鄂尔多斯盆地南缘铜川地区三叠系延长组长7段剖面及其油气地质意义

赵俊峰，刘池洋，张东东，郭懿萱，齐亚林，吕奇奇，张 龙,4，马奂奂,5

（1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西西安710069；2.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，陕西西安710018；3.长江大学地球科学学院，湖北武汉430100；4.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安710065；5.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司长庆物探处，陕西西安710200）

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，横跨陕、甘、宁、蒙、晋五省（区），面积约为25×104km2，是我国第二大沉积盆地，盆地内石油、天然气、煤及铀等多种能源矿产富集（图1a）[1]。该盆地是中国陆上最早开展石油勘探的地区，但直至上世纪末期，才实现油气勘探和产量的重大突破，目前已建成中国最大的油气生产基地。该盆地石油资源主要分布在三叠系延长组和下、中侏罗统富县组、延安组碎屑岩中，勘探开发对象主要为低渗透—致密油藏。

延长组长7 段页岩是鄂尔多斯盆地中生界石油的主力烃源岩，俗称“张家滩页岩”。随着勘探开发的深入，长7 段也成为页岩油勘探开发的重点层段（图1b）。针对长7 段烃源岩内的大规模勘探开发始于2011年，2014年长庆油田在长72亚段内探明了石油地质储量达1×108t的新安边油田。2019年，在长7段生油层内发现了中国最大的页岩油田—庆城油田，新增探明地质储量3.58×108t，证实了长7 段页岩油的巨大潜力[2，10，21]。

铜川地区位于盆地南部渭北隆起中部，处于中—晚三叠世延长组湖盆沉积中心位置（图1b，图2）。受燕山—喜山期构造挤压抬升作用，该地区延长组广泛出露地表。近年来，不少学者从页岩油的开发和利用等角度，对该区延长组“张家滩页岩”开展了研究[3-4]。为了更好地理解长7 段油页岩赋存段的沉积环境和油气地质特征，在野外剖面实测的基础上，结合前人工作，重点介绍了盆地南缘铜川地区的延长组长7段典型露头剖面，并简要分析了其油气地质意义。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是一个中生代大型内陆坳陷型湖盆，现今残留范围呈矩形（图1a、图1b）。根据基底性质，结合现今构造形态特征，可分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷和西缘逆冲带6 个二级构造单元（图1c）[5]。石油资源主要分布在陕北斜坡及渭北隆起构造带内。

中—晚三叠世，受华北板块与扬子板块拼合、秦岭造山挤压作用的控制，华北西部发育了大型内陆坳陷湖盆，形成1 000 多米的延长组陆相碎屑岩沉积建造，其自下而上可划分为长10—长1，共10 个段（油层组）。延长组沉积期，湖盆经历了形成、发展和消亡的全过程（图3a）。其中，长10～长8 期为湖盆形成阶段，水体较浅，三角洲进积作用较强，砂体较为发育。长7 段厚度为100～120 m，其早期为最大湖侵期，代表延长组湖盆发育的鼎盛阶段，半深湖—深湖亚相面积超过6.5×104km2，发育黑色页岩、暗色泥岩和粉-细砂岩混积层系，泥页岩厚度可达15～50 m，局部地区超过60 m（图1b）[6-7]。长6 期进入湖退阶段，主要发育进积型三角洲沉积，为延长组最主要储集层段。之后，湖盆经历多次收缩与扩张作用，最终在长1沉积期以退缩消亡而告终[8-13]。

2 剖面资料来源

渭北铜川地区延长组长7 段露头零散分布在西南起照金、聂家河、瑶曲，向东北至金锁关北部的何家坊、烈桥、霸王庄、淌泥河等地（图2）。该区域构造属向西缓慢倾斜的单斜构造，倾角一般小于10°。但受瑶曲—五里走滑断层及其两侧近东西向正断层影响，在烈桥、淌泥河剖面，长7 段产状较陡，可见断层和褶皱构造，部分地层近于直立[14]。长期以来，相关高校、油田等单位对铜川地区长7段露头剖面开展了大量的野外实测和研究工作[14-20]。针对当前长7 段页岩油勘探开发划分的3类油藏，结合剖面现有的工作基础和出露、交通情况，重点选择了衣食村—瑶曲、霸王庄和淌泥河3 条剖面进行介绍（图1b、图2）。其中衣食村—瑶曲剖面主要参考了长江大学和长庆油田的实测资料[14,19]，霸王庄和淌泥河剖面分别采用了西北大学本次实测和西安石油大学[18]的实测资料。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

