鄂尔多斯盆地东部奥陶系风化壳岩溶古地貌特征及综合地质模型

王建民，王佳媛，沙建怀，郭德郧，高海仁，聂武军，秦 锐

1.西安石油大学地球科学与工程学院，西安 710065

2.陕西省土地工程建设集团，西安 710075

3.陕西延长石油集团油气勘探公司，陕西 延安 716000

4.中石化华北分公司研究院咸阳分院，陕西 咸阳 712000

0 前言

自中部气田发现以来，越来越多的勘探成果表明，鄂尔多斯盆地下古生界奥陶系顶部碳酸盐岩风化壳是岩溶古地貌气藏的重要发育场所［1－3］；岩溶古地貌不仅对岩溶储层发育具有重要的影响，而且是油气成藏的主要控制因素［4－6］；古地貌恢复是研究岩溶储层特征、揭示油气成藏规律的关键。建立古地貌解释的综合地质模型，对于恢复岩溶古地貌、预测有利储层分布、指导油气勘探具有重要的现实意义和理论意义。笔者结合盆地构造演化，以研究区内近百口钻井资料为依据，以连井横剖面追踪对比和地层厚度编图为基础，通过对奥陶系不整合侵蚀面上下地层组合情况的深入分析，建立了解释古地貌的综合地质模型，探讨了风化壳古地貌特征，取得了良好的研究效果。

1 古地貌发育的地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的中东及中南部地区（图1）。早古生代 ，鄂尔多斯盆地为华北地台陆表海的一部分，其北部发育伊盟隆起，中部发育南北贯穿的中央古隆起，中东部存在一个克拉通内坳陷——陕北坳陷［7－11］（图1）。这种西高东低、北高南低的古构造格局控制了早古生代奥陶纪的整体沉积格局及沉积特征。在以陕北坳陷为主体的盆地东部地区，中奥陶世马家沟期发育了3个蒸发岩－碳酸盐岩沉积旋回（马一—马二、马三—马四、马五—马六），并逐渐向伊盟隆起和中央隆起上超覆［7－8］；其上部马五段自上而下可进一步细分为马五1、马五2、……马五10共10个小层。

晚奥陶世至早石炭世，加里东运动使得鄂尔多斯盆地整体抬升，沉积中断达1.5亿a之久［12－13］，形成了以马五5—马六旋回段为代表的、厚50～140m的奥陶系顶部风化壳及起伏不平、复杂多样的岩溶古地貌；其反映的古地势及古构造背景与早古生代古构造格局基本相同。

中石炭世鄂尔多斯盆地再度海侵，其范围与早古生代相仿［14－15］，发育了以本溪—太原组为代表的海陆交互相沉积，充填于奥陶系不整合侵蚀面之上；而自早古生代开始奠定的西高东低、西隆东坳的古地势及古构造格局依然未变。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元及研究区位置图Fig.1 Tectonic units and research area locations in Ordos basin

由此可见，历次构造运动中鄂尔多斯盆地的表现均以整体的升降为主［16］。奥陶系顶部风化壳古地貌的发育深受这一构造背景的控制和影响，盆地东部的古构造格局和古地势背景也始终保持了一致性。因此，盆地中西部的原中央古隆起［9－10］继承性演化为后期的古岩溶高地，东部的陕北坳陷演化为后期的古岩溶盆地，介于二者之间的过渡地区则成为古岩溶斜坡的发育区。

2 常规法古地貌分析

2.1 古地貌恢复的方法依据

概括起来，关于鄂尔多斯盆地奥陶系风化壳岩溶古地貌的划分主要依据以下几方面的性质及特征：①奥陶系风化壳不整合面上覆的石炭纪地层厚度及其分布趋势；②奥陶系马家沟组风化壳层段残余厚度及其分布趋势；③风化壳表面侵蚀、溶蚀特征及沉积物性质；④地震剖面的反射结构模式；⑤古地势及古水动力场特征。

