鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東北側(cè)懷遠(yuǎn)運動不整合特征及其對巖溶儲層形成的意義

張軍濤，張玉銀，谷 寧，金曉輝，張 濤，劉四洪，賈會沖，楊佳奇，劉 玲，高曉鵬

［1.中國石化 深部地質(zhì)與資源重點實驗室，北京 102206；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國石化 華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083］

巖溶儲層是碳酸鹽巖油氣藏中最重要的儲層類型之一［1］，一直是碳酸鹽巖儲層研究的熱點，塔河油田、威遠(yuǎn)氣田、安岳氣田以及順北油氣田等海相大型油氣田就屬于巖溶儲層［2-5］。巖溶儲層的發(fā)育與分布受不整合面控制［6-7］。

加里東期Ⅲ幕—海西期不整合控制并形成了鄂爾多斯盆地靖邊氣田等巖溶儲層［8-10］。對于這一期不整合相關(guān)的巖溶特征、發(fā)育機制以及分布規(guī)律，學(xué)者已做了大量細(xì)致的研究并認(rèn)為含膏云坪、顆粒灘相和微生物丘是儲層發(fā)育的有利相帶［11-15］，古地貌中的殘丘是儲層發(fā)育的有利部位［16］，而差異性充填作用則是影響儲層質(zhì)量的重要因素［17］。

鄂爾多斯盆地早古生代內(nèi)部除了加里東期（Ⅲ幕）發(fā)育不整合之外，還存在與懷遠(yuǎn)運動（加里東期Ⅰ幕、Ⅱ幕）和薊縣運動等相關(guān)的大型不整合［18-19］。其中，懷遠(yuǎn)運動相關(guān)不整合廣泛發(fā)育于華北全區(qū)［20］，開始于張夏組沉積末期，結(jié)束于馬家溝組沉積早期，持續(xù)時間約為30 Myr［21］，其成因可能與全球性的海平面下降以及秦嶺-祁連板塊的俯沖有關(guān)［22］。此次不整合誘發(fā)了廣泛發(fā)育的白云巖化作用及巖溶作用，因此可以發(fā)現(xiàn)在盆地內(nèi)的一些鉆井和野外剖面不整合面之下的三山子組和冶里組-亮甲山組中發(fā)育較好儲層［21］。

但是，關(guān)于懷遠(yuǎn)運動相關(guān)不整合面上、下特征差異和演化過程，以及巖溶儲層形成與演化規(guī)律等問題，目前仍缺乏足夠的關(guān)注。本文選取鄂爾多斯盆地烏審旗隆起附近的大牛地地區(qū)，分析典型鉆井的懷遠(yuǎn)運動不整合面上下地層、巖石、儲層和地球化學(xué)特征，對比懷遠(yuǎn)運動前、后的環(huán)境差異，并探討懷遠(yuǎn)運動對儲層的影響，試圖最終建立懷遠(yuǎn)運動不整合面相關(guān)巖溶儲層的形成模式。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)主要發(fā)育廣袤的陸表海，沉積格局受鎮(zhèn)原、伊盟、呂梁和烏審旗4 個古隆起控制［23-25］。烏審旗隆起又稱為烏審旗-靖邊隆起或橫山凸起，位于鄂爾多斯盆地北部，伊盟隆起南側(cè)，發(fā)育于寒武紀(jì)—馬家溝組沉積早期。其核部表現(xiàn)為奧陶系馬家溝組直接覆蓋在中元古界長城系之上，缺失整個寒武系［25］，周緣則為寒武系各組依次向古隆起超覆。懷遠(yuǎn)運動在古隆起周緣表現(xiàn)得尤為明顯，為對比研究該期的不整合特征提供了便利。

研究區(qū)位于烏審旗隆起東北側(cè)，懷遠(yuǎn)運動不整合發(fā)育較為明顯（圖1），下伏寒武系由西向東分布差異較大。如在東部的D78井中，寒武系發(fā)育較全，而在西北部以及南部的D67井和E4井，缺失徐莊組和毛莊組，張夏組直接覆蓋在基底之上；西南部處于烏審旗隆起的核心部位，如D124井則缺失整個寒武系，上覆馬家溝組直接超覆在長城系基底（圖2）。而上覆的馬家溝組在研究區(qū)內(nèi)分布較為穩(wěn)定，超覆在寒武系之上。

