鄂尔多斯盆地二叠系盒8期源-汇系统时空耦合控砂机制

李克永　李文厚　宇振昆　梁积伟

摘要：通过对鄂尔多斯盆地二叠系盒8期物源区周缘的古陆特征、重矿物特征、稀土元素富集规律的研究，分析沉积区不同沉积环境的沉积特征，总结不同类型源-汇系统的控砂机制。研究表明，鄂尔多斯盆地北部是主要的物源方向，西南部及南部物源的影响较小，控制着不同类型的沉积相带及沉积特征;不同的沉积相类型控制着不同的砂体发育特征及不同的砂体叠加样式，其中冲积扇为多个砾石厚旋回叠加的巨型砂体，河流相为数个偏粗碎屑中厚旋回叠加的大型砂体，洪泛平原为数个偏细碎屑中等旋回叠加的中型砂体。研究认为，源-汇系统理论不仅为不同沉积环境提供理论基础，也为不同类型斜坡型砂体叠加样式的时空耦合控砂机制提供理论依据。

关键词：源汇系统；控砂机制；沉积路径；鄂尔多斯盆地

中图分类号：TE121.3

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－02－003

Spatial－temporal coupling sand control mechanism of permiansource－to－sink system in Ordos Basin

LI Keyong1， LI Wenhou YU Zhenkun3，  LIANG Jiwei3

Abstract： Based on the study of peripheral paleo－continental characteristics， heavy mineral characteristics and enrichment regularity of rare earth elements around the provenance area of He 8 period of the Permian in Ordos Basin， the sedimentary characteristics of different sedimentary environments in the sedimentary area are analyzed， and the sand control mechanisms of different types of source－to－sink systems are summarized. The study suggests that the north part of Ordos Basin is the main source direction， while the southwest and southern parts of Ordos Basin have less influence on provenances， controlling control different types of sedimentary facies belts and sedimentary characteristics respectively. Different types of sedimentary facies control different development characteristics of sand bodies and different superimposed styles of sand bodies， in which the alluvial fan is the superimposed giant sand body by multiple thick cycles of gravel， fluvial facies is the superposed large sand body of medium thick cycles of coarser clastic， and flood plain is the superimposed medium sand body of multiple medium cycles of fine clastic. The theory of source－to－sink system not only provides a theoretical basis for different sedimentary environments， but also provides a theoretical basis for spatio－temporal coupling sand control mechanism of superimposed styles of different types of sloping sand bodies.

Key words： source－to－sink system; sand control mechanism; sediment routing system; Ordos Basin

源-汇系统（source－to－sink），又称为沉积路径系统（sediment routing system），是沉积物从剥蚀区（源）经过剥蚀和搬运作用，被该地区特殊的区域构造条件和气候背景所控制，最终沉积在盆地中（汇）［1-2］。

1998年，美国国家自然科学基金委员会和联合海洋学协会共同开启了“洋陆边缘计划” （Margins Program Science Plans），对自剥蚀区中形成的剥蚀产物，搬运到沉积盆地中沉积下来的这一过程进行研究，开启了了“源-汇”系统在沉积学领域应用研究的大门［3-4］。随后，不同国家的学者和研究机构开始了相关研究。1999年，国际大陆边缘计划（InterMargins）在欧洲被成立；2000年，中国运用源-汇系统的概念启动了“中国边缘海的形成演化及重要资源的關键问题”项目；2002年，大陆边缘沉积作用引起了国际大洋钻探计划IODP的关注［5-6］。近些年来，该理论被用来进行古代沉积系统的研究［7-8］，已经上升到了“整体化”“过程化”“动态化”“机制化”的地球系统层次［9］。祝彦贺等通过南海北部被动大陆边缘盆地浅海陆架与深水陆坡之间的沉积响应关系，对陆架三角洲、上陆坡复合水道和陆坡重力流沉积进行综合分析，研究了南海北部珠江口盆地特殊的陆架-陆坡“源-汇”系统［10］;徐伟等对渤海海域辽东凹陷南洼东部的斜坡带古近系沙二段沉积时期发育的典型的斜坡型源-汇系统进行了分析与研究，明确斜坡型源-汇系统与砂体优势发育区的关系［11］;杨棵等通过研究渤海湾盆地埕岛东坡古近系东营组二段下部的源-汇系统，构建了物源区-搬运区-沉积区多元耦合模式，将砂体的来源及其规模与源-汇系统对应起来［12］。

