鄂尔多斯盆地西缘北部上古生界沉积体系特征及古地理演化

郭艳琴 王美霞 郭彬程 蔡志成 惠磊 何子琼 马瑶 李文厚 李百强

摘要：通過大量的野外露头勘察、钻井岩心观察以及镜下薄片鉴定等方法，对盆地西缘上古生界的沉积体系特征及不同时期的古地理环境演化进行深入研究。结果表明，研究区主要以河流沉积、湖泊沉积、三角洲沉积和障壁海岸沉积体系为主。羊虎沟期，区内主要以潟湖沉积为主，可见条带状分布的潮道沉积，障壁砂坝沉积规模较小，东北部出现扇三角洲沉积;太原期，潟湖沉积范围相对缩小，中部地区自北向南演变为三角洲平原和三角洲前缘沉积，东北部扇三角洲沉积范围进一步扩大;山西期，整体表现为中部自北向南依次发育曲流河、三角洲平原和三角洲前缘沉积，而西部和东部发育浅湖沉积;下石盒子期，北部物源供应充足，研究区自北向南依次发育辫状河沉积、辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘沉积，而研究区西北部及东南部的浅湖沉积范围均有所收缩;上石盒子期，北部物源供应相对减弱，北部演变为曲流河沉积，向南依次发育三角洲平原和三角洲前缘沉积，南部浅湖沉积范围整体向北部扩张，同时西南部也出现浅湖沉积;石千峰期，研究区北部沉积范围往南收缩，古地理格局整体表现为中部河流三角洲沉积，而西部、东南部和东部地区以浅湖沉积为主。

关 键 词：沉积体系;古地理演化;上古生界;鄂尔多斯盆地

中图分类号：TE121.1

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-01-013开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Sedimentary system characteristics and paleographic evolution of

Upper Paleozoic of northern west margin， Ordos Basin

GUO Yanqin1， WANG Meixia1， GUO Bincheng2， CAI Zhicheng1， HUI Lei1，

HE Ziqiong1， MA Yao1， LI Wenhou3，  LI Baiqiang3

（1.School of Earth Sciences and Engineering/Shaanxi Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology，

Xi′an Shiyou University， Xi′an 710065， China;

2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development， PetroChina， Beijing 100083， China;

3.Department of Geology， Northwest University， Xi′an 710069， China）

Abstract： The characteristics of sedimentary system and the evolution of paleogeographic environment in different periods in the western margin of the basin are deeply studied by means of a large number of outcrop exploration， drilling core observation and microscopic thin section identification. The results show that the main sedimentary systems in the study area include fluvial deposition， lacustrine deposition， deltaic deposition and barrier coastal sedimentary system. During the Yanghugou period， the paleographic environment of the study area is mainly lagoon deposition， and it can be seen that the tidal channel deposition with banded distribution， and the deposition scale of barrier sand dam is small and the fan delta deposition is developed in the northeastern study area. The sedimentary range of lagoon reduced in the Taiyuan period， and the central area evolves into delta plain and delta front deposit from north to south， and the range of northeastern fan delta sedimentation is furtherly expanded. During the Shanxi period， meandering rivers， delta plain and delta front deposits were respectively developed in central area from north to south， while shallow lake deposits were developed in the west and east. There was sufficient supply of sediments from the northern part in the Lower Shihezi period， and braided river deposits， braided river delta plain and braided river delta front deposits were developed from north to south， while the sedimentary range of shallow lakes in the northwest and southeast of the study area has contracted. The supply of sediments in the north of the Upper Shihezi period was relatively weakened， and the northern part evolved into a meandering river deposit， thus leading to the development of delta plain and delta front deposits in turn to the south， and the sedimentary range of the southern shallow lake expands to the north as a whole， at the same time， shallow lake deposits also appeared in the southwest. At the period of Shiqianfeng， the sedimentary boundary in the north of the study area contracted southward， and the palaeogeographic pattern is mainly shallow lake deposits in the western， southeastern and eastern regions， while the meandering river deltas are developed in the central part.

