董萬百 張祥國 鐘建華 孫寧亮

（1.大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部 黑龍江大慶 163002；2.東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院 河北秦皇島 066004；3.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東青島 266580；4.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110819）

砂脈是一種常見而又特殊的沉積構(gòu)造。眾所周知，砂脈是識別地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造與非地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造的重要依據(jù)之一，也是震積巖中最為重要的軟沉積物變形構(gòu)造之一，甚至是發(fā)現(xiàn)和鑒別震積巖或古地震的標(biāo)志性構(gòu)造。迄今為止，關(guān)于砂脈能否作為地震發(fā)生的識別依據(jù)還存在著爭論。目前普遍認(rèn)為砂脈的成因多與地震誘發(fā)的液化作用和流化作用有關(guān)，因此，多通過對砂脈的甄別并結(jié)合變形巖層的其它幾何學(xué)及巖相學(xué)特征來鑒別古地震。但也有一些學(xué)者認(rèn)為砂脈并非單一成因，因?yàn)槟芤疖洺练e物變形的擾動(dòng)力很多，不只是地震作用，其它地質(zhì)作用也會引起軟沉積物變形，所以將砂脈作為識別古地震的標(biāo)志還有待商榷。此外，目前國際上對砂脈的定義和理解亦很離散，這也是影響砂脈成因研究和應(yīng)用的主要障礙。

按照成因砂脈可以分為兩大類：一種是由超壓形成的注入砂脈（injection dikes），液化砂在高壓的驅(qū)動(dòng)下從下向上進(jìn)入寄主層；另一種是由正常壓力形成的充填砂脈（Neptunian dikes），充填物從上向下進(jìn)入裂縫或節(jié)理（Montenat et al.，1991）。由于第一種砂脈多見，因而是研究的主要對象。

注入砂脈（injection dikes），又可以稱為“主動(dòng)充填砂脈”，是一種超壓流體形成的典型構(gòu)造。由高壓液化、流化與水力破裂共同作用形成的注入砂脈（Lowe and LoPiccolo，1974；Lowe，1975，1976；Cosgrove，1995；Ha?uszczak，2007）。當(dāng)砂體被埋藏后，孔隙流體的壓力超過寄主層裂縫的抗張強(qiáng)度引起高壓砂的注入（Jolly and Lonergan，2002）。這一過程可形成毫米級到千米級的水力壓裂裂縫，其走向往往垂直于最小主應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到了流化速度時(shí)，往往被砂—流體混合物充填（Vigorito and Hurst，2010）。砂脈的形成動(dòng)力可以分為兩種：一種是超高壓；另一種是負(fù)壓或超低壓，即裂縫突然打開形成的小于周圍環(huán)境或圍巖的欠壓。

（1）高壓注入砂脈。形成超高壓砂脈的原因有6 種：1）地震液化是形成超壓和形成液化的常見現(xiàn)象（Sims，1973）。2）上覆巖層或沉積物形成的超壓。松散的沉積物在上覆壓力突然增大的情況下會形成砂脈， 如de Machuca and Perucca（2015）發(fā)現(xiàn)阿根廷Precordillera 東部La Chilca 地區(qū)的砂脈成因與上覆的巨厚巖層和火山巖形成的超高壓有關(guān)。三角洲前緣的滑動(dòng)滑塌是較常見的因超壓液化而形成砂脈的地質(zhì)過程；冰川的移動(dòng)也會形成超高壓，是其下部的富水松散泥沙粉砂液化，并形成砂脈（Le Heron and Etienne，2005；van der Meer et al.，2009）。3）構(gòu)造應(yīng)力形成的超壓。如Monnier et al.（2015）詳細(xì)研究了法國東南Bevons 地區(qū)Vocontian 盆地阿爾必期由異常的古應(yīng)力場造成的超壓形成的大型砂脈，明確指出其非地震成因，并認(rèn)為這種砂脈的最大特點(diǎn)是延伸方向與最小主應(yīng)力垂直，揭示了砂脈的形成受區(qū)域應(yīng)力場控制。4）超高壓流體作用。Greb and Archer（2007）研究認(rèn)為，阿拉斯加Turnagain Arm 地區(qū)河口潮汐起落幅度可達(dá)9 m，在這種強(qiáng)大的潮汐作用（高壓流體）下形成了一些包括砂脈在內(nèi)的軟沉積物變形構(gòu)造；Monnier et al.（2015）在法國東南Vocontian 盆地內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了一些大型的稀疏直立的砂脈。5）水體劇烈動(dòng)蕩使剛沉積下來的松軟沉積物發(fā)生超壓，形成小型砂脈，如Meshram et al.（2011）在印度西海岸Dive Agar 海灘發(fā)現(xiàn)2004 年的海嘯使該地軟沉物發(fā)生變形從而形成了砂脈。6）生排烴形成的高壓驅(qū)動(dòng)了未完全固結(jié)的泥沙而形成砂脈。

（2）負(fù)壓注入砂脈。當(dāng)未固結(jié)的沉積物在一個(gè)伸展區(qū)域被快速地充填到米級到千米級深，突然被打開或再次被打開的裂縫或斷層中的時(shí)候，發(fā)生的亞侵入充填，充填物由于裂縫打開形成局部欠壓，而被吸入到裂縫或斷層中（Vitanage，1954； Harms， 1965； Winslow， 1983； Phillips and Alsop， 2000； Rowe et al.， 2002； Wall and Jenkyns， 2004； Ribeiro and Terrinha， 2007；Scholz et al.，2009；Scholz，2010）。這些現(xiàn)象揭示了砂脈的充注動(dòng)力非常復(fù)雜。同生的超壓孔隙流體促使斷層活動(dòng)形成裂縫，為砂脈形成提供空間（Grauls and Baleix，1994；Sibson，1995；Wall and Jenkyns，2004；Bureau et al.，2013）。地震可使近地表砂層液化，液化砂體下部（＜10 m）有一個(gè)固結(jié)的沉積層（Obermeier et al.，1989），液化的砂通過流化方式向上擴(kuò)展形成典型的砂火山（Montenat et al.，1991；Obermeier，1996），這一現(xiàn)象揭示了固結(jié)基底在砂層液化過程中具有重要作用。有兩種過程必須區(qū)分開：一是不同類型的應(yīng)力在硬巖中形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)（各種成因的繼承性裂縫、構(gòu)造破裂和水力壓裂等）；二是超壓軟沉積物對裂縫的充填，充填物可以穿透斷層帶。這兩種現(xiàn)象必須同時(shí)和連續(xù)發(fā)生，且不斷循環(huán)。充填和封閉的裂縫可以被重新打開和再充填，因此，通過砂充注特征可以記錄注入時(shí)間幕。這些巖脈表現(xiàn)為碟狀、柱狀流體逃逸（寄主巖壁外的彎曲）。砂脈有時(shí)形成于同沉積裂縫，這種同沉積裂縫是形成砂脈的沉積物水下收縮的結(jié)果。形成在硬巖中的砂脈一般成組成群出現(xiàn)，向各個(gè)方向充注，尤其是向緊靠活動(dòng)斷層面的巖石充填，造成硬巖中產(chǎn)生形態(tài)復(fù)雜的充填裂縫。所以，通過砂脈的微結(jié)構(gòu)研究可以反演砂脈的形成過程和形成動(dòng)力。因此，明確向各個(gè)方向充注的巖脈群的幾何學(xué)特征是識別地震成因砂脈的標(biāo)準(zhǔn)。

