鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段重力流沉積特征

鐘 高 潤

(1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710069； 2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系， 西安 710069)

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鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段重力流沉積特征

鐘 高 潤1,2

(1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710069； 2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系， 西安 710069)

摘要：根據(jù)重力流的沉積理論，利用巖心、測井等資料，探討鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段重力流的沉積特征及其成因，并結(jié)合試油結(jié)果討論重力流的地質(zhì)意義。該區(qū)重力流沉積物可分為砂質(zhì)碎屑流沉積物、液化流沉積物、滑塌巖和濁積巖，其中濁積巖最為發(fā)育。構(gòu)造事件、沉積物力學(xué)平衡的破壞是形成該區(qū)重力流的主要原因，流體性質(zhì)的變化促使了不同類型的重力流沉積的形成。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地； 延長組； 長7段； 重力流； 沉積特征

重力流沉積模式、沉積理論和實(shí)驗(yàn)研究是當(dāng)今沉積學(xué)領(lǐng)域的幾大研究熱點(diǎn)[1]。20世紀(jì)40年代對淺海大陸架邊緣取心及深海沉積物的研究，證實(shí)了深海中重力流和濁流沉積作用的存在[2]。重力流理論也廣泛應(yīng)用在國內(nèi)的陸相湖盆地質(zhì)特征研究中[3-5]。目前，國內(nèi)重力流研究主要集中在以下2個方面：(1)集中于傳統(tǒng)濁流理論指導(dǎo)下的滑塌濁積扇、濁積水道沉積特征研究；(2)伴隨著致密油的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合重力流最新研究進(jìn)展，分析國內(nèi)陸相湖盆深水重力流沉積與非常規(guī)油氣的關(guān)系[6]。

以鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段為例，在35口井巖心觀察的基礎(chǔ)上，分析重力流的沉積特征和沉積類型，探討重力流的成因。

1重力流沉積

1.1巖石學(xué)特征

通過對鄂爾多斯盆地西南部地區(qū)長7段的巖心觀察與描述，發(fā)現(xiàn)長73段的巖性主要為油頁巖和黑色泥巖，長72段 — 長71段的巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。可見重力流沉積物與深湖相油頁巖或黑色泥巖直接接觸，常見凝灰質(zhì)夾層(圖1(A))、鐵質(zhì)結(jié)核(圖1(B))、凝灰質(zhì)與黃鐵礦夾層(圖1(C))，可見植物碎屑、魚類化石、煤線(圖1(E)、(F)、(G))。通過分析輕礦物碎屑組分可知：該區(qū)常見的巖石類型為長石砂巖、長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖。

1.2重力流沉積類型

基于Shanmugam和Middleton等人對重力流的研究成果和分類原則[7-8]，將該區(qū)的重力流沉積分為滑塌沉積、砂質(zhì)碎屑流沉積、液化流沉積和濁流沉積4類。不同的沉積類型具有不同的沉積構(gòu)造特征。按照各種沉積物的沉積環(huán)境及沉積位置的不同，從三角洲前緣到深湖平原依次為滑塌沉積、碎屑流沉積、液化流沉積和濁流沉積；從下向上依次為深湖平原的油頁巖和黑色泥巖、砂質(zhì)碎屑流沉積和濁積巖沉積。

1.2.1滑塌沉積

滑塌巖是三角洲前緣沉積物的力學(xué)平衡被破壞后，在自身重力作用下沿斜坡發(fā)生滑動變形的產(chǎn)物。其本質(zhì)上是由于沉積物液化作用而產(chǎn)生的，支撐沉積物的機(jī)制是流體向上運(yùn)動產(chǎn)生的超孔隙壓力[9]。這種異地的液化作用受滑塌作用與液化作用共同影響。塊體在滑動過程中，往往形成砂泥巖的變形層理和一些滑塌構(gòu)造，在泥巖與砂巖的接觸面間可見光滑的滑動面。

