深水塊狀砂巖碎屑流成因的直接證據(jù):“泥包礫”結(jié)構(gòu)①——以鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組研究為例

李相博 劉化清 張忠義 袁效奇 完顏容牛海青 廖建波 王 菁

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院 蘭州 730020;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730020;3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院 西安 710018)

0 引言

越來越多的勘探和研究實(shí)例證實(shí)，深水塊狀砂巖(DWMs)是較好的油氣儲(chǔ)集單元(如目前在挪威海［1，2］、北 海［3～5］、墨 西 哥 灣［6，7］、巴 西 近 海［6，8］、西非［6］、俄羅斯［8］、印度孟加拉灣［9］以及中國(guó)的陸相盆地［10～14］等眾多地區(qū)均發(fā)現(xiàn)了與深水塊狀砂巖有關(guān)的油氣藏)，然而目前對(duì)“深水塊狀砂巖”成因一直存在爭(zhēng)議，有學(xué)者認(rèn)為是高密度濁流［15，16］或超高濃密度流［17］，有的則認(rèn)為是由塊體搬運(yùn)方式控制形成的砂質(zhì)碎屑流［3，18～20］，也有學(xué)者用高密度濁流與(砂質(zhì))碎屑流兩個(gè)概念來解釋其成因［21，22］。由于濁流屬于牛頓流體，正粒序是濁流沉積最重要的鑒別特征［23～25］，因此，用濁流概念來解釋塊狀砂巖顯然是不合適的。相對(duì)而言，由于 Shanmugam［7，25］提出的砂質(zhì)碎屑流概念具有如下廣泛的內(nèi)涵，可能更符合現(xiàn)今條件下人們對(duì)深水環(huán)境中沉積物搬運(yùn)與沉積過程的理解，因而正在被越來越多的研究者所關(guān)注［4，7，20，22，26～38］。

Shanmugam提出的砂質(zhì)碎屑流概念內(nèi)涵包括以下幾個(gè)要點(diǎn)［25］:①塑性流變;②多種沉積物支撐機(jī)制(內(nèi)聚強(qiáng)度、摩擦強(qiáng)度及浮力);③塊體搬運(yùn)方式;④砂和礫大于25%～30%;⑤25%～95%沉積物(碎石、砂、和泥)體積濃度;⑥可變的黏土含量，以往認(rèn)為只有具有較高的黏土含量才能形成碎屑流的觀念是錯(cuò)誤的，實(shí)驗(yàn)表明，用重量百分比含量為0.5%的膨潤(rùn)土或5%高嶺石即可產(chǎn)生砂質(zhì)碎屑流［39］。

由此可以看出，“砂質(zhì)碎屑流”術(shù)語不是一個(gè)簡(jiǎn)單巖石名稱，而是代表了一個(gè)在巖石組分、結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度等方面的連續(xù)沉積序列(譜系)，而且在這個(gè)沉積序列中有一個(gè)共同特性，即塑性流變特征。Shanmugam［20］進(jìn)一步認(rèn)為在深水環(huán)境中，沉積物重力在搬運(yùn)和沉積的過程中有很大作用，主要的沉積物重力過程包括滑坡、崩塌、碎屑流和濁流等，其中的碎屑流屬于塊體搬運(yùn)，由于砂質(zhì)碎屑流屬于碎屑流中的一種，Shanmugam(2013)［20］稱其為砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積(SMTD)。

客觀地說，Shanmugam的砂質(zhì)碎屑流與塊體搬運(yùn)概念較好解釋了深水沉積中無沉積構(gòu)造的塊狀砂巖成因。然而如何從這些塊狀砂巖的沉積物記錄中判斷其塊體搬運(yùn)過程是一個(gè)問題，而搬運(yùn)與沉積過程的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)深水砂巖成因相當(dāng)重要，是建立深水沉積模式的基礎(chǔ)［25］。在以往的沉積學(xué)研究中，人們通常都習(xí)慣于從沉積物記錄中利用其沉積特征(如沉積物類型、碎屑組分組成、變形構(gòu)造、層理構(gòu)造、層面構(gòu)造、韻律性與旋回性、雜基成分與含量以及顆粒支撐特性等)推斷在沉積作用的最后階段占優(yōu)勢(shì)的作用，但是這些特征不一定與沉積物的整個(gè)搬運(yùn)過程有關(guān)，只能說是反映了沉積物在沉積階段的沉積方式，正像Shanmugam［25］曾經(jīng)所說:“目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)從沉積物記錄中確定其搬運(yùn)機(jī)制”，這也許是造成長(zhǎng)期以來對(duì)“深水塊狀砂巖”成因問題存在頗多爭(zhēng)議(如前所述)的主要原因。本文的目的就在于試圖解決這一長(zhǎng)期困惑人們的難題，建立水下沉積物(尤其是SMTD)塊體搬運(yùn)過程的鑒別標(biāo)志。

幸運(yùn)的是，筆者最近在對(duì)中國(guó)鄂爾多斯湖盆中央地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組一些地質(zhì)露頭(深水沉積)進(jìn)行考察時(shí)，在長(zhǎng)6～長(zhǎng)7層段的厚層塊狀砂巖中發(fā)現(xiàn)了許多“泥包礫”結(jié)構(gòu)。研究認(rèn)為，賦存于相對(duì)純凈砂巖(即貧泥砂巖)中的這種“泥包礫”結(jié)構(gòu)，其形成過程自始自終表現(xiàn)出含有它的沉積物是作為塊體狀態(tài)被搬運(yùn)的，并由此建立了延長(zhǎng)組深水砂巖的形成搬運(yùn)過程(模式)。

