蘇北盆地碼頭莊油田阜寧組震積巖特征及形成模式

劉金華, 喬　力, 吳立峰

(中石化江蘇油田勘探開發(fā)研究院，江蘇揚(yáng)州225012)

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蘇北盆地碼頭莊油田阜寧組震積巖特征及形成模式

劉金華, 喬力, 吳立峰

(中石化江蘇油田勘探開發(fā)研究院，江蘇揚(yáng)州225012)

摘要：通過巖芯觀察，碼頭莊油田阜寧組發(fā)育了大量的同生小斷層、液化巖脈、泥火山、震動液化扭曲變形、震動液化卷曲變形、自碎角礫巖等震積巖沉積構(gòu)造，該類沉積構(gòu)造屬于軟沉積變形構(gòu)造，具有典型的震積巖沉積特征。首次在同期震積巖中發(fā)現(xiàn)同生微型正/逆斷層發(fā)育，2種不同類型斷層的發(fā)現(xiàn)，說明區(qū)內(nèi)震積巖存在不同的應(yīng)力環(huán)境，在滑塌體上部易形成微正斷層，在滑塌體下部易形成微逆斷層。認(rèn)為前人對震積巖微同沉積斷裂層、微褶皺變形層、碎塊層、液化均一層4段分層的完整垂向序列可能過于理論化，并提出水平液化變形段、拉張段、滑脫段、沉積段、水平沉積變形段5段式震積巖立體發(fā)育模式。

關(guān)鍵詞：震積巖；變形構(gòu)造；微斷層；沉積模式；碼頭莊油田；蘇北盆地

0引言

地震是一種災(zāi)難型自然現(xiàn)象，是地殼板塊運(yùn)動的一種具體表現(xiàn)，地震的直接原因主要為構(gòu)造活動、火山活動以及其他一些誘發(fā)因素引起的地殼快速而劇烈的顫動，是地殼內(nèi)部能量的突然釋放，具有巨大的破壞作用。對于地震形成的沉積物的最早研究出現(xiàn)在20世紀(jì)中葉，Ewing對1929年加拿大格蘭德班克地震引起的濁流和海相地層中的地震位移和沉積變形構(gòu)造進(jìn)行了研究，隨后Barrett對阿拉斯加1964年大地震后該州威廉王子海峽淺水區(qū)的沉積物進(jìn)行了研究。但震積巖概念的提出最早出現(xiàn)于1969年，Seilacher在對美國加州地區(qū)中新世具有遞變斷裂的蒙特里頁巖進(jìn)行研究時，提出該頁巖是由斷層活動引發(fā)的地震形成的,并首先提出震積巖(Seismite)一詞(喬秀夫等，1994；喬秀夫，1996；袁靜，2004)。震積巖最初定義為一個構(gòu)造活動區(qū)未固結(jié)的水下沉積物受到地震活動改造再沉積的沉積層，直至1984年,美國《MarineGeology》出版了《地震與沉積作用》專輯,對地震與沉積作用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。

我國可查詢到的對震積巖的研究始于1988年，多年來，地質(zhì)學(xué)家對地層中的震積巖開展了卓有成效的研究，涉及了華北元古宙—古生代、桂北二疊紀(jì)、四川三疊紀(jì)、南盤江盆地下—中三疊統(tǒng)、廣西丹池盆地晚古生代、塔里木盆地志留系等不同地區(qū)、不同時代、不同構(gòu)造環(huán)境和不同巖性中的震積巖，取得了豐碩的成果(喬秀夫等，1994；喬秀夫，1996；杜遠(yuǎn)生等，2000；楊劍萍等，2004,2006；曹國強(qiáng)等，2004；楊萍等，2006)。我國對震積巖的研究初期主要集中在古生代以前的海相碳酸鹽巖地層，隨著研究的深入，近年來在松遼盆地和渤海灣盆地也有相關(guān)研究，但對蘇北盆地的震積巖研究尚未見報道。

本次研究針對蘇北盆地高郵凹陷阜寧組地層開展震積巖特征和分布等相關(guān)研究，修正了前人對震積巖單井相序的部分認(rèn)識，并提出了該區(qū)震積巖的立體成因模式。

