鄂爾多斯盆地寒武系—奧陶系深層海相碳酸鹽巖構造—巖相古地理特征

周進高 席勝利 鄧紅嬰 于 洲 劉新社 丁振純 李維嶺 唐 瑾

1.中國石油杭州地質研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖重點實驗室 3.中國石油長慶油田公司 4.中國石油大學（北京）

0 引言

我國的巖相古地理研究可以追索到20世紀40年代，其歷程大致經歷了4個階段。第一階段從起步到1955年，以黃汲清[1]和劉鴻允[2]等為代表，主要基于巖石地層學，以構造層或系、統為單元的粗線條巖相古地理編制階段；第二階段為1956—1985年，以關士聰[3]、王鴻禎等[4]為代表，以生物地層學為指導，結合巖石地層學，以統或組為單元成圖；第三階段為1986—1997年，以劉寶珺[5]、馮增昭[6-7]、賈承造[8]等為代表，以板塊構造為指導，基于生物地層學和年代地層學，主要以組為單元編圖；第四階段從1998年至今，以板塊構造和層序地層學為指導，以三級層序或體系域為單元成圖，主要以趙文智[9]、馬永生[10]、鄭和榮[11]等為代表。前人對鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖巖相古地理做了大量的工作，其中，馮增昭的工作奠定了基礎，侯方浩等[12]、楊華等[13]、周進高等[14]、李文厚等[15]等在此基礎上又提出新的認識，對其進行了豐富和完善，在下奧陶統馬家溝組風化殼天然氣勘探中發揮了重要作用。然而，隨著勘探向深層發展，限于資料基礎和認識程度，以往的巖相古地理圖件已無法滿足新的勘探需求。為此，筆者所在的研究團隊依托國家和中國石油的研究專項，運用新的鉆井和地震資料，結合巖相識別技術，對鄂爾多斯盆地深層海相碳酸鹽巖開展了持續的攻關，在構造—巖相古地理方面取得新進展。筆者以盆地主要勘探層中寒武統張夏組、下奧陶統馬家溝組為例，通過編制鄂爾多斯盆地張夏組和馬家溝組構造—巖相古地理圖，探討了海相碳酸鹽巖構造—巖相古地理的基本特點及其對儲層發育和分布的控制作用，以期為鄂爾多斯盆地深層碳酸鹽巖有利勘探區帶的評價提供理論依據，為推動該盆地深層碳酸鹽巖領域的油氣勘探突破提供技術支撐。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地是我國重要的海相碳酸鹽巖含油氣盆地，其海相碳酸鹽巖主要發育在下奧陶統馬家溝組和上寒武統三山子組、中寒武統張夏組[16-19]。馬家溝組為一套碳酸鹽巖和蒸發巖沉積，由下至上細分為馬一至馬六6個巖性段，其中馬五段自上而下又細分為10個亞段；馬家溝組按儲蓋組合細分為3套，馬五1亞段—馬五4亞段為上組合，馬五5亞段—馬五10亞段為中組合，馬四段—馬一段為下組合；馬一、馬三、馬五段以白云巖和膏鹽巖為主，代表高位域沉積，馬二、馬四、馬六段以石灰巖為主夾白云巖，代表海侵域沉積，殘余厚度介于0～600 m；三山子組和張夏組為一套鮞粒云巖和粉—細晶云巖，夾石灰巖，厚度介于0～500 m（圖1）。1989年，陜參1井在馬家溝組風化殼獲得突破，至今已在馬家溝組上組合累計探明天然氣地質儲量6 500×108m3。近年來，又先后在中組合的馬五6、馬五7、馬五9亞段以及馬四、馬三段和寒武系等層位取得新的突破，揭示了該盆地海相碳酸鹽巖具有良好的油氣勘探潛力。