毋庸置疑，這項(xiàng)研究對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以鄂爾多斯盆地為代表的陸相湖盆中央深水區(qū)砂體成因與空間分布有重要價(jià)值，更重要的是，由于砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積在世界范圍內(nèi)的深海沉積中廣泛發(fā)育，因此，該研究對(duì)當(dāng)前全球深水(深海與深湖)油氣勘探以及目前國(guó)際地學(xué)界廣泛開展的大陸邊緣沉積物“從源到匯”過程的研究都有積極意義［40］，為深海沉積環(huán)境中塊體搬運(yùn)作用與搬運(yùn)過程的分析提供了一種可借鑒的關(guān)鍵性判識(shí)標(biāo)志。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國(guó)第二大含油氣沉積盆地，面積25×104km2。由于是在古生代華北穩(wěn)定克拉通盆地基礎(chǔ)上發(fā)育起來的疊合盆地，盆地主體部位構(gòu)造簡(jiǎn)單，呈平均地層坡度不足1°的西傾平緩大單斜構(gòu)造，斷裂等構(gòu)造變形主要發(fā)生在盆地邊緣地帶(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地地理位置及構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭DFig.1 Geographic location and structural units of Ordos Basin，central China

上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組是該盆地的主要產(chǎn)油層系，前人自下而上將延長(zhǎng)組劃分為10個(gè)油層組［41］，其沉積特征總體反映了大型坳陷湖盆形成、發(fā)展和消亡的全過程，其中延長(zhǎng)組中部的長(zhǎng)6～長(zhǎng)7層段為盆地發(fā)育鼎盛時(shí)期，主要發(fā)育東北與西南兩大沉積體系，在其中間北西—南東向展布的環(huán)縣—華池—合水—黃陵地區(qū)為深水區(qū)，廣泛發(fā)育了重力流沉積(圖2)。近年來，針對(duì)該地區(qū)重力流勘探已經(jīng)獲得了數(shù)億噸級(jí)的地質(zhì)探明儲(chǔ)量，初步研究認(rèn)為主要含油砂體為深水塊狀砂巖［13，38，42，43］。

需要說明的是，以往文獻(xiàn)中對(duì)深水塊狀砂巖的描述有些混亂，有的強(qiáng)調(diào)砂巖的厚度，有的強(qiáng)調(diào)砂巖的無沉積構(gòu)造特征，而有的作者認(rèn)為上述兩個(gè)方面都很重要［21］，在實(shí)際工作中，有些把具有經(jīng)典 Bouma序列A段稱為塊狀砂巖，也有人把測(cè)井曲線上的“箱狀”響應(yīng)稱為塊狀砂巖。為了統(tǒng)一這一術(shù)語的內(nèi)涵，Stow等［21］曾經(jīng)通過對(duì)全球70個(gè)不同地質(zhì)時(shí)代、不同巖性深水砂巖案例的詳細(xì)解剖，對(duì)深水塊狀砂巖(DWMs)的概念做了如下新定義:認(rèn)為是一種與深水沉積物相伴生的、不具有任何沉積構(gòu)造的、厚度常常大于1 m的單砂體［21］。

圖2 延長(zhǎng)組湖泊—三角洲體系分布圖(位置見圖1)1.銅川柳林川露頭剖面;2.旬邑山水河露頭剖面;3.黃陵葫蘆河露頭剖面Fig.2 Distribution of lake-delta system in Yanchang Formation

在我們的研究區(qū)鄂爾多斯陸相盆地中，筆者通過對(duì)湖盆中心地區(qū)50口鉆井巖芯(長(zhǎng)度約1 100 m)及10余個(gè)露頭剖面詳細(xì)觀察和分析測(cè)試，發(fā)現(xiàn)小于0.5 m的砂巖大都具明顯正粒序?qū)永恚页Ｒ陨澳鄮r薄互層形式出現(xiàn)，構(gòu)成多個(gè)韻律層，顯然它們相當(dāng)于Bouma序列A段［24］，屬于經(jīng)典濁積巖。而大于0.5 m的砂巖常具有塊狀、無沉積構(gòu)造及懸浮的泥巖撕裂屑等特征，與經(jīng)典濁流沉積存在明顯差別，而與上述Stow［21］描述的塊狀砂巖特征類似，據(jù)此，筆者將這種大于0.5 m的砂巖稱為深水塊狀砂巖(即本文所指的塊狀砂巖)，并將其解釋為砂質(zhì)碎屑流成因，詳見筆者已發(fā)表文獻(xiàn)［12，13，42］。

2 “泥包礫”結(jié)構(gòu)的基本特征

“泥包礫”結(jié)構(gòu)主要分布在湖盆中央深水區(qū)的銅川柳林川、旬邑山水河及黃陵葫蘆河地區(qū)的露頭剖面上(圖2)，其賦存介質(zhì)均為深水塊狀砂巖。下面著重以前兩個(gè)地區(qū)為例做簡(jiǎn)要介紹。

2.1 銅川柳林川長(zhǎng)6露頭剖面上的“泥包礫”結(jié)構(gòu)

(1)背景沉積

柳林川剖面位于盆地東南部(圖2)，受東南物源體系控制［44］。延長(zhǎng)組長(zhǎng)6～長(zhǎng)7段在柳林川瑤曲鎮(zhèn)附近出露較好(圖3a)，其中長(zhǎng)6段巖性多為灰綠色、黃綠色塊狀與薄層狀細(xì)粒砂巖不等厚互層，局部夾灰黑色泥巖、少量劣質(zhì)油頁巖。