1區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北盆地位于江蘇省中北部地區(qū)，劃分為4個呈近EW向展布的二級構(gòu)造單元，由南向北分別為東臺坳陷、建湖隆起、鹽阜坳陷和濱海隆起。高郵凹陷位于蘇北盆地南部東臺坳陷中部，南為通揚(yáng)隆起，北接柘垛低凸起與建湖隆起相連，東起白駒凹陷，東南靠吳堡低凸起與溱潼凹陷相連，西接菱塘橋低凸起與金湖凹陷相隔，東西長約100km，南北寬約25～30km，面積2 670km2，呈NE向長條形分布，新生界地層沉積厚達(dá)7 000m，是蘇北盆地沉降最深的一個凹陷。高郵凹陷構(gòu)造單元可劃分為南斷階、深洼帶和北斜坡3個部分(圖1)。

圖1　蘇北盆地碼頭莊油田莊2斷塊區(qū)域位置圖1-地名；2-正向構(gòu)造；3-斷層；4-邊界Fig.1　Map showing regional location of the fault blockZhuang 2 in the Matouzhuang Oilfield of Subei Basin

碼頭莊油田莊2斷塊油藏位于江蘇省高郵市郭集鄉(xiāng)，構(gòu)造上位于蘇北盆地高郵凹陷北斜坡帶碼頭莊背斜構(gòu)造的南翼，面積約為2.6km2，是1個NEE向展布的受斷鼻構(gòu)造控制的油藏(圖1)。研究區(qū)地層平緩南傾，傾角4°～6°，東西兩翼基本對稱。阜寧組與下伏泰州組呈平行不整合—整合接觸，與上覆戴南組呈不整合接觸。前人對蘇北盆地阜寧組做了大量的地層劃分工作，把阜寧組劃分為厚度不等的4個巖性段，自下而上為阜一段、阜二段、阜三段和阜四段，各巖性段之間大都為整合接觸(吳展，2011)。本次研究地層主要為古近系阜寧組一段、二段。阜一段以暗棕色砂、泥巖不等厚互層為特征，巖性變化大，發(fā)育三角洲相沉積，主要發(fā)育三角洲前緣亞相；阜二段為暗色泥巖為主的地層，是一套有利的生油層段，下部為夾生物碎屑碳酸鹽巖和鮞粒碳酸鹽巖的灰黑色泥巖，主要發(fā)育濱淺湖亞相沉積。

2震積巖標(biāo)志分析

通過對碼頭莊油田取芯井的巖芯(圖2)觀察，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)中的砂巖、泥砂互層和泥巖中發(fā)育了大量的同生小斷層、液化巖脈、泥火山、震動液化扭曲變形、震動液化卷曲變形、自碎角礫巖等一系列特殊沉積構(gòu)造或巖層，該類沉積構(gòu)造均屬于軟沉積變形構(gòu)造，具有比較典型的震積巖沉積特征，因而本次研究開展了震積巖特征分析。

圖2　碼頭莊油田震積巖巖芯(a) 微型階梯狀斷層(莊2-18,1 710.1 m，阜一段)；(b) 小型正斷層/液化巖脈(莊2-8,1 646.4 m，阜一段)；(c) 小型逆斷層(莊2-1,1 599.42 m，阜一段)；(d) 泥火山(莊2-16,1 687.96 m，阜一段)；(e) 腸狀構(gòu)造+泥火山(莊2-18,1 723.6 m，阜一段)；(f) 震動液化扭曲變形(莊2-16,1 712.8 m，阜一段)；(g) 球枕狀構(gòu)造(莊2-22,1 666.48 m，阜一段)；(h) 震動液化卷曲變形(莊2-16,1 714.32 m，阜一段)；(i) 自碎角礫巖(莊2-16,1 713.92 m，阜一段)Fig.2　Photos showing seismite cores inthe Matouzhuang Oilfield

