鄂爾多斯盆地白堊紀(jì)沉積體系及古地理演化

龐軍剛，李文厚，國吉安，阮 昱，李衛(wèi)紅，常梁杰，龔斌利，王欣月，郭艷琴，馬治國

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué)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.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069;4.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì)有限公司,陜西 西安 710016；5.長慶油田分公司 第三采氣廠,內(nèi)蒙 烏審旗 017300；6.核工業(yè)203研究所，陜西 咸陽 712000)

沉積體系控制了古地理格局及沉積演化,也與含油氣盆地賦存的石油、天然氣、煤、鈾礦等能源礦產(chǎn)有關(guān),引起了地質(zhì)學(xué)者的廣泛關(guān)注。鄂爾多斯盆地白堊系賦存大規(guī)模的水資源,且含有鹽巖等沉積礦層,引起了人們的關(guān)注。學(xué)者研究認(rèn)為，其大規(guī)模發(fā)育的風(fēng)成砂巖記錄了古沙漠環(huán)境,通過其沙丘交錯(cuò)層理、前積紋層方向的變化及沙粒表面的微形貌的差異可以研究古沙漠的古氣候、古風(fēng)向,從而分析區(qū)域構(gòu)造和盆地的演化,進(jìn)行事件地層對(duì)比[1-4]。還有學(xué)者認(rèn)識(shí)到，白堊系包括風(fēng)成沉積及與其相關(guān)的水成沉積,且存在沉積亞環(huán)境,其分布在平面上具有一定的規(guī)律性。從盆地邊緣向盆地中心依次發(fā)育以沖積扇為主,頻繁間夾沙丘、旱谷、丘間沉積;風(fēng)成-沖積交互沉積,處于沙漠的邊緣帶,為沖積區(qū)向沙漠區(qū)的過渡地帶;風(fēng)成沉積帶處于沙漠盆地內(nèi)部,風(fēng)成作用強(qiáng)烈,形成以沙丘為主的風(fēng)成沉積體系,包括沙丘、沙丘間、沙席等。在氣候變化及季節(jié)性降雨時(shí),其在相對(duì)低洼地區(qū)形成沙丘間、沙漠湖等沉積，巖性主要為雜色泥巖灰?guī)r、泥灰?guī)r及強(qiáng)蒸發(fā)作用形成的膏巖、鹽巖夾層?？v觀前人研究成果可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)鄂爾多斯盆地白堊系沉積體系研究的成果較少,加上古沙漠沉積的研究也是沉積學(xué)的薄弱領(lǐng)域，因此，到目前為止，前人大多只針對(duì)其中發(fā)育的風(fēng)成沉積開展了少量的工作。許多學(xué)者現(xiàn)已意識(shí)到，沙漠沙丘往往與沖積扇、季節(jié)性河流、鹽湖(及薩布哈)等各多種沉積環(huán)境共存,在空間上互為消長。因此,在對(duì)白堊系古沙漠沉積體系的研究中,除了對(duì)地層中風(fēng)成沉積物的識(shí)別和解釋外,更要重視風(fēng)成沉積物與其伴生的水成沉積物整體系統(tǒng)的研究,這也是風(fēng)成沉積的研究趨勢(shì)[5-10]。

本研究在室內(nèi)編圖、對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,綜合研究了鄂爾多斯盆地200余口鉆井的資料、10余條露頭剖面及20多口井的巖心資料,對(duì)其沉積體系類型、沉積相及古地理演化進(jìn)行了深入探討。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中國大型沉積盆地之一,面積約為2.5×104km2。根據(jù)盆地現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)、基底性質(zhì)及構(gòu)造特征,可劃分為伊盟隆起、西緣逆沖構(gòu)造帶、天環(huán)拗陷、渭北隆起、晉西撓褶帶及陜北斜坡6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[11]。其白堊系地層主要為早白堊世志丹群組，為一套湖相夾風(fēng)成砂巖組成的碎屑巖沉積(殘余地層厚度超過一千余米)。下部與侏羅系或更老地層假整合接觸或不整合接觸;上部與第三系呈不整合接觸。志丹群自下而上分為宜君組、洛河組、環(huán)河華池組(第一個(gè)旋回),羅漢洞組、涇川組(第二旋回),其中洛河組風(fēng)成沙丘廣泛發(fā)育,其次為羅漢洞組,這兩個(gè)旋回均反映了早期以古沙漠風(fēng)成沉積為主到晚期以水成沉積為主的環(huán)境變化(見圖1)[12]。

