鄂尔多斯盆地演武地区中侏罗统直罗组沉积相

缪宗利， 朱莉娟， 侯明才， 陈安清， 罗　文， 石　鑫，王海红， 刘一仓， 王联国， 侯长冰， 郭小军， 郭京蜇， 邵晓岩

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.江西省核工业地质调查院(江西省核工业地质局266大队)，南昌 330038；3.中国石油长庆油田分公司 第十一采油厂，甘肃 庆阳 745000； 4.中国石油长庆油田分公司 第三采油厂，银川 750006)

鄂尔多斯盆地位于中国东西部交界带上，是一个具有复杂基底的大型多旋回克拉通盆地[1-2]。关于鄂尔多斯盆地中侏罗统直罗组沉积相的研究，主要集中在盆地东部和北部的露头区[3-5]。近年来，在盆地西部和西南部边缘直罗组可地浸砂岩铀矿的勘查取得巨大进展[5-7]。新近，在演武地区西部镇369井区发现了工业油流，显示直罗组较好的油气资源潜力。然而，演武地区直罗组段级地层划分和高精度时间尺度的沉积环境及砂体展布的研究工作相对滞后。已有的研究表明，演武地区直罗组层段划分尚未统一方案[3-7]。有关直罗组沉积相存在辫状河、曲流河、三角洲之争。针对直罗组不同层段的沉积相特征及砂体展布更未见报道。本文针对盆地西南部演武地区(图1)，进行了5条直罗组露头剖面和4口钻井岩心的精细测量和观察，新解释了盆内500余口钻井的测井资料，系统开展了基于露头、钻井岩心和测井资料的小层划分、沉积相标志判识和砂体展布研究，建立了沉积模式，以期助推鄂尔多斯盆地西部演武地区可地浸砂岩铀矿和油气资源的高效勘探。

1　地层划分与对比

露头和钻井资料表明，直罗组主要由一套黄绿、灰绿色砂岩及蓝灰、灰紫色等杂色泥岩、泥质粉砂岩组成。直罗组底部标志层明显，出露大段厚层状粗粒砂岩或含砾砂岩，部分地区由于底部受延安组顶部河谷地貌控制，高部位缺失最底部亚段，与其下伏地层延安组假整合接触。上部岩性逐渐变细，以泥岩或粉砂质泥岩与薄层粉砂岩互层为主，顶部受到后期抬升剥蚀和古河道的侵蚀使地层缺失，部分井缺失顶部亚段，上部主要与安定组整合或假整合接触。

此前，直罗组的地层划分方案有二分法、三分法和四分法几种不同方案。一方面，这些方案没有明确的分层标准，因为直罗组与下伏的具有凝灰岩层或煤层为小层划分标志的延安组和延长组不一样，在其组内没有明显的标志层；另一方面，针对该套平均约400 m厚的地层，这些分层方案的精度满足不了油气和铀矿勘探对砂体刻画的要求。基于此，本文提出了直罗组新的小层划分方案。首先确定区域标志层，进行直罗组大段的划分。在此基础上，结合地层旋回、地层厚度以及顶底部的河流侵蚀作用的情况进行精细小层划分。确定出以下几条适合研究区的地层划分对比原则：(1)野外露头剖面可划为下部巨厚砂岩段和上部砂泥互层段，并可进一步划分为4个沉积旋回，每个旋回都可识别出2个亚旋回(图2)。(2)直罗组沉积于延安组顶部，二者呈不整合接触，燕山运动后构造相对稳定，研究区位于沉积速率相对均衡的冲积平原地区，因此各个段的沉积厚度相差不大，特别是相邻井的厚度相差不大(图3)，总体厚度变化趋势从西南往北东逐渐减薄，总厚度为320～480 m。(3)虽然直罗组顶底因为存在地层缺失不能作为分层的参考基准界面，但大部分测井在直罗组中间部位有一个明显的分层标志，声波时差、自然伽马等测井曲线存在一个标志面，即中间普遍存在电性转换面，这一测井标志与岩性转换相一致。(4)以中间转换面为分层基准界面，根据电性和岩性变化特征分别往上和往下逐步分层，能较好地追索出直罗组的展布情况。(5)据大量钻井资料分层统计表明，虽然底部辫状河道侵蚀的充填沟谷区的井相对较厚；但没有发育强烈的下切作用和侧蚀作用的曲流河，没有深切谷充填造成厚度剧增，上覆地层以细粒沉积物为主，对其顶部地层的侵蚀作用不强，没有造成大的地层缺失，分层井间对比过程中发现部分井在顶底的地层缺失基本在60 m以内。

