鄂尔多斯盆地苏里格南部地区盒8段沉积相特征及其意义

2015-01-07武春英韩会平康锐尹弘

地球科学与环境学报 2014年4期

武春英+韩会平+康锐+尹弘

多斯盆地苏里格南部地区上古生界中二叠统石盒子组盒8沉积期的沉积类型、沉积微相特征及沉积相对天然气成藏富集的影响进行了分析。结果表明：鄂尔多斯盆地苏里格南部地区盒8沉积期自北向南依次发育缓坡浅水辫状河三角洲和滨浅湖沉积相，亚相主要为三角洲平原、三角洲前缘、滨湖和浅湖，微相包括分流河道、分流间洼地、水下分流河道、水下天然堤、分流间湾、滨湖砂坝、滨湖泥湾和浅湖泥湾；各微相在空间上相互叠置，复合加积；各微相水动力条件的差异造成微相在沉积物成分和组构上各异，导致其成岩作用不同；分流河道和水下分流河道微相发育处密集形成相互叠置的大面积骨架砂体，构成区内主砂带，成为天然气优质储集层，是有利勘探相带；沉积相明显控制优质储集层的分布，进而影响着天然气的富集成藏。总之，水下分流河道和分流河道微相是砂岩优质储集层分布和发育的最有利相带，也是今后勘探开发的方向。

关键词：沉积相；辫状河三角洲；滨浅湖；分流河道；石盒子组；上古生界；鄂尔多斯盆地

中图分类号：P531；TE122文献标志码：A

0引言

沉积相研究是沉积岩石学研究的主要内容之一，是确定沉积岩古沉积环境，判定沉积岩沉积体系类型及其能源矿产赋存规律的重要依据，也是重塑岩石沉积与古地理环境演化过程中相互耦合关系的主要方法。传统的沉积相研究主要结合区域地质背景，有效利用沉积岩的组分、颜色、结构、构造、古生物以及地球化学特征等相标志，推断（或反演）沉积岩古沉积环境，进而建立其沉积相模式。近年来，沉积相研究已向多技术、多方法的定量化与精细化研究领域发展，如相标志量化法、相标志内部层次结构分析法、模糊综合评判法、水槽试验法、计算机模拟法等[18]。这些方法及其研究成果在沉积相研究方面取得了显著成效，并已成功应用于油气成藏分析及古环境反演。

针对鄂尔多斯盆地苏里格南部地区二叠系石盒子组盒8段沉积期的沉积环境，目前研究存在不同的观点：杨西燕等认为该层段属于滨浅湖滩坝沉积[9]；付锁堂等认为该层段是湖泊三角洲沉积[10]；郭英海等认为该层段属于河流或三角洲沉积[1112]；杨俊杰等认为该层段为大型缓坡型三角洲沉积体系[1314]；徐蒙等认为该层段为浅水辫状河三角洲沉积[15]。但近年来的勘探实践证实以上观点并不符合该区的实际情况。由于沉积相类型认识不清，沉积相带展布规律不明，因而在一定程度上也制约了该地区的油气勘探进展。笔者深入剖析了该区沉积相类型及其特征，分析沉积相时空展布规律，研究沉积相对天然气富集成藏的影响，以期进一步认识该区天然气地质，并对下一步天然气勘探进行指导。

1区域地质概况

鄂尔多斯盆地是华北板块西端的次级构造单元，其形成演化既与太平洋板块和古亚洲洋盆俯冲隆升有关，也与特提斯洋壳和古亚洲洋盆碰撞有关，同时还受到秦祁海槽及其派生的贺兰坳拉槽的扩张与消减影响。鄂尔多斯盆地经历了太古代基底岩形成、中晚元古代大陆裂谷发育、早古生代槽台对立发展、晚古生代至三叠纪的克拉通坳陷形成、早侏罗世至早白垩世内陆盆地发展、新生代周边断陷盆地发育等6个构造沉积演化阶段[16]，具有6个一级构造单元。苏里格南部地区位于天环坳陷和伊陕斜坡两个一级构造单元之上（图1）；加里东运动晚期，盆地随华北地台整体抬升，遭受长达1.3～1.5 Ma风化剥蚀；直至海西旋回中期，秦祁海槽再度拉张，包括研究区在内的整个盆地在区域沉降背景下接受沉积，形成海陆过渡沉积相；海西旋回晚期，秦祁海槽再次挟挤，海水被迫从东、西两侧退出，晚石炭世太原期海相沉积结束[17]。从早二叠纪山西期至石千峰期，苏里格南部地区进入河流三角洲湖泊为主的陆相沉积阶段[18]。

