濟陽坳陷惠民凹陷沙三段地震事件沉積特征及地質意義

劉建寧，何幼斌，王 寧，顧志翔，郝 烴，劉亞偉

（1.長江大學地球科學學院，武漢 430100；2.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，武漢 430100；3.中聯煤層氣有限責任公司研究院，北京 100000；4.渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司，河北滄州 062550）

0 引言

沉積地層中地震事件記錄的研究始于20 世紀60 年代末，Seilacher［1］于1969 年提出，美國加州地區中新世頁巖層中一些特殊沉積構造是同時期的地震事件造成的，并首次用“seismites”來表示這些巖層；此后地質學家們開始關注古地震事件對沉積物的影響。20 世紀80 年代，“Marine Geology”期刊出版了一期關于“地震與沉積作用”的專輯，首次對地震事件沉積作用進行了系統的總結［2-3］。同時期國內地質學者也開始關注地震沉積事件研究，龔一鳴［4］將“seismites”引入國內并翻譯為“震積巖”，此后，關于地震事件沉積的研究得到了迅速發展。20世紀90 年代國內外地質學者［5-9］將研究的重點集中于不同沉積背景下地震變形巖層的特征和組合規律上，這些成果的發布為以后地震事件研究奠定了理論基礎。21 世紀以來，地震事件研究進入多元化發展階段，具代表性的成果包括：根據地震變形巖層的特征研究斷裂活動［10-11］；根據地震觸發的軟沉積物變形特征分析構造演化過程中沉積環境的變化［12］；以地震事件沉積變形層和古生物遺跡化石為依據研究古地震事件對于古生物活動的影響［13］；喜馬拉雅地區現代地震對于現代沉積物影響的研究為古地震事件研究提供了一個“將今論古”的范例［14-15］；可利用巖心資料、地層數據、成藏類型等分析含油氣盆地中地震事件對油氣成藏的意義［16-21］。

惠民凹陷位于濟陽坳陷的西部，是濟陽坳陷的一個次級構造單元。沙三段沉積時期惠民凹陷斷層活動強烈，且多為同沉積斷裂［22］，斷層對于區域內沉積演化和油氣成藏都有較強的控制作用［23-24］，斷層活動的同時往往伴生強烈的地震活動。因此，古地震事件對沉積演化和油氣藏的影響是不容忽視的。關于研究區震積巖特征已有文獻報道［25-28］，其研究重點主要是地震作用下的軟沉積物變形特征和震積構造組合特征。本文在上述研究基礎上，著眼于研究區構造運動背景，探討沙三段沉積期的地震事件對沉積演化和油氣成藏過程的控制作用，以期為惠民凹陷震積巖油氣勘探提供借鑒。

1 區域地質概況

圖1 濟陽坳陷惠民凹陷位置與斷裂發育簡圖Fig.1 Location and fracture development of Huimin Sag in Jiyang Depression

濟陽坳陷惠民凹陷為華北地臺上的中、新生代斷陷盆地。南部以齊河廣饒斷裂為邊界，與魯西隆起相接，北部以基山—鄭店斷裂為邊界，與埕寧隆起相接（圖1），東部是東營凹陷，西部為萃縣凹陷。惠民凹陷由7 個構造單元組成，包括臨南、滋鎮、陽信、廟北和里則鎮等5 個次洼，以及中央隆起帶和南斜坡帶，東西長約130 km，南北寬為35～70 km，面積約7 000 km2。凹陷內共發育北東向、棋盤格式和軸狀3 種斷裂體系，其應力場在某些區域發生了疊合，從而形成了現今復雜的構造形態。

2 震積巖構造特征

震積巖是指發育由地震引起的軟沉積物變形構造的巖層［29］。Shanmugam［30］曾發表一篇名為“The seismite problem”的論文，引發了國內外地質學者對“地震引起軟沉積物變形巖層”命名的討論。一種觀點認為，應該用“地震巖”代替“震積巖”，因為二者代表的地質意義存在差異，地震巖包含震積巖，其定義的范圍更大［31-33］；另外一種觀點認為，用“震積巖”來表示這些巖層已經沿用多年，已為廣大地質學者們所接受，且地震巖容易引起歧義，例如地震影響下的火成巖和變質巖也屬于地震巖，而震積巖的概念更精煉，不應該修改［34-36］。本文繼續使用“震積巖”一詞，以“真正由地震引發的同沉積變形構造巖層”作為震積巖的定義。

