鄂爾多斯盆地子長地區(qū)延長組深水砂巖露頭精細(xì)解剖

江 澗,趙俊峰,李 嫄

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；2.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；3.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；4.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 靖邊 718500)

0 引 言

自濁流理論提出的半個(gè)多世紀(jì)來，深水沉積研究進(jìn)展迅速。許多學(xué)者對深水沉積實(shí)體、理論與沉積模式等開展了研究，取得豐富的成果與認(rèn)識(shí)[1-6]。其中具有代表性的發(fā)現(xiàn)是Bouma于1962年根據(jù)濁流沉積在垂向上的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和巖相組合特征，總結(jié)建立了一套濁積巖沉積序列，即鮑馬序列[1]。隨后，眾多學(xué)者紛紛對深水沉積模式進(jìn)行研究與探討，至今該序列仍被廣泛應(yīng)用于深水沉積中[7-10]。20世紀(jì)90年代以來，砂質(zhì)碎屑流、異重流等模式的提出把深水沉積研究帶入一個(gè)新階段[11-14]。目前，關(guān)于深水沉積的爭論主要集中于兩方面：一方面是深水砂體的成因；另一方面是沉積模式與重力流流體性質(zhì)轉(zhuǎn)化上的分歧[7-9]。深水沉積研究的難點(diǎn)在于深水沉積和流態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的識(shí)別標(biāo)志、沉積類型及深水沉積模式的建立[7-16]。

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部[圖1(a)]，屬于中生代大型內(nèi)陸湖盆，現(xiàn)今殘余盆地面積約25×104km2，是中國第二大沉積盆地[17-18]。三疊系延長組為該盆地最主要的含油層段，延長組沉積期湖盆的主要物源來自于東北與西南兩大方向，前者形成了大型的曲流河三角洲沉積體系，后者形成了辮狀河三角洲沉積體系。在晚三疊世延長組沉積期，湖盆經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展、鼎盛、衰減、消亡5個(gè)演化階段[19]。

以往普遍認(rèn)為，長1油層組沉積期鄂爾多斯盆地已經(jīng)準(zhǔn)平原化，然而子長[圖1(b)]、橫山、廟溝等地區(qū)濁積巖的發(fā)現(xiàn)[20-21]表明，在整個(gè)盆地普遍抬升遭受剝蝕時(shí)，這些地區(qū)卻沉降成為湖盆，并且水體比較深。這一現(xiàn)象吸引了許多學(xué)者的注意和對長1油層組沉積體系的重新思考。以往對于子長地區(qū)長1油層組深水沉積體系的研究主要是采用有機(jī)地球化學(xué)、巖相學(xué)、測井相等分析方法[21-25]，而對子長地區(qū)廣泛出露的深水沉積露頭剖面精細(xì)解剖較少。本文按照構(gòu)型單元的基本理論和方法對典型沉積露頭剖面進(jìn)行精細(xì)解剖，對鄂爾多斯盆地子長地區(qū)石家川、井溝坪等剖面的深水砂巖進(jìn)行了實(shí)地測量，共測量剖面9個(gè)、沉積柱13個(gè)，統(tǒng)計(jì)古水流數(shù)據(jù)54組，沿剖面估算研究區(qū)長1油層組深水砂巖層厚約60 m，大致可以劃分為45個(gè)韻律層，結(jié)合兩個(gè)剖面信息制作出子長地區(qū)深水砂巖沉積柱狀圖[圖2(b)]，以期為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)延長組深湖相砂體特征以及預(yù)測深水儲(chǔ)集砂體提供依據(jù)。