水成砂脈（Neptunian dikes）又可以稱為“被動(dòng)充填的砂脈”，這種砂脈應(yīng)該屬于第二種砂脈。這種砂脈是由早期形成的毫米到米級裂縫或孔洞由于重力作用，多在有水的條件下被緩慢充填形成的（Montenat et al.，1991；Mallarino，2002），總的來說，這種砂脈相對較少（Le Heron and Etienne，2005）。水成砂脈與各種成因的張性裂縫有關(guān)，譬如與伸展有關(guān)的滑動(dòng)滑塌、與斜坡有關(guān)的松弛及張性裂縫、與底辟有關(guān)的裂縫及超負(fù)載等，且裂縫長期保持開放。地震會形成大量開放性裂縫，隨后被沉積物充填，表面上與非地震成因砂脈沒有差別（Demoulin，1996）。但非地震形成的砂脈多為泥質(zhì)環(huán)境的密度流充填（Beaudoin et al.，1982，1983）。充填海底開放性裂縫的砂流來自于超載注入，由砂和生物碎屑充填形成的大尺度水成砂脈經(jīng)常發(fā)生褶皺變形（Beaudoin and Friès，1982），這揭示了砂脈切割了早期未成巖的沉積物，后期受泄水和壓實(shí)作用的影響所致。水成脈被大規(guī)模的水和細(xì)粒泥質(zhì)物混合充填，細(xì)粒物質(zhì)甚至還會穿透基底的孔洞。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生震動(dòng)時(shí)，這些流體形成高壓，注入到斷層帶內(nèi)形成新的高壓注入砂脈，使砂脈的性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。

除了上述成因外，砂脈還有暴露充填成因，如在一些斜坡地帶，重力誘發(fā)的滑動(dòng)滑塌也會產(chǎn)生裂縫，然后被砂泥充填形成砂脈。鐘建華和李理（2000）在黃河下游邊灘、心灘外緣觀察到這種大型滑動(dòng)滑塌形成的現(xiàn)代砂脈。在三角洲前緣這種砂脈則更常見，如在山東青島靈山島野外露頭區(qū)的三角洲前緣亞相中也發(fā)現(xiàn)了這種砂脈（鐘建華等，2020b）。鐘建華（1997）根據(jù)黃河三角洲邊灘、心灘廣泛發(fā)育的雨水侵蝕溝槽被風(fēng)成砂充填這一現(xiàn)象，提出砂脈也可由這種方式形成，不能否認(rèn)有些被動(dòng)砂脈（passive dikes）就是通過這種方式形成的。

古龍凹陷青山口組中的砂脈與上述兩種砂脈都截然不同，既不是“注入砂脈”或“主動(dòng)充填砂脈”，也不是“水成砂脈”或“被動(dòng)充填的砂脈”，而是一種幾何學(xué)和成因都很獨(dú)特的砂脈，是一種靠密度倒置引起的重力墜落形成的砂脈，我們把它稱為“重力墜落砂脈”。這種砂脈的發(fā)現(xiàn)對于豐富完善沉積學(xué)基礎(chǔ)理論和古龍凹陷青山口組的基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)研究具有一定的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地北部面積11.95×104km2，是一個(gè)中新生代內(nèi)陸斷坳疊合盆地，分為中央坳陷區(qū)、西部斜坡區(qū)、北部傾沒區(qū)、東北隆起區(qū)和東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)6 個(gè)一級構(gòu)造單元（圖1）。研究區(qū)在松遼盆地北部的一級構(gòu)造單元中央坳陷區(qū)內(nèi)，主體部分位于泰康隆起帶和龍虎泡—大安階地上，西部與西部斜坡區(qū)相鄰，東部與齊家—古龍凹陷相鄰，龍虎泡—大安階地為其主體部分，區(qū)內(nèi)由深至淺構(gòu)造格局基本一致，整體表現(xiàn)為西北高、東南低的單斜構(gòu)造。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造分區(qū)及位置圖a.松遼盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)位置；b.研究區(qū)位置放大及井位分布Fig.1 Structural zoning and location map of the study area

松遼盆地的白堊系自下而上分別發(fā)育了火石嶺組、沙河子組、營城組、登樓庫組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組，但由于地層厚度太大，總結(jié)在一張柱狀圖中有困難，白堊紀(jì)地層僅從登樓庫組開始（圖2）。青山口組可以分為3 段，主要為一套灰黑—黑色的泥頁巖，夾少量淺灰—灰色薄層狀粉砂巖和白云巖薄層或透鏡體，還有少量介形蟲灰?guī)r，少含黃鐵礦結(jié)核。

圖2 研究區(qū)地層柱狀圖Fig.2 Strata columnar in the study area

松遼盆地是中新生代發(fā)育的以古生代和前古生代變質(zhì)巖系為基底的大型含油氣沉積盆地，其發(fā)展先后經(jīng)歷了斷陷、坳陷和反轉(zhuǎn)作用3 個(gè)構(gòu)造演化階段，形成了一系列伸展、擠壓、反轉(zhuǎn)構(gòu)造，構(gòu)造變形的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對沉積作用產(chǎn)生了重要影響。

嫩江組末期發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)（陳昭年和陳景發(fā)，1996），松遼盆地由伸展沉降轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓隆起，使四方臺組、明水組、依安組、大安組和泰康組隆起褶皺，并發(fā)育了4 個(gè)不整合面。北西西—南東東向擠壓導(dǎo)致松遼發(fā)育了一系列以長垣和敖古拉為代表的北北東向背斜，在敖古拉和長垣背斜夾持的古龍凹陷中的青山口組遭受了強(qiáng)烈的北北西—南南東向側(cè)向擠壓，發(fā)育了一系列北西西—南東東向擠壓形成的共軛剪切裂縫和順頁理滑動(dòng)，形成了大量順頁理縫，為提高青山口組頁巖儲集能力起到了重要的作用。

坳陷沉積時(shí)期發(fā)生兩次大湖侵，盆地中部產(chǎn)生較大面積的深湖—半深湖區(qū)，形成了青山口組和嫩江組兩套大規(guī)模湖相沉積，是盆地主要烴源巖發(fā)育的時(shí)期，也是頁巖油主要發(fā)育層位。青山口組是頁巖油發(fā)育的主要層段，青一段主要是一套黑色—灰黑色泥頁巖（圖2），有機(jī)質(zhì)含量較高，底部有3、4 層油頁巖，是主要的頁巖油發(fā)育層段。

研究表明，松遼盆地青山口組發(fā)育了豐富的頁巖油，資源量可達(dá)151 億噸，是大慶油田重要的接替資源。青山口組的頁巖油油源儲比大于95%（龐彥明等，2021），單砂體厚度一般小于0.20 m，偶見1 m 厚的粉砂巖。屬于典型的純頁巖型（Ⅲ型）頁巖油（王廣昀等，2020）。過去在青山口組地層、儲層及頁巖油的研究上已經(jīng)取得了很多成果（邵紅梅等，2021；王鳳蘭等，2021；何文淵， 2022， 2023； 何文淵等， 2022， 2023a，2023b；孫龍德等，2023），但還存在一些基礎(chǔ)地質(zhì)問題認(rèn)識不清，包括其沉積環(huán)境，是一個(gè)簡單的深湖、半深湖相，還是有更復(fù)雜的環(huán)境分化和異化。近期的研究發(fā)現(xiàn)古龍頁巖中發(fā)育了大量的粉砂巖脈，成為頁巖儲層中的獨(dú)特構(gòu)造，非其它盆地所有。

2 重力墜落砂脈的特點(diǎn)

從成因和幾何特點(diǎn)看，古龍凹陷青山口組頁巖油儲層中的絕大部分砂脈是重力墜落砂脈，成因獨(dú)特。

（1）砂脈的宏觀與微觀特點(diǎn)

1）砂脈的宏觀特點(diǎn)

