鄂尔多斯盆地三叠系延长组震积岩特征及其油气地质意义

2021-06-18孙萌思张磊夫刘池洋封从军

延安大学学报（自然科学版） 2021年2期

孙萌思，张磊夫，刘池洋，封从军

(1.延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安 716000；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100000；3.西北大学地质学系，陕西西安 710069)

震积岩是由地震活动而发生变形、变位的沉积岩，具有特殊的震积构造和震积序列[1-3]。地震是一种常见的灾变性地质事件，是形成震积岩的必要条件，同时断裂活动、火山爆发、地层变形等因素均能引起地震活动[4]。上个世纪80年代，从学者宋天锐在前寒武纪碳酸盐岩地层中识别出异常的沉积构造起[5]，国内就陆续开展了震积岩的相关研究，分别在塔里木盆地[6]、渤海湾盆地[7-9]、四川盆地[10，11]、鄂尔多斯盆地[12，13]、柴达木盆地[14]、准噶尔盆地[15]等识别出大量的震积岩，并且形成了关于震积岩特征[16，17]、震积岩识别标志[18]、震积岩沉积序列[19，20]、震积岩形成机制[21]等相关理论。

鄂尔多斯盆地位于我国构造带复合部位，由于受到多期次构造活动的影响，其盆地演化、基底结构及能源分布等许多方面，表现出一定的复杂多变性[22-24]。一直以来学者们认定鄂尔多斯盆地是一个稳定的克拉通盆地，盆地内部的构造活动较弱，但学者们还是通过露头沉积考察和岩心观察描述等一些证据，发现了富烃凹陷延长期震积岩的踪迹，目前关于鄂尔多斯盆地中震积岩的研究主要集中于震积岩特征方面[12，13，25，26]，而对于震积岩的诱发机制研究相对比较薄弱。

本文在研究鄂尔多斯盆地延长期构造活跃性的过程中，发现该区广泛发育震积构造，认为该期构造活动发育典型的震积岩，进而研究了震积岩的特征、分布规律、垂向序列及动力学机制，这一发现不仅丰富了陆相湖盆震积岩研究，对研究鄂尔多斯盆地延长期的构造活跃性、构造活动对优质烃源岩的影响都具有重要的理论和实践意义[27]。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地构造形态比较简单，虽然周缘断裂发育，但其内部表现为平缓的斜坡(地层倾角小于1°)。依据盆地现今的构造形态，可分为5个一级构造单元：分别是北部伊盟隆起，中部的伊陕斜坡，东部的晋西挠褶带，南部的渭北隆起及西缘逆冲断裂带。依据延长组湖盆演化特征延长组自下而上划分为5段10个油层组：第1段(T3y1)包括长10油层组；第2段(T3y2)包括长9油层组、长8油层组；第3段(T3y3)包括长7油层组、长6油层组、长4+5油层组；第4段(T3y4)包括长3油层组、长2油层组；第5段(T3y5)包括长1油层组，各段之间总体为连续沉积。其中第三段长7油层组发育一套低电位、高伽玛、高阻的油页岩，这套地层在全区分布相对比较稳定，也是延长组的主力烃源岩层段。

2 震积岩特征

鄂尔多斯盆地延长组的岩心和露头剖面中发现了大量的同沉积构造变形记录，本文对这些震积岩的同沉积构造变形现象进行归类总结，将其分为2种类型，分别为软沉积地层变形构造和固结地层变形构造。

2.1 软沉积变形构造

(1)液化砂岩脉：该类变形构造通常发育在砂、泥互层的沉积层中，液化砂岩层多表现为不规则弯曲变形，其上覆层位及下伏层位都不受影响且层理保持不变；露头位于甘峪大桥附近，可见液化砂岩脉，自下而上呈液化流动形态(见图1a)，岩脉宽约为3.0～5.0 cm，尾部逐渐尖灭，围岩地层随液化流动方向呈牵引弯曲状，液化程度较弱。

