鄂尔多斯盆地马家沟组层序地层与岩相分布

王起琮,张 宇,杨奕华,杨伟利,李 洁

(西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065)

鄂尔多斯盆地奥陶系中统马家沟组[1-3]是在早古生代二级海平面上升过程中,形成的一套内源盆地的碳酸盐岩建造。前人曾根据地层岩性的变化规律,进行了层序地层划分[4-6],由于对地层界面及层序边界的认识不尽一致,形成了多套层序地层划分方案。

近年来，Catuneanu等学者在长期理论研究与实践的基础上,为了解决一套地层存在不同层序地层划分方案的问题,基于对经典层序地层学的深刻反思和论证,指出了经典层序地层学对于层序边界的误判等问题,提出了标准化层序地层学的理念,明确了层序内客观存在的6个地层界面,重新确定了层序边界、低位正常海退、海侵、高位正常海退以及强制海退体系域的划分原则[7-11]。

本文在前人研究基础之上,应用标准化层序地层学理论,开展了马家沟组层序地层划分研究,探讨了层序地层对马家沟组碳酸盐岩的沉积、成岩序列构成以及岩相分布的控制作用。

1 马家沟组层序地层划分

鄂尔多斯盆地马家沟组属于下古生界奥陶系中统[1-3],是一套以碳酸盐岩为主的海相地层。按2016年国际地层年表计算,马家沟组的地层年龄为(470±1.4)～(458.4±0.9)Ma，形成于11.2～12.1 Ma的时间段内。

依据标准化层序地层理论[7]以及地层岩性特征与变化规律认为，马家沟组形成于二级海平面上升初期,属于二级层序的低位体系域。作者曾将马家沟组划分为3个三级层序[12],但考虑到以泥晶灰岩为主的马五5亚段虽然厚度薄(25～40 m),但分布范围广,应该形成于大规模的海侵过程;另外,达瑞威尔阶延续了约8.9 Ma,将其划分为3个与大湾阶(约2.7 Ma)相当的海平面变化周期更为合理。因此,本文将马家沟组划分为4个三级层序(见表1),并根据4个主要地层界面,即强制海退终止面、初次海泛面、最大海泛面及强制海退起始面,自下而上将每个三级层序划分为低位、海侵、高位正常海退和强制海退4个体系域(见图1)。

碳酸盐台地的层序及各体系域形成于海平面变化的不同阶段,地层的岩性及分布范围变化大。由于以碳酸盐和蒸发盐等内源化学或生物沉积为主,其沉积方式、成岩过程及地层叠置样式完全不同于外源盆地的碎屑岩地层。在奥陶纪末开始的二级海平面下降过程中,华北地台上升为陆地,导致中、上奥陶统遭受了长期的风化剥蚀作用,形成残缺不全的二级层序。上奥陶统的残余地层仅分布于盆地的西、南缘,中奥陶统马家沟组马六段的残余地层仅分布于陕北斜坡东南部局部地区,马五1-2亚段的残余地层分布较广,主要分布于陕北斜坡的中东部地区。

表1 鄂尔多斯盆地奥陶系中统马家沟组标准化层序地层划分方案Tab.1 Standardized sequence stratigraphic division schemc of Majiagou Formation of Middle Ordovician in Ordos Basin

图1 鄂尔多斯地中东部榆9井奥陶系中奥陶统马家沟组层序地层划分综合柱状图Fig.1 The composite histogram of sequence stratigraphic division of Middle Ordovician Majiagou Formation of Well Yu 9 in the east-central Ordos Basin

2 层序演化与沉积作用

内源盆地的碳酸盐产率和沉积方式决定于海平面和水深的变化。碳酸盐产率与水深密切相关,在深度小于10 m的透光层水域中,由于光照充分，营养物质丰富,生物繁殖率及粒状碳酸盐产率最高；之后随着水深增加，碳酸盐产率急速下降[13-14]。根据碳酸盐产率与海平面变化的相对关系,Jones将碳酸盐沉积方式划分为追补、并列、前积等3种方式(见图2)[14]。在三级海平面变化周期中(2～5 Ma),随海平面缓慢加速上升、快速直线上升、缓慢减速上升及持续下降,碳酸盐台地上可形成完整的三级层序。在海平面变化的不同阶段,内源沉积物以不同的沉积方式形成低位、海侵、高位正常海退以及强制海退4个体系域(见图3)。

