辽河坳陷西部凹陷沙四上亚段震积岩特征及地质意义

赵青峰 ，张建国 ，康文君 ，王思琦 ，姜在兴 ，杜克锋 ，黄昌武

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083；3.国土资源部页岩气资源战略评价重点实验室，北京100083；4.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，西安710075；5.中国石油勘探开发研究院，北京100083）

0 引言

震积岩是指在地震作用下发生变形或破裂而形成的岩石。关于地震沉积作用的研究始于20世纪50年代，Heezen等［1］通过对海底沉积物的变形、变位特征进行研究后首次提出地震沉积作用，随后Seilacher［2］通过研究美国加州地区中新世具有递变断裂的蒙特里页岩后首次提出震积岩的概念。自20 世纪 90 年代，我国学者梁定益等［3］、吴贤涛等［4］、乔秀夫等［5］、袁静［6］、卢勉等［7］先后在四川盆地、渤海湾盆地和鄂尔多斯盆地的河流相、三角洲相和湖泊相中识别出震积岩，并基本建立了震积岩识别标志的沉积序列。关于震积岩的研究，取得的主要成果认识可以概括为以下3个方面：（1）将震积变形构造划分为塑性变形和脆性变形［8-9］，并提出地震-海啸沉积序列［10］、液化地震序列［11］和大陆边缘震积序列［12］等类型；（2）利用震积岩的沉积构造特征恢复了古地震发生的时间及古构造演化背景，即利用震积岩的时空分布规律了解古地震带分布、古地震活跃期及判断古地震级别［13-17］；（3）初步探讨了震积岩与油气储层的关系，发现地震作用可在一定程度上改善储层物性，并提供油气运移通道［18-19］。

目前，关于含油气盆地中震积岩的研究主要集中于中—粗粒沉积岩，而对细粒沉积岩的研究相对较为薄弱。笔者通过对辽河坳陷西部凹陷古近系沙四上亚段的厚层细粒沉积岩进行系统研究，剖析典型沉积构造特征，描述其成因机理，并建立断陷湖盆细粒震积岩组合序列，深入分析地震作用对储层质量和油气运移的影响等，以期为震积岩油气勘探提供借鉴。

1 区域地质背景

辽河坳陷位于渤海湾盆地东北部，是在断裂及转换拉伸作用下形成的断陷湖盆［20］，包括大民屯凹陷、西部凹陷、东部凹陷、中央凸起、东部凸起和西部凸起共计6个次一级构造单元［21］。西部凹陷是辽河坳陷内呈北东向展布的狭长箕状凹陷［22-24］，面积约为2 560 km2，其西部为斜坡地貌，东部发生强烈断裂（图1）。西部凹陷古近系依次经历了伸展、裂陷、断陷、断坳和走滑等5个构造演化阶段，其中初始伸展阶段火山及地震活动强烈，该时期大量岩浆喷发导致在房身泡组发育玄武岩，进入沙四段沉积期后，西部凹陷的北部地区断裂活动强烈，发育了大量北北东—北东向正断层［25-26］。

研究区目的层沙四段直接覆盖于房身泡组之上，与其呈角度不整合接触。凹陷北部地区的房身泡组沉积期，玄武岩喷溢形成了局部的古隆起，使得沙四段沉积期凹陷北部水体与南部水体存在流通不畅的情形，随着水体的逐渐加深，这种古隆起的遮挡作用有所减弱，在物源和气候的共同影响下，研究区的沉积环境总体上较为封闭，发育大套富有机质的半深湖—深湖细粒沉积。近年来，西部凹陷雷家地区沙四上亚段的油气勘探取得了重要进展，在该套湖相细粒沉积岩中探明的油气地质储量高达数千万吨，且其平面分布面积超过20 km2，勘探潜力较大。

图1 辽河坳陷西部凹陷位置及断裂系统划分Fig.1 Location and fault system of the Western Sag，Liaohe Depression

