鄂爾多斯盆地南部三疊系長73亞段凝灰?guī)r沉積成因及儲層特征

李慶，盧浩，吳勝和，夏東領，李江山，齊奉強，付育璞，伍岳

［1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206］

凝灰?guī)r是主要由粒徑小于2.00 mm的火山碎屑組成的巖石類型，由火山噴發(fā)物質經(jīng)風力或水體搬運并在沉積區(qū)沉積而成，同時具有火山巖與沉積巖的特性［1］。按照凝灰物質不同的搬運和沉積方式，可以將凝灰?guī)r分為降落型、水攜型及重力流型［2-4］。

富有機質泥頁巖中經(jīng)常發(fā)育火山灰層，如美國阿巴拉契亞盆地Marcellus頁巖層系［5］、美國墨西哥盆地Eagle Ford頁巖層系［6］、四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖層系［7］、三塘湖盆地蘆草溝組頁巖層系［8］，以及鄂爾多斯盆地延長組7段（長7段）頁巖層系等［9-10］，都富含火山灰（凝灰物質）。目前針對頁巖層系中凝灰?guī)r的研究大多聚焦在火山灰對同沉積期有機質富集的影響，如火山灰輸入會帶來營養(yǎng)元素而提高初始生產(chǎn)力，進而促進有機質的富集，利于湖盆優(yōu)質烴源巖的形成［11-14］。

凝灰?guī)r亦可以作為油氣的儲層，已成為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)新的突破口。目前在國內(nèi)外多個油田已發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r油氣藏，如三塘湖盆地條湖組［15-16］、準噶爾盆地上二疊統(tǒng)烏爾禾組［17］、二連盆地下白堊統(tǒng)阿拉善組［18］，以及美國Monroe Uplift盆地的Richland油田［19］等。但是關于頁巖層系中火山灰（凝灰物質）的巖相類型、沉積作用以及儲集空間類型等方面研究較少，需進一步深入研究。

鄂爾多斯盆地晚三疊世火山活動劇烈，延長組發(fā)育較多的凝灰?guī)r，尤其在長7段發(fā)育規(guī)模最大。長7段凝灰?guī)r平面上整體呈北西向展布，由南西到北東方向凝灰?guī)r厚度逐漸變?。?］。鄂爾多斯盆地長7段凝灰?guī)r有較好的油氣顯示，巖心上凝灰?guī)r段含油明顯，可作為下一步非常規(guī)油氣勘探的目標。

目前已有學者對鄂爾多斯盆地南部（本文研究區(qū)）長73亞段（長7段3亞段）凝灰?guī)r地球化學特征、凝灰?guī)r對有機質富集的影響以及凝灰?guī)r分布等方面進行了分析及探討，認為該區(qū)凝灰?guī)r顯示中-酸性特征，與秦嶺造山帶聯(lián)系密切［1］，火山作用噴發(fā)的火山灰進入湖盆后能提高初始生產(chǎn)力進而促使有機質富集［11］。但是研究區(qū)凝灰?guī)r巖相類型多樣、成因復雜，且不同類型及成因的凝灰?guī)r儲集性能差別較大。目前對研究區(qū)凝灰?guī)r巖相類型還缺少系統(tǒng)研究，不同類型凝灰?guī)r的成因機制不明確，凝灰?guī)r儲集空間及儲集性能研究長期未受到重視。

本文以鄂爾多斯盆地南部長73亞段凝灰?guī)r為研究對象，通過野外露頭及巖心觀測，并結合室內(nèi)實驗分析，明確了研究區(qū)凝灰?guī)r的巖相類型，分析了不同類型凝灰?guī)r的沉積成因，并揭示了凝灰?guī)r儲層的儲集空間特征。本研究可以為后期凝灰?guī)r儲層研究及勘探開發(fā)提供理論基礎，并為其他類似地區(qū)凝灰?guī)r儲層研究提供借鑒。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地在地理位置上位于中國的中西部地區(qū)，為中國第二大沉積盆地，呈南北向延伸的矩形，總面積達37.104×104km2。鄂爾多斯盆地不僅地域面積大，而且資源分布很廣，能源礦產(chǎn)的種類齊全，資源潛力和儲量規(guī)模大，有“中國能源金三角”之稱［20］。盆地在區(qū)域構造上位于華北地臺的西部，是一個整體升降穩(wěn)定、拗陷遷移、構造簡單的大型多旋回克拉通盆地，中、新生代地層覆蓋在古生代地層之上，基底為太古界及下元古界變質巖系［21］。盆地構造呈不對稱的矩形，西翼陡窄而東翼寬緩，斷裂和褶皺多發(fā)育在盆地邊緣地帶，南部為秦嶺造山帶，西南為北祁連造山帶［22］。盆地內(nèi)部地層平緩，構造相對簡單，不發(fā)育二級構造，常發(fā)育以鼻狀褶曲為主的三級構造。盆地整體可劃分為6個構造單元（圖1）：北部的伊盟隆起、南部的渭北隆起、中部的伊陜斜坡、西部的天環(huán)坳陷和西緣逆沖帶、東部的晉西撓褶帶［24-25］。

