鄂爾多斯盆地中侏羅統(tǒng)延安組軟沉積變形構(gòu)造特征研究

黃天坤,任戰(zhàn)利

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;2.延長油田股份有限公司 勘探開發(fā)技術(shù)研究中心,陜西 延安 716001)

軟沉積物變形構(gòu)造(SSDS)是沉積物在沉積之后,未固結(jié)成巖之前的軟沉積物階段,還處于富含孔隙水的狀況下,受差異載荷、重力滑動(dòng)滑塌、液化和流化等物理作用的影響,所形成的一系列沉積構(gòu)造。和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成的構(gòu)造不同,同生變形構(gòu)造在縱向上僅限于未受擾動(dòng)的正常的沉積巖層之間。當(dāng)前，國內(nèi)外對軟沉積物變形構(gòu)造的研究涉及到類型識別[1-15]、成因機(jī)制和變形過程[16-30]、分類方案[31]等。國內(nèi)學(xué)者將軟沉積物變形的成因多歸結(jié)于古地震成因[32],忽略了軟沉積物變形構(gòu)造的多成因性;對其變形過程和成因分析的深入討論和實(shí)驗(yàn)?zāi)M也較少。在對鄂爾多斯盆地的軟沉積物變形構(gòu)造的研究中，研究對象絕大多數(shù)出現(xiàn)在延長組[1,33-37]，鮮有針對侏羅系延安組軟沉積物變形研究的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本研究以延安地區(qū)的兩處延安組地層露頭為研究對象,在侏羅系延安組延7油層組中識別出了不同類型的軟沉積物變形構(gòu)造；結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景,對該地區(qū)的軟沉積物變形構(gòu)造類型、成因機(jī)制及地質(zhì)意義進(jìn)行分析。

1 露頭描述

1.1 安塞延河露頭

地層出露位置地理上位于陜西省延安市安塞區(qū)陽光小區(qū)旁，北緯36°52′38″，東經(jīng)109°18′32″，海拔1 053 m±3 m(型號GPS map 621sc)的延河西岸處(見圖1)。出露剖面厚度約3.4 m,長度約22 m;巖性以灰黑色泥巖、灰色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖夾薄層細(xì)砂巖為主;剖面大致隨延河，局部走向呈南北向延伸,但出露點(diǎn)向南北兩側(cè)近距離范圍內(nèi),軟沉積物變形層位均被后期河道沖刷不復(fù)存在(見圖2)。其中，沿河岸向北,受第四紀(jì)黃土層和植被覆蓋的影響,無法追蹤觀察;沿河岸向南,追蹤至約2.5 km處的腰鼓山下,亦未見軟沉積物變形構(gòu)造現(xiàn)象。

1.2 延安裴莊露頭

該露頭點(diǎn)位于延安市棗園西裴莊村南500 m左右，北緯36°37′31″，東經(jīng)109°22′35″，海拔1 070 m±3 m的杏子河河岸處(見圖1)。整體剖面厚度較大,軟沉積物變形層厚約1.8 m,層位位于延6裴莊砂巖段之下的延7頂部,巖性為河漫灘、淺湖及較深湖亞相砂、泥巖。

圖1 區(qū)域地質(zhì)和地理位置疊合圖Fig.1 Superposition graph of regional geology and geographical location

1.3 露頭層位的確定

前人對裴莊杏子河剖面的層位已確定[38-39],本研究主要針對安塞延河剖面進(jìn)行層位分析。安塞延河露頭周圍有杏子川采油廠的杏703井和真55井,其處于兩者之間(見圖1)。杏703井距露頭點(diǎn)約2.5 km,真55井距露頭點(diǎn)約2.8 km。為確定出露地層的地質(zhì)年代,本研究利用臨近分布的井位及其海拔高程,根據(jù)延安組的地層特征、測井響應(yīng)特征進(jìn)行地層分層,根據(jù)各層的地面海拔和地層出露點(diǎn)的海拔高程進(jìn)行反推,從而確定出露地層的地質(zhì)年代。杏703井地面海拔1 318.00 m,真55井地面海拔1 252.00 m。根據(jù)已知地層出露點(diǎn)位于真55井和杏703井之間,以及出露點(diǎn)的海拔高程，進(jìn)行了地層對比和反推(見圖3)。兩井在延10寶塔砂巖的地層響應(yīng)特征比較明顯,延9至延7沉積特征對比性較好,延6裴莊砂巖亦較為明顯(見圖3);杏703井的延6地層底部海拔為1 068.70 m,真55井延6地層底部海拔為1 072.80 m;露頭位置地面海拔(1 053.00±3.0)m。由此可以確定，安塞延河出露地層為延7中上部地層,和裴莊西杏子河剖面為同時(shí)期的延7地層。另外,安塞延河露頭和裴莊杏子河露頭上覆地層均為延6裴莊砂巖,下伏地層均為厚度較大的泥巖層,中間為軟沉積物變形層位,且二者均表現(xiàn)出兩期沉積物變形的特征(見圖5b，圖7)。因此,從地層發(fā)育特征推測兩處露頭層位均為延7后期沉積。

