鄂尔多斯盆地奥陶系马五5亚段沉积微相与古地理演化

2021-11-29苏中堂佘伟罗静兰马国伟张帅

沉积学报 2021年6期

关键词：马五云岩亚段

苏中堂，佘伟，罗静兰，马国伟，张帅

1.西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安 710069

2.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

3.长庆油田油气工艺研究院，西安 710018

0 引言

古地理学研究地质历史和人类历史时期自然地理特征及其演化规律的科学[1-4],重建古地理可以反演地球表面地质历史时期的状态、认识现代地理环境本质并预测其演变趋势、揭示矿产资源成矿条件并预测其分布规律[5-6]。油气藏分布明显受古气候分带和岩相古地理特征控制[7]，一幅多信息、小时间尺度和大比例尺的古地理重建图件能大幅降低勘探风险，有利于寻找岩性圈闭油气藏[8]。海相地层细分小层岩相古地理编图可更好地把握短时限内的规律性，有利于深度分析横向岩性相变和纵向时空变化，有利于研究油气圈闭成藏，更适应于油气勘探实践[9]。但是，地质记录中的古环境信息提取受技术手段和认识水平以及信息不对称性的影响，使古地理重建面临极大挑战。碳酸盐岩沉积环境化学、物理及生命条件差异，记录于碳酸盐岩微观组分，形成不同的岩石结构[10-11]。碳酸盐岩微观组分特征即微相[12-14]，是指所有来自薄片、揭片、磨光面或岩石样品的沉积学和古生物学资料，应用这些资料可以对岩石进行描述和分类[13]，可见微相分析是碳酸盐岩古地理重建的基础。

鄂尔多斯盆地是我国三大碳酸岩油气藏产区之一，截止2018 年累计探明储量6 577×108m3，形成下古碳酸盐岩万亿立方米大气区，成为长庆油田稳产的重要保障领域，其中盆地东部马五5亚段是最重要的现实领域之一[15]。奥陶系古地理一直是盆地研究重点，不同学者从构造—沉积分异角度分析古地理格局[16]、研究马家沟组层序岩相古地理[17]、研究奥陶系各组岩相古地理特征[18-20]。近些年，因马五段内不断取得勘探突破，马五段岩相古地理图已经不能有效指导天然气勘探，编制小层岩相古地理图很好地指导了油气勘探实践[9,21-23]。主力层系马五5段在盆地东部新发现与靖西环带颗粒云岩不同的白云岩段[24]，具有较好的勘探潜力，但其分布规律尚不明确，给天然气勘探带来困惑[25]。本文着眼于更精细的沉积微相与古地理研究，有利于认识马五5亚段沉积相展布特征与演化过程和揭示白云岩成因及分布规律，以期指导新层系天然气勘探。

1 地质背景

奥陶纪初，受冶里运动影响，华北陆块南缘构造体系开始发生转变，区域上表现为挤压抬升作用[26-27]，导致鄂尔多斯盆地再次大范围暴露，怀远运动使亮甲山组与马家沟组之间平行不整合接触。

马家沟期，北秦岭洋壳开始沿武山—商丹带向秦祁古岛弧之下俯冲，形成了具有典型的“沟—弧—盆”体系的活动大陆边缘，铸成了鄂尔多斯地块西南部奥陶纪分异型裂谷陆缘结构，构造—沉积格局转化为“坡—肩—坳”[27]。同时由于奥陶纪的快速海侵，海水侵没了鄂尔多斯大部分地区，“L”型隆起西南边缘以发育陆棚—盆地沉积体系为特征，“L”型隆起东部则发育潮坪、局限台地、膏盐湖，大量的膏盐沉积表明鄂尔多斯盆地转化为相对局限的陆表海盆地（图1a）。

