鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县地区山西组页岩岩相与沉积相特征
2022-03-01彭思钟刘德勋张磊夫邱振王以城封从军孙萌思
彭思钟，刘德勋，张磊夫，邱振，王以城，封从军，孙萌思
1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，西安 710069
2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083
3.延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安 716000
0 引言
继煤层气和致密砂岩气之后，页岩气已成为重要的非常规天然气资源[1-3]，北美海相页岩气资源的勘探对研究中国海相、陆相以及海陆过渡相地层中页岩气成藏条件、模式以及聚集规律，具有启发性的影响[4-7]。我国海陆过渡相页岩气资源丰富，资源量约19.8×1012m3，占中国页岩气资源总量的25%，具有较大的开发前景[8-11]，但当前海陆过渡相页岩气正处于起步阶段，其基础地质理论与评价系统尚在探索之中。
鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘，是我国重要的含油气盆地。在晚古生代，主要经历了海相沉积为主的陆表海盆地、海陆过渡相沉积为主的近海湖盆以及陆相碎屑岩沉积为主的内陆坳陷湖盆的古地理演化过程[12-13]。其东缘二叠系山西组发育一套海陆过渡环境下的泥页岩，其厚度大，有机质丰度高，热演化程度高，其页岩气勘探潜力已引起人们的重视[14-16]。目前，对于山西组的研究多是分析其资源潜力、成藏条件以及孔隙特征[17-20]，而对于山西组岩相的精细划分及沉积微相对页岩储层的控制作用研究不多。本文通过对大吉XX 钻井亚段的岩心、薄片、测井以及地球化学资料进行分析，识别二叠系山西组页岩岩相并建立沉积相组合，划分页岩优势沉积相，确定富有机质页岩相控模式，为鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气的勘探开发提供有利依据。
1 研究区概况
鄂尔多斯盆地是华北板块西部典型的克拉通边缘叠合盆地，基本构造格架形成于燕山期，于喜山期发展完成，整体呈一个东翼缓而长、西翼陡而短、南北翘起的大向斜[21-23]。前人根据鄂尔多斯盆地的基底性质、构造形态和地质演化历史，将其划分为六个一级构造单元，分别为伊盟隆起、晋西挠褶带、渭北隆起、天环坳陷、西缘冲断带和陕北斜坡[24-26]。
研究区位于鄂尔多斯盆地东缘的大宁—吉县地区，山西组1 段时期主要为海相向陆相发展的过渡期[27-28]，强烈的构造运动使得海水从盆地东西两侧后退，研究区内主要发育灰黑色泥岩夹煤线以及灰白色砂岩夹泥岩。山西组2段时期盆地进入沉降期，出现大面积海侵，以海陆过渡相沉积为主，形成了厚层富有机质海陆过渡相页岩。山西组2 段自上而下又细分为 山12、山22和共3 个亚段，山32亚段为本次研究的目标层段（图1）。
图1 研究区位置及地层概况Fig.1 Location of study area and stratigraphic column
2 岩相类型与岩相组合
2.1 岩相类型
岩相，是沉积岩和沉积环境的综合，用来表征沉积岩的岩石特征和沉积特征[29]。一般通过颜色、粒度、矿物成分、原生沉积构造、变形构造、生物扰动等定性和定量的参数来描述和区分沉积岩相，以区分其形成的沉积环境。通过对大吉XX井岩心的岩性、沉积构造以及镜下照片等特征进行仔细观察，在山西组亚段共识别出10种典型的岩相类型（表1），分别为粉砂质泥岩/页岩相（Mm）、纹层状层理含粉砂泥岩/页岩相（Ml）、透镜状层理粉砂质泥岩/页岩相（Mle）、钙质页岩相（Mca）、煤层（C）、碳质页岩相（Mc）、黑色页岩相（B）、波状层理泥质粉砂岩相（Fw）、交错层理中—细砂岩相（Sl）和中砂岩相（Sm）。
表1 岩相分类表Table 1 Lithofacies classification
2.1.1 粉砂质泥岩/页岩相（Mm）
该岩相主要为粉砂质泥岩或页岩，颜色为灰色—深灰色，泥质结构，无明显层理，主要矿物成分有黏土矿物，砂质碎屑物及极少量的黄铁矿和有机质。黏土矿物含量大于75%，呈显微鳞片状。砂质碎屑物含量约占32%，成分多为石英，呈次圆状单晶分布。黄铁矿和有机质含量小于3%。该类泥岩/页岩形成于水动力较弱的环境，沉积机理以高能态的悬浮沉积为主，为浅湖或潮上带沉积环境的产物。
