鄂爾多斯盆地延長組下組合沉積期湖盆遷移演化及沉積響應(yīng)

完顏容, 李相博, 劉化清, 魏立花, 廖建波, 黃思靜

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院,蘭州 730020)

三疊系延長組是鄂爾多斯盆地主要的勘探目的層系，前人根據(jù)沉積旋回將其自上而下劃分為10個油層組[1]，其中長1-長6為上組合，長7-長8為中組合，長9-長10為下組合。其沉積特征總體反映了大型拗陷湖盆形成、發(fā)展和消亡的全過程[1,2]，但對于湖盆發(fā)展演化的具體途徑卻存在不同觀點。多數(shù)研究者認為，由于盆地基底具有穩(wěn)定克拉通性質(zhì)[3,4]，整個盆地在延長組沉積時期表現(xiàn)為整體升降、平起平落的特點[1]。受這一認識影響，生產(chǎn)部門編制的延長組沉積體系也基本上是東西南北各三角洲圍繞固定的沉積中心呈現(xiàn)出對稱發(fā)育、同步進退的特點。近年來，一些研究者提出湖盆沉積中心具有遷移性，但在遷移的時間與方向上存在分歧。例如劉化清等認為受西秦嶺造山活動與陰山地區(qū)垂向構(gòu)造隆升的影響，以長7為界，盆地沉積中心早期向北遷移，晚期向西南遷移[5]；鄧秀芹等認為長10-長8沉積期湖盆沉積中心穩(wěn)定，長7開始湖盆向西南遷移[6]；國吉安等提出長10-長8湖盆向西南遷移，長7后湖盆逐漸向東北遷移[7]。

由于湖盆沉積沉降中心的遷移影響沉積體系與砂體分布，進而影響勘探部署。本文以野外露頭、巖心觀察及鉆井、測井分析資料為基礎(chǔ)，重點對延長組下組合沉積期湖盆沉積中心的遷移演化及沉積響應(yīng)進行分析，以期為延長組下組合這一新層系的勘探部署提供科學依據(jù)。

1 湖盆沉積中心遷移演化規(guī)律

通過對延長組下組合沉積微相、巖礦測試資料、粒度資料及地層結(jié)構(gòu)等分析，結(jié)果表明，長10-長9沉積期，湖盆沉積中心明顯存在向西遷移現(xiàn)象。

1.1 沉積微相反映湖盆向西遷移

根據(jù)野外剖面及取心井的巖心觀察(圖1)，在現(xiàn)今鄂爾多斯盆地及周邊地區(qū)，長10油層組沉積構(gòu)造非常發(fā)育，總體反映河流相沉積特征，并可明顯劃分出河道與河漫灘2個沉積微相。其中河道沉積以中-粗粒砂巖為主，見大型槽狀與板狀交錯層理及平行層理。河道底部常見大量反映流水沖刷與搬運成因的泥礫及高等植物莖桿化石等。具體可參閱筆者的相關(guān)文獻[8]。

需要說明的是，在現(xiàn)今鄂爾多斯盆地內(nèi)部，并未見到長10期真正的湖相沉積。當時湖盆匯水區(qū)的位置可以從以下2點得到啟示：一是在豫西濟源地區(qū)，前人在相當于延長組早期的油坊莊組中發(fā)現(xiàn)了大量生物遺跡化石，其組構(gòu)特征表明該地區(qū)當時為淺湖沉積環(huán)境[9]；二是根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[10,11]，筆者通過實地考察，在大致位于東秦嶺商丹縫合線北部的南召、五里川、馬市坪、盧氏瓦穴子、雙槐樹等地區(qū)廣泛發(fā)育上三疊統(tǒng)深湖相沉積，厚度>1 km，斷續(xù)綿延幾百千米，直接覆蓋在古老結(jié)晶基底之上，湖相沉積穩(wěn)定，未見邊緣相沉積。根據(jù)晚三疊世陜北斜坡存在“西高東低”的古地貌背景條件[12,13]，完全有理由相信豫西-東秦嶺地區(qū)可能是長10期湖盆匯水區(qū)的位置，現(xiàn)今的鄂爾多斯地區(qū)是位于其上游的 “泄水區(qū)”。