印模法与残厚法是古地貌恢复研究中最为常用的2种方法［14－22］。印模法利用古风化壳上覆充填沉积的标志层至侵蚀面的厚度等值线图来镜像反映侵蚀面的古地貌格局；残厚法则通过研究某个区域标志层之上的风化壳残余厚度对其古地貌形态进行分析。

以往的研究表明，在稳定地台区应用印模法与残厚法恢复岩溶古地貌形态是行之有效的［18］。鄂尔多斯盆地加里东期奥陶系顶部地层的剥蚀程度与风化壳古地貌形态呈正相关［3，14，18］：古地貌相对越高的地方，地层剥蚀越多；古地貌相对越低的地方，地层剥蚀越少。与此相对应，风化壳古地貌的充填程度与古地貌形态的相关性则正好相反：古地貌相对越高的地方，上覆地层越薄；古地貌相对越低的地方，上覆地层越厚。奥陶系风化壳侵蚀面之下地层残留厚度与上覆石炭系沉积厚度的这种镜像互补关系，为古地貌的恢复研究提供了重要的地质依据和方法思路。

2.2 印模法与残厚法古地貌

鄂尔多斯盆地中东部地区背靠西部中央古隆起，东部深入陕北坳陷，横跨岩溶高地、岩溶斜坡及岩溶盆地三大古地貌区间，并以岩溶斜坡和岩溶盆地发育区为主体。为进一步实现对三级古地貌单元的刻画，首先以钻、测井资料为基础，逐井确定奥陶系风化壳层段至石炭系本溪—太原组分层厚度；其次，编制太原组顶部灰岩标志层（上基准面）至奥陶系风化壳侵蚀面地层厚度等值线图（图2a），分析古地势。结果表明：区内奥陶系顶部加里东侵蚀面之上的石炭系充填沉积厚度为15～108m，厚度分布沿南北向变化较小，沿东西向变化较大，最大厚度差异91.5m；西薄东厚的总趋势清楚地反映了西高东低的古地势。在此基础上，运用印模法将研究区自西向东划分为岩溶高地（石炭系厚度小于30m）、岩溶斜坡（石炭系厚度30～90m）、岩溶盆地（石炭系厚度大于90m）等3个二级古地貌单元及发育区带（图2a）。各单元内局部厚度的变化亦可大致显示出下伏侵蚀面一定的起伏状态。

奥陶系顶部风化壳地层主要指古岩溶发育的层段，其厚度取决于强烈风化淋滤作用的下限深度。在盆地东部地区，由于马五5地层岩性（灰黑色块状泥晶－微晶灰岩）及厚度（约25m）在区域上的稳定性，抗风化淋滤能力强，因而成为区域性的标志层（所谓的黑腰带）以及风化壳岩溶带的底板（下基准面）；其上残余地层分布总体上西薄东厚、西老东新。研究区西部地层遭受剥蚀程度较大，不整合侵蚀面一般下切至奥陶系顶部马五1中上部，局部可深切至马五2中下部；往其东部地层剥蚀程度逐渐减小，直至出现马六段大面积分布，其下马五段得以完整保存。

根据马五5标志层（下基准面）至风化壳侵蚀面之间残余地层厚度等值线编图结果（图2b），区内风化壳层段厚度一般88～135m，分布趋势总体上表现为中部主体较厚、东西两侧较薄，最大厚度差异42.5m。结合岩溶性质、地形特点等，运用残厚法可进一步将研究区划分为岩溶高地（风化壳厚度大于110m）、岩溶斜坡（风化壳厚度90～110m）、岩溶盆地（风化壳厚度小于90m）3个二级古地貌单元以及台地、残丘、缓坡、残台、沟谷、洼地6个三级古地貌单元或地理区间（图2b）。其中：岩溶高地可进一步细分为台地、残丘和沟谷3个三级古地貌单元，岩溶台地高而宽缓，是最为重要的组成部分，其上局部有大小不等的残丘发育；岩溶斜坡可进一步细分为缓坡、沟谷及残台3个三级古地貌单元，缓坡开阔平缓、面积广大，为主要的组成部分，中间常被沟谷所分割，局部有较小的残台发育；岩溶盆地可进一步细分为洼地、残台、沟谷等3个三级古地貌单元，洼地低洼开阔、规模较大，是岩溶盆地主要的组成部分，局部有小而低缓的残台分布。