Key words： sedimentary system； paleographic evolution； Upper Paleozoic； Ordos Basin

鄂尔多斯盆地油气资源丰富，油气勘探潜力巨大宋国初， 罗绍伦， 张世富，等.陕甘宁盆地中生界陆相油田地质规律与勘探经验.长庆研究院报告， 1993。［1-3］。随着前陆盆地油气勘探步伐的加快，盆地西缘上古生界地层凭借其资源量丰富、勘探程度相对较低的特点成为近年来鄂尔多斯盆地油气勘探的重心。目前，陆续发现的胜利井气田、刘家庄气田、马家滩油田、大水坑油田、摆宴井油田等一系列重要的上古生界油气田，展示了鄂尔多斯盆地西缘地区良好的油气勘探前景。已有研究表明，油气的分布与沉积体系、古地理环境特征具有密不可分的关系［4-8］，因此，沉积体系及古地理环境演化的研究对于寻找油气分布有利区、明确下一步油气勘探的方向具有重要意义［7-8］。目前，众多学者对于鄂尔多斯盆地上古生界地层的沉积体系及古地理进行了大量研究［9-10］，且主要集中于盆地中部、东部南部等地区的部分层位［9，11-21］，而关于鄂尔多斯盆地西缘地区上古生界整体的沉积体系特征、古地理演化、储层特征等方面却鲜有报道［10］。本文以鄂尔多斯盆地西缘北部地区上古生界地层为例，在大量的野外露头勘察、钻井取心及镜下薄片分析的基础上，对上古生界地层（羊虎沟组、太原组、山西组、石盒子组以及石千峰组）的沉积体系特征及各时期的古地理环境进行深入剖析，明确不同沉积体系的时空展布特征，以期为区内下一步的油气勘探选区提供依据。

鄂尔多斯西缘逆冲褶皱带是中生代时期发育起来的中国内部极其重要的推覆逆冲构造带，构造上向东紧邻鄂尔多斯盆地，北部与伊盟隆起和阿拉善地块接壤，西部与贺兰山地块和六盘山地块接壤，南部紧邻渭北隆起，整体呈南北向条带状展布，且南北长约600 km，东西宽介于50～100 km［1-2］。由于受印支运动、燕山运动、喜山运动等多期构造运动改造而成，构造面貌复杂，构造活动强烈［22-23］。研究区西缘地区物源供应较为充足，主要来自于北部阴山地区和西北方向的阿拉善地块、贺兰山地块，而南部物源供给较少［24-25］。研究区位于鄂尔多斯盆地西缘北部地区（见图1），北起千里山以北，南抵韦州以南，西起阿拉善左旗以西，东至定边以东地区，总面积约2.3×104 km2。

1 上古生界沉积体系类型及特征

依据大量野外露头勘测、钻井岩心观察及薄片鉴定等，认为鄂尔多斯盆地西缘上古生界沉积体系类型主要包括河流沉积、湖泊沉积、三角洲沉积以及障壁海岸沉积体系等4种类型，不同的沉积体系分布层位各有差异（见图2），其中河流沉积体系和三角洲沉积体系均主要分布于石千峰组、石盒子组以及山西组，湖泊沉积体系主要分布于石千峰组和石盒子组，而障壁海岸沉积体系主要分布于羊虎沟组和太原组（见表1）。

1.1 河流沉积

1.1.1 曲流河沉积

曲流河沉积主要发育在研究区北部的山西组与上石盒子组，主要由河道沉积和河漫滩沉积构成。野外露头上可观察到曲流河沉积旋回的厚度一般为数米到十几米，单砂体厚度一般小于10 m，有时可见两个边滩砂体上下相互叠置的现象，使得砂体总厚度加大到十几米，但整体通常小于20 m。曲流河砂体在横向上相对比较稳定，一般横向延伸范围约数百米到数千米。

河道充填沉积和滞留沉积的岩石组成略有差异，前者以粗碎屑岩为主，而后者主要由细砾岩和砾质砂岩组成。曲流河砂坝沉积是河道沉积的骨架砂体，岩石类型以成分、结构成熟度均较低的中—粗粒岩屑石英砂岩和石英砂岩为主，野外露头及岩心上可见大型板状、槽状交错层理，野外露头上往往还可见到大型侧向加积层理。

