鄂尔多斯盆地西部奥陶系古岩溶类型及主控因素

张春林，朱秋影，张福东，刘锐娥

(1. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2. 中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室，河北廊坊 065007)



鄂尔多斯盆地西部奥陶系古岩溶类型及主控因素

张春林1，2，朱秋影1，2，张福东1，2，刘锐娥1，2

(1. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2. 中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室，河北廊坊 065007)

摘要：野外剖面、岩心观察和镜下薄片鉴定揭示鄂尔多斯盆地西部奥陶系桌子山组、克里摩里组古岩溶储层非常发育。系统建立了研究区3 种古岩溶作用的识别标志，将古岩溶划分为(准)同生期古岩溶作用、表生期顺层古岩溶作用和埋藏期古岩溶作用等三大类型，并以表生期顺层古岩溶作用为主。一级层序界面对应奥陶系顶部的风化壳古岩溶面，三级层序对(准)同生期古岩溶作用和表生期顺层古岩溶作用起控制作用；SQ6、SQ7 和SQ8 等3个I型层序底界面附近古岩溶作用相对较发育，层序格架内古岩溶发育段主要处于高位体系域和海侵体系域。在对鄂尔多斯盆地奥陶系地质背景分析的基础上，认为区内古岩溶发育的主控因素包括层序、构造条件、岩性特征、古气候条件及古地貌。

关键词：鄂尔多斯盆地；奥陶系；古岩溶；主控因素

鄂尔多斯盆地1989 年发现中部大气田，并且天然气探明储量逐年增长，证实鄂尔多斯盆地下古生界发育较好储层，蕴藏着丰富的天然气资源[1]。但目前除中部大气田外，盆地其他地区下古生界勘探程度相对较低，尤其是盆地西部奥陶系古岩溶成因及主控因素有待深入研究[2]。该地区1987 年完钻的天1 井中途测试产天然气16.4×104m3/d；2009 年完钻的棋探1 井证实了礁滩溶蚀型储集体的存在；2010 年钻探的余探1 井钻遇溶洞型储层，日产气3.46×104m3；2011 年钻探的余探2 井日产气1.1565×104m3。除此之外，李华1、鄂6、鄂8 和鄂19 等探井均在古岩溶储层中见到了气显示，显示出较好的勘探前景。有必要对该区下古生界古岩溶储层成因及主控因素进行研究，以指导下一步勘探。

1 地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地西部，北界为内蒙古乌海，南至平凉，东起城川，西至固原—银川一带，地跨西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡西部构造单元，面积约为5×104km2(图1)。研究区自下而上发育下奥陶统三道坎组、桌子山组、克里摩里组；中奥陶统平凉组和上奥陶统背锅山组，其中桌子山组和克里摩里组是主要目的层。奥陶纪时期，研究区主要为向西开放的开阔台地、台地边缘礁滩、台地边缘斜坡和深水海槽的沉积环境[3]，桌子山组岩性主要为深灰色、灰色中厚层至块状泥粉晶灰岩、豹斑灰岩、灰质云岩夹泥质云岩及颗粒灰岩，厚度为150～450m，产头足类化石、内角石等。克里摩里组岩性主要为黑灰色薄层泥晶灰岩夹黑色页岩，平凉组岩性主要为灰黑色页岩、泥岩、粉砂岩夹灰质角砾岩和泥晶灰岩，厚度为300～900m，富含笔石。背锅山组仅分布于研究区的固原地区，厚度为130m，岩性主要为灰色块状泥晶—粉晶灰岩、生物灰岩、砾屑灰岩和藻屑灰岩[4]。

2 古岩溶识别特征

研究区经历了多期次、不同类型的古岩溶作用改造，不同古岩溶作用类型的改造强度也不同，多期次古岩溶作用的叠加改造导致地层中形成大量的溶蚀孔、溶洞、溶蚀缝，其在野外剖面、钻井岩心、测井曲线及地球化学等方面均具有明显的特征。