2.1.2 纹层状层理含粉砂泥岩/页岩相（Ml）
该岩相主要为含粉砂质纹层的页岩和泥岩，颜色为灰色—深灰色，纹层状层理。宏观上粉砂呈近水平的连续或不连续细纹层夹在泥岩或页岩之间（图2a），含量不超过15%，粉砂纹层厚度较薄，一般小于2 mm。微观上黏土矿物是其主要成分，含量大于70%，呈显微鳞片状，局部长轴具定向分布特征。其次为砂质碎屑物，成分多为石英，少为长石和岩屑，集中沿某些微层理面分布，粉砂颗粒分选中到好，磨圆为次棱角状。黏土矿物和粉砂碎屑物混合层相间分布，形成水平纹层状构造（图3a），指示水动力较弱，为潮上带沉积环境产物。
2.1.3 透镜状层理粉砂质泥岩/页岩相（Mle）
该岩相主要为页岩和泥岩，颜色为灰色—深灰色，主要发育构造为透镜状层理，球枕构造。宏观上粉砂质呈透镜体状或条带状夹在泥岩或页岩之间（图2b），整体呈近水平，局部呈小型交错状，粉砂质条带间局部可见小型粉砂球。粉砂含量约为15%～40%，粉砂质透镜体厚度为2～5 mm。微观上岩石主要由黏土矿物组成，其中黏土矿物呈显微鳞片状，局部具定向排列趋势。砂质碎屑物种类多为石英，含少量岩屑，含极少量长石。部分砂质碎屑物集中呈透镜状或条带状与黏土矿物微层相间分布（图3b），指示潮坪沉积环境中潮下带的沉积环境。
图2 鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县地区亚段岩心典型沉积特征（a）2 158.77 m，粉砂质页岩中发育纹层状层理；（b）2 156.69 m，粉砂质泥岩发育透镜状层理；（c）2 154.55 m，泥质粉砂岩中发育波状层理；（d）2 147.13 m，植物碳屑在碳质泥岩中顺层分布；（e）2 143.45 m，黑色页岩中发育厘米级黄铁矿斑块；（f）2 142.67 m，黑色页岩发育方解石脉；（g）2 126.32 m，煤；（h）2 123.89 m，碳质页岩夹薄煤层；（i）2 132.43 m，细砂岩中发育交错层理Fig.2 Typical sedimentary structures in core from lower part of the Second member of Shanxi Formation,Daning-Jixian, at eastern margin of Ordos Basin(a)2 158.77 m, laminar bedding in silty shale; (b)2 156.69 m, lenticular bedding in silty mudstone; (c)2 154.55 m, wavy bedding in argillaceous siltstone; (d)2 147.13 m,charcoal along bedding in carbonaceous mudstone;(e)2 143.45 m,centimeter scale pyrite plaques in black shale;(f)2 142.67 m,calcite vein in black shale;(g)2 126.32 m,coal;(h)2 123.89 m,coal interbed in carbonaceous shale;(i)2 132.43 m,cross bedding in fine sandstone
图3 山西组亚段不同岩相的微观特征（a）2 156.69 m，粉砂质页岩中碎屑物质呈近水平纹层，正交偏光；（b）2 159.2 m，粉砂质页岩中碎屑物质呈透镜状，正交偏光；（c）2 160.15 m，泥质粉砂岩砂屑与黏土矿物呈人字形交错，单偏光；（d）2 148.67 m，钙质页岩中黏土矿物微层与方解石呈水平相间，正交偏光；（e）2 146.23 m，黑色页岩中黏土矿物定向排列，正交偏光；（f）2 144.65 m，黑色页岩中见有孔虫，正交偏光；（g）2 137.61 m，菱铁矿呈菱面体状，正交偏光；（h）2 147.11 m，生物碎屑已钙化，正交偏光；（i）2 145.57 m，方解石脉，正交偏光Fig.3 Microscopic properties of different lithofacies (crossed polarizers, except(c))(a)2 156.69 m,detritus in silty shale with nearly horizontal lamina;(b)2 159.2 m,detritus in silty shale,nearly lenticular;(c)2 