鄂爾多斯盆地奧陶系地層劃分與對比研究

趙振宇，孫遠實，李程善，張 慶

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083;2.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

鄂爾多斯盆地奧陶系地層劃分與對比研究

趙振宇1，孫遠實1，李程善2，張 慶2

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083;2.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

奧陶紀鄂爾多斯盆地受華北海、興蒙洋、秦祁洋以及賀蘭海多重影響，沉積格局十分復雜，單一的地層劃分與對比方法難以建立全盆地年代等時地層格架。在借鑒國、內外海(陸)相地層劃分與對比方法基礎上，結合鄂爾多斯盆地奧陶系自身特點，建立了一套適用于該區的地層劃分與對比技術流程。該技術流程共5個模塊(簡稱“五步法”)，其中古生物地層是基礎，重要地質事件是標志，層序界面識別是關鍵，地球化學數據是補充，井-震結合一體化解釋是核心。應用該套技術流程對盆地奧陶系地層進行了重新劃分與對比。結果顯示，奧陶系主要發育3統6階，其中冶里組和亮甲山組對應下統特馬道階，馬一段—馬三段對應下統弗洛階，馬四段和馬五段下部對應中統大坪階，馬五段上部和馬六段對應中統達瑞威爾階，平涼組對應上統桑比階，背鍋山組對應上統凱特階，盆地普遍缺失上統赫南特階。

鄂爾多斯盆地;奧陶系;地層劃分與對比

1 概況

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西南部，是中國第二大沉積盆地，橫跨陜、甘、寧、蒙、晉5省區，盆地本部面積約為25×104km2。盆地現今構造較為單一，但古構造不同于現今構造。奧陶紀盆地處于被動大陸邊緣與主動大陸邊緣轉型過渡期，致使該區內部及周緣不同構造古地理環境下地層沉積特征差異較大［1-4］。不僅古地理環境復雜，而且地質事件頻繁，發生過生物、物理、火山、化學事件和突變沉積事件等［5-6］。這使得不同地層分區間很難建立清晰、準確的年代等時地層格架。自20世紀50年代以來，奧陶系先后經歷了3統6階、2統8階和4統6階3種劃分方案，截至2008年，全國地層委員會出臺了3統7階的劃分標準，但各階命名和古生物特征仍與國際標準存在諸多差異［7］。另外，各地層小區(盆地西緣地層、東部地層小區和南緣地層小區)地層命名冗雜，10余套層組近50個命名，致使不同地層小區內與小區間組、段劃分對比存在較大差異與分歧［8-12］。

鄂爾多斯盆地奧陶系一直存在地層劃分與對比問題，單一的劃分對比方法難以建立全盆地年代等時地層格架。長期以來，按照陸相碎屑巖的研究思路和方法研究碳酸鹽巖，雖然取得了一些成果，但也存在諸多不足。隨著中國海相碳酸鹽巖研究的逐步深入，在綜合應用地質、地球化學、地球物理資料的基礎上，受全息地層對比方法啟發，建立了一套適用于復雜海相環境的地層劃分與對比技術流程(圖1)，其中古生物地層對比是基礎，通過與國際標準化石帶和區域化石帶進行系統對比，可以初步建立年代地層序列;重要地質事件是標志，通過對一些特殊地質事件的識別，可以建立區域乃至全球的年代對比標志層，進而間接界定地層年代和進行區域對比;層序界面識別是關鍵，通過各級層序劃分與對比，可以初步建立較高精度的等時地層格架;地球化學數據是補充，通過不同種類地球化學數據測試分析，可以進一步彌補和修正古生物、事件、層序所建立的年代等時地層格架;井-震結合對比是核心，特別是對于油氣勘探開發盆地，通過大規模井-震結合一體化解釋，可以建立盆地高精度等時地層格架網。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系地層劃分與對比技術流程

2 古生物地層是基礎

目前國際上主要應用筆石、牙形石、三葉蟲、浮游有孔蟲、菊石(主要集中在中生界)等進行地層對比和半定量測年，其中奧陶系主要為筆石和牙形石，并在中國華南地區建立了3個金釘子剖面(世界上奧陶系共有7個金釘子剖面)［13-15］。

