鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區山西組頁巖巖相與沉積相特征
2022-03-01 10:14:58彭思鐘劉德勛張磊夫邱振王以城封從軍孫萌思
沉積學報 2022年1期
彭思鐘，劉德勛，張磊夫，邱振，王以城，封從軍，孫萌思
1.西北大學地質學系大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069
2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083
3.延安大學石油工程與環境工程學院，陜西延安 716000
0 引言
繼煤層氣和致密砂巖氣之后，頁巖氣已成為重要的非常規天然氣資源[1-3]，北美海相頁巖氣資源的勘探對研究中國海相、陸相以及海陸過渡相地層中頁巖氣成藏條件、模式以及聚集規律，具有啟發性的影響[4-7]。我國海陸過渡相頁巖氣資源豐富，資源量約19.8×1012m3，占中國頁巖氣資源總量的25%，具有較大的開發前景[8-11]，但當前海陸過渡相頁巖氣正處于起步階段，其基礎地質理論與評價系統尚在探索之中。
鄂爾多斯盆地位于華北地臺西緣，是我國重要的含油氣盆地。在晚古生代，主要經歷了海相沉積為主的陸表海盆地、海陸過渡相沉積為主的近海湖盆以及陸相碎屑巖沉積為主的內陸坳陷湖盆的古地理演化過程[12-13]。其東緣二疊系山西組發育一套海陸過渡環境下的泥頁巖，其厚度大，有機質豐度高，熱演化程度高，其頁巖氣勘探潛力已引起人們的重視[14-16]。目前，對于山西組的研究多是分析其資源潛力、成藏條件以及孔隙特征[17-20]，而對于山西組巖相的精細劃分及沉積微相對頁巖儲層的控制作用研究不多。本文通過對大吉XX 鉆井亞段的巖心、薄片、測井以及地球化學資料進行分析，識別二疊系山西組頁巖巖相并建立沉積相組合，劃分頁巖優勢沉積相，確定富有機質頁巖相控模式，為鄂爾多斯盆地海陸過渡相頁巖氣的勘探開發提供有利依據。
1 研究區概況
鄂爾多斯盆地是華北板塊西部典型的克拉通邊緣疊合盆地，基本構造格架形成于燕山期，于喜山期發展完成，整體呈一個東翼緩而長、西翼陡而短、南北翹起的大向斜[21-23]。前人根據鄂爾多斯盆地的基底性質、構造形態和地質演化歷史，將其劃分為六個一級構造單元，分別為伊盟隆起、晉西撓褶帶、渭北隆起、天環坳陷、西緣沖斷帶和陜北斜坡[24-26]。
研究區位于鄂爾多斯盆地東緣的大寧—吉縣地區，山西組1 段時期主要為海相向陸相發展的過渡期[27-28]，強烈的構造運動使得海水從盆地東西兩側后退，研究區內主要發育灰黑色泥巖夾煤線以及灰白色砂巖夾泥巖。山西組2段時期盆地進入沉降期，出現大面積海侵，以海陸過渡相沉積為主，形成了厚層富有機質海陸過渡相頁巖。山西組2 段自上而下又細分為 山12、山22和共3 個亞段，山32亞段為本次研究的目標層段（圖1）。
圖1 研究區位置及地層概況Fig.1 Location of study area and stratigraphic column
2 巖相類型與巖相組合
2.1 巖相類型
巖相，是沉積巖和沉積環境的綜合，用來表征沉積巖的巖石特征和沉積特征[29]。一般通過顏色、粒度、礦物成分、原生沉積構造、變形構造、生物擾動等定性和定量的參數來描述和區分沉積巖相，以區分其形成的沉積環境。通過對大吉XX井巖心的巖性、沉積構造以及鏡下照片等特征進行仔細觀察，在山西組亞段共識別出10種典型的巖相類型（表1），分別為粉砂質泥巖/頁巖相（Mm）、紋層狀層理含粉砂泥巖/頁巖相（Ml）、透鏡狀層理粉砂質泥巖/頁巖相（Mle）、鈣質頁巖相（Mca）、煤層（C）、碳質頁巖相（Mc）、黑色頁巖相（B）、波狀層理泥質粉砂巖相（Fw）、交錯層理中—細砂巖相（Sl）和中砂巖相（Sm）。
