鄂爾多斯盆地延安地區(qū)本溪組—太原組地層及其沉積演化特征

崔宏俊,雷燕云,曹雄偉,魏燦燦,李鵬程,付金偉,胡 震,王博涵

(陜西延長石油(集團(tuán)) 延長氣田 采氣一廠,陜西 延安 716000)

引 言

近年來,層序地層學(xué)理論在石油地質(zhì)、勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用,特別是在含氣盆地地層中具有較高的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。前人采用不同的層序界面和劃分方法對鄂爾多斯盆地晚古生界層序地層進(jìn)行研究[1-5],劃分的結(jié)果差別較大。本文在層序地層學(xué)和沉積學(xué)理論的指導(dǎo)下,在厘定沉積相類型的基礎(chǔ)上,對研究區(qū)本溪—太原組層序和體系域界面進(jìn)行識別,以明確研究區(qū)層序格架內(nèi)的沉積演化特征,為鄂爾多斯盆地的氣田勘探和開發(fā)提供一定的借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部(圖1)。在晚古生代,鄂爾多斯盆地與華北克拉通盆地是一體的[6]。中奧陶世,華北板塊抬升造成上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)缺失。138 Ma后,華北克拉通盆地東北部開始整體傾伏下沉,在區(qū)域不整合上開始沉積上古生界,進(jìn)入陸表海沉積階段[7-8],自下而上分別沉積了本溪組、太原組、山西組、石盒子組和石千峰組(表1,圖2)。本溪組主要為一套海相-海陸交互相含煤沉積,以區(qū)域不整合面為底界,以上煤組頂為頂界,分為本1和本2兩段,以晉祠砂巖底為分界線。在早二疊世,海侵造成全區(qū)大部分地區(qū)為海陸交互沉積,由于南部和北緣部分地區(qū)為隆起區(qū)域,沒有遭受到海侵作用[6],太原組以東大窯灰?guī)r頂為頂界,分為太1和太2兩段,以七里溝砂巖底為分界線。太原期末,受海西運動影響,鄂爾多斯盆地由陸表海轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮徒ｊ懴嗪?在此背景下開始沉積山西組。山西組以駱駝脖子砂巖底為頂界,分為山1和山2兩段,以鐵磨溝砂巖底、相應(yīng)的鈣質(zhì)頁巖或中煤組頂為分界線。自中二疊世石盒子期開始,鄂爾多斯盆地完全進(jìn)入大型內(nèi)陸坳陷盆地階段。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域構(gòu)造單元Fig.1 Location and structural unit division of the study area

表1 研究區(qū)上古生界地層表(據(jù)[9]修改)Tab.1 Stratigraphic table of Upper Paleozoic in the study area (modified from Li W H et al.,2021)

2 層序界面的識別

在晚古生代華北地區(qū)沉積背景之下,結(jié)合鄂爾多斯地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)情況,根據(jù)延安地區(qū)鉆井、測試及測井資料,在研究區(qū)鉆井的上古生界本溪組—太原組地層中識別出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級層序界面(圖2)。

圖2 鄂爾多斯盆地延安地區(qū)本溪組—太原組地層柱狀圖及基準(zhǔn)面旋回劃分Fig.2 Stratigraphic histogram and base level cycle division of Benxi-Taiyuan Formation in Yanan area,Ordos Basin

2.1 Ⅰ級層序界面

Ⅰ級層序界面常為區(qū)域構(gòu)造作用下的不整合界面,具有大幅度的穿時性,在地質(zhì)剖面上表現(xiàn)為風(fēng)化殼、底礫巖、下伏地層大段缺失的大范圍沉積間斷面等,在測井曲線上表現(xiàn)為各項測井參數(shù)的突變界面,例如區(qū)域暴露面由于古土壤層發(fā)育而賦存較多放射性元素,使得自然伽馬值出現(xiàn)高異常[10]。在地震剖面上可以識別出削截和底超[3]。在研究區(qū)本溪組—太原組中識別出一個Ⅰ級層序界面,即在加里東構(gòu)造作用下形成的石炭系本溪組與下伏奧陶系馬家溝組地層之間的不整合接觸面,在巖性上表現(xiàn)為本溪組潮坪-障壁島-潟湖混積層覆蓋于馬家溝組碳酸鹽巖地層之上,在界面附近發(fā)育厚度不一的風(fēng)化殼成因鋁土巖層。在測井曲線上表現(xiàn)為箱狀低自然伽馬、低聲波時差、高電阻和2.7 g/cm3左右密度測井特征,突變?yōu)榧獾稜罡哔ゑR的鋁土巖特征或陸源碎屑巖測井特征。

