陕北盐盆马家沟组含盐系地层层序发育特征及地质意义

王天云，张永生，张建军，孙佳传，丁清香，李 陶，侯 艳，桂宝玲

1. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 新兴物探开发处，涿州 072750；2. 中国地质科学院 矿产资源研究所，国土资源部盐湖资源与环境重点实验室，北京 100037

1 引言

盐矿资源对于国家经济建设十分重要，被广泛地应用于各行各业。中国盐湖勘探始于20世纪40年代，野外地质考察中，青海茶卡盐湖母液中钾成分的发现，受到众多科学家和政府的重视，在全国范围内明确了以寻找钾、硼为主要任务的盐湖科学考察（宣之强，2000）。1957年，中科院盐湖调查队在青海察尔汗发现了光卤石钾盐层（郑绵平等，1958），开启了中国盐矿勘探开发的先河。此后近20年间，盐矿研究进入瓶颈期，一直未能取得突破和进展，直至1978年全国科学技术大会召开，使盐湖勘探有了新的长足发展（宣之强，2018），柴达木盆地、塔里木盆地相继发现大型卤水盐矿，同时，盐湖资源的开发应用日益成为众多学者专家关注的研究方向（高世扬和李国英等，1982；王春宁等，2007；刘成林等，2016；郑绵平等，2016；曹烨等，2018）。从中国盐湖勘探历程来看，绝大部分盐湖探明资源分布于青海、新疆等内陆盆地中，成盐层位大都为第四系等较新地层，学界关于盐湖资源的研究从最初对盐湖物质成分的探讨深入到成盐模式的研究，提出了“高山深盆”陆相成盐成钾模式（袁见齐等，1983），开拓了盐湖年代学研究（张彭熹，1992），形成了较为系统的大陆成盐理论。

鄂尔多斯盆地是中国能源矿产类型最为齐全的大型沉积盆地之一（王香增等，2014；于兴河等，2017），同时也是迄今为止全球奥陶纪唯一含钾盆地。其下古生界奥陶系马家沟组地层蕴藏有6×1012t的石盐堆积，马家沟组五段6亚段首次发现钾显示（张永生等，2015）。相较于20世纪中国陆相盐资源的勘探开发而言，鄂尔多斯盆地奥陶系含盐层位属于海相盆地中深层含盐系地层，前人针对此开展的研究还不够充分。本文针对勘探相对成熟的鄂尔多斯盆地陕北盐盆奥陶系马家沟组地层，以Vail经典层序地层学理论为基础，通过井震结合技术，对古生界中奥陶统马家沟组地层开展高精度层序地层学研究，进一步从沉积及构造演化角度，探究含盐系地层发育控制因素，以期为海相盆地中深层盐矿的进一步勘探开发提供方向和依据。

2 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是中国典型的克拉通内大型多旋回叠合盆地，下古生界地层以碳酸盐岩沉积为主，共划分为6个构造区带，北部、南部及东部被伊盟隆起、渭北隆起及吕梁隆起所夹持（Liu et al., 2010），整体表现为四周高，中东部低的构造格局（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划图及研究区位置Fig. 1 Structural units and location of research area in the Ordos Basin

寒武纪—奥陶纪沉积期，兴蒙海槽和秦祁海槽处于洋底扩张环境，鄂尔多斯盆地整体表现为陆表海沉积环境，至中奥陶世末，两大海槽洋壳相向俯冲，鄂尔多斯地区隆升，中部形成庆阳古隆起，古隆起将陕北盐盆与其西部、南部开阔海分隔，形成陕北盐盆奥陶系台地沉积环境（袁志华等，1998；付金华等，2015；龙文骏，2017；罗顺社等，2017）。

研究区位于鄂尔多斯盆地中东部陕北盐盆东部边缘，构造区划上位于晋西挠褶带与伊陕斜坡的结合部位，东部高西部低。目的层奥陶系马家沟组地层沉积期，经历了三期海进海退，构成了一套完整的海进—海退沉积旋回，处于海退期的马一段、马三段、马五段以白云岩、膏盐沉积为主，处于海进期的马二段、马四段、马六段以灰岩沉积为主（施立志等，2015；蒋苏扬等，2016）。

2.1 构造发育特征

鄂尔多斯盆地经历了多期构造运动，在其复杂的构造演化过程中，盆地古地理格局表现为多期性和旋回性。随着盆地的不断抬升，盆地构造样式也由裂陷盆地向坳陷盆地、断陷盆地发生转化，沉积环境由海相逐步向陆相转变，形成下古生界碳酸盐岩、上古生界海陆过渡相和中新生代内陆碎屑沉积的三层结构（郭艳琴等，2019）。