2.1同生微斷層

研究區(qū)發(fā)育大量的同生微斷層，是沉積物在沉積后經(jīng)過一定的壓實(shí)作用，致使地層具有一定的脆性，受到外力作用時在層內(nèi)形成的微型斷層(圖2a、b、c)。同生微斷層一般不穿層，單獨(dú)或者多個階梯狀排列斷層發(fā)育。由于泥巖塑性較強(qiáng)，砂巖脆性較強(qiáng)，并且在泥砂巖互層地層中該類微斷層最為發(fā)育，因此泥砂巖互層中微斷層得到了很好的顯示，斷距明顯，形態(tài)清晰。

經(jīng)過大量的巖芯觀察后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)微斷層分為2類：同生微正斷層(圖2a、b)、同生微逆斷層(圖2c)。同生微正斷層為應(yīng)力拉張環(huán)境形成，內(nèi)部多見砂質(zhì)填充物，偶見泥質(zhì)充填物，斷距0.5～12.0cm不等，斷面充填物寬度為0～2.5cm；同生微逆斷層為應(yīng)力擠壓環(huán)境下形成，內(nèi)部無充填物，逆斷層斷面變形較大，兩側(cè)砂巖也多見變形現(xiàn)象，斷距1.0～5.0cm，較微正斷層、微逆斷層斷距普遍較小。2種不同類型斷層的發(fā)現(xiàn)，說明研究區(qū)震積巖中存在不同的應(yīng)力環(huán)境，初步分析認(rèn)為，震積巖在發(fā)生滑塌過程中，在滑塌體上部易形成微正斷層，下部易形成微逆斷層。

2.2震裂縫

震裂縫形成于與同生微斷層相同的應(yīng)力環(huán)境，地震發(fā)生過程中，由于地層經(jīng)受的應(yīng)力大小不同，并且地層性質(zhì)存在差異，經(jīng)受應(yīng)力破壞的能力也有差異，較小的應(yīng)力或者較強(qiáng)的地層導(dǎo)致形成的裂縫兩側(cè)地層未出現(xiàn)明顯位移(圖2d、e)，但從整體上看，形成震裂縫的應(yīng)力遠(yuǎn)小于形成同生微斷層的應(yīng)力。震裂縫多發(fā)育于泥砂巖互層地層和砂巖地層中，裂縫內(nèi)常見泥質(zhì)或砂巖填充物，充填物寬度0.3～3.0cm，并且常與泥火山、泄水構(gòu)造等伴生，震裂縫在震積巖滑塌體大部分地區(qū)上部均可發(fā)育。

2.3液化巖脈與泄水構(gòu)造

液化巖脈是地層受到劇烈震動后含水較高的巖層出現(xiàn)液化現(xiàn)象，液化后的泥巖、砂巖沿著地層應(yīng)力薄弱位置穿透上下巖層而形成泥、砂質(zhì)巖脈或巖墻(圖2d、e)。液化巖脈常與同生微正斷層、微裂縫伴生，多呈不規(guī)則狀延伸，沿斷層或者薄弱位置切穿地層的層理；液化巖脈大小不等，一般寬0.2～2.5cm，長1～30cm。液化巖脈剖面呈彎曲不規(guī)則形態(tài)，多數(shù)情況下中部膨大，向兩端變細(xì)，但發(fā)育于微斷層內(nèi)部的液化巖脈沿斷層分布，分叉現(xiàn)象較普遍。液化巖脈在穿入圍巖時常因圍巖存在一定的塑性，導(dǎo)致圍巖層理發(fā)生彎曲。

泄水構(gòu)造與液化巖脈形成于相同的環(huán)境，也是地層巖體液化后形成的變形構(gòu)造(圖2f)。由于地震產(chǎn)生的剪切力促使同生沉積物中的顆粒發(fā)生位移，從而改變原有的排列狀態(tài)，原始地層骨架顆粒的支撐力由砂粒骨架轉(zhuǎn)移至孔隙水，從而引起孔隙水壓力變大，最終導(dǎo)致砂層產(chǎn)生液化作用，液化巖體內(nèi)部壓力超出圍巖應(yīng)力承受能力時便產(chǎn)生泄水構(gòu)造，泄水構(gòu)造多與震動液化扭曲變形伴生。與液化巖脈相比，泄水構(gòu)造邊界不清晰，而且液化巖脈可出現(xiàn)泥巖巖脈，泄水構(gòu)造基本為砂巖孔隙水向泥巖泄露。

