苏里格南部上古生界山1段、盒8段物源分析与沉积体系展布特征

郭家铭.

(中国海洋石油国际有限公司，北京 100027)

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏是典型的岩性气藏[1-2]，属于华北克拉通中西部的次一级构造单元，整体是一个构造平缓、沉降稳定、地层“整合”、断裂较少的多旋回大型克拉通盆地[3-5]。盆地可分为晋西挠褶带、西缘冲断带、伊陕斜坡、天环坳陷、渭北隆起和伊盟隆起六个构造单元[6]。盆地构造演化较为简单，构造平缓稳定，区域上坳陷叠合产出，且缺少断层与背斜构造，总体上呈现出东部高并向西部倾斜的大范围斜坡地貌。总结前人对鄂尔多斯盆地构造演化及地质特征研究成果，盆地地质构造演化大体分为五个阶段[7]：中、晚元古代为裂嵌期，早古生代出现浅海台地，晚古生代形成滨海平原，中生代转为内陆拗陷，盆地新生代后周边断陷广泛发育。

图1 研究区构造及地理位置(据马东旭等[1]，有修改)Fig.1 Tectonic andGeographic Location of Study Area(modified by Ma et al[2])

研究区位于鄂尔多斯盆地西部，北起鄂托克前旗，南至庆城，西起马家滩，东达靖边，面积近52000平方公里(图1)，天然气勘探已经取得了一定进展，主要目的层为上古生界的山1段及盒8段[8]。但由于研究区为陆源碎屑岩的岩性气藏，陆源碎屑物来源受到物源区母岩控制[9]，母岩类型的不同导致研究区不同区域形成了不同的岩石类型，岩石类型的不同造成了储层储集性的巨大差异[10]，因此，系统进行物源分析，明确物源如何影响研究区上古生界沉积体系的形成及展布规律变得十分必要[11]。此外，由于本区东、西部沉积体系展布特征差异较大，尤其是盐池地区发现了高渗透储层发育区，高渗透储层发育区预测难度大[12-13]，因此，系统开展本区上古生界沉积体系展布特征研究，为天然气有利勘探区提供依据，已成为研究区天然气勘探亟待解决的关键问题。本文拟通过物源分析和沉积学研究，分析研究区主要物源方向并探讨物源交汇处如何影响研究区上古生界沉积体系[14]；重点分析山1段及盒8段沉积体系分布格局及展布特征，为后续储层分布规律及其主控因素研究、解剖砂体形态与规模、预测有利储集砂体展布提供地质依据[15]，为研究区天然气的增储上产提供技术支持。

1 物源分析

1.1 砂岩碎屑组分特征

据岩石薄片资料统计，研究区碎屑岩成分主要以石英为主，含量平均为84%；岩屑次之，含量平均为13%；长石含量较低，平均为3%。碎屑岩岩性主要为石英砂岩及岩屑石英砂岩[16]。研究区北部山1段，石英含量约为79%，岩屑含量为21%。盒8段与山1段差别不大，石英含量平均为80%，岩屑含量为19%，长石几乎未见。越靠近盆地中部，稳定组分的石英含量略有升高，而不稳定组分的岩屑含量略有降低。研究区南部碎屑岩成分与北部地区有一定的差别，山1段石英含量78%，岩屑含量21%，不含长石。盒8段石英含量为80%，但岩屑含量较北部有所降低，为17%，可见少量长石。与北部相比，不稳定组分岩屑含量的升高和长石的间歇性出现，说明南部物源与北部不同，砂体距离物源较近，物源供给并不稳定。由此可知，北部物源总体不含长石，并且物源供应较为稳定，搬运距离较远。南部物源含有少量长石，物源供应不稳定，搬运距离较近。

同时，不同类型石英含量的相对变化可以说明物源的变化[17]。研究区内最常见来自酸性深成侵入岩的石英，含有细小的气液包裹体，含有锆石等矿物包裹体，包裹体一般呈无固定方位的尘状，导致石英云雾状产出。来自变质岩的石英也占很高的比例，常见波状消光，或在同一颗粒内部呈现缝合线接触的碎块状消光。存在少量沉积型石英，呈现较高的磨圆度，边缘常见次生加大。个别井位可见喷出岩型石英，表面光洁度高，多见港湾状边缘，保存完好的可见β石英的六边形外形。在盒8段可见较多的火山凝灰质，结晶程度很低，岩屑形成玉髓，后期蚀变为粘土矿物。研究区东部变质岩来源的石英最多，受北部物源影响，分布面积大，影响范围广。西北部变质岩来源石英含量中等，可见少量沉积岩和喷出岩来源的石英，显示近源的特征，波及范围较小，受西北物源控制。研究区南部变质岩来源的石英最少，山1段和盒8段发生一定的变化，物源波及范围和物质供给不稳定(图2)。

