王香增等:鄂尔多斯盆地东南部下二叠统山西组二段物源体系及沉积演化模式

天然气工业 2021-10-09 14:42:01

王香增 1,2  周进松 3

1. 陕西延长石油(集团)有限责任公司 

2. 陕西省陆相页岩气成藏与开发重点实验室 

3. 陕西延长石油(集团)研究院

摘 要 早二叠世是鄂尔多斯盆地海陆变迁的关键时期,其中下二叠统太原组沉积期由于发育稳定的碳酸盐岩地层,其陆表海沉积环境得到了大多数学者的认可,而对于下二叠统山西组的沉积环境与沉积体系的认识则存在着较大的争议。为此,在研究该盆地东南部区域构造背景与周缘古陆特征的基础上,结合岩石、重矿物与稀土元素的组成特征,分析了该区山西组二段(以下简称山 2 段)的物源体系,并依据地层、古生物、沉积构造、古盐度等分析结果,判别其沉积环境并建立了沉积演化模式。结果表明 :①山 2 段沉积期发育南、北两大物源体系,其中北物源主要来自古阴山褶皱造山带,南部物源则来自祁连—北秦岭造山带,延安南部宜川—富县一带是上述两大物源的交汇区 ;②该区自早二叠世太原末期—山西早期发生区域性海退,海水自东南方向退出,山 2 段沉积期仍受到海侵作用的影响 ;③延安以北地区发育三角洲沉积体系,其以南地区则发育障壁岛海岸沉积体系 ;④该区山西组沉积在平面上具有“岸线频繁迁移,水体影响范围广”的特点,垂向上多套储集砂岩体与泥岩、煤层频繁交替转换,形成了良好的源储配置关系。

关键词 鄂尔多斯盆地 东南部 早二叠世 山西组二段 岩石组分 重矿物 稀土元素 物源体系 沉积演化模式


1 地质背景

鄂尔多斯盆地为大型克拉通盆地,构造平缓,发育特—超低渗透岩性油气藏、非常规页岩气藏及致密油气藏等 [1] 。自 20 世纪 90 年代以来,陆续在盆地北部上古生界发现了苏里格、榆林、大牛地、乌审旗、神木、子洲等多个探明天然气储量超过 1 000×108m3的大型气田。众多学者对于盆地北部上古生界物源与沉积体系进行了大量的研究,取得丰富的成果[2-5] 。相对而言,盆地南部上古生界的研究程度较低,很多认识还具有争议性或局限性。其中,处于海陆变迁关键时期的早二叠世山西组时期沉积环境归属与沉积体系格局至今尚存在较大争议。归纳起来主要有 4 种观点:陆相湖泊三角洲沉积体系[6-7] 、陆相河流沉积体系[8-9]、近海湖盆(浅海陆棚)三角洲沉积体系[10-13]、海相(海陆过渡相)潮坪—潟湖—三角洲沉积体系[14-15] ,不同沉积体系中砂体展布特征差异较大,地质认识的不确定性制约着盆地南部的天然气勘探进程。

近年来,随着陕西延长石油集团在盆地东南部上古生界天然气勘探陆续取得重大突破[16] ,发现了延安气田,人们对这一地区成藏地质条件进行了研究与重新认识[17-19] 。延安气田位于陕西省延安市境内,构造位置处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部(图 1),其主力气层下二叠统山西组二段(以下简称山 2 段)沉积、储层特征纵向和横向差异较大,引起这些差异的主要因素就是物源与沉积环境的演变。笔者在前人研究基础上,通过区域构造背景分析、岩石组分、重矿物与稀土元素的分析,对山 2 段物源特征进行了研究 ;利用 Sr/Ba 比值与 B、Ga、Rb 三角图来判断沉积时期的水体环境,结合砂体展布特征,建立了其沉积演化新模式。该成果认识对于盆地南部的天然气勘探具有重要的指导意义。

图 1  研究区位置简图

2 物源分析

物源研究是进行沉积体系分析的基础。明确物源体系的方法较多,常用的物源分析方法包括Dickinson 图解法、古流向、重矿物、岩石组分、稀土元素等方法。笔者主要是在区域构造背景与周缘古陆岩性特征分析基础上,依据重矿物、岩石组分、稀土元素等特征,分析山 2 段的物源分布。