太古界、元古界沉积时期，盆地先后受多期构造运动作用，形成了盆地基底沉积，至新元古界沉积期，受晋宁运动作用，盆地发生裂解—造山—裂解的构造转换，古生界沉积期，盆地先后受加里东运动、海西、印支运动作用，板块间碰撞挤压，发育大量逆断层，同时，构造运动驱使地层抬升，志留系、泥盆系及早石炭系地层遭受剥蚀缺失，中新生界，受晚燕山—喜山运动作用，盆地持续隆升，不断剥蚀，形成现今构造格局。

对研究区内多条二维测线进行综合分析，整体上陕北盐盆东缘研究区构造格局表现为北西向延伸的长轴向斜，向斜的轴部位于L1线的西段，西翼延伸出研究区，东翼自西向东表现为一个向东抬升的单斜斜坡，研究区主要受两条断层作用，其中F1断层东倾、F2断层西倾，整体F1断层活动较剧烈，两盘地层断距较大，局部出现断鼻构造，最大海拔深度在研究区西侧，马家沟组底界最大海拔深度达到-2500 m，石炭系底界最大海拔深度达到-1400 m（图2）。向斜内部马家沟组地层发育多条逆断层，断层集中发育区，F1、F2断层呈“人”字形组合，地层破碎严重，而石炭系及其以上地层并没有发育大规模断层，地层产状相对平整、连续，构造形态相对简单、受断层影响较小，奥陶系—三叠系沉积期，受研究区东部吕梁隆起的作用影响，主要发生了地层的整体掀斜，缺失后期沉积的多套地层。

图2 马家沟组地层顶底界面构造图Fig. 2 Structural map of the top and bottom boundaries of the Majiagou Formation

2.2 构造演化分析

研究区元古界地层沉积期，地震剖面地震反射同相轴波组特征表现为杂乱反射，对应早期吕梁运动、晋宁运动过程中形成的火山岩沉积基底，与上伏古生界、中新生界地层存在明显差异，易于识别。

奥陶世沉积期，研究区整体属于海相沉积期，在地震剖面中，可以看到地震反射同相轴连续性好，波组特征呈平行式反射，反映此时构造运动相对稳定，地层连续沉积，产状平缓。中晚奥陶世沉积期，伴随加里东运动的活动，区域构造应力场表现为挤压应力作用，研究区内可见逆断层开始形成，并且组合特征趋于复杂化。随着鄂尔多斯盆地的整体抬升，研究区内地层在抬升中遭受了风化剥蚀，缺失了上奥陶系—下石炭系的地层，形成了区域上可连续追踪的大型平行不整合界面。地震剖面上可见在逆断层活动中，断层上盘地层抬升，剥蚀严重，明显出现了断层两盘地层的厚薄差异。上石炭世沉积期，研究区重新接受沉积，至印支—燕山期，鄂尔多斯盆地东部吕梁隆起加剧，东部地层明显抬升，整体表现为地层东高西低的构造掀斜格局。地震剖面上可见马家沟组地层内部远离断层密集发育段，地震反射同相轴稳定连续，整体表现为自西向东的整体掀斜，与盆地构造运动时期吻合良好。晚燕山—喜山期，相对东西向挤压应力变弱，以含盐系地层褶皱扭曲为主，不再形成大规模的逆断层，研究区地层受构造运动作用，仍不断抬升，侏罗系后沉积地层持续暴露，遭受风化剥蚀，全部缺失，地表出露三叠系地层。综合分析，加里东运动与印支—燕山运动是影响含盐系地层发育与展布形态的两个关键时期（图3）。

图3 研究区构造演化示意图（L1测线）Fig. 3 Tectonic evolution of the study area (line L1)

3 层序地层研究

3.1 层序地层单元界面识别

依据测井资料与地震资料对不同级别层序地层单元界面进行识别。在单井上，二级层序边界表现为界面上下大类岩性的差异及测井曲线值、测井曲线形态组合的差异，研究区内石炭系地层与下覆奥陶系地层呈不整合接触关系，界面之上岩性主要为中砂岩及含砾粗砂岩，夹少量泥岩、煤的碎屑岩，界面之下岩性主要为灰岩、白云岩为主的碳酸盐岩，对比测井曲线响应特征，界面之上GR值明显高于界面之下，反映岩性孔隙度的AC、CNL、DEN也表现出明显差异性，AC、CNL尤其明显（图4a）；受研究区内目的层沉积期沉积环境的影响，三级层序边界主要通过测井曲线值及形态组合的差异性进行识别，以马五段底界面为例，界面之上岩性为膏盐密集发育段，表现为测井曲线尖峰状组合，界面之下岩性以灰岩为主，测井曲线组合形态为相对宽缓凸起与较平直段间互组合（图4b）。

