鄂東神府地區(qū)山西組古沉積環(huán)境及沉積特征分析

王 卓，趙靖舟，陳宇航

(西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065)

引 言

近年來，鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)致密氣藏的勘探開發(fā)獲得重大突破，測試結(jié)果表明具有商業(yè)性氣層[1]。山西組作為全盆地重點勘探層位之一，前人對其沉積相研究較多，且均認為山西組沉積為海陸過渡的三角洲沉積體系，但海水的影響和控制作用程度在整個山西組沉積期有所變化[2-5]。但這些研究大多集中于盆地中南部，而對于盆地東緣的研究較少。沉積特征的內(nèi)涵本包括沉積相和沉積環(huán)境條件(自然地理條件、氣候條件、沉積介質(zhì)的物理化學條件等)[6-7]，但前人對于沉積特征的分析，大多是比較單一的相識別或單一的古沉積環(huán)境恢復[4，8-16]，將古沉積環(huán)境與沉積相進行綜合分析的研究較少。陳洪德等[4]通過地球化學方法對鄂爾多斯盆地太原組—下石盒子組沉積期古水體鹽度進行了研究，認為其沉積特征整體有從海相到海陸過渡相再到陸相的變化趨勢。此研究證實：地化資料有很好的定量判別特性，通過地球化學方法對古地理環(huán)境條件進行分析研究，再將古地理環(huán)境與相特征結(jié)合，可為沉積特征的分析奠定基礎。筆者通過研究區(qū)山西組地化資料，分析山西組沉積期古環(huán)境特征及物源，在此基礎上，結(jié)合巖心觀察、測井資料處理、粒度分析等，精細描述研究區(qū)山西組微相類型及其沉積特征，為下一步勘探提供一定的理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

神府地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，橫跨晉西撓褶帶和伊陜斜坡2個構(gòu)造單元(圖1)，地勢呈東高西低、北高南低的趨勢，區(qū)塊面積約3 000 km2。晚石炭世，經(jīng)歷過130 Ma的抬升剝蝕后，華北板塊開始下沉，上古生界地層開始沉積，自下而上發(fā)育上石炭紀本溪組、下二疊紀太原組及山西組、中二疊世石盒子組、上二疊紀石千峰組[1]。從早二疊紀開始，區(qū)域構(gòu)造由之前的拉張轉(zhuǎn)化為抬升，山西組沉積時期，海水大幅度南退，山西組在陸相與殘余海相共存的過度環(huán)境下沉積形成。神府地區(qū)山西組地層平均厚度65 m，自下而上分為山2段和山1段，與下伏太原組呈區(qū)域沖刷面接觸關系，與上覆的下石盒子組呈整合或沖刷面接觸關系[8]。

2 研究區(qū)古沉積環(huán)境分析

古沉積環(huán)境分析對沉積特征的研究有很好的指導意義。前人的研究表明：通過巖石中稀土元素的分析可以很好地判別古沉積環(huán)境[9-16]。本次研究通過分析研究區(qū)山西組巖樣中各稀土元素含量及其之間的比值，精確判斷神府地區(qū)山西組沉積期水體的氧化-還原性、古水體鹽度及古氣候特征。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location map of the study area

2.1 古水體的氧化-還原性

沉積巖中稀土元素分布特征可以反映沉積時古水體的氧化-還原性。一般情況下，水體為氧化環(huán)境時，Ce3+會被氧化為Ce4+，導致Ce3+濃度降低；相反，若水體缺氧，Ce3+的濃度就會增加。進而說明，沉積體系中的Ce異?？梢苑从乘w的氧化-還原條件的變化[8]。稀土元素中的Ce與鄰近的La和Nd元素相關的變化稱為鈰異常，用Ceanom表示。Ceanom值可以作為判斷古水體氧化還原條件的標志，其計算公式為

Ceanom=lg[3CeN/2LaN+NdN]

式中：Ceanom為鈰異常程度，無量綱；CeN、LaN、NdN)分別為Ce、La、Nd元素的質(zhì)量分數(shù)經(jīng)北美頁巖標準化的值[9-10]，10-6。

