鄂尔多斯盆地南缘下寒武统地层划分及沉积演化特征

王宏波 ，郭 玮 ，章贵松 ，井向辉 ，李相博 ，王 菁

（1.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安710018；3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018）

0 引言

2000年，刘德良等［1］在华北盆地南缘发现了下寒武统烃源岩，其后学者们［2-3］通过研究发现，华北盆地下寒武统层序、沉积环境和构造背景均与杨子陆块、塔里木陆块具有较高的相似程度，因此，可以推断这套烃源岩的发育可能具有全球性。沉积环境和构造环境对于烃源岩的形成和保存具有控制作用，众多学者［4-8］论证了下寒武统这套烃源岩的有效性。随着塔里木玉尔吐斯组和四川筇竹寺组烃源岩的发现及勘探突破，鄂尔多斯盆地寒武系的勘探潜力逐渐得到勘探家们的重视，下寒武统这套烃源岩的研究对鄂尔多斯盆地深层勘探具有重要意义。

同整个华北陆块南缘一样，鄂尔多斯盆地南缘—北秦岭地区寒武系底部发育一套含磷砾岩层和含磷页岩层组合，这套发育在辛集组之下的不含化石的地层通常被命名为“罗圈组”、“凤台砾岩”、“马店组”、“三道撞组”或“东坡组”等，其层位归属也一直存在争议，主要包括以下3种观点和认识：第1种观点认为它与上覆的猴家山组或辛集组关系密切，应划归为寒武系［9-12］；第2种观点认为它具有大陆裂谷的陆缘山岳冰川沉积性质，其为陆缘裂谷山岳冰川的泥石流和近海浮冰落石相混合的沉积类型，与我国南方的南沱组冰碛层相似，应划归前寒武系［13-14］；第3种观点将其笼统的划定为晚震旦系—寒武系［2，5］。本文通过对华北南缘下寒武统进行系统分析和对比，且对鄂尔多斯盆地南缘—北秦岭地区露头的地层层序特征、岩性岩相特征进行综合分析，结合该套地层的沉积特征，对其进行系统研究与归属划分，以期对鄂尔多斯盆地深层新领域油气勘探提供指导。

1地层发育特征

作为华北板块的一部分，鄂尔多斯盆地下寒武统仅在盆地南缘发育，盆地内打到下寒武统的井较少，少数钻探到下寒武统馒头组，较深的平1井也仅钻探到下寒武统辛集组。因此，关于下寒武统的研究多依靠盆地南缘—北秦岭地区的露头剖面。盆地南缘—北秦岭地区下寒武统露头主要发育在以下3个区域：①洛南县以西，露头顺地层走向展布，出露多为同一小层；②洛南县东北方向，垂直地层走向方向出露的地层相对较宽，下寒武统发育较齐全；③洛南县石坡镇以北，寒武系地层出露较多，但多为中—上寒武统，少量为下寒武统。本次以洛南县东北方向的露头点（洛河北剖面）为研究对象（图1），进行了系统的地层划分及沉积演化特征研究。

洛河北剖面下寒武统自下而上发育6段不同的岩性组合，各段厚薄不一，岩性变化较大（图2）：第1段厚度约40 m，岩性为黑色炭质页岩、板岩，其中页岩含磷、铀，变质程度较高，手持岩石后具有“污手”现象；第2段厚度约5 m，岩性为灰黑色含碳砾岩、钙质砾岩，风化后呈灰黄色，粒径大小不一，分选磨圆均较差，杂基支撑，碳酸盐胶结物发育；第3段厚度约15 m，灰黑色粉砂质页岩，页理发育，页理面光滑、坚硬，局部夹细砂岩透镜体；第4段厚度约80 m，岩性主要为灰色含磷矿的石英砂岩，质地较坚硬；中部夹灰黑色薄层粉砂质页岩，上部出现浅灰黄色砂质灰岩；第5段厚度约75 m，灰白、灰色块状砂质灰岩、硅质灰岩、白云岩，石英颗粒肉眼清晰可见，裂缝中可见沥青脉；第6段厚度约40 m，灰黄色薄层状白云质灰岩、泥质灰岩。总体上看，下寒武统层序自下而上为：下页岩段—砾岩段—上页岩段—砂岩段—砂质灰岩段—白云质、泥质灰岩段，经历了由碎屑岩向碳酸盐岩的演化过程。

2 区域地层对比与层位归属探讨

2.1 区域地层对比

鄂尔多斯盆地南缘下寒武统出露地表的岩石剖面较少，关于下寒武统的进一步细分和命名主要存在2种方案：第1种方案是把整个下寒武统划分为三道幢组和三川组，此方案源于1∶200 000的“洛南幅”地质图，由河南地质局秦岭地质大队于1956—1958年测绘完成；第 2种方案为徐嘉炜［9］于1958年对淮南地区下寒武统进行划分和命名提出的，其把馒头组之下的地层统一归为猴家山组，未做进一步的细分。