圖1 鄂爾多斯盆地烏審旗古隆起附近前馬家溝組古地質(zhì)圖（a）及地層柱狀圖（b）Fig.1 Paleo-geology map（a）and stratigraphic composite column（b）of the Majiagou Formation near the Wuzhengqi paleo-uplift in the Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東側(cè)地層接觸關(guān)系（剖面位置見圖1）Fig.2 Stratigraphic contact relationship of the eastern Wushenqi uplift in the Ordos Basin（see the profile location in Fig.1）

2 不整合特征

2.1 地層特征

懷遠(yuǎn)運動不整合為近平行不整合，但在華北不同地區(qū)中，地層之間的接觸關(guān)系卻存在明顯差異，反映了懷遠(yuǎn)運動啟動和持續(xù)時間的不一致。在華北東北部的燕遼地區(qū)表現(xiàn)為馬家溝組與亮甲山組接觸，而在東南部的徐淮地區(qū)表現(xiàn)為馬家溝組與三山子組接觸［26-27］。位于華北西部的鄂爾多斯盆地不整合面上、下地層接觸也不盡相同：大部分地區(qū)為馬家溝組和三山子組接觸；古隆起周緣為馬家溝組與張夏組、徐莊組甚至前寒武系基底接觸；在盆地東南部，馬家溝組與冶里組-亮甲山組接觸［19］。研究區(qū)大牛地除西南部外，大部分區(qū)域懷遠(yuǎn)運動不整合表現(xiàn)為馬家溝組一段與三山子組接觸（圖1）。

2.2 巖石學(xué)特征

不整合面上、下地層雖然均以碳酸鹽巖沉積為主，但巖性、測井響應(yīng)差異很大，可能反映了懷遠(yuǎn)運動前、后沉積環(huán)境的顯著變化。

不整合面之下的三山子組在研究區(qū)可分為兩個巖性段：上部白云巖段和下部砂-泥-云混雜段。其中，上部的細(xì)晶白云巖在測井響應(yīng)上具有平滑低伽馬值、高電阻率的特征，是儲層發(fā)育段（圖3，圖4，圖5a—c）。

不整合面之上的馬（馬家溝組）一段是研究區(qū)經(jīng)歷懷遠(yuǎn)運動后的第一套沉積物。馬一段總體上巖性復(fù)雜，呈現(xiàn)出膏-云-泥-砂混雜特征：石英碎屑多呈圓-次圓狀，含量較多時，表現(xiàn)為顆粒支撐，石英碎屑之間發(fā)育白云石、硬石膏和泥質(zhì)膠結(jié)；當(dāng)石英含碎屑量較少時，表現(xiàn)為雜基支撐，碎屑“懸浮”在碳酸鹽巖之中。西部（靠近隆起區(qū)）石英碎屑含量較大，而東部（遠(yuǎn)離隆起區(qū)）含量變小。測井響應(yīng)上，混雜段具有較高的GR值，呈鋸齒狀，中等電阻率值（圖3，圖4，圖5d—f）。

圖3 鄂爾多斯盆地烏審旗古隆起東側(cè)懷遠(yuǎn)運動不整合聯(lián)井剖面（剖面位置見圖1）Fig.3 Cross-well correlation of the unconformity resulted from Huaiyuan movement to the east of the Wushengqi paleo-uplift in the Ordos Basin（see Fig.1 for the section location）

圖4 鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東側(cè)三山子組巖心特征照片F(xiàn)ig.4 Characteristics of the cores from the Sanshanzi Formation to the east of the Wushenqi uplift in the Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東側(cè)懷遠(yuǎn)運動不整合面上、下巖石學(xué)特征鏡下照片F(xiàn)ig.5 Petrological characteristics of samples above and below the unconformity resulted from Huaiyuan movement to the east of the Wuzhengqi uplift in the Ordos Basin

2.3 地球化學(xué)特征

研究區(qū)懷遠(yuǎn)運動不整合面上、下的奧陶系馬一段與寒武系三山子組在常量元素、微量元素、稀土元素和碳、氧同位素等方面也存在較大差異，也是懷遠(yuǎn)運動前、后沉積環(huán)境變化的響應(yīng)。

2.3.1 常量元素

常量元素分析涉及A12O3，SiO2，TiO2，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eO，CaO，MgO 和K2O 等氧化物。沉積物中常量元素的含量與沉積物類型存在必然的相關(guān)性，元素的豐度明顯受沉積物類型控制［28-29］。其中，SiO2和A12O3代表了陸源碎屑組分，CaO和MgO則代表了碳酸鹽巖組分。