1)低位体系域:形成于三级海平面早期缓慢上升阶段,台地首次被海水淹没,此时由于气候炎热干旱,海水蒸发速度高于海水补充速度,拗陷区成为半封闭海湾或潟湖;由于四级海平面上升时潟湖有海水补充,因此沉积了厚层石盐;蒸发台地的孔隙水盐度较低,因此沉积了石膏、云泥及黏土。当海水补充速度超过海水蒸发速度,水体盐度下降,拗陷区转化为石膏及含膏云泥沉积;潮上带则以陆源泥质沉积为主；台地边缘以准同生云泥及碳酸盐砾屑沉积为主(见图3a)。

2)海侵体系域:形成于三级海平面中期快速上升阶段,碳酸盐产率低于海平面上升速度,其间海岸线向岸迁移发生海侵过程。由于水深增加、海水盐度降低及气候转暖,滨岸和潮坪环境成为适宜生物生存和繁殖的环境,碳酸盐沉积物以追补方式进行加积(见图2)。潮上带属于低能环境,沉积物以薄层灰泥为主;潮间带上部为中低能环境,以灰泥沉积为主,下部为高能环境,以藻礁、藻席、鲕粒、砂屑、砾屑及生屑等灰质颗粒沉积为主;潮下带水动力弱,以堆积厚层含粒及粒质灰泥沉积为主,其中发育大量生物扰动构造;前缘斜坡碳酸盐产率低,以砂、砾屑灰岩等碳酸盐重力流沉积为主(见图3b)。

3)高位正常海退体系域:形成于三级海平面上升末期的减速上升阶段,碳酸盐产率高于海平面上升速度,大量灰质颗粒沉积物以并进加积或溢出前积方式向盆地内堆积(见图2),从而引起海岸线向盆地内迁移的海退过程。潮上低能带以薄层灰泥或云泥为主;潮间中—高能带以藻礁、藻席、鲕粒、砂屑、生屑沉积为主,潮下低能带以含粒及粒质灰泥沉积为主;前缘斜坡区以砾屑灰岩等碳酸盐重力流沉积为主(见图3c)。

图2 碳酸盐台地沉积方式(据Jonse,1992)Fig.2 The sedimentation patterns on the carbonate platform(After Jonse,1992)

4)强制海退体系域:形成于三级海平面持续下降阶段。由于气候炎热干旱,拗陷区形成封闭或半封闭的局限台地,随着海水的不断蒸发,潟湖中依次沉积云泥、石膏、石盐等;蒸发台地上以风暴砂、砾屑沉积为主,同时遭受剥蚀及淡水淋滤溶蚀作用,风化剥蚀产物在前积作用下(见图2),堆积于潟湖周围,形成砾屑沉积物;台地前缘斜坡以厚层的碳酸盐重力流沉积为主(见图3d)。

图3 碳酸盐台地三级层序及其体系域沉积模式Fig.3 The sedimentary model of system tractsin sequence stratigraphy on carbonate platform

3 层序格架中的沉积与成岩序列

浅埋藏期的成岩作用是影响碳酸盐岩类型及其岩性特征的决定性因素。海平面升降过程中形成的层序地层格架,不仅制约着其碳酸盐台地的沉积相类型与分布,同时也制约着其成岩环境与成岩作用方式。由于处于二级海平面上升的不同阶段,马家沟组的4个三级层序及其体系域,在沉积、成岩等各方面均具有不同的特征;在碳酸盐台地内部、古陆周围以及台地边缘等不同位置,相同体系域的沉积与成岩序列也存在明显差异。

