蘇里格南部上古生界山1段、盒8段物源分析與沉積體系展布特征

郭家銘.

(中國海洋石油國際有限公司，北京 100027)

鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣藏是典型的巖性氣藏[1-2]，屬于華北克拉通中西部的次一級構(gòu)造單元，整體是一個構(gòu)造平緩、沉降穩(wěn)定、地層“整合”、斷裂較少的多旋回大型克拉通盆地[3-5]。盆地可分為晉西撓褶帶、西緣沖斷帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、渭北隆起和伊盟隆起六個構(gòu)造單元[6]。盆地構(gòu)造演化較為簡單，構(gòu)造平緩穩(wěn)定，區(qū)域上坳陷疊合產(chǎn)出，且缺少斷層與背斜構(gòu)造，總體上呈現(xiàn)出東部高并向西部傾斜的大范圍斜坡地貌?？偨Y(jié)前人對鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化及地質(zhì)特征研究成果，盆地地質(zhì)構(gòu)造演化大體分為五個階段[7]：中、晚元古代為裂嵌期，早古生代出現(xiàn)淺海臺地，晚古生代形成濱海平原，中生代轉(zhuǎn)為內(nèi)陸拗陷，盆地新生代后周邊斷陷廣泛發(fā)育。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造及地理位置(據(jù)馬東旭等[1]，有修改)Fig.1 Tectonic andGeographic Location of Study Area(modified by Ma et al[2])

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西部，北起鄂托克前旗，南至慶城，西起馬家灘，東達(dá)靖邊，面積近52000平方公里(圖1)，天然氣勘探已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，主要目的層為上古生界的山1段及盒8段[8]。但由于研究區(qū)為陸源碎屑巖的巖性氣藏，陸源碎屑物來源受到物源區(qū)母巖控制[9]，母巖類型的不同導(dǎo)致研究區(qū)不同區(qū)域形成了不同的巖石類型，巖石類型的不同造成了儲層儲集性的巨大差異[10]，因此，系統(tǒng)進(jìn)行物源分析，明確物源如何影響研究區(qū)上古生界沉積體系的形成及展布規(guī)律變得十分必要[11]。此外，由于本區(qū)東、西部沉積體系展布特征差異較大，尤其是鹽池地區(qū)發(fā)現(xiàn)了高滲透儲層發(fā)育區(qū)，高滲透儲層發(fā)育區(qū)預(yù)測難度大[12-13]，因此，系統(tǒng)開展本區(qū)上古生界沉積體系展布特征研究，為天然氣有利勘探區(qū)提供依據(jù)，已成為研究區(qū)天然氣勘探亟待解決的關(guān)鍵問題。本文擬通過物源分析和沉積學(xué)研究，分析研究區(qū)主要物源方向并探討物源交匯處如何影響研究區(qū)上古生界沉積體系[14]；重點分析山1段及盒8段沉積體系分布格局及展布特征，為后續(xù)儲層分布規(guī)律及其主控因素研究、解剖砂體形態(tài)與規(guī)模、預(yù)測有利儲集砂體展布提供地質(zhì)依據(jù)[15]，為研究區(qū)天然氣的增儲上產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 物源分析

1.1 砂巖碎屑組分特征

據(jù)巖石薄片資料統(tǒng)計，研究區(qū)碎屑巖成分主要以石英為主，含量平均為84%；巖屑次之，含量平均為13%；長石含量較低，平均為3%。碎屑巖巖性主要為石英砂巖及巖屑石英砂巖[16]。研究區(qū)北部山1段，石英含量約為79%，巖屑含量為21%。盒8段與山1段差別不大，石英含量平均為80%，巖屑含量為19%，長石幾乎未見。越靠近盆地中部，穩(wěn)定組分的石英含量略有升高，而不穩(wěn)定組分的巖屑含量略有降低。研究區(qū)南部碎屑巖成分與北部地區(qū)有一定的差別，山1段石英含量78%，巖屑含量21%，不含長石。盒8段石英含量為80%，但巖屑含量較北部有所降低，為17%，可見少量長石。與北部相比，不穩(wěn)定組分巖屑含量的升高和長石的間歇性出現(xiàn)，說明南部物源與北部不同，砂體距離物源較近，物源供給并不穩(wěn)定。由此可知，北部物源總體不含長石，并且物源供應(yīng)較為穩(wěn)定，搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)。南部物源含有少量長石，物源供應(yīng)不穩(wěn)定，搬運(yùn)距離較近。