砂脈的形態(tài)非常復(fù)雜（圖3），初步可以分為5 種：第一種是標(biāo)準(zhǔn)型的，砂脈呈纖細(xì)狀，邊緣清晰，上下寬度比較一致，略曲或彎曲成腸狀，但不重疊，豎面寬度在1～2 mm（其實(shí)，向巖心里面還可以延伸，甚至延伸很遠(yuǎn)），高度在數(shù)厘米（圖3a、圖3b）；第二種是短粗型的砂脈，寬度在2～3 mm，高在數(shù)毫米到1 cm（圖3c 中的紅色箭頭），密集發(fā)育；第三種是粗細(xì)變化大，忽而變細(xì)或忽而變粗，甚至中斷（圖3d～圖3g），豎面寬度在數(shù)毫米，高數(shù)厘米；第四種是重疊集結(jié)成團(tuán)塊狀（圖3f、圖3g 中的紅色箭頭），但可以看出邊界，豎面寬度在數(shù)毫米到數(shù)厘米，高數(shù)厘米；第五種是團(tuán)塊狀，長寬近相等，直徑在數(shù)厘米到十余厘米，內(nèi)部均一或含泥屑（圖3k、圖3l），邊緣平整或參差不齊，順層或近順層（圖3h～圖3j），厚度在毫米級到厘米級，砂侵入對圍巖有明顯的侵入和撕裂現(xiàn)象，在顯微鏡下可以見到明顯的侵入和切割與撕裂現(xiàn)象（圖3k、圖3l）。重力墜落砂脈的發(fā)育非常復(fù)雜，在一個(gè)液化層中會發(fā)育多種砂脈，組合成液化砂脈集合體（圖3m）。所有砂脈的發(fā)育都是從最上部的粉砂層中開始的，因液化墜落而出現(xiàn)兩個(gè)缺口（圖3a 中的黃色箭頭）；液化的粉砂穿越了中部的粉砂層（圖3b 中的藍(lán)色箭頭）而墜落到下部的灰黑色泥質(zhì)沉積中，形成砂脈。

圖3 古龍凹陷青山口組液化重力墜落粉砂砂脈a.小型纖細(xì)腸狀砂脈（紅色箭頭），因壓實(shí)呈腸狀；b.小型纖細(xì)腸狀砂脈（紅色箭頭）因壓實(shí)呈腸狀；c.小型團(tuán)塊狀砂脈（紅色箭頭）；橙色箭頭指示的粉砂透鏡體是一個(gè)風(fēng)暴形成的丘狀構(gòu)造，其中發(fā)育了丘狀交錯(cuò)層理；d.復(fù)雜的傾斜疊合腸狀砂脈；e.復(fù)雜的傾斜疊合腸狀砂脈；f.復(fù)雜的腸狀砂脈（紅色箭頭），寬度變化較大，首尾尖銳，中間較寬；g.復(fù)雜的腸狀砂脈（紅色箭頭）；h.復(fù)雜的腸狀砂脈（紅色箭頭），疊合成平臥“U”形；i.簡單的砂脈（紅色箭頭）和團(tuán)塊狀砂脈（藍(lán)色箭頭）；團(tuán)塊狀砂脈（藍(lán)色箭頭）呈鐘形；j.順層砂脈（紅色箭頭），與傾斜砂脈（藍(lán)色箭頭）相連，并把其中的頁巖撕裂（右側(cè)紅色箭頭）；k.顯微砂脈，由水平和垂直兩種組成，水平砂脈斜切了頁理；垂直砂脈發(fā)育在水平砂脈的底部；l.顯微砂脈，其中的黑色顆粒為泥屑；m.復(fù)雜的重力墜落砂脈組合，反映了液化極其強(qiáng)烈Fig.3 Liquefaction gravity fall silty dikes in Qingshankou Formation，Gulong Sag

砂脈的幾何學(xué)特點(diǎn)可以分為兩種：第一種是呈纖細(xì)狀，邊緣清晰，上下寬度比較一致（圖3a、圖3b）；第二種是上下粗細(xì)變化大，忽而變細(xì)或忽而變粗，甚至成團(tuán)塊狀（圖3f～圖3h）。這兩種砂脈的形成過程不同，前者可能是液化砂在一種比較“粘稠”的狀態(tài)和底部的泥質(zhì)也比較粘稠的條件下形成的，液化砂得以以勻速緩慢的速度墜入泥質(zhì)沉積中，形成比較典型的腸狀砂脈（圖3a、圖3b）；而第二種則可能是液化砂含水較高比較稀和下部的泥質(zhì)沉積也比較稀的情況下形成的，液化稀砂往下墜落到稀泥中如遇到底部沉積物較硬時(shí)容易堆積膨化（圖3f～圖3h，圖4a、圖4d～圖4f）。第一種砂脈在后期的壓實(shí)過程中容易發(fā)育成比較規(guī)則的腸狀砂脈（圖3a、圖3b）；而第二種砂脈在后期的壓實(shí)過程中變化較小，不容易發(fā)育成腸狀砂脈，而是發(fā)育成砂團(tuán)（圖4d）或砂透鏡體（圖3m，圖4a、圖4c）或梨形（圖4a、圖4e、圖4f）。液化稀砂往下墜落時(shí)會撕裂和捕獲周圍的稀泥形成泥屑團(tuán)塊（圖4a～圖4c 中的藍(lán)色箭頭；圖4h 中的黃色箭頭）。

圖4 重力墜落砂脈的內(nèi)部碎屑結(jié)構(gòu)a～d.強(qiáng)烈重力墜落形成的砂脈，從四周的視圖可以見到沿這個(gè)巖心都發(fā)育了很好的砂脈；e.重力墜落砂脈，強(qiáng)烈地撕裂了灰黑色泥巖；f.圖e 中的藍(lán)色方框放大，可見下寬上窄呈梨形，揭示了基底較硬；g.圖f 中的紅色方框放大30 倍，可見大量灰黑色條帶狀泥屑（紅色箭頭）和黃褐色的方解石膠結(jié)物（藍(lán)色箭頭），揭示了砂脈在形成過程中捕獲了圍巖物質(zhì)；h.圖f 中的黃色方框放大30 倍，可見灰黑色棱角狀泥屑（黃色箭頭）和黃褐色的方解石膠結(jié)物（藍(lán)色箭頭），同樣揭示了砂脈在形成過程中捕獲了圍巖物質(zhì)Fig.4 Internal clastic structure of gravity fall liquefied sand dikes

重力墜落砂脈內(nèi)部的碎屑結(jié)構(gòu)包括顆粒的類型、大小、相互關(guān)系和鈣質(zhì)膠結(jié)物（圖4g、圖4h）。重力墜落形成的砂液化非常好的時(shí)候，墜落沉降的液化砂會直達(dá)硬底，形成一種底部膨大的梨形砂脈（圖4e、圖4f）。圖4e 的藍(lán)色方框放大成圖4f，又把圖4f 中的紅色和黃色方框通過手機(jī)顯微鏡放大30 倍（圖4g、圖4h），可以見到灰黑色的泥屑撕裂成條帶狀（紅色箭頭）或棱角狀（黃色箭頭），在泥屑之間為方解石膠結(jié)物（圖4g、圖4h 中的藍(lán)色箭頭）?？梢娭亓嬄渖懊}對圍巖也有強(qiáng)烈的侵蝕撕裂，也揭示了當(dāng)時(shí)灰黑色的泥質(zhì)沉積還很軟。

重力墜落砂脈的發(fā)育受到3 種因素的影響：一是液化程度；二是圍巖的性質(zhì)和圍巖液化程度；三是重力墜落砂脈墜落基底的巖性。第一種在液化程度較強(qiáng)、狀態(tài)較稀，且底部泥質(zhì)也比較稀的條件下，液化砂以較快的速度墜入泥質(zhì)沉積中，形成比較細(xì)、長的砂脈（圖3a、圖3b）；第二種在液化較弱、狀態(tài)較“粘稠”，且底部泥質(zhì)也比較粘稠的條件下，液化砂勻速緩慢地墜入泥質(zhì)沉積中，形成底部比較粗大的砂脈（圖4a、圖4e、圖4f）；而第三種是在液化程度很弱、狀態(tài)很粘稠，且下部的泥質(zhì)沉積也比較粘稠的情況下，液化稀砂往下墜落容易堆積成團(tuán)（圖4d～圖4f）。第一種砂脈在后期的壓實(shí)過程中容易發(fā)育成比較規(guī)則的腸狀砂脈（圖4a～圖4c），第二種砂脈在后期的壓實(shí)過程中變化較小，不容易發(fā)育成腸狀砂脈，而是發(fā)育成球狀或扁平的透鏡狀砂團(tuán)或砂透鏡體（圖4e）。

