沉积物变形构造（Soft-sediment deformation structures，简称SSDS），又称软岩石变形构造、早期成岩变形构造、成岩前变形构造、准同生变形构造、同生变形构造、同沉积物变形构造及扭曲变形层理等^[1-3]，是指沉积物在沉积之后，压实过程中或固结成岩之前处于富含水或疏松沉积物阶段，由于受到一定触动因素（地震、火山、海啸、风暴、重力滑坡等）的影响^[4]，发生滑移、滑塌、液化^[5]、卷曲或差异压实等导致塑性变形而形成一系列发育在邻近地层层面的常见沉积构造^[6-8]。

沉积物变形构造的形态特征、形成机理及触动因素等一直以来都是地学领域广泛讨论的热点难题之一，受到国内外学者的广泛重视^[9-10]。据文献[8]报道，19世纪中叶，Logan于1863年勾绘了加拿大东北部魁北克省加斯佩半岛泥盆纪灰岩中的滑塌褶皱变形。随着沉积学理论的不断丰富，20世纪60年代以后，关于沉积物变形构造的相关研究逐渐具体和丰富起来。Seilacher^[11]在1969年研究美国加州地区中新世断裂发育的蒙特里页岩时，首先提出了震积岩（Seismites）的概念，用以解释和归纳沉积物变形构造的特征。Owen等^[7]在2011年编辑出版了“沉积物变形触发因素的识别：现今认识与未来方向”专辑，以专题的形式从变形形态、形成年代、沉积环境和构造背景等方面广泛讨论了沉积物变形构造的最新进展，将沉积物变形构造研究推向了一个阶段性高潮。

我国陆相湖盆中发育有类型多样的沉积物变形构造，一般认为地震是这些沉积变形的主要成因之一。其中，据文献[12]报道，宋天锐对北京十三陵地区前寒武系地震-海啸序列的研究拉开了国内对震积岩研究的序幕，带动了沉积物变形构造的研究。赵青峰等^[13]和刘建宁等^[14]对渤海湾盆地沙河街组中广泛发育的与地震相关的沉积物变形构造进行了研究，而关于鄂尔多斯盆地延长组的最早报道源于夏青松等^[15-16]在塔17井岩心中发现的软沉积变形层，并根据其垂向形态组合特征初步判定其为震积岩；随后，众多学者^{[3, 17-21]}以岩心和野外露头资料为基础，发现在延长组长9油层组至长1油层组均发育不同类型的沉积物变形构造，其中以长7油层组最为集中^[22-23]。

以上新认识、新进展极大地促进和丰富了鄂尔多斯盆地延长组沉积物变形构造的研究成果，但对于时空展布特征及分布规律研究偏少。在此基础之上，本文通过对鄂尔多斯盆地西南部镇原地区长7油层组沉积物变形构造的特征和时空展布进行分析，结合构造背景和沉积环境，详细讨论在斜坡背景下沉积物变形构造的演化规律和分布模式，以期揭示沉积物变形构造的触发因素和形成机制等理论认识。

在晚三叠世延长组沉积期，鄂尔多斯盆地底形整体呈南陡北缓、西陡东缓的不对称型箕状形态^[19]，西南部为碰撞造山带之间的前陆盆地构造背景^[24]，尤其是镇原、环县一带，同生构造活动非常频繁，使基底地形产生分异，引起不均衡的强烈下陷，导致湖盆中心向西南迁移。在长7油层组沉积期，基底下陷速率明显增大，使得盆地局部的不平稳性增强，西南部湖盆底形斜坡相对于东北部湖盆底形斜坡显著变陡，形成较大规模的坡折带^[25]。

