鄂尔多斯盆地二叠系盒8段沉积模式重建及其勘探意义

肖红平，刘锐娥，张福东，林畅松，张梦媛

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院，河北廊坊 065007；3.中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083）

0 引言

鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组 8段（以下简称盒8段）是该盆地苏里格大气区的主力产气层[1]，鉴于其作为天然气产层的重要性，前人对该段的沉积特征开展了大量研究，早期围绕盆地北部物源体系的研究结果普遍认为盒8段主要为一套辫状河-浅水三角洲相沉积，鄂尔多斯盆地自北向南发育冲积扇、冲积平原、三角洲平原、三角洲前缘和浅湖相沉积，河流的频繁改道造成盆地北部砂体大面积分布[2-6]；个别观点认为盒 8段主要为滩坝沉积，由南向北脉动式的湖进不断改造陆源碎屑物质形成全盆地东西向大面积分布的滨湖滩坝砂体[7]。随着近年来鄂尔多斯盆地上古生界天然气勘探向南拓展，研究重点也向盆地中南部转移，主要针对盒 8段沉积期盆地南部有无沉积物源以及南北物源沉积体系的分布关系进行了广泛讨论，提出了南北物源体系“汇水区”和“交互区”的概念[8]，认为南、北三角洲体系的三角洲前缘相带在盆地中南部对接交互，将统一汇水湖盆分隔成几个汇水区；还有观点认为盒 8段沉积期鄂尔多斯盆地全区为河流所占据，不存在湖相沉积，汇水湖泊在现今鄂尔多斯盆地范围以外[9]。近期勘探成果显示，盆地中南部砂体依然广泛存在，但其发育分布特征较北部更为复杂，其成因很难用早期的辫状河-浅水三角洲和单一的河流或滩坝沉积解释。因此，鄂尔多斯盆地盒 8段沉积体系发育特征还需深入研究和重新认识。

晚古生代鄂尔多斯盆地的范围属于华北地台西部沉积斜坡区，其构造沉积演化与大华北盆地密切相关[10-11]。鉴于此，本文从更广阔的华北地台来审视和研究该区盒 8段的沉积特征。在前人关于鄂尔多斯盆地和华北地台晚古生代沉积体系发育分布特征的大量成果认识的基础上，通过鄂尔多斯盆地以及华北盆地1 000余口钻孔、32个露头剖面资料，立足大华北盆地沉积背景和岩相古地理格局对鄂尔多斯盆地盒 8段沉积特征进行系统分析和再认识，并尝试借助水槽沉积模拟实验再现其沉积演化过程，重建沉积模式。

1 研究区地质概况

现今鄂尔多斯盆地范围是指现今阴山以南、秦岭以北、贺兰山以东、吕梁山以西的广大地区，以下称“鄂尔多斯地区”，晚古生代该区位于华北地台西部（见图1）[10]。晚古生代华北地台沉积地形平缓开阔，盆底起伏及相对高差极小。作为华北地台的组成部分，鄂尔多斯地区晚古生代构造、沉积演化与华北地台相一致，均受北侧的兴蒙海槽、南缘和西南缘的秦祁海槽及其派生的贺兰拗拉槽的扩张、俯冲、消减作用的控制[10-11]。晚石炭世，随地台整体缓慢沉降，区域构造以横亘南北的中央古隆起为中心，以西为贺兰裂陷带，东侧是克拉通内浅坳陷。从早二叠世山西组沉积期开始，受北部兴蒙海槽向南俯冲消减的影响，区域应力场受来自北侧的南北向的挤压应力控制，北部地区隆升，海水逐步向南和东南方向退出，鄂尔多斯地区以陆相沉积为主，仅在该区南部局部保留残留海。中二叠统下石盒子组沉积初期（盒8段），海平面开始快速下降，海岸线迁移至南华北，海水完全退出鄂尔多斯地区，鄂尔多斯地区气候由温暖潮湿变为干旱炎热，沉积一套灰白—黄绿色为主的陆源碎屑建造[10-13]。

