鄂尔多斯盆地东南部山西组沉积特征

杜永慧， 李晓路， 韩小琴， 曹红霞， 于兴河

( 1. 陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院，陕西 西安 710069； 2. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083 )

鄂尔多斯盆地东南部山西组沉积特征

杜永慧1， 李晓路1， 韩小琴1， 曹红霞1， 于兴河2

( 1. 陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院，陕西 西安 710069； 2. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083 )

根据薄片观察及粒度分析、野外露头及岩心观察，分析鄂尔多斯盆地东南部山西组的岩石学特征、水动力条件，以及宏观和微观沉积特征，划分岩相类型和岩相组合，建立该区三角洲前缘沉积模式。结果表明：鄂尔多斯盆地东南部山西组沉积粒度偏细，分选好，水动力条件以牵引流为主；三角洲前缘沉积特征明显，且沉积地形坡度较缓；划分7种岩相类型和3种岩相序列组合。研究区整体表现为三角洲前缘沉积特征，主要发育水下分流河道、水下分流间湾、分流河口砂坝3种微相。该结果为鄂尔多斯盆地东南部山西组天然气精细勘探开发提供参考。

沉积模式； 沉积特征； 三角洲前缘； 山西组； 鄂尔多斯盆地东南部

0 引言

鄂尔多斯盆地是我国天然气勘探最具潜力的盆地之一。盆地北部发现多个大型气田，已成为我国中西部重要的天然气生产基地[1]。盆地南部地区天然气勘探进展缓慢，近年来，在南部地区上古生界地层中发现大量的天然气资源，打破“南油北气”的勘探格局。

山西组作为盆地内重要的生气层，同时也是重要的含气层，是人们研究的热点[2-5]。鄂尔多斯盆地在山西组沉积过程中存在多个物源方向[6-7]，对于盆地北部和南部的沉积体系的认识程度存在较大差异。盆地中北部地区沉积体系研究比较成熟，山西组以曲流河、三角洲平原、三角洲前缘及滨浅湖沉积为主[8-11]。盆地南部地区整体研究程度较低，陈全红以全盆地为研究区域，认为南部山西期沉积体系与中北部相近，规模较小[12]；陈孟晋、王超勇等对延安—环县以南、西安以北的南部地区进行研究，认为南部主要受到西南和东南两个物源的影响，主要发育曲流河、三角洲沉积[13-14]。盆地东南部黄陵—延安地区早期资料少，之前大范围的研究成果已无法满足当前精细的勘探开发。笔者考察研究区附近的野外地质剖面，结合岩心与钻测井资料，研究山西期沉积特征，明确其沉积特征和微相类型，并建立研究区沉积模式。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东南部，行政区域上北临延安，南至黄陵、韩城一带(见图1)。其主体位于伊陕斜坡南部，整体表现为东南部略高、平缓西倾的单斜，局部构造不发育，存在一些小的鼻隆构造。研究区山西组地层厚度为90～115 m，根据岩性组合，自下而上分为山2段和山1段，其中山2段为中厚层砂岩夹薄泥层，中上部有煤层；山1段以灰色泥岩、泥质粉砂岩为主，夹中细砂薄互层，含煤层(见图1)。

1.1 沉积环境

鄂尔多斯盆地在晚古生代经历多次海侵，早二叠世受构造运动影响，盆地北隆南倾，海水由SE-E向侵入，全区成为统一的陆表海[15]。早期,人们认为太原期末海水完全退出盆地，山西期盆地为近海湖盆或为陆内湖盆[16-18]。随着勘探的深入，刘家铎等分析岩心与岩石学特征，找到盆地北部塔巴庙地区山1段海相沉积的标志[19]；叶黎明等认为盆地东部山西组是发育在浅海陆棚基础上的三角洲沉积[20]；根据多种地质证据和地球化学分析结果，认为鄂尔多斯盆地山西期由南向北、层位自下而上受海水影响的规模与范围愈来愈弱[21-25]。研究区位于盆地的东南部，山西期仍受海侵的影响。