2.1 野外剖面识别古岩溶发育段

通过野外露头剖面观察，依据已充填或未充填溶蚀孔、溶洞的发育情况识别古岩溶发育层段。受加里东构造运动影响，奥陶系沉积之后，鄂尔多斯盆地整体抬升遭受风化剥蚀，时间长达约1亿年，形成了奥陶系顶部大面积分布的风化壳，其岩性主要为灰白色、浅灰色的铝土岩、铝土质泥岩和紫红色的褐铁矿或磁铁矿层等风化残余物。研究区乌海摩尔沟剖面的奥陶系桌子山组与太原组之间发育褐铁矿残积层，并在该剖面及乌海老石旦剖面观察到大量的、规模较大的溶洞(图2)。

2.2 钻井岩心及薄片识别古岩溶发育段

依据研究区内30 多口探井的岩心观察与镜下薄片鉴定，发现该地区奥陶系中溶蚀孔、溶洞、溶蚀缝非常发育(图3)；溶蚀孔呈圆形、椭圆状和不规则状，常密集发育呈蜂窝状，部分溶蚀孔被方解石、白云石、泥质、微晶石英或碳质沥青等充填；溶蚀缝为早期形成的裂缝或节理的溶蚀和扩宽，后期常被方解石、白云石和少量的碳酸盐岩角砾、黄铁矿所充填，这是研究区地层被溶蚀改造的明显标志。同时，部分溶蚀缝或溶洞中充填巨晶方解石和陆源碎屑物，并混杂具磨圆度的碳酸盐岩角砾。

2.3 钻井过程识别古岩溶发育段

钻井中钻遇碳酸盐岩地层时，会出现井下钻井液漏失、钻具放空和钻时加快等现象，这些是识别古岩溶发育段的重要标志。研究区钻井发生上述现象较多(表1)，表明奥陶系古岩溶段较发育，且从奥陶系顶向下290m 的深度范围内均有出现；层位主要为桌子山组和克里摩里组，钻井液漏失与钻具放空现象往往相伴出现。

表1　鄂尔多斯盆地奥陶系部分探井生产状况统计表

3 古岩溶类型

研究区奥陶系在沉积之后的4.5亿年中曾历经多次古岩溶作用改造，依据古岩溶作用的环境、次序、持续时间等影响因素，将其分为3 种类型：(准)同生期古岩溶作用、表生期顺层古岩溶作用和埋藏期古岩溶作用，其中以表生期顺层古岩溶作用为主。

3.1 (准)同生期古岩溶作用

(准)同生期古岩溶作用的发生、发展和演化受沉积环境控制。在开阔海台地相中，受间歇性海退和沉积物快速堆积的影响，地层经常露出海平面接受大气淡水淋滤溶蚀，发育此类型古岩溶。奥陶系马家沟组沉积期，研究区北部伊盟古陆南缘和东侧靠近中央古隆起的部位发育滨浅海的潮坪相，中央古隆起西侧发育台内礁滩相，当发生周期性的海退时，上述地区就发育潮坪型和台内礁滩型的(准)同生期古岩溶。其显微镜下识别标志主要有：粒内溶孔、粒间溶孔、铸模孔及少量晶间溶孔，比较大的原生孔洞中，纤维状、叶片状胶结物遭受淡水部分溶蚀，后期原生孔洞又被粗粒和块状方解石充填，两种充填物呈“结构不整合”接触。

3.2 表生期顺层古岩溶作用

表生期顺层古岩溶也可称为顺层(承压)深潜流古岩溶，属于内幕古岩溶的一种特殊类型，主要分布在碳酸盐岩古隆起或高地的围斜部位，空间上与风化壳古岩溶相伴生。其形成应具备两个条件：一是围斜部位的碳酸盐岩层系内应发育层间古岩溶面或与三级层序界面相关的表生期古岩溶面，为后期地下水在侧向上进行顺层渗流提供先决条件；二是围斜部位与构造高部位应存在一定的高差，使风化壳古岩溶水存在巨大的压差，可以在侧向上进行顺层深潜流动，流动深度可达几百至数千米，最终古岩溶水沿断裂带补给上覆岩层，在地表处形成承压泉(或承压群)[5]。因为该类古岩溶水属于承压水，水动力强度大，所以具有非常强的侵蚀溶蚀性。断裂带起导水和排泄的作用，交替条件好，因此在层间古岩溶面(或层序界面)和断裂带附近古岩溶作用强烈。该类型古岩溶距物源区较远，充填程度低，且距物源越远充填程度越低。