本研究针对鄂尔多斯盆地二叠系物源区（源）格局及特征、沉积区（汇）不同沉积环境及沉积特征进行剖析，分析不同沉积环境下的砂体发育特征，以期研究斜坡型源-汇系统对砂体的控制机理。

1 区域地质特征

鄂尔多斯盆地北邻阴山，南至秦岭，西抵西缘逆冲褶皱带，东到晋西挠褶带，面积250 000 km2。

晚石炭世，华北地台逐渐发生缓慢沉降，贺兰拗拉槽呈横向拉张、重新复活态势，鄂尔多斯盆地发育“L”型中央古隆起。至二叠系太原组沉积期，盆地南北同时隆起，但北部隆起比南部高，南北隆起间为拗陷，拗陷中心位于华池—合水—吴旗—志丹一带。晚二叠世末，鄂尔多斯盆地抬升，海水向南及东南方向退出，盆地由海相逐渐向陆相演变，为内陆湖盆沉积演化阶段；二叠世山西期，海水退出鄂尔多斯盆地，整体为陆相沉积。至下石盒子期始，盆地北缘快速隆升，鄂尔多斯盆地为大华北敞流型盆地沉积的一个组成部分，河流及泛滥平原沉积发育（见图1）。

由此可见，鄂尔多斯盆地晚古生代受兴蒙海槽和秦祁海槽2个构造活动带的影响，贺兰拗拉槽地质构造较为发育，对盆地盒8期的沉积构成产生了深远的影响［13］。从二叠纪太原期海侵到山西期、下石盒子期海退，沉积由下往上为海相—海陆过渡相—陆相的沉积演化模式。

2 源区格局及特征

通过野外露头特征及地化特征测试资料，结合鄂尔多斯盆地周缘出露的基底特征、重矿物组合及稀土元素配分模式等，对鄂尔多斯盆地二叠系盆8段的物源方向、源区的性质进行研究。

2.1 盆地周缘古陆特征

鄂尔多斯盆地北缘的阴山、大青山一带，前寒武系结晶变质岩系厚度大，由长城系白云鄂博群、长城系渣尔泰山群、蓟县系什那干群组成，基底以沉积变质岩和中基性火山岩为主，发育碳酸盐岩地层及叠层石化石，区域变质程度较浅，保存有较多的原始沉积特征（见图2）。

鄂尔多斯盆地内部，太原组地层与太古界、元古界地层呈不整合接触。在盆地北部的野外露头上，缺失太原组地层，山西组地层与太古界、元古界基底不整合接触。山西组地层厚度在盆地北部减薄，甚至缺失，使石盒子组与古老基底不整合接触。这说明鄂尔多斯盆地北部长期处于隆起剥蚀状态，为太古界、元古界结晶基底的古陆，是整个二叠系的沉积物源，是鄂尔多斯盆地二叠系北部物源来自内蒙古陆的有利佐证（见图2）。

2.2 重矿物特征

鄂尔多斯盆地盒8段砂岩中的重矿物为锆石、金红石、电气石、石榴石、磁铁矿、白钛矿、绿泥石、黑云母、绿帘石及磷灰石等，其中，稳定重矿物锆石、电气石、金红石和石榴石等对物源有很好的指示作用［14］。从鄂尔多斯盆地重矿物平面分布图可以看出，青铜峡、灵武、鄂托克旗一带为钛铁矿+锆石+电气石组合，鄂托克旗、横山、靖边、乌审旗、鄂尔多斯一带为钛铁矿+锆石+磷铁矿组合，东北部神木、准格尔旗一带为石榴石+锆石+金红石组合，神木、子洲、子长、清涧、石楼、佳县、兴县、府谷一带为锆石+钛铁矿+石榴石组合，盆地西南部的同心、环县、华池、正宁一线西南一带为锆石+石榴石+绿帘石组合，东南部宜川、黄龙一带为锆石+榍石+绿帘石组合（见图3）。由此可见，自盆地周缘向盆地中心，碎屑颗粒具有“稳定重矿物质量分数趋高、不稳定重矿物质量分数趋低”的特点。

2.3 稀土元素的富集规律

稀土元素在地球中的丰度从下地幔到上地幔再到地壳， REE总量不断增高。 稀土元素因其独特的地球化学性质， 可用于物源分析， 通常用稀土模式来表示［15］。 稀土模式指示物源时， LREE／HREE比值低，无Eu异常，则物源可能为基性岩石;LREE／HREE比值高，有Eu异常，则物源多为硅质岩。