表1 巖相分類表Table 1 Lithofacies classification
2.1.1 粉砂質泥巖/頁巖相（Mm）
該巖相主要為粉砂質泥巖或頁巖，顏色為灰色—深灰色，泥質結構，無明顯層理，主要礦物成分有黏土礦物，砂質碎屑物及極少量的黃鐵礦和有機質。黏土礦物含量大于75%，呈顯微鱗片狀。砂質碎屑物含量約占32%，成分多為石英，呈次圓狀單晶分布。黃鐵礦和有機質含量小于3%。該類泥巖/頁巖形成于水動力較弱的環境，沉積機理以高能態的懸浮沉積為主，為淺湖或潮上帶沉積環境的產物。
2.1.2 紋層狀層理含粉砂泥巖/頁巖相（Ml）
該巖相主要為含粉砂質紋層的頁巖和泥巖，顏色為灰色—深灰色，紋層狀層理。宏觀上粉砂呈近水平的連續或不連續細紋層夾在泥巖或頁巖之間（圖2a），含量不超過15%，粉砂紋層厚度較薄，一般小于2 mm。微觀上黏土礦物是其主要成分，含量大于70%，呈顯微鱗片狀，局部長軸具定向分布特征。其次為砂質碎屑物，成分多為石英，少為長石和巖屑，集中沿某些微層理面分布，粉砂顆粒分選中到好，磨圓為次棱角狀。黏土礦物和粉砂碎屑物混合層相間分布，形成水平紋層狀構造（圖3a），指示水動力較弱，為潮上帶沉積環境產物。
2.1.3 透鏡狀層理粉砂質泥巖/頁巖相（Mle）
該巖相主要為頁巖和泥巖，顏色為灰色—深灰色，主要發育構造為透鏡狀層理，球枕構造。宏觀上粉砂質呈透鏡體狀或條帶狀夾在泥巖或頁巖之間（圖2b），整體呈近水平，局部呈小型交錯狀，粉砂質條帶間局部可見小型粉砂球。粉砂含量約為15%～40%，粉砂質透鏡體厚度為2～5 mm。微觀上巖石主要由黏土礦物組成，其中黏土礦物呈顯微鱗片狀，局部具定向排列趨勢。砂質碎屑物種類多為石英，含少量巖屑，含極少量長石。部分砂質碎屑物集中呈透鏡狀或條帶狀與黏土礦物微層相間分布（圖3b），指示潮坪沉積環境中潮下帶的沉積環境。
圖2 鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區亞段巖心典型沉積特征（a）2 158.77 m，粉砂質頁巖中發育紋層狀層理；（b）2 156.69 m，粉砂質泥巖發育透鏡狀層理；（c）2 154.55 m，泥質粉砂巖中發育波狀層理；（d）2 147.13 m，植物碳屑在碳質泥巖中順層分布；（e）2 143.45 m，黑色頁巖中發育厘米級黃鐵礦斑塊；（f）2 142.67 m，黑色頁巖發育方解石脈；（g）2 126.32 m，煤；（h）2 123.89 m，碳質頁巖夾薄煤層；（i）2 132.43 m，細砂巖中發育交錯層理Fig.2 Typical sedimentary structures in core from lower part of the Second member of Shanxi Formation,Daning-Jixian, at eastern margin of Ordos Basin(a)2 158.77 m, laminar bedding in silty shale; (b)2 156.69 m, lenticular bedding in silty mudstone; (c)2 154.55 m, wavy bedding in argillaceous siltstone; (d)2 147.13 m,charcoal along bedding in carbonaceous mudstone;(e)2 143.45 m,centimeter scale pyrite plaques in black shale;(f)2 142.67 m,calcite vein in black shale;(g)2 126.32 m,coal;(h)2 123.89 m,coal interbed in carbonaceous shale;(i)2 132.43 m,cross bedding in fine sandstone
