冀中坳陷晉縣凹陷古近系震積巖的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)意義①

楊劍萍 王海峰 聶玲玲 李 亞 張 永 李 靜

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東青島 266580;2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300452;3.中國(guó)石油華北油田分公司第五采油廠 河北辛集 052360)

0 引言

地震是一種常見(jiàn)的災(zāi)害性地質(zhì)事件，主要是由于斷裂構(gòu)造活動(dòng)、火山活動(dòng)、崩塌陷落及一些誘發(fā)因素影響引起的。地震發(fā)生時(shí)地殼內(nèi)巨大的能量在短時(shí)間內(nèi)釋放，在沉積物中形成了一系列的地震記錄，表現(xiàn)為各種具有典型特征的變形構(gòu)造，在地層中具有這類古地震事件記錄的巖石即震積巖。

震積巖最早由Seilacher在1969年提出［1］，隨后許多學(xué)者進(jìn)行了完善［2～4］。國(guó)內(nèi)震積巖的研究始于1988年宋天銳對(duì)北京十三陵前寒武紀(jì)碳酸鹽巖地層中震積巖的研究［5］，二十多年來(lái)國(guó)內(nèi)震積巖的研究取得了豐碩的成果，體現(xiàn)在海相震積巖和陸相湖盆震積巖的研究，涉及到華北地臺(tái)元古宙—古生代［6，7］、西南三江地區(qū)古生代［8，9］、滇西中元古代［10，11］以及四川晚侏羅世［12］、酒西盆地早白堊世［13］、濟(jì)陽(yáng)坳陷古近紀(jì)［14～18］等不同地區(qū)、不同時(shí)代的震積巖，其中分別以喬秀夫等在華北地臺(tái)東部震旦系建立的碳酸鹽巖振動(dòng)液化地震序列和吳賢濤等在四川峨眉晚侏羅世建立的湖相碎屑巖原地系統(tǒng)的地震液化序列為代表［6，12］。

近十年來(lái)，陳世悅、楊劍萍、袁靜等依據(jù)鉆井巖芯資料研究渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷古近紀(jì)震積巖的特征，并與盆地構(gòu)造、油氣儲(chǔ)層等聯(lián)系討論，開辟了新生代陸相斷陷湖盆震積巖研究的新領(lǐng)域［14～18］。本文首次在渤海灣盆地冀中坳陷晉縣凹陷古近系孔一沙四段地層巖芯中發(fā)現(xiàn)了大量軟沉積物變形構(gòu)造和特殊巖石類型，認(rèn)為具有震積巖的特征。該發(fā)現(xiàn)不僅豐富了中國(guó)東部陸相斷陷湖盆震積巖研究的內(nèi)容，而且對(duì)于研究晉縣凹陷古近紀(jì)的構(gòu)造活動(dòng)、凹陷內(nèi)膏巖和凝灰?guī)r等特殊巖類的成因、改善儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的因素等都有十分重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

晉縣凹陷位于河北省晉縣、趙縣、高邑縣境內(nèi)，構(gòu)造位置位于渤海灣盆地冀中坳陷的西南部，西鄰無(wú)極—藁城凸起，東以寧晉斷裂為界，西南與太行山大斷裂相接，呈NE—SW方向展布，面積1 700 km2(圖1)，是典型的新生代小型斷陷湖盆。一系列NW向古隆起使得凹陷南、北部的構(gòu)造特征截然不同，北部為東斷西超的單斷凹陷，而南部為東陡西緩的不對(duì)稱雙斷凹陷;同時(shí)一系列NE—NNE向的斷層將凹陷分割成三個(gè)構(gòu)造帶，即東部斷階帶、中央洼槽帶和西部斜坡帶，因此晉縣凹陷呈現(xiàn)“南北分區(qū)、東西分帶”的構(gòu)造格局［19］。

