延安地区奥陶系古岩溶特征及地质意义

吴海燕 梁婷 曹红霞 于珺 郭艳琴

摘 要：延安地區奥陶系马家沟组古岩溶风化壳气藏是中国含油气盆地岩性油气藏的典型代表。根据盆地南缘马家沟组古岩溶露头特征，结合钻探资料，分析与古岩溶关系密切的不整合结构和古岩溶存在的标志，阐明不同地貌单元岩溶强度和储层发育程度。结果表明：岩溶斜坡位于岩溶高地与岩溶盆地的过渡地带，地下水动力较强，地下径流发育，岩溶作用强，风化淋滤作用深，形成风化壳古岩溶垂直分带的典型“三段式”结构，岩溶改造岩发育，溶洞裂隙半充填，残丘边缘储层物性，沟槽和阶地边缘发育优质气藏。岩溶盆地靠近排水基准面，岩溶作用相对较弱，受风化淋滤影响浅，致使岩溶垂直分带构造发育不完全，泥质含量高，岩溶建造岩发育，岩溶储层物性相对较差，低产井和无产能气井较多。研究成果对延安地区古岩溶特征研究具有重要指导意义，为鄂尔多斯盆地其他地区奥陶系古岩溶研究提供借鉴。关键词：马家沟组；风化壳；古岩溶标志；岩溶岩；古地貌恢复中图分类号：TE 121

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）05-0926-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0511开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Paleokarst characteristics and geological significance of  Ordovician Majiagou Formation in  Yan’an area，Ordos Basin

WU Haiyan，LIANG Ting，CAO Hongxia，YU Jun，GUO Yanqin

（1.College of Geosciences and Resources，Chang’an University，Xi’an 710054，China；2.Yanchang Petroleum Group（Limited Liability）Company Research Institute，Xi’an 710069，China；3.School of Earth Science and Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

Abstract：The Ordovician Majiagou Formation paleokarst weathering crust gas reservoir in Yan’an area is a typical representative of stratigraphic lithologic reservoirs in China’s petroliferous basins.According to the outcrop characteristics of the ancient karst of Majiagou Formation in the southern margin of the basin，combined with the drilling data，the unconformity structure closely related to the ancient karst and the signs of the existence of the ancient karst are analyzed，and the karst intensity and reservoir development degree of different geomorphic units are clarified.The results show that the karst slope is located in the transitional zone between karst highland and karst basin，with strong groundwater power，developed underground runoff，strong karstification，deep weathering and leaching，thus forming a complete structure of weathering crust paleokarst vertical zoning development，with developed karst reformed rocks，semi filled karst cave fissures，reservoir physical properties at the edge of residual hills，and high-quality gas reservoirs at the edge of grooves and terraces.The karst basin is close to the drainage base level，the karstification is relatively weak，and the influence of weathering and leaching is shallow，resulting in incomplete development of karst vertical zoning structure，high shale content in the reservoir，developing of karst formation rocks and of sedimentary rocks by argillaceous cementation and filling，relatively poor physical properties of karst reservoirs，and many low production wells and non production gas wells.The research results have a guiding significance for the characteristics of paleokarst in Yan’an area，and might provide reference for the study of Ordovician paleokarst in other areas of Ordos Basin.

Key words：Majiagou Formation；weathering crust；paleokarst indicators；karst rock；paleogeomorphological restoration