圖2 地層露頭剖面特征Fig.2 Profile characteristics of formation outcrop

圖3 出露地層層位對比圖Fig.3 Contrast map of exposed strata

1.4 變形構(gòu)造描述

1.4.1 安塞縣延河剖面 安塞延河剖面厚約3.4 m,近南北走向,長約22 m。其構(gòu)造特征如下。

1)底部為灰黑色泥巖夾灰色泥質(zhì)粉砂巖,厚約1.67 m,灰色泥質(zhì)粉砂巖中可見水平層理。

2)下變形層位:巖性為灰色粉細(xì)砂巖,厚約0.50 m,發(fā)育大量砂枕砂球構(gòu)造、液化變形構(gòu)造、碎裂小揉皺等變形構(gòu)造。砂枕長度0.2～1.76 m,多在0.6～0.8 m;厚度約0.15 m;砂枕基本平行于上下層面,但斷續(xù)分布,中間被較細(xì)粒的粉砂巖沉積隔離。碎裂小揉皺大小不一,棱角明顯,較大的可以見到內(nèi)部的紋層。另外,還可以見到沉積物液化,孔隙水向上排出所形成的液化變形紋層。

3)未變形層位:巖性為灰色細(xì)砂巖,厚度約0.10 m,平行層理發(fā)育,橫向連續(xù)未錯(cuò)斷。

4)上變形層位:巖性和下變形層位相近,為灰色粉細(xì)砂巖,厚約0.48 m。發(fā)育大量的砂球構(gòu)造,內(nèi)部見明顯的包卷紋層,其橫向延伸基本平行于上下層位,但斷續(xù)分布,中間同樣被較細(xì)粒的灰黑色粉砂巖隔離;但其厚度約0.22 m,形態(tài)上多為砂球形態(tài)。本層碎裂小揉皺發(fā)育較多,形態(tài)與下變形層位相近;但見到一處位于上變形層位底部的平臥褶皺。平臥褶皺長約17 cm,高僅8 cm左右;褶皺層較薄,單層厚度僅3 cm左右,軸面大致呈南傾特征。

5)頂部未變形層位:巖性為灰色細(xì)砂巖,厚約0.65 m,表面多被白色鹽類化合物覆蓋,沉積構(gòu)造不明顯。

圖4 安塞延河剖面巖石序列特征Fig.4 Rock sequence profile property of Ansai Yan River

1.4.2 延安裴莊杏子河剖面 該露頭軟沉積物變形層位位于延6裴莊砂巖之下的延7油層組的頂部地層中。軟沉積物變形層位可以劃分為兩段,下變形層位以砂巖為主,厚度約1.0 m,可見大型負(fù)載構(gòu)造和枕狀構(gòu)造;上變形層位以灰黑色泥質(zhì)粉砂巖為主,厚度約0.8 m,可見順層分布的枕狀構(gòu)造,碎裂褶皺發(fā)育。

1.4.3 變形構(gòu)造特征 1)枕狀構(gòu)造(pillows)。枕狀構(gòu)造主要出現(xiàn)在砂、泥互層并靠近砂巖底部的泥巖中,是被泥質(zhì)包圍了的緊密堆積的砂質(zhì)橢球體或枕狀體,大小從十幾厘米到幾米,孤立或成群作雁行排列。產(chǎn)狀上,枕狀構(gòu)造呈“凹”形彎曲它的原始層，平行于枕狀體的底面、頂面則是一個(gè)平直的截切面[20]。