该类古岩溶广泛分布于研究区中部地区的克里摩里组，余探1 井、余探2 井、鄂29 井等均钻遇了该类型的古岩溶段，早期天1 井、李1 井、李华1 井、鄂19 井、鄂7 井等井在钻井过程中也不同程度地发生了钻井液漏失、钻时加快和钻具放空等现象，均说明发育较大规模的古岩溶。

鄂尔多斯盆地奥陶系沉积后经历了加里东构造运动，使盆地中东部整体抬升遭受剥蚀，盆地中东部发育风化壳，研究区西部处于祁连海沉积区，没有遭受大面积的淡水淋滤溶蚀，但处于中央古隆起的鄂6 井—苏42 井—定探2 井—定探1 井—莲6井—庆深2 井一线抬升遭受大气淡水的溶蚀，与盆地东部的风化壳古岩溶连为一体。研究区西部处于古斜坡，自李1 井至余探1 井水平距离为35km，高差近300m，受此驱动中央古隆起岩溶水在克里摩里组尖灭线西侧顺层灌入中央古隆起西侧斜坡的碳酸盐岩层系，古岩溶水的循环深度约为700m。因此，研究区西部克里摩里组发育顺层的古岩溶储层。

3.3 埋藏期古岩溶作用

鄂尔多斯盆地石炭纪—二叠纪时期西缘断层冲断抬升，盆地西部地区持续沉降，在古近纪—新近纪时奥陶系达到最大埋深，一般埋深2000～3500m，个别地区达4000m左右。埋深导致较高的地层温度，有机质生烃及压释地层水有利于埋藏期古岩溶作用的发生。其识别标志为细—中晶白云岩中的晶间溶孔，以及溶蚀孔中常有沥青、铁白云石及闪锌矿充填(图4)，并且地层中经常发现构造缝切割早期成岩产物，边缘具有溶蚀扩大现象，形成较多的溶蚀缝。

4 古岩溶主控因素

在鄂尔多斯盆地奥陶系地质背景研究基础上，对研究区古岩溶发育的主要控制因素进行了分析。

4.1 层序对古岩溶发育的控制作用

不同级别的层序与不同类型古岩溶关系密切，一级层序界面对应研究区内奥陶系顶部的风化壳古岩溶面，三级层序对应区内(准)同生期古岩溶和表生期顺层古岩溶，高频旋回对(准)同生期古岩溶也有一定影响[6]。本次研究共识别出10 个三级层序界面，其中3 个层序界面属于Ⅰ型，7 个层序界面属于Ⅱ型。通过露头剖面、岩心、薄片鉴定、录井和测井资料分析认为，7 个Ⅱ型层序界面相对于3 个Ⅰ型层序界面(SQ6、SQ7、SQ8 底界面)古岩溶发育较弱(表2)。同时发现研究区奥陶系中SQ2—SQ8，尤其是SQ2、SQ5、SQ7 层序中古岩溶发育，古岩溶发育井段基本位于层序中—高位体系域(HST)，部分为海侵体系域(TST)，无低位体系域的古岩溶，这是由于由上至下的古岩溶作用先在马四段和克里摩里组的HST 中进行，之后在TST 中发育，也可能缺失HST，古岩溶作用直接在TST 中进行。

表2鄂尔多斯盆地奥陶系三级层序界面与古岩溶的关系表

Table 2Correlation between the third order sequence

boundary and the paleokarst in Ordovician of Ordos Basin

4.2 构造条件

古岩溶的发育与区域地质构造关系密切[7]。通过分析鄂尔多斯盆地区域构造发展史，认为对研究区古岩溶具有控制作用的构造运动有3 期：第一期是怀远构造运动，发生在上寒武统沉积末至奥陶系下马家沟组沉积前，导致研究区内的部分地区缺失冶里组—亮甲山组，形成小规模的风化壳储层；第二期是加里东构造运动，发生在奥陶系马家沟组沉积末期至石炭系本溪组沉积前，这次构造运动规模大、范围广、持续时间长。研究区东部此时处于中央古隆起的核心或鞍部，古岩溶发育；第三期是印支—燕山构造运动，发生在三叠系沉积末期至侏罗纪，表现为区域性挤压，盆地隆起，缺失上白垩统，且造成研究区西部发育深大断裂，奥陶系产生大量裂缝，为古岩溶水的流动提供通道，在研究区西部排出地表形成承压泉，加剧了先期古岩溶作用。

