鄂尔多斯盆地南缘岐山曹家沟奥陶系剖面地层和沉积特征

2022-03-24李文厚孙娇鹏梁积伟李智超

油气藏评价与开发 2022年1期

陈强，李文厚，孙娇鹏，张倩，梁积伟，李智超

（1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054；2.西北大学地质学系，陕西西安710069；3.长安大学土地工程学院，陕西西安710054）

鄂尔多斯盆地位于华北地块西部，是我国第二大沉积盆地，因含有丰富的煤、石油、天然气、铀等多种能源矿产而闻名。同时，盆地周缘露头发育、地层齐全、沉积类型多样、沉积现象丰富，一直吸引着广大地质工作者的关注[1-8]。岐山地区位于鄂尔多斯盆地南缘，南隔渭河地堑与北秦岭—祁连褶皱带相望，区内发育蓟县系、震旦系、寒武—奥陶系、二叠—三叠系、侏罗系等地层（图1），且均有相对应的野外露头剖面，是研究鄂尔多斯盆地乃至华北地区的地层、沉积演化及其与造山带关系的有利地区。

图1 鄂尔多斯盆地南缘岐山地区地质简况（据梁积伟等[12]修改）Fig.1 Geological profile of Qishan area,southern margin of Ordos Basin（modified from LIANG Jiwei,et al[12]）

奥陶系是鄂尔多斯盆地构造-沉积演化和天然气成藏的一个关键层位，近年来，除了区域性的研究工作[1-2,5-7,9-10]，部分学者针对岐山地区开展了相应的工作。周书昌等[11]、梁积伟等[12]对岐山曹家沟剖面平凉组深水沉积环境进行了研究；刘溪等[13]、赵迪等[14]对马家沟组沉积环境进行了分析，但观点不同；杨甫等[15]对平凉组碎屑锆石及其物源特征进行了探讨；戴霜等[16]通过牙形刺对地层对比划分进行了研究。这些工作在丰富区域资料的同时，也因地层划分问题造成了结论的偏差。因此，笔者基于岐山曹家沟实测剖面，对奥陶系地层及其沉积特征进行了厘定和分析。

1 剖面介绍

岐山曹家沟奥陶系剖面位于陕西省岐山县东北20 km，自蒲村镇向北沿麟游县—眉县的G342 国道出露，由于自然切割、采石场开挖，特别是2016年公路改造，露头被进一步揭露，使得奥陶系地层连续出露。剖面起点位于岐山县曹家沟村北约1 km，坐标N34°32'18″，E107°45'4″，终点位于麟游县上永安村，坐标N34°35'44″，E107°46'6″，全长约7 km。剖面向南断续出露寒武系、震旦系和蓟县系地层，向北被二叠系不整合覆盖，奥陶系自下而上可划分为下奥陶统冶里组和亮甲山组、中奥陶统马家沟组和峰峰组、上奥陶统平凉组和唐王陵组（图2）。西侧崛山森林公园内的西崛山剖面中上奥陶统连续发育，可作为曹家沟剖面的补充。

图2 岐山曹家沟剖面奥陶系地层综合柱状剖面Fig.2 Ordovician comprehensive stratigraphic columnar section of Caojiagou section,Qishan

2 下奥陶统

2.1 冶里组

冶里组主要岩性为土黄色、灰紫色、灰色中薄层泥岩、泥质白云岩、粉细晶白云岩。下部泥质含量高，纹层发育，具潮汐层理，上部云质含量高，厚度增大，为粉细晶白云岩与泥质白云岩互层（图3a—图3d），地层总厚度为126.3 m，劈理较为发育。下以厚层块状晶粒白云岩的结束，中薄层土黄色泥质白云岩的出现与下伏上寒武统三山子组断层接触（图3a）。

沉积环境上，冶里组整体上属潮坪相沉积，表现为向上水体逐渐变深的演化趋势。冶里组下部以纹层状泥岩和泥质白云岩为主，水平纹层发育，局部见潮汐层理、鸟眼构造，反映了潮间带上部的泥云坪沉积环境。冶里组上部为中厚层白云岩与中薄层泥质白云岩不等厚互层，构成多个白云岩—泥质白云岩的旋回，反映了潮间带下部云坪的沉积序列。