由图2a和图2b的比较可知，印模法和残厚法的结果虽有其一致性，但也存在显著的不同。最大的差异在工区的西南角，印模法结果为岩溶高地，残厚法结果则完全相反，为岩溶盆地。究其原因，其实是由于这2种单因素古地貌方法的局限性造成的。印模法图上西薄东厚的变化总趋势能够迅速地反馈出研究区西高东低的古地势背景的信息，但是残厚法却不能。一般来说，残厚法中风化壳残留厚度的厚薄只反映古地貌相对位置的高低，并不反映构造背景，亦即古地势的相对高低；古地势越高处地层被保留得越多，古地势越低处地层被剥蚀得越多、残存得越少；厚处为高，薄处为洼，这种情况与露头观察到的情况相同，就局部的研究来说似乎没有问题，但若从区域地质背景以及全局性的角度去看，则会出现与印模法结果相互矛盾的现象，从而得出完全不同的甚至错误的认识。由于本区奥陶系风化壳残留厚度分布总体表现为中部南北一带厚、东西两侧薄，按照厚为高、薄为洼的原则，残留厚度较小的西南角只能解释为岩溶盆地，尽管笔者清楚这与古地势背景相矛盾。

印模法和残厚法的研究结果表明，在前石炭纪古地貌的研究中，把握好区域地质背景及构造演化、探索综合性的古地貌解释方法是非常重要的。

2.3 残积铝土岩分布与古地貌

奥陶系风化壳上覆之中石炭统本溪组底部常有残积铝土岩发育，它是一种富含铝质矿物的风化残积物，常被水流由相对较高地势区冲刷－搬运至相对低洼的岩溶盆地等地区。其自然伽马曲线呈特高峰状突起，声波时差曲线呈高的锯齿状，视电阻率显极低值（1～15Ω·m），密度曲线底部为特高值段，与奥陶系风化壳岩溶段电性的低伽马、低时差、中高电阻率、中高密度特征有明显的差别，剖面上易于识别。根据测井解释和编图分析（图3），本区铝土岩厚度0～8m，平面分布虽然极不平衡，但总体上由西向东增厚，与本溪组—太原组整体沉积厚度分布特征相似，可进一步佐证和细化该区奥陶系风化壳古地貌的发育特点。虽然铝土岩的存在与否与古地貌的高低没有必然联系，但铝土岩沉积较厚、分布连片的地区一定是地势低洼的岩溶盆地发育区；而厚度薄或面积小、分布零星的较厚地区则必定是处于岩溶高地—岩溶斜坡单元内发育的溶坑、溶洞、溶缝、沟槽等地貌部位。

3 综合法古地貌特征分析

3.1 综合法古地貌的研究思路

从区域构造或盆地分析的角度来看：奥陶系被剥蚀越多或残余厚度越薄、上覆充填的石炭系厚度越薄的地方，即侵蚀面上下地层组合为上薄下薄时，其古地貌或古地势位置越高；反之，即上厚下厚时，其古地貌或古地势位置越低。但就局部或较小的范围而言，通常野外露头观察的情况往往是：古地貌相对越低的地方，或沟谷切割越深的地方地层被剥蚀得越多，出露的地层越老，上覆充填地层越厚；而古地貌相对越高的地方，地层被保留得越全，出露的地层越新，上覆充填地层越薄。由此可见，印模法或残厚法在被置于更大的空间或区域背景下分析应用时会产生矛盾，暴露出其方法应用的局限性。比较而言，通过印模法与残厚法得到的岩溶古地貌虽有相似之处，但表现却各有侧重，相互差异也比较明显。印模法所获得的古地势背景及古地貌总体格局效果相对较好，但在古地貌多样性的表现或对局部微观古地貌的细微刻画上相对不足；残厚法虽在古地貌多样性的表现及局部微观古地貌的刻画上较印模法细致得多，但对区域构造背景及古地貌总体格局的反映上却极不敏感（图2）。

