山東靈山島北背來石剖面下白堊統(tǒng)順層砂脈的特征及其成因動(dòng)力學(xué)分析*

鐘建華 孫寧亮 郝 兵 倪良田 宋冠先 薛純琦 毛 毳 邵珠福葛毓柱 陳 彬 劉圣鑫 彭超峰 谷東輝 王永強(qiáng) 李 聰

1 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580 3 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318 4 地質(zhì)、礦物學(xué)與地球物理學(xué)學(xué)院，波鴻大學(xué)，波鴻 44801，德國

1 概述

砂脈一般是指板片狀的砂侵入體。最早發(fā)現(xiàn)砂脈的學(xué)者可能是Strangways(1821)，而Murchison(1827)對(duì)砂脈進(jìn)行了最早的研究。近200年來，與砂脈相關(guān)的論文很多，尤其是Andrew 和 Mario(2017)對(duì)砂脈的評(píng)述進(jìn)一步推動(dòng)了砂脈的研究。但目前國際上對(duì)砂脈的定義和理解還不統(tǒng)一，如地下似脈非脈的大尺度(數(shù)百米厚、數(shù)千米寬)“砂注入體”也被稱為砂脈(Huuse，2010；Johanetal.， 2010)。近年來中國在砂脈方面的研究成果頗多(鐘建華，1997，2012；史曉穎等，2008；袁靜等，2008；梅冥相等，2009；喬秀夫等，2011；張昌民等，2012；田洪水等，2016；鐘建華等，2016，2018)。作為軟沉積物變形構(gòu)造(soft-sediment deformation structure，SSDS)中的重要類型之一，砂脈分布最廣、成因最為復(fù)雜、被研究最多，在沉積學(xué)、地震學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及工程地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域一直都引起了廣泛關(guān)注(Owen and Moretti， 2001；Gladkovetal.， 2016)。

近來在北海油田發(fā)現(xiàn)了大型的砂脈儲(chǔ)集層和由其形成的油氣藏(Lonerganetal.， 2000； Durantietal.， 2003； Huuse and Marit， 2004； Cartwrightetal.， 2005； Huuse， 2010； Andrewetal.， 2011, 2017； Hurst and Vigorito， 2017)。 如Purvis等(2002)發(fā)現(xiàn)Gryphon油田古近系深水砂體在液化流動(dòng)的影響下重新充注， 形成了形態(tài)十分復(fù)雜和規(guī)模很大的砂脈， 是油氣勘探開發(fā)的良好對(duì)象。 Huuse(2010)、 Monnier等(2015)通過三維地震資料重建了地下深部砂脈的三維形態(tài)， 發(fā)現(xiàn)砂侵入形成的巨大砂脈(砂注入體)寬度可達(dá)1000～2000im、 厚度可達(dá)100～200im， 有一種特殊的翼狀結(jié)構(gòu)， 易于地震識(shí)別， 可以成為油氣的良好儲(chǔ)集場(chǎng)所， 為油氣勘探指明了有利靶區(qū)。 Ross等(2014)通過研究Kodachrome Basin發(fā)育的大型砂注入體， 認(rèn)為泥巖中發(fā)育的大型砂脈可以直接作為地層圈閉儲(chǔ)集油氣， 而砂巖中發(fā)育的砂脈可增強(qiáng)儲(chǔ)集層中以及儲(chǔ)集層之間的砂體連通性。 張昌民等(2012)和Zheng等(2015)指出， 砂液化可使儲(chǔ)集層變形， 有利于油氣聚集， 如砂脈切割許多隔層形成油氣運(yùn)移通道。 砂脈形成于不同階段， 其地質(zhì)意義也有差異， 既可作為油氣運(yùn)移通道， 也能隨膠結(jié)作用增強(qiáng)而阻礙流體運(yùn)移， 之后經(jīng)過再活化又可作為輸導(dǎo)層。 所以， 液化砂脈的問題不是一個(gè)簡單的純理論問題， 其應(yīng)用價(jià)值也值得重視。 盡管目前國內(nèi)尚未見任何文獻(xiàn)報(bào)道過砂注入體儲(chǔ)集層和砂注入體油田， 但筆者已經(jīng)在松遼盆地西部發(fā)現(xiàn)了這種儲(chǔ)層和油藏， 并將其命名為砂脈型儲(chǔ)集層或油藏(鐘建華等， 2020)。

