遼河坳陷西部凹陷沙四上亞段震積巖特征及地質意義

趙青峰 ，張建國 ，康文君 ，王思琦 ，姜在興 ，杜克鋒 ，黃昌武

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083；2.海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京100083；3.國土資源部頁巖氣資源戰略評價重點實驗室，北京100083；4.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075；5.中國石油勘探開發研究院，北京100083）

0 引言

震積巖是指在地震作用下發生變形或破裂而形成的巖石。關于地震沉積作用的研究始于20世紀50年代，Heezen等［1］通過對海底沉積物的變形、變位特征進行研究后首次提出地震沉積作用，隨后Seilacher［2］通過研究美國加州地區中新世具有遞變斷裂的蒙特里頁巖后首次提出震積巖的概念。自20 世紀 90 年代，我國學者梁定益等［3］、吳賢濤等［4］、喬秀夫等［5］、袁靜［6］、盧勉等［7］先后在四川盆地、渤海灣盆地和鄂爾多斯盆地的河流相、三角洲相和湖泊相中識別出震積巖，并基本建立了震積巖識別標志的沉積序列。關于震積巖的研究，取得的主要成果認識可以概括為以下3個方面：（1）將震積變形構造劃分為塑性變形和脆性變形［8-9］，并提出地震-海嘯沉積序列［10］、液化地震序列［11］和大陸邊緣震積序列［12］等類型；（2）利用震積巖的沉積構造特征恢復了古地震發生的時間及古構造演化背景，即利用震積巖的時空分布規律了解古地震帶分布、古地震活躍期及判斷古地震級別［13-17］；（3）初步探討了震積巖與油氣儲層的關系，發現地震作用可在一定程度上改善儲層物性，并提供油氣運移通道［18-19］。

目前，關于含油氣盆地中震積巖的研究主要集中于中—粗粒沉積巖，而對細粒沉積巖的研究相對較為薄弱。筆者通過對遼河坳陷西部凹陷古近系沙四上亞段的厚層細粒沉積巖進行系統研究，剖析典型沉積構造特征，描述其成因機理，并建立斷陷湖盆細粒震積巖組合序列，深入分析地震作用對儲層質量和油氣運移的影響等，以期為震積巖油氣勘探提供借鑒。

1 區域地質背景

遼河坳陷位于渤海灣盆地東北部，是在斷裂及轉換拉伸作用下形成的斷陷湖盆［20］，包括大民屯凹陷、西部凹陷、東部凹陷、中央凸起、東部凸起和西部凸起共計6個次一級構造單元［21］。西部凹陷是遼河坳陷內呈北東向展布的狹長箕狀凹陷［22-24］，面積約為2 560 km2，其西部為斜坡地貌，東部發生強烈斷裂（圖1）。西部凹陷古近系依次經歷了伸展、裂陷、斷陷、斷坳和走滑等5個構造演化階段，其中初始伸展階段火山及地震活動強烈，該時期大量巖漿噴發導致在房身泡組發育玄武巖，進入沙四段沉積期后，西部凹陷的北部地區斷裂活動強烈，發育了大量北北東—北東向正斷層［25-26］。

研究區目的層沙四段直接覆蓋于房身泡組之上，與其呈角度不整合接觸。凹陷北部地區的房身泡組沉積期，玄武巖噴溢形成了局部的古隆起，使得沙四段沉積期凹陷北部水體與南部水體存在流通不暢的情形，隨著水體的逐漸加深，這種古隆起的遮擋作用有所減弱，在物源和氣候的共同影響下，研究區的沉積環境總體上較為封閉，發育大套富有機質的半深湖—深湖細粒沉積。近年來，西部凹陷雷家地區沙四上亞段的油氣勘探取得了重要進展，在該套湖相細粒沉積巖中探明的油氣地質儲量高達數千萬噸，且其平面分布面積超過20 km2，勘探潛力較大。

圖1 遼河坳陷西部凹陷位置及斷裂系統劃分Fig.1 Location and fault system of the Western Sag，Liaohe Depression

