蘇北盆地高郵凹陷戴南組震積巖特征及其石油地質(zhì)意義

劉建寧，董桂玉,2，王兵杰，張琳婷,2，霍少川，曹玉鵬，彭凱，冷春鵬 ,2

1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北唐山 063000 2.華北理工大學剩余油—提高采收率實驗室，河北唐山 063000 3.中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇揚州 225009

0 引言

1969年，A. Seilacher認為美國加州地區(qū)中新世具有遞變斷裂的蒙特里頁巖是由斷層活動引發(fā)地震而造成的，并首先提出用“seismites”來表示這些巖層[1]，龔一鳴[2]將其翻譯為“震積巖”，國內(nèi)很多學者一直沿用“震積巖”來作為“seismites”一詞的翻譯。馮增昭等[3]提出英文“seismites”應該譯為“地震巖”，并定義地震巖為真正由地震引起的軟沉積物變形構(gòu)造的巖層，這與震積巖是有區(qū)別的，并認為“震積巖”是誤譯術(shù)語，若繼續(xù)使用的話需重新定義。本文繼續(xù)使用“震積巖”這個名詞，并采用由地震和沉積作用共同引起的具有軟沉積物變形構(gòu)造的巖層做為震積巖的定義[4]。國內(nèi)對地震事件的研究最早見于朱海之等[5]對史前古地震剖面特征的描述。之后，宋天銳[6]對北京十三陵地區(qū)前寒武系地震—海嘯序列的研究及葛寶勛等[7]對河東煤田石炭系含煤巖系中震積巖的研究，稱得上是國內(nèi)最早專門針對古老地層中震積巖的研究，揭開了國內(nèi)研究震積巖的序幕。而后二十多年間震積巖的研究取得豐碩的成果，這其中具代表性的有喬秀夫等[8]、杜遠生等[9]學者對海相地層震積巖特征和序列的研究，吳賢濤等[10]對陸相湖盆震積巖的研究。而近些年來，許多學者依據(jù)鉆井巖芯資料研究震積巖特征，并與盆地構(gòu)造、油氣儲層等聯(lián)系討論，對于陸相斷陷湖盆中震積巖油氣地質(zhì)意義的研究取得了新的進展[11-20]。

蘇北盆地高郵凹陷目前已進入了高成熟勘探階段，長期以來，高郵凹陷戴南組主要針對構(gòu)造圈閉進行勘探，隨著高郵凹陷油氣勘探的深入，探明程度越來越高，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造圈閉的難度也越來越大。但江蘇油田高郵凹陷隱蔽油氣藏勘探不斷取得新的勘探成果，展示了深凹帶隱蔽油氣藏具有一定的勘探潛力[21]。高郵凹陷戴南組沉積時期構(gòu)造活動強烈，地震頻發(fā)，而這些古地震事件對于沉積物的影響和改造不可避免的會對油氣儲集和運移產(chǎn)生深遠的影響。在戴南組巖層的鉆井取芯中發(fā)現(xiàn)了大量地震發(fā)生的證據(jù)，為戴南組震積巖研究打開了新的一頁，這很有可能為研究區(qū)隱蔽油氣藏的勘探與開發(fā)提供新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北盆地高郵凹陷是蘇北南黃海盆地的陸上部分中的一部分，高郵凹陷是蘇北盆地中沉降最大，構(gòu)造最復雜，油氣產(chǎn)量最多的凹陷；高郵凹陷古近系戴南組形成于阜寧組不整合面之上，經(jīng)歷了三次較大的構(gòu)造運動，包括儀征事件(83 Ma)、吳堡事件(53 Ma)、三垛事件(37 Ma)，這三次事件分別是斷—坳階段(K2t-E1f4，83.0～53 Ma)、斷陷階段(E2d1-E2s2，53～23.5 Ma)、坳陷階段(Ny1-Ny2，23.5～11 Ma)的時間節(jié)點，其中儀征事件奠定盆地的基礎(chǔ)，儀征事件至吳堡事件的20 Ma是戴南組地層發(fā)育的時期。戴南組沉積時期高郵凹陷受郯廬斷裂走滑拉分活動的影響，呈現(xiàn)出南陡北緩的構(gòu)造格局，斷層錯綜復雜，斷塊支離破碎，因而獲得“地質(zhì)家的考場”之稱(圖1)。