2.1 区域构造背景与周缘古陆特征

早古生代早期,华北板块内部主要为陆表海环境下的碳酸盐岩沉积建造,而南北两侧主要发育被动大陆边缘沉积建造。早古生代晚期,华北板块北侧的兴蒙及南侧的秦—祁大洋板块相向华北板块之下俯冲,致使华北地块整体隆升,进而缺失中奥陶世—早石炭世早期的地层。晚古生代时期,鄂尔多斯地块北部大面积抬升,形成古阴山褶皱造山带,也就初步形成了北部物源区基础。与此同时,加里东运动使得华北板块南缘的祁连—北秦岭发生褶皱并抬升,早二叠世晚期秦岭海槽开始闭合,在挤压构造背景下,使得鄂尔多斯盆地南缘褶皱带持续抬升,至二叠世晚期,祁连、秦岭形成了统一的南部物源区[20] 。

盆地北缘、南缘地层及其结晶基底主要由前寒武系太古界、元古界的各类岩浆岩、变质岩及沉积岩组成[21]。其中,盆地北部物源区结晶基地主要为中、下太古界集宁群麻粒岩系,上太古界乌拉山群片麻岩、角闪岩等深变质岩系,下元古界阿拉善群石英片岩、变粒岩、碎屑岩系,色尔腾山群及二道凹群片麻岩、绿片岩等混合岩系,中元古界查尔泰山群变质砂砾岩、石英砂岩、石灰岩夹火山岩等。而盆地南部区结晶基底主要为太古界太华群片麻岩、角闪岩、石英岩等深变质混合岩系,下元古界铁洞沟群石英岩夹大理岩系,秦岭群片麻岩、变粒岩、大理岩等深变质混合岩系,中、上元古界宽坪群绿泥石片岩、阳起石片岩,陶湾群大理岩和各种片岩,海原群绿帘阳起片岩、白云母、石英片岩、火山岩等低级变质岩系[22] 。盆地各区域不同时期地层岩石类型与组分因源区母岩类型及区域构造演化的差异而有所不同。

2.2 岩石组分特征

研究区山 2 段砂岩类型按照刘宝珺砂岩成分—成因分类法进行分类,主要包括岩屑石英砂岩、石英砂岩、岩屑砂岩,长石含量极少。依据砂岩组分横向和纵向的差异性,可以将研究区分为 3 个区域(表 1):①东北部石英砂岩占 80%,岩屑石英砂岩占 14%,岩屑砂岩占 6%,其中石英平均含量达 81.6%,岩屑平均含量为 6.5%,长石含量为 0.2%,岩屑组合特征为中等变质岩、高等岩浆岩,少量沉积岩 ;②南部石英砂岩占 35%,岩屑石英砂岩占 60%,岩屑砂岩占 5%,其中石英平均含量为 73.1%,岩屑平均含量为 11.4%,长石含量为 0.3%,岩屑组合特征为极高变质岩,少量岩浆岩和极少量沉积岩 ;③西北部石英砂岩占 37%,岩屑石英砂岩占 16%,岩屑砂岩占47%,其中石英平均含量为 63.2%,岩屑平均含量为20.1%,含有极少量长石,岩屑组合特征为低变质岩,少量岩浆岩,极少量沉积岩。

表 1  鄂尔多斯盆地东南部不同区域山 2 段岩石组分特征表

从分布情况来看,山 2 段自东北部、南部至西北部砂岩组分中石英含量逐渐减小,岩屑含量显著增加,各区域岩屑组分中变质岩的岩屑含量均较高,沉积岩与岩浆岩的岩屑含量略有差异。砂岩组分的差异反映研究区受南北两大物源共同影响,其中北部物源又变现为东北和西北两个分支体系。

2.3 重矿物特征

通过研究区不同区域内 55 口井的 104 份样品的重矿物分析结果表明,砂岩中主要有锆石、白钛矿、电气石、无色石榴子石、浅红色石榴子石、锐钛矿等6 种陆源重矿物和黄铁矿、重晶石、闪锌矿等 3 种自生矿物。陆源矿物中含量最高的是锆石、白钛矿和石榴子石,三者之和平均可达 81%,电气石含量一般不超过 3%,仅个别样品含锐钛矿。

从山 2 段重矿物分布来看(表 2),东北部重矿物组合为中等含量锆石,高含量白钛矿,少量石榴子石+电气石,含少量自生黄铁矿 ;西北部重矿物组合为高含量锆石,低含量白钛矿,极少量无色石榴子石+电气石 ;南部重矿物组合为中低含量锆石,高含量白钛矿,少量的石榴子石+电气石,含大量的自生黄铁矿。