圖3 研究區(qū)的露頭照片a.銅川柳林川瑤曲鎮(zhèn)露頭(位置見圖2中的1);b.旬邑山水河露頭(位置見圖2中的2)注:①照片a中的紅色矩形框?yàn)閳D4a沉積柱狀圖位置，照片b中的紅色矩形框?yàn)閳D6a沉積柱狀圖位置;②照片a與b中的“塊狀砂巖”均代表單個(gè)成因單元的砂體。Fig.3 Outcrops in the study area

根據(jù)筆者已經(jīng)建立的沉積判別標(biāo)志［13，42］，該套巖性組合為淺湖—半深湖環(huán)境下的一套重力流沉積組合，其中具有粒序?qū)永淼谋訝罴?xì)砂巖(厚度﹤0.5 m)為濁流成因，厚層塊狀砂巖為砂質(zhì)碎屑流成因(圖4a)。這一認(rèn)識(shí)與鄒才能等(2012)對(duì)該區(qū)的研究結(jié)果相吻合［38］。

由于“泥包礫”結(jié)構(gòu)發(fā)育在如上所述的砂質(zhì)碎屑流形成的塊狀砂巖中，現(xiàn)將該區(qū)塊狀砂巖主要特征介紹如下:①長(zhǎng)石含量極低，一般不足10%，石英含量約30%，巖屑含量偏高，可達(dá)35%左右(表1)，雜基含量一般少于10%，以水云母雜基為主。②單砂體厚度一般大于0.5m，最大可達(dá)2～3m(圖3a、圖4a)。由于本露頭植被覆蓋嚴(yán)重，對(duì)砂體的平面展布延伸情況難以做出判斷，但根據(jù)附近的露頭(如圖2中的黃陵葫蘆河地區(qū))與湖盆中央的許多鉆井揭示，研究區(qū)單砂體大多呈垂直湖岸線的條帶狀展布，沿長(zhǎng)軸方向可延伸十幾千米，短軸方向(即橫向)一般不超過2 km，厚度變化快，邊界突變;③砂巖內(nèi)部不具有層理構(gòu)造，但常見呈懸浮狀、隨機(jī)分布泥礫，且多為長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)軸方向有一定指向性。泥礫兩端或具撕裂茬，或呈尖滅狀，或有拖長(zhǎng)變形現(xiàn)象［42］。④砂巖成分成熟度普遍偏低、結(jié)構(gòu)成熟度較高，多數(shù)具顆粒支撐結(jié)構(gòu);⑤砂巖頂?shù)酌婢蛔兘佑|，其中頂面常與半深湖—深湖相泥巖或具粒序?qū)永淼臐岱e巖接觸，接觸面較為平坦，底面有的由于發(fā)育負(fù)載構(gòu)造現(xiàn)象［45］或軟沉積物拖曳變形現(xiàn)象而高低不平，有的較為平坦(圖3a、圖 4a)。

圖4 銅川柳林川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6露頭沉積相與“泥包礫”結(jié)構(gòu)特征(位置見圖3a紅色矩形框)a.長(zhǎng)6露頭沉積相剖面;b，c.厚層砂巖中“泥包礫”結(jié)構(gòu)的露頭照片，照片中的紅色線條指示了泥質(zhì)包殼的分布范圍，其中在4b中泥質(zhì)包殼厚度小于1 cm，在4c中約2～4 cm。Fig.4 Sedimentary facies of Change 6 outcrops and“argillaceous parcel”in Liulinchuan，Tongchuan

表1 延長(zhǎng)組深水沉積露頭砂巖碎屑組分一覽表(數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)44)Table 1 Characteristics of sandstone detrital component(%)of outcrops in deep-water sediments of Yanchang Formation

(2)“泥包礫”結(jié)構(gòu)的特征

具有兩層結(jié)構(gòu)，常由較大的內(nèi)核和幾厘米厚的泥質(zhì)外殼兩部分組成。內(nèi)核為泥質(zhì)結(jié)核(圖5)，形狀為圓錐形(圖4b)或紡錘形(圖4c)，最大長(zhǎng)度不超過30 cm，寬度幾厘米至十幾厘米;整個(gè)結(jié)核被薄層黑色泥頁巖組成的外殼呈同心環(huán)狀包裹而成“泥包礫”結(jié)構(gòu)，漂浮在厚層塊狀粉細(xì)砂巖中(圖4)，顯示被砂巖介質(zhì)的強(qiáng)度所支撐。

此外，圖4c中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)還有兩個(gè)明顯特征，一是結(jié)核內(nèi)部發(fā)育若干垂向節(jié)理縫(圖4c中箭頭A與B所示)，顯示其遭受過垂向壓扁作用(推測(cè)與上覆地層壓力有關(guān));同時(shí)該節(jié)理縫并沒有穿過泥巖外殼和圍巖，說明這種壓扁作用主要發(fā)生在沉積后到成巖前的軟沉積物階段，當(dāng)時(shí)泥質(zhì)外殼和圍巖均處于塑性狀態(tài)，如果恢復(fù)該“泥包礫”結(jié)構(gòu)的原始形態(tài)的話，其在沉積前的搬運(yùn)階段應(yīng)該為近似圓形。二是“泥包礫”結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)外殼與圍巖(砂巖)接觸形態(tài)呈渾圓狀弧形(圖4c中箭頭C所示)，這一方面顯示“泥包礫”結(jié)構(gòu)在其中發(fā)生過旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)作用，另一方面也顯示圍巖(砂巖)處于塑性狀態(tài)，這與從上述節(jié)理縫發(fā)育特征得出的結(jié)論是一致的。

