鄂爾多斯盆地西部奧陶系古巖溶類型及主控因素

張春林，朱秋影，張福東，劉銳娥

(1. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007)

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鄂爾多斯盆地西部奧陶系古巖溶類型及主控因素

張春林1，2，朱秋影1，2，張福東1，2，劉銳娥1，2

(1. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007)

摘要：野外剖面、巖心觀察和鏡下薄片鑒定揭示鄂爾多斯盆地西部奧陶系桌子山組、克里摩里組古巖溶儲(chǔ)層非常發(fā)育。系統(tǒng)建立了研究區(qū)3 種古巖溶作用的識(shí)別標(biāo)志，將古巖溶劃分為(準(zhǔn))同生期古巖溶作用、表生期順層古巖溶作用和埋藏期古巖溶作用等三大類型，并以表生期順層古巖溶作用為主。一級(jí)層序界面對(duì)應(yīng)奧陶系頂部的風(fēng)化殼古巖溶面，三級(jí)層序?qū)?準(zhǔn))同生期古巖溶作用和表生期順層古巖溶作用起控制作用；SQ6、SQ7 和SQ8 等3個(gè)I型層序底界面附近古巖溶作用相對(duì)較發(fā)育，層序格架內(nèi)古巖溶發(fā)育段主要處于高位體系域和海侵體系域。在對(duì)鄂爾多斯盆地奧陶系地質(zhì)背景分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為區(qū)內(nèi)古巖溶發(fā)育的主控因素包括層序、構(gòu)造條件、巖性特征、古氣候條件及古地貌。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地；奧陶系；古巖溶；主控因素

鄂爾多斯盆地1989 年發(fā)現(xiàn)中部大氣田，并且天然氣探明儲(chǔ)量逐年增長(zhǎng)，證實(shí)鄂爾多斯盆地下古生界發(fā)育較好儲(chǔ)層，蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源[1]。但目前除中部大氣田外，盆地其他地區(qū)下古生界勘探程度相對(duì)較低，尤其是盆地西部奧陶系古巖溶成因及主控因素有待深入研究[2]。該地區(qū)1987 年完鉆的天1 井中途測(cè)試產(chǎn)天然氣16.4×104m3/d；2009 年完鉆的棋探1 井證實(shí)了礁灘溶蝕型儲(chǔ)集體的存在；2010 年鉆探的余探1 井鉆遇溶洞型儲(chǔ)層，日產(chǎn)氣3.46×104m3；2011 年鉆探的余探2 井日產(chǎn)氣1.1565×104m3。除此之外，李華1、鄂6、鄂8 和鄂19 等探井均在古巖溶儲(chǔ)層中見到了氣顯示，顯示出較好的勘探前景。有必要對(duì)該區(qū)下古生界古巖溶儲(chǔ)層成因及主控因素進(jìn)行研究，以指導(dǎo)下一步勘探。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西部，北界為內(nèi)蒙古烏海，南至平?jīng)觯瑬|起城川，西至固原—銀川一帶，地跨西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡西部構(gòu)造單元，面積約為5×104km2(圖1)。研究區(qū)自下而上發(fā)育下奧陶統(tǒng)三道坎組、桌子山組、克里摩里組；中奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M和上奧陶統(tǒng)背鍋山組，其中桌子山組和克里摩里組是主要目的層。奧陶紀(jì)時(shí)期，研究區(qū)主要為向西開放的開闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣礁灘、臺(tái)地邊緣斜坡和深水海槽的沉積環(huán)境[3]，桌子山組巖性主要為深灰色、灰色中厚層至塊狀泥粉晶灰?guī)r、豹斑灰?guī)r、灰質(zhì)云巖夾泥質(zhì)云巖及顆粒灰?guī)r，厚度為150～450m，產(chǎn)頭足類化石、內(nèi)角石等?？死锬锝M巖性主要為黑灰色薄層泥晶灰?guī)r夾黑色頁巖，平?jīng)鼋M巖性主要為灰黑色頁巖、泥巖、粉砂巖夾灰質(zhì)角礫巖和泥晶灰?guī)r，厚度為300～900m，富含筆石。背鍋山組僅分布于研究區(qū)的固原地區(qū)，厚度為130m，巖性主要為灰色塊狀泥晶—粉晶灰?guī)r、生物灰?guī)r、礫屑灰?guī)r和藻屑灰?guī)r[4]。