巖心觀察顯示，惠民凹陷沙三段地層中軟沉積物變形特征明顯，變形構造十分發育，與正常沉積構造特征差異較大，綜合分析認為古地震事件是研究區軟沉積變形的觸發因素，主要有以下3 個方面的證據：①惠民凹陷沙三段沉積時期斷裂活動強烈，頻繁的構造運動造成該沉積時期古地震事件頻發［22］；②地層中軟沉積物變形構造發育，組合特征豐富多樣，除了古地震事件以外，沒有任何一種觸發因素被證明能夠造成如此多種類的軟沉積物變形構造；③研究區內的軟沉積變形構造受斷裂控制，在主斷裂的附近區域因其受地震強度更大，變形特征也更加復雜。綜上所述，研究區沙三段軟沉積物變形構造為震積巖。喬秀夫等［37］將震積巖分成3類：①大尺度的硬性巖石構造，例如劈開山體、崩落石塊等；②以液化、擠壓為主的沉積物塑性變形構造；③小尺度的硬性巖層在地震作用下發生破裂，形成的脆性變形構造。因本次研究的樣品主要來自于鉆井巖心，所以大尺度的變形構造無法獲得。

2.1 脆性變形構造特征

脆性變形構造是已固結或者弱固結的巖石，在較強烈的地震作用下發生機械破碎后，原地成巖的變形構造。惠民凹陷沙三段震積巖發育的脆性變形構造主要包括階梯狀斷層、自碎角礫巖、震裂巖等。自碎屑角礫巖是一種常見的脆性破裂構造，是巖層受到地震波沖擊后發生原地破碎、再沉積而成，大部分保留破碎時的棱角，使其具有可大致拼接成一個完整塊狀的特征［圖2（a）］。震裂巖是已固結巖石在強震作用下發生破裂而形成的構造，一般形成于地震作用較強的條件下，此類構造多發育于主斷裂帶附近［圖2（b）］。階梯狀小斷層又可稱為粒序正斷層，是脆性巖層在拉張力的作用下發生斷裂的一種構造［圖2（c）］，不完全是脆性變形的結果，跟液化變形也密切相關，研究區內的階梯狀小斷層常與液化變形構造伴生。沉積物在震動液化泄水以后，體積會發生收縮，內部顆粒粒序發生變化，也可形成階梯狀小斷層。鄢繼華等［38］在模擬震積巖形成的水槽實驗中，見到未固結的沉積物中形成了階梯狀小斷層，表明該類構造與液化變形有關，并不是完全的脆性變形構造。這些變形構造的發育表明惠民凹陷在沙三段沉積時期發生了較強的地震作用。

圖2 惠民凹陷沙三段震積巖脆性變形實例（a）S67 井，2 511 m，自碎屑角礫巖和震裂巖；（b）S67 井，2 511.2 m，震裂巖；（c）S13-107 井，2 438 m，階梯狀小斷層Fig.2 An example of brittle deformation of seismites of Sha 3 member in Huimin Sag

2.2 塑性變形構造特征

惠民凹陷沙三段的塑性變形構造十分發育，其形成機理是地震作用下未固結的沉積物發生液化作用，并發生相互擠壓、穿插流動等。該類構造主要包括液化砂巖脈、揉皺層理、枕狀層、火焰狀構造等。液化巖脈的形態多樣，既有液化的砂巖刺穿泥質圍巖而形成的液化砂巖脈，也有液化的泥巖刺穿砂質圍巖而形成的液化泥巖脈。脈體寬通常為0.5～6.0 cm，長數厘米至十幾厘米，形態特征以條帶狀和腸狀較為常見［圖3（a）—（b）］。揉皺層理也稱震褶巖，是地震作用觸發下的弱固結巖層發生液化卷曲變形后再固結成巖，從而形成的一種特殊變形構造［圖3（c）—（e）］。火焰狀構造是在地震作用下，底層的泥巖在砂巖差異性的負荷力作用下發生擠壓變形，從而形成的類似火焰狀的構造［圖3（f）—（g）］。液化角礫巖是指相鄰的不同巖性層在受到地震作用時，其沉積物液化后互相穿插形成液化斑塊，具角礫狀且可大致相互拼接成一個整體的形態特征［圖3（d）］。