图1 鄂尔多斯与华北地区现今位置关系及地层综合柱状图

2 沉积特征再认识

2.1 现有观点讨论

鄂尔多斯地区北部盒 8段发育大面积河流相沉积砂体已经是众多研究者的共识[2-6]，而中南部由于勘探程度较低，对该区沉积相类型及分布特征一直存在争议[2-9]。长期以来，多数观点认为鄂尔多斯地区中南部盒 8段为辫状河-浅水三角洲体系[2-6,8]，随着勘探的深入和地质资料不断丰富，该观点存在异议：

①含砾砂岩全区大面积分布。鄂尔多斯地区盒 8段砂岩又称骆驼脖子砂岩，为一套冲积扇-辫状河三角洲成因的浅灰色含砾粗砂岩、灰白色中粗粒砂岩及灰绿色岩屑质石英砂岩[2,13-15]。通过对鄂尔多斯盆地范围内近千口探井统计表明，该套砂岩砂体横断面呈短轴透镜状，平面上呈网状，纵向上相互叠置，横向上复合连片，网毯状大面积分布。此外，该套砂岩中砾石夹层在鄂尔多斯全区广泛分布（见图2），对全区 799口井复查统计，发现含砾石井共 377口。含砾砂岩夹层的成因为洪水期的泥石流和高能水道牵引流搬运形成[16]，从盒 8段砂体厚度与含砾夹层发育的叠合分布图可以看出，盆地北部苏里格、乌审旗、榆林一线以北地区含砾砂岩夹层极为发育，岩性较粗，西南部庆阳一带砾石发育，盆地中部延长一带及南部宜川、旬邑一线砾石发育。鄂尔多斯地区盒 8段砾石夹层从北至南普遍存在，说明盒 8段沉积期高能水道遍布鄂尔多斯盆地全区。如果盆地中南部为辫状河-浅水三角洲体系，存在统一汇水湖盆，由于浅湖相为低能沉积环境，这就不能合理解释含砾砂岩全区大面积网毯状分布，尤其是砂岩中砾石夹层全区分布的事实。

②沉积相带划分不明确。三角洲平原和三角洲前缘相带无法准确划分是该区发育辫状河-浅水三角洲体系观点的又一问题。前人曾依据泥岩的颜色判识水上氧化环境和水下还原环境，以此识别出水上分流河道、水下分流河道，然而从该区反映三角洲观点的沉积相图[2-8]来看，三角洲平原和三角洲前缘相带的划分并不统一，并且三角洲前缘相带范围大于100 km，这和学术界公认的浅水三角洲具有“大平原、小前缘”的特点不符，也很难解释水下分流河道的延伸距离超过100 km。

对鄂尔多斯盆地地质背景、盆内钻井、盆缘露头综合分析表明，鄂尔多斯地区盒8段沉积期冲积-河流体系广泛分布，中南部发育数个独立的季节性湖泊，全区并非单一的河流相沉积或滩坝沉积，依据如下：

①多物源强供给多水系发育。晚古生代华北地区是一个向东、向南东开口与大洋相通，而北、西、南三面为古陆或隆起环绕的巨型克拉通盆地，推测其大陆斜坡在朝鲜以东的日本海、东海一线[17]。下石盒子组盒 8段沉积期，鄂尔多斯地区北部、西部和南部 3面紧邻古陆，东接广阔的大华北克拉通盆地。随着海西褶皱带拼贴作用，以及西伯利亚板块向南与北部华北板块强烈对接，华北地台周缘造山作用逐渐增强，加剧了物源区母岩的风化剥蚀和供给，鄂尔多斯地区呈现北、西、南 3面近源，多源供砂，多水系发育的沉积格局[2,13]，为全区冲积-河流体系广泛发育提供了必要条件。