1 巖相類型與巖相組合

巖相是特定的沉積環(huán)境下所形成的巖石單元，主要由巖石類型和沉積構(gòu)造表征[26]。而對于濁積巖等深湖相砂巖巖相的分類，許多學(xué)者提出了各異的分類觀點(diǎn)[27-31]。本文采用Miall提出的巖相分類[31-33]，在鄂爾多斯盆地子長地區(qū)長1油層組內(nèi)主要識(shí)別7種巖相類型(表1)，分別為塊狀砂巖相(Sm)、具撕裂屑塊狀砂巖相(Smt)、平行層理砂巖相(Sh)、沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相(Fr)、同生變形構(gòu)造粉砂巖相(Fd)、水平層理粉砂巖相(Fl)與塊狀泥巖相(Fm)。按照巖相在剖面上的共生關(guān)系，這些巖相類型又可以歸為4類巖相組合：厚層塊狀砂巖(或偶夾薄層泥巖)組成的巖相組合(LA1)、塊狀砂巖與粉砂巖組成的具明顯鮑馬序列的近基濁積巖相組合(LA2)、不規(guī)則砂泥巖相組合(LA3)、薄層粉砂巖與泥巖互層的遠(yuǎn)基濁積巖相組合(LA4)。

圖1 鄂爾多斯盆地子長地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological Sketch Map in Zichang Area of Ordos Basin

表1 長1油層組濁積巖相類型Tab.1 Types of Turbidite Lithofacies of Chang-1 Interval

(1)塊狀砂巖相：為深灰—灰綠色大型砂體[圖3(a)]，顆粒大小較為均一，內(nèi)部基本無構(gòu)造或偶見火焰狀構(gòu)造，局部塊狀砂巖內(nèi)可肉眼識(shí)別微弱粒度由下至上逐漸變細(xì)的現(xiàn)象，底面可見槽模、溝模和火焰狀等底面侵蝕構(gòu)造[圖3(e)～(g)]，由于區(qū)內(nèi)塊狀砂巖厚度相差極大(0.3～3.0 m)，因而塊狀砂巖相可分為厚—巨厚層塊狀砂巖相與中層塊狀砂巖相，這兩類巖相水動(dòng)力強(qiáng)，尤其是前者。塊狀砂巖相解釋為高密度濁流迅速堆積的結(jié)果[4,15-16]。

(2)具撕裂屑塊狀砂巖相：為灰綠色塊狀砂巖，識(shí)別標(biāo)志為泥巖撕裂屑[圖3(a)]，基質(zhì)支撐，內(nèi)部無明顯構(gòu)造，可發(fā)育成巨厚層。具撕裂屑塊狀砂巖一般形成在水道單元的侵蝕基底內(nèi)，通常在剖面上與塊狀砂巖疊置。這種巖相解釋為砂質(zhì)碎屑流沉積[11,34]。

(3)平行層理砂巖相：發(fā)育于塊狀砂巖相上部，為一套淺灰綠色砂巖，厚度為5～30 cm，砂體內(nèi)部發(fā)育平行層理[圖3(b)]。這種巖相解釋為較高密度濁流迅速堆積的結(jié)果[15]。

圖(a)引自文獻(xiàn)[23],有所修改；圖(b)中，CH為水道，LV為堤岸，LB為朵體圖2 長1油層組及其第四砂層組沉積柱狀圖Fig.2 Sedimentary Stratigraphic Columns of the Fourth Sand Member and Chang-1 Interval

圖(a)～(d)剖面中的clay、silt、v、f、s表示沉積物的粒度，其中，clay為黏土，silt為粉砂，v為極細(xì)砂，f為細(xì)砂,s為砂圖3 長1油層組巖相組合類型及典型沉積構(gòu)造Fig.3 Types of Lithofacies Associations and Representative Sedimentary Structures in Chang-1 Interval

圖4 石家川剖面長1油層組Ⅱ類水道Fig.4 Channel Ⅱ of Chang-1 Interval in Shijiachuan Section

圖(c)中n為測量的槽模產(chǎn)狀個(gè)數(shù)圖5 石家川剖面長1油層組Ⅳ類水道-朵體復(fù)合體Fig.5 Channel Ⅳ-lobe Complex of Chang-1 Interval in Shijiachuan Section

