胡博文， 李 斌， 李建新， 王一霖， 羅 群

(1.神華地質(zhì)勘查有限責任公司,北京 102209； 2.中國石油大學(北京),北京 102249)

湘西北保靖地區(qū)志留系小河壩組震積巖的發(fā)現(xiàn)及意義

胡博文1， 李 斌1， 李建新1， 王一霖1， 羅 群2

(1.神華地質(zhì)勘查有限責任公司,北京 102209； 2.中國石油大學(北京),北京 102249)

湘西北保靖地區(qū)志留系小河壩組主要發(fā)育一套砂、泥質(zhì)沉積。探井巖心觀察發(fā)現(xiàn)，小河壩組部分層位具有震積巖的典型特征——階梯狀微斷層、串珠狀構(gòu)造、球-枕狀構(gòu)造、重荷模和火焰狀構(gòu)造、液化粉砂巖脈、液化卷曲變形構(gòu)造、震裂縫和角礫狀構(gòu)造等。通過對區(qū)內(nèi)保參1井、保參2井和保參3井縱向震積巖特征的統(tǒng)計，共識別出74層古地震層，根據(jù)地震幕的概念，總結(jié)出小河壩組地震幕。從3口探井間的橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，大部分地震幕主要集中在小河壩組的2段地層中，從而劃分出小河壩期2次地震活躍期和3次平靜期。分析了震積巖特征與地震強度和震中距離的關系，結(jié)合大地構(gòu)造背景綜合研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)震積巖的發(fā)育受保靖—慈利斷裂帶構(gòu)造演化所控制。研究結(jié)果對恢復研究區(qū)構(gòu)造背景、地層對比與儲層預測具有重要意義。

小河壩組； 震積巖； 地震幕； 保靖—慈利斷裂帶； 湘西北

0 引言

地震是一種常見的災變性地質(zhì)事件，而震積巖被看作是記錄古地震信息的載體。1969年，Seilacher[1]研究了美國加州海灘中新統(tǒng)具有遞變斷裂特征的蒙特里頁巖，發(fā)現(xiàn)了該種頁巖是由地震活動改造未固結(jié)的水下沉積物所形成的再沉積地層，并首次提出“震積巖”的概念。國內(nèi)對震積巖的研究始于20世紀80年代末[2]。近20多年來，我國學者對國內(nèi)多個地區(qū)、不同時代的震積巖進行了廣泛探索與研究，成果頗豐，其中較有代表性的成果有喬秀夫等[3]在華北地臺東部建立的碳酸鹽巖震動液化地震序列； 梁定益等[4-5]以川西、滇西地區(qū)為例建立的震積不整合序列； 杜遠生[6]對震積巖的文獻綜述等。目前，針對湘西北地區(qū)志留系震積巖的研究尚少。筆者在湖南湘西北保靖地區(qū)頁巖氣的勘探研究中，發(fā)現(xiàn)下志留統(tǒng)小河壩組發(fā)育有大量特殊的變形構(gòu)造[7]，經(jīng)分析研究，認為具有震積巖的特征。這一發(fā)現(xiàn)對恢復研究區(qū)構(gòu)造背景、地層對比與儲層預測具有重要意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

Pt2LN.元古宇冷家溪群； Pt3BN.元古宇板溪群； Z-S.震旦系—志留系； D-T2.泥盆系—中三疊統(tǒng)； T3-J.上三疊統(tǒng)—侏羅系；K-E.白堊系—古近系； Q.第四系； 1.基底褶皺； 2.加里東期褶皺； 3.印支期褶皺； 4.燕山期褶皺； 5.喜山期褶皺； 6.斷層；7.印支期褶皺前鋒帶和加里東期褶皺前鋒帶； 8.地層界線； 9.地層不整合界線； 10.研究區(qū)； 11.探井 圖1 湘黔地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖[7]Fig.1 Sketch map of regional geology in Hunan and Guizhou[7]

本文研究區(qū)為湘西北保靖地區(qū)，其構(gòu)造位置屬中揚子準地臺西緣湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶(圖1)。中揚子區(qū)在經(jīng)歷了呂梁運動、四堡運動和晉寧運動后，形成統(tǒng)一的變質(zhì)基底[8]； 之后，沉積形成了巨厚的蓋層。顯生宙以來，區(qū)內(nèi)相繼發(fā)生了加里東、海西，印支、燕山和喜山等多期次構(gòu)造運動，其中以加里東期構(gòu)造運動最為重要，以NE向的褶皺變形和深大斷裂為主。褶皺構(gòu)造帶的形成開始于四堡期，定型于加里東期； 深大斷裂則由保靖—慈利斷裂和張家界—古丈—吉首斷裂所組成，呈NE向展布[9]。

