杜永慧， 李曉路， 韓小琴， 曹紅霞， 于興河

( 1. 陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司 研究院，陜西 西安 710069； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083 )

鄂爾多斯盆地東南部山西組沉積特征

杜永慧1， 李曉路1， 韓小琴1， 曹紅霞1， 于興河2

( 1. 陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司 研究院，陜西 西安 710069； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083 )

根據(jù)薄片觀察及粒度分析、野外露頭及巖心觀察，分析鄂爾多斯盆地東南部山西組的巖石學(xué)特征、水動力條件，以及宏觀和微觀沉積特征，劃分巖相類型和巖相組合，建立該區(qū)三角洲前緣沉積模式。結(jié)果表明：鄂爾多斯盆地東南部山西組沉積粒度偏細，分選好，水動力條件以牽引流為主；三角洲前緣沉積特征明顯，且沉積地形坡度較緩；劃分7種巖相類型和3種巖相序列組合。研究區(qū)整體表現(xiàn)為三角洲前緣沉積特征，主要發(fā)育水下分流河道、水下分流間灣、分流河口砂壩3種微相。該結(jié)果為鄂爾多斯盆地東南部山西組天然氣精細勘探開發(fā)提供參考。

沉積模式； 沉積特征； 三角洲前緣； 山西組； 鄂爾多斯盆地東南部

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國天然氣勘探最具潛力的盆地之一。盆地北部發(fā)現(xiàn)多個大型氣田，已成為我國中西部重要的天然氣生產(chǎn)基地[1]。盆地南部地區(qū)天然氣勘探進展緩慢，近年來，在南部地區(qū)上古生界地層中發(fā)現(xiàn)大量的天然氣資源，打破“南油北氣”的勘探格局。

山西組作為盆地內(nèi)重要的生氣層，同時也是重要的含氣層，是人們研究的熱點[2-5]。鄂爾多斯盆地在山西組沉積過程中存在多個物源方向[6-7]，對于盆地北部和南部的沉積體系的認識程度存在較大差異。盆地中北部地區(qū)沉積體系研究比較成熟，山西組以曲流河、三角洲平原、三角洲前緣及濱淺湖沉積為主[8-11]。盆地南部地區(qū)整體研究程度較低，陳全紅以全盆地為研究區(qū)域，認為南部山西期沉積體系與中北部相近，規(guī)模較小[12]；陳孟晉、王超勇等對延安—環(huán)縣以南、西安以北的南部地區(qū)進行研究，認為南部主要受到西南和東南兩個物源的影響，主要發(fā)育曲流河、三角洲沉積[13-14]。盆地東南部黃陵—延安地區(qū)早期資料少，之前大范圍的研究成果已無法滿足當(dāng)前精細的勘探開發(fā)。筆者考察研究區(qū)附近的野外地質(zhì)剖面，結(jié)合巖心與鉆測井資料，研究山西期沉積特征，明確其沉積特征和微相類型，并建立研究區(qū)沉積模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，行政區(qū)域上北臨延安，南至黃陵、韓城一帶(見圖1)。其主體位于伊陜斜坡南部，整體表現(xiàn)為東南部略高、平緩西傾的單斜，局部構(gòu)造不發(fā)育，存在一些小的鼻隆構(gòu)造。研究區(qū)山西組地層厚度為90～115 m，根據(jù)巖性組合，自下而上分為山2段和山1段，其中山2段為中厚層砂巖夾薄泥層，中上部有煤層；山1段以灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾中細砂薄互層，含煤層(見圖1)。