2.2 亮甲山组

亮甲山组主要岩性为浅灰、灰色中厚层—块状含燧石条带或团块细晶—中粗晶白云岩，夹一套土黄色泥质白云岩，发育少量的硅化叠层石（图3e—图3i），地层总厚度为123.3 m。下以中薄层泥质白云岩结束、大套厚层块状晶粒白云岩和硅质团块的出现与冶里组整合接触，岩性特征易于区分（图3e）。硅质条带或团块在亮甲山组中上部尤为发育，以灰白色、灰色、灰黑色为主，大体呈顺层状分布（图3g、图3h）。白云岩为细晶—中粗晶，越靠近硅质团块或硅质团块越发育，则白云岩的晶粒越粗，通常为中粗晶，风化后外观上多呈砂糖状，可见明显的晶间孔及溶孔发育，储层物性好（图3g、图3i）。

图3 岐山曹家沟剖面下奥陶统地层及沉积特征Fig.3 Lower Ordovician stratigraphy and sedimentary characteristics of Caojiagou section,Qishan

沉积环境上，岐山曹家沟剖面亮甲山组上部发育较明显的波状、半球状叠层石，直径20～30 cm，高10～20 cm，叠层石顶部发育有竹叶状硅质砾屑，砾屑大小1～2 cm（图3g、图3i），通常反映潮间带下部高能沉积环境。亮甲山组中部夹少量土黄色纹层状泥质白云岩（图3f），与冶里组特征基本一致，代表了间歇性海退期的潮间带上部泥云坪沉积，综合分析，曹家沟剖面亮甲山组整体上属潮间带沉积。

区域上，冶里组和亮甲山组在鄂尔多斯盆地东南部广泛分布，岩性岩相基本一致，但《陕西省岩石地层》将其合并入三山子组[17]。冶里组作为奥陶纪海侵的初始产物，泥质含量普遍比较高，单层厚度较薄。亮甲山组皆为一套厚层块状的含硅质团块白云岩，以中厚层、含硅质团块、砂糖状晶粒为特征，其岩性特征与三山子组白云岩并不一致，且两者为不整合接触。因此，冶里组和亮甲山组与寒武系三山子组岩性划分标志明显，区域分布稳定且很好对比[1-2,6-7]，应该单独划分，同时也避免了三山子组跨越奥陶系。

3 中奥陶统

3.1 马家沟组

马家沟组主要岩性为中薄层—中厚层的灰色、深灰色粉细晶云岩、灰岩等，底部少量土黄色泥质白云岩，整个剖面马家沟组岩性单调、云化显著，以大套白云岩为特征，地层总厚度为640.9 m（图2）。底部以一套中薄层含砂砾白云岩、白云质砂岩与下伏亮甲山组厚层块状含燧石团块粗晶白云岩平行不整合接触，界限清晰，可见薄层风化壳（图4a、图4b）。马家沟组底部为土黄色中薄层含砂砾质白云岩、含砂泥质白云岩，砾石含量5%～20%，成分以燧石为主，分选磨圆差，呈棱角状，粒度多为毫米级，大者1～3 cm。马家沟组与下伏亮甲山组为区域性平行不整合接触，该不整合面在鄂尔多斯中东部普遍存在，对下伏亮甲山组晶粒白云岩溶蚀孔洞的发育具有建设性作用，可形成良好的储集空间。

沉积环境上，岐山曹家沟剖面马家沟组底部以土黄色中薄层泥质白云岩为主，代表局限台地泥云坪沉积，向上则快速演变为中薄层—中厚层灰岩、灰质云岩、砾屑灰岩，夹大量页片状灰岩、纹层状灰岩（图4c、图4d），反映水体快速加深的过程，整体属开阔台地—台地前缘斜坡较深水的沉积环境，上部以厚层—块状的白云质灰岩、灰质白云岩为特征，反映了开阔台地的沉积环境（图4e）。

3.2 峰峰组

峰峰组，又称马家沟组六段，主要岩性为薄层—纹层状粉细晶白云岩夹多层中薄层砾屑白云岩，地层总厚度144.8 m。下以大套中厚层灰质白云岩结束，纹层状白云岩出现与马家沟组整合接触，上与马家沟组断层接触。在西崛山剖面峰峰组与上覆平凉组为连续沉积，峰峰组为纹层状白云岩，平凉组为中薄层灰岩夹凝灰岩、硅质岩。