重力墜落砂脈在巖層層面上也有特點(diǎn)，其底部具有蟲跡或泥裂的假象（圖5），有短梭狀、細(xì)脈狀、細(xì)線狀等，大部分在層面上排列沒有方向性（圖5a、圖5b），但少數(shù)有一定的優(yōu)選排列（圖5c、圖5e、圖5g）或交織成網(wǎng)狀（圖5d）。有時(shí)在面上可以見到砂脈形成的鑄模（圖5f）。從三維上看大部分這種砂脈是一種凹凸不平的曲面板片。

圖5 砂脈底部的形態(tài)與結(jié)構(gòu)a.砂脈底面，可見砂脈呈短梭形（紅色箭頭），兩端尖，中間寬，在有的地方相交（橙色箭頭），表面上看像蟲跡；b.砂脈底面，可見砂脈纖細(xì)（紅色箭頭），密布在層面上；c.砂脈底面，可見砂脈纖細(xì)（紅色箭頭），密布在層面上；d.緊貼在液化粉砂巖底面的纖細(xì)砂脈（紅色箭頭），可見線性砂脈（紅色箭頭）交織成網(wǎng)狀，分叉和交匯頻繁（橙色箭頭）；e.砂脈底面，可見砂脈呈短梭形（紅色箭頭）；f.砂脈頂面的鑄模（藍(lán)色箭頭），可見呈槽狀，兩端尖，中間寬；g.產(chǎn)在頁巖中的纖細(xì)砂脈底面，略具有一定的排列優(yōu)選性，與紅色箭頭方向垂直；h.緊貼在液化粉砂巖底面的纖細(xì)砂脈（紅色箭頭）Fig.5 Morphology and structure of the bottom of sand dikes

2）砂脈的顯微特點(diǎn)

顯微鏡下可以見到砂脈的很多細(xì)節(jié)（圖6）。觀察研究后，總結(jié)出以下特點(diǎn)：一是泥質(zhì)被砂侵入擾動(dòng)明顯，邊界清晰（圖6）；二是砂脈中多有粉砂級泥屑，越靠近圍巖越多（圖6b、圖6d），但有時(shí)整個(gè)砂脈都混合了泥屑（圖6d）；三是有時(shí)會發(fā)育砂泥混合帶（圖6c）；四是泥質(zhì)圍巖受粉砂流動(dòng)而流變明顯，形成一些流動(dòng)構(gòu)造（圖6c、圖6d）；五是液化的粉砂常呈團(tuán)塊狀分布；六是砂脈具有相對較好的孔滲，后文詳述?？傊?，顯微鏡下砂脈的流動(dòng)特點(diǎn)非常明顯。

圖6 砂脈的顯微結(jié)構(gòu)a.砂脈與棕褐色泥巖邊界清晰，砂脈中有一些棕褐色的粉砂級泥屑（紅色箭頭），泥巖流變呈鵝頭狀，前端發(fā)育了一個(gè)尖喙（藍(lán)色箭頭），侵入了一些粉砂顆粒（黃色箭頭），單偏光；b.砂脈與棕褐色泥巖邊界清晰，邊界呈鋸齒狀，似乎是粉砂侵入到泥質(zhì)中（紅色虛線框住的部分），砂脈中有一些灰黑色的粉砂級泥屑（紅色箭頭），單偏光；c.砂脈與棕褐色泥巖邊界清晰，砂脈非常纖細(xì)，邊界呈鋸齒狀，砂脈中有一些棕褐色的粉砂級泥屑（紅色箭頭），泥擠入粉砂中（藍(lán)色箭頭），單偏光；d.上部砂脈與棕褐色泥巖邊界清晰，有大量棕褐色粉砂級泥屑（紅色箭頭），泥擠入粉砂中（藍(lán)色箭頭），粉砂也呈團(tuán)塊狀（黃色箭頭）發(fā)育在棕紅色泥質(zhì)中Fig.6 Microstructure of sand dikes

（2）砂脈的物質(zhì)組成

砂脈的物質(zhì)成分以鈣質(zhì)泥屑粉砂、含介形蟲碎屑泥屑粉砂和泥屑為主（圖4，圖6），還可以見到凝灰?guī)r脈、黃鐵礦脈、泥脈、介形蟲脈和藻屑脈5 種類型（限于篇幅，本文暫時(shí)不討論）。對于鈣質(zhì)粉砂巖脈來說，幾乎都有介形蟲或介形蟲碎屑，也間接地揭示了粉砂來自于濱淺湖帶的淺水環(huán)境，是由風(fēng)暴或（風(fēng)暴觸發(fā)）濁流帶進(jìn)來的。關(guān)于各種成分不同的砂脈將在后文詳述。

（3）砂脈的結(jié)構(gòu)

砂脈的組成可以分為兩個(gè)部分：砂脈主體和砂脈邊緣（圖6）。砂脈的主體是砂脈的內(nèi)部；而砂脈的邊緣則指砂脈與圍巖接觸的地方。砂脈的邊緣可以分為兩種：一種是平整型（圖3k），一般較少；另一種是凹凸不平型（圖4a、圖4b），這種形態(tài)的砂脈邊緣有時(shí)會發(fā)育一種鰲狀構(gòu)造，揭示了液化砂的擠入和壓實(shí)差異。一次規(guī)模較大的砂墜落會形成多種復(fù)雜的砂脈組合（圖3e，圖4a～圖4d）。

（4）砂脈的產(chǎn)狀

因?yàn)楣琵埌枷萸嗌娇诮M中的重力墜落砂脈的產(chǎn)狀非常重要，所以我們單獨(dú)討論。古龍青山口頁巖中的重力墜落砂脈普遍傾斜（圖3，圖4）。這種傾斜主要是由順層剪切形成的（圖7，圖8）（何文淵等，2022）。根據(jù)砂脈傾角不同，可以分為4種：第一種是豎直砂脈，傾角大于75°，較少，一般只發(fā)育在白云巖中；第二種是陡傾斜砂脈，傾角在60°～75°（圖3a、圖3b）；第三種是中等傾斜砂脈，傾角在30°～60°（圖7a、圖7a'、圖7c、圖7c'），占多數(shù)；第四種是急傾斜砂脈，傾角小于5°～30°（圖7b、圖7b'）；第五種是水平砂脈，傾角小于5°（圖3j、圖3k、圖3n）。

圖7 巖心上的傾斜腸狀砂脈揭示了順層剪切滑動(dòng)a.巖心上的中等傾斜腸狀砂脈；a'.圖a 傾斜腸狀砂脈后面180°的照片；b.巖心上的緩傾斜腸狀砂脈，傾角15°；b'.圖b 傾斜腸狀砂脈后面180°的照片，傾角23°；c.巖心上的中等傾斜腸狀砂脈，傾角33°；c'.圖c 中等傾斜腸狀砂脈后面180°的照片，傾角46°；d.剛形成的豎直砂脈；e.左行剪切形成的傾斜砂脈，加上垂向壓實(shí)成腸狀Fig.7 Inclined intestine-like dikes in the core reveal bedding shear slip

圖8 剪切和壓實(shí)形成傾斜腸狀砂脈示意圖a.傾斜腸狀砂脈；b.另一處傾斜腸狀砂脈的放大照片；c.重力墜落形成了3 條豎直的砂脈（紅色豎直線）；d.豎直砂脈在垂向壓實(shí)作用下褶皺成腸狀；e.在順層剪切作用下豎直的腸狀砂脈發(fā)生傾斜Fig.8 Schematic diagram of the intestine-like inclined sand dikes formed by shearing and compaction

