鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期沉積演化

李文厚，劉 溪，張 倩，郭艷琴，李克永，袁 珍，王 妍，馬 瑤，白金莉，楊 博，李兆雨

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院/陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院/期刊中心,陜西 西安 710054)

鄂爾多斯盆地在早中三疊世時屬于大華北陸相沉積盆地的一部分,地形呈北高南低、西陡東緩的總趨勢,以河湖相沉積為主。中晚三疊世后逐漸與華北盆地分離,并演化為一大型內(nèi)陸盆地,是一個穩(wěn)定沉降、拗陷遷移、扭動明顯的多旋回內(nèi)陸克拉通含油氣盆地[1-5]。

鄂爾多斯盆地是中國重要的能源基地,具有油氣分布廣、含油層位多、油層厚度大、孔隙度低、滲透率低等特點(diǎn)[6-10]。中上三疊統(tǒng)延長組是盆地最重要的含油層系,以發(fā)育典型低滲透、特低滲透油藏而聞名于世。該沉積時期,鄂爾多斯盆地為拗陷型內(nèi)陸碎屑湖盆,具有面積大、水體淺、三角洲延伸遠(yuǎn)等特點(diǎn),油藏類型主要屬巖性油藏和構(gòu)造-巖性油藏,具有重要的研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3, 11-15]。因此，鄂爾多斯盆地延長組原始沉積范圍的研究,對于油氣勘探具有重要意義。

由于燕山運(yùn)動、 喜山運(yùn)動的改造, 華北板塊中晚三疊世地層除在現(xiàn)今鄂爾多斯地區(qū)保留了較大面積的完整沉積之外[16-18], 東部地區(qū), 如山西省境內(nèi)的寧武—靜樂盆地(以下簡稱寧靜盆地)[19-20]、沁水盆地[21],河南省境內(nèi)的濟(jì)源盆地[22-25]、南部南召盆地[26-29]及盧氏、洛南等地的中晚三疊世殘留地層，呈串珠狀斷續(xù)分布。這一現(xiàn)象造成了有關(guān)華北地區(qū)中晚三疊世原始沉積范圍的爭議：有學(xué)者認(rèn)為，西部鄂爾多斯地區(qū)為一獨(dú)立的大型沉積盆地,其東部為相互隔絕的小型內(nèi)陸盆地；也有學(xué)者認(rèn)為，中晚三疊世時期，華北地區(qū)為一個統(tǒng)一的大型內(nèi)陸沉積盆地[30-33](見圖1)。本研究基于多年來在鄂爾多斯地區(qū)的研究成果,從地層、物源、沉積特征、沉積相等角度,運(yùn)用野外實(shí)測、巖石學(xué)分析、地球化學(xué)分析、年代學(xué)分析等手段,對現(xiàn)今鄂爾多斯盆地及其東—南鄰區(qū)殘留的中上三疊統(tǒng)延長組進(jìn)行對比分析,為恢復(fù)該時期華北原始盆地的沉積面貌提供新的見解和依據(jù)。研究認(rèn)為，中晚三疊世，受印支運(yùn)動影響，華北盆地解體,逐漸形成鄂爾多斯盆地。其北部可達(dá)黃河斷裂,東部到太行山以東的華北平原,西部以桌子山—賀蘭山—牛首山—羅山—六盤山為界,南部抵秦嶺、桐柏山,即所謂的“大鄂爾多斯盆地”。

1 地層特征及對比

現(xiàn)今鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組殘留地層整體為一套灰綠色、灰色中厚層—塊狀細(xì)砂巖、粉砂巖和深灰色、灰黑色泥巖組成的旋回性沉積,在盆地內(nèi)部，延長組與其上覆下侏羅統(tǒng)富縣組及下伏中三疊統(tǒng)紙坊組為整合或平行不整合接觸,盆地邊緣為角度不整合接觸[34-35]。在區(qū)域范圍內(nèi),以北緯38°為界,延長組呈現(xiàn)南厚北薄、南細(xì)北粗的特征,北部厚100～600 m,南部厚700～1 300 m。前人按地層沉積旋回將延長組自下而上劃分為5段:T3y1(砂巖段)、T3y2(油頁巖段)、T3y3(含油砂頁巖段)、T3y4(塊狀砂巖段)和T3y5(含煤段),分別代表了延長組沉積時盆地發(fā)育演化過程的5個階段(湖盆拗陷初期沉積階段、湖盆拗陷發(fā)展沉積階段、湖盆深陷擴(kuò)張期沉積階段、抬升回返早期沉積階段和湖盆抬升收縮晚期沉積階段)。之后為方便生產(chǎn),長慶油田按油氣情況及巖性、電性特征又將延長組進(jìn)一步分為長10～長1等10個油層組,其中長10油層組對應(yīng)T3y1,長9～長8油層組對應(yīng)T3y2,長7～長4+5油層組對應(yīng)T3y3,長3～長2油層組對應(yīng)T3y4,長1油層組對應(yīng)T3y5,被鄂爾多斯盆地研究者們廣泛使用[36-42]。

圖1 華北地區(qū)中晚三疊世地層厚度等值線圖(據(jù)文獻(xiàn)[32]修改)Fig.1 The strata thickness contour map of North China in Middle-Late Triassic

