鄂爾多斯盆地南部上三疊統(tǒng)重力流沉積的主控因素

李克永,熊 山,牛斌莉,楊堪陽,馮娟萍

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué) 期刊中心,陜西 西安 710054;3.長慶油田公司 第一采油廠,陜西 延安 716000;4.中國石油玉門油田公司,甘肅 酒泉 735019)

Kuenen等提出濁流等密度流有助于海底峽谷的形成,深水不一定是靜水環(huán)境,揭開了重力流理論的研究序幕。Middleton and Hampton等學(xué)者首次將重力流引入到深水沉積研究中,使重力流成為多種深水沉積流體類型的統(tǒng)一體。隨著鮑馬序列、約克扇模式的出現(xiàn)和深水油氣的勘探發(fā)展,深水重力流沉積的研究有了理論基礎(chǔ)[1-3]。

近年來，對(duì)鄂爾多斯盆地重力流的研究較多,但觀點(diǎn)不盡一致。孫寧亮等認(rèn)為，鄂爾多斯盆地南部延長組深水重力流包括滑動(dòng)流、滑塌流、砂質(zhì)碎屑流、泥質(zhì)碎屑流和濁流等沉積類型,相對(duì)應(yīng)的分別為三角洲前緣水下分流河道沉積階段、滑動(dòng)階段、滑塌變形階段、砂質(zhì)碎屑流及泥質(zhì)碎屑流階段、濁流階段等[4]。楊仁超等認(rèn)為，鄂爾多斯盆地南部延長組發(fā)育由滑動(dòng)、滑塌、砂質(zhì)碎屑流、液化流、濁流等成因單元組成的重力流沉積體系,并認(rèn)為重力流沉積序列與濁積巖的鮑馬序列存在較大差異,垂向上自下而上常見塊狀層理、粒序?qū)永砼c水平層理的組合模式[5]。尚婷等認(rèn)為，延長組沉積中期均發(fā)育濁流沉積,并以坡移濁積扇和滑塌濁積扇亞相為主[6]。 李鳳杰等認(rèn)為， 延長組長6厚層塊狀砂體屬半深湖深水重力流沉積,并進(jìn)一步識(shí)別出液化流、砂質(zhì)碎屑流、近源濁流和遠(yuǎn)源濁流等沉積類型[7]。廖紀(jì)佳等認(rèn)為，重力流沉積物可分為濁積巖、砂質(zhì)碎屑流沉積物、泥質(zhì)碎屑流沉積物和滑塌巖,其中濁積巖發(fā)育正粒序,砂質(zhì)碎屑流以凍結(jié)塊狀沉積為特征,泥質(zhì)碎屑流中泥質(zhì)內(nèi)部含砂質(zhì)顆粒和砂質(zhì)團(tuán)塊,滑塌巖發(fā)育包卷層理等液化構(gòu)造[8]。楊華等認(rèn)為，深水砂巖底部分布穩(wěn)定的薄層凝灰?guī)r和湖退早期大面積分布的重力流沉積砂體為構(gòu)造作用控制下的事件沉積[9]。前人對(duì)鄂爾多斯盆地南部重力流的研究雖有一些成果，但對(duì)盆地南部重力流砂體的成因類型,特別是對(duì)重力流沉積模式和主控因素的研究需進(jìn)一步深化。因此，本研究結(jié)合鄂爾多斯盆地南部的巖心、鉆井測井和野外露頭等資料,對(duì)盆地南部不同類型重力流沉積特征、沉積模式及重力流主控因素進(jìn)行研究,為鄂爾多斯盆地其他地區(qū)和其他類型克拉通盆地的重力流沉積研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地是具多期次旋回的疊合型克拉通盆地,沉積厚度大,面積約25×104km2,呈南北走向；根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)、基底性質(zhì)和構(gòu)造特征等,可進(jìn)一步劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、陜北斜坡、天環(huán)拗陷和西緣逆沖帶等6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[10-13]。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部的正寧、旬邑、黃陵和銅川一帶,跨陜北斜坡、渭北隆起2個(gè)構(gòu)造單元(見圖1)。中三疊世末,揚(yáng)子板塊與華北板塊的碰撞造成秦嶺的快速隆升和鄂爾多斯盆地的快速拗陷,盆地南部的碎屑物源既有來自于盆地南方的秦嶺地區(qū),也有來自盆地北部的物源。晚三疊世，盆地南部坡度可達(dá)3.5°～5.5°,盆地南部地形陡、水體深、近物源等地質(zhì)條件有利于重力流的形成。長6沉積期，深湖面積萎縮,進(jìn)入“砂進(jìn)湖退”的退積型三角洲高建設(shè)期,發(fā)育三角洲前緣—半深湖—深湖等沉積體系,其中半深湖—深湖等重力流沉積砂體的底部沉積厚層塊狀砂巖夾薄層泥巖,中上部為深灰色泥巖與薄層粉、細(xì)砂巖互層[14-15]。

