構造-沉積格局控制下的砂體展布規(guī)律
——以杭錦旗地區(qū)二疊系為例

張倚安 ，田景春 ，張翔 ，李建 ，楊田 ，張琪沅

（1.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2.成都理工大學沉積地質研究院，四川 成都 610059）

0 引言

鄂爾多斯盆地二疊系發(fā)育多套砂體，其中，下石盒子組盒1段儲層砂體最為發(fā)育，但孔隙度和滲透率低，物性差，在空間展布上具有廣覆式分布的特點［1］。為了進一步勘探及開發(fā)動用鄂爾多斯盆地致密低滲氣藏，亟需了解此類氣藏的儲層砂體特征。前人研究成果表明，在鄂爾多斯盆地構造演化方面，古亞洲洋與華北板塊呈剪刀狀拼合［2］，不同地貌演化階段形成不同的砂體空間結構［3］，區(qū)內泊爾江海子斷裂在山西期活動增強，對杭錦旗地區(qū)的天然氣成藏及分布起到控制作用［4］。在盆地以北的內蒙古大青山地區(qū)地層中發(fā)現(xiàn)了多個火山事件層，證明了火山活動的存在［5］。對盆地東部及中部物源分析結果顯示，山西組—下石盒子組物源主要來自盆地北緣的陰山古陸［6-7］。在鄂爾多斯盆地沉積演化方面，山西期—下石盒子期盆地沉積環(huán)境由海轉陸，下石盒子組主要發(fā)育河流相及三角洲相，也發(fā)育沖積扇相［8-10］，盒1段發(fā)育大面積砂體，整體呈網(wǎng)毯狀分布［1］。

針對杭錦旗地區(qū)上古生界構造活動與沉積體系的聯(lián)系及二者的相互影響，以及構造-沉積格局對砂體展布的控制作用方面，尚未取得較多的研究進展。本文利用巖心樣品分析及測試資料，采用統(tǒng)計學方法對研究區(qū)目的層砂體特征進行了深入研究，在此基礎上，綜合前人成果，詳細闡述了構造-沉積格局對砂體展布的控制作用，明確了研究區(qū)目的層砂體展布規(guī)律。

1 構造格局對砂體展布的控制作用

1.1 構造背景

研究區(qū)位于伊盟隆起與伊陜斜坡交會處，以近東西向的泊爾江海子斷裂為界，其北部位于杭錦旗斷階帶之上，南部位于伊陜斜坡北緣（見圖1［11］）。

圖1 杭錦旗地區(qū)構造位置及地層特征

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，構造穩(wěn)定，稍微向西傾斜。其演化過程主要受到北緣古亞洲洋板塊、南緣—西南緣秦嶺海槽及其派生的賀蘭拗拉槽的擴張、俯沖消減控制［2］。早二疊世山西期，古亞洲洋板塊向南俯沖，華北地塊整體抬升，盆地南北差異升降增強，華北海整體表現(xiàn)為海退趨勢，盆地類型由陸表海轉變?yōu)榻＿吘壟璧兀?2］（見圖2a［1］）。早二疊世下石盒子期，興蒙海槽西段褶皺關閉，華北地塊北部強烈構造抬升，前寒武紀變質巖基底隆升剝蝕［13］。陰山造山帶為幕式造山，且活動性增強［14］。西伯利亞板塊基本保持穩(wěn)定，華北板塊向北漂移，盆地北緣陸地與陸地碰撞程度加深，古亞洲洋板塊及華北板塊呈剪刀狀拼合，向盆地提供充沛的碎屑物質（見圖2b［1］），這一過程從石炭紀一直持續(xù)到三疊紀才完全拼合［2］。自二疊紀開始，盆地內古亞洲洋板塊向華北板塊強烈俯沖消減［15］，隨著二者拼合過程的加劇，火山活動的強度也在發(fā)生變化。物源區(qū)構造運動極大程度上控制著其自身沉積物種類，隨著構造抬升，其物質在重力作用下被搬運到地勢相對較低的盆地內部而沉積下來。盆地下石盒子期沉積的大多數(shù)物質都是陸源碎屑，這一方面說明了沉積環(huán)境的轉變［16］，另一方面也表明西伯利亞板塊俯沖消減的加快，使得北方物源區(qū)的造山運動增強［5］。