圖3 惠民凹陷沙三段震積巖液化塑性變形實例（a）液化砂巖脈，S13-351 井，2 492 m；（b）液化砂巖脈，S13-351 井，2 540 m；（c）揉皺層理，S13-351 井，2 581 m；（d）液化角礫巖，S13-107 井，2 437 m；（e）揉皺層理，S13-351 井，2 486 m；（f）火焰狀構造，S13-107 井，2 436.8 m；（g）火焰狀構造，S67 井，2 509 m；（h）液化角礫巖，S13-107 井，2 437 m，與（d）為同一視域Fig.3 Examples of liquefaction extrusion deformation of seismites of Sha 3 member in Huimin Sag

2.3 震濁積巖

地震不僅能觸發軟沉積物變形構造，還可以對各種流體造成影響。巖心觀察結果顯示，震積巖上覆的巖層中存在濁流沉積層。研究區S13-351 井［圖4（a）］和S67 井［圖4（b）］均發育震積巖序列，與地震擾動層共生的震濁積巖構成研究區內濁積砂體的主體。

圖4 惠民凹陷沙三段震濁積巖實例（a）震濁積巖，S13-351 井，2 539 m；（b）震濁積巖，S67 井，2 506.5 mFig.4 Examples of seismoturbidites of Sha 3 member in Huimin Sag

3 震積巖分布特征

震積序列可反映一個區域內震積巖的發育特征。Seilacher［1］通過對美國加州地區中新統蒙特里頁巖進行研究發現，巖層中的一些變形構造為地震事件形成，并劃分出了4 個序列，分別為液化均一層、破碎層、破裂層和未震層。學者們對于惠民凹陷沙三段的震積序列做過詳細研究［26-27］，這些研究成果對現今的勘探具有重要的啟示作用。震積巖中微構造的發育受多種因素的影響，包括地震強度、沉積物的成巖狀態、沉積時的地形坡度、埋藏深度和巖性組合特征等。斷裂帶附近因地震強度較大，沉積物受到的影響較強烈，不同震級形成不同類型的變形構造［39］。沉積物所處的地形位置和成巖狀態也是影響沉積物地震響應的重要因素，其中地形位置決定了沉積物受震時所處的坡度和水體環境，當地震發生時，不同坡度產生的勢能差異可形成不同的變形特征。

3.1 單井垂向特征

同一期次的地震作用對沉積盆地中各區塊形成的震積構造可能存在巨大差異。通過對惠民凹陷沙三段3 口不同位置井的巖心資料進行分析，可以發現垂向上均具有連續的沉積序列，但由于3 口井的位置不同，其垂向序列差別較大（圖5）。

圖5 惠民凹陷沙三段不同構造位置的單井震積序列Fig.5 Single well seismices sequence at different structural locations of Sha 3 member in Huimin Sag

S13-107 井位于中央隆起帶，緊鄰二級斷裂臨商斷層，受震強度較大，震積巖組合類型多樣。單井上可以分成4 個震積構造序列：底部序列D3是固結程度較好的沉積層，在強震作用下形成脆性拉張的階梯狀小斷層；序列C3是液化角礫巖，半固結的沉積物被震碎后在一定的液化作用下形成角礫巖；序列B3是階梯狀斷層，與鄢繼華等［34］水槽模擬實驗中所得到的震積巖類似。震積巖中階梯狀斷層可以根據其成因分成2 類：一類為固結程度較好的巖層在強震作用下形成的脆性拉張斷裂，也可稱之為脆性階梯狀小斷層，即序列D3，而序列B3和水槽實驗中的未固結沉積物經液化拉伸而形成的錯斷為液化階梯狀小斷層；序列A3是地震液化擠壓形成的液化巖脈。

S67 井位于中央隆起帶的邊緣位置，附近發育一個三級斷裂，震積序列比S13-107 井簡單，可分為4 個序列：A2和B2分別是液化巖脈和火焰狀構造，二者也可劃歸為同一序列，為液化變形構造層；C2為固結程度較高的巖層在強震作用下形成的自碎角礫巖，是一種脆性變形構造；D2是震裂層，為強震作用下形成的破碎構造。S67 井緊鄰的震積構造頂端發育濁流沉積，為震濁積巖，其形成受控于其所處的中央隆起帶邊緣位置，具有一定的坡度，地震激發下形成了重力流。

S13-351 井緊鄰四級斷裂，震積巖組合相對簡單，垂向上可劃分為3 個序列：序列C1為塌陷構造，震碎塊體沉降于下伏液化砂體中而成；序列B1是弱固結巖體受地震擠壓而形成的震皺和塌陷構造，這個塌陷構造與C1的區別是巖層的固結程度較低，帶有一定塑性特征；序列A1是液化揉皺層和液化巖脈變形層。S13-351 井處于中央隆起帶邊緣，頂部發育地震觸發形成的震濁積巖層。