表 2  鄂尔多斯盆地东南部不同区域山 2 段重矿物含量特征表

2.4 稀土元素

稀土元素(REE)在水体中停留的时间非常短,能够快速进入到细粒沉积物中且不发生分异,能更好地保留源区的地球化学信息,因此对沉积物示踪具有很大的意义[23-24] 。在实际应用中,可以通过分析稀土元素配分模式曲线的差异来判断物质来源,一般来说,相同配分模式曲线反映其具有相同的物质来源。

稀土元素配分模式研究结果表明,该区山 2 段稀土元素配分模式表现为重稀土元素(ΣHREE)亏损,轻稀土元素(ΣLREE)富集,曲线为右倾型,但不同区域间稀土元素亏损程度又有所不同(图2),其中研究区北部(包括东北部和西北部)多数样品 δEu 介于 0.68 ~ 0.87,属于轻微亏损或不亏损,少量样品 δEu 介于 0.31 ~ 0.45,表现为较重亏损 ;而南部 δEu 介于 0.40 ~ 0.53,表现为中等程度或较重亏损。

图 2  鄂尔多斯盆地东南部山 2 段稀土元素配分模式图

与盆地稀土元素配分模式[25]对比,研究区北部及南部稀土元素配分模式与鄂尔多斯盆地北部、南部稀土元素配分模式具有极强的相似性。结合周缘古陆、岩石组分、重矿物分析,可推测该区北部物源来自于盆地北缘、东北缘古阴山地区,母岩区构造背景为主动、被动大陆边缘及大陆岛弧 ;南部物源来自于盆地南缘的东秦岭古陆,构造背景为被动大陆边缘。

3 沉积环境分析

早二叠世太原期—山西期是由海相向陆相环境演变的关键时期。其中,太原期由于发育稳定的碳酸盐岩地层,其属陆表海沉积环境得到了多数学者认可,而山西期沉积环境归属与沉积体系格局至今尚存在较大争议。笔者在前人研究的基础上,依据地层、古生物、沉积构造、地球化学等特征,认为山 2 段为陆表海背景下的海陆过渡相沉积环境。主要理由有以下几点。

3.1 地层特征

前人通过野外地质剖面考察,发现毗邻盆地东缘的山西省境内,山西组存在 3 个明显的海相夹层,主要由硅质岩、石灰岩、含钙质泥岩与含海相化石泥岩组成,海相地层总体由南向北逐渐减少变薄,在太原以北缺失[14] 。而鄂尔多斯盆地作为华北地块的一部分,山西组早期盆地东部与吕梁地区属于同一个水体环境[13] ,无明显的阻隔,至山西组沉积后期,随着吕梁隆起与渭北隆起的相继抬升,在东南方向形成泄水口,海水自东南方向退出。

3.2 古生物特征

在盆地东北部大牛地气田塔巴庙区块山 2 段均有粉晶白云岩、泥晶铁白云石出现,其中大 12 井、大 3 井山 2 段泥岩中发现海百合和有孔虫(有始瘤虫)骨屑[15];在东北部榆 48 井、陕 212 井山 2 段泥岩中发现棘皮类与腕足类化石[14,26];在盆地东部的榆31 井泥岩中发现太阳虫与硅质放射虫古生物化石[27] 。上述古生物化石在南方早二叠世海相地层中普遍存在,而在鄂尔多斯盆地相关文献报道较少,分布相对局限,很有可能是受潮流作用搬运而来,但至少可以说明盆地东缘山 2 段受海侵的影响。

3.3 沉积构造特征

对盆地东南部韩城薛峰川山西组剖面进行野外观察,发现存在明显的羽状交错层理(图 3);同样在周边的白水三眼桥、乡宁甘草山等山西组剖面中也发现大量潮汐层理、羽状交错层理等与海相沉积环境有关的原生沉积构造[27],表明盆地东南部山西早期确实存在海侵。

图 3  韩城薛峰川剖面山 2 段羽状交错层理照片

3.4 地球化学特征

Sr/Ba 比值可作为古盐度判别的标志。不同学者对于水体盐度的划分标准也不同,叶黎明等[14]通过对鄂尔多斯盆地中生代地层研究,认为把 Sr/Ba = 0.3作为淡水和混合水的界线比较合理,郑荣才等[28-29]认为这一界线应该为 0.5。由于研究区石炭系本溪组为障壁岛海岸沉积,属于海陆过渡相沉积,笔者对本溪组泥岩样品的 Sr/Ba 值也进行了分析,其 Sr/Ba 值介于 0.22 ~ 0.71,普遍大于 0.37。因此,笔者将 Sr/Ba= 0.4 作为淡水与混合水的分界线,也就是 Sr/Ba < 0.4为淡水相,介于 0.4 ~ 1.0 为混合水相,而盐湖(海相)沉积物中 Sr/Ba > 1。