圖1 鄂爾多斯盆地南部構造位置（據(jù)文獻［23］修改）Fig.1 Structural location of the southern Ordos Basin（modified after reference［23］）

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組厚度范圍在1 000～1 300 m，以河流和湖泊沉積為主，下部為中三疊統(tǒng)紙坊組，與延長組呈假整合接觸，上部受不同剝蝕程度的影響，與下侏羅統(tǒng)富縣組或者延安組呈不整合接觸［26］。鄂爾多斯盆地延長組發(fā)育完整的陸相湖盆沉積，貫穿于湖盆拗陷、擴張和強烈拗陷，隨后湖盆回返抬升，最終萎縮并消亡的整個過程［27］。前人根據(jù)沉積旋回的變化、電性、巖性和古生物沉積組合等特征，將延長組劃分為5個巖性段，又依據(jù)巖性、含油性及縱向上的油層分布規(guī)律，將這5個巖性段從下到上細分為長10段—長1段等10個小層［21，28-29］。延長組廣泛發(fā)育有凝灰?guī)r夾層（長9段—長1段），單層厚度從幾毫米到幾十厘米，累計厚度可達數(shù)米。其中長73亞段是凝灰?guī)r最發(fā)育的層段，同時也是富有機質頁巖發(fā)育段。

研究區(qū)處于伊陜斜坡、渭北隆起和天環(huán)坳陷的交界處，總體為北西-南東向的單斜構造，構造簡單，地層平緩。野外剖面位于陜西省銅川市瑤曲鎮(zhèn)衣食村，在涇河油田以東，直線距離約40 km（圖1），剖面勘測路線的起點坐標為35°11′12.55″N，108°51′19.36″E，海 拔1 103 m，終 點 坐 標 為35° 11′6.17″N，108°51′24.76″E，海拔1 109 m。

2 凝灰?guī)r巖相分類及特征

凝灰?guī)r主要由粒度小于2.00 mm的火山碎屑物質組成，進而經(jīng)過壓實等作用固結成巖。研究區(qū)凝灰?guī)r夾層存在較大的非均質性，其火山物質含量、成分組成、粒度特征和夾層厚度等存在較大的差異。巖石學特征的差異指示其成因可能具有多樣性，成因的差異進而會影響儲層物性，因此有必要首先針對研究區(qū)內(nèi)凝灰?guī)r進行系統(tǒng)的巖相分類。

2.1 凝灰?guī)r巖相分類

2.1.1 分類依據(jù)

1）火山碎屑物質相對含量

火山碎屑含量的多少在一定程度上代表了火山噴發(fā)的劇烈程度，并且火山碎屑含量會對巖石中的礦物類型及礦物含量產(chǎn)生影響，是劃分火山碎屑巖類型的重要依據(jù)［30］。

根據(jù)傳統(tǒng)的火山碎屑巖分類方法，火山碎屑物質含量占90%以上為火山碎屑巖類；火山碎屑含量介于50%～90%時為沉火山碎屑巖類；當火山碎屑含量介于10%～50%時，則屬于向沉積巖過渡類型中的火山碎屑沉積巖類［31］。

2）粒度

粒度可以反映火山碎屑巖和沉積巖沉積過程中流體的力學性質、水動力條件以及沉積物的搬運方式等，可以作為巖石成因有效的判斷依據(jù)［32］?；鹕剿樾紟r及沉積巖的粒度對致密儲層的儲層質量也存在一定的影響。研究區(qū)富凝灰質巖石按碎屑粒級可分為塵灰（泥）級（<0.01 mm）、粉（砂）級［0.01～0.10 mm）、細（砂）級［0.10～1.00 mm）、粗（砂）級［1.00～2.00 mm）［31，33］。

3）碎屑物態(tài)

火山碎屑按照物質組成及其結晶狀態(tài)分為巖石碎屑（巖屑）、晶體碎屑（晶屑）以及玻璃碎屑（玻屑）3種物態(tài)。其中，巖屑和玻屑又有剛性和塑性之分。不同的物態(tài)類型可以反映火山作用的強度和類型等特征，并對儲層質量產(chǎn)生不同程度的影響。

2.1.2 分類方案

通過野外剖面、巖心及薄片觀察，根據(jù)火山碎屑相對含量、粒度大小以及碎屑物態(tài)相對含量等方面對凝灰?guī)r巖相進行劃分。由于本研究區(qū)沒有明顯熔漿粘結，且粒度普遍小于1.00 mm，因此可以首先根據(jù)物質來源的不同和生成方式的差異，將火山碎屑物質含量大于90%的劃分為凝灰?guī)r，將火山碎屑物質介于50%～90%的劃分為沉凝灰?guī)r，將火山碎屑物質占10%～50%的劃分為凝灰質砂/泥巖類；按照碎屑顆粒粒度，以0.01 mm和0.10 mm為界，將上述3種巖相類型細分為塵（泥）級、粉砂級和細砂級3個粒度等級（圖2a）。對于火山碎屑物質含量大于90%的凝灰?guī)r，根據(jù)碎屑物態(tài)相對含量的差異，以玻屑、晶屑及巖屑為三端元，以25%，50%和75%為界［33］，對其進行進一步巖相劃分（圖2b），例如玻屑含量大于75%的部分定名為玻屑凝灰?guī)r。