圖5 泥質(zhì)結(jié)核的單偏光照片(a)及其X射線衍射分析結(jié)果(b)注:照片a為泥質(zhì)結(jié)核的巖石薄片，顯示由大量細(xì)粉砂和泥質(zhì)組成，細(xì)粉砂主要由石英、灰?guī)r屑及云母片等陸源碎屑所組成;圖b為泥質(zhì)結(jié)核的全巖X衍射分析數(shù)據(jù)，可以看出，粒徑小于0.03 mm的陸源碎屑黏土礦物為巖石主要組成部分。Fig.5 Thin section plane polarization photo of mudstone blob and its X-ray diffraction analysis result(b)

2.2 旬邑山水河長(zhǎng)7露頭剖面上的“泥包礫”結(jié)構(gòu)

(1)背景沉積

旬邑縣山水河剖面位于旬邑縣城附近及縣城以南地區(qū)(圖2)，僅出露長(zhǎng)10～長(zhǎng)6段沉積，其中長(zhǎng)7段沉積時(shí)受西南物源體系控制明顯［44］。長(zhǎng)7段典型露頭位于縣城東北3 km處(圖3b)，巖性為灰綠色細(xì)砂巖、粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層，局部夾粉砂質(zhì)泥巖、暗色泥頁巖及油頁巖。根據(jù)筆者先前的研究［13，42］，該套巖性組合中的厚層塊狀砂巖同樣為半深湖相—深湖環(huán)境下的砂質(zhì)碎屑流沉積(圖6a)，“泥包礫”結(jié)構(gòu)也同樣發(fā)育在厚層塊狀砂巖中。

從該露頭剖面“泥包礫”結(jié)構(gòu)所賦存的塊狀砂巖特征看，其碎屑組分(表1)、沉積構(gòu)造、所含泥礫產(chǎn)狀、單層砂巖厚度等特征也與柳林川長(zhǎng)6段十分類似，所不同的是該區(qū)塊狀砂巖底面非常平坦、光滑，不具有侵蝕作用。這一現(xiàn)象可以用水下碎屑流中存在的滑水機(jī)制(hydroplaning)現(xiàn)象來解釋［25］，這又從另一個(gè)方面證實(shí)了其為砂質(zhì)碎屑流成因。

(2)“泥包礫”結(jié)構(gòu)特征

也具有兩層結(jié)構(gòu)，但與上述柳林川含泥質(zhì)結(jié)核的“泥包礫”結(jié)構(gòu)不同，在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了內(nèi)核為砂質(zhì)團(tuán)塊的“泥包礫”結(jié)構(gòu)(圖6b，c)，其形狀為近似梨形(長(zhǎng)4 cm，寬3 cm)，巖礦組分與圍巖基本一致，具有長(zhǎng)石含量低(10.8%)、巖屑含量(33%)與石英含量(34.6%)較高的特點(diǎn)。該團(tuán)塊被厚度不等的黑色泥巖包裹后形成了近似橢圓形(長(zhǎng)軸8 cm，短軸6 cm)的“泥包礫”結(jié)構(gòu)，懸浮在厚層塊狀粉細(xì)砂巖中(圖6)，同樣顯示被砂巖介質(zhì)強(qiáng)度所支撐。此外，圖6b中“泥包礫”結(jié)構(gòu)還具有兩個(gè)明顯特征，一是其與砂巖介質(zhì)(圍巖)接觸形態(tài)呈渾圓狀(如圖6b中箭頭A所示)，顯示該“泥包礫”結(jié)構(gòu)在塑性狀態(tài)的砂巖介質(zhì)中發(fā)生過滾動(dòng)或旋轉(zhuǎn)作用，這與從前述柳林川長(zhǎng)6露頭觀察到的現(xiàn)象完全一致;二是“泥包礫”結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)外殼并沒有把作為內(nèi)核的砂巖團(tuán)塊完全包裹起來，在“泥包礫”結(jié)構(gòu)上下邊界局部地方(圖6b中箭頭B與C所示)泥質(zhì)外殼減薄甚至消失。裸露出的內(nèi)核部分(砂巖團(tuán)塊)與圍巖直接接觸，從而將泥質(zhì)外殼分隔為左右兩半部分，其中左側(cè)泥巖原始紋層呈卷曲狀態(tài)，緊密圍繞內(nèi)核分布，而右側(cè)泥巖較為松弛，部分甚至脫落，由此進(jìn)一步判斷該“泥包礫”至少在沉積的最后階段在砂巖介質(zhì)中做過逆時(shí)針滾動(dòng)或旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)方向見圖6b中彎曲箭頭所示)。至于局部地方泥質(zhì)外殼減薄消失的現(xiàn)象，可以這樣解釋:在“泥包礫”結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過程中，由于其內(nèi)核相對(duì)較硬且形狀不規(guī)則，在邊棱突出處與圍巖(砂巖)近距離或直接接觸(如圖6b中箭頭B與C所示處)，于是產(chǎn)生摩擦作用增強(qiáng)與應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而迫使該位置處較軟的泥質(zhì)外殼部分向兩側(cè)發(fā)生塑形流動(dòng)而造成。

圖6 旬邑山水河地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7露頭沉積相與“泥包礫”結(jié)構(gòu)特征(位置見圖3b中的紅色矩形框)a.長(zhǎng)7露頭沉積相剖面;b.厚層砂巖中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)照片;c.照片b的地質(zhì)解釋;照片中的彎曲箭頭指示砂質(zhì)團(tuán)塊轉(zhuǎn)動(dòng)方向Fig.6 Sedimentary facies of Change 7 outcrops and“argillaceous parcel”in Shanshuihe profile，Xunyi

