龍門(mén)山前陸盆地南段樂(lè)地1井須家河組震積巖特征及地質(zhì)意義

胡文超, 李 勇, 顏照坤, 鄧 濤, 董順利, 陳 劍, 陳 斌

(油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

地震是由于地球內(nèi)動(dòng)力(如斷裂構(gòu)造活動(dòng)、火山活動(dòng)等)因素誘發(fā)的具有瞬時(shí)性、突發(fā)性、破壞性的災(zāi)變性地質(zhì)事件[1]。地震活動(dòng)使沉積巖層中已固結(jié)或未固結(jié)的沉積物發(fā)生變形，形成震積巖。震積巖是記錄古地震事件的載體。早在1952年，B.C.Heezen等就已經(jīng)開(kāi)始研究由地震活動(dòng)引起的海底沉積物變形構(gòu)造[2]。1969年Seilacher首次提出震積巖的概念，指尚未固結(jié)的水下沉積物在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)內(nèi)由于地震活動(dòng)發(fā)生變位變形形成的沉積層[3]。中國(guó)對(duì)震積巖的研究起步相對(duì)較晚，從1988年宋天銳建立了碳酸鹽巖地震-海嘯序列開(kāi)始，喬秀夫、梁定益、杜遠(yuǎn)生等，對(duì)海相地層震積巖進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)了震積巖類(lèi)型及震積巖典型特征標(biāo)志，并建立了碳酸鹽巖振動(dòng)液化地震序列[4-8]。近些年來(lái)，袁靜、鄢繼華等對(duì)陸相湖盆震積巖也進(jìn)行了研究[9-10]。2016年9月在河南理工大學(xué)召開(kāi)的第14屆全國(guó)古地理學(xué)及沉積學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議“多成因的軟沉積物變形構(gòu)造及震積巖”專(zhuān)題研討會(huì)上，對(duì)現(xiàn)階段軟沉積物變形構(gòu)造和震積巖的研究進(jìn)行了總結(jié)[11-14]。

龍門(mén)山前陸盆地上三疊統(tǒng)須家河組沉積期，盆地邊緣的龍門(mén)山造山帶表現(xiàn)為強(qiáng)烈的上沖推覆和構(gòu)造隆升[15]，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，具備發(fā)育震積巖的條件。已有學(xué)者對(duì)龍門(mén)山前陸盆地須家河組震積巖進(jìn)行了初步研究[16-18]，但前人對(duì)于龍門(mén)山前陸盆地南段須家河組震積巖的研究主要以地表露頭為主。樂(lè)地1井須家河組為完全取心，利用樂(lè)地1井可以更加準(zhǔn)確地對(duì)龍門(mén)山前陸盆地須家河組的震積巖進(jìn)行分析。本文通過(guò)對(duì)樂(lè)地1井須家河組巖心的系統(tǒng)觀察，對(duì)須家河組震積巖發(fā)育特征、層位分布及與龍門(mén)山構(gòu)造隆升活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)背景

位于四川盆地西部的龍門(mén)山前陸盆地是中國(guó)較為典型的前陸盆地之一，是在中三疊世被動(dòng)大陸邊緣的基礎(chǔ)上形成的造山帶前陸盆地[19]。晚三疊世中晚期在甘孜—阿壩地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈褶皺、巖漿侵入與區(qū)域變質(zhì)，在此影響之下龍門(mén)山發(fā)生隆升、上沖推覆，逐漸形成山系[20]。根據(jù)構(gòu)造變形特征、變質(zhì)程度和成因機(jī)制等，可將現(xiàn)今川西地區(qū)分為4個(gè)構(gòu)造帶(圖1),即松潘-甘孜褶皺帶、龍門(mén)山?jīng)_斷帶、龍門(mén)山前陸盆地和龍泉山前陸隆起[15]。

晚三疊世龍門(mén)山前陸盆地充填地層的剖面幾何形態(tài)顯示為西厚東薄的楔形體，由北西向南東逐漸變薄，呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)狀[21]。樂(lè)地1井位于龍門(mén)山前陸盆地南段，晚三疊世時(shí)期主要沉積地層為須家河組[22]。在樂(lè)地1井須中，馬鞍塘組、小塘子組、須家河組第三段(簡(jiǎn)稱(chēng)“須三段”)、須家河組第五段(簡(jiǎn)稱(chēng)“須五段”)主要由黑色泥頁(yè)巖組成，夾灰色細(xì)砂巖和粉砂巖；須二段、須四段和須六段主要以灰白色細(xì)砂巖和粉砂巖為主，夾灰黑色泥頁(yè)巖和灰白色中砂巖(圖2)。

2 震積巖沉積特征

地震作用形成的同沉積變形構(gòu)造可以作為震積巖的標(biāo)志[1]。通過(guò)對(duì)樂(lè)地1井巖心的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)了軟沉積物液化變形構(gòu)造和脆性變形構(gòu)造這兩類(lèi)變形構(gòu)造(圖2)。