枕狀構(gòu)造在安塞延河剖面和西杏子河裴莊剖面均可見到(見圖5a中的數(shù)字標(biāo)注⑤,見圖6),單個(gè)枕狀體的頂、底面呈現(xiàn)較平直的特征,且總體平行于上下巖層;單個(gè)枕狀體內(nèi)部,呈現(xiàn)寬闊的向斜形態(tài),且紋層平行于枕狀體的底面(見圖6)?？傮w而言,多個(gè)枕狀體在橫向上斷續(xù)分布,中間被下伏地層穿刺隔離(見圖5a中的數(shù)字標(biāo)注⑤)。因此,枕狀構(gòu)造在本區(qū)表現(xiàn)為多個(gè)枕狀體在橫向上斷續(xù)分布的枕狀構(gòu)造層,表明其成因應(yīng)該是原始砂層在原地被下伏液化層向上穿刺侵位的結(jié)果。

圖5 裴莊杏子河剖面變形構(gòu)造Fig.5 Deformation structure of Xingzi River profile in Peizhuang

2)球枕構(gòu)造(ball and pillow)與負(fù)載構(gòu)造(load)。球枕構(gòu)造不同于枕狀構(gòu)造：球枕構(gòu)造與負(fù)載構(gòu)造共生，其源自負(fù)載構(gòu)造脫離母巖層而向下沉落陷入下伏，在相對較細(xì)、較粗的砂層中形成[20-40]。本區(qū)球枕構(gòu)造(見圖7b;圖5a中的數(shù)字標(biāo)注④)和火焰狀構(gòu)造非常發(fā)育(見圖7a;圖5a中的數(shù)字標(biāo)注① ③,圖5b中的⑥)。本區(qū)的球枕構(gòu)造在形態(tài)上有球狀和枕狀兩種,被泥質(zhì)粉砂巖所包裹;球狀形態(tài)多呈橢圓狀,內(nèi)部可見砂質(zhì)紋層(見圖7a，b);火焰狀構(gòu)造則表現(xiàn)為下伏的泥質(zhì)粉砂沉積物向上覆的砂質(zhì)沉積物貫入(圖5b中的⑥),甚至穿刺上覆沉積物(圖7a和圖5a中的①)。前人已經(jīng)就負(fù)載構(gòu)造和球枕構(gòu)造的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了地震震動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)[17,19],認(rèn)為厚度大于1 cm的負(fù)載構(gòu)造是地震成因的[6,9],對應(yīng)的地震震級可能為6.0～7.0級[40]。

圖6 安塞延河剖面枕狀構(gòu)造(下變形層位)Fig.6 Pillow structure of Ansai Yan River section

注：a位于下變形層位； b位于上變形層位圖7 安塞延河剖面球枕構(gòu)造和負(fù)載構(gòu)造Fig.7 Spherical pillow structure and load structure of Ansai Yan River profile

震積褶皺多以幾乎不發(fā)生位移與滑塌體所形成的褶皺來區(qū)別[41]。本次觀察到的褶皺位于安塞延河剖面的上變形層位底部,緊靠未變形細(xì)砂巖層位;其規(guī)模較小,長約17 cm,高僅8 cm左右;褶皺層較薄,單層厚度僅3 cm左右(見圖8a),形態(tài)與Sims(1973)在Van Norman湖中觀察到的地震成因的平臥褶皺極其相似(見圖8b)。Van Norman湖頂部沉積物發(fā)育的平臥褶皺(Recumbent fold),其成因?yàn)?971年2月9日的南加州圣費(fèi)爾南多地震(震級6.6級,震源深度12.8 km)。

圖8 安塞延河剖面平臥褶皺與Van Norman湖頂部沉積物中的平臥褶皺比較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

“碎裂揉皺”在安塞延河剖面和西杏子河裴莊剖面均有發(fā)現(xiàn),未見其順層分布,僅局部發(fā)育;其碎裂嚴(yán)重,但有的呈棱角狀,有的呈次圓狀，大小不等,一般為幾厘米至十幾厘米;內(nèi)部紋層清晰,褶皺明顯,軸面傾向無規(guī)律性(見圖5a中②;見圖9)。推測其成因?yàn)榫植枯^薄的砂巖夾層,受地震液化作用的影響,被周圍強(qiáng)液化變形沉積物反復(fù)擾動(dòng)、揉皺變形所致。

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

3)液化變形紋層。液化變形紋層多出現(xiàn)在包裹枕狀構(gòu)造、球枕狀構(gòu)造的泥質(zhì)粉砂巖中,其方向性受液化變形層內(nèi)孔隙流體的流向所影響(見圖5a中的①;見圖10);當(dāng)液化作用較為強(qiáng)烈時(shí),可以見到液化紋層的錯(cuò)斷現(xiàn)象(見圖10)。