2 沉積特征

遼河坳陷西部凹陷古近系沙四上亞段的細粒沉積巖發育較多的與古地震相關的沉積構造，根據發育特征將其分為軟沉積物變形和脆性變形，并在此基礎上細分為9種亞類，其中軟沉積物變形構造包括液化脈體、液化角礫、液化卷曲變形、丘槽構造、環形層和球枕構造等6種；脆性變形構造包括同沉積斷層、脈狀構造和地裂縫等3種。

2.1 軟沉積物變形構造

軟沉積物變形是沉積物從堆積到固結成巖前，在地震作用下發生泄水、液化、壓實、滑塌和滑移等作用，所發生的形變僅局限于層內的微層理變化［27］。西部凹陷古近系沙四上亞段的軟沉積物變形主要包括以下6種類型：

（1）液化脈體。液化脈體是震積巖的典型識別標志之一［28］。液化脈體在研究區沙四上亞段十分普遍，主要包含2種類型：一種為砂水混層，其中含砂量較多，液化作用相對較強；另一種為巖心表層侵位，其液化作用較弱。脈體長軸方向傾斜或水平，包括腸狀、輻射狀、飄帶狀、蘑菇云狀和蝌蚪狀等形態。巖心中可見灰色液化脈［圖2（a）—（b）］，自上而下呈液化流動狀，脈體寬約0.5～3.0 cm，尾端逐漸尖滅，圍巖紋層隨液化流動呈牽引彎曲狀，屬因液化作用而混層流動貫穿巖心侵位；也可見液化泥巖脈體自下而上侵位［圖 2（c）—（d）］，液化程度較弱。地震發生后的瞬時振動使未固結沉積物的結構強度降低，可造成孔隙壓力增大，從而使得沉積物發生液化，進而向相鄰軟沉積層侵位逃逸形成脈體。隨著液化脈體流動能量逐漸減弱，脈體呈現彎曲等不規則形狀，尾端甚至出現尖滅，自此完成液化侵位過程。

圖2 西部凹陷沙四上亞段巖心中的液化脈體Fig.2 Core characteristics of liquefied veins of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

（2）液化角礫。研究區液化角礫多呈橢球狀，角礫直徑大小不一，角礫長軸傾向基本一致［圖3（a）—（b）］。液化角礫的形成得益于深綠色泥巖脈向不同方向穿刺或侵位，使灰色粉砂巖、灰白色泥質碳酸鹽巖被分割，呈現出角礫形態，相鄰的多個角礫可拼接，同時液化泥巖脈呈不規則網狀連接。液化層的液化流動侵位形成了液化角礫，因地震作用形成的液化層穿刺了孔隙壓力較小的圍巖，形成網狀結構從而分割圍巖。層內角礫具有可拼接性，表明液化角礫的位移不大，屬于原地沉積或近原地沉積，明顯區別于受后期構造剪切作用形成的角礫巖［8］。

（3）液化卷曲變形。研究區灰褐色泥頁巖的紋層沿水平方向具有液化卷曲變形特征［圖3（e）—（f）］。液化卷曲的紋層覆蓋于未變形紋層之上，偶見規模較小的微褶皺伴生。液化卷曲變形在形態上表現為水平方向發育緊閉褶皺和斜臥褶皺，局部可能存在相互錯斷現象，與液化卷曲變形的微層理構造接觸的圍巖呈輕微牽引彎曲狀，褶皺波幅約為3～10 mm，變形層的厚度約為2～12 mm。液化卷曲變形構造相當于喬秀夫等［5］提出的震褶巖，與杜遠生等［8］提出的微褶皺紋理也具有一定的相似性，一般認為液化流動的動能與孔隙水的壓力大小共同控制了這種液化褶曲的形成［29-30］，為沉積層因地震振動或垮塌造成巖石孔隙壓力的升高所致。研究區的上述卷曲變形與圍巖分界明顯，表明液化卷曲是軟沉積物在地震振動形成的局部剪切力作用下發生液化變形流動而成，這種變形又叫層內褶曲，該褶曲定向性差，褶皺皺面無統一的力學方向特征。