研究區(qū)內(nèi)志留系地層由下至上依次發(fā)育龍馬溪組、新灘組、小河壩組、馬腳沖組、溶溪組、吳家院組、回星哨組和小溪峪組。在整體上，志留系地層以一套碎屑巖建造為主，區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定。其中，小河壩組頂、底分別與馬腳沖組和新灘組整合接觸，厚度為285～512 m。小河壩組巖性組合下部主要發(fā)育灰白色中至厚層石英雜砂巖、薄至中層泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖； 上部主要發(fā)育深灰色薄層泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾少量薄層細砂巖。小河壩期，湘西地區(qū)前陸盆地已形成并持續(xù)發(fā)展，來自雪峰古陸的物源不斷向盆地內(nèi)沉積[10]，沉積物大量、快速堆積，受到地震作用容易引發(fā)軟沉積物變形，形成震積巖。

2 震積巖特征

通過對研究區(qū)探井巖心觀察，在下志留統(tǒng)小河壩組發(fā)現(xiàn)了大量由古地震引起的沉積變形構(gòu)造，包括階梯狀微斷層、串珠狀構(gòu)造、球-枕狀構(gòu)造、重荷模和火焰狀構(gòu)造、液化粉砂巖脈、液化卷曲變形構(gòu)造、環(huán)狀層理、假結(jié)核、震裂縫和角礫狀構(gòu)造等。

(a)階梯狀斷層，上部可見串珠狀構(gòu)造； (b)砂球-枕構(gòu)造； (c)砂球-枕構(gòu)造和重荷模； (d)重荷模和火焰狀構(gòu)造液化粉砂巖脈； (e)液化粉砂巖脈； (f)多層液化粉砂擠入或切穿泥質(zhì)沉積物，泥質(zhì)層被液化粉砂脈強烈改造而裂解、角礫化； (g)液化卷曲變形； (h)液化卷曲變形； (i)環(huán)形層理； (j)假結(jié)核和撕裂屑； (k)震裂縫被粉砂巖充填； (l)震裂縫和震裂角礫； (m)不協(xié)調(diào)震積角礫圖2 小河壩組震積巖特征Fig.2 Seismite characteristics of Xiaoheba Formation

2.1 階梯狀微斷層和串珠狀構(gòu)造

階梯狀斷層是極為典型的震積巖特征，在研究區(qū)小河壩組中主要為一系列的微型近平行排列的正斷層組合，在粉砂巖巖層內(nèi)部發(fā)育，不穿層，其鉛直斷距一般為2～9 mm，傾角多為50°～60°不等(圖2(a))。整體上，由下向上斷距減小，沿斷面的拖拽構(gòu)造逐漸發(fā)育，局部形成似串珠狀構(gòu)造； 同時，在部分粉砂巖底部巖層內(nèi)還伴隨有脆性裂解。

2.2 球-枕狀構(gòu)造與重荷模和火焰狀構(gòu)造

球-枕構(gòu)造是指軟沉積物變形形成的不規(guī)則枕狀、球狀層[11]。由于上下相鄰的沉積物具有較大的密度差，地震液化作用結(jié)束后，沉積物體積收縮，地面下沉，在震動和重力的作用下，上覆硬質(zhì)細、粉砂巖層發(fā)生裂解，解體后的塊體向軟性泥質(zhì)沉積物中沉陷而形成[12]。伴隨著震動，砂塊下沉發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)出球狀、橢球狀等，即球-枕狀構(gòu)造。本區(qū)小河壩組球-枕狀構(gòu)造多呈現(xiàn)長軸近平行的橢球狀砂塊(圖2(b)和(c))。

重荷模是液化粉砂層在地震剪切力與重力作用下沉陷于未固結(jié)的塑形軟泥中形成的； 同時泥質(zhì)層向上穿插到上覆的粉砂層中，形成火焰狀構(gòu)造[13](圖2(c)和(d))。

2.3 液化粉砂巖脈

液化粉砂巖脈通常發(fā)育在砂、泥巖互層的地層中，是由地震作用引發(fā)軟沉積物液化泄水的結(jié)果，是識別震積巖的重要標志[12，14]。在小河壩組，液化砂巖脈巖性主要為粉砂巖，在縱向上多成絮狀、帶狀，穿入到上、下的泥巖中(圖2(e)和(f))； 部分層段粉砂巖脈切穿泥巖使泥巖角礫化，形成液化角礫巖(圖2(f))。液化粉砂巖脈的脈體規(guī)模較小，寬度在0.1～1 cm,長度為0.5～3 cm。富水的粉砂質(zhì)沉積物因地震活動受到上部和四周的壓力，驅(qū)使粉砂向低壓方向移動，導致泄水脈同時向巖層內(nèi)上、下2個相反方向液化，擠入泥質(zhì)沉積物而形成脈狀體[15]。