(4)沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相：發(fā)育于砂體的中上部，位于平行層理砂巖相之上，為灰綠色粉砂巖，內(nèi)部紋層呈緩波狀[圖3(c)]，紋層爬升及傾斜遷移方向主要為210°，單組紋層起伏1～2 cm，層厚3～6 cm，由水下沙波遷移形成。沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相通常發(fā)育在濁積水道或堤岸沉積內(nèi)部[34]，解釋為伴隨濁流衰退過程中的牽引流沉積[4,34-35]。

(5)同生變形構(gòu)造粉砂巖相：發(fā)育在沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相的上部，巖性為灰綠色粉砂巖，厚度小于10 cm，區(qū)內(nèi)露頭上的變形構(gòu)造主要為包卷層理[圖3(h)]，解釋為濁流衰退過程中伴隨的滑動(dòng)、滑塌作用沉積結(jié)果[34-35]。

(6)水平層理粉砂巖相：發(fā)育于沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相之上，通常與薄層泥巖互層，為一套深灰綠—灰黑色泥質(zhì)粉砂巖。層厚一般小于10 cm，發(fā)育水平層理[圖3(d)]，解釋為靜水環(huán)境下低密度濁流緩慢堆積[4,9]。

(7)塊狀泥巖相：發(fā)育于水平層理粉砂巖相之上或夾于厚層塊狀砂巖相之中，呈灰綠—灰黑色，常與粉砂巖互層[圖3(d)]，層厚5～20 cm，泥巖相常發(fā)育于朵體沉積中，解釋為深水重力流的橫向轉(zhuǎn)移或深湖泥質(zhì)物懸浮堆積[4]。

2 等級界面劃分

借鑒Miall提出的河流與濁流沉積體系中的等級界面劃分[31-33]，運(yùn)用構(gòu)型單元?jiǎng)澐址椒?，結(jié)合露頭剖面的沉積特征，在鄂爾多斯盆地子長地區(qū)共識(shí)別出4級界面，它們構(gòu)成了一組代表不同時(shí)限的等級界面體系[32]。

(1)一級界面：交錯(cuò)層系的界面，代表了相似底形的連續(xù)沉積[32-33]，在研究區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為濁積巖(鮑馬序列)中沙紋交錯(cuò)層理的上、下界面。

(2)二級界面：簡單層系組之間的界面，表征水流的狀況或者方向產(chǎn)生變化，但并未出現(xiàn)顯著時(shí)間間隔[32-33]。這類界面的上、下巖相一般不同，如一個(gè)鮑馬序列中不同層段之間的界面(圖4)。

(3)三級界面：大底形內(nèi)的橫切侵蝕面，常常有泥質(zhì)沉積物的夾層，指示了沉積期水位的升降變化，但其內(nèi)部的底形方向或沉積方式未出現(xiàn)明顯的變化[32-33]。研究區(qū)內(nèi)識(shí)別的三級界面為不同鮑馬序列之間的界面(圖4、5)，本文按照三級界面所限定的構(gòu)型單元進(jìn)行內(nèi)部解剖。

(4)四級界面：大底形的上界面，剖面上的形狀常是向上凸起或平坦的。其下伏的層理面以及比其低級的界面(一～三級界面)以小角度被其削截，且其之下的構(gòu)型單元內(nèi)常見泥披[32-33]。研究區(qū)內(nèi)的四級界面為濁積巖與上覆黏土層之間的界面(圖5、6)。