马家沟组沉积结束后，受加里东运动影响，盆地整体抬升，缺乏晚奥陶世至早石炭世沉积，马家沟组与上覆晚石炭本溪组平行不整合接触。马家沟组自下而上根据灰岩、白云岩沉积旋回通常划分为马一至马六段，其中马五段依据膏盐岩、白云岩、灰岩沉积序列由上至下被分为10 个亚段，即马五1～马五10马家沟组顶部长期遭受剥蚀，地层残缺不全，自西部隆起向东部洼地由下而上从马四段至马五1亚段依次出露，马六段在盆地内残缺不全[9]。

马五5亚段位于马五段中间，地层厚25～30 m，早期认为该亚段为海进时形成的灰黑色泥晶石灰岩，通常作为区域标志层，俗称“黑腰带”[24]。马五5亚段可进一步细分为马五层与马五层（图1c）。马五5亚段岩性自西向东由粉晶白云岩逐渐相变为灰岩为主夹白云岩，是短期海侵背景沉积产物[9]。

图1 鄂尔多斯盆地早奥陶世构造—沉积格局与地层柱状图（a）鄂尔多斯盆地早奥陶世构造—沉积格局；（b）马家沟组地层柱状图；（c）马五5亚段地层柱状图Fig.1 Tectono-sedimentary pattern and stratigraphic histogram of Ordos Basin in the Lower Ordovicia n

下伏马五6亚段为海退期蒸发台地环境，岩性从西向东由泥粉晶云岩、膏质云岩转变为盐岩，是马家沟期最重要的膏盐岩沉积期[19]。上覆马五4亚段沉积时海平面大幅下降，自西向东形成含硬石膏结核云岩、膏质云岩及盐岩组合[24]。根据测井响应特征，将马五4亚段自上而下细分成3层，其中马五层底部区域上发育一层凝灰岩，为区域标志层。

2 研究方法

观察盆地东部临汾晋王坟剖面与柳林三川河剖面，实测兴县关家崖剖面，选择遍布盆地取心钻井岩心32口，详细描述岩石类型、沉积序列与鉴定并描述生物遗迹。选择代表性样品磨制230 张多用薄片。薄片双面剖光，茜素红染色1/3，不盖载玻片，室内详细鉴定。

实测剖面按1∶100实测，逐层描述、采样，当层厚>1 m 时间隔50 cm 增加样品，共采集34 个地球化学样品。薄片鉴定后挑选受成岩影响弱的样品，用玛瑙研钵磨制成200 目以下岩石粉末，均分两份，分别送油气藏地质及开发工程国家重点实验室与武汉上谱分析科技有限责任公司做C、O同位素与微量元素分析。C、O 同位素分析仪器为MAT252 气体同位素质谱仪，实验温度20 ℃，湿度44%RH，100%的磷酸溶样，分析误差为0.01%；微量元素分析仪器为美国Thermo Elemental 生产的VG PQ ExCell ICP-MS质谱仪，实验温度：15 ℃～30 ℃，湿度：<80%（无冷凝）。化学分析测试结果按采样编号从下而上建立C同位素地化剖面。

以野外剖面、钻井岩心及薄片观察为基础，结合全盆地178 口测井资料，分层编制地层等厚图、白云岩厚度图、云/地比等单因素图件，综合沉积学与遗迹学特征，采用优势相法分层编制岩相古地理图。

3 研究结果

3.1 沉积微相

将野外剖面、钻井岩心观察及室内薄片鉴定的岩石类型，按照曾允孚等[28]分类描述，然后参照Dunham[29]分类方案归类，结合Flügel[13]修订的Wilson模式[14]标准微相确定微相类型。确定沉积微相依据：1）沉积组构及组分含量；2）沉积构造；3）岩石类型。本文在鄂尔多斯盆地马五5亚段划分出7 种微相类型，分别为MFT1～MFT7。

（1）MFT1：纹层状（含膏）泥微晶云岩

灰色、深灰色，白云石占76%～85%，方解石2%～10%，黄铁矿1%～5%，泥质约2%～8%。含膏微晶云岩，石膏呈针状、板状（图2a），大多经去膏化作用形成铸模孔，被方解石或石英充填。含膏云岩常呈薄层状或与微粉晶白云岩呈不等厚互层。泥微晶云岩常含泥质，泥质分布不均匀，多呈条带状产出，构成纹层或条带状构造（图2b），偶见生物扰动构造，未见生物化石。该微相常见于向上变浅沉积序列的顶部，多发育在靖边西部、南部地区及乌审旗东北部马五5亚段的顶部。