（4）丘槽構造。研究區丘槽構造發育于灰色泥頁巖中［圖4（a）］，類似于微型向斜和背斜形態，且交替分布，紋層變形較為復雜，彎曲程度自下而上逐漸增大，丘內變形強度具有“下部較弱、翼部發育微型丘、槽內彎曲寬緩”的特征。丘槽構造在水平方向上，紋層不規則，褶皺波幅大小不一；在垂向上，丘內變形強度向下減弱，局部殘留有泄水通道。褶皺波幅約為2～4 cm，波長多大于4 cm，其中，部分紋層之上被黏土遮蓋。丘槽構造是地震驅動的典型軟沉積物變形構造［31］，它夾持于未變形層理之間，變形強度在垂向上表現為向上逐漸衰竭，橫向兩側具有較好的對稱性，這可能是受地震橫波影響，經剪切產生滑脫而形成。與丘槽構造伴生的脈體可能與地應力作用下的側向剪切作用有關，在地應力的持續剪切作用下，丘槽構造常發生破裂，其產生的裂縫常被后期方解石充填而形成方解石脈。

（5）環形層。環形層為多層薄巖層因卷曲變形而連接成環狀或似圓狀。研究區環形層主要發育于泥質碳酸鹽巖中，呈彎曲狀的層間方解石脈與環形層具有相似的彎曲度［圖4（c）］，高度可達5 cm左右，寬度4～6 cm。在環形層圈層內發育灰黑色和灰黃色的薄層泥巖，與環形層呈互層卷曲狀，且具有較好的油氣顯示。Rodriguez-Pascua等［32］研究西班牙Prebetic震積巖后指出，環形層是沉積物受地震作用而形成，袁靜等［33］通過研究濟陽坳陷古近系沉積物中的環形層，認為其形成也與地震活動有關。西部凹陷古近系沙四上亞段的環形層多同斷層和液化卷曲大量共生，可推斷其與地震作用有關，為弱地震誘發的張應力所致［34］。

圖3 西部凹陷沙四上亞段巖心中的液化角礫和液化卷曲構造Fig.3 Core characteristics of liquefied breccia and liquefied crinkled deformation structures of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

圖4 西部凹陷沙四上亞段巖心中的丘槽構造、環形層和球枕構造Fig.4 Core characteristics of mounds and troughs，annular bedding and ball-and-pillow structure of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

（6）球枕構造。研究區球枕構造尺寸從毫米級到幾厘米均有分布，外形似扁平球狀，長軸最大約為2 cm，短軸約為1 cm。可彼此連接，也可呈孤立狀［圖4（e）］。球狀和枕狀紋層也存在差異，呈平直或復雜的小褶曲狀。球枕構造常出現在靠近砂巖底部的泥巖中，表現為被泥質圍巖包圍的砂質橢球體，偶見這類球枕構造發育于粉砂巖層段中。球枕構造是密集的砂質負載體連續墜落于泥巖層中而形成的密集球枕塊體，為液化與重力作用下的一種巖層轉換形式［29］。沉積物會因液化而失穩，從而發生沉陷，因此，球枕構造常常伴生液化現象，其形態各異，球枕塊體在下沉過程中因受到下伏泥質層的頂托阻力，其水平方向（現今為順層方向）往往為相對較長的長軸，其中一側發育微型液化脈。

2.2 脆性破裂構造

已固結或半固結的巖石在張性、壓性或剪切作用下易發生破裂，從而在巖層中產生脆性破裂構造。西部凹陷古近系沙四上亞段的脆性破裂構造主要包括以下3種類型：

（1）同沉積斷層。研究區同沉積斷層一般發育于泥頁巖中，為一組或一系列平行排列的正斷層，多個斷層組合可形成地塹和地壘的構造形式［圖5（a）］，斷面傾角較大，斷距較小，斷層兩側可見較強的液化流動現象，且下盤地層厚度大于上盤地層厚度。同沉積斷層又稱“粒序斷層”或“階梯狀斷層”，這種斷層往往發生于地震振動和液化作用之后，沉積物受到差異壓實作用而發生沉積顆粒重排，很多前積層面易演變為斷層面，同時因部分巖層受力不均，故產生地塹和地壘的組合形式。該類斷層已成為震積巖的重要識別標志［35］。

