右(见图8a),形态与Sims(1973)在Van Norman湖中观察到的地震成因的平卧褶皱极其相似(见图8b)。Van Norman湖顶部沉积物发育的平卧褶皱(Recumbent fold),其成因为1971年2月9日的南加州圣费尔南多地震(震级6.6级,震源深度12.8 km)。

图8 安塞延河剖面平卧褶皱与Van Norman湖顶部沉积物中的平卧褶皱比较Fig.8 To compare Recumbent fold between a which is in the Ansai Yan River profile and b which is in the sediments at the top of Van Norman lake

“碎裂揉皱”在安塞延河剖面和西杏子河裴庄剖面均有发现,未见其顺层分布,仅局部发育;其碎裂严重,但有的呈棱角状,有的呈次圆状，大小不等,一般为几厘米至十几厘米;内部纹层清晰,褶皱明显,轴面倾向无规律性(见图5a中②;见图9)。推测其成因为局部较薄的砂岩夹层,受地震液化作用的影响,被周围强液化变形沉积物反复扰动、揉皱变形所致。

图9 安塞延河剖面碎裂揉皱Fig.9 Cracked and crumpled of Ansai Yan River profile

3)液化变形纹层。液化变形纹层多出现在包裹枕状构造、球枕状构造的泥质粉砂岩中,其方向性受液化变形层内孔隙流体的流向所影响(见图5a中的①;见图10);当液化作用较为强烈时,可以见到液化纹层的错断现象(见图10)。

图10 安塞延河剖面液化变形纹层及纹层错断现象Fig.10 Liquefaction deformation lamination and laminar dislocation in Ansai Yan River section

2 成因机制分析

可以引发软沉积物变形构造的因素很多,包括滑塌、液化作用、流化作用等。但前人指出，在未固结的饱含水的砂岩沉积物中,最可能的变形机制是液化作用和流化作用,而流化作用需要有外部流体的供应。液化作用主要由于孔隙流体压力的变化,而地震震动是导致孔隙流体压力增加的一种因素。本研究通过对原始沉积条件、软沉积物变形构造规模和分布范围,以及延安组延7沉积时期盆地周缘活动情况进行分析,认为延7顶部软沉积物变形构造为古地震活动成因。

2.1 区域地质背景

在沉积演化方面受印支运动的影响, 鄂尔多斯盆地在三叠纪末期发生抬升剥蚀, 形成凹凸不平的古地貌背景。 侏罗系富县组和延安组早期延10，延9油层组便是以河流相为主的填平补齐沉积,延8至延7形成于以湖泊三角洲沉积体系为主的湖盆形成阶段,延6以后,构造运动明显加强,发育以河流相沉积为主的湖盆过补偿沉积。延8—延7沉积时期,研究区处于延安期滨、浅湖亚相区,岩性以中—细砂岩和泥岩沉积为主[42]。

构造活动方面,延安组延7油层组为中侏罗世早期沉积。早中侏罗世(190～175 Ma),华北岩石圈处于弱伸展状态,沿阴山燕山构造带发育有正断层和裂谷作用[43-44];鄂尔多斯盆地西南缘和东北缘发生4次凝灰岩喷发事件(179.2 Ma±0.79 Ma,175.2 Ma±2.4 Ma,171.0 Ma±1.0 Ma,168.4 Ma±1.3 Ma)[45]。因此,在侏罗纪早、中期,鄂尔多斯盆地及其周缘存在古火山活动。

2.2 成因及期次分析

软沉积物变形构造不能反映特定的沉积环境，但可确定水动力条件,解释古水流、古气候、古地震事件[21]。软沉积物变形主要有4种成因机制,即液化或流化作用、反密度梯度、滑塌或斜坡失稳、剪切应力,且往往4种机制组合共同作用[30]。其触发因素有4类,一是周期外力,如地震,风浪,特别是风暴成因的风浪;二是脉冲力,如山崩(landslide);三是孔隙流体压力的增加,通常与地下水充注和运动有关;四是液化作用的发生[16]。根据研究区两处软沉积物变形的构造特征、地层序列特征,结合区域地质背景，认为研究区软沉积物变形为古地震活动成因。

