鄂爾多斯盆地二疊系盒8段沉積模式重建及其勘探意義

肖紅平，劉銳娥，張福東，林暢松，張夢媛

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發研究院，河北廊坊 065007；3.中國地質大學（北京）海洋學院，北京 100083）

0 引言

鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組 8段（以下簡稱盒8段）是該盆地蘇里格大氣區的主力產氣層[1]，鑒于其作為天然氣產層的重要性，前人對該段的沉積特征開展了大量研究，早期圍繞盆地北部物源體系的研究結果普遍認為盒8段主要為一套辮狀河-淺水三角洲相沉積，鄂爾多斯盆地自北向南發育沖積扇、沖積平原、三角洲平原、三角洲前緣和淺湖相沉積，河流的頻繁改道造成盆地北部砂體大面積分布[2-6]；個別觀點認為盒 8段主要為灘壩沉積，由南向北脈動式的湖進不斷改造陸源碎屑物質形成全盆地東西向大面積分布的濱湖灘壩砂體[7]。隨著近年來鄂爾多斯盆地上古生界天然氣勘探向南拓展，研究重點也向盆地中南部轉移，主要針對盒 8段沉積期盆地南部有無沉積物源以及南北物源沉積體系的分布關系進行了廣泛討論，提出了南北物源體系“匯水區”和“交互區”的概念[8]，認為南、北三角洲體系的三角洲前緣相帶在盆地中南部對接交互，將統一匯水湖盆分隔成幾個匯水區；還有觀點認為盒 8段沉積期鄂爾多斯盆地全區為河流所占據，不存在湖相沉積，匯水湖泊在現今鄂爾多斯盆地范圍以外[9]。近期勘探成果顯示，盆地中南部砂體依然廣泛存在，但其發育分布特征較北部更為復雜，其成因很難用早期的辮狀河-淺水三角洲和單一的河流或灘壩沉積解釋。因此，鄂爾多斯盆地盒 8段沉積體系發育特征還需深入研究和重新認識。

晚古生代鄂爾多斯盆地的范圍屬于華北地臺西部沉積斜坡區，其構造沉積演化與大華北盆地密切相關[10-11]。鑒于此，本文從更廣闊的華北地臺來審視和研究該區盒 8段的沉積特征。在前人關于鄂爾多斯盆地和華北地臺晚古生代沉積體系發育分布特征的大量成果認識的基礎上，通過鄂爾多斯盆地以及華北盆地1 000余口鉆孔、32個露頭剖面資料，立足大華北盆地沉積背景和巖相古地理格局對鄂爾多斯盆地盒 8段沉積特征進行系統分析和再認識，并嘗試借助水槽沉積模擬實驗再現其沉積演化過程，重建沉積模式。

1 研究區地質概況

現今鄂爾多斯盆地范圍是指現今陰山以南、秦嶺以北、賀蘭山以東、呂梁山以西的廣大地區，以下稱“鄂爾多斯地區”，晚古生代該區位于華北地臺西部（見圖1）[10]。晚古生代華北地臺沉積地形平緩開闊，盆底起伏及相對高差極小。作為華北地臺的組成部分，鄂爾多斯地區晚古生代構造、沉積演化與華北地臺相一致，均受北側的興蒙海槽、南緣和西南緣的秦祁海槽及其派生的賀蘭拗拉槽的擴張、俯沖、消減作用的控制[10-11]。晚石炭世，隨地臺整體緩慢沉降，區域構造以橫亙南北的中央古隆起為中心，以西為賀蘭裂陷帶，東側是克拉通內淺坳陷。從早二疊世山西組沉積期開始，受北部興蒙海槽向南俯沖消減的影響，區域應力場受來自北側的南北向的擠壓應力控制，北部地區隆升，海水逐步向南和東南方向退出，鄂爾多斯地區以陸相沉積為主，僅在該區南部局部保留殘留海。中二疊統下石盒子組沉積初期（盒8段），海平面開始快速下降，海岸線遷移至南華北，海水完全退出鄂爾多斯地區，鄂爾多斯地區氣候由溫暖潮濕變為干旱炎熱，沉積一套灰白—黃綠色為主的陸源碎屑建造[10-13]。