(2)液化卷曲变形构造：褶曲层的厚度为十几厘米到几厘米不等，且不定向，球-枕构造尺度不大，其上覆地层及下伏地层亦未受影响，且层理保持不变；露头露头位于甘峪大桥附近，可见液化卷曲的纹层夹于两层未变形纹层之间(见图1b)，水平方向表现未紧闭褶皱，局部出现错断，卷曲变形层厚约5～10 cm。

(3)球-枕构造：在地震振动和重力的双重作用下，上覆粉砂岩、细砂岩下沉至下伏液化泥岩层中形成椭球体，按其长轴、短轴的比例将其分为球体和枕体(见图1c)；露头位于采石场附近，球体尺度大小不等，密度较大，球-枕的围岩为页岩，球体尺寸为30～50 cm左右。

(4)布丁构造：软弱岩层被挤压，向两侧呈塑性流动形态，而夹在其中的刚性岩层因不易变形则被拉断，在平面上构成平行排列的长条块，也称其为石香肠构造；露头位于聂家河附近，剖面中可见不连续的布丁构造，呈透镜状夹于地层之间(见图1e)，透镜体长轴为40～80 cm不等。

(5)环形层理：主要发育在具泥质条带的粉砂质沉积中，上部可见蝌蚪状尾巴，而下部呈断续状，形似马尾丝[28]。

a、液化砂岩脉(甘峪桥)；b、液化卷曲变形构造(何家坊)；c、球-枕构造(采石场)；d、液化砂岩墙(聂家河)；e、布丁构造(聂家河)；f、震裂缝

2.2 固结地层变形构造

(1)砂岩墙：大部分发育在砂、泥互层的地层中，砂岩墙向四周刺穿围岩，或向上或向侧面侵入(见图1d)；露头砂岩墙位于福地湖附近，砂岩沿裂缝挤入黑色页岩层中，既沿垂直方向又沿水平方向挤入地层，墙体宽度范围位于10～20 cm之间。

(2)震裂缝：主要为张性裂缝，其产状较陡，且断裂面不规则，沉积物表层和地下固结岩层中均可发育。露头位于流星沟附近(见图1f)，在剖面上呈漏斗形，上部宽度为0.40～1.0 m，裂缝深度为0.40～0.8 m，裂缝充填物的性质和产状与裂缝两侧截然不同，如图中的土黄色凝灰岩充填在砂岩的裂缝内。

(3)层内阶梯状微断层：断层规断相对较小，但断层倾角相对较大，断层间近乎平行，呈阶梯状排列，主要发育在较薄的岩层中。

在福地湖露头剖面中发育一些砂岩墙，砂岩或自下而上或水平挤入黑灰色的页岩中(见图2)，砂岩墙垂向上终止于水平层状的页岩中，而砂岩墙侧向上接触的围岩则有微弱的变形，推测砂岩墙形成于两侧地层沉积后但未固结成岩之时。该条露头剖面中砂岩墙的形态各异，规模不等，其中规模较大的砂岩墙呈楔形分布(见图2a)，该墙下宽上窄，底部宽约90 cm，顶部歼灭于地层中，高约2 m，上覆地层为近水平状灰黑色页岩与黄色薄砂岩互层，露头上未见砂岩墙与下部地层接触关系，推测该砂岩墙是下部砂岩液化增压向上挤入页岩层，且侵入活动自下而上逐步减弱，推测其形成于长7页岩发育期间。图2b砂岩墙规模相对较小，墙体宽度垂向上基本一致，约为10～12 cm，该墙体上覆页岩呈微弱翘倾，下伏地层为薄层砂岩，推测其由于上覆岩层因地震作用形成微断层，后砂岩向上拱入而成，其发育时间可能在上部近水平油页岩刚刚固结成岩之时。图2c为露头上规模最小的砂岩墙，该砂岩墙发育于微断层中，宽度为5～7 cm，断层两侧断距较小，断层终止与上覆水平状地层，砂岩墙体岩性与上覆砂岩相同，推测该断层是延长期同沉积断层，该砂岩墙与微断层同期发育。