此外，現(xiàn)代地震誘發(fā)的軟沉積物變形形成的砂脈對(duì)于重建地震歷史記錄不充分或記載不充分地區(qū)的古地震活動(dòng)也至關(guān)重要。但迄今為止，關(guān)于砂脈能否作為地震發(fā)生的識(shí)別依據(jù)還存在著爭(zhēng)論。部分學(xué)者認(rèn)為，砂脈的成因多與地震誘發(fā)的液化作用和流化作用有關(guān)，所以可通過對(duì)砂脈的甄別并結(jié)合變形巖層的其他幾何學(xué)及巖相學(xué)特征來鑒別古地震(Obermeier，1996；Owen and Marit, 2001)；但也有一些學(xué)者認(rèn)為，能引起軟沉積物變形的擾動(dòng)力很多，除地震作用之外，其他的地質(zhì)作用也會(huì)引起軟沉積物變形(Obermeier，1996)。所以，將砂脈作為識(shí)別古地震的標(biāo)志還有待商榷。

近期筆者在青島靈山島北背來石剖面發(fā)現(xiàn)了2層大型的不規(guī)則砂脈，因總體上呈不規(guī)則團(tuán)塊狀，故不好將其稱為“砂脈”，也不好籠統(tǒng)地稱為“砂侵入體(sand injectite)”。鑒于該剖面下白堊統(tǒng)中的砂脈尺度多在1im以上，所以筆者將其稱為“大型不規(guī)則砂脈”。文中在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以靈山島新發(fā)現(xiàn)的大型不規(guī)則砂脈為例，就以下2個(gè)方面開展工作： (1)幾何學(xué)特征精細(xì)描述；(2)形成動(dòng)力學(xué)及其環(huán)境探討。這是一個(gè)非常典型的砂脈實(shí)例，對(duì)于研究砂脈的成因和湖泊相關(guān)沉積及盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有重要意義。

圖 1 山東靈山島剖面位置與地層分布Fig.1 Location of sections and strata distribution in Lingshan Island of Shandong Province

2 地質(zhì)概況

白堊紀(jì)以來，中國東部經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)，主要表現(xiàn)為郯廬斷裂帶的滑動(dòng)、太平洋板塊俯沖和大規(guī)模巖漿噴發(fā)。郯廬斷裂帶是一個(gè)大型走滑斷裂帶，縱貫中國東部，延伸長度可達(dá)3600ikm(朱光等，2001)，中國東部大盆地(如渤海灣盆地和膠萊盆地)的構(gòu)造-沉積演化自白堊紀(jì)以來一直受其控制。

靈山島位于青島市西南約50ikm處，處于膠萊盆地內(nèi)(圖 1-A)，屬構(gòu)造活躍區(qū)，地震頻繁。早白堊世，膠萊盆地因斷陷作用形成，研究區(qū)快速下降，發(fā)育深水沉積(暗色泥頁巖和濁積巖)、三角洲沉積及與(沉)火山巖相關(guān)的河流、湖泊沉積組合，覆蓋了靈山島周緣大部分地區(qū)(圖 1-B)。火山巖主要為純凝灰?guī)r層、凝灰質(zhì)泥巖與湖相泥巖混合層及(沉)火山角礫巖，其中灰白色的純凝灰?guī)r位于中部，是一個(gè)很好的標(biāo)志層，將下白堊統(tǒng)碎屑巖分為2種巖性組合： 下部為細(xì)粒沉積，上部為粗粒沉積。上部沉積以洋礁洞和南、北背來石剖面為典型代表(圖2)，沉積于河流—三角洲—湖泊環(huán)境，伴有風(fēng)暴巖發(fā)育(鐘建華等，2016)。下部沉積以造船廠燈塔剖面為代表(圖 1-B)，被認(rèn)為沉積于三角洲—湖泊環(huán)境(鐘建華，2012)，也有學(xué)者認(rèn)為其是典型的濁積巖沉積(呂洪波等，2013)。由于下段不屬于本次研究的范疇，故不詳細(xì)介紹。周瑤琪等(2015)對(duì)中部的火山巖進(jìn)行了同位素測(cè)年，時(shí)間為120iMa，李守軍等(2016)在這套地層中發(fā)現(xiàn)了熱河動(dòng)物群分子，均表明這套地層的形成時(shí)代為早白堊世。此外，呂洪波等(2013)、邵珠福等(2014)、葛毓柱等(2015)、葛毓柱和鐘建華(2017)、鐘建華等(2016，2018)、王安東等(2014)及周瑤琪等(2015)也對(duì)這套碎屑巖的巖石學(xué)特征和沉積環(huán)境等進(jìn)行了較深入的研究。