2 張夏組構造—古地理特征

張夏期構造和巖相分異清晰，代表了寒武系碳酸鹽巖構造—巖相古地理的典型特點，顯示先期塹壘構造和古隆起對碳酸鹽巖沉積及相帶展布具有重要的控制作用。

2.1 “三隆四坳”古地理背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺的西緣，北為伊盟古陸，西為與祁連海相連的西部大陸邊緣盆地，南為與秦嶺洋相連的南部大陸邊緣盆地，東與華北地臺本部相連。張夏沉積時，鄂爾多斯盆地范圍內具有“三隆四坳”構造格局，“三隆”分別是盆地西南緣的鎮原古隆、盆地中部的橫山凸起和東部的柳林低隆，“四坳”分別是西部的賀蘭坳陷和定邊坳陷，東北部的臨縣坳陷，東南部的黃陵—銅川坳陷（圖2）。對四川盆地德陽—安岳裂陷和梁平—開江海槽的研究結果顯示，古裂陷往往具有多期活動并對后期沉積具有一定控制作用[20-22]。據前人研究認為，鄂爾多斯盆地長城系發育系列大致北東向展布的裂谷[23-25]，平面上具有塹壘相間的構造格局（圖3），由北而南依次是賀蘭裂谷、定邊裂谷、晉陜裂谷等。對比圖2和圖3可以看出，賀蘭和定邊坳陷與長城系賀蘭和定邊裂谷位置一致，而黃陵—銅川坳陷與晉陜裂谷位置一致，也揭示早期裂谷對寒武系張夏組沉積仍然具有影響。

2.2 張夏期構造—巖相古地理特征

寒武紀早期，隨著海侵，首先在坳陷區接受沉積，但分布范圍有限；中寒武世徐莊期，在大規模海侵作用影響下，盆地范圍內廣泛接受沉積，隆坳格局和相帶分異開始凸顯，張夏期尤為明顯。如圖4所示，張夏期構造—巖相古地理具有以下3方面特點：①發育兩類顆粒灘；②顆粒灘沿臺地邊緣、臺洼邊緣和古隆起周圍分布；③顆粒灘是有利的儲集相帶。

圖1 鄂爾多斯盆地海相地層簡要圖

2.2.1 兩類顆粒灘

圖2 張夏組沉積前構造古地理背景圖

研究結果揭示，張夏組發育臺緣灘和臺內灘兩種類型。臺緣灘厚度大，一般大于150 m。以上韓剖面為例（圖4、5），張夏組厚度為300 m，其中鮞粒灘厚度為260 m，底部由灰色泥巖、深灰色薄層泥晶灰巖或夾礫屑灰巖組成，向上為厚層塊狀鮞粒云巖，灘相中上部基本白云石化。張夏組測井曲線顯示臺緣灘具有低自然伽馬（10～50 API）、高電阻（10 000～100 000 Ω·m）的測井響應特征；鏡下觀察顯示，臺緣灘主要由鮞粒云巖和鮞?；規r組成，鮞粒大小介于0.7～1.5 mm，分選較好，白云石化大多呈現晶粒結構，顆粒形態清晰可見，部分鮞粒邊緣模糊，殘留顆?；糜埃倭旷b粒可見放射狀和圈層結構，巖石總體膠結較強，殘余少量粒間孔，見溶蝕孔洞（圖6-a、b）。臺內灘包括臺洼邊緣灘和古隆周圍淺灘，其特點與臺緣灘大同小異，主要區別在于臺內灘體的單層厚度和總厚度變薄，臺內灘總厚度通常不足100 m；其次是臺內灘鮞粒變細，一般介于0.3～0.8 mm（圖6-c）；古隆周緣灘體白云石化強，臺洼邊緣灘云化明顯變弱。顆粒灘的發育與白云石化特點與四川盆地洗象池組、棲霞組—茅口組類似[26-28]。

2.2.2 隆坳格局控制灘體分布

圖3 鄂爾多斯盆地長城系裂陷分布圖

由圖4可知，兩類顆粒灘的發育明顯受隆坳格局的控制。臺緣灘發育在華北地臺向秦祁海槽過渡的坡折上，沿布1井—李華1井—定探1井—沙探1井—牛心山—麟探1井—淳探1井—平1井—西磑口一帶展布，受定邊裂谷和晉陜裂谷的影響，臺緣帶向臺內延伸；臺內灘主要受古隆起和臺洼的控制，圍繞鎮原古隆起、橫山凸起以及臨縣臺洼和黃陵—宜川臺洼邊緣發育，圍繞古隆起的臺內灘完全白云石化，而環洼地發育的臺內灘部分白云石化。