2 震積巖構(gòu)造及特征研究

古地震是依據(jù)地層中保留的沉積物變形記錄而確定的[22]，戴南組地層所取巖芯中，一些沉積構(gòu)造用經(jīng)典的沉積學、構(gòu)造學理論無法給出解釋，通過比對前人對震積巖的描述，在高郵凹陷戴南組的鉆井取芯中識別出了震積巖。所謂震積構(gòu)造是指在地震能量釋放過程中和過程后直至接受正常沉積前對沉積巖(物)產(chǎn)生的改造，廣義上震積巖主要包括原地震積巖(狹義震積巖)、地震引發(fā)海嘯(津浪)形成的海嘯巖以及地震引發(fā)重力流形成的震濁積巖3種類型[22]。震積巖是事件作用改造沉積物的結(jié)果，具有獨特的變形特征。軟沉積物液化、擠壓構(gòu)造，固結(jié)或剛性沉積物的脆性變形構(gòu)造等。在構(gòu)造活動頻發(fā)的戴南組中，地震對沉積物的改造作用必然會在沉積巖中有所記錄。

地震周期通常包括強震期，衰退期兩個階段，各個階段對沉積物的改造作用各不相同，強震期主要產(chǎn)生的是震動成因的構(gòu)造，而衰退期主要形成震—濁積巖構(gòu)造。在參考了喬秀夫等人的研究成果，將沉積物變形構(gòu)造劃分為磨拉石建造(磨拉石堆積與濁積巖)，軟沉積物變形構(gòu)造，脆性變形構(gòu)造三部分[22]。由于磨拉石建造部分的尺度巨大，需要大幅度野外地質(zhì)露頭等資料的支持，本論文主要就后兩部分，從巖芯觀察的角度進行詳細闡述。

根據(jù)鄢繼華等[23]對震積構(gòu)造的模擬以及前人對震積巖垂向序列研究[24]，軟沉積物變形主要可以劃分為重力垮塌、液化變形(是強剪切力誘發(fā)軟沉積物液化變形，形成復雜多變的各種變形體)和液化擠壓(擠壓力使軟沉積物變形，但軟沉積物本身并未產(chǎn)生強液化作用)，以及脆性變形(拉張力)，它們在空間(平面)和時間(剖面)上都能形成連續(xù)的震積序列。本次研究為了尋求一種簡易有效且不易混淆的震積巖構(gòu)造及分類，在綜合采納前人研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)震積巖識別尺度將震積巖劃分為大尺度和小尺度進行分類研究。這兩大類的劃分主要視其規(guī)模的大小，所謂大尺度即喬秀夫等提出的磨拉石建造，其余為小尺度。通常小尺度在露頭、巖芯上均能進行良好識別，進而在力學機制上按照重力、液化擠壓力和拉張扭曲力的力學特征對震積構(gòu)造進行劃分，即前人提出的軟沉積物液化擠壓變形構(gòu)造和脆性變形等構(gòu)造。

圖1 蘇北盆地高郵凹陷構(gòu)造要素圖Fig.1 Tectonic elements of Gaoyou sag in northern Jiangsu Basin

2.1 震積構(gòu)造

2.1.1 液化、擠壓變形構(gòu)造

在研究區(qū)戴南組巖芯資料中，發(fā)現(xiàn)了大量此類構(gòu)造，它們具有不同于正常沉積的特征，揭示了壓力作用下，液化物相互切入和穿插的應力釋放特征。在戴南組巖芯中觀察到液化變形構(gòu)造有液化砂泥巖脈、液化角礫巖、震褶巖等液化變形現(xiàn)象。