②古地形平坦沉积水体浅。鄂尔多斯地区盒 8段的地层厚度在大范围内没有出现明显的突变，全区地层厚度差小于30 m，古地貌开阔平坦。对盒8段泥岩颜色的统计分析显示，鄂尔多斯全区盒 8段泥岩颜色有灰色、浅灰、灰绿、灰褐、杂色、棕褐等多种颜色，总体以浅灰、灰绿和杂色泥岩为主，几乎无深色泥岩层发育（见图2a、图2c）；从泥岩厚度分布来看，盒8段纯泥岩单层厚度一般为5～10 m，累计厚度5～25 m，全区泥岩累计厚度高值和低值区交互分布，且与砂岩厚度呈互补关系（见图2b），表明盒8段沉积期沉积环境为季节性干旱气候环境，水体深度极浅，水位变化频繁，沉积物可能经常暴露，全区无深水沉积。

③河流相砂体全区分布。鄂尔多斯地区中南部盒8段砂岩由分选差的含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩等组成，砂岩的成分成熟度和结构成熟度均较低，部分井含砾岩夹层，发育块状层理、平行层理、侧积交错层理、板状交错层理，砂岩底面发育底冲刷构造特征（见图3a、图3c、图3e），GR电测曲线特征一般为中—高幅的齿化的箱形组合、箱形-钟形组合和钟形组合特征（见图4）。岩相、沉积构造和GR曲线特征基本与北部河流相砂体相似。选取鄂尔多斯北部与中南部典型井盒 8段含砾夹层岩心进行对比，发现中南部砾石的粒径相比北部有所减小，同时砾石和砾石间填隙物的成分成熟度、结构成熟度均有所增高，其成因应当为河流的长距离搬运作用所致（见图3d、图3e、表1）。

图2 鄂尔多斯地区盒8段泥岩与含砾砂岩分布特征

图3 鄂尔多斯地区盒8段砂岩、砾岩、泥岩岩心沉积构造特征

图4 鄂尔多斯地区中南部典型钻井盒8段砂岩测井曲线特征与砂体叠置模式（GR—自然伽马，API；Δt—声波时差，μs/m）

④存在数个独立的浅湖区。鄂尔多斯地区中南部盒8段砂岩泥岩颜色整体以浅灰、灰色、灰绿色为主，杂色、褐色泥岩少量发育，且全区各色泥岩交互分布，HT2井盒8段泥岩为灰绿和杂色，并且含有红褐色泥砾，反映沉积环境水体整体较浅，河道间沉积泥岩由于季节性干旱气候反复暴露（见图3f）。个别钻井盒8段泥岩单层厚度较大，如LA1井发育约30 m厚的连续灰色泥岩段，应当为水体相对稳定的局部浅湖区沉积形成；同时，泥岩累计厚度高值区并非大面积分布，其间为砂岩厚度高值区间隔（见图2a、图2b），说明存在局部浅湖相沉积但不统一连片，平面上表现为多个独立的季节性湖泊被多河道系统分割。

表1 鄂尔多斯地区北部与中南部盒8段岩心的砾石层特征对比

2.2 沉积体系特征

盒 8段沉积期鄂尔多斯地区处于完全转化为陆相沉积的初期，加之古地形平坦，物源供给充分，洪水频发，鄂尔多斯地区发育冲积扇-冲积平原沉积环境，全区以冲积-河流体系为主，中南部并不存在统一的大面积汇水湖泊，而是多河道与多湖泊（洪泛湖或漫湖）相间分布，表现为河道、泛滥平原与河间漫湖交互分布的沉积格局。同时，随着山西组沉积末期华北盆地全面海退，鄂尔多斯地区北部、西部和南部水系在中南部相对低势区汇集后继续沿东南海退方向继续推进、延伸。为验证这一推论，有必要从更广阔的华北盆地古地理背景来审视和进一步研究鄂尔多斯地区沉积体系发育分布特征。

3 原型盆地古地理特征

参考前人研究成果，在区域地层对比基础上，通过岩相特征分析、沉积相类型及分布特征判识，尝试恢复华北地区盒 8段沉积时期古地理格局。受资料等因素限制，本文选取的华北地区范围为：东到郯庐断裂，西达西缘冲断带，北抵阴山古陆，南至秦岭褶皱带。