2.2.3 顆粒灘是有利儲集相帶

野外剖面和已有鉆井揭示，張夏組儲集層的巖性為鮞粒云巖，鮞粒灘是有利儲集相帶。據568個樣品測試結果，孔隙度分布主要介于2.5%～7.5%，約占總樣品的60%，126個樣品顯示滲透率集中介于0.1～1.0 mD，約占總樣品的62%，表現為低孔隙度、低滲透率儲層特點。從儲層的分布看，其主要分布在張夏組的上部，即顆粒灘的頂部，反映儲層的形成受高頻海平面變化及表生巖溶改造的影響。這種發育特點與四川盆地龍王廟組、棲霞組—茅口組、長興組—飛仙關組儲層類似[28-34]，其有利儲層分布規律也基本一致，主要圍繞古隆起周圍和沿臺緣帶展布。

圖4 鄂爾多斯盆地寒武紀張夏期構造—巖相古地理圖

圖5 上韓剖面張夏組臺緣鮞粒灘特征圖

圖6 張夏組主要巖相特征圖

3 馬家溝組構造—巖相古地理特征

寒武紀末，懷遠運動造成華北地臺整體隆升，使得鄂爾多斯盆地普遍遭受剝蝕[35]。與此同時，隆坳構造格局由北東向轉變為南北向，奧陶系在此背景下接受沉積，早奧陶世冶里—亮甲山期主要分布在盆地周緣，至馬家溝期早期，除中央隆起外，盆地內普遍有所沉積，馬家溝晚期，華北海與祁連海貫通，整個盆地均接受沉積，構造和巖性分異也更為清晰，呈現出多級古隆起控灘及多級障壁作用的特點。

3.1 “三隆兩凹一凸”構造背景

利用地震—鉆井資料，采取殘余厚度并結合地層接觸關系綜合恢復馬家溝早期和晚期構造古地理面貌（圖7），圖7-a是馬家溝早期古地貌格局，北為伊盟古陸，西南為鎮原隆起，兩者構成所謂的“L”形中央古隆起[36]，中東部為鄂爾多斯坳陷，再往東為呂梁低隆起，鄂爾多斯坳陷又可進一步分為米脂凹陷、桃利廟凹陷和橫山凸起，總體表現為“三隆兩凹一凸”的特點。馬家溝早期桃利廟凹陷范圍很小，橫山凸起位于烏審旗—靖邊一帶，米脂凹陷范圍廣，北至神木，南到宜川，占據了坳陷的大部分地區；圖7-b是馬家溝晚期古地理格局，總體格局與早期一致，但顯示米脂凹陷明顯變小，局限在佳縣—柳林一帶，而桃利廟凹陷范圍擴大，占據了鄂托克前旗—靖邊的廣大地區，橫山凸起也向東遷移至榆林—橫山一帶，呂梁低隆起向東遷移出盆地范圍。

3.2 馬家溝期構造—巖相古地理

從古地貌分析可以看出，馬家溝沉積時具有多級隆坳背景，中央古隆起介于華北地臺與秦祁海槽之間，早期以古陸形式存在，分隔了兩大海域，晚期表現為水下隆起，成為華北地臺與秦祁海槽之間的構造障壁[14]。因此，鄂爾多斯盆地范圍內馬家溝期巖相古地理總體呈現出障壁碳酸鹽巖臺地的特點[37]，其中的隆凹對灘體和膏鹽巖沉積具有重要控制作用。筆者以馬三段和馬四段為例探討馬家溝早期和晚期構造—巖相古地理特征，分別代表馬家溝組高位域和海侵域的沉積特點。

