鄂北杭锦旗地区山西组高分辨层序格架下沉积充填及砂体展布规律

赵明胜，田景春，张 翔，苏炳睿

(1.沈阳师范大学，辽宁 沈阳 110034；2.成都理工大学，四川 成都 610059)

0 引 言

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，为一个不对称的向斜盆地，跨越陕、甘、宁、蒙、晋五省区，总面积达23×104km2，是华北板块与其四周的古太平洋、特提斯洋、古祁连洋、古亚洲洋及古秦岭洋互相作用的结果[1]。杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部，由于其处于构造高位，目前已在上古生界地层中获得了良好的工业气流[2-3]。上古生界地层为一套陆相碎屑岩沉积为主的地层，下二叠统山西组是上古生界一套重要的含煤岩系地层，同时也是一套重要的油气储集层[4]。前人对于山西组的高分辨层序地层格架研究少有报道，且对格架下充填序列及砂体的形成环境具有不同的认识。胡永章等[5]在研究杭锦旗地区岩性对油气藏的控制时认为山西组砂体主要形成于冲积扇的环境；薛会等[2]在研究杭锦旗地区构造演化时认为山西期以三角洲—潟湖—潮坪体系沉积为主；朱宗良等[6]在建立杭锦旗地区太原组—下石盒子组层序地层格架时认为山西组为辫状河沉积；邱隆伟等[7]结合区域地质特征及测井、粒度等资料对杭锦旗地区山西组进行了研究，并认为其具有辫状河三角州的沉积特征；易非凡等[8]通过岩石类型、沉积构造及测井相等特征研究认为杭锦旗地区山西组砂体沉积于三角洲的环境。以鄂尔多斯盆地杭锦旗地区山西组为研究对象，通过对层序界面的识别，建立了杭锦旗地区下二叠统山西组高分辨层序格架，探讨了层序格架下的沉积充填序列其砂体展布特征，为研究区下一步油气勘探提供指明了方向。

1 地质背景

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起杭锦旗断阶带上，勘探面积为9 805 km2，研究区内主要有泊尔江海子断裂、乌兰吉林庙断裂、三眼井断裂3条东西向大断裂(图1)，并控制着区内基底、圈闭形成及地层沉积。受阴山褶皱带的影响，晚古生带以前，杭锦旗地区长期处于古隆起的状态，呈现出北高南低、西高东低的古地貌地形[9]，至晚石炭纪开始接受沉积，并依次形成了本溪组、太原组、石盒子组等上古生界地层。在山西组沉积期，盆地性质转变为陆相湖盆，沉积环境由海相向陆相过渡，并与华北克拉通统一发育[7]。山西组为一套陆源碎屑岩，主要由砂砾岩、中—粗粒砂岩、细—粉砂岩、泥岩及煤组成，厚度一般为50～80 m。根据岩性及旋回特征，可将鄂尔多斯盆地杭锦旗地区山西组划分为山1段和山2段，山1段可分为3个小层，分别为S11、S12、S13，山2段可分为2个小层，分别为S21、S22。

图1 鄂尔多斯北部杭锦旗地区位置

2 高分辨层序地层格架的建立

2.1 界面识别

层序界面的识别是划分层序的基础，通过野外露头、岩心及测井资料的研究，对杭锦旗地区下二叠统山西组长、中、短期层序界面进行了识别，并认为界面的物质表现形式主要有冲刷侵蚀面、岩性岩相转换面及洪泛面。

(1) 冲刷侵蚀面。在杭锦旗地区山西组层面构造中，冲刷构造是研究区最为发育的不整合类型，可进一步划分出高幅和低幅冲刷面。高幅冲刷面可作为长期层序界面，在研究区为太原组与山1段、山1段与山2段、山2段与石盒子组的界面，是主河道在摆动过程中，流水对下伏地层的冲刷形成，表现为砂砾岩与下伏泥岩的冲刷接触；测井曲线上表现为GR和SP突变，地震剖面上表现为反射强度及削截、下超的变化。低幅冲刷面为S11与S12、S12与S13、S21与S22的界面，表现为分流河道对河道间或天然堤的低幅冲刷或弱冲刷面，测井曲线GR及SP与高频冲刷相比，变化相对较小，地震剖面上表现为小型削截。

