鄂爾多斯盆地三疊系延長組沉積體系特征及湖盆演化

2018-09-05 01:22:30郭艷琴張秀能魏千盛李文厚李百強

西北大學學報(自然科學版) 2018年4期

郭艷琴,惠磊,張秀能,魏千盛,李文厚,李百強

(1.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安 710065;2.長慶油田分公司第五采油廠,陜西西安 710021;3.長慶油田分公司第三采氣廠,陜西西安,710018;4.西北大學地質學系,陜西西安 710069)

延長組是鄂爾多斯盆地內，中—晚三疊世形成的一套河—湖相巖石地層,是鄂爾多斯盆地內重要的含油氣層位[1]。隨著油氣勘探步伐的加快,延長組油氣勘探工作也不斷從淺層逐漸轉向深層[2-3]。整個延長組沉積期代表了一個巨大的淡水湖泊形成、發展以及消亡的演化過程,在此期間形成了多套有利的生、儲、蓋組合[4]。其沉積體系與沉積相發生了多期改變,在一定程度上對延長組內的油氣聚集成藏、儲集等均具有一定的影響。因此,研究整個延長組的沉積體系類型、各時期盆地沉積相特征及其時空演化對于盆地內油氣的聚集成藏、有利儲層分布以及有效的源儲配置關系研究具有重要意義。前人對延長組沉積體系及沉積相的演化[5]、沉積體系與油氣富集關系[6]、沉積體系與儲層特征關系[7]、湖盆演化[8-9]及湖岸線確定[10]等方面的研究較多,但主要集中于盆地內某個地區[6-7]或某一個油層組[5]，以及某個地區的某一個油層組[3，11-12],而對整個盆地延長組的沉積體系、沉積相特征以及湖盆演化的系統研究相對較少。本文在前人研究的基礎上,依據新補充的大量野外露頭資料、盆地內上千口鉆井巖心資料、鏡下薄片資料以及相關測井資料等,對延長組的沉積體系類型和特征以及各時期的沉積相展布特征進行了詳細研究,并對湖岸線以及湖盆面積演化進行了重新厘定,以期為延長組有利儲層的預測以及有效的源儲配置關系研究提供思路。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地位于河套盆地、渭河盆地、呂梁隆起以及六盤山、銀川盆地之間,整體為一東緩西陡、輪廓呈矩形的，疊合在古代盆地之上的復合盆地。盆地物源供給充足,主要來自于北部陰山、南部秦嶺造山帶、西部的千里山和海源隆起、西南部的隴西古陸以及東部的呂梁古隆起和中條山等。盆地內水系也比較發育,主要來自于盆地的北部、東北部、西部、西南部以及南部等地區。總體來看,鄂爾多斯盆地具有多物源、多水系等特點[13],因此也造成了盆地延長組沉積體系類型多樣、沉積相及湖盆演化復雜的特點。本文研究范圍主要為由盆地內北部榆林地區、南部旬邑—銅川地區、西部涇川地區以及東部黃河共同所限的盆地內主要含油區。

2 沉積體系類型及特征

眾多學者對鄂爾多斯盆地延長組的沉積體系進行了較為深入的研究,且達成了一定共識[1，14-17]；河流、湖泊以及三角洲沉積等是延長組沉積體系的主要類型。

2.1 河流沉積體系

河流沉積是延長組最主要的沉積體系[18],主要包括辮狀河和曲流河沉積。不同的沉積類型其河道彎度、河道砂體的幾何形態、相序以及相變特征等均具有較大差異。

2.1.1 辮狀河沉積區內辮狀河河道彎度一般較低,且寬而淺。河道內多沉積粗砂或含礫粗砂,中等—較低的成分成熟度,顆粒分選中等—好,次棱角狀磨圓為主,填隙物質量分數一般小于15%,顆粒間多為孔隙式膠結。剖面上砂體呈寬度大、厚度小的板狀形態。野外的辮狀河多見河道砂壩沉積而少見河漫灘沉積。河道基底沖刷面之上為河道下部沉積的具大型槽狀或板狀交錯層理的粗砂巖(見圖1a，b),并含滯留沉積物；再往上則為河道砂壩沉積,多具大型板狀交錯層理,自下而上表現出不太明顯的正旋回層序 (見圖1c)。