在构造控制下，延长组沉积期形成一个完整的水进（长10—长7）、水退（长6—长1）沉积旋回^[26]，发育大面积半深湖—深湖沉积。特别是长7油层组沉积期，盆地大范围扩张，达到了鼎盛时期，半深湖—深湖区位于庆阳—环县—定边—志丹—富县所包围的地区，广泛发育厚度达上百米的暗色湖相泥岩、页岩等细粒沉积，后期形成了上三叠统最重要的优质烃源岩。长7油层组沉积中后期，由于湖盆周缘物源供给的增强，三角洲沉积体不断向湖盆方向推进^[27]，其中在半深湖—深湖沉积区，重力流沉积发育为该期的典型沉积特征^[28-30]。

本次研究区位于鄂尔多斯盆地西南部的镇原地区，北起合道，南至泾川，西起平凉，东至庆阳，总面积约4 500 km²，区域构造上东西横跨天环坳陷的南端，西接西缘逆冲带，东临伊陕斜坡[图 1（a）]。长7油层组进一步划分为长7₁、长7₂和长7₃等3个小层，在前陆盆地构造演化的背景之上，沉积底形整体表现为大型斜坡背景，陇西古陆提供充足的物源供给^[26]，主要发育辫状河三角洲沉积和半深湖—深湖沉积，同时发育砂质碎屑流、浊流等深水沉积^[31-33]，是研究区长7油层组最典型的优质储集体。其中长7₃小层沉积期，全区大范围被湖水浸没，半深湖—深湖区面积最大，坡折带发育[图 1（b）]；长7₂—长7₁小层沉积期，随着西南部陇西古陆物源供给的增加，全区湖盆开始萎缩，半深湖—深湖区面积逐渐减小[图 1（c）—（d）]。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地镇原地区位置及长7油层组古地貌演化（据文献[34-35]修改） Fig. 1 Location of Zhenyuan area in Ordos Basin and paleogeomorphic evolution of Chang 7 oil reservoir

在综合分析岩心岩性特征、形态特征和形成机制的基础上，识别出2类7种典型的沉积物变形构造，即沉积物侧向扰动变形（滑塌变形、液化卷曲变形、泥质撕裂屑）和垂向负荷变形（液化砂岩脉、球枕构造、火焰构造与重荷模），局部可见同沉积微裂缝。

（1）滑塌变形。滑塌变形是由于受到自身重力或外力触动作用（地震、火山、构造活动等），未固结的疏松沉积物稳态失衡，发生即时性、突发性或剧烈性的二次“集体搬运”及再沉积所表现出来的一类事件性沉积构造。通常为块体滑动后的滑塌与液化共同作用而产生的异地液化的结果，一般分布在坡折带构造区^{[31, 34-35]}。根据岩心观察，滑塌变形的滑塌面倾角近45°，滑塌层以细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩为主，沉积颗粒排列混杂，无定向性，层面断续、且不完整，疏松沉积物和植物碎屑混搅或被沥青充填，对变形期沉积环境具有重要的指示意义[图 2（a）—（b）]。滑塌变形分布较广，见于Y75井（长7₁）、Z170井（长7₂）、Y80（长7₁）、Z118井（长7₂）和Z349井（长7₂）等。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组典型沉积物变形构造 （a）滑塌变形，糅杂植物碎屑，Y75井，2 380.05 m；（b）滑塌变形，Z349井，2 303.90 m；（c）液化卷曲变形，Z118井，2 157.50 m；（d）液化卷曲变形，同沉积断裂，Z118井，2 157.50 m；（e）泥岩撕裂屑，Z218井，2 164.50 m；（f）球枕构造，Z349井，2 295.33 m；（g）液化砂岩脉，Y75井，2 417.60 m；（h）火焰构造，Z118井，2 156.30 m；（i）重荷模，Z118井，2 155.58 m Fig. 2 Typical soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area, Ordos Basin