圖 2 山東靈山島北背來石剖面下白堊統(tǒng)萊陽組綜合巖性柱狀圖Fig.2 Lithologic column of the Lower Cretaceous Laiyang Formation from northern Beilaishi section in Lingshan Island of Shandong Province

3 砂脈的巖石學(xué)特征

靈山島北背來石剖面發(fā)育了大量砂脈(圖 2)，密度之大實(shí)屬罕見。依據(jù)與地層的交切關(guān)系，北背來石砂脈可分為順層砂脈和非順層砂脈2類。

A—大型的順層砂脈，厚約2.8im，寬12.00im左右(最大退潮時(shí)的可見最大寬度)，左端伸入海里無法測(cè)量實(shí)際長度；層狀，順層，頂?shù)酌鎱⒉畈积R，非自然沉積邊界；頂面有類層理構(gòu)造，系砂脈侵入形成的流面，含大量直徑10～20icm的橢圓形泥礫，泥礫的長軸順層面分布；底面呈斷層接觸；內(nèi)部發(fā)育多條次級(jí)界面，系不同期砂脈侵入形成的邊界；黃虛線后為沉火山巖。B—圖A中的黃框放大，可見砂脈邊緣與圍巖的接觸呈斷層式，邊緣發(fā)育了大量近豎直的節(jié)理，視為砂侵入形成的面理，其中還有黃褐色泥礫，是砂脈侵入捕獲的；砂脈內(nèi)發(fā)育多個(gè)次級(jí)的界面，為細(xì)砂脈多次侵入形成的；黃色虛線內(nèi)可見不規(guī)則砂脈與灰黑色泥團(tuán)塊混合，揭示了砂侵入泥的相互作用。C—順層砂脈，砂脈的強(qiáng)烈擠入撕裂了頂部的泥層，沿接觸面又捕獲了撕裂的細(xì)小泥礫；一部分砂擠入到頂部的泥巖中(紅色箭頭)，穿過了泥巖層或者順層理擠入(厘米級(jí)厚，左側(cè)的紅色箭頭指示的2處非常明顯)；在砂脈的下部有1條寬2～3icm、長40余厘米的長條狀泥礫脈，該泥礫左端(2個(gè)白色箭頭所指的部分)明顯是與上部的泥巖薄層相連的，是在砂脈的侵入過程中被撕裂拉斷的。D—順層砂脈，含大量黑色泥礫，面積比超過60%；含4種泥巖碎屑： (1)長條狀泥礫，寬度2icm、長度超過30icm，長寬比大于15；(2)形態(tài)復(fù)雜的泥礫，邊緣多參差不齊，甚至發(fā)育尖銳的凸起(藍(lán)色箭頭)，有的泥礫又呈渾圓狀(黃色箭頭)；(3)內(nèi)部具有變形層理的較大泥礫，伴生的細(xì)泥巖 碎片從較大的碎屑上剝落下來；(4)具有明顯右傾排列優(yōu)勢(shì)的泥礫(綠色橢圓)，揭示自右向左的流動(dòng)圖 3 山東靈山島北背來石剖面下白堊統(tǒng)萊陽組順層砂脈特征Fig.3 Sills of the Lower Cretaceous Laiyang Formation from northern Beilaishi section in Lingshan Island of Shandong Province

3.1 順層砂脈

在國外，順層砂脈有一個(gè)專屬名詞： “sill”(Peterson， 1968； Hiscotf， 1979； Winslow， 1983)。由于中文目前沒有對(duì)應(yīng)的詞匯，所以筆者用“順層砂脈”這個(gè)詞代替。靈山島北背來石下白堊統(tǒng)順層砂脈極為發(fā)育，但過去一直未得到確認(rèn)，主要原因是其與經(jīng)典的砂脈不同，即它們不是垂直或斜交巖層發(fā)育，而是順著巖層發(fā)育，故容易與正常沉積層混淆。

