鄂北杭錦旗地區山西組高分辨層序格架下沉積充填及砂體展布規律

趙明勝，田景春，張 翔，蘇炳睿

(1.沈陽師范大學，遼寧 沈陽 110034；2.成都理工大學，四川 成都 610059)

0 引 言

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，為一個不對稱的向斜盆地，跨越陜、甘、寧、蒙、晉五省區，總面積達23×104km2，是華北板塊與其四周的古太平洋、特提斯洋、古祁連洋、古亞洲洋及古秦嶺洋互相作用的結果[1]。杭錦旗地區位于鄂爾多斯盆地北部，由于其處于構造高位，目前已在上古生界地層中獲得了良好的工業氣流[2-3]。上古生界地層為一套陸相碎屑巖沉積為主的地層，下二疊統山西組是上古生界一套重要的含煤巖系地層，同時也是一套重要的油氣儲集層[4]。前人對于山西組的高分辨層序地層格架研究少有報道，且對格架下充填序列及砂體的形成環境具有不同的認識。胡永章等[5]在研究杭錦旗地區巖性對油氣藏的控制時認為山西組砂體主要形成于沖積扇的環境；薛會等[2]在研究杭錦旗地區構造演化時認為山西期以三角洲—潟湖—潮坪體系沉積為主；朱宗良等[6]在建立杭錦旗地區太原組—下石盒子組層序地層格架時認為山西組為辮狀河沉積；邱隆偉等[7]結合區域地質特征及測井、粒度等資料對杭錦旗地區山西組進行了研究，并認為其具有辮狀河三角州的沉積特征；易非凡等[8]通過巖石類型、沉積構造及測井相等特征研究認為杭錦旗地區山西組砂體沉積于三角洲的環境。以鄂爾多斯盆地杭錦旗地區山西組為研究對象，通過對層序界面的識別，建立了杭錦旗地區下二疊統山西組高分辨層序格架，探討了層序格架下的沉積充填序列其砂體展布特征，為研究區下一步油氣勘探提供指明了方向。

1 地質背景

杭錦旗地區位于鄂爾多斯盆地伊盟北部隆起杭錦旗斷階帶上，勘探面積為9 805 km2，研究區內主要有泊爾江海子斷裂、烏蘭吉林廟斷裂、三眼井斷裂3條東西向大斷裂(圖1)，并控制著區內基底、圈閉形成及地層沉積。受陰山褶皺帶的影響，晚古生帶以前，杭錦旗地區長期處于古隆起的狀態，呈現出北高南低、西高東低的古地貌地形[9]，至晚石炭紀開始接受沉積，并依次形成了本溪組、太原組、石盒子組等上古生界地層。在山西組沉積期，盆地性質轉變為陸相湖盆，沉積環境由海相向陸相過渡，并與華北克拉通統一發育[7]。山西組為一套陸源碎屑巖，主要由砂礫巖、中—粗粒砂巖、細—粉砂巖、泥巖及煤組成，厚度一般為50～80 m。根據巖性及旋回特征，可將鄂爾多斯盆地杭錦旗地區山西組劃分為山1段和山2段，山1段可分為3個小層，分別為S11、S12、S13，山2段可分為2個小層，分別為S21、S22。

圖1 鄂爾多斯北部杭錦旗地區位置

2 高分辨層序地層格架的建立

2.1 界面識別

層序界面的識別是劃分層序的基礎，通過野外露頭、巖心及測井資料的研究，對杭錦旗地區下二疊統山西組長、中、短期層序界面進行了識別，并認為界面的物質表現形式主要有沖刷侵蝕面、巖性巖相轉換面及洪泛面。

(1) 沖刷侵蝕面。在杭錦旗地區山西組層面構造中，沖刷構造是研究區最為發育的不整合類型，可進一步劃分出高幅和低幅沖刷面。高幅沖刷面可作為長期層序界面，在研究區為太原組與山1段、山1段與山2段、山2段與石盒子組的界面，是主河道在擺動過程中，流水對下伏地層的沖刷形成，表現為砂礫巖與下伏泥巖的沖刷接觸；測井曲線上表現為GR和SP突變，地震剖面上表現為反射強度及削截、下超的變化。低幅沖刷面為S11與S12、S12與S13、S21與S22的界面，表現為分流河道對河道間或天然堤的低幅沖刷或弱沖刷面，測井曲線GR及SP與高頻沖刷相比，變化相對較小，地震剖面上表現為小型削截。

