鄂尔多斯盆地吴起—甘泉地区奥陶系古地貌恢复研究

吴海燕，曹红霞，于　珺，孙建博，乔向阳, 强　娟，尚　婷，罗腾跃

[陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075]



鄂尔多斯盆地吴起—甘泉地区奥陶系古地貌恢复研究

吴海燕，曹红霞，于珺，孙建博，乔向阳, 强娟，尚婷，罗腾跃

[陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075]

依据研究区215口探井的钻井、测井资料，运用沉积地质学、古地理学等方法，对鄂尔多斯盆地古隆起东侧吴起—志丹—甘泉地区的奥陶系马家沟组风化壳岩溶古地貌进行恢复。分别选取本溪组顶8号煤层和马家沟组马五41底部的凝灰岩层为作图基准面，综合利用古地质图法、“印模法”和“残厚法”，并结合铝土岩分布数据，对研究区岩溶古地貌进行恢复。同时，根据研究区不整合面上下地层厚度的组合可以划出上薄+下薄型、上薄+下厚(相对)型、上厚+下薄(相对)型等模型，自西向东将研究区岩溶古地貌划分出2个二级古地貌单元(岩溶高地、岩溶斜坡)和3个三级古地貌单元(潜台、残丘、古沟槽)。

鄂尔多斯盆地；奥陶系；风化壳；岩溶古地貌；古地貌单元

风化壳岩溶古地貌是与不整合面剥蚀趋势、剥蚀程度相关的残留地貌形态[1-6]。古地貌形态受其所处区域构造位置、气候、基准面变化及构造运动等综合影响[4-7]，控制了岩溶储层的有利发育部位，在一定程度上控制着后期气藏的储盖组合。奥陶系马家沟组长期岩溶风化形成了鄂尔多斯盆地下古生界白云岩气层的有利储层[9-11]，古地貌的恢复工作是鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩油气勘探的重点和难点。因为岩溶古地貌形成时间较早，且形成后经历了上覆地层的压实和多期构造改造，因此只能半定量地进行恢复[1-5]。

鄂尔多斯盆地在加里东运动晚期整体抬升，使得奥陶系碳酸盐岩地层暴露地表，经过1.5亿年左右的风化淋滤剥蚀，形成了奥陶系岩溶地貌。奥陶系岩相古地理格局是西缘裂谷肩部翘升，继而发育了中央古隆起，同时在盆地东侧发育了米脂坳陷，因此当时的古地势呈西高东低，流水从西向东流，侵蚀出的沟槽顺着地面的最大倾斜方向平行排列，在较平坦的区域上纵横交错[4-5]。

吴起—志丹—甘泉地区位于伊陕斜坡的中南部地区(图1)。本次研究在215口钻井、测井及录井等资料的基础上，运用古地质图法、“印模法”和“残厚法”首次对研究区奥陶系古地貌进行精细刻画，为今后的勘探开发有利区选取提供有力依据。

1 地层特征

目前研究区内钻井钻遇最老的地层是马家沟组马四段。奥陶系马家沟组为白云岩储层[10],可分为3个含气层组：马五1—马五4亚段为上部含气层组，是以泥晶—粉晶白云岩为主的，由大气淡水淋溶作用形成的溶蚀孔洞型含气层组；马五5—马五10亚段为中部含气层组，是以粗粉晶—细晶白云岩为主的、由混合水白云化作用形成的晶间孔型含气层组[3]；马四亚段为下部含气层组，为厚层细—中晶白云岩，晶间孔及溶孔发育[2-3](图2)。奥陶系顶部遭受物理风化、面状流水侵蚀和化学淋滤溶蚀造成了地层缺失[9]，本文通过梳理研究区215口钻遇奥陶系马家沟组井的钻井、录井及测井数据，勾画出马家沟组各小层出露的分布范围，作为恢复研究区岩溶古地貌的基础(图3)。