(1) 液化砂巖脈

液化砂巖脈是一種在砂、泥巖互層沉積物中發(fā)育的不規(guī)則狀砂巖脈向上刺穿圍巖形成的液化變形構(gòu)造。其特征是巖脈規(guī)模大小不等，通常0.5～3 cm寬，數(shù)厘米至十幾厘米長。液化砂巖脈是粉砂等富含水沉積物在震動作用下液化，同時受上覆沉積物重力擠壓，穿透了上覆層系進行泄壓產(chǎn)生的；切穿的圍巖隨液化砂巖脈一起發(fā)生拖曳彎曲，破壞已形成的水平、平行的層狀結(jié)構(gòu)，相當于喬秀夫等[22]提到的液化泄水里的液化脈構(gòu)造。剖面上砂巖脈呈現(xiàn)出復雜的、不規(guī)則彎曲的空間幾何形狀，中部由于壓力排泄不暢而膨大，向上端泄壓后變細、隨之尖滅，并且具有普遍的分叉現(xiàn)象(圖2a，b)。

(2) 液化角礫巖

液化角礫巖是震積巖中液化泄水構(gòu)造的一種，是液化變形過程中形成的復雜多變的變形體，其特征是液化過程中砂巖體強烈變形，使得原有沉積構(gòu)造發(fā)生了變化，密集的液化砂巖脈穿刺圍巖形成的角礫巖或礫巖，破壞了原有的層理，在巖層中顯示出獨特的幾何形態(tài)(圖2c，d)，它是一種原地形成的角礫巖。照片所示角礫巖即由下伏砂層液化泄水成砂巖脈向上穿插薄層灰黑色泥形成角礫構(gòu)成的“液化角礫巖”。

(3) 震褶巖

這類變形構(gòu)造稱為液化卷曲構(gòu)造[9]，指液化變形中薄層、條帶狀巖層或具紋層的沉積層中軟沉積物發(fā)生卷曲變形，而上覆、下伏層未受影響的構(gòu)造，區(qū)別于構(gòu)造、滑坡等成因的卷曲構(gòu)造(通常遵循力學原則)，地震成因的卷曲變形其褶皺軸面則是無序的(圖2e，f)。

(4) 枕狀層

高郵凹陷戴南組觀察到的枕狀層特征明顯，它們是負載構(gòu)造的一種，形成了枕與枕之間被向上液化底劈穿刺的液化沉積物(砂、粉砂)分割形成的，通常認為枕狀層是密集的負載構(gòu)造，是負載構(gòu)造的一種表現(xiàn)形式。其特征是密集的負載連續(xù)下沉，通常該構(gòu)造的上部還有負載構(gòu)造的殘余部分(圖2g，h，i)。

(5) 環(huán)狀層理

環(huán)狀層理是一組紋層巖石組成的環(huán)狀構(gòu)造，是未固結(jié)的巖體受到震動作用擠壓下產(chǎn)生的變形構(gòu)造，這種構(gòu)造的形成機制類似于香腸構(gòu)造(圖2j～k)。

2.1.2 脆性變形

該類構(gòu)造是硬巖層及弱固結(jié)的沉積物在拉張作用力下在原地產(chǎn)生的變形構(gòu)造，研究區(qū)主要識別出粒序正斷層、震裂巖、自碎角礫巖和內(nèi)碎屑副角礫等構(gòu)造。

普遍認為，粒序正斷層是脆性巖體發(fā)生的拉張斷裂，據(jù)前人研究，粒序正斷層(又稱階梯狀正斷層)的形成可能是沉積物在震動液化后期，沉積物泄水后，沉積物體積壓縮，內(nèi)部顆粒重新調(diào)整的結(jié)果，其成因并不完全出于脆性變形，跟液化變形有密切聯(lián)系，區(qū)別于構(gòu)造活動產(chǎn)生的生長斷層，它們具有自己的優(yōu)選優(yōu)勢方向，往往不同于區(qū)域地質(zhì)應力方向(圖3a，b)。