研究區(qū)順層砂脈(圖3)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為： (1)呈順層板片狀，長寬比大于5。砂脈一般寬數(shù)十厘米，長數(shù)米到十余米，最薄處不足1icm，一般厚數(shù)十厘米，最厚可達(dá)2.8im，退潮時(shí)可見最大長度超過12im(圖 3-A，3-B)。(2)以灰色或灰白色細(xì)砂巖為主，分選很好；圍巖多為黑色泥頁巖(圖 3-D)，推測(cè)侵位發(fā)生在較深水環(huán)境中，黑色泥巖圈閉了底部流體，形成超壓，為液化砂上侵提供了動(dòng)力。(3)常含深灰黑—黑色泥礫(圖 3-C，3-D)，直徑為數(shù)毫米到20～30icm，多集中在2～3icm之間，長軸多順層面分布或呈右傾疊瓦狀(圖 3-D)，指示液化砂自南向北流動(dòng)(深水向淺水)。泥礫多沿侵蝕底界面分布，有的砂脈中泥礫有4種類型(圖 3-D)，包括規(guī)則的長條狀泥礫、形態(tài)復(fù)雜的不規(guī)則泥礫、內(nèi)部具有變形層理的較大泥礫和具有明顯右傾排列的泥礫，這可能揭示了泥礫的形成過程。(4)砂脈的頂、底界面普遍參差不齊(圖 3)，具侵入接觸特點(diǎn)；(5)有時(shí)可見鈍頭構(gòu)造(圖 4-A)；(6)多與軟沉積物變形構(gòu)造共生(葛毓柱等，2015；鐘建華等，2016；2018)。

A—順層砂脈，灰色中粗砂巖，塊狀，右側(cè)鈍頭構(gòu)造非常明顯，泥巖擠入砂脈中，底部有大量泥礫。B—砂脈和垂直砂脈，由黃褐色中粗砂巖組成，垂直砂脈頂部為蘑菇傘狀砂層(黃色箭頭)，砂來自于底部的順層砂脈(白色箭頭)；順層砂脈不易識(shí)別，但在巖石學(xué)特點(diǎn)上與垂直砂脈相同，頂?shù)酌鏋榍秩胂鹘仃P(guān)系(紅色箭頭)；砂脈中有少量泥礫(藍(lán)色箭頭)，底部的順層砂脈有大量毫米級(jí)泥屑，厘米級(jí)厚的順層砂脈被一微型同沉積斷層切斷(紅色實(shí)線，為了觀察到斷層，紅實(shí)線下移了)，在右側(cè)連接到了傾斜砂脈上(黃色箭頭)。C—順層砂脈與傾斜砂脈相連，巖性為灰白色細(xì)粉砂巖，分選很好，但底部較大砂脈含條帶狀黑色泥礫；底部的較寬砂脈頂?shù)酌婢鶇⒉畈积R，近垂直的砂脈物質(zhì)來源于此砂脈(紅色箭頭)，向上灌入上部的一些順層砂脈中，揭示順層的灰白色細(xì)粉砂條帶非沉積紋層；右側(cè)發(fā)育1個(gè)微型的同沉積斷層(黃色箭頭)；底部有1個(gè)狹長的泥礫(藍(lán)色箭頭)，是底部泥巖拆離的結(jié)果，沒有明顯的位移。D—復(fù)雜形態(tài)的砂脈，左側(cè)的砂脈呈折線產(chǎn)出于灰色泥巖中(紅色箭頭)；中部的順層細(xì)脈形態(tài)極不規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，似乎還含1個(gè)直徑2icm左右的礫石； 頂部為1個(gè)較大的順層砂脈圖 4 山東靈山島北背來石剖面下白堊統(tǒng)萊陽組小型順層砂脈和非順層砂脈Fig.4 Several small-scale sills and dikes of the Lower Cretaceous Laiyang Formation from northern Beilaishi section in Lingshan Island of Shandong Province

3.2 非順層砂脈的特點(diǎn)

包括垂直、傾斜和團(tuán)塊狀等不定形砂脈、砂團(tuán)或砂塊，與層面的接觸關(guān)系極為復(fù)雜(圖 4-C，4-D)。垂直砂脈偶見(圖 4-B)，但規(guī)模極小，寬度多在1～3icm以內(nèi)，高度多在10～50icm之間，主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，偶見細(xì)礫巖。傾斜砂脈相對(duì)垂直砂脈而言較多(圖 4-C)，巖性也主要是粉砂巖和細(xì)砂巖，脈寬多在1icm以下，高度在20～30icm之間。團(tuán)塊狀的砂脈比較多見，規(guī)模多在數(shù)十厘米，以細(xì)砂巖為主，常含泥礫，邊界形態(tài)和與圍巖的接觸關(guān)系極為復(fù)雜。腸狀砂脈也可以見到，以傾斜產(chǎn)出為主，規(guī)模極小，寬度多為1～2icm，高度20～30icm，巖性主要為中細(xì)砂。這種腸狀形態(tài)可能與壓實(shí)作用有關(guān)，因此可根據(jù)腸狀砂脈形態(tài)計(jì)算壓實(shí)率(楊冠群等，2017)。