圖1 鄂爾多斯盆地白堊系沉積相及層序地層格架(據(jù)龐軍剛等[13])Fig.1 Sedimentary facies and sequence stratigraphy framework of Cretaceous in Ordos Basin

2 沉積體系類型及特征

鄂爾多斯盆地白堊系發(fā)育沙漠、湖泊、三角洲、河流及沖積扇等各種沉積體系[14-16],由于各時(shí)期古氣候及沉積前古地貌的不同,不同的層段主要的沉積相類型也不同。

2.1 沖積扇

沖積扇起因于干旱氣候的洪水,常發(fā)育于山谷，沉積于坡度驟減的山麓,呈扇形局限分布,根據(jù)其結(jié)構(gòu)和成分可推斷沉積物源,屬于陸相環(huán)境中的邊緣相沉積。該沉積在研究區(qū)主要發(fā)育在宜君組的西南部、東部地區(qū),洛河組的局部也有發(fā)育。沉積地層厚1.5～50 m,(宜君、彬縣可達(dá)150～225 m)。其主要的沉積微相有辮狀河道、漫流沉積、篩狀沉積(由暫時(shí)性水流作用形成)和泥石流沉積(或泥流)。顏色主要為灰色、灰紫色,灰棕色、棕灰色,泥巖為紅色和雜色,反映以陸上沉積位置的環(huán)境為主;巖性為中厚層塊狀礫巖、砂質(zhì)礫巖，少量砂巖,夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖。其是研究區(qū)白堊系厚度最大、粒度最粗的沉積類型。其主要礫石成分以近源為主。研究區(qū)受多個(gè)物源及不同母巖類型的影響,不同地區(qū)的礫石成分差異很大,如銅川地區(qū)主要有硅質(zhì)巖、灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r等(見圖2)。

A 礫石成分主要為硅質(zhì)巖、灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r(銅川)；B 白堊系宜君組礫巖與侏羅系安定組紅色砂巖；C 沖積扇泥石流砂礫巖，夾薄層水道砂巖；D 礫石次圓狀，分選差，礫石成分主要為灰?guī)r、燧石(C圖局部放大，崾峴梁) 圖2 鄂爾多斯盆地白堊系宜君組沖積扇沉積野外露頭剖面Fig.2 Field outcrop profile of alluvial fan deposits Cretaceous YijunFormation of Ordos Basin

2.2 河流

河流是把碎屑物從物源區(qū)搬運(yùn)至沉積湖泊的主要營力和介質(zhì),也是重要的沉積場所,在陸相沉積環(huán)境中廣泛發(fā)育,也是白堊系主要的沉積相類型之一。根據(jù)彎曲度和砂壩數(shù)可將自然界的河流劃分為4類,研究區(qū)廣泛發(fā)育辮狀河和曲流河,在白堊系各組中均有發(fā)育,其中環(huán)河—華池組及羅漢洞組最為廣泛。辮狀河沉積形成下部心灘亞相砂體,上部泛濫平原亞相泥巖,呈現(xiàn)下部“粗粒沉積”發(fā)育、上部“細(xì)粒沉積”不發(fā)育的 “二元結(jié)構(gòu)”。其巖性主要為中粒長石石英砂巖,夾中砂巖及含礫砂巖,常發(fā)育中大型板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理,向中上部過渡為平行層理及沙紋層理(見圖3A)。