砂脈的傾角由3 個(gè)因素決定：一個(gè)是順層剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度越大傾角越小，反之越大；第二是壓實(shí)率，壓實(shí)率越小傾角越大，反之越??；第三個(gè)是順層剪切發(fā)生的時(shí)間，發(fā)生越晚傾角會越小，反之越大。

順層剪切是個(gè)復(fù)雜的過程，在區(qū)域上可能沒有統(tǒng)一的方向，甚至在局部的一定厚度內(nèi)也沒有統(tǒng)一的方向，呈現(xiàn)出忽左忽右（圖9）。對巖心的觀察表明，砂脈的傾向是往復(fù)重復(fù)的，相鄰的砂脈左行和右行交互出現(xiàn)（圖9b、圖9c），這揭示了順層剪切是在短距離（厘米級）內(nèi)左右行交互，形成了這種類似羽狀或青魚骨刺的砂脈（圖9b）。這種剪切的機(jī)制是什么？很可能是壓實(shí)形成的，有待今后深入研究。

圖9 砂脈的多向及其反向順層剪切a.砂脈呈不規(guī)則平臥“V”形，是沿著黃色箭頭的順層剪切滑動(dòng)形成的；b.一套較規(guī)則的復(fù)雜雙向順層剪切形成的復(fù)雜砂脈組合，可以見到在厘米級尺度內(nèi)順層剪切的方向總在變化180°方向進(jìn)行；c.一套不規(guī)則的復(fù)雜雙向順層剪切形成的復(fù)雜砂脈組合，可以見到在厘米級尺度內(nèi)順層剪切的方向總在180°方向進(jìn)行，但滑動(dòng)距離變化很大，上部的滑動(dòng)距離在數(shù)厘米，而下部的僅不到1 cmFig.9 Multidirectional sand dikes and their opposite bedding shear

（5）砂脈的孔隙

大多數(shù)砂脈的孔隙發(fā)育不好，但有的砂脈孔隙度較好（圖10），鑄體薄片揭示孔隙以微米級為主。這種孔隙有個(gè)特點(diǎn)，就是孔隙發(fā)育在顆粒的邊緣，形成一種不連續(xù)的環(huán)狀孔隙，可能是溶蝕形成的。砂脈的孔隙直徑或?qū)挾榷嘣谖⒚准?，看似不大，但對于古龍頁巖油儲層來說這種孔就是非常大的。可以肯定，砂脈對于局部物性的改造和優(yōu)化是有積極意義的。但這種現(xiàn)象并不普遍，很多砂脈就沒有這種孔隙。

圖10 重力墜落砂脈發(fā)育了大量微孔a.近順層的薄層狀砂脈，寬1 mm，長6 mm（兩端未見端點(diǎn)），其中發(fā)育了大量的微孔，主要為顆粒邊緣的環(huán)形孔；b.順層的小型透鏡狀砂脈，極其纖細(xì)，厚度1 mm，寬4.5 mm，顆粒邊緣孔發(fā)育；c.近順層的砂脈，厚度不穩(wěn)定，介于100～600 μm 之間，顆粒邊緣孔發(fā)育，其中有一條斷續(xù)的裂縫，被瀝青充填；d.豎直砂脈，像氣球狀，上部寬1 mm 下部400～500 μm，高3.5 mm，邊緣微孔非常發(fā)育；e.順層和傾斜砂脈，邊緣孔發(fā)育，周圍含有機(jī)質(zhì)很高的粘土Fig.10 A large number of micropores developed in gravity fall liquefied sand dikes

（6）重力墜落砂脈的伴生、共生軟變形構(gòu)造

重力墜落砂脈往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的，與之伴生和共生的有液化砂條帶、液化砂團(tuán)塊、液化眼球、液化砂星點(diǎn)等。

1）變形層理

液化構(gòu)造最常見的伴生、共生構(gòu)造是變形層理，規(guī)?？傮w較小，尺度在厘米級，多不規(guī)則。因?yàn)樯懊}本身是軟沉積物變形產(chǎn)物，各種形態(tài)、各種尺度和各種產(chǎn)狀的變形層理均可見到。由于液化強(qiáng)烈，很多水流或近水平的薄粉砂層都發(fā)生了完全液化（圖11a），變的非常軟，很容易被液化砂脈穿越，圖11a 中的藍(lán)色箭頭指示了穿越砂脈的軌跡。所以，整個(gè)圖片上穿越引起的軟變形很發(fā)育（紅色箭頭）。

圖11 液化墜落砂脈及砂巖碎片a.液化變形層理（紅色箭頭），層理多呈平臥褶皺狀，下部有明顯的左行剪切變形，上部的淺灰色薄層狀粉砂液化強(qiáng)烈，其中發(fā)育了砂脈穿越形成的軌跡（藍(lán)色箭頭）；b.液化變形層理內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可見粉砂與泥質(zhì)變形（橫向是頁理方向），粉砂中有大量粉砂級泥屑，頁理已完全被擾亂Fig.11 Liquefaction fall sand dikes and sand fragments

2）液化砂條帶

與砂脈共生或伴生最多的軟沉積變形現(xiàn)象，多半是重力墜落砂脈的砂源，其底部與重力墜落砂脈相連，是砂脈的“根”。液化砂條帶通過液化形成砂源，使其中部分物質(zhì)在重力作用下發(fā)生沉降，形成砂脈。液化砂條帶內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造可能會部分（圖3a～圖3f）、甚至完全破壞（圖4），但沒有明顯位移，以區(qū)別于順層砂脈（圖3h、圖3i）。值得指出的是，少數(shù)液化砂條帶因?yàn)楸旧砗鼙『鸵夯瘡?qiáng)烈，尤其是墜落砂脈太發(fā)育而變得很薄、甚至消失，只能看到砂脈，而看不到上部的砂脈根——液化砂薄層（圖8b），但砂脈下部或底部看不到與砂脈有連接的粉砂薄層。所以，可以證明古龍頁巖油儲層中規(guī)模較小的砂脈是重力墜落形成的；在古龍凹陷青山口組頁巖中那些寬在厘米級以上、高大于10 cm 少量規(guī)模較大的砂脈還是高壓液化充注形成的，而非重力墜落。

3）液化砂團(tuán)

砂發(fā)生了強(qiáng)烈液化，內(nèi)部失去了所有原生的沉積構(gòu)造，邊緣被暗色的泥包圍（圖3e，圖4a～圖4c，圖11a）。

（7）砂層中的砂脈

以上介紹的砂脈都是保存在灰黑色—灰褐色泥頁巖中的，除此之外，有的砂脈是發(fā)育在薄層粉砂中的（圖3a、圖3b 和圖3e 中的紅色箭頭，圖12中的紅色箭頭）。砂脈可以穿越砂層而到達(dá)砂層底部，甚至穿到砂層底部的泥質(zhì)層中。在穿越砂層中的砂脈有的呈直立（圖12），沒有發(fā)生強(qiáng)烈的彎折卷曲，表明形成時(shí)和形成后沒有被壓實(shí)而被縮短，或者壓實(shí)率與砂層相同，發(fā)生同步變形。穿過砂層的砂繼續(xù)沉入到砂層之下則彎曲成腸狀（圖3a 中的藍(lán)色箭頭，圖3e 中的紅色箭頭，圖12中的藍(lán)色箭頭）。砂脈能穿過薄粉砂層需要兩個(gè)條件：一是砂脈的密度比被穿越的薄粉砂層大；二是被穿越的薄粉砂層的硬度要比砂脈小。所以，從這兩點(diǎn)可以知道被穿越的薄粉砂層當(dāng)時(shí)處在液化狀態(tài)，而且比砂脈更軟，否則無法被砂脈穿越；二是盡管砂脈也被液化了，但密度和硬度均大于被穿越的薄粉砂層。

