陜北地區奧陶紀馬家溝組五段沉積時期巖相古地理演化*

曹紅霞 李文厚 吳海燕 王振國 武 渝 任星民

1 延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710065 2 西北大學地質學系，陜西西安 710069

鄂爾多斯盆地位于賀蘭山以東、呂梁山以西、陰山以南、秦嶺以北的廣大地區，面積約25104km2。盆地內蘊藏著豐富的煤、石油、天然氣、蒸發鹽以及放射性鈾礦等礦產資源，是中國重要的能源工業生產基地。盆地內天然氣資源主要賦存于下古生界海相碳酸鹽巖以及上古生界海陸過渡相碎屑巖地層中。20世紀80年代，天然氣勘探理論及方法取得長足進步，自盆地周邊至腹地、自構造圈閉至地層—巖性圈閉，天然氣勘探獲得一系列重大突破，發現了下古生界的靖邊、烏審旗、榆林等大中型天然氣田。

21世紀初以來，延長石油在陜北靖邊以南的下古生界天然氣地質勘探取得重大突破，2008年多口井試氣達工業氣流，截至2020年底，單井日產氣量最高達23104m3，高產井主要集中在志丹、甘泉、富縣及安塞等區，累計探明天然氣地質儲量1000108m3，主力產氣層為馬家溝組五段(簡稱馬五段)。前人的研究工作主要集中在沉積演化(馮增昭和鮑志東，1999；付金華和鄭聰斌，2001；何自新，2003；史基安等，2009；付金華等，2017)、巖溶古地貌(王建民，2011；吳海燕等，2016；曹紅霞等，2020)、環境地球化學(陳強等，2012；王起琮等，2013；曹紅霞等，2018；喬亞斌等，2020)、儲集層等方面(傅鎖堂等，2002；黃道軍等，2009；王起琮等，2012；黃正良等，2015；于春勇，2019)，研究成果傾向于大空間或大時間尺度范圍的整體研究，這些認識對油氣勘探起到重要指導作用。謝錦龍等(2013)結合海平面升降變化，依靠鉆井數據和地震數據，對鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段的10個亞段巖相古地理特征進行了探討，完成了馬五10、馬五9、馬五6—馬五1巖相古地理圖，但缺少對馬五8—馬五7的巖相古地理圖件展示，且在子長—延安—志丹—黃陵一帶所依托的鉆井資料少，也缺乏地震資料。作者在吸納前人研究成果的基礎上，根據延長探區730多口井的測井資料和多條野外剖面踏勘資料，較為詳盡地確定了馬五段各亞段剝蝕邊界，詳細研究了位于橫山以南、黃龍以北的陜北地區馬五段各亞段巖相古地理演化特征，并對受古溝槽剝蝕影響的馬五1和馬五2亞段的巖相古地理演化特征進行了疊加刻畫，對馬五10—馬五1亞段地層沉積演化進行詳細分析，確定有利儲集相帶，為該地區進一步提高勘探開發效果提供有利的地質依據。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地馬家溝組共經歷了6個沉積期，其中一、三、五期為低海平面發育期，盆地處在一個相對局限的發育期，形成較多的石膏和鹽巖； 馬家溝組二、四、六期屬于高海平面發育期，沉積物一般多為灰巖、白云巖以及云質灰巖(馮增昭和鮑志東，1999；何自新，2003)。馬五期，由于華北地塊海平面整體降低，沉積底質對海水的消能，使鄂爾多斯盆地主體部位補給的海水相對較少，循環性差，含鹽度增高。因“L型”中央古隆起阻隔，海水對盆地的補給有限，加之氣候炎熱干燥，盆地內的蒸發量加大，因此，海水不斷濃縮，導致海水含鹽度持續升高，造成在盆地拗陷中心沉積了較厚的硬石膏巖、鹽巖及少量白云巖，發育為含白云巖的硬石膏巖、鹽巖盆地(何自新，2003)。

2 地層特征

2.1 地層剝蝕狀況

鄂爾多斯盆地馬家溝組五段劃分為10個亞段，由下到上分別是馬五10到馬五1，受“L型”中央古隆起影響，馬五段在研究區西部及西南部均有不同程度剝蝕(付金華和鄭聰斌，2001；何自新，2003)，表現為在志丹以西、黃陵以西南出露地層逐漸變老，而盆地中東部地層保存相對完整，僅在古溝槽發育區馬五1—馬五2地層被流水沖刷缺失(王建民，2011；曹紅霞等，2020)，其余地區馬五段保存相對完整(圖 1)，受渭北隆起影響，馬五段在研究區南部、東南部發生褶皺變形，在陜西韓城象山剖面、涇陽口鎮剖面、山西河津西磑口等剖面均可見；在富平金粟山剖面馬五段發育較為完整(圖 2)。