3 構(gòu)型單元?jiǎng)澐?/h2>

構(gòu)型單元分析就是結(jié)合古水流數(shù)據(jù)對露頭橫剖面進(jìn)行巖相、等級界面和構(gòu)型單元?jiǎng)澐?，以揭示沉積體系的空間展布，從而恢復(fù)沉積體系的演化史[36-38]。其中，等級界面和構(gòu)型單元?jiǎng)澐质瞧潢P(guān)鍵所在[36]。然而，由于深水沉積體系是重力流與牽引流并存的體系，所以對于深水沉積體系，其等級界面與構(gòu)型單元的識(shí)別相比其他沉積體系更為困難。許多學(xué)者也提過一些關(guān)于深水沉積體系或沖積體系的構(gòu)型單元?jiǎng)澐址桨竅39-45],但目前對于深水沉積體系(尤其是深湖沉積體系)的構(gòu)型并沒有達(dá)成廣泛共識(shí)。

通過對鄂爾多斯盆地子長地區(qū)露頭拍攝所得到的照片進(jìn)行拼接合成，然后根據(jù)古水流數(shù)據(jù)、巖相類型與等級界面的劃分，識(shí)別出了3類構(gòu)型單元(表2)，分別是水道、堤岸和朵體。

3.1 水 道

水道構(gòu)型單元是重力流在重力作用下流經(jīng)水下斜坡或湖底形成的[44]。水道發(fā)育于扇體的各個(gè)部位，這些水道填充物通常疊置在一起，并且可能合并[46]。通過對子長地區(qū)深水砂體露頭的精細(xì)解剖，識(shí)別了本區(qū)內(nèi)發(fā)育的4類水道。

(1)Ⅰ類水道：砂質(zhì)碎屑流和高密度濁流共同作用而形成[34,42]。底部主要發(fā)育具撕裂屑塊狀砂巖相，往上為厚—巨厚層塊狀砂巖相，偶夾薄層泥巖相(Smt-Sm/Smt-Fm-Sm)，橫向延伸性有限，巖相組合為多期厚層塊狀砂巖疊置在一起(圖6)。根據(jù)對該類水道的構(gòu)型分析，Ⅰ類水道可能的演化過程如圖6(c)所示。當(dāng)一期重力流自物源處(三角洲前緣)向斜坡流動(dòng)時(shí)，由于斜坡坡度較陡，重力流首先會(huì)對斜坡發(fā)生侵蝕作用，在坡折轉(zhuǎn)換帶處發(fā)育碎屑流沉積，以弱固結(jié)狀態(tài)下的薄層泥巖被負(fù)載構(gòu)造破壞形成的泥巖撕裂屑為識(shí)別標(biāo)志。下一期重力流對先前形成的水道首先發(fā)生侵蝕作用，隨后沉積[圖6(c)]。

(2)Ⅱ類水道：高密度的砂質(zhì)濁流沉積[42-43]。底部發(fā)育有厚—巨厚層塊狀砂巖相，其上為平行層理砂巖相和沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相，泥巖相沉積構(gòu)成頂部(Sm-Sh-Fr-Fl-Fm)(圖4)。Ⅱ類水道與其他水道的顯著區(qū)別是，在水道內(nèi)部見完整鮑馬序列[圖4(b)]，且橫向延伸性最好。根據(jù)對該類水道的構(gòu)型分析，其可能的演化過程如圖4(d)所示。與Ⅰ類水道不同的是，由于坡度變緩，當(dāng)重力流流態(tài)發(fā)生變化時(shí)，形成的Ⅱ類水道寬深比會(huì)變大[43,47-48]，濁流在水道內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定沉積，當(dāng)濁流溢出水道時(shí)會(huì)在外側(cè)形成堤岸構(gòu)型單元[圖4(d)]。

(3)Ⅲ類水道：低密度的砂質(zhì)濁流沉積。水道內(nèi)發(fā)育滯留和滑塌成因的塊狀砂巖[42-43,49]，整體表現(xiàn)為厚—巨厚層塊狀砂巖相、沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相、水平層理粉砂巖相與頂部泥巖相組合(Sm-Fr-Fl-Fm)(圖7)。Ⅲ類水道的發(fā)育是繼承Ⅱ類水道而來[圖8(b)]，當(dāng)濁流衰退時(shí)，粒度較粗的物質(zhì)在濁流底部形成滯留沉積物，濁流上部在湖水作用下伴隨著滑塌與牽引流作用，形成沙紋交錯(cuò)層理與包卷層理。