2.1.2 曲流河沉積區內曲流河在長9～長2油層組均有發育,且橫向上展布規模也相對較大。河道彎度中等—高,且窄而深。河道內砂體相對辮狀河河道沉積變少,且為細砂巖或粉砂質泥巖,成分成熟度中等,結構成熟度相對較好,顆粒間膠結類型同樣以孔隙式膠結為主。河道內砂體多在垂向上疊置,橫向上連片,平面上呈不規則的串珠狀或條帶狀。曲流河道由于凹岸遭受強烈侵蝕,凸岸發生沉積形成特征的河道點砂壩。垂向上河漫灘也發育,且河漫灘見各種蟲孔構造(見圖1d)。曲流河常具下粗上細的粒序特征,反映了水流能量逐漸減弱的過程。野外露頭觀察結果顯示,曲流河基底沖刷面起伏較大,剖面上可見河道砂體具多套完整旋回,且多呈反復疊覆。垂向上，通常基底沖刷面之上為底部滯留沉積(見圖1e),往上為大、中型槽狀交錯層理砂巖,在其之上多為板狀交錯層理砂巖,再往上過渡為具平行層理及小型交錯層理的砂巖,最頂部為河漫灘沉積(見圖1f)。

a 厚層砂巖槽狀交錯層理，汭水河剖面，長10；b 厚層砂巖中槽狀交錯層理，汭水河剖面，長8；c 辮狀河沉積垂向序列；d 曲流河點砂壩，下部為河漫灘沉積，延河剖面，長3； e 河床底部滯留沉積，仕望河剖面，長10； f 曲流河沉積垂向序列圖1 延長組河流沉積體系特征Fig.1 Characteristics of river depositional system of Yanchang Formation

2.2 湖泊沉積體系

湖泊沉積體系的發育與延長組烴源巖的形成密切相關，其主要包括濱淺湖沉積以及半深湖—深湖沉積。

2.2.1 濱淺湖沉積濱淺湖沉積的典型巖石類型以深灰色—灰黑色的粉砂質泥頁巖為主,局部夾薄層狀粉—細砂巖。泥巖中含大量的動物化石及植物碎片化石(見圖2a,b),且發育水平層理(見圖2c)。粉—細砂巖沉積構造類型多樣,包括浪成沙紋交錯、變形、透鏡狀以及包卷層理(見圖2d,e,f)等。旬邑、銅川以及黃陵等地區的野外露頭顯示,區內濱淺湖灘砂等砂質沉積厚度一般較小(<2 m)，橫向延伸距離較短(介于100～200 m)。

2.2.2 半深湖—深湖沉積其巖石類型以深灰—灰黑色的紋層狀粉砂質泥巖、頁巖和油頁巖夾濁積巖為主。泥巖中動物化石較豐富,包括介形蟲(見圖2g)、葉肢介以及方鱗魚等,也可見槽模(見圖2h)等深湖相的典型標志。濁積巖通常為薄層細粒砂巖與泥巖互層,縱向上呈正粒序特征,且具完整或不完整的鮑馬序列(見圖2i，j),其粒度細，分選相對好，巖石多具塊狀結構。其主要分布于盆地南部的銅川、黃陵、旬邑、子長及大理河野外剖面等,其中在長7，長6以及長1油層組中均有發現。