圖2 凝灰?guī)r分類方案（據(jù)文獻［33］修改）Fig.2 Tuff classification scheme（modified after reference［33］）

2.2 凝灰?guī)r巖相特征

通過野外露頭和巖心詳細觀測，結合顯微薄片、掃描電鏡分析以及XRD礦物分析等實驗方法，根據(jù)上述分類方案，研究區(qū)長73亞段富凝灰質巖石主要發(fā)育5種巖相類型，分別為：玻屑凝灰?guī)r、晶屑質玻屑凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰質砂巖。不同巖相的特征具有明顯差異。

2.2.1 玻屑凝灰?guī)r

玻屑凝灰?guī)r是指玻屑含量大于75%的凝灰?guī)r。露頭上玻屑凝灰?guī)r層呈灰白色、灰黃色，受風化作用質地較松散，手觸感粗糙。玻屑凝灰?guī)r單層厚度在2.00～20.00 cm，主要為薄-中層。橫向上順層分布，巖層分布均勻，厚度穩(wěn)定。

玻屑凝灰?guī)r具有凝灰結構，玻屑多為剛性玻屑，形態(tài)多樣，呈弧形、月牙形、雞骨狀、不規(guī)則尖角狀、海綿骨針狀等多種典型特征（圖3a，b）。單偏光下顆粒邊界清晰，容易識別，正交光下全消光。根據(jù)顆粒粒度分級，又可將其劃分為粉砂級玻屑凝灰?guī)r、細砂級玻屑凝灰?guī)r等。玻屑顆粒最長邊可達0.25 mm，最小者為火山塵（直徑小于0.005 mm）。玻屑凝灰?guī)r普遍發(fā)生蝕變作用，且蝕變產(chǎn)生的粘土礦物較多，部分長石晶屑顆粒邊緣被粘土物質膠結，形成一層粘土膜。鑄體薄片顯微鏡下觀察可見玻屑凝灰?guī)r孔隙及微裂縫較發(fā)育，顯示良好的儲集性能（圖3b）。玻屑凝灰?guī)r礦物組分中石英平均含量約51.80%，長石平均含量約17.87%，粘土礦物平均含量約為29.30%（其中沸石比較發(fā)育，平均含量高達21.83%）。

2.2.2 晶屑質玻屑凝灰?guī)r

晶屑質玻屑凝灰?guī)r主要是指玻屑含量大于50%，晶屑含量介于25%～50%的凝灰?guī)r。晶屑質玻屑凝灰?guī)r主要位于長73亞段底部。根據(jù)顆粒粒度分級，又可將其劃分為粉砂級晶屑質玻屑凝灰?guī)r、細砂級晶屑質玻屑凝灰?guī)r等，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育粉砂級晶屑質玻屑凝灰?guī)r。野外剖面上晶屑質玻屑凝灰?guī)r層風化面呈灰黃色，新鮮面呈灰黑色。橫向上順層分布，巖層分布比較均勻，單層厚度在10～30 cm，單層厚度在橫向上變化較小。

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，晶屑大小一般不超過1.00 mm，多數(shù)在0.10～0.50 mm，常呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓狀等（圖3c）。晶屑多為石英及長石，石英晶屑表面光潔，常具有不規(guī)則的裂紋；長石晶屑多沿解理產(chǎn)生明顯裂紋，顆粒邊緣常呈溶蝕港灣狀。玻屑形態(tài)多樣，可見海綿骨針狀、弧形、弓形、杏仁狀等，顆粒大小不等（圖3d）。晶屑質玻屑凝灰?guī)r中可見假流紋構造的特征。晶屑質玻屑凝灰?guī)r礦物組分中的石英平均含量比玻屑凝灰?guī)r中的略低，約為45.60%，長石平均含量約22.08%，粘土礦物平均含量約為28.62%，其中沸石平均含量較低，僅為5.48%。

圖3 鄂爾多斯盆地南部長73亞段不同類型凝灰?guī)r鏡下顯微照片特征Fig.3 Micrographs showing the characteristics of different types of the Chang 73 tuffs in the southern Ordos Basin

2.2.3 晶屑凝灰?guī)r

晶屑凝灰?guī)r是指晶屑含量大于75%的凝灰?guī)r。根據(jù)顆粒粒度分級，又可將其劃分為粉砂級晶屑凝灰?guī)r、細砂級晶屑凝灰?guī)r等，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育細砂級晶屑凝灰?guī)r。

晶屑凝灰?guī)r主要以紋層或薄層形式分布于“張家灘頁巖”中。晶屑以長石及石英為主，粒徑最大可達0.25 mm（圖3e）。分選性一般，相比玻屑凝灰?guī)r和晶屑質玻屑凝灰?guī)r來說較好。常見不規(guī)則的裂紋和港灣狀的溶蝕特征。部分斜長石晶屑具有較高的自形程度，常見沿解理的破裂和明顯的裂紋（圖3f）。