沉积环境上，该段纹层状白云岩也曾被认为是潮坪相的藻纹层沉积[6,14]。但峰峰组白云岩中的纹层十分平直、细密，厚度通常在1～2 mm 以内（图4f—图4j）。同时发育大量砾屑白云岩，通常呈薄层状，少量中层或厚层，薄层中砾屑通常为毫米级，中厚层的砾屑为厘米级，砾屑含量变化较大，零星砾屑多呈漂浮状，形态多为棱角状，大小混杂，成分主要为内碎屑，内部具明显的水平纹层，与下伏纹层状白云岩相同（图4g、图4h）。这些砾屑白云岩具典型的碎屑流沉积特征，属于深水重力流沉积[13,18-19]。同时，还可见到厚度1 cm 的碳酸盐浊流沉积（图4j）、滑塌变形构造（图4k、图4l）等。因此，曹家沟剖面峰峰组整体上属于较深水的碳酸盐台地前缘斜坡相沉积。

图4 岐山曹家沟剖面中奥陶统地层及沉积特征Fig.4 Middle Ordovician stratigraphy and sedimentary characteristics of Caojiagou section,Qishan

从地球化学分析上看，马家沟组碳氧同位素较下奥陶统略有增加，范围为-2.06 ‰～0.83 ‰，平均值为-0.39‰，氧同位素变化不大，范围为-7.55‰～-3.87 ‰，平均值为-5.19 ‰，Sr（锶）含量略有增加，整体不高，平均值为134.73×10-6，但Sr/Ba（锶/钡）比值较高，范围变化为4.13～138.05，平均值为44.78，说明其水体相对较浅，古盐度较高，明显受到盆地内部高蒸发环境的影响。峰峰组碳同位素明显降低，范围为-6.17 ‰～0.16 ‰，平均值为-1.92 ‰，氧同位素略有增加，范围为-10.68 ‰～-1.94 ‰，平均值为-4.19 ‰；Sr 含量变化大，范围为53.94×10-6～1 212.77×10-6，平均值为314.07×10-6，但Sr/Ba 比值减少，范围为1.15～33.92，平均值为14.51，说明其水体加深，盐度减小。

区域上，马家沟组在鄂尔多斯盆地及整个华北地区都有广泛分布，但岐山剖面明显不同于华北地区以厚层灰岩为主的岩性特征[20]，同时与鄂尔多斯盆地内部马家沟组六段构成3 个沉积旋回的序列特征也明显不同[7]，岐山曹家沟剖面马家沟组以白云岩、灰质白云岩为主，分段不清晰。沉积环境上，鄂尔多斯盆地马家沟组整体属浅水碳酸盐台地沉积，一、三、五段为局限台地，并大量发育膏盐岩沉积，二、四、六段为开阔台地[1-2,7]。渭北隆起的富平、泾阳一带以纹层状白云岩为主，发育叠层石、鸟眼、石膏假晶等沉积构造，代表了局限台地潮坪沉积[2]。而岐山地区马家沟组则表现为相对较深水的碳酸盐台地—斜坡相沉积，特别是峰峰组表现更为明显。

从区域位置上看，岐山地区位于鄂尔多斯盆地南缘靠外的位置，与外侧广海相连，仅在马家沟组底部海侵初期发育少量局限潮坪沉积。从沉积特征看，盆地内部马家沟组普遍发育的泥质白云岩、膏盐岩、鸟眼、假晶等浅水沉积特征在曹家沟剖面均未见到，而是发育中厚层灰岩、灰质云岩和中薄层灰岩甚至是页片状灰岩，代表了开阔台地—台地前缘斜坡的沉积环境。而前人所谓的叠层石大都是平直而细密的水平层理，是低能安静的深水环境下缓慢沉积的产物。最显著的是纹层状云岩中大量中薄层碳酸盐碎屑流和浊流的夹层，以及滑塌变形的发育（图4f—图4l），均反映了相对远源的重力流沉积背景[13,18-19]，说明了中奥陶世马家沟期鄂尔多斯盆地南部的构造-沉积格局已发生明显分异。

4 上奥陶统

4.1 平凉组

平凉组主要岩性为黄绿色、灰绿色、灰黑色泥岩、页岩、泥灰岩、泥质粉砂岩夹少量中细粒砂岩，为一套厚度巨大的韵律沉积（图5a—图5f），地层总厚度683.9 m。平凉组与下伏马家沟组为断层接触关系（图5a），界线两侧岩性差异显著，以大套厚层灰岩结束、黄绿色泥岩出现划界。在西崛山剖面平凉组与峰峰组整合接触，底部发育一套中薄层的灰岩夹砾屑灰岩、凝灰岩、硅质岩的组合（图5e、图5f），因此曹家沟剖面平凉组并未见底。