（2）脈狀構造。研究區脈狀構造是一組平行排列的纖細脈體，呈“S”形、“X”形、雙“S”交叉形，分布于深褐色泥巖中，單個脈體常與相鄰脈體組合形成“X”形共軛剪切狀，長短不一，剖面寬度約為2 mm［圖5（c）］。偶見被層間縫橫向切割的縱向脈狀聚集體，寬約數厘米。脈狀構造的上覆地層發育液化現象，其中夾雜著泥巖撕裂屑，散亂分布，這種液化作用終止于脈狀層；脈狀構造的下伏地層中可見微斷層。Brothers等［36］認為脈狀構造多由地震作用形成，并且實驗模擬結果已證實，地震波能夠在地層中傳遞能量并產生這種脈體。當然符合“里德爾”破裂準則的脈狀構造也可能由重力流和泥石流發生時產生的震動波形成，但西部凹陷古近系沙四上亞段中未發現重力流作用證據。因此，可以推斷研究區的脈狀構造為地震成因。

圖5 西部凹陷沙四上亞段同沉積斷層、脈狀構造、地裂縫的巖心特征Fig.5 Core characteristics of syn-sedimentary fault，vein structure and ground fissure of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

（3）地裂縫。研究區地裂縫形態表現為上部開口較大，向下逐漸變小并尖滅，似“V”字形［圖5（e）］。裂縫兩邊的巖層無明顯的錯動或位移，部分裂縫內充填有機質或黏土等物質，部分裂縫還殘留了油氣運移的痕跡。地裂縫是地震時沉積物受張應力和液化作用共同形成的，地裂縫“V”字形的開口方向指向頂面，即當時的古地面［5］，也是震積巖的識別標志之一［37-38］，反映了在一次完整的地震活動期內，沉積物因受地震波的影響而沿著脆性破裂面而撕裂，其后沉積的物質因液化流動而充填其內。

3 古震級恢復

地震作用形成的一系列沉積構造可以反映古地震強度。劉磊等［38］做過關于地震強度與沉積構造關系的研究，認為沉積物液化變形所需的地震震級Ms≥5，而當Ms≥8時巖層會發生脆性變形。筆者認為這只是局部個案和供參考的地區性研究成果，具體的地震震級的確定還需要考慮震源深度與震中距、構造背景、沉積環境等因素的影響。也有研究成果表明［34-35］，液化脈、球枕構造等現象可以分別對應不同的震級范圍，西部凹陷沙四上亞段震積巖中所發現的典型沉積構造亦可反映地震震級，例如地震震級大于5級可引起軟沉積物液化，形成液化脈；與液化角礫相關液化作用的地震震級約為7.5級左右。研究區詳細的沉積構造與最小地震震級之間的對應關系見表1。總體上看，研究區震積巖所反映的古地震最大震級約為5～8級，表明研究區沙四上亞段沉積時期曾發生過強烈地震。

表1 西部凹陷沙四上亞段沉積構造的變形機制及其可能的最小震級強度（據文獻［38-39］修改）Table 1 Deformation mechanism and minimum magnitude of earthquakes related to sedimentary structures of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

4 震積組合序列

地震作用可引起沉積物滑塌、褶皺、破碎和滾動等，其形成的沉積物組合在垂向上具有一定的序列和規律［26］。平面上距離震源中心的距離不同，沉積物組合序列也存在差異。較大規模的地震活動多由幕式地震期（前震）、地震強烈期（主震）和地震衰退期（余震）等3個階段組成，各階段可形成不同類型和特征的沉積變形構造。結合遼河坳陷西部凹陷沙四上亞段的構造背景和震積巖發育特征，建立了斷陷湖盆細粒沉積巖在地震作用下的垂向序列（圖6），可自下而上分為6段：

（1）A底部未震層段，基本不發育震積構造，屬于地震波觸及范圍之外的正常沉積，沉積物原始層理保存較好。

（2）B液化流動層段，形成于地震振動開始階段，液化現象明顯，多發育液化脈體、液化卷曲等，其中液化脈體形態多樣，液化卷曲無定向性，為地震強度較小時期形成，當軟沉積物受局部剪切力作用時，原本較為穩定的孔隙水壓力逐漸上升，演變為超壓狀態，軟沉積物開始發生液化和流動。