2 古巖溶識(shí)別特征

研究區(qū)經(jīng)歷了多期次、不同類型的古巖溶作用改造，不同古巖溶作用類型的改造強(qiáng)度也不同，多期次古巖溶作用的疊加改造導(dǎo)致地層中形成大量的溶蝕孔、溶洞、溶蝕縫，其在野外剖面、鉆井巖心、測(cè)井曲線及地球化學(xué)等方面均具有明顯的特征。

2.1 野外剖面識(shí)別古巖溶發(fā)育段

通過野外露頭剖面觀察，依據(jù)已充填或未充填溶蝕孔、溶洞的發(fā)育情況識(shí)別古巖溶發(fā)育層段。受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，奧陶系沉積之后，鄂爾多斯盆地整體抬升遭受風(fēng)化剝蝕，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約1億年，形成了奧陶系頂部大面積分布的風(fēng)化殼，其巖性主要為灰白色、淺灰色的鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖和紫紅色的褐鐵礦或磁鐵礦層等風(fēng)化殘余物。研究區(qū)烏海摩爾溝剖面的奧陶系桌子山組與太原組之間發(fā)育褐鐵礦殘積層，并在該剖面及烏海老石旦剖面觀察到大量的、規(guī)模較大的溶洞(圖2)。

2.2 鉆井巖心及薄片識(shí)別古巖溶發(fā)育段

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)30 多口探井的巖心觀察與鏡下薄片鑒定，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)奧陶系中溶蝕孔、溶洞、溶蝕縫非常發(fā)育(圖3)；溶蝕孔呈圓形、橢圓狀和不規(guī)則狀，常密集發(fā)育呈蜂窩狀，部分溶蝕孔被方解石、白云石、泥質(zhì)、微晶石英或碳質(zhì)瀝青等充填；溶蝕縫為早期形成的裂縫或節(jié)理的溶蝕和擴(kuò)寬，后期常被方解石、白云石和少量的碳酸鹽巖角礫、黃鐵礦所充填，這是研究區(qū)地層被溶蝕改造的明顯標(biāo)志。同時(shí)，部分溶蝕縫或溶洞中充填巨晶方解石和陸源碎屑物，并混雜具磨圓度的碳酸鹽巖角礫。

2.3 鉆井過程識(shí)別古巖溶發(fā)育段

鉆井中鉆遇碳酸鹽巖地層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)井下鉆井液漏失、鉆具放空和鉆時(shí)加快等現(xiàn)象，這些是識(shí)別古巖溶發(fā)育段的重要標(biāo)志。研究區(qū)鉆井發(fā)生上述現(xiàn)象較多(表1)，表明奧陶系古巖溶段較發(fā)育，且從奧陶系頂向下290m 的深度范圍內(nèi)均有出現(xiàn)；層位主要為桌子山組和克里摩里組，鉆井液漏失與鉆具放空現(xiàn)象往往相伴出現(xiàn)。

表1　鄂爾多斯盆地奧陶系部分探井生產(chǎn)狀況統(tǒng)計(jì)表

3 古巖溶類型

研究區(qū)奧陶系在沉積之后的4.5億年中曾歷經(jīng)多次古巖溶作用改造，依據(jù)古巖溶作用的環(huán)境、次序、持續(xù)時(shí)間等影響因素，將其分為3 種類型：(準(zhǔn))同生期古巖溶作用、表生期順層古巖溶作用和埋藏期古巖溶作用，其中以表生期順層古巖溶作用為主。