2.3 “泥包礫”結(jié)構(gòu)的地質(zhì)意義

上述兩個(gè)地區(qū)“泥包礫”結(jié)構(gòu)特征清楚的表明，其泥質(zhì)外殼以及賦存它的塊狀砂巖介質(zhì)均具有塑形變形性質(zhì)，而且在其沉積階段被砂巖介質(zhì)的強(qiáng)度所支撐。事實(shí)上，除含有“泥包礫”結(jié)構(gòu)外，如前所述，這些塊狀砂巖中還含有呈懸浮狀態(tài)分布的泥礫，而這一點(diǎn)已被許多學(xué)者認(rèn)為是識(shí)別塊體搬運(yùn)和砂質(zhì)碎屑流的重要證據(jù)［19，25，46］。

“泥包礫”結(jié)構(gòu)作為一種具有雙層結(jié)構(gòu)的特殊泥礫懸浮在厚層塊狀粉細(xì)砂巖中，同樣揭示了其所賦存的塊狀砂巖至少在沉積前的最后時(shí)刻還處于塑性狀態(tài)。事實(shí)上，從下文的分析可以看出，“泥包礫”結(jié)構(gòu)不但指示了沉積物在最后沉積階段具有塑性狀態(tài)，而且指示了從搬運(yùn)階段開始自始至終都保持了這種塑性狀態(tài)。

3 “泥包礫”結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

所謂機(jī)理應(yīng)該包括泥質(zhì)結(jié)核或砂質(zhì)團(tuán)塊與泥質(zhì)外殼的來源以及泥質(zhì)是如何黏附包裹在結(jié)核或團(tuán)塊上的過程等。

通過中外文獻(xiàn)檢索，“泥包礫”現(xiàn)象過去只有在黏性碎屑流(泥石流)中發(fā)現(xiàn)過［15，47～51］，對(duì)于前者，一般的解釋是，較大的礫石或整體性較好的大土塊(黃土和紅土等)在被黏性泥石流搬運(yùn)過程中，一方面碰損了邊棱，另一方面又不斷地黏附著一層泥砂等細(xì)粒物質(zhì)或泥漿體而形成;對(duì)于后者，通常被認(rèn)為是由于冰磧物分選性極差，黏土和礫石緊密包裹在一起堆積而形成。顯然，不論在泥石流或冰川沉積環(huán)境，泥砂等細(xì)粒物質(zhì)之所以能夠包裹在礫石上，一是因?yàn)榘徇\(yùn)它的介質(zhì)富含泥砂等細(xì)粒沉積，二是這種介質(zhì)(泥質(zhì))具有黏性，否則就不能附著在內(nèi)核上。

但我們發(fā)現(xiàn)的這種“泥包礫”與上述泥石流及冰川成因“泥包礫”結(jié)構(gòu)存在很大不同，首先是“泥包礫”結(jié)構(gòu)中的內(nèi)核并非礫石或鵝卵石，而是成分與圍巖相近的砂巖巖塊或者含泥質(zhì)結(jié)核;其次，我們發(fā)現(xiàn)的“泥包礫”結(jié)構(gòu)并非賦存于富含泥質(zhì)的細(xì)粒沉積中，而是賦存于黏土雜基含量很少的純凈砂巖當(dāng)中，顯然，它絕對(duì)不可能是“泥包礫”結(jié)構(gòu)形成的最初原始環(huán)境，那么，其究竟來自何處呢?

圖7 柳林川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6段粉沙質(zhì)泥巖中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)(位置見圖4a中★處)a.露頭照片;b.地質(zhì)解釋注意:①照片左側(cè)圓圈處為粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部的“S”形扭曲現(xiàn)象，指示該粉砂質(zhì)泥巖遭受了上覆砂巖相對(duì)向左側(cè)的拖曳作用(箭頭所示);②照片右側(cè)圓圈處為粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部由粉砂質(zhì)團(tuán)塊組成的一個(gè)“泥包礫”結(jié)構(gòu)，指示了“泥包礫”結(jié)構(gòu)最初形成于富含泥質(zhì)的細(xì)粒沉積物中。Fig.7 “Argillaceous parcel”in silty mudstone in Chang 6 of Yanchang Formation，Liulinchuan

柳林川長(zhǎng)6露頭剖面上的另外一個(gè)地質(zhì)現(xiàn)象為“泥包礫”結(jié)構(gòu)來源的合理解釋提供了線索。在該剖面底部厚層塊狀砂巖中夾有一層厚度不等(最厚處約50 cm，最薄處約20 cm)、呈斷續(xù)分布的粉砂質(zhì)泥巖(圖7)。泥巖內(nèi)部存在明顯拉長(zhǎng)撕裂等塑性變形現(xiàn)象，且在與砂巖接觸處呈“S”形扭曲(圖7a，左側(cè)圓圈處)，上覆砂巖底面亦呈“S”形起伏，顯示下伏粉砂質(zhì)泥巖遭受了上覆砂巖相對(duì)向左側(cè)的拖曳作用(圖7中箭頭所示)。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，在粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部存在一粉砂質(zhì)團(tuán)塊(大小約6 cm×6 cm)(圖7a，右側(cè)圓圈處)，其外層已經(jīng)被泥質(zhì)(厚度約2 cm)包裹而成“泥包礫”結(jié)構(gòu)，且其賦存狀態(tài)與泥巖介質(zhì)的變形扭曲形態(tài)相互協(xié)調(diào)一致(圖7a，b)，顯示二者共同被上覆砂巖所拖曳。由此看來，“泥包礫”結(jié)構(gòu)最初存在于富含泥質(zhì)的細(xì)粒沉積物中，這與陸上黏性泥石流中的情況是完全相同的。

圖7中的現(xiàn)象再一次清楚地表明，砂質(zhì)與泥質(zhì)都是作為塑性狀態(tài)被搬運(yùn)的，由于泥質(zhì)抗剪切能力弱，最終被撕裂成泥巖撕裂屑漂浮在砂巖內(nèi)部，而“泥包礫”結(jié)構(gòu)較純泥巖抗剪切能力強(qiáng)，最終得到保存并進(jìn)入砂巖內(nèi)部而成我們?nèi)缃窨吹降默F(xiàn)象，圖7中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)展示的正是這一過程的生動(dòng)寫照!