0 引 言鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组顶部发育一套与不整合面有关的碳酸盐岩古岩溶储层，碳酸盐岩与膏盐岩伴生，促进了岩溶作用的发生，在越流下渗的大气淡水作用下，硬石膏发生选择性溶解，形成硬石膏结核溶孔，或发生面式溶解使白云岩不同程度溶解发生层状崩塌，形成在相当范围内可追踪的角砾岩层，垂向上表现为岩溶强度不同的作用带，岩溶储层主要发育在岩溶强度适中的水平潜流带和垂直渗流带中。延安地区奥陶系马家沟组风化壳岩溶型气藏取得了一系列的勘探突破。前人对鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组古岩溶特征进行了较为深入的研究，郑聪斌等对岩溶岩及岩溶相展开了系统研究，认为风化壳天然气储层属于不同期次古岩溶。根据古岩溶岩石学特征，可将古岩溶产生的岩溶岩划分为岩溶改造岩和岩溶沉积岩2大类8个亚类；何江等对古岩溶期次、岩溶作用强度等进行研究，认为岩溶强度对于储集层储渗能力影响极大，深部缓流带岩溶强度过低，而水平潜流带中等溶蚀亚带、垂直渗流带岩溶强度适中，有利于储层发育；李振宏等对岩溶储集层进行了系统研究。前人对延安地区马家沟组古岩溶特征及储层分布规律很少开展详细研究，气藏富集规律也不清楚。笔者通过对延安地区古岩溶地质特征的剖析，填补了盆地东南部下古生界马家沟组古岩溶地质特征的认识，从不整合面结构入手分析古岩溶的判别标志，探讨不同地貌单元古岩溶地质特征及垂向分带性，深化古岩溶作用对储层控制及发育规

律的认识，以期为延安地区海相碳酸盐岩勘探提供地质依据。

1 区域地质特征延安地区位于鄂尔多斯盆地东南部，面积1.6×10 km，具有定向性延伸、排列式褶合、規模化发育、区域性展布、继承性演化的低幅度构造特征（图1）。鄂尔多斯盆地马家沟组是继亮甲山组沉积后发育的一套快速海进-缓慢海退的沉积序列，以碳酸盐岩-膏盐岩共生沉积为主。奥陶纪末加里东运动使鄂尔多斯盆地整体抬升，经过150 Ma的风化淋滤剥蚀，对马家沟组上组合地层造成不同程度的剥蚀。根据钻测资料，马六段地层在盆地北部和西部局部残存，在盆地东南部大面积连片分布；志丹以东、宜川以北的地区，除在古沟槽和残丘边部马五段地层缺失外，马家沟地层保存基本完好，在志丹以西、宜川以南的地区马五-马一被依次抬升剥蚀。延安地区早古生代奥陶纪进入稳定陆表海环境，马五-马五亚段以泥质云岩、细粉晶云岩、含硬石膏结核云岩、膏质白云岩、膏盐岩为主，马五-马五亚段以残余砂屑云岩、粉-细晶云岩、膏质云岩和硬石膏岩、盐岩为主，下组合马四段-马一段以残余砂屑云岩、粉-细晶云岩、泥晶灰岩、生屑灰岩、泥质云岩、膏质云岩和硬石膏岩、盐岩为主，其中马家沟组上组合是后期岩溶作用改造强烈部位，是延安地区下古生界天然气的主力气层。

2 古岩溶特征

2.1 不整合面古岩溶之上往往存在一个不整合面，鄂尔多斯盆地马家沟组顶部不整合面是陆上暴露侵蚀造成的，可改善碳酸盐岩储层性能。长期暴露，有利于淡水淋滤和古岩溶形成，暴露时间越长岩溶作用对沉积物改造越彻底，离不整合面越近岩溶系统越发育。盆地奥陶系顶部大型不整合界面是地壳的垂直升降运动，遭受约150 Ma剥蚀，缺失志留系和泥盆系，地壳再次下降，接受石炭系地层的沉积。延安地区钻测井数据显示奥陶系顶部不整合面覆盖的地层全部为石炭系本溪组地层，且不整合面垂向结构可以分为3层（图2（a）、2（b）、2（c）），从上到下分为碎屑岩层、风化粘土层、半风化岩层。延安地区不整合面结构分为3类，第Ⅰ类泥岩-铝土岩（或缺）-碳酸盐岩，分布在大部分区域，当铝土岩较薄或缺失气态烃可以直接进入碳酸盐岩储层；第Ⅱ类砂岩-铝土岩（或缺）-碳酸盐岩，小面积分布于延安地区，铝土岩上下均可成为天然气运移的通道，此类不整合具有侧向运移的特点，将天然气运移到适宜的部位然后向下运移进入碳酸盐岩储层，若缺失铝土岩，天然气可直接垂向运移；第Ⅲ类碳酸盐岩-铝土岩-碳酸盐岩，不整合在延安地区分布较局限，对于气态烃的运移影响很局限。在盆地南缘桥头、薛峰川、三眼桥等地区的下古生界奥陶系野外露头上，可以找到3种不整合面结构（图2（d）、2（e）、2（f））。