晉縣凹陷是古近紀(jì)初期在喜山運(yùn)動(dòng)NNE—SSW區(qū)域右旋拉張應(yīng)力作用下形成的新生代小型斷陷盆地。新生代以來(lái)，晉縣凹陷的構(gòu)造和沉積演化可以劃分為三個(gè)階段:孔店—沙四時(shí)期，前期燕山運(yùn)動(dòng)的左旋擠壓應(yīng)力場(chǎng)和喜山運(yùn)動(dòng)的右旋拉張應(yīng)力場(chǎng)形成了凹陷內(nèi)復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)，至始新世末期，晉縣凹陷發(fā)生了一次最劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，南柏舍—黎村和里莊等NW向構(gòu)造進(jìn)一步隆升，凹陷內(nèi)形成東西分帶、南北分區(qū)的構(gòu)造格局，該時(shí)期地層區(qū)域性抬升，與上覆地層呈角度不整合接觸，凹陷北部發(fā)育膏泥巖沉積，而南部以湖相砂泥巖沉積為主;沙三—沙二時(shí)期，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為張裂斷陷，以伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和NNE向斷裂活動(dòng)為主，主要發(fā)育三角洲和濱淺湖灘壩沉積;沙一—東營(yíng)時(shí)期，繼承了以前的構(gòu)造特征，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不顯著，地層整體抬升，湖盆消亡，沉積相由三角洲相演變?yōu)楹恿飨啵?9，20］。

圖1 晉縣凹陷構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)［19］，有修改)Fig.1 The structural sketch of Jinxian sag(modified after reference［19］)

2 震積巖特征

晉縣凹陷古近系巖芯中識(shí)別出大量震積巖標(biāo)志，根據(jù)杜遠(yuǎn)生等［21］的分類，主要包括:沉積與成巖標(biāo)志(液化砂泥巖脈、泥巖株、泄水通道、重荷模與火焰狀構(gòu)造、球枕構(gòu)造、振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造、串珠狀構(gòu)造等)，構(gòu)造標(biāo)志(微同沉積斷層、地裂縫等)，特殊巖石類型(震褶巖、震裂巖、震塌巖等)。

2.1 沉積與成巖標(biāo)志

(1)泄水構(gòu)造

液化砂泥巖脈是沉積物液化泄水過(guò)程中充填上覆及下伏沉積物的脈狀構(gòu)造，發(fā)育于砂泥巖互層沉積物中，切穿圍巖，延伸不規(guī)則，是最常見(jiàn)的軟沉積物變形構(gòu)造。研究區(qū)趙42、趙52、趙91、趙121等井孔一沙四段巖芯中大量發(fā)育，脈體寬0.5～3.0 cm，延伸距離較近，多為砂巖脈(圖版Ⅰ-A，B)。脈體形態(tài)各異，部分垂直于圍巖層理，呈巖墻狀，上下等寬;部分斜交圍巖層理，呈喉道狀，下粗上細(xì);還可見(jiàn)蠕腸狀砂巖脈，顯然為地震作用的振動(dòng)成因。

強(qiáng)地震(震級(jí)大于5級(jí)［22］)時(shí)，地震引起的剪切力促使未固結(jié)的砂泥顆?；贫淖兣帕袪顟B(tài)，應(yīng)力由砂泥骨架轉(zhuǎn)移至孔隙水，引起超孔隙水壓力。當(dāng)超孔隙水壓力等于飽和砂承受的應(yīng)力時(shí)，砂泥層便發(fā)生液化，形成懸濁液，進(jìn)入圍巖裂縫后便形成砂泥巖脈［6］。懸濁液沿柱狀通道向上運(yùn)移并順層侵入圍巖后，便形成砂、泥巖株(圖版Ⅰ-C);若圍巖裂縫不發(fā)育，懸濁液刺穿圍巖泄出后只留下泄水通道(圖版Ⅰ-D)，而不發(fā)育砂泥巖脈。