圖 1 陜北地區馬家溝組五段頂部平面展布圖Fig.1 Plane distribution map of the top of Member 5 of Majiagou Formation in northern Shaanxi Province

2.2 巖性、電性特征

馬五10厚度9～30m，發育鹽巖、膏鹽，自然伽馬曲線齒化明顯，若有膏巖發育，呈高密度、高聲波時差、低補償中子、高電阻率特征；若有鹽巖發育，呈低密度、中高聲波時差、低補償中子、高電阻率特征。馬五9厚度10～30m，發育白云巖、云灰巖，自然伽馬曲線低幅平直，高密度、高聲波時差。馬五8厚度15～26m，發育鹽巖、膏鹽，自然伽馬曲線齒化明顯。馬五7厚度6～12m，發育白云巖，自然伽馬曲線低頻平直、高密度、高聲波時差。馬五6厚度21～150m，發育白云巖、鹽巖、膏鹽，自然伽馬曲線齒化嚴重。馬五5厚度7～22m，灰黑色泥晶灰巖，質純均一，厚度穩定，局部或整段發生白云巖化；自然伽馬曲線呈較平直的低幅箱狀、高光電截面指數、低聲波時差、低補償中子、高電阻率。馬五4厚度17～45m，頂部為深灰色云巖、含膏質白云巖，底部為灰綠色含泥質凝灰巖，中間為灰質云巖、膏質云巖與泥晶云巖互層，底部為泥質云巖、膏質云巖與灰質云巖互層。馬五3厚度7～41m，巖性為深灰色角礫狀泥晶云巖，含灰含泥細粉晶云巖；自然伽馬曲線上部為大鋸齒狀，下部為小鋸齒狀。馬五2厚度4～19m，上部巖性較致密，為含泥云巖和泥質云巖，下部為灰褐色細粉晶云巖，局部溶孔發育，層間縫及垂直縫較發育；電性以低密度、低自然伽馬、高電阻率為特征。馬五1厚度9～32m，巖性為灰色含泥細粉晶云巖、灰褐色細粉晶云巖、灰色細粉晶云巖及含云泥巖，底部為灰褐色細粉晶云巖、次生灰巖、含泥細粉晶云巖和凝灰巖，電性以自然伽馬呈上下較高、中間較低的“燕尾狀”為特征(圖 2，圖 3)。

3 沉積相類型及特征

3.1 沉積相標志

3.1.1 巖石類型標志

研究區巖石類型包括云巖、灰巖、膏巖、鹽巖及其之間的過渡巖類(圖 4)。白云巖一般發育于局限臺地云坪微相內，泥晶灰巖發育在開闊臺地內水動力較弱的灰坪微相內，灰質云巖、云質灰巖發育在局限臺地與開闊臺地的過渡帶，含膏云巖一般發育于類似蒸發潮坪的局限臺地環境，膏巖和鹽巖通常發育于蒸發臺地環境。

3.1.2 沉積構造標志

陜北地區馬五段沉積地層中常見藻紋層、縫合線、鳥眼、示頂底等多種沉積構造(圖 4)。其中，物理成因構造有： 垮塌構造(圖 4-d，4-e)、包卷層理(圖 4-f)、變形構造(圖 4-e，4-f)；化學成因構造有： 鳥眼構造(圖 4-h)、示頂底構造(圖 4-i)及縫合線構造(圖 4-j)。陜北地區局限臺地相中的潮上帶有利于鳥眼構造的發育，潮間或潮下帶則較少見；示頂底構造指示潮上帶或潮間帶上部；前人通過研究同生(沉積)縫合線的幅度、密集程度、分布層位、同巖層厚度及韻律次數等性質，來恢復和解釋賦存縫合線地層的古地理環境(李方正和張俊華，1990)。

3.1.3 測井相標志

在不同沉積環境所發育以及所形成的沉積物一般也都有著不相同的測井反應。通過分析自然伽馬(GR)、光電指數(PE)、聲波時差(AC)、密度(DEN)、補償中子(CNL)等測井曲線對應的取值范圍、整體形態、鋸齒化程度、頂底接觸關系及各曲線間的疏密和組合形態變化等特征，參照取心井資料，建立測井相標志(表 1)。