图2 铜川北部延长组长7页岩油剖面交通位置Fig.2 Traffic location of surveyed sections of Chang-7 Member in Yanchang Formation,northern Tongchuan area

3 长7段小层划分

长7 段在盆地内厚度100～120 m，其底部的“张家滩页岩”分布范围广，在电性上表现为高伽马、高电阻、高声波时差、低密度特征，是地层划分与对比的良好标志层。根据标志层、岩性组合、沉积旋回，长7 段自下而上可细分为长73、长72和长71共3 个亚段（砂层组）（图3b）[7]。其划分标志为每个旋回顶部代表高水位期沉积的泥岩及碳质泥岩，测井曲线上多表现为：高自然伽马、高声波时差、高电阻率及大井径的特征。从岩性组合看，长7段下部以泥页岩为主，向上部泥页岩含量降低，砂岩含量逐渐增加。长7 段早期为湖盆水体最深、湖盆范围最大时期，之后发生湖退作用，湖盆范围逐渐收缩。具体而言，长73主要为黑色的有机页岩、泥岩夹薄层深灰色粉—细砂岩；长72主要为灰黑色—黑色的泥岩、油页岩夹薄层深灰色粉—细砂岩；长71主要为深灰色泥岩、粉砂质泥岩、中层状粉—细砂岩。

图3 鄂尔多斯盆地延长组及长7段地层柱状简图（修编自文献[7]）Fig.3 Stratigraphic columns of Yanchang Formation and Chang-7 Member in the Ordos Basin（Modified from reference[7]）

4 重点剖面描述

4.1 衣食村—瑶曲剖面

衣食村—背阴沟—瑶曲剖面位于铜川市耀州区瑶曲镇，由衣食村（长73亚段）（北35°11'37″，东108°50'51″）、背阴村（长72亚段）（北35°10'17.97″，东108°52'32.94″）和瑶曲村（长71亚段）（北35°11'32.31″，东108°52'50.34″）3 段剖面组成，根据吕奇奇等（2017）的实测，长7 总厚度90.26 m（图4）[19]，分3 个亚段，75个小层，实测比例尺为1:50[19]。该剖面地层出露较好，地层产状平缓，对比标志层明显，沉积现象典型（图4、图5）。下部以凝灰岩与泥页岩互层为主，上部主要发育湖泊重力流沉积，可识别出砂质碎屑流沉积、浊流沉积、滑塌沉积、深水原地沉积、火山碎屑沉积等5种沉积类型[19]。

图4 衣食村—瑶曲剖面长7段实测柱状图（修编自文献[19]）Fig.4 Measured lithological column of Chang-7 Member in Yishi Village-Yaoqu section（Modified from reference[19]）

图5 衣食村—瑶曲剖面长7段典型野外照片Fig.5 Photographs of representative lithofacies and typical sedimentary characteristics of the Chang-7 Member in Yishi Village-Yaoqu section

4.1.1 衣食村剖面

该剖面位于耀州区瑶曲镇西南2 km去衣食村沟口公路边。公路东侧河沟称摩天沟，前人亦称之为摩天沟剖面，现在一般称为衣食村剖面。该剖面出露长段73亚段和长72亚段，其中长73（第1～39 层）总厚约41.48 m，岩性为黑色油页岩与褐灰、灰黑色凝灰岩互层，夹少量碳酸盐岩条带或结核，与下伏延长组长8 段灰绿色三角洲前缘亚相砂泥岩互层连续沉积。长73亚段主要发育湖泊相、半深湖—深湖亚相深水原地沉积和火山碎屑沉积2 种微相，凝灰岩厚度从数毫米到1 m 以上，其横向展布较为稳定，指示当时周邻地区有较为强烈火山活动；长72亚段下部为黑色油页岩与毫米级凝灰岩频繁互层，上部黑色油页岩夹薄条带状凝灰岩和小型砂岩脉[14]。