圖3 山西組亞段不同巖相的微觀特征（a）2 156.69 m，粉砂質頁巖中碎屑物質呈近水平紋層，正交偏光；（b）2 159.2 m，粉砂質頁巖中碎屑物質呈透鏡狀，正交偏光；（c）2 160.15 m，泥質粉砂巖砂屑與黏土礦物呈人字形交錯，單偏光；（d）2 148.67 m，鈣質頁巖中黏土礦物微層與方解石呈水平相間，正交偏光；（e）2 146.23 m，黑色頁巖中黏土礦物定向排列，正交偏光；（f）2 144.65 m，黑色頁巖中見有孔蟲，正交偏光；（g）2 137.61 m，菱鐵礦呈菱面體狀，正交偏光；（h）2 147.11 m，生物碎屑已鈣化，正交偏光；（i）2 145.57 m，方解石脈，正交偏光Fig.3 Microscopic properties of different lithofacies (crossed polarizers, except(c))(a)2 156.69 m,detritus in silty shale with nearly horizontal lamina;(b)2 159.2 m,detritus in silty shale,nearly lenticular;(c)2 160.15 m,pelitic siltstone detritus and clay minerals in zigzag pattern,monopolarizer;(d)2 148.67 m,clay mineral microlayers alternating with calcite horizontally in calcareous shale;(e)2 146.23 m,directional arrangement of clay minerals in black shale;(f)2 144.65 m,foraminifera in black shale;(g)2 137.61 m,rhombohedral siderite;(h)2 147.11 m,calcified bioclastic;(i)2 145.57 m,calcite vein
2.1.4 鈣質頁巖相（Mca）
該巖相主要為頁巖，顏色為灰色—灰黑色，水平層理。宏觀上頁巖整體呈灰黑色塊狀，能與稀鹽酸反應，偶夾近水平波狀砂質條帶，寬度1～4 mm不等，反映了水動力較弱的波浪作用。微觀上巖石主要由黏土礦物組成，碎屑物質主要為石英，菱鐵礦含量較多，約占10%，呈粒裝單晶均勻分布，或呈團狀集合體集中沿某些微層分布。頁巖中方解石呈它形粒裝，充填于砂質碎屑物中，起膠結作用，富黏土礦物微層與富方解石和粉砂碎屑物的微層相間分布，形成水平狀或微波狀（圖3d）。鈣質頁巖中有機質含量變化較大，最大可達20%。
2.1.5 煤層（C）
煤層呈黑色，能污手，富含光澤（圖2g）。煤層為植物碎屑和泥炭淤積而成。指示了沼澤的沉積環境。
2.1.6 碳質頁巖相（Mc）
該巖相整體呈灰黑色—黑色，多為塊狀，鈣質含量為5%～10%，灰黑色碳質頁巖常和煤層同時出現（圖2h），下部碳質頁巖過渡到上部的煤層。碳質頁巖塊狀構造，常見碳質植物化石（圖2d），能污手。為潮坪環境中潮上帶的產物。
2.1.7 黑色頁巖相（B）
