北海盆地維京地塹漸新統(tǒng)砂巖侵入體形態(tài)特征及成因

羅鈴鈔，紀(jì)友亮，段小兵，劉龍松

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

北海盆地維京地塹漸新統(tǒng)砂巖侵入體形態(tài)特征及成因

羅鈴鈔1,2，紀(jì)友亮1,2，段小兵1,2，劉龍松1,2

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

砂巖侵入體是由處于淺埋藏階段、尚未固結(jié)的砂質(zhì)沉積物發(fā)生液化并侵入到上覆蓋層所形成的一類軟沉積物變形，在北海盆地維京地塹漸新統(tǒng)地層中非常發(fā)育。為探討砂巖侵入體的形態(tài)特征及誘發(fā)機(jī)制，通過(guò)高分辨率三維地震及測(cè)井資料，利用地震反射結(jié)構(gòu)分析、地震相干切片等手段對(duì)砂巖侵入現(xiàn)象進(jìn)行了識(shí)別；并結(jié)合多邊形斷層系統(tǒng)、流體充注與砂巖侵入之間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)砂巖侵入體的成因機(jī)制進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在地震剖面上可識(shí)別的砂巖侵入體多呈V型或W型強(qiáng)振幅反射特征，其橫向展布規(guī)模約1～2 km，垂向侵入高度約100～200 m；流體的大規(guī)模充注及多邊形斷層誘發(fā)蓋層破裂是形成砂體內(nèi)部超壓并誘發(fā)其發(fā)生液化的關(guān)鍵因素。砂巖侵入體在形成之后可以作為流體運(yùn)移通道，對(duì)強(qiáng)化流體的垂向運(yùn)移具有重要意義；并且砂巖侵入體本身即可作為油氣的有利儲(chǔ)集體。因此識(shí)別并分析砂巖侵入體的成因機(jī)理，對(duì)蓋層封閉性評(píng)價(jià)及油氣勘探具有重要指導(dǎo)意義。

北海盆地；砂巖侵入體；多邊形斷層系統(tǒng)；油氣充注；超壓

0 引言

砂巖侵入現(xiàn)象雖然早在19世紀(jì)就已經(jīng)在野外露頭上被識(shí)別和描述(通常表現(xiàn)為厚度小于1 m的砂巖侵入巖床或巖墻)[1-2]。但是這種砂巖侵入體因其規(guī)模太小并未引起地質(zhì)學(xué)家的重視。近二十年來(lái)，隨著油氣勘探逐漸向深水盆地轉(zhuǎn)移，在世界上多個(gè)盆地(以北海盆地為代表)的地震資料中發(fā)現(xiàn)了一系列的反射異常體，經(jīng)過(guò)測(cè)井解釋、鉆井取芯證實(shí)了地震反射異常體為侵入到泥巖中的砂巖體，并且在野外露頭也觀察到大型砂巖侵入體，這大大拓展了傳統(tǒng)意義上對(duì)砂巖侵入體發(fā)育規(guī)模僅在厘米至米級(jí)的認(rèn)知；并進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到砂巖侵入體不僅可以作為流體滲流通道，其本身也可以作為油氣聚集的有利儲(chǔ)集體[3-5]。其作為流體運(yùn)移通道表現(xiàn)為：1)在侵入過(guò)程中，壓裂蓋層形成大量的裂隙，使流體能沿之發(fā)生垂向運(yùn)移；2)侵入活動(dòng)停止后，裂隙將在上覆地層載荷下發(fā)生閉合，但是侵入砂體憑借其較高的滲透率能夠在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)(>10 Ma)作為流體運(yùn)移通道，直到侵入體本身在構(gòu)造作用下遭受變形破壞或內(nèi)部孔隙被完全膠結(jié)[6-8]。北海盆地砂巖侵入體巖樣分析表明即使侵入砂巖侵入體存在部分膠結(jié)現(xiàn)象，但是膠結(jié)程度低，遠(yuǎn)未達(dá)到形成低滲透致密砂巖的界限；因此相比于蓋層極低的滲透率，無(wú)疑可作為流體良好的運(yùn)移通道[9]?，F(xiàn)今能夠基于地震資料識(shí)別的最大砂巖侵入體其橫向延伸范圍多超過(guò)1 km，厚度大于40 m，當(dāng)這種大型砂巖侵入體存在于油氣圈閉之中可形成具有工業(yè)價(jià)值的油氣藏[10-11]。

前人對(duì)于大規(guī)模砂巖侵入體的成因研究大致可歸納為以下幾個(gè)方面：1)存在一個(gè)或多個(gè)分選良好、尚未固結(jié)的供源砂體[12]；2)供源砂體內(nèi)存在由差異壓實(shí)作用、構(gòu)造擠壓作用以及地層流體注入等多種因素形成的孔隙流體超壓[13-14]；3)存在地震活動(dòng)、水力壓裂等誘發(fā)因素[9,12-13]。但是針對(duì)超壓流體的流體來(lái)源及其保存問(wèn)題目前尚有爭(zhēng)議。而且由于北海盆地在新生代熱沉降階段總體上處于構(gòu)造斷裂活動(dòng)相對(duì)靜止期，因此是否存在大規(guī)模的地震活動(dòng)誘發(fā)砂體液化也值得商榷。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者基于前人研究，再結(jié)合研究區(qū)特殊的多邊形斷層系統(tǒng)、生烴高峰期與砂巖侵入發(fā)生時(shí)間上的吻合以及廣泛分布的厚層富蒙脫石低滲泥巖蓋層這三個(gè)最鮮明特征。探討多邊形斷層系統(tǒng)、流體充注以及富蒙脫石泥巖蓋層是否是控制：1)供源砂體內(nèi)部超壓的形成及其保存；2)誘發(fā)砂質(zhì)沉積物液化并侵入到上覆泥巖蓋層的關(guān)鍵因素。從而建立多邊形斷層系統(tǒng)及流體充注誘發(fā)砂質(zhì)沉積物液化、侵入的模式圖；并總結(jié)砂巖侵入體對(duì)于油氣的運(yùn)移及聚集的重要研究意義。