如果Ceanom>0，表示Ce富集，反映水體缺氧，為還原環(huán)境；反之，Ceanom<0，表示Ce虧損，水體為氧化環(huán)境[8-9]。經(jīng)上述公式計算得出，神府地區(qū)山西組52個樣品中Ceanom分布在-0.15～0.10，平均為-0.03，其中，81%樣品的Ceanom<0，其余19%樣品的Ceanom>0(圖2),且Ceanom>0的樣品多屬于山2段。可斷定研究區(qū)山西組沉積期水體整體上為弱氧化-弱還原環(huán)境。

圖2 研究區(qū)山西組樣品Ceanom的分布Fig.2 Ceanom distribution of Shanxi formation samples in the study area

2.2 古水體鹽度

通過稀土元素Sr與Ba的質(zhì)量分數(shù)比值(用w(Sr)/w(Ba)表示)可以判斷古水體的鹽度。在陸相(淡水)沉積中，w(Sr)/w(Ba)<1，在海相(海水)沉積中，w(Sr)/w(Ba) >1[11-14]。研究區(qū)山西組52塊碎屑巖樣品中w(Sr)介于(36.50～280.58)×10-6，均值為141.19×10-6；w(Ba)介于(45.10～1181.76)×10-6，均值為597.80×10-6，w(Sr)/w(Ba)值介于0.11～0.81，均小于1，平均0.29。通過上述數(shù)據(jù)分析可以確定，研究區(qū)山西組沉積時期整體為淡水沉積。

2.3 古氣候

一般情況下，稀土元素總量的質(zhì)量分數(shù)(∑REE)的變化、La和Yb元素的質(zhì)量分數(shù)比值(w(La)/w(Yb))與古氣候的變化有著密切的關系，即在潮濕的氣候環(huán)境下∑REE、w(La)/w(Yb)值較高，相反在干燥的氣候環(huán)境下∑REE、w(La)/w(Yb)值較低[5,8,15-16]。研究區(qū)山西組52個樣品的∑REE介于(492.57～3 768.92)×10-6，平均2 208.38×10-6，La元素質(zhì)量分數(shù)介于(11.40～217.00)×10-6，平均71.21×10-6，Yb元素質(zhì)量分數(shù)介于(1.00～12.90)×10-6，平均3.90×10-6，w(La)/w(Yb)值介于5.28～39.59，平均18.84?！芌EE及w(La)/w(Yb)值均較高，綜合分析研究區(qū)山西組沉積時期古氣候溫暖濕潤。

3 物源分析

研究認為鄂爾多斯盆地北部和西北部都有古陸存在，而盆地東北部地區(qū)沉積物主要來源于盆地北緣的陰山古陸；在盆地北部，其基巖的分布及基巖類型具有明顯的分區(qū)特點，在東北部地區(qū)基巖主要以太古界的混合巖為主，巖性為混合花崗巖和其他巖漿巖類[17-20]。在此基礎上綜合分析重礦物資料和地化資料，可準確判斷研究區(qū)山西組物源方向及母巖性質(zhì)。

3.1 物源方向

重礦物是指巖石中密度大于2.86 g/cm3的陸源碎屑礦物，一般在巖石中的含量較少，質(zhì)量分數(shù)≤1%。根據(jù)重礦物的穩(wěn)定性，可以將其分為4類[19](表1)。重礦物的穩(wěn)定性越好，其抗風化能力越強，分布范圍就越廣。一般情況下，隨著搬運距離的增加，巖石中穩(wěn)定性差的重礦物含量越來越低，而穩(wěn)定性好的重礦物含量則越來越高。

表1 重礦物穩(wěn)定性表(據(jù)趙紅格[19]，修改)Tab.1 Stability of heavy minerals (modified from Zhao Hongge[19], 2003)