图1 研究区位置与地层Fig.1 Study area location and stratigraphic column

1.2 物源供给

中奥陶世，扬子板块向华北板块之下俯冲，华北板块南部发育主动大陆边缘，秦岭造山带开始形成；直至中三叠世，俯冲碰撞造山结束，北秦岭逆冲褶皱带不断隆起；二叠纪初期，北秦岭地区的弧后海盆地开始隆升[26-27]。北秦岭构造带的隆起为鄂尔多斯盆地晚古生代南部的沉积充填提供物源保障。人们利用野外露头古流向测定、重矿物分析、岩屑类型及地球化学等方法，证实盆地南部二叠世的物源主要来自秦祁褶皱带形成的北秦岭隆起带，山西期向北发展至延安地区并与北部物源交汇[7,28-30]。研究区位于伊陕斜坡南端，其南部渭北隆起与北部吕梁隆起为中生代之后隆起的[31]。根据大地构造背景，北秦岭隆起带为山西期的沉积提供物源。

2 山西组沉积特征

山西期沉积环境判断与物源供给分析表明，研究区山西期为受海侵影响的浅水环境，沉积物源来自南部北秦岭造山带。

2.1 岩石学特征

山西组的砂岩主要为中细粒岩屑质石英砂岩和岩屑砂岩，粗粒砂岩和含砾粗砂岩较少，其中石英平均质量分数为81.0%，长石为2.4%，岩屑为16.6%；岩屑组分主要为变质岩、岩浆岩，含少量沉积岩屑，与物源来自北秦岭造山带出露的变质岩系有关。砂岩的磨圆为次棱—次圆状，以颗粒支撑为主，偶见杂基支撑，接触方式以凹凸接触为主，次为点状、镶嵌状。其重矿物组合中锆石和白钛矿质量分数较高，ZTR指数和北部相比整体偏低，表明研究区距离物源较近，也证明研究区物源来自东南部北秦岭造山带。

2.2 粒度分析

采用薄片粒度分析法，分析研究区砂岩沉积环境的水动力条件。粒度概率图主要表现为三段式和二段式(见图2)，其中三段式跳跃组分约占85.00%，但斜率较小；悬浮组分较多，约占12.00%；滚动组分约为2.00%。粒度集中在2.0～3.0Φ之间，以中细粒颗粒为主，反映水动力相对较强，少量粗颗粒沿河床底部滚动，细颗粒随水流以跳跃和悬浮的方式沉积下来。两段式跳跃组分约占90.00%，悬浮组分约为10.00%，粒度集中在2.5～3.5Φ之间，以细颗粒为主，反映水动力减弱，沉积物主要为跳跃和悬浮搬运，分选性较三段式的好。整体特点是滚动成分不发育，以跳跃和悬浮组分为主，粒度偏细，分选较好，牵引流特征明显。

2.3 野外地质剖面

野外剖面较为宏观，连续性较好，可以比较完整地展现山西组的沉积特征。对研究区南部韩城和铜川多处野外露头剖面进行考察，选取涺水河剖面进行分析。宏观上，山西组整体表现为“泥包砂”的特征，底部褐灰色砂岩夹黑色泥岩及煤线，中部褐灰色砂岩夹泥岩，上部为灰黑色砂质泥岩夹黄绿色粉砂岩，厚度约为60 m。下部和上部砂体横向分布连续，多呈孤立状分布；中部多期砂体呈低角度叠瓦型堆积，为三角洲沉积中典型的前积体，且在前积砂体底部未发现底积层沉积(见图3)。于兴河等认为三角洲内部的前积结构受地形坡度的影响，坡度越缓，前积厚度越小，多呈叠瓦型[32]。研究区山西期发育三角洲沉积，且地形坡度较缓。微观上，碎屑颗粒分选性和磨圆相对较好，粒度变化范围不大，以中细粒砂岩为主。在剖面底部和上部，砂体发育冲刷面构造或槽状交错层理，代表分流河道沉积的特征；砂体间夹灰色—灰黑色泥岩、粉砂岩，发育复合层理及流水沙纹层理，其间多见植物化石，且炭质质量分数较高，发育炭质泥岩和煤层，反映水体较浅、沉积粒度较细，为分流间湾沉积。