图2 研究区山1段、盒8段石英类型分区图Fig.2 Zoning Map of Quartz Types of Shan1 and He8 Member in Study Area

1.2 岩屑成分特征

研究区岩屑特征与区域背景下北部及西北部古老的变质岩系相一致[18]，单岩屑成分主要为千枚岩、片岩及隐晶岩。因此，岩屑组合以变质岩居多，火成岩岩屑及沉积岩岩屑次之，具体的组合类型及空间展布因不同层段存在差异性。研究区山1段主要为变质岩岩屑，含量平均为74.3%，镜下观察多见变质石英岩、千枚岩及片岩；岩浆岩岩屑次之，含量平均为15.6%，主要为花岗岩，隐晶岩及细晶斑岩；沉积岩岩屑平均为10.1%，含量较低，多为粉砂岩岩屑和泥岩岩屑。研究区盒8段同样以变质岩岩屑居多，含量平均为72.1%，镜下观察多见变质石英岩、千枚岩及板岩；岩浆岩岩屑次之，含量平均为17.7%，主要为花岗岩，隐晶岩及喷出岩；沉积岩岩屑含量平均为10.2%，多见粉砂岩、泥岩。

分析发现，研究区西北部高级变质岩、岩浆岩以及沉积岩岩屑混合出现。东部和北部以高级变质岩岩屑为主，盒8段部分井位含有较多的火山凝灰质，造成其岩浆岩岩屑比山1段稍高。南部为变质岩、岩浆岩混合区，由盆地边缘向中心成熟度略有升高。由岩屑类型可知，研究区北部存在两个物源的影响，西北物源波及范围较小，北方物源影响范围较广；盆地南部存在一较弱的物源，影响范围较小(图3)。

1.3 重矿物特征

研究区山1段和盒8段重矿物组合具有继承性，纵向变化不大。以锆石、锐钛矿、金红石、石榴石、电气石等稳定重矿物居多，说明与物源地区具有一定搬运距离。山1段重矿物以锆石、电气石、金红石和石榴石为主；盒8段重矿物以锆石、电气石、石榴石、金红石为主，以绿帘石、黄铁矿增多为特征，反映母岩中变质岩成分增加。山1段和盒8段重矿物组合特征相似，反映其母岩区基本一致，岩石类型为变质岩(高级变质岩、中—低级变质岩)、火成岩(基性—超基性侵入岩、中基性火山喷出岩、酸性岩浆岩)及沉积岩。

图3 研究区山1段、盒8段岩屑类型分区图Fig.3 Zoning Map of Lithic Fragment Types of Shan1 and He8 Member in Study Area

重矿物平面分布上，山1段大致划分为西北部、北部、西南部和南部四个分布带。表明四个不同方向的物源供给区共同影响山1段沉积充填，包括西北、正北、西南和正南四个物源供给方向。其中，在西北物源作用下，区域以高含量黑云母+锆石+符山石为特征；正北物源作用下，区域表现为高含量的锆石+电气石+石榴石组合特征；受西南物源影响，区域上锆石+电气石+石榴石+金红石+黑云母含量很高，受正南物源影响，区域上形成锆石+黑云母+电气石的高含量区。此外，锆石和电气石等超稳定重矿物含量由研究区南部和北部向中心逐渐增高。从分布格局表现上可以看出，研究区大体受北部及西南部物源的综合影响(图4)。

研究区盒8段重矿物平面分布与山1段类似，同样可划分为西北部、北部、西南部和南部四个分布带。说明盒8段沉积时，物源方向没有发生巨大的变化。其中，在受西北物源影响下，区域以高含量电气石+黑云母+锆石为特征，正北物源作用下，区域表现为高含量的锆石+电气石+石榴石+绿帘石组合特征，受西南物源影响，区域上锆石+黑云母+石榴石+金红石含量很高，受正南物源影响，区域上形成萤石+锆石+黑云母+电气石的高含量区。超稳定重矿物锆石和电气石含量由研究区南部和北部向中心逐渐增高，说明研究区盒8段沉积时期同样受到了北部及西南部物源的共同控制(图4)。

1.4 阴极发光分析

对研究区山1段及盒8段的14口井进行碎屑石英颗粒的阴极发光特点分析，结果表明，研究区内石英在阴极发光下观察的颜色以棕色、暗蓝色为主，不发光和蓝紫色为次，盒8段和山1段石英来源没有明显差别，表明物源供给较为连续。