曲流河沉積形成下部邊灘、上部河漫灘亞相,且具有下部“粗粒沉積”與上部“細(xì)粒沉積”均發(fā)育、厚度近于相等的 “二元結(jié)構(gòu)”。其巖性為中細(xì)粒石英砂巖及長石石英砂巖,從下向上也依次發(fā)育底沖刷、大型板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理及楔狀交錯(cuò)層理[17]。

2.3 湖泊

對(duì)于湖泊沉積，可采用洪水面、枯水面、正常浪基面和風(fēng)暴浪基面來代表沉積物在湖泊內(nèi)的位置和湖水深度，從而可將湖泊劃分為深湖、半深湖、濱湖和淺湖4個(gè)亞相類型。湖泊在環(huán)河—華池組分布最廣,其次為涇川組,洛河組、羅漢洞只是局限分布。研究區(qū)主要發(fā)育濱湖-淺湖沉積環(huán)境,環(huán)河—華池組中西部分布深色泥頁巖沉積，應(yīng)為當(dāng)時(shí)盆地的沉降中心,形成了半深湖環(huán)境。濱湖-淺湖沉積為灰色、灰綠色、紫紅色及雜色,巖性主要為中—厚層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖,層理構(gòu)造主要發(fā)育水平層理、沙紋層理,層面構(gòu)造見雨痕、泥裂波痕(流水波痕、波浪波痕均有),反映出水下沉積物間歇性地暴露地表的沉積環(huán)境特點(diǎn)(見圖3B,C,D,E)。半深湖沉積主要呈黑色、深灰、淺灰及灰綠,局部見褐色,巖性主要為厚層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,夾薄層狀及透鏡體粉—細(xì)砂巖。沉積構(gòu)造以水平層理最為發(fā)育,在砂泥巖互層段可見小型透鏡狀、脈狀及砂紋層理。

A 河流河道形成的多層疊置厚層砂巖沉積；B 薄層泥巖—中厚層砂巖形成的三角洲前緣沉積(寧縣—旬邑沿途)；C 灰色泥巖層面上的干裂構(gòu)造(板橋)；D 灰色、黑色薄層泥頁巖湖泊沉積(板橋)；E 灰色薄層泥巖夾薄層或透鏡狀泥巖，湖泊沉積 (玉華宮北)；F 灰色、淺紅色薄層泥巖與灰色薄層泥質(zhì)粉砂巖互層,湖泊沉積(環(huán)縣西川鄉(xiāng)西)圖3 鄂爾多斯盆地白堊系環(huán)河—華池組野外露頭剖面Fig.3 Field outcrop profile of Cretaceous Huanhe-Huachi Formation of Ordos Basin

羅漢洞組及涇川組沉積期氣候也較為干旱,蒸發(fā)作用強(qiáng)。涇川組夾肉紅及白色薄層狀膏鹽和石膏,而羅漢洞組所夾鹽巖厚度較大,分布較廣,可達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(見圖4)[18]。

A 細(xì)砂巖中的石膏條帶(ZK31-127，253.3 m) B 鈣質(zhì)泥巖中石膏晶體( ZK6-4，160.0 m)圖4 鄂爾多斯盆地白堊系羅漢洞組石膏晶體Fig.4 Gypsum crystals of Cretaceous Luohandong Formation of Ordos Basin