盡管近20 a來，強調牙形石與筆石等浮游生物群在地層劃分與對比中的重要性，但實際上華北地臺與國外其他地區的準確對比仍不是很清楚，甚至與華南深水相標準筆石帶的對比也有一定困難，主要原因是華北臺地相中發現的標準化石很少，缺乏可對比性。雖然華北地臺下古生界地層相對一致，但不同構造背景下地層發育也存在差別，尤其是邊緣地區，僅依靠巖石地層單位對比是有困難和局限的，往往造成穿時和其他相關問題［8-9］。通過古生物地層對比，初步實現了鄂爾多斯盆地奧陶系與2013年國際地層委員會最新公布的奧陶系年代劃分方案的對接(圖2)。圖2中生物化石帶由文獻［8-9］和文獻［16-28］綜合整理而得，各生物地層單元類型為延限帶。圖2中，3個化石帶與國際生物化石帶相對應(筆石C.bicornis和N.gracilis，牙形石P.serra)，主要為桑比階(S2和S1)和達瑞威爾階(D3);2個化石帶與北美中大陸化石帶相對應(牙形石P.undatus和B.confluens)，主要為凱特階(Ka1和Ka2);3個化石帶與北大西洋化石帶相對應(牙形石E.suesicus、L.variabilis和P.originalis)，主要為達瑞威爾階(Da1和Da2)和大坪階(Dp2)。通過上述對比可以看出，盆地奧陶系近60%的地層年代基本確立，其中上統包括盆地西緣的蛇山組、公烏素組、拉什仲組、烏拉力克組，盆地南緣的背鍋山組和平涼組，盆地內部缺失;中統包括盆地西緣的克里摩里組和桌子山組，盆地南緣和內部的馬六段、馬五段和馬四段;下統包括盆地西緣的三道坎組，盆地南緣和內部的馬三段、馬二段、馬一段、亮甲山組和冶里組。從圖2可以看出，盆地上統各套地層可以對應到化石帶，界線基本清楚。中統桌子山組和馬四段下部缺少可直接對比的生物化石帶，下界不能確定，誤差小于一個化石帶。下統各套地層對比誤差最大，通常大于一個化石帶，安太庠等［8-9］研究認為，牙形石A.leptosomatus、S.eburnus和L.dissectus至少對應Fl2下界，但具體不詳，其他下伏地層未能與國際和區域標準化石帶相匹配，因此，具體對應關系暫不能定。

3 重要地質事件是標志

在達瑞威爾期末和桑比期，發育大規模的火山活動達10余次，其中最大規模發生在達瑞威爾期末［29-32］，并沉積了約50 cm的火山凝灰巖，該套地層在盆地西緣和南緣的殘留地層中廣泛分布，成分主要為火山碎屑(80%)、陸源石英(10%)和雜基(10%)［33］。

該套凝灰巖之所以能作為區域對比標志層，不但在鄂爾多斯盆地廣泛分布，在當時全球范圍內的其他板塊也廣泛發育，如岡瓦娜大陸、勞倫大陸、波羅的海板塊、華南板塊和華北板塊等都具有大量報道［29-32］。這些火山凝灰層為恢復該時期的構造古地理環境提供了有利借鑒。達瑞威爾期末，聯合古陸開始解體，各大板塊相繼拆離，鄂爾多斯盆地位于華北板塊邊緣，受周緣火山活動影響，沉積了一套較厚的火山凝灰巖［33］。至烏拉力克早期，火山活動頻率達到高峰，盆地周緣斷層由盆地外緣向盆地內部活動加劇，因而沉積了多套薄層狀的火山凝灰巖。可以說，這套具有全球標志特征的火山凝灰巖，為有效劃定地質時代提供了較為準確的時間標尺，特別是對于野外剖面地層的識別和劃分，具有重要意義。

隨著同位素地質年齡測定技術的發展和應用，對火山巖類進行精確測年已經成為現實，主要方法有U-Pb、Ar-Ar、Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法和(UTh)/He法等［34］。晚于寒武紀的年輕地質體，近年來已獲得了大量的年齡數據，在構造演化、“金釘子”時代確定以及生物進化等方面取得了重要進展。由于鄂爾多斯盆地西緣和南緣在達瑞威爾階和桑比階具有較好的生物化石帶控制以及突變的巖性界面，因此，火山灰測年一直沒有被提上日程，只有少數學者［33］在早期進行了礦物成分測試以及大地構造背景分析等。除了生物突變和火山噴發，還可應用地殼升降運動、氣候異常、地磁極倒轉、海平面升降和地球化學條件突變等進行地層劃分和對比［6，35-36］。

