斜坡背景下沉積物變形構造時空展布規律
——以鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組為例

何維領，羅順社，李昱東，吳 悠，呂奇奇，席明利

（1.長江大學地球科學學院，武漢 430100；2.非常規油氣湖北省協同創新中心（長江大學），武漢 430100；3.中國石油玉門油田分公司勘探開發研究院，甘肅酒泉 735000；4.中國石油長慶油田分公司油田開發事業部，西安 745000）

0 引言

沉積物變形構造（Soft-sediment deformation structures，簡稱SSDS），又稱軟巖石變形構造、早期成巖變形構造、成巖前變形構造、準同生變形構造、同生變形構造、同沉積物變形構造及扭曲變形層理等［1-3］，是指沉積物在沉積之后，壓實過程中或固結成巖之前處于富含水或疏松沉積物階段，由于受到一定觸動因素（地震、火山、海嘯、風暴、重力滑坡等）的影響［4］，發生滑移、滑塌、液化［5］、卷曲或差異壓實等導致塑性變形而形成一系列發育在鄰近地層層面的常見沉積構造［6-8］。

沉積物變形構造的形態特征、形成機理及觸動因素等一直以來都是地學領域廣泛討論的熱點難題之一，受到國內外學者的廣泛重視［9-10］。據文獻［8］報道，19 世紀中葉，Logan 于1863 年勾繪了加拿大東北部魁北克省加斯佩半島泥盆紀灰巖中的滑塌褶皺變形。隨著沉積學理論的不斷豐富，20 世紀60 年代以后，關于沉積物變形構造的相關研究逐漸具體和豐富起來。Seilacher［11］在1969 年研究美國加州地區中新世斷裂發育的蒙特里頁巖時，首先提出了震積巖（Seismites）的概念，用以解釋和歸納沉積物變形構造的特征。Owen 等［7］在2011 年編輯出版了“沉積物變形觸發因素的識別：現今認識與未來方向”專輯，以專題的形式從變形形態、形成年代、沉積環境和構造背景等方面廣泛討論了沉積物變形構造的最新進展，將沉積物變形構造研究推向了一個階段性高潮。

我國陸相湖盆中發育有類型多樣的沉積物變形構造，一般認為地震是這些沉積變形的主要成因之一。其中，據文獻［12］報道，宋天銳對北京十三陵地區前寒武系地震-海嘯序列的研究拉開了國內對震積巖研究的序幕，帶動了沉積物變形構造的研究。趙青峰等［13］和劉建寧等［14］對渤海灣盆地沙河街組中廣泛發育的與地震相關的沉積物變形構造進行了研究，而關于鄂爾多斯盆地延長組的最早報道源于夏青松等［15-16］在塔17 井巖心中發現的軟沉積變形層，并根據其垂向形態組合特征初步判定其為震積巖；隨后，眾多學者［3，17-21］以巖心和野外露頭資料為基礎，發現在延長組長9 油層組至長1 油層組均發育不同類型的沉積物變形構造，其中以長7油層組最為集中［22-23］。

以上新認識、新進展極大地促進和豐富了鄂爾多斯盆地延長組沉積物變形構造的研究成果，但對于時空展布特征及分布規律研究偏少。在此基礎之上，本文通過對鄂爾多斯盆地西南部鎮原地區長7 油層組沉積物變形構造的特征和時空展布進行分析，結合構造背景和沉積環境，詳細討論在斜坡背景下沉積物變形構造的演化規律和分布模式，以期揭示沉積物變形構造的觸發因素和形成機制等理論認識。

1 地質背景

在晚三疊世延長組沉積期，鄂爾多斯盆地底形整體呈南陡北緩、西陡東緩的不對稱型箕狀形態［19］，西南部為碰撞造山帶之間的前陸盆地構造背景［24］，尤其是鎮原、環縣一帶，同生構造活動非常頻繁，使基底地形產生分異，引起不均衡的強烈下陷，導致湖盆中心向西南遷移。在長7 油層組沉積期，基底下陷速率明顯增大，使得盆地局部的不平穩性增強，西南部湖盆底形斜坡相對于東北部湖盆底形斜坡顯著變陡，形成較大規模的坡折帶［25］。