同時，不同類型石英含量的相對變化可以說明物源的變化[17]。研究區(qū)內(nèi)最常見來自酸性深成侵入巖的石英，含有細(xì)小的氣液包裹體，含有鋯石等礦物包裹體，包裹體一般呈無固定方位的塵狀，導(dǎo)致石英云霧狀產(chǎn)出。來自變質(zhì)巖的石英也占很高的比例，常見波狀消光，或在同一顆粒內(nèi)部呈現(xiàn)縫合線接觸的碎塊狀消光。存在少量沉積型石英，呈現(xiàn)較高的磨圓度，邊緣常見次生加大。個別井位可見噴出巖型石英，表面光潔度高，多見港灣狀邊緣，保存完好的可見β石英的六邊形外形。在盒8段可見較多的火山凝灰質(zhì)，結(jié)晶程度很低，巖屑形成玉髓，后期蝕變?yōu)檎惩恋V物。研究區(qū)東部變質(zhì)巖來源的石英最多，受北部物源影響，分布面積大，影響范圍廣。西北部變質(zhì)巖來源石英含量中等，可見少量沉積巖和噴出巖來源的石英，顯示近源的特征，波及范圍較小，受西北物源控制。研究區(qū)南部變質(zhì)巖來源的石英最少，山1段和盒8段發(fā)生一定的變化，物源波及范圍和物質(zhì)供給不穩(wěn)定(圖2)。

圖2 研究區(qū)山1段、盒8段石英類型分區(qū)圖Fig.2 Zoning Map of Quartz Types of Shan1 and He8 Member in Study Area

1.2 巖屑成分特征

研究區(qū)巖屑特征與區(qū)域背景下北部及西北部古老的變質(zhì)巖系相一致[18]，單巖屑成分主要為千枚巖、片巖及隱晶巖。因此，巖屑組合以變質(zhì)巖居多，火成巖巖屑及沉積巖巖屑次之，具體的組合類型及空間展布因不同層段存在差異性。研究區(qū)山1段主要為變質(zhì)巖巖屑，含量平均為74.3%，鏡下觀察多見變質(zhì)石英巖、千枚巖及片巖；巖漿巖巖屑次之，含量平均為15.6%，主要為花崗巖，隱晶巖及細(xì)晶斑巖；沉積巖巖屑平均為10.1%，含量較低，多為粉砂巖巖屑和泥巖巖屑。研究區(qū)盒8段同樣以變質(zhì)巖巖屑居多，含量平均為72.1%，鏡下觀察多見變質(zhì)石英巖、千枚巖及板巖；巖漿巖巖屑次之，含量平均為17.7%，主要為花崗巖，隱晶巖及噴出巖；沉積巖巖屑含量平均為10.2%，多見粉砂巖、泥巖。

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)西北部高級變質(zhì)巖、巖漿巖以及沉積巖巖屑混合出現(xiàn)。東部和北部以高級變質(zhì)巖巖屑為主，盒8段部分井位含有較多的火山凝灰質(zhì)，造成其巖漿巖巖屑比山1段稍高。南部為變質(zhì)巖、巖漿巖混合區(qū)，由盆地邊緣向中心成熟度略有升高。由巖屑類型可知，研究區(qū)北部存在兩個物源的影響，西北物源波及范圍較小，北方物源影響范圍較廣；盆地南部存在一較弱的物源，影響范圍較小(圖3)。

1.3 重礦物特征

研究區(qū)山1段和盒8段重礦物組合具有繼承性，縱向變化不大。以鋯石、銳鈦礦、金紅石、石榴石、電氣石等穩(wěn)定重礦物居多，說明與物源地區(qū)具有一定搬運(yùn)距離。山1段重礦物以鋯石、電氣石、金紅石和石榴石為主；盒8段重礦物以鋯石、電氣石、石榴石、金紅石為主，以綠簾石、黃鐵礦增多為特征，反映母巖中變質(zhì)巖成分增加。山1段和盒8段重礦物組合特征相似，反映其母巖區(qū)基本一致，巖石類型為變質(zhì)巖(高級變質(zhì)巖、中—低級變質(zhì)巖)、火成巖(基性—超基性侵入巖、中基性火山噴出巖、酸性巖漿巖)及沉積巖。