(4)Ⅳ類水道:泥質(zhì)濁流沉積[42,49]。主體為中層塊狀砂巖相，砂體上、下發(fā)育泥巖相與薄層粉砂巖相交互沉積(Sm-Fl-Fm)(圖5)。與Ⅰ～Ⅲ類水道相比，Ⅳ類水道能量最弱，發(fā)育在深湖平原，大多數(shù)時(shí)間接受來自湖內(nèi)的懸浮物質(zhì)堆積[圖5(d)]。

從古水流數(shù)據(jù)來看(圖7)，研究區(qū)長1油層組濁積巖主要來源于東北部，為東北部三角洲沉積體系的再搬運(yùn)。重力流在一定觸發(fā)機(jī)制下形成后，向深湖區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于湖底地形的逐漸變緩以及湖水對重力流的不斷稀釋，濁積扇體能量逐漸衰減，沉積物密度與流速逐漸降低，導(dǎo)致重力流的類型從高密度碎屑流逐漸向泥質(zhì)濁流轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致水道的類型呈現(xiàn)Ⅰ類→Ⅱ類→Ⅲ類→Ⅳ類的轉(zhuǎn)化趨勢[42-45，47-48]。

3.2 堤 岸

堤岸構(gòu)型單元是重力流攜帶的細(xì)粒沉積物溢出水道形成的[43,46]，主要發(fā)育在扇體的中下部，其古流向與相鄰水道相差約40°(圖7)。研究區(qū)內(nèi)堤岸一般呈板狀或席狀疊加在一起，其內(nèi)部常發(fā)育沙紋交錯(cuò)層理、水平層理等。堤岸沉積物積聚在水道的側(cè)面或上面，缺乏水道滯后的較粗糙特征[46]。通常堤岸構(gòu)型單元內(nèi)顯示有沖刷痕跡、交錯(cuò)層理以及相對有限的橫向延伸性[43]，雖然這些特征顯示與上、中扇水道相似，但規(guī)模較小，且常常由不規(guī)則的砂泥巖互層組成。

3.3 朵 體

深水朵體構(gòu)型單元是在水動(dòng)力較弱的條件下，泥質(zhì)物懸浮堆積形成的[45]。深水濁積扇的下扇是朵體的位置。研究區(qū)內(nèi)朵體構(gòu)型單元常由薄層粉砂巖相與泥巖相互層(Fl-Fm)組成，其中朵體厚度一般小于0.5 m，主要呈席狀發(fā)育于Ⅳ類水道之間(圖5)。

4 深水沉積演化與可能的濁流模式

根據(jù)巖相類型與構(gòu)型單元分析可知，鄂爾多斯盆地子長地區(qū)深湖相砂體主要分為水道、堤岸與朵體3種構(gòu)型單元，且這些單元富有一定的規(guī)律性，自下而上，總是指示水動(dòng)力由強(qiáng)變?nèi)?，層厚由厚變薄。其中，在水道?gòu)型單元填充內(nèi)，砂體的橫向延伸性較好，尤其是Ⅱ、Ⅲ類水道(圖4、7)；而在堤岸構(gòu)型單元中，砂體的橫向連續(xù)性有限，常常被水道構(gòu)型單元截?cái)?圖6)；朵體構(gòu)型單元橫向連續(xù)性一般，往往發(fā)育在泥質(zhì)濁流形成的水道構(gòu)型單元之間(圖5)，而在堤岸構(gòu)型單元之上并不發(fā)育。