值得指出的是， 在北背來石剖面的順層砂脈有很多層， 最清晰的至少有4層， 厚度達(dá)2im多， 圖 4-A、 4-B僅是最上部的一層。 這4層順層厚層砂脈究竟是1次形成的還是分4次形成， 尚需進(jìn)一步研究。

4 順層砂脈的形成動(dòng)力學(xué)分析

砂脈的形成過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程。地下充填型砂脈的形成過程是液化砂在高壓流體的驅(qū)動(dòng)下向壓力較小的地方運(yùn)移，最終在壓力均衡的地方停留下來形成砂脈。因此，探討砂脈形成動(dòng)力學(xué)和再現(xiàn)砂脈的形成過程是非常有意義的一項(xiàng)工作，同時(shí)也是難度較大的一項(xiàng)工作。

4.1 砂脈的形成條件分析

砂脈的形成需要圍巖發(fā)生裂縫和液化砂上侵充填裂縫這2個(gè)條件，所以裂縫是形成砂脈的關(guān)鍵因素。裂縫的成因機(jī)制有2種： 第1種是液化砂發(fā)育之前已存在的裂縫，如先期形成的構(gòu)造節(jié)理、巖漿收縮節(jié)理或其他節(jié)理等；第2種是砂脈發(fā)育時(shí)由超高壓流體壓裂形成的準(zhǔn)同期裂縫。靈山島北背來石剖面主要發(fā)育不規(guī)則中大型砂脈，推測(cè)以第2種方式形成裂縫的可能性最大。

通常，在距地表數(shù)米范圍內(nèi)形成順層或水平砂脈(sill)，而在地下深部容易形成垂直砂脈(dike)和與水平砂脈有關(guān)的網(wǎng)狀碎屑注入體。因此，從形成動(dòng)力學(xué)上來說，形成不規(guī)則大型砂脈的前提是垂向應(yīng)力小于流體壓力(Andrew and Mario，2017)。假若一個(gè)盆地沒有水平構(gòu)造應(yīng)力作用，那么最大主應(yīng)力(σ1)就是上覆沉積物的重力，其一般垂直于水平面或?qū)用?，而這時(shí)水平方向的主應(yīng)力(σh)則為最小主應(yīng)力(σ3)和中間主應(yīng)力(σ2)，一般兩者相等(σ2=σ3)。在這種力學(xué)條件下，形成垂直砂脈時(shí)攜砂的流體壓力(Pf)必須大于水平應(yīng)力(σh)和圍巖在水平方向上的抗拉強(qiáng)度(Th)(Delaneyetal.， 1986；Price and Cosgrove， 1990)，即：

Pf>σh+Th

(1)

形成順層砂脈時(shí)， 則要求攜砂流體的壓力必須超過垂直應(yīng)力(σv)和垂直于層理的張應(yīng)力(Tv， 地層沿水平方向撕裂的力)(Priceetal.， 1990)， 即：

Pf>σv+Tv

(2)

4.2 力學(xué)計(jì)算

4.2.1 力學(xué)模型的建立

筆者根據(jù)露頭觀察和剖面測(cè)量結(jié)果，建立了1個(gè)包括4層液化砂層和4層液化砂脈的物理模型(圖 5-A)和力學(xué)模型(圖 5-B)，主要的參數(shù)都標(biāo)注在該模型中。公式(2)中的垂直應(yīng)力可以看成是上覆地層形成的壓應(yīng)力(σv)。撕裂地層的張應(yīng)力(Tv)不好確定，但由于侵入未固結(jié)的泥中(證據(jù)： 泥屑呈撕裂碎片狀和具有變形層理表明其是在未固結(jié)的狀態(tài)下被捕獲到液化砂中的)，所以在含水的條件下張應(yīng)力(Tv)不會(huì)很大，假定為0。而從砂脈中含有大量泥礫還可以看出，液化砂體水平侵位遭受到上下地層的摩擦阻力不可忽視，且這個(gè)摩擦阻力不是抗張強(qiáng)度(tensile strength)，其隨著順層砂脈向里擠入的深度加大而越來越大，但到目前為止還沒有學(xué)者意識(shí)到這一點(diǎn)，更沒有專家提出過有效的計(jì)算公式。

