鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块及邻区山西组山2 段物源分析

赵龙梅，吴和源，黄力，赵靖舟，赵浩阳，耳闯，李军

（1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028；3.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；4.陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安 710065）

物源分析作为沉积环境演化研究的重要内容，在油气勘探过程中发挥着不可替代的作用，为砂体展布与优质储层预测提供主要数据支持。鄂尔多斯盆地上古生界在长期的天然气勘探研究过程中积累了大量的物源研究成果（杨仁超等，2007；肖建新等，2008；陈全红等，2009；张道锋等，2009；窦伟坦等，2009；王涛等，2009；王峰等，2009；屈红军等，2011；王国茹，2011；陈全红等，2012；乔建新等，2013；李亚龙等，2016；马东旭等，2016），这些成果为盆地早期天然气勘探提供了重要助力。鄂尔多斯盆地南北主要物源形成了统一的认识：认为鄂尔多斯上古生界受多物源控制影响，但以北部物源为主，主要为阴山古陆以及阿拉善古陆，南部物源区为秦岭-中条古隆起（郭英海等，1998；肖建新等，2008），主要来源于北秦岭的宽坪群和秦岭群。然而对南北物源交汇区却未形成统一认识。在露头古流向以及岩石成分分析的基础上，陈孟晋等（2006）提出鄂尔多斯盆地东南部山2 段可能的南北物源交汇区位于延安、吉县以南区域，南部物源影响范围一直延伸到洛川与韩城以北附近（康东雅等，2019），但这一结论由于露头古水流分析数据量小、远离露头分布区，且证据单一，当时并未得到学者们广泛认可。在重矿物数据支撑下，有学者将山西组南北物源影响范围在此基础上向北调整，北物源向南延伸到清涧、子长一带，南部物源由南向北延伸到延安以北，延安附近表现为南北物源交汇区（屈红军等，2011）。此后，最新的文献中北部物源影响范围被延伸到黄陵县附近，南部物源仅扩展到铜川以北（李文厚等，2021）。随着天然气勘探的区域拓展，对交汇区附近的砂体展布及预测成为各大油田公司的难题。以大宁-吉县区块山西组山2 段为例，早期油气勘探过程中认为大宁-吉县探区整体为北部物源控制，砂体展布表现为由北西向南东延伸，并将其作为井位部署的重要依据，然而随着勘探研究的逐步深入，早期的砂体刻画逐渐成为有效勘探的桎梏，并且勘探过程中发现大宁-吉县油气探区山2 段南北局部地区砂岩成分差异显著，是否预示着研究区南北物源可能存在差异？因此，笔者认为有必要系统的对目标区附近的物源进行综合研究分析，为区域古地理研究提供线索的同时，也为区域油气勘探砂体展布刻画提供更可靠的证据。

1 区域背景

大宁-吉县油气探区位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带南端与伊陕斜坡东南缘（图1），发育上古生界石炭统本溪组、下二叠统太原组、山西组及中二叠统上、下石盒子组、石千峰组多套地层，具整体平缓、构造简单、断层少量发育的特点。本溪组与山西组下部发育的厚煤层为区域油气成藏奠定了重要的烃源岩条件，其中山西组下部海陆过渡相三角洲，发育水下分流河道、河道间湾沼泽以及泥炭沼泽间互沉积，形成多套煤层及厚层泥页岩与多套砂岩构成的良好源储配置关系。其中，山2 段以发育著名的“北岔沟砂岩”（图2）成为油气勘探领域的重点目标层位。

图1 鄂尔多斯盆地大宁-吉县油气探区区域位置及采样位置图Fig.1 Regional location and sampling location of Daning-Jixian oil and gas exploration area in Ordos basin