圖2 鄂爾多斯盆地北部山西期—下石盒子期構造格局

1.2 構造演化對砂體發(fā)育的控制作用

1.2.1 控制砂體的巖石構成

杭錦旗地區(qū)山西組主要發(fā)育中—粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖。其中，巖屑主要為變質石英巖、燧石、千枚巖和泥巖巖屑等（見圖3a）。整體上，石英體積分數(shù)較高（大于72%），巖屑次之（小于28%），長石較低（小于4%）。下石盒子組主要發(fā)育不等粒巖屑石英砂巖及巖屑砂巖，其次為石英質砂礫巖及不等粒鈣質石英砂巖，可見細—中粒巖屑長石砂巖（見圖3b—3f）。石英體積分數(shù)在58%～80%，巖屑體積分數(shù)在7%～40%，長石體積分數(shù)在2%～10%。

圖3 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組儲層巖石學特征

對比砂巖組分，可以看出：1）盒1段石英體積分數(shù)有所減小，長石和巖屑（火成巖巖屑、泥巖巖屑）體積分數(shù)增大；2）盒1段砂巖成分成熟度（石英體積分數(shù)/（長石體積分數(shù)+巖屑體積分數(shù)））為4.23，山2段砂巖成分成熟度為7.20，高于盒1段；3）山2段砂巖填隙物主要為碳酸鹽礦物、黏土礦物及硅質膠結物，盒1段砂巖填隙物以黏土礦物、硅質膠結物為主，部分含有鈣質、鐵質及凝灰質膠結物［6］（見圖3f），而凝灰質膠結物的存在，表明盒 1段沉積期存在較強的火山作用［14］；4）山2段及盒1段砂巖中石英陰極發(fā)光顏色大部分為暗藍色，少數(shù)不發(fā)光或呈暗棕色，體現(xiàn)變質巖源區(qū)的特征（見圖4）。前人認為，盆地北緣砂巖中的石英顆粒大部分來自北部物源區(qū)的再旋回造山帶的石英［6-7］，杭錦旗地區(qū)受北部物源區(qū)的控制程度高。

圖4 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組巖石薄片陰極發(fā)光特征

1.2.2 控制砂體的成因類型

山西期，研究區(qū)主要發(fā)育三角洲平原亞相沉積（見圖5），砂體主要為水下分流河道砂體。盆地北緣持續(xù)穩(wěn)定的構造運動及風化剝蝕作用所產(chǎn)生的沉積物對早期河道進行填平補齊，使得山1段沉積晚期的盆地內古地形逐漸變得平緩［10，17］。山2段沉積期構造運動的強度持續(xù)增加，物源供給充足，在山1段平緩古地形的基礎上，山2段主要發(fā)育三角洲平原亞相沉積，水下分流河道寬，砂體較山1段更厚，延伸更遠，但優(yōu)質儲層分布面積較小。其中：水下主分流河道砂體在測井曲線上呈光滑箱形特征，沉積物粒度粗，巖性主要為含礫粗砂巖或粗砂巖；水下次級分流河道砂體在測井曲線上呈齒化箱形、齒化鐘形，巖性主要為中—粗砂巖及細—中砂巖［16］。

圖5 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組砂體成因類型

下石盒子期，盆地北部構造運動更為強烈，火山作用頻發(fā)，地形抬升幅度加大，物源區(qū)供給能力進一步加強，河流下切作用加強，因此河道砂體厚度增大，但側向寬度減小。在繼承山2段平緩古地形條件下，下石盒子組發(fā)育沖積扇及辮狀河相砂體［1］。其中：盒1段主要為沖積扇相帶的辮狀河道微相砂體；盒2段、盒3段主要為辮狀河相的高能/低能心灘微相砂體。高能心灘微相砂體巖性為礫巖、含礫粗砂巖，測井曲線呈疊置、光滑箱形特征；而低能心灘微相巖性為粗砂巖、中—粗砂巖，測井曲線呈齒化箱形、齒化鐘形特征。高能心灘微相砂體儲集性能最好，辮狀河道和低能心灘微相次之。研究區(qū)探井中—高能心灘微相砂體發(fā)育較多，其巖性多為含礫粗砂巖、粗砂巖、不等粒砂巖，發(fā)育粒間孔、高嶺石晶間孔，泥質填隙物相對較少。