4.2.2 垂向應(yīng)力

液化前：

σv=Pf+σe

(3)

從 圖 5 和圖 6可以看出，液化后顆粒失去支撐，有效應(yīng)力σe=0。上覆蓋層的重量完全由流體承擔(dān)，因此，在任意深度Hi的液化流體超壓(Pfi)等于σvi，即ρtgHti。

從圖 5-B可知Hti為：

Hti=Hi+hi

(4)

將公式(4)帶入公式(3)，得：

σvi=Pvfi=ρtgHti=2050×g(Hi+hi)

由于砂層液化要求的最小超壓必須大于上部地層形成的有效應(yīng)力(σv)和流體形成的靜壓力(Ph)， 即要大于ρtgHti， 而上述計(jì)算獲得的Pvfi都只是等于液化層上覆地層重力形成的垂向應(yīng)力(ρtHti)， 所以地震的擾動(dòng)是必須的， 但地震擾動(dòng)的疊加應(yīng)力有多大， 在靈山島還很難確定， 暫不討論。 由于研究區(qū)已經(jīng)發(fā)育了大量中大型順層砂脈， 所以可以確定當(dāng)時(shí)一定發(fā)生了地震擾動(dòng)。 一旦被地震擾動(dòng)液化后， 液化砂層中的流體就處于超壓狀態(tài)。

沉積物被埋藏之后，其應(yīng)力狀態(tài)為豎直方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力(σ1)，而2個(gè)水平方向則為最小主應(yīng)力方向(σ2=σ3)。由于巖石(或沉積物)的抗拉強(qiáng)度較小，所以一般認(rèn)為典型的巖石(或沉積物)豎直破裂(垂直裂縫)一般發(fā)生在垂直應(yīng)力0.7～0.8的時(shí)候(Lorenzetal.， 1991)。對(duì)于未固結(jié)和松散的砂泥層來說，水平方向上的抗拉強(qiáng)度則更小，所以豎直方向上的裂縫(煙囪)極易形成，故液化發(fā)生后無須再疊加地震形成的超壓，完全可以靠液化后的自身超壓形成裂縫，使液化砂向壓力較小的上部運(yùn)移(圖 5-A)。由于砂液化后σ1=σvi=ρtgHti，所以，液化砂向上運(yùn)移完全可以從 圖 6 中的Pvfi紅線上的壓力出發(fā)，而這條紅色的出發(fā)線正是上覆地層的形成的垂向應(yīng)力(σvi)。

A—物理模型；B—力學(xué)模型。Ht—砂層液化的深度；Hi—液化砂侵位高度；hi—液化砂侵位深度；hri—液化砂理論的上升高度，又稱剩余高度；ρll—分異后的液化砂層的上層密度，為1300ikg/m3；ρt—液化砂上部蓋層的密度，為2050ikg/m3；σvti—液化砂層在Hi深度的垂向應(yīng)力；Pvfi—液化砂侵位到hi深度的剩余壓力；σvri—液化砂侵位到hi深度下的垂直剩余應(yīng)力；Pefi—液化砂噴出地表的過剩壓力； σei—液化砂噴出地表的過剩應(yīng)力圖 5 液化砂層、上覆地層和噴流之間的關(guān)系示意圖Fig.5 Relationships among liquefaction fluid， liquefaction fluid and overlying strata through which liquefied sand penetrates horizontally

水平橙色條帶表示不同深度(Hi)液化砂層；水平黃色條帶表示不同深度(hi)的砂脈。Ph—流體的靜水壓力；σe—有效應(yīng)力；σvti—液化砂層在Hi深度的總垂向應(yīng)力；Pvfi—液化砂侵位到hi深度的剩余壓力；σvri—液化砂侵位到hi深度下的垂直剩余應(yīng)力；Pefi—液化砂噴出地表的過剩壓力；σei—液化砂噴出地表的過剩應(yīng)力；隨著液化深度的增加，液化砂超壓也越大，可以形成較深的順層砂脈。 豎直橙色虛線表示液化流體理論上的貫穿深度的壓力值圖 6 未疊加地震沖擊力時(shí)順層砂脈在不同深度(Hi)的應(yīng)力狀態(tài)Fig.6 Sketch for pressure and stress state in different depth hydrostatic pressure without superimposed seismic vibration