寧靜盆地及沁水盆地中上三疊統(tǒng)為銅川組和延長組,下部以紫紅色泥巖與肉紅色中細(xì)粒長石砂巖為主,向上顏色逐漸向灰綠色、灰色變化。頂部存在剝蝕,與上覆中—下侏羅統(tǒng)不整合接觸,底部與下伏中三疊統(tǒng)整合接觸,地層厚度300～400 m。濟(jì)源盆地中上三疊統(tǒng)為油椿樹腰組和譚莊組,下部巖性以灰黃色細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖為主,上部以灰色、灰綠色泥巖夾粉細(xì)砂巖為主；其與上覆中侏羅統(tǒng)平行不整合接觸,與下伏中三疊統(tǒng)整合接觸,地層厚度大于1 200 m。南召盆地中上三疊統(tǒng)為太山廟組和太子山組,由下至上巖性依次為角礫巖、灰黑色泥巖與灰色石英砂巖互層,黑色炭質(zhì)泥巖夾薄層凝灰?guī)r,深灰色泥巖與灰色細(xì)砂巖,灰色、灰褐色厚層—塊狀石英砂巖夾褐色粉砂巖、灰黑色泥巖；地層上未見頂,底部與下伏元古代綠色云英片巖斷層接觸,地層厚度1 100 m左右。以上各盆地中上三疊統(tǒng)延長組同期地層的巖性北粗南細(xì),地層厚度北薄南厚,與下伏地層除南召地區(qū)外均為整合接觸,與上覆地層均為不整合接觸,這些特征均與現(xiàn)今鄂爾多斯盆地延長組一致,因此可以推斷，這些盆地當(dāng)時的沉積背景與鄂爾多斯地區(qū)具有可比性(見表1)。

2 沉積相類型

通過對野外剖面的觀察、實(shí)測及鉆井巖心的觀察,依據(jù)巖石類型、沉積結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造、古生物、地球化學(xué)等特征可知，研究區(qū)中上三疊統(tǒng)沉積相類型比較豐富,包括河流沉積、曲流河三角洲沉積、辮狀河三角洲沉積、湖泊沉積以及少量的沖積扇沉積,其可進(jìn)一步劃分出亞相和微相(見表2)。

表1 現(xiàn)今鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)中晚三疊世地層對比表Tab.1 The stratigraphic correlation table of the present Ordos Basin and its adjacent areas in Middle-Late Triassic

表2 現(xiàn)今鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)中上三疊統(tǒng)沉積相類型劃分表Tab.2 The sedimentary facies classification table of the present Ordos Basin and its adjacent areas in Middle-Late Triassic

2.1 沖積扇沉積

扇積物常分布在山前露頭剖面的底部, 平面上呈扇形, 剖面上呈楔狀, 以巖性粗、 顏色紅、 厚度大為其主要的沉積特征。 鄂爾多斯盆地延長組沖積扇相主要分布于西北部的石溝驛， 西部的環(huán)20，楊1和安深1井以及平?jīng)龅貐^(qū),西南部的龍1，龍2和長1井一帶,北部的桌子山東麓、東勝、清水河、朔州一帶等。東部鄰區(qū)僅發(fā)育于南召盆地太山廟組底部(見圖2)。巖性以紫紅色、灰黃色、雜色、灰白色厚層—塊狀礫巖、砂礫巖、礫狀砂巖、含礫砂巖、砂巖及少量泥質(zhì)粉砂巖、含礫泥巖為特征,垂向?qū)有虼蠖啾憩F(xiàn)為間斷性的正韻律。巖石的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度中等—較低,礫石成分隨地而異。從扇根到扇端方向,巖石的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度逐漸提高。沖積扇沉積一般不含動物化石,偶見零星植物屑。

2.2 河流沉積

河流沉積無論是平面上還是垂向上均為鄂爾多斯盆地及其鄰區(qū)中上三疊統(tǒng)地層最主要的沉積類型。按砂體的幾何形態(tài)、相序特征和相變關(guān)系,主要分為辮狀河和曲流河二種類型。

圖2 南召盆地太山廟組底部沖積扇相特征Fig.2 The characteristics of alluvial fan facies at the bottom of Taishanmiao Formation in Nanzhao Basin

2.2.1 辮狀河沉積 鄂爾多斯盆地延長組的辮狀河主要分布于大理河以北以及西部沿線,典型的剖面有窟野河、禿尾河、佳蘆河、汝箕溝、古窯子、汭水河、清水河、朔州、陽泉等。井下西南部和南部主要發(fā)育于長10油層組,如長2，長14，剖14，涇1，慶7，花1及馬1井等,中部主要發(fā)育于長2油層組,如塞5，塞37，泉32，棗深2，永7井等。東部鄰區(qū)主要發(fā)育于寧靜盆地。

鄂爾多斯盆地東北部神木地區(qū)窟野河剖面和寧靜盆地寧武剖面的河道砂體主要由中—細(xì)砂巖組成,西南部崇信地區(qū)汭水河剖面的河道砂體主要以含礫粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖為主,剖面結(jié)構(gòu)向上變細(xì)和向上變粗均有,粉砂巖—泥巖等細(xì)粒沉積不發(fā)育,砂泥體積分?jǐn)?shù)通常大于70%。由于辮狀河水動力強(qiáng),河道多且常側(cè)向遷移,砂體通常呈不完整旋回且彼此疊置,形成巨厚的砂層。汭水河剖面疊置的河道砂體可達(dá)百米以上,窟野河剖面疊置砂體最厚達(dá)80 m左右,寧武剖面也可達(dá)30～40 m。整體來說,河道沉積下部發(fā)育大型板狀和槽狀交錯層理，含礫粗砂巖、粗砂巖等,位于河道基底沖刷面之上,常含滯留沉積；上部為有大型板狀交錯層理和平行層理的河道砂沉積,自下而上顯示了由粗變細(xì)的正旋回層序,再向上發(fā)育小型板狀、槽狀交錯層理細(xì)砂巖(見圖3)。細(xì)粒沉積構(gòu)成的泛濫平原相一般不發(fā)育,僅在河道間沉積了薄層的灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

寧武,辮狀河河道砂壩板狀交錯層理 窟野河,辮狀河河道砂壩槽狀交錯層理圖3 辮狀河沉積層理發(fā)育特征Fig.3 The sedimentary stratigraphic development characteristics of braided river