（2）液化卷曲变形。液化卷曲变形是可塑性沉积颗粒受到横向剪切作用时孔隙水生成异常高压，在发生横向扰动或嵌入邻近的液化层中而液化重组的同时，拖动泥质层发生变形、移动或者不规则揉皱弯曲变形而形成的一系列形态各异、定向性差的褶曲。在研究区的长7油层组中，疏松沉积物在侧应力作用下未发生大幅度变形，但具有一定的纵向延伸性，反映了该期横向剪切作用具有穿层性波及的现象。表现为粉砂岩和粉砂质泥岩中可见清晰的泥岩条带，液化卷曲变形层的厚度为1~10 cm，常与小断层伴生^[36][图 2（c）—（d）]。液化卷曲变形见于Z118井（长7₂）、Z249井（长7₃）、Z74井（长7₂）、Z349井（长7₂）以及Z218井（长7₁）等。

（3）泥质撕裂屑。泥质撕裂屑是描述性术语，也被称作震碎角砾岩^[36]、滑塌角砾岩^[37]、泥质碎屑岩^[38]等。通常是指受到滑塌作用、重力作用或其他剧烈的外力驱使，塑性泥质沉积物脱离最大黏合力的束缚，发生泥质条带被“撕裂”而破碎的现象，形成规模不一、形态各异（棱角状、次棱角状、“菱角”状及其他不规则状）的泥砾，岩心上表现为在灰色、深灰色、绿灰色细砂岩、中—细砂岩中发育大规模的形似泥砾的不均匀游离分布现象。由于在破碎过程中发生一定程度的塑性改造变形，大部分破碎泥岩破坏强烈而难以拼接[图 2（e）]，只有局部泥砾可以归位拼合成完整的原始泥岩体。泥质撕裂屑见于Z74井（长7₂）、Z349井（长7₂）、Z218井（长7₁）和Z118井（长7₂）等。

（1）球枕构造。当沉积物未完全固结且密度大于下伏层沉积物时，由于密度差异、重力作用或其他外界作用力的影响，上覆相对高密度沉积物向下沉陷，直至脱落至下伏层而形成的一种液化变形构造^[39]。岩性主要为泥质粉砂岩夹砂质条带，通常呈椭球状，短轴一般不超过2 cm，长轴可大于5 cm [图 2（f）]。球枕构造见于Z74井（长7₂）和Z349井（长7₂）等。

（2）液化砂岩脉。液化砂岩脉也被称为砂岩脉（砂岩墙）、砂岩侵入体^[21]、液化砂脉^[36]等，是指下伏未固结的疏松砂岩受到压覆或挤压等外力作用，形成局部“高压”的液化状，沿不定方向刺入上覆未固结的沉积层（砂岩、泥岩或页岩）中，同时破坏了通道及附近原始沉积物的颗粒堆积状态，造成疏松沉积物颗粒发生一定程度的位移和再调整，形成“似喇叭状”或“几”字形等底劈构造^[23]。产状呈近垂直或垂直，局部可见不定角度倾斜甚至近平行。脉状体通常规模不大，直径为0.5~2.0 cm。液化砂岩脉主要见于Z170井（长7₂）、Y75井（长7₁和长7₂）[图 2（g）]等。

（3）重荷模与火焰构造。下伏饱和水的塑性泥岩受到上覆（砂）岩体不均匀负荷压力而使得底面不规则的砂质沉积物陷入泥质沉积物中而形成的一类层面构造变形。随着泥质物质的赋存空间受挤压而产生不同程度的塑性形变，在岩心柱纵向剖面上，塑性泥质似火焰状向上刺穿到上覆未固结的砂岩中，形成火焰构造，而在砂岩的底面上，则表现出圆丘状、椭圆丘状或不规则状小幅凸起的重荷模。重荷模与火焰构造是2种相伴生的同沉积变形构造。岩心观察显示，火焰呈尖凸状或平凸状，焰高为0.1~2.0 cm。由于压实受力程度不均，既有对称火焰也有不对称火焰发育；重荷模则较为扁平，平面排列无规则性[图 2（h）—（i）]。长7油层组沉积期为湖盆发育的鼎盛时期，重荷模与火焰构造颇为发育，见于Z74井（长7₂）、Z349井（长7₂）、Z118井（长7₂）及Z218井（长7₁）等。