4.2.3 流體超壓

A—大型砂火山口和內(nèi)部液化砂層，深0.2～1.0im；B—液化砂噴出地表。注意噴流柱后面的大量噴出水匯集成“河”，均揭示了噴流含水極高。圖片均引自網(wǎng)易新聞，網(wǎng)址為https://dy.163.com/article/DJDA9O6H0525TC5F.htm圖 7 松原地震(2018年5月)液化砂和液化噴流Fig.7 Songyuan earthquake liquefaction sand and liquefaction eruption in May 2018

雖然Lonergan等(2000)研究了液化砂體向上侵入的突破高度和建立了相關(guān)公式(原文公式12)，但是從其論文的 圖 9 中看不出順層砂脈與突破高度之間有何聯(lián)系。所以筆者要探討一下液化砂脈深度、液化砂向上運(yùn)移形成順層砂脈的高度與順層砂脈上部地層厚度之間的關(guān)系。

假設(shè)在液化砂層中插入了一根管子(圖 5-B)，于是液化流體可以沿管子自由上升，其底部的壓力應(yīng)該等于液化層的流體壓力(Pvfi)，也是管子底部的流體垂向壓力或應(yīng)力(σvi)(圖 5；圖 6)。因此，可以通過靜水等壓原理來計(jì)算(圖 5；圖 6)，有：

σvi=Pvfi

(5)

把相關(guān)值帶入公式(5)，得：

2050g(Hi+hi)=1300g(Hi+hi+hei)

從 圖 5 和圖 6又知，(Hi+hi)=Ht，因此有，

hei=0.5769Ht

(6)

從該計(jì)算結(jié)果可以看出，液化深度越大噴流柱的過剩高度也越大。而液化流體的過剩壓力越大，液化流體的侵位能力也越強(qiáng)。

4.2.4 張應(yīng)力

再從公式(2)的角度來討論。因?yàn)樵谏w層被撕裂的高度Hi處，必須有：

ρllghri(Prl)>ρtghi+Tv

(7)

可以從2個(gè)角度進(jìn)行計(jì)算： 一是把Tv看作0；二是把Tv設(shè)定成一系列值。本次設(shè)定為0。

由于砂液化和侵入是發(fā)生在未固結(jié)的松散狀態(tài)，可以認(rèn)為砂順層侵入撕裂力Tv=0，所以又有，

ρllghri(Prl)>ρtghi

再把相關(guān)值帶入，又由于hri=hev+hi，把(6)帶入上式，得：

Hi>0

該結(jié)果說明液化砂層的侵位高度可以發(fā)生在液化砂層的任何高度，故能夠在液化砂層之上的任何高度看到順層砂脈。所以，研究區(qū)中發(fā)現(xiàn)的4層砂脈可能是1個(gè)液化層在1次侵位時(shí)形成的。

上述結(jié)果是沒有考慮泥砂層在沿水平方向的撕裂力，如果有一定壓實(shí)和膠結(jié)，Hi的侵位高度就會(huì)加大。從砂脈中含大量泥礫看，液化砂體在順層侵入的時(shí)候?qū)數(shù)啄鄬拥乃毫褧?huì)產(chǎn)生很大的阻力，所以不是一個(gè)簡單的撕裂力(Tv)的問題，Hi還會(huì)加大，液化砂體的侵位會(huì)更淺。

4.2.5 水平阻力

前已敘述，砂脈中有圍巖掉落下來的泥礫，表明液化砂體在侵入時(shí)與頂?shù)椎哪囗搶影l(fā)生了作用，液化砂體在侵位時(shí)切刮了頂?shù)椎哪囗搶樱沂玖四囗搶右矊?duì)液化砂體侵位形成了阻力。所以除了Tv外，液化砂體侵位還有1個(gè)順液化砂體侵入方向的水平阻力。這個(gè)阻力存在于頂、底面，可以簡化為面與面之間的摩擦作用，采用公式：

fs=μSN

(8)

其中fs是摩擦力；μ是摩擦系數(shù)；S是接觸面積；N為垂直應(yīng)力。因?yàn)槭乔髴?yīng)力，可以把上式除以面積S，再因?yàn)槭羌魬?yīng)力，所以有，

τf=μP

(9)

式中τf為液化砂順層侵位時(shí)頂?shù)酌娴募魬?yīng)力，μ為簡化的摩擦系數(shù)；P為上覆沉積層的單位重力(壓強(qiáng))ρtghi。于是有：

τf=μρtghi

(10)

于是，公式(2)可以寫成：

Pf>σv+Tv+τf

(11)