(2) 岩性岩相转换面。岩性岩相转换面为基准面与水体能量等因素共同作用下形成的[10]。基准面的升降变化导致沉积环境随之改变，至使界面上下岩性、颜色及岩石叠置样式发生改变，在杭锦旗地区其物质表现形式为砂砾岩相与中细砂岩相、粉砂岩相与泥岩相、泥岩相与煤岩相等不同岩相之间的接触，在测井曲线上也会出现响应的测井相转换面。

(3) 洪泛面。洪泛面是湖进到最高位后湖退形成的弱补偿或沉积界面，即基准面由上升到下降的转换面。具有沉积速率极慢、时间长、厚度薄的特点，是一个层序中最易识别的标志层[11]。不同级别的基准面旋回中均可发育有洪泛面，按其成因可分为长期、中期、短期[12]。长期洪泛面位于层序内部，代表长期基准面持续上升期的进积—退积序列，到下降期的加积—进积序列的相转换面。测井曲线GR及SP呈现高值和低值，在钻井岩心中，位于大套泥岩段的中部。中期、短期洪泛面发育规模较长期洪泛面小，测井曲线GR及SP变化幅度较长期洪泛面弱，但中期洪泛面测井曲线变化幅度强于短期洪泛面，在钻井岩心中，位于水体逐渐变深形成正粒序顶部的泥岩段。

2.2 基准面旋回划分

根据Cross基准面层序地层学原理[13-14]，结合研究内的钻井岩心、测井、地震资料，将杭锦旗地区山西组划分出2个长期(LSC1、LSC2)、5个中期(MSC1—MSC5)及10个短期基准面旋回(SSC1—SSC10)。

(1) 长期基准面旋回。长期基准面旋回是在盆地范围内，区域基准面旋回的升降过程[15]，相当于Vail的三级层序。LSC1、LSC2旋回分别由2～3个中期旋回叠置而成(图2)。山1段、山2段分别对应LSC1和LSC2，主要为以上升半旋回为主的不完全对称型(C1型)，代表基准面持续稳定低幅上升和快速高幅下降的旋回过程。

(2) 中期基准面旋回。中期基准面旋回是受偏心率长周期影响的基准面升降和沉积供给变化形成的[16]，具有完整的水进—水退旋回性，对于地层的等时对比具有重要意义[17]。基于短期基准面旋回的叠加样式及层序界面的识别，共划分出5个中期基准面旋回(MSC1—MSC5)，每一旋回由2个短期旋回叠置而成(图2)。其中，MSC1、MSC2及MSC3分别对应S11、S12、S13小层，以变“深”复变浅的不完全对称型(C1型)为主要类型，其次为向上变“深”的非对称型(A2型)；MSC4、MSC5分别对应S21、S12小层，以向上变“深”复变浅的对称型旋回层序(C1、C2型)为常见类型。

(3) 短期基准面旋回。短期基准面旋回是受米兰科维奇地球轨道参数中斜率周期影响，并在相似地质背景下形成的由一系列超短期旋回叠加而成的最小地层成因单元[18]，相当于Vail的五级旋回。山西组10个短期基准面旋回(SSC1—SSC10)的叠加样式多样(图2)，发育向上变“深”的非对称性型(A1、A2型)和变“深”复变浅的对称型旋回层序(C1、C2、C3型)。其中，变“深”的非对称性型(A1、A2型)及以上升半旋回为主的不完全对称型(C1型)最为发育，A1型多发育于中期基准面上升半旋回早期，A2型发育于中期基准面上升半旋回中—晚期。

图2 鄂北杭锦旗地区山西组J54井高分辨层序综合柱状图

3 高分辨层序格架内的沉积充填序列及沉积充填模式

3.1 沉积充填序列

通过对沉积相标志(颜色、成分、结构、沉积构造、测井等)的识别和研究，山西组为辫状河三角洲充填沉积。山西组沉积期(LSC1、LSC2)环境较为稳定，经历了辫状河三角洲沉积体系的改造，其亚相主要为三角洲平原，并可划分出辫状分流河道、越岸沉积、分流间洼地、泥炭沼泽等微相(图3)。在短期层序格架内，沉积充填序列发育向上变“深”复变浅的对称型(C1、C2、C3型)及向上变“深”非对称型(A1、A2型)等类型。其中，C1、A1、A2型为主要类型。C1型由下至上依次由辫状河道砾岩和粗—中砂岩、越岸沉积细砂岩和粉砂岩、分流间洼地泥岩、泥炭沼泽煤层、薄层辫状分流河道砂岩组成；A1型由向上变细的辫状河道砂体组成；A2型由下至上依次由辫状河道砾岩和粗—中砂岩、越岸沉积细砂岩和粉砂岩、分流间洼地泥岩组成向上加深变细的层序。组成各充填序列沉积微相特征如下。