圖12 巖心中穿透薄粉砂層的砂脈a.3 條砂脈穿越了粉砂層（紅色箭頭），在粉砂層的底部形成了復(fù)雜的沙面（藍(lán)色箭頭），因?yàn)橐夯奥┦У缴皩拥撞?，形成了一透鏡狀砂脈團(tuán)，而在砂層頂部形成了一個(gè)下凹的漏斗形（黃色箭頭）；b.4 條砂脈穿越了粉砂層（紅色箭頭），在粉砂底部形成了多條復(fù)雜的砂脈（藍(lán)色箭頭），在下部還有一套穿越粉砂層的砂脈；c.砂脈穿越了薄粉砂層（紅色箭頭），直達(dá)其下部的灰褐色粉砂質(zhì)泥巖中，強(qiáng)烈彎曲成腸狀（藍(lán)色箭頭）；d.灰褐色的砂脈（紅色箭頭）穿越了淺灰色的薄層狀粉砂，非常明顯，到達(dá)下部的灰褐色泥巖中呈強(qiáng)烈的腸狀彎曲（藍(lán)色箭頭）Fig.12 Sand dikes penetrate the thin silty sand layer in cores

（8）白云巖（結(jié)核）或云化泥頁巖中的砂脈

古龍凹陷青山口組發(fā)育了一些白云巖薄層或白云巖結(jié)核及云化泥頁巖（圖13），但白云巖薄層或白云巖結(jié)核與一般的白云巖不同，含有大量的有機(jī)粉砂級泥屑（圖13e）。這種砂脈除了發(fā)育在黑色—灰褐色泥頁巖中或灰色—灰白色鈣質(zhì)粉砂中，還可以發(fā)育在白云巖（結(jié)核）或云化泥頁巖中（圖13）。白云巖（結(jié)核）中的砂脈有如下特點(diǎn)。1）有時(shí)發(fā)育有砂脈，不如黑灰色泥頁巖中普遍。2）砂脈普遍較纖細(xì)，寬度多在1～2 mm，高數(shù)厘米。3）多直或微曲，曲率普遍較小，在1.5以下，圖12d中反映在白云巖中的砂脈曲率在1.48（表1 下部），而附近泥頁巖中的砂脈曲率可達(dá)2.68（表1 上部），明顯高于白云巖中的砂脈曲率，表明了白云巖薄層的壓實(shí)率小于泥巖。此外，白云巖脈中砂脈的曲率也可以反映白云巖形成時(shí)間在成巖早期。4）多數(shù)白云巖含有大量灰黑色的砂級泥屑，所以大多數(shù)白云巖是一種云化泥巖或云化頁巖。5）白云巖中的砂脈都是直立或近直立的，表明沒有像發(fā)育在泥頁巖中的砂脈那樣經(jīng)受順層剪切，揭示了發(fā)生順層剪切時(shí)白云巖已經(jīng)硬化，順層剪切發(fā)生在白云巖化之后。

表1 白云巖中的砂脈幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of geometric parameters of sand dikes in dolomite

圖13 白云巖結(jié)核中的砂脈（紅色箭頭）與泥巖中的砂脈（藍(lán)色箭頭）及其曲率對比a.白云巖及其砂脈，可見砂脈（紅色箭頭）基本都是直立的，但是下面灰黑色的泥巖中的砂脈彎曲明顯；b.云化頁巖中的砂脈（紅色箭頭），灰黑色頁巖中的腸狀砂脈（藍(lán)色箭頭）；c.白云巖中的砂脈（紅色箭頭）；d.含油白云巖中的砂脈（紅色線條）和灰黑色泥頁巖中的砂脈（藍(lán)色線條）；e.白云巖（結(jié)核）中有大量灰褐色的粉砂級泥屑（黃色線條）；f.白云巖及其砂脈，可見砂脈（紅色箭頭）基本都是直立的，但中部有一條呈“S”形，頂面灰黑色的泥巖中的砂脈彎曲明顯；g.白云巖及其砂脈，可見砂脈（紅色箭頭）微曲，底部灰黑色的泥巖中的砂脈（藍(lán)色箭頭）復(fù)雜；h.白云巖及其砂脈，可見砂脈（紅色箭頭）微曲，底面的灰黑色泥巖中的砂脈（藍(lán)色箭頭）彎曲復(fù)雜Fig.13 Sand dikes in dolomite nodules（red arrows）and sand dikes in mudstone（blue arrows）and their curvature comparison

3 重力墜落砂脈的成因及其形成動(dòng)力學(xué)研究

3.1 重力墜落砂脈的形成動(dòng)力學(xué)

對比前言中的砂脈，古龍凹陷青山口組的砂脈均明顯不同，無論是在幾何特點(diǎn)還是在保存和產(chǎn)出狀態(tài)均不相同。我們認(rèn)為它的成因獨(dú)特，與重力沉降有關(guān)。

（1）重力墜落的證據(jù)

前文已經(jīng)多次提到了砂脈重力墜落的成因證據(jù)（圖3a、圖3b、圖3e，圖12a、圖12b，圖14）。圖14 是一個(gè)很好的證據(jù)：因?yàn)橹亓嬄渖懊}的反應(yīng)使薄層粉砂細(xì)頸化，粉砂層的頂部液化強(qiáng)烈，幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，而此時(shí)粉砂層也被液化，無力托舉頂部的完全液化粉砂，使完全液化粉砂穿透半液化粉砂薄層，在粉砂層中形成了墜落尾跡（圖12a 中的紅色箭頭），墜落到粉砂薄層底部，并進(jìn)一步墜落到泥中形成砂脈（圖14 中黃色虛線框住的部分，圖14a，圖14b）。在完全液化粉砂穿透薄層粉砂時(shí)，液化粉砂薄層的底部會產(chǎn)生向下的作用力，使粉砂底部的部分砂被剝離（圖14b中的藍(lán)色箭頭），并墜落到泥中形成碎塊（圖14b中的紅色虛線框住的部分）。液化砂的大量墜落形成了一個(gè)漏斗，并使其上的薄層粉砂也向下塌陷形成凹陷（圖14 中的白色和藍(lán)色箭頭）。所以，在薄層粉砂的底部有明顯的向下作用的力。粉砂薄層中還保留了較好的水平層理，因此推測其僅發(fā)生部分液化，只能讓頂部的液化粉砂穿透，而本身不能轉(zhuǎn)變?yōu)樯懊}。復(fù)雜的沉積構(gòu)造組合和成因動(dòng)力學(xué)分析見圖14 的圖注。所以表明古龍凹陷青山口組頁巖中的砂脈是重力墜落形成的。

圖14 砂脈漏失形成了“漏斗”和透鏡狀砂脈集合體a.穿越粉砂層的砂脈，在粉砂層的底部堆積成一團(tuán)混合的砂脈透鏡體（下部黃色虛線），底部也微弱下突而呈透鏡狀（藍(lán)色箭頭）；在砂脈上部的粉砂中有6 條砂脈穿越現(xiàn)場的“軌跡”（黑色箭頭）；在正對砂脈的粉砂頂部呈洼狀（上部黃色虛線）；下部還有一個(gè)紅色虛線框住的部分，系上部砂脈底部的拆離，而非砂脈；b.圖a 的紅框放大；可以見到砂脈重力墜落形成的軌跡（黑色箭頭）；部分液化的粉砂層中有清晰的水平層理（橙色箭頭），在薄砂層底部有一個(gè)被墜落砂脈拆離的粉砂透鏡體（紅色虛線框），其中有近水平層理發(fā)育（藍(lán)色箭頭）；在靠近砂脈墜落古跡的地方層理被墜落砂脈牽引而向砂脈墜落軌跡傾斜（紅色箭頭）；砂脈墜落形成的漏斗之上也有兩個(gè)陷落漏斗（白色和藍(lán)色箭頭）Fig.14 A “funnel” formed by sand dikes leakage and a lenticular sand dikes aggregation

（2）剛沉積的黏土和粉砂的密度

很難精確地計(jì)算剛沉積下來的黏土的密度是多少，但可以從兩個(gè)角度探索：第一個(gè)是根據(jù)黏土絮凝沉積試驗(yàn)的結(jié)果，第二是根據(jù)一般的剛沉積的黏土含水率計(jì)算。