1.1 沉積環(huán)境

鄂爾多斯盆地在晚古生代經(jīng)歷多次海侵，早二疊世受構(gòu)造運動影響，盆地北隆南傾，海水由SE-E向侵入，全區(qū)成為統(tǒng)一的陸表海[15]。早期,人們認為太原期末海水完全退出盆地，山西期盆地為近海湖盆或為陸內(nèi)湖盆[16-18]。隨著勘探的深入，劉家鐸等分析巖心與巖石學(xué)特征，找到盆地北部塔巴廟地區(qū)山1段海相沉積的標(biāo)志[19]；葉黎明等認為盆地東部山西組是發(fā)育在淺海陸棚基礎(chǔ)上的三角洲沉積[20]；根據(jù)多種地質(zhì)證據(jù)和地球化學(xué)分析結(jié)果，認為鄂爾多斯盆地山西期由南向北、層位自下而上受海水影響的規(guī)模與范圍愈來愈弱[21-25]。研究區(qū)位于盆地的東南部，山西期仍受海侵的影響。

圖1 研究區(qū)位置與地層Fig.1 Study area location and stratigraphic column

1.2 物源供給

中奧陶世，揚子板塊向華北板塊之下俯沖，華北板塊南部發(fā)育主動大陸邊緣，秦嶺造山帶開始形成；直至中三疊世，俯沖碰撞造山結(jié)束，北秦嶺逆沖褶皺帶不斷隆起；二疊紀(jì)初期，北秦嶺地區(qū)的弧后海盆地開始隆升[26-27]。北秦嶺構(gòu)造帶的隆起為鄂爾多斯盆地晚古生代南部的沉積充填提供物源保障。人們利用野外露頭古流向測定、重礦物分析、巖屑類型及地球化學(xué)等方法，證實盆地南部二疊世的物源主要來自秦祁褶皺帶形成的北秦嶺隆起帶，山西期向北發(fā)展至延安地區(qū)并與北部物源交匯[7,28-30]。研究區(qū)位于伊陜斜坡南端，其南部渭北隆起與北部呂梁隆起為中生代之后隆起的[31]。根據(jù)大地構(gòu)造背景，北秦嶺隆起帶為山西期的沉積提供物源。

2 山西組沉積特征

山西期沉積環(huán)境判斷與物源供給分析表明，研究區(qū)山西期為受海侵影響的淺水環(huán)境，沉積物源來自南部北秦嶺造山帶。

2.1 巖石學(xué)特征

山西組的砂巖主要為中細粒巖屑質(zhì)石英砂巖和巖屑砂巖，粗粒砂巖和含礫粗砂巖較少，其中石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.0%，長石為2.4%，巖屑為16.6%；巖屑組分主要為變質(zhì)巖、巖漿巖，含少量沉積巖屑，與物源來自北秦嶺造山帶出露的變質(zhì)巖系有關(guān)。砂巖的磨圓為次棱—次圓狀，以顆粒支撐為主，偶見雜基支撐，接觸方式以凹凸接觸為主，次為點狀、鑲嵌狀。其重礦物組合中鋯石和白鈦礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，ZTR指數(shù)和北部相比整體偏低，表明研究區(qū)距離物源較近，也證明研究區(qū)物源來自東南部北秦嶺造山帶。

2.2 粒度分析

采用薄片粒度分析法，分析研究區(qū)砂巖沉積環(huán)境的水動力條件。粒度概率圖主要表現(xiàn)為三段式和二段式(見圖2)，其中三段式跳躍組分約占85.00%，但斜率較??；懸浮組分較多，約占12.00%；滾動組分約為2.00%。粒度集中在2.0～3.0Φ之間，以中細粒顆粒為主，反映水動力相對較強，少量粗顆粒沿河床底部滾動，細顆粒隨水流以跳躍和懸浮的方式沉積下來。兩段式跳躍組分約占90.00%，懸浮組分約為10.00%，粒度集中在2.5～3.5Φ之間，以細顆粒為主，反映水動力減弱，沉積物主要為跳躍和懸浮搬運，分選性較三段式的好。整體特點是滾動成分不發(fā)育，以跳躍和懸浮組分為主，粒度偏細，分選較好，牽引流特征明顯。

