鄂爾多斯盆地富縣中奧陶統風化殼古地貌特征

馬 寧 丁曉琪 張 威,2 祁壯壯 陳乙萊 朱 穎

1.成都理工大學能源學院 2.中國石化華北油氣分公司

0 引言

鄂爾多斯盆地奧陶系風化殼氣藏自1989年陜參1井發現以后，經過多年勘探，馬家溝組五段風化殼氣藏勘探取得豐碩成果[1-2]。截至2018年底，盆地在奧陶系馬五1+2亞段氣藏累計探明地質儲量6 400 108m3[3-4]。富縣地區位于盆地南部，早期認為該地區主體位于巖溶高地上，馬五1+2亞段僅出現在富縣東北部，勘探范圍有限[5]。隨著近期一批探井的完鉆，富縣地區存在大面積的巖溶斜坡，馬五1+2亞段大面積分布，勘探范圍西擴。巖溶古地貌不僅僅控制著馬五1+2亞段的分布，而且影響淺埋藏過程中溶蝕孔洞的充填程度[6]；同時，古地貌上的溝槽還是天然氣充注和側向遮擋的屏障[3,6]。

前人對古地貌的恢復主要是通過殘厚法和印模法[7-8]，認為上古生界沉積時首先填平補齊，之后大面積沉積。一般認為太原組廣泛分布的8號煤層沉積后，高低起伏的風化殼古地貌基本被填平補齊[7,9-10]，因此不整合面到8號煤層之間的厚度與風化殼古地貌呈現“鏡像關系”。然而，根據現今統計的厚度進行壓實校正才能代表當時的真正厚度，但是不整合面之上沉積有煤層、石灰巖、泥巖、砂巖、礫巖等復雜巖性，壓實校正難度大。

本次研究通過恢復風化殼之下標志層（馬五5）的古構造，在古構造上疊加馬五5亞段之上的奧陶系殘厚來進行風化殼古地貌的恢復；進而進行古地貌單元的劃分，并研究不同古地貌單元上的喀斯特化特征，為下一步的天然氣勘探提供儲層方面的依據。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西緣，構造上屬于大型多旋回克拉通盆地[11]。奧陶紀鄂爾多斯地區具有“三隆兩鞍一坳陷”的沉積背景，沿烏審旗—慶陽—黃陵一帶發育大型呈“L”展布的中央古隆起帶，構成了秦祁海與鄂爾多斯地塊的水下屏障[12]。奧陶系沉積時形成的中央古隆起帶對沉積相的展布、古巖溶地貌以及儲層的發育都有非常重要的控制作用。

加里東旋回晚期，鄂爾多斯地臺受到北部中亞蒙古洋殼和南部秦祁海洋殼的俯沖影響，在構造擠壓的作用下，使得盆地整體向上抬升，并經歷了1.5 108a的風化淋濾剝蝕，使得上奧陶統、志留系、泥盆系和下石炭統在盆地內出現缺失[13]。石炭紀末期，盆地發生沉降，并開始接受上覆地層的沉積[14]。

富縣地區位于鄂爾多斯盆地東南部，奧陶系的沉積受“L”型古隆起的影響，整個馬家溝組厚度偏薄。該地區的沉積穩定，后期構造作用主要以整體升降為主，研究區內應力構造不發育，構造變化簡單。上覆石炭系為本溪組和太原組，風化殼殘余地層主要為馬六段和馬五段，出露層位大體上沿著東北至西南逐漸變老（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地富縣地區前石炭紀古地質圖及馬六-馬五段柱狀圖