研究区古地质图反映的是不整合界面上所出露地层的展布情况(图3)，根据风化壳出露层位编制古地质图，是分析古地貌和落实古沟槽分布的重要依据之一。研究区地层产状近于水平，故地层界线呈等高线状,与当时古地形等高线分布基本一致[10-12]。研究区出露地层，整体上从东到西地层依次抬升变老，吴起地区为岩溶高地，出露的地层从马五3向西依次抬升剥蚀为马五3—马五8，马五3向东为岩溶斜坡区，从西到东依次出露马五2—马六地层，马六地层在甘泉东部地区大面积分布，在志丹—吴起地区零星分布；古沟槽处出露层位为马五12—马五33，在志丹地区发育3条近东西排列的古沟槽，甘泉地区发育4条较小的古沟槽；岩溶斜坡整体表现为丘、槽、台相间的地貌特征，因此运用古地质图可以对地层边界和古沟槽进行确定[10-12]。

2 岩溶古地貌特征

2.1 古地貌恢复方法

2.1.1 方法的选择

用任何一种单因素恢复出的古地貌都有其局限性，因此古地貌恢复必须是综合分析的结果[2-8]。目前研究方法主要有形态分析法、内插法、镜像法、印模法、残厚法、压实恢复法等，不同方法恢复得到的古地貌有不同的特点，但无论哪种方法恢复的古地貌都只能大致反映了当时的古地貌特征，不能完全还原古地貌形态[8,11]。本文选取常用的“印模法”和“残厚法”来恢复古地貌。“印模法”是通过本溪组8号煤层顶到奥陶系马家沟组顶的镜像来反映古侵蚀面的格局；“残厚法”是通过研究马五41底部凝灰岩标志层之上风化壳的残余厚度，对古地貌进行恢复。“印模法”对微观古地貌的识别相对不足，“残厚法”对区域构造背景及古地貌总体格局反映不足，两种方法综合起来可恢复出较理想的结果[8]。

2.1.2 作图基准面的选取

要恢复岩溶古地貌的形态，必须要选择一个基准面，并且要求其沉积水平、没有明显的变形、差异压实不明显[6]。基准面的选取前人研究各有不同， “印模法”一般选石炭系太原组顶东大窑灰岩或本溪组8号煤层顶为基准面[5-7]，且选取本溪组8号煤层顶为基准面编制的图刻画出的古地貌比选取太原组顶东大窑灰岩编制的图刻画的古地貌精细，因此本文选择本溪组8号煤层的顶为基准面。“残厚法”一般选马五5黑灰岩的底部或马五41底部的凝灰岩作为基准面，本文选择马五41底部的凝灰岩层为基准面，因为凝灰岩成层性强，与上下地层水平接触，界限清楚，厚度相对稳定、电性特征易识别，在盆地大范围内稳定沉积[4-6]。

2.2 岩溶古地貌图的编制

2.2.1 古地貌恢复

以区内215口井的钻井、录井、测井资料为基础，逐一确定每口井的标志层、残余厚度的情况，作图分析古地势。石炭系本溪组沉积是填平补齐的过程， “印模法”是利用奥陶系上覆沉积的8号煤层到风化壳顶的厚度等值线来描述古地貌，因此本溪组越薄古地貌地形越高，反之古地貌地形越低[8]。本次研究运用“印模法”将研究区自西向东划分为岩溶高地(本溪组厚度小于15m)、岩溶斜坡(本溪组厚度为15～70m)2个二级古地貌发育带。研究区奥陶系顶部古侵蚀面之上石炭系本溪组厚度为4.4～68.5m，厚度东西向变化较大，最大厚度差为64m，西部本溪组较薄，为岩溶高地;而东部本溪组较厚，代表其古地势较低。由此推断研究区岩溶古地貌为由北西向南东倾斜的斜坡(图4)，“印模法”恢复出的古地貌比古地图恢复出来的岩溶高地范围小，古沟槽位置与古地质图基本一致。