2.4泥/砂火山

泥/砂火山常與液化巖脈共生，也是地層液化后的一種特殊變形構(gòu)造。泥/砂火山巖性與圍巖不同，多數(shù)為富含水分的砂巖、粉砂巖，偶見泥巖。單個泥/砂火山多呈圓形或橢圓形，巖芯觀察中由于巖芯尺寸限制，泥/砂火山多數(shù)不完整，部分泥/砂火山只可見“火山口”或只能看到液化巖體上涌形成的“火山通道”(圖2d)，“火山通道”的圍巖形成向上傾斜的變形，“火山通道”平面橫斷面為圓形或橢圓形，一般可以觀察到泥/砂火山具有明顯的液化砂體腔，該腔體保存了完整的強(qiáng)烈液化狀態(tài)的巖體，是泥/砂火山的重要標(biāo)志之一。

2.5震動液化變形

震動液化變形是震積巖中發(fā)育最多、最常見的變形構(gòu)造，該類沉積構(gòu)造屬于巖體受震動后液化變形，但沒有穿透圍巖，在自身地層中的變形。根據(jù)震動強(qiáng)度，震動液化變形構(gòu)造可分為震動液化扭曲變形、震動液化卷曲變形、砂枕構(gòu)造3種(圖2f、g、h)。

(1) 震動液化扭曲變形是應(yīng)力較弱情況下形成的震動液化變形，該類變形構(gòu)造在研究區(qū)最為常見，震動液化扭曲變形的表現(xiàn)是在應(yīng)力作用下具有層理特征的砂巖、泥質(zhì)砂巖出現(xiàn)的層理面的輕度彎曲來顯示的(圖2f)。

(2) 震動液化卷曲變形是應(yīng)力較強(qiáng)情況下形成的震動液化變形，卷曲變形僅僅是在程度上比扭曲變形更強(qiáng)烈，在成因上沒有明顯區(qū)別(圖2h)。

(3) 砂枕構(gòu)造是應(yīng)力非常強(qiáng)的情況下形成的震動液化變形(圖2g)，又稱之為枕狀層，枕狀體是液化的沙體在地震過程中下沉而成。沉積物經(jīng)液化后形成不規(guī)則枕狀、球狀，剖面上多呈長橢圓狀、不規(guī)則狀(圖2g)。單個枕狀體寬度為5～20cm，高度5～10cm、長度20～40cm。枕狀體一般呈層狀，枕狀層厚變化較大，從20～150cm不等。砂枕構(gòu)造的發(fā)育對地層有一定的要求，砂枕構(gòu)造主要發(fā)育于泥砂互層中，砂巖厚度不宜過大，因而能夠發(fā)育砂枕構(gòu)造的地層較少，而且成層分布，這便是砂枕構(gòu)造一般呈層狀分布的主要原因。枕狀層通常形成大的負(fù)荷體，層內(nèi)伴生枕狀構(gòu)造和火焰構(gòu)造?？v向上，枕狀層常與震動液化扭曲變形或卷曲變形伴生。

2.6自碎角礫巖

自碎角礫巖是震積巖中破碎程度最高的一類巖石，在震積巖保存較完整的滑塌巖層中可以看到?；w產(chǎn)生一系列滑動面，滑動面附近形成了不規(guī)則的角礫巖化(圖2i)，角礫大小從幾毫米到十幾厘米不等，排列雜亂，多為棱角狀、次棱角狀，沒有分選性，最常見者為泥巖自碎角礫巖。

3震積巖相序分析

前人對震積巖垂向序列研究已經(jīng)形成了較為完整的一套沉積相序(圖3)。例如魏垂高等(2006，2007)提出震積巖垂向序列基本包括了底部未震層、液化卷曲變形層、階梯狀微斷層、震塌巖層、砂巖脈層、頂部未震層等基本的震積巖內(nèi)部4段分層；夏青松等(2007)提出了微同沉積斷裂層、微褶皺變形層、碎塊層、液化均一層4段分層的垂向序列。