河漫滩沉积主要由粉砂岩、砂质泥岩、泥岩夹薄层细—中砂岩及碳质泥岩、煤层（见图3A）组成，包括天然堤、决口扇、岸后沼泽等沉积类型。其中，天然堤沉积由粉砂岩、细砂岩及其互层组成，多发育波状层理、沙纹层理及生物潜穴;决口扇沉积由细—中砂岩组成，发育板状交错层理，垂向具正粒序，横向上常呈透镜状楔入岸后沼泽沉积物中。岸后沼泽沉积物主要为粒度更细的灰—深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩组成，见水平微波状层理，常见菱铁质结核及碳化植物碎片。

总体来看，研究区曲流河的河道沉积与洪泛平原沉积之比为1∶1（见图4A），其成因系河道摆动迁移或废弃之后，被洪泛平原长时间占据，河道迁移周期较长。测井上总体表现为钟形。其中，边滩砂体以低自然伽马和高自然电位、高视电阻率为特征，形态以箱形或尖峰状主;天然堤、泛滥平原沉积测井曲线上多以高自然伽马和高自然电位、低电阻率为特征，且其形态一般呈锯齿状和尖峰状（见图4B）。

1.1.2 辫状河沉积 辫状河沉积主要发育于下石盒子组，其次为山西组，主要表现为粗粒砂质河道沉积极为发育、洪泛平原细粒沉积相对不发育，其中河道充填沉积由底部的滞留沉积和发育大型板状、楔状及槽状交错层理的河道砂坝沉积组成。天然堤和决口扇沉积相对缺乏，洪泛平原沉积物直接覆盖于河道充填沉积之上。此外，山西组的辫状河沉积特征并不典型，而是介于辫状河与曲流河之间的过渡类型，其洪泛平原沉积主要由砂质泥岩夹薄煤层构成，且煤层分布较为稳定。

下石盒子组的辫状河特征较为典型，其砂体底部具明显的不规则侵蚀面，岩石类型以灰白色粗粒含砾石英砂岩和砾岩为主，槽状和楔状、板状交错层理（见图3B）相对发育。野外可见多个呈正粒序的单砂体相互叠置形成的复合砂体，厚度一般较大。辫状河道砂体在测井曲线上表现为箱状，即具有低的自然伽马和自然电位以及高的视电阻率。砂体之间所夹薄层泥岩或粉砂岩以及砂体内部的物性不均一导致測井曲线表现出一定的起伏（见图5A，B）。

1.2 湖泊沉积

湖泊沉积在研究区为浅湖亚相沉积，主要发育在山西组、石盒子组和石千峰组。岩性以薄层的砂岩、粉砂岩与泥岩为主。其中，砂岩分选磨圆较好，成分成熟度较高;泥岩常见撕裂碎片和干裂等。野外常见浅湖沉积，其以泥岩、粉砂岩与细砂岩互层为特征，其沉积物颜色变化大，红色、灰绿色和灰色均可出现。岩石中常见水平层理、压扁层理、透镜状层理、波状层理和沙纹交错层理以及对称浪成波痕等。测井上，自然伽马曲线幅度较低，多呈齿状且有较低的尖峰，声波时差曲线表现为低幅的小锯齿状，偶有低峰，体现了砂泥岩间的互层韵律特征（见图6）。生物化石相对丰富，有鱼类、瓣鳃类、叶肢介和介形虫等，此外，可见植物化石碎片和虫迹十分发育。

1.3 三角洲沉积

1.3.1 辫状河三角洲沉积 研究区辫状河三角洲沉积主要发育在下石盒子组，包括辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘两个亚相。

1）辫状河三角洲平原亚相。辫状河三角洲平原亚相沉积分布面积相对很小，仅分布于下石盒子组研究区北部乌达—公乌素—拉僧庙—阿色浪一带地区，具体沉积特征本文不再详细赘述。