160.15 m,pelitic siltstone detritus and clay minerals in zigzag pattern,monopolarizer;(d)2 148.67 m,clay mineral microlayers alternating with calcite horizontally in calcareous shale;(e)2 146.23 m,directional arrangement of clay minerals in black shale;(f)2 144.65 m,foraminifera in black shale;(g)2 137.61 m,rhombohedral siderite;(h)2 147.11 m,calcified bioclastic;(i)2 145.57 m,calcite vein
2.1.4 钙质页岩相（Mca）
该岩相主要为页岩，颜色为灰色—灰黑色，水平层理。宏观上页岩整体呈灰黑色块状，能与稀盐酸反应，偶夹近水平波状砂质条带，宽度1～4 mm不等，反映了水动力较弱的波浪作用。微观上岩石主要由黏土矿物组成，碎屑物质主要为石英，菱铁矿含量较多，约占10%，呈粒装单晶均匀分布，或呈团状集合体集中沿某些微层分布。页岩中方解石呈它形粒装，充填于砂质碎屑物中，起胶结作用，富黏土矿物微层与富方解石和粉砂碎屑物的微层相间分布，形成水平状或微波状（图3d）。钙质页岩中有机质含量变化较大，最大可达20%。
2.1.5 煤层（C）
煤层呈黑色，能污手，富含光泽（图2g）。煤层为植物碎屑和泥炭淤积而成。指示了沼泽的沉积环境。
2.1.6 碳质页岩相（Mc）
该岩相整体呈灰黑色—黑色，多为块状，钙质含量为5%～10%，灰黑色碳质页岩常和煤层同时出现（图2h），下部碳质页岩过渡到上部的煤层。碳质页岩块状构造，常见碳质植物化石（图2d），能污手。为潮坪环境中潮上带的产物。
2.1.7 黑色页岩相（B）
不同的沉积环境会形成不同颜色的沉积岩，颜色加深说明了岩石有机质含量的增加[30]。该岩相宏观上整体呈黑色，不污手，页理发育，局部可见厘米级黄铁矿斑块（图2e），偶夹方解石脉（图2f）。微观上中黏土矿物为主要矿物，含量约80%，呈显微鳞片状，定向排列形成页理状构造（图3e），其表面多被深色有机质附着，光性较弱。含极少量粉砂碎屑物和砂质碎屑物，成分单一为石英，呈次圆状单晶分布。有机质呈黑色粉末状集合体沿微层理面吸附于黏土矿物表面显黑色，因含量较高使得薄片整体显黑色。含生物屑，部分泥化或硅化，保留其外形，呈圆形、单壳状或不规则状（图3h），种类有有孔虫、介形虫等（图3f）。黑色页岩有机质含量较高，一般大于10%，最大可达28%。并可见菱铁矿、黄铁矿等自生矿物（图3g），反映了强还原环境的较深水体。
2.1.8 波状层理泥质粉砂岩（Fw）
该岩相宏观上由薄层的粉砂和泥岩互层组成，粉砂质含量在40%～50%，颜色为灰色，发育波状层理，粉砂质层与泥岩层糅杂在一起（图2c），生物扰动较强，常发育大量生物潜穴。微观上其中主要矿物为黏土矿物，其次为粉砂碎屑物，砂质碎屑物种类多为石英，含少量岩屑（包括黏土岩岩屑和燧石岩岩屑）和长石（种类为具聚片双晶的斜长石和具泥化的钾长石）。砂质碎屑物集中呈条带状与黏土矿物微层相间分布。富砂质碎屑物的微层与富黏土矿物的微层相间，相邻纹层倾向相反，呈羽状或人字形分布（图3c），指示水体具双向流动特征，常发育于潮汐环境。
2.1.9 交错层理中—细砂岩相（Sl）
该岩相为中砂岩和细砂岩，岩石整体呈灰白色，分选性一般，磨圆度较差，多呈次棱角状，为短距离搬运产物，其成份主要是石英，含一定量的其他岩屑和少量的长石。杂基成分为显微鳞片状的黏土矿物，胶结物成分为方解石。宏观上局部发育低角度交错层理（图2i）或双向交错层理，指示具有双向水流的潮汐环境。
2.1.10 中砂岩相（Sm）
该岩相为中砂岩，岩石整体呈灰白色，其成份主要是石英，含一定量的其他岩屑和少量的长石，还含有少量有机质和重矿物。砂质碎屑物粒度以中砂级为主，细砂级次之。分选性一般，磨圆度较差，多呈次棱角状，少数为棱角状，为短距离搬运产物。整体呈块状，局部发育人字形交错层理，指示具有双向水流的潮汐环境。
2.2 岩相组合
图4 鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县地区亚段典型沉积序列Fig.4 Typical sedimentary sequence in lower part of Second member of Shanxi Formation at Daning-Jixian,eastern margin of the Ordos Basin