長9油層組主要發(fā)育湖泊-三角洲沉積體系(相)。就湖泊相而言，在盆地腹地的定邊-環(huán)縣-慶陽-志丹-黃龍-崇信一帶以及神木等地均可見到，可明顯劃分出濱湖、淺湖、湖灣、半深湖和深湖5個亞相。其中濱淺湖亞相分布廣泛，以薄層及互層粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾少量薄層粗砂巖或者含礫砂巖透鏡體，發(fā)育楔狀層理、板狀層理、平行層理、小型交錯層理、波狀層理及沙紋層理。半深湖及深湖亞相主要分布在鄂爾多斯東南部志丹-黃龍一帶，在露頭和鉆井上都發(fā)現(xiàn)了大量典型的長9深水泥巖或油頁巖沉積(圖2)。其中在黃龍一帶，深湖相厚層暗色泥巖或油頁巖厚度可達10～30 m。

上述沉積微相特征表明，從長10期到長9期，研究區(qū)由河流相沉積演變?yōu)楹?三角洲沉積，湖盆沉積中心明顯向西遷移。事實上，長9期以后直到長7期，湖盆沉積中心仍然存在向西遷移的趨勢，這一點可以從不同時期深湖相油頁巖的分布得到證實(圖3)。

1.2 重礦物特征反映湖盆向西遷移

隨著沉積物搬運距離增大，不穩(wěn)定重礦物在搬運過程中由于遭受機械破碎、溶蝕、溶解等風化作用，含量會越來越少，而穩(wěn)定重礦物所占比重則相應(yīng)增多。湖盆沉積中心是多物源多水系匯聚中心，是各沉積體系延展消亡之處，表現(xiàn)在巖石礦物特征上為相對最穩(wěn)定礦物分布區(qū)。

圖1 延長組長10油層組露頭照片及沉積相剖面Fig.1 Outcrop photos and sedimentary facies profiles of Chang 10 oil-bearing formation, Yanchang Formation(據(jù)完顏容等，2011)(A)神木窟野河,辮狀河沉積; (B)寧夏石溝驛,辮狀河沉積; (C)旬邑山水河,曲流河沉積; (D)旬邑山水河,曲流河沉積序列(據(jù)楊友運資料，有修改), 圖中箭頭指照片位置

圖2 延長組長9油層組露頭與鉆井巖心照片F(xiàn)ig.2 Outcrop and drilling core photos of Chang 9 oil-bearing formation, Yanchang Formation(A)黃龍剖面，長91，灰黑色泥巖； (B)宜川剖面，長9，深灰-灰黑色泥巖； (C)旺13井，長91，778.67 m，瓣腮類化石；(D)寧24井，長92， 1 760.12 m，灰黑色泥巖，含介形蟲

圖3 峰4-旺13井長9-長7沉積期半深湖相生油巖分布剖面圖Fig.3 Source rock distribution profile of deep and semi-deep lake facies in the sedimentary period of Member Chang 9-Chang 7 from Well Feng 4 to Well Wang 13

通過對全盆地100余口探井和十幾處露頭的重礦物組合空間展布特征分析，結(jié)果表明：長9期西北部的鹽定地區(qū)、西部環(huán)縣地區(qū)、安塞-靖邊連線以北地區(qū)以及盆地西南部涇川-正寧以南(西南)地區(qū)均屬于綠簾石-鋯石-石榴子石不穩(wěn)定組合區(qū)，分別代表盆地西北、東北及西南三大物源體系；而在3大沉積體系前緣的盆地中央及盆地東部洛川-宜川地區(qū)重礦物成熟度最高，屬于高鋯石-石榴子石或石榴子石-鋯石組合區(qū)(圖4-A)， 總體反映該區(qū)存在匯水中心。

在長10期，盆地大部分地區(qū)礦物成分成熟度低(圖4-B)，以含有較高綠簾石為特征，其質(zhì)量分數(shù)為10%～23%；尤其盆地西北部高綠簾石不穩(wěn)定重礦物組合帶延伸較遠，末端抵達華池以南地區(qū)，表明此時西部物源區(qū)沉積體系異常強盛。指示礦物成熟度較高的鋯石-石榴子石組合分布范圍非常有限，呈零星狀態(tài)穿插分布在盆地北部、南部及盆地中央地區(qū)的不穩(wěn)定礦物組合區(qū)中。這與長9期穩(wěn)定重礦物位于湖盆中央、不穩(wěn)定重礦物位于四周的特征顯然不同，說明該時期盆地內(nèi)部不存在匯水區(qū)，沉積物可能主要受單向水流影響。至于少量穩(wěn)定重礦物組合呈零星狀態(tài)與不穩(wěn)定礦物穿插分布的現(xiàn)象，可能與河漫湖或局部積水洼地的回流作用有關(guān)。