圖1 鄂爾多斯與華北地區現今位置關系及地層綜合柱狀圖

2 沉積特征再認識

2.1 現有觀點討論

鄂爾多斯地區北部盒 8段發育大面積河流相沉積砂體已經是眾多研究者的共識[2-6]，而中南部由于勘探程度較低，對該區沉積相類型及分布特征一直存在爭議[2-9]。長期以來，多數觀點認為鄂爾多斯地區中南部盒 8段為辮狀河-淺水三角洲體系[2-6,8]，隨著勘探的深入和地質資料不斷豐富，該觀點存在異議：

①含礫砂巖全區大面積分布。鄂爾多斯地區盒 8段砂巖又稱駱駝脖子砂巖，為一套沖積扇-辮狀河三角洲成因的淺灰色含礫粗砂巖、灰白色中粗粒砂巖及灰綠色巖屑質石英砂巖[2,13-15]。通過對鄂爾多斯盆地范圍內近千口探井統計表明，該套砂巖砂體橫斷面呈短軸透鏡狀，平面上呈網狀，縱向上相互疊置，橫向上復合連片，網毯狀大面積分布。此外，該套砂巖中礫石夾層在鄂爾多斯全區廣泛分布（見圖2），對全區 799口井復查統計，發現含礫石井共 377口。含礫砂巖夾層的成因為洪水期的泥石流和高能水道牽引流搬運形成[16]，從盒 8段砂體厚度與含礫夾層發育的疊合分布圖可以看出，盆地北部蘇里格、烏審旗、榆林一線以北地區含礫砂巖夾層極為發育，巖性較粗，西南部慶陽一帶礫石發育，盆地中部延長一帶及南部宜川、旬邑一線礫石發育。鄂爾多斯地區盒 8段礫石夾層從北至南普遍存在，說明盒 8段沉積期高能水道遍布鄂爾多斯盆地全區。如果盆地中南部為辮狀河-淺水三角洲體系，存在統一匯水湖盆，由于淺湖相為低能沉積環境，這就不能合理解釋含礫砂巖全區大面積網毯狀分布，尤其是砂巖中礫石夾層全區分布的事實。

②沉積相帶劃分不明確。三角洲平原和三角洲前緣相帶無法準確劃分是該區發育辮狀河-淺水三角洲體系觀點的又一問題。前人曾依據泥巖的顏色判識水上氧化環境和水下還原環境，以此識別出水上分流河道、水下分流河道，然而從該區反映三角洲觀點的沉積相圖[2-8]來看，三角洲平原和三角洲前緣相帶的劃分并不統一，并且三角洲前緣相帶范圍大于100 km，這和學術界公認的淺水三角洲具有“大平原、小前緣”的特點不符，也很難解釋水下分流河道的延伸距離超過100 km。

對鄂爾多斯盆地地質背景、盆內鉆井、盆緣露頭綜合分析表明，鄂爾多斯地區盒8段沉積期沖積-河流體系廣泛分布，中南部發育數個獨立的季節性湖泊，全區并非單一的河流相沉積或灘壩沉積，依據如下：

①多物源強供給多水系發育。晚古生代華北地區是一個向東、向南東開口與大洋相通，而北、西、南三面為古陸或隆起環繞的巨型克拉通盆地，推測其大陸斜坡在朝鮮以東的日本海、東海一線[17]。下石盒子組盒 8段沉積期，鄂爾多斯地區北部、西部和南部 3面緊鄰古陸，東接廣闊的大華北克拉通盆地。隨著海西褶皺帶拼貼作用，以及西伯利亞板塊向南與北部華北板塊強烈對接，華北地臺周緣造山作用逐漸增強，加劇了物源區母巖的風化剝蝕和供給，鄂爾多斯地區呈現北、西、南 3面近源，多源供砂，多水系發育的沉積格局[2,13]，為全區沖積-河流體系廣泛發育提供了必要條件。