2.2.4 沉凝灰?guī)r

沉凝灰?guī)r是粒徑小于2.00 mm，火山碎屑物質含量介于50%～90%，由火山碎屑巖向沉積巖過渡的一種巖相類型。根據(jù)顆粒粒度分級，又可將其劃分為粉砂級沉凝灰?guī)r、細砂級沉凝灰?guī)r等。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育粉砂級沉凝灰?guī)r，單層厚度在10～30 cm，主要為中-厚層。沉凝灰?guī)r顏色呈灰黑色或灰黃色，可見變形構造發(fā)育。

顯微鏡下，沉凝灰?guī)r除了晶屑、玻屑及火山塵之外，還含有其他陸源碎屑沉積物質（圖3g，h）。與尖角狀、棱角狀的晶屑不同，陸源碎屑沉積顆粒具有一定的磨圓度，粒度與晶屑顆粒相近，大多數(shù)不足0.50 mm，多為石英、長石碎屑顆粒。碎屑顆粒表面光潔，沒有明顯的裂紋。部分顆粒邊緣被溶蝕，有的蝕變?yōu)檎惩恋V物。該巖相石英平均含量約為44.80%，長石平均含量約為17.07%，粘土礦物平均含量較高，約為36.70%。

2.2.5 凝灰質砂巖

凝灰質砂巖類的火山碎屑物質含量小于50%，沉積碎屑含量高，以砂質顆粒為主。厚度同樣分布均勻，單層厚度在10~20 cm。按照粒度和厚度等級劃分，主要為薄-中層凝灰質細砂巖和凝灰質粉砂巖。

凝灰質砂巖層風化面顏色與晶屑質玻屑凝灰?guī)r相似，呈現(xiàn)灰黃色，新鮮面呈灰黑色或灰黃色，與晶屑質玻屑凝灰?guī)r相比顏色稍淺。組分主要包括石英、長石、云母等礦物?？梢婇L石雙晶、蝕變粘土礦物，分選磨圓較差（圖3i）。該巖相石英平均含量約為47.50%，長石平均含量約為32.70%，粘土礦物平均含量7.10%，此外還有碳酸鹽礦物含量7.30%，褐鐵礦含量5.50%。

2.2.6不同巖相發(fā)育程度

研究區(qū)長73亞段下部與中上部發(fā)育的凝灰?guī)r在厚度及巖相上有著明顯差異。長73亞段下部凝灰?guī)r厚度較厚，主要為中-厚層凝灰?guī)r，單層厚度在10～50 cm。巖相主要為晶屑質玻屑凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r及玻屑凝灰?guī)r。在長73亞段中上部，凝灰?guī)r主要發(fā)育在“張家灘頁巖”段中，以頁巖中夾層的形成產(chǎn)出，厚度較薄，主要為紋層-薄層凝灰?guī)r，單層厚度從幾毫米到十幾厘米不等。“張家灘頁巖”段中凝灰?guī)r夾層雖然厚度薄，但發(fā)育頻率高，可達110條/m，凝灰?guī)r夾層累計厚度可占“張家灘頁巖”段厚度的30.40%。其中凝灰?guī)r夾層大部分為晶屑凝灰?guī)r，約占50.00%，其次為沉凝灰?guī)r、凝灰質砂巖。整體上，長73亞段各巖相所占比例有一定差異。以研究區(qū)系統(tǒng)取心井彬1井為例，對各類凝灰?guī)r巖相所占比例進行統(tǒng)計和分析，其中沉凝灰?guī)r最發(fā)育（32.90%），其次為晶屑凝灰?guī)r（30.70%）、凝灰質砂巖（16.50%）及晶屑質玻屑凝灰?guī)r（14.00%），玻屑凝灰?guī)r含量較少（5.90%）。

3 凝灰?guī)r沉積特征及成因

根據(jù)巖心和野外觀測、薄片觀察以及粒度分析等結果，并結合凝灰?guī)r母質來源和大地構造背景，對研究區(qū)凝灰?guī)r沉積類型進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地南部長73亞段凝灰?guī)r沉積成因復雜。其中，“張家灘頁巖”內(nèi)部的凝灰?guī)r夾層多為火山灰沉降形成，“張家灘頁巖”下部的中-厚層凝灰?guī)r沉積類型多樣，整體為重力流成因。

3.1 火山灰沉降

降落型火山碎屑沉積是指火山噴發(fā)碎屑物質在大氣中經(jīng)過風力作用分異形成。當火山物質隨風搬運時，隨著風力、粒度和密度等發(fā)生變化，火山碎屑顆粒依次沉降，一般粒度較大的先沉降，而且分選性較好。

通過巖心觀察分析，在長73亞段的“張家灘頁巖”內(nèi)部發(fā)育大量的凝灰?guī)r紋層，紋層厚度從幾毫米到幾厘米不等（圖4a，b）。紋層總數(shù)有上千條，最大密度可達260條/m。顏色以深灰色、灰黃色、灰褐色和灰色為主，少量為淺綠色。紋層巖性類型大部分為晶屑凝灰?guī)r，大約占50%，并發(fā)育玻屑凝灰?guī)r。