2 沉积特征

辽河坳陷西部凹陷古近系沙四上亚段的细粒沉积岩发育较多的与古地震相关的沉积构造，根据发育特征将其分为软沉积物变形和脆性变形，并在此基础上细分为9种亚类，其中软沉积物变形构造包括液化脉体、液化角砾、液化卷曲变形、丘槽构造、环形层和球枕构造等6种；脆性变形构造包括同沉积断层、脉状构造和地裂缝等3种。

2.1 软沉积物变形构造

软沉积物变形是沉积物从堆积到固结成岩前，在地震作用下发生泄水、液化、压实、滑塌和滑移等作用，所发生的形变仅局限于层内的微层理变化［27］。西部凹陷古近系沙四上亚段的软沉积物变形主要包括以下6种类型：

（1）液化脉体。液化脉体是震积岩的典型识别标志之一［28］。液化脉体在研究区沙四上亚段十分普遍，主要包含2种类型：一种为砂水混层，其中含砂量较多，液化作用相对较强；另一种为岩心表层侵位，其液化作用较弱。脉体长轴方向倾斜或水平，包括肠状、辐射状、飘带状、蘑菇云状和蝌蚪状等形态。岩心中可见灰色液化脉［图2（a）—（b）］，自上而下呈液化流动状，脉体宽约0.5～3.0 cm，尾端逐渐尖灭，围岩纹层随液化流动呈牵引弯曲状，属因液化作用而混层流动贯穿岩心侵位；也可见液化泥岩脉体自下而上侵位［图 2（c）—（d）］，液化程度较弱。地震发生后的瞬时振动使未固结沉积物的结构强度降低，可造成孔隙压力增大，从而使得沉积物发生液化，进而向相邻软沉积层侵位逃逸形成脉体。随着液化脉体流动能量逐渐减弱，脉体呈现弯曲等不规则形状，尾端甚至出现尖灭，自此完成液化侵位过程。

图2 西部凹陷沙四上亚段岩心中的液化脉体Fig.2 Core characteristics of liquefied veins of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

（2）液化角砾。研究区液化角砾多呈椭球状，角砾直径大小不一，角砾长轴倾向基本一致［图3（a）—（b）］。液化角砾的形成得益于深绿色泥岩脉向不同方向穿刺或侵位，使灰色粉砂岩、灰白色泥质碳酸盐岩被分割，呈现出角砾形态，相邻的多个角砾可拼接，同时液化泥岩脉呈不规则网状连接。液化层的液化流动侵位形成了液化角砾，因地震作用形成的液化层穿刺了孔隙压力较小的围岩，形成网状结构从而分割围岩。层内角砾具有可拼接性，表明液化角砾的位移不大，属于原地沉积或近原地沉积，明显区别于受后期构造剪切作用形成的角砾岩［8］。

（3）液化卷曲变形。研究区灰褐色泥页岩的纹层沿水平方向具有液化卷曲变形特征［图3（e）—（f）］。液化卷曲的纹层覆盖于未变形纹层之上，偶见规模较小的微褶皱伴生。液化卷曲变形在形态上表现为水平方向发育紧闭褶皱和斜卧褶皱，局部可能存在相互错断现象，与液化卷曲变形的微层理构造接触的围岩呈轻微牵引弯曲状，褶皱波幅约为3～10 mm，变形层的厚度约为2～12 mm。液化卷曲变形构造相当于乔秀夫等［5］提出的震褶岩，与杜远生等［8］提出的微褶皱纹理也具有一定的相似性，一般认为液化流动的动能与孔隙水的压力大小共同控制了这种液化褶曲的形成［29-30］，为沉积层因地震振动或垮塌造成岩石孔隙压力的升高所致。研究区的上述卷曲变形与围岩分界明显，表明液化卷曲是软沉积物在地震振动形成的局部剪切力作用下发生液化变形流动而成，这种变形又叫层内褶曲，该褶曲定向性差，褶皱皱面无统一的力学方向特征。