②古地形平坦沉積水體淺。鄂爾多斯地區盒 8段的地層厚度在大范圍內沒有出現明顯的突變，全區地層厚度差小于30 m，古地貌開闊平坦。對盒8段泥巖顏色的統計分析顯示，鄂爾多斯全區盒 8段泥巖顏色有灰色、淺灰、灰綠、灰褐、雜色、棕褐等多種顏色，總體以淺灰、灰綠和雜色泥巖為主，幾乎無深色泥巖層發育（見圖2a、圖2c）；從泥巖厚度分布來看，盒8段純泥巖單層厚度一般為5～10 m，累計厚度5～25 m，全區泥巖累計厚度高值和低值區交互分布，且與砂巖厚度呈互補關系（見圖2b），表明盒8段沉積期沉積環境為季節性干旱氣候環境，水體深度極淺，水位變化頻繁，沉積物可能經常暴露，全區無深水沉積。

③河流相砂體全區分布。鄂爾多斯地區中南部盒8段砂巖由分選差的含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖、細砂巖等組成，砂巖的成分成熟度和結構成熟度均較低，部分井含礫巖夾層，發育塊狀層理、平行層理、側積交錯層理、板狀交錯層理，砂巖底面發育底沖刷構造特征（見圖3a、圖3c、圖3e），GR電測曲線特征一般為中—高幅的齒化的箱形組合、箱形-鐘形組合和鐘形組合特征（見圖4）。巖相、沉積構造和GR曲線特征基本與北部河流相砂體相似。選取鄂爾多斯北部與中南部典型井盒 8段含礫夾層巖心進行對比，發現中南部礫石的粒徑相比北部有所減小，同時礫石和礫石間填隙物的成分成熟度、結構成熟度均有所增高，其成因應當為河流的長距離搬運作用所致（見圖3d、圖3e、表1）。

圖2 鄂爾多斯地區盒8段泥巖與含礫砂巖分布特征

圖3 鄂爾多斯地區盒8段砂巖、礫巖、泥巖巖心沉積構造特征

圖4 鄂爾多斯地區中南部典型鉆井盒8段砂巖測井曲線特征與砂體疊置模式（GR—自然伽馬，API；Δt—聲波時差，μs/m）

④存在數個獨立的淺湖區。鄂爾多斯地區中南部盒8段砂巖泥巖顏色整體以淺灰、灰色、灰綠色為主，雜色、褐色泥巖少量發育，且全區各色泥巖交互分布，HT2井盒8段泥巖為灰綠和雜色，并且含有紅褐色泥礫，反映沉積環境水體整體較淺，河道間沉積泥巖由于季節性干旱氣候反復暴露（見圖3f）。個別鉆井盒8段泥巖單層厚度較大，如LA1井發育約30 m厚的連續灰色泥巖段，應當為水體相對穩定的局部淺湖區沉積形成；同時，泥巖累計厚度高值區并非大面積分布，其間為砂巖厚度高值區間隔（見圖2a、圖2b），說明存在局部淺湖相沉積但不統一連片，平面上表現為多個獨立的季節性湖泊被多河道系統分割。

表1 鄂爾多斯地區北部與中南部盒8段巖心的礫石層特征對比

2.2 沉積體系特征

盒 8段沉積期鄂爾多斯地區處于完全轉化為陸相沉積的初期，加之古地形平坦，物源供給充分，洪水頻發，鄂爾多斯地區發育沖積扇-沖積平原沉積環境，全區以沖積-河流體系為主，中南部并不存在統一的大面積匯水湖泊，而是多河道與多湖泊（洪泛湖或漫湖）相間分布，表現為河道、泛濫平原與河間漫湖交互分布的沉積格局。同時，隨著山西組沉積末期華北盆地全面海退，鄂爾多斯地區北部、西部和南部水系在中南部相對低勢區匯集后繼續沿東南海退方向繼續推進、延伸。為驗證這一推論，有必要從更廣闊的華北盆地古地理背景來審視和進一步研究鄂爾多斯地區沉積體系發育分布特征。

3 原型盆地古地理特征

參考前人研究成果，在區域地層對比基礎上，通過巖相特征分析、沉積相類型及分布特征判識，嘗試恢復華北地區盒 8段沉積時期古地理格局。受資料等因素限制，本文選取的華北地區范圍為：東到郯廬斷裂，西達西緣沖斷帶，北抵陰山古陸，南至秦嶺褶皺帶。