2.4 三角洲

三角洲在陸相環(huán)境中廣泛分布,處于河流(沖積扇)與湖泊沉積的過渡環(huán)境。根據(jù)河流的性質(zhì),可將三角洲劃分為扇三角洲、辮狀河三角洲和(正常)三角洲,這幾種類型的三角洲在研究區(qū)白堊系均有發(fā)育,也是分布較為廣泛的沉積類型之一,主要在環(huán)河—華池組發(fā)育。環(huán)河—華池組西部、東部湖盆邊界坡度較陡，主要發(fā)育辨狀河三角洲；在北部、東北部，湖盆邊界坡度較平緩，發(fā)育(正常)三角洲。三角洲平原是三角洲的陸上部分,與河流沉積特征類似。三角洲前緣在野外較易識(shí)別,沉積主要為灰色、灰綠色砂巖與泥巖的互層,砂巖為粗砂巖、中砂巖及細(xì)砂巖,顆粒分選中等,層面分布大量的黑云母,各類交錯(cuò)層理發(fā)育,高角度或垂直蟲孔常見,野外及鉆孔中可見較多碳化的植物碎片；整體發(fā)育由細(xì)變粗的反旋回,明顯區(qū)別于三角洲平原或河流沉積由粗變細(xì)的正旋回,這是識(shí)別三角洲前緣的典型標(biāo)志(見圖3F)[19]。

2.5 沙漠

沙漠在白堊紀(jì)沉積期廣泛分布,這一特征在其沉積厚度及分布面積方面均有體現(xiàn)[5,9-10,14,20]。如前所述,沙漠環(huán)境也是與湖泊、河流、沖積扇等環(huán)境共存,風(fēng)成沉積、水成沉積交互出現(xiàn)。其具體可分為礫漠、沙丘、丘間、旱谷及沙漠湖沉積亞相。沙丘亞相以發(fā)育各種大型交錯(cuò)層理，分選好、磨圓佳的砂巖層最具特色，且其砂巖顆粒表面具有砂粒表面顯微結(jié)構(gòu)。野外觀察，沙丘以細(xì)砂組分為主，發(fā)育大型板狀交錯(cuò)層理、大型槽狀及楔狀交錯(cuò)層理等;風(fēng)成與河流水道交互沉積,河道沉積具底沖刷構(gòu)造;見沙丘砂巖與丘間泥巖交互沉積(見圖5A,B,C,D,E,F)。沙粒表面多見撞擊坑痕、荒漠漆等特點(diǎn)。由此可見，研究區(qū)的沙丘沉積在沉積構(gòu)造、沉積粒度及顆粒表面的顯微構(gòu)造等方面明顯不同于相關(guān)的水成沉積地層。

研究區(qū)沙丘沉積廣泛分布，其砂體厚為35～470 m。其中，洛河組發(fā)育最廣,其次為羅漢洞組,在涇川組等局部有小范圍的分布。但是，羅漢洞組風(fēng)成相砂巖的顏色有所變化,主要為橘黃、棕紅色等,且多為中—厚層狀砂巖。

3 白堊紀(jì)古地理演化

研究區(qū)的下白堊統(tǒng)志丹群是在晚侏羅世盆地抬升后形成的丘陵起伏的地形上沉積的。從鄂爾多斯盆地早白堊世的原盆面貌及沉積古地理的恢復(fù)可以看出，早白堊世，盆地的古流呈向心的輻射狀,基本顯現(xiàn)了盆地的原始面貌,志丹群所代表的早白堊世地層是一套由風(fēng)成沙丘和河湖沉積物交互疊置的沉積體系。早白堊世，鄂爾多斯盆地為一東緩西陡、南北向展布的箕狀盆地,在盆地的西緣陡岸一側(cè)發(fā)育沖積扇-辮狀河-湖泊沉積體系,在盆地的緩坡區(qū)發(fā)育沙漠、河流-三角洲-湖泊沉積體系,在盆地北緣長軸方向發(fā)育沖積扇-河流-湖泊沉積體系。

研究區(qū)宜君期主要為一套近源山前沖積扇沉積,盆地內(nèi)大部分地區(qū)未接受沉積,僅在南緣的宜君、旬邑、彬州一帶發(fā)育有宜君組雜色礫巖及含礫砂巖,為沖積扇及沖積平原沉積。根據(jù)古流向和礫石成分等研究，推測其物源區(qū)為南部的秦嶺一帶(見圖6A)。

