松辽盆地白垩纪青山口组—姚家组震积岩及其油气地质意义

2021-03-25刘泽璇邵珠福刘晶晶张文鑫

东北石油大学学报 2021年1期

刘泽璇，邵珠福，黄亮，王瑞，刘晶晶，赵冰，张文鑫

( 1. 东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318； 2. 大庆油田勘探开发研究院油藏评价研究室，黑龙江大庆 163712 )

0 引言

震积岩是地震引发的一类事件沉积，为地震标志物之一，2018年吉林松原里氏5.7级地震后，震源附近发现多种地震成因液化变形构造[1]。震积岩一词由SEILACHER A[2]在1969年一次美国加州海滩地质考察后的一篇短讯中首次提出，原文为seismite，后经龚一鸣[3]引入并翻译为震积岩。2000年，《Sedimentary Geology》将seismite、tsunamites(海啸岩)和tempetites(风暴岩)作为事件沉积的产物进行专题总结，2007年又对地震引起的软沉积物变形作出专题。中国震积岩研究目标主要集中在对震积岩垂向序列的建立和其产生的实际影响上。目前，中国对于震积岩的研究程度更深入，研究方向更广泛，包括利用震积岩软沉积变形推测古地震震级[4]、震积岩地层与断裂构造相结合[5]、震积岩的油气意义[6]等方向。

地震是造成地层破裂的原因之一，断裂对油气的影响很大。当断裂横切砂体时，可形成断层圈闭，阻止油气的运移和散逸。断块圈闭、断层—岩性复合圈闭等受断层影响而形成油气藏圈闭类型。亦有新闻报道地震后废弃油井重新出油或油井减产等现象。在中国的七大主要油气产区，如松辽盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地等主要含油气层发现震积岩的存在。

松辽盆地震积岩研究主要集中于变形构造特征[7]。笔者利用青山口组—姚家组油层岩心，总结松辽盆地震积岩识别特征，分析震积岩对研究区在油气及地质方面的影响。

1 地质概况

松辽盆地位于中国东北部，整体呈北北东向延伸，是中国最大的陆相沉积盆地和最重要的含油气盆地。松辽盆地共有6个一级构造单元(见图1)，研究区位于地层发育全面的中央坳陷区。齐家—古龙凹陷位于中央坳陷区西北侧，紧邻中央的大庆长垣背斜区。白垩纪，松辽盆地处于坳陷阶段，中央坳陷区沉积从青山口组到嫩江组，地层岩性以砂泥岩互层为主[8]，沉积相以陆相大中型三角洲—半深湖—深湖相为主[9]，地形整体西高东低，青山口组—姚家组沉积时期，研究区沉积相整体以三角洲平原—三角洲前缘相为主。葡萄花油层作为古龙凹陷的主力油层，位于地层中浅层的姚家组一段。研究区断裂方向以近南北向和北北西向为主，断裂分层性明显，岩性以灰色、灰绿色泥岩、粉砂岩、砂岩为主[10]。

图1 研究区地理位置及构造单元(据文献[11-12]修改)

2 震积岩识别特征

2.1 软沉积变形

2.1.1 液化砂岩脉

液化砂岩脉是震积岩中常见的一种软沉积变形构造，分布广泛，可见于各个地层，常与其他结构(如球枕构造、卷曲变形)伴生。震积岩规模大小不一，形态多样，具有多类型、多尺度、多组合的特点(见图2)。观察到的最大砂岩脉见图2(a)。液化砂岩脉是由地震震动导致未固结地层的颗粒震荡过饱和，致使压力升高，砂岩颗粒重新排列，最终向某一方向穿入泥岩而形成的脉状软沉积变形构造。垂向砂岩脉常为S形，围岩发生向上或向下弯曲。研究区砂岩脉有飘带状、蘑菇状、蠕虫状、席状和不规则状等形态，主要分为横向和垂向两大类[13]，且两种形态相互穿插连通，形成巨大的砂岩网沟通地层[14]。此外，还有一种充填裂缝形成的小型砂泥岩脉，脉壁通常规整清晰[15]。

横向型砂脉一般在水平方向沿岩层层理发育，垂向上岩脉发育较粗且长。常见的变形砂脉有念珠状、肠状等构造。念珠状构造又称狭缩—膨胀构造(见图2(b))，因砂岩和泥岩层的塑性程度不同，在受挤压或拉伸作用时，泥岩颗粒塑性流动对砂岩层造成剪切力，使砂岩颗粒不均匀收缩、膨胀，发生变形而形成；肠状砂岩脉(肠状构造)受地震影响，发生拉张、挤压、剪切等运动，使砂岩脉发生弯曲变形和断裂而形成[16]。肠状构造发育于上下两泥层之间的砂岩中，厚度为几厘米到十几厘米，其轴面无规则，纹层连续弯曲，有少量错断[17](见图2(c))。