3.1 地层划分对比

基于年代地层的等时划分对比是古地理恢复研究的基础，按照二叠系三分的观点[18-19]，以及《中国地层指南及中国地层指南说明书》中所附的方案[20]，鄂尔多斯地区下石盒子组沉积期为中二叠世早期，而下石盒子组底部盒 8段属中二叠世初期沉积产物。前人针对华北地区二叠系划分对比取得了基本一致的认识[18-22]，即下石盒子组以Taeniopteris、Cathaysiopteris whitei、Emplectopteris、Emplectopteridium和 Gigantonoclea等中期华夏系植物群发育为生物地层基本特征，华北中、北区以太原西山七里沟二叠系为标准剖面，中二叠统下部下石盒子组沉积地层底界为骆驼脖子砂岩之底，顶界为桃花泥岩之顶；华北南区以河南豫西禹县方山为标准剖面，下石盒子组同期沉积地层底界为砂锅窑砂岩之底，顶界为大紫斑泥岩之顶。在此基础上，根据华北地区中二叠世初期沉积地层岩性特征和区域标志层（如煤层）进行华北全区盒8段的地层划分对比。

在股份制合作社成立之后，可以统一管理、统一经营、统一销售，降低经营成本，减少山林纠纷，促进林区和谐；在林道等基础设施修建中，农户也不用担心自己的竹林被征用的赔偿问题；竹林基础设施的改善也大大节省了竹林经营成本；后期竹产品由合作社统一销售，节省了中间环节的交易费用；在合作社统一规模经营之后，由单一的卖竹材模式向多种经营并存的方向转变，增加了竹林的增效途径，极大地提升了竹林经营的信心。

3.2 地层岩相特征

华北地区中二叠统下部下石盒子组总厚度一般为40～170 m。在邻近盆缘古陆地带地层厚度较薄，为40～80 m；盆地内部地层厚度差小于40 m，显示克拉通盆地整体稳定。华北地区下石盒子组底部盒 8段由砾质砂岩和含砾砂岩，浅灰色砂岩，灰白、灰绿色细—粉砂岩、泥页岩及其过渡类型泥质砂岩、砂质泥岩组成，砂岩岩性整体北粗南细。岩相类型主要包括块状层理含砾粗砂岩相、板状层理中—粗砂岩相、正粒序层理中—粗砂岩相、楔状层理中—粗砂岩相、平行层理中—粗砂岩相、砂纹层理粉砂岩相和块状泥质砂岩及泥页岩相。

华北地区盒 8段含砂率北高南低。地层含砂率大于 40%的地区主要分布于华北地区北部，即乌海、包头、准格尔、大同、锦州一带含砂率最高，可达70%～92%，并有数个含砂率较大的条带由北而南延伸，鄂尔多斯、吕梁、武乡、陵川一带，含砂率为40%～70%；锦州、天津、北京、新汶一带，含砂率为40%～90%。另外，在本区南部的耀县、韩城等地，含砂率为40%～50%，在南华北地区含砂率最小，多为5%～20%。

华北中、北区盒 8段泥岩中含植物茎干、叶片化石但数量稀少，华北南区植物化石数量增多。焦作、郑州、徐州一线以南盒8段发育多层薄煤层和煤线，区域地质志称其为三煤段，从煤层分布图上可以看出，其中平顶山以北、平陌以南煤层累计厚度在3 m以上，从淮北向淮南煤层单层厚度增加、层数增加，到淮南煤层累计厚度达4.5 m（见图5）；黑色页岩主要分布于豫东南的平顶山、方山、平陌以及安徽淮北和淮南一带，黄河以北和鄂尔多斯地区基本无煤层和黑色页岩发育。