2.2 溶蚀孔洞缝溶蚀孔、洞、缝是判断古岩溶作用最直接的证据之一。与古岩溶作用有关的溶蚀孔、洞、缝构成了储层中复杂的网络配置关系。延安地区奥陶系马家沟组顶部地层经历了多期岩溶，使原始孔隙得到改造，储集性能也得到改善。层间岩溶期，受大气淡水淋滤或混合水作用，易溶矿物发生选择性溶解滞成膏模孔、盐模孔，形成溶蚀孔洞的雏形；风化壳岩溶期，大气淡水以垂直渗流、水平潜流和深部渗流3种形式，沿先期形成的孔隙及风化裂隙等流体通道进一步溶蚀扩大，形成溶蚀孔洞、晶间溶孔、角砾间溶孔及溶缝等储集空间，形成大面积、多层溶蚀孔、洞、缝体系，为风化壳储层形成的重要建设时期；埋藏岩溶期，带有机质的酸性水沿缝合线和构造缝进行溶蚀，形成溶蚀扩大孔洞（图3（a）、3（b））。延安地区奥陶系马家沟组膏盐岩和碳酸盐岩交互发育，在岩溶作用较强烈的地带形成的洞穴注定和纯碳酸盐岩地层是完全不同的，有膏盐岩发育的地层受到岩溶水的改造时是边溶解边垮塌边充填，没有空的洞穴带，判断洞穴带的存在要从岩层的上下接触关系及充填组构来判断。

2.3 岩溶岩岩溶岩是古岩溶最宏观的标志，对岩溶岩的识别是研究古岩溶的最基础的工作。研究岩溶岩主要通过岩溶角砾岩特征及岩心纵向及横向岩溶特征，岩溶岩的分类根据（李定龙，1999年、郑聪斌，1997年）提出的，并补充了淀积岩的范围。通过对延安地区探井岩心的宏观观察及铸体薄片的系统分析，将延安地区岩溶岩分为2个大类和8个亚类，各类型的岩溶岩在延安地区均有发育。

2.3.1 岩溶建造岩岩溶建造岩是岩溶作用下在岩溶溶洞中产生的机械搬运沉积物、化学沉淀物经固化而形成的岩石分为5种类型：①残积岩为风化壳顶部混杂角砾岩（图3（c）），是岩溶作用产生的未溶组分就地堆积固结形成的岩石；②冲积岩在延安地区岩溶段较发育，是由地下暗河搬运、沉积的固化而成的岩石（图3（d））；③塌积岩岩溶作用使洞壁或洞顶岩石发生崩、塌、滑、陷发生位移，导致岩块位移与堆积，经过固化或再胶结形成岩石（图3（e））；④填积岩在溶洞中由于下渗水流携带搬运而沉积的物质，常与本溪组泥质岩过渡，充填于风化壳顶部的岩溶漏斗及洞穴发育带（图3（f））；⑤淀积岩由岩溶水引起的化学沉淀固化形成的岩石（图3（g））。

2.3.2 岩溶改造岩岩溶改造岩是经过岩溶改造的岩石，分为3种类型：①溶蚀岩在延安地区较发育，溶蚀孔洞被不同程度的充填，是在岩溶水的作用下岩石被溶解破坏的同时往往还有非可溶岩或难溶物质从岩石中分离出来经溶蚀的岩石（图3（h））。②变形岩因岩溶作用造成母岩原始产状发生变化的岩石（图3（i）），可从假角砾化、褶曲变形等标志进一步识别。③交代岩岩溶水产生交代作用所形成的岩石（图3（j））。交代是指原矿物边溶解，新生矿物边形成的过程。