垂向型砂岩脉是砂岩脉中最常见的一种类型。其形态多样、大小不一，分为向上侵入和向下侵入两类。根据单一砂脉体，砂岩脉一般靠近砂岩源头较粗，临近端部较细，且源头段一般呈向上凸起、末端呈向下凹陷的状态[7]。由于砂岩脉形成的环境复杂不一，有的可以找到砂岩岩脉的主要来源，有的被泥岩切断而呈现类似悬浮的状态。剖面上，砂岩脉形态多呈S形弯曲。垂向型砂岩脉有飘带状(见图2(a))、蘑菇状(见图2(d))、蠕虫状等形态(见图2(e))。其中，飘带状砂岩脉常发育于夹于泥岩的砂岩或中厚层泥岩下的薄层砂岩。地震作用下，下层未固结砂岩刺穿上覆泥岩并终止于泥岩而形成飘带状砂岩脉[18]。蘑菇状砂岩脉也称砂侵蘑菇，未固结的细砂或粉砂岩侵入上覆泥质岩而形成垂面上状似蘑菇、纺锤等不规则形态，层面上呈带状的砂岩脉。蠕虫状砂岩脉属于小型砂脉，多发育于薄层砂岩，形态杂乱，可独立出现，也可相互连通、密集分布。

图2 液化砂岩脉

2.1.2 液化卷曲

液化卷曲变形又称震褶岩，是震积岩中的常见构造。主要是未固结地层在地震作用下发生层内变形的现象，形成各种扭曲变形的复杂形态。液化卷曲变形和液化砂岩脉发生在受地震影响强烈的地层，常常同时出现。由地震引起的卷曲变形褶曲轴面无规律，重力流成因卷曲变形轴面倾斜方向一致[19]。卷曲变形(见图3)在松辽盆地广泛分布，研究区英39、英142井，以及位于研究区外的杜30井中的卷曲变形构造最为典型。英39井1 480.31 m处的箱型卷曲构造形态向内卷曲，内部可见主体呈垂直状的砂泥互层纹理(见图3(a-b))；英142井卷曲变形位于青二段湖相沉积地层，与砂岩脉、球枕构造伴生，其中，中间呈云团状堆叠(见图3(c))；杜30井为青山口组二三段较大型液化卷曲变形，长度约为20 cm，位于粉砂岩层，呈尖状凸起(见图3(d-e))。

图3 液化卷曲变形

2.1.3 球枕构造

球枕构造与包卷层理的形状相近(见图4)，但形成方式不同，是在泥岩中悬浮的球形或枕形形态的砂体构造，常与负载构造伴生[20]。砂泥交界处在地震的作用下发生震动，由于砂泥比不一致，上覆砂岩受重力下陷，沉积物在液化作用停止后体积发生收缩并脱离原有砂体。英36、英39、英142井出现大量球枕构造，或单个悬浮、近乎平行排列在泥岩或粉砂岩的围岩中。单个球枕构造的大小为3～10 cm，形状多样，近圆形或椭圆形(见图4(a-d))。

图4 包卷层理及球枕构造

2.1.4 环形构造与包卷层理

地震由强减弱过渡的弱地震作用时期(震级≤里氏5级)，未固结地层液化变形多样，环形构造和包卷层理为最常见的识别构造之一。砂泥岩薄互层在地震的拉张力作用下发生局部凹陷断裂[21-22]，形成环环相套的环形构造，或相连的链条状构造。在岩心中，包卷层理常见一蝌蚪形尖端，通过尖端指示方向可大致推测砂体物源来源。研究区发现的环形构造数量不多但大小不一，长度为5～10 cm(见图4(e))。发育于英901井青山口二三段地层中的包卷层理形态呈半包状态，内部纹理清晰，长度为6～7 cm(见图4(f))；英331井发现的环形构造完全包卷，内部发育多层纹理，左上方可见蝌蚪状尾端。

2.1.5 变形构造

(1)负荷构造。负荷构造包括重荷模构造和火焰构造(见图5)，二者伴生，是由KUENEN P H[23]对浊积岩提出的构造[24]。负荷构造多见于砂岩互层交接处，且为砂上泥下、粗上细下的地层分布。地震发生时，重的颗粒下沉，下方细颗粒泥岩填充空隙，形成负荷构造。负荷构造的横截面凹凸不平，识别特征强，一般认为地震成因的负荷构造规模大于1 cm[25]。负荷构造在松辽盆地英68、和4、英142、英901井发育，其中，英68井的负荷构造规模最大，为3～5 cm，火焰构造尖端明显、重荷模构造底端圆钝，下方地层有明显下凹趋势(见图5(a))。和4、英142井为连续发生的多个负荷构造(见图5(b-c))。英901井负荷构造规模较小，不能判定是否为地震成因(见图5(d))。