3.3 沉积相类型及分布

参考前人研究成果[2-9,23-26]，结合钻井岩心、露头、测井曲线与岩石组合特征对华北全区盒 8段进行沉积环境和沉积相识别与分析，识别出冲积扇、冲积平原河流、海岸平原、三角洲等沉积环境和扇中、辫状河、泛滥平原、曲流河、河漫滩、洪泛湖（河间漫湖）、三角洲平原、潮坪、湖、海岸沼泽等多种沉积亚相（见图6、表2）。华北全区沉积相分布区域特征表现为：自北向东南方向（现今地理方位，下同）发育大陆冲积体系的冲积扇相、冲积平原河流相和海陆过渡沉积体系的三角洲、海岸平原沉积。鄂尔多斯地区乌海—杭锦旗—鄂尔多斯一线以北发育山前冲积扇，以南则发育大面积冲积平原河流相沉积。

图5 华北地区盒8段煤层厚度图

3.4 古地理格局

综合分析地层岩相、沉积相类型及分布特征，参考前人研究成果，编绘出华北地区中二叠世初期（盒8段沉积期）古地理图（见图7）。图中表明，华北盆地当时整体表现为北陆南海的古地理格局，随着北部阴山古陆上升剥蚀加剧，物源区物质供应充足，海平面快速下降，海水向东南方向退去，海岸线迁移至南华北地区。大华北盆地北区和中区气候干旱，碎屑沉积体活跃，抑制了植物生长与泥炭聚集，煤层不发育，为内陆冲积平原沉积环境，自北向南发育冲积扇—河流—河间漫湖沉积相；华北盆地南区为近海沉积环境，气候温湿，有薄煤层或局部可采煤层赋存，发育三角洲、潮坪、湖、沼泽等过渡相沉积。

从华北地区古地理格局恢复结果看，鄂尔多斯地区盒 8段沉积时期位于大华北盆地西部，主体为冲积扇—冲积平原沉积环境，沉积体系发育受到北部阴山古陆、西北阿拉善、西南陇西古陆和南部秦岭—大别古陆物源的共同控制，各物源方向水系在南部汇聚后统一向东南方向流出，盒 8段沉积期鄂尔多斯地区仅为“过水区”，而非最终汇水区。

4 沉积模式

4.1 水槽沉积模拟实验

图6 华北地区盒8段典型露头沉积特征

依据盒 8段沉积时期物源发育特征，在水槽一侧设计 3个进水口，分别模拟北部阴山古陆两个物源和西北缘阿拉善古陆物源，另一侧 2个进水口模拟南部的秦岭古陆及西南六盘山古陆物源，其中北部 3个物源为主要物源，砂粒相对较粗，另外两个物源为次要物源，砂粒相对较细。出水口位于水槽中部，模拟外流通道和控制沉积基准面水位。此外，针对盒 8段沉积时期洪积事件频发的特点，设计模拟过程为 4期。第1期和第3期分别模拟洪水期的沉积过程，第2期和第 4期分别模拟枯水期的沉积过程，洪水期和枯水期加砂量比例设计为6∶1。

表2 华北地区盒8段沉积相类型识别及分布区域

图7 鄂尔多斯与华北地区中二叠世初期（盒8段沉积期）古地理格局关系

模拟实验结果揭示南北各物源沉积体系与砂体展布受古地形、水体流速、流量以及基准面升降控制。南北高中部低的古地形特点控制各物源水系由四周向中南部汇聚，局部古地形差异控制各水系的走向；洪水期水流携带的沉积物向南快速推进，粗粒碎屑物质大量沉积，砂体分布面积逐渐扩大，汇水区面积逐渐缩小；枯水期水流流量减小，携砂量明显降低，细碎屑物质沉积，后期的洪水来临时再次冲刷并搬运前期沉积的碎屑物质，使得沉积砂体不断向前迁移。出水口水位控制各物源体系的最终推进距离，盒 8段沉积前，由于出水口水位较高，南北冲积体系之间还存在统一汇水区，随着出水口水位不断降低，汇水区面积不断缩小，当基准面降至最低，多期洪水的接力搬运致使南北冲积体系交汇对接，统一汇水区被交汇砂体分割萎缩，最终全区为冲积砂体占据（见图8）。