3.2.1 馬三期構造—巖相古地理

馬三段是馬家溝早期高位域沉積的典型代表，其相帶展布嚴格受古地理背景的控制。從地震剖面看，在祁連海域，馬三段由西向東超覆于中央古隆起，而在華北地臺則由東向西和由南向北分別超覆于中央隆起和伊盟古陸。受中央古隆起、呂梁低隆和橫山凸起等障壁作用的影響，在強烈蒸發作用下，米脂凹陷演化為膏鹽潟湖環境，沉積了大套的石膏和巖鹽（圖8-a），環繞膏鹽湖周緣是白云巖坪，近膏鹽湖為含膏白云巖坪（圖8-b），而近古陸或古隆起區為泥質云坪（圖9-a）。值得注意的是，在桃利廟附近存在一個規模較小的泥云質潟湖（圖7-a）；中央隆起西南側，由于直接與秦祁海槽相連，水體含鹽度正常，表現為開闊臺地沉積，主要為一套灰色泥晶灰巖（圖8-c）或含陸源碎屑的泥晶灰巖。

圖7 鄂爾多斯盆地馬家溝組早期、晚期沉積時古地貌圖

圖8 馬家溝組主要巖相特征圖

3.2.2 馬四期構造—巖相古地理

馬四段是馬家溝組最大一期海侵沉積，代表了馬家溝晚期海侵域典型的巖相古地理特點。該時期，華北海越過中央古隆起與秦祁海槽完全溝通，中央古隆起作為水下隆起，對水體分隔已不起作用，但由于地貌高，水體相對較淺，水動力條件變強，成為臺地邊緣相帶，沉積了大套顆粒巖（圖9-b）。以定探1井為例，馬四段顆粒巖厚達260 m，主要由砂屑灰巖和鮞粒灰巖夾泥晶灰巖組成，因強烈白云石化，目前已轉化為殘余顆粒云巖和粉—細晶云巖（圖8-d），縱向上具有多個旋回疊置的特征；中央古隆起以西和以南地區演化為斜坡—盆地環境，主要以薄層泥晶灰巖、薄層“疙瘩”狀石灰巖為主（圖8-e），夾重力流成因的中厚層顆?；規r和礫屑灰巖；中央古隆起中東部為局限臺地，沿古隆起東側和榆林—橫山凸起等古地貌高的位置，發育臺內顆粒灘和潮坪微相，部分白云石化（圖8-f）；而在桃利廟和米脂坳陷區則演化為臺內洼地相帶，以泥質泥晶灰巖、“疙瘩”狀石灰巖夾風暴成因的薄層生屑灰巖為主，基本未云化（圖9-b）。

3.2.3 有利儲集相帶

馬家溝組海侵域和高位域發育的有利儲集相帶截然不同。海侵域屬正常海水沉積，有利相帶主要是顆粒灘相，包括臺緣灘和臺內灘。以馬四段為例，臺緣灘厚度大，白云石化作用強，儲集物性好，平均孔隙度為4.6%（63個樣品），平均滲透率為9.00 mD（53個樣品），儲層分布在烏?！跬锌似臁跬锌饲捌臁h縣一帶；臺內灘單層厚度和累積厚度遠不如臺緣灘，白云石化作用也較弱，儲層平均孔隙度為3.7%（17個樣品），平均滲透率為0.15 mD（17個樣品），儲層分布在榆林—橫山—延安一帶。高位域因強烈蒸發作用，海水含鹽度變高，有利儲集相帶為含膏白云巖坪，其中石膏晶體和結核在暴露期間被淡水溶蝕形成晶?？缀透嗄？锥蔀閮?。據實驗分析，該類儲層物性好，孔隙度主要介于4.0%～10.0%，滲透率主要介于0.01～0.50 mD，屬中孔隙度、低滲透率儲層，主要環繞膏鹽湖分布，儲層分布在伊金霍洛旗—定邊—吳起—宜川—石樓—臨縣—府谷廣大地區。

4 構造—巖相古地理對成儲影響

構造—巖相古地理對儲層的沉積和成巖改造具有重要影響，體現在兩個方面：①控制了有利儲集相帶的發育，為儲層形成奠定了物質基礎[38]；②控制了早期白云石化和巖溶改造的范圍和程度，從而控制儲層的質量和分布。前面已討論了古地理背景對張夏組和馬家溝組有利儲集相帶的控制，下面則主要探討構造—古地理對成巖改造的影響。