2.2.2 曲流河沉積 相對于辮狀河沉積的局限性,曲流河沉積在鄂爾多斯盆地及其鄰區(qū)分布范圍更廣,且大部分分布在辮狀河的前緣,如鄂爾多斯盆地周緣的清澗河、延河、仕望河、云巖河、黃陵、銅川、薛峰川等剖面及東鄰沁水盆地的榆社地區(qū)等,時間剖面上出現(xiàn)的頻率更高,分布范圍廣泛。

鄂爾多斯盆地曲流河河道砂質(zhì)沉積與河漫灘細(xì)粒沉積之比接近于1,沉積層序正粒序性明顯,具二元結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)為河道砂壩沉積,以側(cè)向加積為主;上部結(jié)構(gòu)為河漫灘沉積,以垂向加積為主,均是典型的曲流河沉積特征。河道砂體主要由中細(xì)粒砂巖、粉砂巖組成,一般為正粒序,發(fā)育大型板狀、槽狀交錯層理及平行層理,且砂體底部具明顯的沖刷面,起伏強(qiáng)烈,可見滯留沉積。砂體在剖面上呈上平下凸的透鏡體,側(cè)向延伸在數(shù)千米以內(nèi),四周均為泥巖所包圍。河漫灘沉積主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂巖,偶夾薄層細(xì)砂巖。粉砂巖具豐富的沙紋交錯層,泥質(zhì)巖富含粉砂質(zhì)紋層或植物根跡,二者常組成透鏡狀—波狀復(fù)合層理呈頻繁互層產(chǎn)出,水平層理發(fā)育(見圖4)。

滯留沉積 河道砂壩 河漫灘圖4 延河剖面曲流河沉積特征Fig.4 The sedimentary characteristics of meandering river in Yanhe section

2.3 三角洲沉積

2.3.1 辮狀河三角洲沉積 完整的辮狀河三角洲沉積可分為辮狀河三角洲平原、辮狀河三角洲前緣和前辮狀河三角洲3個亞沉積環(huán)境。鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組辮狀河三角洲沉積可見于西緣及東北部,主要位于盆地西南部,北至石溝驛,南至汭水河一線。典型剖面為汭水河剖面長9～長1段。東鄰主要發(fā)育于沁水盆地榆社地區(qū)中三疊統(tǒng)銅川組底部。

辮狀河三角洲平原為三角洲的水上部分,以分流河道和泛濫平原的砂、泥巖互層及泥炭沼澤沉積為特征,可發(fā)育成非常寬廣的席狀形體,但在鄂爾多斯盆地延長組并不發(fā)育。辮狀河三角洲前緣是三角洲中砂層集中的發(fā)育帶,是三角洲最主要的骨架部分。整體上看，辮狀河三角洲前緣具有與辮狀河類似的沉積序列,即由互相疊置形成的厚層水下分流河道砂體與薄層的分流間灣細(xì)粒沉積旋回構(gòu)成,分流間灣不發(fā)育,二元結(jié)構(gòu)不明顯,水下分流河道砂體底部可見沖刷面。汭水河剖面水下分流河道沉積物巖性以中—細(xì)砂為主,泥質(zhì)極少,砂巖分選較好,磨圓較差,以次棱角狀為主(見圖5a)。在縱向上，砂體剖面具有下粗上細(xì)的正旋回特點(diǎn)。砂體縱向疊置,多發(fā)育板狀、槽狀交錯層理及平行層理(見圖5b),底部具沖刷面,偶爾可見滯留沉積(見圖5c)。整體上講，砂體向上粒度變細(xì),層厚變薄,具有和辮狀河河道砂壩類似的沉積特征,是辮狀河三角洲沉積的主體。分流間灣的巖性主要為暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)粒物質(zhì),發(fā)育水平層理及小型沙紋交錯層理,常為黏土夾層或呈薄透鏡狀(見圖5d)。

2.3.2 曲流河三角洲沉積 完整的曲流河三角洲沉積也可分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲亞沉積環(huán)境。曲流河三角洲是鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組的主要三角洲類型,在構(gòu)造條件穩(wěn)定的北部和東部,由于延長組長6期湖盆開始發(fā)生水退,砂體進(jìn)積產(chǎn)生大量三角洲,如安塞三角洲、延安三角洲、富縣三角洲、黃陵三角洲、蒲縣三角洲、韓城三角洲、焦作三角洲和平頂山三角洲等。平面上,這些三角洲的軸長都在100 km以上,軸寬15～30 km,個別可達(dá)40 km以上,面積為千余至數(shù)千平方千米,均呈向湖盆方向強(qiáng)烈推進(jìn)的朵狀或鳥足狀。朵體間被相對狹窄的湖灣分離,構(gòu)成相間分布的半環(huán)狀三角洲裙帶。鄂爾多斯盆地東鄰地區(qū)，主要在沁水盆地和濟(jì)源盆地大量發(fā)育該沉積。

