陜北鹽盆馬家溝組含鹽系地層層序發(fā)育特征及地質(zhì)意義

王天云，張永生，張建軍，孫佳傳，丁清香，李 陶，侯 艷，桂寶玲

1. 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 新興物探開發(fā)處，涿州 072750；2. 中國地質(zhì)科學院 礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室，北京 100037

1 引言

鹽礦資源對于國家經(jīng)濟建設十分重要，被廣泛地應用于各行各業(yè)。中國鹽湖勘探始于20世紀40年代，野外地質(zhì)考察中，青海茶卡鹽湖母液中鉀成分的發(fā)現(xiàn)，受到眾多科學家和政府的重視，在全國范圍內(nèi)明確了以尋找鉀、硼為主要任務的鹽湖科學考察（宣之強，2000）。1957年，中科院鹽湖調(diào)查隊在青海察爾汗發(fā)現(xiàn)了光鹵石鉀鹽層（鄭綿平等，1958），開啟了中國鹽礦勘探開發(fā)的先河。此后近20年間，鹽礦研究進入瓶頸期，一直未能取得突破和進展，直至1978年全國科學技術大會召開，使鹽湖勘探有了新的長足發(fā)展（宣之強，2018），柴達木盆地、塔里木盆地相繼發(fā)現(xiàn)大型鹵水鹽礦，同時，鹽湖資源的開發(fā)應用日益成為眾多學者專家關注的研究方向（高世揚和李國英等，1982；王春寧等，2007；劉成林等，2016；鄭綿平等，2016；曹燁等，2018）。從中國鹽湖勘探歷程來看，絕大部分鹽湖探明資源分布于青海、新疆等內(nèi)陸盆地中，成鹽層位大都為第四系等較新地層，學界關于鹽湖資源的研究從最初對鹽湖物質(zhì)成分的探討深入到成鹽模式的研究，提出了“高山深盆”陸相成鹽成鉀模式（袁見齊等，1983），開拓了鹽湖年代學研究（張彭熹，1992），形成了較為系統(tǒng)的大陸成鹽理論。

鄂爾多斯盆地是中國能源礦產(chǎn)類型最為齊全的大型沉積盆地之一（王香增等，2014；于興河等，2017），同時也是迄今為止全球奧陶紀唯一含鉀盆地。其下古生界奧陶系馬家溝組地層蘊藏有6×1012t的石鹽堆積，馬家溝組五段6亞段首次發(fā)現(xiàn)鉀顯示（張永生等，2015）。相較于20世紀中國陸相鹽資源的勘探開發(fā)而言，鄂爾多斯盆地奧陶系含鹽層位屬于海相盆地中深層含鹽系地層，前人針對此開展的研究還不夠充分。本文針對勘探相對成熟的鄂爾多斯盆地陜北鹽盆奧陶系馬家溝組地層，以Vail經(jīng)典層序地層學理論為基礎，通過井震結合技術，對古生界中奧陶統(tǒng)馬家溝組地層開展高精度層序地層學研究，進一步從沉積及構造演化角度，探究含鹽系地層發(fā)育控制因素，以期為海相盆地中深層鹽礦的進一步勘探開發(fā)提供方向和依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中國典型的克拉通內(nèi)大型多旋回疊合盆地，下古生界地層以碳酸鹽巖沉積為主，共劃分為6個構造區(qū)帶，北部、南部及東部被伊盟隆起、渭北隆起及呂梁隆起所夾持（Liu et al., 2010），整體表現(xiàn)為四周高，中東部低的構造格局（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區(qū)劃圖及研究區(qū)位置Fig. 1 Structural units and location of research area in the Ordos Basin

