鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)地層劃分及沉積演化特征

王宏波 ，郭 瑋 ，章貴松 ，井向輝 ，李相博 ，王 菁

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州730020；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安710018；3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）

0 引言

2000年，劉德良等［1］在華北盆地南緣發(fā)現(xiàn)了下寒武統(tǒng)烴源巖，其后學(xué)者們［2-3］通過研究發(fā)現(xiàn)，華北盆地下寒武統(tǒng)層序、沉積環(huán)境和構(gòu)造背景均與楊子陸塊、塔里木陸塊具有較高的相似程度，因此，可以推斷這套烴源巖的發(fā)育可能具有全球性。沉積環(huán)境和構(gòu)造環(huán)境對于烴源巖的形成和保存具有控制作用，眾多學(xué)者［4-8］論證了下寒武統(tǒng)這套烴源巖的有效性。隨著塔里木玉爾吐斯組和四川筇竹寺組烴源巖的發(fā)現(xiàn)及勘探突破，鄂爾多斯盆地寒武系的勘探潛力逐漸得到勘探家們的重視，下寒武統(tǒng)這套烴源巖的研究對鄂爾多斯盆地深層勘探具有重要意義。

同整個華北陸塊南緣一樣，鄂爾多斯盆地南緣—北秦嶺地區(qū)寒武系底部發(fā)育一套含磷礫巖層和含磷頁巖層組合，這套發(fā)育在辛集組之下的不含化石的地層通常被命名為“羅圈組”、“鳳臺礫巖”、“馬店組”、“三道撞組”或“東坡組”等，其層位歸屬也一直存在爭議，主要包括以下3種觀點和認識：第1種觀點認為它與上覆的猴家山組或辛集組關(guān)系密切，應(yīng)劃歸為寒武系［9-12］；第2種觀點認為它具有大陸裂谷的陸緣山岳冰川沉積性質(zhì)，其為陸緣裂谷山岳冰川的泥石流和近海浮冰落石相混合的沉積類型，與我國南方的南沱組冰磧層相似，應(yīng)劃歸前寒武系［13-14］；第3種觀點將其籠統(tǒng)的劃定為晚震旦系—寒武系［2，5］。本文通過對華北南緣下寒武統(tǒng)進行系統(tǒng)分析和對比，且對鄂爾多斯盆地南緣—北秦嶺地區(qū)露頭的地層層序特征、巖性巖相特征進行綜合分析，結(jié)合該套地層的沉積特征，對其進行系統(tǒng)研究與歸屬劃分，以期對鄂爾多斯盆地深層新領(lǐng)域油氣勘探提供指導(dǎo)。

1地層發(fā)育特征

作為華北板塊的一部分，鄂爾多斯盆地下寒武統(tǒng)僅在盆地南緣發(fā)育，盆地內(nèi)打到下寒武統(tǒng)的井較少，少數(shù)鉆探到下寒武統(tǒng)饅頭組，較深的平1井也僅鉆探到下寒武統(tǒng)辛集組。因此，關(guān)于下寒武統(tǒng)的研究多依靠盆地南緣—北秦嶺地區(qū)的露頭剖面。盆地南緣—北秦嶺地區(qū)下寒武統(tǒng)露頭主要發(fā)育在以下3個區(qū)域：①洛南縣以西，露頭順地層走向展布，出露多為同一小層；②洛南縣東北方向，垂直地層走向方向出露的地層相對較寬，下寒武統(tǒng)發(fā)育較齊全；③洛南縣石坡鎮(zhèn)以北，寒武系地層出露較多，但多為中—上寒武統(tǒng)，少量為下寒武統(tǒng)。本次以洛南縣東北方向的露頭點（洛河北剖面）為研究對象（圖1），進行了系統(tǒng)的地層劃分及沉積演化特征研究。