整體上講，曲流河三角洲平原沉積與曲流河沉積類似,由于河道遷移慢,沖刷弱,在垂向序列上具有明顯的二元結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),邊灘發(fā)育。分流河道經(jīng)反復(fù)疊加可形成巨厚砂體,基底具沖刷面,內(nèi)部具向上變細(xì)的沉積序列,底部砂巖含有零星分布的泥礫,向上為中—細(xì)砂巖,發(fā)育槽狀交錯層理、平行層理和前積型交錯層理。頂部為灰黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成的河漫灘沉積,因?yàn)榻?jīng)常處于半水淹的狀態(tài),沼澤發(fā)育(鄂爾多斯盆地延長組長1段多可見煤層)。三角洲前緣沉積在研究區(qū)最為廣泛,沉積物由水下分流河道砂體與水下分流間灣細(xì)粒沉積構(gòu)成。水下分流河道從巖性特征上看主要為細(xì)砂巖、細(xì)—粉砂巖,夾少量粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。砂巖中發(fā)育平行層理、板狀交錯層理、槽狀交錯層理及變形層理,底部具沖刷面,沖刷面附近含大量泥礫。粉砂巖中發(fā)育水平層理、透鏡狀層理、沙紋層理。單層砂體一般不厚,但可疊加形成10～40 m的中厚層砂體。砂體在縱向剖面具有下粗上細(xì)的正旋回特點(diǎn)。水下分流間灣是位于水下分流河道之間的淺湖區(qū),巖性以泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)粒沉積及與之互層的薄層細(xì)砂巖為主(見圖6)。粉砂質(zhì)泥巖、泥巖中發(fā)育植物葉片化石。砂巖及粉砂巖中發(fā)育水平層理、沙紋層理及變形層理,具碳屑,垂直蟲孔發(fā)育。由于水下分流河道的改道和不同期次沉積的疊加,縱向上較厚的水下分流河道砂體與分流間灣細(xì)粒沉積物密切共生,反復(fù)疊加,經(jīng)常見到二者形成1∶1的二元結(jié)構(gòu)。

a 河道砂體鑄體薄片照片，單偏，×40;b 辮狀河三角洲前緣水下分流河道;c 滯留沉積;d 辮狀河三角洲前緣分流間灣圖5 汭水河剖面辮狀河三角洲Fig.5 The sedimentary characteristics of braided river in Ruishuihe section

從沉積相類型的角度分析,鄂爾多斯盆地東鄰寧靜盆地中上三疊統(tǒng)以辮狀河沉積為主,與鄂爾多斯盆地北緣以曲流河和辮狀河沉積為主的神木地區(qū)形成沉積相過渡演化；沁水盆地以三角洲平原沉積為主,與鄂爾多斯盆地東緣延長地區(qū)三角洲平原和三角洲前緣為主的沉積也形成過渡關(guān)系；濟(jì)源盆地與鄂爾多斯盆地東南緣的韓城地區(qū)整體上均以三角洲前緣和湖相沉積為主,沉積環(huán)境基本一致。南召盆地整個中上三疊統(tǒng)基本為深湖沉積，亦與鄂爾多斯盆地形成過渡；從平面上看,沉積相變化未發(fā)生間斷,其變化復(fù)合瓦爾特相律,因此有理由推斷，該時期鄂爾多斯盆地與其東鄰地區(qū)應(yīng)屬于同一沉積盆地。

2.3.3 關(guān)于河口壩問題的討論 湖泊由于缺乏潮汐作用,波浪作用也較弱,所以許多人將古代的湖泊三角洲解釋為密西西比式的河控三角洲。因此,人們在研究中往往強(qiáng)調(diào)向上變粗的完整進(jìn)積序列,把河口壩作為三角洲沉積的一種必備的成因相,認(rèn)為它們是砂質(zhì)沉積物聚集的主要場所和最有利的儲集相帶。這種看法有許多是根據(jù)電測資料解釋的,通常缺乏露頭及完整巖心資料的檢驗(yàn),所以與實(shí)際情況往往有悖,其成因解釋也是值得商榷的。鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組發(fā)育有兩種地層樣式不同的湖泊三角洲沉積,一種是進(jìn)積序列較完整的巨厚的深水盆地型三角洲,另一種是缺乏完整進(jìn)積序列的薄的淺水臺地型三角洲。其中，深水型三角洲是在有巨厚深水泥巖及低密度濁積巖的深盆地背景上發(fā)育起來的,水下沉積厚度較大,進(jìn)積相的序列保存較好,可以保存有河口壩沉積,但河口壩并不發(fā)育。這類三角洲主要分布在志丹—甘泉沿線以南的深湖地區(qū)。而淺水型三角洲主要分布在志丹—甘泉基底樞紐線以北的淺水臺地區(qū)。這種三角洲水下沉積薄,且常為后繼的河流強(qiáng)烈沖刷,進(jìn)積序列常常不完整,往往缺乏河口壩沉積。

濟(jì)源剖面水下分流河道 薛峰川剖面水下分流間灣圖6 曲流河三角洲前緣相特征Fig.6 The characteristics of meandering river delta front facies

深水盆地型三角洲是在河流推進(jìn)到堆積有巨厚的深湖泥巖的深盆地背景上發(fā)育起來的,其突出特征是具有厚而完整的進(jìn)積序列。三角洲在形成發(fā)育過程中,不斷從陸地向湖盆方向推進(jìn),結(jié)果形成一特征的垂向沉積層序。一般來說,其底部為前三角洲泥,向上依次出現(xiàn)三角洲前緣粉砂和砂,最上面覆蓋著三角洲平原分流河道砂質(zhì)沉積和河漫灘砂質(zhì)泥巖及泥炭沼澤沉積。從前三角洲泥質(zhì)沉積到三角洲前緣砂質(zhì)沉積,大體上為一下細(xì)上粗的反旋回沉積序列,即所謂進(jìn)積型沉積序列(見圖7)。其沉積構(gòu)造序列由下而上為水平層理、壓扁層理、透鏡狀層理、小型交錯層理、板狀和槽狀交錯層理、沖刷面構(gòu)造、平行層理、波狀交錯層理、沙紋交錯層理、水平層理及植物根,它們反映了不同亞環(huán)境的水動力條件的規(guī)律性變化。三角洲砂體平面上呈朵狀,剖面上呈底平頂凸的透鏡體。