大牛地地區(qū)三山子組碳酸鹽巖具有非常高的CaO和MgO 含量，分別為29.88 %和22.35 %，而A12O3，SiO2，TiO2，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eO，K2O 等含量都非常低（圖6a），屬于正常的海水碳酸鹽巖，沉積時處于相對干凈的正常鹽度的海水環(huán)境，且基本無陸源淡水補給。

相對于三山子組的純凈碳酸鹽巖，馬一段中膏-云-泥混雜段中的CaO 和MgO 含量較低，分別為24.78 %和18.40 %，而A12O3，SiO2，TiO2，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eO，K2O 等含量較高（圖6a）。SiO2，A12O3，F(xiàn)e2O3+FeO 含量分別為3.50 %，1.00 %和0.80 %，TiO2和K2O 含量總體上略低，分別為0.79 %和0.01 %，反映了高含量的非碳酸鹽陸源碎屑物質(zhì)輸入。高含量的SiO2和A12O3與馬一段含有大量的石英碎屑和黏土礦物有關(guān)。

圖6 鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東側(cè)懷遠(yuǎn)運動不整合面上、下常量元素-微量元素特征Fig.6 Characteristics of major-trace elements above and below the unconformity surface resulted from Huaiyuan movement to the east of Wushenqi uplift in the Ordos Basin

2.3.2 微量元素

相對常量元素而言，微量元素十分穩(wěn)定。Th，U，V，Ti，Zr，Sc，Co等微量元素受到成巖作用影響很小，可以用來分析巖層的沉積環(huán)境。

Th/U 含量比值常作為氧化-還原條件的判別指標(biāo)，在氧化環(huán)境中可達(dá)到8.00 以上，而缺氧環(huán)境中為0～ 2.00。三山子組具有較低的Th/U 比值，范圍在0.39～3.96，對應(yīng)弱還原環(huán)境。馬一段較三山子組的Th/U 比值略高，為1.02～ 1.29，但也屬于相對還原環(huán)境（圖6b）。

V 含量也可以作為水體的氧化-還原環(huán)境的判別指標(biāo)。V 在缺氧或弱還原環(huán)境中會優(yōu)先富集在沉積物中，通常用V/Sc，V/Ni 和V/（V+Ni）含量比值來反映V的富集程度［29-30］。馬一段V/Sc 比值在12.25～ 13.14，三山子組在23.90～ 37.86，均大于地殼平均值（7.90），基本反映了缺氧的水體環(huán)境（圖6b）。三山子組較馬一段的V/Sc比值更高，沉積環(huán)境更加缺氧。

Sr主要富集在海水之中，Sr/Ba 含量比值能夠反映古鹽度的變化趨勢。當(dāng)Sr/Ba ≥ 1時為海相沉積，Sr/Ba ＜1時為陸相沉積［31］。高度咸化條件下的海相沉積通常表現(xiàn)為較高的Sr/Ba 異常值。馬一段Sr/Ba 比值為2.91～5.81，為海水環(huán)境，未表現(xiàn)出高鹽度異常值，這可能與陸源淡水的偶然補給有關(guān)。三山子組較馬一段Sr/Ba比值高，分別為10.77～ 16.55，為典型的海水環(huán)境（圖6b）。

Y/Ho含量比值對沉積環(huán)境較為敏感，Y和Ho具有接近的離子半徑，在地質(zhì)環(huán)境中通常具有一致的地球化學(xué)行為。在礦物或硅質(zhì)碎屑巖中Y/Ho 比值通常保持為常數(shù)［31］，在海水中Y/Ho 比值一般較高，Y/Ho 比值常作為海相和陸相沉積物識別的標(biāo)志。三山子組碳酸鹽巖Y/Ho 平均值為30.09，要高于馬一段膏-云-泥混雜段的平均值26.62，同樣說明三山子組沉積于典型的正常海水環(huán)境，而馬一段沉積時期雖然也為海水環(huán)境，但有陸源物質(zhì)的混入（圖6b）。

2.3.3 稀土元素

由于在成巖過程中稀土元素（REE）具有穩(wěn)定的地球化學(xué)特征，受后期改造作用很小，其含量和分布特征也常用來分析巖石的沉積環(huán)境。對不同組段巖石樣品的稀土值，可以經(jīng)球粒隕石平均值標(biāo)準(zhǔn)化后進行特征參數(shù)的分區(qū)研究。