图3　镇160井-镇332井地层对比剖面图Fig.3　The stratigraphic correlation of Well Zhen 160 - Well Zhen 332

根据该小层划分原则，首次厘定了4段、8亚段的小层划分方案(图2)。即直罗组地层划分为直1段、直2段、直3段和直4段，进一步细分为直11、直12、直21、直22、直31、直32、直41、直42共8个亚段。每个段厚度为80～120 m，每个亚段厚度一般为40～60 m(图3)。

直4段：以粗砂岩或含砾粗砂岩为主，部分地区粗砂岩与粉砂岩互层，具有向上变细的正韵律沉积旋回。直4段电性不稳定，自然伽马值较高。直41与直42亚段交界处自然伽马值急剧减小，且不稳定。直41测井曲线形态为齿化，直42测井曲线形态为强齿化。厚层下切砂岩与灰绿色薄中层细砂岩的接触界面作为直罗组与延安组顶分界线。部分井由于沉积期地处古地貌高的非河谷充填区，造成直42缺失。

直3段：以中砂岩为主，夹有少量的泥质粉砂岩和粉砂岩，砂体厚度大，具有1～2个正韵律沉积旋回。直3段电性比较稳定，自然伽马值较低。直31与直32亚段交界处自然伽马值骤然增高，此后趋于稳定。直31测井曲线以箱型为主，直32测井曲线形态为叠置箱型。

直2段：明显变为相对细粒的沉积为主，与直3段之间有一明显的区域性的岩性和电性转换面，即中间转换面。主要为细砂岩和泥质粉砂岩互层，夹有薄层的粉砂岩。砂体呈透镜状，垂向序列呈现正韵律和反韵律沉积旋回交互出现的特点。直2段电性亦不稳定，自然伽马值较其上的直1段略低。直21与直22交界处自然伽马值忽然减小，此后直22开始出现连续高伽马值。直21测井曲线多为叠置钟型，直22测井曲线形态通常为指状。

直1段：以粉砂质泥岩和泥岩为主，夹薄层粉砂岩，部分垂向序列呈现反旋回的特点。直1段电性不稳定，自然伽马值普遍较高，直11与直12交界处自然伽马值忽然减小，直11测井曲线形态为指状，直12测井曲线形态为钟型。直11在部分井中有缺失。

2　沉积相标志

2.1　古生物标志

作为甄别地质年代、对比地层的古生物化石，也可以用来揭示沉积环境。研究区直罗组古生物化石较少，仅有部分保存较完整的植物茎和叶片化石，揭示研究区内的沉积环境主要为含陆相生物组合的湖相三角洲(图4-A)。

2.2　岩性标志

研究区内岩石类型繁多，包含了砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩到粉砂岩、泥岩，全部由陆源碎屑岩组成。直罗组下部岩石颜色多以灰色为主，偶见黄褐色，上部则以紫红色为主。它们分别归属不相同的沉积环境，形成于连续波动的水动力条件，最终以不同的组合形式产出。研究区内，下部以发育粗砂岩和含砾粗砂岩为特征，为辫状河三角洲环境的沉积。研究区西部粒度相对较粗，为辫状河三角洲平原；东部较细，为辫状河三角洲前缘环境(图4-B、C)。上部则以中-细粒砂岩为特征，主要是分流间洼地、水下分流间湾较发育的曲流河三角洲环境的沉积，并且泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩占有较大比例(图4-D)。