鄂尔多斯盆地沉积物REE配分模式为“右倾斜”特征，其中La－Eu段稀土元素曲线较陡，Eu－Lu段平缓，Eu出现轻稀土富集（见图4）。从REE配分曲线模式看，盆地西南部（主要为环县、庆阳、镇原及平凉一带）的物源REE配分曲线模式与海原地区的红会寺堡花岗闪长岩（δ3）、西华山绿片岩差异较大，它们不是研究区的主要物源，与陇西古陆REE配分曲线一致。

3 汇区不同类型沉积相特征

利用鄂尔多斯盆地的钻井及野外露头资料，并进一步实地研究盆地周缘的野外露头，充分研究盆地内的重点探井，将鄂尔多斯盆地二叠系盆8沉积相类型细分为冲积扇、河流、洪泛平原等类型（见表1）。其中，盒8冲积扇主要分布在盆地西北部乌达—胜1井—黑岱沟—怀仁楼子—张家口一线以北地区，千里山剖面最为典型，发育边缘相沉积;河流相沉积在盆地北部特别发育，北到乌达、东胜、大同一线，南至乌审旗、关家崖一线，面积较大，而盆地南部的铜川、渭南附近，盆地西部的石板沟、庆阳一带、二道沟及三道沟一带也发育小型河流沉积;盆地中部发育洪泛平原沉积，北起苏里格、乌审旗、关家崖一线，南至运城、蒲城、铜川一线，西至南西华山断裂。吴起、志丹、延安、吉县一带发育洪泛湖沉积，认为是二叠系南北物源的交汇区。

3.1 冲积扇沉积

研究区的冲积扇在纵剖面上成下凹的透镜状或楔形，在横剖面上呈上凸状。冲积扇的坡降在扇根可达5°～10°，扇缘为2°～6°，典型的扇根河道直而深，至扇中和扇端地区则河道变浅，大多为辮状河道，平面形态上一般为窄而长。通常，河道沉积物由砾石和砂组成，分选较差，层理不发育，多呈块状，单层厚度一般为5～60 cm，有时可达2 m以上。冲积扇在剖面上可见河道冲刷构造，底部凹凸不平，与下伏地层可见冲刷接触。

二叠世，西伯利亚板块向南俯冲，鄂尔多斯盆地逐渐形成“北隆南倾”的构造格局［16］。在鄂尔多斯盆地北部的乌达、 千里山、 杭锦旗、 东胜一带发育冲积扇沉积， 其中内蒙古石拐东部地区及童盛茂地区发育暗紫、 灰紫色砂岩、 粗砂岩， 局部发育砂砾岩和砾岩， 厚93 m， 为山间河流沉积; 鄂尔多斯盆地东北部地区二叠系盆8岩性复杂，为含砾岩屑石英砂岩，其中大同怀仁楼子下石盒子组盒8段含砾中粗砂岩厚20 m，为近缘的扇缘（见图5）。

3.2 河流沉积

河流沉积发育在地形梯度相对较大的地区，河道中常形成垂向加积和侧向加积的河道砂坝，砂岩岩性为砾状砂岩、含砾砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩，均为块状层理，底部发育冲刷面，见泥砾，砂岩中发育平行层理、板状交错层理、槽状交错层理等［17-19］。

从鄂尔多斯盆地西南部的石板沟、二道沟等地层可以看出，盆地西南部发育灰绿色含砾中粗砂岩，砂体厚度不大，夹灰绿色、浅灰色粉砂质泥岩、泥岩。其中，石板沟盒8剖面底部为灰绿色、灰色含砾砂岩、砂质泥岩，上部为杂色泥岩及紫色粉砂岩。二道沟盒8剖面上部为灰绿色中—细砂岩、泥岩，底部为绿色粗砂岩、肉红色含砾砂岩，为辫状河沉积，总体为河流较上游沉积，河流沉积规模较小，面积不大（见图5）。

3.3 泛滥平原沉积

泛滥平原的形成往往与盆地底型平坦、有一定坡降有关。鄂尔多斯盆地内部盒8段主要沉积相以泛滥平原为主，砂体厚度大，粒度较粗，砾石常见。河道间多见生物潜穴、根模和钙质结核，是泛滥平原的典型特征［20-21］。

