侯云東,陳安清,趙偉波,董國(guó)棟,楊　帥,徐勝林,高志東,李富祥,劉新昕,張曉星

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018；3.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

在鄂爾多斯盆地，繼1989年發(fā)現(xiàn)下古生界奧陶系頂部巖溶風(fēng)化殼氣藏——靖邊氣田后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了上古生界蘇里格氣田、榆林氣田、米脂氣田、大牛地氣田等。天然氣產(chǎn)量已占鄂爾多斯盆地油氣當(dāng)量的半壁江山。上古生界氣田群的發(fā)現(xiàn)，得益于大型淺水河流-三角洲沉積成藏理論的指導(dǎo)。據(jù)2010年的石油天然氣評(píng)價(jià)結(jié)果，鄂爾多斯盆地天然氣資源量達(dá)15.16×1012m3 [1]，是中國(guó)四大天然氣產(chǎn)區(qū)之一，而保持上古生界致密氣田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)是當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。因此，進(jìn)一步擴(kuò)大氣田勘探范圍和尋找新的勘探層系是首要任務(wù)。

上石炭統(tǒng)本溪組不但是鄂爾多斯盆地重要的氣源層系，也發(fā)育著畔溝段和晉祠段2套規(guī)模較大的砂體。近期的勘探表明，畔溝砂體和晉祠砂體都有著豐富的油氣顯示。雖然本溪組油氣顯示發(fā)現(xiàn)由來(lái)已久，但其油氣勘探受對(duì)砂體發(fā)育規(guī)律和天然氣成藏規(guī)律認(rèn)識(shí)不足所制約。初步的研究表明，本溪組的天然氣成藏與山西組-石盒子組的大型淺水三角洲沉積成藏理論截然不同。本溪組砂體的連片性明顯不如山西組-石盒子組的大型河流-三角洲成因的毯式砂體，其砂體受海流環(huán)境影響明顯，潮汐改造作用將砂體切割成了砂壩群，其成藏模式多為源內(nèi)成藏。本文著重討論本溪組砂體沉積環(huán)境及發(fā)育規(guī)律。以前的研究大多認(rèn)為本溪組的砂體為障壁島-潟湖海岸沉積體系[2-8]，僅有少數(shù)研究認(rèn)為本溪組在開闊陸表海背景下發(fā)育了潮控海灣-三角洲體系[9]。本文通過(guò)精細(xì)的觀察解析野外露頭和巖心的沉積構(gòu)造標(biāo)志，以及高密度的鉆井砂體厚度統(tǒng)計(jì)，結(jié)合本溪組潮汐-三角洲復(fù)合體系下的多種沉積相標(biāo)志，分析鄂爾多斯盆地東部本溪組南、北砂體發(fā)育的差異性及其潮汐-三角洲復(fù)合體系對(duì)砂體的控制作用。

1　地質(zhì)背景

研究區(qū)地處華北板塊西部的鄂爾多斯盆地東部(圖1)，北至準(zhǔn)格爾旗、南抵韓城、西臨定邊、東達(dá)中陽(yáng)，主體位于伊陜斜坡Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元。本溪組覆于奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖頂部風(fēng)化殼之上，巖性以深灰色或灰黑色泥頁(yè)巖和淺灰色或灰白色石英砂巖為主，夾灰?guī)r層及煤層，底部為鐵鋁質(zhì)黏土巖層，總沉積厚度一般在30～70 m，劃分為湖田段、畔溝段和晉祠段3個(gè)巖性段，其分布受盆地的中央古隆起控制，在古隆起東側(cè)呈向東開口的半環(huán)形，厚度由西向東逐漸增大[7,10]。