3.2 沉積相類型

根據測井、巖心觀察和薄片分析，結合化學分析等資料，將鄂爾多斯盆地奧陶系各層劃分為開闊臺地、局限臺地和蒸發臺地3個亞相10個微相(表 2)。陜北地區馬五段沉積整體表現為向上變淺的演化序列，各層相帶分布具有一定韻律性，其中，馬五5、馬五7、馬五9總體為水體相對深的潮下灰坪、云灰坪和潮間顆粒灘相環境，馬五4、馬五6、馬五8、馬五10總體為水體變淺的潮上膏坪、膏云坪、泥云坪環境。

4 巖相古地理演化

巖相古地理特征是決定儲集層發育程度的重要物質基礎。馬五段沉積時期，氣候干熱，盆地基底抬升，海平面下降，表現為快速海侵和緩慢海退的特征(何自新，2003)。在單井相和連井相分析的基礎上(圖 5)，主要考慮研究區沉積背景，采用單因素分析多因素綜合作圖法(馮增昭，2004)，結合“優勢相編圖法”，以沉積相模式為指導，研究馬五段各亞段巖相古地理演化特征。

a—A930井，3912.9m，黑褐色泥質云巖；b—A265井，2892.2m，褐色膏斑云巖，發育膏斑溶孔；c—A451井，2976.6m，灰白色膏鹽巖，塊狀構造；d—A579井，4016.4m，淺灰色巖溶垮塌角礫巖；e—A579井，4015.9m，垮塌角礫巖，見變形層理；f—A265井，2885m，深灰色藻云巖，見包卷層理；g—B56井，3367.3m，深灰色泥云巖夾白色膏巖；h—A568井，2749m，灰白色云巖，見鳥眼構造；i—A557井，3262.1m，灰色云巖，見示頂底構造；j—A225井，2877.2m，灰色云灰巖，見縫合線；k—A432井，2895.9m，深灰色粉晶云巖，見白色石膏充填孔隙；l—A1038井，2431.9m，砂屑灰巖與泥灰巖互層，發育水平層理，見微裂縫充填方解石圖 4 陜北地區馬家溝組五段沉積特征Fig.4 Sedimentary characteristics of the Member 5 of Majiagou Formation in northern Shaanxi Province

圖 5 陜北地區馬家溝組五段東西向沉積特征剖面Fig.5 Sedimentary feature section of the Member 5 of Majiagou Formation in east-west deriction in northern Shaanxi Province

表 1 陜北地區奧陶系馬家溝組五段主要測井相標志Table 1 Main logging facies marks of the Member 5 of Majiagou Formation of Ordovician in northern Shaanxi Province

表 2 陜北地區馬家溝組五段沉積微相劃分

馬五10亞段沉積時期，處于初始海退階段(謝錦龍等，2013；席勝利等，2017)，氣候干旱。在佳縣、米脂、子洲、綏德和清澗一帶發育蒸發臺地亞相的膏鹽湖微相，沉積膏巖和鹽巖。向西環繞膏鹽湖在橫山、子長、志丹、安塞、延安、延長和宜川等區域發育蒸發臺地亞相的膏云坪微相，巖性以膏質白云巖為主。再向西環繞膏云坪在靖邊、甘泉等區域發育蒸發臺地亞相的含膏云坪微相，巖性以含膏白云巖及泥粉晶白云巖為主。至定邊、吳起、富縣、洛川和黃龍等區域相變為局限臺地亞相的白云坪微相(圖 6，圖 7-a)。

圖 6 陜北地區馬家溝組五段沉積演化模式Fig.6 Sedimentary evolution model of the Member 5 of Majiagou Formation in northern Shaanxi Province

馬五9亞段沉積時期，處于海侵沉積階段。受短周期潮濕氣候和相對海平面逐漸上升影響，在綏德、子長、清澗、安塞、延川和延長等區域發育局限臺地亞相的灰云坪微相，沉積灰質白云巖及泥質白云巖。向西在橫山、靖邊、定邊、志丹、延安、甘泉、富縣、宜川、洛川和黃龍等區域發育廣泛的局限臺地亞相的白云坪微相沉積，巖性以泥粉晶白云巖為主。在定邊東部、吳起、富縣西北和宜川西部發育局限臺地亞相的臺內顆粒灘微相，巖性主要為砂屑白云巖和鮞粒白云巖(圖 6，圖 7-b)，孔隙較為發育，為儲集層發育有利區。