图4 研究区盒8段、山1段重矿物组合分区图Fig.4 Zoning Map of Mineral Combination of Shan1 and He8 Member in Study Area

阴极发光呈棕色的石英，其母岩应该为中—深变质岩或者浅变质岩；颜色为蓝色、蓝紫色及紫红色等的石英，其母岩应该为深成岩、火山岩或接触变质岩，如各种花岗岩、石英闪长岩、片麻岩、变粒岩等，这说明盆地北部的物源区构造活动较为活跃，有岩浆作用和火山作用发生[19]；阴极发光不发光的主要为形成于成岩作用的自生石英，常围绕石英碎屑颗粒的外围生长，构成其加大边，可完整出现也可部分产出，研究区石英次生加大现象较为发育(图5)。

图5 研究区山1段、盒8段石英阴极发光特征Fig.5 Characteristics of Quartz Cathodoluminescence of Shan1 and He8 Member in Study Area

2 沉积体系类型

参考前人研究成果及区域地质资料分析化验，研究区二叠系山西组和下石盒子组发育陆相碎屑岩沉积体系，以三角洲、湖泊沉积环境为主[20]。根据河道类型又可分出盒8段的辫状河三角洲及山1段的曲流河三角洲，其中辫状河三角洲发育三角洲平原及三角洲前缘沉积亚相，由辫状分流河道、心滩、泛滥平原、水下分流河道和分流间湾组成。曲流河三角洲主要发育三角洲前缘沉积，微相包括水下分流河道、天然堤、河口坝及分流间湾(表1)。

表1 研究区山1段、盒8段沉积体系划分方案Table 1 Scheme of Sedimentary System Division of Shan1 and He8 Member in Study Area

辫状分流河道沉积多发育在盒8段沉积中，由于心滩发育，河道表现为经常性分叉、汇合，岩性较粗，常由含砾砂岩及砂岩组成，沉积构造发育，常见平行层理、槽状交错层理及冲刷面构造。河道砂体在纵向上相互叠置，厚度较大。心滩平面上呈串珠状或短条带状，剖面表现为透镜状。单砂体厚度介于3～5 m，叠置后可达数十米，底部常见冲刷面及河道滞留沉积，发育大型槽状层理、板状交错层理和高流态的平行层理的中粒砂岩、细粒砂岩，成分成熟度较低，局部可见细砾石。泛滥平原沉积以发育水平层理及沙纹层理为特征，岩性主要为粉砂岩、粉砂质泥岩及炭质泥岩。

辫状河水下分流河道与曲流河水下分流河道沉积类似，均为三角洲平原分流河道的水下部分，岩心比分流河道细，主要细—中粒砂岩所组成。其成分成熟度和结构成熟度较低，分选中等，粒序为由粗变细的正韵律，由于侵蚀作用，常难以保存完整。发育平行层理、粒序层理、板状交错层理及冲刷构造。分流间湾为水下分流河道之间的部分，呈条带状分布，主要由河道边部砂体及泥质组成，砂体粒度较泛滥平原稍粗，以细砂及粉砂为主，发育水平层理、波状层理及小型交错层理，常见冲蚀—充填构造，伴有植物化石等河流作用的碎片。河口砂坝发育于三角洲前缘坡度较陡的位置，岩性由中粗粒砂岩、中粒砂岩及粗粒砂岩组成。砂岩的分选、磨圆较好，发育平行层理、板状交错层理、粒序层理及沙纹层理等，亦见冲洗层理，剖面结构特征表现为下细上粗的逆粒序。

3 纵向沉积体系展布特征

3.1 垂直物源方向

山1段发育曲流河三角洲沉积体系，水下分流河道在全区分布广泛，但河道展布范围及规模明显较小，常以单井钻遇形式出现，分流间湾微相发育较多，表现为“泥包砂”的特征(图6)。盒8下段及盒8上段沉积时期，主要为辫状河分流河道砂体，垂向叠置明显，横向分布连片，范围及规模都很大，以“砂包泥”为特征。盒8下段开始沉积时，沉积环境转变为辫状河三角洲沉积体系，河道在中部及西部发育，砂体连通性好，泛滥平原在剖面中部和西部均有发育；盒8上段沉积时，沉积体系与盒8下段类似，整个剖面中河道均十分发育，泛滥平原沉积主要出现在剖面的中部和西部，垂向上在盒8上段较为发育(图6)。