（3）C同沉積斷層段，該段正斷層發育，裂縫中充填的泥巖發育液化現象；同時地層中發育地裂縫，縫內充填有機質或黏土等物質。隨著地震強度的進一步增強，已固結的沉積物會發生破碎作用。

（4）D球枕構造和脈狀構造層段，隨著地震振動的持續，地震波造成的強剪切應力會造成已固結沉積物的形變，粉砂質沉積物在強烈的地震活動下滑塌下陷，已固結沉積物發生斷裂、破碎，甚至局部形成地震剪節理、脈狀構造等。

（5）E液化流動層段，形成于地震減弱期，為沉積物在經過強烈地震期之后對產狀和結構的自我調整。

（6）F頂部未震段，為地震活動結束后的正常沉積，不發育震積構造。上述6段中，B—C段為震積組合序列的主體，可重復出現，D段主要發育在研究區坨16井的灰黑色泥巖中，其余的層段在多口取心井中均可發現，震積組合序列中每段沉積厚度一般不超過1 m。

圖6 西部凹陷沙四上亞段震積組合序列Fig.6 Vertical sequence features of seismites of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

5 油氣地質意義

近年來，我國多個含油氣盆地的相關層位中均發現了震積巖，地震活動對油氣儲層的改造越來越受到學者們的關注，主要表現為對油氣運移的影響和對儲集性的改造等2個方面。

5.1 地震活動對油氣運移的影響

遼河坳陷西部凹陷沙四上亞段發育良好的烴源巖，主要巖性為含灰泥巖和暗色泥巖，TOC平均質量分數為4.13%，為西部凹陷主要的生烴層段。通過巖心觀察可以發現，地震作用形成的裂縫中可見油跡和瀝青［圖7（a）］，表明震積巖發育層段的微裂縫或斷層為油氣運移的良好通道［圖7（b）］。地震作用形成的微裂縫、階梯狀斷層、液化通道以及區域性深大斷裂共同形成了研究區良好的油氣輸導體系。此外，地震引發的巨大能量可以成為烴源巖排烴的驅動力之一，為含油氣盆地油氣快速排烴、聚集和成藏作出貢獻。

5.2 地震活動對儲集性的改造

地裂縫和液化通道能夠連通孔隙，從而提高儲層的滲透性。西部凹陷的雷36井和雷57井的沙四上亞段巖心中均發現震積巖，且發育含油裂縫［圖7（c）］，部分巖心裂縫中發育大量瀝青［圖7（d）］。儲層經地震作用改造后非均質性較強，部分液化脈體侵位刺穿了圍巖，如常見碳酸鹽巖脈體侵入滲透性較差的泥頁巖中［圖7（c）］，增大了泥頁巖的有效孔隙度和滲透率。微裂縫可為后期酸性流體的運移提供通道［40］，從而形成溶蝕孔，增大了儲層的孔隙度，裂縫周緣的溶蝕作用往往強于其他區域。微裂縫的發育也可作為油氣運移的通道，增大了儲層的滲透率。

圖7 西部凹陷沙四上亞段地震活動對油氣運移和儲集的影響Fig.7 Core and thin section showing the impacts of seismic activity on hydrocarbon migration and storage of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

6 結論

（1）首次在遼河坳陷西部凹陷沙四上亞段識別出震積巖，相關的沉積構造可分為軟沉積物變形構造和脆性變形構造共2類，其中軟沉積物變形構造包括液化脈體、液化角礫、液化卷曲變形、丘槽構造、環形層和球枕構造等6種，脆性變形構造包括同沉積斷層、脈狀構造和地裂縫等3種。

（2）建立了遼河坳陷西部凹陷沙四上亞段震積巖的垂向組合序列，自下而上包括底部未震段、液化流動層段、同沉積斷層段、球枕構造和脈狀構造層段、液化流動層段、頂部未震層段。推測研究區的最大震級約為5～8級。地震活動產生的微裂縫和斷層為良好的油氣運移通道，也為酸性溶蝕流體的運移通道，可有效改善致密儲層的滲透性。

致謝：中海油研究總院開發院的王夏斌博士、中國石化河南油田分公司的李俊杰工程師、路易斯安娜州立大學的吳明昊博士和長江大學劉圣乾博士在巖心觀察和描述中提供了大量幫助，在此表示感謝！