“残厚法”恢复古地貌是选择沉积地层中某一特殊层段为基准面将地层拉平，该面以上残余厚度代表了古地貌形态[4-8]。假设马五41底部凝灰岩K4标志层以上沉积的地层是等厚的，地层残余厚度越薄说明剥蚀强度越大，反映高地的地层特征;反之,则为低洼的地层特征。根据马五41底部凝灰岩到风化壳侵蚀面之间的残余厚度(图5)可知，研究区内马五41上覆风化壳残余厚度为0～100m，在吴起地区y662—y1040井区以西马五41以上的地层均剥蚀殆尽，残余风化壳最厚处在甘泉地区的东南部，在此基础上，运用“残厚法”进一步将研究区划分为岩溶高地(残余厚度小于40m)、岩溶斜坡(残余厚度为40～90m)2个二级古地貌单元，研究区奥陶系顶部的古地貌大致为西高东低，地势起伏比较强烈，潜台、残丘和沟槽相间。

从图4和图5可见，两种方法恢复古地貌存在一定的差异，有的地方甚至是矛盾的。这是单因素方法的局限性造成的，“印模法”对古地势的背景反映较好，但是“残厚法”反映的是古地势的相对高低，并不能反映古构造背景，因此应在把握好区域构造地质背景的前提下，综合两种方法解释各个古地貌单元。

2.2.2 铝土岩与古地貌

铝土岩厚度的分布特点可进一步佐证奥陶系风化壳的古地貌特征，沉积较厚处说明其形成前地势比较低，但是长期的水流冲刷使沟槽部位的铝土岩缺失，常以砂岩、泥岩充填，可对古地貌的恢复提供一定的参考。铝土岩分布面积较大的地区为地势较低的地区；厚度薄，且面积小，往往是古沟槽、洼地等地貌位置[4-12]。铝土岩是一种富含铝质矿物的化学沉积岩，是由铝硅酸盐类矿物受强烈化学风化作用产出的，岩性致密，硬度、密度较大，没有可塑性。其电性特征明显，表现为低自然伽马、低声波、高密度、中高电阻，常被水流从高地势区冲到低地势区。研究区铝土岩厚度为0～14m，在平面上分布不平衡(图6)，总体呈现出西薄东厚的特点，反映了研究区是西高东低的古地势背景，志丹—甘泉地区铝土岩厚度为0～5m的区域可作为古沟槽存在的证据。铝土岩厚度的分布规律可为岩溶古地貌单元的划分提供一定的参考。

2.2.3 综合恢复古地貌

不整合面上下的地层组合为上薄下薄时，是古地势位置高的部位，反之是古地势低的部位。但是就小范围而言，在沟谷切割越深的地方，地层被侵蚀的越多，本溪组充填相对越厚；在残丘发育的地方，本溪组相对变薄。综合以上两种方法，运用不整合面上下地层组合综合分析各古地貌单元特征，可以抵消单方法的局限性及相互的矛盾，从而更准确地划分各级古地貌单元(图7)。

加里东期地层剥蚀程度与风化壳的古地貌正相关，而风化壳古地貌的充填程度与古地貌状态正好相反[2-4];因此，根据不整合面与上、下基准面的地层厚度对比，再结合古地质图，把两者之间的互补关系归纳为如下3个模型。

(1)上薄+下薄：奥陶系风化壳残余厚度小于40m，本溪组厚度小于15m，代表了继承性隆起或高地，反映了二级地貌单元岩溶高地的特征，开壳地层为马五3—马五8，吴起及以西的地区符合本条件。

(2)上薄+下厚(相对)：奥陶系风化壳残余厚度为60～100m，本溪组厚度为40～70m，代表了局部地势相对高的潜台，开壳层位为马五11，残丘。开壳层位为马六等三级古地貌单元。