研究區(qū)山西組超穩(wěn)定重礦物包括鋯石和電氣石；穩(wěn)定重礦物包括磁鐵礦和石榴石，一般穩(wěn)定重礦物包括綠簾石；不穩(wěn)定重礦物包括角閃石和榍石，但其含量很少，質(zhì)量分數(shù)均小于1%。根據(jù)研究區(qū)山西組重礦物含量分布平面圖可以看出(圖3)：在平面上從北向南，穩(wěn)定性好的鋯石和電氣石含量增多，質(zhì)量分數(shù)從15%左右增至約90%；在相同方向穩(wěn)定性相對較差的磁鐵礦、石榴石、綠簾石含量則逐漸減少，質(zhì)量分數(shù)從約80%降至10%左右。通過重礦物含量變化的這種趨勢，可以判斷研究區(qū)山西組物源方向為北東向。

圖3 研究區(qū)重礦物含量分布Fig.3 Content distribution of heavy minerals in the study area

3.2 w(La)/w(Yb)-∑REE圖版法判別

稀土元素的特征對于指示物源具有重要意義。w(La)/w(Yb)值與∑REE之間的關系可有效判斷母巖性質(zhì)[9]。分析總結(jié)研究區(qū)52個樣品的w(La)/w(Yb) -∑REE關系(圖4)，結(jié)果顯示，研究區(qū)山西組樣品點主要分布于堿性玄武巖和花崗巖區(qū)域，且分布于花崗巖區(qū)域的數(shù)據(jù)點多，據(jù)此可斷定研究區(qū)山西組沉積物母巖性質(zhì)包括堿性玄武巖和花崗巖，以花崗巖為主。

圖4 研究區(qū) w(La)/w(Yb)—∑REE交匯圖(底圖據(jù)Allegre等[10]，1984)Fig.4 Crossplot of w(La)/w(Yb) and ∑ REE in the study area (base map is based on Allegre, et al[10], 1984)

通過上述分析，確定神府地區(qū)山西組物源方向為北東向，其母巖性質(zhì)主要為花崗巖和堿性玄武巖。再結(jié)合上述盆地北緣物源區(qū)的構(gòu)造演化特征及巖性特征[17-18]，可以判斷研究區(qū)山西組物源區(qū)為盆地北部的陰山古陸。

4 研究區(qū)山西組沉積特征

在前人研究基礎上，通過對研究區(qū)山西組沉積期古沉積環(huán)境、多口井巖心資料、巖石組分資料和粒度特征的分析，再結(jié)合沉積構(gòu)造、測井資料，初步確定神府地區(qū)山西組沉積相為曲流河三角洲前緣亞相沉積，進一步細分為分流河道、分流間灣和水下天然堤微相。

4.1 水下分流河道沉積特征

水下分流河道是陸上分流河道的水下延伸[6-7]，為三角洲前緣沉積的重要部分，沉積作用強，砂體較發(fā)育。其沉積特征與水上河道相似，沉積物以砂和粉砂為主，同時可見韻律層理，小型爬升交錯層理，底部見沖刷面，一般少見植物化石(圖5)。其沉積物整體粒度較鄰近相帶粗， 分選變化大， 粒度概率累積曲線可見三段式(圖6)，測井曲線呈箱形和正梯形。因研究區(qū)距物源近，沉積物未經(jīng)歷長距離搬運，砂巖組分中長石含量較高，砂巖類型多為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖(圖7)。

圖6 X-23井砂巖粒度分布(1 769.38 m，山2段)Fig.6 Sandstone grain size distribution of well X-23

圖7 研究區(qū)山西組砂巖類型三角圖Fig.7 Sandstone type triangle graph of Shanxi formation in the study area

4.2 分流間灣沉積特征

分流間灣為水下分流河道之間相對低洼的海灣區(qū)域[6-7]，水動力較弱，以泥質(zhì)沉積為主，巖性多為粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖。泥巖顏色為灰綠色和深灰色，無強氧化環(huán)境下的紅色、棕色等顏色，內(nèi)含植物化石，同時也會有少量的煤層沉積，此外，也會沉積少量細砂和粉砂，多為洪水滿溢沉積的結(jié)果，所以多呈薄層或透鏡狀(圖5)。