寒武紀—奧陶紀沉積期，興蒙海槽和秦祁海槽處于洋底擴張環(huán)境，鄂爾多斯盆地整體表現(xiàn)為陸表海沉積環(huán)境，至中奧陶世末，兩大海槽洋殼相向俯沖，鄂爾多斯地區(qū)隆升，中部形成慶陽古隆起，古隆起將陜北鹽盆與其西部、南部開闊海分隔，形成陜北鹽盆奧陶系臺地沉積環(huán)境（袁志華等，1998；付金華等，2015；龍文駿，2017；羅順社等，2017）。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中東部陜北鹽盆東部邊緣，構造區(qū)劃上位于晉西撓褶帶與伊陜斜坡的結合部位，東部高西部低。目的層奧陶系馬家溝組地層沉積期，經(jīng)歷了三期海進海退，構成了一套完整的海進—海退沉積旋回，處于海退期的馬一段、馬三段、馬五段以白云巖、膏鹽沉積為主，處于海進期的馬二段、馬四段、馬六段以灰?guī)r沉積為主（施立志等，2015；蔣蘇揚等，2016）。

2.1 構造發(fā)育特征

鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了多期構造運動，在其復雜的構造演化過程中，盆地古地理格局表現(xiàn)為多期性和旋回性。隨著盆地的不斷抬升，盆地構造樣式也由裂陷盆地向坳陷盆地、斷陷盆地發(fā)生轉(zhuǎn)化，沉積環(huán)境由海相逐步向陸相轉(zhuǎn)變，形成下古生界碳酸鹽巖、上古生界海陸過渡相和中新生代內(nèi)陸碎屑沉積的三層結構（郭艷琴等，2019）。

太古界、元古界沉積時期，盆地先后受多期構造運動作用，形成了盆地基底沉積，至新元古界沉積期，受晉寧運動作用，盆地發(fā)生裂解—造山—裂解的構造轉(zhuǎn)換，古生界沉積期，盆地先后受加里東運動、海西、印支運動作用，板塊間碰撞擠壓，發(fā)育大量逆斷層，同時，構造運動驅(qū)使地層抬升，志留系、泥盆系及早石炭系地層遭受剝蝕缺失，中新生界，受晚燕山—喜山運動作用，盆地持續(xù)隆升，不斷剝蝕，形成現(xiàn)今構造格局。

對研究區(qū)內(nèi)多條二維測線進行綜合分析，整體上陜北鹽盆東緣研究區(qū)構造格局表現(xiàn)為北西向延伸的長軸向斜，向斜的軸部位于L1線的西段，西翼延伸出研究區(qū)，東翼自西向東表現(xiàn)為一個向東抬升的單斜斜坡，研究區(qū)主要受兩條斷層作用，其中F1斷層東傾、F2斷層西傾，整體F1斷層活動較劇烈，兩盤地層斷距較大，局部出現(xiàn)斷鼻構造，最大海拔深度在研究區(qū)西側，馬家溝組底界最大海拔深度達到-2500 m，石炭系底界最大海拔深度達到-1400 m（圖2）。向斜內(nèi)部馬家溝組地層發(fā)育多條逆斷層，斷層集中發(fā)育區(qū)，F(xiàn)1、F2斷層呈“人”字形組合，地層破碎嚴重，而石炭系及其以上地層并沒有發(fā)育大規(guī)模斷層，地層產(chǎn)狀相對平整、連續(xù)，構造形態(tài)相對簡單、受斷層影響較小，奧陶系—三疊系沉積期，受研究區(qū)東部呂梁隆起的作用影響，主要發(fā)生了地層的整體掀斜，缺失后期沉積的多套地層。

圖2 馬家溝組地層頂?shù)捉缑鏄嬙靾DFig. 2 Structural map of the top and bottom boundaries of the Majiagou Formation

2.2 構造演化分析

研究區(qū)元古界地層沉積期，地震剖面地震反射同相軸波組特征表現(xiàn)為雜亂反射，對應早期呂梁運動、晉寧運動過程中形成的火山巖沉積基底，與上伏古生界、中新生界地層存在明顯差異，易于識別。