2 風化殼古地貌恢復方法

目前來說，廣泛使用的古地貌恢復方法主要有沉積學法、殘厚法、印模法、高分辨率層序地層學法等[15-22]。每一種方法都可以在特定精度范圍內，基于鉆井、錄井、巖心、地震等資料，進行有效的古地貌恢復，都有著自己獨特的優勢，但也存在一些不足。在鄂爾多斯盆地馬家溝組風化殼古地貌研究中，使用比較多的是印模法，如果使用該方法，就勢必要進行壓實校正，由于風化殼至8號煤層間沉積有煤層、石灰巖、泥巖、砂巖、礫巖等復雜巖性，壓實校正的難度大，所以本文采用趨勢面法恢復不整合面之下標志層（馬五5亞段）的加里東期古構造，然后疊加標志層和不整合面之間的殘余厚度來實現風化殼古地貌的恢復。

2.1 趨勢面法原理

富縣地區現今馬家溝組各層段的構造基本為一單斜，缺少明顯的褶皺，所以加里東期的馬家溝組也為單斜構造，可以進行趨勢面分析。

趨勢面分析，是利用數學曲面模擬地理系統要素在空間上的分布及變化趨勢的一種數學方法。它實質上是通過回歸分析原理，運用最小二乘法擬合一個二維非線性函數，模擬地理要素在空間上的分布規律，展示地理要素在地域空間上的變化趨勢，而古構造恰好就是地層在空間上的變化趨勢。

趨勢面分析的觀測面由趨勢面部分和殘差部分組成。趨勢面部分反映區域性大范圍內的變化情況，殘差部分是實測值與趨勢函數對應值之差，反映局部變化情況。趨勢面分析的一個基本要求，就是所選擇的趨勢面模型應該是剩余值最小，而趨勢值最大，這樣擬合精度才能達到足夠的準確性。

對于趨勢面模型，一般是將實際測量值zi（xi，yi）（i=1，2， ，n）作為因變量，地理位置坐標（xi，yi）作為自變量，趨勢擬合值為為殘差，有：

式中zi（xi，yi）表示趨勢面高程的實際測量值，m；表示趨勢面高程的趨勢擬合值，m；xi、yi一般使用大地坐標系，m；εi表示殘差，m。

趨勢面分析法的核心在于從實際觀測值出發推算趨勢面，一般采用回歸分析方法，使得殘差平方和Q趨于最小，即

式中Q為殘差平方和，m2。

這就是在最小二乘法意義下的趨勢面擬合。

在實際應用中，一般會為模型預設數個公式，然后通過MATLAB等數學軟件計算出相關系數。之后進行相關性檢驗，主要包括R2檢驗、顯著性F檢驗和逐次檢驗這三方面。最后選出相關性最好的公式模型作為趨勢面公式。

2.2 趨勢面計算

趨勢面計算通常采用多項式回歸擬合模型，由于富縣地區古構造平緩，所以選取了一次簡單線性模型（式3）、一次雙線性模型（式4）、二次模型（式5）這3個預設公式：

根據已有的研究區各井標志層（馬五5亞段）至8號煤層（太1段）的厚度數據，運用最小二乘法原理構造趨勢面方程，使用MATLAB軟件編制計算程序得到一次簡單趨勢面z11、一次雙線性趨勢面z12、二次趨勢面模型z2方程分別如下：

式中z11、z12、z2為不同模型下趨勢面高程的趨勢擬合值，m。

對其進行相關性檢驗，其中，R2檢驗結果為二次趨勢面z2擬合度更高。顯著性F檢驗結果為均顯著，逐次檢驗結果為z2擬合度更高。使用模型方程z2得到的趨勢面如圖2所示。圖2中0線為該地區構造的最低點。

圖2 鄂爾多斯盆地富縣地區前石炭紀沉積前古地形相對高程等值圖

從圖2可以看出，在富縣地區，加里東期馬家溝組的古構造為一個北東傾的單斜，地層傾角在0.1 ～0.6°之間，局部構造幅度在20～40 m之間。然后，將研究區風化殼殘余厚度與趨勢面圖相疊加，得到最終的古地貌平面圖（圖3）。