(2)負(fù)載構(gòu)造

研究區(qū)趙52、趙78、趙94、趙121等井孔一沙四段和沙三段巖芯中發(fā)育重荷模(圖版Ⅰ-E)，構(gòu)造規(guī)模1.0～6.0 cm，特征明顯。重荷模是由于液化砂層在地震剪切力與重力作用下沉陷于未固結(jié)的塑形軟泥中形成，同時(shí)泥質(zhì)以火焰狀向上穿插到上覆的砂層中，形成火焰狀構(gòu)造。

在地震振動(dòng)作用下，液化砂層負(fù)載體脫離母巖完全落入下伏泥質(zhì)層形成球體或橢球體，即球枕構(gòu)造。研究區(qū)球枕構(gòu)造直徑多3.0～5.0 cm，最大可達(dá)8.0 cm以上，多呈長(zhǎng)軸近水平的橢球形，是砂巖球在下沉過(guò)程中受到軟沉積物浮力阻撓所致(圖版Ⅰ-F)。

負(fù)載構(gòu)造的形成演化如圖2所示，密度倒置是重要的形成條件之一。Moretti等［24］研究表明，大于1.0 cm規(guī)模的負(fù)載構(gòu)造為地震誘發(fā)形成，負(fù)載構(gòu)造為地震成因的觀點(diǎn)逐漸得到認(rèn)可。

(3)振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造

振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造發(fā)育于砂、泥薄互層中，卷曲限于層內(nèi)部，上下巖層不受影響，表現(xiàn)為一系列形態(tài)各異、軸面方向不定的小褶曲，相當(dāng)于喬秀夫等所稱的震褶巖［6］和杜遠(yuǎn)生所稱的微褶皺紋理［21］。振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造在研究區(qū)的趙43、趙53、趙94等井的孔一沙四段巖芯中均有發(fā)育(圖版Ⅰ-G)，單個(gè)褶曲的大小為5.0～10.0 cm。地震成因的卷曲變形與構(gòu)造擠壓、滑坡等成因的卷曲變形區(qū)別在于，前者的褶曲形態(tài)及軸面是不規(guī)則的，而后者遵循一定的力學(xué)原則［25］。

圖2 負(fù)載構(gòu)造形成演化示意圖(據(jù)文獻(xiàn)［23］，有修改)Fig.2 Schematic illustration of load structure formation and evolution(modified after reference［23］)

(4)串珠狀構(gòu)造

串珠狀構(gòu)造出現(xiàn)在砂、泥薄互層剖面中，橫向拉伸使其變薄，擠壓使砂層變厚［26］，與其它地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造伴生，說(shuō)明是地震引發(fā)的沉積層拉伸和擠壓的結(jié)果。研究區(qū)趙42井孔一段巖芯中發(fā)育串珠狀構(gòu)造(圖版Ⅰ-H)。

2.2 構(gòu)造標(biāo)志

微同沉積斷層是沉積時(shí)由于振動(dòng)形成的小規(guī)模斷層，主要為張性斷裂，單獨(dú)或成組發(fā)育，限于層內(nèi)，不切穿上下巖層，也稱為層內(nèi)斷層。研究區(qū)的微同沉積斷層主要為一系列小型正斷層組成的階梯狀斷層，以及斷層組合成的微地塹(圖版Ⅰ-I，J)，斷距0.5～1.0 cm，傾角較大，多大于60°，發(fā)育于趙82、趙110等井中。

地裂縫多發(fā)育于砂、泥互層中，剖面呈楔形，產(chǎn)狀垂直于層面，研究區(qū)地裂縫上部寬0.5～1.0 cm，向下尖滅，裂縫深度約2.0 cm，被上覆砂質(zhì)沉積物充填(圖版Ⅰ-K)。地裂縫是地震發(fā)生時(shí)軟沉積物振動(dòng)、液化共同作用的結(jié)果。

作為地震成因的唯一性構(gòu)造，研究區(qū)的微同沉積斷層、地裂縫等與泄水構(gòu)造、負(fù)載構(gòu)造等軟沉積物變形構(gòu)造共生，再次證明前述的各類變形構(gòu)造為地震成因［27］。