圖2 鄂爾多斯盆地與國際及區域標準生物帶地層對比關系

4 層序界面識別是關鍵

通過對鄂爾多斯盆地奧陶系野外基干剖面和輔助剖面的詳細觀測可知，層序界面的表現形式主要有6種［37-47］，分別為古風化殼(地殼表層巖石經長期風化作用所形成的分布于地殼表層的殘積物)、古喀斯特(地質歷史時期發育并被后來沉積物所覆蓋的古巖溶作用面)、斜坡重力流沖刷侵蝕面(臺地邊緣垮塌或斜坡侵蝕作用形成的不規則界面)、盆地內濁流侵蝕面(相對海平面快速下降時盆地內發育的濁流對前期沉積沖刷侵蝕所形成的不規則界面)和巖性、巖相轉換面。鄂爾多斯盆地奧陶系綜合柱狀圖，各層序界面分布及特征如圖3所示。

圖3 鄂爾多斯盆地奧陶系地層綜合柱狀圖及層序界面特征

古風化殼主要發育在寒武系、冶里組分界(圖3中SB9)和亮甲山組、馬一段分界(圖3中SB7-1，2)，古喀什特主要發育在馬五段、馬六段(克里摩里組)分界(圖3中SB5)，這三大界面在野外和地震剖面上均較容易識別，為全盆地層序地層劃分對比奠定了基礎。斜坡重力流沖刷侵蝕面主要分布在馬六段(克里摩里組)、烏拉力克組(平涼組)分界(如圖3中SB4)和平涼組、背鍋山組分界(圖3中SB2)，其中烏拉力克組(平涼組)底部首先發育2～3m的斜坡垮塌灰礫巖重力流，之后突變為泥巖和微晶灰巖互層(圖3中SB4)。

至背鍋山期，盆地周緣板塊加速匯聚碰撞抬升，致使盆地周緣發育多期斜坡重力流，特別是盆地南緣保存完好，礫石懸浮于泥巖基質中，直徑為5～50cm不等，屬重力流近源沉積。深水濁流侵蝕面主要發育在烏拉力克組、拉什仲組分界(圖3中SB3)，拉什仲期盆地西緣受伊盟古陸、阿拉善古陸、華西古陸運動以及古氣候變化多重影響，普遍發育深水濁流沉積，因此，濁流侵蝕面為二者地層界線的有力佐證。巖性、巖相轉換面主要發育在馬一段、馬二段分界，馬二段、馬三段分界，馬三段、馬四段分界(圖3中SB6)，馬四段、馬五段分界以及亮甲山組、冶里組分界(圖3中SB8)。作為地層對比中應用最為普遍的一種界面形式，其受局部沉積環境影響較大，同時又具有多解性，因此，需結合其他類型的層序界面綜合分析，以免出現穿時。

圖4 鄂爾多斯盆地與全球標準剖面穩定同位素對比

5 地球化學數據是補充

研究區碳氧穩定同位素負向漂移有2種成因。

(1)在封閉、局限環境里形成的灰巖和白云巖具有較低的δ13C值，因為生物成因的CO2氣體不易散發，然而蒸發作用會將大量的16O帶走，使18O相對富集。這種信息對于研究沉積環境，尤其是缺少化石的沉積相分析和地層劃分對比顯然十分有用。鄂爾多斯盆地與全球標準剖面穩定同位素對比見圖4，圖中左側紅色曲線為國際地層委員會2008年公布的奧陶系標準碳同位素曲線［26-27］，山西臨汾剖面和河津西磑口剖面中的馬一段、馬三段和馬五段就屬于此種類型，表明受局限環境影響。

(2)在正常海相沉積中δ18O和δ13C值都較淡水相重，但當海相碳酸鹽巖地層出現δ18O和δ13C值負向漂移時，則多與大氣淡水風化淋濾有關。其中馬一段、亮甲山組，馬二段、馬三段，馬五段、克里摩里組以及烏拉力克組、拉什仲組界線處，均出現淺水暴露以及大氣淡水影響所致的同位素負向漂移。