2.2 Ⅱ級層序界面

Ⅱ級層序界面常為盆地內(nèi)構(gòu)造升降運動形成的不整合面及與之相對應(yīng)的整合接觸面。在地質(zhì)剖面上表現(xiàn)為風(fēng)化殼、底礫巖、下伏地層部分缺失的沉積間斷面、區(qū)域范圍內(nèi)的沉積體系轉(zhuǎn)變面和巖性巖相變化面等,在測井曲線上表現(xiàn)為不同沉積體系間不同沉積組合的測井相的轉(zhuǎn)變。在地震剖面上可識別出削截和底超[3]。在研究區(qū)太原組與山西組識別出一個Ⅱ級層序界面,山西組巖性為陸相沉積,太原組巖性為海相沉積,山西組沉積的河道砂體對下伏太原組有明顯的下切作用,形成大型河道沖刷面,導(dǎo)致一定的地層缺失,在河道不發(fā)育地區(qū)可見由于海陸交互作用形成的海相沉積夾層,代表與不整合面相對應(yīng)的層序界面。

2.3 Ⅲ級層序界面

Ⅲ級層序界面是次級構(gòu)造活動的周期性變化所形成的,代表海進(jìn)到海退的轉(zhuǎn)換,界面類型主要包括以下4種：大型沖刷接觸面或侵蝕面、巖性巖相突變面、沉積組合的轉(zhuǎn)變面和穩(wěn)定煤層的頂?shù)装錥11]。在地震剖面上可以識別出削截和底超,且其形態(tài)主要受盆地邊緣的控制[3]。研究區(qū)本溪組與太原組之間存在一個Ⅲ級層序界面,位于本溪組頂部中煤組的頂板處,中煤組區(qū)域分布穩(wěn)定,往往直接上覆太原組灰?guī)r,代表一個新的海進(jìn)-海退旋回的開始。

2.4 Ⅳ級和Ⅴ級層序界面

Ⅳ級和Ⅴ級層序界面與古氣候變化導(dǎo)致的基準(zhǔn)面升降和物質(zhì)供應(yīng)變化有關(guān),Ⅳ級層序界面表現(xiàn)為巖性巖相突變面、煤層頂?shù)装?、灰?guī)r頂?shù)酌妗⑤^大規(guī)模的水流沖刷面,以及與之對應(yīng)的整合面等,測井相上反映同一沉積體系內(nèi)沉積相序的進(jìn)積-退積組合的變化面,地震剖面上不易識別。Ⅴ級層序界面表現(xiàn)為相似巖性巖相的組合變化面、煤層和灰?guī)r的頂?shù)酌?、小型沖刷面及相應(yīng)的整合面等,在局部區(qū)域具有等時性,測井相上反映韻律沉積形成的進(jìn)積-退積組合的變化,地震剖面上不易識別。煤層常位于旋回的上部,是海退晚期沼澤化的產(chǎn)物,其頂板可作為層序界面[12]?；?guī)r往往代表水體較深的沉積環(huán)境,其底面可作為海進(jìn)-海退旋回的開始,厚層灰?guī)r的頂部常作為最大海泛面。研究區(qū)本溪組—太原組中識別出的Ⅳ級和Ⅴ級層序界面多位于砂巖底部和灰?guī)r底部。

2.5 最大海泛面

最大海泛面是基準(zhǔn)面到達(dá)最高點時形成的界面,此時,在海侵作用下陸源沉積物向大陸方向運移,使得深海盆地缺少物源供給,形成弱補(bǔ)償界面[11]。該界面也是沉積序列的轉(zhuǎn)換面,位于巖性向上變細(xì)復(fù)變粗的沉積序列中間的細(xì)粒層段,由深水環(huán)境下形成的暗色泥巖或泥晶灰?guī)r組成,測井曲線上表現(xiàn)為曲線幅值達(dá)到極限位置后折返的轉(zhuǎn)折點處[12]。本溪組的最大海泛面位于本溪組中上段泥巖層的中上部,太原組的斜道灰?guī)r厚度大、分布廣,代表最大海侵階段,之后的東大窯灰?guī)r則沉積于迅速海退期(圖3)。

圖3 研究區(qū)本溪組和太原組最大海泛面及旋回劃分Fig.3 MFS and base level cycle division of Benxi and Taiyuan Formations in study area

3 本溪組—太原組高分辨率層序地層的劃分

根據(jù)延安地區(qū)測井及巖性特征,在不同級別的層序界面限定下,將研究區(qū)本溪組—太原組地層劃分出短期、中期、長期和超長期基準(zhǔn)面旋回層序

(圖1、圖2)。

3.1 短期基準(zhǔn)面旋回

短期基準(zhǔn)面旋回以Ⅴ級層序界面為邊界,厚度在幾米到十幾米,其沉積序列受氣候影響[13],反映同一或相鄰沉積微相中巖石的粒序組合或沉積微相組合。根據(jù)研究區(qū)旋回表現(xiàn)出的特征,將界面分為非對稱型(A型)和對稱型(C型)2種類型(圖4)。