淺水臺地型三角洲的突出特征是以分流河道砂體為骨架,河口壩不發(fā)育。多數(shù)情況下,分流河道砂體直接與湖相泥巖呈沖刷接觸,垂向相序往往不完整。在河道砂巖基底上常含灰黑色棱角狀湖相泥礫,由下而上,砂巖粒度逐漸變細(xì)。盆地的水下分流河道有時被后繼的陸上分流河道承襲,其沉積體很難截然分開,除了側(cè)向相變不同外,內(nèi)部沉積特征無本質(zhì)區(qū)別。淺水臺地型三角洲前緣河口壩之所以少見,是因?yàn)楹恿鬟M(jìn)入平坦安靜的淺水環(huán)境后,所攜帶的沉積物快速推進(jìn),不能形成較厚的河口壩沉積,即使形成也通常為水下分流河道沖刷貽盡。所以經(jīng)常見到水下分流河道砂體與湖相泥巖直接呈沖刷接觸,而缺乏河口壩沉積作為過渡(見圖7)(偶爾在沖刷不太強(qiáng)烈的情況下留有薄的殘余)。延河剖面張家灘黑頁巖之上見有3 m厚的保存較好的河口壩沉積,未受明顯的波浪改造,以廢棄相保存下來,基本上反映了河口壩的原始特征。其巖性以粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖與下伏湖相頁巖呈漸變,底部粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖中具沙紋層理及包卷層理,向上粉細(xì)砂巖具水平波狀紋層,至頂部可見中小型槽狀交錯層理,構(gòu)成反旋回。

2.4 湖泊沉積

湖泊沉積在鄂爾多斯盆地及東鄰濟(jì)源盆地、南召盆地中晚三疊世地層中廣泛發(fā)育,主要分為淺湖沉積和深湖沉積。淺湖沉積在時間和空間尺度上發(fā)育更廣泛,沉積物主要為灰—深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰綠色薄—中層狀粉—細(xì)砂巖,底棲生物發(fā)育,常見介形蟲、瓣腮類、葉肢介、魚類化石及垂直蟲孔等。因生物擾動強(qiáng)烈,巖層通常呈塊狀,風(fēng)化后呈碎片狀。局部薄層砂巖和泥巖構(gòu)成透鏡—波狀復(fù)合層較厚的層序,砂巖呈明顯的上凸?fàn)钔哥R體,一般厚5～20 cm,最厚可達(dá)2 m,橫向延伸100 m之內(nèi)即可明顯減薄乃至尖滅。

圖7 鄂爾多斯盆地中晚三疊世三角洲沉積模式圖Fig.7 The delta deposition model graph of Ordos Basin in Middle-Late Triassic

研究區(qū)深湖沉積分布也較為廣泛, 北自鄂爾多斯盆地定邊、 慶陽地區(qū), 中至銅川地區(qū), 東南至盧氏地區(qū)及南召盆地均有發(fā)育, 主要發(fā)育于中晚三疊世中期, 面積可達(dá)8×104km2以上。 巖性主要為深灰色、 灰黑色泥頁巖、 油頁巖夾少量灰色中—厚層狀粉砂巖、 細(xì)砂巖, 常見黃鐵礦等自生礦物, 橫向分布穩(wěn)定, 整體沉積厚度可達(dá)300～400 m。

深湖環(huán)境以發(fā)育重力流沉積為特征,濁積巖是其代表性巖體,也是鄂爾多斯盆地延長組非常重要的儲層。濁積巖段在鄂爾多斯盆地旬邑、銅川、薛峰川、大理河地區(qū),東—南鄰的濟(jì)源盆地、南召盆地、洛南、盧氏地區(qū)以及許多井下剖面中均可見到,通常為薄層粉細(xì)砂巖與泥巖互層,其中，旬邑地區(qū)砂巖的巖性較粗,厚度較大。南召盆地整個中上三疊統(tǒng)均為深湖沉積環(huán)境,可見大量發(fā)育的濁積巖(見圖8)。鄂爾多斯盆地汝箕溝、大理河、秀延河地區(qū)及濟(jì)源盆地濁積巖主要發(fā)育在中上三疊統(tǒng)頂部,鮑瑪序列中的粒序?qū)永?、平行層理、沙紋交錯層理及水平層理十分常見,槽模、溝模、刷模等各種底模構(gòu)造亦非常發(fā)育。值得注意的是,夾于深湖亞相泥巖中的粉砂巖常因滑塌及液化作用發(fā)生而形成包卷層理等變形層理[43-44]。

平面上，三角洲前緣砂體在地震、風(fēng)暴等外力的作用下,沿湖盆斜坡滑塌滾落,形成重力流,最終沉積于深湖的凹陷區(qū)域。重力流沉積物通常從坡底向外堆積成錐狀或丘狀,平面上呈扇形,因此稱為湖底扇。根據(jù)鄂爾多斯盆地延長組的整體地貌特征以及盆地內(nèi)多口井的研究資料，結(jié)合濁積巖的形成機(jī)制及原因,把研究區(qū)湖底扇劃分為有補(bǔ)給水道的濁積扇(坡移濁積扇)和無補(bǔ)給水道的濁積扇(滑塌濁積扇)(見表3)。

坡移濁積扇為拗陷型湖盆相對穩(wěn)定的沉降階段，由來源于三角洲前緣的碎屑流、滑塌巖、濁流等重力流攜帶的大量碎屑物質(zhì),在深湖陡岸斜坡區(qū)的快速搬運(yùn)過程中轉(zhuǎn)化為濁流,在緩坡和湖盆低洼處形成濁積扇,分布范圍廣,是研究區(qū)的主要濁積扇類型；其進(jìn)一步可劃分為上扇、中扇和外扇3種亞相,其中以中扇和外扇沉積比較常見(見圖9)。