2.3 野外地質(zhì)剖面

野外剖面較為宏觀，連續(xù)性較好，可以比較完整地展現(xiàn)山西組的沉積特征。對研究區(qū)南部韓城和銅川多處野外露頭剖面進行考察，選取涺水河剖面進行分析。宏觀上，山西組整體表現(xiàn)為“泥包砂”的特征，底部褐灰色砂巖夾黑色泥巖及煤線，中部褐灰色砂巖夾泥巖，上部為灰黑色砂質(zhì)泥巖夾黃綠色粉砂巖，厚度約為60 m。下部和上部砂體橫向分布連續(xù)，多呈孤立狀分布；中部多期砂體呈低角度疊瓦型堆積，為三角洲沉積中典型的前積體，且在前積砂體底部未發(fā)現(xiàn)底積層沉積(見圖3)。于興河等認為三角洲內(nèi)部的前積結(jié)構(gòu)受地形坡度的影響，坡度越緩，前積厚度越小，多呈疊瓦型[32]。研究區(qū)山西期發(fā)育三角洲沉積，且地形坡度較緩。微觀上，碎屑顆粒分選性和磨圓相對較好，粒度變化范圍不大，以中細粒砂巖為主。在剖面底部和上部，砂體發(fā)育沖刷面構(gòu)造或槽狀交錯層理，代表分流河道沉積的特征；砂體間夾灰色—灰黑色泥巖、粉砂巖，發(fā)育復(fù)合層理及流水沙紋層理，其間多見植物化石，且炭質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，發(fā)育炭質(zhì)泥巖和煤層，反映水體較淺、沉積粒度較細，為分流間灣沉積。

圖2 研究區(qū)粒度分選參數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Grain size distribution curve in the study area

圖3 薛峰川剖面山西組砂體解剖Fig.3 Sand bodies in the Xuefengchuan field section

2.4 巖心描述與巖相劃分

2.4.1 巖心描述

研究區(qū)細粒沉積主要包括泥巖、煤、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，泥巖顏色為灰黑色—深灰色，泥巖中多見植物碎屑，部分植物碎屑出現(xiàn)炭化，斷口處也可見白云母零散分布(見圖4(a-c))；泥巖中炭質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，出現(xiàn)不同程度的炭化，后期煤化程度較高的灰質(zhì)形成黑色的煤，呈現(xiàn)質(zhì)輕、性脆、污手，斷面具有玻璃光澤的特征(見圖4(d))；粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖顏色多為深灰色，發(fā)育流水沙紋層理，也常與泥巖在垂向上間互疊置，發(fā)育復(fù)合層理(見圖4(f-g))。細粒沉積整體表現(xiàn)為水動力頻繁變化、淺水泥沼沉積特征。

粗粒沉積包括粗砂巖、中砂巖、細砂巖，顏色整體為灰色，部分呈灰綠色或灰白色。其中粗砂巖發(fā)育槽狀交錯層理，在沖刷面附近見含礫粗砂巖或泥巖撕裂屑，表現(xiàn)為河道下切的特征(見圖4(h-i))。中—細砂巖是研究區(qū)砂巖的主要組分，分選較好，磨圓為次棱—次圓狀。主要發(fā)育板狀交錯層理、平行層理等，在巖心斷面處見大量白云母，反映水動力能量由強變?nèi)?，沉積物大量卸載(見圖4(e-j))。研究區(qū)粗粒沉積呈現(xiàn)水道沉積特征。

圖4 研究區(qū)山西組巖心特征Fig.4 Cores of Shanxi formation in the study area

2.4.2 巖相劃分

根據(jù)巖心觀察結(jié)果，研究區(qū)山西組主要為三角洲前緣沉積。結(jié)合巖性和沉積構(gòu)造特征，對研究區(qū)巖相類型進行劃分，共劃分7種類型(見表1)。