馬一段具有較高的稀土元素含量（ΣREE），代表地層中有陸源碎屑的混入，在配分形式上中稀土元素含量（ΣMREE）較高，輕稀土元素含量（ΣLREE）略高，重稀土元素含量（ΣHREE）略低，可能代表了相對缺氧的環(huán)境；而三山子組ΣREE 較低，代表了較為純凈的碳酸鹽巖沉積，在配分模式上具有ΣLREE 略低、ΣHREE 略高的特征，大致與海水的配分形式接近。馬一段和三山子組樣品均未呈現(xiàn)出Eu異常，說明基本未受到高溫?zé)崃黧w作用的影響（圖7）。

圖7 鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東側(cè)懷遠(yuǎn)運動不整合面上、下稀土元素特征Fig.7 Characteristics of REE above and below the unconformity surface resulted from Huaiyuan movement to the east of the Wushenqi uplift in the Ordos Basin

2.3.4 白云石有序度與碳、氧同位素

三山子組白云巖具有較高的有序度（0.95～ 0.97），說明白云石結(jié)晶程度較好，生成時間較慢，多形成于淺埋藏條件下。碳同位素值（δ13C=0.70 ‰～ 1.10 ‰）相對較高，與同期海水相近，說明白云巖化流體可能來源于海水，而相對較低的氧同位素值（δ18O=（-6.30 ‰～7.20 ‰），反映了其成巖環(huán)境處于淺埋藏期。

馬一段白云巖具有較低的有序度（0.79～ 0.87），說明白云石晶體的生成時間相對較快。δ13C 相對略低，在-2.20 ‰～ -0.60 ‰，與全球大范圍的海退事件相一致，與三山子組沉積環(huán)境不同。δ18O 相對略高，在-6.50 ‰～ -5.60 ‰ ‰，與海侵早期相對干旱的蒸發(fā)環(huán)境下的濃縮海水相一致。

3 不整合控儲作用

懷遠(yuǎn)運動相關(guān)白云巖化作用和巖溶作用共同控制并形成了不整合面之下的優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層。儲層受懷遠(yuǎn)運動不整合面影響較為明顯，僅發(fā)育在三山子組上部白云巖段，而在下部砂-泥-云混雜段基本不發(fā)育。儲層巖石類型主要為細(xì)晶白云巖，在巖心上可見較大的溶蝕孔洞，最大溶孔孔徑可達(dá)3 cm。在顯微薄片上，白云石為細(xì)晶、他形-半自形結(jié)構(gòu)。儲集空間主要為不規(guī)則狀的溶孔、溶洞，孔隙內(nèi)有少量的粗晶白云石、硬石膏、石英、瀝青和黏土礦物充填，面孔率最高可達(dá)17.54 %，實測孔隙度可達(dá)到6.78 %（圖5）。測井解釋得出的平均孔隙度為3.20 %，最高可達(dá)5.00 %。

3.1 沉積環(huán)境

三山子組沉積時期為典型的正常鹽度海水環(huán)境。巖性為純凈的碳酸鹽巖，具有較低的SiO2和A12O3含量，Sr/Ba 和Y/Ho 含量比值也印證了干凈的海水環(huán)境，同時Th/U，V/Sc，V/Ni 和V/（V+Ni）含量比值還說明沉積時處于相對穩(wěn)定、缺氧還原、相對較深的水體環(huán)境。儲層發(fā)育段能夠見到顆?；糜敖Y(jié)構(gòu)（圖5c），說明其原始沉積環(huán)境可能為臺內(nèi)淺灘。而從沉積格局上看，近古隆起潮下帶的水動能相對較高，適合發(fā)育淺灘相。因此綜合認(rèn)為，三山子組儲層段沉積時多屬于相對高能的近隆淺灘、正常海水環(huán)境。

馬一段沉積時雖然也屬于海相環(huán)境，但其沉積環(huán)境已與三山子組沉積時發(fā)生了較大的變化。從微量元素含量特征上看，其沉積時處于還原缺氧的海相環(huán)境；同時，較高的石英（SiO2）和A12O3含量說明有陸源碎屑的補給；地層中常見的硬石膏和略高的δ18O 代表著蒸發(fā)濃縮海水。從以上3 個方面來看，可以推斷馬一段屬于海侵早期靠近古陸的混積潮上帶沉積環(huán)境，氣候相對干旱，以海相碳酸鹽沉積為主，又常伴有間歇性的陸源碎屑補給。