4.1.2 背阴村剖面

该剖面位于瑶曲镇西南4 km 乡村公路边，该观察点仅出露长72亚段。长72亚段（第40～51层）总厚21.21 m，主要发育水道型重力流沉积和湖泊2 类相，含深水原地沉积和砂质碎屑流沉积、浊流沉积、滑塌沉积4 种微相。岩性以深灰褐色、灰黑、黑色泥（页）岩为主，其次为灰黑色、灰色泥质粉砂岩和细砂岩，局部可见少量毫米级厚度的凝灰岩层[14]。

4.1.3 瑶曲剖面

该剖面位于瑶曲镇东侧往石柱路口河边陡崖处，该观察点仅出露长71亚段，且未见长71底，上覆为长6 段，为一套典型的深水沉积序列，发育多种类型深水沉积。长71亚段（第52～75 层）总厚27.97 m，主要发育水道型重力流沉积和湖泊2个相，含深水原地沉积、浊流沉积、砂质碎屑流沉积3 种微相。与长73亚段、长72亚段相比，长71亚段泥（页）岩颜色稍微变浅，以深灰色、灰黑色为主，黑色、灰绿色次之；砂岩厚度变大，以灰色、浅灰色细砂岩、粉砂岩为主，凝灰岩不发育。观察点揭露的地层厚度尽管几十米，却可见正常深水沉积、砂质碎屑流沉积、浊流沉积以及同沉积变形及后期构造变形集于一处。加之交通方便，易于观察和采样，是研究长7 段深水沉积和砂质碎屑流成因以及延长组沉积期构造活动等的理想场所[14]。

4.2 霸王庄剖面

霸王庄剖面位于铜川市印台区金锁关镇半山腰处，在霸王庄采石场一带，断续见长73和长72地层出露，下伏长8，长72未见顶（图6—图8）。该地区的油气勘探历史，可追溯至1911年中美合资开采的霸王庄和金牛庄石油，曾钻井深300 m，日出油350 kg。后因战乱停产[14]。

图6 霸王庄剖面长7段实测柱状图Fig.6 Measured lithological column of Chang-7 Member in Bawangzhuang section

图8 霸王庄地区长7段实测剖面Fig.8 Measured lithological section of Chang-7 Member in Bawangzhuang area

霸王庄剖面实测厚度31.70 m（图6），比例尺为1:200，实测剖面沿山坡地形分布，由东、西两部分组成，共47 层。西部剖面（层位靠下）分为15 层（图8a），起点地理坐标：北35°14'18.49″，东109°01'56.51″，H=1 220 m，终点坐标：北35°14'6.88″，东109°02'17.16″，H=1 241 m。地层倾向250°～355°，地层倾角17°～27°。东部剖面（层位靠上）分为32 层（图8b），起点坐标：北35° 14'02.09″，东109°02'10.75″，H=1 234 m，终点坐标：北35°14'6.88″，东109°02'17.16″，H=1 241 m。地层倾向主体向北，地层倾角4°～10°。

长73亚段（第1～37 层）厚度20.33 m。主要发育厚层黑色泥页岩以及薄层砂岩，夹有1～3 cm 厚的土黄色凝灰岩薄层，黑色页岩中富集植物化石、介形虫等化石。发育湖泊、重力流两种沉积体系，鲍马序列、槽模、沟模、块状层理等沉积特征和沉积构造在砂岩中广泛存在。长72亚段（第38～47层）厚11.37 m。岩性主要为黑色厚层粉砂岩、黑色页岩夹深灰色粉砂岩，页岩层内可见碳酸盐结核，黑色页岩的占比较长73亚段降低。虽然长7 段沉积环境整体属于较为稳定的半深湖—深湖环境，然而在地层内部仍可见微型构造，如断裂、褶皱、错动等现象，同时发育一些同沉积构造作用引起的液化变形砂岩脉，或水平状分布于母岩层，或向上沿泥页岩破裂缝穿入并逐渐变薄至尖灭，指示沉积环境和水动力状态具有一定的活动性。另外，在该剖面泥页岩中可见灰色、灰黑色、褐黄色的“钙质结核”，直径2～95 cm，顺层分布，与围岩呈包绕接触关系（图6—图7）[20]。

图7 霸王庄剖面长7油层组露头特征Fig.7 Photographs of representative lithofacies and typical sedimentary characteristics of Chang-7 Member in Bawangzhuang section