(2) 巖性巖相轉換面。巖性巖相轉換面為基準面與水體能量等因素共同作用下形成的[10]。基準面的升降變化導致沉積環境隨之改變，至使界面上下巖性、顏色及巖石疊置樣式發生改變，在杭錦旗地區其物質表現形式為砂礫巖相與中細砂巖相、粉砂巖相與泥巖相、泥巖相與煤巖相等不同巖相之間的接觸，在測井曲線上也會出現響應的測井相轉換面。

(3) 洪泛面。洪泛面是湖進到最高位后湖退形成的弱補償或沉積界面，即基準面由上升到下降的轉換面。具有沉積速率極慢、時間長、厚度薄的特點，是一個層序中最易識別的標志層[11]。不同級別的基準面旋回中均可發育有洪泛面，按其成因可分為長期、中期、短期[12]。長期洪泛面位于層序內部，代表長期基準面持續上升期的進積—退積序列，到下降期的加積—進積序列的相轉換面。測井曲線GR及SP呈現高值和低值，在鉆井巖心中，位于大套泥巖段的中部。中期、短期洪泛面發育規模較長期洪泛面小，測井曲線GR及SP變化幅度較長期洪泛面弱，但中期洪泛面測井曲線變化幅度強于短期洪泛面，在鉆井巖心中，位于水體逐漸變深形成正粒序頂部的泥巖段。

2.2 基準面旋回劃分

根據Cross基準面層序地層學原理[13-14]，結合研究內的鉆井巖心、測井、地震資料，將杭錦旗地區山西組劃分出2個長期(LSC1、LSC2)、5個中期(MSC1—MSC5)及10個短期基準面旋回(SSC1—SSC10)。

(1) 長期基準面旋回。長期基準面旋回是在盆地范圍內，區域基準面旋回的升降過程[15]，相當于Vail的三級層序。LSC1、LSC2旋回分別由2～3個中期旋回疊置而成(圖2)。山1段、山2段分別對應LSC1和LSC2，主要為以上升半旋回為主的不完全對稱型(C1型)，代表基準面持續穩定低幅上升和快速高幅下降的旋回過程。

(2) 中期基準面旋回。中期基準面旋回是受偏心率長周期影響的基準面升降和沉積供給變化形成的[16]，具有完整的水進—水退旋回性，對于地層的等時對比具有重要意義[17]。基于短期基準面旋回的疊加樣式及層序界面的識別，共劃分出5個中期基準面旋回(MSC1—MSC5)，每一旋回由2個短期旋回疊置而成(圖2)。其中，MSC1、MSC2及MSC3分別對應S11、S12、S13小層，以變“深”復變淺的不完全對稱型(C1型)為主要類型，其次為向上變“深”的非對稱型(A2型)；MSC4、MSC5分別對應S21、S12小層，以向上變“深”復變淺的對稱型旋回層序(C1、C2型)為常見類型。

(3) 短期基準面旋回。短期基準面旋回是受米蘭科維奇地球軌道參數中斜率周期影響，并在相似地質背景下形成的由一系列超短期旋回疊加而成的最小地層成因單元[18]，相當于Vail的五級旋回。山西組10個短期基準面旋回(SSC1—SSC10)的疊加樣式多樣(圖2)，發育向上變“深”的非對稱性型(A1、A2型)和變“深”復變淺的對稱型旋回層序(C1、C2、C3型)。其中，變“深”的非對稱性型(A1、A2型)及以上升半旋回為主的不完全對稱型(C1型)最為發育，A1型多發育于中期基準面上升半旋回早期，A2型發育于中期基準面上升半旋回中—晚期。

圖2 鄂北杭錦旗地區山西組J54井高分辨層序綜合柱狀圖

3 高分辨層序格架內的沉積充填序列及沉積充填模式

3.1 沉積充填序列

通過對沉積相標志(顏色、成分、結構、沉積構造、測井等)的識別和研究，山西組為辮狀河三角洲充填沉積。山西組沉積期(LSC1、LSC2)環境較為穩定，經歷了辮狀河三角洲沉積體系的改造，其亞相主要為三角洲平原，并可劃分出辮狀分流河道、越岸沉積、分流間洼地、泥炭沼澤等微相(圖3)。在短期層序格架內，沉積充填序列發育向上變“深”復變淺的對稱型(C1、C2、C3型)及向上變“深”非對稱型(A1、A2型)等類型。其中，C1、A1、A2型為主要類型。C1型由下至上依次由辮狀河道礫巖和粗—中砂巖、越岸沉積細砂巖和粉砂巖、分流間洼地泥巖、泥炭沼澤煤層、薄層辮狀分流河道砂巖組成；A1型由向上變細的辮狀河道砂體組成；A2型由下至上依次由辮狀河道礫巖和粗—中砂巖、越岸沉積細砂巖和粉砂巖、分流間洼地泥巖組成向上加深變細的層序。組成各充填序列沉積微相特征如下。