那么，上述富含泥質(zhì)沉積物中的砂質(zhì)團(tuán)塊或泥質(zhì)結(jié)核又是來自何處?后期又是如何轉(zhuǎn)化為“泥包礫”結(jié)構(gòu)而進(jìn)入砂巖當(dāng)中的呢?這是下文要回答的問題。

3.1 泥巖中泥質(zhì)結(jié)核或砂質(zhì)團(tuán)塊的來源

由于黏土礦物的膠體性質(zhì)，在三角洲前緣或?yàn)I湖與淺湖環(huán)境的泥巖中，往往會(huì)發(fā)育一些與黏土礦物有關(guān)的泥質(zhì)結(jié)核，或含有灰質(zhì)或鐵質(zhì)的泥質(zhì)結(jié)核，這在陸相湖盆中實(shí)際上是一種普遍沉積現(xiàn)象［52］。通過對(duì)圖4b中泥質(zhì)結(jié)核的X衍射分析(圖5)，其中的黏土礦物重量百分比高達(dá)49%，由此推斷，該地區(qū)泥質(zhì)結(jié)核的發(fā)育可能與黏土礦物的相對(duì)富集有關(guān)。此外，受生物活動(dòng)影響［52］，在濱湖與淺湖環(huán)境的泥巖中還可能出現(xiàn)一些灰質(zhì)或鐵質(zhì)結(jié)核。

對(duì)于湖相泥巖中的砂質(zhì)團(tuán)塊來源，喬秀夫等［45，53］做過詳細(xì)研究，認(rèn)為與古地震作用有關(guān)。在砂泥巖互層地區(qū)，由于砂巖密度較泥巖大，上覆較粗砂巖層會(huì)下陷至下伏較細(xì)砂層或泥巖中形成負(fù)載構(gòu)造，當(dāng)遇到地震振動(dòng)搖晃作用時(shí)，負(fù)載體會(huì)脫離母巖完全落入下伏層形成球體或橢球體，即球—枕構(gòu)造。鄭榮才等［54］曾在鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)的鉆井巖芯中發(fā)現(xiàn)過這種特殊構(gòu)造，一些砂巖球狀體呈墜入狀產(chǎn)出在長(zhǎng)6深湖相泥巖中;李元昊等［55］也對(duì)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6～長(zhǎng)7段中的砂球構(gòu)造、球枕構(gòu)造以及液化砂巖脈進(jìn)行過仔細(xì)描述。由此看來，延長(zhǎng)組沉積記錄中的確存在大量砂球或砂質(zhì)團(tuán)塊構(gòu)造。

最近，喬秀夫等［53］在龍門山地區(qū)須家河組中發(fā)現(xiàn)了豐富的古地震記錄，反映與鄂爾多斯盆地相毗鄰的川西乃至青藏高原東北部地區(qū)晚三疊世曾有過強(qiáng)烈與頻繁的地震構(gòu)造活動(dòng)。事實(shí)上，在鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)6～長(zhǎng)7段中，存在多套薄層狀凝灰?guī)r，它們厚度不大，但分布廣泛，巖性及電性特征明顯，長(zhǎng)期以來一直被作為區(qū)域地層等時(shí)對(duì)比的可靠標(biāo)志［41］，筆者曾經(jīng)認(rèn)為這些凝灰?guī)r正是盆地周緣地區(qū)晚三疊世火山與地震活動(dòng)的產(chǎn)物［56］。因此，從區(qū)域地質(zhì)背景看，延長(zhǎng)組中也具有發(fā)育砂球或球枕構(gòu)造的動(dòng)力學(xué)條件。

3.2 “泥包礫”結(jié)構(gòu)的形成過程

前期研究表明［13，42］，延長(zhǎng)組砂質(zhì)碎屑流起源于三角洲前緣沉積物的再搬運(yùn)。三角洲前緣沉積以砂泥巖互層為典型特征，受如前所述的諸因素影響，在其中的泥巖中(指再搬運(yùn)之前的泥巖)，可能會(huì)發(fā)育砂質(zhì)團(tuán)塊或泥質(zhì)結(jié)核。從以下分析可以看出，正是三角洲前緣特殊的地層結(jié)構(gòu)與特殊的“碎屑流”成因機(jī)理最終形成了賦存于砂巖中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)。

三角洲前緣的碎屑流與陸上碎屑流(泥石流)在成因機(jī)理方面有很大不同，后者是陸上就近形成的風(fēng)化產(chǎn)物與水混合在一起的塊體搬運(yùn)形式，通常表現(xiàn)為較大的顆粒被黏土—水基質(zhì)強(qiáng)度所支撐，Middleton等［57］稱其為“真正的碎屑流”;前者則是風(fēng)化產(chǎn)物被水流搬運(yùn)和機(jī)械分異后，首先在三角洲前緣形成砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，再由于重力滑塌或者液化作用導(dǎo)致整體性運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為碎屑流的。由于三角洲前緣沉積物經(jīng)歷過流水分選作用，所以與“真正的碎屑流”不同，通常形成不同粒級(jí)的砂質(zhì)碎屑流、粉砂質(zhì)碎屑流或泥質(zhì)碎屑流等［46］。

