鄂爾多斯盆地淺水三角洲前緣沉積特征與砂體構(gòu)型
——以宜川仕望河剖面長(zhǎng)9油層組為例

任奕霖，趙俊峰，陳佳宇，關(guān)新，宋璟淦

（1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018）

淺水三角洲通常由分流河道構(gòu)成骨架砂體[1]，多發(fā)育在構(gòu)造穩(wěn)定、地形平緩、水體較淺且物源充足的盆地中[2-4]，眾多學(xué)者對(duì)其形成條件[5]、沉積微相類型[6-9]、砂體形態(tài)[10-11]等開展了一系列研究。與鉆井資料相比，野外露頭剖面更為直觀，可以清楚地觀察和測(cè)量沉積單元的疊置關(guān)系、形態(tài)規(guī)模以及隔夾層的分布情況。前人多根據(jù)野外露頭剖面分析扇三角洲和辮狀河三角洲的構(gòu)型單元類型、組合特征及分布規(guī)律，定量表征構(gòu)型單元的幾何屬性及不同巖相的儲(chǔ)集性能，從而優(yōu)選出有利于油氣儲(chǔ)集的砂體構(gòu)型[12-14]。但對(duì)于淺水三角洲野外露頭的砂體構(gòu)型研究較少，深入研究該類型三角洲沉積特征、建立砂體構(gòu)型模式對(duì)于此類油氣田的高效開發(fā)以及開發(fā)中—后期的剩余油挖潛具有一定意義[15]。因此，本文以鄂爾多斯盆地宜川仕望河剖面長(zhǎng)9油層組為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地測(cè)量、判別沉積相標(biāo)志等對(duì)野外露頭開展剖面結(jié)構(gòu)精細(xì)解剖，結(jié)合粒度分析、微量元素分析等，對(duì)該剖面淺水三角洲前緣的沉積特征和砂體構(gòu)型進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通的西部，是在華北克拉通基礎(chǔ)上形成的大型中—新生代陸相沉積盆地[16-21]。該盆地構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層平緩，主體伊陜斜坡呈向西傾斜的單斜，傾角不足1°[22]。中—上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組沉積期，是該盆地重要的沉積階段，形成800～1 200 m厚的內(nèi)陸河湖相地層，是該盆地油氣勘探的主要對(duì)象。延長(zhǎng)組自上而下分為10個(gè)油層組，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)10油層組沉積期后，長(zhǎng)9油層組沉積期進(jìn)入湖盆初次擴(kuò)張期，形成以三角洲相—湖泊相為主的沉積[23]。宜川位于鄂爾多斯盆地東南部（圖1a），該地區(qū)長(zhǎng)9 油層組發(fā)育大范圍淺水三角洲前緣砂體[24]。仕望河剖面位于宜川縣以東，長(zhǎng)9 油層組厚度約90 m，沿公路連續(xù)分布（圖1b），出露情況良好，是研究淺水三角洲前緣沉積和砂體構(gòu)型的理想剖面。

2 沉積特征

選取21 塊砂巖樣品進(jìn)行薄片鑒定和粒度分析，11 塊泥巖樣品進(jìn)行微量元素分析。其中，粒度分析所用儀器為Mastersizer-2000，粒徑測(cè)試范圍為0.02～2 000.00 μm，利用Folk 分類法進(jìn)行命名；微量元素分析所用儀器為ICAPRQ 型等離子體質(zhì)譜儀。以上所有實(shí)驗(yàn)均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，數(shù)據(jù)處理的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%。

2.1 巖性特征

仕望河剖面長(zhǎng)9油層組主要為灰黑色泥巖、粉砂巖與灰綠色、淺灰色粉—細(xì)砂巖互層（圖2）。根據(jù)巖性特征，將其細(xì)分為長(zhǎng)91砂層組和長(zhǎng)92砂層組。長(zhǎng)91砂層組總體上泥巖含量多，砂巖含量少，而長(zhǎng)92砂層組與之相反。長(zhǎng)92砂層組以巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石砂巖為主，粒度較大，粒徑多集中在0.10～0.20 mm，雜基含量較低（小于6%），顆粒之間多呈線接觸，分選較好，磨圓較差，多為次棱角狀（圖3a、圖3b）；長(zhǎng)91砂層組下部以灰綠色粉砂巖和泥巖為主（圖3c），向上顏色逐漸加深，呈灰色—灰黑色，表明自下而上沉積水體的還原性逐漸增強(qiáng)，深度逐漸增大。