(1) 辮狀分流河道。辮狀分流河道構成了辮狀河三角洲平原的骨架，具有一般河道的沉積特點，在MSC1—MSC5沉積期均有發育，主要分布于上升半旋回的下部，旋回底部均由河道對該下伏地層的沖刷開始，可見大小不等的泥礫(圖3)。辮狀分流河道內水體能量較強，主要由灰白色、褐灰色巨—中礫巖、粗—中粒石英砂巖、巖屑石英砂巖及巖屑砂巖組成。碎屑顆粒以石英為主，主要為單晶石英，巖屑以變質石英、千枚巖、泥質巖屑為主[19]。碎屑顆粒分選中等，磨圓度一般，以次棱角狀為主，填隙物主要為水云母化雜基、鈣質膠結物和硅質膠結物。發育有沖刷構造、平行層理及大型交錯層理等可指示強水動力沉積構造。其測井曲線主要為箱型或箱形-鐘形的復合型，可進一步識別出主河道和次級分流河道。主分流河道由單一光滑箱形礫巖、砂礫巖組成，次級分流河道由齒化箱形-鐘形粗砂巖—中砂巖組成(圖3)。

(2) 越岸沉積(天然堤和決口扇)。天然堤是河水在洪水期越過堤岸，當河水變淺、流速降低時，在河道外側以片流方式沉積下來形成，在遠離河道外側逐漸變薄[20]，在充填序列中位于上升半旋回的中上部，沉積物主要由細砂巖和粉砂巖、泥巖互層組成。決口扇是洪水期流水沖破堤岸后發育的沉積，沉積物主要以細砂巖、粉砂巖為主。越岸沉積在測井曲線上呈指形。

(3) 分流間洼地和泥炭沼澤。分流間洼地為分流河道之間因地形差異而形成的局限低洼的蓄水或濕地環境，發育于上升半旋回的頂部。巖性主要為泥巖或泥質粉砂巖，部分由砂泥巖薄互層構成，水平層理發育，見植物碎片及黃鐵礦顆粒。當分流間洼地被植被覆蓋，可發育成泥炭沼澤，主要由煤層、煤線和炭質泥巖組成，塊狀層理、水平層理發育。植物化石豐富，且多保存完好，主要為真蕨、種子蕨和楔葉綱為主，是華夏植物群典型分子[21]。分流間洼地和泥炭沼澤自然伽馬和自然電位較高，呈直線形(圖3)。

圖3 杭錦旗地區C1型和A2型充填序列

3.2 沉積充填模式

由于西伯利亞板塊持續向南俯沖推擠，導致華北板塊整體抬升。在山西組沉積期，盆地性質轉變為陸相湖盆，沉積環境由海相向陸相過渡[7]。杭錦旗地區北部的物源區構造活動性增強，碎屑物質供給充足，在LSC1沉積期研究區整體處于填充補齊的充填狀態[8]，主要發育辮狀河三角洲平原，并發育辮狀分流河道和分流間洼地等微相，向南逐漸過渡為辮狀河三角洲前緣(圖4)[22]。辮狀分流河道由北向南攜帶大量的砂、礫，形成由底部礫巖、含礫粗砂巖等組成的滯留河道沉積。LSC2沉積期整體地形較為平坦，由于辮狀河道砂體的遷移改道，形成砂體厚度大，平面連通性較好，河道呈網狀分布的沉積特征。

4 層序格架內的砂體展布特征

因華北地臺整體抬升，鄂爾多斯盆地山西組沉積期沉積環境由海相向陸相過渡，海水從鄂爾多斯盆地東西兩側迅速退出[23-29]，研究區主要發育辮狀河三角洲沉積。分流河道是研究區優選的儲集相帶，考慮油田開發需要，篩選儲集砂體有效厚度大于等于10 m的重點井。結合地震資料，以LSC1和LSC2為編圖單元編制砂體等厚圖。