本區(qū)滑塌巖發(fā)育的沉積構(gòu)造有：(1)泥巖的卷曲變形(圖1(D))；(2)滑塌體中粒度大小不一的角礫狀泥巖撕裂屑(圖1(H))；(3)砂泥巖高度混雜(圖1(I))；(4)在泥巖和砂巖的接觸面之間發(fā)育的光滑滑動面(圖1(J))。

1.2.2砂質(zhì)碎屑流沉積

碎屑流具塑性流變性質(zhì)和多種沉積物復(fù)合支撐機(jī)制，砂質(zhì)碎屑流以凍結(jié)方式整體沉降[9-10]。研究區(qū)延長組長7段砂質(zhì)碎屑流的沉積物粒徑變化范圍較大(0.003 9~20 mm)，巖性以泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主，分選性和定向性很差，粉砂巖和細(xì)砂巖以塊狀結(jié)構(gòu)為主，具有一定的層理特征，發(fā)育火焰狀構(gòu)造(圖1(K))。在塊狀砂巖中常有泥礫(圖1(L))和泥巖的撕裂屑(圖1(M))存在。

圖1　鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段重力流沉積特征

1.2.3液化流沉積

液化流是一種介于塑性流體和非塑性流體間的沉積物流，是結(jié)構(gòu)松散的砂液化后具有超孔隙壓力支撐的液體流[10]。在重力作用下進(jìn)行塊體流搬運(yùn)和沉積,發(fā)育砂巖香腸構(gòu)造、砂球構(gòu)造 (圖1(N)、(O))，與碎屑流、濁流沉積共生，研究區(qū)的液化流發(fā)育在濁流沉積啟動初期。

1.2.4濁流沉積

鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段濁積巖中層理類型發(fā)育,以塊狀為主,多見變形層理,平行層理、沙紋層理和水平層理。變形層理和包卷狀層理主要發(fā)育在泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖中；沙紋層理主要發(fā)育在粉砂巖 — 細(xì)砂巖中；水平層理主要發(fā)育于泥巖中；槽模、溝模、印模工具模、重荷模(圖1(P) — 圖1(S))等底層面構(gòu)造，主要發(fā)育在粉砂巖、細(xì)砂巖與泥巖的互層段，伴生卷曲變形、裂縫等構(gòu)造現(xiàn)象。

結(jié)合巖石類型、沉積構(gòu)造、結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)發(fā)育5種類型的鮑馬序列組合，即 “ABCDE”、“AB”、“BCD”、“CD”、“AAAAA”(圖2)。其中“AB”、“BCD”和“CD”的組合類型主要發(fā)育在薄層濁積巖(厚度小于10 cm)中；完整的鮑馬序列“ABCDE”主要發(fā)育在厚度為30 cm左右的中層濁積巖中；“AAAAA”的組合類型發(fā)育在厚層狀的濁積巖(厚度大于30 cm)中。

圖2　鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段鮑馬序列特征

2重力流成因分析

重力流是指由沉積介質(zhì)(流體)與沉積物混為一體并依靠自身重力產(chǎn)生動力搬運(yùn)的流體[11]，觸發(fā)機(jī)制和較大的斜坡是形成重力流的必備條件。研究區(qū)形成重力流的主要成因有：構(gòu)造事件、沉積物力學(xué)平衡的破壞及流體性質(zhì)的變化。

2.1構(gòu)造事件

晚三疊世在鄂爾多斯地塊西、南緣發(fā)生了斷裂逆沖，特別是在中三疊世末和晚三疊世初， 隨著古特提斯海的擴(kuò)張，揚(yáng)子板塊向北推擠加劇，封閉了殘余的秦嶺海槽，因擠壓構(gòu)造負(fù)荷引起盆地的撓曲沉降，在其北側(cè)產(chǎn)生了中生代差異沉降盆地，沉積中心偏于盆地南部,使盆地在西緣和南緣發(fā)生沉降并在一些地區(qū)形成深湖環(huán)境[13]。長73段沉積時(shí)期是湖盆發(fā)展演化的鼎盛時(shí)期，全區(qū)湖水伸展范圍最大，以淺湖 — 深湖相沉積為主，盆地快速沉降，物源供給量少，盆地整體處于沉降速率大于盆地沉積速率的欠補(bǔ)償環(huán)境下，三角洲前緣的陡岸斜坡帶發(fā)育；從長72到長6時(shí)期，沉積水體逐漸變淺，物源供給量增加，盆地處于沉降速率小于盆地沉積速率的補(bǔ)償環(huán)境下，形成了扇三角洲、辮狀河三角洲和曲流河三角洲的沉積；長7段沉積時(shí)期，盆地從欠補(bǔ)償環(huán)境轉(zhuǎn)化到補(bǔ)償環(huán)境。這種大的區(qū)域構(gòu)造背景為重力流的形成提供了有利條件。