4.3 岩性条件

古岩溶主要通过水沿地下通道对碳酸盐岩地层中易溶性岩石进行溶蚀形成，所以碳酸盐岩的岩石类型、岩石结构、颗粒含量和岩石组成特征等对古岩溶的溶蚀速率、发育特征和分布规律都有显著的影响。研究区奥陶系广泛发育碳酸盐岩沉积，岩性主要以石灰岩和白云岩为主，石灰岩类的颗粒有砂屑、生屑、团粒、鲕粒和藻屑等，尤以砂屑、团粒和生屑为主，而白云岩类中的颗粒与石灰岩类似，这些为古岩溶作用的发育提供了物质基础。

4.4 古气候条件

古地磁研究表明，早寒武世至早二叠世，华北板块从南半球中低纬度带向北移至北纬0°～20°带(图5)。奥陶纪时研究区处于赤道附近，炎热多雨，大气圈中CO2的平均含量约为15%，是现今含量的500倍[8]，因此，研究区奥陶系顶部的风化壳古岩溶非常发育。此外，古岩溶作用的发生、发展是一个缓慢的地质过程，时间越久，古岩溶越强烈。加里东时期，研究区奥陶系经历了近1 亿年的风化淋滤，古岩溶作用非常强烈。

5 结论

(1)通过对研究区内钻井岩心观察、野外露头观察、岩石薄片鉴定结合钻井资料的分析，建立了研究区3 种古岩溶作用的识别标志，将古岩溶划分为(准)同生期古岩溶作用、表生期顺层古岩溶作用和埋藏期古岩溶作用，以表生期顺层古岩溶作用为主。

(2)通过对研究区层序地层与古岩溶发育段的研究，认为层序界面对古岩溶发育具有一定的控制作用，SQ6、SQ7 和SQ8 等3个Ⅰ型层序底界面附近的古岩溶作用相对较发育；层序格架内的古岩溶作用在SQ2、SQ5 和SQ7 相对发育，且古岩溶发育段主要处于层序中的高位体系域和海侵体系域。

(3)研究区奥陶系古岩溶控制因素主要为层序、构造条件、岩性、古气候和古地貌。

参考文献

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Paleokarst Types and Main Controlling Factors of Ordovician in Western Ordos Basin

Zhang Chunlin1, 2, Zhu Qiuying1, 2, Zhang Fudong1, 2, Liu Ruie1, 2

(1.LangfangBranch,PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Langfang,Hebei065007,China; 2.KeyLaboratoryofGasReservoirFormationandDevelopment,CNPC,Langfang065007,China

Abstract:By means of detailed outcrop observation, core observation and thin section, it is indicated that the solution caves developed well in Zhuozishan Formation, Kelimoli Formation in western Ordos Basin. Three kinds of identification marks were established by systemic study of paleokarsts. We classified the paleokarst into is three types: syngenesis karstification, supergene bedded karstification and burial karstification, and the supergene bedded karstification was the main. The first order sequence corresponds to the weathering crust karst surface at the top of Ordovician, and the third order sequence controls syngenesis and supergene bedded karstification. The karstification relatively developed nearby the bottom of SQ6, SQ7 and SQ8. The karstification of sequence framework is relatively developed in SQ2, SQ5 and SQ7.The karstification section mainly belongs to the highstand system tracts and transgressive system tracts. On the basis of analyzing the geological background of Ordovician in Ordos Basin, we believed that the main controlling factors of paleokarst development included sequence, structural condition, lithology, paleo climate and paleokarst landform.

Key words:Ordos Basin; Ordovician; paleokarst; main controlling factors

基金项目：国家大型科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2011ZX05007)；中国石油天然气股份有限公司科技攻关项目(2011B-0602)。

第一作者简介：张春林(1979 年生)，男，高级工程师，主要从事石油与天然气地质综合研究。邮箱：mike_zcl@163.com。

中图分类号：TE122

文献标识码:A