图1 鄂尔多斯盆地南缘—北秦岭地区寒武系露头位置图Fig.1 Location of Cambrian outcrop in the southern margin of Ordos Basin-northern Qinling region

图2 洛南县洛河北下寒武统地质剖面Fig.2 Geological section of Lower Cambrian in Luohe，Luonan County

洛南县洛河北剖面1号和2号岩性段（下页岩段—砾岩段）最初被命名为三道幢组，后来发现其岩性特征与层序发育特征与戴金星等［2］对淮南地区划分出的马店组一段和二段具有一定程度的相似性，也与徐嘉炜［9］对安徽淮南地区划分出的猴家山组凤台砾岩段具有相似性（表1）。1961年，该套地层建组于河南省临汝县罗圈村，因此得名“罗圈组”。洛河北剖面3号岩性段（上页岩段）相当于马店组三段，也相当于猴家山组雨台山页岩。何治亮等［12］、薛友智［15］对东秦岭到河南省的该套地层进行研究时，采用了关保德等［16］的命名方案，称之为“东坡组”，本文采用该命名方案，将洛河北剖面的3号岩性段命名为“东坡组”，其上的4号岩性段、5号岩性段和6号岩性段，即砂岩段—砂质灰岩段—白云质、泥质灰岩段分别为辛集组、朱砂洞组和馒头组。

2.2 层位归属

洛南县洛河北剖面的3号岩性段（东坡组）中发育腕足类Palaeobolus sp，Obolopisi sp等生物化石；4号岩性段（辛集组）中见三叶虫Hsuaspis，Zhoujiaguensis等，因此，可将其归属为下寒武统筇竹寺阶—沧浪铺阶［17］已无疑议。现今学者们争论的焦点是下寒武统1号岩性段和2号岩性段的层位归属问题，即本文建议采用的名称“罗圈组”，相当于地质图洛南幅上的“三道撞组”，对应淮南地区的“马店组”1号岩性段（王八盖山段）和2号岩性段（凤台段）。该套地层不含化石，其层位归属一直存在争议：徐嘉炜［9］命名“猴家山统”的地层单元包括白鹤山层、雨台山页岩和凤台砾岩，认为凤台砾岩为干旱气候下快速堆积的山麓沉积，属寒武系最早地层；张文堂等［13］、郑文武等［14］、任润生［18］均认为，该套砾岩的成因与冰川活动有关，与南方的南沱组冰碛层近似，将其归属到前寒武系；戴金星等［2］认为该套砾岩地层属于下寒武统的可能性较大，但不排除属晚震旦世沉积的可能，将其笼统的归属到晚震旦世—寒武世沉积；冯增昭等［19］认为该套地层相当于吉林省的水洞组，因其含小壳化石，将其归属到了寒武系（表1）。

可从岩石学特征及沉积环境来分析罗圈组的层位归属问题。通过对鄂尔多斯盆地南缘洛河北剖面的系统观察和研究，认为该套地层应属下寒武统，主要包括以下3个方面的证据：①岩石学特征。罗圈组岩性主要为灰黄色砾岩，上覆炭质页岩，产磷矿，砾石的主要成分为叠层石白云岩（质量分数大于80%），次要成分为砂岩、灰岩，碳酸盐胶结，沉积环境明显不是冰碛层形成的寒冷气候。冰碛层的砾石成分和胶结物均与其存在明显区别，例如南沱组冰碛岩主要由黄绿色角砾岩组成，砾石成分单一，主要为更古老地层的变质岩，填隙物以杂基为主，碳酸盐胶结物含量较少。②沉积构造特征。罗圈组砾岩虽然大小混杂，分选较差，但磨圆中等—好，并且砾石排列具有一定的定向性（图3），显然不属于冰川成因，而是受到较大的古地形坡度的影响，构造运动伴生的角砾与陡岸崩塌角砾快速堆积在含炭磷质碳酸盐岩中。③层序地层特征。罗圈组与上覆含三叶虫化石的含磷地层为连续沉积，页岩中砾岩层—石英砂岩段—碳酸盐岩层反映了一个海水进积的正粒序，具有明显的连续性，可划归为下寒武统，为寒武系的底砾岩。综上所述，罗圈组被划分为鄂尔多斯盆地南缘—北秦岭地区古生界最老地层更为合理。

图3 洛南县洛河北剖面2号岩性段砾岩照片Fig.3 Photos of conglomerate in No.2 lithologic section of Luohe section in Luonan County