1 地質(zhì)背景

北海盆地位于歐洲板塊西北側(cè)，是在拉張作用下形成的斷陷盆地(圖1)。大規(guī)模的斷裂活動(dòng)起始于中侏羅世，終止于早白堊世。在晚侏羅世的強(qiáng)斷陷期，一系列大型邊界斷層控制著維京地塹及中央地塹的發(fā)育，盆地沉降速率非?？欤纱说於伺璧氐幕緲?gòu)造單元[13]。在早—中白堊世，盆地由大型邊界正斷層所控制的斷陷型盆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊岢两帝晗菪团璧?，盆地的沉降速率明顯變緩[14]。雖然裂后階段屬于相對(duì)構(gòu)造活動(dòng)靜止期，但是受挪威—格陵蘭海洋殼擴(kuò)張的影響，導(dǎo)致北海盆地東西兩側(cè)在新生代仍然發(fā)生過(guò)數(shù)次構(gòu)造擠壓抬升活動(dòng)。

整個(gè)裂后沉積階段，在北海盆地沉積了最厚可達(dá)5 km以泥質(zhì)為主的沉積物，垂向上可以劃分為Shetland(中—晚白堊世沉積)、Rogaland(古新世沉積)、Hordaland(始新世至早中新世沉積)、Nordland(晚中新世至全新世沉積)四套巖石地層單元[15]。這些細(xì)粒的泥質(zhì)沉積物中富含蒙脫石[16]，由挪威大陸上的巖漿巖或凝灰?guī)r在后期遭受侵蝕并被搬運(yùn)到北海盆地中沉積而成[17]。雖然沉積物以泥質(zhì)為主，但是內(nèi)部夾有兩套由于區(qū)域性抬升剝蝕作用形成的砂巖，分別是Hordaland群上部Skade組砂巖及Nordland群下部的Utsira組砂巖。

2 地層單元?jiǎng)澐旨捌涞卣鸱瓷涮卣?/h2>

依據(jù)地震同相軸終止關(guān)系(如下超、上超及削截等)識(shí)別出區(qū)域性不整合界面，從而將研究區(qū)Hordaland群及Nordland群在垂向上劃分為5個(gè)地層單元，至下而上依次命名為unit1至unit5(圖2)。其中Hordaland群由unit1和unit2兩套地層單元構(gòu)成。unit1屬于Hordaland群下部地層，底為Hordaland群與Rogaland群的分界面T0(圖2中深藍(lán)線所示)，頂部為Hordaland群內(nèi)部發(fā)育的不整合界面T1(圖2中淺黃色線所示，右側(cè)可見(jiàn)多個(gè)上超點(diǎn))所限定。地震剖面上該地層單元可以識(shí)別出兩種地震相類型：1)波狀、中弱振幅、中連續(xù)反射特征，對(duì)應(yīng)于Hordaland群下組合富蒙脫石泥巖地層；2)雜亂或空白反射帶，位于砂巖侵入形成的丘狀隆起(圖1b)之下，可能是由泥巖裂隙含氣造成的。unit2屬于Hordaland群上部地層(本文將其稱為Hordaland群上組合)，其頂界面為中中新世至晚中新世剝蝕形成的不整合界面T2(圖2中黃色線所示)。unit2是本文的研究重點(diǎn)，其殘余厚度大小反映了研究區(qū)剝蝕強(qiáng)度(總體上呈現(xiàn)自西向東地層剝蝕厚度增大，殘余厚度減薄的趨勢(shì))和侵入體變形隆起的幅度(在地層厚度整體變化趨勢(shì)上，局部地區(qū)因?yàn)榍秩胄纬傻那馉盥∑饘?dǎo)致地層厚度明顯增加)(圖1b)，在地震剖面可以劃分出兩種典型的地震相：1)中強(qiáng)振幅、亞平行、中高連續(xù)反射特征，為富蒙脫石泥巖地層；2)雜亂反射帶(丘狀隆起)及其夾有的強(qiáng)振幅異常體。

圖1 研究區(qū)位置及盆地構(gòu)造單元位圖(a)；地層單元unit2的殘余地層厚度圖及所截取地震剖面在地震工區(qū)中的位置(b)Fig.1 Location map of the study area and the structural units (a) residual stratum thickness of unit2 and location of seismic profiles in the 3D seismic survey

圖2 基于研究區(qū)地震剖面反射特征的地層單元?jiǎng)澐旨捌渌鶎?duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)間跨度Fig.2 Stratigraphy units division based on seismic reflection characteristics of seismic section across the study area and its corresponding geological timescale