1）Schieber et al.（2019）與本文模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

河流將黏土以膠體的方式搬運(yùn)到河口，由于黏土膠體帶負(fù)電荷，進(jìn)入河口后遭遇湖水中的Ca2+和Mg2+等帶正電的金屬陽離子而發(fā)生聚沉，形成密度極小的黏土絮凝體。Schieber et al.（2019）做過一個(gè)人工模擬黏土沉積的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)剛沉積的絮凝黏土密度極小，圖15a 中的絮凝黏土密度僅8 g/L；圖15b 中的絮凝黏土僅40 g/L。我們也做過一個(gè)黏土絮凝沉積實(shí)驗(yàn)：圖15c 中的絮凝蒙脫石的含量為200 g/L（制備過程：取957 mL 水，加200 g蒙脫石，用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢瑁?/p>

圖15 剛沉積形成的3 種密度的蒙脫石黏土絮凝體a.每升含8 g 黏土（Schieber et al.，2019）；b.每升含40 g 黏土（Schieber et al.，2019）；c.每升含200 g 蒙脫石（本文）Fig.15 Montmorillonite clay flocculates of three densities formed by fresh deposition

簡單計(jì)算一下圖15c 中蒙脫石絮凝體的密度。蒙脫石的密度取2 300 g/L，200 g 蒙脫石絮凝體的體積等于200÷2300 = 0.086 L，即每1 L 蒙脫石絮凝體中有86 mL 蒙脫石、914 mL 水，圖15c 中每升含200 g 蒙脫石的凝黏土密度則為1 114 g/L，其密度僅略大于水的密度1 000 g/L。

2）剛沉積的粉砂的密度

剛沉積的粉砂孔隙度約40%，取固體顆粒密度2 700 g/L，所以密度ρ1= 2 020 g/L。泥頁巖黏土之間的粉砂被認(rèn)為是風(fēng)暴搬運(yùn)到盆地內(nèi)來的（Plint，2014）。

（3）形成動(dòng)力學(xué)

在探討砂脈形成動(dòng)力學(xué)時(shí)先建立一個(gè)簡單的物理模型，如圖16 所示。粉砂的密度為2 020 g/L；而實(shí)驗(yàn)獲得的絮凝蒙脫石密度ρ2= 1 114 g/L，兩者的密度差為906 g/L。如果粉砂沉積在這種絮凝狀的黏土上就會出現(xiàn)上部密度大、下部密度小的密度倒置現(xiàn)象，粉砂必然會沉到黏土中形成砂脈。所以，能夠在古龍青山口組頁巖中見到大量砂脈。形成古龍青山口組砂脈的動(dòng)力是密度倒置形成的重大重力差906 g/L。砂脈侵入到泥質(zhì)沉積中的比例不一，多者可占面比60%以上（圖3f，圖12a、圖12d，圖14），少者僅占面比的2%～3%（圖9a）；大部分占面比的25%（圖3a、圖3b、圖3e）。以砂脈面比占25%為例，簡單計(jì)算一下被砂脈侵入后砂泥混合物的密度（圖16b）。通過計(jì)算獲得了25%的粉砂（砂脈占的面比）與面比占75%的泥（泥頁巖占的面比）的砂泥混合物的密度ρ3為1 340.5 g/L（圖16b），通過這種中間密度與底部密度較小的泥過渡而形成暫時(shí)的較穩(wěn)定狀態(tài)（圖16b、圖16c），也可能會進(jìn)一步向下墜落形成更復(fù)雜的砂—泥混合脈。在后來的早期成巖過程中受到壓實(shí)和脫水等地質(zhì)作用，發(fā)育砂脈的砂泥混合層會因壓實(shí)變得緊密（密度大于1 340.5 g/L）而趨于穩(wěn)定。

圖16 液化重力墜落砂脈形成模式圖a.液化前的密度倒置的粉砂—黏土序列；b.液化的密度倒置的粉砂向下墜落，形成粉砂面；c.在壓實(shí)作用下垂向縮短，砂脈變曲；d.在壓實(shí)作用下垂向縮短，砂脈進(jìn)一步變曲成腸狀；e.在垂向壓實(shí)和順層剪切作用下，砂脈傾斜成腸狀；f.液化砂脈進(jìn)一步壓實(shí)；g.圖f 經(jīng)左行剪切后砂脈發(fā)生右傾變形Fig.16 Formation model of liquefaction gravity fall sand dikes

3.2 壓實(shí)過程中砂脈的彎曲或腸化

觀察表明，古龍凹陷頁巖油儲層中的砂脈幾乎都是彎曲成腸狀（圖3，圖7，圖8，圖12，圖14），主要是由成巖壓實(shí)形成的。泥質(zhì)或黏土沉積含水量（或孔隙度）為80%～90%。Schieber et al.（2019）研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)百米厚的泥（漿）經(jīng)壓實(shí)后會轉(zhuǎn)變成50 m 厚的泥巖。對古龍頁巖油儲層中的砂脈的研究結(jié)果表明，泥頁巖的壓實(shí)率可達(dá)5～6。可見泥質(zhì)沉積的壓實(shí)率非常高。但我們近期對大慶周緣4 個(gè)小型湖泊黏土沉積的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沉積表面數(shù)十厘米深黏土迅速變得固結(jié)較好，含水率不到50%。

前文已敘述，古龍凹陷頁巖油儲層中的砂脈非常發(fā)育，而且基本都呈腸狀，特點(diǎn)非常明顯。一般把砂脈的腸狀彎曲解釋成成巖壓實(shí)（楊冠群等，2017；何文淵等，2020），根據(jù)曲率還可以反演壓實(shí)率古龍凹陷頁巖油儲層中的砂脈。

通過初步研究，發(fā)現(xiàn)重力墜落砂脈普遍被壓實(shí)而彎曲成腸狀（圖3，圖7，圖8，圖12，圖13，圖14），所以可以通過砂脈的彎曲率來研究泥頁巖的壓實(shí)率。楊冠群等（2017）做過同樣的研究，結(jié)果顯示泥巖壓實(shí)率與泥巖體積壓縮率相關(guān)性高達(dá)0.91；同時(shí)根據(jù)泥巖壓實(shí)率分布規(guī)律將泥巖壓實(shí)作用劃分弱壓實(shí)（C＜1.66）、中等壓實(shí)（1.66＜C＜3.55）、強(qiáng)壓實(shí)（C＞3.55）等3 種類型，泥巖越厚，壓實(shí)程度越高。對古龍凹陷中部的青山口組泥頁巖中的砂脈進(jìn)行定量研究，發(fā)現(xiàn)青山口組泥頁巖的壓實(shí)率非常大，可達(dá)5～6 以上。由此反推泥質(zhì)沉積的原始水含量或孔隙度可達(dá)80% 以上，與Schieber et al.（2019）的結(jié)論（含水率85%）很接近。所以，砂脈在研究壓實(shí)率和孔隙度及其含水率上有重要意義。

3.3 風(fēng)暴振蕩的液化作用

研究認(rèn)為，古龍青山口組頁巖油儲層中的砂脈的形成與風(fēng)暴液化和重力沉降有關(guān)。風(fēng)暴形成的振蕩反復(fù)作用在風(fēng)暴形成的粉砂上形成易于流動(dòng)的液化砂，與此同時(shí)其下部的泥質(zhì)沉積發(fā)生了液化，由于粉砂的密度大于泥質(zhì)沉積，所以會發(fā)生重力沉降，密度較大的粉砂墜入密度較小的泥質(zhì)沉積中形成砂脈。