3 地层与沉积特征

3.1 地层发育特征

一般来讲，构造背景和古陆边缘性质控制着沉积格局和沉积环境。区域地质研究成果表明，从太古宙起，经元古宙到早古生代晚期，鄂尔多斯地块和阿拉善古陆均属华北古陆的一部分，位于华北古陆西部。中—新元古代，阿拉善古陆和鄂尔多斯地块之间、鄂尔多斯地块及其与华北古陆主体之间，曾出现过3条大级别的坳拉谷，分别为贺兰山坳拉谷、晋陕坳拉谷和豫陕坳拉谷［20-21］，这些坳拉谷的存在一直延续到早古生代早期。鄂尔多斯古陆属华北古陆的一部分，南缘寒武系属被动大陆边缘［22-23］，下寒武统的分布受当时的构造格局控制，包括鄂尔多斯盆地在内的华北太古代克拉通在中元古代发生破坏裂解，形成了一系列北东向的克拉通内裂陷槽［图4（a）］，中—新元古代裂陷槽的发展演化控制着寒武系的隆凹古地貌，在华北板块南缘形成了一系列北东向的海湾。下寒武统主要发育于华北板块南缘，受古秦岭洋台缘斜坡环境及古地貌中的凹槽或断陷构造控制。现今主要残留的下寒武统分布于古地貌中的凹槽或北东向的断陷中。由于受到基底断裂控制，早寒武世鄂尔多斯盆地南缘的西安—富平—洛川一带发育一大型陆内裂陷槽，或者叫深水海湾，下寒武统的发育受该裂陷槽或海湾控制，呈南西—北东向展布，在西安—富平一带，下寒武统厚度大于200 m，向北迅速减薄，到洛川附近完全尖灭［图 4（b）］。

图4 华北板块下寒武统沉积前古构造（a）与厚度等值线图（b）（据文献［24］修改）Fig.4 Paleotectonic（a）and stratigraphic thickness contour（b）before Lower Cambrian deposition in North China

图5 鄂尔多斯盆地南缘下寒武统综合柱状图Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of Lower Cambrian in the southern margin of the Ordos Basin

3.2 沉积环境

鄂尔多斯盆地南缘—北秦岭地区下寒武统罗圈组主要发育灰黑色浅变质页岩，夹板岩和千枚岩，底部见褐黄色粗砂岩和砾岩，东坡组为灰黑色砂质页岩，底部见灰黄色角砾岩（图5）。根据岩性发育和组合特征，结合区域地质背景，可将罗圈组—东坡组的沉积环境定为深水海湾（海槽）沉积。辛集组主要由砂质页岩和含磷石英砂岩组成，属无障壁海岸沉积，朱砂洞组和馒头组均以碳酸盐岩和碎屑岩的混合沉积为特征，为碳酸盐岩缓坡环陆云坪沉积。

整体上，盆地南缘寒武纪早期经历了一次完整的海进过程，沉积环境完成了一次由深水海湾—海岸沉积—碳酸盐岩缓坡沉积的演化过程。罗圈组—东坡组海水从南侵入盆地南缘，沉积范围最大波及到麟游—富平一线，为深水海湾—裂陷槽沉积；辛集组继续向北超覆沉积，到达旬邑—韩城一线，形成了“下粗上细”的海岸相碎屑岩沉积，朱砂洞组—馒头组基本继承了辛集组的沉积格局，最北到达洛川附近，沉积厚度加大，开始以碳酸盐岩沉积为主，属环陆云坪和环陆砂坪沉积环境。

4 油气勘探意义

鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩的油气勘探一直以奥陶系及上古生界气藏为重点，寒武系的勘探一直未获重大突破。盆地南缘寒武系沉积厚度为500～1 300 m，局部可达1 500 m以上，张夏组鲕粒滩分布广，发育溶孔和晶间孔为主的储集体，储集性能好，然而烃源岩一直是制约下一步勘探的关键问题。盆内唯一具生烃能力的中寒武统徐庄组，其TOC质量分数为0.30%～0.90%，平均值为0.53%，生烃能力较差。南缘下寒武统辛集组之下的这套东坡组和罗圈组的存在，有效解决了生烃潜力的问题。受裂陷槽与深水海湾环境的控制，东坡组与罗圈组地层厚度大，其中泥页岩厚度最大的区域可达80 m，TOC质量分数为0.19%～11.18%，平均值为3.14%（45个样品），有机质类型为Ⅰ型，且热演化程度高，为寒武系最优质的烃源岩。下寒武统烃源岩与中—上寒武统台缘颗粒滩形成了良好的源储配置，具有优越的成藏条件。盆地南缘寒武系的系统研究将为鄂尔多斯盆地油气勘探和增储上产奠定坚实基础。

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地南缘下寒武统为一套海进层序：下页岩段—砾岩段—上页岩段—砂岩段—砂质灰岩段—白云质、泥质灰岩。辛集组之下发育了东坡组和罗圈组，其中罗圈组应划分到下寒武统，作为盆地南缘寒武系最老地层更为合理，且发育寒武系最优质的烃源岩。

（2）鄂尔多斯盆地南缘下寒武统的分布受当时的构造格局控制，主要分布在北东向断陷或古地貌凹槽中，现今的地理位置约在西安—富平—洛川一带，沉积环境经历了一次由深水海湾—海岸沉积—碳酸盐岩缓坡沉积的演化过程。下寒武统的优质烃源岩与中—上寒武统的优质储集层形成了良好的源储配置，成藏条件优越。