通过对鄂尔多斯盆地西南部镇原地区长7油层组20口重点取心井344.00 m岩心精细观察和描述，共发现46块岩样、18.48 m岩心具有典型的沉积物变形构造现象。分析表明，沉积物变形构造在长7₂小层比较发育，有35块，总厚度为15.23 m，占比为82.41%。下部主要发育重荷模和火焰构造，其次是液化卷曲变形和滑塌变形；中、上部为沉积物变形构造集中发育段，包括滑塌变形、火焰构造、液化卷曲变形、球枕构造、液化砂岩脉及泥质撕裂屑，其中滑塌变形和火焰构造最为集中，其次是液化卷曲变形等。长7₁小层有9块，总厚度为3.12 m，占比为16.88%，沉积物变形构造发育频率明显降低，下部主要发育泥质撕裂屑和滑塌变形，其次是液化卷曲变形和火焰构造；上部主要发育滑塌变形及少量液化砂岩脉。长7₃小层仅在Z249井发现液化卷曲变形，总厚度为0.13 m，占比为0.7%。沉积物变形构造的类型和数量的演化特征为：长7₃小层沉积期的较不发育，到长7₂小层沉积期高频发育，再到长7₁小层沉积期明显减少（表 1）。

表 1(Table 1)

表 1 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组沉积物变形构造类型统计 Table 1 Statistics of soft-sediment deformation structure forms of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area, Ordos Basin 层位 小层 沉积物变形构造类型 样品数/块 样品总数/块 累计厚度/m 总厚度/m 长7 长71 滑塌变形 3 1.53 液化卷曲变形 1 0.27 液化砂岩脉 1 9 0.03 3.12 火焰构造 1 0.29 泥质撕裂屑 3 1.00 长72 滑塌变形 6 4.88 液化卷曲变形 5 1.76 液化砂岩脉 2 0.18 球枕构造 2 35 0.29 15.23 火焰构造 14 5.15 重荷模 3 2.65 泥质撕裂屑 3 0.32 长73 液化卷曲变形 1 1 0.13 0.13

下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组沉积物变形构造类型统计 Table 1 Statistics of soft-sediment deformation structure forms of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area, Ordos Basin

统计每块发育沉积物变形构造的岩样深度，换算每块岩样在相应小层中的相对深度百分比[公式为：相对深度百分比=（岩样深度-小层顶深）/小层厚度]。以全区综合柱状图为基础，根据对应的相对深度百分比，将每个样品投点到相应沉积物变形构造所对应的列中，即得到沉积物变形构造垂向分布图（图 3）。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组沉积物变形构造垂向分布 Fig. 3 Vertical distribution of soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area, Ordos Basin

结合岩心、录井和测井解释成果，统计全区暗色、高GR泥岩厚度，编制泥岩厚度等值线图（图 4）。结果表明，泥岩厚度突变带为近南北向，与物源供给方向近垂直^[26]，同半深湖—深湖的边界具有高度的一致性^{[25, 27]}。将每块发育沉积物变形构造的样品点投到泥岩厚度等值线图中，可以直观地发现，长7₃小层沉积物变形构造仅在吴城子Z249井可见；长7₂小层，沉积物变形构造主要发育在研究区中部沿暗色泥岩厚度突变带的区域，即天池—冰淋岔—太平一带最为集中，在中西部马渠乡—三叉一带局部也较发育；长7₁小层沉积物变形构造在研究区东部最为发育，其次是中西部和西南部地区（图 4）。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组暗色泥岩厚度和沉积物变形构造分布 Fig. 4 Distribution of dark mud and soft-sediment deformation structures of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area, Ordos Basin

在镇原地区沿斜坡下倾方向由西到东沉积变形构造发育数量增多，类型更加丰富。通过Y75— Z349—Z218连井剖面可知，长7₂小层沉积期，研究区西部邻近物源区，主要发育液化砂岩脉；中部发育多期滑塌变形、液化卷曲变形构造、火焰构造、泥质撕裂屑及球枕构造等；长7₁小层沉积期，研究区西部主要发育滑塌变形和少量泄水构造，东部发育火焰构造、液化卷曲变形和泥岩撕裂屑等（图 5）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组连井对比（平面位置见图 4） Fig. 5 Well-tie contrast of Chang 7 oil reservoir in Zhenyuan area, Ordos Basin