2）辫状河三角洲前缘亚相。辫状河三角洲前缘亚相沉积主要包括水下分流河道和分流间湾两个微相。

水下分流河道沉积主要以灰色细砂岩、灰白色含砾粗砂岩、灰绿色粗砂岩和紫红色泥质粉砂岩为主。垂向上，自下而上依次主要发育冲刷面（见图3C，D）、大中型槽状交错层理（见图3E）、板状交错层理及平行层理。测井上表现为多个正韵律箱型曲线的多次叠加。

分流间湾沉积岩石类型主要为灰色—深灰色泥岩、紫红色泥岩和紫红色泥质粉砂岩，沉积构造以发育块状层理、小型交错层理及波状层理等为特征。测井上，自然伽马曲线表现为低幅值、微齿状。

1.3.2 曲流河三角洲沉积

研究区曲流河三角洲沉积主要发育在山西组与上石盒子组，且以三角洲平原和三角洲前缘两个亚相沉积为主。其中，三角洲平原亚相可细分为分流河道和分流河道间两种微相，而三角洲前缘亚相同样以水下分流河道和分流间湾微相为主。

1）三角洲平原亚相。分流河道微相的岩石颜色相对较浅，多为灰白色、灰色和浅褐色，岩性以含砾粗砂岩、粗砂岩、中—粗粒石英砂岩和岩屑砂岩为主。砂岩底部冲刷面较为发育，其上普遍见冲刷泥砾及河床滞留沉积。河床滞留沉积砂岩多为毫米级，也可见大于1 cm的砾石，反映了间歇性和周期性的洪水作用。分流河道砂岩中多发育大型槽状交错层理、大型板状交错层理、楔状交错层理、块状层理及平行层理。表现在测井曲线上为箱状或宽缓的钟状负异常。

分流河道间微相以沼泽和泥炭沼泽沉积最为发育，主要分布于山西组，以形成厚度大、区域延伸稳定的多层煤层为典型特征。

2）三角洲前缘亚相。

该亚相在鄂7井山西组垂向沉积序列表现相对完整（见图7），除山2段底部发育泥炭沼泽以及山1段顶部发育决口扇之外，垂向上其余部位均表现为水下分流河道和分流间湾交互叠置出现。其中，水下分流河道砂岩的厚度相对较大，各类交错层理（见图3F，G，H）和平行层理较为发育，厚砂体伽马曲线表现为下部钟形向上部齿状钟形或箱形过渡。

分流间湾亚相的岩石类型以灰色泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩为主，发育水平层理和透镜状层理，可见浪成波痕，岩心中含介形虫及植物化石碎片。伽马曲线以齿状或小尖峰状为特征（见图7）。

1.4 障壁海岸沉积

研究区障壁海岸沉积主要发育在羊虎沟组和太原组，以障壁砂坝、潟湖和障壁砂坝—潟湖沉积为主。

1.4.1 障壁砂坝 障壁砂坝主要发育在羊虎沟组和太原组，一般规模较小。岩石类型主要为白色石英砂岩，其底部为由铁质泥砾、石英砾和砂砾所组成的底砾岩，向上逐渐过渡为细砂岩。石英砂岩中常见双向交错层理及浪成波痕，且在底部发育特征的冲刷构造。

1.4.2 潟湖沉积 太原组和羊虎沟组潟湖沉积在盆地西部地区面积较广泛，為一平行岸线的浅水盆地，与西北浅海陆棚以障壁岛相隔，又以潮道与浅海陆棚相连。主要岩石类型为泥岩、碳质泥岩以及煤层，此外夹少量薄层粉砂岩、泥质粉砂岩或细砂岩，砂岩层面上常见对称的浪成波痕（见图3I），局部地区可见较薄的灰岩夹层。测井曲线总体以低幅值为主，但在薄层砂岩、煤层等井段，自然伽马表现为中、高幅值的峰状，尤其是在灰岩层段，自然伽马曲线呈现高幅值峰状。

