济阳坳陷惠民凹陷沙三段地震事件沉积特征及地质意义

刘建宁，何幼斌，王 宁，顾志翔，郝 烃，刘亚伟

（1.长江大学地球科学学院，武汉 430100；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉 430100；3.中联煤层气有限责任公司研究院，北京 100000；4.渤海钻探工程有限公司井下作业分公司，河北沧州 062550）

0 引言

沉积地层中地震事件记录的研究始于20 世纪60 年代末，Seilacher［1］于1969 年提出，美国加州地区中新世页岩层中一些特殊沉积构造是同时期的地震事件造成的，并首次用“seismites”来表示这些岩层；此后地质学家们开始关注古地震事件对沉积物的影响。20 世纪80 年代，“Marine Geology”期刊出版了一期关于“地震与沉积作用”的专辑，首次对地震事件沉积作用进行了系统的总结［2-3］。同时期国内地质学者也开始关注地震沉积事件研究，龚一鸣［4］将“seismites”引入国内并翻译为“震积岩”，此后，关于地震事件沉积的研究得到了迅速发展。20世纪90 年代国内外地质学者［5-9］将研究的重点集中于不同沉积背景下地震变形岩层的特征和组合规律上，这些成果的发布为以后地震事件研究奠定了理论基础。21 世纪以来，地震事件研究进入多元化发展阶段，具代表性的成果包括：根据地震变形岩层的特征研究断裂活动［10-11］；根据地震触发的软沉积物变形特征分析构造演化过程中沉积环境的变化［12］；以地震事件沉积变形层和古生物遗迹化石为依据研究古地震事件对于古生物活动的影响［13］；喜马拉雅地区现代地震对于现代沉积物影响的研究为古地震事件研究提供了一个“将今论古”的范例［14-15］；可利用岩心资料、地层数据、成藏类型等分析含油气盆地中地震事件对油气成藏的意义［16-21］。

惠民凹陷位于济阳坳陷的西部，是济阳坳陷的一个次级构造单元。沙三段沉积时期惠民凹陷断层活动强烈，且多为同沉积断裂［22］，断层对于区域内沉积演化和油气成藏都有较强的控制作用［23-24］，断层活动的同时往往伴生强烈的地震活动。因此，古地震事件对沉积演化和油气藏的影响是不容忽视的。关于研究区震积岩特征已有文献报道［25-28］，其研究重点主要是地震作用下的软沉积物变形特征和震积构造组合特征。本文在上述研究基础上，着眼于研究区构造运动背景，探讨沙三段沉积期的地震事件对沉积演化和油气成藏过程的控制作用，以期为惠民凹陷震积岩油气勘探提供借鉴。

1 区域地质概况

图1 济阳坳陷惠民凹陷位置与断裂发育简图Fig.1 Location and fracture development of Huimin Sag in Jiyang Depression

济阳坳陷惠民凹陷为华北地台上的中、新生代断陷盆地。南部以齐河广饶断裂为边界，与鲁西隆起相接，北部以基山—郑店断裂为边界，与埕宁隆起相接（图1），东部是东营凹陷，西部为萃县凹陷。惠民凹陷由7 个构造单元组成，包括临南、滋镇、阳信、庙北和里则镇等5 个次洼，以及中央隆起带和南斜坡带，东西长约130 km，南北宽为35～70 km，面积约7 000 km2。凹陷内共发育北东向、棋盘格式和轴状3 种断裂体系，其应力场在某些区域发生了叠合，从而形成了现今复杂的构造形态。

2 震积岩构造特征

震积岩是指发育由地震引起的软沉积物变形构造的岩层［29］。Shanmugam［30］曾发表一篇名为“The seismite problem”的论文，引发了国内外地质学者对“地震引起软沉积物变形岩层”命名的讨论。一种观点认为，应该用“地震岩”代替“震积岩”，因为二者代表的地质意义存在差异，地震岩包含震积岩，其定义的范围更大［31-33］；另外一种观点认为，用“震积岩”来表示这些岩层已经沿用多年，已为广大地质学者们所接受，且地震岩容易引起歧义，例如地震影响下的火成岩和变质岩也属于地震岩，而震积岩的概念更精炼，不应该修改［34-36］。本文继续使用“震积岩”一词，以“真正由地震引发的同沉积变形构造岩层”作为震积岩的定义。