图4 研究区层序地层单元界面识别Fig. 4 Identification of sequence stratigraphic unit interface in study area

在地震剖面上，对层序边界进行识别中，受限于地震资料的频带及研究区所处构造位置的综合影响，并未发现厘定层序边界明显的上超、顶超、削截等反射特征，但二级层序界面上下存在因沉积岩性差异造成的地震相的明显差异。二级层序边界SB1表现为界面以上为平行连续中—强反射地震相，地质解释对应大套灰岩沉积，偶有白云岩，界面以下为杂乱反射地震相，结合区域构造运动背景，地质解释对应于怀远运动末期形成的角砾岩化白云岩，二级层序边界SB4表现为界面以上为近平行断续弱反射地震相，对应于石炭系本溪组碎屑岩沉积、界面以下为平行连续强反射地震相，对应白云岩及盐岩沉积。三级层序边界主要依据单井合成地震记录标定，通过井震结合技术，进行确定（图4c）。

3.2 层序划分方案

在对不同级别层序地层单元界面进行识别的基础上，结合全球海平面变化情况及构造运动，将奥陶系马家沟组地层自下而上划分为SQ1、SQ2、SQ3三个三级层序，综合对比三个三级层序沉积时期的海平面高度、沉积环境、岩性发育特征，相比较而言，SQ3时期处于全球海平面相对低点，大都为蒸发台地沉积环境，成盐环境更具优势（图5）。马家沟组地层沉积期，先后受到加里东运动、海西运动的控制，其顶底界面为两个区域可追踪对比的大型不整合界面，对应二级层序界面SB1、SB4。整体上，全球海平面为上升—下降—上升的过程，伴随海平面的升降及受构造活动形成的可容空间的不断变化，物源补给后在不同层段发育了不同的沉积体。

SQ1、SQ2沉积期对应马家沟组马一段—马四段地层沉积期，全球海平面位置较高，岩性以灰岩、白云质灰岩、泥质条带灰岩为主，表现为开阔台地、局限台地沉积。SQ3沉积期对应马家沟组马五段—马六段地层沉积期，全球海平面位置较低，岩性除了灰岩、白云岩外，出现了盐岩的密集发育段，表现为局限台地、蒸发台地沉积，发生了较大的变化。受资料限制，在三级层序内部进一步划分出的体系域（四级层序）可能存在较大误差，无论是在单井上，还是在地震剖面中，都难以界定相邻两个体系域的边界，尤其是区分海侵域与高位域。

本研究主要是依托层序地层研究的思路方法，使含盐系地层发育控制因素的分析更有针对性、能够为后续盐矿的勘探开发提供实际参考依据。对比分析SQ1、SQ2、SQ3层序发育特点，综合认为，在后期盐矿的勘探开发过程中应重点针对层序SQ3进行深入研究。

3.3 单井层序划分及地震层序研究

在层序划分方案确立的基础上，分析W1井单井测井、录井资料及地震资料，在沉积环境分析的基础上，结合目的层段岩性发育特征，进行研究区单井层序划分及地震层序格架的构建。首先，对W1井进行单井层序划分。实际资料显示，W1井未钻遇到 SQ1底界面，且SQ1段缺少测井曲线数据。在层序划分方案确立的过程中，我们认识到SQ3为主要成盐期，根据现有资料，对资料较为完整的SQ2、SQ3进行分析。

图5 奥陶系马家沟组地层层序划分方案Fig. 5 Division scheme of sequence stratigraphy of the Ordovician Majiagou Formation

根据录井岩性显示，SQ2内部发育有少量盐岩，整体岩性以灰岩为主，电测曲线响应特征表现为低幅指型与尖峰状组合，SQ3海侵—高位域，整体岩性以灰岩为主，低位域内部可见盐岩密集发育段，电测曲线出现尖峰状连续跳跃起伏。对比分析认为，SQ3低位域时期为成盐的关键时期，较其他地层更具成盐优势，其低位域马五段沉积期，对应膏盐密集发育的局限台地—蒸发台地沉积环境（图6）。在W1井单井层序划分基础上，通过井震结合技术手段，利用合成地震记录标定各层序地层单元，建立地震剖面层序格架，并进一步研究层序内部沉积相发育特征。整体上识别出低位域时期局限—蒸发台地沉积亚相含膏云坪、膏质云坪沉积微相及海侵—高位域时期开阔台地沉积亚相含云灰坪、云质灰坪沉积微相（图7），自盆地边缘向盆地中心发生相变。