3.1 地層劃分對比

基于年代地層的等時劃分對比是古地理恢復研究的基礎，按照二疊系三分的觀點[18-19]，以及《中國地層指南及中國地層指南說明書》中所附的方案[20]，鄂爾多斯地區下石盒子組沉積期為中二疊世早期，而下石盒子組底部盒 8段屬中二疊世初期沉積產物。前人針對華北地區二疊系劃分對比取得了基本一致的認識[18-22]，即下石盒子組以Taeniopteris、Cathaysiopteris whitei、Emplectopteris、Emplectopteridium和 Gigantonoclea等中期華夏系植物群發育為生物地層基本特征，華北中、北區以太原西山七里溝二疊系為標準剖面，中二疊統下部下石盒子組沉積地層底界為駱駝脖子砂巖之底，頂界為桃花泥巖之頂；華北南區以河南豫西禹縣方山為標準剖面，下石盒子組同期沉積地層底界為砂鍋窯砂巖之底，頂界為大紫斑泥巖之頂。在此基礎上，根據華北地區中二疊世初期沉積地層巖性特征和區域標志層（如煤層）進行華北全區盒8段的地層劃分對比。

在股份制合作社成立之后，可以統一管理、統一經營、統一銷售，降低經營成本，減少山林糾紛，促進林區和諧；在林道等基礎設施修建中，農戶也不用擔心自己的竹林被征用的賠償問題；竹林基礎設施的改善也大大節省了竹林經營成本；后期竹產品由合作社統一銷售，節省了中間環節的交易費用；在合作社統一規模經營之后，由單一的賣竹材模式向多種經營并存的方向轉變，增加了竹林的增效途徑，極大地提升了竹林經營的信心。

3.2 地層巖相特征

華北地區中二疊統下部下石盒子組總厚度一般為40～170 m。在鄰近盆緣古陸地帶地層厚度較薄，為40～80 m；盆地內部地層厚度差小于40 m，顯示克拉通盆地整體穩定。華北地區下石盒子組底部盒 8段由礫質砂巖和含礫砂巖，淺灰色砂巖，灰白、灰綠色細—粉砂巖、泥頁巖及其過渡類型泥質砂巖、砂質泥巖組成，砂巖巖性整體北粗南細。巖相類型主要包括塊狀層理含礫粗砂巖相、板狀層理中—粗砂巖相、正粒序層理中—粗砂巖相、楔狀層理中—粗砂巖相、平行層理中—粗砂巖相、砂紋層理粉砂巖相和塊狀泥質砂巖及泥頁巖相。

華北地區盒 8段含砂率北高南低。地層含砂率大于 40%的地區主要分布于華北地區北部，即烏海、包頭、準格爾、大同、錦州一帶含砂率最高，可達70%～92%，并有數個含砂率較大的條帶由北而南延伸，鄂爾多斯、呂梁、武鄉、陵川一帶，含砂率為40%～70%；錦州、天津、北京、新汶一帶，含砂率為40%～90%。另外，在本區南部的耀縣、韓城等地，含砂率為40%～50%，在南華北地區含砂率最小，多為5%～20%。

華北中、北區盒 8段泥巖中含植物莖干、葉片化石但數量稀少，華北南區植物化石數量增多。焦作、鄭州、徐州一線以南盒8段發育多層薄煤層和煤線，區域地質志稱其為三煤段，從煤層分布圖上可以看出，其中平頂山以北、平陌以南煤層累計厚度在3 m以上，從淮北向淮南煤層單層厚度增加、層數增加，到淮南煤層累計厚度達4.5 m（見圖5）；黑色頁巖主要分布于豫東南的平頂山、方山、平陌以及安徽淮北和淮南一帶，黃河以北和鄂爾多斯地區基本無煤層和黑色頁巖發育。