圖10 安塞延河剖面液化變形紋層及紋層錯(cuò)斷現(xiàn)象Fig.10 Liquefaction deformation lamination and laminar dislocation in Ansai Yan River section

2 成因機(jī)制分析

可以引發(fā)軟沉積物變形構(gòu)造的因素很多,包括滑塌、液化作用、流化作用等。但前人指出，在未固結(jié)的飽含水的砂巖沉積物中,最可能的變形機(jī)制是液化作用和流化作用,而流化作用需要有外部流體的供應(yīng)。液化作用主要由于孔隙流體壓力的變化,而地震震動(dòng)是導(dǎo)致孔隙流體壓力增加的一種因素。本研究通過對原始沉積條件、軟沉積物變形構(gòu)造規(guī)模和分布范圍,以及延安組延7沉積時(shí)期盆地周緣活動(dòng)情況進(jìn)行分析,認(rèn)為延7頂部軟沉積物變形構(gòu)造為古地震活動(dòng)成因。

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

在沉積演化方面受印支運(yùn)動(dòng)的影響, 鄂爾多斯盆地在三疊紀(jì)末期發(fā)生抬升剝蝕, 形成凹凸不平的古地貌背景。 侏羅系富縣組和延安組早期延10，延9油層組便是以河流相為主的填平補(bǔ)齊沉積,延8至延7形成于以湖泊三角洲沉積體系為主的湖盆形成階段,延6以后,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯加強(qiáng),發(fā)育以河流相沉積為主的湖盆過補(bǔ)償沉積。延8—延7沉積時(shí)期,研究區(qū)處于延安期濱、淺湖亞相區(qū),巖性以中—細(xì)砂巖和泥巖沉積為主[42]。

構(gòu)造活動(dòng)方面,延安組延7油層組為中侏羅世早期沉積。早中侏羅世(190～175 Ma),華北巖石圈處于弱伸展?fàn)顟B(tài),沿陰山燕山構(gòu)造帶發(fā)育有正斷層和裂谷作用[43-44];鄂爾多斯盆地西南緣和東北緣發(fā)生4次凝灰?guī)r噴發(fā)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,在侏羅紀(jì)早、中期,鄂爾多斯盆地及其周緣存在古火山活動(dòng)。

2.2 成因及期次分析

軟沉積物變形構(gòu)造不能反映特定的沉積環(huán)境，但可確定水動(dòng)力條件,解釋古水流、古氣候、古地震事件[21]。軟沉積物變形主要有4種成因機(jī)制,即液化或流化作用、反密度梯度、滑塌或斜坡失穩(wěn)、剪切應(yīng)力,且往往4種機(jī)制組合共同作用[30]。其觸發(fā)因素有4類,一是周期外力,如地震,風(fēng)浪,特別是風(fēng)暴成因的風(fēng)浪;二是脈沖力,如山崩(landslide);三是孔隙流體壓力的增加,通常與地下水充注和運(yùn)動(dòng)有關(guān);四是液化作用的發(fā)生[16]。根據(jù)研究區(qū)兩處軟沉積物變形的構(gòu)造特征、地層序列特征,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，認(rèn)為研究區(qū)軟沉積物變形為古地震活動(dòng)成因。

1)早中侏羅世,盆地及其周緣存在古火山活動(dòng)。

2)沉積物粒度較細(xì),易于在外力的影響下發(fā)生變形。軟沉積物變形主要發(fā)生在粗粉砂和細(xì)粉砂級別的沉積物中,這種沉積物的高沉積速率、低滲透性、低剪切力使得其更易變形[30]。天然地震時(shí),對地表能造成極大危害的是地震面波。水與砂兩者力學(xué)性質(zhì)不同,面波在自由表面?zhèn)鞑r(shí),產(chǎn)生的剪切力使富含水的砂層發(fā)生液化作用[20]。按照十進(jìn)制碎屑顆粒粒度分級表,粗砂粉砂級別(0.01～0.90 mm)的軟沉積物均具備在外力條件下發(fā)生液化形變的可能[46],但粉砂級別(包括細(xì)粉砂和粗粉砂,粒徑范圍0.01～0.10 mm)的軟沉積物極易發(fā)生液化形變[47]。因此,泥巖沉積物(<0.01 mm)或者粗細(xì)砂級沉積物(0.1～0.09 mm)多表現(xiàn)為弱液化作用,粉砂級沉積物(0.01～0.1 mm)多表現(xiàn)為強(qiáng)液化作用。但是，地震強(qiáng)度或外力強(qiáng)度是否會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)液化層和弱液化層的粒度分布范圍的變化,是值得深究的。本地區(qū)以湖相灘壩沉積的細(xì)砂巖、粉砂巖夾三角洲前緣分流間洼泥巖沉積為主,在古地震的影響下,易發(fā)生軟沉積物的液化變形。