Nordland群包含三套地層單元。其中，unit3(即Utsira組砂巖)其頂界面為典型的下超面T3(圖2中淺藍(lán)色所示)，是早上新世最大海泛期沉積的凝縮層對(duì)應(yīng)的地震反射[18]。該套地層單元的地震相為強(qiáng)振幅、高連續(xù)、平行或丘狀(在圖2左側(cè)可見(jiàn)明顯的同相軸雙向下超)反射特征。鉆井證實(shí)Utsira組巖性以砂質(zhì)沉積物為主，屬于盆底扇沉積[19]，雙向下超可能是盆底扇朵葉體的地震反射。地層單元unit4其頂界面為區(qū)域性的不整合界面，下伏地層的地震同相軸與該界面呈典型的削截關(guān)系。該地層單元內(nèi)部發(fā)育典型的斜交型前積反射(在平面上呈由南東向西北方向前積)，是受斜坡地貌控制形成的。內(nèi)部地震相為中—弱振幅、中連續(xù)、波狀反射，測(cè)井顯示其巖性以泥質(zhì)為主。unit5其頂界面為現(xiàn)今的海底，T4上可見(jiàn)多個(gè)上超點(diǎn)，地震相為中—強(qiáng)振幅、高連續(xù)、平行反射特征。錄井顯示其巖性為粗粒的冰海沉積物[20]。

關(guān)于砂巖侵入體的形成時(shí)間，可基于以下兩點(diǎn)分析進(jìn)行確定。首先，圖2可明顯看到Utsira組砂巖地震反射同相軸上超并終止在砂巖侵入形成的丘狀隆起上，在隆起頂部的小型凹坑之中也可見(jiàn)到雙向上超的的Utsira組砂巖。表明在Utsira組砂巖進(jìn)行沉積時(shí)，丘狀隆起已經(jīng)形成并處于地貌高點(diǎn)，控制著Utsira組砂巖的沉積。因而砂巖侵入及其引發(fā)的泥巖蓋層變形的發(fā)生時(shí)間要早于Utsira組砂巖沉積時(shí)期(而Utsira組砂巖沉積于晚中新世至早上新世之間)[19]。其次，丘狀隆起的頂界面與不整合界面T2重合(表明不整合面形態(tài)特征受砂巖侵入控制)，因此砂巖侵入是在早中新世—中中新世地層抬升剝蝕過(guò)程中或之后形成的。從而將砂巖侵入發(fā)生時(shí)間限定在早中新世至中中新世之間。

3 砂巖侵入體及多邊形斷層系統(tǒng)特征

不同級(jí)次侵入體的尺寸差別很大，野外露頭上常見(jiàn)到厘米至米級(jí)規(guī)模的小型侵入體，但也不乏垂向厚度達(dá)數(shù)十米、橫向延伸達(dá)千米的大型侵入體[4]?；诘卣鹌拭娣直媛誓軌蜃R(shí)別的侵入體均為大型及超大型砂巖侵入體。這種規(guī)模的侵入體發(fā)育條件較為苛刻，多發(fā)育在海相盆地的深水沉積之中。而國(guó)內(nèi)陸相盆地由于盆地規(guī)模較小、水深較淺很難滿足發(fā)育大型砂巖侵入體的條件。但在南海海相珠江口盆地的深水區(qū)域中已識(shí)別出大型砂巖侵入現(xiàn)象，并在砂巖侵入體層段內(nèi)發(fā)現(xiàn)了工業(yè)油氣流[21]。

3.1 砂巖侵入體特征

研究區(qū)地震剖面上的砂巖侵入現(xiàn)象多呈V型或W型強(qiáng)振幅反射(圖3)。前人曾認(rèn)為V型強(qiáng)振幅反射是由于地層或巖性突變點(diǎn)產(chǎn)生的繞射波由于資料處理不當(dāng)形成的人為假象[22]。但隨著在北海盆地多個(gè)區(qū)塊的地震資料中，相同的地層單元之中均能發(fā)現(xiàn)該類V型強(qiáng)振幅反射[7]。從而判定V型反射并非人為假象，而是真實(shí)地質(zhì)現(xiàn)象的地震響應(yīng)。而且越來(lái)越多的野外露頭實(shí)例進(jìn)一步證明了大型砂巖侵入體的確存在(4a,b)。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的砂巖侵入體尚無(wú)鉆井直接鉆遇。但是在與研究區(qū)相鄰的區(qū)塊中，兩口井直接鉆遇了V型強(qiáng)振幅反射體。測(cè)井顯示V型強(qiáng)振幅反射體密度明顯大于周圍弱振幅反射體，自然伽馬也明顯較低，取芯證實(shí)為砂巖(圖4c,d)[7]。因此研究區(qū)發(fā)育在相同層位中的V型強(qiáng)振幅反射體同樣是砂質(zhì)沉積物液化流侵入到上覆蓋層形成的砂巖侵入體。砂巖侵入體其兩翼多是對(duì)稱的，但如果在侵入過(guò)程中其一翼因?yàn)榍秩胧茏瓒l(fā)育不完全，則呈非對(duì)稱的斜亮點(diǎn)型。并將V型強(qiáng)振幅反射的頂點(diǎn)稱為尖點(diǎn)(為砂巖侵入體向兩側(cè)分支的端點(diǎn))。