由于泥質(zhì)與砂質(zhì)的抗剪強(qiáng)度有顯著不同，三角洲前緣的砂質(zhì)碎屑流和泥質(zhì)碎屑流的形成有一定次序性。王德坪［46］研究表明，在50 m水下，砂質(zhì)沉積物的抗剪強(qiáng)度至少為245 kN/m2，是其中泥質(zhì)沉積物的6～12倍。由于抗剪強(qiáng)度的這種顯著差別，在由重力引起的沿坡面的剪應(yīng)力還遠(yuǎn)小于砂質(zhì)沉積物的抗剪強(qiáng)度時(shí)，其下伏的泥質(zhì)沉積物即開始液化和剪切變形，繼而產(chǎn)生撕裂和碎屑流化，而此時(shí)上覆的砂質(zhì)沉積物尚沒有開始變形。也就是說，在三角洲前緣沉積物的再搬運(yùn)初期，被搬運(yùn)的沉積物可分為上、下兩部分，下部為首先液化變形并以碎屑流方式運(yùn)動(dòng)的泥質(zhì)沉積物，上部為砂質(zhì)沉積物，顆粒之間相互具有相對(duì)固定的關(guān)系，如同一個(gè)固體，附著于下部的泥質(zhì)沉積物之上滑動(dòng)前進(jìn)。這個(gè)過程與陸上碎屑流沉積一般具有的上、下兩層韻律結(jié)構(gòu)相類似［58］，即下部已剪切變形的泥質(zhì)沉積物相當(dāng)于層流段(laminar flow)，上部的砂質(zhì)沉積物相當(dāng)于“剛性筏”流段(rigid raft)。

根據(jù)Middleton G V和Hampton M A的分析［57］，水下碎屑流(塊體流)在流動(dòng)過程中，其內(nèi)部任何層段上都存在著剪應(yīng)力。隨著下伏泥質(zhì)沉積物的碎屑流化，若其中含有泥質(zhì)結(jié)核或砂球構(gòu)造與球枕構(gòu)造，由于其強(qiáng)度比作為介質(zhì)的泥質(zhì)漿體高，它在漿體的流動(dòng)中，往往會(huì)表現(xiàn)出剛體性質(zhì)。這種具有剛體性質(zhì)的結(jié)核或砂球構(gòu)造，在頂、底受到介質(zhì)不同大小的剪切力作用時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)，在這個(gè)過程中，黏稠狀的泥質(zhì)漿體必然會(huì)不斷黏附于內(nèi)核之上，從而形成如同陸上泥石流中?？吹降摹澳喟[”結(jié)構(gòu)，這就是如圖7中所看到的現(xiàn)象。有關(guān)黏性碎屑流中相對(duì)較剛性泥礫在受到剪切應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象在世界各地都有發(fā)現(xiàn)，前人也進(jìn)行過相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證［59，60］。

隨著流動(dòng)的繼續(xù)發(fā)展(搬運(yùn)距離增大、水體加深)，沉積層將進(jìn)一步混合，下伏的泥巖層連同其中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)會(huì)陸續(xù)卷入上覆砂質(zhì)沉積物中。由于泥巖層與“泥包礫”結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度與作為介質(zhì)的砂巖存在差異，在后期的繼續(xù)搬運(yùn)中兩者的“命運(yùn)”大不一樣:泥巖抗剪強(qiáng)度比砂巖弱，被砂巖介質(zhì)撕裂成長(zhǎng)條狀泥質(zhì)撕裂塊或體積更小的撕裂屑、撕裂片彼此平行零散分布于塊狀砂巖中;而“泥包礫”結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度與作為介質(zhì)的砂質(zhì)相近，會(huì)繼續(xù)表現(xiàn)出剛體性質(zhì)，并且在頂、底受到介質(zhì)的剪切力作用時(shí)會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生滾動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，因此，與介質(zhì)砂巖的接觸面多呈渾圓形態(tài)，這就是如圖4b、圖4c與圖6b中所看到的現(xiàn)象。

從上述分析可以看出，由于“泥包礫”結(jié)構(gòu)不同于普通的“泥質(zhì)撕裂屑”，它具有硬而厚的內(nèi)核和軟而薄的外殼，因而其形成與牽引流或濁流作用絕對(duì)無關(guān)，否則，一定會(huì)被流水沖洗干凈而只剩下內(nèi)核部分。它之所以能夠經(jīng)受長(zhǎng)距離的搬運(yùn)而仍然保持完好狀態(tài)(具有兩層結(jié)構(gòu))，充分說明搬運(yùn)它的介質(zhì)在整個(gè)搬運(yùn)過程中(不僅在沉積階段)自始至終都保持了這種塑性狀態(tài)。因此，完全可以把“泥包礫”結(jié)構(gòu)作為塊體搬運(yùn)過程和砂質(zhì)碎屑流沉積物識(shí)別的最有意義的標(biāo)志性證據(jù)。

4 延長(zhǎng)組深水砂巖形成過程

在上述“泥包礫”結(jié)構(gòu)特征及形成過程研究基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者曾經(jīng)建立的延長(zhǎng)組深水沉積模式［13，42］，對(duì)該區(qū)深水砂巖(包括薄層狀濁積巖和塊狀砂巖)的起源、搬運(yùn)與沉積過程形成了較為清晰的認(rèn)識(shí)，其形成過程大致可以劃分為以下5個(gè)階段(圖8):