沉积物变形构造的触发因素是沉积物变形构造研究的重要内容。印支期是秦岭大规模造山的关键时期，秦岭的造山作用与鄂尔多斯盆地内陆湖盆的形成和演化构成有机的盆山耦合体系，控制了盆地西南部湖盆基底的沉降和坡折带的形成，对晚三叠世盆地演化起到至关重要的作用^{[3, 40-41]}。

在盆山耦合体系中，晚三叠世秦岭的造山作用使得盆地西南部的陇西古陆多期次隆升，为湖盆提供持续充足的下古生界混合花岗岩碎屑物质^[26]。相应地，盆地主体的多期次沉降保障了稳定的可容纳空间，形成相辅相成的源汇体系。据邓秀芹等^[40]、杨华等^[42]的研究成果，延长组发育区域性凝灰岩沉积，其中长7油层组中上部凝灰岩的发育时间为距今221.8±2.0 Ma，与此同时，重力流砂体的形成时间为距今224~215 Ma，二者在形成时间上具有一致性，推测为同期构造活动的产物。在研究区中东部半深湖—深湖区沉积中广泛发育重力流砂体沉积，为深湖相优质砂岩储集层^[43]，其中砂质碎屑流沉积和浊流沉积与沉积物变形构造呈间互性组合伴生（图 6）。故沉积物变形构造的发育与引起凝灰岩事件的盆山耦合过程存在密切关系。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地镇原地区长7油层组典型的砂质碎屑流沉积、浊流沉积和沉积物变形构造伴生现象 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

在盆地西南部整体斜坡和局部坡折带发育的背景下，盆山耦合作用使得区域基底断裂间歇性活动，促进了物源的充足供给，引起湖平面周期性升降变化。在湖平面由持续下降转换到湖平面上升阶段或者由湖平面上升转换到湖平面下降阶段是区域构造运动相对活跃的时期，易于引起地震活动、火山喷发、山体滑坡及缺氧事件^[44]等。当三角洲前缘饱含水的疏松碎屑物质持续高速率卸载、堆积，上覆新沉积的疏松沉积物不断对下伏沉积物产生重力负荷，如果再受到地震、火山活动等事件性地质作用影响，则较易打破先前物质的重力平衡，造成疏松沉积物质发生顺层滑移、滑动甚至大规模的滑塌，形成重力流沉积，伴生沉积物变形构造。其中在中东部地区的泥质撕裂屑中可见砂岩包裹凝灰岩团现象，揭示了该区先前可能有地震或火山喷发作用引起的凝灰岩集中发育事件（参见图 3）。

湖平面变化对沉积物变形构造的发育频率起到关键的控制作用，沉积物变形构造集中发育于湖盆周期性演化的活跃阶段。通过分析沉积物变形构造垂向分布可知（参见图 3），长7₃小层沉积期，为最大湖侵期，主要发育半深湖—深湖亚相的泥质沉积、小规模的砂质碎屑流沉积和浊流沉积，仅在早期发育少量的液化卷曲变形。长7₂小层沉积期，先后经历了短期湖退、长期湖退和湖侵，开始大范围发育砂质碎屑流沉积和浊流沉积。在短期湖退期，发育沉积物变形构造的层段占长7₂小层总厚度的27.70%；在长期湖退的晚期和长期湖侵的早期，沉积物变形构造大规模发育，占长7₂小层总厚度的58.17%，即在湖退和湖侵的转换期及其前后，是各类沉积物变形构造发育最集中的阶段，滑塌变形、火焰构造、液化卷曲变形、球枕构造、液化砂岩脉及泥质撕裂屑等均可见。长7₁小层沉积期，湖盆面积及半深湖—深湖亚相沉积面积进一步减小，浊流沉积最为发育。该期先后经历了早期的短期湖退和湖进以及中后期的大规模湖退。相对于长7₂小层沉积期，该期沉积物变形构造不甚发育，但在短期湖退和湖进的转换期以及短期湖进与长期湖退的转换期沉积物变形构造集中发育，其类型包括滑塌变形、泥质撕裂屑、液化卷曲变形、火焰构造及液化砂岩脉等。