2.3 震積巖類型

喬秀夫等［6］將震積巖分為震褶巖、震裂巖、震塌巖等類型。

震褶巖是指具有地震成因的振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造的巖石，褶曲程度高，軸面不規(guī)則，厚度較小，一般不超過(guò)20 cm(圖版Ⅰ-G)。

震裂巖是指以破裂變形為主(具微地震斷裂)的巖石，研究區(qū)的震裂巖主要是發(fā)育微同沉積斷層和地裂縫的巖石(圖版Ⅰ-I，J，K)。通常物質(zhì)的破裂是在塑性變形后隨外力增大而發(fā)生，因此部分震裂巖是由能量更強(qiáng)的地震振動(dòng)使震褶巖發(fā)生進(jìn)一步形變直至破裂而成［28］。

震塌巖是指由地震成因的不協(xié)調(diào)巖塊組成的巖石，相當(dāng)于Spallctta等提出的自碎屑角礫巖［2］，是地震振動(dòng)破壞原沉積層形成的初始斷裂角礫巖。研究區(qū)趙52、趙78、趙82等井的巖芯中發(fā)育震塌巖(圖版Ⅰ-L)，表現(xiàn)為泥巖角礫形態(tài)不規(guī)則，分選極差，順層分布，相鄰角礫有時(shí)可以拼接到一起，反映沉積物的原始狀態(tài)。

3 震積巖序列

震積巖的垂向沉積序列反映了地震事件的沉積作用過(guò)程，多位學(xué)者曾在渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷、黃驊坳陷等地建立了陸相斷陷湖盆的震積巖序列［14～18，29］。根據(jù)對(duì)晉縣凹陷趙 35、趙 52、趙 82、趙94、趙121等井孔一沙四段巖芯的觀察結(jié)果，以趙52井2 811.6～2 812.8 m、趙82井2 481.3～2 482.5 m以及趙94井3 257.6～3 260.8 m震積巖層段為例，建立了晉縣凹陷古近系震積巖的垂向序列(圖3)。

A.底部未震層

巖性為灰色砂巖夾泥巖，厚度約15 cm，未受地震振動(dòng)干擾，原生層理保存良好。

B.震塌層

該層厚度約30 cm，底部為震塌巖，內(nèi)部角礫為震碎的深灰色泥巖，相鄰角礫可以拼接，液化程度低，受地震影響時(shí)，該層沉積物已固結(jié)或半固結(jié)。

圖3 晉縣凹陷古近系震積巖垂向序列Fig.3 The seismite vertical succession of Paleogene in Jinxian sag

C.震裂層

該層厚度不定，一般10～20 cm，微斷層密集，斷距小，表現(xiàn)為一系列小正斷層組合形成的階梯狀斷層。由于不同時(shí)期地層的壓實(shí)強(qiáng)度不同，其形變能力隨時(shí)間和上覆載荷的增加而減小，故受地震影響時(shí)，階梯狀斷層的斷距向下逐漸增加，并迅速消失，進(jìn)入下伏層段［14，30］。

D.震褶層

巖性為砂泥巖互層，厚度約25 cm，構(gòu)造類型復(fù)雜，包括振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造、砂巖脈和泄水通道等。其中卷曲層表現(xiàn)為一系列相互連接的緊閉小褶皺，圍巖層保持不變;而砂巖脈和泄水通道則切穿圍巖。

E.砂巖球枕層

厚度20～30 cm，發(fā)育各種形態(tài)的砂巖球和砂巖枕構(gòu)造，砂巖球在垂向上呈現(xiàn)一定的大小分異，上部發(fā)育重荷模與火焰狀構(gòu)造。

F.液化均一層

該層巖性主要為粉砂巖，厚約20 cm，是飽含水的軟細(xì)粒沉積物在振動(dòng)作用下稀釋液化，性質(zhì)趨于均一的結(jié)果，無(wú)層理或紋理等沉積構(gòu)造，結(jié)構(gòu)均一，向上逐漸過(guò)渡為未震層。