由圖4可知，通過碳同位素對比，冶里組與亮甲山組均位于特馬道階，且亮甲山組底界位于Tr2中部，與全球海平面上升相對應。馬一段、馬二段和馬三段均位于弗洛階，具體界面對應關系如圖4所示。馬四段位于大坪階，馬五段跨越2個階，上部延伸至達瑞威爾階下部。其他組、段與國際標準剖面的對應關系與古生物地層、層序地層和事件地層的對比結果基本一致。通過與國際標準剖面碳同位素曲線和全球海平面變化曲線相比較［26-27］，能夠較為精確地標定各組、段的時間界線，基本誤差小于一個時，有效彌補了因古生物缺失和不同級別層序界面對比混亂而帶來的影響。

6 測井-地震結合對比是核心

在鄂爾多斯盆地，由于奧陶系二維地震資料品質較差和相鄰測線難以閉合的緣故，建立盆地等時地層格架網主要依靠測井曲線。通過前4步的研究，基本建立了盆地地層劃分與對比的標準剖面，接下來的任務就是建立井-震一體化連井剖面，進而明確測井曲線、地震數據體與層序界面和沉積體間的空間對應關系，建立較為精確的地質模型，從而真正了解盆地內部的沉積分布狀況。

多年來，碳酸鹽巖地層對比中測井曲線的選擇一直是難點，沒有定律可循，需根據不同沉積環境和沉積物類型的變化而變化。特別是大套灰巖或白云巖地層，傳統的Pe和GR、SP曲線無法有效識別，因此，要借鑒其他曲線對該區地質環境的敏感響應，例如AC、RLLD和RLLS以及U-TH-K組合等。在研究區，Pe和GR、SP曲線的地質響應特征與其他盆地類似，不再贅述，下面主要介紹AC、RLLD和RLLS曲線在地層劃分與對比中的一些潛在特性。

首先，有效區分巖性、巖相轉換面。AC和RLLD和RLLS曲線在劃分馬四段與馬五段地層界線時具有較好的效果。定探1井馬四段與馬五段經過后期成巖作用改造，表現為大套白云巖，Pe和GR、SP曲線在二者界面無明顯反應，所以該套地層也曾一度劃分為馬四段，致使定探1井區靠近古隆起附近出現了較厚的地層沉積，這與當時的古地理環境相悖。根據古地理環境恢復可知，定探1井區附近主要為局限海沉積，馬四段巖性主要為局限海生物顆粒灘相白云巖和云灰巖，馬五段主要為局限海含膏紋層云巖和灰云巖，二者界面為巖性、巖相轉換面。在其他曲線無明顯反應的情況下，AC、RLLD和RLLS曲線卻出現了界面突變，有效地識別了二者的界線。上述情況的出現，可能與2種因素有關:一是上述3種曲線對地層巖性變化較為敏感，特別是少量石膏類礦物的存在;二是馬五段底界可能存在膏模孔。但如果是后者，通常RLLD和RLLS曲線會出現正幅度差，且垂向深度較大。

其次，能有效劃分古風化殼或古喀斯特。RLLD和RLLS曲線在識別古風化殼方面也顯示出了前所未有的潛質。寒武系上部三山子組和冶里組之間存在沉積間斷，并在盆地大范圍內發育古風化殼和古喀斯特，但這一界面在部分井段的Pe和GR、SP曲線中較難識別，變化幅度弱且特征不明顯，但RLLD和RLLS曲線幅度差的出現開辟了一條新的途徑，并在盆地其他井地層劃分對比中發揮了積極作用。

海相盆地井-震結合是必不可少的一種技術手段，特別是在勘探初期，對于了解井間地層變化趨勢以及恢復古地理邊界具有良好的效果。通過井-震結合一體化解釋，基本建立了盆地及周緣的等時地層格架網，全面厘定了盆地內各個分區的地層劃分及對應關系［27］，主要包括2個二級層序和8個三級層序，盆地內各組、段對應關系如圖5所示。建議保留地層命名如下:盆地中東部主要發育冶里組、亮甲山組和馬家溝組(馬一段—馬六段)，以白云巖—膏鹽巖沉積為主;盆地西部主要發育三道坎組、桌子山組、克里摩里組、烏拉力克組、拉什仲組、公烏素組和蛇山組，以臺地灰巖—深水巖系為主;盆地南部主要發育冶里組、亮甲山組和馬家溝組(馬一段—馬六段)、平涼組和背鍋山組，以臺地灰巖—深水巖系為主。