2 古流向证据

山西组山2 段发育广泛分布的“北岔沟砂岩”，是山西组底部重要的分层标志（图2）（黄建松等，2022），为三角洲前缘水下分流河道沉积，发育大量的板状交错层理、槽状交错层理、平行层理及冲刷面构造，地层整体近水平状发育，为古流向分析提供了大量的数据来源。为减少数据系统误差，露头古流向测量数据主要来源于板状交错层理（图3）。数据分布点位以大宁-吉县油气探区为中心，北至柳林县，南至澄城县，分布于探区北部、东北部、东部以及西南部，共计20 个露头，平均每个露头点获取古流向数据8～15 个，局部露头区相邻较近，统计共取得山2 段古水流数据17 组（图4）。柳林县周边“北岔沟砂岩”表现为厚层水下分流河道砂体，板状交错层理倾向为145°～245°（图3a），投影校正后古流向数据玫瑰花图指示由北向南的古水流。石楼县附近北岔沟砂岩板状交错层理倾向为160°～205°，临汾市尧都区及其以南的黑龙关镇（图3b～图3c），北岔沟砂岩出露情况较好，板状交错层理数据为130°～235°。该区域向南前柿子园村附近发现山2 段内部上下层位砂岩之间板状交错层理数据变化显著，获得上下相邻砂层组2 组数据：35°～125°和210°～180°。该2 组数据反映了由南向北和由北向南的两个相反古流向特征，附近台头镇（图3d），北岔沟砂岩板状交错层理倾向为90°～150°，表现为“北西-南东向”水流特征。向南管头镇至韩城市竹园村“北岔沟砂岩”板状交错层理倾向为5°～340°（图3e），呈现近乎“正南-正北”的水流特点。澄城县三眼桥附近北岔沟砂岩板状交错层理倾向范围（10°～355°）与竹园村观察点数据特征近乎一致（图3f）。

图3 鄂尔多斯盆地东缘山2 亚段北岔沟砂岩露头古流向特征Fig.3 Paleocurrent direction characteristics of Beichagou sandstone outcrop in Shan-2 sub segment,eastern margin of Ordos basin

古流向数据显示，柳林县向南至蒲县黑龙关镇一带均表现为由北向南的古水流特征，局部古流向呈现为“北东-南西向”，极少数据表现为“北西-南东向”水流。大宁-吉县区块南部澄城县北东方向至乡宁县管头镇为由南向北的古水流，厚层砂岩交错层理倾向分布范围主体为5°～310°（图3），南部澄城县古水流呈现“正南北向”（图3f），乡宁县附近为“南西-北东向”。

3 重矿物分布特征

根据区域物源研究进展，考虑不同时期成果的优缺点，山西组山2 段物源研究分析工作采取地面露头结合井下岩心实验测试分析的方式，以大量露头古流向分析数据为基础，结合重矿物分析辅助，为物源分析提供更可靠的证据支撑。以样品点位覆盖整个研究区为原则，对大宁-吉县区块井下岩心进行重矿物采样，山2 段重矿物点位包括24 口井，重矿物数据主要来源于大宁-吉县油气区块山2 段井下岩心。重矿物组合表现为“锆石+白钛矿+磁铁矿+电气石+锡石”为主（表1），白钛矿整体含量较高。北部郝字号井区白钛矿占陆源重矿物总平均含量达42%，锆石占比平均为30%；北东到中东部大吉字号井区白钛矿含量占比变化较大，局部区域含量高达92%，向中东部显著降低，临近二郎山景区局部含量低于10%（表1，图5），锆石含量呈现相反的较高值43%；高字号井区北部白钛矿平均占比较高达39%，锆石含量平均为37%，而靠南部的高字号井白钛矿含量却高达90%，锆石平均含量低于2%。以“锆石+金红石+电气石”在透明重矿物碎屑中所占比例进行“ZTR”指数分析，郝字号井区ZTR 平均为32%，大吉井区ZTR 指数由北向南显著增加，高字号井区ZTR 低值区集中，局部高值孤立分布。

表1 大宁-吉县区块山2 段重矿物含量对比表Tab.1 Comparison of heavy mineral content in Shan-2 section of Daning-Jixian block

图5 大宁-吉县油气探区重矿物与ZTR 指数平面分布特征Fig.5 Distribution characteristics of heavy minerals and ZTR index in Daning-Jixian oil and gas exploration area

4 锆石U-Pb 测年数据

以古流向数据与重矿物数据为基础，选取露头以及井下岩心山2 段锆石测年样品5 块，样品1 位于柳林县成家庄剖面，样品2 位于蒲县黑龙关镇剖面、样品3 为大宁-吉县区块大吉12 井、样品4 为高6 井以及样品5 来自澄城县三眼桥剖面（图1）。单样品中粗粒岩屑石英砂岩重约为1.5 kg，单样品获锆石颗粒数为160～200 粒。山2 段“北岔沟砂岩”锆石以无环带和弱环带重结晶变质锆石为主，少量不规则状振荡环带岩浆锆石，其中样品4 与样品5 岩浆岩锆石颗粒