G.頂部未震層

為地震結(jié)束后沉積的正常巖層，與下伏的均一層漸變接觸。

以上晉縣凹陷古近系震積巖的垂向序列，記錄了一次完整的地震事件。研究表明，震積巖序列發(fā)育的完整程度與地震震級(jí)、巖性以及所處構(gòu)造位置有關(guān)［18］。趙 52井 2 811.6～2 812.8 m、趙 82井 2 481.3～2 482.5 m以及趙94井3 257.6～3 260.8 m的震積巖序列較完整，它們均發(fā)育在湖盆西部斜坡帶且靠近中央洼槽帶處的砂泥互層中;而湖盆東部斷階帶坡度較大，巖性以砂礫巖為主，則不易保存完整的震積巖序列。

4 震積巖的地質(zhì)意義

震積巖的發(fā)育與古斷陷湖盆中的斷裂活動(dòng)有關(guān)，研究震積巖有助于恢復(fù)晉縣凹陷的構(gòu)造活動(dòng)史，并為凹陷內(nèi)膏巖和凝灰?guī)r的成因研究提供思路。震積作用產(chǎn)生的微裂縫和砂巖脈等能夠溝通原有孔隙，改善儲(chǔ)集性能。

4.1 為晉縣凹陷古近紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)研究提供依據(jù)

整個(gè)凹陷內(nèi)震積巖發(fā)育的情況(表1)表明，震積巖集中在孔一沙四段地層中。同時(shí)期地層中，研究區(qū)中部和北部發(fā)育厚層的膏巖，如趙113井、趙57井等處;中部南柏舍—黎村隆起附近的趙22井和趙古2井孔一沙四段地層中發(fā)育厚層凝灰?guī)r，厚度超過(guò)15 m。

研究區(qū)膏巖主要與深灰色泥巖呈互層沉積，泥巖不同程度地含有灰質(zhì)，未見(jiàn)紅層等干旱氧化的標(biāo)志，膏泥巖層不具有干旱成因的碳酸鹽—硫酸鹽—石鹽—鉀鹽典型序列，僅硫酸鹽發(fā)育，與淺水環(huán)境密切相關(guān)的鉀鹽不發(fā)育?？滓簧乘亩蔚貙映练e時(shí)期，晉縣凹陷地形高差大，湖盆水體深，發(fā)育較寬的半深湖相帶，趙57井、趙113井等處的膏巖即發(fā)育于半深湖中。中央洼槽帶附近的趙縣大斷層、趙60斷層等控制著碎屑物質(zhì)及膏巖的沉積，斷層的下降盤是膏巖的沉積中心，靠近斷層處膏巖厚度大。趙113井、趙80井孔一沙四段地層的孢粉資料顯示，被子類、裸子類孢粉占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，含量均在40%以上，蕨類孢粉很少，被子類孢粉以櫟粉屬(9.6%～15.4%)和榆粉屬(9.1%～13.6%)為主，裸子類孢粉以松科雙氣囊粉屬(23.4%～47.2%)和麻黃粉屬(6.8%～10.9%)為主，總體反映半濕潤(rùn)—半干旱的氣候條件。以上膏巖的沉積特征以及古地貌與古氣候條件表明晉縣凹陷孔一沙四段地層中的膏巖為深水鹽湖成因，而非淺水或大氣環(huán)境中的干旱蒸發(fā)成因，并推斷處于活躍期的深大張性斷裂是深部鹽源上升的通道。

表1 晉縣凹陷古近系震積巖發(fā)育井位和層位表Table 1 The stratum location and wells of Paleogene seismites in Jinxian sag