图2 鄂尔多斯盆地三叠系延长组福地湖砂岩墙露头剖面

3 延长组震积岩序列

一个较大规模的地震活跃期，往往会发生一系列不同强度的地震，因而不同类型和特征的软沉积物变形构造和固结地层变形构造可反映不同的古地震强度[29-31]。结合前人对延长组震积岩的研究成果，本文建立了该区的震积岩垂向序列(见图3)。鄂尔多斯盆地震积岩的沉积序列划分为2种类型，分别为固结地层沉积序列和软沉积地层沉积序列，同时依据该研究区的地震活跃情况划分为4个时期，由于构造活动的不规律性，在一个露头剖面中发育相对完整的震积岩垂向序列较难[32，33]，因此对典型的震积岩特征进行总结。

图3 鄂尔多斯盆地三叠系延长组震积岩垂向沉积序列

地震活动平静期：包括A段下伏未震层，该期地层未受地震干扰，原始产状平整，基本地层无起伏。

地震活动强烈期：包括B段阶梯状断层、环状层理，C段震裂缝、球-枕构造，D段震碎角砾岩，E段液化卷曲变形、布丁构造；该期地震活动开始由弱变强，并且构造活动幅度达到高峰，在此期间发育大量的变形构造。

地震活动衰弱期：包括E段布丁构造，F段液化砂岩脉，该期地震活动由强变弱，地层变形幅度开始变小，且地层基本固结成形，垂向上以砂岩侵入为主，横向上已沉积的地层被拉伸以布丁构造为主。

地震活动停止期：该期为G段上覆未震层，地震活动已接近尾声，地层基本不发生变形，地层产状平整，基本无起伏。

4 油气地质意义

在活跃的构造背景下通常容易产生地震，地震的沉积表现则为震积岩，这也是通过震积岩研究来推测盆地的构造活跃性的依据，进而加深认识盆地的大地构造背景。本文在野外露头、岩心观察的基础上，结合前人的研究成果对鄂尔多斯盆地富烃凹陷100多口井的钻井数据进行统计分析[12，13，28，34-36]，结果表明震积岩广泛发育在延长组的各个油层组中，其中长8至长4+5油层组中震积岩最为发育(见图4)，说明在整个延长组沉积期间，地震活动一直比较活跃。根据前人研究成果结合笔者对及野外露头考察，依据震积岩的发育情况，以华池-庆阳-富县一线为分界限，界限东北方向震积岩发育较少，基本不发育，界限南部及西部发育大量的震积岩。笔者在盆地南部野外露头剖面中发现延长组同沉积褶皱(见图5d)，同时利用地震资料亦在盆地西部识别出一定数量的延长组同沉积断裂(见图5a和c)，这些同沉积断裂规模不大，但清晰可见，因此推断构造活动主要在富烃凹陷西缘和南缘活跃，而构造活动引发的地震活动也相对在西南部比较活跃，在富烃凹陷东北缘地震活动不活跃，因此将富烃凹陷按照构造活动活跃情况将富烃凹陷分为地震活动活跃区与地震活动不活跃区2种类型(见图5)，华池-庆阳-富县东北部为地震活动不活跃区，华池-庆阳-富县西南部为地震活动活跃区，该期构造活动可能与秦岭向北逆冲作用及造山带南北地块碰撞作用有关，地块碰撞和造山活动引发地壳岩层错断，断裂的频繁活动使得富烃凹陷延长期地震活动频繁[37]，这也是晚三叠世地震活动的直接原因。这些同沉积断裂的存在及震积岩的发育证实了延长期鄂尔多斯盆地构造活动比较活跃，活跃的构造背景下发育大量的断裂、裂缝，这为油气的运移提供有利条件[28，34]。