3.3 沉積相類型及分布

參考前人研究成果[2-9,23-26]，結合鉆井巖心、露頭、測井曲線與巖石組合特征對華北全區盒 8段進行沉積環境和沉積相識別與分析，識別出沖積扇、沖積平原河流、海岸平原、三角洲等沉積環境和扇中、辮狀河、泛濫平原、曲流河、河漫灘、洪泛湖（河間漫湖）、三角洲平原、潮坪、湖、海岸沼澤等多種沉積亞相（見圖6、表2）。華北全區沉積相分布區域特征表現為：自北向東南方向（現今地理方位，下同）發育大陸沖積體系的沖積扇相、沖積平原河流相和海陸過渡沉積體系的三角洲、海岸平原沉積。鄂爾多斯地區烏?！煎\旗—鄂爾多斯一線以北發育山前沖積扇，以南則發育大面積沖積平原河流相沉積。

圖5 華北地區盒8段煤層厚度圖

3.4 古地理格局

綜合分析地層巖相、沉積相類型及分布特征，參考前人研究成果，編繪出華北地區中二疊世初期（盒8段沉積期）古地理圖（見圖7）。圖中表明，華北盆地當時整體表現為北陸南海的古地理格局，隨著北部陰山古陸上升剝蝕加劇，物源區物質供應充足，海平面快速下降，海水向東南方向退去，海岸線遷移至南華北地區。大華北盆地北區和中區氣候干旱，碎屑沉積體活躍，抑制了植物生長與泥炭聚集，煤層不發育，為內陸沖積平原沉積環境，自北向南發育沖積扇—河流—河間漫湖沉積相；華北盆地南區為近海沉積環境，氣候溫濕，有薄煤層或局部可采煤層賦存，發育三角洲、潮坪、湖、沼澤等過渡相沉積。

從華北地區古地理格局恢復結果看，鄂爾多斯地區盒 8段沉積時期位于大華北盆地西部，主體為沖積扇—沖積平原沉積環境，沉積體系發育受到北部陰山古陸、西北阿拉善、西南隴西古陸和南部秦嶺—大別古陸物源的共同控制，各物源方向水系在南部匯聚后統一向東南方向流出，盒 8段沉積期鄂爾多斯地區僅為“過水區”，而非最終匯水區。

4 沉積模式

4.1 水槽沉積模擬實驗

圖6 華北地區盒8段典型露頭沉積特征

依據盒 8段沉積時期物源發育特征，在水槽一側設計 3個進水口，分別模擬北部陰山古陸兩個物源和西北緣阿拉善古陸物源，另一側 2個進水口模擬南部的秦嶺古陸及西南六盤山古陸物源，其中北部 3個物源為主要物源，砂粒相對較粗，另外兩個物源為次要物源，砂粒相對較細。出水口位于水槽中部，模擬外流通道和控制沉積基準面水位。此外，針對盒 8段沉積時期洪積事件頻發的特點，設計模擬過程為 4期。第1期和第3期分別模擬洪水期的沉積過程，第2期和第 4期分別模擬枯水期的沉積過程，洪水期和枯水期加砂量比例設計為6∶1。

表2 華北地區盒8段沉積相類型識別及分布區域

圖7 鄂爾多斯與華北地區中二疊世初期（盒8段沉積期）古地理格局關系

模擬實驗結果揭示南北各物源沉積體系與砂體展布受古地形、水體流速、流量以及基準面升降控制。南北高中部低的古地形特點控制各物源水系由四周向中南部匯聚，局部古地形差異控制各水系的走向；洪水期水流攜帶的沉積物向南快速推進，粗粒碎屑物質大量沉積，砂體分布面積逐漸擴大，匯水區面積逐漸縮??；枯水期水流流量減小，攜砂量明顯降低，細碎屑物質沉積，后期的洪水來臨時再次沖刷并搬運前期沉積的碎屑物質，使得沉積砂體不斷向前遷移。出水口水位控制各物源體系的最終推進距離，盒 8段沉積前，由于出水口水位較高，南北沖積體系之間還存在統一匯水區，隨著出水口水位不斷降低，匯水區面積不斷縮小，當基準面降至最低，多期洪水的接力搬運致使南北沖積體系交匯對接，統一匯水區被交匯砂體分割萎縮，最終全區為沖積砂體占據（見圖8）。