4.1 LSC1砂體展布特征

山西組LSC1沉積期為辮狀河三角洲沉積，發育古陸、分流河道和洼地等微相。古隆起區發育于研究區北部的J64—J4—Y4、塔拉溝公社—JP1—J26—J15井一帶。研究區發育多支辮狀河道(圖5)，構成了三角洲平原主體，約占研究區的75%。砂體主要分布于分流河道內，分流河道具有由北向南的展布特征，砂體延伸較遠，分流河道之外為洼地微相沉積。

研究區東部的砂體連通性較好，特別是泊爾江海子斷裂兩側，來自研究區北側的4條主河道(杭錦旗—J47—J9—J10、J28—Y26—J68—J7、J84—J38—J54井及海子灣溝—合同廟—J16—J51井)在此匯聚，砂體分布廣、厚度大。研究區西部砂體主要分布在白眼井—J80、Y23—J63井、J31、J86—J85井一線的分流河道內，但由于洼地及泥炭沼澤分隔，砂體連通性較差(圖5)。

圖4 杭錦旗地區山西組辮狀河三角洲沉積模式

圖5 杭錦旗地區山西組LSC1沉積期砂體平面展布

4.2 LSC2期砂體展布特征

該時期繼承了前期的沉積格局，仍為辮狀河三角洲平原沉積(圖6)。古隆起分布面積較LSC1期有所減小，主要分布于J64—J4—M2、Y20—J15井以北一帶。分流河道和砂體走向與LSC1沉積期相一致，由于物源區供應減少，河道規模較山西組LSC1沉積期有所減小，約占研究區的60%，分流間洼地較前期相對發育，但分流河道仍為三角洲平原的主體。

研究區杭錦旗—J87—J78井一線以東，分流河道南北向呈網狀分布，砂體連通性較好，主要分布于J47—J10、J93—J32、J43—J38—Y10、J49—J40、J55—J76、J51—J16井及J22—J23井一線。杭錦旗—J87—J78井一線以西，砂體主要分布于居利—J30—J63、J31、趙家渠—J86井一帶，由于分流間洼地及泥炭沼澤的阻隔，導致分流河道較為孤立、砂體連通性較差(圖6)。

圖6 杭錦旗地區山西組LSC2沉積期砂體平面展布

5 結 論

(1) 山西組共劃分出2個長期、5個中期、10個短期旋回。長期旋回為上升半旋回為主的不完全對稱型(C1型)；中期旋回以上升半旋回為主的不完全對稱型(C1型)、上升與下降半旋回厚度接近相等的近完全—完全對稱型(C2型)以及向上變“深”非對稱型(A2型)為常見類型；短期旋回類型分為向上變“深”的非對稱性型(A1、A2型)、向上變“深”復變淺的對稱型(C1、C2、C3型)。

(2) 通過相標志的識別，杭錦旗山西組(LSC1、LSC2)沉積期經歷了辮狀河三角洲沉積體系的改造，其亞相為辮狀河三角洲平原沉積，并識別辮狀分流河道、越岸沉積、分流間洼地、泥炭沼澤等微相。短期旋回充填序列以C1、A1、A2型為常見類型。C1型由下至上依次由辮狀分流河道礫巖、粗—中砂巖、越岸沉積細—粉砂巖、分流間洼地泥巖、泥炭沼澤煤、薄層分流河道砂巖組成向上變“深”復變淺不對稱的層序；A1型由向上變細的辮狀分流河道砂體組成；A2型由下至上依次由辮狀分流河道砂巖和礫巖、越岸沉積細砂巖和粉砂巖、分流間洼地泥巖或泥炭沼澤煤組成向上加深變細的層序。

(3) 研究區在山西組LSC1沉積期以辮狀河三角洲沉積為特征，辮狀分流河道構成了三角洲的骨架，砂體延伸較遠，具有由北向南展布特征；研究區東部砂體連通性較好，連片發育；研究區西部各分流河道之間由洼地及泥炭沼澤分隔，連通性較差。山西組LSC2沉積期繼承了前期的沉積格局，分流河道和砂體走向與山西組LSC1沉積期相一致，由于物源區供應減少，分流河道規模較LSC1沉積期有所減小、分流間洼地則較前期相對發育，砂體亦呈現研究區東部連片發育、西部相對孤立的分布現象。