图2 研究区粒度分选参数统计Fig.2 Grain size distribution curve in the study area

图3 薛峰川剖面山西组砂体解剖Fig.3 Sand bodies in the Xuefengchuan field section

2.4 岩心描述与岩相划分

2.4.1 岩心描述

研究区细粒沉积主要包括泥岩、煤、粉砂质泥岩、粉砂岩，泥岩颜色为灰黑色—深灰色，泥岩中多见植物碎屑，部分植物碎屑出现炭化，断口处也可见白云母零散分布(见图4(a-c))；泥岩中炭质质量分数较高，出现不同程度的炭化，后期煤化程度较高的灰质形成黑色的煤，呈现质轻、性脆、污手，断面具有玻璃光泽的特征(见图4(d))；粉砂岩及粉砂质泥岩颜色多为深灰色，发育流水沙纹层理，也常与泥岩在垂向上间互叠置，发育复合层理(见图4(f-g))。细粒沉积整体表现为水动力频繁变化、浅水泥沼沉积特征。

粗粒沉积包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩，颜色整体为灰色，部分呈灰绿色或灰白色。其中粗砂岩发育槽状交错层理，在冲刷面附近见含砾粗砂岩或泥岩撕裂屑，表现为河道下切的特征(见图4(h-i))。中—细砂岩是研究区砂岩的主要组分，分选较好，磨圆为次棱—次圆状。主要发育板状交错层理、平行层理等，在岩心断面处见大量白云母，反映水动力能量由强变弱，沉积物大量卸载(见图4(e-j))。研究区粗粒沉积呈现水道沉积特征。

图4 研究区山西组岩心特征Fig.4 Cores of Shanxi formation in the study area

2.4.2 岩相划分

根据岩心观察结果，研究区山西组主要为三角洲前缘沉积。结合岩性和沉积构造特征，对研究区岩相类型进行划分，共划分7种类型(见表1)。

表1 研究区山西组7种岩相类型

Table 1 Seven types of lithofacies of Shanxi formation in the study area

(1)槽状交错层理砂岩相(St)：以中粗砂岩为主，偶见少量含砾粗砂岩，发育槽状交错层理，为水下分流河道下切、充填沉积，出现于水下分流河道下部；

(2)板状交错层理砂岩相(Sp)：以细砂岩、中砂岩为主，发育板状交错层理，反映水下分流河道侧向迁移的过程；

(3)平行层理砂岩相(Sh)：出现在粉细砂岩、中砂岩中，发育平行层理，一般与下部的板状交错层理难以区分，为高流态面状层流，反映水浅流急的水动力特征；

(4)流水沙纹粉砂岩相(Fr)：常见于粉细砂岩、泥质粉砂岩，波痕具有不对称性，水动力较弱，主要发育于三角洲前缘的环境；

(5)复合层理粉砂岩相(Fc)：岩性以粉细砂岩、泥质粉砂岩为主，根据砂泥比，分为脉状、透镜状、波状三种层理，主要反映三角洲前缘水体频繁进退的特征；

(6)炭质泥岩相、煤相(Mc/C)：发育于灰黑色炭质泥岩煤层，为静水还原环境，可见植物叶片，为水下分流间湾及泥炭沼泽沉积；

(7)灰色泥岩相(Mg)：常见于灰绿色泥岩，为细粒沉积，发育块状层理，水动力较弱，主要发育于水下分流间湾沉积环境。

图5 研究区岩相组合类型Fig.5 Three kinds of combinations of lithofacies in the study area

根据岩相类型划分结果，分析各种岩相在垂向上组合特征。

(1)水下分流河道：St→Sp→Sh→Fr→Mg，其特点是由底部粗砂岩相过渡到泥岩相，沉积构造也由大型的交错层理变为小型的流水沙纹层理、块状层理，反映一期水道沉积，水动力由强到弱的变化(见图5(a))；

(2)水下分流间湾：Mg→Fr→Mc/C→Fr→Mc/C→Fc，整体为砂泥间互沉积，发育小型流水沙纹层理和复合层理，可见植物叶片化石，富含有机质，发育炭质泥岩或煤层(见图5(b))；