圖8 鄂爾多斯盆地盒8段沉積演化過程水槽模擬實驗

4.2 盒8段“沖積河流-漫湖”沉積模式

依據上述實驗結果并結合古地理背景分析可知，鄂爾多斯盆地在二疊系山西組沉積末期的大范圍海退造就了盒8段沉積期南北沉積體系對峙推進和滿盆富砂礫的沖積扇-沖積平原沉積特征。盒8段沉積前，鄂爾多斯地區還存在統一的近海匯水湖盆，而隨著華北海向東南快速退卻，基準面整體下降，洪水事件頻發，南北物源沖積體系攜帶大量碎屑物質對峙推進并開始交互，交互的沉積砂體將原來的統一湖盆分割成數個獨立的匯水區，至盒8段沉積期末，沖積平原最終占據全區，形成了大面積分布的含礫砂巖體，僅在中南部地區發育數個被多河道分割的季節性洪泛湖（河間漫湖）。據此重新建立了“沖積河流-漫湖”沉積模式：盒8段沉積期，鄂爾多斯地區主體為沖積平原沉積環境，北部發育沖積扇、辮狀河、泛濫平原；中南部過渡為低彎度曲流河、泛濫平原、洪泛湖（河間漫湖）等沉積相，表現為河流主水道、泛濫平原與河間漫湖交互分布，次級水道進入或穿過泛濫平原與河間漫湖（見圖9）。

圖9 鄂爾多斯盆地盒8段沉積模式圖

5 勘探意義

鄂爾多斯盆地北部上古生界發育大型緩坡三角洲砂體為該區大面積分布的致密氣藏提供了有利儲集條件[1]。而隨著近年勘探向盆地南部拓展，證實盆地南部盒8段含氣砂體依然存在，如蘇里格南部盒8段砂體厚15～30 m，巖性以中—粗粒石英砂巖為主，發育含礫砂巖夾層，孔隙類型以溶孔為主，平均孔隙度8.7%，平均滲透率 0.83×10-3μm2，氣層平均厚14.6 m[27]。近期盆地西南部勘探獲得進展，QT1、QT2、ZT2、LN2井在盒 8段均鉆遇石英砂巖氣層，且含礫砂巖夾層仍然存在，QT2、LN2井盒 8段試氣獲產，QT2井獲11.15×104m3/d的工業氣流?！皼_積河流-漫湖”沉積模式認為鄂爾多斯地區盒 8段形成于華北克拉通大范圍海退的背景，多物源沖積體系沿海退方向進積交匯，致使河道砂體在鄂爾多斯全區呈大面積網毯狀分布，多期次高能洪水的長距離接力搬運作用使得盆地中南部賦存粗相帶砂體，該模式改變了傳統沉積格局，合理解釋了盒 8段“滿盆砂”的沉積特征和含礫砂巖夾層全區分布的成因。擴大了鄂爾多斯盆地中南部地區砂體展布范圍，因此鄂爾多斯盆地南部盒 8段仍具備較大勘探潛力。

6 結論

鄂爾多斯盆地二疊系盒 8段沉積時期，具有地形開闊平坦、氣候干旱—半干旱、多物源供給充足、多水系發育的沉積背景，為沖積扇—沖積平原沉積環境的形成提供了條件，全區表現為河道、泛濫平原與河間漫湖交互分布的沉積格局。古地理恢復表明，盒 8沉積時期鄂爾多斯地區為大華北盆地西部流域的“過水區”，各物源方向水系在南部匯聚后統一向東南方向流出，該區主體為沖積平原沉積環境，發育沖積扇、辮狀河、泛濫平原、低彎度曲流河、洪泛湖（河間漫湖）等沉積相。隨著華北海向東南快速退卻，基準面整體下降，洪水事件頻發，鄂爾多斯地區南北物源沖積體系攜帶大量粗碎屑物質快速對峙推進造就了全區富砂礫的沉積特征?！皼_積河流-漫湖”沉積模式合理解釋了鄂爾多斯盆地全區盒 8段大面積分布含礫砂巖的成因，為拓展盆地南部勘探提供了有利地質依據。