(1) 辫状分流河道。辫状分流河道构成了辫状河三角洲平原的骨架，具有一般河道的沉积特点，在MSC1—MSC5沉积期均有发育，主要分布于上升半旋回的下部，旋回底部均由河道对该下伏地层的冲刷开始，可见大小不等的泥砾(图3)。辫状分流河道内水体能量较强，主要由灰白色、褐灰色巨—中砾岩、粗—中粒石英砂岩、岩屑石英砂岩及岩屑砂岩组成。碎屑颗粒以石英为主，主要为单晶石英，岩屑以变质石英、千枚岩、泥质岩屑为主[19]。碎屑颗粒分选中等，磨圆度一般，以次棱角状为主，填隙物主要为水云母化杂基、钙质胶结物和硅质胶结物。发育有冲刷构造、平行层理及大型交错层理等可指示强水动力沉积构造。其测井曲线主要为箱型或箱形-钟形的复合型，可进一步识别出主河道和次级分流河道。主分流河道由单一光滑箱形砾岩、砂砾岩组成，次级分流河道由齿化箱形-钟形粗砂岩—中砂岩组成(图3)。

(2) 越岸沉积(天然堤和决口扇)。天然堤是河水在洪水期越过堤岸，当河水变浅、流速降低时，在河道外侧以片流方式沉积下来形成，在远离河道外侧逐渐变薄[20]，在充填序列中位于上升半旋回的中上部，沉积物主要由细砂岩和粉砂岩、泥岩互层组成。决口扇是洪水期流水冲破堤岸后发育的沉积，沉积物主要以细砂岩、粉砂岩为主。越岸沉积在测井曲线上呈指形。

(3) 分流间洼地和泥炭沼泽。分流间洼地为分流河道之间因地形差异而形成的局限低洼的蓄水或湿地环境，发育于上升半旋回的顶部。岩性主要为泥岩或泥质粉砂岩，部分由砂泥岩薄互层构成，水平层理发育，见植物碎片及黄铁矿颗粒。当分流间洼地被植被覆盖，可发育成泥炭沼泽，主要由煤层、煤线和炭质泥岩组成，块状层理、水平层理发育。植物化石丰富，且多保存完好，主要为真蕨、种子蕨和楔叶纲为主，是华夏植物群典型分子[21]。分流间洼地和泥炭沼泽自然伽马和自然电位较高，呈直线形(图3)。

图3 杭锦旗地区C1型和A2型充填序列

3.2 沉积充填模式

由于西伯利亚板块持续向南俯冲推挤，导致华北板块整体抬升。在山西组沉积期，盆地性质转变为陆相湖盆，沉积环境由海相向陆相过渡[7]。杭锦旗地区北部的物源区构造活动性增强，碎屑物质供给充足，在LSC1沉积期研究区整体处于填充补齐的充填状态[8]，主要发育辫状河三角洲平原，并发育辫状分流河道和分流间洼地等微相，向南逐渐过渡为辫状河三角洲前缘(图4)[22]。辫状分流河道由北向南携带大量的砂、砾，形成由底部砾岩、含砾粗砂岩等组成的滞留河道沉积。LSC2沉积期整体地形较为平坦，由于辫状河道砂体的迁移改道，形成砂体厚度大，平面连通性较好，河道呈网状分布的沉积特征。

4 层序格架内的砂体展布特征

因华北地台整体抬升，鄂尔多斯盆地山西组沉积期沉积环境由海相向陆相过渡，海水从鄂尔多斯盆地东西两侧迅速退出[23-29]，研究区主要发育辫状河三角洲沉积。分流河道是研究区优选的储集相带，考虑油田开发需要，筛选储集砂体有效厚度大于等于10 m的重点井。结合地震资料，以LSC1和LSC2为编图单元编制砂体等厚图。