圖3　震積巖垂向序列特征(據(jù)魏垂高等，2006；夏青松等，2007)Fig.3　Vertical sequence of the seismite(after Wei et al., 2006; Xia et al., 2007)

雖然不同專家對震積巖的相序有不同見解，但基本上為在單一地區(qū)出現(xiàn)的完整序列。通過本次研究，從巖芯角度分析，江蘇油田高郵凹陷內(nèi)發(fā)育的震積巖觀察到了前人研究過程中提到的絕大多數(shù)沉積構(gòu)造，并且在地層中也出現(xiàn)了明顯的同層分布的規(guī)律，但是在垂向上未發(fā)現(xiàn)前人研究中提到的完整垂向序列，多為垂向序列中的1～3層的組合特征，因而對此特征進(jìn)行了深入分析。通過大量的巖芯分析，沒有找到前人的完整的垂向序列，平面上看，從斜坡頂部到斜坡底部發(fā)育了不同的震積巖垂向序列，而且震積巖層的厚度變化也較大，并且在巖芯觀察中提出同一期震積巖中同時發(fā)育同生逆斷層與同生正斷層，由于不同的微斷層發(fā)育于不同的應(yīng)力環(huán)境，這也說明前人從單一的垂向序列進(jìn)行相序分析存在一定的弊端。本次研究從三維立體角度總結(jié)震積巖的發(fā)育模式。

4震積巖成因模式

通過對碼頭莊油田莊2斷塊中10余口取芯井的巖芯觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)中的軟沉積變形構(gòu)造類型多樣，特征豐富，全面分析后，提出研究區(qū)震積巖具有多段式立體發(fā)育模式。碼頭莊地區(qū)雖然構(gòu)造上屬于背斜構(gòu)造的南翼，但在阜寧組沉積時期屬于北斜坡沉積的一部分，為具有4°～6°傾角的緩坡沉積環(huán)境，在該時期研究區(qū)具有豐富的物源，為震積巖的發(fā)育和保存提供了有利環(huán)境。

碼頭莊油田震積巖由于主要由多個震積滑塌體和未明顯滑塌區(qū)域組成，在剖面上分為5個部分：水平液化變形段、拉張段、滑脫段、沉積段和水平沉積變形段。其中，水平液化變形段屬于未明顯滑塌區(qū)域沉積，其余4段沉積物均屬于震積滑塌體沉積(圖4)。

圖4　江蘇油田高郵凹陷震積巖發(fā)育模式圖1-微型正斷層；2-微型逆斷層；3-負(fù)荷構(gòu)造；4-火焰構(gòu)造；5-液化扭曲變形；6-液化巖脈；7-泥火山；8-液化卷曲變形；9-自碎角礫巖Fig.4　Development model of the seismite in the Gaoyou Sag of Jiangsu oilfield

水平液化變形段主要發(fā)育于相對海拔較高并且地層近水平的區(qū)域，受地震影響程度較小，已經(jīng)沉積的地層受到地震的作用形成了明顯的液化扭曲變形、火焰構(gòu)造，頂面形成微裂縫，微裂縫多被后期沉積物充填。

滑塌區(qū)沉積主要分為4段，滑塌沉積從相對海拔較高部位開始發(fā)育，逐漸下滑至低部位水平區(qū)域，形成較為完整的一個扇形滑塌體。(1) 較高部位發(fā)育拉張段，該段是滑塌體下滑形成的張應(yīng)力發(fā)育段，主要發(fā)育微型正斷層、微裂縫、液化巖脈等沉積構(gòu)造。(2) 隨著頂部沉積物的下滑，在滑塌體中部形成滑脫段，滑脫段變形構(gòu)造最為發(fā)育，主要發(fā)育液化扭曲變形、液化卷曲變形、泄水構(gòu)造、液化巖脈、負(fù)荷構(gòu)造等多種變形構(gòu)造，并且在該段的下部擠壓環(huán)境發(fā)育微逆斷層。(3) 隨著沉積物繼續(xù)下滑，在地層傾角變緩的環(huán)境下形成沉積段，沉積段多發(fā)育自碎角礫巖、液化卷曲變形等沉積構(gòu)造。(4) 在滑塌區(qū)末端發(fā)育受滑塌沉積擠壓的水平段，該段無明顯上部物質(zhì)的沉積，但受到滑塌體的整體擠壓，形成液化扭曲變形等沉積構(gòu)造。

