鄂尔多斯盆地东南部本溪组障壁海岸沉积特征与展布规律
苏东旭1,2, 于兴河2, 李胜利2, 单新2, 周进松3
1.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院
2.中国地质大学(北京)能源学院
3.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院
通讯作者:于兴河,1958年生,教授,博士生导师,工学博士;主要从事油气储层沉积学与建模方面的研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路29号。ORCID: 0000-0002-3308-2271。E-mail:billyu@cugb.edu.cn

作者简介:苏东旭,1988年生,助理工程师,硕士;主要从事沉积学与层序地层学方面的研究工作。地址:(834000)新疆维吾尔自治区克拉玛依市准噶尔路32号。ORCID: 0000-0001-7686-8007。E-mail:sudx@petrochina.com.cn

摘要

鄂尔多斯盆地已突破“南油北气”的传统认识,其东南部上石炭统本溪组天然气储量丰富。为了给本溪组有利储层的预测提供指导,首先根据颗粒粒度、结构、沉积构造和岩相组合等特征在本溪组障壁海岸沉积之中划分出潮坪和障壁—澙湖2种主要沉积相,进一步识别出潮汐水道、潮下带、潮间带、潮上带、障壁、澙湖、冲溢扇和潮汐三角洲等多种沉积亚相,并对上述沉积亚相进行了总结和对比,建立了垂向序列。进而在沉积模式的指导下,依据砂岩厚度资料剖析了本溪组沉积相的平面展布规律,最后研究了该区整体沉积展布格局和沉积演化规律的控制因素。结论认为:①该区自西向东呈现潮坪—障壁澙湖—浅海陆棚的变化规律,本1段沉积相带较本2段整体向西迁移;②障壁海岸沉积是在古隆起控制下由盆地北部扇三角洲经波浪和潮汐改造而形成的,其演化主要受到盆地基底缓慢下降和海平面整体上升的影响。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 晚石炭世; 本溪组; 沉积特征; 障壁海岸; 潮坪; 澙湖; 演化规律
Sedimentary characteristics and distribution laws of Benxi Fm barrier coast in SE Ordos Basin
Su Dongxu1,2, Yu Xinghe2, Li Shengli2, Shan Xin2, Zhou Jinsong3
1. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay, Xinjiang 834000, China
2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
3. Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum <Group> Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China;
Abstract

The traditional cognition of "oil south and gas north" in the Ordos Basin has been broken through, and there are abundant natural gas reserves in the Benxi Fm of Upper Carboniferous in SE Ordos Basin. To provide a guide for the prediction of favorable reservoirs of Benxi Fm, two main sedimentary facies (i.e., tidal flat and barrier-lagoon) were identified in the deposit of Benxi Fm barrier coast according to their grain sizes, textures, sedimentary structures and lithofacies assemblages. Then, multiple sedimentary subfacies were identified further, including tidal channels, subtidal zones, intertidal zones, supratidal zones, barriers, lagoons, washover fans and tidal deltas, and they were compared and summarized to establish the vertical sequence. Afterwards, the areal distribution laws of Benxi Fm sedimentary facies were analyzed in the framework of sedimentary patterns based on sandstone thickness data. And finally, the factors controlling overall sedimentary distribution patterns and sedimentary evolution laws were analyzed. It is indicated that the sedimentary facies in this area follows the change law of tidal flat-barrier-lagoon-neritic shelf. And the facies zone of the first Member of Benxi Fm shift wholly to the west of the second Member; and that this barrier coast is derived from the fan delta in northern Ordos Basin due to the reworking of waves and tides under the control of paleo-uplifts. And its evolution is mainly affected by the slow decline of basin base and the overall rise of sea level.