2.3 三角洲沉積體系

2.3.1 辮狀河三角洲沉積其主要分布于盆地西部和西南部長10～長4+5油層組的湖盆拗陷陡坡邊界地帶，可進一步劃分為辮狀河三角洲平原、三角洲前緣和前辮狀河三角洲3個亞環境。垂向沉積序列主要表現為底部為前三角洲泥質沉積物,下部為辮狀河三角洲前緣的席狀粉—細砂巖,中部多發育水下分流河道的中、粗砂巖和分流間灣的粉砂質泥巖沉積,上部則為河道砂壩夾泛濫平原沉積。其中，河道沉積的厚層砂巖中常見各種大型的槽狀及平行層理(見圖3a,b)。

a 瓣鰓類化石，富縣地區，長7；b 植物碎片化石，Z30井，長6；c 水平層理，X28井，長6；d 沙紋交錯層理，C79井，長6；e 變形構造，Z28井，長7；f 包卷層理，Z28井，長6；g 介形蟲，西17井，長7；h 槽模，西33井，長7；i 鮑馬序列，寺灣剖面，長1；j 鮑馬序列垂向沉積模式圖2 延長組湖泊沉積體系特征Fig.2 Characteristics of lake depositional system of Yanchang Formation

a 辮狀河三角洲平原沉積，砂巖中大型槽狀交錯層理，汭水河剖面，長6；b 辮狀河三角洲平原沉積，厚層砂巖中平行層理，汭水河剖面，長8；c 曲流河三角洲平原沉積，延河剖面，長8；d 曲流河三角洲前緣沉積，延河剖面，長8；e 曲流河三角洲水下分流河道沉積，延長剖面，長7；f 曲流河三角洲前緣沉積，延河剖面，長8圖3 延長組三角洲沉積體系特征Fig.3 Characteristics of delta depositional system of Yanchang Formation

2.3.2 曲流河三角洲沉積此沉積體系是延長組三角洲沉積的主要類型[18],尤其在長6期及其以后的湖盆水退期,區內北部和東部的主物源區一側十分發育。該沉積環境中，三角洲平原亞相往往可見砂泥巖互層沉積(見圖3c),三角洲前緣亞相中的厚砂巖常見麻斑構造以及底部的泥礫(見圖3d),水下分流河道沉積的厚層砂巖中常含薄層泥巖夾層(見圖3e),厚層砂巖中常見槽狀及板狀交錯層理(見圖3f)、平行層理、小型交錯層理、波狀層理及水平層理等沉積構造以及動、植物化石和生物遺跡構造。曲流河三角洲沉積一般具有相對細的沉積物粒度以及相對較高的顆粒成分及結構成熟度。野外露頭上，河道砂體呈頂平底凸的透鏡體展布。該沉積環境下，河口壩一般不發育,可能是受分流河道的沖蝕影響。

3 延長組沉積相特征及演化

3.1 長10油層組

圖4 長10油層組沉積相展布Fig.4 Sedimentary facies distribution of the Chang 10 of Yanchang Formation

淺湖沉積和三角洲沉積是該時期的主要沉積相類型(見圖4)。淺湖區主要位于盆地中部定邊—華池—正寧—富縣—延安—安塞—志丹—吳起一帶。三角洲前緣水下分流河道主要分布于研究區東北部吳起、東南部富縣—黃陵一帶以及南部太白—合水地區。該時期三角洲裙規模較大,連片性較好,相帶較寬,主要分布于東北部吳起、志丹、安塞、延安—甘泉和富縣等地。其中,西北部馬家灘等地區主要為曲流河—三角洲沉積發育區,裙帶規模及厚度也相對較大;西南部環縣、慶陽—合水等地區主要發育辮狀河—三角洲沉積,其規模均較大;南部長武地區為曲流河三角洲的主要沉積區,而西北部則以發育河流沉積為主。

3.2 長9油層組

圖5 長9油層組沉積相展布Fig.5 Sedimentary facies distribution of the Chang 9 of Yanchang Formation

長9期是一個以湖侵為主的時期(見圖5),湖盆中部以泥質類沉積為主,湖盆周圍砂體發育,且在華池—志丹一帶出現油頁巖沉積(俗稱“李家畔頁巖”)。盆地西部、西南部發生劇烈沉陷,沉積相由長10期成群發育的辮狀河、辮狀河三角洲轉變為局部發育的三角洲前緣,且規模相對變小,由于湖底坡度陡,很快又演化成濁積扇。曲流河在東北部、東部緩坡地帶入湖后位置發生后移,過渡為孤立狀分布的破壞型三角洲。湖岸線主要分布于鹽池—靖邊—清澗—延長—宜川—宜君—彬縣—靈臺—鎮原—環縣一帶,淺湖區呈向東南開口的喇叭狀不對稱展布。其中，淺湖亞相在東部發育范圍狹窄,而西部較為開闊,其余地區皆為三角洲平原沉積。