岩心观察显示，惠民凹陷沙三段地层中软沉积物变形特征明显，变形构造十分发育，与正常沉积构造特征差异较大，综合分析认为古地震事件是研究区软沉积变形的触发因素，主要有以下3 个方面的证据：①惠民凹陷沙三段沉积时期断裂活动强烈，频繁的构造运动造成该沉积时期古地震事件频发［22］；②地层中软沉积物变形构造发育，组合特征丰富多样，除了古地震事件以外，没有任何一种触发因素被证明能够造成如此多种类的软沉积物变形构造；③研究区内的软沉积变形构造受断裂控制，在主断裂的附近区域因其受地震强度更大，变形特征也更加复杂。综上所述，研究区沙三段软沉积物变形构造为震积岩。乔秀夫等［37］将震积岩分成3类：①大尺度的硬性岩石构造，例如劈开山体、崩落石块等；②以液化、挤压为主的沉积物塑性变形构造；③小尺度的硬性岩层在地震作用下发生破裂，形成的脆性变形构造。因本次研究的样品主要来自于钻井岩心，所以大尺度的变形构造无法获得。

2.1 脆性变形构造特征

脆性变形构造是已固结或者弱固结的岩石，在较强烈的地震作用下发生机械破碎后，原地成岩的变形构造。惠民凹陷沙三段震积岩发育的脆性变形构造主要包括阶梯状断层、自碎角砾岩、震裂岩等。自碎屑角砾岩是一种常见的脆性破裂构造，是岩层受到地震波冲击后发生原地破碎、再沉积而成，大部分保留破碎时的棱角，使其具有可大致拼接成一个完整块状的特征［图2（a）］。震裂岩是已固结岩石在强震作用下发生破裂而形成的构造，一般形成于地震作用较强的条件下，此类构造多发育于主断裂带附近［图2（b）］。阶梯状小断层又可称为粒序正断层，是脆性岩层在拉张力的作用下发生断裂的一种构造［图2（c）］，不完全是脆性变形的结果，跟液化变形也密切相关，研究区内的阶梯状小断层常与液化变形构造伴生。沉积物在震动液化泄水以后，体积会发生收缩，内部颗粒粒序发生变化，也可形成阶梯状小断层。鄢继华等［38］在模拟震积岩形成的水槽实验中，见到未固结的沉积物中形成了阶梯状小断层，表明该类构造与液化变形有关，并不是完全的脆性变形构造。这些变形构造的发育表明惠民凹陷在沙三段沉积时期发生了较强的地震作用。

图2 惠民凹陷沙三段震积岩脆性变形实例（a）S67 井，2 511 m，自碎屑角砾岩和震裂岩；（b）S67 井，2 511.2 m，震裂岩；（c）S13-107 井，2 438 m，阶梯状小断层Fig.2 An example of brittle deformation of seismites of Sha 3 member in Huimin Sag

2.2 塑性变形构造特征

惠民凹陷沙三段的塑性变形构造十分发育，其形成机理是地震作用下未固结的沉积物发生液化作用，并发生相互挤压、穿插流动等。该类构造主要包括液化砂岩脉、揉皱层理、枕状层、火焰状构造等。液化岩脉的形态多样，既有液化的砂岩刺穿泥质围岩而形成的液化砂岩脉，也有液化的泥岩刺穿砂质围岩而形成的液化泥岩脉。脉体宽通常为0.5～6.0 cm，长数厘米至十几厘米，形态特征以条带状和肠状较为常见［图3（a）—（b）］。揉皱层理也称震褶岩，是地震作用触发下的弱固结岩层发生液化卷曲变形后再固结成岩，从而形成的一种特殊变形构造［图3（c）—（e）］。火焰状构造是在地震作用下，底层的泥岩在砂岩差异性的负荷力作用下发生挤压变形，从而形成的类似火焰状的构造［图3（f）—（g）］。液化角砾岩是指相邻的不同岩性层在受到地震作用时，其沉积物液化后互相穿插形成液化斑块，具角砾状且可大致相互拼接成一个整体的形态特征［图3（d）］。