3.2 地震事件沉積模式

通過對不同構造位置的震積巖特征進行分析，結合研究區的沉積相帶劃分［40-41］，建立了研究區地震事件沉積模式（圖6），可以更清晰地看出震積巖的發育與構造位置的對應關系，對研究地震事件沉積的地質意義和油氣勘探意義具有指導作用。依據古地理位置以及與震源距離，惠民凹陷沙三段的震積巖主要發育于以下4 個區域（圖6）：①近震源平緩區，無明顯坡度且距離震源比較近，沉積物垂向上具有“下部發育已固結巖層的脆性破裂構造、中部發育液化扭曲形成的塑性變形構造、頂部未固結沉積物發育均一液化構造”的變化特征。②主震區，緊鄰斷裂帶區域，發育各種破碎構造，具有“破碎深度大、范圍廣、破碎嚴重、類型豐富”等特征。③近震源坡度區，地形上具有一定的坡度，底部固結巖石發育一定的脆性變形構造，中部的液化構造以拉伸和滑塌構造為主，頂部未固結沉積物易發生遷移。④遠震源平緩區，距離震源較遠且坡度平滑，受震強度弱，地震作用對深層且已固結沉積物產生的影響有限，但對表層未固結沉積物會產生均一液化壓實作用。遠震源平緩區多分布于半深湖—深湖。

圖6 惠民凹陷沙三段地震事件沉積模式（a）近震源平緩區；（b）主震區；（c）近震源坡度區；（d）遠震源平緩區；（e）滑塌砂體；（f）濁流砂體Fig.6 Sedimentary pattern of earthquake events of Sha 3 member in Huimin Sag

4 古地震事件的地質意義

古地震事件通常是由現今巖層中的變形構造來推斷，但地震事件對沉積過程的影響并不僅局限于觸發同沉積變形構造，而且會對整個沉積過程產生影響。在含油氣盆地的演化進程中，構造運動扮演著重要角色，其形成的構造油氣藏是現今油氣勘探的重要內容，構造油氣藏的形成離不開構造運動，而地震事件往往與構造運動相伴生，因此，地震事件對于油氣成藏具有重要影響和控制作用。

4.1 對構造活動的指示作用

惠民凹陷沙三段沉積時期，斷裂活動十分強烈，不僅控制凹陷內的沉積演化，而且控制大多數圈閉的形成與演化。因此，準確分析該時期斷層的活動時間和強度對于油氣勘探具有重要意義。與斷裂活動伴生的地震事件可作為斷裂活動研究的依據之一。以研究區臨商斷層為例［22，42］，沙三段沉積時期，該斷裂活動強度達到了頂峰（圖7），S13-107井緊鄰臨商斷層，其沙三段巖心中發育豐富的震積構造，與臨商斷層的活動期相吻合，可以作為斷層活動時間分析的重要依據，且斷層活動越強烈，其伴隨的地震級別越高，不同地震強度形成的震積構造組合存在差異。根據Rodrguez-Pascua 等［39］建立的震積巖地震震級判別圖序，結合S13-107 井巖心中的脆性破裂階梯狀斷層可以判斷其震級約為8級或以上，這一結論可為斷層活動速率和生長指數等參數的計算提供旁證。

圖7 惠民凹陷臨商斷層各時期活動速率直方圖［42］Mz.中生界；Ek.孔店組沉積期；Es4.沙四段沉積期；Es3.沙三段沉積期；Es2.沙二段沉積期；Es1.沙一段沉積期；Ed.東營組沉積期；Ng.館陶組沉積期；Ls1，Ls2，Ls3 和Ls4 分別為臨商斷裂4 個觀測位置Fig.7 Histogram of activity rate of Linshang fault in different periods in Huimin Sag