（2）MFT2：纹层状泥微晶灰岩

深灰色、黑色，方解石含量95%～99%，含泥质，纹层状产出（图2c），发育水平层理，偶见同沉积变形构造。该微相常见于向上变浅沉积序列中下部或向上变深序列上部，在靖边以东大部分地区均有发育，常出现在马五5亚段中下部，是该亚段典型微相类型。

（3）MFT3：亮晶藻砾屑—砾屑灰岩

浅灰色、灰色，方解石含量85%～98%，偶含白云石10%、硬石膏5%。砾屑结构，砾屑大小2～4 mm，砾屑含量40%～79%，成分为泥微晶方解石，含砂屑约10%，藻屑含量10%～20%，亮晶胶结物15%～20%，灰泥基质10%,可见介形化石（图2d，e）。砾屑次棱角—次圆状，磨圆中等，分选较差。该微相见于向上变浅沉积序列的中上部，在靖边及其南部地区以及盆地东部局部发育，出现频率较低。

（4）MFT4：残余砂屑粉—细晶云岩

浅灰白色、浅灰色，白云石含量95%～100%，粗粉晶—细晶。残余砂屑结构，砂屑含量80%～90%，砂屑间充填粉晶基质，发育晶间孔（图2f），局部可见砂屑被亮晶方解石胶结。该微相见于向上变浅序列顶部，主要见于靖边西部地区，出现频率中等。

（5）MFT5：亮晶砾屑—藻砂屑（云）灰岩

浅灰色、灰色，成分为方解石或白云石，含量80%～97%，含硬石膏1%～2%，泥质1%；藻含量为80%～85%，砂砾屑含约15%，亮晶胶结，偶见介形化石。砂砾屑次圆—圆状，磨圆较好、分选中等（图2g，h）。该微相多见于向上变浅序列中上部或者向上变深序列的下部，主要分布在靖边及其南部地区，出现频率中等。

（6）MFT6：生物扰动粉—细晶（灰）云岩

浅灰色，灰色，生物扰动构造发育，见生物扰动云岩、生物扰动灰岩、生物扰动灰云岩等类型。白云石含量在64%～90%，白云石晶间云化不彻底，残留3%～15%方解石，泥质（有机质）含量2%～8%，基质含量2%～25%。生物扰动使岩石内部不均一（图2i），扰动处白云石晶形较大且亮，多以自形粉晶—细晶白云石为主，白云石含量14%～91%；未扰动白云石晶形较小且暗，微晶结构，微晶白云石含量为17%～80%。生物活动破坏原岩结构，生物扰动处常发生白云岩化（图2j，k）。该微相多见于向上变浅或向上变深序列的中部，主要发育在盆地东部神木、榆林、米脂及安塞南一带。

（7）MFT7：叠层石微晶（灰）云岩

灰色—浅灰色，叠层构造，多呈柱状、枝状产出，偶见波状，岩性多为叠层石白云岩，少量叠层石灰岩。叠层石间充填灰色灰泥（图2l，m），薄片中可见叠层石暗层为藻白云石，藻格架孔内充填亮晶方解石，明亮层为微粉晶白云石为主，叠层石间充填石膏及藻屑，含量2%～12%。该微相见于向上变深沉积序列的中下部，主要发育在盆地东部米脂一带。