三角洲前緣砂體堆積不穩(wěn)，在洪水、地震、波浪、地形等外在力觸發(fā)機(jī)制下容易發(fā)生滑塌，進(jìn)而演化為碎屑流沉積和濁流沉積。凝灰?guī)r是印支中期構(gòu)造活動最直接的產(chǎn)物[14]。凝灰?guī)r夾層(圖1(A))在鄂爾多斯盆地西南地區(qū)延長組長7地層中頻繁出現(xiàn)，表明火山活動和地震作用頻發(fā)是觸發(fā)重力流的動力機(jī)制；巖心觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫在該區(qū)發(fā)育廣泛，說明構(gòu)造擠壓作用強(qiáng)烈，構(gòu)造應(yīng)力場處于動態(tài)的調(diào)整階段，易發(fā)生重力流沉積；氣候潮濕、干旱的周期性變化及水動力條件的周期性變化等因素也為重力流的形成提供了有利的條件。

2.2沉積物力學(xué)平衡的破壞

在三角洲不斷向前推進(jìn)過程中，三角洲前緣形成前積式沉積。在平衡狀態(tài)下，可認(rèn)為沉積物沿斜坡帶滑動時(shí)的動摩擦力與靜摩擦力大小相等(見圖3)，其平衡方程用式(1)表示：

mgsinφ1=μmgcosφ1

(1)

由式(1)推得：φ1=arctanμ。

伴隨著持續(xù)前積式沉積，沉積界面與地面的夾角φ逐漸增大，當(dāng)φ>φ1時(shí)，根據(jù)牛頓定律得出：

ma=mgsinφ-μmgcosφ

(2)

a=gsinφ-μgcosφ

(3)

式中：a— 加速度；

g— 重力加速度；

μ— 動摩擦因子；

m— 沉積物的質(zhì)量。

若a>0，則三角洲前緣的沉積物就會沿著斜坡向下搬運(yùn)，發(fā)生滑塌沉積。孫其誠和CamPbell等人進(jìn)行顆粒流動力學(xué)研究后發(fā)現(xiàn)[15-16]：顆粒流沿斜坡帶發(fā)生滑動時(shí)，μ介于0.4～0.5，因此φ1maxφ1max，即26.6°，具備發(fā)生滑塌條件。

圖3　沉積物受力模式圖

2.3流體性質(zhì)的變化

流變學(xué)研究的是流體和固體形態(tài)物質(zhì)的流動和變形特征，即剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間的關(guān)系[18]。流體具有流變特征，因此在流變學(xué)上將流體分為牛頓流體和非牛頓流體2類。服從內(nèi)摩擦定理的稱為牛頓流體，不服從內(nèi)摩擦定理的稱為非牛頓流體。在溫度不變、流速梯度變化的條件下，動力黏滯系數(shù)為常數(shù)，剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系；非牛頓流體或者剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不滿足線性關(guān)系，具有一定的屈服強(qiáng)度。當(dāng)外力大于其屈服力時(shí)，非牛頓流體可以向牛頓流體轉(zhuǎn)化。