2 不同類型重力流的形成過程及特征

2.1 重力流的形成過程

物源供給、盆地底型、觸發(fā)機(jī)制等是形成重力流的最主要因素[16-17]。早三疊世,鄂爾多斯盆地南部發(fā)育河流、三角洲及淺湖沉積,沉積的厚層中—粗砂巖、細(xì)砂巖為重力流提供物源基礎(chǔ);晚三疊世受構(gòu)造作用的影響,盆地南部形成“南陡北緩”的地形特征,為重力流的形成提供盆地底型的空間條件。受印支運(yùn)動(dòng)的影響,延長期鄂爾多斯盆地南部秦嶺地區(qū)的火山、地震活動(dòng)多發(fā),是重力流形成的主要觸發(fā)機(jī)制[18-20]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)位置Fig.1 Tectonic unit of Ordos Basin and locations of study area

鄂爾多斯盆地南部三角洲前緣水下分流河道砂體和暗色泥巖在重力作用或火山作用、地震等外力作用下，沿著剪切面發(fā)生輕微變形形成滑動(dòng)砂體,滑動(dòng)砂體繼續(xù)沿著剪切面向深湖方向滑塌,在滑移面上堆積下來形成滑塌砂體；高密度顆粒流在整體塊狀流動(dòng)中,遇到液化及湖水稀釋,砂體發(fā)生塊體搬運(yùn),在斜坡帶坡腳處形成砂質(zhì)碎屑流；砂質(zhì)碎屑流繼續(xù)向深湖方向搬運(yùn),砂體濃度降低,在重力分異作用下形成濁積巖(見圖2)。

2.2 不同類型重力流的特征

2.2.1 滑塌流 滑塌流屬紊流流體性質(zhì)。三角洲前緣砂體在外力作用下滑動(dòng),沉積砂體沿著剪切面呈不規(guī)則整體搬運(yùn),沉積物的流速和流向相互混雜[21]；在前緣斜坡帶坡腳處停止滑動(dòng)形成滑塌砂體?；瑒?dòng)巖體內(nèi)部變形較少,或可保留原始的沉積構(gòu)造；在滑動(dòng)剪切面處有變形發(fā)生,底部見主剪切帶滑動(dòng)面(見圖3a,b),界面上下巖性或巖性組合差異大(見圖3c),可見較大的地層交角(見圖3f)；頂部砂泥巖性突變接觸,泥巖中見砂質(zhì)注入的砂巖脈(見圖3e)。砂巖內(nèi)部的沉積變形構(gòu)造是滑塌沉積的典型特征(見圖3g,h)。

2.2.2 砂質(zhì)碎屑流 砂質(zhì)碎屑流是呈塑性流變、層流狀態(tài)的整體塊體搬運(yùn)沉積物重力流。砂質(zhì)碎屑流屬于層流,砂體呈塊狀,局部含有泥礫及泥巖撕裂屑,一般不具沉積構(gòu)造。由于砂質(zhì)碎屑流沉積物的整體凍結(jié)沉積作用不具侵蝕性,因此底接觸面平坦,上下巖層的接觸關(guān)系類型多種,其中頂、底與泥巖突變接觸多見(見圖3d),也見頂部漸變。同時(shí)，砂質(zhì)碎屑流還具“泥包礫”結(jié)構(gòu)?！澳喟[”為砂體整體搬運(yùn)的結(jié)果,也是深水沉積的重要證據(jù)。