圖4 研究區(qū)基準(zhǔn)面旋回類型Fig.4 Base level cycle types of the study area

可容納空間的增長速度A相對于沉積物的沉積速度S較小,即A/S<1時,可形成非對稱型(A型)基準(zhǔn)面。由于沉積物遭到剝蝕,只能識別基準(zhǔn)面上升的旋回部分。研究區(qū)的A型基準(zhǔn)面旋回可分為高可容納空間亞類(A2型)和低可容納空間亞類(A1型),其中,A2型比A1型更常見。A2型在巖性上表現(xiàn)為砂巖-粉砂巖-泥巖(灰?guī)r)的變化特征。A1型由相互切割疊置的潮道砂體與沖刷面組成[14]。

可容納空間的增長速度相對于沉積物的沉積速度較大,即A/S>1時,可形成對稱型(C型)基準(zhǔn)面,能夠在基準(zhǔn)面上識別出一個完整的旋回。根據(jù)上升和下降旋回的厚度關(guān)系,可以分為以下三類：一是當(dāng)上升旋回形成的厚度大于下降旋回形成的厚度(C1型),二是上升旋回和下降旋回形成的厚度基本一樣(C2型),三是下降旋回形成的厚度大于上升旋回形成的厚度(C3型)。研究區(qū)主要發(fā)育C1型和C2型,C3型少見。在巖性上表現(xiàn)為砂(礫)巖-粉砂巖-泥巖(灰?guī)r)-粉砂巖的變化特征。

3.2 中期基準(zhǔn)面旋回

中期基準(zhǔn)面旋回以Ⅳ級層序界面為邊界,厚度大于短期基準(zhǔn)面旋回,一般在十幾米到幾十米,由1～4個具有進(jìn)積、加積和退積的短期旋回組成[13]?？梢钥闯龀练e微相及其組合之間的變化規(guī)律。在研究區(qū)本溪組—太原組中劃分出7個中期旋回(MSC1—MSC7),與短期基準(zhǔn)面旋回類似,中期基準(zhǔn)面旋回也發(fā)育非對稱型(A型)和對稱型(C型)2種旋回類型,以對稱型更為多見(圖4)。

A型中期基準(zhǔn)面旋回對應(yīng)的沉積變化為砂坪(障壁島)-混合坪、泥坪(潟湖泥),整體體現(xiàn)基準(zhǔn)面逐漸上升的海侵序列,同時反映該中期旋回的下降半旋回曾遭受一定的侵蝕作用或存在古暴露面,從而使下降半旋回甚至上升半旋回中晚期的沉積物未得到保存。

C型中期基準(zhǔn)面旋回對應(yīng)的沉積變化為砂坪(障壁島)-泥坪(潟湖泥)-混合坪(泥炭坪),或淺海砂泥巖-淺海灰?guī)r-淺海砂泥巖,體現(xiàn)一個比較完整的海進(jìn)-海退沉積序列。

3.3 長期和超長期基準(zhǔn)面旋回

長期基準(zhǔn)面旋回以Ⅲ級層序界面為邊界,厚度幾十米到幾百米,變化范圍比較大,旋回類型以對稱型(C型)為主,體現(xiàn)一個比較完整的海進(jìn)-海退過程。研究區(qū)本溪組地層(LSC1)和太原組地層(LSC2)可以識別出2個長期旋回。LSC1是一套潮坪或障壁島-潟湖沉積,由砂礫巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r和煤層的韻律組合形成區(qū)域性海進(jìn)-海退的沉積過程,頂部常以泥炭坪或潮上沼澤的碳質(zhì)泥巖、煤層作為旋回結(jié)束的標(biāo)志。LSC2為若干套淺海灰?guī)r夾砂泥巖的疊置,體現(xiàn)了持續(xù)低速海進(jìn)和快速海退的過程,旋回頂部遭受山西組底部水下分流河道砂體的沖刷切割。

3.4 超長期基準(zhǔn)面旋回

超長期基準(zhǔn)面旋回以Ⅱ級層序界面為邊界,研究區(qū)本溪組—太原組發(fā)育一個超長期旋回(SLSC1),其底部界面為馬家溝組頂部的沉積間斷面,以鋁土巖層為標(biāo)志,頂部界面為山西組底部砂巖的底面,即山西組與太原組的分界,以砂巖底部的大型沖刷面或?qū)?yīng)的整合面為標(biāo)志。一個超長周期代表著一個盆地從發(fā)育直至消亡,最終演變?yōu)樾屡璧氐倪^程。本溪組-太原組的超長期旋回代表的是克拉通盆地的陸表海沉積充填階段,之上的山西組是另一個超長期旋回,代表的是近海大型湖盆沉積充填階段。