1)低位体系域:马家沟组4个层序的低位体系域分别是马一段、马三1-2、马五6上和马五1-2亚段。低位体系域的底界是强制海退结束面,即海平面开始上升的海侵面;顶面为初次海泛面,是海水补充速度超过蒸发速度时形成的岩性转换面,即石盐岩到硬石膏岩或泥晶云岩到泥晶灰岩的岩性转换面。潟湖内的低位体系域自下而上主要由云泥、石膏、石盐、石膏、云泥构成沉积序列;浅埋藏期经准同生云化、压实、脱水及胶结作用,形成由泥晶云岩、硬石膏岩、石盐岩、硬石膏岩及泥晶云岩组成的成岩序列(见图4a)。古陆周围的潮上带由陆源泥质、含膏云泥及云泥组成沉积序列;经浅埋藏期的压实成岩以及早期淡水溶蚀作用,最终形成由含云泥岩、次生灰岩、岩溶角砾云岩(见图5a)构成的成岩序列(见图4b)。台地边缘由于水动力较强,沉积物以灰质颗粒为主;浅埋藏期经回流渗透白云化作用,形成以残余颗粒结晶云岩为主的成岩序列(见图4c)。

马家沟组底部的马一段形成于台地初次海侵的过程,其下部多见滨岸相薄层石英砂岩及陆源泥质岩;上部的马五1-2亚段受表生岩溶作用影响较大,马五2亚段以淡水去膏化次生灰岩为主,膏云岩仅分布于岩溶盆地的局部地区(见图7i)。由石膏、含膏云泥及云泥构成的原始沉积序列,在浅埋藏期经压实、脱水及早期淡水溶蚀等成岩作用,形成由硬石膏岩和泥晶云岩构成的成岩序列;进入表生期后,又经岩溶作用形成以次生灰岩及岩溶角砾云岩为主的成岩序列。

图4 鄂尔多斯盆地奥陶系中统马家沟组碳酸盐台地层序格架内的沉积与成岩序列模式Fig.4 Sedimentary and diagenetic sequence patterns in carbonate platform sequence stratigraphic framework of Middle Ordovician Majiagou Formation, Ordos Basin

2)海侵体系域:马家沟组4个层序的海侵体系域分别为马二3，马四2，马五5下，马六下亚段。海侵体系域底界是初次海泛面,位于厚层泥晶灰岩的底面,其顶面是最大海泛面,为泥晶灰岩与云斑灰云岩或残余结构白云岩的分界面。

拗陷区海侵体系域的沉积序列主要由泥晶灰岩及含粒泥晶灰岩构成;浅埋藏期经压实、固结及压释水云化作用,形成云斑构造含云灰岩或云灰岩(见图4a)。海侵期古陆周围由潮坪藻席、粒质灰泥及泥质云泥等组成沉积序列;浅埋藏期经压实固结、隐伏渗透和活跃回流渗透云化作用[12，15],形成由纹层泥晶灰岩(见图5b)、云斑灰云岩及残余结构云岩构成的成岩序列(见图4b)。台地边缘的沉积序列主要由高能生物礁或浅滩环境的藻礁和灰质颗粒组成;浅埋藏期经文石溶解、海水潜流胶结及回流渗透云化作用,形成由藻灰岩、云斑云灰岩及残余结构结晶白云岩构成的成岩序列(见图4c)。

3)高位正常海退体系域:马家沟组4个层序的高位体系域分别是马二1-2，马四1，马五5上，马六中亚段。台地上缺失马六中亚段,残余地层仅分布于台地西南缘。底界为最大海泛面,是泥晶灰岩或云灰岩与白云岩的分界面,顶界为强制海退起始面,即白云岩与硬石膏岩的分界面。

台地上高位体系域的沉积序列由生物扰动含粒或粒泥灰泥、藻礁、藻席及灰质颗粒构成;浅埋藏过程中,生物钻孔内疏松的灰质组分受强制海退期的富镁中—高盐度海水及压释水的回流渗透云化作用[15],形成云斑含云灰岩、云灰岩、灰云岩以及含灰云岩(见图4a)。古陆周边及台地边缘的沉积序列主要由藻礁、鲕粒、砂屑、生屑等组成;浅埋藏期经文石溶解、海水潜流胶结、隐伏和活跃回流云化作用,形成由云斑构造灰云岩(见图5c)等过渡岩和残余颗粒结构云岩(见图5d)构成的成岩序列(见图4b，c)。

4)强制海退体系域:马家沟组4个三级层序的强制海退体系域分别是马三3， 马五10～6上， 马五4～3，马六上亚段,台地上缺失马六上亚段,其残余地层主要分布于台地西南缘。底界面为强制海退开始面,潮上带为侵蚀间断面,潮间到潮下带为泥晶云岩的底界面;顶面为强制海退起始面,在潮上带对应于风暴砾屑沉积的顶界面,水下为石盐岩到硬石膏岩的岩性转换面。