不同的沉積環境會形成不同顏色的沉積巖，顏色加深說明了巖石有機質含量的增加[30]。該巖相宏觀上整體呈黑色，不污手，頁理發育，局部可見厘米級黃鐵礦斑塊（圖2e），偶夾方解石脈（圖2f）。微觀上中黏土礦物為主要礦物，含量約80%，呈顯微鱗片狀，定向排列形成頁理狀構造（圖3e），其表面多被深色有機質附著，光性較弱。含極少量粉砂碎屑物和砂質碎屑物，成分單一為石英，呈次圓狀單晶分布。有機質呈黑色粉末狀集合體沿微層理面吸附于黏土礦物表面顯黑色，因含量較高使得薄片整體顯黑色。含生物屑，部分泥化或硅化，保留其外形，呈圓形、單殼狀或不規則狀（圖3h），種類有有孔蟲、介形蟲等（圖3f）。黑色頁巖有機質含量較高，一般大于10%，最大可達28%。并可見菱鐵礦、黃鐵礦等自生礦物（圖3g），反映了強還原環境的較深水體。
2.1.8 波狀層理泥質粉砂巖（Fw）
該巖相宏觀上由薄層的粉砂和泥巖互層組成，粉砂質含量在40%～50%，顏色為灰色，發育波狀層理，粉砂質層與泥巖層糅雜在一起（圖2c），生物擾動較強，常發育大量生物潛穴。微觀上其中主要礦物為黏土礦物，其次為粉砂碎屑物，砂質碎屑物種類多為石英，含少量巖屑（包括黏土巖巖屑和燧石巖巖屑）和長石（種類為具聚片雙晶的斜長石和具泥化的鉀長石）。砂質碎屑物集中呈條帶狀與黏土礦物微層相間分布。富砂質碎屑物的微層與富黏土礦物的微層相間，相鄰紋層傾向相反，呈羽狀或人字形分布（圖3c），指示水體具雙向流動特征，常發育于潮汐環境。
2.1.9 交錯層理中—細砂巖相（Sl）
該巖相為中砂巖和細砂巖，巖石整體呈灰白色，分選性一般，磨圓度較差，多呈次棱角狀，為短距離搬運產物，其成份主要是石英，含一定量的其他巖屑和少量的長石。雜基成分為顯微鱗片狀的黏土礦物，膠結物成分為方解石。宏觀上局部發育低角度交錯層理（圖2i）或雙向交錯層理，指示具有雙向水流的潮汐環境。
2.1.10 中砂巖相（Sm）
該巖相為中砂巖，巖石整體呈灰白色，其成份主要是石英，含一定量的其他巖屑和少量的長石，還含有少量有機質和重礦物。砂質碎屑物粒度以中砂級為主，細砂級次之。分選性一般，磨圓度較差，多呈次棱角狀，少數為棱角狀，為短距離搬運產物。整體呈塊狀，局部發育人字形交錯層理，指示具有雙向水流的潮汐環境。
2.2 巖相組合
圖4 鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區亞段典型沉積序列Fig.4 Typical sedimentary sequence in lower part of Second member of Shanxi Formation at Daning-Jixian,eastern margin of the Ordos Basin
（1）巖相組合類型A（Mm-Sl-Mc-C）
該組合底部為塊狀灰黑色粉砂質泥巖，并含植物碳屑，發育潛穴，反映其水深較淺；向上發育小型交錯層理的細砂巖，再向上為灰黑色碳質頁巖，發育紋層狀構造，其中偶見泥質團塊，最上部為煤炭沼澤。總體粒度呈細—粗—細，反映潮汐作用的構造弱發育，反映其潮流作用較弱，為一套潟湖—泥質潮坪沉積。
（2）巖相組合類型B（Sm-Sl-Mm-C）
該組合底部為一套較厚的砂巖組合，底部為塊狀中粒砂巖，與下部粉砂質頁巖突變接觸，發育板狀或槽狀交錯層理，為潮汐水道沉積；向上為一套中—細粒砂巖，下部發育雙向交錯層理，向上部粒度變細，靠近泥巖的過渡處也見少量泥質夾層，向上演化為泥炭坪，自下而上粒度由粗變細，為一套潮汐水道—潮坪沉積。
（3）巖相組合類型C（Mm-Mca-B-Mc）
該組合為粒度較細的泥質組合，巖性為粉砂質泥巖、粉砂質頁巖夾鈣質頁巖、黑色頁巖、碳質頁巖，為一套潟湖沉積序列。潟湖是為海岸所限制、被障壁島攔截的淺水盆地，其中波浪作用較弱，水動力較弱，沉積構造一般以水平層理為主，反映強水動力的交錯層理不發育。黑色頁巖厚度較厚，約10 m，含介形蟲、有孔蟲等生物化石，發育菱鐵礦、黃鐵礦等自生礦物，黃鐵礦呈厘米級斑塊，反映了此時潟湖出現強還原環境，也側面反映了水體鹽度發生變化。
（4）巖相組合類型D（Ml-Mle-Fw-Mm）