4 層序地層及沉積演化特征

層序地層的發(fā)育受盆地經(jīng)歷的構(gòu)造運動全球氣候變化的影響。鄂爾多斯盆地上古生界沉積演化經(jīng)歷了3個沉積充填階段,分別是晚石炭世本溪期早二疊世太原期、早二疊世晚期山西期以及中二疊世石盒子期晚二疊世石千峰期。盆地自早奧陶世開始遭受剝蝕作用,至晚石炭世接受沉積,來自東北方向的海水侵入到盆地內(nèi)部,盆地中央古隆起將海域劃分為東西兩部分,盆地內(nèi)部接受南北雙向物源供給,研究區(qū)及周邊地區(qū)處于較平緩的斜坡背景下,沉積作用均勻,對下伏不整合面進(jìn)行填平補(bǔ)齊。研究區(qū)本溪組和太原組同屬一個超長期旋回(SLSC1),本溪組發(fā)育1個長期旋回(LSC1),4個中期旋回(MSC1-MSC4)。本溪組主要發(fā)育障壁海岸沉積體系,LSC1為上古生界底部層序,上升半旋回底部發(fā)育風(fēng)化殼鋁土巖,其上發(fā)育障壁島-瀉湖-砂坪-混合坪-泥坪-泥炭坪的全部或部分組合,MSC1-MSC3中發(fā)育多期疊置潮道砂體。下降半旋回由泥坪-混合坪-泥炭坪組成,頂部以潮上泥炭坪形成的厚煤層為結(jié)束標(biāo)志。在早二疊世,由于海侵規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大,使盆地中央隆起區(qū)域完全被海水淹沒,研究其處于淺海陸棚沉積體系,進(jìn)而形成了碳酸鹽陸棚和碎屑巖陸棚沉積。太原組發(fā)育1個長期旋回(LSC2),3個中期旋回(MSC5-MSC7),形態(tài)特征上屬于以上升半旋回為主的不完全對稱型,巖性主要是海相石灰?guī)r夾薄層泥巖、泥灰?guī)r,其上升半旋回底部的低可容納空間的進(jìn)積序列不太發(fā)育,向盆地北緣方向到大牛地氣田附近可見到LSC2下部厚層疊置潮道砂體組成的進(jìn)積序列[3]。LSC2上升半旋回頂部結(jié)束于灰?guī)r和三角洲相碎屑巖(北岔溝砂巖或相應(yīng)的泥質(zhì)巖)的接觸面,太原期是整個晚古生代水體深度最深的時期,LSC2旋回體現(xiàn)了一個緩慢持續(xù)海進(jìn),快速海退,可容納空間長期較高的沉積過程(圖5)。

圖5 延安地區(qū)上古生界本溪太原組盆地充填模式Fig.5 Basin filling mode of Benxi-Taiyuan Formation of the Upper Paleozoic in Yan’an area

早二疊世晚期,華北板塊抬升,盆地處于海退階段,形成了臨近海域的湖盆,此時物源區(qū)不斷隆起,促使沉積物運移到湖盆,形成了河流-三角洲-湖泊沉積體系。研究區(qū)山西組沉積時期主要發(fā)育三角洲前緣和淺湖沉積,發(fā)育1個超長期旋回(SLSC2),2個長期旋回(LSC3-LSC4),整體以山2底部北岔溝砂巖底和盒8底部駱駝脖子砂巖底為界限,中間以山1底部砂巖和山2頂部的中煤組接觸面作為LSC3和LSC4的分界。研究區(qū)在山西期位于三角洲前緣相帶的邊緣,水下分流河道砂體分布有限,整體砂地比值不高,分流間灣和淺湖的細(xì)粒沉積更為普遍,其中山2段常見間灣沼澤的煤層出現(xiàn)。

二疊世早期,由于北部地區(qū)不斷抬升,海水退到華北地區(qū)南部。至此,鄂爾多斯盆地進(jìn)入內(nèi)陸坳陷湖盆發(fā)育階段。從石盒子期到石千峰期,研究區(qū)均發(fā)育三角洲前緣-淺湖沉積。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)馬家溝組本溪組之間的不整合面為Ⅰ級層序界面,太原組山西組之間的界面為Ⅱ級層序界面,本溪組上煤組的頂面為一個Ⅲ級層序界面,另有Ⅳ級層序界面4個和Ⅴ級層序界面若干。

(2)在本溪組-太原組識別出非對稱型和對稱型類型的基準(zhǔn)面旋回形態(tài),表明研究區(qū)為海進(jìn)階段,在沉積特征上表現(xiàn)為潮坪-障壁島-潟湖沉積轉(zhuǎn)變?yōu)闇\海碳酸鹽陸棚沉積,太原期成為晚古生代水深最大的時期,直到山西期華北地塊整體抬升,鄂爾多斯盆地的陸表海沉積階段結(jié)束。