綜合野外露頭、鉆井巖心觀察及砂體展布特征可知，北部、東部、東北部的三角洲主要為曲流河三角洲,西部、西南部主要為辮狀河三角洲沉積。其中,西緣辮狀河三角洲主要分布于環縣、鎮原—慶城一帶,南部辮狀河三角洲主要發育在旬邑—合水、銅川—宜君地區,北部曲流河三角洲主要位于鹽池—定邊、安邊—吳起、志靖、榆林等地區,東部曲流河三角洲主要分布于安塞、延安和富縣等地區。

3.3 長8油層組

圖6 長8油層組沉積相展布Fig.6 Sedimentary facies distribution of the Chang 8 of Yanchang Formation

長8期為湖盆的發展階段,湖盆面積較長9期有所擴大；湖盆中心以淺湖亞相為主,主要位于盆地西部—中部以及東南部—南部(見圖6)；而盆地北部和西南部局部地區則以三角洲平原亞相為主。東北部和東部坡度較緩,依然繼承了長9期北東向的曲流河三角洲的位置。但東部湖岸線位置略向南遷移,三角洲發生了較為明顯的進積。西部、西南部主要為辮狀河三角洲水下分流河道沉積。環繞湖盆的環縣、鎮原—慶陽、旬邑—合水、銅川—宜君、鹽池—定邊、安邊—吳起、志靖、榆林、安塞、延安以及富縣等地區發育各種類型的三角洲。北部、東部湖岸線主要沿鹽池—楊米澗—子長—宜川一帶發育。南部、西南部大部分地區已進入水下環境,僅崇信地區發育小范圍的辮狀河三角洲平原沉積。

3.4 長7油層組

長7期湖盆范圍最大,是湖盆體系發育的最鼎盛時期(見圖7)。但該時期湖盆西岸由于基底下沉,導致大量的沉積物迅速入湖形成了大規模的濁流沉積。半深湖—深湖亞相分布在黃陵—富縣—甘泉—志丹—白豹—定邊—馬家灘—環縣—鎮原—涇川—旬邑一線廣大地區,整體呈明顯不對稱的北西—南東向分布。淺湖亞相呈環帶狀沿深湖區展布,湖岸線分布在查汗特洛亥—靖邊—魏家樓—永坪附近,其余都處于湖泊中,具有西窄東寬的特點。

圖7 長7油層組沉積相展布Fig.7 Sedimentary facies distribution of the Chang 7 of Yanchang Formation

環縣辮狀河三角洲與長8時期相比,展布方向、規模以及形態均變化不大。鎮原—慶陽辮狀河三角洲從西南方向進入研究區,向北延伸至華池以南一帶,并與旬邑—合水三角洲在合水地區相匯。旬邑一線北部主要發育濁積扇沉積,而南部主要發育三角洲前緣沉積。鹽池—定邊三角洲與鄂托克前旗三角洲演化為一支,且由北向南進入研究區并已全部入湖,僅發育三角洲前緣沉積。安邊—吳起三角洲與長8期相比，在位置及展布上相似,但規模明顯變小,并與志靖三角洲在紅墩界—塔灣一線相匯。志靖三角洲、榆林三角洲和長8期相比,略向東移,且在魏家樓—高家溝一線相匯聚后入湖,僅發育三角洲前緣沉積。安塞三角洲繼承了長8期的展布形態,其三角洲前緣沉積范圍有所擴大,發生明顯湖進。延安三角洲同樣保持了長8期的三角洲前緣沉積,但其規模相對明顯減小。富縣三角洲規模有所增加,且從云巖一帶由東向西進入研究區,并向湖盆中心延伸,最遠延伸至張家灣—雙龍一帶。