在構造控制下，延長組沉積期形成一個完整的水進（長10—長7）、水退（長6—長1）沉積旋回［26］，發育大面積半深湖—深湖沉積。特別是長7 油層組沉積期，盆地大范圍擴張，達到了鼎盛時期，半深湖—深湖區位于慶陽—環縣—定邊—志丹—富縣所包圍的地區，廣泛發育厚度達上百米的暗色湖相泥巖、頁巖等細粒沉積，后期形成了上三疊統最重要的優質烴源巖。長7 油層組沉積中后期，由于湖盆周緣物源供給的增強，三角洲沉積體不斷向湖盆方向推進［27］，其中在半深湖—深湖沉積區，重力流沉積發育為該期的典型沉積特征［28-30］。

本次研究區位于鄂爾多斯盆地西南部的鎮原地區，北起合道，南至涇川，西起平涼，東至慶陽，總面積約4 500 km2，區域構造上東西橫跨天環坳陷的南端，西接西緣逆沖帶，東臨伊陜斜坡［圖1（a）］。長7 油層組進一步劃分為長71、長72和長73等3個小層，在前陸盆地構造演化的背景之上，沉積底形整體表現為大型斜坡背景，隴西古陸提供充足的物源供給［26］，主要發育辮狀河三角洲沉積和半深湖—深湖沉積，同時發育砂質碎屑流、濁流等深水沉積［31-33］，是研究區長7 油層組最典型的優質儲集體。其中長73小層沉積期，全區大范圍被湖水浸沒，半深湖—深湖區面積最大，坡折帶發育［圖1（b）］；長72—長71小層沉積期，隨著西南部隴西古陸物源供給的增加，全區湖盆開始萎縮，半深湖—深湖區面積逐漸減小［圖1（c）—（d）］。

圖1 鄂爾多斯盆地鎮原地區位置及長7 油層組古地貌演化（據文獻［34-35］修改）Fig.1 Location of Zhenyuan area in Ordos Basin and paleogeomorphic evolution of Chang 7 oil reservoir

2 沉積物變形構造特征

在綜合分析巖心巖性特征、形態特征和形成機制的基礎上，識別出2 類7 種典型的沉積物變形構造，即沉積物側向擾動變形（滑塌變形、液化卷曲變形、泥質撕裂屑）和垂向負荷變形（液化砂巖脈、球枕構造、火焰構造與重荷模），局部可見同沉積微裂縫。

2.1 側向擾動變形

（1）滑塌變形。滑塌變形是由于受到自身重力或外力觸動作用（地震、火山、構造活動等），未固結的疏松沉積物穩態失衡，發生即時性、突發性或劇烈性的二次“集體搬運”及再沉積所表現出來的一類事件性沉積構造。通常為塊體滑動后的滑塌與液化共同作用而產生的異地液化的結果，一般分布在坡折帶構造區［31，34-35］。根據巖心觀察，滑塌變形的滑塌面傾角近45°，滑塌層以細砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖為主，沉積顆粒排列混雜，無定向性，層面斷續、且不完整，疏松沉積物和植物碎屑混攪或被瀝青充填，對變形期沉積環境具有重要的指示意義［圖2（a）—（b）］。滑塌變形分布較廣，見于Y75 井（長71）、Z170 井（長72）、Y80（長71）、Z118 井（長72）和Z349井（長72）等。

圖2 鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組典型沉積物變形構造（a）滑塌變形，糅雜植物碎屑，Y75 井，2 380.05 m；（b）滑塌變形，Z349 井，2 303.90 m；（c）液化卷曲變形，Z118 井，2 157.50 m；（d）液化卷曲變形，同沉積斷裂，Z118 井，2 157.50 m；（e）泥巖撕裂屑，Z218 井，2 164.50 m；（f）球枕構造，Z349 井，2 295.33 m；（g）液化砂巖脈，Y75 井，2 417.60 m；（h）火焰構造，Z118 井，2 156.30 m；（i）重荷模，Z118 井，2 155.58 mFig.2 Typical soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area，Ordos Basin