凝灰?guī)r紋層橫向上分布廣泛，與黑色烴源巖順層分布、交替發(fā)育，反映空中降落的火山物質沉積與深湖相烴源巖沉積是同時進行的（圖4）。紋層連續(xù)性好，紋層厚度幾乎沒有變化。晶屑顆粒弱定向排列，單一紋層從下到上粒度逐漸變小，顯示正粒序特征（圖4d），符合沉降成因規(guī)律。該凝灰?guī)r紋層的上、下兩端均與富有機質黑色頁巖接觸，且上、下的黑色頁巖中紋層發(fā)育穩(wěn)定，未有被水流擾動的跡象，指示在靜水環(huán)境下形成（圖4c，d）。另外凝灰?guī)r紋層內(nèi)還發(fā)育膠磷礦，指示凝灰質的沉降與有機質沉降同時進行（圖4d）。由此推斷，“張家灘頁巖”段內(nèi)發(fā)育的較薄凝灰?guī)r夾層/紋層為安靜水體環(huán)境下經(jīng)沉降形成。由于風力、粒度和密度等的差異，微觀薄片上的部分晶屑凝灰?guī)r厚度有一定變化。由于沉降壓實作用，有機質紋層及凝灰質紋層可見部分發(fā)生變形彎曲。

圖4 鄂爾多斯盆地南部火山灰沉降成因凝灰?guī)r特征照片F(xiàn)ig.4 Characteristics of tuffs of volcanic ash deposition origin in the southern Ordos Basin

另外，在三疊紀發(fā)育泛大陸，地球南、北半球熱量對比強，赤道兩側較大的熱量差異可以形成強大季風循環(huán)［34-36］。在北半球為夏季時，南半球為高壓帶，氣流向北穿過特提斯洋，向北半球的低壓帶流動，在北半球形成西南季風［34，37］。到晚三疊紀早期，季風強度達到最大值［36］，為火山灰的風力搬運提供了有利條件。鄂爾多斯盆地長73亞段黑色頁巖層系中發(fā)育廣泛的薄層凝灰?guī)r，可能為秦嶺造山帶火山噴發(fā)時，在西南季風的作用下，火山灰從秦嶺搬運到東北部的湖盆，進而沉降形成。

3.2 重力流沉積

前人在對鄂爾多斯盆地延長組砂巖儲層研究中發(fā)現(xiàn)其廣泛發(fā)育深水重力流沉積［38-40］，且深水砂體的成因具有多種類型，如濁流、砂質碎屑流、異重流等。通過巖心觀察，在一些富凝灰質的巖層中也發(fā)現(xiàn)了指示重力流沉積的證據(jù)，比如鮑馬序列、液化巖脈、滑塌變形、沖刷面、火焰狀構造、泥巖撕裂屑及粒序層理等沉積構造，這些沉積構造大多發(fā)育在長73亞段底部中-厚層凝灰?guī)r中。此外，凝灰?guī)r的重力流沉積也具有不同的類型，主要包括濁流沉積、碎屑流沉積、滑塌沉積等。

3.2.1 濁流沉積

濁流是顆粒被湍流支撐且具有流變學特征的一種重力流。隨著水動力減弱，水流擾動能力降低，所攜帶的沉積物顆粒按照從大到小依次沉積，形成向上變細的正粒序，粒序層理是濁流沉積的重要特征之一［41］。多個凝灰?guī)r單層可見粒度變化，從下到上粒度減小，顯示正粒序。凝灰?guī)r底部發(fā)育沖刷面構造（圖5a—c），指示該富凝灰?guī)r段在沉積時對下伏地層具有沖刷作用。在巖心上可觀察到火焰狀構造（圖5f），亦指示重力流沉積成因。研究區(qū)長73亞段底部凝灰?guī)r巖心可見鮑馬序列發(fā)育（圖6），最底部為具有正遞變層理的巖層（A段），往上為具有平行層理的B段巖層，C段巖層發(fā)育小型波狀交錯層理及變形層理，頂部為E段塊狀泥巖。長73亞段底部凝灰?guī)r正粒序層理、沖刷面、火焰構造以及鮑馬序列等特征指示了濁流沉積成因。

圖5 鄂爾多斯盆地南部彬1井富凝灰質巖層巖心特征照片F(xiàn)ig.5 Core photos showing the characteristics of the highly tuffaceous rocks in Well Bin 1 in the southern Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地南部富凝灰?guī)r層鮑馬序列Fig.6 Diagram showing the Bouma sequence developed in the highly tuffaceous deposits in the southern Ordos Basin

在巖心及野外露頭上可見多期濁流沉積發(fā)育，巖性主要為凝灰質細砂巖、晶屑質玻屑凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r，以沉凝灰?guī)r為主，巖石顆粒分選性和磨圓性均較差。濁流沉積的富凝灰質巖層橫向展布較好，厚度在0.10～0.30 m，從下到上粒度變小，顯示正粒序特點。