2沉积体系

前人针对苏里格南部地区二叠系石盒子组盒8段沉积相进行的大量研究成果对本次层段沉积相研究具有重要的指导意义[1935]。依据本区钻井的岩石学特征、岩芯观察、沉积构造、测井曲线及其古生物等资料，按Walker等的沉积体系分类，在本区石盒子组盒8段识别出2种沉积相[3637]、4种沉积亚相、5种沉积微相。2种沉积相分别为缓坡浅水辫状河三角洲沉积相和滨浅湖沉积相。缓坡浅水辫状河三角洲沉积相发育三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相；三角洲平原亚相发育分流河道和分流间洼地微相；三角洲前缘亚相发育水下分流河道、水下天然堤和分流间湾微相。滨浅湖沉积相发育滨湖和浅湖亚相，滨湖亚相进而发育滨湖砂坝和滨湖泥湾微相，浅湖亚相发育浅湖泥湾微相，微相总体不太发育（表1）。

2.1缓坡浅水辫状河三角洲沉积相

2.1.1三角洲平原

研究区三角洲平原是辫状河进积到陆表海滨海平原浅水中的水上部分，即沉积层序中的顶积层。在钻井垂向序列中可识别出分流河道、分流间洼地图1鄂尔多斯盆地苏里格南部地区研究区位置及沉积相分布

前缘滨湖浅湖分流河道以浅灰色中粗粒岩屑石英砂岩为主，底部多见含粒粗砂岩，磨圆度较好，分选好板状交错层理、平行层理、槽状交错层理砂岩底面具有明显的底冲刷构造，冲刷面上砾石顺层分布，偶见植物碎片化石具有向上变细的正粒序；跳跃与悬浮组成两段式，且以跳跃总体为主钟形或带齿状钟形或箱形，高幅值分流间洼地黑灰色、深灰色泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩沙纹层理或水平层理植物茎干化石以悬浮总体为主微齿状，低幅值水下分流

河道灰白色、浅灰色含砾粗粒砂岩，绿灰色中粒砂岩，次棱—次圆状，分选中等—好槽状交错层理、块状层理、斜层理冲刷构造、槽状构造、板状构造和平行构造，偶见植物碎片化石跳跃与悬浮组成两段式，且以跳跃总体为主齿状箱型或钟形，高幅值水下天然堤细、粉砂岩或粉砂质泥岩沙纹层理植物茎干化石以悬浮总体为主低平锯齿形，低幅值分流间湾灰绿色—黑灰色泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩波状层理或水平层理可见浪成波痕，植物碎屑丰富单一悬浮组分低平锯齿形，低幅值滨湖砂坝黄绿色细粒砂岩和砂质泥岩低角度板状斜层理和爬升波纹层理植物碎片和树干化石跳跃组分和悬浮组分低平锯齿形，低幅值滨湖泥湾褐红色泥岩沙纹层理或水平层理虫孔发育以悬浮总体为主低平锯齿形，低幅值浅湖泥湾灰绿色泥岩或泥质粉砂岩沙纹层理或水平层理少见生物潜穴和扰动构造以悬浮总体为主低平锯齿形，低幅值等微相[图2（a）]，其中广泛发育的分流河道是其沉积主体，其他微相不甚发育，或因后期河道冲刷而保存不全，甚至缺失。