（2）液化卷曲變形。液化卷曲變形是可塑性沉積顆粒受到橫向剪切作用時孔隙水生成異常高壓，在發生橫向擾動或嵌入鄰近的液化層中而液化重組的同時，拖動泥質層發生變形、移動或者不規則揉皺彎曲變形而形成的一系列形態各異、定向性差的褶曲。在研究區的長7 油層組中，疏松沉積物在側應力作用下未發生大幅度變形，但具有一定的縱向延伸性，反映了該期橫向剪切作用具有穿層性波及的現象。表現為粉砂巖和粉砂質泥巖中可見清晰的泥巖條帶，液化卷曲變形層的厚度為1～10 cm，常與小斷層伴生［36］［圖2（c）—（d）］。液化卷曲變形見于Z118 井（長72）、Z249 井（長73）、Z74 井（長72）、Z349 井（長72）以及Z218 井（長71）等。

（3）泥質撕裂屑。泥質撕裂屑是描述性術語，也被稱作震碎角礫巖［36］、滑塌角礫巖［37］、泥質碎屑巖［38］等。通常是指受到滑塌作用、重力作用或其他劇烈的外力驅使，塑性泥質沉積物脫離最大黏合力的束縛，發生泥質條帶被“撕裂”而破碎的現象，形成規模不一、形態各異（棱角狀、次棱角狀、“菱角”狀及其他不規則狀）的泥礫，巖心上表現為在灰色、深灰色、綠灰色細砂巖、中—細砂巖中發育大規模的形似泥礫的不均勻游離分布現象。由于在破碎過程中發生一定程度的塑性改造變形，大部分破碎泥巖破壞強烈而難以拼接［圖2（e）］，只有局部泥礫可以歸位拼合成完整的原始泥巖體。泥質撕裂屑見于Z74 井（長72）、Z349 井（長72）、Z218 井（長71）和Z118 井（長72）等。

2.2 垂向負荷變形

（1）球枕構造。當沉積物未完全固結且密度大于下伏層沉積物時，由于密度差異、重力作用或其他外界作用力的影響，上覆相對高密度沉積物向下沉陷，直至脫落至下伏層而形成的一種液化變形構造［39］。巖性主要為泥質粉砂巖夾砂質條帶，通常呈橢球狀，短軸一般不超過2 cm，長軸可大于5 cm［圖2（f）］。球枕構造見于Z74 井（長72）和Z349 井（長72）等。

（2）液化砂巖脈。液化砂巖脈也被稱為砂巖脈（砂巖墻）、砂巖侵入體［21］、液化砂脈［36］等，是指下伏未固結的疏松砂巖受到壓覆或擠壓等外力作用，形成局部“高壓”的液化狀，沿不定方向刺入上覆未固結的沉積層（砂巖、泥巖或頁巖）中，同時破壞了通道及附近原始沉積物的顆粒堆積狀態，造成疏松沉積物顆粒發生一定程度的位移和再調整，形成“似喇叭狀”或“幾”字形等底劈構造［23］。產狀呈近垂直或垂直，局部可見不定角度傾斜甚至近平行。脈狀體通常規模不大，直徑為0.5～2.0 cm。液化砂巖脈主要見于Z170 井（長72）、Y75 井（長71和長72）［圖2（g）］等。