通過(guò)聲波時(shí)差換算的研究區(qū)漸新統(tǒng)巖石縱波速度在2 000 m/s左右，其時(shí)深關(guān)系為時(shí)間剖面上的1 ms可近似等于深度上的1 m。通過(guò)對(duì)研究區(qū)多個(gè)V型侵入體的平面直徑(倒圓錐形侵入體的最大平面直徑)、垂直高度(兩翼交點(diǎn)與其最大侵入高度之間的垂向距離)以及侵入體的兩翼傾角等進(jìn)行了測(cè)量。統(tǒng)計(jì)表明V型侵入體的平面直徑多在1～2 km之間，垂向上能在地震剖面上識(shí)別出來(lái)的侵入體高度多在100～200 ms(即100～200 m)之間，V型侵入體其兩翼傾角多在20°～25°之間。

圖3 砂巖侵入體在地震剖面上的反射特征(漸新統(tǒng)砂巖侵入(a)及古新統(tǒng)砂巖侵入(b))Fig.3 Seismic expression of sandstone intrusions (Oligocene sandstone intrusions (a) and Paleocene sandstone intrusions (b))

圖4 美國(guó)加州Yellow Bank Creek砂巖侵入體(a)(據(jù)Boehm et al.,2002[3])；美國(guó)加州Panoche Giant Complex砂巖侵入體(b)(Huuse et al.,2004[4])；取自北海盆地砂巖侵入體一翼的巖芯(c)(據(jù)Szarawarska et al.,2010[5])；北海盆地砂巖侵入體測(cè)井解釋(d)(據(jù)Huuse et al.,2004[7])Fig.4 Intrusive body south of Yellow Bank Creek beach (a) (from Boehm et al.,2002[3]); intrusive body of Panoche Giant Complex (b) (from Huuse et al.,2004[4]); core from well 24/9-7 drilled into one wing of the sandstone intrusive (c)(from Szarawarska et al.,2010[5]); well log interpretation of sandstone intrusive of North Sea basin (d) (from Husse et al., 2004) [7]

砂巖侵入體的厚度測(cè)量受地震資料的主頻高低影響較大。只有當(dāng)?shù)貙雍穸却笥诘卣鸩ǖ恼{(diào)諧厚度時(shí)，通過(guò)測(cè)量峰谷之間的視時(shí)差可以較為真實(shí)的反映薄砂體的真實(shí)厚度；否則峰谷之間的視時(shí)差不隨薄層厚度減薄而明顯變化，此時(shí)測(cè)量的視時(shí)差難以準(zhǔn)確反映地層的真實(shí)厚度。由于研究區(qū)的地震主頻較低，無(wú)法獲得砂巖侵入體的真實(shí)厚度。

砂巖侵入體為何在剖面上多呈V型或W型這一典型形態(tài)，前人做過(guò)很多探討。Cartwrightetal.[2]基于安德森所建立的巖漿錐狀侵入巖席的應(yīng)力及破裂模型，認(rèn)為當(dāng)超壓流體攜帶砂質(zhì)顆粒通過(guò)供源通道向上運(yùn)移到尖點(diǎn)時(shí)，侵入砂體對(duì)圍巖的四壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力跡線自尖點(diǎn)向外呈輻射狀，形成平行于最大主應(yīng)力跡線的剪破裂面，在過(guò)侵入體剖面上即呈V型特征。Mourguesetal.[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出砂巖侵入體的形態(tài)特征受到供源砂體內(nèi)部流體超壓(λb)大小及上覆蓋層厚度的控制(圖5)。當(dāng)孔隙流體超壓較大而蓋層厚度較小時(shí)，常在供源通道的頂端即尖點(diǎn)處形成分支并向兩側(cè)延伸(形成侵入砂巖巖床)，在兩側(cè)端點(diǎn)處向上撓曲并切穿蓋層形成侵入砂巖巖脈，即本文地震剖面所展示的V型強(qiáng)振幅反射或斜亮點(diǎn)反射，隨著供源砂體孔隙流體超壓值增加，使巖石發(fā)生破裂的壓力(λfract)越大，而砂巖巖脈的傾角α(即翼傾角)越緩(A1—A5)；對(duì)于孔隙流體超壓較小并且蓋層覆蓋厚度較大，則在尖點(diǎn)處形成單一的張裂縫，垂向向上延伸而不分支(B1，C1)?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)論，可以通過(guò)侵入體的形態(tài)特征定性分析其形成條件及環(huán)境[23]。

砂巖侵入形成的丘狀隆起與兩側(cè)原狀地層呈截然的接觸關(guān)系，并以鏟式逆斷層分隔(圖2)。丘狀隆起內(nèi)部地層變形強(qiáng)烈，地震剖面上表現(xiàn)為雜亂反射，與兩側(cè)原狀地層平行、中連續(xù)反射特征截然不同。這種接觸關(guān)系表明砂巖侵入不是受水平擠壓或拉張應(yīng)力導(dǎo)致的，而是垂向應(yīng)力作用的結(jié)果。符合這一特點(diǎn)的地質(zhì)活動(dòng)包括鹽巖底辟、巖漿作用、斷層破裂及流體充注。但是研究區(qū)未見(jiàn)到明顯的鹽巖底辟或巖漿侵入活動(dòng)，因此大規(guī)模的流體垂向運(yùn)移聚集及斷層破裂作用是最為合理的解釋。