图2 鄂尔多斯盆地奥陶系马五5 亚段沉积微相（a）含针状石膏泥微晶云岩，M75，2 546.46 m；（b）纹层状泥微晶云岩，T41，3 555.8 m；（c）泥微晶灰岩，Sh399，3 960.65 m；（d）藻砂砾屑泥微晶灰岩，L57，4 191.70 m；（e）藻砾屑灰岩，M60，2 423.8 m；（f）残余砂屑云岩，Su203，3 983.08 m；（g）亮晶藻砂屑灰岩，Sh398，3 928.70 m；（h）藻砂砾屑云岩，T33，3 122.7 m；（i）生物扰动云岩，F4，2 529.9 m；（j）生物扰动构造，S29，2 450.4 m；（k）生物扰动构造，F4，2 530 m；（l）枝状叠层石，M75，2 548 m；（m）枝状叠层石，M116，2 424.66 mFig.2 Microfacies of Ma member in the Ordovician,Ordos Basin

3.2 沉积序列

沉积序列是分析相组合及其变化的方法，有利于降低单一微相解释的片面性与多解性，进而更客观认识沉积环境及其演化过程。岩心剖面分析表明鄂尔多斯盆地中东部马五5亚段主要发育4类沉积微序列（MA1-4），向上变浅与向上变深沉积序列各两类。

（1）MA1：MFT2—MFT6—MFT4（图3a）

图3 鄂尔多斯盆地奥陶系马五5 亚段沉积序列Fig.3 Sedimentary array of Mamember in the Ordovician,Ordos Basin

该沉积序列下部为泥晶灰岩或云灰岩（MFT2），中部为生物扰动云岩（MFT6），向上演变为粉细晶云岩或残余砂屑粉细晶云岩（MFT4）。该序列代表了沉积水体向上变浅过程的沉积微相组合，主要见于盆地东部榆林—神木各钻井内，典型钻井为F4井。

（2）MA2：MFT6—MFT4—MFT1（图3b）

该沉积序列下部为生物扰动云岩（MFT6），中部为残余砂屑粉细晶云岩（MFT4），向上演变为粉晶云岩或泥微晶云岩（MFT1）。该序列代表了沉积水体向上变浅过程的沉积微相组合，主要见于靖边及其西部地区，典型钻井为T31井。

（3）MA3：MFT7—MFT6—MFT2（图3c）

该沉积序列下部为叠层石云岩（MFT7），中部为生物扰动灰云岩（MFT6），向上扰动程度减弱，而后演变为纹层状泥微晶灰岩（MFT2）。该序列代表沉积水体向上变深过程中形成的微相组合，主要见于米脂一带，典型钻井为M75井。

（4）MA4：MFT3或MFT5—MFT6—MFT2（图3d）

该沉积序列下部为亮晶—微晶砾屑—藻砂屑灰岩（MFT5）或亮晶—微晶藻砾屑—砾屑灰岩（MFT3），中部为生物扰动灰云岩（MFT6），扰动程度中等，向上演变为纹层状微晶灰岩（MFT2）。该序列代表沉积水体向上变深过程形成的微相组合，主要见于安塞南一带，典型钻井为S398井。

3.3 遗迹化石

马五5亚段岩心内含丰富程度不同的生物遗迹化石，常见化石有Arenicolites（似沙蠋迹）、Helminthopsis（拟蠕形迹）、Lingulichnus（舌形迹）、Planolites（漫游迹）、Thalassinoides（海生迹），次要化石包括Aulichnites（犁沟迹）、Bergaueria（贝尔高尼迹）、Conichnus conicus（锥迹）、Diplichnites（双趾迹）、Helminthopsis（拟蠕形迹）、Ophiomorpha（蛇形迹）、Palaeophcyus（古藻迹）、Rhizocorallium（根珊瑚迹）、Teichichnus（墙迹）等（图4）。

图4 鄂尔多斯盆地奥陶系马五5 亚段生物遗迹化石（a）似沙蠋迹Arenicolites,L57,5-40-67；（b）蛇形迹Ophiomorpha,Sh373,3-58-104；（c）双趾迹Diplichnites,T33,3-31-56；（d）海生迹Thalassinoides,F14,11-35-36；（e）墙迹Teichichnus,T19,5-54-106；（f）锥迹Conichnus,Sh373,3-60-104Fig.4 Trace fossils of Mamember in the Ordovician,Ordos Basin