图5 震积岩识别构造

(2)滴漏构造。滴漏构造的本质是负荷构造和液化变形的结合体。当未固结砂体受重力影响下沉时，砂体液化渗入缝隙或空余空间内形成状似漏斗上粗下细的形状。滴漏构造形态较小，多为1～5 cm，常与砂岩脉伴生。其与蠕虫状砂岩脉的不同在于砂岩脉多为主动刺穿泥岩形成，滴漏构造是被动充填形成，两者为小型液化变形，但形态不同。松辽盆地有大量的滴漏构造，其中，英142井发现的滴漏构造共两端，一端位于两个砂岩脉之间的泥岩，多条滴漏构造似蝌蚪状连接上下砂岩；另一端位于下层砂岩与泥岩交接处，尾端向右侧偏移(见图5(e))。

(3)揉皱构造。揉皱构造的特点是砂泥岩夹杂，纹层强烈扭曲变形似展开后揉皱的纸团。揉皱构造形成于陡坡，受地震剪切力的作用发生滑塌，原本平行未固结的粉砂岩泥岩互层颗粒重新排列，层理错乱、砂泥混杂堆积而形成[26]。英64井发现揉皱构造，岩心被自然断开，剖面粗糙不平，砂泥岩混杂扭曲(见图5(f-g))。

2.2 脆性变形

软沉积结构变形的成因多样，如滑塌成因、地震成因、海啸成因等，单独依靠一段软沉积变形不能准确判定震积岩，只有软沉积变形在超过几米的范围内反复出现或断裂与软沉积变形同时存在，才能认为是震积岩[27]。

2.2.1 阶梯状断层

阶梯状断层又称粒序断层，多为正断层，倾角较大，为古地震证据之一[28-30]，是已固结的地层受拉张作用发生断裂而形成。研究区阶梯状断层之间断距为1～2 cm(见图5(h))，少数断层裂缝较长可达数厘米(见图5(i))。部分岩心经历两期地震，未固结时发生液化现象，固结后再次发生地震而形成阶梯状断层(见图5(h))。

2.2.2 碎屑角砾岩

碎屑角砾岩分为自碎屑角砾岩和内碎屑角砾岩[31-32]。二者区别在于角砾岩是自碎屑角砾岩原地形成，而内碎屑角砾岩为自碎屑角砾岩发生位移形成。杜远生等[32]将碎屑角砾岩分为塑性角砾岩和脆性角砾岩。殷秀兰等[33]将塑性角砾岩称为液化角砾岩，认为其为泄水构造的一种。当液化砂岩脉刺透周围围岩后，将围岩切割破碎形成撕裂状充填于角砾之间。田洪水等[34]认为液化角砾岩的形成是地震作用将已固结岩块震碎后未固结岩体填充入角砾岩间孔隙。液化角砾岩大小各异且无分选，排列杂乱。在双X73井发现的液化角砾岩与液化砂岩脉伴生(见图5(i))。

3 震积岩垂向序列

建立震积岩垂向序列反映不同地层受地震作用变化而发生不同变形或破裂关系。地震时间长短、烈度不同，对震积岩垂向序列的排列方式也不完全相同，一次较大型地震(大于5级)[35]往往形成多种垂向序列形式。以英64井为例(见图6)[36]，在姚一段葡萄花油层观察到多段液化变形构造，中间有大段的砂岩分隔。

震积岩常出现在断裂带附近，不同沉积环境下的震积岩结构也发生变化，松辽盆地内震积岩沉积位置多见于三角洲前缘沉积相。鄢继华等[37]对常见软沉积变形进行砂箱实验模拟，提出三角洲体系下的震积岩空间分布模式(见图7)。当震源位于三角洲前缘，随地震烈度减弱，软沉积变形液化越剧烈，距离越远，其中震浊积岩发生在最远的盆地地区。

在研究区岩心中，共观察到3种常见垂向沉积：未震层—卷曲变形—液化砂泥岩脉—球枕构造；液化砂岩脉—紊乱层—负荷构造—微断层；液化砂岩脉—火焰构造、球枕构造—液化卷曲变形。结合三角洲前缘相震积岩的空间分布(见图7)、地震发震规律等，建立研究区白垩纪震积岩垂向序列(见图8)。由图8可知，垂向序列由下至上依次为：(1)未震层。(2)浊积层。受重力作用，颗粒重新排列，形成正粒序排列。(3)强烈期。为液化变形最强烈的阶段，以液化砂泥岩脉为最主要识别特征，杂有液化卷曲变形、球枕构造、滴漏构造等软沉积变形构造。(4)过渡期。以球枕状构造、负荷构造为主要代表，常见环形构造、蝌蚪状构造等相关演化构造。(5)衰减期。以液化卷曲变形、液化角砾岩、微断层为代表，此时地震的强烈程度减小，能量不足以使未固结层发生剧烈的扭曲变形，只局限在某一层中的较小程度上的弯折且变形程度逐渐减小至消失，固结地层因地震受到强烈的拉张或挤压发生断裂而形成微小错断。(6)异地相震塌岩。原地相构造结束，来自其他地区的砾石搬运堆积至此。