圖3 研究區(qū)山1段、盒8段巖屑類型分區(qū)圖Fig.3 Zoning Map of Lithic Fragment Types of Shan1 and He8 Member in Study Area

重礦物平面分布上，山1段大致劃分為西北部、北部、西南部和南部四個分布帶。表明四個不同方向的物源供給區(qū)共同影響山1段沉積充填，包括西北、正北、西南和正南四個物源供給方向。其中，在西北物源作用下，區(qū)域以高含量黑云母+鋯石+符山石為特征；正北物源作用下，區(qū)域表現(xiàn)為高含量的鋯石+電氣石+石榴石組合特征；受西南物源影響，區(qū)域上鋯石+電氣石+石榴石+金紅石+黑云母含量很高，受正南物源影響，區(qū)域上形成鋯石+黑云母+電氣石的高含量區(qū)。此外，鋯石和電氣石等超穩(wěn)定重礦物含量由研究區(qū)南部和北部向中心逐漸增高。從分布格局表現(xiàn)上可以看出，研究區(qū)大體受北部及西南部物源的綜合影響(圖4)。

研究區(qū)盒8段重礦物平面分布與山1段類似，同樣可劃分為西北部、北部、西南部和南部四個分布帶。說明盒8段沉積時，物源方向沒有發(fā)生巨大的變化。其中，在受西北物源影響下，區(qū)域以高含量電氣石+黑云母+鋯石為特征，正北物源作用下，區(qū)域表現(xiàn)為高含量的鋯石+電氣石+石榴石+綠簾石組合特征，受西南物源影響，區(qū)域上鋯石+黑云母+石榴石+金紅石含量很高，受正南物源影響，區(qū)域上形成螢石+鋯石+黑云母+電氣石的高含量區(qū)。超穩(wěn)定重礦物鋯石和電氣石含量由研究區(qū)南部和北部向中心逐漸增高，說明研究區(qū)盒8段沉積時期同樣受到了北部及西南部物源的共同控制(圖4)。

1.4 陰極發(fā)光分析

對研究區(qū)山1段及盒8段的14口井進(jìn)行碎屑石英顆粒的陰極發(fā)光特點分析，結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)石英在陰極發(fā)光下觀察的顏色以棕色、暗藍(lán)色為主，不發(fā)光和藍(lán)紫色為次，盒8段和山1段石英來源沒有明顯差別，表明物源供給較為連續(xù)。

圖4 研究區(qū)盒8段、山1段重礦物組合分區(qū)圖Fig.4 Zoning Map of Mineral Combination of Shan1 and He8 Member in Study Area

陰極發(fā)光呈棕色的石英，其母巖應(yīng)該為中—深變質(zhì)巖或者淺變質(zhì)巖；顏色為藍(lán)色、藍(lán)紫色及紫紅色等的石英，其母巖應(yīng)該為深成巖、火山巖或接觸變質(zhì)巖，如各種花崗巖、石英閃長巖、片麻巖、變粒巖等，這說明盆地北部的物源區(qū)構(gòu)造活動較為活躍，有巖漿作用和火山作用發(fā)生[19]；陰極發(fā)光不發(fā)光的主要為形成于成巖作用的自生石英，常圍繞石英碎屑顆粒的外圍生長，構(gòu)成其加大邊，可完整出現(xiàn)也可部分產(chǎn)出，研究區(qū)石英次生加大現(xiàn)象較為發(fā)育(圖5)。

圖5 研究區(qū)山1段、盒8段石英陰極發(fā)光特征Fig.5 Characteristics of Quartz Cathodoluminescence of Shan1 and He8 Member in Study Area

2 沉積體系類型

參考前人研究成果及區(qū)域地質(zhì)資料分析化驗，研究區(qū)二疊系山西組和下石盒子組發(fā)育陸相碎屑巖沉積體系，以三角洲、湖泊沉積環(huán)境為主[20]。根據(jù)河道類型又可分出盒8段的辮狀河三角洲及山1段的曲流河三角洲，其中辮狀河三角洲發(fā)育三角洲平原及三角洲前緣沉積亞相，由辮狀分流河道、心灘、泛濫平原、水下分流河道和分流間灣組成。曲流河三角洲主要發(fā)育三角洲前緣沉積，微相包括水下分流河道、天然堤、河口壩及分流間灣(表1)。

表1 研究區(qū)山1段、盒8段沉積體系劃分方案Table 1 Scheme of Sedimentary System Division of Shan1 and He8 Member in Study Area