2.4 液化卷曲變形構(gòu)造

液化卷曲變形構(gòu)造主要表現(xiàn)為塑性較強的薄層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖在地震作用下發(fā)生卷曲變形，形成大小不一、形態(tài)各異的褶曲。該構(gòu)造現(xiàn)象在本區(qū)小河壩組發(fā)育廣泛，在保參1井、保參2井、保參3井和保頁1井均有發(fā)現(xiàn)。卷曲的形態(tài)多為不規(guī)則的單個或多個小型褶皺組合，且主要為平臥褶皺(圖2(g)和(h))。

2.5 環(huán)狀層理

環(huán)狀層理是未固結(jié)的細粒薄互層砂泥質(zhì)沉積物受較弱地震拉張作用形成的呈環(huán)狀或鏈狀變形層理[16]。在本區(qū)的小河壩組中較為發(fā)育，由粉砂巖、泥巖條帶構(gòu)成的環(huán)圈形態(tài)多樣，部分環(huán)圈邊緣圓滑(圖2(i))，呈橢圓狀； 部分呈波狀，斷續(xù)分布。

2.6 假結(jié)核

假結(jié)核是密度較小的沉積物沉陷到密度較大的沉積物中形成的一種構(gòu)造特征。推測是由于在地震活動時，下伏粉—細砂層的液化使其體積密度和抗剪切強度急劇下降，從而使上覆密度小的泥質(zhì)沉積物沉陷到下伏的粉—細砂液化層之中[17]。在本區(qū)小河壩組的巖心上可以看到，深灰色泥巖巖屑陷入到液化的灰色細砂巖中形成假結(jié)核； 假結(jié)核具有同心紋層結(jié)構(gòu)，并在其周圍伴有許多泥巖撕裂屑(圖2(j))。這些假結(jié)核在縱向上呈現(xiàn)出翻滾拖拽的現(xiàn)象。

2.7 震裂縫和角礫狀構(gòu)造

震裂縫是在地震活動的影響下，半固結(jié)或未完全固結(jié)的沉積物產(chǎn)生一系列不規(guī)則裂縫，震裂縫在剖面上呈“V”字形或漏斗形[18]。已發(fā)現(xiàn)的震裂縫的開裂深度多在6 cm以內(nèi)，部分被粉砂巖充填(圖2(k))。

角礫狀構(gòu)造則是固結(jié)或半固結(jié)的砂巖層受到地震震裂而形成的[19]。在小河壩組角礫狀構(gòu)造發(fā)育較少、規(guī)模較小。通常，巖層內(nèi)部相鄰的震裂角礫可拼合(圖2(l))； 在部分層段也發(fā)現(xiàn)許多不協(xié)調(diào)的震積角礫(圖2(m))，這是由于角礫狀構(gòu)造下部的地層強烈液化，在重力和地震震動作用下角礫陷入下部液化沉積層中形成的[19]。

3 小河壩期地震幕與地震活躍期

通過對區(qū)內(nèi)保參1井、保參2井和保參3井縱向震積巖特征的統(tǒng)計，共識別出74層古地震層。其中，保參1井9層、保參2井24層、保參3井41層(圖3)。

圖3 小河壩組巖心震積巖特征素描圖Fig.3 Sketch of seismite characteristics of Xiaoheba Formation in the well cores

喬秀夫等[20]在震積巖的研究中提出了地震幕的概念，將在厚度很小的地層中密集的震積巖層與正常沉積層一并作為一個地震幕，地震幕間隔著較厚的沉積層。多個相鄰的地震幕為一個地震活躍期。根據(jù)這個概念，保參1井可分出3個地震幕，保參2井可分出5個地震幕，保參3井可分出3個地震幕。結(jié)合上述3口探井震積巖特征的橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，大部分地震幕主要集中在小河壩組的2段地層(保參1井809～812 m和963～978 m，保參2井587～593 m和672～708 m，保參3井567～571 m和888～920 m)。因此，小河壩期可分為2次古地震活躍期和3次平靜期(圖4)。

圖4 鉆井巖心中小河壩組古地震記錄Fig.4 Paleseimic records of Xiaoheba Formation in the well cores

前人[21]研究認為，震積液化作用的發(fā)生至少要滿足有≥5級的地震發(fā)生。大規(guī)模的液化作用發(fā)生，震級強度要達5.5～6級； 形成負載構(gòu)造的液化作用發(fā)生，震級強度在6.5級以上； 出現(xiàn)液化角礫的液化作用發(fā)生，震級強度在7.5級以上[22-23]。本區(qū)3口探井中的小河壩組震積巖發(fā)育廣泛，且重荷模、火焰狀構(gòu)造等負載亦多處可見(圖3)，部分層段出現(xiàn)液化角礫巖。因此可以推斷，小河壩期地震強度至少在6.5～7.5級。根據(jù)劉穎等[24]所做的地震砂層液化變形與震級的關系圖(圖5)，結(jié)合小河壩期的地震強度，可以判斷本區(qū)距離震中距離為25～140 km。