（4）丘槽构造。研究区丘槽构造发育于灰色泥页岩中［图4（a）］，类似于微型向斜和背斜形态，且交替分布，纹层变形较为复杂，弯曲程度自下而上逐渐增大，丘内变形强度具有“下部较弱、翼部发育微型丘、槽内弯曲宽缓”的特征。丘槽构造在水平方向上，纹层不规则，褶皱波幅大小不一；在垂向上，丘内变形强度向下减弱，局部残留有泄水通道。褶皱波幅约为2～4 cm，波长多大于4 cm，其中，部分纹层之上被黏土遮盖。丘槽构造是地震驱动的典型软沉积物变形构造［31］，它夹持于未变形层理之间，变形强度在垂向上表现为向上逐渐衰竭，横向两侧具有较好的对称性，这可能是受地震横波影响，经剪切产生滑脱而形成。与丘槽构造伴生的脉体可能与地应力作用下的侧向剪切作用有关，在地应力的持续剪切作用下，丘槽构造常发生破裂，其产生的裂缝常被后期方解石充填而形成方解石脉。

（5）环形层。环形层为多层薄岩层因卷曲变形而连接成环状或似圆状。研究区环形层主要发育于泥质碳酸盐岩中，呈弯曲状的层间方解石脉与环形层具有相似的弯曲度［图4（c）］，高度可达5 cm左右，宽度4～6 cm。在环形层圈层内发育灰黑色和灰黄色的薄层泥岩，与环形层呈互层卷曲状，且具有较好的油气显示。Rodriguez-Pascua等［32］研究西班牙Prebetic震积岩后指出，环形层是沉积物受地震作用而形成，袁静等［33］通过研究济阳坳陷古近系沉积物中的环形层，认为其形成也与地震活动有关。西部凹陷古近系沙四上亚段的环形层多同断层和液化卷曲大量共生，可推断其与地震作用有关，为弱地震诱发的张应力所致［34］。

图3 西部凹陷沙四上亚段岩心中的液化角砾和液化卷曲构造Fig.3 Core characteristics of liquefied breccia and liquefied crinkled deformation structures of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

图4 西部凹陷沙四上亚段岩心中的丘槽构造、环形层和球枕构造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）球枕构造。研究区球枕构造尺寸从毫米级到几厘米均有分布，外形似扁平球状，长轴最大约为2 cm，短轴约为1 cm。可彼此连接，也可呈孤立状［图4（e）］。球状和枕状纹层也存在差异，呈平直或复杂的小褶曲状。球枕构造常出现在靠近砂岩底部的泥岩中，表现为被泥质围岩包围的砂质椭球体，偶见这类球枕构造发育于粉砂岩层段中。球枕构造是密集的砂质负载体连续坠落于泥岩层中而形成的密集球枕块体，为液化与重力作用下的一种岩层转换形式［29］。沉积物会因液化而失稳，从而发生沉陷，因此，球枕构造常常伴生液化现象，其形态各异，球枕块体在下沉过程中因受到下伏泥质层的顶托阻力，其水平方向（现今为顺层方向）往往为相对较长的长轴，其中一侧发育微型液化脉。

2.2 脆性破裂构造

已固结或半固结的岩石在张性、压性或剪切作用下易发生破裂，从而在岩层中产生脆性破裂构造。西部凹陷古近系沙四上亚段的脆性破裂构造主要包括以下3种类型：

（1）同沉积断层。研究区同沉积断层一般发育于泥页岩中，为一组或一系列平行排列的正断层，多个断层组合可形成地堑和地垒的构造形式［图5（a）］，断面倾角较大，断距较小，断层两侧可见较强的液化流动现象，且下盘地层厚度大于上盘地层厚度。同沉积断层又称“粒序断层”或“阶梯状断层”，这种断层往往发生于地震振动和液化作用之后，沉积物受到差异压实作用而发生沉积颗粒重排，很多前积层面易演变为断层面，同时因部分岩层受力不均，故产生地堑和地垒的组合形式。该类断层已成为震积岩的重要识别标志［35］。