洛河北剖面下寒武統(tǒng)自下而上發(fā)育6段不同的巖性組合，各段厚薄不一，巖性變化較大（圖2）：第1段厚度約40 m，巖性為黑色炭質(zhì)頁巖、板巖，其中頁巖含磷、鈾，變質(zhì)程度較高，手持巖石后具有“污手”現(xiàn)象；第2段厚度約5 m，巖性為灰黑色含碳礫巖、鈣質(zhì)礫巖，風(fēng)化后呈灰黃色，粒徑大小不一，分選磨圓均較差，雜基支撐，碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育；第3段厚度約15 m，灰黑色粉砂質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育，頁理面光滑、堅硬，局部夾細砂巖透鏡體；第4段厚度約80 m，巖性主要為灰色含磷礦的石英砂巖，質(zhì)地較堅硬；中部夾灰黑色薄層粉砂質(zhì)頁巖，上部出現(xiàn)淺灰黃色砂質(zhì)灰?guī)r；第5段厚度約75 m，灰白、灰色塊狀砂質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、白云巖，石英顆粒肉眼清晰可見，裂縫中可見瀝青脈；第6段厚度約40 m，灰黃色薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。總體上看，下寒武統(tǒng)層序自下而上為：下頁巖段—礫巖段—上頁巖段—砂巖段—砂質(zhì)灰?guī)r段—白云質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r段，經(jīng)歷了由碎屑巖向碳酸鹽巖的演化過程。

2 區(qū)域地層對比與層位歸屬探討

2.1 區(qū)域地層對比

鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)出露地表的巖石剖面較少，關(guān)于下寒武統(tǒng)的進一步細分和命名主要存在2種方案：第1種方案是把整個下寒武統(tǒng)劃分為三道幢組和三川組，此方案源于1∶200 000的“洛南幅”地質(zhì)圖，由河南地質(zhì)局秦嶺地質(zhì)大隊于1956—1958年測繪完成；第 2種方案為徐嘉煒［9］于1958年對淮南地區(qū)下寒武統(tǒng)進行劃分和命名提出的，其把饅頭組之下的地層統(tǒng)一歸為猴家山組，未做進一步的細分。

圖1 鄂爾多斯盆地南緣—北秦嶺地區(qū)寒武系露頭位置圖Fig.1 Location of Cambrian outcrop in the southern margin of Ordos Basin-northern Qinling region

圖2 洛南縣洛河北下寒武統(tǒng)地質(zhì)剖面Fig.2 Geological section of Lower Cambrian in Luohe，Luonan County

洛南縣洛河北剖面1號和2號巖性段（下頁巖段—礫巖段）最初被命名為三道幢組，后來發(fā)現(xiàn)其巖性特征與層序發(fā)育特征與戴金星等［2］對淮南地區(qū)劃分出的馬店組一段和二段具有一定程度的相似性，也與徐嘉煒［9］對安徽淮南地區(qū)劃分出的猴家山組鳳臺礫巖段具有相似性（表1）。1961年，該套地層建組于河南省臨汝縣羅圈村，因此得名“羅圈組”。洛河北剖面3號巖性段（上頁巖段）相當(dāng)于馬店組三段，也相當(dāng)于猴家山組雨臺山頁巖。何治亮等［12］、薛友智［15］對東秦嶺到河南省的該套地層進行研究時，采用了關(guān)保德等［16］的命名方案，稱之為“東坡組”，本文采用該命名方案，將洛河北剖面的3號巖性段命名為“東坡組”，其上的4號巖性段、5號巖性段和6號巖性段，即砂巖段—砂質(zhì)灰?guī)r段—白云質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r段分別為辛集組、朱砂洞組和饅頭組。

2.2 層位歸屬

洛南縣洛河北剖面的3號巖性段（東坡組）中發(fā)育腕足類Palaeobolus sp，Obolopisi sp等生物化石；4號巖性段（辛集組）中見三葉蟲Hsuaspis，Zhoujiaguensis等，因此，可將其歸屬為下寒武統(tǒng)筇竹寺階—滄浪鋪階［17］已無疑議?，F(xiàn)今學(xué)者們爭論的焦點是下寒武統(tǒng)1號巖性段和2號巖性段的層位歸屬問題，即本文建議采用的名稱“羅圈組”，相當(dāng)于地質(zhì)圖洛南幅上的“三道撞組”，對應(yīng)淮南地區(qū)的“馬店組”1號巖性段（王八蓋山段）和2號巖性段（鳳臺段）。該套地層不含化石，其層位歸屬一直存在爭議：徐嘉煒［9］命名“猴家山統(tǒng)”的地層單元包括白鶴山層、雨臺山頁巖和鳳臺礫巖，認為鳳臺礫巖為干旱氣候下快速堆積的山麓沉積，屬寒武系最早地層；張文堂等［13］、鄭文武等［14］、任潤生［18］均認為，該套礫巖的成因與冰川活動有關(guān)，與南方的南沱組冰磧層近似，將其歸屬到前寒武系；戴金星等［2］認為該套礫巖地層屬于下寒武統(tǒng)的可能性較大，但不排除屬晚震旦世沉積的可能，將其籠統(tǒng)的歸屬到晚震旦世—寒武世沉積；馮增昭等［19］認為該套地層相當(dāng)于吉林省的水洞組，因其含小殼化石，將其歸屬到了寒武系（表1）。