粒岩屑石英砂岩组成，其次为绿灰色粗—中细砂岩；分流河道底部多见含砾粗砂岩。砂岩碎屑组分中，石英体积分数为77.25%，岩屑为21%；以变质岩屑和火成岩岩屑为主，长石极少，仅在陕226井和桃6井盒8段发现占0.1%～0.45%的长石。砾石成分主要为石英岩及燧石，少量为泥岩砾石；砾石砾径主要为2～5 mm，最大可达40 mm，砾石的磨圆度较好。砂岩胶结物以高岭石、绿泥石和伊利石为主，硅质（次生加大和自生石英）次之，少量为铁方解石胶结；砂岩分选好，颗粒呈次圆状，成分和结构成熟度皆较低；板状交错层理、平行层理及槽状交错层理发育；底面具有明显的底冲刷构造，其上见砾石顺层分布，偶见植物碎片化石。

分流河道显示向上变细的正粒序沉积序列。粒度概率累积曲线呈两段式，以跳跃总体为主，体积分数75%～89%，跳跃总体的斜度多在55°～60°之间，细截点为1.76～2.4 Φ；悬浮组的斜度在3°～9°之间[图3（a）]，滚动总体一般不发育。以上粒度特征显示了牵引沉积特征，反映了河流相或水动力较强的三角洲相分流河道沉积环境。在自然伽马曲线上，响应为钟形或带齿状钟形（或箱形），自然伽马曲线具有中高幅值（曲线顶、底变化截然不同），反映了水流强度由高流态向低流态转变条件下的沉积，同时说明了水流能量和物源供给减少，河流侵蚀作用不断减弱的环境水动力条件。

分流间洼地是分流河道之间发育的安静或停滞环境，是由分流河道水流入低洼处形成的局限环境沉积。分流间洼地主要受到分流河道频繁改道和分流河道对下伏沉积物强烈冲刷的共同影响，因此，研究区分流间洼地微相整体不发育或保存不完整，规模也相对较小。此微相沉积物由深灰色、黑灰色泥岩与粉砂质泥岩及泥质粉砂岩互层组成，厚度小，沙纹层理或水平层理发育，偶见植物茎干碎片化石。自然伽马曲线呈现低幅值、微齿状[图2（a）]。

2.1.2三角洲前缘

三角洲前缘沉积是研究区盒8段最主要的沉积类型，以河道径流广泛发育为特征，受平缓沉积基底、强水动力条件和弱湖水改造作用的控制。三角洲前缘水下分流河道砂体分布发育，向前延伸较远，构成三角洲前缘的骨架砂体。

水下分流河道是三角洲平原分流河道向湖内水下的继承延伸部分，其两者沉积具有一定的相似性。水下分流河道主要发育灰白色、浅灰色含砾粗粒砂岩和绿灰色中粗粒砂岩。砂岩碎屑颗粒主要为石英（体积分数为81%），次为岩屑（18.5%），长石极少；长石主要分布在研究区东部边缘，在中部和西部未见，可能与物源有关。岩石类型多为石英砂岩、岩屑石英砂岩及部分岩屑砂岩。砂岩分选中等—好，呈次棱—次圆状，主要为接触式胶结，胶结物主要为高岭石、伊利石，灰绿色岩石多为绿泥石胶结，铁方解石和菱铁矿胶结可见。砂岩纵向上具有向上变细的正旋回特点（含砾砂岩→粗砂岩→中细砂岩→细砂岩→泥质粉砂岩→泥岩），其底部沉积构造较三角洲平原分流河道砂岩的沉积构造更发育，主要有冲刷构造、槽状构造、板状构造和平行构造，层理面较清楚，主要由泥质条带显现，部分由粒度变化显现。

水下分流河道频繁改道，空间上显示河床摆动，河道多次叠加加积，造成纵向上泥质体积分数向上增高，砂质颗粒变细的单旋回砂层，出现多次叠加的复合正韵律砂体，也反映了水动力环境条件由强变弱的周期性变化。概率累积曲线呈两段式，以跳跃总体为主，体积分数为64%～78%，跳跃总体的斜度多在65°～70°之间，细截点的变化区间为0.5～125 Φ之间，反映了牵引沉积特征。悬浮组的斜度在0°～15°之间[图3（b）]，滚动总体一般不发育。电测曲线（自然伽马曲线）在砂岩段表现为中、高幅值，呈钟形或齿状箱型[图2（b）]，在叠合砂体上响应为多次箱形曲线的叠加，且曲线由下至上幅度逐渐降低，反映正韵律的特点。