Keyword: Ordos Basin; Late Carboniferous; Benxi Fm; Sedimentary characteristics; Barrier coast; Tidal flat; Lagoon; Evolution law

鄂尔多斯盆地是我国重要的油气生产基地, 天然气资源量可达15.16× 1012m3[1]。过去的研究多认为盆地具有明显“ 南油北气” 的分布规律, 即以北纬38° 线为界, 向北主要以含气的古生界为生产层位, 而向南则主要以含油的中生界为生产层位[2, 3, 4, 5]。但在延长气田的具体生产实践过程中发现, 鄂尔多斯盆地东南部上古生界也蕴藏着丰富的天然气资源, 探明天然气地质储量超过2 000× 108m3[6], 上石炭统本溪组是主力产层之一, 其储层具有优质高产的特征, 最高单井天然气无阻流量可达150× 104 m3/d[7], 勘探开发潜力较大。

与河流和三角洲沉积体系相比, 目前针对障壁海岸沉积体系的研究还不够成熟且大多集中于碳酸盐台地障壁体系。障壁沉积体系水动力条件复杂, 可同时受到潮汐、波浪和河流作用的影响, 其沉积岩性较为多变, 可形成砂岩、泥岩、碳酸盐岩和煤等多种岩性, 使得障壁海岸体系的沉积特征成为研究的难点之一。前人对于鄂尔多斯盆地本溪组进行了大量的研究, 认为盆地东南部属于障壁海岸沉积体系[8, 9, 10], 由西部的潮坪和东部的障壁— 澙湖、浅海陆棚组成, 但多数的研究仅基于整体的沉积展布规律, 除障壁砂坝以外, 尚未就潮坪、冲溢扇和潮汐三角洲等多种沉积的垂向序列和沉积特征进行深入系统的总结。

笔者依据研究区内的岩心、钻录井、测井资料以及多种分析化验数据对本溪组沉积特征进行研究, 综合岩性、粒度、沉积构造以及岩相等多方面特征, 总结障壁海岸各沉积相的垂向序列, 并结合其平面分布规律, 建立鄂尔多斯盆地东南部本溪组沉积模式, 以期对今后有利储层的预测提供指导。

1 区域地质概况

研究区为鄂尔多斯盆地东南部, 南至黄陵、北抵靖边、西达华池、东部以宜川为界(图1), 位于陕北斜坡构造单元之上[11]。研究层段为上石炭统本溪组, 岩性以深黑色、深灰黑色、黑色泥岩、粉砂岩为主, 夹薄— 中层灰色细砾岩、中砂岩、细砂岩, 上部见多套2~5 m厚的煤层, 底部为黑色泥岩或风化成因的铁铝质层, 沉积厚度为10~50 m。本溪组沉积时期, 整个鄂尔多斯盆地处于伸展— 压缩交替阶段, 整体为克拉通盆地。受加里东运动影响, 在整体伸展和压缩背景下, 盆地中部形成中央古隆起[12], 中央古隆起沿定边— 庆阳— 环县一线展布(图1), 呈南北方向延伸, 面积约为5× 104 km2[13]

图1 研究区位置与构造划分图

2 沉积相类型与沉积特征

根据沉积岩颜色、矿物成分、构造、垂向序列和镜下特征, 在本溪组沉积体系中识别出潮坪和障壁— 澙湖2种沉积相, 并进一步划分出障壁岛、澙湖、潮汐水道、潮汐三角洲和冲溢扇等多种沉积亚相类型(表1)。

2.1 潮坪

潮坪沉积常见于波浪作用不强的大— 中潮差海岸, 按潮汐水动力条件和沉积物粒度可划分为潮汐水道、潮下带、潮间带和潮上带, 潮下带水动力较强, 可见砂坪沉积; 潮间带主要为砂泥薄互层的混合坪; 潮上带则主要为泥坪和沼泽。不同潮坪沉积环境在砂岩粒度、层理类型和规模等方面差异较大, 砂质沉积在粒度曲线上呈多段式, 具有多个粒度次总体, 以滚动次总体和跳跃次总体为主(图2-a), 反映了潮汐作用水动力条件差异大, 变化频繁的特征。基准面上升或下降在垂向上可形成潮上带— 潮间带— 潮下带或潮下带— 潮间带— 潮上带的变化规律, 从而在测井曲线上具有漏斗形和钟形2种形态(表1)。