图2 盆地东部地区前石炭纪古地貌图Fig.2 Palaeogeomorphic map of Pre－Carboniferous in east area of the basin

图3 盆地东部地区本溪组底部铝土岩厚度图Fig.3 Bauxite thickness chart of Benxi Formation bottom in east area of the basin

由此可见，单纯依赖某个因素或方法试图完整有效地恢复奥陶系风化壳古地貌是比较困难的。根据古地貌发育和保存的区域地质背景以及印模法与残厚法的利弊得失，若将二者密切结合，按照奥陶系风化壳侵蚀面上下充填/残留地层的组合情况综合分析判断古地貌单元的地理及地质属性，就可能扬长避短、较好地消除相互的矛盾及局限性。

3.2 综合法古地貌地质模型

基于上述分析，根据连井对比剖面上奥陶系风化壳残余厚度与不整合面上覆之石炭系的上下组合及相对的厚与薄的变化情况，结合区域地质背景，建立了综合解释奥陶系风化壳岩溶古地貌的地质模型（图4），并将本区古地貌单元属性及其上下地层组合型式概括为以下4种基本型式及8种子模型。其中的“上”指石炭系厚度，“下”代表奥陶系顶部马五5—马六段风化壳的残留厚度：

1）上薄下薄型：为区域的继承性隆起及风化壳二级古地貌单元——岩溶高地的唯一解释模型。奥陶系风化壳厚度＜90m，石炭系厚度＜30m。符合条件的区域位于本区西南角，呈北西—南东向展布。

图4 盆地东部奥陶系风化壳古地貌解释的综合地质模型Fig.4 Comprehensive geological model of Ordovician weathering crust paleogeomorphology explanation in east area of the basin

2）上厚下厚型：为继承性洼陷及风化壳二级古地貌单元——岩溶盆地的唯一解释模型。石炭系厚度＞90m，奥陶系风化壳厚度一般＞90m。符合条件的区域位于本区东部及其以东，属于岩溶盆地的浅洼和深洼部分，以深洼部分最具代表性。

3）上厚下薄型：绝对而言是区内岩溶斜坡内局部大型深切沟谷的唯一解。相对而言，则可分别对应各二级古地貌单元，例如岩溶斜坡内不同程度下切的沟谷及阶坪或者岩溶盆地内的沟谷及其靠边缘的浅洼。岩溶斜坡内石炭系厚度一般30～90m，风化壳厚度一般小于90m；岩溶盆地内石炭系厚度一般90～110m，风化壳厚度一般小于90m。厚度等值线的枝状伸展特征明显。可进一步分解为以下5个子模型：

①上厚下薄型：综合解释为岩溶斜坡内三级古地貌单元——深切的主力沟谷。石炭系厚度一般大于90m，风化壳厚度70～90m。

②上厚下次薄型：具多解性，综合解释为东部岩溶盆地内的三级古地貌单元——岩溶沟谷；石炭系厚度一般90～110m，风化壳厚度小于90m或者略大于90m。

③上次厚下薄型：综合解释为岩溶斜坡内的三级古地貌单元——上游处的沟谷；石炭系厚度一般40～60m，风化壳厚度一般70～80m。

④上次厚下次薄型：具多解性，综合解释为岩溶斜坡内的三级古地貌单元——平坦开阔的斜坡阶坪（石炭系厚度50～70m，风化壳厚度90～100m）或者枝状的支沟（石炭系厚度60～90m，风化壳厚度80～90m）；以及岩溶盆地内的三级古地貌单元——靠岩溶盆地边缘的浅洼，石炭系厚度90～110m，风化壳厚度小于90m。

⑤上次厚下次厚型：综合解释为岩溶盆地内的三级古地貌单元——残台。台内石炭系厚度75～90m，风化壳厚度90～100m或大于100m。

4）上薄下厚型：绝对而言是区内岩溶斜坡内局部显著凸出的三级古地貌单元——斜坡残丘的唯一解。相对而言，既可分别对应岩溶斜坡内较大型的残丘、台地，也可对应岩溶盆地内小而分散的残台等。风化壳厚度一般为100～135m，石炭系厚度为50～70m或70～90m。可进一步分解为以下3个子模型：