4.2 對沉積的影響

地震作用不僅可以觸發一些同沉積變形構造，而且還可以激發盆地內未固結或半固結沉積物的再遷移。地震事件對惠民凹陷沙三段沉積物的再遷移作用主要體現在以下2 個方面：①地震事件可激發位于一定坡度上的沉積物，使之滑塌再沉積。惠民凹陷沙三段沉積時期，湖盆水體范圍廣，湖水深，在臨邑大斷層劇烈活動的影響下，臨南洼陷快速沉降，使得惠民凹陷的沉積、沉降中心向南轉移［41］，期間發生的地震事件造成了三角洲前緣不穩定的朵葉體斷開，將其部分推向半深湖—深湖區，穿插于泥巖中形成透鏡狀砂體，為良好的油氣藏儲集體。②研究區的快速沉降背景形成的坡度為砂體的再遷移提供了勢能，期間發生的地震事件為之提供了觸發動力源，遷移后的砂體在重力作用下可再次形成重力流沉積體。研究區典型粒度概率曲線分析結果顯示［41］，粒度分布區間寬，顆粒粗細混雜，形態上呈“上拱弧形”，反映了重力流沉積分選較差的特征（圖8）。巖心觀察結果顯示，震積巖序列頂部發育重力流沉積，重力流特征與震積構造相伴。

圖8 惠民凹陷S13-107 井沙三段粒度概率曲線（據文獻［41］）Fig.8 Particle size probability curve of Sha 3 member of well S13-107 in Huimin Sag

4.3 油氣勘探意義

儲層非均質性是指表征儲層的參數在空間上的不均勻性，影響儲層非均質性的因素主要包括構造作用、沉積作用和成巖作用等［43］。通過對惠民凹陷沙三段儲層非均質性研究可以得出，地震事件是重要影響因素之一，震動造成了已堆積沉積物顆粒重排，使一些雜亂堆積的沉積物變得相對有序，降低了儲層的非均質性。現今地層中各個小層非均質性均較弱，級差均小于10，大多小于5［41］，推測這與研究區沙三段沉積期的地震活動頻繁有關，地震活動對沉積物的堆積產生了一定程度的影響，造成沉積物粒序更加規律，粒度趨于均質化，降低了儲層的非均質性。

地震作用產生的斷層可為研究區的油氣運移提供通道。通常油氣運移主要包括以下3 種方式：垂向上沿著斷層運移、沿相對高孔滲砂體橫運移以及二者相結合的復合運移方式［42］，其中斷層對于油氣運移起決定性的作用，而地震作用是斷層活動重要的觸發源，離斷裂帶越近的巖層受到的震動越強烈，變形構造越發育。惠民凹陷沙三段油氣成藏模式［42］顯示，震積巖的發育與斷層帶位置較為吻合，深大斷裂帶是油氣垂向運移的主要通道，脆性震積巖為油氣運移運移的輔助通道（圖9）。

圖9 惠民凹陷沙三段地震事件影響油氣成藏模式示意圖Fig.9 Schematic diagram of the impact of earthquake events on hydrocarbon accumulation in Sha 3 member in Huimin Sag

地震作用是重力流沉積的重要動力源之一，可激發三角洲前緣不穩定砂體向半深湖—深湖區滑塌和運移，形成透鏡狀砂體，震碎角礫巖是相對優質的儲集體，為油氣運移成藏的有利場所。未固結的沉積物受到地震作用影響時會發生壓實均一化，均一液化層在震積巖垂向序列上位于破碎帶之上，可作為良好的蓋層。

惠民凹陷沙三段油氣藏的分布與斷層的分布密切相關，斷裂帶附近地震強度最大，對沉積物的影響最明顯，震積構造最發育。地震作用還可產生大量裂隙，而裂隙的發育為油井高產的重保障［44］。除此之外，地震事件使地層應力集中釋放，地震發生后地層的壓力、水動力條件均會發生改變，對油氣成藏具有重要影響。

5 結論

（1）惠民凹陷沙三段沉積時期，構造活動強烈，地震頻繁，在地層中留下了豐富的軟沉積物變形構造，主要包括震裂、自碎角礫、階梯狀小斷層、液化巖脈、液化卷曲、液化角礫以及震濁積巖。

（2）惠民凹陷沙三段沉積時期震積巖的分布主要受地震強度、坡度、地震時沉積物成巖狀態等因素控制。整體上，距離斷裂帶越近的區域，震積構造越復雜，震積巖分布厚度越大。

（3）地震事件的研究為斷層活動分析提供了重要旁證，不同強度的地震形成的震積構造存在差異，據此可推斷出斷層的活動期次和強度。地震作用是重力流沉積的重要激發動力源，對于沉積物的二次遷移具有重要影響。地震事件形成的斷裂系統為油氣運移通道，斷裂帶附近發育的震積構造為油氣運移的輔助通道，震碎角礫巖為良好的儲集層，液化均一層為優質蓋層。