3.2 多邊形斷層系統(tǒng)特征

多邊形斷層系統(tǒng)是發(fā)育在滲透率極低的地層(主要是富含蒙脫石的泥巖地層)中一種斷距微小(多小于30 m)的張性正斷層[24](圖2)，其平面展布特征為多邊形斷層之間相互切割形成網(wǎng)狀斷裂系統(tǒng)，類似于地表泥質(zhì)沉積物脫水形成的泥裂(圖6)，說(shuō)明二者在成因上具有相似之處。前人也認(rèn)為多邊形斷層系統(tǒng)是厚層泥巖在埋藏過(guò)程中壓實(shí)脫水及體積收縮導(dǎo)致的[25]。研究區(qū)的多邊形斷層系統(tǒng)的傾角多在45°～50°之間，遠(yuǎn)大于砂巖侵入體的翼傾角。多邊形斷層系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是斷層走向玫瑰花圖沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)方向(即沿任意方向發(fā)育斷層的密度近似相等)[26]。

圖5 不同蓋層厚度及孔隙流體壓力下的砂巖侵入過(guò)程及其外形特征(據(jù) Mourgues et al.[23])Fig.5 The intrusive features of different cap-rock thickness and pore fluid pressure(after Mourgues et al.[23])

雖然現(xiàn)今對(duì)多邊形斷層系統(tǒng)附近巖樣測(cè)試表明其靜巖滲透率低于周圍原狀地層[27]。但在斷裂發(fā)生短時(shí)間內(nèi)，其可以作為流體運(yùn)移通道[28]。而且多邊形斷層系統(tǒng)不是一期形成的，而是通過(guò)多期垂向延伸擴(kuò)展而成[29]。具體表現(xiàn)為多邊形斷層系統(tǒng)首先發(fā)育在Hordaland群下組合內(nèi)部流體超壓區(qū)。此后，Hordaland群上組合泥巖地層在與多邊形斷層接觸處將出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，隨著載荷增加，導(dǎo)致上覆地層形成大量剪裂縫并最終完全斷開(kāi)，從而使多邊形斷層系統(tǒng)向上覆地層延伸，誘發(fā)侵入。因此，在多邊形斷層系統(tǒng)垂向延伸過(guò)程中，存在多期斷層的封閉—張開(kāi)活動(dòng)，使得沿多邊形斷層系統(tǒng)運(yùn)移的流體也呈幕式運(yùn)移特征。

4 砂巖侵入形成條件

砂巖侵入的形成條件正如前文所述，需滿足未固結(jié)供源砂體、內(nèi)部超壓及一定的外部誘發(fā)因素三個(gè)條件?；谶@些成因機(jī)理的認(rèn)識(shí)，筆者將結(jié)合研究區(qū)的具體地質(zhì)條件對(duì)其進(jìn)行闡述。

4.1 供源砂體

作為砂巖侵入的供源砂體是Hordaland群上部的Skade組砂巖，屬深水重力流沉積(圖7a)。厚度在30～50 m之間，整個(gè)研究區(qū)均有分布，是形成大型砂巖侵入體的基礎(chǔ)。正如前文所述，砂巖侵入及其引發(fā)的泥巖蓋層變形的發(fā)生時(shí)間在早中新世至中中新世之間。此時(shí)，Skade組砂巖的最大埋藏深度不超過(guò)500 m，屬于淺埋藏階段。此時(shí)，砂質(zhì)沉積物尚未固結(jié)成巖，砂質(zhì)顆粒之間的作用力主要是通過(guò)顆粒相互接觸所傳遞的上覆地層載荷的垂向壓應(yīng)力(不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力)。由于砂質(zhì)顆粒之間缺乏黏聚力，因此當(dāng)顆粒之間的有效壓應(yīng)力消失時(shí)，砂質(zhì)顆粒將處于懸浮狀態(tài)，并可在孔隙流體的牽引下形成液化流。

4.2 超壓

要形成研究區(qū)這種大型圓錐形砂巖侵入體，且侵入砂巖巖脈傾角很緩，基于Mourgues的實(shí)驗(yàn)分析，則供源砂體內(nèi)部必然存在孔隙流體超壓，這也是流體超壓存在的最直接證據(jù)。研究區(qū)Skade組砂巖內(nèi)部流體超壓是受多種因素控制產(chǎn)生的。其一是具有良好的超壓保存條件。在Skade組之上覆蓋的是厚層富蒙脫石泥巖地層(圖7a)，其典型特征是粒度很細(xì)、滲透率極低及孔隙度較高[17]。因此，其作為封閉性能優(yōu)良的蓋層，使得Skade組砂巖內(nèi)部的流體難以排出，砂體內(nèi)部超壓能夠很好的保存，這是形成砂巖液化的必備條件。其二是應(yīng)具有充足的流體供給，這是其形成超壓的物質(zhì)基礎(chǔ)。因?yàn)镾kade組砂巖處于淺埋藏階段，壓實(shí)作用不強(qiáng)，砂體本身就孔隙發(fā)育且為流體飽和。而且，Hordaland群下組合的泥巖地層在壓實(shí)作用過(guò)程中排出的地層水也可通過(guò)多邊形斷層系統(tǒng)及各種裂隙運(yùn)移到Skade組砂巖之中。除此之外，北海盆地作為著名的含油氣盆地，其油氣系統(tǒng)在整個(gè)新生代都非?；钴S[30]。其生油高峰期發(fā)生在晚古近紀(jì)和早新近紀(jì)之間，也就是在漸新世至中新世之間[31]。這與砂巖侵入的發(fā)生時(shí)間吻合，表明大規(guī)模烴類流體充注是形成砂體內(nèi)部流體超壓的關(guān)鍵因素。