奧陶世沉積期，研究區(qū)整體屬于海相沉積期，在地震剖面中，可以看到地震反射同相軸連續(xù)性好，波組特征呈平行式反射，反映此時構造運動相對穩(wěn)定，地層連續(xù)沉積，產(chǎn)狀平緩。中晚奧陶世沉積期，伴隨加里東運動的活動，區(qū)域構造應力場表現(xiàn)為擠壓應力作用，研究區(qū)內(nèi)可見逆斷層開始形成，并且組合特征趨于復雜化。隨著鄂爾多斯盆地的整體抬升，研究區(qū)內(nèi)地層在抬升中遭受了風化剝蝕，缺失了上奧陶系—下石炭系的地層，形成了區(qū)域上可連續(xù)追蹤的大型平行不整合界面。地震剖面上可見在逆斷層活動中，斷層上盤地層抬升，剝蝕嚴重，明顯出現(xiàn)了斷層兩盤地層的厚薄差異。上石炭世沉積期，研究區(qū)重新接受沉積，至印支—燕山期，鄂爾多斯盆地東部呂梁隆起加劇，東部地層明顯抬升，整體表現(xiàn)為地層東高西低的構造掀斜格局。地震剖面上可見馬家溝組地層內(nèi)部遠離斷層密集發(fā)育段，地震反射同相軸穩(wěn)定連續(xù)，整體表現(xiàn)為自西向東的整體掀斜，與盆地構造運動時期吻合良好。晚燕山—喜山期，相對東西向擠壓應力變?nèi)酰院}系地層褶皺扭曲為主，不再形成大規(guī)模的逆斷層，研究區(qū)地層受構造運動作用，仍不斷抬升，侏羅系后沉積地層持續(xù)暴露，遭受風化剝蝕，全部缺失，地表出露三疊系地層。綜合分析，加里東運動與印支—燕山運動是影響含鹽系地層發(fā)育與展布形態(tài)的兩個關鍵時期（圖3）。

圖3 研究區(qū)構造演化示意圖（L1測線）Fig. 3 Tectonic evolution of the study area (line L1)

3 層序地層研究

3.1 層序地層單元界面識別

依據(jù)測井資料與地震資料對不同級別層序地層單元界面進行識別。在單井上，二級層序邊界表現(xiàn)為界面上下大類巖性的差異及測井曲線值、測井曲線形態(tài)組合的差異，研究區(qū)內(nèi)石炭系地層與下覆奧陶系地層呈不整合接觸關系，界面之上巖性主要為中砂巖及含礫粗砂巖，夾少量泥巖、煤的碎屑巖，界面之下巖性主要為灰?guī)r、白云巖為主的碳酸鹽巖，對比測井曲線響應特征，界面之上GR值明顯高于界面之下，反映巖性孔隙度的AC、CNL、DEN也表現(xiàn)出明顯差異性，AC、CNL尤其明顯（圖4a）；受研究區(qū)內(nèi)目的層沉積期沉積環(huán)境的影響，三級層序邊界主要通過測井曲線值及形態(tài)組合的差異性進行識別，以馬五段底界面為例，界面之上巖性為膏鹽密集發(fā)育段，表現(xiàn)為測井曲線尖峰狀組合，界面之下巖性以灰?guī)r為主，測井曲線組合形態(tài)為相對寬緩凸起與較平直段間互組合（圖4b）。

圖4 研究區(qū)層序地層單元界面識別Fig. 4 Identification of sequence stratigraphic unit interface in study area

在地震剖面上，對層序邊界進行識別中，受限于地震資料的頻帶及研究區(qū)所處構造位置的綜合影響，并未發(fā)現(xiàn)厘定層序邊界明顯的上超、頂超、削截等反射特征，但二級層序界面上下存在因沉積巖性差異造成的地震相的明顯差異。二級層序邊界SB1表現(xiàn)為界面以上為平行連續(xù)中—強反射地震相，地質(zhì)解釋對應大套灰?guī)r沉積，偶有白云巖，界面以下為雜亂反射地震相，結合區(qū)域構造運動背景，地質(zhì)解釋對應于懷遠運動末期形成的角礫巖化白云巖，二級層序邊界SB4表現(xiàn)為界面以上為近平行斷續(xù)弱反射地震相，對應于石炭系本溪組碎屑巖沉積、界面以下為平行連續(xù)強反射地震相，對應白云巖及鹽巖沉積。三級層序邊界主要依據(jù)單井合成地震記錄標定，通過井震結合技術，進行確定（圖4c）。