圖8 南召盆地深湖相濁流沉積Fig.8 Deep lacustrine turbidity deposits in Nanzhao Basin

相亞相微相單層砂巖厚度/cm重力流類型濁積巖類型發(fā)育位置湖底扇坡移濁積扇上扇主溝道>100碎屑流顆粒流濁流 泥質(zhì)礫巖、中砂巖、細(xì)砂巖,粉細(xì)砂巖,具“AB、AB”序列和“A、A、A、A”序列溢岸沉積<1顆粒流濁流 細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖組成“BCDE”序列和“CDE”序列典型濁積巖 深湖線附近,湖底扇剛進(jìn)入深湖的區(qū)域 中扇辮狀溝道>30顆粒流液化沉積物流濁流 泥質(zhì)細(xì)砂巖、細(xì)砂巖,粉細(xì)砂巖,粒序?qū)永?、沖刷構(gòu)造和液體逃逸構(gòu)造發(fā)育,具“AB、AB”序列和“A、A、A、A”序列 溝間<1濁流 細(xì)砂巖、粉—細(xì)砂巖,粉砂巖,泥質(zhì)粉砂巖,平行層理、粒序?qū)永?、沙紋層理、波狀層理,具“BCDE”序列和“CDE”序列典型濁積巖中心席10～30濁流 細(xì)—粉砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖不等厚互層,具“ABCDE”序列、“BCDE”序列和“CDE”序列典型濁積巖 湖底扇向深湖的推進(jìn)過程中,上扇與深湖平原的過渡區(qū) 外扇未梢席1～10濁流 粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和暗色泥巖不等厚互層,具“CDE”序列和“DE”序列的層狀典型濁積巖 湖底扇最外緣的湖底平原滑塌濁積扇中心扇邊緣扇厚度變化較大濁流濁流 以細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖及粉砂巖為主,夾于暗色泥巖中,可見鮑馬序列的各種組合,但組合類型在橫向上變化較大,剖面上常呈透鏡狀 靠近湖盆中心靠近深湖線

滑塌濁積扇多數(shù)是由三角洲前緣松散的沉積物在快速沉積不穩(wěn)定狀態(tài)下或由某種機(jī)制(火山、地震、洪水、風(fēng)暴等)的引發(fā),沿斜坡發(fā)生整體滑塌而形成的。它無固定補(bǔ)給水道,常隨三角洲的推進(jìn)而推進(jìn),呈分散狀分布,分布面積一般較小。根據(jù)發(fā)育位置的不同,其主要可劃分為中心席和邊緣席兩個亞相。中心席發(fā)育位置靠近深湖中心,而邊緣席則靠近深湖線。

湖底扇形成的基本條件包括觸發(fā)機(jī)制(波浪、火山、地震、洪水、風(fēng)暴等)、地形坡度和滯水環(huán)境,其中不同的觸發(fā)機(jī)制是形成不同濁積砂體的基礎(chǔ)?；鷿岱e巖主要由陣發(fā)性的偶然因素(如火山、地震、風(fēng)暴、重力滑塌等)誘發(fā)而成,而坡移濁積扇則與地形坡度的有利配置以及和較穩(wěn)定的物源(河流迅速入湖),尤其是洪水期河流密切相關(guān)[45-46]。

a內(nèi)扇 b 中扇 c 外扇圖9 鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組湖底扇沉積Fig.9 Sublacustrine fan deposition of Middle-Late Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin

從空間上來看,鄂爾多斯盆地延長組湖盆的地形控制著湖底扇體的發(fā)育和分布范圍。受構(gòu)造抬升及三角洲發(fā)育多期性的影響,其分布位置、形態(tài)、大小都不同,形成規(guī)模不等的湖底扇或濁積巖體,其主要分布在坡折區(qū)一線。盆地北緩南陡的特征構(gòu)成了盆地晚三疊世的北部與東北部發(fā)育大型曲流河三角洲沉積、西南部發(fā)育辮狀河三角洲沉積的沉積格局。相比而言,坡度較陡的西南部，辮狀河三角洲前端的湖底扇更為發(fā)育。

從時間上看,鄂爾多斯盆地濁流沉積集中發(fā)生在長7，長6和長4+5期,即湖盆鼎盛向萎縮轉(zhuǎn)換的時期。長7期，湖盆的強(qiáng)烈沉降及沿拗陷軸向物源的注入,使?jié)崃鞒练e發(fā)育。長6和長4+5期，湖盆沉降趨于穩(wěn)定,物源供應(yīng)充足,多水系、多物源的三角洲發(fā)育使?jié)崃鞒练e發(fā)育普遍,隨后逐漸減弱。

3 沉積格局與沉積環(huán)境演變

依據(jù)上述地層及沉積相的分析結(jié)果,在原有鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組沉積相展布圖的基礎(chǔ)上,將其沉積范圍向東擴(kuò)展至山西省寧靜地區(qū)、沁水地區(qū)及河南省濟(jì)源地區(qū),向南擴(kuò)展至南召—盧氏—洛南一線,并繪制了新的沉積相展布圖。研究認(rèn)為，中上三疊統(tǒng)延長組是在鄂爾多斯盆地拗陷持續(xù)發(fā)展和穩(wěn)定沉降過程中堆積的，以河流—湖泊相為特征的陸源碎屑巖系,它的發(fā)展和演化客觀記錄了這個大型淡水湖盆從發(fā)生、發(fā)展到消亡的歷史。本研究將地層統(tǒng)一按延長組各段劃分命名,其沉積演化分述如下。

3.1 長10期

鄂爾多斯盆地延長期從長10期開始發(fā)育,河流和三角洲平原廣布,圍繞湖盆中心,形成一系列環(huán)帶狀三角洲裙體,湖盆分布范圍狹小,主要在河南西南部盧氏—南召一帶,陜西銅川地區(qū)分布次之,定邊、吳旗、合水一帶零星分布,但大體上已呈現(xiàn)出西北—東南軸向的趨勢。圍繞湖盆中心,形成一系列環(huán)帶狀三角洲裙體,基本為三角洲平原沉積,少見砂體進(jìn)入淺湖區(qū)形成三角洲前緣沉積。三角洲外圍為大范圍的河流沉積,其中曲流河沉積主要位于盆地北部和東部,神木和寧武地區(qū)以及西南部、西部發(fā)育辮狀河沉積(見圖10)。