圖9 鄂爾多斯盆地馬三期和馬四期構造—巖相古地理圖

4.1 構造—巖相古地理對早期白云石化的影響

眾所周知，高鎂鈣比值流體的參與是白云石化發生的重要條件[39-40]，而高鎂鈣比值流體的形成有賴于局限、蒸發的淺水環境，這種環境又通常受古隆起和古障壁等構造—巖相古地理背景的控制。從張夏組白云巖分布及白云石化程度來看，白云巖主要分布在鎮原古隆起、橫山凸起與柳林低隆及其周圍，并由古隆起向坳陷區具有白云石化逐漸變弱的特點，坳陷區則完全未白云石化。馬四段白云巖的分布也具有相似特點，即白云巖主要分布在中央古隆起和榆林、橫山等凸起區，而在坳陷區基本未白云石化。張夏組和馬四段白云巖的分布特點顯然受隆坳背景的控制。這也說明，在同等氣候條件下，古隆起及周圍由于地貌高、水體淺，海水經蒸發作用迅速濃縮，形成高鎂鈣比值鹵水，具備準同生白云石化發生的地質條件，促使張夏組和馬四段顆粒灘發生白云石化。與此相反，在坳陷區，由于地貌低、海水深并與外海水體循環通暢，難以形成準同生白云石化地質條件。因此，坳陷區未白云石化。

4.2 構造—巖相古地理對表生巖溶作用的影響

表生巖溶作用對儲層物性的改善意義重大。我國許多重要的油氣產層，如四川盆地燈影組和龍王廟組[29-30,41-42]、塔里木盆地鷹山組[43]等，往往與巖溶改造密切相關，鄂爾多斯盆地也不例外，張夏組和馬家溝組儲層質量的提升也有賴于巖溶作用的改造[44-46]。研究結果揭示，構造—巖相古地理從兩個方面影響巖溶作用：①隆坳古地理背景控制巖溶作用的范圍。以張夏組為例，寒武紀末，華北板塊整體抬升，造成大面積沉積間斷，在古隆起及斜坡上部地區三山子組大多被剝蝕殆盡，張夏組直接暴露遭受淡水淋濾溶蝕，形成大量溶蝕孔洞，改善了儲集性能；在坳陷區，因殘存三山子組，張夏組基本未受巖溶作用改造，儲集性能明顯變差。②巖相控制了巖溶作用的改造程度。巖溶作用的發生需要同時具備3個條件，即有腐蝕性流體、可溶礦物和巖石滲透性[47-48]。因此，在具備巖溶流體條件下，巖溶作用的發育程度就取決于可溶礦物的多寡和巖性致密與否，而是否含有可溶礦物以及巖性是否致密則主要受巖相的控制，故而巖相決定了巖溶程度。如馬家溝組經歷了1.4億年的風化剝蝕[16,49]，但巖溶作用主要發育在顆粒灘相、含膏云坪相和膏鹽湖相帶，而其他相帶如馬六段致密灰巖相、馬五段致密泥質云巖坪和致密云質潟湖相未見強烈巖溶改造，因而馬家溝組儲層主要分布在顆粒灘和含膏云坪相。綜上表明構造—古地理對儲層的發育和改造都具有明顯控制作用。