2.1 軟沉積物液化變形構(gòu)造

軟沉積物液化變形構(gòu)造是指在沉積物尚未固結(jié)或半固結(jié)時(shí)，經(jīng)一系列的機(jī)制觸發(fā)而形成的沉積變形構(gòu)造[1]。不同的軟沉積物液化變形構(gòu)造，具有不同的觸發(fā)機(jī)制以及變形過(guò)程，其成因機(jī)制與地震的強(qiáng)弱以及距震中位置的遠(yuǎn)近存在相關(guān)關(guān)系。

2.1.1 液化砂巖脈

液化砂巖脈是在砂、泥巖互層的地層中形成的一種沿著地層應(yīng)力薄弱位置不規(guī)則穿透周?chē)鷰r層而形成的砂質(zhì)巖脈。軟沉積物通過(guò)地震-斷裂作用液化泄水形成液化砂巖脈,其形態(tài)和成因與碳酸鹽巖震動(dòng)液化序列中的泥晶碳酸鹽脈相似[23]。在樂(lè)地1井中發(fā)育許多灰白色液化砂巖脈構(gòu)造，主要發(fā)育在須三段。液化砂巖脈體一般寬度為0.3～1.5 cm，長(zhǎng)度在0.5 cm到十幾厘米之間，界線清晰，規(guī)模大小不等(圖3)。砂巖脈的形態(tài)存在一些差異，一種垂向穿透巖層，從上到下寬度由粗變細(xì)，剖面上呈倒”V”字形特征；另一種呈不規(guī)則彎曲，中間寬大，兩端變細(xì)逐漸尖滅(圖3)。

圖1 龍門(mén)山前陸盆地南段構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified tectonic map showing the southern section of the Longmenshan foreland basinF1.汶川-茂縣斷裂; F2.映秀-北川斷裂; F3.彭灌斷裂; F4.大邑?cái)嗔? F5.蒲江-新津斷裂; F6.龍泉山斷裂; A1.霧中山背斜; A2.平落壩背斜; A3.張家坪背斜; A4.蓮花山背斜; A5.漢王場(chǎng)背斜; A6.大興場(chǎng)背斜; A7.熊坡背斜; A8.蘇碼頭背斜; A9.龍泉山背斜

圖2 樂(lè)地1井須家河組震積巖特征和產(chǎn)出層位Fig.2 Characteristics of seismites and their occurrence horizon of Xujiahe Formation in Well Ledi-1

2.1.2 液化卷曲變形與混滑層

液化卷曲變形是較為典型的軟沉積物液化變形構(gòu)造，又稱(chēng)為震褶巖。在薄層泥巖和砂質(zhì)泥巖中受到地震活動(dòng)的影響形成大小不一的卷曲、扭曲、彎曲構(gòu)造變形，對(duì)上下層均不影響，僅發(fā)育于層內(nèi)。樂(lè)地1井中卷曲變形在須二段、須三段和須四段中均有發(fā)育，以平緩褶皺居多，層內(nèi)發(fā)育液化砂巖脈、負(fù)載構(gòu)造等軟沉積物變形構(gòu)造，單個(gè)褶曲的大小為3.0～5.0 cm，樞紐、軸面不規(guī)則，褶曲程度高(圖4)。地震成因觸發(fā)的巖層卷曲變形和由重力失穩(wěn)巖層滑塌導(dǎo)致的卷曲變形是有差別的，地震成因形成的卷曲變形其褶皺面是不規(guī)則的，而重力滑動(dòng)成因的卷曲層則具有相對(duì)統(tǒng)一的褶皺軸面，因此可判斷樂(lè)地1井中液化卷曲變形是由于地震活動(dòng)形成的。

混滑層是液化卷曲變形層在地震多類(lèi)多向應(yīng)力持續(xù)作用下形成的一種軟沉積物變形序列[24]?；旎瑢又饕晌瘩薨檶印Ⅰ薨檶?液化卷曲變形層)、破裂層和粒序?qū)訕?gòu)成，在樂(lè)地1井中主要發(fā)育在須三段和須四段的過(guò)渡位置(深度在 1 341.5～1 348.96 m,圖5)?；旎瑢雍鸵夯砬冃味际怯傻卣鹱饔眯纬傻能洺练e物變形，既存在于湖泊環(huán)境中，也可能存在于淺海環(huán)境中[24]。

2.1.3 負(fù)載構(gòu)造及球枕狀構(gòu)造

負(fù)載構(gòu)造是上覆地層中較為粗粒的砂巖在重力作用和地震剪切力作用下，下沉到下伏未固結(jié)泥巖中的一種變形構(gòu)造，包括重荷模和火焰狀構(gòu)造。重荷模是砂巖層受到負(fù)荷壓力在下伏塑性泥巖中形成瘤狀凸起的變形構(gòu)造，同時(shí)下伏泥巖穿刺到上覆砂巖層形成火焰狀構(gòu)造。