①上薄下厚型：综合解释为岩溶斜坡内三级古地貌单元——比较高大突出的残丘。石炭系厚度一般小于50m，风化壳厚度大于130m。

②上次薄下次厚型：综合解释为岩溶斜坡内的三级古地貌单元——台地。石炭系厚度30～80m，风化壳厚度大于100～130m。

③上次薄下次薄型：综合解释为岩溶斜坡内的三级古地貌单元——位于岩溶斜坡上倾部位处的斜坡阶坪。石炭系厚度30～100m，风化壳厚度90～100m。

3.3 综合法古地貌特征

利用区内近百口钻井剖面综合对比成果，分别编制风化壳上覆石炭系充填厚度与下伏风化壳残留厚度等值线图，并将二者叠合成图（图5）；然后根据综合法地质模型，以残厚法古地貌为基础，印模法古地貌相辅助，将盆地东部地区奥陶系顶部碳酸盐岩风化壳古地貌分别划分为岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地等3个二级古地貌单元和残丘、台地、阶坪、沟谷、残台、浅洼、深洼等11个三级古地貌单元（图5，表1）。

表1 盆地东部奥陶系风化壳岩溶古地貌类型划分表Table 1 Karst paleogeomorphology classification table of Ordovician weathered crust in east area of the basin

Ⅰ.岩溶高地：仅出现于本区西南角，分布有限，残丘台地及沟谷等微观古地貌单元难以区分。古地势较高，以接受侵蚀、溶蚀为主；风化壳剥蚀层位主要为马五1下部至马五3顶部。岩溶作用以垂向渗滤为主，形成垂向溶蚀带、落水洞等岩溶形态。其东侧与岩溶斜坡带过渡部位地下水由垂向补给状态逐渐转为水平径流状态，岩溶发育强烈，形成较好的溶蚀孔洞。

Ⅱ.岩溶斜坡：居于本区中西部，地处古斜坡之上，为本区风化壳残余厚度最大、分布最广、地形最为复杂的地貌区带。风化壳剥蚀层位由北向南、自西而东先后出露马五1直至过渡到较厚的马六段，并形成自北而南相间排列的若干正、负地形。古地貌呈阔带状展布，起伏较小，坡度较小，无大的急剧落差，变化总体和缓，类似一种丘陵地貌，因而水力梯度较小，更有利于岩溶作用的充分进行及溶蚀孔洞的形成。由石炭系厚度及残积铝土岩的厚度分布，可以显示局部有较大型的溶坑或溶洞等岩溶地貌的发育（图2、3），表明区内垂向淋滤及水平溶蚀等岩溶作用均比较发育。

依据上下厚度组合、地形差异及岩溶性质等可进一步划分出残丘、台地、阶坪、沟谷4个三级古地貌单元。

Ⅱ1.残丘：主要分布于本区南部，局部发育，位于台地之上，小而孤立，形似丘状。

Ⅱ2.台地：为岩溶斜坡的构成主体，层位相对较高，地形较宽缓，为残丘发育的基础。边缘一般以较陡或较缓的斜坡与阶坪相过渡。等值线闭合，分布区带呈南北相间、近东西方向延伸，以南部地区规模较大。区内中部偶见残存于斜坡阶坪背景上的小型台地呈孤立状缓丘，相对起伏10余m。

Ⅱ3.阶坪：为岩溶斜坡的构成主体，处于台地之间的开阔地带，常被侵蚀沟谷从中间所分割。地势低洼平坦，分布广泛，占岩溶斜坡总面积的一半左右。

Ⅱ4.沟谷：由水流的下切侵蚀作用形成的狭窄通道，呈树枝状东西向延伸，下切深度20～25 m［15］。区内自北而南发育5条较大的沟谷。

Ⅲ.岩溶盆地：位于本区东部，为古地势最为低洼的汇水区，是岩溶准平原化不断扩大所形成的负地形地貌单元。其西侧与较宽阔的岩溶斜坡相过渡，区带由南向北变宽，局部有低缓的残台发育。风化壳剥蚀层位大面积出露马六段，仅局部可见马五1中上部。紧邻岩溶斜坡的岩溶盆地边缘地带一般坳陷较浅，为岩溶盆地的浅洼地带，风化壳层段残余厚度增加并不明显；往本区以东及以北以外的地区，将进入岩溶盆地的深洼地带，风化壳层段残余厚度也将会有明显的增加。本区充填、淀积作用强，岩溶作用以地表侵蚀带的溶蚀及浅层径流带的层状溶蚀作用为主。