表1 研究區(qū)山西組7種巖相類型

Table 1 Seven types of lithofacies of Shanxi formation in the study area

(1)槽狀交錯層理砂巖相(St)：以中粗砂巖為主，偶見少量含礫粗砂巖，發(fā)育槽狀交錯層理，為水下分流河道下切、充填沉積，出現(xiàn)于水下分流河道下部；

(2)板狀交錯層理砂巖相(Sp)：以細砂巖、中砂巖為主，發(fā)育板狀交錯層理，反映水下分流河道側(cè)向遷移的過程；

(3)平行層理砂巖相(Sh)：出現(xiàn)在粉細砂巖、中砂巖中，發(fā)育平行層理，一般與下部的板狀交錯層理難以區(qū)分，為高流態(tài)面狀層流，反映水淺流急的水動力特征；

(4)流水沙紋粉砂巖相(Fr)：常見于粉細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，波痕具有不對稱性，水動力較弱，主要發(fā)育于三角洲前緣的環(huán)境；

(5)復(fù)合層理粉砂巖相(Fc)：巖性以粉細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，根據(jù)砂泥比，分為脈狀、透鏡狀、波狀三種層理，主要反映三角洲前緣水體頻繁進退的特征；

(6)炭質(zhì)泥巖相、煤相(Mc/C)：發(fā)育于灰黑色炭質(zhì)泥巖煤層，為靜水還原環(huán)境，可見植物葉片，為水下分流間灣及泥炭沼澤沉積；

(7)灰色泥巖相(Mg)：常見于灰綠色泥巖，為細粒沉積，發(fā)育塊狀層理，水動力較弱，主要發(fā)育于水下分流間灣沉積環(huán)境。

圖5 研究區(qū)巖相組合類型Fig.5 Three kinds of combinations of lithofacies in the study area

根據(jù)巖相類型劃分結(jié)果，分析各種巖相在垂向上組合特征。

(1)水下分流河道：St→Sp→Sh→Fr→Mg，其特點是由底部粗砂巖相過渡到泥巖相，沉積構(gòu)造也由大型的交錯層理變?yōu)樾⌒偷牧魉臣y層理、塊狀層理，反映一期水道沉積，水動力由強到弱的變化(見圖5(a))；

(2)水下分流間灣：Mg→Fr→Mc/C→Fr→Mc/C→Fc，整體為砂泥間互沉積，發(fā)育小型流水沙紋層理和復(fù)合層理，可見植物葉片化石，富含有機質(zhì)，發(fā)育炭質(zhì)泥巖或煤層(見圖5(b))；

(3)分流河口砂壩：Mg→Fr→Sp→Sh→Mg，其特點是粒度向上變粗的反粒序，多發(fā)育流水沙紋層理和板狀交錯層理，反映砂體的前積遷移作用(見圖5(c))。

3 三角洲前緣沉積

根據(jù)研究區(qū)山西組巖石學(xué)特征及水動力分析、野外地質(zhì)剖面解析、巖心精細描述及垂向序列，主要發(fā)育三角洲前緣沉積，包括水下分流河道、水下分流間灣、分流河口砂壩等微相。

3.1 水下分流河道微相

研究區(qū)水下分流河道沉積的巖性主要為中砂巖、細砂巖，含少量含礫粗砂巖，發(fā)育多種交錯層理及沖刷面，反映河道下切的特征。研究區(qū)物源來自南部，在沉積剖面上也可以看到南部水下分流河道砂體較北部的發(fā)育。砂體形態(tài)呈頂平底凹的透鏡體，自然伽馬曲線呈箱型、鐘型，頂部漸變、底部突變，呈中—高幅齒型。由于地形坡度較小，單砂體順物源方向延伸較遠，可見砂體呈疊瓦狀遷移(見圖6)。