3.5 長6油層組

長6期為湖泊三角洲的主要建設期,該時期湖盆開始收縮,沉積作用增強(見圖8)。整個湖盆進入收縮階段,而西部辮狀河三角洲和其余地方的曲流河三角洲沉積進入了相比長7期以前最快的發展階段。東北部的三角洲在靖邊—子長—延川—延安—延長—南泥灣—宜川這一帶以北已經平原化及沼澤化,西部的三角洲向湖心推進。總體來看,東岸沉積作用明顯大于西岸。另外，長6期為多物源沉積,展現了盆地四周全補給的局面。

圖8 長6油層組沉積相展布Fig.8 Sedimentary facies distribution of the Chang 6 of Yanchang Formation

半深湖—深湖亞相主要呈喇叭狀向東南方向開口,分布于旬邑—長武—慶陽—環縣—麻黃山—姬塬—白豹—永寧—橋鎮—黃陵一線的范圍內,分布面積比長7期相對減小。淺湖亞相呈環帶狀分布,西岸狹窄,東岸和東北岸較寬闊,湖泊在宜君—黃陵一帶開口,一直向河南和山西等地延伸。

3.6 長4+5油層組

長4+5期發生了又一次短暫的湖侵,湖水范圍進一步擴大,分割性減弱,從而減緩了三角洲建設的進程(見圖9)。該時期最主要的特點表現在，許多大型的三角洲已經發生了大面積的平原化和沼澤化,且發育了大面積的漫灘沼澤相泥巖,主要分布于三角洲前緣的砂體之上。

圖9 長4+5油層組沉積相展布Fig.9 Sedimentary facies distribution of the Chang 4+5 of Yanchang Formation

半深湖—深湖亞相主要分布在黃陵—太白—林鎮—山莊—華池—環縣—上里塬—慶城—寧縣—底廟所在的范圍內。淺湖亞相各地區范圍變化很大,表現為東北寬闊,西南較窄。東部湖岸線分布在馬兒莊—鹽池—白泥井—安邊—郝灘—楊米澗—安塞—河莊坪—甘泉—牛武一帶,西部的湖岸線遷移至演武—孟壩—長武一帶。

3.7 長3油層組

長3期湖盆水體大規模收縮,沉積作用再次加強,湖盆開始走向萎縮、消亡。研究區發生了又一次全面的三角州建設,但三角洲內遷作用及向湖推進作用表現十分明顯(見圖10)。后期盆地西南部抬升,發生了嚴重的地層剝蝕。其中,西部馬家灘—馬兒莊—于家梁—萬家塬—甜水堡以及小南溝—虎洞—木缽一線以西、西南部鎮原—驛馬—慶陽—涇川—寧縣—旬邑一線以西以南、東南部柳林以東—宜君—黃陵—黃龍一線以東以及東部米脂—子洲—永坪—甘谷驛—宜川一線以東地區地層均已被剝蝕殆盡。

圖10 長3油層組沉積相展布Fig.10 Sedimentary facies distribution of the Chong 3 of Yanchang Formation

長3期的淺湖亞相較長4+5相比規模變小,東部湖岸線在紅井子—定邊以南—胡尖山—志丹—高橋—延安一帶,西部湖岸線在山城以南—環縣—桐川—寧縣一線,湖區分布主要在環縣—姬塬—馬嶺—華池—吳起—合水—志丹—正寧—甘泉富縣地區。

3.8 長2油層組

長2期湖盆收縮加劇,研究區內北部幾乎已全部沖積平原化(見圖11),西緣、西南緣、東緣和東南緣也有不同程度的地層剝蝕。該時期不發育深湖亞相,僅在耿灣—王洼子—吳起—志丹—橋鎮—直羅—富縣—線以南殘存淺湖亞相,統一湖盆的局面接近瓦解。北部的各大三角洲整體呈連片分布。鹽池—定邊—靖邊—子長一線以北均演變為辮狀河河流沉積。