在構(gòu)造作用和流體力學(xué)平衡被破壞后，沉積物發(fā)生滑塌，形成碎屑流沉積。碎屑流沿著三角洲前緣斜坡向盆地中心滑動過程中，部分沉積物不斷卸載，依次形成“超高密度流”和“高密度流”。對碎屑流而言，一般沉積物濃度較高。砂質(zhì)碎屑流體積濃度達(dá)25%～95%[19-21]，泥質(zhì)碎屑流體積濃度達(dá)50%～90%[19]。牛頓流體和非牛頓流體的邊界體積濃度值一般為20%～25%[19]，賓漢(Bingham)模式能很好地?cái)M合碎屑流的流變模式[22-23]，即碎屑流是一種具有塑性流變或非牛頓流變性質(zhì)的流體，呈層流流動狀態(tài)[18-19]。沉積物的支撐機(jī)制主要由其塑性流變性質(zhì)決定，沉積物的塑性流變性質(zhì)又與屈服強(qiáng)度密切相關(guān)。屈服強(qiáng)度包括了黏土 — 水基質(zhì)產(chǎn)生的基質(zhì)強(qiáng)度和顆粒碰撞所產(chǎn)生的摩擦強(qiáng)度。其表現(xiàn)形式用庫侖公式表示[23]：

κ=c+δtanφ

(4)

式中：κ— 碎屑流的屈服強(qiáng)度；

c— 黏土 — 水的基質(zhì)強(qiáng)度；

δtanφ— 碎屑流中顆粒之間的摩擦強(qiáng)度；

δ— 沉積物所承受的正壓力；

φ— 摩擦角。

在上覆沉積物不斷增加，δ值不斷增大的情況下，c+δtanφ值在某一時(shí)刻超過碎屑流的屈服強(qiáng)度，碎屑流就會從非牛頓流體向牛頓流體轉(zhuǎn)化，形成液化流沉積；當(dāng)碎屑流完全轉(zhuǎn)化為牛頓流體時(shí)，在很小的剪應(yīng)力條件下流體就會發(fā)生流動，形成濁流沉積。這也是鄂爾多斯盆地在坡角整體較小的情況下仍然發(fā)育濁積巖的原因。

3結(jié)語

(1)鄂爾多斯西南部地區(qū)發(fā)育的4種重力流類型分別為濁積巖、砂質(zhì)碎屑流、液化流沉積和滑塌巖沉積，其中濁積巖最為發(fā)育。濁流沉積中鮑馬序列有“ABCDE”、“AB”、“BCD”、“CD”、“AAAAA”5種組合類型。

(2)構(gòu)造事件、沉積物力學(xué)平衡被破壞和流體性質(zhì)變化是引起該區(qū)發(fā)生重力流沉積的主要因素。構(gòu)造事件從區(qū)域上控制著盆地的類型和沉積體系；沉積物力學(xué)平衡的破壞為沉積物發(fā)生滑塌提供了動力來源；流體性質(zhì)的變化使得流體從非牛頓流體向牛頓流體逐漸轉(zhuǎn)化，從而形成了不同類型的重力流沉積。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖紀(jì)佳，朱筱敏，鄧秀芹，等．鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組重力流沉積特征及其模式[J].地學(xué)前緣,2013,20(2):29-39.

[2] Bouma A H.A Graphic Approach to Facies Interpretation[C]Sedimentary of Same Flysch Deposits. Amsterdam: Elsevier,1962.

[3] 王穎，王曉州，王英民，等．大型坳陷湖盆坡折帶背景下的重力流沉積模式[J].沉積學(xué)報(bào),2009,27(6):1076-1083.

[4] 鮮本忠，萬錦峰，姜在興，等．?dāng)嘞莺柰菹輲е亓α鞒练e特征與模式：以南堡凹陷東部東營組為例[J]．地學(xué)前緣,2012,19(1):121-135.

[5] 李林，曲永強(qiáng)，孟慶任，等．重力流沉積:理論研究與野外識別[J].沉積學(xué)報(bào),2011,29(4):677-688.

[6] 傅強(qiáng)，呂苗苗，劉永斗．鄂爾多斯盆地晚三疊世湖盆濁積巖發(fā)育特征及地質(zhì)意義[J].沉積學(xué)報(bào),2008,26(2):186-192.

[7] Shanmugam G.Deep Water Processes and Facise Model：A Critical Perspective[J]. Marine and Petroleum Geology,2000,17(2):285-342.