由于頂、底的泥是松散狀態(tài)，所以Tv=0，于是(11)式寫成：

Pf>σv+τf

(12)

把(10)代入(12)，再把σvi=ρtghi代入上式，整理得：

Pfi>(1+μ)ρtghi

(13)

由于μ不好確定，我們稱之為待定?？梢宰鲆幌盗屑僭O(shè)，以0.01為間距，把μ從0.01一直增加到0.20。所以，從公式(13)可知，在液化砂體侵位原來相同的深度(hi)或高度(Hi)，需要的壓力就更大。如果液化砂層深度(Ht)一定，那么因?yàn)橛心囗搶拥淖钃跻夯皩拥那治痪蜁?huì)更淺。

文中獲得的剩余壓力、侵位深度及砂脈上覆地層厚度等參數(shù)具有重要的地質(zhì)意義，揭示了水平或順層砂脈的形成動(dòng)力學(xué)與動(dòng)力環(huán)境，尤其是砂脈的液化深度與侵位深度之間的關(guān)系。從 圖 5 和圖 6還可以看出，砂脈侵位越深其侵位壓力就越大，其液化砂庫也越深；反之相反。根據(jù)這個(gè)規(guī)律可以在知道用一兩個(gè)參數(shù)來推測(cè)其他參數(shù)，幫助深化對(duì)砂脈侵位環(huán)境和動(dòng)力的深入認(rèn)識(shí)。

從文中建立的模式和動(dòng)力分析結(jié)果看，形成水平砂脈是比較容易的。但是，要形成尺度較大的水平砂脈難度就比較大，因?yàn)橐夯绑w在向水平方向擴(kuò)展時(shí)阻力會(huì)越來越大，液化流體的壓力差會(huì)越來越小，所以液化流體沿層貫穿到一定深度就會(huì)終止，如果液化砂體的深度不大，很難形成分布很廣的大型水平砂脈。又可以反推，大型砂脈是由深度很大的液化砂層形成的，進(jìn)而推測(cè)北海油田大型砂脈是在很深的液化深度下形成的。

5 結(jié)論

1)靈山島北背來石剖面發(fā)育了大量順層砂脈和少量傾斜和垂直砂脈，順層砂脈一般厚數(shù)十厘米，最厚可達(dá)2.8im，寬數(shù)米到12.0im左右(因海水未見北端)，絕大部分為呈淺灰色、均勻塊狀、分選很好(不考慮泥礫時(shí))的細(xì)砂巖和粉砂巖，揭示了液化砂體的來源是一些分選好的細(xì)砂巖、粉砂巖。

2)砂脈的頂、底面為非自然沉積界面，而是一種非常明顯的侵入削截界面。這2個(gè)界面是明顯區(qū)別于沉積砂層的關(guān)鍵依據(jù)，尤其是砂脈的上部界面。從這2個(gè)界面凹凸不平和界面附近含大量泥礫看，液化砂體在順層侵入時(shí)對(duì)頂、底泥頁層有很大的侵蝕作用，液化砂體在侵入過程中消耗了很大的壓力，使得侵位變淺。由于液化砂體沿層侵入會(huì)受到侵入層頂?shù)椎淖杩梗孕纬纱笊懊}需要很大的剩余壓力，而只有液化深度很大才能產(chǎn)生很大的剩余壓力。因此，形成大砂脈的液化砂層深度都很大。

3)建立了非地震條件下順層砂脈侵入的物理模型和動(dòng)力學(xué)模型，指出了液化砂層的深度與侵位深度和上覆沉積層厚度之間的關(guān)系。

本研究成果是在對(duì)靈山島多年考察的基礎(chǔ)上得出的，但并不意味其是一個(gè)成熟的成果。然而，毋庸置疑的是，對(duì)順層砂脈的研究具有重要的意義，因?yàn)楸焙Ｓ吞锏囊恍┯筒鼐褪怯身槍由懊}形成的，近期筆者對(duì)大慶長垣—龍虎泡大安階地北部以西的龍虎泡斜坡薩葡油層的研究發(fā)現(xiàn)了也有許多順層砂脈含油。總之，國內(nèi)在這方面的研究還處于空白階段，有必要迎頭趕上，一方面縮小中國在這方面與國外的差距，另一方面也可以為中國的石油工業(yè)服務(wù)。

致謝中國石油大學(xué)(北京)的馮增昭教授一直關(guān)心我們的軟沉積物變形構(gòu)造研究，匿名評(píng)審專家提出了寶貴的修改意見，在此一并致謝!