馬五8亞段沉積時期，為海平面又一次下降階段。佳縣、米脂、子洲和綏德等區域再次發育蒸發臺地亞相的膏鹽湖微相，沉積膏巖和鹽巖。向西環繞膏鹽湖在橫山、志丹、安塞、延安、延長和延川等區域發育蒸發臺地亞相的膏云坪微相，巖性以膏質白云巖為主。再向西環繞膏云坪在靖邊、甘泉、宜川等區域發育蒸發臺地亞相的含膏云坪微相，巖性以含膏白云巖夾泥粉晶白云巖和泥質白云巖為主。至吳起、富縣、洛川和黃龍等區域相變為局限臺地亞相的白云坪微相，廣泛發育泥粉晶白云巖及泥質白云巖沉積(圖 6，圖 7-c)。

馬五7亞段沉積時期，相對海平面再次上升，且海進程度較馬五9亞段沉積時期大(謝錦龍等，2013)。在綏德、清澗和延川等區域發育開闊臺地亞相的灰坪微相沉積，巖性以泥晶灰巖及泥質灰巖為主。在佳縣、米脂、子洲、子長和延長等區域發育局限臺地亞相的灰云坪微相沉積，巖性以灰質云巖為主。再向西表現為隆洼相間的特點，在橫山、靖邊、吳起、安塞、延安、甘泉、富縣、宜川、洛川和黃龍等區域發育局限臺地亞相的白云坪微相，巖性以泥粉晶白云巖及泥質白云巖為主；而在志丹東部、靖邊南部、甘泉北部又有局限臺地亞相的灰云坪微相夾于其中，巖性以灰質云巖為主。在局限臺地亞相內部，廣泛發育顆粒灘微相沉積，顆粒灘為儲集層富集有利區，主要分布在橫山、安塞、延安和宜川以及吳起、富縣和洛川2個區域條帶內，呈北西向近似雁列式斷續展布，巖性以砂屑云巖和鮞粒云巖為主(圖 6，圖 7-d)。

a—馬五10 亞段沉積時期；b—馬五9亞段沉積時期；c—馬五8亞段沉積時期；d—馬五7亞段沉積時期圖 7 陜北地區馬家溝組五段沉積時期古地理演化(一)Fig.7 Palaeogeographic evolution of the Member 5 of Majiagou Formation sedimentary period in northern Shaanxi Province(Ⅰ)

馬五6亞段沉積時期，區域構造抬升，海平面大幅下降(謝錦龍等，2013；雷濤等，2020)。在佳縣、米脂、橫山、子洲、綏德、子長、清澗、延川和延長等區域發育蒸發臺地亞相的膏鹽湖微相，巖性以厚層的膏巖和鹽巖為主，膏鹽湖范圍明顯擴大。環膏鹽湖在安塞、延安等區域發育蒸發臺地亞相的膏云坪微相，巖性以膏質白云巖為主。再向西環繞膏云坪在靖邊、志丹、甘泉、富縣等區域發育蒸發臺地亞相的含膏云坪微相，巖性以含膏白云巖、泥質白云巖為主。至吳起、富縣、洛川和黃龍等區域相變為局限臺地亞相的泥云坪微相，巖性以泥質白云巖夾白云質泥巖為主。在吳起西部發育局限臺地亞相的顆粒灘微相沉積，巖性主要為砂屑白云巖和鮞粒白云巖(圖 6，圖 8-a)。

馬五5亞段沉積時期，是馬五期內部最大的一次相對海平面上升階段。在佳縣、綏德和清澗等區域發育開闊臺地亞相的灰坪微相，巖性主要為泥晶灰巖。在米脂、子洲、子長、延川和延長等區域發育局限臺地亞相的灰云坪微相沉積，巖性以灰質云巖和泥晶灰巖為主。再向西表現為隆洼相間的特點，在橫山、延安、甘泉、吳起、洛川和黃龍等區域廣泛發育局限臺地亞相的白云坪微相，巖性為泥粉晶白云巖；而在靖邊、志丹局部發育開闊臺地亞相的灰坪微相，巖性以泥晶灰巖為主。在局限臺地亞相內部，發育顆粒灘微相，顆粒灘分布在橫山、安塞、延安和宜川以及吳起、志丹和富縣，呈北西向近雁列式分布，巖性以顆粒白云巖為主(圖 6，圖 8-b)。

a—馬五6亞段沉積時期；b—馬五5亞段沉積時期圖 8 陜北地區馬家溝組五段沉積時期古地理演化(二)Fig.8 Palaeogeographic evolution of the Member 5 of Majiagou Formation sedimentary period in northern Shaanxi Province(Ⅱ)