圖5 震級與液化變形最大震中距的關系Fig.5 Relationship between earthquake intensity and maximum epicenter distance of liqufaction-induced deformation

袁照令等[25]將保靖—慈利斷裂帶由北到南分3段： 北段從張家界青天坪至慈利縣城北緣，中段從青天坪至保靖縣，南段從保靖縣至石耶司(圖1)。這3段的演化分別歸屬于加里東構(gòu)造系(北段)、燕山構(gòu)造系(中段)和喜山構(gòu)造系(南段)?？梢哉J為保靖—慈利斷裂帶北段在加里東期是活動的。本區(qū)與保靖—慈利斷裂帶北段距離為60～150 km，因而可以初步判斷震積巖的形成與保靖—慈利斷裂帶的活動相關。

4 結(jié)論

(1)湘西北保靖地區(qū)小河壩組震積巖具有階梯狀微斷層、球-枕狀構(gòu)造及伴生構(gòu)造、液化粉砂巖脈、液化卷曲變形構(gòu)造、環(huán)狀層理、假結(jié)核、震裂縫和角礫狀構(gòu)造等特征。

(2)小河壩組震積巖反映了志留紀早期古地震活動活躍，且波及范圍廣泛。在小河壩期，地震活動具有周期性，有2個活躍期和3個平靜期。

(3)小河壩組震積巖的形成與保靖—慈利斷裂帶加里東期的活動有關。

(4)研究區(qū)正在進行頁巖氣的勘探工作，小河壩組震積巖的發(fā)現(xiàn)，反映了區(qū)內(nèi)志留系的古地震活動，而地震活動會使頁巖儲層產(chǎn)生大量裂縫，這為頁巖氣的儲集和運移提供了通道。深入研究區(qū)內(nèi)包括小河壩組在內(nèi)的志留系地層震積巖發(fā)育特征及空間展布規(guī)律，對頁巖儲層預測具有重要意義。

目前，對本區(qū)震積巖特征的發(fā)育與構(gòu)造演化的關系研究尚顯不足，有待進一步深入。同時，對震積巖在地層對比方面研究程度不夠，下一步可結(jié)合生物地層等研究成果深入探索地層對比的方法。

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(責任編輯： 劉永權(quán))

Discovery and significance on the seismite of Silurian Xiaoheba Formation in Baojing area of Northwestern Hunan

HU Bowen1， LI Bin1， LI Jianxin1， WANG Yilin1， LUO Qun2

(1.ShenhuaGeologicalExplorationCo.，Ltd.，Beijing102209，China；2.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

A set of sand-mud deposit was mainly developed in the Silurian Xiaoheba Formation in Baojing area of northwest Hunan Province. There are many typical seismite characteristics in some layers of Xiaoheba Formation, such as step micro-fault, pinch and swell structure, ball and pillow structure, load casts and flamy structure, liquefaction sandy dyke, liquefied fold, seismic fissure bed and autoclastic brecciated structure. Based on the vertical statistics of the seismite characteristics in well Baocan 1, Baocan 2 and Baocan 3, the authors identified 74 ancient seismic strata. According to the concept of seismic episode, the authors summarized the seismic episodes in Xiaoheba Formation. By transverse comparison of the seismic episodes in the wells, the authors found that the seismic episodes are mainly distributed in two members of Xiaoheba Formation. And then two active seismic periods and three seismic quiet periods during the Xiaoheba period have were identified. Through the relationship analysis of seismite characteristics, earthquake intensity and distance, combining with the tectonic setting of the study area, the authors found that the development of the seismites was controlled by the tectonic evolution of Baojing-Cili fault zone. The research results have important significance for the palaeostructure recovery, stratigraphic correlation and reservoir prediction.

Xiaoheba Formation； seismite； seismic episodes； Baojing-Cili fault zone； Northwestern Hunan

10.19388/j.zgdzdc.2017.04.09

胡博文,李斌,李建新，等.湘西北保靖地區(qū)志留系小河壩組震積巖的發(fā)現(xiàn)及意義[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(4): 67-73.

2016-07-05；

2016-08-17。

國家自然科學基金“云質(zhì)巖致密油儲層微米-納米孔喉網(wǎng)絡體系及其流體耦合流動機理與流動下限研究(編號： 41372145)”項目資助。

胡博文(1987—),男,工程師,主要從事地層學研究工作。Email： 562077639@qq.com。

李斌(1970—)，男，高級工程師，主要從事地質(zhì)研究工作。Email： libin9600@sohu.com。

P534.43; P58

A

2095-8706(2017)04-0067-07