圖6 研究區(qū)地震相干體地層切片上顯示的多邊形斷層系統(tǒng)平面展布特征(a)、三維模型(b)、泥裂(c)Fig.6 Horizontal slice through a variance attribute volume showing polygonal fault systems (a) and its 3-D model (b)， mud crack (c)

圖7 Skade組砂巖及富蒙脫石低滲蓋層的伽馬測(cè)井顯示(a)；泥火山及氣煙囪的地震顯示(b，c)Fig.7 The manifestation of Skade Formation sandstone and rich-montmorillonite, low-permeability sealing sequence on natural gamma-ray logging curve (a) and the seismic expression of mud volcano and gas chimney(b, c)

時(shí)至今日，盆地中依然存在著活躍的流體運(yùn)移。研究區(qū)地震剖面上可見(jiàn)到流體垂向運(yùn)移兩種典型識(shí)別標(biāo)志：氣煙囪及泥巖底辟(圖7b，c)。氣煙囪主要指各種地下流體(主要是天然氣)沿著水力壓裂裂隙、構(gòu)造裂隙及斷層向上運(yùn)移的現(xiàn)象[32]。研究區(qū)構(gòu)造性斷層及其裂隙不發(fā)育，主要以多邊形斷層及流體超壓壓裂蓋層形成的裂隙為主。當(dāng)裂隙或斷層破碎帶為天然氣飽和后，其體積模量較之于周邊不含氣的原狀地層明顯減小。而體積模量是決定地震波縱波速度的關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)致在縱波反射地震剖面上垂向含氣帶(即氣煙囪)呈現(xiàn)出典型的弱振幅、雜亂或空白反射以及低速異?，F(xiàn)象。泥巖底辟是一種泥質(zhì)沉積物液化的現(xiàn)象，其形成條件與砂巖侵入相似，需要內(nèi)部超壓及一定的外部誘發(fā)因素使得泥質(zhì)沉積物、地層水或烴類流體充分混合后以近似液態(tài)的方式垂向運(yùn)移并刺穿上覆地層。泥巖底辟其自身就攜帶了大量的流體，而且底辟過(guò)程中形成大量的裂隙網(wǎng)絡(luò)也可作為流體運(yùn)移的通道[2]。

4.3 誘發(fā)因素

超壓是導(dǎo)致供源砂體液化的必備條件。但并不是代表隨著孔隙流體壓力的升高就一定會(huì)導(dǎo)致砂體發(fā)生液化。當(dāng)整個(gè)砂體的孔隙流體處于相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生定向或不定向的流動(dòng)時(shí)，此時(shí)即使孔隙流體壓力升高砂體也難以形成液化流。但當(dāng)孔隙中的流體發(fā)生滲流時(shí)，流體的牽引力將會(huì)抵消顆粒間相互接觸所傳遞的應(yīng)力(顆粒接觸力)，將導(dǎo)致顆粒處于懸浮狀態(tài)并隨著流體流動(dòng)[33]。而發(fā)生流動(dòng)的流體牽引力取決于孔隙流體壓力的大小。孔隙流體壓力越大，流體流動(dòng)時(shí)的壓差越大，其對(duì)顆粒的牽引力也越大，使得砂質(zhì)顆粒更易發(fā)生懸浮并形成液化流。因此，超壓在流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)不能誘發(fā)砂體液化，其需要一定外界因素作用下使孔隙流體流動(dòng)時(shí)才能發(fā)揮作用。如砂體之上的低滲泥巖蓋層發(fā)生破裂時(shí)，導(dǎo)致砂巖中的流體沿裂隙發(fā)生流動(dòng)，超壓使砂質(zhì)顆粒懸浮并隨流體侵入到蓋層裂隙之中(圖8)。

形成砂體液化則必須使流體流動(dòng)施加給砂質(zhì)顆粒的牽引力p要大于或等于顆粒接觸所傳遞的有效應(yīng)力μ。而超壓流體失穩(wěn)是產(chǎn)生牽引力的根本原因，誘發(fā)孔隙超壓流體發(fā)生流動(dòng)的因素有多種如：1)地震，當(dāng)?shù)卣鸩ㄊ┘咏o供源砂體的剪切應(yīng)力使其發(fā)生剪切變形時(shí)，破壞了孔隙流體的穩(wěn)定狀態(tài)使其液化。2)蓋層構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破裂，導(dǎo)致砂體內(nèi)部的孔隙流體沿裂隙隨之發(fā)生定向流動(dòng)(圖8)。3)供源砂體局部地區(qū)存在大量、快速的流體注入，而快速注入大量流體難以在極短時(shí)間內(nèi)向周圍砂體輸導(dǎo)出去，從而在砂體內(nèi)部流體注入?yún)^(qū)形成孔隙流體超壓，誘發(fā)砂體頂部蓋層形成大量裂隙，流體沿蓋層裂隙定向流動(dòng)。