3)區(qū)域分布廣泛,且被限定在未變形層位之間。安塞和延安裴莊同一層位的兩個(gè)地層出露點(diǎn),直線距離約29 km,均發(fā)生軟沉積變形構(gòu)造,且被限定在未變形層位之間。

4)枕狀構(gòu)造有固定層位,且平行于未變形地層,斷續(xù)分布。枕狀構(gòu)造地震成因的觀點(diǎn)被多數(shù)地質(zhì)學(xué)家所接受。有固定層位,沿走向在一定距離內(nèi)分布的枕狀構(gòu)造層應(yīng)是地層記錄中的古地震證據(jù)[20]。安塞延河剖面和延安西杏子河裴莊剖面均發(fā)育斷續(xù)分布的枕狀構(gòu)造層,且發(fā)現(xiàn)的巖枕寬度達(dá)到1 m以上,可以確定是地震成因的。

5)典型的延安組砂巖是富含石英及石英巖屑的長石巖屑砂巖,而在實(shí)測剖面資料上,軟沉積物變形之上的延6裴莊砂巖存在一套富含噴發(fā)巖屑和淺變質(zhì)巖屑的巖屑砂巖。這一信息和區(qū)域構(gòu)造背景吻合,也表明了這一時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)發(fā)生的確切性。

在地震活動(dòng)期次方面,安塞延河剖面上、下兩套變形層位之間夾一細(xì)砂巖地層,該細(xì)砂巖地層厚度較薄,約10 cm;且在出露剖面中呈現(xiàn)連續(xù)、未變形的特征。該特征表明，古地震活動(dòng)在兩次軟沉積物變形之間,存在短暫的古地震活動(dòng)較弱的可能。另外,延安西杏子河裴莊剖面,雖未發(fā)現(xiàn)上、下兩套軟沉積物變形層位之間有連續(xù)的未變形層位,但該剖面下變形層位和上變形層位明顯不同,也指向兩次古地震活動(dòng)。因此認(rèn)為，這一時(shí)期，研究區(qū)發(fā)生兩次古地震活動(dòng)。

3 地質(zhì)意義

延安組地層形成于中侏羅世早期[48]。此時(shí)，研究區(qū)古地貌呈西高東低的特征,盆地東部以寧武延安為湖盆中心,開闊湖泊穩(wěn)定發(fā)育,盆地西部的沖積三角洲體系總體向東快速推進(jìn)[48]。該時(shí)期發(fā)生區(qū)域性的地震活動(dòng),可能對這一時(shí)期的三角洲沉積砂體的分布產(chǎn)生顯著的影響,為晚侏羅世到早白堊世的油氣成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí),結(jié)合油氣運(yùn)移研究,可以為鄂爾多斯盆地延安組中淺層的油氣勘探指明方向。軟沉積物變形構(gòu)造的發(fā)現(xiàn),打破了前人對延安組沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)比較穩(wěn)定的傳統(tǒng)觀點(diǎn),為盆地的油氣勘探提供了思路。

4 結(jié) 論

1)鄂爾多斯盆地中侏羅統(tǒng)延安組延7地層發(fā)育了兩套軟沉積物變形層位,其代表性的沉積構(gòu)造包括負(fù)載構(gòu)造、枕狀構(gòu)造、液化變形紋層、微斷層等。其中枕狀構(gòu)造和負(fù)載構(gòu)造是主要類型。

2)早侏羅世延7沉積時(shí)期,鄂爾多斯盆地發(fā)生兩次古地震活動(dòng),其成因可能與早、中侏羅紀(jì)鄂爾多斯盆地及其周緣古火山活動(dòng)的構(gòu)造背景有關(guān)。

3)軟沉積物變形構(gòu)造的發(fā)現(xiàn),打破了前人對延安組沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)比較穩(wěn)定的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。延7沉積時(shí)期,古地震活動(dòng)對三角洲沉積砂體的分布產(chǎn)生顯著的影響，這可以為鄂爾多斯盆地延安組中淺層的油氣勘探指明方向。