（3）重荷模與火焰構造。下伏飽和水的塑性泥巖受到上覆（砂）巖體不均勻負荷壓力而使得底面不規則的砂質沉積物陷入泥質沉積物中而形成的一類層面構造變形。隨著泥質物質的賦存空間受擠壓而產生不同程度的塑性形變，在巖心柱縱向剖面上，塑性泥質似火焰狀向上刺穿到上覆未固結的砂巖中，形成火焰構造，而在砂巖的底面上，則表現出圓丘狀、橢圓丘狀或不規則狀小幅凸起的重荷模。重荷模與火焰構造是2 種相伴生的同沉積變形構造。巖心觀察顯示，火焰呈尖凸狀或平凸狀，焰高為0.1～2.0 cm。由于壓實受力程度不均，既有對稱火焰也有不對稱火焰發育；重荷模則較為扁平，平面排列無規則性［圖2（h）—（i）］。長7 油層組沉積期為湖盆發育的鼎盛時期，重荷模與火焰構造頗為發育，見于Z74 井（長72）、Z349 井（長72）、Z118 井（長72）及Z218 井（長71）等。

3 沉積物變形構造的空間展布

3.1 垂向發育特征

通過對鄂爾多斯盆地西南部鎮原地區長7 油層組20 口重點取心井344.00 m 巖心精細觀察和描述，共發現46 塊巖樣、18.48 m 巖心具有典型的沉積物變形構造現象。分析表明，沉積物變形構造在長72小層比較發育，有35 塊，總厚度為15.23 m，占比為82.41%。下部主要發育重荷模和火焰構造，其次是液化卷曲變形和滑塌變形；中、上部為沉積物變形構造集中發育段，包括滑塌變形、火焰構造、液化卷曲變形、球枕構造、液化砂巖脈及泥質撕裂屑，其中滑塌變形和火焰構造最為集中，其次是液化卷曲變形等。長71小層有9 塊，總厚度為3.12 m，占比為16.88%，沉積物變形構造發育頻率明顯降低，下部主要發育泥質撕裂屑和滑塌變形，其次是液化卷曲變形和火焰構造；上部主要發育滑塌變形及少量液化砂巖脈。長73小層僅在Z249 井發現液化卷曲變形，總厚度為0.13 m，占比為0.7%。沉積物變形構造的類型和數量的演化特征為：長73小層沉積期的較不發育，到長72小層沉積期高頻發育，再到長71小層沉積期明顯減少（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組沉積物變形構造類型統計Table 1 Statistics of soft-sediment deformation structure forms of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area，Ordos Basin

統計每塊發育沉積物變形構造的巖樣深度，換算每塊巖樣在相應小層中的相對深度百分比［公式為：相對深度百分比=（巖樣深度-小層頂深）/小層厚度］。以全區綜合柱狀圖為基礎，根據對應的相對深度百分比，將每個樣品投點到相應沉積物變形構造所對應的列中，即得到沉積物變形構造垂向分布圖（圖3）。

3.2 平面展布特征

圖3 鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組沉積物變形構造垂向分布Fig.3 Vertical distribution of soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area，Ordos Basin

結合巖心、錄井和測井解釋成果，統計全區暗色、高GR泥巖厚度，編制泥巖厚度等值線圖（圖4）。結果表明，泥巖厚度突變帶為近南北向，與物源供給方向近垂直［26］，同半深湖—深湖的邊界具有高度的一致性［25，27］。將每塊發育沉積物變形構造的樣品點投到泥巖厚度等值線圖中，可以直觀地發現，長73小層沉積物變形構造僅在吳城子Z249 井可見；長72小層，沉積物變形構造主要發育在研究區中部沿暗色泥巖厚度突變帶的區域，即天池—冰淋岔—太平一帶最為集中，在中西部馬渠鄉—三叉一帶局部也較發育；長71小層沉積物變形構造在研究區東部最為發育，其次是中西部和西南部地區（圖4）。

在鎮原地區沿斜坡下傾方向由西到東沉積變形構造發育數量增多，類型更加豐富。通過Y75—Z349—Z218 連井剖面可知，長72小層沉積期，研究區西部鄰近物源區，主要發育液化砂巖脈；中部發育多期滑塌變形、液化卷曲變形構造、火焰構造、泥質撕裂屑及球枕構造等；長71小層沉積期，研究區西部主要發育滑塌變形和少量泄水構造，東部發育火焰構造、液化卷曲變形和泥巖撕裂屑等（圖5）。