1)早中侏罗世,盆地及其周缘存在古火山活动。

2)沉积物粒度较细,易于在外力的影响下发生变形。软沉积物变形主要发生在粗粉砂和细粉砂级别的沉积物中,这种沉积物的高沉积速率、低渗透性、低剪切力使得其更易变形[30]。天然地震时,对地表能造成极大危害的是地震面波。水与砂两者力学性质不同,面波在自由表面传播时,产生的剪切力使富含水的砂层发生液化作用[20]。按照十进制碎屑颗粒粒度分级表,粗砂粉砂级别(0.01～0.90 mm)的软沉积物均具备在外力条件下发生液化形变的可能[46],但粉砂级别(包括细粉砂和粗粉砂,粒径范围0.01～0.10 mm)的软沉积物极易发生液化形变[47]。因此,泥岩沉积物(<0.01 mm)或者粗细砂级沉积物(0.1～0.09 mm)多表现为弱液化作用,粉砂级沉积物(0.01～0.1 mm)多表现为强液化作用。但是，地震强度或外力强度是否会导致强液化层和弱液化层的粒度分布范围的变化,是值得深究的。本地区以湖相滩坝沉积的细砂岩、粉砂岩夹三角洲前缘分流间洼泥岩沉积为主,在古地震的影响下,易发生软沉积物的液化变形。

3)区域分布广泛,且被限定在未变形层位之间。安塞和延安裴庄同一层位的两个地层出露点,直线距离约29 km,均发生软沉积变形构造,且被限定在未变形层位之间。

4)枕状构造有固定层位,且平行于未变形地层,断续分布。枕状构造地震成因的观点被多数地质学家所接受。有固定层位,沿走向在一定距离内分布的枕状构造层应是地层记录中的古地震证据[20]。安塞延河剖面和延安西杏子河裴庄剖面均发育断续分布的枕状构造层,且发现的岩枕宽度达到1 m以上,可以确定是地震成因的。

5)典型的延安组砂岩是富含石英及石英岩屑的长石岩屑砂岩,而在实测剖面资料上,软沉积物变形之上的延6裴庄砂岩存在一套富含喷发岩屑和浅变质岩屑的岩屑砂岩。这一信息和区域构造背景吻合,也表明了这一时期构造活动发生的确切性。

在地震活动期次方面,安塞延河剖面上、下两套变形层位之间夹一细砂岩地层,该细砂岩地层厚度较薄,约10 cm;且在出露剖面中呈现连续、未变形的特征。该特征表明，古地震活动在两次软沉积物变形之间,存在短暂的古地震活动较弱的可能。另外,延安西杏子河裴庄剖面,虽未发现上、下两套软沉积物变形层位之间有连续的未变形层位,但该剖面下变形层位和上变形层位明显不同,也指向两次古地震活动。因此认为，这一时期，研究区发生两次古地震活动。

3 地质意义

延安组地层形成于中侏罗世早期[48]。此时，研究区古地貌呈西高东低的特征,盆地东部以宁武延安为湖盆中心,开阔湖泊稳定发育,盆地西部的冲积三角洲体系总体向东快速推进[48]。该时期发生区域性的地震活动,可能对这一时期的三角洲沉积砂体的分布产生显著的影响,为晚侏罗世到早白垩世的油气成藏提供了物质基础。同时,结合油气运移研究,可以为鄂尔多斯盆地延安组中浅层的油气勘探指明方向。软沉积物变形构造的发现,打破了前人对延安组沉积时期构造活动比较稳定的传统观点,为盆地的油气勘探提供了思路。

4 结 论

1)鄂尔多斯盆地中侏罗统延安组延7地层发育了两套软沉积物变形层位,其代表性的沉积构造包括负载构造、枕状构造、液化变形纹层、微断层等。其中枕状构造和负载构造是主要类型。

2)早侏罗世延7沉积时期,鄂尔多斯盆地发生两次古地震活动,其成因可能与早、中侏罗纪鄂尔多斯盆地及其周缘古火山活动的构造背景有关。

3)软沉积物变形构造的发现,打破了前人对延安组沉积时期构造活动比较稳定的传统观点。延7沉积时期,古地震活动对三角洲沉积砂体的分布产生显著的影响，这可以为鄂尔多斯盆地延安组中浅层的油气勘探指明方向。