7 討論

在借鑒國、內外海(陸)相地層對比方法基礎上，同時結合鄂爾多斯盆地奧陶系自身特點，總結并建立了一套適用于復雜海相環境下的地層劃分與對比技術流程，主要包含5個模塊，簡稱“五步法”，依次為古生物年代地層模塊、事件年代地層模塊、層序等時地層模塊、地球化學年代等時地層模塊和井-震等時地層模塊。

圖5 鄂爾多斯盆地各分區地層劃分與國際標準劃分方案的對應關系

古生物年代地層模塊:古生物研究是盆地地層劃分與對比的前提和基礎，通過與研究程度較高地區進行跨界對比，即與國際或者區域標準化石帶進行系統對比，可以初步建立研究區與對比區之間的古生物地層對比關系，進而間接確立地層年代序列。從古生物對比來看，可以建立不同區域乃至全球范圍內的地層劃分對比與定年，適用于地質條件復雜、地球物理資料匱乏和研究程度較低的地區，因此，古生物地層對比是基礎，為初步確定大套地層年代序列提供了重要依據。

事件年代地層模塊:通過一些特殊地質事件的識別，例如板塊匯聚、火山活動、天體撞擊、冰川消融等，可以建立區域乃至全球的對比標志層，進而間接界定研究區的地層年代和進行區域對比。可以說，事件地層學既具高分辨率，又具靈敏性，不受盆地大小和地質條件的限制。

層序等時地層模塊:通過各級層序界面的識別和層序的劃分與對比，特別是海相大套碳酸鹽巖地層，理論上可以建立起準層序—準層序組—層序或者短期—中期—長期的多級地層對比關系，但在現有技術條件和資料條件下，通常只能初步建立起三級及其以上精度的等時地層格架，大規模高精度應用于盆地難度仍然很大。特別是低級別層序的劃分，同一套地層往往具有多種劃法，這與目前國際上層序地層模式多樣化及層序邊界界定多元化有關。

地球化學年代等時地層模塊:地球化學數據是補充，通過不同種類地球化學數據測試分析，可以進一步彌補和修正古生物、事件、層序所建立的年代等時地層格架。其中元素與同位素地球化學在地層劃分與對比中應用最為廣泛，具有定年和等時對比的雙重作用。但由于該方法需要樣品數量巨大，能否系統取樣與分析測試成本受到較大限制，因此，只能作為盆地高精度地層劃分與對比的補充。

井-震等時地層模塊:井-震結合對比是核心，特別是油氣勘探開發盆地，通過大規模井-震一體化解釋，同時結合巖相法、地層厚度法、旋回對比法等，最終建立起盆地高精度年代等時地層格架網。

8 結論

(1)“五步法”各模塊循序漸進，由年代地層格架(古生物地層模塊和事件地層模塊)—等時地層格架(層序地層模塊)—年代等時地層格架網(地球化學模塊和井-震地層模塊)，不僅明確了各模塊在地層研究工作中的作用和意義，同時也規范了各流程間的操作順序，可對類似盆地的地層研究工作提供指導和借鑒。

(2)通過鄂爾多斯盆地地層對比最終實現了與國際標準地層劃分方案的接軌，其中冶里組和亮甲山組對應特馬道階，馬一段—馬三段對應弗洛階，馬四段和馬五段下部對應大坪階，馬五段上部和馬六段對應達瑞威爾階，平涼組對應桑比階，背鍋山組對應凱特階，普遍缺失上統赫南特階。

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編輯劉兆芝

TE121.3

A

1006-6535(2015)05-0009-09

20150601;改回日期:20150716

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”項目“四川、塔里木等盆地及鄰區海相碳酸鹽巖大油氣田形成條件、關鍵技術及目標評價”(2011ZX05004)

趙振宇(1980-)，男，工程師，2004年畢業于石油大學(華東)資源勘查專業，2009年畢業于中國石油大學(華東)地球化學專業，獲博士學位，現從事油氣勘探工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.002