3.2.2 砂質碎屑流沉積

砂質碎屑流是由Hampton在1975年提出，并由Shanmugam等進一步發(fā)展完善［42-46］。砂質碎屑流是一種富砂的具有塑性流變性質的深水重力流，屬于賓漢塑性流體，流態(tài)往往呈層流，流體濃度高，沉積時表現(xiàn)為整體塊狀固結［38，47］。砂質碎屑流成因的砂體往往具有塊狀層理，頂部具有漂浮的泥礫或泥巖撕裂屑，并可表現(xiàn)為下細上粗的反粒序。在平面上往往呈不規(guī)則的舌狀體，沉積幾何體具有側向尖滅的特征。

通過野外剖面觀察可以看到，長73亞段底部有的凝灰質砂巖層整體上呈中間厚、向端部減薄至尖滅的特征，整體呈舌狀體構造（圖7a，b）。凝灰質砂巖層中部厚度變化不大，小于0.50 m，屬于中層凝灰質砂巖（圖7）。在橫切物源的剖面上可見舌狀體在側向上遷移的特征（圖7f）。該凝灰?guī)r層整體呈塊狀，不發(fā)育層理，與頂部及底部火山碎屑沉降作用形成的玻屑凝灰?guī)r呈突變接觸，反映沉積物為塊體凍結的塑性流變特征。結合粒度分析發(fā)現(xiàn)，該層從下到上粒度逐漸增大，顯示反粒序特征（圖7c）。巖心上可觀察到凝灰質砂巖的上部發(fā)育泥巖撕裂屑（圖6d，e）。泥巖撕裂屑主要為深灰色，指示其形成于深水沉積，在沉積后半固結狀態(tài)時被打碎、沖刷并隨著砂質通過碎屑流一起搬運，搬運過程中暗色泥巖被撕裂，但是部分暗色泥巖仍未完全分離，最終隨著運動加劇和變形程度的提高，泥質碎屑以漂浮狀完全分離開，不均勻地散布在基質之中［48］。以上特征表明，長73亞段底部的凝灰質砂巖為層狀流體的碎屑流沉積成因。

3.2.3 滑塌沉積

研究區(qū)長73亞段富凝灰質巖石的巖心中可見滑塌變形構造（圖8a—c）?；冃瓮殡S有液化巖脈構造，與周圍較軟凝灰?guī)r相比，液化巖脈顏色淺至灰白色，呈“S”型彎曲形變（圖8d—f）。這些現(xiàn)象指示富凝灰?guī)r層具有滑塌沉積成因的特征?；冃我?guī)模較小，滑塌變形構造及液化巖脈的規(guī)模一般幾厘米到十幾厘米，指示滑塌作用有限?；练e的存在說明研究區(qū)在沉積長73亞段下部富凝灰質巖石時尚未完全進入湖盆深湖區(qū)，存在一定的坡度，在火山噴發(fā)等誘發(fā)因素的作用下，富凝灰質巖層發(fā)生小規(guī)模的滑塌，形成滑塌變形及液化巖脈構造。

圖8 鄂爾多斯盆地南部彬1井富凝灰質巖層滑塌變形及液化巖脈特征巖心照片F(xiàn)ig.8 Core photos showing the characteristics of slumping deformation and liquefaction veins in the highly tuffaceous deposits in Well Bin 1 in the southern Ordos Basin

3.3 凝灰?guī)r沉積模式

在橫切物源的剖面露頭上，可明顯觀察到長73亞段底部的凝灰?guī)r發(fā)育典型水道樣式（圖7d—f），為重力流水道沉積，指示該區(qū)發(fā)育溝道體系的碎屑流及濁流。剖面上單個水道具有典型的頂平底凸特征，水道寬度在1.00～5.00 m，厚度在0.15～1.00 m，寬厚比在2～10。剖面上可見多期水道側向拼接，顯示重力流水道多次側向遷移的特征。鏡下觀察表明，重力流水道中沉積的巖性大多數(shù)為粉砂級到細砂級沉凝灰?guī)r，含有少量的粉砂級玻屑凝灰?guī)r和晶屑質玻屑凝灰?guī)r。

圖7 鄂爾多斯盆地南部長73亞段底部富凝灰質巖層露頭剖面特征Fig.7 Outcrop characteristics of the highly tuffaceous deposits at the bottom of Chang 73 in the southern Ordos Basin