圖3 鄂爾多斯盆地富縣地區奧陶系古地貌單元劃分平面圖

3 風化殼古地貌特征

根據鄂爾多斯盆地馬家溝組古地貌的劃分標準[6-7,9,16,23]，研究區自南西向北東發育高地、斜坡、洼地這三種二級地貌單元，在斜坡上發育殘丘、溝槽等三級地貌單元。古地貌特征如圖3所示。

3.1 高地

位于古構造較高的位置，上覆石炭系沉積較薄，部分地區缺失太1段；下伏奧陶系風化殼地層同樣比較薄，出露地層較老，為馬五5亞段以下，出露地層最老可達馬五10亞段，高程值普遍大于110 m。

3.2 斜坡

位于研究區的中部，是研究區最主要的二級地貌，高程值變化很大，在55～110 m，這主要是巖溶強度在空間上的分布不均一導致。為了精細刻畫，進一步將斜坡細分為殘丘、溝槽等三級地貌單元。

3.2.1 殘丘

是斜坡上孤立分布的范圍相對較小，地勢較陡且出露層位相對較新的丘狀地形。殘丘上石炭系沉積相對較薄，風化殼出露地層為馬五1亞段—馬五2亞段，其高程值在85～110 m，比較陡峭。研究區共有6個殘丘，分別位于牛5井、任2井、新富7井、富古6井、延628井和延699井附近。

江蘇省防汛防旱監測預警系統從2011年開始在江蘇省防辦投入使用，在汛期該系統已產生了數千條預警信息，預警及時。

3.2.2 溝槽

斜坡上受剝蝕或者溶蝕嚴重的低洼地帶，一般沿殘丘邊緣發育，呈樹杈狀，是地表水流動的主要通道。研究區的溝槽主要位于工區東部，共有3條（圖3）。溝槽處風化殼出露地層為馬五3亞段，其高程值在55～85 m。

3.3 洼地

位于古構造的低部位，可容空間較大，上覆石炭系沉積厚度較大，下伏奧陶系保存較好，出露地層較新，以馬六段為主，局部出露馬五1亞段，高程值在100～130 m，比較穩定。

4 不同古地貌單元上的喀斯特特征

4.1 高地喀斯特特征

研究區西南部為高地古地貌，主要出露馬五4亞段以下地層。該地區鉆井無取心資料，對于喀斯特化特征只能通過測井資料來推測。一般認為高地古地貌上，地下水以垂向流動為主，溶蝕作用相對受限。然而研究區馬五段為白云巖與泥巖的互層，由于礦物的易溶性，再加上補給水對礦物的不飽和性，仍可發生一定強度的溶蝕作用。由于富縣西南部馬五段沉積期正好位于古隆起周緣，缺少石膏的沉積，無法利用石膏層的出現作為巖溶的最大深度。在無取心資料的情況下，暫時很難判斷巖溶的最大深度。

4.2 斜坡喀斯特特征

巖溶斜坡在富縣地區大面積分布，不整合面下主要出露馬五1+2亞段。斜坡古地貌上的地下水明顯具有水平運動的特征（圖4），經歷喀斯特化后的紊亂角礫巖中的礫石碎屑分選差、磨圓差，礫石之間的黏土、云質泥巖來自馬五段本身。

圖4 富縣地區奧陶系風化殼古地貌斜坡處巖溶特征剖面圖

馬五1+2亞段主要是微晶白云巖，局部夾少量含石膏結核的白云巖和薄層泥巖，在淡水作用下，石膏的溶解度可達白云巖的1 000倍，石膏結核溶解形成膏?？?；而泥晶白云巖由于巖性致密，不構成淡水的滲流通道，很難發生溶蝕。所以馬五1+2亞段的儲層主要發育在含膏?？椎陌自茙r中。

馬五3+4亞段為薄—中層的白云巖、黏土質白云巖和石膏的互層，黏土質白云巖中由于黏土和白云石晶體間弱的結合力，導致溶解度增加。普遍發生原地垮塌、溶蝕，并發生近距離的搬運，形成一套紊亂角礫巖，局部夾洞穴充填物。該套地層很難形成有效儲層。