局限台地强制海退体系域的沉积序列由云泥、石膏、石盐及泥质构成;埋藏期经准同生、压实及脱水等成岩作用,形成由泥晶云岩、硬石膏岩、石盐岩组成的成岩序列(见图4a)。蒸发台地的沉积序列主要由云泥、含膏云泥、风暴云质砾屑构成;浅埋藏阶段经压实、淡水淋滤溶蚀及交代作用,形成主要由含铸模孔泥晶云岩(见图5e)、去膏化或去云化的次生灰岩(见图5f)、残余砾屑含泥含灰云岩等构成成岩序列(见图4b)。台地边缘以风暴云质角砾沉积为主;埋藏期经压实和胶结作用,形成由角砾云岩、泥云岩或云泥岩组成的成岩序列,顶部发育以侵蚀间断面为特征的层序边界(见图4c)。

图5 鄂尔多斯盆地南部富平金粟山剖面奥陶系中统马家沟组岩性特征Fig.5 Lithologic characteristics of Middle Ordovician Majiagou Mormation on Fuping Jinsushan outcrop in the south of Ordos Basin

4 岩相分布特征与规律

始于奥陶纪末的二级海平面下降导致整个华北地台上升为陆地,并经历了一亿多年的风化剥蚀作用。台地内的上奥陶统剥蚀殆尽,仅残存中奥陶统马家沟组SQⅠ，SQⅡ，SQⅢ和SQⅣ的低位体系域,台地西南缘埋藏深度大,因此中、上奥陶统得以保存。根据盆地内200余口测井解释数据,应用单组分绘图及多组分综合分析方法[16],以体系域为单位,绘制了马家沟组岩相对比剖面图和岩相平面分布图(见图6)。

1)SQⅠ:马家沟组SQⅠ的典型特征是富含蒸发岩,盆地南、北部古陆缺失该套层序。

低位体系域(马一段)在中东部拗陷区以石盐岩为主;周边为准同生含泥或泥质云岩(见图7a);海侵体系域(马二3亚段)在拗陷区以泥晶灰岩为主,周围主要是云斑云灰岩,滨岸及台地边缘以残余结构白云岩为主;高位体系域(马二1-2亚段)以云斑灰云岩及残余结构白云岩为主,夹2层蒸发岩(见图6，7b);强制海退体系域(马三3亚段)在中东部拗陷区以厚层石盐岩及薄层硬石膏岩为主,自潟湖向蒸发台地石盐岩逐渐过渡为硬石膏岩、准同生白云岩及泥云岩(见图7a)。

a 马家沟组东西向岩相对比剖面

b 马家沟组南北向岩相对比剖面图6 鄂尔多斯盆地奥陶系中统马家沟组层序地层格架及岩相对比剖面图Fig.6 The sequence stratigraphic framework and the lithologic correlation profile of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地奥陶系中统马家沟组三级层序体系域岩相分布图Fig.7 The Lithofacies distribution map of system tracts in the third-order sequence stratigraphies of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

2)SQⅡ:马家沟组SQⅡ以马四段厚层灰岩及马五10-6下亚段中的多套蒸发岩为典型特征。

低位体系域(马三1-2亚段)在拗陷区以石盐岩、硬石膏岩和准同生白云岩为主,蒸发台地以泥质岩为主;海侵体系域(马四2亚段)在拗陷区以泥晶灰岩为主,周围为云斑含云灰岩、云灰岩、灰云岩及含灰云岩等过渡岩类,云斑含量及连续性自下而上逐渐增加,蒸发台地及台地边缘以残余结构白云岩为主(见图7d);高位体系域(马四1亚段)以云斑构造云灰岩、灰云岩及含灰云岩为主,上部以残余结构白云岩为主(见图7e);强制海退体系域(马五10～6下亚段)在中东部拗陷区为厚层石盐岩,蒸发台地以硬石膏岩和准同生白云岩为主,古陆周围为泥云岩及灰云岩,台地边缘为角砾白云岩及残余结构白云岩(见图7f)。