4 震积岩油气地质意义

4.1 地质意义

4.1.1 对古地貌的影响

地质运动对地质地貌有强烈的改造作用，古地震形成的断裂、断层对地质环境有深远影响。震积岩中砂岩和泥岩抗风化程度存在差异，大型砂岩脉侵入泥岩层，泥质含量较高的部分更易发生风化剥蚀而形成凹坑，从而造成对地貌的再改造。此外，利用震积岩研究，可以通过地层的等时对比对古大地构造环境和活动进行分析恢复。

4.1.2 对古地震的指示作用

震积岩是古地震的标志之一，通过震积岩所在地层的年代分析可以指明古构造运动或地震活跃时期[28]，并为古地震的地震强度、影响范围提供依据，推测所处地区地质活动史。地震活动常呈周期性，震积岩的时空分布规律有助于了解地球的古地震带分布、古地震活动周期规律及地震频度和强度，预测现代地震的活动规律[38]。

图6 英64井葡萄花油层震积岩分布

4.1.3 作为相标志

松辽盆地为断陷—坳陷幕式沉积[39]。白垩系沉积时期，松辽盆地处于盆地拗陷期，地层持续沉降，沉积相以湖相—三角洲相为主(见表1)。由表1可知，根据松辽盆地震积岩岩心观察结果，结合实验及其他地区震积岩研究，震积岩集中分布在坡折带或斜坡条件下，普遍位于三角洲前缘，通过震积岩垂向序列出现区域反向判定震积岩所处沉积环境。形成时间上，阶梯状断层一般发生于强震期，多为正断层；微褶皱纹理和液化砂泥岩脉分别发生于地震的衰减早期和晚期。位置上，阶梯状断层、液化均一层发育于三角洲前缘斜坡位置，微褶皱纹理主要发育于前缘斜坡的坡脚，液化砂泥岩脉发育于紧邻前缘斜坡的前三角洲位置，且变形构造程度也从三角洲前缘斜坡到前三角洲依次增强[32]。

图7 三角洲体系下震积岩空间分布模式

表1 松辽盆地震积岩地层—沉积相

4.2 油气意义

以含有多段震积岩的英64井为例，该井位于大庆长垣古龙南地区的英台月亮泡鼻状构造核部的一条北西向断裂附近。葡萄花油层段为三角洲前缘沉积相，岩心中可见油浸或油斑，该井获0.021 t/d油流、20.16 t/d水，属低产油水层[42]，除英64井外，月亮泡其他钻探井未发现试油。月亮泡鼻状构造上倾方向非圈闭，盖层条件不好。该区为中高孔渗型储层，横纵向连通性好，储层条件良好。对比含有震积岩的英64、英331和英142井葡萄花油层段岩心孔渗比(见图9)，除英64井外，其余井孔渗比不高，可能与地震造成的颗粒间结构紧密有关。

4.2.1 储层方面

在物性上，一方面，地震过程中，未固结地层砂泥岩颗粒受重力影响重新排列，颗粒间空隙减少，孔隙度、渗透率降低，致使油气的储存性连通性降低。另一方面，地震形成的软沉积变形构造，尤其是液化砂岩脉可深入烃源岩，直接沟通油源与储层。砂岩脉之间相互交叉串联形成的液化砂岩网，可从大尺度上联通储层，有助于形成大片的油气储集体。地震形成的砂泥岩脉等软沉积变形或地震在储层中形成的裂缝被砂岩填充后相互交错连通，储层的孔渗性提高，储层间裂缝构成储层与储层、储层与油源之间沟通、运移的良好通道，有利于油气的聚集。乌南油田震积岩岩心镜下观察发现，颗粒间接触关系主要为线接触，储层物性特点呈低渗或超低渗致密型[43]。

4.2.2 盖层方面

泥岩盖层更利于封堵油气散逸，形成良好的封堵层。同时，当地震造成泥岩层裂隙，盖层的密闭性减弱，尤其是大量的裂缝导致油气快速挥发散逸。此外，深切入储层的裂缝直接破坏盖层，不再构成油气圈闭条件。

4.2.3 运移方面

地震剧烈程度达到一定震级时，已固结地层受力发生断裂而形成一些微小的裂缝或断层。这些裂缝为油气的运移提供通道。地震造成的空间挤压促使烃源岩区产生异常高压，促进油气的运输与成藏。