在斜坡背景下，不同类型沉积物变形构造的分布与坡折带的发育具有密切的关系。随着向半深湖—深湖沉积区的推进，其类型发生规律性演化。由西部物源供给区向东部沉积卸载区，湖盆底形的坡度先稳定增加，在坡折带位置突然变陡，进入半深湖—深湖区则坡度变缓。

西部地区斜坡缓慢向湖延伸，随着西南部陇西古陆持续的物源供给，碎屑物质超负荷堆积，造成快速的差异压实和重力失稳现象，发育一系列滑塌变形构造和液化砂岩脉（图 7）；与西部地区相比，随斜坡区/三角洲前缘沉积区坡折带平缓区/半深湖—深湖沉积区平缓区/半深湖—深湖沉积区湖盆底形三角洲前缘砂质碎屑流沉积浊流沉积滑塌变形液化卷曲变形泥岩撕裂屑火焰构造与重荷模液化砂岩脉球枕构造70岩性油气藏第32卷第6期着碎屑物质的卸载和堆积，中部坡折带地区更易产生因重力失稳而发生滑移或滑塌，形成大量的侧向扰动控制的滑塌变形、液化卷曲变形构造、泥质撕裂屑以及垂向负荷变形形成火焰构造与重荷模、球枕构造等；碎屑物质越过坡折带，水深迅速增加，同时向前推进的阻力增大，在东部半深湖—深湖区，随着搬运距离的增加，碎屑物质黏度整体降低，易于形成泥质撕裂屑，同时伴随着差异压实形成的火焰构造与重荷模、液化砂岩脉以及少量的液化卷曲变形构造等。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 斜坡背景下不同类型沉积物变形构造的分布模式 Fig. 7 Distribution pattern of soft-sediment deformation structures on slope

（1）在鄂尔多斯盆地镇原地区发育了2类共7种典型的沉积物变形构造，即沉积物侧向扰动变形（滑塌变形、液化卷曲变形、泥质撕裂屑）和垂向负荷变形（液化砂岩脉、球枕构造、火焰构造与重荷模）。

（2）鄂尔多斯盆地镇原地区的沉积物变形构造在时空分布上，具有相对集中和局部分散的特征，垂向上，在长7₂小层最为集中，长7₁小层次之，长7₃小层较少；平面上，主要分布于中部的坡折带和东部的半深湖—深湖区。

（3）盆山耦合激活触发因素，湖平面升降控制沉积物变形构造的发育频率，坡折带影响沉积物变形构造的平面分布。在盆地西南部整体斜坡和局部坡折带发育的构造背景下，盆山耦合促进了基底断裂活动和沉积物的供给，激发了地震活动、火山喷发、山体滑坡及缺氧事件等。湖平面由持续下降转换到上升阶段或者由上升阶段转换到下降阶段是区域构造运动相对活跃的时期，也是沉积物变形构造集中发育的阶段。不同类型沉积物变形构造的分布与坡折带的的关系密切，随着向半深湖—深湖沉积区的推进，西部靠近物源区发育一系列滑塌变形构造和液化砂岩脉，中部坡折带区主要发育滑塌变形和液化卷曲变形构造，同时也发育一定规模的泥质撕裂屑以及火焰构造与重荷模、球枕构造等；东部半深湖—深湖平缓区主要发育泥质撕裂屑，同时可见差异压实形成的火焰构造与重荷模、液化砂岩脉以及液化卷曲变形构造等多种构造类型。