此外，如震裂巖(圖3c，d)、自碎角礫巖(圖3e，f)、內(nèi)碎屑副角礫(圖3g，h)，是硬巖層在地震過程中原地發(fā)生破裂后埋藏成巖形成的，震裂巖最常見的特征是層內(nèi)無序的微裂縫，是未固結(jié)和軟固結(jié)的巖層在猛烈的大地震動下發(fā)生原地破碎而形成的構(gòu)造；自碎角礫巖是在強烈的震動作用下原有的沉積層發(fā)生破碎，震碎的塊體原地堆積形成的，破碎后的沉積物多是順層排列，位移不明顯，保留原始破碎棱角和相鄰的破碎塊體形狀吻合可以拼湊的特征；內(nèi)碎屑副角礫是地震作用下，未完全固結(jié)的巖層發(fā)生破碎，并發(fā)生一定距離的遷移形成的。

2.2 震積序列

前人對于震積巖垂向序列研究已經(jīng)取得非常豐碩的成果[25-26]，不同的盆地構(gòu)造和沉積物物性以及地震震級都會影響震積巖的垂向序列分布。在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)沉積構(gòu)造特征，觀察巖芯等資料，發(fā)現(xiàn)了大量前人總結(jié)的地震事件沉積構(gòu)造，但是在單井巖芯垂向上的觀察中很難總結(jié)出前人提到的完整的序列，大多數(shù)是1～3個左右序列組合。對比研究區(qū)的構(gòu)造特征發(fā)現(xiàn)北部緩坡帶距離斷裂帶較遠，構(gòu)造特征相對來說比較簡單，震積構(gòu)造單一。而南部斷階帶斷層錯綜復雜，坡度較陡，油氣藏分布雜亂，故選取了靠近南斷階帶的井作為聯(lián)井分析的依據(jù)，建立了區(qū)域性的聯(lián)井序列，通過地層對比和震積巖特征組合分析，可以從一個區(qū)域的巖芯實例為依據(jù)，然后連接其他區(qū)域的目標井，得出相對符合研究區(qū)實際的震積巖垂向序列。如下圖是兩條聯(lián)井剖面，一是以聯(lián)盟莊地區(qū)的三口井聯(lián)26井、聯(lián)27、聯(lián)28為中心，并沿著斷階帶延伸選取了富54井和黃18井作為目標井，二是沿著漢留大斷裂延伸到吳堡斷裂帶選取了井馬14、聯(lián)26、富23和周26(圖4右下角所示)，以其巖芯實例和聯(lián)井地層對比為依據(jù)刻畫出聯(lián)井序列(圖4)。底部為脆性變形形成的階梯狀小斷層，在此之上的是震皺巖、枕狀層、環(huán)狀構(gòu)造等液化擠壓變形構(gòu)造，頂部是震塌巖和自碎角礫巖等原地破裂構(gòu)造。

圖2 高郵凹陷震積構(gòu)造液化擠壓變形實例a.馬25井，液化砂巖脈；b.聯(lián)26井，液化巖脈；c.聯(lián)12井，液化角礫巖；d.馬14井，液化角礫巖；e.富23井，震皺巖；f.富35井，震皺巖；g.馬19井，枕狀層；h.聯(lián)26井，枕狀層；I.曹20井，枕狀層；j.富35井，環(huán)狀層理；k.聯(lián)28井，環(huán)狀層理Fig.2 Examples of liquefaction extrusion deformation of seismites rock in Gaoyou sag

為了力求對研究區(qū)震積巖序列刻畫的更為精確，筆者在聯(lián)井序列的基礎(chǔ)上，對比分析了一些相對完整的單井序列，結(jié)合單井的區(qū)域位置特征，最終得出符合研究區(qū)地震事件沉積規(guī)律的震積巖垂向序列。圖5是選取了不同區(qū)塊中震積巖特征相對具有代表性的三口井，對其單井序列進行了刻畫。