3.2 層序劃分方案

在對不同級別層序地層單元界面進行識別的基礎上，結合全球海平面變化情況及構造運動，將奧陶系馬家溝組地層自下而上劃分為SQ1、SQ2、SQ3三個三級層序，綜合對比三個三級層序沉積時期的海平面高度、沉積環(huán)境、巖性發(fā)育特征，相比較而言，SQ3時期處于全球海平面相對低點，大都為蒸發(fā)臺地沉積環(huán)境，成鹽環(huán)境更具優(yōu)勢（圖5）。馬家溝組地層沉積期，先后受到加里東運動、海西運動的控制，其頂?shù)捉缑鏋閮蓚€區(qū)域可追蹤對比的大型不整合界面，對應二級層序界面SB1、SB4。整體上，全球海平面為上升—下降—上升的過程，伴隨海平面的升降及受構造活動形成的可容空間的不斷變化，物源補給后在不同層段發(fā)育了不同的沉積體。

SQ1、SQ2沉積期對應馬家溝組馬一段—馬四段地層沉積期，全球海平面位置較高，巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主，表現(xiàn)為開闊臺地、局限臺地沉積。SQ3沉積期對應馬家溝組馬五段—馬六段地層沉積期，全球海平面位置較低，巖性除了灰?guī)r、白云巖外，出現(xiàn)了鹽巖的密集發(fā)育段，表現(xiàn)為局限臺地、蒸發(fā)臺地沉積，發(fā)生了較大的變化。受資料限制，在三級層序內(nèi)部進一步劃分出的體系域（四級層序）可能存在較大誤差，無論是在單井上，還是在地震剖面中，都難以界定相鄰兩個體系域的邊界，尤其是區(qū)分海侵域與高位域。

本研究主要是依托層序地層研究的思路方法，使含鹽系地層發(fā)育控制因素的分析更有針對性、能夠為后續(xù)鹽礦的勘探開發(fā)提供實際參考依據(jù)。對比分析SQ1、SQ2、SQ3層序發(fā)育特點，綜合認為，在后期鹽礦的勘探開發(fā)過程中應重點針對層序SQ3進行深入研究。

3.3 單井層序劃分及地震層序研究

在層序劃分方案確立的基礎上，分析W1井單井測井、錄井資料及地震資料，在沉積環(huán)境分析的基礎上，結合目的層段巖性發(fā)育特征，進行研究區(qū)單井層序劃分及地震層序格架的構建。首先，對W1井進行單井層序劃分。實際資料顯示，W1井未鉆遇到 SQ1底界面，且SQ1段缺少測井曲線數(shù)據(jù)。在層序劃分方案確立的過程中，我們認識到SQ3為主要成鹽期，根據(jù)現(xiàn)有資料，對資料較為完整的SQ2、SQ3進行分析。

圖5 奧陶系馬家溝組地層層序劃分方案Fig. 5 Division scheme of sequence stratigraphy of the Ordovician Majiagou Formation

根據(jù)錄井巖性顯示，SQ2內(nèi)部發(fā)育有少量鹽巖，整體巖性以灰?guī)r為主，電測曲線響應特征表現(xiàn)為低幅指型與尖峰狀組合，SQ3海侵—高位域，整體巖性以灰?guī)r為主，低位域內(nèi)部可見鹽巖密集發(fā)育段，電測曲線出現(xiàn)尖峰狀連續(xù)跳躍起伏。對比分析認為，SQ3低位域時期為成鹽的關鍵時期，較其他地層更具成鹽優(yōu)勢，其低位域馬五段沉積期，對應膏鹽密集發(fā)育的局限臺地—蒸發(fā)臺地沉積環(huán)境（圖6）。在W1井單井層序劃分基礎上，通過井震結合技術手段，利用合成地震記錄標定各層序地層單元，建立地震剖面層序格架，并進一步研究層序內(nèi)部沉積相發(fā)育特征。整體上識別出低位域時期局限—蒸發(fā)臺地沉積亞相含膏云坪、膏質(zhì)云坪沉積微相及海侵—高位域時期開闊臺地沉積亞相含云灰坪、云質(zhì)灰坪沉積微相（圖7），自盆地邊緣向盆地中心發(fā)生相變。

圖6 奧陶系馬家溝組單井層序劃分Fig. 6 Sequence stratigraphic division of single well in the Ordovician Majiagou Formation