本溪組是華北陸表海結(jié)束早古生代以碳酸鹽巖為主導(dǎo)的沉積地層后的第一套以碎屑巖沉積為主導(dǎo)的地層，形成于華北克拉通受加里東晚期約150 Ma暴露風(fēng)化后的再次海侵作用背景[11]。受北緣亞洲洋和南緣北秦嶺洋關(guān)閉的影響，南北緣的造山帶開始為盆地提供碎屑物源[12-15]，因此在畔溝段底部和晉祠段底部發(fā)育了2套較大的砂體。受海侵作用的影響，也發(fā)育了多套灰?guī)r夾層，其中的2套大致能夠進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ龋煌瑫r(shí)，在晚古生代全球聚煤背景下，發(fā)育了本溪組頂部的8號(hào)主力煤層[9,16]。

圖1　研究區(qū)位置、古地理背景及資料點(diǎn)圖Fig.1　Map showing the location,paleo-geographic background and data collecting sites in the study area(古地理背景圖據(jù)李潔[10]修改)

2　沉積環(huán)境標(biāo)志

本次研究觀察了盆地東緣的8條野外剖面和45口鉆井巖心。野外剖面由南而北分別為涺水河、上峪口、關(guān)家崖、扒樓溝、海則廟和龍王溝等剖面。鉆井包括鄂50井、米28井、桃11井、蓮45井、宜53井等等，較均勻地覆蓋了整個(gè)研究區(qū)。

2.1　潮汐環(huán)境

在野外露頭和鉆井巖心中不但發(fā)現(xiàn)了潮汐成因的羽狀交錯(cuò)層理、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理，還發(fā)現(xiàn)了風(fēng)暴潮成因的丘狀層理、軟沉積物變形構(gòu)造及泥巖中的石英漂礫。潮汐成因的相關(guān)構(gòu)造在研究區(qū)南部最為發(fā)育，在北部相對(duì)較少。

羽狀交錯(cuò)層理：雖然羽狀交錯(cuò)層理不容易被保存，但在露頭剖面和鉆井巖心中皆有發(fā)現(xiàn)，代表了較強(qiáng)的潮汐作用環(huán)境。如韓城涺水河剖面巨厚的晉祠砂巖中的羽狀交錯(cuò)層理，由于發(fā)育于成熟度高的石英砂巖中，細(xì)層沒(méi)有明顯的成分差異，層理構(gòu)造不是很明顯。這也可能是這一反映潮汐砂壩的典型層理構(gòu)造在以往的研究中被忽略的原因。雖然該交錯(cuò)層理只是隱約可見(jiàn)，但是通過(guò)近距離的觀察，仍能識(shí)別出上下相鄰的兩組紋層的傾向相反，形態(tài)上呈羽毛狀(圖2-A)。兩組紋層的傾向代表了相反的漲潮、落潮水流方向。羽狀交錯(cuò)層理通常發(fā)育在潮間帶下部及潮汐通道中。

潮汐層理：包括脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理，一般發(fā)育于上潮間帶以上以細(xì)粒沉積物為主的地帶。即潮汐能明顯降低后，漲潮、落潮過(guò)程中砂、泥的分配差異而形成3種不同砂泥含量的層理構(gòu)造(圖2-B、C、D)。潮汐層理發(fā)育比較廣泛，不但在以往認(rèn)為的障壁島后的潟湖區(qū)有發(fā)育，在以往認(rèn)為的東部障壁島發(fā)育區(qū)也常見(jiàn)。這也反映東部砂體并不是形成于持續(xù)高能的波浪作用帶，而是形成于間歇性高能為主導(dǎo)的沉積環(huán)境。