2.2 沉積構(gòu)造特征

長(zhǎng)9油層組發(fā)育豐富的沉積構(gòu)造類型，常見(jiàn)沖刷—充填構(gòu)造、同生變形構(gòu)造以及各種層理。砂體發(fā)育大量板狀交錯(cuò)層理（圖3d）、槽狀交錯(cuò)層理（圖3e）、平行層理（圖3f）和波狀層理（圖3g），砂體底部可見(jiàn)凹凸不平的沖刷面（圖3h），代表強(qiáng)水動(dòng)力條件下的分流河道沉積；河道中未完全固結(jié)的沉積物滑塌形成變形構(gòu)造（圖3i）；泥巖水平層理發(fā)育，代表低能條件下的分流間灣沉積；粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖可見(jiàn)波狀層理，且砂體多呈席狀分布，代表水體動(dòng)蕩的三角洲前緣席狀砂沉積。

2.3 粒度特征

粒度曲線以兩段式為主，由跳躍總體和懸浮總體構(gòu)成，跳躍總體含量多為70%～90%，粒度φ值為3～4，曲線斜率為65°～70°，反映沉積物分選較好；跳躍總體與懸浮總體交點(diǎn)約在粒度φ值為3～4 處，反映沉積物粒度較細(xì)（圖4）?？傊L(zhǎng)9油層組沉積期以較穩(wěn)定的弱牽引流為主，缺乏重力流，故該沉積期地形坡度較小。

2.4 地球化學(xué)特征

不同沉積環(huán)境中元素的析出、遷移和富集特征不同，可利用地層中某些特征元素的含量及比值指示沉積時(shí)期的環(huán)境條件，目前，采用泥巖的微量元素特征判別沉積環(huán)境已得到廣泛運(yùn)用[25-27]。為確定長(zhǎng)9 油層組沉積期的古氣候和沉積環(huán)境特征，選取仕望河剖面長(zhǎng)9 油層組11 個(gè)泥巖樣品進(jìn)行微量元素分析（表1），選取若干對(duì)環(huán)境反應(yīng)敏感元素（V、Ni、Ba、Cu、Sr）判別沉積環(huán)境。

表1 仕望河剖面長(zhǎng)9油層組泥巖元素地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)Table 1.Elemental geochemical data of the mudstone from Chang 9 member in Shiwanghe section

Sr 和Ba 在不同鹽度溶液中的遷移能力不同，Ba比Sr氧化能力強(qiáng)，均以重碳酸鹽形式存在。當(dāng)氣候炎熱干燥時(shí)，湖水蒸發(fā)，礦化度增大，硫酸鋇沉淀生成，湖水礦化度繼續(xù)增大到一定值時(shí)，硫酸鍶沉淀生成。因此，可利用Sr/Ba 判斷古鹽度，該值小于1 表明為淡水環(huán)境，大于1 表明為咸水環(huán)境。研究區(qū)長(zhǎng)9 油層組Sr/Ba為0.33～0.96，說(shuō)明其沉積于淡水環(huán)境中（圖5a）。選取喜干元素Sr和喜濕元素Cu的比值作為表征古氣候變化的參數(shù)，該值為1～10 指示氣候溫暖潮濕，該值大于10 指示氣候干旱炎熱[28]。研究區(qū)11 個(gè)泥巖樣品Sr/Cu 為3.01～11.30，大多小于10，指示研究區(qū)長(zhǎng)9 油層組沉積期氣候溫暖濕潤(rùn)（圖5b）。此外，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)Sr/Cu 與Sr/Ba 呈正相關(guān)，即氣候越干燥，蒸發(fā)濃縮作用越強(qiáng)，鹽度越大。