圖8 蓋層破裂誘發(fā)砂巖液化的受力簡(jiǎn)圖Fig.8 The force diagram of cap rock failure triggering liquefaction of sand

針對(duì)這些誘發(fā)因素，地震因素誘發(fā)砂體液化的證據(jù)在現(xiàn)今地震剖面上難以識(shí)別。而蓋層裂隙及流體注入誘發(fā)砂體液化均能在研究區(qū)找到證據(jù)。前文已將闡述了多邊形斷層系統(tǒng)垂向延伸發(fā)展可誘發(fā)Skade組上部泥巖蓋層破裂，蓋層破裂引發(fā)Skade組內(nèi)部的超壓流體狀態(tài)失穩(wěn)并導(dǎo)致砂體液化，液化的砂質(zhì)顆粒沿著蓋層裂隙侵入(圖9a,b)。但值得注意的是研究區(qū)多邊形斷層系統(tǒng)的傾角與侵入砂體的翼傾角明顯不同，這與Cartwright對(duì)Faroe-Shetland盆地發(fā)育的多邊形斷層系統(tǒng)與砂巖侵入體翼傾角統(tǒng)計(jì)結(jié)果類似[2]。說(shuō)明多邊形斷層雖然可以誘發(fā)砂體液化，但其僅充當(dāng)砂巖侵入的供給通道。而當(dāng)侵入物質(zhì)沿著斷層面運(yùn)移到尖點(diǎn)時(shí)，將壓裂圍巖層面形成近似水平的張裂縫并橫向侵入形成侵入砂巖巖床(圖4a)。當(dāng)侵入體向兩側(cè)侵入一定距離后(距離長(zhǎng)短取決于孔隙流體超壓及上覆蓋層施加的垂向應(yīng)力的大小)，再撓曲向上切穿蓋層形成侵入砂巖巖脈(圖4a，b)。因此砂巖侵入體的錐形特征并非受多邊形斷層的形態(tài)控制造成的，而是蓋層載荷壓應(yīng)力及孔隙流體壓力大小控制的(圖9c)。而供源通道因砂體厚度太薄或傾角過(guò)大，尚無(wú)法在地震剖面上成像[33]。

基于以下兩點(diǎn)分析：1)烴源巖熱解生烴高峰期與砂巖侵入的發(fā)生時(shí)間的高度吻合；2)砂巖侵入強(qiáng)變形帶與兩側(cè)原狀地層呈現(xiàn)截然的接觸關(guān)系，可以得出：大量烴類流體的供給也是導(dǎo)致超壓失穩(wěn)的重要原因之一。在中新世生烴高峰期，烴源巖大量流體的生成導(dǎo)致烴源巖內(nèi)部形成超壓并誘發(fā)烴源巖破裂，烴類流體通過(guò)壓裂裂隙向上運(yùn)移，并在地震剖面上表現(xiàn)為氣煙囪。當(dāng)超壓烴類流體運(yùn)移到Hordaland群時(shí)，流體運(yùn)移通道從壓裂裂隙轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅螖鄬酉到y(tǒng)，在地震剖面上表現(xiàn)為雜亂或空白反射帶。在多邊形斷層最為發(fā)育的地區(qū)，油氣的注入量最大，最易誘發(fā)砂巖內(nèi)部超壓流體失穩(wěn)?；谏鲜鲇^點(diǎn)筆者建立了砂巖侵入及其引發(fā)的泥巖蓋層變形的誘發(fā)砂巖侵入模式圖(圖10)。

圖9 多邊形斷層系統(tǒng)誘發(fā)蓋層破裂并導(dǎo)致砂巖侵入簡(jiǎn)圖Fig.9 The simplified diagram of polygonal fault systems triggering failure of cap-rock and sandstone intrusions

5 砂巖侵入體作為流體運(yùn)移通道的意義

砂巖侵入本質(zhì)上是流體攜帶著粒度較粗、抗壓實(shí)能力較強(qiáng)的砂質(zhì)顆粒沿著破裂面運(yùn)移。但隨著供源砂體內(nèi)部流體的不斷排出，使得流體壓力下降，侵入體施加給圍巖的壓力小于靜巖壓力，壓裂裂隙發(fā)生閉合。但是，充填在裂隙中砂質(zhì)物質(zhì)在一定程度上阻止了裂隙的閉合，使其仍然可以作為良好的流體運(yùn)移通道。在后期埋藏過(guò)程中，侵入體周邊泥巖地層中的孔隙流體能及時(shí)通過(guò)侵入砂體排出(圖11 紅色箭頭所示)，使得其體積收縮量較遠(yuǎn)離砂巖侵入體的原狀泥巖地層大。隨著埋藏深度增加、上覆地層載荷加大，差異越明顯。在過(guò)丘狀隆起的任意地震剖面均能觀察到地震同相軸明顯下凹(如圖11中T3所代表的最大海泛面)。這就間接證明了砂巖侵入體本身在侵入活動(dòng)停止后的較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)依然可以作為流體運(yùn)移通道。砂巖侵入體的輸導(dǎo)作用不僅使得Skade組砂巖內(nèi)部的超壓流體的壓力回降到靜水壓力(圖11藍(lán)色箭頭所示)，而且可使得下伏地層的地層水以及各種烴類流體發(fā)生大規(guī)模垂向運(yùn)移(圖11綠色箭頭所示)。因此在很多淺部地層中仍然可以見(jiàn)到由干酪根在成熟或高成熟階段所生成的油氣富集形成的油氣藏。這在一定程度上擴(kuò)展了進(jìn)行油氣勘探的范圍，尤其是淺部地層中那些儲(chǔ)集性及封閉性均較好的圈閉(包括砂巖侵入體本身)。如果在砂巖侵入體之上缺乏適合油氣聚集的圈閉，那么通過(guò)砂巖侵入體向上運(yùn)移的油氣(以甲烷為主)可一直運(yùn)移到海底(古海底或現(xiàn)今海底)形成天然氣水合物。而如果是超壓砂質(zhì)液化流能夠侵入到海底則可沖蝕形成麻坑等地貌。此外，深部的熱流體通過(guò)砂巖侵入體向上運(yùn)移可使得淺部地層地溫梯度上升，在一定程度上加快淺部地層的成巖及儲(chǔ)層膠結(jié)作用[34]。