辮狀分流河道沉積多發(fā)育在盒8段沉積中，由于心灘發(fā)育，河道表現(xiàn)為經(jīng)常性分叉、匯合，巖性較粗，常由含礫砂巖及砂巖組成，沉積構(gòu)造發(fā)育，常見平行層理、槽狀交錯層理及沖刷面構(gòu)造。河道砂體在縱向上相互疊置，厚度較大。心灘平面上呈串珠狀或短條帶狀，剖面表現(xiàn)為透鏡狀。單砂體厚度介于3～5 m，疊置后可達(dá)數(shù)十米，底部常見沖刷面及河道滯留沉積，發(fā)育大型槽狀層理、板狀交錯層理和高流態(tài)的平行層理的中粒砂巖、細(xì)粒砂巖，成分成熟度較低，局部可見細(xì)礫石。泛濫平原沉積以發(fā)育水平層理及沙紋層理為特征，巖性主要為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖。

辮狀河水下分流河道與曲流河水下分流河道沉積類似，均為三角洲平原分流河道的水下部分，巖心比分流河道細(xì)，主要細(xì)—中粒砂巖所組成。其成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較低，分選中等，粒序為由粗變細(xì)的正韻律，由于侵蝕作用，常難以保存完整。發(fā)育平行層理、粒序?qū)永?、板狀交錯層理及沖刷構(gòu)造。分流間灣為水下分流河道之間的部分，呈條帶狀分布，主要由河道邊部砂體及泥質(zhì)組成，砂體粒度較泛濫平原稍粗，以細(xì)砂及粉砂為主，發(fā)育水平層理、波狀層理及小型交錯層理，常見沖蝕—充填構(gòu)造，伴有植物化石等河流作用的碎片。河口砂壩發(fā)育于三角洲前緣坡度較陡的位置，巖性由中粗粒砂巖、中粒砂巖及粗粒砂巖組成。砂巖的分選、磨圓較好，發(fā)育平行層理、板狀交錯層理、粒序?qū)永砑吧臣y層理等，亦見沖洗層理，剖面結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為下細(xì)上粗的逆粒序。

3 縱向沉積體系展布特征

3.1 垂直物源方向

山1段發(fā)育曲流河三角洲沉積體系，水下分流河道在全區(qū)分布廣泛，但河道展布范圍及規(guī)模明顯較小，常以單井鉆遇形式出現(xiàn)，分流間灣微相發(fā)育較多，表現(xiàn)為“泥包砂”的特征(圖6)。盒8下段及盒8上段沉積時期，主要為辮狀河分流河道砂體，垂向疊置明顯，橫向分布連片，范圍及規(guī)模都很大，以“砂包泥”為特征。盒8下段開始沉積時，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檗p狀河三角洲沉積體系，河道在中部及西部發(fā)育，砂體連通性好，泛濫平原在剖面中部和西部均有發(fā)育；盒8上段沉積時，沉積體系與盒8下段類似，整個剖面中河道均十分發(fā)育，泛濫平原沉積主要出現(xiàn)在剖面的中部和西部，垂向上在盒8上段較為發(fā)育(圖6)。

3.2 平行物源方向

山1段發(fā)育曲流河三角洲沉積體系，主要為三角洲前緣沉積亞相，剖面上水下分流河道與河口壩砂體呈孤立分布，鄰井河道對應(yīng)性差，分流間灣優(yōu)勢明顯，較為發(fā)育。盒8下段開始沉積時，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檗p狀河三角洲沉積體系，發(fā)育三角洲平原及三角洲前緣亞相，其中心灘、分流河道及水下分流河道分別出現(xiàn)在剖面南部及北部，垂向上盒8下段的中部及下步較為發(fā)育，河道砂體規(guī)模大，局部范圍內(nèi)，砂體連通性及橫向連續(xù)性較好；盒8上段沉積時，沉積體系與盒8下段類似，整個剖面中分流河道均十分發(fā)育，水下分流河道沉積主要出現(xiàn)在剖面中部和北部，垂涎上在盒8上段上部較為發(fā)育(圖7)。

圖6 研究區(qū)山1段、盒8段垂直物源方向沉積體系展布圖Fig.6 Sedimentary System Layout with Vertical Direction of the Source of Shan1 and He8 Member in Study Area