2.3　沉积构造标志

基于对盆地西南地区周缘5条直罗组露头剖面和盆内4口钻井岩心的观察，发现沉积构造类型多样，以流动成因层面和层理构造为代表，反映沉积物形成过程为正常的牵引流水动力条件。

图4　演武地区直罗组沉积构造标志Fig.4　Sedimentary structure indicators of Zhiluo Formation in Yanwu area(A)直罗组底部砂岩中的木化石，直罗镇剖面; (B)直4段底部含砾粗砂岩，彬县倍子沟剖面; (C)含砾粗砂岩，木64井,深度1 819.95 m; (D)紫红色泥岩夹砂岩，城99井，深度1 028～1 034.4 m; (E)灰色中粗粒砂岩中平行层理， 彬县水北沟剖面; (F)直3段砂岩中的板状交错层理， 直罗镇剖面; (G)直4段砂岩中的槽状交错层理，旬邑崔家沟剖面; (H)冲刷面底部发育石英砾石，木64井，深度1 819.98 m; (I)冲刷面上的负荷铸型，直罗镇剖面

2.3.1层理构造

平行层理：岩石类型主要为中-细砂岩，单个纹层厚约0.5～1.0 cm，由连续或间断连续的平直纹理构成，单个纹层、平直纹理与界面互相平行(图4-E)，常见于直罗组下部的盆地边缘地带到水浅流急的水动力条件下形成的分流河道、水下分流河道，主要发育在直3、直4段。

板状交错层理：岩石类型主要为中-粗砂岩，层系呈大型板状且上下界面互相平行，单个厚度比较稳定，一般为15～20 cm；常形成于直罗组上部三角洲平原分流河道以及前缘水下分流河道厚层砂体，主要发育在直1、直2段。

槽状交错层理：岩石类型以含砾粗砂岩和粗砂岩为主，各层系在横剖截面上的底面具有弧形向下凹的明显槽状侵蚀现象(图4-G)，大多分布于直罗组下部辫状河分流河道砂体，主要发育在直3、直4段。

2.3.2层面构造

研究区内野外剖面层面构造表现得非常明显，以冲刷面和底铸型为主。负荷铸型(图4-I)的发育揭示了演武地区的古沉积环境经历过剧烈冲刷及底流，主要发育在直3、直4段。冲刷面(图4-H)则在直罗组分流河道以及水下分流河道相砂体底部都有出现，常见石英砾石，主要发育在直3、直4段。

2.4　粒度分析标志

研究区直罗组粒度概率曲线为跃移载荷与悬移载荷的两段式结合(图5)。其中以跃移载荷为主，体积分数为80%～90%；悬移载荷相对较少，体积分数仅为10%～20%。两者接触点为突变式，粒度频率曲线峰值约30%，主峰偏细粒一侧，以细粒组分为主， 含少量粗砂。 标志着研究区的砂岩主要形成于牵引流，即河流三角洲成因。

2.5　剖面结构特征

研究区内具有2种不同沉积环境形成的独特的岩性剖面结构测井相类型：向上变细型和均一型。

图5　演武地区直罗组砂岩粒度概率曲线图Fig.5　Particle size probability curve of Zhiluo Formation sandstone in Yanwu area(A)CJG-ZL-01,崔家沟; (B)SYZ-ZL-06,沙窑子; (C)SBG-ZL-1,水北沟; (D)HLH-ZL-03,直罗镇

向上变细型：沉积物粒度由下至上逐渐变细，岩性不断变化，叠置成层，中、细砂岩逐步转变成粉砂质泥岩或泥质粉砂岩(图6-A)。沉积构造上呈梯级过渡趋势：大、中型槽状交错层理、板状交错层理向小型槽状交错层理、板状交错层理过渡，最终发育水平层理。测井曲线形态呈自然伽马向上逐渐增大的正粒序“钟形”结构(图6-B)，而自然电位从下到上由高负偏至低负偏乃至基线附近波动[8-9]。此类剖面结构是直罗组上部曲流河三角洲的最直接测井辨认标志，主要呈现在三角洲平原分流河道和三角洲前缘的水下分流河道中。