(3)分流河口砂坝：Mg→Fr→Sp→Sh→Mg，其特点是粒度向上变粗的反粒序，多发育流水沙纹层理和板状交错层理，反映砂体的前积迁移作用(见图5(c))。

3 三角洲前缘沉积

根据研究区山西组岩石学特征及水动力分析、野外地质剖面解析、岩心精细描述及垂向序列，主要发育三角洲前缘沉积，包括水下分流河道、水下分流间湾、分流河口砂坝等微相。

3.1 水下分流河道微相

研究区水下分流河道沉积的岩性主要为中砂岩、细砂岩，含少量含砾粗砂岩，发育多种交错层理及冲刷面，反映河道下切的特征。研究区物源来自南部，在沉积剖面上也可以看到南部水下分流河道砂体较北部的发育。砂体形态呈顶平底凹的透镜体，自然伽马曲线呈箱型、钟型，顶部渐变、底部突变，呈中—高幅齿型。由于地形坡度较小，单砂体顺物源方向延伸较远，可见砂体呈叠瓦状迁移(见图6)。

3.2 水下分流间湾微相

水下分流间湾以泥岩、粉砂质泥岩等细粒沉积为主，可见复合层理和流水沙纹层理；常见植物化石，反映山西期的湿润气候，分流间湾内植物较为发育。随着三角洲向前推进，早期形成的水下分流间湾演变为富含有机质的水上泥炭沼泽沉积，为山西组一种重要的聚煤类型[33]。在剖面上，GR曲线在泥岩基线附近，呈低幅、微齿，相对较为平滑。水下分流间湾与水下分流河道密切共生，反复叠置，其间发育由水下分流河道漫溢发育而成的漫溢砂体(见图6)。

3.3 分流河口砂坝微相

分流河口砂坝以中细砂岩为主，分选较好，自然伽马曲线以漏斗型为主，也可见纺锤状，呈中高幅，顶、底部为渐变接触，通常表现为反粒序特征。由于山西期水下分流河道较为发育，冲刷作用较强，早期形成的河口砂坝常被后期水下分流河道冲刷，研究区分流河口砂坝发育较少，常与水下分流河道砂体出现垂向上相互叠置的现象(见图6)。

图6 研究区山西组S-N向剖面沉积相Fig.6 Sedimentary characteristics of S-N profile of Shanxi formation in the study area

4 沉积模式

研究区沉积物粒度整体偏细，以中—细砂岩为主，分选中等，发育槽状交错层理、板状交错层理、复合层理、植物化石及白云母，反映研究区沉积时期水体较浅、进退频繁、气候湿润的沉积环境。

平面上，三角洲前缘的发育可分为前缘内带和前缘外带(见图7)，前缘内带与三角洲平原具有一定的继承性，河道较宽，水道下切冲刷作用较强，其间未被冲刷保留下来水下分流间湾内植被发育；前缘外带水体加深，水下分流河道分汊变多，水道下切深度变浅，水下分流间湾沉积植被较少。纵向上，山2段到山1段，海水持续退去，由于研究区沉积时期地形较缓，三角洲缓慢前积。三角洲前积过程中，水下分流河道较为发育，剖面上砂体多为顶平底凹的砂体；水下分流河道发育少量的河口砂坝，剖面上与分流河道砂体相互叠置分布。随着水位的降低，早期形成的水下分流间湾植被生长，发展为水上泥炭沼泽沉积，为山西组煤层的形成提供基础。这一模式反映浅水缓坡型三角洲前缘亚相的沉积特点。

图7 研究区三角洲前缘沉积模式Fig.7 the sedimentary model of front delta in the study area

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地东南部沉积地形坡度较缓，水动力条件以牵引流为主，沉积粒度偏细，分选好，山西期主要发育三角洲前缘沉积。

(2)研究区三角洲前缘的沉积模式为：来自盆地南部北秦岭隆起带的物源，经山地河流长距离搬运，在研究区内大量卸载，受地形及物源供给的影响，形成浅水缓坡型三角洲前缘沉积。

(3)研究区主要发育水下分流河道、水下分流间湾、分流河口砂坝3种微相。其中水下分流河道砂体发育较好，是勘探开发的有利相带，水下分流间湾是重要的成煤环境，也是山西组“气源”之一，有待进一步研究两者的空间展布关系，为南部寻找天然气有利区提供指导。

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2016-10-25；编辑：刘丽丽

杜永慧(1988-)，女，硕士，助理工程师，主要从事沉积学与天然气地质学方面的研究。

TE122

A

2095-4107(2017)03-0044-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.03.005