震積巖、膏巖和凝灰?guī)r的發(fā)育具有同空間性和同時(shí)間性，且均與強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)?？梢酝茢啵钴S的深大斷裂和巖漿活動(dòng)相互作用，巖漿上涌引發(fā)深大斷裂活動(dòng)并順其噴出地表，形成厚層凝灰?guī)r，而深大斷裂的活動(dòng)誘發(fā)多期地震，形成了多種類型的震積巖，同時(shí)深大斷裂溝通深部鹽源，為膏巖的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。該認(rèn)識(shí)從沉積學(xué)的角度證明孔一沙四段地層沉積時(shí)期是晉縣凹陷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈的時(shí)期，為構(gòu)造演化研究提供依據(jù)。

4.2 震積作用改善儲(chǔ)集性能

圖4 晉縣凹陷趙82井儲(chǔ)層物性和深度關(guān)系圖Fig.4 The relationship between depth and porosity and permeability in the Well Zhao-82 of Jinxian sag

震積巖的石油地質(zhì)意義體現(xiàn)在多個(gè)方面，例如，震積作用產(chǎn)生大量的微裂縫，溝通震裂巖和震塌巖原有的孔隙，能夠顯著提高儲(chǔ)層滲透率;震積巖中的砂巖脈起源于砂巖層，發(fā)育于泥巖層，溝通上、下巖層，有利于油氣的運(yùn)移和聚集［31］;震積作用形成的震塌巖等本身也可成為良好的儲(chǔ)層，形成巖性油氣藏［18］。

研究區(qū)震積巖的石油地質(zhì)意義體現(xiàn)在提高儲(chǔ)層滲透率上，震積巖通常發(fā)育在構(gòu)造活躍期，處于同生期和早成巖期的巖石被破壞，震裂巖的孔、縫形成時(shí)間較早，裂縫溝通原有的孔隙，使?jié)B透率顯著提高，從而改善儲(chǔ)集性能。以趙82井為例，2 480.0～2 482.0 m井段孔隙度集中在 15%～20%，變化不大，而2 480.5～2 481.3 m井段的滲透率突然增大，可達(dá)1 000×10-3μm2以上(圖4)，這是由于該段發(fā)育微同沉積斷層、階梯狀斷層等，溝通原有孔隙，使?jié)B透率明顯增大。

5 結(jié)論

(1)冀中坳陷晉縣凹陷古近系震積巖的識(shí)別標(biāo)志包括:沉積與成巖標(biāo)志(液化砂泥巖脈、泥巖株、泄水通道、重荷模與火焰狀構(gòu)造、球枕構(gòu)造、振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造、串珠狀構(gòu)造等)和構(gòu)造標(biāo)志(微同沉積斷層、地裂縫等)，震積巖主要發(fā)育在孔一沙四段地層中。

(2)研究區(qū)古近系震積巖垂向序列自下而上為:底部未震層—震塌層—震裂層—震褶層—砂巖球枕層—液化均一層—頂部未震層。

(3)孔一沙四段地層沉積時(shí)期是晉縣凹陷古近紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈的時(shí)期，深大斷裂的活動(dòng)誘發(fā)地震，形成震積巖，同時(shí)深大斷裂為凝灰?guī)r和膏巖的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ);通過(guò)微裂縫等溝通原有孔隙，震積作用能夠明顯改善儲(chǔ)層滲透性。

圖版Ⅰ說(shuō)明 (巖芯直徑10 cm)A.巖墻狀砂巖脈，趙42井，2 728.10 m;B.蠕腸狀砂巖脈，趙52井，2 896.60 m;C.泥巖株，趙52井，2 669.90 m;D.泄水通道，趙90X井，2 852.91 m;E.重荷模與火焰狀構(gòu)造、砂巖脈、微同沉積斷層，趙94井，3 257.60 m;F.砂巖球，趙52井，2 811.80 m;G.振動(dòng)液化卷曲變形構(gòu)造，趙94井，3 260.78 m;H.串珠狀構(gòu)造，趙42井，3 019.85 m;I.階梯狀斷層，趙 82 井，2 481.40 m;J.微地塹，趙 110 井，1 821.30 m;K.地裂縫，趙 109 井，1 679.00 m;L.震塌巖，趙 52 井，2 812.80 m。

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