均一型：由下至上沉积物粒度呈略变细的趋势，岩性主体部分主要由含砾粗砂岩、粗砂岩及中砂岩构成，顶部发育极薄层的泥岩与下一旋回形成分隔(图6-C)。沉积构造主要有大、中型板状交错层理、槽状交错层理或平行层理。测井曲线形态为低自然伽马的均一“箱型”结构(图6-D)，向上几乎没有变化，而自然电位自下向上保持高负偏[8-9]。此类剖面结构标志主要用来甄别辫状河三角洲分流河道，主要出现在直罗组下部辫状河三角洲平原的分流河道及三角洲前缘的水下分流河道中。

3　沉积相特征

3.1　沉积相类型与优势相分析

在直罗组露头和岩心沉积相标志分析的基础上，建立了演武地区沉积相及其亚相、微相划分方案，通过岩-电关系图解，对500余口井开展了测井沉积相分析(图2)。总体上，直罗组下部(直3、直4段)为富砂段，主要为辫状河-辫状河三角洲体系，直罗组上部(直1、直2段)为砂泥互层段，主要为曲流河三角洲体系(表1)。

图6　演武地区中侏罗统直罗组剖面结构Fig.6　Profile structure of Zhiluo Formation in Yanwu area(A)直罗组上部直2段多个砂泥旋回,曲流河三角洲的剖面结构,直罗镇剖面; (B)正粒序“钟型”结构，演235井; (C)直罗组下部直4段叠置的厚层砂体，辫状河三角洲平原的剖面结构,直罗镇剖面; (D)均一“箱型”结构,镇17井

表1　演武地区直罗组主要沉积相类型Table 1　The main sedimentary facies of Zhiluo Formation in Yanwu area

由于以往的油气勘探都是针对直罗组之下的地层，因此所有钻井都没有直罗组的测井解释。本次研究对研究区内500余口井进行了测井岩性解释和小层划分，统计了各亚段的地层厚度、砂体厚度等。根据优势相法则，统计了各段所有钻井的砂体厚度和砂地比的变化范围，并界定了沉积相单元边界的标准(表2)，确定了各井段的优势相，为确定沉积相平面分布提供了大量的钻井约束。

3.2　沉积相展布特征

根据所有钻井的分层和砂体厚度数据，编制了直罗组8个亚段的砂层厚度平面图、砂地比平面图，刻画出了砂体的宏观分散体系。砂体的宏观分散体系揭示出沉积体系的物源主要来自研究区西南侧西秦岭一带，这与前人对全盆地直罗组古地理研究结果相吻合[1-2]。以各井段的优势相为基础，结合砂体宏观分散体系，编制出了8个亚段的沉积相展布图(图7)。总体上，演武地区直罗组沉积时期发育河流-三角洲体系，各个亚段时期发育多条南西至北东方向的分流河道，各期河道呈条带状分布，继承性较强，在研究区中部河道交叉、改道现象频繁。

直42期：发育3条近于平行的由北向南的河流，南部河道较宽，以灰白色中-粗砂岩为主，底部常发育冲刷面，冲刷面之上常见砾岩或含砾砂岩；河道砂岩厚度大，通常大于12 m；发育平行层理、板状层理及槽状交错层理等沉积构造。河道亚相又可划分出河床滞留、心滩微相。河道两侧发育泛滥平原，以灰黑色泥岩和粉砂质泥岩沉积为主，偶见植物茎和叶化石。

直41期：研究区仍然发育由西南向北东方向的辫状河和辫状河三角洲，辫状河道沉积多为粗砂岩，粒度大、泥质含量低；在河道末尾处发育泛滥平原，粉砂质泥岩及泥质粉砂岩互相夹层，常发育沙纹层理。三角洲环境中的冲刷充填构造也常发育，如河床冲刷、三角洲前缘水下分流河道、三角洲平原相的辫状河道等以河道为主的沉积环境等，交错层理普遍发育，多见中型至大型的板状及槽状交错层理。