表1 鄂尔多斯盆地东南部沉积相特征对比表

图2 潮坪与障壁沉积粒度分布参数统计图
注:粒度φ =– log2d, d表示毫米粒径值

潮汐水道是潮汐向陆方向的延伸, 属于高能水动力环境, 沉积物为灰褐色中— 细石英砾岩、粗砂岩, 石英含量介于90%~93%, 其他为岩屑, 长石很少见。整体略显正粒序, 砾石最大粒径可达3 cm, 颗粒分选性较差— 一般, 磨圆度以次圆状— 次棱状为主, 颗粒支撑, 孔隙式胶结, 见微晶黄铁矿。沉积构造以大型槽状交错层理和双向的羽状交错层理为主(图3-a), 水道底部发育明显冲刷面, 冲刷面之上为滞留沉积, 可见泥砾, 且砾石粒径较大, 多沿层理面呈定向排列。多期潮汐水道可在垂向上相互叠加, 形成槽状交错层理砾岩相(Gt)— 羽状交错层理砾岩相(Gf)— 泥岩相(M)— 槽状交错层理砾岩相(Gt)— 羽状交错层理砾岩相(Gf)— 板状交错层理砾岩相(Gp)— 泥岩相(M)的叠加样式, 单期水道的沉积厚度介于2~4 m。

图3 研究区不同沉积亚相沉积序列图

砂坪沉积整体为灰色石英、岩屑石英粗砂岩、中粗砂岩, 略见正旋回, 由下而上粒度逐渐由粗砂岩转变为中粗砂岩(图3-a), 颗粒分选性一般, 磨圆度为次圆状, 以颗粒支撑为主。常见的沉积构造组合为羽状交错层理、槽状交错层理、板状交错层理和沙纹层理, 槽状、板状交错层理和羽状交错层理常见于砂坪沉积的下部, 而沙纹层理则更多出现于上部, 整体可形成羽状交错层理砂岩相(Sf)— 槽状交错层理砂岩相(St)— 沙纹层理粉砂岩相(Fr)的垂向序列。

混合坪沉积以灰色粉细砂岩、粉砂岩和灰黑色泥岩薄互层为主要标志, 是潮汐活动期的砂质沉积和憩流期的泥质沉积交替出现的结果。混合坪沉积自下而上由于水动力条件逐渐减弱, 泥质含量逐渐增大, 常出现脉状层理、波状复合层理和透镜状层理的变化规律, 典型的垂向岩相序列为潮汐层理粉砂岩相(Fc)— 沙纹层理粉砂岩相(Fr)— 潮汐层理粉砂岩相(Fc), 以潮汐层理粉砂岩相最为常见(图3-a)。

泥坪沉积主要为夹有粉砂岩薄层的灰黑色、灰色厚层泥岩, 可见水平纹层, 为弱水动力条件下的沉积产物(图3-a), 典型的岩相序列为泥岩相(M)— 沙纹层理粉砂岩相(Fr)— 泥岩相(M), 部分地区也可见薄煤层。

沼泽也是潮汐沉积体系的一个重要沉积环境, 位于潮上带地区。由于潮汐的不断涨落, 部分地区可形成大量植物, 为沼泽的形成提供了有利条件。本溪组沼泽沉积主要为含大量植物化石的灰黑色、黑色泥岩, 并常见有煤层(图3-e), 厚度多介于1~3 m, 常包括泥岩相(M)和煤(C)2种岩相。

2.2 障壁岛

障壁岛是平行于海岸线、高出海面的狭长砂体, 为澙湖和广海之间的屏障。本溪组障壁岛沉积为灰褐色泥质石英中粗砂岩、中砂岩, 砂坝底部可见石英砾岩, 在粒度曲线上明显可划分为3个粒度次总体, 其中主要为跳跃次总体(图2-b), 跳跃组分可超过95%, 而滚动次总体和悬浮次总体则很少, 是稳定水动力条件下的沉积产物。障壁岛砂体石英含量介于89%~95%, 岩屑以泥质为主, 介于3%~4%, 其他为少量的长石, 具有颗粒分选性好和磨圆度好的特征, 颗粒支撑, 凹凸接触, 颗粒间被泥质、自生高岭石等充填。整体上含铁质较多, 但与其他部位黄铁矿不同, 多被氧化呈红色。障壁岛底部多见槽状交错层理(图3-b), 砾石颗粒可介于1~2 cm, 炭质纹层发育, 向上为厚层板状交错层理, 部分障壁岛顶部还可见冲洗交错层理。常见的垂向岩相序列为槽状交错层理砾岩相(Gt)— 板状交错层理砂岩相(Sp), 其中主要为板状交错层理砂岩相。障壁岛沉积在测井曲线上可形成箱形、钟形和漏斗形3种类型, 呈高幅光滑状。