图3 惠民凹陷沙三段震积岩液化塑性变形实例（a）液化砂岩脉，S13-351 井，2 492 m；（b）液化砂岩脉，S13-351 井，2 540 m；（c）揉皱层理，S13-351 井，2 581 m；（d）液化角砾岩，S13-107 井，2 437 m；（e）揉皱层理，S13-351 井，2 486 m；（f）火焰状构造，S13-107 井，2 436.8 m；（g）火焰状构造，S67 井，2 509 m；（h）液化角砾岩，S13-107 井，2 437 m，与（d）为同一视域Fig.3 Examples of liquefaction extrusion deformation of seismites of Sha 3 member in Huimin Sag

2.3 震浊积岩

地震不仅能触发软沉积物变形构造，还可以对各种流体造成影响。岩心观察结果显示，震积岩上覆的岩层中存在浊流沉积层。研究区S13-351 井［图4（a）］和S67 井［图4（b）］均发育震积岩序列，与地震扰动层共生的震浊积岩构成研究区内浊积砂体的主体。

图4 惠民凹陷沙三段震浊积岩实例（a）震浊积岩，S13-351 井，2 539 m；（b）震浊积岩，S67 井，2 506.5 mFig.4 Examples of seismoturbidites of Sha 3 member in Huimin Sag

3 震积岩分布特征

震积序列可反映一个区域内震积岩的发育特征。Seilacher［1］通过对美国加州地区中新统蒙特里页岩进行研究发现，岩层中的一些变形构造为地震事件形成，并划分出了4 个序列，分别为液化均一层、破碎层、破裂层和未震层。学者们对于惠民凹陷沙三段的震积序列做过详细研究［26-27］，这些研究成果对现今的勘探具有重要的启示作用。震积岩中微构造的发育受多种因素的影响，包括地震强度、沉积物的成岩状态、沉积时的地形坡度、埋藏深度和岩性组合特征等。断裂带附近因地震强度较大，沉积物受到的影响较强烈，不同震级形成不同类型的变形构造［39］。沉积物所处的地形位置和成岩状态也是影响沉积物地震响应的重要因素，其中地形位置决定了沉积物受震时所处的坡度和水体环境，当地震发生时，不同坡度产生的势能差异可形成不同的变形特征。

3.1 单井垂向特征

同一期次的地震作用对沉积盆地中各区块形成的震积构造可能存在巨大差异。通过对惠民凹陷沙三段3 口不同位置井的岩心资料进行分析，可以发现垂向上均具有连续的沉积序列，但由于3 口井的位置不同，其垂向序列差别较大（图5）。

图5 惠民凹陷沙三段不同构造位置的单井震积序列Fig.5 Single well seismices sequence at different structural locations of Sha 3 member in Huimin Sag

S13-107 井位于中央隆起带，紧邻二级断裂临商断层，受震强度较大，震积岩组合类型多样。单井上可以分成4 个震积构造序列：底部序列D3是固结程度较好的沉积层，在强震作用下形成脆性拉张的阶梯状小断层；序列C3是液化角砾岩，半固结的沉积物被震碎后在一定的液化作用下形成角砾岩；序列B3是阶梯状断层，与鄢继华等［34］水槽模拟实验中所得到的震积岩类似。震积岩中阶梯状断层可以根据其成因分成2 类：一类为固结程度较好的岩层在强震作用下形成的脆性拉张断裂，也可称之为脆性阶梯状小断层，即序列D3，而序列B3和水槽实验中的未固结沉积物经液化拉伸而形成的错断为液化阶梯状小断层；序列A3是地震液化挤压形成的液化岩脉。

S67 井位于中央隆起带的边缘位置，附近发育一个三级断裂，震积序列比S13-107 井简单，可分为4 个序列：A2和B2分别是液化岩脉和火焰状构造，二者也可划归为同一序列，为液化变形构造层；C2为固结程度较高的岩层在强震作用下形成的自碎角砾岩，是一种脆性变形构造；D2是震裂层，为强震作用下形成的破碎构造。S67 井紧邻的震积构造顶端发育浊流沉积，为震浊积岩，其形成受控于其所处的中央隆起带边缘位置，具有一定的坡度，地震激发下形成了重力流。

S13-351 井紧邻四级断裂，震积岩组合相对简单，垂向上可划分为3 个序列：序列C1为塌陷构造，震碎块体沉降于下伏液化砂体中而成；序列B1是弱固结岩体受地震挤压而形成的震皱和塌陷构造，这个塌陷构造与C1的区别是岩层的固结程度较低，带有一定塑性特征；序列A1是液化揉皱层和液化岩脉变形层。S13-351 井处于中央隆起带边缘，顶部发育地震触发形成的震浊积岩层。