2.2.3 泥質(zhì)碎屑流 泥質(zhì)碎屑流以發(fā)育泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,內(nèi)部混雜砂質(zhì)團(tuán)塊或礫石的黏性流體。泥質(zhì)碎屑流的基質(zhì)強(qiáng)度取決于黏土含量的高低,當(dāng)黏土含量較少時(shí),表現(xiàn)為剛性流動(dòng),砂質(zhì)團(tuán)塊棱角分明；當(dāng)黏土含量較多時(shí),表現(xiàn)為塑性流動(dòng),砂質(zhì)團(tuán)塊和泥礫具有一定磨圓性。

2.2.4 濁流 濁流是具牛頓流體的紊流流動(dòng)狀態(tài)。濁積巖最明顯的標(biāo)志是層內(nèi)顆粒由粗變細(xì)的粒級(jí)整體正遞變層理,這是重力分異作用的結(jié)果。濁積砂體位于重力流沉積的前端、側(cè)翼或頂部,底部常見到槽模、溝模等底模構(gòu)造(見圖4h,i)。

鄂爾多斯盆地南部濁積巖為薄—中厚層粉、細(xì)砂巖夾深灰色、黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,具有正粒序性和多期韻律性旋回。最常見的層序組合類型有ABCD型、AB型(見圖4b,c)、AE型、BCD型(見圖4d)及CD型。

圖2 不同類型重力流形成過程及特征(據(jù)文獻(xiàn)[4]修改)Fig.2 Formation process and characteristicst of different type gravity flow(modified by references[4])

3 重力流的沉積特征

3.1 重力流的沉積構(gòu)造特征

沉積構(gòu)造反映沉積巖在形成過程中的構(gòu)造特征,可分為原生沉積構(gòu)造和準(zhǔn)同生變形構(gòu)造,原生沉積構(gòu)造能發(fā)映沉積物在形成過程的水動(dòng)力特征[22]。由于水動(dòng)力先強(qiáng)后弱,重力流也會(huì)發(fā)生侵蝕構(gòu)造。當(dāng)流速降低時(shí)以沉積作用為主,侵蝕作用微弱或不發(fā)生侵蝕作用；當(dāng)水動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)，重力流對(duì)早期深湖沉積泥巖進(jìn)行侵蝕,可見明顯的侵蝕接觸面。粒序?qū)永?見圖4a)在研究區(qū)多見,是重力流懸浮物質(zhì)快速沉積的結(jié)果,塊狀砂巖中見棱角狀或橢圓狀泥礫,呈疊瓦狀分布?；魃绑w常發(fā)育揉皺變形及微褶皺、火焰狀構(gòu)造、球枕構(gòu)造(見圖4e,f,g,h)等,泥巖中見砂巖注入體;砂質(zhì)碎屑流、濁流砂巖底部受牽引流作用,見平行層理和小型砂紋層理(見圖4b,c),水動(dòng)力作用較強(qiáng)則發(fā)育平行層理,底部常見槽模、溝模等各種底模構(gòu)造(見圖4i)。

3.2 重力流沉積的平面分布

鄂爾多斯盆地南部北東物源的三角洲前緣向深湖區(qū)發(fā)育滑塌流、砂質(zhì)碎屑流、泥質(zhì)碎屑流、濁流沉積,南部物源三角洲前緣向深湖區(qū)可見滑塌流、砂質(zhì)碎屑流、濁流沉積。重力流在搬運(yùn)過程中,受不同水動(dòng)力條件及盆地底型的影響,不同類型的重力流沉積在平面上均有分布。