該組合主要為交替出現的泥質和粉砂質韻律組合，屬于潮坪相潮間帶的混合坪和潮上帶的泥坪，包括粉砂質泥巖、粉砂質頁巖和泥質粉砂巖，偶夾塊狀粉砂質泥巖。由于潮汐水流活動期與停滯期交替出現，在砂泥供應充足的潮間帶，砂層沉積于水流活動期，水動力較強，泥質呈懸浮狀態；而水流停滯期，水動力較弱，細粒懸浮物沉積于砂層之上，從而形成波狀層理和透鏡狀層理的復合層理，是潮坪沉積的重要標志[31]。
2.3 地球化學特征
泥頁巖由于其沉積環境穩定，受外界影響較小，因此泥巖中的微量元素含量與比值常常用來判別沉積時期的古環境[32]。本次選取了12塊粉砂質泥巖和泥頁巖樣品進行微量元素分析。
Sr/Ba值常是判別古鹽度的靈敏標志。在自然界水體中，Sr遷移能力比Ba遷移能力強，水介質礦化度即鹽度很低時，Sr與Ba均以重碳酸鹽的形式出現，當水體礦化度即鹽度逐漸加大時，鋇以BaSO4的形式首先沉淀，留在水體中的Sr 相對Ba 趨于富集，因而沉積物中Sr 豐度和Sr/Ba 比值與古鹽度呈明顯正相關性[32]。結果顯示Sr/Ba范圍為0.57～2.29，平均0.98（表2）。研究認為Sr/Ba比值小于0.5為淡水環境，在0.5～1.0 之間為海陸過渡半咸水，大于1.0 為咸水環境[33]。因此，研究區山2 3段古鹽度為咸水—半咸水的海陸過渡環境。
V/Cr、V/（V+Ni）等指標常用來判定沉積物的古氧化還原環境。Hatchet al.[34]提出V/（V+Ni）指標在0.84～0.6之間為缺氧環境，在0.6～0.46之間為貧氧環境，<0.46為富氧環境。研究區樣品V/（V+Ni）范圍在0.5～0.84 之間，平均值為0.68（表2）。林治家等[35]認為，V/Cr可有效鑒別泥巖的氧化還原環境，V/Cr<2.00代表富氧環境，2.00
表2 鄂爾多斯東緣大寧—吉縣地區段地球化學參數表Table 2 Geochemicalparameters of lower part of Second member of Shanxi Formation at Daning-Jixian,eastern margin of Ordos Basin
表2 鄂爾多斯東緣大寧—吉縣地區段地球化學參數表Table 2 Geochemicalparameters of lower part of Second member of Shanxi Formation at Daning-Jixian,eastern margin of Ordos Basin
井深/m 2 126.55 2 126.92 2 128.30 2 129.92 2 138.88 2 139.57 2 140.66 2 142.19 2 143.81 2 144.65 2 145.43 2 146.31范圍平均值巖性粉砂質泥巖粉砂質泥巖粉砂質泥巖粉砂質泥巖含粉砂頁巖黑色頁巖黑色頁巖黑色頁巖黑色頁巖黑色頁巖黑色頁巖碳質頁巖微量元素含量/×10-6 V 148 195 39 75 87.4 156 90.9 97.1 108 97.6 122 144 39～195 133.33 Ni 31.8 55.1 39.3 19.5 18.6 29.3 62 67.9 64 59.3 88.6 117 18.6～117 54.37 Sr 127 191 103 304 622 425 381 425 387 588 722 686 103～722 413.41 Ba 120 308 82 461 843 742 551 599 511 504 559 300 82～843 465 Cr 28 79.5 28.6 35.4 30.3 58.8 44.6 46.7 50.4 43.7 57.8 59.5 28～79.5 46.94地球化學指標Sr/Ba 1.06 0.62 1.26 0.66 0.74 0.57 0.69 0.71 0.76 1.17 1.29 2.29 0.57～2.29 0.98 V/（Ni+V）0.82 0.78 0.50 0.79 0.82 0.84 0.59 0.59 0.63 0.62 0.58 0.55 0.5～0.84 0.68 V/Cr 5.29 2.45 1.36 2.12 2.88 2.65 2.04 2.08 2.14 2.23 2.11 2.42 1.36～5.29 2.48