重力流的觸發(fā)需要物源、坡度以及觸發(fā)機(jī)制[50]。鄂爾多斯盆地在延長組沉積晚期，湖盆演化與發(fā)展受到深部地質(zhì)構(gòu)造與印支運(yùn)動(dòng)共同的影響，而頻繁的構(gòu)造活動(dòng)可能觸發(fā)重力流[10]。在這種條件下，子長地區(qū)在晚三疊世長1油層組沉積期形成了一套深湖相沉積，由于湖盆范圍較大，地勢較平緩，物源長距離搬運(yùn)，從而導(dǎo)致砂體粒度偏細(xì)。當(dāng)東北部三角洲發(fā)生進(jìn)積時(shí)，三角洲前緣或前三角洲沉積物不斷累積，在一定的觸發(fā)機(jī)制與重力流的作用下，沉積物會(huì)向湖盆中心轉(zhuǎn)移，途中不斷侵蝕斜坡與湖底的泥質(zhì)沉積物并導(dǎo)致沉積物流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變[50-55]，處于扇體不同部位的水道構(gòu)型單元也顯示出多樣性(圖8)。在上扇區(qū)域，坡度較陡，主要發(fā)育Ⅰ類水道，由于水道遷移較快，往往不發(fā)育堤岸，砂體橫向延伸性有限；與之相對應(yīng)的，由于坡度較緩，在中扇區(qū)域形成了更多的彎曲體系，主要發(fā)育Ⅱ、Ⅲ類水道，垂向上往往與堤岸相鄰，這兩類砂體延伸性非常大，是子長地區(qū)深水砂體的主要組成部分；在下扇區(qū)域，主要是湖底接受的懸浮沉積，其可能被低密度泥質(zhì)濁流侵蝕、沉積形成Ⅳ類水道。

值得一提的是，本文僅限于對子長地區(qū)的深水砂體沉積構(gòu)型單元研究，通過有限的露頭建立初步的水道沉積模式(圖8)，這對于認(rèn)識(shí)湖相深水沉積而言是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。探索深水沉積的預(yù)測問題應(yīng)從多方面入手，包括物理模擬、地震沉積學(xué)及多學(xué)科的交叉應(yīng)用，最終為預(yù)測深水儲(chǔ)集砂體提供依據(jù)。

5 結(jié) 語

(1)鄂爾多斯盆地子長地區(qū)廣泛發(fā)育深湖相濁積砂巖，巖石類型主要為灰綠色細(xì)粒長石砂巖、粉砂巖以及灰綠—灰黑色泥巖，在砂體內(nèi)部發(fā)育槽模等深水沉積標(biāo)志。根據(jù)構(gòu)型單元?jiǎng)澐址椒?，可將研究區(qū)內(nèi)深湖相砂體分為塊狀砂巖相(Sm)、具撕裂屑塊狀砂巖相(Smt)、平行層理砂巖相(Sh)、沙紋交錯(cuò)層理粉砂巖相(Fr)、同生變形構(gòu)造粉砂巖相(Fd)、水平層理粉砂巖相(Fl)與塊狀泥巖相(Fm)7種巖相類型；這些巖相類型可歸為厚層塊狀砂巖(或偶夾薄層泥巖)組成的巖相組合(LA1)、塊狀砂巖與粉砂巖組成的具明顯鮑馬序列的近基濁積巖相組合(LA2)、不規(guī)則砂泥巖相組合(LA3)及薄層粉砂巖與泥巖互層的遠(yuǎn)基濁積巖相組合(LA4)4類巖相組合；根據(jù)上述巖相類型和巖相組合，進(jìn)而識(shí)別出水道(CH)、堤岸(LV)和朵體(LB)3種構(gòu)型單元。

(2)濁積扇不同部位所發(fā)育的水道單元類型不同。在上扇區(qū)域，主要發(fā)育Ⅰ類水道，砂體橫向延伸性有限；在中扇區(qū)域，主要發(fā)育Ⅱ、Ⅲ類水道，這兩類砂體延伸性較好；在下扇區(qū)域，主要是湖底接受的懸浮沉積，發(fā)育橫向延伸性不好的Ⅳ類水道。