圖7 馬家溝組地層地震層序分析Fig. 7 Seismic sequence analysis of the Majiagou Formation

4 不同級別層序地質(zhì)作用分析

4.1 二級層序?qū)}系地層的作用影響

二級層序發(fā)育形成時期對應區(qū)域大型構造運動歷史時期，在掌握研究區(qū)構造特征及構造演化過程后，重點分析加里東運動與印支—燕山運動兩個關鍵時期是如何控制含鹽系地層的發(fā)育與展布形態(tài)的。

加里東運動時期，在東西向擠壓應力作用下，陜北鹽盆內(nèi)部形成了中央古隆起，古隆起將陜北鹽盆分隔開來，形成東部、西部兩個次級鹽凹，其中東部鹽凹被其內(nèi)部的小隆起分隔，形成北部的東一鹽凹與南部的東二鹽凹，研究區(qū)位于東二鹽凹東緣，其中L1線橫跨近SN走向的大型逆斷層（圖8）。

在地震剖面上可見地層東薄西厚的沉積特征，在進行地層對比分析后，認為研究區(qū)內(nèi)東部含鹽系地層大量缺失與加里東期所處的古構造位置密切相關。一方面，在大環(huán)境上，加里東期構造運動在區(qū)域上形成了陜北鹽盆有利的坳陷型沉積環(huán)境，為鹽體沉積提供了足夠的可容空間；另一方面，研究區(qū)所處古構造位置正好位于一大型逆斷層附近，在區(qū)域擠壓應力作用下，逆斷層東部地層抬升劇烈，暴露地表遭受剝蝕，區(qū)域性的抬升、大套地層的剝蝕缺失，形成了現(xiàn)今地震剖面所表現(xiàn)出的上盤整套含鹽系地層的缺失，含鹽系地層東部薄、西部厚的地層響應特征。

圖8 研究區(qū)古構造位置圖Fig. 8 Paleotectonic map showing the location of the study area

印支—燕山運動時期，構造活動仍受東西向擠壓應力控制，但此時，擠壓應力場核部發(fā)生轉(zhuǎn)移，向東側的呂梁地區(qū)移動，造成鄂爾多斯盆地東部呂梁隆起，受呂梁隆起作用，在研究區(qū)雖然繼續(xù)發(fā)育逆斷層，整體逆斷層無論從斷層斷開層位的多少，還是從斷距大小角度來說，都較前期加里東期逆斷層發(fā)育規(guī)模變小。加里東期形成的大型逆斷層在此時活化，繼續(xù)運動，對原始鹽體造成了破壞，地震剖面上可見斷層密集發(fā)育區(qū)，含鹽系地層破碎嚴重，產(chǎn)狀不清。

此時，整體構造格局由前期的大型斷裂發(fā)育，地層錯斷嚴重，產(chǎn)狀較平緩向小型斷裂發(fā)育，地層自東向西掀斜，褶皺變形增多轉(zhuǎn)變。地震剖面可見馬家溝組地層發(fā)生塑性變形，圖中紅色標識區(qū)域上拱形態(tài)明顯，在地層變形區(qū)，可見明顯的雜亂反射地震相，推測可能為鹽體發(fā)育的有利區(qū)（圖9）。

圖9 L1線、312線拼接剖面解釋成果Fig. 9 Interpretation of spliced sections of Line L1 and 312

綜合分析，認為加里東運動早期原始鹽盆形成，對于含鹽系地層發(fā)育提供了有利的空間，而后期破壞了原始鹽體；印支—燕山運動主要對含鹽系地層形態(tài)展布起到改造及調(diào)整作用。

4.2 三級層序?qū)}系地層的作用影響

三級層序?qū)髽嬙毂尘跋碌膮^(qū)域沉積體的發(fā)育，研究區(qū)受加里東運動作用，形成了四周被古陸、古隆起圍陷的有利沉積凹陷。通過井震結合技術，在對研究區(qū)內(nèi)重點二維測線L1線進行沉積相分析的過程中，共識別出2種沉積亞相，4種沉積微相，結合前人區(qū)域沉積分析成果，認為研究區(qū)內(nèi)含鹽系地層原始物質(zhì)來源主要為呂梁臺隆東側的預備膏鹽湖內(nèi)的鹵水。物源主要通過兩種方式進入鹽凹中：（1）通過云坪間水道直接輸送；（2）首先進入小型次級鹽凹，再通過云坪間水道二次輸送進入鹽凹中（圖10）。