從鄂爾多斯盆地南部延長組長6沉積相圖可以看出(見圖4),研究區(qū)深湖沉積發(fā)育，北部發(fā)育3支濁積砂體,南部發(fā)育2支濁積砂體。南北物源濁積砂體在正104井，正96井處匯合。北部物源區(qū)西側(cè)濁積砂體西起槐34，槐40井一線,東到正54井，正203井一線,砂地比分布區(qū)間40%～70%,濁積砂體寬度3.9～5.6 km;中部濁積砂體西沿正18井，正56井一線,東到黃參7井，正59井一線,砂地比分布區(qū)間54%～80%,濁積砂體寬度3.5～9.9 km;東側(cè)濁積砂體沿黃參24井，正106井展布,砂地比區(qū)間51%～59%,濁積砂體寬度3.4～5.6 km。南部物源區(qū)西側(cè)濁積砂體沿正034-016井，正104井一線展布,砂地比分布區(qū)間24%～32%,濁積砂體寬度3.4～4.9 km;東側(cè)濁積砂體西沿正80井，正121井一線,東到正97井，正35井一線,砂地比分布區(qū)間61%～70%,濁積砂體寬度3.2～7.3 km。

3.3 重力流的沉積模式

通過分析鄂爾多斯盆地南部延長組長6沉積微相特征,結(jié)合不同類型重力流沉積物的平面分布特征,建立盆地南部延長組重力流的沉積模式(見圖6)。研究認(rèn)為，重力流主要為北東向(安塞—正寧—旬邑一帶)發(fā)育的三角洲前緣沉積,受到印支期的火山作用和地震活動(dòng)的影響,在坡折帶坡角較小處發(fā)生滑塌,在重力分異作用和載荷作用下，砂體搬運(yùn)至半深湖—深湖,形成濁積巖。東北部的正寧、黃陵一帶,北東向的三角洲前緣砂體沿坡折帶發(fā)育砂質(zhì)碎屑流沉積,而南部的旬邑、淳化一帶發(fā)育滑塌流、濁流沉積。砂質(zhì)碎屑流砂體大多沉積在深湖地帶，極少發(fā)育在斜坡地帶。這種平面上的分布特征是由于三角洲前緣水下分流河道砂體在搬運(yùn)過程中發(fā)生卸載形成的；搬運(yùn)過程中，晚期砂體侵蝕早期的深湖暗色泥巖,使得流體的狀態(tài)發(fā)生改變，形成不同類型的沉積物重力流。

圖3 鄂爾多斯南部延長組長6沉積相圖Fig.3 Sedimentary facies of Chang 6 Formation in southern Ordos

4 重力流的主控因素

4.1 沉積物源供應(yīng)是重力流沉積的物質(zhì)基礎(chǔ)

鄂爾多斯盆地南部物源供給充足,沉積砂體沿斜坡帶向下滑動(dòng)。重力流沉積體系發(fā)育在三角洲前緣斜坡帶之上、斜坡帶及斜坡帶坡腳處低凹處。鄂爾多斯盆地延長期是三角洲的高建設(shè)時(shí)期,大量的陸源碎屑物質(zhì)在三角洲前緣區(qū)沿斜坡不斷向深湖—半深湖區(qū)快速沉積。特別是三角洲前緣水下分流河道及河口壩的松散沉積物受火山、地震等觸發(fā)機(jī)制的影響,在重力作用下沿斜坡形成滑塌砂體；部分滑塌沉積物在較陡的斜坡帶上以層流態(tài)繼續(xù)向深湖方向移動(dòng)，形成塊狀碎屑流沉積砂體；隨著流體搬運(yùn)方式的變化,大量的塊狀碎屑流沉積繼續(xù)搬運(yùn),在深湖區(qū)形成濁積巖。

4.2 盆地底型為重力流沉積提供空間條件

鄂爾多斯盆地南部延長組沉積期發(fā)育淺水坡折帶和深水坡折帶(見圖6)。淺水坡折帶位于三角洲前緣附近,處于其之上的重力流砂體受三角洲前緣水下分流河道的影響,平面上呈條帶狀、線狀在“淺水凸形”坡折帶形成滑塌流砂體,在其下部的斜坡帶形成砂質(zhì)碎屑流砂體。深水坡折帶位于前三角洲深湖區(qū),深水重力流砂體在“深水凹形”坡折帶卸載沉積,由于能量驟降，地形相對(duì)開闊,其下的重力流砂體混入層流砂體中,碎屑流砂體被湍流化,大面積轉(zhuǎn)化為濁流砂體。