2.3 澙湖

澙湖是以潮汐通道与广海连通或呈半隔绝状态的半封闭水域, 属浅水低水动力条件。岩性主要为厚层泥岩夹粉砂岩、细粉砂岩薄层, 局部可见2~3 m的石灰岩层和不足1 m的薄煤层, 其中泥岩呈灰黑色、黑色, 见少量植物化石, 粉砂岩和泥岩互层中常形成塑性变形层理和水平纹层(图3-c), 石灰岩多为灰黑色泥晶灰岩, 内部见被方解石充填的介壳类化石。潟湖沉积的岩相主要为泥岩相(M)夹石灰岩相(P)、块状层理粉砂岩相(Fm), 局部可见煤(C), 泥岩和石灰岩中见较多的黄铁矿颗粒, 反映出封闭还原的沉积环境。由于潟湖环境整体的水动力很低, 通常呈低幅舌形或线形测井曲线形态, 锯齿不发育(表1)。

2.4 潮汐三角洲

障壁间进潮流和退潮流在潮汐口内侧和外侧发生沉积作用可以分别形成进潮三角洲和退潮三角洲。本溪组潮汐三角洲主要为灰白色粗砂岩和中粗砂岩, 成分以石英为主, 颗粒分选性和磨圆度均较差, 整体为反旋回, 常呈多期小型河道叠加的沉积样式(图3-d), 每一期河道介于50~100 cm, 底部见明显冲刷面, 冲刷面之上为大量的泥砾和黄铁矿颗粒, 泥砾和黄铁矿由潟湖沉积冲刷搬运形成。槽状交错层理发育, 层理面泥质沉积物炭化, 其规模略小于潮汐通道, 每一期河道的顶部为平行层理或沙纹层理。典型岩相序列为泥岩相(M)— 槽状交错层理砂岩相(St)— 平行层理砂岩相(Sh)— 块状层理粉砂岩相(Fm)— 槽状交错层理砂岩相(St)— 槽状交错层理砂岩相(St)— 沙纹层理粉砂岩相(Fr)。

2.5 冲溢扇

冲溢扇主要形成于风暴期, 是障壁岛上侵蚀下来的砂质沉积物被搬运到障壁靠近澙湖一侧而形成的扇状沉积体。岩性对比障壁砂体略细, 为灰褐色泥质岩屑石英中粗砂岩、中砂岩(图3-b), 颗粒分选性和磨圆度均较好, 孔隙多被泥质充填。冲溢扇底部可见较为平坦的冲刷面和零星分布的砾石, 砾石颗粒的粒径多介于2~5 mm, 之上则主要为向澙湖方向倾斜的低角度交错层理, 单个层系厚度介于2~4 cm, 低角度交错层理是冲溢扇的一个重要标志, 冲溢扇的顶部也可见具有沙纹层理的粉细砂岩和粉砂岩等细粒沉积。低缓冲刷面(冲刷面之上见砾石)— 槽状层理砂岩相(St)— 低角度交错层理砂岩相(Sl)— 沙纹层理粉砂岩相(Fr)— 泥岩相(M)的序列反映了一期风暴成因的冲溢扇沉积由形成到结束, 水动力条件逐渐减弱的过程。

3 沉积模式

通过对研究区本溪组岩心、粒度分析及镜下薄片的研究, 总结出各种沉积相的沉积特征, 并结合平面上沉积相的分布规律, 建立了本溪组的沉积模式。本溪组为障壁海岸沉积, 主要发育潮坪、障壁、潟湖、潮汐三角洲、冲溢扇和浅海陆棚等沉积环境, 其中潮坪沉积集中于研究区的西部, 障壁— 潟湖相则分布在研究区的东部, 整体上具有西部潮坪, 东部障壁— 潟湖的展布规律(图4)。