4 平面沉積體系展布特征

山1段發(fā)育曲流河三角洲沉積體系。受南北物源的共同影響，研究區(qū)沉積體系主要呈南北方向展布，由于地勢平緩，河道砂體沉積穩(wěn)定，厚度變化不大。平面上發(fā)育南北2套水下分流河道沉積，其中北部由于物源供應(yīng)充足，河道砂體側(cè)向連通性較好，順著物源方向延伸較遠(yuǎn)，向南部疊合連片，形成大規(guī)模的河道砂體沉積；南部受遠(yuǎn)源區(qū)控制，水下分流河道多呈孤立的條帶狀展布，砂體厚度及側(cè)向連通性較差，分流間灣沉積微相占主導(dǎo)(圖8)。盒8段沉積時期由于其較強(qiáng)的水動力條件，使得研究區(qū)有充分的陸源碎屑供給。北部物源影響下，辮狀河分流河道可攜帶大量沉積物，其在河道末端易發(fā)生溢出，形成范圍巨大的淺水沉積，同時，不同期次河道縱向可相互疊置，平面上反復(fù)遷移，連片分布，延伸范圍廣，可形成數(shù)百公里的大范圍砂巖儲層，儲集性最好。盒8下段沉積時期發(fā)育4條主要的辮狀分流河道沉積，局部發(fā)育心灘沉積，泛濫平原沉積以泥質(zhì)、粉沙質(zhì)的為主，分布在分流河道之間(圖9)。盒8上段沉積格局與盒8下段類似，具有繼承性，由于此時期物源區(qū)的構(gòu)造活動較為平緩，物源供給較少，導(dǎo)致三角洲規(guī)模及范圍較盒8下段略有退縮，向物源區(qū)方向移動，辮狀分流河道砂體及心灘砂體規(guī)模略有減少。不同期次河道縱向可相互疊置，平面上反復(fù)遷移，連片分布，但河道規(guī)模及連通性均較盒8下段差，泛濫平原沉積分布范圍較大(圖10)

圖9 研究區(qū)盒8下段沉積體系平面展布圖Fig.9 Map of Sedimentary System Distribution of He8 Lower Member in Study Area

圖10 研究區(qū)盒8上段沉積體系平面展布圖Fig.10 Map of Sedimentary System Distribution of He8 Upper Member in Study Area

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)存在四個物源區(qū)，即盆地西北物源區(qū)、北部的陰山物源區(qū)、盆地南部的北秦嶺物源區(qū)、盆地西南緣的中北祁連和西秦嶺物源區(qū)，四大物源大致交匯于環(huán)縣—華池附近，且盒8段和山1段物源具有良好繼承性。

(2)山1段為曲流河三角洲—湖泊沉積體系，主要發(fā)育三角洲前緣沉積；盒8段為辮狀河三角洲—湖泊沉積體系，由三角洲平原及三角洲前緣組成。富砂帶主要與心灘、辮狀分流河道及水下分流河道發(fā)育的部位有關(guān)，不同時期砂體在河道遷移過程中不斷疊加連片，砂體厚度大，粒度粗，物性好，有利于天然氣聚集在有利儲集體中，在區(qū)域上形成大面積含氣的格局。

(3)山1段受南北物源的共同影響，發(fā)育曲流河三角洲沉積環(huán)境，沉積體系主要呈南北方向展布，由于地勢平緩，河道砂體沉積穩(wěn)定，厚度變化不大。北部由于物源供應(yīng)充足，河道砂體側(cè)向連通性較好，順著物源方向延伸較遠(yuǎn)，向南部疊合連片，形成大規(guī)模的河道砂體沉積；南部受遠(yuǎn)源區(qū)控制，水下分流河道多呈孤立的條帶狀展布，砂體厚度及側(cè)向連通性較差，分流間灣沉積微相占主導(dǎo)。

(4)盒8段沉積時期水動力條件較強(qiáng)，研究區(qū)有充分的陸源碎屑供給，分流河道向湖中快速推進(jìn)，橫向遷移頻繁，沉積物充填快速且厚度較大，形成了特色的辮狀河三角洲沉積。不同期次的河道砂體橫向大面積連片分布，寬度10～30 km，延伸距離達(dá)200 km以上，縱向上疊置現(xiàn)象明顯，厚度達(dá)10～40 m。河道規(guī)模上，盒8下段以東北及正北部的分流河道沉積占據(jù)明顯優(yōu)勢；盒8上段時期則主要發(fā)育西北及正北部的分流河道沉積。