1.3 構造演化對沉積相的控制作用

盆地的構造演化過程是個復雜的非均一過程，不同的演化階段對盆地沉積體系產(chǎn)生深刻的影響，構造作用也控制著盆地的沉積充填過程和沉積物的空間分布［18］。鄂爾多斯盆地北緣山西期—下石盒子期的構造演化過程總體概括為：華北板塊北緣與西伯利亞板塊碰撞程度的逐漸增強，導致構造運動與火山活動的增強，進而影響到盆地內沉積環(huán)境及沉積物特征。太原期，華北地臺下沉［12］，華北海的海侵海退頻繁，在古氣候與構造演化控制下，盆地內多為潟湖、潮坪、碳酸鹽臺地或三角洲沉積環(huán)境［19］。山西期，氣候與前期變化不大，華北地塊整體抬升，南北差異升降加劇，華北海迅速退出盆地［12］，東西差異逐漸消失。盆地類型由海相轉陸相，演變?yōu)榻＿吘壟璧兀饕l(fā)育三角洲平原亞相沉積。下石盒子期，北部構造運動加劇，使得盆地北緣阿拉善、陰山古陸進一步抬升，坡度變陡。與山西期相比，構造格局發(fā)生了明顯變化［12］，海水已經(jīng)基本退出盆地，氣候干旱，季節(jié)性水系異常活躍［19］，盆地類型轉變?yōu)殛懴嗪瑁辈课镌磪^(qū)提供了充足的物源，伴隨湖平面升降，盆地內主要發(fā)育沖積扇-辮狀河復合沉積相。

2 沉積格局對砂體展布的控制作用

2.1 控制垂向上砂體疊置關系

山西期—下石盒子期主要發(fā)育三角洲、沖積扇及辮狀河3種沉積相（見圖6）。山西期，主要發(fā)育海陸過渡相三角洲沉積，其中，山2段砂體厚度薄，泥巖相對較多，以盆地內平緩的古地形為背景，伴隨海平面小范圍起落及河流下切作用形成的河道砂體，在垂向上表現(xiàn)為厚度不大、分布范圍較大的薄層砂體與厚度較大的泥巖互相疊置，彼此交切作用不強。下石盒子期，主要發(fā)育陸相沉積，早期主要發(fā)育沖積扇-辮狀河的復合沉積，之后向曲流河沉積轉化。其中，盒1段沖積扇沉積較為廣泛，河道砂體厚度大，寬度較小，巖性為厚層砂巖夾泥巖，垂向上呈現(xiàn)出分布范圍較窄，心灘或辮狀河道砂體與泛濫平原、片流或河道間泥巖疊置，河道橫向上擺動頻率較大，彼此交切作用較強等特點。

2.2 控制平面上砂體的展布范圍

在山西期晚期的填平補齊作用下，盆地內古地形坡度整體變平緩［12］，沉積物在平緩的地形搬運、卸載，沒有明顯的沉積中心［17］。由圖6可知：山西期，主要發(fā)育三角洲平原亞相水下分流河道沉積，河道砂體延伸方向為近南北向，寬度較大，主要發(fā)育在研究區(qū)中部及東部，但厚度較小。在物源充足的情況下，湖岸線南移，使得北部出現(xiàn)小范圍陸上沉積，辮狀河三角洲平原沉積范圍向南推進，主體位于研究區(qū)北部的錦65井—錦28井—錦38井—錦37井—錦83井一帶。下石盒子期，整體以沖積扇-辮狀河復合沉積為特征，主要集中在研究區(qū)西部、中部與東部，多期次的河道砂體交織疊置，平面上呈網(wǎng)毯狀分布［1，17］，河道橫向寬度減小，砂體厚度增大。其中：橫向上，西部和東北部發(fā)育小范圍沖積扇沉積；縱向上，在盒1段下部主要發(fā)育沖積扇沉積，上部為辮狀河沉積。