圖4 鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組暗色泥巖厚度和沉積物變形構造分布Fig.4 Distribution of dark mud and soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area，Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組連井對比（平面位置見圖4）Fig.5 Well-tie contrast of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area，Ordos Basin

4 討論

4.1 盆山耦合激活觸發因素

沉積物變形構造的觸發因素是沉積物變形構造研究的重要內容。印支期是秦嶺大規模造山的關鍵時期，秦嶺的造山作用與鄂爾多斯盆地內陸湖盆的形成和演化構成有機的盆山耦合體系，控制了盆地西南部湖盆基底的沉降和坡折帶的形成，對晚三疊世盆地演化起到至關重要的作用［3，40-41］。

在盆山耦合體系中，晚三疊世秦嶺的造山作用使得盆地西南部的隴西古陸多期次隆升，為湖盆提供持續充足的下古生界混合花崗巖碎屑物質［26］。相應地，盆地主體的多期次沉降保障了穩定的可容納空間，形成相輔相成的源匯體系。據鄧秀芹等［40］、楊華等［42］的研究成果，延長組發育區域性凝灰巖沉積，其中長7 油層組中上部凝灰巖的發育時間為距今221.8±2.0 Ma，與此同時，重力流砂體的形成時間為距今224～215 Ma，二者在形成時間上具有一致性，推測為同期構造活動的產物。在研究區中東部半深湖—深湖區沉積中廣泛發育重力流砂體沉積，為深湖相優質砂巖儲集層［43］，其中砂質碎屑流沉積和濁流沉積與沉積物變形構造呈間互性組合伴生（圖6）。故沉積物變形構造的發育與引起凝灰巖事件的盆山耦合過程存在密切關系。

圖6 鄂爾多斯盆地鎮原地區長7 油層組典型的砂質碎屑流沉積、濁流沉積和沉積物變形構造伴生現象Fig.6 Typical sequence of sandy debris flows，turbidity currents and soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area，Ordos Basin

在盆地西南部整體斜坡和局部坡折帶發育的背景下，盆山耦合作用使得區域基底斷裂間歇性活動，促進了物源的充足供給，引起湖平面周期性升降變化。在湖平面由持續下降轉換到湖平面上升階段或者由湖平面上升轉換到湖平面下降階段是區域構造運動相對活躍的時期，易于引起地震活動、火山噴發、山體滑坡及缺氧事件［44］等。當三角洲前緣飽含水的疏松碎屑物質持續高速率卸載、堆積，上覆新沉積的疏松沉積物不斷對下伏沉積物產生重力負荷，如果再受到地震、火山活動等事件性地質作用影響，則較易打破先前物質的重力平衡，造成疏松沉積物質發生順層滑移、滑動甚至大規模的滑塌，形成重力流沉積，伴生沉積物變形構造。其中在中東部地區的泥質撕裂屑中可見砂巖包裹凝灰巖團現象，揭示了該區先前可能有地震或火山噴發作用引起的凝灰巖集中發育事件（參見圖3）。