A 大型槽狀交錯(cuò)層理，層面上見小的礫石(焦坪)；B 風(fēng)成與河流水道交互沉積，河道底沖刷(銅川照金)；C 沙漠沙丘沉積夾沙丘間紫紅色泥巖沉積(志丹)；D 沙漠沙丘沉積夾沙丘間紫紅色泥巖沉積(志丹)；E 沙漠沙丘沉積夾沙丘間紫紅色泥巖沉積(志丹);F 羅漢洞組風(fēng)成砂巖中交錯(cuò)層理圖5 鄂爾多斯盆地白堊系洛河組、羅漢洞組野外露頭剖面Fig.5 Field outcrop profile of eolian deposits of Cretaceous Luohe and Luohandong Formation of Ordos Basin

洛河期由于氣候干旱,經(jīng)不斷風(fēng)化剝蝕，研究區(qū)地形趨向準(zhǔn)平原化,沉積范圍向北部和西部放大,在烏審旗—榆林—靖邊—延安—富縣—黃陵一帶沉積了較單一的紫紅、桔紅色石英砂巖,發(fā)育巨型交錯(cuò)層理,局部有礫巖、礫狀砂巖和泥巖夾層,主要為沙漠相沉積。在鄂爾多斯的鹽池—環(huán)縣—慶陽一帶，研究區(qū)以濱淺湖沉積為主,在銀川—平?jīng)觥L武—正寧一帶則發(fā)育河流沉積。在西南部、西北部殘留地層邊緣發(fā)育沖積扇。在兩者的過渡區(qū)形成了沙丘與丘間沉積亞相,在局部(如靖邊地區(qū))形成了小面積分布的沙漠湖泊環(huán)境。沙漠邊緣地帶為沖積區(qū)環(huán)境向沙漠環(huán)境的過渡帶,在鹽池—靈武、焦坪和彬縣露頭剖面上可以看到，沖積扇、辮狀河及風(fēng)成沉積物交替出現(xiàn),構(gòu)成復(fù)雜的風(fēng)成-沖積體系(見圖6A)。

環(huán)河—華池期,盆地已被進(jìn)一步夷平,但沉積范圍較早期要小,橫山至榆林一帶缺失沉積。其以辮狀河、湖泊、三角洲沉積為主。該組地層厚度較大,以泥巖沉積為主,砂巖不發(fā)育。早期區(qū)內(nèi)湖盆進(jìn)一步全面下陷,湖盆基底變平,湖侵面積擴(kuò)大,代表了白堊紀(jì)廣泛的湖侵并發(fā)展到鼎盛時(shí)期,湖相細(xì)粒沉積在盆地中南部大面積分布。定邊—靖邊一線以北,為黃綠、灰綠及紫紅色長石砂巖及砂礫巖夾凝灰質(zhì)砂巖、層凝灰?guī)r,為河流相沉積。定邊—靖邊以南的鹽池至慶陽一帶主要為雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖,產(chǎn)魚類及介形蟲化石,應(yīng)為湖泊相沉積。而在盆地西南緣的隴縣及景福山一帶則仍發(fā)育沖積扇沉積。在吳旗—華池—合水—慶陽—長武等沉積中心,主要為濱淺湖亞相,在華池—合水—寧縣形成半深湖區(qū)?？傮w上講，研究區(qū)西南部湖水深,東北部湖水淺。在湖盆邊部發(fā)育了大量的三角洲。由于這些三角洲發(fā)育在地形高差很大的邊部,碎屑供應(yīng)充分,形成了大量的辨狀河三角洲(見圖6B)。