4.1 LSC1砂体展布特征

山西组LSC1沉积期为辫状河三角洲沉积，发育古陆、分流河道和洼地等微相。古隆起区发育于研究区北部的J64—J4—Y4、塔拉沟公社—JP1—J26—J15井一带。研究区发育多支辫状河道(图5)，构成了三角洲平原主体，约占研究区的75%。砂体主要分布于分流河道内，分流河道具有由北向南的展布特征，砂体延伸较远，分流河道之外为洼地微相沉积。

研究区东部的砂体连通性较好，特别是泊尔江海子断裂两侧，来自研究区北侧的4条主河道(杭锦旗—J47—J9—J10、J28—Y26—J68—J7、J84—J38—J54井及海子湾沟—合同庙—J16—J51井)在此汇聚，砂体分布广、厚度大。研究区西部砂体主要分布在白眼井—J80、Y23—J63井、J31、J86—J85井一线的分流河道内，但由于洼地及泥炭沼泽分隔，砂体连通性较差(图5)。

图4 杭锦旗地区山西组辫状河三角洲沉积模式

图5 杭锦旗地区山西组LSC1沉积期砂体平面展布

4.2 LSC2期砂体展布特征

该时期继承了前期的沉积格局，仍为辫状河三角洲平原沉积(图6)。古隆起分布面积较LSC1期有所减小，主要分布于J64—J4—M2、Y20—J15井以北一带。分流河道和砂体走向与LSC1沉积期相一致，由于物源区供应减少，河道规模较山西组LSC1沉积期有所减小，约占研究区的60%，分流间洼地较前期相对发育，但分流河道仍为三角洲平原的主体。

研究区杭锦旗—J87—J78井一线以东，分流河道南北向呈网状分布，砂体连通性较好，主要分布于J47—J10、J93—J32、J43—J38—Y10、J49—J40、J55—J76、J51—J16井及J22—J23井一线。杭锦旗—J87—J78井一线以西，砂体主要分布于居利—J30—J63、J31、赵家渠—J86井一带，由于分流间洼地及泥炭沼泽的阻隔，导致分流河道较为孤立、砂体连通性较差(图6)。

图6 杭锦旗地区山西组LSC2沉积期砂体平面展布

5 结 论

(1) 山西组共划分出2个长期、5个中期、10个短期旋回。长期旋回为上升半旋回为主的不完全对称型(C1型)；中期旋回以上升半旋回为主的不完全对称型(C1型)、上升与下降半旋回厚度接近相等的近完全—完全对称型(C2型)以及向上变“深”非对称型(A2型)为常见类型；短期旋回类型分为向上变“深”的非对称性型(A1、A2型)、向上变“深”复变浅的对称型(C1、C2、C3型)。

(2) 通过相标志的识别，杭锦旗山西组(LSC1、LSC2)沉积期经历了辫状河三角洲沉积体系的改造，其亚相为辫状河三角洲平原沉积，并识别辫状分流河道、越岸沉积、分流间洼地、泥炭沼泽等微相。短期旋回充填序列以C1、A1、A2型为常见类型。C1型由下至上依次由辫状分流河道砾岩、粗—中砂岩、越岸沉积细—粉砂岩、分流间洼地泥岩、泥炭沼泽煤、薄层分流河道砂岩组成向上变“深”复变浅不对称的层序；A1型由向上变细的辫状分流河道砂体组成；A2型由下至上依次由辫状分流河道砂岩和砾岩、越岸沉积细砂岩和粉砂岩、分流间洼地泥岩或泥炭沼泽煤组成向上加深变细的层序。

(3) 研究区在山西组LSC1沉积期以辫状河三角洲沉积为特征，辫状分流河道构成了三角洲的骨架，砂体延伸较远，具有由北向南展布特征；研究区东部砂体连通性较好，连片发育；研究区西部各分流河道之间由洼地及泥炭沼泽分隔，连通性较差。山西组LSC2沉积期继承了前期的沉积格局，分流河道和砂体走向与山西组LSC1沉积期相一致，由于物源区供应减少，分流河道规模较LSC1沉积期有所减小、分流间洼地则较前期相对发育，砂体亦呈现研究区东部连片发育、西部相对孤立的分布现象。