上述長9與長10重礦物的不同分布特征，充分說明了長9期湖盆向西遷移的特征，這與沉積微相反映的湖盆遷移特征是一致的。

1.3 成巖礦物濁沸石反映湖盆向西遷移

濁沸石是延長組中最常見的成巖礦物，它的分布在延長組下部沉積物中具有一定的規(guī)律性。長10砂巖中普遍含濁沸石，而長9砂巖中大致在鎮(zhèn)原-合水-宜川-薛峰川一線以北含有濁沸石，以南砂巖中未見分布[8]。

白清華等最新研究認為，延長組中濁沸石的形成與盆地北部陰山造山帶凝灰?guī)r和火山碎屑母巖中豐富的斜長石有關(guān)[14]。因此可以這樣解釋長10與長9砂巖中濁沸石分布的差異性：長10砂巖主要是來自盆地北部的單物源供給，北部河流體系帶來了豐富的富含斜長石的火山碎屑物質(zhì)，后期經(jīng)過成巖變化而形成濁沸石砂巖；而長9以后盆地內(nèi)部形成了匯水區(qū)，周緣存在多物源體系，北部火山碎屑物質(zhì)僅能到達鎮(zhèn)原-合水-宜川-薛峰川一線以北地區(qū)，此線以南屬于南部物源供給區(qū)，缺少火山碎屑物質(zhì)，因此南部地區(qū)長9普遍缺少濁沸石膠結(jié)。上述濁沸石的分布特征也清楚地說明了長10、長9期具有完全不同的沉積環(huán)境，從長10期到長9期，現(xiàn)今鄂爾多斯盆地由早期的“泄水區(qū)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡R水區(qū)”，湖盆沉積中心向西作大規(guī)模遷移。

1.4 粒度資料反映湖盆向西遷移

粒度統(tǒng)計是分析沉積環(huán)境的有效方法之一[15]。通過對全盆地20多口井幾百塊樣品的粒度分析表明(圖5)：長10層段概率曲線主要為單段式(如峰2井、高52井)和兩段式(如旺10井)，總體特征是躍移組分的面積分數(shù)占99%以上，斜率較大，分選較好，為典型的河道沉積特征[8]。

長9層段砂巖概率曲線存在2種類型 (圖5)。Ⅰ型為雙段式(如胡148井)，躍移組分占98%以上，水動力較強，為河道沉積。此種類型主要分布在盆地西北鹽定地區(qū)。Ⅱ型為三段式(如旺8井)，躍移組分的面積分數(shù)<80%，懸移組分占20%左右，且受湖浪進退作用影響雙躍移特征非常明顯，水動力條件明顯變?nèi)?，結(jié)合巖性巖相特征分析為濱淺湖環(huán)境。此種類型主要分布在盆地東南志丹-黃陵地區(qū)。

上述粒度分布特征同樣表明，鄂爾多斯地區(qū)長10沉積時期總體屬于河流相沉積環(huán)境，而長9沉積時期盆地東南部已經(jīng)出現(xiàn)湖相沉積環(huán)境。這進一步說明湖盆沉積中心的向西遷移。

1.5 地層結(jié)構(gòu)特征反映湖盆向西遷移

根據(jù)120口鉆井資料統(tǒng)計分析，長10砂地比平均約為55%，最高可達90%；砂巖單層厚度約為6～22 m。而長9砂地比約為35%，最高可達60%；砂體厚度一般小于10 m。 長10砂地比和砂體單層厚度明顯大于長9，因此從地層結(jié)構(gòu)上看，長9與長10存在明顯差異，長10總體是一套以砂為主的地層，反映為河流相沉積環(huán)境，不同于長9的三角洲-湖泊沉積環(huán)境。

綜合上述研究，并參考原型盆地恢復結(jié)果[16]，繪制了長9與長10期巖相古地理概貌圖(圖6)。從圖中可以看出，從長10期到長9期，湖盆沉積中心發(fā)生了明顯的向西遷移。

2 湖盆遷移演化的沉積響應(yīng)

延長組下組合沉積時期，湖盆沉積中心向西的遷移演化，對沉積體系的空間展布產(chǎn)生了重要影響，造成各沉積體系呈現(xiàn)此強彼弱不對稱發(fā)育的特征。