其他層理構(gòu)造：除上述2種潮汐成因的層理外，本溪組還發(fā)育風(fēng)暴潮環(huán)境的非正常水動(dòng)力成因的層理構(gòu)造，包括丘狀層理、泥巖中的石英漂礫、花狀礫石構(gòu)造、高跟鞋構(gòu)造和軟沉積物變形構(gòu)造。丘狀層理是風(fēng)暴浪所形成的一種重要的原生沉積構(gòu)造，由較大的寬緩波狀層系組成，形態(tài)上呈向上隆起的圓丘狀。丘狀層理構(gòu)造發(fā)現(xiàn)于府谷海則廟剖面的晉祠段粉細(xì)砂巖中(圖2-E)，向上拱起的圓丘高約20 cm，寬約1 m；其底部與下伏塊狀砂巖呈侵蝕接觸，上覆具有潮汐層理的細(xì)粒沉積層。在研究區(qū)南部的露頭剖面或鉆井的畔溝段中，礫石較為發(fā)育，礫石成分幾乎全為石英，磨圓度好；礫石常以礫巖層、含礫泥巖或含礫砂巖的形式出現(xiàn)。發(fā)育了代表風(fēng)暴浪成因的花狀礫石構(gòu)造(圖2-F)和風(fēng)暴潮渠成因的高跟鞋構(gòu)造(圖2-G)。值得注意的是，部分高成熟度的礫石呈漂浮狀發(fā)育于泥巖中(圖2-H)。如此高成熟度的礫石漂浮于泥巖中，并不好用近源沖積扇加以解釋；結(jié)合其他風(fēng)暴成因沉積構(gòu)造，認(rèn)為更可能是風(fēng)暴作用將礫石卷入到泥質(zhì)沉積物中。在本溪組的砂巖中，也發(fā)現(xiàn)不少軟沉積物變形構(gòu)造，如砂球(圖2-I)、層內(nèi)微斷層(圖2-J)、布丁構(gòu)造(圖2-K)和不規(guī)則變形構(gòu)造(圖2-L)。軟沉積物變形構(gòu)造被認(rèn)為是同沉積期的地震、風(fēng)暴、滑塌等同沉積事件的結(jié)果。根據(jù)當(dāng)時(shí)的沉積背景，它們最可能是風(fēng)暴潮或者大型涌潮作用所致。

圖2　鄂爾多斯盆地東部本溪組潮汐沉積標(biāo)志Fig.2　The tidal environment marks of the Benxi Formation in the eastern Ordos Basin(A)羽狀交錯(cuò)層理，晉祠段，韓城涺水河;(B)脈狀層理，晉祠段，韓城涺水河;(C)波狀層理，神54井;(D)透鏡狀層理，神54井;(E)丘狀層理，晉祠段，府谷海則廟;(F)花狀礫石構(gòu)造，畔溝段，韓城涺水河;(G)高跟鞋構(gòu)造，畔溝段，韓城上峪口;(H)漂浮狀礫石，宜53井;(I)砂球構(gòu)造，神54井;(J)層內(nèi)微斷層，桃11井;(K)脆裂縫中的布丁構(gòu)造，神54井;(L)液化不規(guī)則變形構(gòu)造，桃11井

2.2　三角洲環(huán)境

從此前的研究來(lái)看，大多認(rèn)為在本溪組沉積期的砂體主要為障壁島砂體和潟湖低能區(qū)砂坪成因的砂體，有北部物源的小型三角洲或扇三角洲發(fā)育[4,7,17-18]；少數(shù)研究認(rèn)為研究區(qū)南部也有三角洲發(fā)育[9]。本次研究中，我們發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)北部和南部都發(fā)現(xiàn)了河道單向牽引流形成的斜層理和平行層理，并且在北部發(fā)現(xiàn)了河道充填構(gòu)造。