本次研究首次發(fā)現(xiàn)震積巖發(fā)育微正斷層與微逆斷層2種不同的微型斷層，并且提出2種斷層發(fā)育于同期震積巖的不同位置。震積巖不同應(yīng)力環(huán)境的變化導(dǎo)致其在橫向上發(fā)育了不同的垂向序列，因而前人使用單一的垂向序列來描述震積巖存在欠缺，本次研究從立體角度分析震積巖的發(fā)育特征。

震積巖的研究在2個方面對油氣儲層研究具有指導(dǎo)意義：(1) 震積巖作為瞬時的沉積體系，單期次的震積巖可以作為地層等時對比的標(biāo)準(zhǔn)之一；(2) 震積巖的發(fā)育對已沉積儲層進(jìn)行了改造，使儲層的泥質(zhì)含量增加，物性變差，但這類改造往往更易出現(xiàn)巖性控制的油氣藏。因此，對該區(qū)震積巖的研究可以為油氣儲層分布和預(yù)測提供理論依據(jù)。

5結(jié)論

(1) 碼頭莊油田阜寧組巖芯中發(fā)育了大量的同生小斷層、液化巖脈、泥火山、震動液化扭曲變形、震動液化卷曲變形、自碎角礫巖等一系列震積巖沉積構(gòu)造，該類沉積構(gòu)造屬于軟沉積變形構(gòu)造，具有典型的震積巖沉積特征。本次研究首次發(fā)現(xiàn)同生微型正/逆斷層發(fā)育于同期震積巖中。

(2) 提出前人對震積巖微同沉積斷裂層、微褶皺變形層、碎塊層、液化均一層4段分層的完整垂向序列可能存在過于理論化的弊端。通過對研究區(qū)震積巖的立體分析，提出水平液化變形段、拉張段、滑脫段、沉積段、水平沉積變形段5段式震積巖立體發(fā)育模式。

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Characteristics and developmental model of the Funing Formation seismite in the Matouzhuang Oilfield, Subei Basin

LIU Jinhua, QIAO Li, WU Lifeng

(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofJiangsuOilfield,Sinopec,Yangzhou225012,Jiangsu,China)

Abstract：The observation of the drill cores in the Matouzhuang Oilfield of Subei Basin suggests that the Funing Formation develops many kinds of sedimentary structures, such as syngenetic microfaults, liquefied veins, hervideros, seismic liquefaction-induced deformation, seismic liquefaction-induced covolution and autoclastic breccia. All these sedimentary structures are soft sedimentary structures, and have typical characteristics of seismites. This study first discovered syngenetic normal/abnormal faults formed in single stage of seismites, suggesting there are different stress environments, with normal faults developed on top of the seismite bodies and abnormal faults at the bottom. It is inferred that the previously defined vertical depositional sequence of seismites, including four segments of micro syndeposit faulting, micro crinkling deformation, fragmental segment and liquefied homogeneous segment, may be too theoretical. We set up a new stereoscopic developmental model of the seismites, i.e., horizontal liquefied deformation section, tensional section, decollement section, sediment section and horizontal sedimentary deformation section.

Keywords：seismite; deformation structure; microfault; sedimentary model; Matouzhuang Oilfield; Subei Basin

收稿日期：2015-06-07；修回日期：2015-11-23；編輯：陸李萍

基金項目：中國石油天然氣股份有限公司科技風(fēng)險創(chuàng)新基金項目(W060134A)

作者簡介：劉金華(1981—)，男，高級工程師，博士，從事石油與天然氣地質(zhì)研究，E-mail: liujinhua.jsyt@sinopec.com

中圖分類號：P588.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0247-06

:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.247