3.1 (準(zhǔn))同生期古巖溶作用

(準(zhǔn))同生期古巖溶作用的發(fā)生、發(fā)展和演化受沉積環(huán)境控制。在開闊海臺(tái)地相中，受間歇性海退和沉積物快速堆積的影響，地層經(jīng)常露出海平面接受大氣淡水淋濾溶蝕，發(fā)育此類型古巖溶。奧陶系馬家溝組沉積期，研究區(qū)北部伊盟古陸南緣和東側(cè)靠近中央古隆起的部位發(fā)育濱淺海的潮坪相，中央古隆起西側(cè)發(fā)育臺(tái)內(nèi)礁灘相，當(dāng)發(fā)生周期性的海退時(shí)，上述地區(qū)就發(fā)育潮坪型和臺(tái)內(nèi)礁灘型的(準(zhǔn))同生期古巖溶。其顯微鏡下識(shí)別標(biāo)志主要有：粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔、鑄?？准吧倭烤чg溶孔，比較大的原生孔洞中，纖維狀、葉片狀膠結(jié)物遭受淡水部分溶蝕，后期原生孔洞又被粗粒和塊狀方解石充填，兩種充填物呈“結(jié)構(gòu)不整合”接觸。

3.2 表生期順層古巖溶作用

表生期順層古巖溶也可稱為順層(承壓)深潛流古巖溶，屬于內(nèi)幕古巖溶的一種特殊類型，主要分布在碳酸鹽巖古隆起或高地的圍斜部位，空間上與風(fēng)化殼古巖溶相伴生。其形成應(yīng)具備兩個(gè)條件：一是圍斜部位的碳酸鹽巖層系內(nèi)應(yīng)發(fā)育層間古巖溶面或與三級(jí)層序界面相關(guān)的表生期古巖溶面，為后期地下水在側(cè)向上進(jìn)行順層滲流提供先決條件；二是圍斜部位與構(gòu)造高部位應(yīng)存在一定的高差，使風(fēng)化殼古巖溶水存在巨大的壓差，可以在側(cè)向上進(jìn)行順層深潛流動(dòng)，流動(dòng)深度可達(dá)幾百至數(shù)千米，最終古巖溶水沿?cái)嗔褞аa(bǔ)給上覆巖層，在地表處形成承壓泉(或承壓群)[5]。因?yàn)樵擃惞艓r溶水屬于承壓水，水動(dòng)力強(qiáng)度大，所以具有非常強(qiáng)的侵蝕溶蝕性。斷裂帶起導(dǎo)水和排泄的作用，交替條件好，因此在層間古巖溶面(或?qū)有蚪缑?和斷裂帶附近古巖溶作用強(qiáng)烈。該類型古巖溶距物源區(qū)較遠(yuǎn)，充填程度低，且距物源越遠(yuǎn)充填程度越低。

該類古巖溶廣泛分布于研究區(qū)中部地區(qū)的克里摩里組，余探1 井、余探2 井、鄂29 井等均鉆遇了該類型的古巖溶段，早期天1 井、李1 井、李華1 井、鄂19 井、鄂7 井等井在鉆井過程中也不同程度地發(fā)生了鉆井液漏失、鉆時(shí)加快和鉆具放空等現(xiàn)象，均說明發(fā)育較大規(guī)模的古巖溶。

鄂爾多斯盆地奧陶系沉積后經(jīng)歷了加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使盆地中東部整體抬升遭受剝蝕，盆地中東部發(fā)育風(fēng)化殼，研究區(qū)西部處于祁連海沉積區(qū)，沒有遭受大面積的淡水淋濾溶蝕，但處于中央古隆起的鄂6 井—蘇42 井—定探2 井—定探1 井—蓮6井—慶深2 井一線抬升遭受大氣淡水的溶蝕，與盆地東部的風(fēng)化殼古巖溶連為一體。研究區(qū)西部處于古斜坡，自李1 井至余探1 井水平距離為35km，高差近300m，受此驅(qū)動(dòng)中央古隆起巖溶水在克里摩里組尖滅線西側(cè)順層灌入中央古隆起西側(cè)斜坡的碳酸鹽巖層系，古巖溶水的循環(huán)深度約為700m。因此，研究區(qū)西部克里摩里組發(fā)育順層的古巖溶儲(chǔ)層。