4.3 構(gòu)造活動(dòng)是重力流沉積的觸發(fā)機(jī)制

晚三疊世,秦嶺造山帶構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育,這從研究區(qū)巖心薄片的巖屑中火山碎屑成分及南緣周邊野外露頭中凝灰?guī)r層發(fā)育等特征可以得到印證。印支運(yùn)動(dòng)使秦嶺造山帶向鄂爾多斯盆地強(qiáng)烈擠壓、碰撞隆升,盆地南緣發(fā)育半固結(jié)—未固結(jié)的三角洲前緣水下分流河道砂體,在火山活動(dòng)、地震等外力作用及湖水的震蕩下,沿坡折帶呈層狀整體滑塌,誘發(fā)重力流沉積。三角洲前緣斜坡的坡度大，具有不穩(wěn)定性,火山、地震等外力作用可將三角洲前緣水下分流河道不穩(wěn)定的朵狀體撕裂和斷開,使得朵狀砂體被改造并在重力的作用下呈層狀整體向深湖滑動(dòng)形成滑塌砂體；滑塌砂體受變形構(gòu)造和液化構(gòu)造的影響,形成若干小而薄的透鏡狀濁積巖砂體[23-26]。

a 塊狀粒序?qū)永砩皫r，1 498.2 m， 正31； b 水平層理， Ta-Tb， 1 256.1 m， 正02-010; c 水平層理， Ta-Tb， 1 237.31 m，正96;d 水平層理、砂紋交錯(cuò)層理，1 272.5 m，正56;e 砂枕，1 217.37 m， 正36; f 火焰狀構(gòu)造，1 470.83 m， 正29; g 泥質(zhì)撕裂屑，1 271.3 m，正 02-010; h 沙枕構(gòu)造、 變形火焰狀構(gòu)造，1 282.05 m，正56;i 槽模，1 258.44 m，正96圖5 研究區(qū)重力流沉積構(gòu)造特征Fig.5 Sedimentary structure characteristicsof gravity flow in the study area

圖6 鄂爾多斯南部重力流沉積模式圖(據(jù)文獻(xiàn)[9]修改)Fig.6 Sedimentary pattern of gravity flow in southern Ordos(modified by references[9])

5 結(jié) 論

1)鄂爾多斯盆地南部的延長組重力流可分為滑塌沉積、砂質(zhì)碎屑流沉積、泥質(zhì)碎屑流沉積和濁積沉積等類型,其中以砂質(zhì)碎屑流和濁流沉積較為發(fā)育,不同的重力流沉積有不同的沉積特點(diǎn)。

2)鄂爾多斯盆地南部的延長組重力流沉積構(gòu)造見原生沉積構(gòu)造和準(zhǔn)同生變形構(gòu)造,具侵蝕接觸面。塊狀層理在研究區(qū)多見,棱角狀或橢圓狀泥礫呈疊瓦狀分布?；魃绑w發(fā)育揉皺變形以及微褶皺、火焰狀構(gòu)造、球枕構(gòu)造，見泥巖中砂巖注入體；砂質(zhì)碎屑流、濁流砂體底部見平行層理和小型砂紋層理；濁積巖底部常見槽模、溝模等底模構(gòu)造。受不同水動(dòng)力條件及盆地底型的影響,不同類型的重力流沉積在平面上分布在坡折帶及其附近的不同部位。

3)鄂爾多斯盆地南部延長組重力流沉積發(fā)育主控因素有:沉積物源供應(yīng)是重力流沉積的物質(zhì)基礎(chǔ)，盆地底型為重力流沉積提供空間條件，構(gòu)造活動(dòng)是重力流沉積的觸發(fā)機(jī)制。