表2　演武地区直罗组优势沉积相单元统计Table 2　Statistics of favorable sedimentary facies unit of Zhiluo Formation in Yanwu area

图7　演武地区直罗组各亚段沉积相展布图Fig.7　Map of sedimentary facies for each sub-Members of Zhiluo Formation in Yanwu area

直32期：继承直4期的沉积格局，东北部发育辫状河三角洲平原，河道走向不稳定，出现多次分叉汇聚。西南部辫状河道变窄，河道沉积数量增多，砂体累计厚度略变小，在河道的分叉处常常发育心滩。

直31期：伴随着基准面上升，可容纳空间的增加，粗碎屑供给量略有减少，仍然以发育辫状河和辫状分流河道沉积为特征，厚层砂体以中粒砂岩为主，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩增多。多发育平行层理、小型交错层理。

直22期：在燕山运动的影响下，盆地面貌发生了明显转变[10-11]。沉积环境在此过程中由陡地貌背景的辫状河-辫状河三角洲沉积演变为缓地貌背景的曲流河三角洲。伴随着气候由温暖湿润过渡到干旱—半干旱[12-16]，导致沉积物颜色也发生显著的转变，由灰色转变为紫红色。

直21期：继承上一期的沉积环境，西南部发育曲流河三角洲平原，河道亚相之间为河漫滩亚相发育区，以紫红色泥岩为主，分流河道的中、细砂岩穿梭于泥岩中；东北部发育曲流河三角洲前缘亚相，以细、粉砂岩为主的水下分流河道与粉砂质泥岩为主的分流河道间湾交错发育。

直12期：气候更加干旱，物源供给减少，仍为曲流河三角洲环境，分流河道规模变小，大量发育河漫滩沉积，砂岩中泥质含量显著增高。该时期开始形成的砂体不利于储层的发育。

直11期：沉积格局与前一期类似，平面分布上，规模较小的曲流河三角洲分流河道砂体穿梭于泥岩中，显示出直罗期盆地逐渐消亡。由于受到上覆安定组河流-三角洲体系冲刷侵蚀作用，该时期的沉积体系保留不完整。

4　沉积演化模式

在上述单井相和平面相研究的基础上，结合直罗组沉积期的构造背景，认为鄂尔多斯盆地西南部直罗组为辫状河三角洲向曲流河三角洲变迁的沉积演化模式。

直罗组早期(图8-A)，受西部物源区造山作用的影响，物源供给充足，沉积物以灰色巨厚层状含泥砾粗砂岩为主，沉积序列为巨厚砂体叠置韵律。河道砂岩多发育大型槽状、板状交错层理、平行层理，底部含泥砾，可见少量碳质成分，见植物化石。该时期为典型的辫状河-辫状河三角洲沉积环境，主要发育分流河道和河漫滩沉积，是一个湖平面逐渐上升的过程。

直罗组晚期(图8-B)，气候逐渐向炎热干旱转变[12-16]，在地势上更加平坦，河道曲折，物源供给减少，岩石类型以发育黄绿色厚层状中—细粒长石砂岩和大量的紫红色粉砂质泥岩、泥岩为特征。河流演变为侧向侵蚀作用为主，沉积环境已经转变为曲流河，主要发育曲流河三角洲分流河道、河漫滩和间湾沉积。

5　结 论

a.通过钻井岩心及野外地质露头观测、测井电性变化和地层旋回特征，提出了中侏罗统直罗组小层划分标准，首次厘定了4段、8亚段的小层划分方案。每个段厚度约80～120 m，每个亚段厚度一般为40～60 m。

b.根据沉积相标志，揭示了直罗组的沉积环境演化和砂体发育规律。直罗组沉积早期物源供给充分，沉积环境为辫状河-辫状河三角洲，主要发育分流河道和河漫滩沉积；晚期沉积环境转变为曲流河三角洲，主要发育曲流河三角洲分流河道和河漫滩沉积。

c.直罗组上下2段沉积时古气候发生明显转变：由下部的温暖潮湿气候转变为上部的干旱—半干旱气候，为铀矿的形成创造了良好的条件。

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