3.3 埋藏期古巖溶作用

鄂爾多斯盆地石炭紀(jì)—二疊紀(jì)時(shí)期西緣斷層沖斷抬升，盆地西部地區(qū)持續(xù)沉降，在古近紀(jì)—新近紀(jì)時(shí)奧陶系達(dá)到最大埋深，一般埋深2000～3500m，個(gè)別地區(qū)達(dá)4000m左右。埋深導(dǎo)致較高的地層溫度，有機(jī)質(zhì)生烴及壓釋地層水有利于埋藏期古巖溶作用的發(fā)生。其識(shí)別標(biāo)志為細(xì)—中晶白云巖中的晶間溶孔，以及溶蝕孔中常有瀝青、鐵白云石及閃鋅礦充填(圖4)，并且地層中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)構(gòu)造縫切割早期成巖產(chǎn)物，邊緣具有溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象，形成較多的溶蝕縫。

4 古巖溶主控因素

在鄂爾多斯盆地奧陶系地質(zhì)背景研究基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)古巖溶發(fā)育的主要控制因素進(jìn)行了分析。

4.1 層序?qū)艓r溶發(fā)育的控制作用

不同級(jí)別的層序與不同類型古巖溶關(guān)系密切，一級(jí)層序界面對(duì)應(yīng)研究區(qū)內(nèi)奧陶系頂部的風(fēng)化殼古巖溶面，三級(jí)層序?qū)?yīng)區(qū)內(nèi)(準(zhǔn))同生期古巖溶和表生期順層古巖溶，高頻旋回對(duì)(準(zhǔn))同生期古巖溶也有一定影響[6]。本次研究共識(shí)別出10 個(gè)三級(jí)層序界面，其中3 個(gè)層序界面屬于Ⅰ型，7 個(gè)層序界面屬于Ⅱ型。通過露頭剖面、巖心、薄片鑒定、錄井和測(cè)井資料分析認(rèn)為，7 個(gè)Ⅱ型層序界面相對(duì)于3 個(gè)Ⅰ型層序界面(SQ6、SQ7、SQ8 底界面)古巖溶發(fā)育較弱(表2)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)奧陶系中SQ2—SQ8，尤其是SQ2、SQ5、SQ7 層序中古巖溶發(fā)育，古巖溶發(fā)育井段基本位于層序中—高位體系域(HST)，部分為海侵體系域(TST)，無低位體系域的古巖溶，這是由于由上至下的古巖溶作用先在馬四段和克里摩里組的HST 中進(jìn)行，之后在TST 中發(fā)育，也可能缺失HST，古巖溶作用直接在TST 中進(jìn)行。

表2鄂爾多斯盆地奧陶系三級(jí)層序界面與古巖溶的關(guān)系表

Table 2Correlation between the third order sequence

boundary and the paleokarst in Ordovician of Ordos Basin

4.2 構(gòu)造條件

古巖溶的發(fā)育與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切[7]。通過分析鄂爾多斯盆地區(qū)域構(gòu)造發(fā)展史，認(rèn)為對(duì)研究區(qū)古巖溶具有控制作用的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有3 期：第一期是懷遠(yuǎn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)生在上寒武統(tǒng)沉積末至奧陶系下馬家溝組沉積前，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)的部分地區(qū)缺失冶里組—亮甲山組，形成小規(guī)模的風(fēng)化殼儲(chǔ)層；第二期是加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)生在奧陶系馬家溝組沉積末期至石炭系本溪組沉積前，這次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)模大、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。研究區(qū)東部此時(shí)處于中央古隆起的核心或鞍部，古巖溶發(fā)育；第三期是印支—燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)生在三疊系沉積末期至侏羅紀(jì)，表現(xiàn)為區(qū)域性擠壓，盆地隆起，缺失上白堊統(tǒng)，且造成研究區(qū)西部發(fā)育深大斷裂，奧陶系產(chǎn)生大量裂縫，為古巖溶水的流動(dòng)提供通道，在研究區(qū)西部排出地表形成承壓泉，加劇了先期古巖溶作用。