从鄂尔多斯盆地薛峰川、澄城三眼桥盒8段的野外剖面可以看出，其东南部剖面底部的灰绿色砂岩厚10 m，上部为21 m的砂岩以及灰色砂质泥岩;从成家庄盒8段剖面可以看出，其底部发育灰色含砾粗砂岩，向上发育灰色中粗砂岩。鄂尔多斯盆地主体发育洪泛平原沉积，北起苏里格、乌审旗、关家崖一线，南至运城、蒲城、铜川一线，西至南西华山断裂；吴起、志丹、延安、吉县一带发育洪泛湖沉积，为二叠系下石盒子组盒8期南北物源的交汇区（见图5）。

4 源-汇系统控砂机制

4.1 厚层冲积扇砂体

在冲积扇砂砾岩内部砂体叠加样式中，单一砂体是同一时期形成的、在成因上相互联系的、空间上没有叠置关系的构型单元，各单砂体可能是同一时期不同时间段形成的［22-23］。

从鄂尔多斯盆地西北部千里山盒8段剖面可以看出，其由下向上发育向上变细的正旋回，每个旋回底部发育细砾岩或含砾砂岩。由此可见，冲积扇是由多个砾石厚旋回叠加而成的巨型砂体，每个旋回厚度为9～15 m，每个旋回底部为2～8 m的砾石层；垂向上岩性变化快，使得非均质性增强；砂体连通性较差，粒度大小不一，粒度分选、磨圆差，孔隙度、渗透率值一般不大；在横向上砂体变化快（见图6）。

4.2 中厚层河流相砂体

辫状河心滩发育，坝间发育河道沙坝，废弃河道发育泥质沉积。鄂尔多斯盆地盒8期，辫状河中厚砂层砂体叠加样式复杂，从盆地西北部的呼鲁斯太、石板沟、二道沟及盆地内单井盒8河流相剖面可以看出，河道砂坝是数个偏粗碎屑中厚旋回叠加的大型砂体，旋回厚度5～12 m；旋回内部泥岩隔层厚度增大，并被泥岩隔层分隔开；砂体内部见薄的泥岩夹层，使得垂向上具有较强的非均质性；砂体的连通性在垂向上较冲积扇变差；横向上，在河流较上游方向的辫状河连通性较好，而下游曲流河由于河漫滩发育，连通性变差；由于河水的动力学特征，使得河流相沉积物的分选、磨圆较冲积扇好（见图6）。

4.3 中薄层泛滥平原相砂体

从鄂尔多斯盆地盒8段野外露头及盆地內单井洪泛平原剖面可看出，洪泛平原是数个偏细碎屑中等旋回叠加的中型砂体，旋回厚度3～8 m，个别剖面或单井靠近河流相的旋回，厚度超过10 m；旋回内部泥岩、粉砂质泥岩厚度增大；垂向上，砂体连通性较河流相变差，非均质性增强，横向上，砂体的连通性也较好；由于河水的动力学特征，使得洪泛平原，特别是下游方向沉积物的分选、磨圆较好。由此可见，鄂尔多斯盆地储层为较好储层，含气性受烃源岩影响较大，分流间湾泥岩、粉砂质泥岩能够起到良好的盖层作用（见图6）。

5 结 论

1）结合盆地周缘古陆的特征，利用轻重矿物组合特征、稀土元素配分模式等指标，认为鄂尔多斯盆地北部的阴山、大青山一带为北部主物源区，其他方向物源为次要物源区。

2）鄂尔多斯盆地在下石盒子组盒8段发育冲积扇、河流、泛滥平原沉积相。其中，冲积扇分布在盆地北部乌达—胜1井—黑岱沟一线，为边缘相沉积;河流相往南至乌审旗、榆林、关家崖一线，盆地南部河流相发育在铜川、渭南附近，盆地西部石板沟、镇原、平凉、崇信一带发育河流相沉积;泛滥平原北起苏里格、乌审旗、关家崖一线，南至运城、蒲城、铜川一线，西至南西华山断裂；延安、吉县一带发育洪泛湖，为盒8期南北物源的交汇区。

3）鄂尔多斯盆地盒8段不同的沉积相发育不同的砂厚及不同的砂体叠加样式。冲积扇砂体叠加样式为多个砾石厚旋回叠加的巨型砂体，河流砂体叠加样式由数个偏粗碎屑中厚旋回叠加的大型砂体，洪泛平原是数个偏细碎屑中等旋回叠加的中型砂体。

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（编 辑 雷雁林）

收稿日期：2019－11－25

基金项目：国家科技重大专项专题基金资助项目（2017ZX05005002－004），国家自然科学基金资助项目（41702117，41330315），中国地质调查局矿产资源调查评价基金资助项目（121201011000150014）

作者简介：李克永，男，山东莒南人，博士，从事沉积学及石油地质学研究。