含量占比明显多于样品1～样品3。利用LA-ICPMS 方法，采用中国地质科学院地质研究所Thermo 电感耦合等离子体质谱仪CETAC（Excite）193 nm 激光剥蚀系统进行样品测试。数据结果显示（图6），样品点1～样品点3 的锆石测年峰值表现为2 段特征：1 800～2 000 Ma，2 400～2 500 Ma；样品点4 与样品点5 碎屑锆石年龄峰值为4 段式特点：300～700 Ma、1 100～1 200 Ma、1 800～2 000 Ma 和2 400～2 600 Ma。值得注意的是，样品点4 和5 中低年龄峰值锆石年龄均主要来自于岩浆岩锆石颗粒。

图6 鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县探区附近山2 亚段北岔沟砂岩碎屑锆石年龄Fig.6 Zircon age of clastic rocks of Beichagou sandstone in Shan2 sub member near Daning-Jixian exploration area in the eastern margin of Ordos basin

5 讨论

古流向分析、重矿物数据及锆石测年是重要的物源研究手段，为大宁-吉县区块及其附近山2 段物源分析提供了重要的数据支持。古流向数据分析表明，大宁-吉县区块东部露头区，蒲县黑龙关镇向南西至乡宁县管头镇之间的山2 段古流向数据可划分为3 个区（图4）：以临汾市柿子园村附近为界，向北露头区表现为北部物源控制（Ⅰ区），古流向特征以“北东-南西向”为主；柿子园村以南至乡宁县台头镇附近“北岔沟砂岩”出现“南西-北东向”和“北东-南西向”2种古水流间互出现的特点（Ⅲ区）。乡宁县台头镇以南（Ⅱ区），山2 段露头古流向均表现为“南西-北东向”。由于区域地层整体并未发生大型倒转或褶皱，地层倾角整体较平缓，因此可以直接排除构造作用的影响。由此可推断，大宁-吉县油气探区东侧山2 段露头区，临汾市柿子园村附近向南至乡宁县台头镇一带可能为南北物源的交汇区。虽然重矿物样品并未涉及露头区，然而与露头区纬度大致相当的大宁-吉县区块重矿物数据也呈现出露头区古流向类似的分区特点。在研究区内，超稳定重矿物锆石由北向南占比增加，至二郎山旅游区附近，向南高字号井区表现为锆石显著降低的特点；稳定重矿物白钛矿则同步表现为相反情况。表明北部郝字号井区、东部大吉井区以及南部高字号井区较二郎山旅游区附近对比，为相对近物源区。“ZTR”指数平面分布特征显示郝字号井区ZTR 平均32%，大吉井区成分成熟度由北向南增高趋势明显，高字号井区ZTR 低值区集中，局部高值，进一步证明其具有相对近物源的特点。其次，类比以阴山古陆和秦岭岩群为代表疑似物源区锆石年龄峰值（赵国春等，2002；Wan et al.，2009；罗静兰等，2010；第五春荣等，2010；张建新等，2011；王盟等，2013；张成立等，2013；Zhou et al.，2021；王敬宇等，2021），样品点1～样品点3 的年龄峰值与样品点4～样品点5 差异显著，表明较大概率来自于不同的物源区，这与重矿物所反映的物源特征基本一致。由此可进一步推测山西组山2 亚段沉积期，南部物源可能并未完全跨越二郎山旅游区一带，高字号井区以北，二郎山旅游区附近为大宁-吉县区块的南北物源交汇区。

6 结论

（1）鄂尔多斯盆地东南缘大宁-吉县油气探区及其邻区山2 段沉积期表现为南、北双物源共同控制的特点，探区内北部郝字号井区以及东部大吉字号井区均受北部物源控制，二郎山旅游区以南高字号井区为南部物源控制沉积，二郎山旅游区附近及其东西两侧表现为南北物源的交汇沉积。

（2）大宁-吉县探区东侧山2 段露头区南、北物源交汇区主要位于临汾市柿子园村以南与乡宁县管头镇以北区域。在该区域附近，北部物源呈现北东-南西向，南部物源表现为南东/南西-北东向特点。工区东部以及北部古流向特征整体为正北向南的特点，工区南部则表现为正南向北的水流特征。该认识可为大宁-吉县探区井下砂体刻画提供线索。

（3）大宁-吉县区山2 亚段重矿物组合表现为“锆石+白钛矿+磁铁矿+电气石+锡石”，南北物源交汇区附近北部物源控制砂岩中锆石U-Pb 测年主要表现为2 个年龄峰值：1 800～2 000 Ma 和2 400～2 500 Ma，南部物源沉积砂岩中锆石U-Pb 测年表现为4 段年龄峰值：300～700 Ma、1 100～1200 Ma、1 800～2 000 Ma 和2 400～2 600 Ma。