这些化石中Arenicolites主要产出于潮坪或滨浅海潮道、潮间带；Bergaueria多见于滨浅海半咸水环境；Thalassinoides在潮间带或滨浅海半咸水环境中多见；Helminthopsis可见于各种海洋环境，但正常盐分浅海和低能浅海环境出现频率较高；Planolites产出于各深度海洋环境；Ophiomorpha与Lingulichnus多见于微咸水或淡水环境，在潮坪或泻湖相内出现频率较高；Aulichnites与Diplichnites多见于潮道内；Palaeophcyus属于广相遗迹，潮坪环境多见；Rhizocorallium与Conichnus conicus则主要产出于滨浅海环境；Teichichnus多产于潮下浅水或微咸水环境[30]。

3.4 沉积前古地形

沉积前古地形对后期沉积相发育分布具有明显的控制作用[31]，为分析马五5亚段沉积前盆地东部古地形特征，采用印模法半定量恢复盆地东部古地形。选取马五4 1底部全区稳定分布的凝灰岩标志层作为等时界面，统计盆地东部178 口钻井凝灰岩层至马五5亚段底部地层厚度作为古地形恢复基础数据。恢复数据（“印模”）与沉积前古地形呈镜像关系：厚度小的地方代表古高地，厚度大的区域代表古洼地，据此就可以得到马五5亚段沉积前盆地东部整体古地形面貌。从所恢复的沉积前古地形图（图5）可以看出：马五5亚段沉积前盆地东部并非“平底”，而是“隆—坳”相间，除环古隆起边缘地形高以外，盆地东部神木—榆林一带和米脂—绥德一带，盆地中部乌审旗东南、横山东南、靖边东以及志丹—安塞—延安一带为相对高地形，其余地区为相对洼地。

图5 鄂尔多斯盆地奥陶系马五5 亚段沉积前古地形Fig.5 Paleotopography of Mamember in the Ordovician,Ordos Basin

3.5 古海平面变化

自然伽马曲线标定关家崖实测剖面2～17层为马五5亚段地层（图6），各层样品Mn/Sr值均小于0.5（表1），说明实测剖面马五5亚段样品很好地保存了原始海水信息[32]，其C同位素曲线可用来反演古海平面升降变化，同位素值与海平面升降正相关[33]。

表1 山西兴县关家崖剖面C同位素值与Mn、Sr含量Table 1 Results from Guanjiaya section in Xingxian county,Shanxi province

图6 山西兴县关家崖剖面马五5 亚段柱状图Fig.6 Columnar section for Ma member,Guanjiaya,in Xingxian county,Shanxi province

4 讨论

4.1 沉积环境及模式

将马五5亚段沉积微相与经修订过碳酸盐岩标准微相[13]对比：MFT1 与RMF22 相当，代表环潮坪环境；MFT2相当于镶边台地SMF23、MFT3与SMF24相当，MFT4 与SMF16-NoN-LAMiNATED相似，这些微相在局限环境（FZ8）中常见；MFT5 相当于SMF18 可见于局限环境或开阔环境（FZ8 或FZ7）；MFT6 大致相当于SMF9，可见于开阔环境（FZ7）或深水陆棚（FZ22）；MFT7与SMF20相当，可见于蒸发环境或微咸水环境（FZ9）或局限环境（FZ8）。这些微相信息表明马五5亚段沉积环境以局限环境为主；前文述及的遗迹化石亦指示沉积环境为局限潮坪环境；综合分析认为鄂尔多斯盆地东部马五5亚段沉积期为潮坪环境，并依据平均高潮面、平均低潮面和正常海平面将其细分为潮上带、潮间上带、潮间下带与潮下带等四类亚环境。