3 砂體展布規(guī)律

3.1 垂向疊置特征

山西期—下石盒子期，鄂爾多斯盆地北部物源區(qū)供給能力增強，河流作用活躍，搬運的碎屑物質大幅增多。受古地形、物源區(qū)沉積物供給能力的影響，各地區(qū)河流砂體成因類型及其在垂向上的沉積特征存在較大差異。山2段主要發(fā)育水下分流河道砂體，巖性主要為砂礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖等，垂向上表現(xiàn)為水下分流河道、泛濫平原與泥炭沼澤的疊置組合。由圖7可以看出：1）山2段地層厚度及砂體厚度較小，砂體在南北向上連續(xù)性較好，沉積環(huán)境與物源供給較穩(wěn)定，從南到北基本上都有分布。2）盒1段地層厚度及砂體厚度明顯增大，整體表現(xiàn)為厚層砂巖夾薄層泥巖的特征。盒1段主要發(fā)育沖積扇、辮狀河砂體。沖積扇砂體以辮狀河道微相砂體為主，巖性主要為礫巖、砂礫巖、粗砂巖；而辮狀河砂體以心灘微相砂體為主，巖性主要為分選不好的含礫粗砂巖、細—粗砂巖。

圖7 杭錦旗地區(qū)山2段—盒1段連井地層對比剖面

3.2 平面展布規(guī)律

在鄂爾多斯盆地構造運動的控制下，山西期晚期砂體平面上呈條帶狀近南北向延伸。下石盒子早期盆地北部構造運動增強導致古地形隆升，進而使得河流下切作用增強，砂巖成分成熟度降低；砂體延伸方向為近南北向，側向呈網(wǎng)毯狀分布（見圖8）［10，17］。

山2段沉積期，構造活動穩(wěn)定，物源區(qū)供給能力強，沉積物快速堆積，使得水體變淺，盆地內可容空間逐漸減小，北部出現(xiàn)小范圍水上沉積。砂體平面上呈條帶狀延伸，厚度為4～12 m，最大可達14 m，全區(qū)分布較為穩(wěn)定（見圖8a）。其中，山22亞段沉積期延續(xù)了山21亞段沉積期的砂體展布特征，厚度有所增加，盆地中部及東部的錦66井—錦72井區(qū)分流河道更寬，沉積砂體更厚。盒1段沉積期，僅西北部發(fā)育小范圍古隆起，右側古隆起不再發(fā)育，河道延伸穩(wěn)定，平面上呈條帶狀延伸，側向相連，似網(wǎng)狀分布，砂體厚度大于10 m，局部地區(qū)達16 m。其中：盒11亞段沉積期，研究區(qū)西部錦58井區(qū)發(fā)育心灘微相沉積，中部及東部辮狀河沉積分布較廣泛，河道砂體寬度不大，但厚度較前期增大，且分布穩(wěn)定；盒11—盒12亞段沉積期，沉積格局未變，屬沖積扇-辮狀河復合沉積，砂體在橫向上的展布特征略有改變。由圖8b可以看出：各小層砂體延展方向都為近南北向，并沒有太大變化；受各地沉積環(huán)境不同影響，形成了不同成因類型砂體［20-28］。

圖8 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組砂體平面展布特征

4 結論

1）山西期—下石盒子期，盆地北緣發(fā)生的構造運動導致盆地南北差異升降程度進一步加大，火山頻發(fā)，物源區(qū)的物質供給能力加強，這些因素共同作用，對盆地內砂體的發(fā)育情況及沉積相的變化起到一定的控制作用。

2）山西期—下石盒子期，沉積環(huán)境由海陸過渡相轉變?yōu)殛懴喹h(huán)境，山西期主要發(fā)育三角洲相沉積，下石盒子期主要發(fā)育沖積扇-辮狀河復合沉積，并最終向曲流河沉積轉化。垂向上，通常表現(xiàn)為三角洲平原沉積上覆沖積扇、辮狀河沉積，或者二者疊置組合沉積；平面上，下石盒子期在繼承了山西期砂體分布特征，之后，進一步擴大了砂體的分布范圍。

3）受構造運動及沉積格局的控制，砂體延伸方向都為近南北向，山2段—盒1段砂體厚度明顯增加。山2段砂體主要表現(xiàn)為條帶狀延伸，順延伸方向砂體寬度較大，但厚度較小；盒1段砂體延伸方向不變，砂體寬度減小，厚度明顯增加，平面上呈網(wǎng)毯狀分布。