图4 沉积模式图

潮坪的砂砾质沉积主要发育在潮下带, 由潮汐水道带来的砂体组成, 潮间带以砂泥薄互层为特征, 潮上带泥岩和煤层十分发育, 包括泥坪和沼泽2种沉积亚相。潟湖位于障壁岛之间或障壁岛与潮坪之间, 以泥质沉积为主, 夹有薄粉砂岩、粉细砂岩砂岩和煤层, 干旱清水沉积条件下, 局部地区也可以形成透镜状灰岩。障壁岛平行于海岸线展布, 主要为具有板状交错层理的中粗砂岩, 底部也可见槽状交错层理砾岩沉积。同排障壁岛之间在潮差较大的情况下可形成潮汐三角洲, 潮汐三角洲以多套薄层河道沉积叠加为特征, 岩性以含砾粗砂为主。风暴作用下在障壁岛相向陆一侧可形成冲溢扇, 冲溢扇由具有低角度交错层理的中砂岩组成, 底部可见低缓冲刷面。障壁岛之外的浅海陆棚为碳酸盐岩沉积或泥质沉积。

4 本溪组沉积演化

笔者以晋祠砂岩底为界, 将本溪组划分为下部的本2段和上部的本1段, 本2段底为奥陶系与石炭系间的不整合, 本1段顶为庙沟石灰岩底界面。本2段和本1段地层厚度介于5~30 m, 属于微观层次, 适合在沉积模式的指导下使用砂岩厚度来反映沉积相的平面展布规律[14]

4.1 本2段沉积展布

本2段沉积时期, 受鄂尔多斯盆地中央古隆起的影响, 该区具有明显西高东低的地形特征, 由潮坪、障壁— 潟湖以及浅海陆棚3种沉积环境组成(图5)。安塞— 延安— 甘泉一线以西为潮坪沉积环境, 向西随潮汐作用的减弱依次出现潮下带、潮间带和潮上带, 潮间带和潮上带砂体厚度较小, 通常小于2 m, 在安塞地区潮汐作用十分强烈, 潮下带和潮间带向西延伸范围很远, 形成了多条东西向的潮汐水道, 其沉积砂体厚度介于4~8 m。研究区中部为障壁— 潟湖沉积环境, 可见明显的3排障壁呈南北方向平行展布, 靠近潮坪的一排障壁岛沉积厚度较薄, 为4~10 m, 而其他2排障壁岛最大砂厚可超过10 m, 障壁岛之间是以泥质沉积为主的潟湖亚相。潮差较大或潮汐水动力较强的障壁岛之间可以形成潮汐三角洲亚相, 本2段沉积时期发育3组明显的潮汐三角洲, 同时在延116井和延204井等地区在风暴作用的影响下障壁砂坝向潟湖一侧形成了较多的冲溢扇沉积。研究区的东部为浅海陆棚环境, 主要由碳酸盐岩和泥岩组成。

图5 本2段砂岩厚度(左)与沉积相(右)图

4.2 本1段沉积展布

本1段继承了本2段的沉积展布格局, 但整体海平面上升, 海岸线向西方向推进, 使得整体相带向西迁移(图6)。相比本2段, 本1段时期潮坪与障壁— 潟湖沉积环境的界线向西推移10~15 km, 潮坪之上的潮汐水道在北部分布均匀, 表明该时期潮汐作用整体较为一致, 但其沉积的砂岩厚度较小, 多集中于4~6 m。与本2段相同, 本1段也可以划分为平行于海岸线的3排障壁砂坝, 单个障壁岛砂体厚度具有分布范围广, 厚度大的特征。但该时期潮汐三角洲发育很少, 结合厚度较小的潮汐水道砂体, 认为本1段沉积时期的潮汐作用普遍较弱。