3.2 平行物源方向

山1段发育曲流河三角洲沉积体系，主要为三角洲前缘沉积亚相，剖面上水下分流河道与河口坝砂体呈孤立分布，邻井河道对应性差，分流间湾优势明显，较为发育。盒8下段开始沉积时，沉积环境转变为辫状河三角洲沉积体系，发育三角洲平原及三角洲前缘亚相，其中心滩、分流河道及水下分流河道分别出现在剖面南部及北部，垂向上盒8下段的中部及下步较为发育，河道砂体规模大，局部范围内，砂体连通性及横向连续性较好；盒8上段沉积时，沉积体系与盒8下段类似，整个剖面中分流河道均十分发育，水下分流河道沉积主要出现在剖面中部和北部，垂涎上在盒8上段上部较为发育(图7)。

图6 研究区山1段、盒8段垂直物源方向沉积体系展布图Fig.6 Sedimentary System Layout with Vertical Direction of the Source of Shan1 and He8 Member in Study Area

4 平面沉积体系展布特征

山1段发育曲流河三角洲沉积体系。受南北物源的共同影响，研究区沉积体系主要呈南北方向展布，由于地势平缓，河道砂体沉积稳定，厚度变化不大。平面上发育南北2套水下分流河道沉积，其中北部由于物源供应充足，河道砂体侧向连通性较好，顺着物源方向延伸较远，向南部叠合连片，形成大规模的河道砂体沉积；南部受远源区控制，水下分流河道多呈孤立的条带状展布，砂体厚度及侧向连通性较差，分流间湾沉积微相占主导(图8)。盒8段沉积时期由于其较强的水动力条件，使得研究区有充分的陆源碎屑供给。北部物源影响下，辫状河分流河道可携带大量沉积物，其在河道末端易发生溢出，形成范围巨大的浅水沉积，同时，不同期次河道纵向可相互叠置，平面上反复迁移，连片分布，延伸范围广，可形成数百公里的大范围砂岩储层，储集性最好。盒8下段沉积时期发育4条主要的辫状分流河道沉积，局部发育心滩沉积，泛滥平原沉积以泥质、粉沙质的为主，分布在分流河道之间(图9)。盒8上段沉积格局与盒8下段类似，具有继承性，由于此时期物源区的构造活动较为平缓，物源供给较少，导致三角洲规模及范围较盒8下段略有退缩，向物源区方向移动，辫状分流河道砂体及心滩砂体规模略有减少。不同期次河道纵向可相互叠置，平面上反复迁移，连片分布，但河道规模及连通性均较盒8下段差，泛滥平原沉积分布范围较大(图10)

图9 研究区盒8下段沉积体系平面展布图Fig.9 Map of Sedimentary System Distribution of He8 Lower Member in Study Area

图10 研究区盒8上段沉积体系平面展布图Fig.10 Map of Sedimentary System Distribution of He8 Upper Member in Study Area

5 结论

(1)研究区存在四个物源区，即盆地西北物源区、北部的阴山物源区、盆地南部的北秦岭物源区、盆地西南缘的中北祁连和西秦岭物源区，四大物源大致交汇于环县—华池附近，且盒8段和山1段物源具有良好继承性。

(2)山1段为曲流河三角洲—湖泊沉积体系，主要发育三角洲前缘沉积；盒8段为辫状河三角洲—湖泊沉积体系，由三角洲平原及三角洲前缘组成。富砂带主要与心滩、辫状分流河道及水下分流河道发育的部位有关，不同时期砂体在河道迁移过程中不断叠加连片，砂体厚度大，粒度粗，物性好，有利于天然气聚集在有利储集体中，在区域上形成大面积含气的格局。

(3)山1段受南北物源的共同影响，发育曲流河三角洲沉积环境，沉积体系主要呈南北方向展布，由于地势平缓，河道砂体沉积稳定，厚度变化不大。北部由于物源供应充足，河道砂体侧向连通性较好，顺着物源方向延伸较远，向南部叠合连片，形成大规模的河道砂体沉积；南部受远源区控制，水下分流河道多呈孤立的条带状展布，砂体厚度及侧向连通性较差，分流间湾沉积微相占主导。

(4)盒8段沉积时期水动力条件较强，研究区有充分的陆源碎屑供给，分流河道向湖中快速推进，横向迁移频繁，沉积物充填快速且厚度较大，形成了特色的辫状河三角洲沉积。不同期次的河道砂体横向大面积连片分布，宽度10～30 km，延伸距离达200 km以上，纵向上叠置现象明显，厚度达10～40 m。河道规模上，盒8下段以东北及正北部的分流河道沉积占据明显优势；盒8上段时期则主要发育西北及正北部的分流河道沉积。