(3)上厚+下薄(相对)：奥陶系风化壳残余厚度为40～60m，本溪组厚度为30～40m，开壳层位为马五21—马五33，代表了局部下切侵蚀较明显的沟谷。

3 岩溶古地貌特征

3.1 岩溶高地

岩溶高地位于研究区吴起地区y581井以西的地区，即石炭系本溪组厚度小于15m、马五41凝灰岩底以上风化壳残余厚度小于40m的地区，处于古地势较高处，由西向东倾斜，以物理侵蚀和化学溶蚀为主，地层缺失严重，从古地质图上可以看出岩溶高地地层倾角较大，地层被剥蚀，出露的地层由东向西依次变老。风化剥蚀层位主要为中部含气层组：马五5—马五10。该二级古地貌上的残台、沟谷等三级地貌难以区分。岩溶作用主要以垂向为主，其向东到岩溶斜坡处地下水由垂向转为水平径流状态。

3.2 岩溶斜坡

岩溶斜坡位于研究区吴起y581井区以东—志丹—甘泉地区，即石炭系本溪组厚度为15～70m，马五41凝灰岩底以上风化壳残余厚度为40～90m的地区，地势相对较低缓，是岩溶高地和岩溶盆地之间的古地貌单元，出露层位主要为马五段上部含气层组马五4—马五1和马六，地层保存较完整，说明原始地层较平，地层缺失主要由流水侵蚀和化学淋溶造成。古地貌呈开阔带状展布，地形无大的落差，因而水动力梯度较小，有利于岩溶作用的进行，主要以垂向淋溶和水平溶蚀为主。可进一步将岩溶斜坡分成如下3个三级古地貌。

(1)潜台：潜台区地形起伏变化，因地形坡降小和潜水位影响，马五溶蚀削薄作用较弱，地层保存状况相对完整，厚度较大，大部分区域表面出露层位以马五11为主。

(2)残丘：位于潜台之上，面积较小，在甘泉东部地区大面积分布，地势高于潜台。

(3)古沟槽：古沟槽的延伸方向主要受古构造控制，北西高、南东低的构造格局决定了古沟槽沿北西—南东延伸，研究区共发育8条北西—南东向的古沟槽，切割深度为20～30m，切割层位为马五12—马五33。

4 结束语

(1)研究区由东向西地层出露由新变老，吴起地区地层抬升剥蚀程度较严重，志丹—甘泉地区地层保存相对较全，马五11—马六地层被沟槽状地层缺失带分割呈岛链状。

(2)综合古地质图法、“印模法”和“残厚法”能有效消除单一因素的局限性，结合铝土岩分布数据对吴起—志丹—甘泉地区奥陶系风化壳岩溶古地貌进行恢复，划分出了2个二级古地貌

单元(岩溶高地、岩溶斜坡)和3个三级古地貌单元(潜台、残丘、沟槽)。

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Study on the Palaeogeomorphology Restoration of Ordovician in Wuqi-Ganquan area of Ordos Basin

Wu Haiyan,Cao Hongxia, Yu Jun，Sun Jianbo，Qiao Xiangyang, Qiang Juan,Sang Ting，Luo Tengyue

[ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,xi′an,Shaanxi710075,China]

On the basis of drilling and logging data from the 215 wells in the study area, and by means of sedimentary geology and paleogeography methods, the weathering crust karst paleogeomorphology of Ordovician Majiagou formation in wuqi-zhidan-ganquan area, where is at the eastern side of paleo uplift, has been restored in Ordos Basin. Taken the No.8 coal seam at the top of Benxi formation and the tuff at bottom of Majiagou five 41 formation as the map reference plane, Comprehensive utilization of the ancient geological map method impression method and residual thickness method，combined with the data of bauxite that distributed in Ordovician. At the same time, the models can be divided into “up thin plus lower thin”,“up thin plus lower thick”,“up thick plus lower thin”according to the thickness of strata unconformity, hereby the karst palaeogeomorphology also divided into two 2-level units, i.e. karst heights and karst slopes, and three 3-level units, i.e. Hidden units, monadnock and trench, order.

Ordos Basin; the Ordovician; weathering crust; karst palaeogeomorphology; paleogeomorphological unit

吴海燕(1982年生)，女，硕士，工程师，长期从事储层沉积学工作。邮箱：616079519@qq.com。

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