4.3 水下天然堤沉積特征

水下天然堤為分流河道兩側(cè)的砂體，在湖水退去時，可暴露出水面而成砂坪[6-7]。此微相在研究區(qū)局部可見流水成因的泄水構(gòu)造，在砂質(zhì)沉積中也可見少量的碳泥質(zhì)夾層，這是其重要的沉積特征(圖5)。其沉積物比河道更細，主要為細砂和粉砂，粒度概率曲線呈以懸浮為主的兩段式(圖8)，有時也可見只有懸浮組分的單段式，在縱向上與河道砂體相比，其砂體更薄、連通性差(圖9—圖10)。

圖8 X-18井砂巖粒度分布(1 864.55 m，山1段)Fig.8 Sandstone grain size distribution of well X-18

4.4 剖面相特征

根據(jù)研究區(qū)探井的巖電資料與沉積相分析可知，研究區(qū)山西組沉積相垂向上表現(xiàn)為：在山2段底部，沉積過程中水體能量較大且一致，物源充足，發(fā)育分流河道沉積；向上水體能量逐漸減小，沉積物粒度逐漸變細，從砂質(zhì)沉積逐漸演變?yōu)槟噘|(zhì)沉積，同時，該時期溫暖濕潤的氣候及還原性質(zhì)水體環(huán)境，為植物的生長提供了一定的條件，故在山2段中上部可見少量的煤層沉積(圖9—圖10)。此外，從連井剖面可以看出，由于河流改道，山1段沉積期砂體的發(fā)育程度與山2段相比，厚度變薄，且連通性變差，主要沉積厚層泥質(zhì)(圖10)， 如在X-15井處， 山2段沉積期，發(fā)育厚度大且延展性較好的砂體，而到山1段沉積期，此處只發(fā)育薄且延伸性較差的砂體。

圖9 X-10井剖面Fig.9 Profile diagram of well X-10

圖10 研究區(qū)連井剖面Fig.10 Profile diagram of connecting wells in the study area

4.5 平面相特征

根據(jù)研究區(qū)山西組砂地比，結(jié)合各井巖電特征，繪制山西組平面展布圖(圖11)。其中，主河道砂地比大于0.3，分流間灣砂地比小于0.2。從平面圖可以看出：研究區(qū)山西組發(fā)育2條主河道，北東向的物源使得分流河道呈北東—南西向貫穿整個研究區(qū)，但整體以分流間灣微相為優(yōu)勢相。水下天然堤發(fā)育于河道兩側(cè)，其砂地比值介于主河道和分流間灣之間。研究區(qū)山西組沉積整體上可概括為古沉積環(huán)境與相類型相輔相成，而物源方向則決定相帶的展布情況。同時通過上述分析可知，分流河道微相砂體厚度大，連通性好，可初步判斷其為油氣勘探有利相帶，但有利區(qū)的精細預測，還需結(jié)合儲層砂體物性等資料進行綜合判斷。

圖11 研究區(qū)山西組沉積相平面圖Fig.11 Sedimentary facies plan of Shanxi formation in study area

5 結(jié) 論

(1)通過地球化學資料分析，恢復了研究區(qū)山西組古沉積環(huán)境：該時期水體為弱還原—弱氧化的淡水環(huán)境，還原環(huán)境主要出現(xiàn)在山2段沉積期，整體氣候溫暖潮濕。

(2)研究區(qū)山西組物源方向為北東向，母巖性質(zhì)主要為堿性玄武巖和花崗巖體，物源區(qū)為盆地北部的陰山古陸。

(3)研究區(qū)山西組為曲流河三角洲前緣沉積，以砂質(zhì)、泥質(zhì)、煤層共生為主要沉積特征。砂巖成分成熟度中等—較高，泥巖顏色可見灰色和灰綠色，粒度概率曲線見兩段式和三段式。

(4)砂體沉積受微相控制，在分流河道處可見含韻律層理的厚層砂體，其粒度變化較大，分選中等，測井曲線形態(tài)以箱形和鐘形為主，初步判斷為主要的勘探有利區(qū)；分流間灣處主要為泥質(zhì)沉積；水下天然堤處見薄層的細粒砂，含爬升波紋交錯層理。