4.3 巖性條件

古巖溶主要通過水沿地下通道對(duì)碳酸鹽巖地層中易溶性巖石進(jìn)行溶蝕形成，所以碳酸鹽巖的巖石類型、巖石結(jié)構(gòu)、顆粒含量和巖石組成特征等對(duì)古巖溶的溶蝕速率、發(fā)育特征和分布規(guī)律都有顯著的影響。研究區(qū)奧陶系廣泛發(fā)育碳酸鹽巖沉積，巖性主要以石灰?guī)r和白云巖為主，石灰?guī)r類的顆粒有砂屑、生屑、團(tuán)粒、鮞粒和藻屑等，尤以砂屑、團(tuán)粒和生屑為主，而白云巖類中的顆粒與石灰?guī)r類似，這些為古巖溶作用的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.4 古氣候條件

古地磁研究表明，早寒武世至早二疊世，華北板塊從南半球中低緯度帶向北移至北緯0°～20°帶(圖5)。奧陶紀(jì)時(shí)研究區(qū)處于赤道附近，炎熱多雨，大氣圈中CO2的平均含量約為15%，是現(xiàn)今含量的500倍[8]，因此，研究區(qū)奧陶系頂部的風(fēng)化殼古巖溶非常發(fā)育。此外，古巖溶作用的發(fā)生、發(fā)展是一個(gè)緩慢的地質(zhì)過程，時(shí)間越久，古巖溶越強(qiáng)烈。加里東時(shí)期，研究區(qū)奧陶系經(jīng)歷了近1 億年的風(fēng)化淋濾，古巖溶作用非常強(qiáng)烈。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)鉆井巖心觀察、野外露頭觀察、巖石薄片鑒定結(jié)合鉆井資料的分析，建立了研究區(qū)3 種古巖溶作用的識(shí)別標(biāo)志，將古巖溶劃分為(準(zhǔn))同生期古巖溶作用、表生期順層古巖溶作用和埋藏期古巖溶作用，以表生期順層古巖溶作用為主。

(2)通過對(duì)研究區(qū)層序地層與古巖溶發(fā)育段的研究，認(rèn)為層序界面對(duì)古巖溶發(fā)育具有一定的控制作用，SQ6、SQ7 和SQ8 等3個(gè)Ⅰ型層序底界面附近的古巖溶作用相對(duì)較發(fā)育；層序格架內(nèi)的古巖溶作用在SQ2、SQ5 和SQ7 相對(duì)發(fā)育，且古巖溶發(fā)育段主要處于層序中的高位體系域和海侵體系域。

(3)研究區(qū)奧陶系古巖溶控制因素主要為層序、構(gòu)造條件、巖性、古氣候和古地貌。

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Paleokarst Types and Main Controlling Factors of Ordovician in Western Ordos Basin

Zhang Chunlin1, 2, Zhu Qiuying1, 2, Zhang Fudong1, 2, Liu Ruie1, 2

(1.LangfangBranch,PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Langfang,Hebei065007,China; 2.KeyLaboratoryofGasReservoirFormationandDevelopment,CNPC,Langfang065007,China

Abstract:By means of detailed outcrop observation, core observation and thin section, it is indicated that the solution caves developed well in Zhuozishan Formation, Kelimoli Formation in western Ordos Basin. Three kinds of identification marks were established by systemic study of paleokarsts. We classified the paleokarst into is three types: syngenesis karstification, supergene bedded karstification and burial karstification, and the supergene bedded karstification was the main. The first order sequence corresponds to the weathering crust karst surface at the top of Ordovician, and the third order sequence controls syngenesis and supergene bedded karstification. The karstification relatively developed nearby the bottom of SQ6, SQ7 and SQ8. The karstification of sequence framework is relatively developed in SQ2, SQ5 and SQ7.The karstification section mainly belongs to the highstand system tracts and transgressive system tracts. On the basis of analyzing the geological background of Ordovician in Ordos Basin, we believed that the main controlling factors of paleokarst development included sequence, structural condition, lithology, paleo climate and paleokarst landform.

Key words:Ordos Basin; Ordovician; paleokarst; main controlling factors

基金項(xiàng)目：國(guó)家大型科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05007)；中國(guó)石油天然氣股份有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目(2011B-0602)。

第一作者簡(jiǎn)介：張春林(1979 年生)，男，高級(jí)工程師，主要從事石油與天然氣地質(zhì)綜合研究。郵箱：mike_zcl@163.com。

中圖分類號(hào)：TE122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A