1.4.3 障壁砂坝—潟湖沉积 该沉积体系在不同地区的垂向沉积序列略有差异。如天深1井的障壁砂坝—潟湖沉积垂向序列表现为，自下而上潟湖和障壁砂坝沉积反复叠置出现（见图8A），而在雀尔沟地区上石炭统则表现为，自下而上依次为潟湖、涨潮三角洲、潮坪以及障壁砂坝的沉积组合（见图8B）。由于该体系多发育在海岸低潮差地区，上述垂向沉积序列也反映了海侵过程。此沉积体系要完整保存，就必须在海平面快速上升的情况下完成，否则会遭受海浪的冲击改造。

2 上古生界古地理演化

2.1 羊虎沟期

羊虎沟期，研究区主要以障壁海岸沉积体系为主，包括潟湖沉积、潮道及障壁砂坝沉积，其中潟湖沉积范围最广。潮道沉积则主要以条带状呈东北—西南向分别展布于北部乌达区—石炭井区—汝箕沟—苏峪口及其西南地区和石嘴山区—平罗地区、中部色1井区—横山堡地区以及南部中宁—校育川地区。地鄂3井—伊25井区、兔西2井—海1井区和发参1井—发东1井以南地区为呈土豆状分布的障壁砂坝沉积。此外，在北部伊8井区也出现了小范围分布的扇三角洲沉积（见图9A）。

2.2 太原期

进入太原期，研究区东南部以及北部地区的剥蚀范围相对减小，北部物源供给相对增加。研究区东部、南部、西部及西北部地区演变为潮坪—潟湖沉积环境;由于北部物源持续供给，因此在研究区中部出现了三角洲沉积，且自北向南依次发育三角洲平原、三角洲前缘沉积，其中三角洲平原向南延伸至小松山以北—石嘴山区以南—棋盘井一线;三角洲前缘在西南及东南方向延伸相对较近，而在中部地区向南延伸最远，且最远至马家滩北部地区。此外，研究区东北部伊8井区的扇三角洲沉积在该期也迅速扩张，向北延伸至伊23井以北地区。该期障壁砂坝沉积相对减少，仅残留于南部发参1井—韦州地区（见图9B）。

2.3 山西期

山西期，由于研究区北部物源供应充足，区内中部自北向南依次发育曲流河沉积、三角洲平原沉积以及三角洲前缘沉积，其中曲流河沉积主要分布于区内东北部地区，南部边界位于乌海北部—卡布其—棋盘井—伊8井区一线。三角洲平原沉积范围也相对较小，南部边界分布于石炭井区北部—拉僧庙一线。三角洲前缘沉积延伸范围最广，向南延伸至苏峪口—陶乐—地鄂3井一线，两支三角洲前缘砂体延伸相对较远，最远的一支可达惠探1井—芦参1井区直至研究区最南端，另一支则延伸至定边地区。此外，研究区东北部地区的扇三角洲沉积在该时期也演变为曲流河沉积。区内西部、东南部及中南部兔东1井以东，李华1井—苦深1井—大水坑东部一线地区则主要为大面积的浅湖沉积（见图9C）。

山2期，研究区古地理环境格局整体表现为北部小范围曲流河、河漫滩沉积，中部大范围三角洲沉积以及西部、西南部和东南部的浅湖沉积。其中，曲流河沉积分别分布于乌海以北，昌汉以西地区和伊23井—伊8井一带地区;其间为河漫滩沉积;三角洲平原沉积范围也相对较小，其南部边界与山西期相比变化不大;三角洲前缘沉积的范围同样最广，两支三角洲前缘分流河道砂体带宽度相对较大（介于40～60 km），分别沿石炭井区—汝箕沟—银川—磁窑堡—马家滩—惠安堡—大水坑一带延伸至研究区南部边界以及沿地鄂3井—伊25井—鄂托克前旗—盐池—定边一带分布。区内其余西部、中部以及东南部地区则均为浅湖沉积，分布面积相对较广（见图9D）。