（1）岩相组合类型A（Mm-Sl-Mc-C）
该组合底部为块状灰黑色粉砂质泥岩，并含植物碳屑，发育潜穴，反映其水深较浅；向上发育小型交错层理的细砂岩，再向上为灰黑色碳质页岩，发育纹层状构造，其中偶见泥质团块，最上部为煤炭沼泽。总体粒度呈细—粗—细，反映潮汐作用的构造弱发育，反映其潮流作用较弱，为一套潟湖—泥质潮坪沉积。
（2）岩相组合类型B（Sm-Sl-Mm-C）
该组合底部为一套较厚的砂岩组合，底部为块状中粒砂岩，与下部粉砂质页岩突变接触，发育板状或槽状交错层理，为潮汐水道沉积；向上为一套中—细粒砂岩，下部发育双向交错层理，向上部粒度变细，靠近泥岩的过渡处也见少量泥质夹层，向上演化为泥炭坪，自下而上粒度由粗变细，为一套潮汐水道—潮坪沉积。
（3）岩相组合类型C（Mm-Mca-B-Mc）
该组合为粒度较细的泥质组合，岩性为粉砂质泥岩、粉砂质页岩夹钙质页岩、黑色页岩、碳质页岩，为一套潟湖沉积序列。潟湖是为海岸所限制、被障壁岛拦截的浅水盆地，其中波浪作用较弱，水动力较弱，沉积构造一般以水平层理为主，反映强水动力的交错层理不发育。黑色页岩厚度较厚，约10 m，含介形虫、有孔虫等生物化石，发育菱铁矿、黄铁矿等自生矿物，黄铁矿呈厘米级斑块，反映了此时潟湖出现强还原环境，也侧面反映了水体盐度发生变化。
（4）岩相组合类型D（Ml-Mle-Fw-Mm）
该组合主要为交替出现的泥质和粉砂质韵律组合，属于潮坪相潮间带的混合坪和潮上带的泥坪，包括粉砂质泥岩、粉砂质页岩和泥质粉砂岩，偶夹块状粉砂质泥岩。由于潮汐水流活动期与停滞期交替出现，在砂泥供应充足的潮间带，砂层沉积于水流活动期，水动力较强，泥质呈悬浮状态；而水流停滞期，水动力较弱，细粒悬浮物沉积于砂层之上，从而形成波状层理和透镜状层理的复合层理，是潮坪沉积的重要标志[31]。
2.3 地球化学特征
泥页岩由于其沉积环境稳定，受外界影响较小，因此泥岩中的微量元素含量与比值常常用来判别沉积时期的古环境[32]。本次选取了12块粉砂质泥岩和泥页岩样品进行微量元素分析。
Sr/Ba值常是判别古盐度的灵敏标志。在自然界水体中，Sr迁移能力比Ba迁移能力强，水介质矿化度即盐度很低时，Sr与Ba均以重碳酸盐的形式出现，当水体矿化度即盐度逐渐加大时，钡以BaSO4的形式首先沉淀，留在水体中的Sr 相对Ba 趋于富集，因而沉积物中Sr 丰度和Sr/Ba 比值与古盐度呈明显正相关性[32]。结果显示Sr/Ba范围为0.57～2.29，平均0.98（表2）。研究认为Sr/Ba比值小于0.5为淡水环境，在0.5～1.0 之间为海陆过渡半咸水，大于1.0 为咸水环境[33]。因此，研究区山2 3段古盐度为咸水—半咸水的海陆过渡环境。
V/Cr、V/（V+Ni）等指标常用来判定沉积物的古氧化还原环境。Hatchet al.[34]提出V/（V+Ni）指标在0.84～0.6之间为缺氧环境，在0.6～0.46之间为贫氧环境，<0.46为富氧环境。研究区样品V/（V+Ni）范围在0.5～0.84 之间，平均值为0.68（表2）。林治家等[35]认为，V/Cr可有效鉴别泥岩的氧化还原环境，V/Cr<2.00代表富氧环境，2.00
表2 鄂尔多斯东缘大宁—吉县地区段地球化学参数表Table 2 Geochemicalparameters of lower part of Second member of Shanxi Formation at Daning-Jixian,eastern margin of Ordos Basin
表2 鄂尔多斯东缘大宁—吉县地区段地球化学参数表Table 2 Geochemicalparameters of lower part of Second member of Shanxi Formation at Daning-Jixian,eastern margin of Ordos Basin