研究区内山西组 44 个泥岩样 Sr/Ba 比值统计结果表明, Sr/Ba 比值分布在 0.19 ~ 0.83,平均为 0.44,整体为淡水—混合水沉积环境。通过对山 2 段底部,靠近太原组石灰岩顶部的泥岩段 Sr/Ba 值分析,从西北往东南,Sr/Ba 值整体呈变大趋势(图 4),其中东南部宜川地区延 260 井最高,其值为 0.83,接近海相沉积环境。另外,人们也经常用 B、Ga、Rb 三角图来判断沉积时期水体环境[23,27] 。笔者通过对研究区山 2 段 25 个泥岩样品进行投点,发现有 9 个样品位于混合水区,16 个样品位于淡水区,海水区则无样品(图5)。这说明盆地自太原组末期发生区域性海退,早二叠世山西组早期海水自东南方向退出,研究区山 2 段主体为海陆过渡相沉积环境。

图 4  延安南部山 2 段泥岩 Sr/Ba 值等值线图

图 5  山 2 段 B、Ga、Rb 三角图

4 沉积演化模式

早二叠世山西期,经过晚石炭世本溪期—早二叠世太原期的填平补齐,华北地块整体抬升,海水从鄂尔多斯盆地东西两侧开始逐渐退出,盆地充填形成于海退背景。随着盆地北部兴蒙海槽关闭并隆升,为盆地充填提供了丰富的陆源碎屑物质,形成冲积扇、辫状河、曲流河、三角洲共存的沉积格局,东西贯通,南北分异。相对而言,北部三角洲沉积体系规模大,而受南部物源的影响,南部三角洲主要分布在西南部固原—耀县一带,规模较小[6,27] 

山西组沉积时期,研究区由于地形平缓,水体较浅,轻微的构造活动就可导致海平面的快速升降,造成岸线几十至数百公里的频繁迁移,充沛的物源使得来自于盆地北缘的三角洲体系迅速向盆地南部推进,垂向上多套储集砂体与泥岩、煤层频繁交替转换,形成垂向序列不完整的浅水型三角洲前缘沉积,其南北向条带状展布的水下分流河道可延伸至宜川—富县一带 ;而东南部洛川—黄龙—韩城一带砂体受海水的反复冲洗改造,砂体厚度变化大,横向连续性差,单个砂体规模较小(图 6),形成不连续的障壁砂坝、砂坪沉积(图 7)。

图 6  研究区山 2 段砂体平面展布图

图 7  鄂尔多斯盆地山 2 段沉积模式图

5 结论

1)鄂尔多斯盆地东南部组山 2 段砂岩组分、重矿物和稀土元素分析结果表明,山 2 段沉积时期发育南北两大物源体系,其中北物源主要来自古阴山褶皱造山带,南部物源则来自祁连—北秦岭造山带,北部物源影响范围较广,延安南部宜川—富县一带是南北两大物源交汇区。

2)古盐度与沉积演化研究结果表明,研究区自早二叠世太原组末期—山西组早期发生区域性海退,海水自东南方向退出 ;在延安以北以三角洲沉积体系为主,延安以南则发育障壁岛海岸沉积体系。

3)由于山西组沉积于石炭系本溪组—二叠系太原组填平补齐之后,整体地势平旦且水体较浅,轻微的构造活动就可导致海平面的升降,具有“岸线频繁迁移,水体影响范围广”的特点,以致北部三角洲水下分流河道砂体往南延伸几十至数百公里,而垂向上多套储集砂体与泥岩、煤层频繁交替转换,形成了良好的源储配置关系。


(修改回稿日期 2017-08-14 编辑 罗冬梅)

参考文献

基金项目 :国家科技重大专项“鄂尔多斯盆地东南部页岩气成藏规律与有利勘探区评价”(编号 :2011ZX05008-004-70)、陕西省科技统筹创新工程计划项目(编号 :2012KTZB03-03)。

作者简介 :王香增,1968 年生,教授级高级工程师 ;主要从事油气田勘探开发方面的研究工作。地址 :(710075)陕西省西安市高新区科技二路 75 号。ORCID: 0000-0001-8665-992X。

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