(1)三角洲前緣砂泥巖互層形成階段:來自母巖區(qū)的風(fēng)化產(chǎn)物經(jīng)流水搬運(yùn)和機(jī)械分異后，在三角洲前緣堆積而形成砂泥巖互層結(jié)構(gòu)。在該階段，由于砂巖密度較泥巖大，上覆砂巖層下陷至下伏泥巖中形成負(fù)載構(gòu)造，當(dāng)遇到地震振動(dòng)搖晃作用時(shí)，負(fù)載體會(huì)脫離母巖，落入下伏泥巖層中而形成球體或橢球體;同時(shí)，由于黏土礦物的富集或生物作用，在泥巖中可發(fā)育泥質(zhì)結(jié)核、灰質(zhì)結(jié)核或鐵質(zhì)結(jié)核等。

(2)泥質(zhì)碎屑流形成階段:在重力及古地震等外力誘因作用下，泥巖首先發(fā)生剪切變形，形成泥質(zhì)碎屑流;在剪切作用影響下，賦存在泥巖中的砂球與泥質(zhì)結(jié)核發(fā)生滾動(dòng)，形成特有的“泥包礫”結(jié)構(gòu)。

(3)砂質(zhì)碎屑流形成階段:隨著流動(dòng)的繼續(xù)發(fā)展，上覆砂巖逐步液化產(chǎn)生砂質(zhì)碎屑流;下伏泥巖進(jìn)一步強(qiáng)烈變形，形成的泥質(zhì)撕裂屑連同其中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)陸續(xù)卷入上覆砂質(zhì)沉積物中。

(4)砂質(zhì)碎屑流沉積階段:在深湖平原或坡角處，碎屑流“凍結(jié)停止”［19］，內(nèi)部保留碎屑流搬運(yùn)過程中形成的“泥包礫”及泥巖撕裂屑等特殊現(xiàn)象。

(5)濁流沉積階段:據(jù)Shanmugam等研究，水下碎屑流在搬運(yùn)過程中，有時(shí)遭遇湖水稀釋，并在其頭部形成紊流團(tuán)(濁流)，最終與砂質(zhì)碎屑流分離，在深湖平原處形成濁積巖［2］。

圖8 延長(zhǎng)組深水砂巖的搬運(yùn)與沉積過程示意圖①三角洲前緣砂泥巖互層形成階段;②泥質(zhì)碎屑流形成階段;③砂質(zhì)碎屑流形成階段;④砂質(zhì)碎屑流沉積階段;⑤濁流沉積階段Fig.8 Transportation and sedimentation process of deepwater sandstone in Yanchang Formation

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)鄂爾多斯盆地幾個(gè)露頭剖面的地質(zhì)調(diào)查，首次在延長(zhǎng)組深水厚層塊狀砂巖中發(fā)現(xiàn)了一種“泥包礫”結(jié)構(gòu)，即泥質(zhì)結(jié)核或砂質(zhì)團(tuán)塊被幾厘米厚的泥質(zhì)外殼呈同心環(huán)狀所包裹，漂浮在厚層塊狀砂巖中。

(2)分析了“泥包礫”結(jié)構(gòu)的形成與演變過程，認(rèn)為主要與三角洲前緣特殊的“碎屑流”形成過程有關(guān)。由于黏土礦物的相對(duì)富集或受生物與古地震作用，在三角洲前緣砂泥巖互層結(jié)構(gòu)的泥巖中可能會(huì)發(fā)育泥質(zhì)結(jié)核或砂質(zhì)團(tuán)塊;由于三角洲前緣的“碎屑流化”總是從泥巖開始，先形成泥質(zhì)碎屑流，與此同時(shí)，泥巖中的砂質(zhì)團(tuán)塊或泥質(zhì)結(jié)核在其中滾動(dòng)形成泥質(zhì)包殼，此后由于上覆砂巖液化再形成砂質(zhì)碎屑流，被撕裂的泥巖碎片及含泥質(zhì)包殼的團(tuán)塊逐步卷入了砂巖中，由此形成了賦存于砂巖中的“泥包礫”結(jié)構(gòu)。

(3)提出“泥包礫”結(jié)構(gòu)的形成過程自始自終表現(xiàn)出含有它的沉積物是作為塊體狀態(tài)(賓漢塑性體)被搬運(yùn)的，自始自終表現(xiàn)出其在搬運(yùn)中是被介質(zhì)的強(qiáng)度所支撐的，據(jù)此認(rèn)為泥包礫”結(jié)構(gòu)是確定延長(zhǎng)組深水厚層塊狀砂巖為砂質(zhì)碎屑流成因的最有意義的標(biāo)志性證據(jù)，并以它為示蹤標(biāo)志，建立了延長(zhǎng)組深水砂巖從開始啟動(dòng)到搬運(yùn)、再到沉積的過程與模式。

(4)本文認(rèn)為“泥包礫”也為深海沉積中塊體搬運(yùn)作用與搬運(yùn)過程的研究提供了一種可借鑒的關(guān)鍵性判識(shí)標(biāo)志，這不僅對(duì)于當(dāng)前全球深水(深海與深湖)油氣勘探具有重要價(jià)值，而且對(duì)于目前國(guó)際地學(xué)界廣泛開展的大陸邊緣沉積物“從源到匯”過程的研究有積極意義。

致謝 由衷感謝美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)Shanmugam教授針對(duì)作者初稿提出的重要的修改意見，感謝中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院劉震華高級(jí)工程師幫助素描清繪了部分圖件。

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