可從巖石學(xué)特征及沉積環(huán)境來分析羅圈組的層位歸屬問題。通過對鄂爾多斯盆地南緣洛河北剖面的系統(tǒng)觀察和研究，認為該套地層應(yīng)屬下寒武統(tǒng)，主要包括以下3個方面的證據(jù)：①巖石學(xué)特征。羅圈組巖性主要為灰黃色礫巖，上覆炭質(zhì)頁巖，產(chǎn)磷礦，礫石的主要成分為疊層石白云巖（質(zhì)量分數(shù)大于80%），次要成分為砂巖、灰?guī)r，碳酸鹽膠結(jié)，沉積環(huán)境明顯不是冰磧層形成的寒冷氣候。冰磧層的礫石成分和膠結(jié)物均與其存在明顯區(qū)別，例如南沱組冰磧巖主要由黃綠色角礫巖組成，礫石成分單一，主要為更古老地層的變質(zhì)巖，填隙物以雜基為主，碳酸鹽膠結(jié)物含量較少。②沉積構(gòu)造特征。羅圈組礫巖雖然大小混雜，分選較差，但磨圓中等—好，并且礫石排列具有一定的定向性（圖3），顯然不屬于冰川成因，而是受到較大的古地形坡度的影響，構(gòu)造運動伴生的角礫與陡岸崩塌角礫快速堆積在含炭磷質(zhì)碳酸鹽巖中。③層序地層特征。羅圈組與上覆含三葉蟲化石的含磷地層為連續(xù)沉積，頁巖中礫巖層—石英砂巖段—碳酸鹽巖層反映了一個海水進積的正粒序，具有明顯的連續(xù)性，可劃歸為下寒武統(tǒng)，為寒武系的底礫巖。綜上所述，羅圈組被劃分為鄂爾多斯盆地南緣—北秦嶺地區(qū)古生界最老地層更為合理。

圖3 洛南縣洛河北剖面2號巖性段礫巖照片F(xiàn)ig.3 Photos of conglomerate in No.2 lithologic section of Luohe section in Luonan County

3 地層與沉積特征

3.1 地層發(fā)育特征

一般來講，構(gòu)造背景和古陸邊緣性質(zhì)控制著沉積格局和沉積環(huán)境。區(qū)域地質(zhì)研究成果表明，從太古宙起，經(jīng)元古宙到早古生代晚期，鄂爾多斯地塊和阿拉善古陸均屬華北古陸的一部分，位于華北古陸西部。中—新元古代，阿拉善古陸和鄂爾多斯地塊之間、鄂爾多斯地塊及其與華北古陸主體之間，曾出現(xiàn)過3條大級別的坳拉谷，分別為賀蘭山坳拉谷、晉陜坳拉谷和豫陜坳拉谷［20-21］，這些坳拉谷的存在一直延續(xù)到早古生代早期。鄂爾多斯古陸屬華北古陸的一部分，南緣寒武系屬被動大陸邊緣［22-23］，下寒武統(tǒng)的分布受當(dāng)時的構(gòu)造格局控制，包括鄂爾多斯盆地在內(nèi)的華北太古代克拉通在中元古代發(fā)生破壞裂解，形成了一系列北東向的克拉通內(nèi)裂陷槽［圖4（a）］，中—新元古代裂陷槽的發(fā)展演化控制著寒武系的隆凹古地貌，在華北板塊南緣形成了一系列北東向的海灣。下寒武統(tǒng)主要發(fā)育于華北板塊南緣，受古秦嶺洋臺緣斜坡環(huán)境及古地貌中的凹槽或斷陷構(gòu)造控制?，F(xiàn)今主要殘留的下寒武統(tǒng)分布于古地貌中的凹槽或北東向的斷陷中。由于受到基底斷裂控制，早寒武世鄂爾多斯盆地南緣的西安—富平—洛川一帶發(fā)育一大型陸內(nèi)裂陷槽，或者叫深水海灣，下寒武統(tǒng)的發(fā)育受該裂陷槽或海灣控制，呈南西—北東向展布，在西安—富平一帶，下寒武統(tǒng)厚度大于200 m，向北迅速減薄，到洛川附近完全尖滅［圖 4（b）］。