（2）脉状构造。研究区脉状构造是一组平行排列的纤细脉体，呈“S”形、“X”形、双“S”交叉形，分布于深褐色泥岩中，单个脉体常与相邻脉体组合形成“X”形共轭剪切状，长短不一，剖面宽度约为2 mm［图5（c）］。偶见被层间缝横向切割的纵向脉状聚集体，宽约数厘米。脉状构造的上覆地层发育液化现象，其中夹杂着泥岩撕裂屑，散乱分布，这种液化作用终止于脉状层；脉状构造的下伏地层中可见微断层。Brothers等［36］认为脉状构造多由地震作用形成，并且实验模拟结果已证实，地震波能够在地层中传递能量并产生这种脉体。当然符合“里德尔”破裂准则的脉状构造也可能由重力流和泥石流发生时产生的震动波形成，但西部凹陷古近系沙四上亚段中未发现重力流作用证据。因此，可以推断研究区的脉状构造为地震成因。

图5 西部凹陷沙四上亚段同沉积断层、脉状构造、地裂缝的岩心特征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）地裂缝。研究区地裂缝形态表现为上部开口较大，向下逐渐变小并尖灭，似“V”字形［图5（e）］。裂缝两边的岩层无明显的错动或位移，部分裂缝内充填有机质或黏土等物质，部分裂缝还残留了油气运移的痕迹。地裂缝是地震时沉积物受张应力和液化作用共同形成的，地裂缝“V”字形的开口方向指向顶面，即当时的古地面［5］，也是震积岩的识别标志之一［37-38］，反映了在一次完整的地震活动期内，沉积物因受地震波的影响而沿着脆性破裂面而撕裂，其后沉积的物质因液化流动而充填其内。

3 古震级恢复

地震作用形成的一系列沉积构造可以反映古地震强度。刘磊等［38］做过关于地震强度与沉积构造关系的研究，认为沉积物液化变形所需的地震震级Ms≥5，而当Ms≥8时岩层会发生脆性变形。笔者认为这只是局部个案和供参考的地区性研究成果，具体的地震震级的确定还需要考虑震源深度与震中距、构造背景、沉积环境等因素的影响。也有研究成果表明［34-35］，液化脉、球枕构造等现象可以分别对应不同的震级范围，西部凹陷沙四上亚段震积岩中所发现的典型沉积构造亦可反映地震震级，例如地震震级大于5级可引起软沉积物液化，形成液化脉；与液化角砾相关液化作用的地震震级约为7.5级左右。研究区详细的沉积构造与最小地震震级之间的对应关系见表1。总体上看，研究区震积岩所反映的古地震最大震级约为5～8级，表明研究区沙四上亚段沉积时期曾发生过强烈地震。

表1 西部凹陷沙四上亚段沉积构造的变形机制及其可能的最小震级强度（据文献［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 震积组合序列

地震作用可引起沉积物滑塌、褶皱、破碎和滚动等，其形成的沉积物组合在垂向上具有一定的序列和规律［26］。平面上距离震源中心的距离不同，沉积物组合序列也存在差异。较大规模的地震活动多由幕式地震期（前震）、地震强烈期（主震）和地震衰退期（余震）等3个阶段组成，各阶段可形成不同类型和特征的沉积变形构造。结合辽河坳陷西部凹陷沙四上亚段的构造背景和震积岩发育特征，建立了断陷湖盆细粒沉积岩在地震作用下的垂向序列（图6），可自下而上分为6段：

（1）A底部未震层段，基本不发育震积构造，属于地震波触及范围之外的正常沉积，沉积物原始层理保存较好。

（2）B液化流动层段，形成于地震振动开始阶段，液化现象明显，多发育液化脉体、液化卷曲等，其中液化脉体形态多样，液化卷曲无定向性，为地震强度较小时期形成，当软沉积物受局部剪切力作用时，原本较为稳定的孔隙水压力逐渐上升，演变为超压状态，软沉积物开始发生液化和流动。