3 地质意义

3.1 岩溶作用带的划分岩溶垂直作用带的划分是对岩溶水流动程度的划分，只有流动的水存在，岩溶作用就能进行的彻底，当水不流动了说明岩溶作用也停滞了。岩溶作用带的发育与鄂尔多斯盆地地壳的升降有关，还与区域潜水面的高低有关。延安地区垂直岩溶作用带分为3类：垂直渗流带、水平潜流带及深部缓流带，其中岩溶水流动在水平作用带最强，在深部滞留流带处于基本停滞状态，且岩溶水的矿化度较高，岩溶交代现象较普遍（图4）。

垂直渗流带位于地表以下、最高岩溶水位之上，岩溶水受重力作用向下流动，岩溶以下蚀作用为主，溶蚀作用最强的地方在渗流带上部，有较高的侵蚀性，形成垂直的岩溶形态，发育溶缝、溶管及少量溶洞，角砾间常见铝土质充填。延安地区渗流带主要发育于马五，以高角度溶缝和小型溶蚀孔洞为特征，岩溶储层属于裂缝－孔洞型，缝洞充填物以机械充填为主，测井显示为低伽玛、低电阻、锯齿状。水平潜流带位于地下水面之下，低潜水位以下，受排水河道控制，侵蚀基准面附近，且此面一段时间相对不变时地下水以水平运动为主，形成较大的水平溶洞，在这里岩溶水作水平运动，受压力梯度和水流交替控制，在潜水面附近，地下水不饱和。水平潜流带岩溶作用较强烈，洞穴带最发育，水平溶洞成层发育，每层溶洞的水平高程与当时的河流阶地高程相对应。延安地区主要出现在马五-马五，去膏化、去白云化作用较强，发育半充填裂缝和孔洞，主力储层多集中于该带。深部滞留带水流不受主排水道的控制，受地质构造的控制，具有承压性、流速慢、深度大的特点。滞留水由于不能及时补给二氧化碳，溶解能力有限，很容易被碳酸钙饱和。深部滞流带地下水的矿化度很高，岩溶交代作用较发育。深部滞流带主要发育于马五-马五小层硬石膏岩之上，孔隙不发育，不具备好的储集条件。根据延安地区古岩溶地质特征及古地貌的恢复结果，对马家沟组古岩溶的油气地质意义进行探讨，岩溶斜坡是有利的天然气储集区带，高产井主要集中在岩溶斜坡的三级地貌单元的转换带上，即残丘边部、靠近沟槽的岩溶斜坡带及阶地边部，如延安地区的北部a583-a918井区和西部a1086-a1055井区。东北部广大岩溶斜坡与岩溶盆地过渡地带及岩溶盆地效果较差，钻遇低产气层或干层，未获得大的突破，原因在于地带基本处于排泄基准面附近，储集层中后期充填物较多，储层含有较多的泥质，物理淀积现象较普遍，且充填、交代作用也较强烈，降低了储层性能。岩溶斜坡溶蚀作用强烈，垂直渗流带和水平潜流带较发育，形成优质储集层，是风化壳气藏发育的有利地带，岩心上可见大量经过风化壳期扩容的硬石膏结核溶蚀孔、微裂隙，储层性能好；岩溶盆地东部也有洞穴带和孔洞带发育，说明岩溶盆地也有好的储层发育。

3.2 风化壳岩溶影响深度确定可溶岩从溶解度上看，卤化盐岩的溶解度最大，次为硫酸盐岩，最后为碳酸盐岩，表明膏盐岩在受大气淡水改造时比碳酸盐岩更易溶解，因此以膏质白云岩、白云质膏岩、硬石膏岩、岩盐等岩性的出现来判断风化壳岩溶作用影响的深度，即风化淋滤作用的底界，也是风化壳底部。延安地区岩溶作用影响深度从岩溶斜坡到岩溶盆地是变浅的，岩溶斜坡地表水下渗深度较深，岩溶作用强烈，风化壳发育较深，岩溶盆地风化壳地表水流下渗有限，岩溶作用微弱，风化壳发育深度相对较浅；在三级地貌单元上表现为残丘边部、沟槽斜坡处较深，残丘中部、沟槽处较浅（图5）。