2.1 長10期沉積響應(yīng)

延長組沉積初期(長10期)，由于湖盆沉積中心位于豫西-東秦嶺地區(qū)，現(xiàn)今的鄂爾多斯地區(qū)在“西高東低”古地貌背景控制下[8]，主要發(fā)育西部(西北)與北部河流沉積體系，尤其以西部(西北)沉積體系最為強盛。從整個流域面積看，來自西北部物源的3大河流體系向盆內(nèi)延伸遠，影響范圍大，基本控制了志丹-宜川一線以南廣大地區(qū)的沉積；東北的河流體系影響有限，僅限于志丹-宜川一線以北的地區(qū)(圖7)；基本無南部物源體系。

圖5 延長組部分取心井段粒度統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical graphs of particle size for Yanchang Formation(據(jù)完顏容等(2011)，有修改)

圖6 鄂爾多斯-華北南部地區(qū)長10與長9期巖相古地理概貌圖Fig.6 Lithofacies paleogeography general picture of Member Chang 10 and Chang 9 in the south area of North China and Ordos Basin(據(jù)完顏容等(2011)，有修改)上圖為長10期，下圖為長9期，圖中紅色方框代表現(xiàn)今鄂爾多斯盆地范圍

圖7 鄂爾多斯盆地延長組長10上部沉積體系圖Fig.7 Sedimentary system diagram of the upper Member Chang 10 in Ordos Basin(據(jù)完顏容等，2011)

2.2 長9期沉積響應(yīng)

長9期，湖盆西部(西北)體系仍然保持了早期強盛的特色，是盆地主要的沉積體系，東北體系依然相對較弱。需要說明的是，此時隨著沉積中心向西遷移，北秦嶺地區(qū)開始隆升，盆地南部(西南)物源體系開始形成[17];而在盆地中央及東南部的延安-甘泉-富縣-黃陵一帶，主要發(fā)育深湖-半深湖-濱淺湖沉積(圖8)。

圖8 鄂爾多斯盆地延長組長9上部沉積體系圖Fig.8 Sedimentary system diagram of the upper Member Chang 9 in Ordos Basin

3 結(jié) 語

延長組沉積時期之所以出現(xiàn)湖盆中心的遷移演化，以及不同的沉積體系類型，歸根到底是由當時區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的變化所造成，與揚子和華北2個古大陸拼合作用有關(guān)。據(jù)前人研究[18-21]，中晚三疊世前后，位于2個大陸之間的昆侖-秦嶺洋沿盆地南緣的阿尼瑪卿-商丹斷裂一線由東向西呈“剪刀式”碰撞閉合，即大別—合肥地區(qū)大致于早二疊世末—中三疊世即已發(fā)生對接；而西部三門峽地區(qū)可能至中三疊世末—晚三疊世才拼接，到西秦嶺區(qū)則遲至晚三疊世后期才完全碰撞。強烈的造山運動使得南華北地區(qū)大規(guī)模隆升，靠近郯廬斷裂帶的地區(qū)首先隆起并逐漸向西擴展，這一過程必然導致晚三疊世沉積盆地不斷向西退縮，沉積中心不斷向西遷移。

眾所周知，延長組油氣分布主要受烴源巖分布范圍和三角洲前緣砂體控制[1]，湖盆中心遷移演化導致延長組下組合和中上組合烴源巖及儲集體發(fā)育位置不同，因而受各自控制的成藏組合的發(fā)育位置存在一定差異。

就延長組早期長9、長10而言，由于長9期湖盆沉積中心向西遷移，從而在鄂爾多斯地區(qū)形成了廣泛湖侵，并發(fā)育了面積較為廣泛的李家畔油頁巖[22]；但由于同期三角洲發(fā)育不平衡，除西部體系靠近物源，三角洲發(fā)育且物性較好外，盆內(nèi)及東部(尤其東南部)地區(qū)三角洲面積普遍小并且物性差，給長9自身油氣勘探帶來了困難。長10期河流相砂體發(fā)育時間長、厚度大、面積廣、物性好，與上覆長9油頁巖匹配，可以形成“上生下儲”式成藏組合[21]。因此，盆地內(nèi)部烴源巖發(fā)育區(qū)的長10及西部沉積體系的長9是今后油氣勘探的有利地區(qū)。

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