奧陶系沉積期，全球海平面相對低，沉積環(huán)境炎熱干旱，在持續(xù)的蒸發(fā)作用下，鹽盆的不同位置形成了物質(zhì)成分不同的原始鹽體。鉀鹽是所有鹽體中最后析出沉積形成的，對于構造地形特征與成鹽環(huán)境溫度要求很高。在對W1井進行單井分析時，雖然未見鉀鹽段，但馬五段部分小層存在K顯示，說明此時，蒸發(fā)作用最為強烈，馬五段地層為馬家溝組地層成鹽最有利層位。在沉積環(huán)境上，研究區(qū)西部更接近鹽湖底部，推測為成鉀的有利區(qū)域。

4.3 馬家溝組SQ3層序發(fā)育控制因素分析

圖10 研究區(qū)成鹽環(huán)境模式圖（L1測線）（據(jù)鄭綿平等，2016修改）Fig. 10 Model of salt-forming environment in the study area (line L1) (modified after Zheng et al., 2016)

前期的分析發(fā)現(xiàn)，馬五段地層為馬家溝組地層成鹽最有利層位。SQ3對應馬五段、馬六段地層沉積期，基于此，筆者對影響SQ3層序發(fā)育的因素進行綜合分析。SQ3發(fā)育期，鹽體的最后形成受控于構造沉降、物源供給、氣候作用、海平面變化等多種因素，在多因素的綜合作用下，形成了SQ3的層序結構（圖11）。在馬五段、馬六段地層沉積期，古氣候數(shù)據(jù)顯示，初期氣候炎熱干旱，蒸發(fā)作用強烈，海平面相對較低，隨著氣溫下降，海平面逐漸升高，末期又降低；盆地基底沉降速率較慢，初期均勻、后期逐漸停止活動。物源供給究所專家學者和新興物探開發(fā)處非常規(guī)技術研究室全體研究人員的大力支持，胡超俊、黃元溢、劉偉等人給予了指導與幫助，在此一并表示感謝。速率穩(wěn)定，可容空間被沉積物填滿后停止沉積。

圖11 馬家溝組SQ3發(fā)育控制因素綜合分析圖Fig. 11 Comprehensive analysis of development controlling factors of the SQ3 stratigraphy sequence in the Majiagou Formation

5 結論

（1）馬家溝組地層共劃分為1個二級層序，3個三級層序，8個四級層序。研究區(qū)馬家溝組地層沉積期表現(xiàn)為碳酸鹽巖臺地相沉積，馬一段、馬三段、馬五段發(fā)育海退期局限臺地沉積，馬二段、馬四段、馬六段發(fā)育海進期開闊臺地沉積。

（2）沉積作用（三級層序）影響原始鹽體的形成。物源通過兩種途徑由東部膏鹽湖濃縮鹵水補給在炎熱氣候條件下，持續(xù)的蒸發(fā)作用使鹽盆的不同位置形成物質(zhì)成分不同的原始鹽體。

（3）構造作用（二級層序）影響原始鹽盆形成，提供了鹽體沉積的有利空間，并對含鹽系地層形態(tài)產(chǎn)生破壞、改造及調(diào)整。加里東運動早期控制陜北鹽盆坳陷形態(tài)的形成，晚期對逆斷層上盤原始含鹽系地層產(chǎn)生破壞；印支—燕山期構造運動一方面其活化了加里東期斷層，對含鹽系地層產(chǎn)生破壞，另一方面，其引起的橫向擠壓使鹽體發(fā)生塑性變形，對整體含鹽系地層展布及形態(tài)變化起到改造及調(diào)整。

（4）綜合分析，SQ3發(fā)育時期，受控于構造沉降、物源供給、氣候作用、海平面變化等多種因素。鹽體形成的最主要控制因素還是構造沉降與沉積物供給。馬五段沉積期，氣候條件干旱炎熱，是更有利的鹽體發(fā)育期。就鉀鹽勘探方向而言，還需進一步向湖盆中心方向做深入研究。

致謝：本項研究得到了中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研