圖11 長2油層組沉積相展布Fig.11 Sedimentary facies distribution of the Chang 2 of Yanchang Formation

3.9 長1油層組

圖12 長1油層組沉積相展布Fig.12 Sedimentary facies distribution of the Chang 1 of Yanchang Formation

該時期研究區以交織河與少量曲流河沉積為主。盆地基底的不斷抬升使得該期整個盆地進一步瓦解，局部地區出現差異沉降,從而形成了3個閉塞的內陸淺水湖泊(見圖12)。盆地的沉降中心遷移至東部子長一帶,半深湖—深湖相的濁積巖區主要位于橫山高家溝—子長寺灣等地區。淺湖亞相沉積僅殘留于西部姬塬—白豹等部分地區以及盆地南部的正寧—宜君—銅川一帶。

4 湖岸線遷移及湖盆演化

前人對鄂爾多斯盆地延長組湖岸線的分布從各方面進行過大量的研究,但尚未達成共識[13，19]。有學者認為,延長組湖岸線的演變與湖岸的陡緩具有一定關系,即陡岸區一側湖岸線分布相對穩定,緩岸區一側則退縮有序。前人研究成果表明,鄂爾多斯盆地東部延長組的油氣富集區往往與湖岸線的擺動區域密切相關。因此,北部及東北部湖岸線位置的確定相當重要,其對于研究區油氣勘探起重要的指導作用[20]。

煤和泥炭沼澤對于湖岸線的確定具有很好的指向性, 但研究區內呈大面積分布的煤和泥炭沼澤發育相對較少, 僅靠局部地區發育的煤和泥炭沼澤來確定湖岸線位置[10，20-21], 難度相對較大。因此, 本文在充分調研前人研究成果的基礎上, 依據巖性、粒度、沉積構造、生物化石等特征, 標定了延長組各個時期的湖岸線和深湖線位置(見圖13)。此外, 對各時期湖盆面積及深湖面積進行了統計對比(見圖14)。結果表明, 延長組長9期開始發生湖侵, 長7期湖盆面積以及深湖面積均達到最大, 其中湖盆面積可達101 422 km2, 深湖面積為43 550 km2；長6期與長4+5期湖盆面積相對長7期驟減,這兩期湖盆面積相差不大,分別約為67 232 km2和61 347 km2, 但深湖面積差異明顯, 分別約為26 781 km2和15 802 km2; 長3期湖盆面積進一步減小, 僅約為43 021 km2；長2期與長1期湖盆面積基本穩定且達到最小, 分別僅約為35 907， 34 424 km2, 其中長2期深湖已基本消失, 長1期殘留深湖面積僅約為2 667 km2。

圖13 延長組各個時期的湖岸線(左)和深湖線(右)Fig.13 The lake strandline (left) and deep lake line (right) of Yanchang Formation

5 結論

1)河流沉積、湖泊沉積以及三角洲沉積是鄂爾多斯盆地延長組主要的沉積體系類型。曲流河和辮狀河沉積是河流沉積的主要類型;濱淺湖及半深湖—深湖沉積是湖泊沉積體系的主要類型;而辮狀河三角洲以及曲流河三角洲是三角洲沉積體系的重要類型。

2)延長組長10期主要發育淺湖亞相和三角洲相沉積;長9期發生湖侵,湖盆中部以泥質類沉積為主,湖盆周圍砂體發育,華池—志丹一帶以油頁巖沉積為主;長8期湖盆以淺湖亞相沉積為主;長7期湖盆發育達到鼎盛;長6期沉積作用增強使得為湖泊三角洲建設加快;長4+5期再次發生短暫的湖侵，導致三角洲建設的進程減緩;長3期湖盆開始收縮以及沉積作用再次加強促使了全區的三角洲建設;長2期湖盆收縮加劇,區內北部大部分地區沖積平原化,西緣、西南緣、東緣和東南緣具有不同程度的地層剝蝕;長1期基底抬升造成盆地瓦解以及局部地區的差異沉降使得區內僅殘留3個內陸閉塞的淺水湖泊。