3.2 水下分流間灣微相

水下分流間灣以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等細粒沉積為主，可見復(fù)合層理和流水沙紋層理；常見植物化石，反映山西期的濕潤氣候，分流間灣內(nèi)植物較為發(fā)育。隨著三角洲向前推進，早期形成的水下分流間灣演變?yōu)楦缓袡C質(zhì)的水上泥炭沼澤沉積，為山西組一種重要的聚煤類型[33]。在剖面上，GR曲線在泥巖基線附近，呈低幅、微齒，相對較為平滑。水下分流間灣與水下分流河道密切共生，反復(fù)疊置，其間發(fā)育由水下分流河道漫溢發(fā)育而成的漫溢砂體(見圖6)。

3.3 分流河口砂壩微相

分流河口砂壩以中細砂巖為主，分選較好，自然伽馬曲線以漏斗型為主，也可見紡錘狀，呈中高幅，頂、底部為漸變接觸，通常表現(xiàn)為反粒序特征。由于山西期水下分流河道較為發(fā)育，沖刷作用較強，早期形成的河口砂壩常被后期水下分流河道沖刷，研究區(qū)分流河口砂壩發(fā)育較少，常與水下分流河道砂體出現(xiàn)垂向上相互疊置的現(xiàn)象(見圖6)。

圖6 研究區(qū)山西組S-N向剖面沉積相Fig.6 Sedimentary characteristics of S-N profile of Shanxi formation in the study area

4 沉積模式

研究區(qū)沉積物粒度整體偏細，以中—細砂巖為主，分選中等，發(fā)育槽狀交錯層理、板狀交錯層理、復(fù)合層理、植物化石及白云母，反映研究區(qū)沉積時期水體較淺、進退頻繁、氣候濕潤的沉積環(huán)境。

平面上，三角洲前緣的發(fā)育可分為前緣內(nèi)帶和前緣外帶(見圖7)，前緣內(nèi)帶與三角洲平原具有一定的繼承性，河道較寬，水道下切沖刷作用較強，其間未被沖刷保留下來水下分流間灣內(nèi)植被發(fā)育；前緣外帶水體加深，水下分流河道分汊變多，水道下切深度變淺，水下分流間灣沉積植被較少?？v向上，山2段到山1段，海水持續(xù)退去，由于研究區(qū)沉積時期地形較緩，三角洲緩慢前積。三角洲前積過程中，水下分流河道較為發(fā)育，剖面上砂體多為頂平底凹的砂體；水下分流河道發(fā)育少量的河口砂壩，剖面上與分流河道砂體相互疊置分布。隨著水位的降低，早期形成的水下分流間灣植被生長，發(fā)展為水上泥炭沼澤沉積，為山西組煤層的形成提供基礎(chǔ)。這一模式反映淺水緩坡型三角洲前緣亞相的沉積特點。

圖7 研究區(qū)三角洲前緣沉積模式Fig.7 the sedimentary model of front delta in the study area

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地東南部沉積地形坡度較緩，水動力條件以牽引流為主，沉積粒度偏細，分選好，山西期主要發(fā)育三角洲前緣沉積。

(2)研究區(qū)三角洲前緣的沉積模式為：來自盆地南部北秦嶺隆起帶的物源，經(jīng)山地河流長距離搬運，在研究區(qū)內(nèi)大量卸載，受地形及物源供給的影響，形成淺水緩坡型三角洲前緣沉積。

(3)研究區(qū)主要發(fā)育水下分流河道、水下分流間灣、分流河口砂壩3種微相。其中水下分流河道砂體發(fā)育較好，是勘探開發(fā)的有利相帶，水下分流間灣是重要的成煤環(huán)境，也是山西組“氣源”之一，有待進一步研究兩者的空間展布關(guān)系，為南部尋找天然氣有利區(qū)提供指導(dǎo)。

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2016-10-25；編輯：劉麗麗

杜永慧(1988-)，女，碩士，助理工程師，主要從事沉積學(xué)與天然氣地質(zhì)學(xué)方面的研究。

TE122

A

2095-4107(2017)03-0044-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.03.005