3.2 白云巖化作用

三山子組白云巖化作用與懷遠(yuǎn)運動引起的區(qū)域性海退有關(guān)［27］。寒武紀(jì)末，懷遠(yuǎn)運動在華北板塊的西部和南部開始啟動，海水逐漸變淺，到早奧陶世末最終完全退出盆地。這種淺海水環(huán)境更適合后期白云巖化。因此鄂爾多斯盆地以及華北地區(qū)東南部徐淮地區(qū)三山子組已經(jīng)發(fā)生完全白云巖化，而同時期華北地區(qū)東北部的崮山組、鳳山組和長山組仍以灰?guī)r沉積為主。三山子組白云巖是淺埋藏期滲透回流白云巖化作用形成的。如前節(jié)所述，白云巖具有典型的海水元素組成特征，其較低的稀土元素含量和δ13C與海水接近，說明三山子組中的白云巖化流體是海水。δ18O 略微偏負(fù)、較高的白云石有序度以及相對較大的白云石晶體都說明白云巖化發(fā)生在淺埋藏期。

馬一段白云巖則是準(zhǔn)同生期薩布哈白云巖化作用的產(chǎn)物。海相環(huán)境、白云石與石膏伴生、較小的白云石晶體以及較低的有序度，都是準(zhǔn)同生期白云巖的特征，而微量元素和δ18O 指示的干旱的高鹽度海水環(huán)境，也與薩布哈環(huán)境相吻合。

3.3 表生期溶蝕作用（巖溶作用）

三山子組儲層中的不規(guī)則狀溶孔多是準(zhǔn)同生期—表生期溶蝕作用形成的。三山子組沉積后，海水即開始退出，并經(jīng)歷了30 Myr 的風(fēng)化暴露，剝蝕了部分地層，形成了大量的溶蝕孔洞，而儲層段LREE 虧損等特征也說明了大氣降水的淋濾作用。儲集空間形態(tài)上的不規(guī)則很可能是在顆粒灘準(zhǔn)同生期，原始粒間孔隙經(jīng)白云巖化作用調(diào)整和表生巖溶作用再溶蝕的結(jié)果，與馬家溝組中-下組合儲層，甚至四川盆地寒武系龍王廟組、長興組-飛仙關(guān)組灘相儲層成因相似。

儲層在平面上分布受古隆起的影響。除烏審旗隆起外，在鎮(zhèn)原隆起和呂梁古隆起附近也有三山子儲層發(fā)育［20］。究其原因，一方面，可能由于古隆起附近適合發(fā)育相對高能的沉積環(huán)境；另一方面，古隆起附近更適合巖溶儲層的發(fā)育和保存。

3.4 儲層演化

三山子組由表生階段轉(zhuǎn)入埋藏階段后，白云巖發(fā)生重結(jié)晶作用，有助于孔隙的保持［32］，孔隙內(nèi)有少量白云石充填（圖8）。后續(xù)由于上覆膏鹽地層的鹵水下滲，造成部分石膏和石鹽的充填從而破壞了儲層的物性。由于馬一段沉積時，大量陸源碎屑物質(zhì)對其影響較大，石英等直接充填于礦物內(nèi)部，進一步堵塞了原始孔隙（圖4e）。且與三山子組不同，馬一段未受巖溶作用影響，無法形成后期溶蝕孔隙，導(dǎo)致無法形成有效儲層。在油氣生成階段，三山子組儲層經(jīng)歷了油氣充注過程，孔隙中可以發(fā)現(xiàn)殘存有少量的瀝青。

圖8 鄂爾多斯盆地烏審旗隆起東側(cè)巖溶儲層形成模式Fig.8 Formation model of karst reservoir in the eastern side of Wushenqi uplift in the Ordos Basin

4 結(jié)論

1）懷遠(yuǎn)運動不整合面在烏審旗古隆起東北側(cè)大牛地地區(qū)主要表現(xiàn)為馬一段與三山子組接觸。不整合面上、下地層的巖性、測井響應(yīng)和地球化學(xué)特征差異很大，其中三山子組上部主要為純凈碳酸鹽巖沉積，代表了鹽度較為正常的海水沉積，而馬一段則為砂-泥-膏-云混雜，代表了鹽度海侵早期相對干旱的蒸發(fā)環(huán)境，說明了在懷遠(yuǎn)運動前、后沉積環(huán)境發(fā)生了劇烈的變化。

2）懷遠(yuǎn)運動控制的白云巖化作用和巖溶作用形成了三山子組儲層，儲層巖性主要為溶蝕孔洞型白云巖，原始相帶主要為近隆淺灘，關(guān)鍵成巖作用為表生期溶蝕作用。古隆起附近適合發(fā)育相對高能的環(huán)境，古隆起附近更適合巖溶儲層的發(fā)育和保存。儲層形成后經(jīng)歷了油氣充注，是潛在的勘探目標(biāo)層系。