微相MFT1代表浅水低能环境，多发育于向上变浅沉积序列（MA2）顶部，生物遗迹化石稀少，多见于潮上带沉积环境，多分布于靖西古隆起东侧环带内。微相MFT2 代表相对深水低能环境，向上变浅序列（MA1）底部与向上变深序列（MA3）顶部多见，未见遗迹化石，多见于潮下带沉积环境，广泛见于靖边东部各钻井内。微相MFT3 与MFT5 代表相对高能环境，且MFT3 环境能量高于MFT5，含藻类粒屑，多发育于向上变深序列（MA4）底部，是潮间下带常见微相类型，多见于盆地中东部安塞、横山、神木—米脂等古地形相对较高的地区。微相MFT4 代表相对高能环境，砂屑成分为微粉晶白云石，未见藻类，多发育于向上变浅序列（MA2）中上部，MA1 向上变浅序列顶部也常见，是潮间上带典型微相。MA2 主要发育在靖边及靖边以西环古隆起环带，MFT4微相为该序列过渡微相，向上常演变为MFT1；MA1 主要发育于榆林—神木古地形相对较高地区，MFT4为其顶部微相。微相MFT6为沉积期生物活动产物，通常潮间下带生物丰富，遗迹化石丰富，岩石受扰动程度强，潮间上带与潮下带生物扰动程度依次降低，至潮上带或潮下低能静水环境生物活动稀少，不再形成微相MFT6。该微相在全盆地各钻井段内均可见，MA1沉积序列内扰动强度较强，MA2—MA4 沉积序列内多为中等扰动强度至弱扰动强度；在MA2 沉积序列发育于底部，其余沉积序列则发育于中部。沉积序列内发育位置及生物扰动强度指示MFT6 发育区沉积亚环境差异。微相MFT7 指示潮间下带至潮下上带沉积环境，发育于MA3序列底部，主要见于米脂一带相对高地形处各钻井马五5亚段底部1～2 m 内，推测与马五6亚段膏岩沉积结束后马五5亚期早期咸化海水环境有关，MFT6应该在盆地膏盐湖分布区均有发育。上述沉积微相与沉积序列表明盆地不同地区马五5亚期沉积时沉积环境明显分异。

马五5亚段沉积前盆地东部古地形起伏不平（图5），使沉积亚环境在平面上发生分异：自西向东依次发育潮上带、潮间上带、潮间下带与潮下带；在东部潮下带受古地形控制高地形处为潮间带，即沉积前古地形控制了马五5亚段发育时期沉积相带展布规律。当海平面的升降变化（图6）时，沉积相带发生规律性迁移：马五亚期相对马五亚期海平面下降时，盆地中西部呈环带分布的相带向东发生迁移，东部相对高地形处发育的潮间带分布范围扩大，甚至出现潮间上带—潮上带环境。即马五5亚段沉积期，沉积前古地形控制了沉积相带分布规律，而海平面升降使沉积相带发生迁移，据此建立了马五5亚期沉积模式（图7）。

图7 鄂尔多斯盆地奥陶系马五5 亚段沉积模式图Fig.7 Sedimentary model of Ma member in the Ordovician,Ordos Basin

4.2 古地理特征及演化

如前所述，鄂尔多斯盆地东部奥陶系马五5亚期古地理平面受古地形影响发生分异，呈现出潮上带、潮间带与潮下带有规律环带分布与东部潮间带、潮下带相间出现格局；海平面变化使沉积相带迁移，海平面下降时潮间带与潮上带分布范围扩大。下文分别详细阐述马五期和马五期古地理特征及其演化过程（图8）。

图8 鄂尔多斯盆地奥陶纪马五亚期（a）、马五（b）亚期岩相古地理图Fig.8 Paleogeography of layers I (a) and II (b) in the Ordovician,Ordos Basin

马五5亚期古地理特征表明古地形控制沉积环境发生分异，古隆起—坳陷格局控制沉积相带呈环带状分布，而内部次级古地形差异使沉积环境再次发生分异，古地理格局与沉积面貌体现了碳酸盐岩不同级次的构造—沉积分异作用。海平面波动则使沉积相带在平面上发生有规律迁移，垂向上在不同地区形成各异的沉积微相组合和沉积演化序列。