依据上下厚度组合、地形特点及岩溶性质等可进一步划分出残台、沟谷、浅洼、深洼4个三级古地貌单元。

Ⅲ1.残台：为零星分布的低缓的丘型小平台，周边与浅洼相过渡。区内4个残台主要分布于岩溶盆地西缘的浅洼之内。

Ⅲ2.沟谷：为水流下切通道在岩溶盆地中的延伸，侵蚀下切作用减弱，沟谷形态变宽变浅。

Ⅲ3.浅洼：为岩溶盆地边缘的构成主体，地势较低洼开阔，常被沟谷从中间一分为二。

Ⅲ4.深洼：为岩溶盆地的构成主体，地势低洼、开阔平坦，沟谷消失。位于本区东部以外。

图5 盆地东部地区前石炭纪综合法古地貌图Fig.5 Synthetic method’s palaeogeomorphic map of Pre－Carboniferous in east area of the basin

图6为1条位居西南的古地貌连井剖面，该剖面自研究区西南向北东横切，横跨岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地三大古地貌发育区。古地貌单元的解释验证结果表明，风化壳岩溶古地貌综合地质模型与实际连井剖面具有良好的对应关系，研究结果真实可信，研究方法现实可行。

4 结果与结论

1）构造演化对古地貌的发育及保存具有重要的影响。由于鄂尔多斯盆地构造演化以整体的升降运动为主，奥陶系顶部风化壳侵蚀面上下之地层呈镜像和互补关系，因而为古地貌的恢复研究提供了重要的地质依据和方法思路。

2）在区域古地貌的恢复中，单纯的印模法或残厚法虽有一定效果，但其局限性也很明显。印模法虽对古地势背景及古地貌格局反映较好，但对微观古地貌的细微刻画上相对不足；残厚法虽在局部微观古地貌的刻画上更为细致，但对区域构造背景及古地貌总体格局的反映却极不敏感。铝土岩分布可进一步佐证和细化奥陶系风化壳古地貌的发育特点。

图6 盆地东部地区前石炭纪古地貌连井横剖面综合解释成果图Fig.6 Comprehensive interpretation result diagram of Pre－Carboniferous palaeogeomorphology of well tie cross section in east area of the basin

3）综合法是根据加里东侵蚀面上下两套地层组合（下指侵蚀面下伏之奥陶系风化壳残余厚度，上指侵蚀面上覆之石炭系厚度）及其相对变化情况，结合区域地质背景，将印模法与残厚法二者有机结合起来综合研究古地貌的一种方法。综合法能够有效地消除印模法与残厚法的相互矛盾及局限性。

4）依据综合法建立了解释和恢复奥陶系风化壳岩溶古地貌的综合地质模型。该模型将盆地东部奥陶系不整合侵蚀面上下地层组合分别划分为上薄下薄、上厚下厚、上厚下薄、上薄下厚4种基本型式以及上次厚下次薄、上次薄下次薄、上次薄下次厚、上次厚下次厚等8种子模型；相应的古地貌解释包括了岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地3个二级古地貌单元以及残丘、台地、残台、阶坪、沟谷、浅洼、深洼等11个三级古地貌单元。

5）盆地东部古地貌类似一种丘陵地貌，地形变化总体比较和缓，无大的起伏或落差。岩溶高地出现于本区西南角，分布局限；岩溶斜坡占据了盆地东部的大部，主体地貌单元为斜坡台地与斜坡阶坪；岩溶盆地位于本区东部，主体地貌单元为盆地浅洼。

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