山1期，研究区西北部剥蚀范围相对变小，古地理环境整体继承了山2期格局，明显的差异在于，分布于研究区北部地区的河漫滩沉积范围相对向东缩减，而东北部伊8井—伊23井一带的曲流河沉积也演变为河漫滩沉积。浅湖沉积范围在中部及东南部变化不大，而在西部地区从阿拉善左旗继续向北部扩张，分布面积相对变大（见图9E）。

2.4 下石盒子期

下石盒子期，研究区古地理格局自北部辫状河沉积向南依次演变为辫状河三角洲平原沉积以及辫状河三角洲前缘沉积，西部及东南部为浅湖沉积。辫状河沉积范围相对较小，分布于乌达区以北地区;辫状河三角洲平原南部沉积边界到达石炭井区以北，雀儿沟—阿色浪一线;由于该期物源供应充足，此界线以南，除了西部阿拉善左旗—小松山—汝箕沟—陶乐—贺兰地区和南部李华1井—盐池—大水坑地区为浅湖沉积外，其余广大地区均为辫状河三角洲前缘沉积（见图9F）。其中，盒8期古地理环境的辫状河平原沉积南部边界相比整个下石盒子期，在雀尔沟地区向南略有推进。该时期，研究区西北部的浅湖范围收缩至阿兰善左旗西南地区，浅湖范围收缩的地区也是对应的辫状河三角洲前缘沉积面积相对所增加的区域（见图9G）。

2.5 上石盒子期

上石盒子期与下石盒子期相比，研究区古地理环境有3个明显的差异：①北部辫状河沉积演变为曲流河沉积；②乌达区以南整体演变为三角洲沉积，且三角洲平原沉积的南部边界推进至石炭井区以南—石嘴山区—伊8井一线；③研究区西南部青铜峡以南，韦州以东地区演变为浅湖沉积，且东南部的浅湖沉积范围向北扩张至兔东1井以北地区，其余地区则为三角洲前缘沉积（见图9H）。

2.6 石千峰期

石千峰期，研究区的古地理格局整体继承了上石盒子期的特征，同样呈现出北部小范围曲流河沉积，向南依次发育三角洲平原沉积和三角洲前缘沉积，其余地区为浅湖沉积。但是，与上石盒子期相比，该期仍具有以下几方面特点：北部曲流河沉积范围向西收缩至昌汉乌苏—卡布其以西;三角洲平原沉积的南部边界向南推进较远，最远可到达磁窑堡以及鄂托克前旗北部地区;三角洲前缘沉积范围相对较小，且东部一支砂带向西收缩至伊8井—定探2井以东一线;浅湖沉积范围有所扩张，尤其体现在研究区西部，扩张到银川以北至阿拉善左旗地区，东南部向北扩张至鄂托克前旗以北地區，东部也出现浅湖沉积，北部边界到达伊8井—伊3井一线（见图9I）。

3 结 论

1）鄂尔多斯盆地西缘北部上古生界沉积体系类型主要为河流沉积、湖泊沉积、三角洲沉积和障壁海岸沉积体系，不同沉积体系时空分布差异明显。

2）羊虎沟期，区内主要以潟湖沉积为主，可见条带状分布的潮道沉积，障壁砂坝沉积规模较小，东北部出现小规模的扇三角洲沉积;太原期潟湖沉积范围相对缩小，中部地区自北向南演变为三角洲平原和三角洲前缘沉积，东北部扇三角洲沉积范围进一步扩大;山西期研究区中部自北向南依次发育曲流河、三角洲平原和三角洲前缘沉积，而西部和东部发育浅湖沉积;下石盒子期，北部物源供应充足，研究区自北向南依次发育辫状河沉积、辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘沉积，而研究区西北部及东南部的浅湖沉积范围均有所收缩;上石盒子期，北部物源供应相对减弱，北部演变为曲流河沉积，向南依次发育三角洲平原和三角洲前缘沉积，南部浅湖沉积范围整体向北部扩张，同时西南部也出现浅湖沉积;石千峰期，研究区北部沉积范围往南收缩，古地理环境分异明显，表现为中部河流三角洲沉积，而西部、 东南部和东部地区以浅湖沉积为主。

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（编 辑 雷雁林）