图8 鄂尔多斯盆地盒8段沉积演化过程水槽模拟实验

4.2 盒8段“冲积河流-漫湖”沉积模式

依据上述实验结果并结合古地理背景分析可知，鄂尔多斯盆地在二叠系山西组沉积末期的大范围海退造就了盒8段沉积期南北沉积体系对峙推进和满盆富砂砾的冲积扇-冲积平原沉积特征。盒8段沉积前，鄂尔多斯地区还存在统一的近海汇水湖盆，而随着华北海向东南快速退却，基准面整体下降，洪水事件频发，南北物源冲积体系携带大量碎屑物质对峙推进并开始交互，交互的沉积砂体将原来的统一湖盆分割成数个独立的汇水区，至盒8段沉积期末，冲积平原最终占据全区，形成了大面积分布的含砾砂岩体，仅在中南部地区发育数个被多河道分割的季节性洪泛湖（河间漫湖）。据此重新建立了“冲积河流-漫湖”沉积模式：盒8段沉积期，鄂尔多斯地区主体为冲积平原沉积环境，北部发育冲积扇、辫状河、泛滥平原；中南部过渡为低弯度曲流河、泛滥平原、洪泛湖（河间漫湖）等沉积相，表现为河流主水道、泛滥平原与河间漫湖交互分布，次级水道进入或穿过泛滥平原与河间漫湖（见图9）。

图9 鄂尔多斯盆地盒8段沉积模式图

5 勘探意义

鄂尔多斯盆地北部上古生界发育大型缓坡三角洲砂体为该区大面积分布的致密气藏提供了有利储集条件[1]。而随着近年勘探向盆地南部拓展，证实盆地南部盒8段含气砂体依然存在，如苏里格南部盒8段砂体厚15～30 m，岩性以中—粗粒石英砂岩为主，发育含砾砂岩夹层，孔隙类型以溶孔为主，平均孔隙度8.7%，平均渗透率 0.83×10-3μm2，气层平均厚14.6 m[27]。近期盆地西南部勘探获得进展，QT1、QT2、ZT2、LN2井在盒 8段均钻遇石英砂岩气层，且含砾砂岩夹层仍然存在，QT2、LN2井盒 8段试气获产，QT2井获11.15×104m3/d的工业气流。“冲积河流-漫湖”沉积模式认为鄂尔多斯地区盒 8段形成于华北克拉通大范围海退的背景，多物源冲积体系沿海退方向进积交汇，致使河道砂体在鄂尔多斯全区呈大面积网毯状分布，多期次高能洪水的长距离接力搬运作用使得盆地中南部赋存粗相带砂体，该模式改变了传统沉积格局，合理解释了盒 8段“满盆砂”的沉积特征和含砾砂岩夹层全区分布的成因。扩大了鄂尔多斯盆地中南部地区砂体展布范围，因此鄂尔多斯盆地南部盒 8段仍具备较大勘探潜力。

6 结论

鄂尔多斯盆地二叠系盒 8段沉积时期，具有地形开阔平坦、气候干旱—半干旱、多物源供给充足、多水系发育的沉积背景，为冲积扇—冲积平原沉积环境的形成提供了条件，全区表现为河道、泛滥平原与河间漫湖交互分布的沉积格局。古地理恢复表明，盒 8沉积时期鄂尔多斯地区为大华北盆地西部流域的“过水区”，各物源方向水系在南部汇聚后统一向东南方向流出，该区主体为冲积平原沉积环境，发育冲积扇、辫状河、泛滥平原、低弯度曲流河、洪泛湖（河间漫湖）等沉积相。随着华北海向东南快速退却，基准面整体下降，洪水事件频发，鄂尔多斯地区南北物源冲积体系携带大量粗碎屑物质快速对峙推进造就了全区富砂砾的沉积特征。“冲积河流-漫湖”沉积模式合理解释了鄂尔多斯盆地全区盒 8段大面积分布含砾砂岩的成因，为拓展盆地南部勘探提供了有利地质依据。