水下天然堤的沉积厚度为0.50～1.50 m，其岩性多由细、粉砂岩或粉砂质泥岩构成；测井解释中多与水下分流河道组合在一起，不易于识别，在岩芯序列中比较易于观察。以悬浮质为主的碎屑在沉积过程中受到湖水的影响，沉积粒度变细，分选性明显变好，垂向层序基本呈正粒序沉积，一般在其顶部沉积层必然有大面积的薄—厚层泥岩分布。自然伽马曲线的形态物性特征表现为沉积相旋回顶部“低平锯齿形”，曲线反映比较平缓。

分流间湾发育于水下分流河道侧翼低洼处的沉积，多以灰绿色—黑灰色泥岩或粉砂质泥岩为主，含少量泥质粉砂岩，发育波状层理或水平层理，可见浪成波痕，植物碎屑丰富。粒度概率曲线显示其为单一的悬浮组分。自然伽马曲线表现为低平微齿状，呈低幅值。

2.2滨浅湖沉积相

杨昌贵等对鄂尔多斯盆地二叠世湖相沉积进行了深入研究，认为边缘湖（滨浅湖）广泛发育盆地湖缘地区，是古陆表海处于海岸平缓区的浅水部分，与缓坡浅水毯式辫状河三角洲常共生而难以区分[3839]。研究表明，研究区滨浅湖是由三角洲前缘演变而来。在盒8沉积期，苏里格南部地区当时为干旱、半干旱气候，发育平坦的浅水湖泊古地形，受到三角洲前缘水下分流河道中的阵发性洪水注入影响[40]；在开阔平坦的湖岸环境中，在洪水期高水位面附近的低能带沉积了泥和粉砂等细粒碎屑物质，在低水位（枯水位）面附近的高能带附近形成滨浅湖砂坝等砂质碎屑沉积。由洪水注入方向向远处，沉积物质逐渐变细，常见砂岩泥岩互层，粉砂岩中见细纹层理，泥岩中见水平层理，偶见潜穴生物遗迹化石。

2.2.1滨湖

滨湖亚相是处于洪水线与正常波基面之间的环境沉积，受湖进和湖退的影响较大[41]，包括滨湖砂坝和滨湖泥湾两个微相。

滨湖砂坝微相是滨湖环境中以砂岩为主的沉积，是砂岩受湖浪作用而形成的，主要为黄绿色细粒砂岩和砂质泥岩，砂岩分选较好，发育低角度板状斜层理和爬升波纹层理。砂岩粒度概率曲线表现为两段式的跳跃组分和悬浮组分特征，发育植物碎片和树干化石。自然伽马曲线为低平锯齿形，呈低幅值。

滨湖泥湾微相主要为褐红色泥岩，泥岩发育沙文层理和平行层理，常见虫孔构造。

2.2.2浅湖

浅湖亚相主要是在风暴潮等影响下形成的一种处于正常波基面与最大波基面之间的环境沉积，发育浅湖泥湾微相。

浅湖泥湾微相主要发育紫红、灰绿色泥岩，少见生物潜穴生物遗迹化石和扰动构造。

苏里格南部地区发育大面积缓坡浅水辫状河三角洲沉积体系和局部滨浅湖沉积体系。从研究区30多口探井的岩电特征（图4）和沉积相平面展布图（图1）可以看出，缓坡浅水辫状河三角洲在平面上表现为由分流间洼地（分流间湾）和分流河道（水下分流河道）等微相相互组成的多个网毯状大面积沉积体（厚12～45 m，宽12～32 km），延伸距离达160 km以上。滨浅湖呈不规则状分布在研究区南缘：侧向上，多个分流河道（水下分流河道）在宽缓的斜坡区频繁地迁移，河道反复被废弃与复活，致使后来的分流河道相互叠置，侧向加积，砂坝与河道之间相互切割交替，横向连片，从而使得缓坡浅水辫状河三角洲反旋回结构较不明显；垂向上，缓坡浅水辫状河三角洲各沉积微相沉积共生，且各微相对相互底接触面有冲刷现象，表现出缓坡浅水辫状河三角洲分流河道（水下分流河道）的沉积特征。在盒8沉积期，苏里格南部地区具有“稳定的构造、较浅的水体、平缓的古地貌、丰富的物源”等沉积条件，因此，三角洲整体向前推进距离长，三角洲前缘相带宽广而平原相带相对较窄，显示出“大前缘、小平原”的特点。缓坡浅水辫状河三角洲分流河道（水下分流河道）微相十分发育，频繁分叉，横向迁移，各支流之间距离较短。