3 沉積相與沉積環境
3.1 沉積相類型
圖5 鄂爾多斯盆地東緣大吉XX 井亞段沉積相柱狀圖Fig.5 Stratigraphic column and sedimentary facies of well Daji XX, lower part of Second member,Shanxi Formation, eastern margin of the Ordos Basin
3.2 測井相模式
潮坪相粒度較細，主要受潮汐影響，水流能量不穩定，變化頻繁，巖性主要為粉砂質泥巖、頁巖和泥質粉砂巖的互層，GR曲線大部平直低幅，微齒化；潟湖相粒度最細，水體較為平靜，水動力很弱，GR曲線大部平直低幅，局部漏斗狀；潮汐水道—潮坪相粒度較粗，水動力較強，GR 曲線中高幅，呈鐘形；潟湖—潮坪相發育較厚煤層，總體粒度較細，GR 曲線呈中高幅度的指形（圖6）。
圖6 大吉XX 井測井曲線特征圖Fig.6 Logging curve characteristics of well Daji XX
3.3 頁巖厚度展布特征
3.4 沉積相平面展布特征
結合區域古地理[36]，繪制了研究區的沉積相分布圖（圖7b），段沉積相展布特征顯示：段時期研究區中央為潟湖沉積，存在2個中心。潟湖沉積范圍內，西南部以及東部有2 個障壁島砂壩沉積的區域，北部邊界處為三角洲前緣沉積。障壁島及北部三角洲前緣向湖方向過渡為潮坪的潮上帶、潮間帶和潮下帶沉積，總體潟湖沉積范圍相對較廣且連通性好，有利于泥/頁巖發育。
圖7 鄂爾多斯盆地東緣亞段頁巖厚度等值線圖和沉積相展布圖Fig.7 Contour map of shale thickness and planar distribution of sedimentary facies in lower part of Second member,Shanxi Formation, eastern margin of Ordos Basin
4 沉積相對頁巖有機質含量的控制作用
圖8 鄂爾多斯盆地東緣亞段沉積組合TOC 分布直方圖Fig.8 Histogram of TOC distributions in lower part of Second member of Shanxi Formation, eastern margin of Ordos Basin
5 結論
（1）根據大吉XX 井巖性、沉積構造以及鏡下照片等特征，在山西組亞段共識別出10 種巖相類型，分別為粉砂質泥巖/頁巖相、紋層狀層理含粉砂泥巖/頁巖相、透鏡狀層理粉砂質泥巖/頁巖相、鈣質頁巖相、煤層、碳質頁巖相、黑色頁巖相、波狀層理泥質粉砂巖相、交錯層理細砂巖相和中砂巖相。
（3）綜合巖相特征、沉積序列以及古地理資料，認為研究區屬于海陸過渡相沉積，中央為潟湖沉積，西南部以及東部有2個障壁島砂壩沉積的區域，北部邊界處為三角洲前緣沉積。障壁島及北部三角洲前緣向湖方向過渡為潮坪的潮上帶、潮間帶和潮下帶沉積。亞段頁巖TOC 含量較高，生氣潛力較好，其中潟湖相和潮坪（潮上帶/潮間帶）是生氣最有利的沉積相組合。
致謝 感謝封從軍老師和孫萌思老師在寫作過程中的悉心指導，同時感謝中國石油勘探開發研究院的大力支持，審稿專家和編輯部對本文提出了寶貴的意見和建議，使得本文得以完善，在這里也一并致謝！