前人研究表明，V 在氧化環(huán)境下容易與沉積物結(jié)合形成沉淀，而Ni 易在還原條件下被吸附富集產(chǎn)生沉淀。基于二者差異，可用V/（V+Ni）反映古水體的環(huán)境性質(zhì)，該值大于0.84 時(shí)，指示水體分層且底層水體出現(xiàn)H2S 的缺氧還原環(huán)境；該值為0.60～0.84 時(shí)，指示水體為分層不強(qiáng)的過(guò)渡環(huán)境；該值小于0.60 時(shí)，指示水體為分層較弱的富氧氧化環(huán)境[29]。仕望河剖面長(zhǎng)9 油層組樣品的V/（V+Ni）為0.56～0.81，因此，該油層組沉積于氣候溫暖潮濕、分層不強(qiáng)的氧化—弱還原過(guò)渡的淡水環(huán)境（圖5c）。

3 沉積微相特征

根據(jù)巖石類型、沉積構(gòu)造、粒度特征及元素地球化學(xué)特征，仕望河剖面長(zhǎng)9 油層組主要為淺水三角洲前緣亞相沉積，進(jìn)一步識(shí)別出水下分流河道、河口壩、席狀砂、分流間灣等沉積微相。

3.1 水下分流河道

該剖面的水下分流河道砂體十分發(fā)育，常見(jiàn)多個(gè)厚層條帶狀或頂平底凸的透鏡狀砂體垂向疊置、側(cè)向拼接。該類砂體常由多個(gè)小規(guī)模正韻律砂層疊合而成，部分砂體底部可見(jiàn)沖刷面，單砂體厚度為1～4 m，個(gè)別砂體延伸長(zhǎng)度可達(dá)幾十米，在延伸方向上砂體厚度變化大。根據(jù)粒度概率曲線，其顆粒主要以跳躍總體為主，為中—細(xì)砂或細(xì)砂（圖4）；板狀交錯(cuò)層理、平行層理和槽狀交錯(cuò)層理發(fā)育（圖3d—圖3f）。

3.2 河口壩

宜川仕望河剖面河口壩為灰綠色、灰色細(xì)砂巖、粉砂巖夾薄層泥巖，整體呈底平頂凸的形態(tài)，垂向上呈下細(xì)上粗的反韻律，偶見(jiàn)變形構(gòu)造（圖3i）。長(zhǎng)9 油層組沉積期，由于湖盆地形平緩且物源供給充足，湖浪改造能力弱，以三角洲沉積快速向湖進(jìn)積為主，后期河道對(duì)先期形成的河口壩沖刷改造，砂體遭到破壞，甚至消失。因此，該剖面河口壩不太發(fā)育，僅在局部出現(xiàn)。

3.3 席狀砂

該剖面席狀砂多為灰綠色細(xì)砂巖和灰色粉砂巖，粒度較小，呈不等厚席狀分布，單層厚度較小，一般小于0.5 m。受湖浪影響，常發(fā)育波狀層理（圖3g）。

3.4 分流間灣

該剖面分流間灣以灰色—深灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，常見(jiàn)水平層理、波狀層理等。

4 砂體分布特征

4.1 垂向疊置樣式

不同期次的砂體在垂向上疊置，砂體的連通性與疊置樣式有關(guān)，根據(jù)研究區(qū)砂體垂向上是否有細(xì)粒沉積物隔擋，將砂體的垂向疊置樣式劃分為非連通式和連通式2類（表2）。

表2 仕望河剖面砂體空間分布特征Table 2.Spatial distribution characteristics of the sand bodies in Shiwanghe section

（1）非連通式 河道砂體孤立存在，砂體間發(fā)育泥質(zhì)隔夾層，多出現(xiàn)在水體較深區(qū)域，沉積時(shí)可容空間較大，其增長(zhǎng)速率大于沉積物供給速率，河道遷移能力弱，難以沖刷并侵蝕前期沉積的泥質(zhì)。砂體間多發(fā)育泥質(zhì)隔夾層，多數(shù)厚度約為0.3 m，最大可達(dá)1.5 m。非連通式砂體間泥質(zhì)隔夾層越厚，說(shuō)明儲(chǔ)集層的層間非均質(zhì)性越強(qiáng)。觀測(cè)點(diǎn)1 處的河道砂體幾乎無(wú)側(cè)向遷移，單砂體規(guī)模較小，長(zhǎng)度為10～25 m，厚度小于2.5 m，可見(jiàn)泥質(zhì)沉積包裹著多個(gè)孤立的透鏡狀河道砂體（圖6）。