馬五5亞段為白云巖，淡水垂向上經過馬五5亞段以上，橫向上經過長距離的溶蝕后，對微—粉晶白云巖達到飽和；再加上馬五5亞段巖性本身致密，淡水難以對期進行溶蝕，導致馬五5亞段成為斜坡古地貌的喀斯特底板。

4.3 洼地喀斯特特征

洼地古地貌不整合面下出露馬六段，局部低洼處直接出露馬五1亞段。洼地古地貌上的地下水既有垂向運動又有水平運動?？λ固鼗慕堑[以鑲嵌狀為主，局部可見少許紊亂角礫巖。地層完整，垮塌不明顯（圖5）。

圖5 富縣地區奧陶系風化殼古地貌洼地處巖溶特征剖面圖

馬六段巖性為泥晶灰巖，巖性致密。由于處于垂直滲流帶，整個洼地內的鉆井未在馬六段中鉆遇水平溶洞。從測井資料來看，垂直裂縫、高角度網狀縫發育，構成地表水向下滲透的通道，但這些垂直裂隙在石炭紀海侵期，被本溪組泥質沉積物充填，或在埋藏期被巨晶方解石充填。

馬五1+2亞段中的石膏結核被淡水溶蝕形成膏?？?，但絕大部分膏?？自谥蟮臏\埋藏階段被方解石充填。由于硬石膏遇水發生體積膨脹，石膏結核溶解過程中形成大量的網狀裂縫，部分小裂縫未被方解石充填，和未充填的膏?？讟嫵捎行臻g和滲流通道。

馬五3亞段中的石膏仍保存下來，地層被淡水改造的特征不明顯，說明在洼地古地貌上，淡水的影響深度僅到馬五3亞段。

從古地貌高地—斜坡—洼地的馬家溝組喀斯特剖面可以看出（圖6），喀斯特的底界在古地貌高地和斜坡處具有穿層性，喀斯特的底界從古地貌高地的馬五8亞段上升到斜坡部位的馬五4亞段；在古地貌洼地處，喀斯特的底界相對穩定，保持在馬五3亞段內?？λ固鼗牡捉绾０蜗鄬Ψ€定，在剖面上近似水平，向古地貌高地略有上翹。這一方面反映出不整合面的起伏并不大；另一方面說明研究區東部馬五3+4亞段中大量層狀石膏使下滲淡水趨于飽和。

圖6 富古3井—新富17井馬六—馬五段喀斯特剖面對比圖

5 結論

1）通過恢復不整合之下馬五5亞段標志層的古構造，疊加標志層與不整合面之間的殘留地層厚度，可高精度恢復不整合面的古地貌。該方法避開了利用印模法進行古地貌恢復時的去壓實校正。

2）富縣地區奧陶系不整合面古地貌自南西向北東，從高地、斜坡到洼地。高地出露地層老，最老可達馬五10亞段，地形坡度大；斜坡出露地層變新，主要出露馬五3—馬五1亞段，地層坡度變小，發育有6個殘丘、3條溝槽；洼地出露地層最新，以馬五1亞段和馬六為主，地形平緩。

3）古地貌高地上，地下水以垂直滲流為主，溶蝕特征不明顯，喀斯特深度暫不明確；古地貌斜坡上，地下水以水平潛流為主，溶蝕明顯，產層段馬五1+2亞段形成裂縫-鑲嵌角礫巖，喀斯特深度達馬五5亞段；古地貌洼地上，地下水既有垂直滲流，又有水平潛流?？λ固厣疃冗_馬五3亞段。

4）富縣地區上石炭統沉積前，高地出露面積小，大面積分布巖溶斜坡和洼地。地層傾角小，溝槽將斜坡和洼地切割成若干個殘丘，斜坡上的殘丘是最有利的勘探區域。