在地震震動(dòng)作用下，上覆砂巖層負(fù)載體受到重力作用脫離砂巖層完全落入下伏泥巖層中形成的球體或橢球體[25]，即球枕狀構(gòu)造。樂(lè)地1井中負(fù)載構(gòu)造和球枕狀構(gòu)造在各個(gè)層位大量發(fā)育，形態(tài)各異，大小不一。重荷模的大小在0.5～2.5 cm，球枕狀構(gòu)造直徑為1～4 cm，大多數(shù)呈水平長(zhǎng)軸的橢球形構(gòu)造(圖6)。球枕體的寬度取決于陷落深度，陷落越深寬度越大，橢球體越扁；而負(fù)載構(gòu)造的大小與液化層厚度有關(guān)[26-27]。

圖3 樂(lè)地1井須家河組液化砂巖脈Fig.3 Liquefied sand-veins in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

圖4 樂(lè)地1井須家河組卷曲變形Fig.4 Liquefied and crimpled deformation structures in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

圖5 樂(lè)地1井須家河組混滑層Fig.5 Mixed slipping layers in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

圖6 樂(lè)地1井須家河組負(fù)載構(gòu)造及球枕狀構(gòu)造Fig.6 Load structures and ball-and-pillow structures in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

2.1.4 環(huán)形層理

環(huán)形層理是細(xì)粒薄互層泥砂質(zhì)沉積物的變形層理[1]。由于地震的拉張作用，未固結(jié)的薄層泥砂質(zhì)沉積物形成環(huán)狀或鏈條狀。在樂(lè)地1井中環(huán)形層理主要由粉砂巖和泥巖條帶構(gòu)成，集中發(fā)育在須二段和須三段。環(huán)形層理邊緣呈橢圓狀，較為光滑，內(nèi)部條帶呈波狀，單個(gè)環(huán)形層理高為1.5～6 cm，長(zhǎng)為4～8 cm(圖7)。

圖7 樂(lè)地1井須家河組環(huán)形層理Fig.7 Loop bedding in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

2.2 脆性變形構(gòu)造

2.2.1 震裂巖

震裂巖是未固結(jié)或半固結(jié)的泥巖層在地震作用下，發(fā)生撕裂形成的泥巖撕裂屑。這類(lèi)震積巖具有無(wú)排列性、無(wú)分選性的特征，大多數(shù)為次棱角狀、棱角狀。樂(lè)地1井中震裂巖主要發(fā)育在須三段與須四段的過(guò)渡層中，這也間接反映了須三段和須四段之間的安縣運(yùn)動(dòng)在龍門(mén)山前陸盆地南段的地層沉積響應(yīng)[28]。震裂巖直徑一般為1～3 cm，相鄰的泥巖屑橫向上具有可拼接性，說(shuō)明震裂巖位移不大，為原地或準(zhǔn)原地沉積(圖8)。

圖8 樂(lè)地1井須家河組震裂巖Fig.8 Seismic-induced shatter breccia in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

2.2.2 微斷層

微斷層是沉積物在地震活動(dòng)壓實(shí)作用的影響下，發(fā)生差異下沉，形成的以張性斷裂為主的小型張性斷層。微斷層主要形成在較薄的泥砂互層段，可以單獨(dú)發(fā)育，也可以呈階梯狀排列。樂(lè)地1井須三段中發(fā)育微斷層，垂向微斷距為0.1～1 cm，傾角較陡(圖9)。這種變形特征是沉積物在液化作用之后的重新壓實(shí)過(guò)程中，由于差異性下沉所形成的[29]。

樂(lè)地1井中的軟沉積物液化變形和脆性變形構(gòu)造主要發(fā)育在須二段、須三段和須四段中(井深為 1 301.5～1 539.2 m,圖2)，液化變形、塑性變形(卷曲變形，微褶皺)、重力作用形成的負(fù)載、球枕狀構(gòu)造、環(huán)形層理、微斷層以及震裂巖等變形構(gòu)造共生，進(jìn)一步證明了這些變形構(gòu)造為地震成因。