單向牽引流構(gòu)造：主要發(fā)育板狀斜層理(圖3-A、B)和平行層理(圖3-C、D)2種。斜層理主要以單向板狀斜層理的形式出現(xiàn)，很少出現(xiàn)交錯(cuò)層理(圖3-E)；層理的相鄰層系互相平行，細(xì)層均向一個(gè)方向傾斜，代表著古水流方向。從層理的發(fā)育程度看，斜層理和平行層理在北部砂體中較為發(fā)育，在南部砂體中發(fā)育較少。發(fā)育這些層理的砂體與海相地層共生，因此可以推斷它們形成于三角洲前緣分流河道環(huán)境。單向斜層理的細(xì)層傾向測(cè)量顯示，研究區(qū)中南部的中陽(yáng)地區(qū)的砂體古流向仍然向南，表明北部三角洲作用較強(qiáng)，其砂體延伸范圍遠(yuǎn)；只有韓城至鄉(xiāng)寧一帶的古流向朝北，即南部三角洲較弱，砂體延伸距離較短。值得注意的是，這些單向牽引流沉積構(gòu)造與潮汐成因的層理構(gòu)造通常共生或者交替出現(xiàn)；并且粗粒沉積物不僅僅發(fā)育在以往認(rèn)為的東部障壁島區(qū)，在研究區(qū)中、西部也大量發(fā)育。因此，我們認(rèn)為本溪組的砂體并不是大多數(shù)人認(rèn)為的障壁島-潟湖成因的砂體，而是潮汐改造的三角洲砂體，是一種潮汐-三角洲復(fù)合砂體。

河道充填構(gòu)造：河道充填構(gòu)造是河道下切作用的產(chǎn)物，為河道砂體的橫截面，其延伸方向反映了古河道的走向。該構(gòu)造呈大規(guī)模的下凸透鏡狀(圖3-F 、G)，出現(xiàn)在北部的多個(gè)野外露頭上；南部露頭剖面沒(méi)有發(fā)育明顯的河道充填構(gòu)造，但能看見(jiàn)大型河道沖刷面(圖3-H)。從河道充填構(gòu)造的規(guī)模來(lái)看，畔溝段的河道規(guī)模較小， 晉祠段的河道規(guī)模較大。

3　潮汐-三角洲復(fù)合砂體特征及沉積模式

3.1　砂體的空間分布差異

根據(jù)700口鉆井的巖性解釋結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)了各井的畔溝段和晉祠段地層厚度和砂體厚度。

圖3　鄂爾多斯盆地東部本溪組三角洲沉積標(biāo)志Fig.3　The deltaic environment marks of Benxi Formation in eastern Ordos Basin(A)板狀斜層理，桃11井;(B)板狀斜層理，米28井;(C)平行層理，米28井;(D)平行層理，晉祠段，府谷海則廟;(E)槽狀層理，畔溝段，韓城涺水河;(F)河道充填構(gòu)造，畔溝段，府谷海則廟;(G)河道充填構(gòu)造，畔溝段，府谷海則廟;(H)河道沖刷構(gòu)造，晉祠段，韓城涺水河

基于大量鉆井統(tǒng)計(jì)的高密度分布的厚度數(shù)據(jù)和鉆井間的砂體對(duì)比，編制了畔溝段和晉祠段的砂體厚度圖。砂體厚度圖不但反映了砂體的厚度，也揭示了砂體的空間分散性和連通性。

野外露頭和鉆井的巖性柱狀圖的沉積相和沉積旋回分析表明，絕大部分資料點(diǎn)上的畔溝砂體和晉祠砂體都發(fā)育在各自的下部，組成了2個(gè)自下而上由砂巖轉(zhuǎn)換為泥巖及灰?guī)r煤層的沉積旋回(圖4)。宏觀上，河道充填構(gòu)造主要出現(xiàn)在北部沉積區(qū)，南部露頭沒(méi)有明顯的河道充填構(gòu)造。潮汐相關(guān)層理在南部較發(fā)育，體現(xiàn)出南部三角洲被潮汐改造較強(qiáng)，基本失去了原有的河道特征。北部三角洲被潮汐改造較弱，仍然保留了河道特征，發(fā)育了較多的單向牽引流成因的層理構(gòu)造。從規(guī)模來(lái)看，畔溝段的河道砂體明顯小于晉祠段，說(shuō)明畔溝期的物源供給較弱，三角洲規(guī)模小；晉祠期的物源供給較強(qiáng)，三角洲規(guī)模較大。