4.3 淌泥河剖面

剖面出露于宜君县哭泉乡淌泥河村南端民房东侧山坡陡崖处，地理坐标：北35°16'25″，东109°04'12″，海拔1 314 m。根据岩性特征和岩矿分析资料，将淌泥河出露的长7 页岩划归长73 亚段（顶、底均未见）。与相邻剖面对比，该观察点长73凝灰岩夹层较少，以页岩层中出现大型垂直或斜穿层理的不规则砂岩层而引人注目[14]，可见鱼类化石。该剖面地层倾角为60°左右，倾向北北东向，在剖面南侧发育逆断层。据耳闯等（2015）实测，测量段厚度约为20 m，从底到顶发育11 个沉积旋回，每个旋回由底到顶，均呈黑色页岩—深灰色泥质粉砂岩的岩性组合，反映深湖环境下原地细粒悬浮沉积与异地重力流沉积的交替过程（图9）[18]。

图9 淌泥河剖面长73亚段露头特征Fig.9 Feature of outcrop of Chang-73 sub-member in Tangnihe section

5 长7段沉积演化及其油气地质意义

5.1 长7段沉积相演化

长7段沉积期，鄂尔多斯盆地周缘区域构造较活跃，受西南方向秦岭造山带强烈挤压和东北方向垂向隆升的影响，发生了南北不均衡、不对称的快速拗陷沉降作用，导致湖盆基底具“南陡北缓”的分布格局，主要接受来自东北和西南两个方向的物源供给。长7 段沉积期是延长组湖盆最大的扩张期，湖水深、水域广，形成了面积达6.5×104km2的半深湖—深湖区（图1b），沉积了一套以暗色泥岩、黑色页岩为主的，厚度达100 m 以上的生油岩系，奠定了中生代陆相湖盆生油的基础（图10）。位于盆地中南部的铜川地区长7 段以半深湖—深湖亚相沉积为主（图11），以长73亚段“张家滩页岩”为代表的最大湖侵期之后，长72亚段沉积期和长71亚段沉积期随着湖盆的萎缩，因河流注入，受重力流沉积作用，在深湖区建造了一套以砂质碎屑流和浊流为主的细粒沉积砂体，广覆式分布的泥页岩与大面积粉砂—细砂岩紧密接触或呈互层，源—储配置关系好，形成有利的油气聚集场所[2]。

图10 鄂尔多斯盆地H269井—衣食村—瑶曲井长7段对比[2]Fig.10 Correlation cross section of the Chang-7 Member of Well-H269 to Yishi Village-Yaoqu section in Ordos Basin[2]

图11 鄂尔多斯盆地长7段沉积相分布[2]Fig.11 Sedimentary facies distribution of Chang-7 Member in Ordos Basin[2]

5.2 长7段页岩油赋存特征

延长组长7段在湖盆中部主要发育细砂岩、粉砂岩和暗色泥岩、页岩等，总体以泥质岩类为主，砂岩厚度薄，砂地比值低。黑色页岩有机质类型主要为II1型和I型，有机质丰度平均值为13.81%，暗色泥岩有机质类型主要为II1型和IIt型，有机质丰度平均值为3.74%。长7 烃源岩的干酪根实测Ro为0.61%～0.98%，达到生油高峰阶段[2,10]。

根据岩性组合、砂地比、砂体厚度等因素，可将长7 段页岩油划分为3 类，即多期叠置砂岩发育型（I 类）、厚层泥页岩夹薄层粉—细砂岩型（II 类）和纯页岩型（III 类）[7,11-12]。I 类页岩油发育多期叠置薄砂岩，单砂体厚度一般小于5 m，是目前勘探开发的主要对象；II 类页岩油以厚层泥页岩层系内发育厚度2～4 m 的薄层粉—细砂岩，是目前风险勘探攻关的主要目标；III 类页岩油以厚层富含有机质的页岩发育为特征，砂岩不发育，适合于地下原位加热转化开发[2]。I 类和II 类页岩油主要分布在长71和长72亚段，III 类页岩油主要分布在长73亚段。长7 段页岩油是以吸附与游离状态赋存于生油层系内的砂岩和泥质砂岩中，未经过大规模长距离运移而形成的石油聚集[13]，主要为受物性差异控制的岩性遮挡形成的岩性油藏。储集层改造前无自然工业产量，目前多采用水平井体积压裂改造进行开发[2,12]。