[8] Middleton G V,Hampton M A. Sediment Gravity Flows: Mechan-ics of Flow and Deposition[C]∥ Middleton G V,Bouma A H.Turbidites and Deep Water Sedimentation．Los Angeles: SEPM Pacific Section,1973: 1-38.

[9] Middleton G V, Hampton M A. Subaqueous Sediment Transport and Deposition by Sediment Gravity Flows[G]Stanly D J P. Marine Sediment Transport and Environment. New York: Wiley, 1976:197-218.

[10] 楊華，竇偉坦，劉顯陽，等．鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7沉積相分析[J].沉積學(xué)報(bào),2010,28(2):255-263.

[11] 龐雄，柳保軍，顏承志，等．關(guān)于南海北部深水重力流沉積問題的討論[J].海洋學(xué)報(bào),2012,34(3):114-119.

[12] 楊華，鄧秀芹．構(gòu)造事件對鄂爾多斯盆地延長組深水砂巖沉積的影響[J].石油勘探與開發(fā),2013,40(5):513-520.

[13] 趙紅格．鄂爾多斯盆地西部構(gòu)造特征及演化[D].西安：西北大學(xué),2003:20-30.

[14] 姚涇利，鄧秀芹，趙彥德，等．鄂爾多斯盆地延長組致密油特征[J].石油勘探與開發(fā),2013,40(2):150-158.

[15] 孫其誠，王光謙．顆粒流動力學(xué)及其離散模型評述[J].力學(xué)進(jìn)展,2008,38(1):87-100.

[16] Campbell C S. Granular Material Flows: An Overview[J]. Powder Technology, 2006,162:208-229.

[17] 操應(yīng)長，劉暉．湖盆三角洲沉積坡角度帶特征及其與滑塌濁積巖分布關(guān)系的初步探討[J].地質(zhì)論評,2007,53(4):454-459.

[18] 高紅燦，鄭榮才，魏欽廉，等．碎屑流與濁流的流體性質(zhì)及沉積特征研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2012,27(8):815-827.

[19] Lowe D R．Sediment Gravity Flows: П Depositional Models with Special Reference to the Deposits of High Density Turbidity Currents[J]．Journal of Sedimentary Petrology,1982,52: 279-297.

[20] Shanmugam G．The Bouma Sequence and the Turbidite Mindset[J].Earth Science Reviews, 1997,42(4):201-229.

[21] Coussot P,Meunier M．Recognition, Classification and Mechanical Description of Debris Flows[J].Earth Science Reviews,1996,40(34):209-227.

[22] Marr J G，Harff P A,Shanmugam G,et al． Experiments on Subaqueous Sandy Gravity Flows: The Role of Clay and Water Content Inflow Dynamics and Depositional Structures[J].Geological Society of America Bulletin,2001,113: 1377-1386.

[23] Johnson A M．Physical Processes in Geology[M].San Francisco: Freeman,1970: 1-5.

The Gravity Flow Deposits in Chang Member7 Yanchang

Formation of Southwest Ordos Basin

ZHONGGaorun1,2

(1. State Key Laboratory for Continental Dynamics, Northwest University, Xi′an 710069, China;

2. Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China)

Abstract:This thesis focuses on the analysis of the sedimentary structure characteristics of gravity flow and the factors of gravity flow deposits in Chang member7 Yanchang formation southwest Ordos Basin and combined with the logging data and the result of the oil test it emphasized the petroleum geological significance of gravity flow. The gravity flow deposits of the area can be divided into slump rock, sandy debris sediment flow, liquefaction flow, and turbidite. Tectonic events and the destruction of the balance of sediment mechanics are the factors for the formation of gravity flow, while changes in fluid properties form different types of gravity flow deposits.

Key words:gravity flow deposits; Ordos Basin; Yanchang formation; Chang member7; sedimentary characteristics

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2015)03-0005-05

中圖分類號：P618

作者簡介：鐘高潤(1990 — )，男，西北大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闇y井資料處理與解釋。

基金項(xiàng)目：中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“鄂爾多斯盆地致密油勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011E-2602)

收稿日期：2014-07-20