图6 本1段砂岩厚度(左)与沉积相(右)图

5 沉积体系的控制因素
5.1 盆地北部扇三角洲改造形成障壁海岸

一般而言, 障壁海岸体系可划分为沿岸沙丘沙坝成因、三角洲波浪改造成因和生物礁成因3种成因类型。本溪组属于碎屑岩系障壁体系, 非生物成因所形成的碳酸盐岩质障壁, 其底部为覆盖在奥陶系石灰岩之上广泛分布的铁铝岩层, 代表了长时间的风化剥蚀, 难以形成具有一定规模的沙丘和沙坝沉积, 而盆地北部存在的扇三角洲[15]为波浪改造作用形成障壁提供了有利条件, 且本溪组沉积时期具有较强的波浪和潮汐作用。之前的学者也对物源进行了充分的研究, 从周缘古陆、矿物成分和含量、古水流方向、稀土元素和重矿物等多方面认定本溪组物源来自盆地北部[16]。同时, 在研究盆地东南部障壁沉积特征时也发现多数障壁底部见较明显的冲刷面, 冲刷面之上为具有槽状交错层理的砾岩或含砾粗砂岩, 局部甚至可见泥砾, 这也说明了障壁岛为扇三角洲前缘分流河道改造而成。因此, 综合成因类型分析、物源体系和沉积特征3个方面认为鄂尔多斯盆地北部的扇三角洲经波浪改造形成了障壁海岸环境, 其主要分流河道形成障壁岛, 分流间湾则形成澙湖。

5.2 古隆起控制整体的沉积展布格局

鄂尔多斯盆地在本溪组沉积时期形成了南北向展布的中央古隆起, 古隆起以西为祁连海, 以东为华北海, 该时期研究区位于华北海之内, 海水大致垂直于中央古隆起由西向东侵入[17]。盆地北缘断裂带形成了冲积扇, 部分进入华北海形成扇三角洲, 之后经波浪作用改造, 沿中央古隆起向南推进形成障壁岛带。而古隆起靠近华北海一侧在潮汐作用下形成了潮坪沉积, 自东向西为潮下带— 潮间带— 潮上带, 整体上自中央古隆起向东依次呈现潮坪— 障壁澙湖— 浅海陆棚的沉积展布格局。

5.3 构造沉降、海平面上升影响沉积演化

沉积体系的形成和演化受到构造、海平面变化、气候和物源等多种因素的影响[18, 19, 20]。该区本溪期沉积时期存在东西方向的应力, 基底缓慢沉降, 海平面整体升高, 只在末期发生快速下降生成稳定的沼泽环境[21](对应于下煤组), 而在整个石炭纪研究区都处于化学分化作用强烈的热带— 亚热带环境, 炎热潮湿[22], 气候条件和物源相对稳定。因此, 盆地东南部本溪组沉积演化主要受到构造和海平面变化的影响。相比本2段, 本1段沉积时期整体海平面上升, 基底下降, 华北海范围扩大, 向西(西北)方向侵入, 使得整体的障壁海岸沉积体系也随之向西推移。因此, 本2段— 本1段沉积时期, 研究区内滨浅海范围不断扩大, 滨浅海与障壁— 澙湖分界线和障壁— 澙湖与潮坪分界线均向西迁移。

6 结论

1)依据岩心、粒度分析、测井等资料在本溪组障壁海岸沉积之中划分出潮坪和障壁— 澙湖2种沉积相, 进一步识别出潮汐水道、潮下带、潮间带、潮上带、障壁、澙湖、冲溢扇和潮汐三角洲等多种沉积亚相, 并对各种沉积相岩石结构、沉积构造和岩相组合等特征进行了总结和对比, 建立了垂向序列。

2)在沉积模式指导下, 依据砂岩厚度资料分析了本溪组沉积相的平面展布规律, 本2段和本1段自西向东依次发育潮坪、障壁— 澙湖、浅海陆棚沉积, 潮坪之上见多条东西向潮汐水道, 3排障壁平行古隆起南北向展布。

3)研究区内障壁海岸沉积是在古隆起控制下由盆地北部扇三角洲经波浪改造而形成, 本溪组沉积演化受盆地基底缓慢下降和海平面整体上升的影响, 本1段相带较本2段整体向西迁移。

The authors have declared that no competing interests exist.

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