圖10 多邊形斷層系統(tǒng)及油氣充注誘發(fā)砂巖侵入模式圖Fig.10 The pattern diagram of polygonal fault systems and hydrocarbon emplacement triggering sandstone intrusions

此外，由于砂巖侵入體加強(qiáng)了流體的垂向運(yùn)移效率，因此在做油氣圈閉尤其是蓋層封閉性能的有效性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)給予充分重視。當(dāng)油氣圈閉之上發(fā)育有砂巖侵入體時(shí)，如果烴源巖對(duì)圈閉的油氣供給速率超過(guò)油氣通過(guò)砂巖侵入體的逸散速率時(shí)，圈閉是有效的；但如果烴源巖供給油氣能力不足時(shí)，砂巖侵入體可在較短的地質(zhì)時(shí)間內(nèi)將整個(gè)圈閉的油氣逸散掉使之成為無(wú)效的圈閉。因此在考慮油氣的聚散動(dòng)平衡時(shí)，認(rèn)識(shí)上不應(yīng)只考慮斷層、不整合面等流體運(yùn)移通道的影響，更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這種新型流體運(yùn)移通道的識(shí)別。

6 結(jié)論

(1) 砂巖侵入體在地震剖面上多呈V型或W型強(qiáng)振幅反射特征，三維空間上多呈倒圓錐形；平面展布規(guī)模多在1～2 km，垂向侵入高度在100～200 m之間。

(2) 富蒙脫石低滲泥巖蓋層憑借良好的封閉性能，是形成砂體內(nèi)部流體超壓的必要前提。在生烴高峰期大規(guī)模烴類流體通過(guò)微裂隙、多邊形斷層系統(tǒng)等疏導(dǎo)體系注入到供源砂體是形成超壓的根本原因。而多邊形斷層系統(tǒng)誘發(fā)蓋層破裂及砂體局部流體超壓壓裂蓋層是導(dǎo)致超壓流體失穩(wěn)，使砂質(zhì)沉積物液化的關(guān)鍵因素。

(3) 砂巖侵入體形成之后可加快流體的垂向運(yùn)移效率。丘狀隆起內(nèi)部孔隙流體在后期埋藏過(guò)程中通過(guò)砂巖侵入體向上滲流排除，加快了壓實(shí)速率，從而在丘狀隆起之上形成小型凹陷。

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GenesisandGeometryofOligoceneSandstoneIntrusionsinNorthSeaBasin

LUO LingChao1,2, JI YouLiang1,2, DUAN XiaoBing1,2, LIU LongSong1,2

1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China2.CollegeofNaturalSourceandInformationTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China

Sandstone intrusions are a common class of soft-sediment deformation. They are formed by the forceful intrusion of fluidization sand into overlying sealing sequence during early stages of burial. Based on 3-D high-resolution seismic data and logging data, we utilize methods of seismic reflection configuration analysis and coherence cube slice to illustrate geometry and induced mechanism of sandstone intrusions. Results indicated that sand intrusions appear V-shaped or W-shaped high amplitude anomalies in seismic sections; conical bodies are 1-2 km on the plane and up to hundreds of meters high; fluid emplacement and polygonal fault systems inducing cap-rock fracture are the key factors for overpressure of depositional sand body and fluidization of sand. After injection, sandstone intrusions may serve as high-permeability fluid flow passage for a long term and has great significance for vertical migration of fluid. More importantly, sandstone intrusions may serve as favorable reservoirs. So it has a great guiding significance to evaluation of cap-rock sealing capacity and hydrocarbon exploration.

North Sea Basin; sandstone intrusions; polygonal fault systems; hydrocarbon emplacement; overpressure

1000-0550(2017)06-1186-11

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.010

2016-10-11；收修改稿日期2016-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41672098)[FoundationNational Natural Science Foundation of China, No.41672098]

羅鈴鈔，男，1990年出生，碩士研究生，沉積學(xué)和層序地層學(xué)，E-mail：lc_luo2016@sina.com

紀(jì)友亮，男，教授，E-mail：jiyouliang@cup.edu.cn

P618.13

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