3.3 岩溶古地貌恢复恢复古地貌是揭示储层分布和气藏规模的关键步骤之一。古地貌形态和分布特征又是岩溶作用发育程度的重要控制因素。对岩溶古地貌的恢复要考虑古地势的高低，又要考虑对三级地貌的精细刻画，才能比较准确地对古地貌进行划分。

3.3.1 古地貌方法采用较常用的印模法和残厚法恢复古地貌。根据延安地区地震资料及钻测数据，本溪组顶部低速煤层与马家沟组高速致密碳酸盐岩之间均存在明显的波阻抗界面，在野外露头、地震剖面、测井等资料上均易于识别，且离区域不整合面较近，因此印模法选取本溪组8煤层顶作为恢复古地貌的基准面；延安以东的地区大部分井钻穿本溪组地层就完钻，选取钻遇井数相对多的、离不整合面较近且全区分布稳定、测井易识别的马五底部的凝灰巖作为作图基准面。

3.3.2 古地質特征地层出露特征与残留厚度存在良好的对应性，马家沟组顶部地层为物理风化剥蚀造成的缺失。在西北高东南低的古构造背景下，延安地区古地貌表现为8条向西北延伸的条带状沟槽，凡有沟槽经过，地层必将不同程度的缺失，出露最老地层为马五；马六地层多分布在残丘及阶地上，在延安

地区东部及南部分布面积较大，在西部地区仅

在局部存在，延安地区整体为丘、洼、沟槽相间的古地貌特征。

3.3.3 古地貌单元划分综合“印模法”、“残厚法”和古地质图综合结果，延安地区前石炭纪古地貌整体表现为西北、西南高，东部低的特征（图5），分为岩溶斜坡与岩溶盆地2个二级地貌单元。岩溶斜坡可进一步分为残丘、台地、阶地、沟槽4个三级地貌单元；岩溶盆地分为沟槽、阶地、洼地3个三级地貌单元（表1）。

岩溶斜坡位于延安地区a740-a520-a383-a469井一线以西，顶部地层多为马五-马六，石炭系地层厚度为25～50 m，马五底部的凝灰岩之上的残余厚度为13～42 m。岩溶斜坡进一步划分为残丘、台地、阶地、沟槽4个三级单元。

残丘地势相对高，处于台地之上，呈孤立丘状分布，出露地层为马六-马五，石炭系厚度多小于23 m，残余厚度多小于40 m。

台地地势较残丘低缓，衔接残丘和阶坪，出露地层马六-马五，石炭系厚度多小于23 m，残余厚度多小于40 m。

阶地处于台地之间或台地与沟槽过渡的地带，地势低平，出露地层马五-马五，石炭系厚度为35～45 m，残余厚度30～40 m。

沟槽发育8条有西向南延伸、2条由西南向东北延伸的狭窄的条带状负向地形，支沟槽较发育，出露地层马五-马五，石炭系厚度多大于45 m，残余厚度小于35 m。

岩溶盆地地势较低，是盆地的汇水中心，在清涧-延川一带发育，出露地层多为马六-马五，局部出露马五地层，石炭系厚度多大于50 m，残余厚度多大于40 m，可分为阶地、沟槽、洼地3个三级单元。

阶地处于台地之间或台地与沟槽过渡的地带，出露地层为马六-马五，石炭系厚度多为65～70 m，残余厚度30～40 m。

沟槽是与岩溶斜坡上的沟槽区别在于形态变宽，且支沟槽不发育。

4 结 论

1）提出延安地区马家沟组顶部泥岩—铝土岩（或缺）—碳酸盐岩，砂岩—铝土岩（或缺）—碳酸盐岩，碳酸盐岩—铝土岩—碳酸盐岩3种结构，认为岩溶储集层纵向上主要集中在马家沟组顶部50 m范围内。2）划分出残积岩、冲积岩、塌积岩、填积岩、淀积岩等5个岩溶建造岩亚类，溶蚀岩、变形岩、交代岩等3个岩溶改造岩亚类。3）认为岩溶斜坡风化壳底界较深、溶蚀作用较彻底，垂直渗流带和水平潜流带较发育，易形成优质储集层，是马家沟组风化壳气藏发育的有利地带。

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