圖4　準(zhǔn)格爾旗龍王溝剖面本溪組沉積相及沉積旋回分析Fig.4　Sedimentary facies and cycles of Benxi Formation in the Longwanggou section

2個(gè)段的砂體平面分布圖顯示，畔溝段的沉積范圍僅限于研究區(qū)的東部，砂體呈補(bǔ)丁狀分散于沉積區(qū)，空間連通性極差；只在南、北緣發(fā)育2個(gè)相對(duì)較大的砂體，代表2個(gè)主要的物源入口，原有的三角洲砂體已經(jīng)完全被潮汐作用改造成分散的補(bǔ)丁狀(圖5-A)。晉祠段的沉積范圍明顯擴(kuò)大，只有研究區(qū)西南角仍為隆起區(qū)，砂體南北差異明顯，北部砂體連通性較好，呈南北向的條帶狀交織在一起，特別是來(lái)自東北部的砂體向南延伸較遠(yuǎn)；南部砂體同樣也以孤島狀的砂壩形式分布，南緣也有一個(gè)規(guī)模較大的反映三角洲進(jìn)入研究區(qū)的砂體(圖5-B)。

3.2　沉積模式及控砂作用

根據(jù)上述本溪組沉積環(huán)境分析結(jié)果，建立了的潮汐砂壩-三角洲復(fù)合體系模式(圖6)。這一模式與大多數(shù)前人提出的障壁島-潟湖體系觀點(diǎn)，都沒(méi)有否定潮汐的存在。其本質(zhì)區(qū)別在于潮汐的作用強(qiáng)度和河流作用的參與與否及其造成的砂體分布特征。眾所周知，潮汐作用的海岸帶，根據(jù)潮差規(guī)?？煞譃樾〕辈?<2 m)、中潮差(2～4 m)和大潮差(>4 m)3種類型。障壁島-潟湖體系的形成是在小潮差背景，具有與岸線近于平行的障壁砂壩，岸線與障壁砂壩之間為低能潟湖，潮汐作用較弱，砂壩向廣海的一側(cè)為浪控海岸。大潮差背景下，海岸為潮控環(huán)境，砂壩受潮流作用的控制，其走向與潮流方向一致。中潮差背景介于兩者之間，潮汐對(duì)砂體有一定的切割作用，但仍然能看出原始的形貌。本溪組的障壁島-潟湖體系觀點(diǎn)暗含其砂體發(fā)育于潮汐相對(duì)較弱的淺水陸棚區(qū)，砂體主要分布于研究區(qū)東部。并且其障壁島砂體向廣海的一側(cè)應(yīng)該以波浪作用為主，受到波浪作用的強(qiáng)烈改造。而目前為止，并未發(fā)現(xiàn)障壁砂體中發(fā)育波痕等代表波浪作用的典型證據(jù)。

本文首次采用大量的鉆井砂體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)編制的砂體平面圖，并不支持以往以露頭資料點(diǎn)或局部井區(qū)為基礎(chǔ)提出的具有穩(wěn)定的平行岸線的障壁砂體，甚至在以往認(rèn)為的低能潟湖區(qū)同樣發(fā)育大量砂體。本次全區(qū)系統(tǒng)的研究不但發(fā)現(xiàn)了羽狀交錯(cuò)層理、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理，還發(fā)現(xiàn)了風(fēng)暴潮成因的丘狀層理、軟沉積物變形構(gòu)造及泥巖中的石英漂礫，說(shuō)明潮汐作用強(qiáng)度比以往認(rèn)為的要大，并且高能潮汐作用范圍幾乎覆蓋了整個(gè)研究區(qū)。另一方面，三角洲的存在表明砂體是潮汐與河流共同作用的結(jié)果?？梢?jiàn)，整個(gè)研究區(qū)在本溪期為一個(gè)相對(duì)開闊的陸表海背景下的潮汐砂壩-三角洲復(fù)合沉積環(huán)境。從潮汐成因的層理的發(fā)育程度看，研究區(qū)南部可能達(dá)到了大潮差背景，砂壩分布以潮流作用的控制為主；北部可能為中等潮差背景，砂體仍然較好地保留了三角洲的面貌。研究區(qū)南強(qiáng)北弱的涌潮作用造成的沉積物分布特征與現(xiàn)代杭州灣強(qiáng)潮口和長(zhǎng)江口中潮口的沉積環(huán)境組合形成的沉積物具有一定的相似性[19-21]。