3 震積巖的地質(zhì)意義

地震活動(dòng)主要發(fā)育在盆地及盆地動(dòng)力學(xué)相關(guān)的毗鄰地區(qū) ，可以通過(guò)震積巖來(lái)反映古地震和古構(gòu)造活動(dòng)[30]。龍門(mén)山歷經(jīng)了印支期、燕山期和喜馬拉雅期多期次構(gòu)造復(fù)合-聯(lián)合的疊加變形[31]，晚三疊世是龍門(mén)山發(fā)生上沖推覆構(gòu)造隆升的重要時(shí)期，古特提斯洋向東逐漸閉合，此時(shí)松潘-甘孜地塊與揚(yáng)子板塊擠壓，龍門(mén)山開(kāi)始早期隆升[22]，沖撞過(guò)程中發(fā)生構(gòu)造作用、巖漿作用和區(qū)域變質(zhì)作用，同時(shí)伴隨著強(qiáng)地震作用，揚(yáng)子板塊西緣由被動(dòng)大陸邊緣轉(zhuǎn)為前陸盆地[20]。

圖9 樂(lè)地1井須家河組微斷層Fig.9 Microfault in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)(圖2)，樂(lè)地1井須家河組震積巖集中出現(xiàn)在以下5個(gè)層段，第一段和第二段發(fā)育在須二段，井深分別為 1 496.62～1 509.5 m和 1 465.01～1 478.8 m；第三段和第四段發(fā)育在須三段，井深分別為 1 434.58～1 449.3 m和 1 363.63～1 414.87 m；第五段發(fā)育在須四段，井深為 1 334.6～1 348.96 m。在須二段、須三段和須四段沉積時(shí)期發(fā)育了大量的震積巖特征構(gòu)造，說(shuō)明在這段時(shí)間該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)。不同類(lèi)型的震積巖特征的類(lèi)型和分布能夠反映地震活動(dòng)的強(qiáng)弱，形成負(fù)載構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造的地震活動(dòng)較弱；隨著地震活動(dòng)的增強(qiáng)形成了震裂巖；地震活動(dòng)的進(jìn)一步增強(qiáng)，發(fā)育液化卷曲變形和微斷層[32]。通過(guò)圖2看出，樂(lè)地1井中在須三段和須四段交界的地方發(fā)育液化卷曲變形和微斷層較多，并且該段發(fā)育的震積巖與其他段相比較多，說(shuō)明該時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)。

根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，在晚三疊世早期龍門(mén)山斷裂帶馬鞍塘組、小塘子組、須二段、須三段和須四段的地層中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)震積巖[18]，但在樂(lè)地1井中馬鞍塘組和小塘子組并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)震積巖。如圖10所示，當(dāng)時(shí)龍門(mén)山推覆體距離樂(lè)地1井所在位置較遠(yuǎn)，地震活動(dòng)并沒(méi)有影響到樂(lè)地1井。而在須二段、須三段和須四段沉積期，隨著龍門(mén)山的隆升，并向南東推進(jìn)，龍門(mén)山推覆體距離樂(lè)地1井越來(lái)越近，地震活動(dòng)對(duì)樂(lè)地1井所在地層的影響越來(lái)越強(qiáng)烈，并發(fā)育震積巖。在經(jīng)歷過(guò)須四段的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)之后，須五段和須六段沉積期進(jìn)入地殼平靜期，構(gòu)造活動(dòng)很弱。因此，樂(lè)地1井中震積巖主要發(fā)育在須二段、須三段和須四段中。

綜上所述，樂(lè)地1井中須家河組震積巖的研究有助于對(duì)龍門(mén)山南段構(gòu)造活動(dòng)演化的認(rèn)識(shí)。由于震積巖的形成發(fā)育與龍門(mén)山南段斷裂活動(dòng)相關(guān)，因此本區(qū)震積巖的研究對(duì)探討龍門(mén)山南段斷裂帶上沖推覆構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及強(qiáng)弱有重要意義。

4 結(jié) 論

a.在龍門(mén)山前陸盆地南段的樂(lè)地1井須家河組中發(fā)現(xiàn)了多種類(lèi)型的震積巖特征構(gòu)造，液化作用成因的包括液化砂巖脈、液化卷曲變形與混滑層、負(fù)載構(gòu)造及球枕狀構(gòu)造和環(huán)形層等，脆性變形成因的包括震裂巖和微斷層等，主要集中在須二段、須三段和須四段。

b.龍門(mén)山前陸盆地南段晚三疊世的地層主要受到龍門(mén)山構(gòu)造活動(dòng)的控制，通過(guò)樂(lè)地1井中震積巖的分布特征，反映出龍門(mén)山前陸盆地南段在須二段、須三段和須四段構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，并且以須三段和須四段交界時(shí)期最強(qiáng)。

c.龍門(mén)山前陸盆地在須二段到須四段時(shí)期，造山帶快速向南東方向推進(jìn)，造成了震積巖在早期(馬鞍塘組和小塘子組)未在樂(lè)地1井發(fā)育，而在后期(須二段到須四段)大量發(fā)育的現(xiàn)象。

圖10 龍門(mén)山前陸盆地南段晚三疊世地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化與震積巖分布Fig.10 Geological and structural evolution and seismite distribution of the late Triassic in the southern segment of the Longmenshan foreland basin