總結(jié)前面的研究，得出了研究區(qū)的震積巖垂向序列。除去底部未震層A，序列B主要是拉張力引發(fā)的階梯狀斷層，序列C是硬巖層在地震過程中原地發(fā)生破裂后形成震裂巖和自碎角礫巖，序列D主要是由振動引起的液化、擠壓變形構(gòu)造。序列E主要是重力作用下引發(fā)的重荷變形和負載構(gòu)造，序列F為頂部重力流沉積，觀察研究區(qū)的巖芯實例原地震積構(gòu)造頂面普遍存在碎屑流和少量的濁流沉積構(gòu)造，是在地震作用激發(fā)下形成重力流沉積(圖6)。

圖3 高郵凹陷震積構(gòu)造脆性變形實例a.富82井，2 833.85 m，E2d12，階梯狀小斷層；b.永4井，2 713.43 m，E2d12，階梯狀小斷層；c.永4井，2 715.83 m，E2d12，震裂巖；d.曹34井，2 795.69 m，E2d12，震裂巖；e.周26井，2 681.43 m，E2d12，內(nèi)碎屑副角礫巖；f.富82井，2 741.13 m，E2d25，內(nèi)碎屑副角礫巖；g.富82井，2 741.23 m，E2d25，自碎角礫巖；h.黃18井，2 327.82 m，E2d11，自碎角礫巖Fig.3 Examples of brittle deformation of seismites in Gaoyou sag

圖4 高郵凹陷戴南組震積巖聯(lián)井序列圖Fig.4 Example of united wells segregation sequence in Dainan Formation of Gaoyou sag

圖5 高郵凹陷戴南組單井震積序列實例Fig.5 Example of single well segregation sequence in Dainan Formation of Gaoyou sag

3 研究區(qū)古地震事件油氣意義

戴南組沉積時期高郵凹陷受郯廬斷裂走滑拉分活動的影響，呈現(xiàn)出南陡北緩的構(gòu)造格局，斷層錯綜復雜，斷塊支離破碎[27]。而斷層及斷層活動引起的地震事件是隱蔽油氣藏的主要控制因素之一。戴南組是研究區(qū)主要的油氣開發(fā)層位，這一時期的地震活動及其引起的沉積物變形，對油氣圈閉的形成必然起著重要的作用，所以說古地震事件研究是油氣勘探與開發(fā)過程中非常必要的一環(huán)。筆者在綜合前人對于震積巖油氣地質(zhì)意義研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)油氣藏的實際勘探情況，從油氣的運移、儲集、封堵三個方面對古地震事件沉積的油氣地質(zhì)意義進行系統(tǒng)研究。

從油氣運移意義上來說，研究區(qū)戴南組不具備烴源巖條件，為它源油氣藏，必須依靠下伏阜寧組的烴源巖提供油源，由于儲集層和烴源巖分屬兩個不同的二級層序，油氣進入圈閉必須要有溝通烴源巖和隱蔽圈閉的途徑。通過對研究區(qū)已知油藏的解剖分析，認為古地震過程中形成的深大斷裂(大斷層)是其主要的溝通途徑之一(圖7)，而斷裂附近位置震動最強烈對沉積物的改造也最明顯，在巖芯的觀察過程中也發(fā)現(xiàn)大斷裂附近的震積巖發(fā)育更豐富，地震作用產(chǎn)的震裂巖層、階梯狀小斷層等破裂構(gòu)造溝通巖層的原有空隙，使其滲透率增加，配合以深大斷裂構(gòu)造形成良好的油氣運移通道(圖8A)，如圖7所示可以看出研究區(qū)含油氣區(qū)塊沿斷層分布的規(guī)律性比較明顯。