4.2 湖平面升降控制沉積物變形構造的發育頻率

湖平面變化對沉積物變形構造的發育頻率起到關鍵的控制作用，沉積物變形構造集中發育于湖盆周期性演化的活躍階段。通過分析沉積物變形構造垂向分布可知（參見圖3），長73小層沉積期，為最大湖侵期，主要發育半深湖—深湖亞相的泥質沉積、小規模的砂質碎屑流沉積和濁流沉積，僅在早期發育少量的液化卷曲變形。長72小層沉積期，先后經歷了短期湖退、長期湖退和湖侵，開始大范圍發育砂質碎屑流沉積和濁流沉積。在短期湖退期，發育沉積物變形構造的層段占長72小層總厚度的27.70%；在長期湖退的晚期和長期湖侵的早期，沉積物變形構造大規模發育，占長72小層總厚度的58.17%，即在湖退和湖侵的轉換期及其前后，是各類沉積物變形構造發育最集中的階段，滑塌變形、火焰構造、液化卷曲變形、球枕構造、液化砂巖脈及泥質撕裂屑等均可見。長71小層沉積期，湖盆面積及半深湖—深湖亞相沉積面積進一步減小，濁流沉積最為發育。該期先后經歷了早期的短期湖退和湖進以及中后期的大規模湖退。相對于長72小層沉積期，該期沉積物變形構造不甚發育，但在短期湖退和湖進的轉換期以及短期湖進與長期湖退的轉換期沉積物變形構造集中發育，其類型包括滑塌變形、泥質撕裂屑、液化卷曲變形、火焰構造及液化砂巖脈等。

4.3 坡折帶影響沉積物變形構造的平面分布

在斜坡背景下，不同類型沉積物變形構造的分布與坡折帶的發育具有密切的關系。隨著向半深湖—深湖沉積區的推進，其類型發生規律性演化。由西部物源供給區向東部沉積卸載區，湖盆底形的坡度先穩定增加，在坡折帶位置突然變陡，進入半深湖—深湖區則坡度變緩。

西部地區斜坡緩慢向湖延伸，隨著西南部隴西古陸持續的物源供給，碎屑物質超負荷堆積，造成快速的差異壓實和重力失穩現象，發育一系列滑塌變形構造和液化砂巖脈（圖7）；與西部地區相比，隨著碎屑物質的卸載和堆積，中部坡折帶地區更易產生因重力失穩而發生滑移或滑塌，形成大量的側向擾動控制的滑塌變形、液化卷曲變形構造、泥質撕裂屑以及垂向負荷變形形成火焰構造與重荷模、球枕構造等；碎屑物質越過坡折帶，水深迅速增加，同時向前推進的阻力增大，在東部半深湖—深湖區，隨著搬運距離的增加，碎屑物質黏度整體降低，易于形成泥質撕裂屑，同時伴隨著差異壓實形成的火焰構造與重荷模、液化砂巖脈以及少量的液化卷曲變形構造等。

圖7 斜坡背景下不同類型沉積物變形構造的分布模式Fig.7 Distribution pattern of soft-sediment deformation structures on slope

5 結論

（1）在鄂爾多斯盆地鎮原地區發育了2 類共7種典型的沉積物變形構造，即沉積物側向擾動變形（滑塌變形、液化卷曲變形、泥質撕裂屑）和垂向負荷變形（液化砂巖脈、球枕構造、火焰構造與重荷模）。

（2）鄂爾多斯盆地鎮原地區的沉積物變形構造在時空分布上，具有相對集中和局部分散的特征，垂向上，在長72小層最為集中，長71小層次之，長73小層較少；平面上，主要分布于中部的坡折帶和東部的半深湖—深湖區。

（3）盆山耦合激活觸發因素，湖平面升降控制沉積物變形構造的發育頻率，坡折帶影響沉積物變形構造的平面分布。在盆地西南部整體斜坡和局部坡折帶發育的構造背景下，盆山耦合促進了基底斷裂活動和沉積物的供給，激發了地震活動、火山噴發、山體滑坡及缺氧事件等。湖平面由持續下降轉換到上升階段或者由上升階段轉換到下降階段是區域構造運動相對活躍的時期，也是沉積物變形構造集中發育的階段。不同類型沉積物變形構造的分布與坡折帶的的關系密切，隨著向半深湖—深湖沉積區的推進，西部靠近物源區發育一系列滑塌變形構造和液化砂巖脈，中部坡折帶區主要發育滑塌變形和液化卷曲變形構造，同時也發育一定規模的泥質撕裂屑以及火焰構造與重荷模、球枕構造等；東部半深湖—深湖平緩區主要發育泥質撕裂屑，同時可見差異壓實形成的火焰構造與重荷模、液化砂巖脈以及液化卷曲變形構造等多種構造類型。