3.2 地震事件沉积模式

通过对不同构造位置的震积岩特征进行分析，结合研究区的沉积相带划分［40-41］，建立了研究区地震事件沉积模式（图6），可以更清晰地看出震积岩的发育与构造位置的对应关系，对研究地震事件沉积的地质意义和油气勘探意义具有指导作用。依据古地理位置以及与震源距离，惠民凹陷沙三段的震积岩主要发育于以下4 个区域（图6）：①近震源平缓区，无明显坡度且距离震源比较近，沉积物垂向上具有“下部发育已固结岩层的脆性破裂构造、中部发育液化扭曲形成的塑性变形构造、顶部未固结沉积物发育均一液化构造”的变化特征。②主震区，紧邻断裂带区域，发育各种破碎构造，具有“破碎深度大、范围广、破碎严重、类型丰富”等特征。③近震源坡度区，地形上具有一定的坡度，底部固结岩石发育一定的脆性变形构造，中部的液化构造以拉伸和滑塌构造为主，顶部未固结沉积物易发生迁移。④远震源平缓区，距离震源较远且坡度平滑，受震强度弱，地震作用对深层且已固结沉积物产生的影响有限，但对表层未固结沉积物会产生均一液化压实作用。远震源平缓区多分布于半深湖—深湖。

图6 惠民凹陷沙三段地震事件沉积模式（a）近震源平缓区；（b）主震区；（c）近震源坡度区；（d）远震源平缓区；（e）滑塌砂体；（f）浊流砂体Fig.6 Sedimentary pattern of earthquake events of Sha 3 member in Huimin Sag

4 古地震事件的地质意义

古地震事件通常是由现今岩层中的变形构造来推断，但地震事件对沉积过程的影响并不仅局限于触发同沉积变形构造，而且会对整个沉积过程产生影响。在含油气盆地的演化进程中，构造运动扮演着重要角色，其形成的构造油气藏是现今油气勘探的重要内容，构造油气藏的形成离不开构造运动，而地震事件往往与构造运动相伴生，因此，地震事件对于油气成藏具有重要影响和控制作用。

4.1 对构造活动的指示作用

惠民凹陷沙三段沉积时期，断裂活动十分强烈，不仅控制凹陷内的沉积演化，而且控制大多数圈闭的形成与演化。因此，准确分析该时期断层的活动时间和强度对于油气勘探具有重要意义。与断裂活动伴生的地震事件可作为断裂活动研究的依据之一。以研究区临商断层为例［22，42］，沙三段沉积时期，该断裂活动强度达到了顶峰（图7），S13-107井紧邻临商断层，其沙三段岩心中发育丰富的震积构造，与临商断层的活动期相吻合，可以作为断层活动时间分析的重要依据，且断层活动越强烈，其伴随的地震级别越高，不同地震强度形成的震积构造组合存在差异。根据Rodrguez-Pascua 等［39］建立的震积岩地震震级判别图序，结合S13-107 井岩心中的脆性破裂阶梯状断层可以判断其震级约为8级或以上，这一结论可为断层活动速率和生长指数等参数的计算提供旁证。

图7 惠民凹陷临商断层各时期活动速率直方图［42］Mz.中生界；Ek.孔店组沉积期；Es4.沙四段沉积期；Es3.沙三段沉积期；Es2.沙二段沉积期；Es1.沙一段沉积期；Ed.东营组沉积期；Ng.馆陶组沉积期；Ls1，Ls2，Ls3 和Ls4 分别为临商断裂4 个观测位置Fig.7 Histogram of activity rate of Linshang fault in different periods in Huimin Sag