砂液化成脈有多種機(jī)理（鐘建華等，2018），但古龍凹陷青山口組頁巖中的砂脈卻有自己獨(dú)特的成因。在古龍凹陷風(fēng)暴沉積的粉砂巖底部經(jīng)常會發(fā)育小型液化砂脈，對古龍凹陷青山口組巖心的實(shí)際觀察表明，有70%～80%的粉砂層底部都發(fā)育了液化粉砂脈。這種液化砂脈的最大特點(diǎn)是從上向下墜落（圖3，圖4，圖14），表明上部粉砂密度大、下部泥密度小，在重力差異的驅(qū)動(dòng)下，向下墜落形成砂脈；而不像地震液化砂脈從下向上擠入，下部壓力大、上部壓力小，在壓力差異驅(qū)動(dòng)下形成砂脈。風(fēng)暴振蕩持續(xù)作用在沉積下來的細(xì)粉砂上，使其液化失去內(nèi)粘性，產(chǎn)生流動(dòng)形成液化。液化有3 種效應(yīng)：一是在砂層內(nèi)部形成液化流動(dòng)；二是泄水向上流動(dòng)；三是因密度加大而向下部的泥或粉砂層中墜落，形成液化砂脈（圖3，圖4，圖12，圖14）。這種液化砂脈與蟲跡很像，往往被誤認(rèn)為蟲跡。值得注意的是，古龍凹陷青山口組頁巖中的液化粉砂脈有些是從液化粉砂層的頂部穿透液化粉砂層向下墜落形成的，而不是從液化粉砂層底部墜落形成的。表明液化粉砂層頂部液化程度高于底部，從頂?shù)降子幸环N液化程度逐漸變小的差異，這種差異有可能是風(fēng)暴形成的振動(dòng)能量從上向下逐漸衰減所致，所以從這一點(diǎn)上也可以認(rèn)為古龍凹陷青山口組頁巖粉砂層中液化形成的粉砂脈與風(fēng)暴作用有關(guān)。古龍凹陷青山口組風(fēng)暴沉積發(fā)育（Liu et al.，2012），其實(shí)在國外的一些（大陸架）泥頁巖中風(fēng)暴作用也常見（Swift et al.，1986；Ogston et al.，2000；Fan et al.，2004；Plint et al.，2012；Plint，2014），而古龍凹陷青山口組頁巖中的重力墜落砂脈在其它地方很少見。

如果粉砂不液化就難以形成砂脈，只有粉砂液化后才會像流體一樣流動(dòng)，沉入下部的泥質(zhì)沉積或形成復(fù)雜的腸狀砂脈。從粉砂脈的復(fù)雜形態(tài)也可以看出粉砂層的液化程度非常高，而且底部泥質(zhì)沉積的液化程度也很高。所以，密度較大的粉砂在上，而密度較小的粘土或泥質(zhì)在下，是形成重力墜落液化砂脈的必要條件，液化是形成粉砂脈的充要條件。古龍青山口組粉砂脈主要產(chǎn)在泥頁巖中，少數(shù)可以產(chǎn)在白云巖中（圖13），還有少數(shù)產(chǎn)在粉砂巖中（圖3e，圖12）。

有理由認(rèn)為，古龍青山口組頁巖中的細(xì)小砂脈的形成與風(fēng)暴液化和重力沉降有關(guān)，而與地震液化無關(guān)。風(fēng)暴形成的振蕩反復(fù)作用在風(fēng)暴形成的粉砂上，形成易于流動(dòng)的液化砂，與此同時(shí)其下部的泥質(zhì)沉積發(fā)生了液化，由于粉砂的密度大于泥質(zhì)沉積，所以會發(fā)生重力沉降，密度較大的粉砂墜入密度較小的泥質(zhì)沉積中形成砂脈。

4 砂脈的地質(zhì)意義

概括起來有如下5 點(diǎn)意義：1） 探討壓實(shí)率。2） 探討頁巖順層剪切滑動(dòng)。3） 探討白云巖（結(jié)核）的形成階段：一是白云巖（結(jié)核）中發(fā)育了砂脈，表明當(dāng)時(shí)的白云巖是一種很軟的液化松散狀態(tài)，否則液化粉砂進(jìn)入不了白云巖（結(jié)核）中，進(jìn)一步表明白云巖（結(jié)核）不是在沉積時(shí)形成的，而是在埋藏成巖之后形成的。二是巖心普遍的規(guī)律是白云巖（結(jié)核）中的砂脈曲率較小，僅在1.481，而臨近的泥頁巖曲率在2.682（表1），兩者相差1.201，表明在同樣的上覆重力條件下白云巖的垂向壓實(shí)率較小，進(jìn)一步揭示白云巖的固結(jié)性較好。白云巖（結(jié)核）是在壓實(shí)率1.481 之前形成的，形成后就沒有再經(jīng)受壓實(shí)。從泥質(zhì)沉積在壓實(shí)率1.481之前的完成深度和時(shí)間可以推算白云巖化完成的時(shí)間。4）探討儲集空間：某些砂脈的孔滲相對較好（圖10），為優(yōu)化頁巖油儲層做出了貢獻(xiàn)。5）探討下部泥質(zhì)沉積的物理狀態(tài)。

5 結(jié) 論

（1）古龍凹陷青山口組發(fā)育了大量砂脈，形態(tài)復(fù)雜，砂脈規(guī)模一般較小，寬度多在1～2 mm，高度多在數(shù)毫米到數(shù)厘米，在巖心側(cè)面上呈彎曲腸狀，在巖心層面上呈微彎曲線狀，三維呈復(fù)雜卷曲板片狀。

（2）砂脈多傾斜狀，傾斜與層間剪切引起的滑動(dòng)有關(guān)，揭示了古龍頁巖巖層面有滑動(dòng)。

（3）砂脈的成因主要與重力墜落有關(guān)，重力墜落與粉砂和黏土的密度倒置有關(guān)。所以重力墜落砂脈多發(fā)育在粉砂巖的底部，而非頂部，這一點(diǎn)與一般的砂脈完全相反。重力墜落砂脈的形成揭示了粉砂和其下的黏土均處在一種液化狀態(tài)。

（4）白云巖（結(jié)核）中的砂脈揭示了在砂脈形成時(shí)白云巖（結(jié)核）還是一種液化狀態(tài)，所以是在成巖過程中形成的，后期經(jīng)歷了壓實(shí)，但壓實(shí)率為1.481，遠(yuǎn)小于其上的泥巖（2.682）。

（5）重力墜落砂脈揭示了泥頁巖在成巖過程中壓實(shí)率可達(dá)2.682，甚至可達(dá)5～6，揭示了泥頁巖沉積時(shí)水分含量很高、孔隙度很大。

（6）風(fēng)暴將淺水密度較大的粉砂搬運(yùn)到半深湖或深湖中，并在波浪的作用下液化，同時(shí)使下部的黏土也發(fā)生液化，為這種特殊的重力墜落砂脈的形成創(chuàng)造了密度倒置的動(dòng)力學(xué)條件。

砂脈一直是一種很受關(guān)注的沉積構(gòu)造（鐘建華等，2018，2020a，2020b），歷來受到重視。重力墜落砂脈在古龍凹陷青山口組頁巖油儲層中是首次發(fā)現(xiàn)的，過去的研究者一直把這種現(xiàn)象定為蟲跡。它的發(fā)現(xiàn)對于豐富沉積學(xué)理論具有一定意義，同時(shí)對于古龍頁巖油儲層和沉積環(huán)境的研究具有較重要的意義。值得注意的是，最近國外學(xué)者Kluger et al.（2023）在《Sedimentary Geology》上發(fā)表了一篇與本文研究非常相似的論文，表明了這種沉積構(gòu)造不是獨(dú)一無二的，在國際上也有類似現(xiàn)象。但他們認(rèn)為是由于地震形成的，與本文砂脈的成因大相徑庭。所以，本文提出的重力墜落成因還是具有重要的原創(chuàng)意義；與此同時(shí)對于Kluger et al.（2023）砂脈的成因解釋也具有參考意義。

致 謝大慶勘探開發(fā)研究院提供了巖心觀察的方便，借此機(jī)會表示感謝。