圖5　本溪組砂體厚度分布圖Fig.5　Maps showing the sand body thickness of Benxi Formation(A)畔溝段厚度分布圖;(B)晉祠段厚度分布圖

圖6　潮汐砂壩-三角洲復(fù)合沉積體系模式Fig.6　The depositional model of tidal-delta complex sedimentary systemTB.潮汐砂壩;TD.潮控三角洲;MS.混積陸棚;CL.泥炭沼澤;SL.海平面;QL.秦嶺微板塊;NCB.華北板塊;BMA.白廟微板塊。藍(lán)色箭頭示意潮汐流，綠色箭頭示意河流

開敞型海灣背景的潮汐砂壩-三角洲復(fù)合體系有助于重新認(rèn)識(shí)本溪組的砂體發(fā)育分布規(guī)律，也暗示未來(lái)本溪組勘探可能需要突破以往的思路?？碧侥繕?biāo)砂體不只局限于原來(lái)認(rèn)為的東部障壁島發(fā)育區(qū)，而可能分布于整個(gè)研究區(qū)。同時(shí)，也表明砂體的分布比以往認(rèn)為的復(fù)雜得多。從這一體系的優(yōu)質(zhì)砂體主要發(fā)育于潮間帶下部和潮下帶上部來(lái)看，有利區(qū)帶主要分布于研究區(qū)廣闊的中部，即榆林南—子長(zhǎng)—高橋一帶。未來(lái)勘探目標(biāo)的尋找，需要加強(qiáng)研究本溪期海平面變化過(guò)程中潮汐流的變遷及其對(duì)三角洲的改造程度和低潮面的遷移軌跡。

4　結(jié) 論

a.通過(guò)野外露頭和鉆井巖心的系統(tǒng)觀察，識(shí)別出了羽狀交錯(cuò)層理、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理等潮汐成因的沉積構(gòu)造，還發(fā)現(xiàn)了風(fēng)暴潮成因的丘狀層理、軟沉積物變形構(gòu)造及泥巖中的石英漂礫。同時(shí)，還識(shí)別出了大量反映單向牽引流成因的斜層理、平行層理及河道充填構(gòu)造。這些潮汐相關(guān)層理和河道相關(guān)層理通常在層內(nèi)共生或上下交替出現(xiàn)。

b.編制了砂體厚度分布圖，分析了畔溝段砂體和晉祠段砂體的時(shí)空發(fā)育差異。畔溝期的物源供給較弱，砂體規(guī)模小，呈補(bǔ)丁狀，基本失去了原始三角洲的形態(tài)特征。晉祠期的物源供給較強(qiáng)，砂體規(guī)模較大，其北部砂體被潮汐改造較弱，仍然保留了三角洲的形態(tài)特征；南部砂體被潮汐改造較強(qiáng)，為補(bǔ)丁狀砂壩。

c.建立了本溪期的潮汐砂壩-三角洲復(fù)合沉積模式，揭示出潮汐與河流共同作用控制著砂體的發(fā)育分布。研究區(qū)南部主要為大潮差背景，砂體分布以潮流作用的控制為主，被切割成了孤立分布的潮汐砂壩群；北部主要為中等潮差背景，砂體分布以河控為主，潮汐改造為輔，砂體呈南北向的條帶狀。