圖4 華北板塊下寒武統(tǒng)沉積前古構(gòu)造（a）與厚度等值線圖（b）（據(jù)文獻［24］修改）Fig.4 Paleotectonic（a）and stratigraphic thickness contour（b）before Lower Cambrian deposition in North China

圖5 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)綜合柱狀圖Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of Lower Cambrian in the southern margin of the Ordos Basin

3.2 沉積環(huán)境

鄂爾多斯盆地南緣—北秦嶺地區(qū)下寒武統(tǒng)羅圈組主要發(fā)育灰黑色淺變質(zhì)頁巖，夾板巖和千枚巖，底部見褐黃色粗砂巖和礫巖，東坡組為灰黑色砂質(zhì)頁巖，底部見灰黃色角礫巖（圖5）。根據(jù)巖性發(fā)育和組合特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，可將羅圈組—東坡組的沉積環(huán)境定為深水海灣（海槽）沉積。辛集組主要由砂質(zhì)頁巖和含磷石英砂巖組成，屬無障壁海岸沉積，朱砂洞組和饅頭組均以碳酸鹽巖和碎屑巖的混合沉積為特征，為碳酸鹽巖緩坡環(huán)陸云坪沉積。

整體上，盆地南緣寒武紀早期經(jīng)歷了一次完整的海進過程，沉積環(huán)境完成了一次由深水海灣—海岸沉積—碳酸鹽巖緩坡沉積的演化過程。羅圈組—東坡組海水從南侵入盆地南緣，沉積范圍最大波及到麟游—富平一線，為深水海灣—裂陷槽沉積；辛集組繼續(xù)向北超覆沉積，到達旬邑—韓城一線，形成了“下粗上細”的海岸相碎屑巖沉積，朱砂洞組—饅頭組基本繼承了辛集組的沉積格局，最北到達洛川附近，沉積厚度加大，開始以碳酸鹽巖沉積為主，屬環(huán)陸云坪和環(huán)陸砂坪沉積環(huán)境。

4 油氣勘探意義

鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖的油氣勘探一直以奧陶系及上古生界氣藏為重點，寒武系的勘探一直未獲重大突破。盆地南緣寒武系沉積厚度為500～1 300 m，局部可達1 500 m以上，張夏組鮞粒灘分布廣，發(fā)育溶孔和晶間孔為主的儲集體，儲集性能好，然而烴源巖一直是制約下一步勘探的關(guān)鍵問題。盆內(nèi)唯一具生烴能力的中寒武統(tǒng)徐莊組，其TOC質(zhì)量分數(shù)為0.30%～0.90%，平均值為0.53%，生烴能力較差。南緣下寒武統(tǒng)辛集組之下的這套東坡組和羅圈組的存在，有效解決了生烴潛力的問題。受裂陷槽與深水海灣環(huán)境的控制，東坡組與羅圈組地層厚度大，其中泥頁巖厚度最大的區(qū)域可達80 m，TOC質(zhì)量分數(shù)為0.19%～11.18%，平均值為3.14%（45個樣品），有機質(zhì)類型為Ⅰ型，且熱演化程度高，為寒武系最優(yōu)質(zhì)的烴源巖。下寒武統(tǒng)烴源巖與中—上寒武統(tǒng)臺緣顆粒灘形成了良好的源儲配置，具有優(yōu)越的成藏條件。盆地南緣寒武系的系統(tǒng)研究將為鄂爾多斯盆地油氣勘探和增儲上產(chǎn)奠定堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)為一套海進層序：下頁巖段—礫巖段—上頁巖段—砂巖段—砂質(zhì)灰?guī)r段—白云質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r。辛集組之下發(fā)育了東坡組和羅圈組，其中羅圈組應(yīng)劃分到下寒武統(tǒng)，作為盆地南緣寒武系最老地層更為合理，且發(fā)育寒武系最優(yōu)質(zhì)的烴源巖。

（2）鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)的分布受當(dāng)時的構(gòu)造格局控制，主要分布在北東向斷陷或古地貌凹槽中，現(xiàn)今的地理位置約在西安—富平—洛川一帶，沉積環(huán)境經(jīng)歷了一次由深水海灣—海岸沉積—碳酸鹽巖緩坡沉積的演化過程。下寒武統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)烴源巖與中—上寒武統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)儲集層形成了良好的源儲配置，成藏條件優(yōu)越。