3.2 長9期

盆地進(jìn)入長9期后快速下沉,將長10期的三角洲體系全部淹沒水下。湖侵規(guī)模加大,淺湖北部可達(dá)靖邊,東部抵鄭州,西部沿寧夏彭陽—石溝驛一帶分布,南部到商丹斷裂以北。湖盆呈現(xiàn)為西岸稍陡、東岸平緩的特征,淺湖沉積在西岸狹窄,東部則十分寬闊。圍繞湖盆中心,河流和三角洲平原廣布,形成一系列環(huán)帶狀三角洲裙體,北部由西向東分別發(fā)育石嘴山、烏海、鄂托克、鄂爾多斯、榆林、呂梁、長治和焦作三角洲,西部由北而南分別發(fā)育石溝驛、環(huán)縣、平?jīng)?、慶陽、旬邑和銅川三角洲,在洛南、盧氏、欒川和南召一帶的深湖區(qū)則發(fā)育大量濁積巖沉積(見圖11)。長9末期,以志丹為中心,西北自吳旗起,東南至甘泉一帶,發(fā)育一狹長的水體較深的淺湖沉積,構(gòu)成有效的烴源巖,該段又稱李家畔頁巖。

圖10 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長10期沉積相平面展布圖Fig.10 The sedimentary facies plane distribution map of Ch 10 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

圖11 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長9期沉積相平面展布圖Fig.11 The sedimentary facies plane distribution map of Ch 9 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

3.3 長8期

長8期湖盆基本繼承了長9期的特征,沉積體的突出特點(diǎn)是西部以各種近源快速堆積的粗粒三角洲為特征,東部則發(fā)育一連串三角洲,東南部發(fā)育深湖相沉積,濁積巖發(fā)育。北部由西而東分別發(fā)育銀川、烏審旗、榆林、佳縣、蒲縣、長治和開封三角洲,西部由北而南分別發(fā)育固原、平?jīng)?、麟游和咸陽三角洲。西岸以慶陽辮狀河三角洲規(guī)模最大,是這一時期的突出特征之一。北岸則以發(fā)育有巨大的鹽池、吳旗、靖邊三角洲為代表,東北部榆林、呂梁、延長主要是三角洲平原,東部主要發(fā)育長條形三角洲,呈近東西向分布,這時的吳旗、安塞延長三角洲較為發(fā)育,而長治三角洲和開封三角洲已深入深湖形成濁積巖(見圖12)。

圖12 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長8期沉積相平面展布圖Fig.12 The sedimentary facies plane distribution map of Ch8 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

3.4 長7期

長7期，湖盆發(fā)展到全盛期,盆地大范圍被湖水淹沒,深湖區(qū)的面積也急劇擴(kuò)大,由定邊、慶陽延伸至銅川、洛南、盧氏、欒川、南召。定邊—銅川一帶的深湖區(qū)，單層暗色頁巖最厚可達(dá)30 m,而南召附近深湖區(qū)，單層暗色頁巖最厚可達(dá)80 m,成為鄂爾多斯盆地的主力烴源巖。深湖區(qū)濁積巖十分發(fā)育,并成為良好的致密儲集層。長7期湖盆沉積格局與長8期基本相似,尤其是西岸，以粗粒三角洲為主,向盆地方向出現(xiàn)濁積巖。北部及東部湖水進(jìn)一步加深,湖岸線大面積向外推進(jìn),由西北向東南,順時針發(fā)育石嘴山、鹽池、鄂托克、靖邊、子長、延川、宜川、臨汾、運(yùn)城、焦作、開封和駐馬店三角洲,其中運(yùn)城、焦作、開封和駐馬店三角洲已深入到深湖中。由北而南逆時針發(fā)育石溝驛、同心、固原、慶陽、麟游和富平三角洲,深湖區(qū)濁積巖發(fā)育(見圖13)。

圖13 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長7期沉積相平面展布圖Fig.13 The sedimentary facies plane distribution map of Ch7 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

3.5 長6期

進(jìn)入長6期,湖盆下降速度放緩,沉積作用大大加強(qiáng),盆地四周的三角洲全面向湖盆進(jìn)積,湖盆進(jìn)入萎縮狀態(tài)。湖盆西岸依然發(fā)育有石溝驛辮狀河三角洲、環(huán)縣辮狀河三角洲、固原辮狀河三角洲和鎮(zhèn)原辮狀河三角洲,與長8，長7期大體相似,除固原和鎮(zhèn)原辮狀河三角洲規(guī)模有明顯的擴(kuò)大外,其余都有所減弱。該時期突出的特征是，東北、東部的物源大大加強(qiáng), 鄂托克前旗、 靖邊、 子長、 延長地區(qū)隨著沉積作用的加強(qiáng)已由長7期的三角洲前緣變成平原河流相, 吳旗、 安塞和富縣三角洲進(jìn)入發(fā)育的鼎盛時期, 東北部三角洲前緣已與鹽池—吳旗三角洲在志丹、 延安、 富縣交匯形成一支龐大的三角洲前緣, 同時向深湖區(qū)延伸。 該時期的另一個特征是， 富縣三角洲的沉積作用明顯加強(qiáng), 向西穿過葫蘆河和太白地區(qū)直達(dá)固城川, 是合水—固城川濁積扇的主要物源。 東南部則發(fā)育韓城三角洲、 濟(jì)源三角洲及平頂山三角洲。 長6期的深湖區(qū)也有所收縮,由長7期的定邊向南推至姬塬地區(qū),東部也顯著向西南推進(jìn)(見圖14)。