井深/m 2 126.55 2 126.92 2 128.30 2 129.92 2 138.88 2 139.57 2 140.66 2 142.19 2 143.81 2 144.65 2 145.43 2 146.31范围平均值岩性粉砂质泥岩粉砂质泥岩粉砂质泥岩粉砂质泥岩含粉砂页岩黑色页岩黑色页岩黑色页岩黑色页岩黑色页岩黑色页岩碳质页岩微量元素含量/×10-6 V 148 195 39 75 87.4 156 90.9 97.1 108 97.6 122 144 39～195 133.33 Ni 31.8 55.1 39.3 19.5 18.6 29.3 62 67.9 64 59.3 88.6 117 18.6～117 54.37 Sr 127 191 103 304 622 425 381 425 387 588 722 686 103～722 413.41 Ba 120 308 82 461 843 742 551 599 511 504 559 300 82～843 465 Cr 28 79.5 28.6 35.4 30.3 58.8 44.6 46.7 50.4 43.7 57.8 59.5 28～79.5 46.94地球化学指标Sr/Ba 1.06 0.62 1.26 0.66 0.74 0.57 0.69 0.71 0.76 1.17 1.29 2.29 0.57～2.29 0.98 V/（Ni+V）0.82 0.78 0.50 0.79 0.82 0.84 0.59 0.59 0.63 0.62 0.58 0.55 0.5～0.84 0.68 V/Cr 5.29 2.45 1.36 2.12 2.88 2.65 2.04 2.08 2.14 2.23 2.11 2.42 1.36～5.29 2.48
3 沉积相与沉积环境
3.1 沉积相类型
图5 鄂尔多斯盆地东缘大吉XX 井亚段沉积相柱状图Fig.5 Stratigraphic column and sedimentary facies of well Daji XX, lower part of Second member,Shanxi Formation, eastern margin of the Ordos Basin
3.2 测井相模式
潮坪相粒度较细，主要受潮汐影响，水流能量不稳定，变化频繁，岩性主要为粉砂质泥岩、页岩和泥质粉砂岩的互层，GR曲线大部平直低幅，微齿化；潟湖相粒度最细，水体较为平静，水动力很弱，GR曲线大部平直低幅，局部漏斗状；潮汐水道—潮坪相粒度较粗，水动力较强，GR 曲线中高幅，呈钟形；潟湖—潮坪相发育较厚煤层，总体粒度较细，GR 曲线呈中高幅度的指形（图6）。
图6 大吉XX 井测井曲线特征图Fig.6 Logging curve characteristics of well Daji XX
3.3 页岩厚度展布特征
3.4 沉积相平面展布特征
结合区域古地理[36]，绘制了研究区的沉积相分布图（图7b），段沉积相展布特征显示：段时期研究区中央为潟湖沉积，存在2个中心。潟湖沉积范围内，西南部以及东部有2 个障壁岛砂坝沉积的区域，北部边界处为三角洲前缘沉积。障壁岛及北部三角洲前缘向湖方向过渡为潮坪的潮上带、潮间带和潮下带沉积，总体潟湖沉积范围相对较广且连通性好，有利于泥/页岩发育。
图7 鄂尔多斯盆地东缘亚段页岩厚度等值线图和沉积相展布图Fig.7 Contour map of shale thickness and planar distribution of sedimentary facies in lower part of Second member,Shanxi Formation, eastern margin of Ordos Basin
4 沉积相对页岩有机质含量的控制作用
图8 鄂尔多斯盆地东缘亚段沉积组合TOC 分布直方图Fig.8 Histogram of TOC distributions in lower part of Second member of Shanxi Formation, eastern margin of Ordos Basin
5 结论
（1）根据大吉XX 井岩性、沉积构造以及镜下照片等特征，在山西组亚段共识别出10 种岩相类型，分别为粉砂质泥岩/页岩相、纹层状层理含粉砂泥岩/页岩相、透镜状层理粉砂质泥岩/页岩相、钙质页岩相、煤层、碳质页岩相、黑色页岩相、波状层理泥质粉砂岩相、交错层理细砂岩相和中砂岩相。
（3）综合岩相特征、沉积序列以及古地理资料，认为研究区属于海陆过渡相沉积，中央为潟湖沉积，西南部以及东部有2个障壁岛砂坝沉积的区域，北部边界处为三角洲前缘沉积。障壁岛及北部三角洲前缘向湖方向过渡为潮坪的潮上带、潮间带和潮下带沉积。亚段页岩TOC 含量较高，生气潜力较好，其中潟湖相和潮坪（潮上带/潮间带）是生气最有利的沉积相组合。
致谢 感谢封从军老师和孙萌思老师在写作过程中的悉心指导，同时感谢中国石油勘探开发研究院的大力支持，审稿专家和编辑部对本文提出了宝贵的意见和建议，使得本文得以完善，在这里也一并致谢！