羅漢洞期,盆地再次抬升,氣候又轉(zhuǎn)向干旱?，F(xiàn)存地層邊部以沖積扇-河流相為主,盆地西南部發(fā)育沙漠、河流及湖泊相沉積。

研究區(qū)北部為辮狀河,其北部邊緣發(fā)育沖積扇,鄂托克前旗—天池為曲流河,其以東及以南分別為濱淺湖、沙丘及丘間亞相;在西南側(cè)的虎洞—西峰—涇川—靈臺(tái)一帶拗陷區(qū)為沙漠相,為棕紅、紫紅、桔黃色具大型板狀交錯(cuò)層理的砂巖,以沙丘亞相夾旱谷亞相及河流相為特征,環(huán)縣北也有沙丘亞相發(fā)育。從環(huán)縣向南到鎮(zhèn)原東一帶，沙漠盛行,垂向序列主要發(fā)育沙漠、沙丘夾丘間。地層中不同沉積類型的厚度比例統(tǒng)計(jì)表明,該區(qū)沙丘沉積厚度最大,各類大型—巨型交錯(cuò)層理發(fā)育,推測該區(qū)應(yīng)處于當(dāng)時(shí)古沙漠的沉積中心;根據(jù)沙丘前積層分析，當(dāng)時(shí)西風(fēng)盛行,且沙丘有向東遷移的趨勢(shì);在千陽、隴縣一帶，發(fā)育有具氧化色的礫巖、砂礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖,主要發(fā)育辨狀河(見圖6C)。

涇川期,氣候轉(zhuǎn)向溫潤,盆地內(nèi)發(fā)生不均衡沉降，進(jìn)入白堊系第二個(gè)沙漠萎縮-消亡期。涇川組在區(qū)內(nèi)的分布范圍非常局限,殘留厚度也不大。崇信、隴縣和寧縣、鹽池地區(qū)的早期主要為沖積扇-河流相,晚期湖水變深,發(fā)育面積不大的湖泊相(為一種殘留湖泊)。沉積物以雜色砂泥巖沉積為主，為桔紅、淺棕紅、紫色泥巖、砂巖夾細(xì)砂巖、含礫粗砂巖及泥灰?guī)r；中部及北部產(chǎn)葉肢介、介形蟲及魚類化石；涇川一帶由南而北,從河流過渡為湖泊相沉積。其在中部池10井附近、西南部zk5-4井周圍發(fā)育曲流河,涇川一帶為深湖—半深湖,西南部其他殘留地區(qū)為濱淺湖(見圖6D)。

其后,燕山運(yùn)動(dòng)第IV幕使盆地整體抬升,結(jié)束了盆地中生代的沉積演化。

4 結(jié)論

1) 研究區(qū)志丹群古沙漠可劃分為上、下兩個(gè)古沙漠層序單元,分別為宜君組、環(huán)河—華池組(第一個(gè)旋回),羅漢洞組、涇川組(第二旋回),其中風(fēng)成沉積在洛河組廣泛分布,厚度巨大,其次為羅漢洞組。這兩個(gè)旋回均反映了古沙漠早期由以風(fēng)成沉積為主，演化為晚期以水成為主的特征。

2) 研究區(qū)白堊系主要發(fā)育沖積扇、河流、三角洲、湖泊及沙漠沉積體系,根據(jù)大量的鉆井及野外露頭資料可恢復(fù)研究區(qū)白堊系不同時(shí)期的沉積古地理演化：宜君期僅在南緣的宜君—彬州一帶發(fā)育有沖積扇;洛河期氣候干旱,沉積范圍大,主要發(fā)育沙漠相沉積，其次發(fā)育沖積扇、河流、濱淺湖及丘間或沙漠湖;環(huán)河—華池期,沉積范圍較早期要小,以辮狀河-湖泊-(辮狀河)三角洲環(huán)境為主,達(dá)到最大湖泛時(shí)期;羅漢洞期,盆地再次抬升,氣候又轉(zhuǎn)向干旱，邊部發(fā)育沖積扇-河流相,向盆地西南中心逐漸過渡演化為沙漠、河流及湖泊環(huán)境;涇川期,地層分布范圍非常局限,殘留地層厚度也不大，氣候轉(zhuǎn)向溫潤,主要發(fā)育湖泊相,其次為河流相。