（2）連通式 多期砂體相互疊置連通，多發(fā)育在水體較淺、沉積物供給速率較大、沉積物供給速率大于可容空間增長(zhǎng)速率的區(qū)域，河道具有一定的切割能力，可以將前期沉積的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖沖刷掉，并切割前期沉積的河道砂體，因此在剖面中泥質(zhì)隔夾層厚度較小，河道砂體在垂向上連通。

4.2 側(cè)向接觸樣式

由于沉積物供給量、可容空間和湖平面升降變化會(huì)導(dǎo)致不同微相的砂體在側(cè)向上的接觸方式不同，研究區(qū)構(gòu)型單元側(cè)向接觸樣式可以分為對(duì)接式和切疊式2類（表2）。

（1）對(duì)接式 多個(gè)單砂體彼此對(duì)接，切疊關(guān)系不明顯，砂體之間的接觸面積較小，連通性較差，反映沉積時(shí)期的可容空間增長(zhǎng)速率與沉積物供給速率大致相當(dāng)。在研究區(qū)剖面上，可見(jiàn)3 種砂體對(duì)接模式，分別是分流河道與分流河道側(cè)向?qū)?、分流河道與河口壩側(cè)向?qū)印⒎至骱拥琅c席狀砂側(cè)向?qū)?。在剖面觀測(cè)點(diǎn)2 處，下部河道的下切能力不強(qiáng)，砂體之間無(wú)明顯的沖刷和侵蝕，可見(jiàn)薄層泥巖隔夾層，且河道規(guī)模不大，砂體厚度約2.0 m，側(cè)向延伸距離為40～50 m，形成河道—河道對(duì)接；在河口處形成的壩砂與相鄰河道側(cè)向相接，形成河道—河口壩對(duì)接；在分流河道之間席狀砂連片分布，單砂體厚度較小，厚度約1.5 m，在剖面上呈條帶狀，與周圍河道相接，形成河道—席狀砂對(duì)接（圖7）。

（2）切疊式 側(cè)向上2 個(gè)砂體之間有明顯的切疊關(guān)系，后期河道對(duì)早期形成的砂體有明顯沖刷和侵蝕。部分砂體界面上可見(jiàn)沖刷痕跡，砂體之間無(wú)泥質(zhì)隔夾層。受沖刷和侵蝕作用越強(qiáng)烈，砂體之間的疊置面積越大，連通性也越好。研究區(qū)砂體可見(jiàn)2 種切疊模式，分別為河道—河道切疊、河道—河口壩切疊。由于沉積物供給充足，供給速率大于可容空間的增長(zhǎng)速率，河道側(cè)切能力強(qiáng)，可頻繁遷移和改道。在剖面觀測(cè)點(diǎn)3 處，新河道對(duì)老河道側(cè)緣部分侵蝕，形成河道—河道切疊。由于河道的頻繁交切，剖面上少見(jiàn)完整的河道砂體，互相切疊的復(fù)合砂體規(guī)模大，垂向厚度大于6.0 m，側(cè)向延伸可達(dá)數(shù)百米（圖8）。河口壩砂體可能被后期形成的分流河道沖刷和切割，導(dǎo)致河口壩遭到破壞。在剖面觀測(cè)點(diǎn)4 處，中部形成河道—河口壩切疊，泥質(zhì)隔夾層不發(fā)育，復(fù)合砂體橫向延伸距離可達(dá)80 m（圖9）。