研究區(qū)長7段沉積時期為半深湖-深湖相，構造活動強烈。前人研究認為組成凝灰?guī)r的火山物質來源與西南秦嶺造山帶密切相關［1，49-50］。經(jīng)過火山噴發(fā)活動，一部分噴出的火山灰在盆地附近地區(qū)形成火山碎屑物質堆積。凝灰物質在地震、火山等外界觸發(fā)機制作用下再次搬運沉積，在重力作用下進入深湖區(qū)，形成了大量的重力流沉積并搬運到半深湖-深湖形成中-厚層凝灰?guī)r，進而形成溝道體系的碎屑流及濁流，可發(fā)育碎屑流形成的舌狀體及濁流形成的濁積扇（圖9）。在搬運的過程中，火山碎屑物質與陸源碎屑沉積物混合形成沉凝灰?guī)r或凝灰質砂巖，并且侵蝕盆內(nèi)沉積的黑色泥頁巖，形成泥巖撕裂屑。另一部分在火山爆發(fā)時受噴發(fā)氣流及當時季風的帶動進入到空氣中，當風力減弱時，火山碎屑物質開始降落，后沉降至水體中，其沉積與深湖相泥巖沉積同時進行，互層產(chǎn)出（圖9）?；鹕綁m降落地點離火山口可以較遠，降落后幾乎不發(fā)生搬運和剝蝕作用，因此火山灰沉降型凝灰?guī)r的形成時間與同期的火山活動時間相近。

圖9 鄂爾多斯盆地南部長73亞段凝灰?guī)r沉積模式Fig.9 Sedimentary model of the Chang 73 tuffs in the southern Ordos Basin

4 凝灰?guī)r儲層特征

4.1 凝灰?guī)r儲集空間類型

凝灰?guī)r儲集空間類型包括基質孔隙、有機質邊緣孔隙以及裂縫。其中，基質孔隙包括粒間孔縫（含脫?；祝⒘?nèi)孔縫、晶間孔隙等。裂縫包含構造縫及成巖縫等。

凝灰?guī)r中粒間孔隙包括兩種類型。一種為原生粒間孔隙，為火山碎屑、晶屑或陸源碎屑之間發(fā)育的孔隙（圖10a）。凝灰?guī)r的碎屑成分以石英和長石為主，因此凝灰?guī)r儲層內(nèi)的粒間孔隙多為石英粒間孔和長石粒間孔。掃描電鏡下可見，粒間孔形狀不一，主要為多邊形及不規(guī)則狀?？紫吨睆街饕獮?.06～20.00μm，為納米級-微米級孔隙。凝灰?guī)r中玻屑、晶屑或巖屑顆粒邊緣與周邊物質間也可形成粒邊縫（圖10b）。粒邊縫形狀受顆粒形狀限制，多為不規(guī)則長縫狀。另外一種為次生粒間孔隙，主要為凝灰?guī)r中火山玻璃物質在成巖過程中發(fā)生脫?；饔眠M而產(chǎn)生的脫?；住Ｔ诿摬；^程中，一部分組分隨著孔隙水流失掉，另一部分組分發(fā)生轉化，由玻璃質變?yōu)樾碌牡V物［51-52］。形成新礦物時，相對原始顆粒來說體積縮小，從而不同礦物之間發(fā)育了大量的微孔隙［53-58］。研究區(qū)的凝灰?guī)r經(jīng)過脫?；饔茫纬纱罅考毿〉奈⒕?，從而在石英顆粒之間形成脫?；祝▓D10c）。脫?；自谀?guī)r儲層的粒間孔隙中較為常見，也是一種非常重要的孔隙類型。粒間孔可進一步被溶蝕，形成擴大的溶蝕粒間孔（圖10d）。

圖10 鄂爾多斯盆地南部彬1井長73亞段凝灰?guī)r孔隙特征照片F(xiàn)ig.10 Pore characteristics of the Chang 73 tuffs in Well Bin 1 in the southern Ordos Basin

粒內(nèi)孔縫存在于凝灰?guī)r顆粒內(nèi)部。顆粒內(nèi)部受到溶蝕作用形成粒內(nèi)孔，如凝灰?guī)r中長石含量相對較高，且容易遭受溶蝕，因此粒內(nèi)孔隙主要為長石溶蝕孔隙（圖10e）。長石粒內(nèi)溶孔形狀不規(guī)則，弧形、方形和棱角形等均可發(fā)育，受溶蝕作用程度的影響，粒內(nèi)溶孔的形狀和大小也存在差異。一般為多邊形或不規(guī)則狀，直徑在10.00～700.00 nm。另外，在凝灰?guī)r晶屑內(nèi)部往往發(fā)育晶面裂縫（圖10f）。晶面裂縫常見于凝灰?guī)r晶屑表面，沿解理縫或薄弱地方發(fā)育不規(guī)則的條形縫隙，或相互交錯形成網(wǎng)狀裂縫。晶屑表面縫隙往往由于巖漿噴發(fā)時釋放的巨大能量，或者晶屑從地下噴出后壓力及溫度驟降，造成晶屑表面破裂。

晶間孔主要是凝灰?guī)r中自生黃鐵礦及自生粘土礦物晶體之間的孔隙（圖10g）。這類微孔隙的孔徑微小，多為微孔級別。粘土礦物晶間孔，長度幾十納米至幾微米不等。黃鐵礦晶間孔一般為多邊形狀，直徑在20.00～2000.00 nm。

凝灰?guī)r中也含有一定數(shù)量的有機質。在有機質與周邊礦物顆粒接觸部位，因有機質發(fā)生收縮，與周邊礦物顆粒間出現(xiàn)孔隙，形成有機質邊緣孔隙（圖10h）。有機質邊緣孔隙一般呈長條狀發(fā)育在有機質邊緣與巖石顆粒之間，直徑在60.00～1000.00 nm。