（3）C同沉积断层段，该段正断层发育，裂缝中充填的泥岩发育液化现象；同时地层中发育地裂缝，缝内充填有机质或黏土等物质。随着地震强度的进一步增强，已固结的沉积物会发生破碎作用。

（4）D球枕构造和脉状构造层段，随着地震振动的持续，地震波造成的强剪切应力会造成已固结沉积物的形变，粉砂质沉积物在强烈的地震活动下滑塌下陷，已固结沉积物发生断裂、破碎，甚至局部形成地震剪节理、脉状构造等。

（5）E液化流动层段，形成于地震减弱期，为沉积物在经过强烈地震期之后对产状和结构的自我调整。

（6）F顶部未震段，为地震活动结束后的正常沉积，不发育震积构造。上述6段中，B—C段为震积组合序列的主体，可重复出现，D段主要发育在研究区坨16井的灰黑色泥岩中，其余的层段在多口取心井中均可发现，震积组合序列中每段沉积厚度一般不超过1 m。

图6 西部凹陷沙四上亚段震积组合序列Fig.6 Vertical sequence features of seismites of the upper fourth member of Shahejie Formation in Western Sag

5 油气地质意义

近年来，我国多个含油气盆地的相关层位中均发现了震积岩，地震活动对油气储层的改造越来越受到学者们的关注，主要表现为对油气运移的影响和对储集性的改造等2个方面。

5.1 地震活动对油气运移的影响

辽河坳陷西部凹陷沙四上亚段发育良好的烃源岩，主要岩性为含灰泥岩和暗色泥岩，TOC平均质量分数为4.13%，为西部凹陷主要的生烃层段。通过岩心观察可以发现，地震作用形成的裂缝中可见油迹和沥青［图7（a）］，表明震积岩发育层段的微裂缝或断层为油气运移的良好通道［图7（b）］。地震作用形成的微裂缝、阶梯状断层、液化通道以及区域性深大断裂共同形成了研究区良好的油气输导体系。此外，地震引发的巨大能量可以成为烃源岩排烃的驱动力之一，为含油气盆地油气快速排烃、聚集和成藏作出贡献。

5.2 地震活动对储集性的改造

地裂缝和液化通道能够连通孔隙，从而提高储层的渗透性。西部凹陷的雷36井和雷57井的沙四上亚段岩心中均发现震积岩，且发育含油裂缝［图7（c）］，部分岩心裂缝中发育大量沥青［图7（d）］。储层经地震作用改造后非均质性较强，部分液化脉体侵位刺穿了围岩，如常见碳酸盐岩脉体侵入渗透性较差的泥页岩中［图7（c）］，增大了泥页岩的有效孔隙度和渗透率。微裂缝可为后期酸性流体的运移提供通道［40］，从而形成溶蚀孔，增大了储层的孔隙度，裂缝周缘的溶蚀作用往往强于其他区域。微裂缝的发育也可作为油气运移的通道，增大了储层的渗透率。

图7 西部凹陷沙四上亚段地震活动对油气运移和储集的影响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 结论

（1）首次在辽河坳陷西部凹陷沙四上亚段识别出震积岩，相关的沉积构造可分为软沉积物变形构造和脆性变形构造共2类，其中软沉积物变形构造包括液化脉体、液化角砾、液化卷曲变形、丘槽构造、环形层和球枕构造等6种，脆性变形构造包括同沉积断层、脉状构造和地裂缝等3种。

（2）建立了辽河坳陷西部凹陷沙四上亚段震积岩的垂向组合序列，自下而上包括底部未震段、液化流动层段、同沉积断层段、球枕构造和脉状构造层段、液化流动层段、顶部未震层段。推测研究区的最大震级约为5～8级。地震活动产生的微裂缝和断层为良好的油气运移通道，也为酸性溶蚀流体的运移通道，可有效改善致密储层的渗透性。

致谢：中海油研究总院开发院的王夏斌博士、中国石化河南油田分公司的李俊杰工程师、路易斯安娜州立大学的吴明昊博士和长江大学刘圣乾博士在岩心观察和描述中提供了大量帮助，在此表示感谢！