4.2 对沉积的影响

地震作用不仅可以触发一些同沉积变形构造，而且还可以激发盆地内未固结或半固结沉积物的再迁移。地震事件对惠民凹陷沙三段沉积物的再迁移作用主要体现在以下2 个方面：①地震事件可激发位于一定坡度上的沉积物，使之滑塌再沉积。惠民凹陷沙三段沉积时期，湖盆水体范围广，湖水深，在临邑大断层剧烈活动的影响下，临南洼陷快速沉降，使得惠民凹陷的沉积、沉降中心向南转移［41］，期间发生的地震事件造成了三角洲前缘不稳定的朵叶体断开，将其部分推向半深湖—深湖区，穿插于泥岩中形成透镜状砂体，为良好的油气藏储集体。②研究区的快速沉降背景形成的坡度为砂体的再迁移提供了势能，期间发生的地震事件为之提供了触发动力源，迁移后的砂体在重力作用下可再次形成重力流沉积体。研究区典型粒度概率曲线分析结果显示［41］，粒度分布区间宽，颗粒粗细混杂，形态上呈“上拱弧形”，反映了重力流沉积分选较差的特征（图8）。岩心观察结果显示，震积岩序列顶部发育重力流沉积，重力流特征与震积构造相伴。

图8 惠民凹陷S13-107 井沙三段粒度概率曲线（据文献［41］）Fig.8 Particle size probability curve of Sha 3 member of well S13-107 in Huimin Sag

4.3 油气勘探意义

储层非均质性是指表征储层的参数在空间上的不均匀性，影响储层非均质性的因素主要包括构造作用、沉积作用和成岩作用等［43］。通过对惠民凹陷沙三段储层非均质性研究可以得出，地震事件是重要影响因素之一，震动造成了已堆积沉积物颗粒重排，使一些杂乱堆积的沉积物变得相对有序，降低了储层的非均质性。现今地层中各个小层非均质性均较弱，级差均小于10，大多小于5［41］，推测这与研究区沙三段沉积期的地震活动频繁有关，地震活动对沉积物的堆积产生了一定程度的影响，造成沉积物粒序更加规律，粒度趋于均质化，降低了储层的非均质性。

地震作用产生的断层可为研究区的油气运移提供通道。通常油气运移主要包括以下3 种方式：垂向上沿着断层运移、沿相对高孔渗砂体横运移以及二者相结合的复合运移方式［42］，其中断层对于油气运移起决定性的作用，而地震作用是断层活动重要的触发源，离断裂带越近的岩层受到的震动越强烈，变形构造越发育。惠民凹陷沙三段油气成藏模式［42］显示，震积岩的发育与断层带位置较为吻合，深大断裂带是油气垂向运移的主要通道，脆性震积岩为油气运移运移的辅助通道（图9）。

图9 惠民凹陷沙三段地震事件影响油气成藏模式示意图Fig.9 Schematic diagram of the impact of earthquake events on hydrocarbon accumulation in Sha 3 member in Huimin Sag

地震作用是重力流沉积的重要动力源之一，可激发三角洲前缘不稳定砂体向半深湖—深湖区滑塌和运移，形成透镜状砂体，震碎角砾岩是相对优质的储集体，为油气运移成藏的有利场所。未固结的沉积物受到地震作用影响时会发生压实均一化，均一液化层在震积岩垂向序列上位于破碎带之上，可作为良好的盖层。

惠民凹陷沙三段油气藏的分布与断层的分布密切相关，断裂带附近地震强度最大，对沉积物的影响最明显，震积构造最发育。地震作用还可产生大量裂隙，而裂隙的发育为油井高产的重保障［44］。除此之外，地震事件使地层应力集中释放，地震发生后地层的压力、水动力条件均会发生改变，对油气成藏具有重要影响。

5 结论

（1）惠民凹陷沙三段沉积时期，构造活动强烈，地震频繁，在地层中留下了丰富的软沉积物变形构造，主要包括震裂、自碎角砾、阶梯状小断层、液化岩脉、液化卷曲、液化角砾以及震浊积岩。

（2）惠民凹陷沙三段沉积时期震积岩的分布主要受地震强度、坡度、地震时沉积物成岩状态等因素控制。整体上，距离断裂带越近的区域，震积构造越复杂，震积岩分布厚度越大。

（3）地震事件的研究为断层活动分析提供了重要旁证，不同强度的地震形成的震积构造存在差异，据此可推断出断层的活动期次和强度。地震作用是重力流沉积的重要激发动力源，对于沉积物的二次迁移具有重要影响。地震事件形成的断裂系统为油气运移通道，断裂带附近发育的震积构造为油气运移的辅助通道，震碎角砾岩为良好的储集层，液化均一层为优质盖层。