凝灰?guī)r中常見裂縫發(fā)育，包括構造縫及成巖縫。凝灰?guī)r中構造縫多為高角度裂縫，也發(fā)育平行層理的層理縫（圖10i），層理縫中一般無充填，高角度構造縫中大多數(shù)無充填，少部分被全充填。沿裂縫常見溶蝕孔發(fā)育。巖心觀察中，可見長73亞段凝灰?guī)r裂縫中有較好的油氣顯示，表明這些裂縫是油氣儲集空間及運移的重要通道。

4.2 巖相對凝灰?guī)r儲層物性的控制作用

研究區(qū)富凝灰質巖石孔隙度在2.33%～12.62%，平均為7.20%，滲透率在（0.000 5～0.281 0）×10-3μm2，平均為0.078 3×10-3μm2。富凝灰質巖石的孔隙度與滲透率總體高于長73亞段頁巖，在頁巖層系中可充當頁巖油氣的甜點。

不同巖相的富凝灰質巖石具有不同的孔隙類型。玻屑凝灰?guī)r的孔隙較發(fā)育，其次為晶屑質玻屑凝灰?guī)r和凝灰質砂巖，而晶屑凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r的面孔率最小?？紫额愋头矫?，玻屑凝灰?guī)r的孔隙類型以粒間孔為主，并且發(fā)育一定的粒邊縫；晶屑質玻屑凝灰?guī)r的孔隙類型中粒間孔約占50%，其次粒內(nèi)孔和粒邊縫比較發(fā)育；由于晶屑凝灰?guī)r多以紋層形式夾于高有機質頁巖內(nèi)，晶屑含量多，受火山噴發(fā)作用的影響，多發(fā)育晶面裂紋，晶面縫比例相對較高。沉凝灰?guī)r和凝灰質砂巖的粘土礦物含量較高，除粒間孔外，多發(fā)育粘土礦物晶間孔。

不同巖相之間的孔隙度和滲透率也存在差異。玻屑凝灰?guī)r孔隙度在8.46%～12.61%，平均為10.11%，滲透率在（0.111 0～0.281 0）×10-3μm2，平均為0.196 0×10-3μm2；晶屑質玻屑凝灰?guī)r孔隙度在4.53%～9.73%，平均為6.25%，滲透率在（0.004 3～0.088 1）×10-3μm2，平均為0.063 4×10-3μm2；沉凝灰?guī)r孔隙度在2.33%～12.55%，平均為3.98%，滲透率在（0.000 5～0.099 3）×10-3μm2，平均為0.033 6×10-3μm2；凝灰質砂巖孔隙度在6.45%～8.24%，平均為7.34%，滲透率在（0.008 7～0.106 0）×10-3μm2，平均為0.057 3×10-3μm2。

由此可見，巖相控制著富凝灰質巖石的物性，凝灰?guī)r的巖相對凝灰?guī)r儲集空間類型、發(fā)育程度等有明顯的控制作用。研究區(qū)不同巖相的富凝灰質巖石具有不同的孔隙類型及孔隙度、滲透率特征。玻屑凝灰?guī)r的儲層物性最好，其次為晶屑質玻屑凝灰?guī)r和凝灰質砂巖，而沉凝灰?guī)r的儲層物性最差。

5 結論

1）根據(jù)火山碎屑相對含量、粒度大小、碎屑物態(tài)相對含量等方面對凝灰?guī)r巖相進行系統(tǒng)劃分。研究區(qū)長73亞段富凝灰質巖石主要發(fā)育5種巖相類型，分別為：玻屑凝灰?guī)r、晶屑質玻屑凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰質砂巖。不同巖相的特征具有明顯差異。

2）研究區(qū)凝灰?guī)r儲層存在火山灰沉降和重力流兩種成因類型。沉降型凝灰?guī)r主要以紋層形式分布在“張家灘頁巖”內(nèi)，厚度較薄，有一定的含油性，但單層難以形成大規(guī)模儲層；重力流成因的凝灰?guī)r主要分布在長73亞段下部，發(fā)育溝道體系的碎屑流和濁流沉積以及小型滑塌沉積，厚度較大，含油性好，可形成一定規(guī)模的有利儲層。

3）凝灰?guī)r儲集空間類型包括基質孔隙、有機質邊緣孔隙以及裂縫。其中，基質孔隙包括粒間孔縫（含脫?；祝⒘?nèi)孔縫、晶間孔隙等。裂縫包含構造縫及成巖縫等。其中脫?；自谀?guī)r儲層的粒間孔隙中較為常見，是一種重要的孔隙類型，并可進一步被溶蝕，形成擴大的溶蝕粒間孔。

4）巖相對凝灰?guī)r儲集空間類型、發(fā)育程度等有明顯的控制作用，其中玻屑凝灰?guī)r的孔滲條件最好，其次為晶屑質玻屑凝灰?guī)r和凝灰質砂巖，而沉凝灰?guī)r的孔滲條件最差。