對于油氣儲集來說，震裂角礫巖可以成為較好的儲集巖體[28]，研究區(qū)的隱蔽油氣藏是以發(fā)生地震的斷裂系統(tǒng)為中心，形成向兩側(cè)儲集巖體尖滅的巖性圈閉(圖7)，斷裂引起的古地震事件可能是其形成的因素之一，因為沿著斷層附近形成了震裂巖，提高了砂體儲集性能，研究區(qū)內(nèi)含有震裂構(gòu)造的巖芯物性特征分析的結(jié)果證明，其更有利于油氣成藏，油層中有震積構(gòu)造的巖石取芯中發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣顯示。研究區(qū)深凹帶發(fā)育的透鏡體圈閉(圖7)，是在古地震激發(fā)下形成的重力流將砂體推向盆地深處，包裹于泥巖中形成的砂巖透鏡體。在研究區(qū)常規(guī)圈閉勘探程度非常成熟的前提下，這些古地震作用下形成的砂體將為進一步勘探找油提供理論依據(jù)。

同樣古地震作用下的斷層對油氣藏的封堵作用是研究區(qū)油氣藏能夠沿斷層呈條帶狀分布的主要原因之一(圖8B)，而地震剪切作用引起的沉積物改造過程，也有可能使沉積物重新排序加密[16]，可形成良好的巖性封堵層。

圖6 高郵凹陷戴南組震積巖序列Fig.6 Sequence of seismite in Dainan Formation in Gaoyou sag

圖7 高郵凹陷E2d隱蔽油氣藏成藏模式圖(江蘇油田地質(zhì)科學研究院，2007)Fig.7 Reservoir pattern of subtle reservoirs in Dainan Formation, Gaoyou sag

圖8 高郵凹陷斷裂帶油氣藏運移與封堵示意圖Fig.8 Schematic diagram of migration and blockage of oil and gas reservoir in Gaoyou sag fault zone

4 結(jié)語

在觀察研究區(qū)戴南組巖芯過程中，發(fā)現(xiàn)了大量的古地震事件沉積構(gòu)造，這其中既有硬巖層脆性變形和軟沉積物液化、擠壓原地變形，又有古地震作用激發(fā)下形成的滑塌砂體、碎屑流(砂質(zhì)碎屑流、泥質(zhì)碎屑流)和濁流等一系列沉積現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)說明了頻繁的構(gòu)造運動和地震活動對研究區(qū)戴南組沉積時期的沉積巖層的形成，有很明顯的影響。

古地震作為一種瞬時—頻發(fā)的災害性地質(zhì)作用過程，其對沉積地質(zhì)體進行改造的過程，都有可能對油氣地質(zhì)情況造成影響。研究區(qū)內(nèi)古地震過程所形成的破裂、斷層是油氣運移的主要通道，斷層附近的沉積體在地震作用下物性發(fā)生改變，可使之成為良好的油氣圈閉，例如研究區(qū)內(nèi)馬—聯(lián)地區(qū)油藏發(fā)育很多沿斷層附近分布的窄條帶狀油氣圈閉。而研究區(qū)深凹帶內(nèi)的透鏡體圈閉，很可能是在古地震作用激發(fā)下形成的沉積物重力流將砂體推向盆地深處，包裹于泥巖中形成的砂巖透鏡體，這將成為凹陷進一步勘探，尋找有利巖性油氣藏的新戰(zhàn)場。

構(gòu)造運動影響著研究區(qū)構(gòu)造坡折帶發(fā)育狀況，而大地震動必然是砂體運移的重要驅(qū)動力，通過對震積巖分布規(guī)律的系統(tǒng)研究，可以預測古地震作用強度，進一步結(jié)合研究區(qū)盆地構(gòu)造模式和斷層活動作用影響下的“梁溝坡”類型，則能更準確地預測出局部的砂體分布，再結(jié)合烴源巖的具體分布情況，是不是可以提供找隱蔽油氣藏的新思路？