从沉积相平面图（图4）可以看出，研究区盒8沉积期的沉积相分布范围南、北不同。三角洲平原亚相展布面积较少，而三角洲前缘相对较大。以定边—靖边以北到衡山以南一线为三角洲相带的分界线，界线以北为三角洲平原亚相，以南为三角洲前缘亚相，再往南为滨浅湖沉积相，其发育于研究区南部边缘，即环县—华池地区。

4沉积相对天然气富集成藏的影响

沉积相对天然气富集成藏、大面积分布起着至关重要的作用。有利的沉积相是天然气运移聚集的最有利载体。苏里格南部地区盒8段沉积相展布特征表明，三角洲前缘的水下分流河道沉积是在三角洲平原的分流河道沉积基础上发展起来的，两者形成大面积展布的骨架砂体，且岩性主体为中—粗粒砂岩，使其成为区内优质储集层，为苏里格南部地区形成大型岩性气藏提供了可能[41]。

研究表明：三角洲前缘的水下分流河道主河道部位水动力作用强，沉积物颗粒粗，分选好，石英体积分数高，杂基体积分数低，溶蚀孔、晶间孔、粒间孔发育，易形成高渗储集层；而河道边部及间湾部位水动力减弱，沉积物颗粒变细，填隙物、软岩屑体积分数增加，压实作用强，相对致密，储集层物性相对较差。因此，优质储集层沿主河道方向分布，进一步控制了天然气藏的空间分布。勘探实践表明，苏里格南部地区气藏主要沿着主河道的位置分布。

不同沉积微相水动力条件差异影响着成岩作用的不同，两者的有效配置又控制着有效储集层的分布。大量的岩芯分析表明，沉积作用是成岩作用的基础。对于苏里格南部地区盒8段以河控为主的缓坡浅水辫状河三角洲沉积相和滨浅湖相的沉积来说，由于水动力条件的差异，沉积相形成的岩石在成分和组构上存在差异，导致其成岩作用不同；在浅水三角洲岩相中，水动力作用较强而沉积物粒度粗、杂基体积分数低，为后期的成岩改造创造了条件，有利于孔隙水的流动、成岩矿物的运移和原生孔隙的保存（图5）；在滨浅湖岩相中，随着水动力强度减弱，沉积物粒度变细，填隙物增多，在孔隙水流动不畅的情况下，成岩作用以压实作用和蚀变作用为主，溶蚀作用不发育。从图（b）到图（c），再到图（d），石英体积分数呈降低的趋势；从图（e）到图（f），再到图（g），孔隙结构呈变差的趋势

（1）鄂尔多斯盆地苏里格南部地区盒8段属于缓坡浅水辫状河三角洲沉积相和滨浅湖沉积相，主要为三角洲平原、三角洲前缘、滨湖和浅湖4类亚相，包括分流河道、分流间洼地、水下分流河道、水下天然堤、分流间湾、滨湖砂坝、滨湖泥湾和浅湖泥湾8种微相。

（2）研究区盒8段沉积相自北向南依次展布，各微相在平面上共同组成缓坡浅水辫状河三角洲沉积相，侧向上相互叠置，复合加积，垂向上各微相共生，并冲刷相互底接触面；滨浅湖各微相总体在研究区不太发育。

（3）研究区沉积相明显控制优质储集层的分布，进而影响着天然气的富集成藏。各微相水动力条件的差异造成微相在沉积物成分和组构上各异，导致其成岩作用不同。总体上，分流河道和水下分流河道微相发育处密集形成相互叠置的大面积骨架砂体，构成区内主砂带，成为天然气优质储集层，是今后有利的勘探相带。

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