馬五4亞段沉積時期，相對海平面再次下降。在米脂、子洲、綏德、清澗和延川一帶再次發育小范圍的膏鹽巖洼地，沉積白云質膏巖和鹽巖；在橫山、靖邊、安塞和延安一帶發育膏質白云巖坪和含膏白云巖坪微相，巖性主要為膏質白云巖、含膏白云巖夾泥質白云巖；圍繞環帶向西，在吳起、志丹和甘泉一帶發育含硬石膏結核白云巖坪微相，沉積含硬石膏結核或假晶溶?？啄喾劬О自茙r，是儲集層發育的有利相帶(圖 6，圖 9-a)。

a—馬五4亞段沉積時期；b—馬五3亞段沉積時期；c—馬五2亞段沉積時期；d—馬五1亞段沉積時期圖 9 陜北地區馬家溝組五段沉積時期古地理演化(三)Fig.9 Palaeogeographic evolution of the Member 5 of Majiagou Formation sedimentary period in northern Shaanxi Province(Ⅲ)

馬五3亞段沉積時期，相對海平面發生小幅度上升。在子長、安塞、延安、延長、延川和清澗一帶發育膏質白云巖坪和含膏白云巖坪微相，巖性主要為角礫狀膏質云巖和含膏云巖。在其外圍發育廣泛的泥質白云巖坪微相，巖性為泥質角礫白云巖、泥晶白云巖、灰質白云巖及白云質泥巖等(圖 6，圖 9-b)。

馬五2亞段沉積時期，南部構造抬升作用明顯，相對海平面下降，沉積中心向西北部掀挾式挪移。在靖邊、子長和志丹一帶發育硬石膏結核或含硬石膏結核白云巖坪微相，巖性為含硬石膏結核或泥粉晶云巖，在沉積中心外圍的米脂、綏德、吳堡和富縣、甘泉、宜川發育云坪。另外，在古溝槽發育處馬五2亞段被沖刷缺失(圖 6，圖 9-c)。

馬五1亞段沉積時期，相對海平面繼續下降，沉積中心向東南部轉移。硬石膏結核或含硬石膏結核白云巖坪微相沉積范圍向北擴大。吳堡、延川和延長一帶發育含灰質白云巖坪微相；西部發育膏巖坪、含膏云坪微相，巖性為膏云巖及含膏云巖。在古溝槽發育處馬五1亞段被沖刷缺失(圖 6，圖 9-d)。

5 結論

1)陜北地區馬五10—馬五1各亞段以海相碳酸鹽巖臺地沉積為主，包括開闊臺地、局限臺地和蒸發臺地3種亞相，并進一步細分為： 云坪、膏云坪、含膏云坪、泥云坪、灰云坪、灰坪、顆粒灘、云灰坪、泥灰坪、膏鹽湖等10種沉積微相。

2)從馬五10到馬五1巖相古地理單元整體表現為自東向西的環帶狀分布特征，環帶中心主要位于延長、延川和清澗一帶，值得注意的是，馬五2沉積時期由于受較強的構造抬升作用影響，馬五2亞段古地理單元環帶呈現出向西北挪移的特征，環帶中心位于靖邊—子長一帶。

3)馬家溝組五段各亞段沉積相帶分布受海平面升降影響，表現出一定的沉積韻律。蒸發臺地、局限臺地以及開闊臺地亞相在空間上彼此相鄰，縱向上相互疊置，局限臺地亞相環繞蒸發臺地亞相與開闊臺地亞相，且隨著氣候以及海平面升降變化，三者此消彼長。開闊臺地主要分布在馬五5、馬五7、馬五9亞段，主要發育灰巖、灰云巖、云灰巖，顆粒灘也主要分布于這3個亞段；蒸發臺地亞相主要分布在馬五1、馬五2、五3、馬五4、五6、馬五8、馬五10亞段，主要發育膏巖、鹽巖、膏云巖、含膏云巖；局限臺地主要分布在馬五1—馬五7、馬五9亞段，主要發育云巖、泥云巖、泥巖等。馬家溝組的旋回性沉積為儲集層疊合發育奠定了基礎，云坪、膏云坪、含膏云坪、顆粒灘微相易于形成有利儲集空間。

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