3)SQⅢ: 马家沟组SQⅢ以马五5亚段泥晶灰岩、云斑灰岩、 残余结构白云岩以及马五3-4， 马五6上亚段的蒸发岩为特征。

低位体系域(马五6上亚段)在拗陷区为厚层石盐岩,蒸发台地为硬石膏岩、膏云岩及泥晶白云岩;海侵-高位体系域(马五5亚段)自下而上由泥晶灰岩、云斑云灰岩及灰云岩、残余结构白云岩构成(见图7g), 残余结构白云岩(见图5e)主要分布于潮间带和台地边缘; 强制海退体系域(马五4-3亚段)在拗陷区为石盐岩,蒸发台地上为硬石膏岩及准同生白云岩(见图7h)。岩溶高地及岩溶斜坡上缺失马五4-1亚段,其残余地层仅分布于中东部的岩溶盆地,马五4亚段的蒸发盐未受表生期淡水淋滤及溶蚀作用影响。

4)SQⅣ:由马五1-2亚段和马六段构成,受表生岩溶作用影响,地层发育不完整。

低位体系域(马五1-2亚段)上段为马五1亚段的岩溶或膏盐溶角砾云岩,包括4个白云岩层和4个凝灰质泥灰岩层,其中凝灰岩岩屑的出现,显示此阶段的火山活动比较频繁;马五2亚段以次生结晶灰岩为主,形成于淡水去膏或去云化作用,东部岩溶盆地的局部地区仍有未受淡水影响的膏云岩分布(见图7i);海侵到高位体系域(马六下-中亚段)以泥晶灰岩、云斑含云灰岩、云灰岩及灰云岩为主[12],陕北斜坡南部分布的残余地层以岩溶角砾灰岩为主;台地西、南缘的强制海退体系域(马六上亚段)以碳酸盐重力流成因的砾屑灰岩为主(见图5f)。

5 结 论

1)依据标准化层序地层学原理,将奥陶系中统马家沟组划分为二级层序低位体系域;依据地质年龄及层序边界,进一步将马家沟组划分为4个三级层序(2.8 Ma);据强制海退终止面、初次海泛面、最大海泛面、强制海退起始面,又将每个三级层序划分为低位、海侵、高位正常海退和强制海退4个体系域。

2)低位体系域形成于海平面开始上升到初次海泛期,台地沉积序列主要由砂泥、蒸发盐和云泥构成,浅埋藏阶段经压实和脱水,形成主要由石盐岩、硬石膏岩及准同生白云岩构成的成岩序列;海侵体系域形成于初次海泛到最大海泛期,台地主要由藻席、粒质及含粒灰泥、灰泥构成沉积序列,浅埋藏期经压实和隐伏渗透云化作用,形成主要由藻灰岩或粒泥灰岩、泥晶灰岩、云斑含云及云灰岩构成的成岩序列;高位正常海退体系域形成于最大海泛到强制海退开始期,台地上主要由藻席、含粒或粒质灰泥以及灰质颗粒构成沉积序列,浅埋藏期经压实、隐伏渗透和活跃回流渗透云化作用,形成主要由云斑含云灰岩或灰云岩以及残余结构结晶白云岩构成的成岩序列;强制海退体系域形成于海平面下降期,拗陷区成为潟湖,沉淀蒸发盐及云泥,浅埋藏期经压实和脱水作用,形成主要由石盐岩、硬石膏岩及准同生白云岩构成的成岩序列。

3)碳酸盐岩台地的岩相分布主要受海平面变化、古气候和古地貌的影响。在海平面低位期,古气候炎热干旱,碳酸盐产率低下,台地拗陷区以蒸发岩为主,蒸发台地以准同生白云岩及泥云岩为主;在海平面高位期,古气候温暖潮湿,生物繁殖及碳酸盐产率高,台地拗陷区以云斑云灰岩或灰云岩为主,台地边缘主要为残余结构结晶白云岩,前缘斜坡以重力流成因的砾屑灰岩为主;盆地中西部的岩溶高地及岩溶斜坡区,风化壳附近的残余地层上部以岩溶作用为主,中东部岩溶盆地残余地层的上部以胶结作用为主,局部地区的有蒸发岩分布。