5 沉積模式及油氣地質意義

以上分析揭示，鄂爾多斯盆地深層海相碳酸鹽巖構造巖相古地理具有鮮明個性特點，沉積模式與經典Tucker[50]和Wilson[51]模式有相似性也有特殊性。圖10是張夏組鑲邊臺地沉積模式，該模式既有經典的臺緣灘帶，也呈現了臺內多灘帶的特點，即除了沿裂陷邊緣發育的臺緣灘外，臺內發育了環古隆周緣分布的臺內灘和環臺洼邊緣分布的臺內灘，這些灘體經準同生溶蝕和晚期巖溶作用改造以及白云石化作用形成優質儲層。此外，該模式揭示存在兩種潛在的烴源巖沉積環境，即裂陷型臺盆和坳陷型臺洼。從四川盆地德陽—安岳裂陷型臺盆發育燈三期和早寒武世優質烴源巖、梁平—開江裂陷臺盆和蓬溪—武勝坳陷型臺洼發育長興期烴源巖來看[20,52-54]，鄂爾多斯盆地寒武系也可能存在上述兩種類型的烴源巖，從而與臺緣灘和臺洼邊緣灘分別構成成藏組合。另外，由于古隆起晚期遭受強烈剝蝕，張夏組直接與上覆石炭系—二疊系煤系烴源巖接觸，構成新生古儲成藏組合。因此，該模式的建立可以預示張夏組存在3個潛在勘探領域，即鎮原古陸西南側裂陷型臺盆下寒武統烴源巖與張夏組臺緣灘構成自生自儲成藏組合領域、伊金霍洛旗—神木地區坳陷型臺洼下寒武烴源巖與張夏組臺內灘構成自生自儲成藏組合領域、鎮原古隆東側石炭系—二疊系煤系烴源巖與張夏組臺內灘構成新生古儲成藏組合領域，這3個領域為鄂爾多斯盆地深層油氣勘探提供了理論依據。從目前已取得的勘探成果來看，新生古儲成藏組合勘探領域在隴東地區已經取得突破，隴17、隴18和隴26等8口井在三山子組和張夏組獲得工業氣流；另兩個自生自儲成藏組合領域目前尚未開展鉆探，但勘探潛力巨大，勘探發現值得期待。

圖10 張夏組鑲邊臺地沉積模式圖

圖11 馬家溝組障壁臺地沉積模式圖

圖11是馬家溝組障壁臺地沉積模式，該模式最大特點是蒸發障壁臺地與鑲邊臺地沉積樣式的韻律性重復。海退期，中央古隆起將臺地與外海隔絕，臺內在次級障壁和強烈蒸發作用下演化為巨大膏鹽湖，表現為障壁臺地沉積（圖11-a）；海侵期，中央古隆起沒入海水成為臺地邊緣，臺內演化為半局限臺地，整體表現為鑲邊臺地沉積樣式（圖11-b）。該模式揭示，馬家溝組發育兩類儲層，即鑲邊臺地期發育的顆粒灘型，包括臺緣灘和臺內灘儲層，障壁臺地期發育的巖溶型膏模孔白云巖儲層；此外還發育兩類致密封堵層，障壁臺地期的膏鹽巖層和鑲邊臺地期的泥質泥晶灰巖層，中生代構造反轉后，這兩套致密層位于儲層的上傾方向，同時在縱向上互相疊置，構成良好的儲蓋組合。此外，在構造低部位的原中央古隆起存在馬家溝組巨大剝蝕窗，使馬家溝組與上覆石炭系—二疊系煤系烴源巖直接接觸，構成新生古儲成藏組合[55-56]。因此，馬家溝組上組合風化殼和中下組合顆粒灘是有利勘探方向，這對靖邊氣田的擴邊勘探和“靖邊之下找靖邊”具有指導意義。

6 結論

1）鄂爾多斯盆地深層海相碳酸鹽巖存在隆坳相間的沉積背景，張夏期具有“三隆四坳”的特點，隆坳背景受前震旦系裂陷的影響，呈北東向展布；馬家溝期具有“三隆兩凹一凸”的特點，主要呈南北向展布，古隆起控制了灘相發育而坳陷則控制了潛在烴源巖的沉積，展示出“古隆控儲古坳控源”的特點。

2）張夏期巖相古地理以發育多條灘帶為特點，灘體沿隆坳轉折帶和古隆起周圍發育，經白云石化和巖溶作用改造成為有利儲層；馬家溝期巖相古地理表現為障壁蒸發臺地與鑲邊臺地的間互沉積，含膏云坪是障壁蒸發臺地有利儲集相帶，顆粒灘是鑲邊臺地有利儲集相帶，經白云石化和巖溶改造，儲層規模分布。

3）構造—巖相古地理控制了儲層沉積背景和物質基礎，對早期白云石化和巖溶作用改造的范圍和程度具有重要影響，從而控制有利儲層宏觀分布。

4）張夏組鑲邊臺地沉積模式和馬家溝組障壁臺地沉積模式分別揭示張夏組具有3種潛在成藏組合，馬家溝組存在兩種成藏組合，是有利的勘探領域。