图5 岐山曹家沟剖面上奥陶统地层及沉积特征Fig.5 Upper Ordovician stratigraphy and sedimentary characteristics of Caojiagou section,Qishan

沉积环境上，曹家沟剖面平凉组以中薄层的灰黑色泥页岩、泥灰岩为主夹多层砂岩及少量砾屑灰岩，水平纹层发育，地表风化色虽以黄绿色多见，但新鲜面则皆为灰黑色，反映了安静低能的还原环境。砂岩通常呈中薄层，发育鲍马序列，可见粒序层理，包卷层理，底部具冲刷面，属斜坡底部的浊流沉积（图5b—图5d）。砾屑灰岩仅在底部发育，砾屑大小混杂，粒度可达几至十几厘米，成分以块状灰岩为主，属台缘斜坡的碎屑流沉积。平凉组自剖面底部向上灰岩、砾屑灰岩减少，泥页岩、浊积砂岩增加，反映了水体加深的过程，整体上沉积厚度大，反映了半深海相泥灰质共生的大陆斜坡沉积环境。

从地球化学分析上看，平凉组碳同位素明显增加，范围为-0.58‰～1.32‰，平均值为0.48‰，氧同位素明显降低，范围为-12.37‰～-10.07‰，平均值为-11.12 ‰，说明其受到成岩作用的明显影响。Sr含量进一步增加，变化范围为83.40×10-6～1 337.57×10-6，平均值515.91×10-6，但Sr/Ba 比值显著减少，范围为0.11～11.90，平均值为2.02，说明随水体进一步加深，盐度降低，与沉积相分析一致。

区域上，加里东运动造成鄂尔多斯盆地主体隆升并遭受风化剥蚀，仅在西南缘发育有平凉组沉积[1,2,7]，虽然区域上均以深水沉积为特征，但差异显著。东侧富平一带以薄板状泥晶灰岩夹滑塌砾屑灰岩为特征[21]，代表碳酸盐台地前缘斜坡沉积，西侧平凉一带以笔石页岩为特征[22]，代表深水海槽沉积，岐山一带以泥页岩、泥灰岩为特征，代表过渡状态的大陆斜坡沉积。鄂尔多斯西缘同期的乌拉力克组以灰黑色灰泥页岩和泥页岩为主，属深水斜坡—海槽相沉积，该层位是鄂尔多斯下古生界最主要的烃源岩发育层位，TOC含量多在0.4 %以上，且已有多口井试气获工业气流，显示了较好的页岩气勘探潜力[23,24]。

4.2 唐王陵组

唐王陵组主要岩性为灰绿色、灰褐色、深灰色、灰黑色砾岩、副砾岩（含砾泥岩）、粉砂质泥岩、砂岩泥质砂岩等（图5h—图5l），地层总厚度154.1 m。砾岩、副砾岩多呈中厚层或块状，砾石大小混杂，含量变化较大，一般在5%～30%，高者可达50%～80%，砾石的成分主要为硅质岩、白云岩、硅质白云岩和少量泥岩。泥岩多为中薄层，普遍含粉砂质或砂质，纹层发育。垂向上由砾岩、砂岩、纹层状泥岩构成向上变细的基本层序（图5h—图5j）。唐王陵组底部为一套厚层块状含硅质角砾白云岩（图5g），厚51.3 m，据此与下伏平凉组分界，上被二叠系石盒子组砂岩不整合覆盖，界限清晰。区域上，唐王陵组主要分布在陕西礼泉唐王陵—岐山曹家沟一带，岩性稳定，但形成时代和成因存在着较大的分歧[25-28]。

沉积环境上，唐王陵大套纹层状泥岩、含砾泥岩、砾岩的组合反映了快速堆积的环境，砾岩底面具冲刷面，砾石分选磨圆差，杂基支撑，砾石中具同沉积软变形的泥质砾屑，纹层可见滑塌变形（图5i、图5j），反映了大陆斜坡相水下泥流、泥石流的沉积背景。在泥岩或纹层状泥岩中，可见大量呈漂浮状的砾石，砾石大小为几至十几厘米，最大可达30 cm，以棱角状为主，可见直立状砾石楔入并压弯下伏泥岩纹层、上覆纹层绕过砾石的现象，具有典型的冰坠石沉积特征（图5k、图5l），反映了唐王陵组兼有冰水沉积的性质，是大陆斜坡相泥石流沉积背景上叠加的冰筏沉积。