5.3 对富烃坳陷形成的指示

在盆地中—南部长7段露头剖面和钻井岩心，均可见多层凝灰岩夹层（图4—图7）。在露头新鲜剖面或岩心中，凝灰岩夹层的颜色与其间互出现的砂、泥岩层差别较大，易于识别，其颜色以灰黄色、灰褐色等为主；凝灰岩夹层单层厚度从5～500 mm 不等。前人对长7 段烃源岩凝灰岩夹层中的锆石已进行了多种方法的年代学分析和研究。LA-ICP-MS U-Pb法测试所获得的年龄大致可分为3组：221±2.0Ma[22]、226.5±1.6Ma～229.7±2.2Ma（3 个年龄）[22-23]和234.3±2.8Ma～236.1±2.7Ma（3 个年龄）[24]。另有2 个长7 段底部凝灰岩夹层的SHRIMP U-Pb年龄，分别为241.3±2.4Ma 和239.7±1.7Ma[25]。虽然不同学者测得的具体年龄值尚有争议，但均认为归属于中三叠世晚期或晚三叠世早期，是秦岭造山带在三叠纪晚期碰撞造山活动的岩浆作用记录。

近年来，在铜川地区多个露头长7 段有机页岩中，均发现了若干“钙质结核”，其顺层分布于长7 段有机页岩中，形态呈“透镜状”“椭球状”等，直径约为10～70 cm[26]。对霸王庄和宜君套滩剖面的“钙质结核”岩石学分析表明，其主要成分为重结晶方解石和晶粒方解石，镜下具球粒状结构，岩石类型为灰岩；瑶曲聂家河剖面结核体的主要岩石类型为泥—粉晶白云岩。结合野外产状和岩石成分分析，认为这些“钙质结核”符合热水沉积碳酸盐岩和受热液活动影响的特征，初步将其解释为湖底热液活动成因的湖相碳酸盐岩[26]。

如上所述，延长组沉积期，特别是长7 段沉积期间，除了发育正常的碎屑沉积外，还广泛发育多层凝灰岩夹层，发育各类深部物质上拱挤入构造和产物（如砂岩墙（脉）、泥岩脊和碳酸盐岩结核）、事件沉积（如浊积岩、震积岩及湖底扇等），且主要分布在富烃坳陷深湖-较深湖区。在长7 烃源岩等层段内，检测出多种指示深部热流体活动的岩石矿物和地球化学异常[27]。深部探测显示，在富烃坳陷深部400 km 以上壳幔各界面呈上拱的结构特征[28]。这表明延长组沉积期富烃坳陷及其优质烃源岩是在周邻构造活动较强、同时深部作用较活跃的地球动力学环境中形成的。其背景可能受控于同期华北与扬子两大板块汇聚碰撞作用所引起的岩浆活动和板内深部物质、能量向浅部的释放效应[27]。

6 结论

1）三叠系延长组长7段为鄂尔多斯盆地中生界油气的主力烃源岩，也是页岩油勘探与开发的重点层段。长7段代表延长组沉积期湖盆鼎盛阶段沉积，是一套以泥页岩类为主的细粒碎屑岩建造，厚100～120 m，可划分为长73、长72和长71共3 个亚段。在铜川地区衣食村、背阴村、瑶曲、霸王庄、淌泥河等地有较好出露。

2）从长73到长71，湖盆经历了由鼎盛逐渐收缩、湖平面下降的过程，砂岩含量向上部逐渐增多。长71和长72为当前页岩油重点勘探开发层系；长73是未来攻关领域。

3）研究区处于延长组盆地深水区，长7 段既有正常深水细粒沉积岩，也包括了类型丰富的深水重力流沉积以及异地搬运形成的火山凝灰岩、具有深部流体成因特征的碳酸盐岩结核等。这些重要现象表明延长组沉积期富烃坳陷及其优质烃源岩是在周邻构造活动较强、同时深部作用较活跃的地球动力学环境中形成的，对理解陆相盆地烃类生成和富集机理、页岩油勘探开发具有重要的启示。