圖14 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長6期沉積相平面展布圖Fig.14 The sedimentary facies plane distribution map of Ch6 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

3.6 長4+5期

長4+5期沉積格局與長6期無多大差別,只是深湖區(qū)進(jìn)一步從各個方向向湖中心收縮,面積進(jìn)一步縮小，僅在盆地西北部鹽池—定邊一帶出現(xiàn)小范圍的湖侵。湖岸線與長6范圍相近,但沉積作用與長6相比有顯著的減弱,西緣的石溝驛辮狀河三角洲繼續(xù)存在,彭陽在長6及其以前的辮狀河三角洲此時已完全成了陸上平原,慶陽已無濁積巖發(fā)育。北部鹽池三角洲與長6相似,東北部及東部三角洲以及長6期發(fā)育的三角洲,尤其是安塞三角洲已全面平原化,主要以分流河道沉積為主。富縣三角洲與甘泉三角洲連為一體，向葫蘆河—太白以西延伸,可直到固城川地區(qū)的深湖區(qū),成為該區(qū)的主要物質(zhì)來源。此時,宜川三角洲依然存在,向東連續(xù)發(fā)育韓城、運(yùn)城、濟(jì)源、開封和方城三角洲,規(guī)模也有所縮小(見圖15)。

圖15 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長4+5期沉積相平面展布圖Fig.15 The sedimentary facies plane distribution map of Ch4+5period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

3.7 長3期

長3期由于鹽池西緣及西南緣開始抬升,深湖僅發(fā)育于河南西南部的盧氏、欒川和南召一帶。沉積作用再次加劇,三角洲向盆地進(jìn)積,該期發(fā)育的鹽池、定邊三角洲此時與石溝驛地區(qū)連為一體,全面平原沼澤化；近南北向的分流河道也十分發(fā)育,可穿過姬塬向南伸入淺湖區(qū)。宜川三角洲規(guī)模有所擴(kuò)大,洛陽三角洲和許昌三角洲變化不大。該期的另一個特征是，東北物源再次強(qiáng)化,一直可穿過吳旗向南達(dá)到華池地區(qū),形成吳旗—華池三角洲；志丹、安塞、永寧、延安一線以東、以北地區(qū)全面平原沼澤、河流化。長3時期，鹽池、定邊、吳旗、安塞、宜川、洛陽、許昌三角洲繼續(xù)有前緣亞相的存在,尤其是安塞三角洲的前緣一直可穿過永寧向南延伸到太白—固城川地區(qū)。西部由北而南分別發(fā)育環(huán)縣、鎮(zhèn)原、長武和銅川三角洲(見圖16)。

圖16 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長3期沉積相平面展布圖Fig.16 The sedimentary facies plane distribution map of Ch3 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

3.8 長2期

長2期由于湖盆的持續(xù)收縮,北部三角洲連成一片,南部鎮(zhèn)原和涇川三角洲相對比較發(fā)育。唯有河南西南部盧氏—南召一帶還保留有深湖區(qū),淺湖區(qū)也較長3大大收縮,僅在環(huán)縣、華池、黃陵、韓城、洛陽和平頂山幾個三角洲尚有前緣存在；其他地區(qū)的沉積與長3相似,只是進(jìn)一步平原、沼澤化,河流亞相或平原分流河道發(fā)育是這一時期的重要特征(見圖17)。

3.9 長1期

長1期由于秦嶺的抬升,淺湖區(qū)支離破碎,在河南西南部盧氏—南召一帶、橫山—子長之間形成長1期的深湖沉積,其中運(yùn)城三角洲和焦作三角洲仍然可以從淺湖到深湖,并發(fā)育濁積巖(見圖18)。這一時期，整個鄂爾多斯盆地全面平原、沼澤化,廣泛發(fā)育薄的煤層或煤線,自此結(jié)束了盆地延長組的沉積歷史。

圖17 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長2期沉積相平面展布圖Fig.17 The sedimentary facies plane distribution map of Ch2 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

圖18 鄂爾多斯盆地中晚三疊世延長期長1期沉積相平面展布圖Fig.18 The sedimentary facies plane distribution map of Ch1 period in Middle-Late Triassic Yanchang Formation of Ordos Basin

4 結(jié) 論

1)通過對現(xiàn)今鄂爾多斯盆地及東、南鄰區(qū)寧靜盆地、沁水盆地、濟(jì)源盆地、南召盆地中晚三疊世野外剖面實(shí)測,對鄂爾多斯盆地內(nèi)延長組及鄰區(qū)同期地層的巖性特征及地層厚度進(jìn)行對比,認(rèn)為無論是巖性粒度變化、地層厚度還是地層上下接觸關(guān)系均說明，這些盆地與鄂爾多斯盆地的沉積背景具有一致性,符合中晚三疊世華北板塊構(gòu)造演化背景。

2)通過沉積學(xué)研究可知，鄂爾多斯盆地中晚三疊世以河流、三角洲、辮狀河三角洲和湖相沉積為主。鄰區(qū)寧靜盆地主要發(fā)育辮狀河沉積,沁水盆地發(fā)育辮狀河三角洲、三角洲和淺湖沉積,濟(jì)源盆地發(fā)育三角洲和湖相沉積,南召盆地、盧氏、洛南地區(qū)以發(fā)育深湖沉積為特征,南召盆地還有短暫的沖積扇沉積。將剖面進(jìn)行地層和沉積相對比發(fā)現(xiàn)，無論是時間尺度上還是空間尺度上,從鄰區(qū)向鄂爾多斯盆地內(nèi)部沉積相的過渡變化均符合瓦爾特相律。

3)綜合分析認(rèn)為,中晚三疊世延長期鄂爾多斯盆地與其東南鄰區(qū)各盆地應(yīng)屬于同一盆地,并未分隔。