5 沉積構(gòu)型模式

研究區(qū)三角洲前緣亞相砂體空間發(fā)育樣式主要有3 種：非連通式、對(duì)接式和切疊式，其中垂向上較少見(jiàn)連通式。三角洲前緣復(fù)合砂體由不同成因單砂體組合而成，通過(guò)對(duì)不同構(gòu)型單元垂向疊置和側(cè)向接觸關(guān)系的研究，總結(jié)出淺水三角洲前緣復(fù)合砂體的沉積構(gòu)型模式（圖10）。分析認(rèn)為復(fù)合砂體的沉積構(gòu)型模式與地形坡度、湖平面升降、可容空間增長(zhǎng)速率與沉積物供給速率之比有關(guān)。長(zhǎng)9 油層組沉積期，盆地面積廣，坡度緩且水體淺，湖平面的微小變動(dòng)會(huì)造成水體面積的顯著變化，可容空間的增大主要表現(xiàn)為平面上沉積范圍的擴(kuò)大。由于坡度較緩，河道下切能力弱，隨著沉積物供給增多，河道主要在側(cè)向上切割或分叉。因此，研究區(qū)露頭剖面垂向上多期河道砂體間泥質(zhì)隔夾層發(fā)育，側(cè)向上砂體多為切疊式接觸。

研究區(qū)從長(zhǎng)92砂層組到長(zhǎng)91砂層組水體變深，湖平面上升，泥質(zhì)隔夾層厚度增大，出現(xiàn)穩(wěn)定且連續(xù)的泥質(zhì)隔夾層；砂體規(guī)模變小，由多個(gè)延伸距離較長(zhǎng)且連續(xù)展布的較厚復(fù)合砂體，過(guò)渡至長(zhǎng)度僅為幾米的單個(gè)條帶狀砂體；河道的切割能力變?nèi)?。剖面上長(zhǎng)92砂層組砂體接觸樣式多以切疊式為主，向上砂體之間的連通性變差，過(guò)渡到對(duì)接式，長(zhǎng)91砂層組砂體以孤立式分布為主，少見(jiàn)對(duì)接式。

造成以上變化的原因是隨湖平面上升和物源供給減少，可容空間增長(zhǎng)速率與沉積物供給速率之比增大，河道下切能力減弱，導(dǎo)致復(fù)合砂體之間的連通性不斷變差，砂體由大規(guī)模連片式分布變?yōu)楣铝⑹椒植迹噘|(zhì)隔夾層發(fā)育，垂向上泥質(zhì)隔夾層厚度增大，側(cè)向上砂體由切疊式變?yōu)閷?duì)接式。非連通式砂體層間非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)集性能較切疊式和對(duì)接式砂體差。切疊式砂體形成于可容空間增長(zhǎng)速率與沉積物供給速率之比較大的條件，充足的物源和有限的可容空間使儲(chǔ)集層泥質(zhì)含量低，連通性好，尤其是河道—河道切疊和河道—河口壩切疊構(gòu)型模式，有利于油氣聚集成藏。

6 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)仕望河剖面長(zhǎng)9 油層組廣泛發(fā)育淺水三角洲前緣，為分層不強(qiáng)的氧化—弱還原過(guò)渡淡水沉積。該地區(qū)主要發(fā)育水下分流河道、河口壩、席狀砂和分流間灣微相。露頭剖面可見(jiàn)多期河道砂體疊置，河口壩砂體相對(duì)發(fā)育較少。

（2）研究區(qū)淺水三角洲前緣砂體在垂向上發(fā)育非連通式和連通式2 種疊置樣式，在側(cè)向上發(fā)育對(duì)接式和切疊式2 種接觸樣式。地形坡度、湖平面升降和可容空間增長(zhǎng)速率與沉積物供給速率之比的大小控制著三角洲前緣復(fù)合砂體的空間發(fā)育模式。緩坡決定河道的下切能力相對(duì)較弱；隨著湖平面上升和物源供給減少，此時(shí)可容空間增長(zhǎng)速率與沉積物供給速率之比增大，砂體的連通性變差。垂向上由連通式向非連通式過(guò)渡，側(cè)向上由切疊式向?qū)邮竭^(guò)渡。

（3）砂體垂向上為非連通式的儲(chǔ)集層非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)集性能較切疊式與拼接式砂體差。切疊式砂體儲(chǔ)集層連通性好，河道—河道切疊和河道—河口壩切疊的沉積構(gòu)型模式有利于油氣聚集成藏。