图6 奥陶系马家沟组单井层序划分Fig. 6 Sequence stratigraphic division of single well in the Ordovician Majiagou Formation

图7 马家沟组地层地震层序分析Fig. 7 Seismic sequence analysis of the Majiagou Formation

4 不同级别层序地质作用分析

4.1 二级层序对含盐系地层的作用影响

二级层序发育形成时期对应区域大型构造运动历史时期，在掌握研究区构造特征及构造演化过程后，重点分析加里东运动与印支—燕山运动两个关键时期是如何控制含盐系地层的发育与展布形态的。

加里东运动时期，在东西向挤压应力作用下，陕北盐盆内部形成了中央古隆起，古隆起将陕北盐盆分隔开来，形成东部、西部两个次级盐凹，其中东部盐凹被其内部的小隆起分隔，形成北部的东一盐凹与南部的东二盐凹，研究区位于东二盐凹东缘，其中L1线横跨近SN走向的大型逆断层（图8）。

在地震剖面上可见地层东薄西厚的沉积特征，在进行地层对比分析后，认为研究区内东部含盐系地层大量缺失与加里东期所处的古构造位置密切相关。一方面，在大环境上，加里东期构造运动在区域上形成了陕北盐盆有利的坳陷型沉积环境，为盐体沉积提供了足够的可容空间；另一方面，研究区所处古构造位置正好位于一大型逆断层附近，在区域挤压应力作用下，逆断层东部地层抬升剧烈，暴露地表遭受剥蚀，区域性的抬升、大套地层的剥蚀缺失，形成了现今地震剖面所表现出的上盘整套含盐系地层的缺失，含盐系地层东部薄、西部厚的地层响应特征。

图8 研究区古构造位置图Fig. 8 Paleotectonic map showing the location of the study area

印支—燕山运动时期，构造活动仍受东西向挤压应力控制，但此时，挤压应力场核部发生转移，向东侧的吕梁地区移动，造成鄂尔多斯盆地东部吕梁隆起，受吕梁隆起作用，在研究区虽然继续发育逆断层，整体逆断层无论从断层断开层位的多少，还是从断距大小角度来说，都较前期加里东期逆断层发育规模变小。加里东期形成的大型逆断层在此时活化，继续运动，对原始盐体造成了破坏，地震剖面上可见断层密集发育区，含盐系地层破碎严重，产状不清。

此时，整体构造格局由前期的大型断裂发育，地层错断严重，产状较平缓向小型断裂发育，地层自东向西掀斜，褶皱变形增多转变。地震剖面可见马家沟组地层发生塑性变形，图中红色标识区域上拱形态明显，在地层变形区，可见明显的杂乱反射地震相，推测可能为盐体发育的有利区（图9）。

图9 L1线、312线拼接剖面解释成果Fig. 9 Interpretation of spliced sections of Line L1 and 312

综合分析，认为加里东运动早期原始盐盆形成，对于含盐系地层发育提供了有利的空间，而后期破坏了原始盐体；印支—燕山运动主要对含盐系地层形态展布起到改造及调整作用。

4.2 三级层序对含盐系地层的作用影响

三级层序对应大构造背景下的区域沉积体的发育，研究区受加里东运动作用，形成了四周被古陆、古隆起围陷的有利沉积凹陷。通过井震结合技术，在对研究区内重点二维测线L1线进行沉积相分析的过程中，共识别出2种沉积亚相，4种沉积微相，结合前人区域沉积分析成果，认为研究区内含盐系地层原始物质来源主要为吕梁台隆东侧的预备膏盐湖内的卤水。物源主要通过两种方式进入盐凹中：（1）通过云坪间水道直接输送；（2）首先进入小型次级盐凹，再通过云坪间水道二次输送进入盐凹中（图10）。

奥陶系沉积期，全球海平面相对低，沉积环境炎热干旱，在持续的蒸发作用下，盐盆的不同位置形成了物质成分不同的原始盐体。钾盐是所有盐体中最后析出沉积形成的，对于构造地形特征与成盐环境温度要求很高。在对W1井进行单井分析时，虽然未见钾盐段，但马五段部分小层存在K显示，说明此时，蒸发作用最为强烈，马五段地层为马家沟组地层成盐最有利层位。在沉积环境上，研究区西部更接近盐湖底部，推测为成钾的有利区域。

4.3 马家沟组SQ3层序发育控制因素分析

图10 研究区成盐环境模式图（L1测线）（据郑绵平等，2016修改）Fig. 10 Model of salt-forming environment in the study area (line L1) (modified after Zheng et al., 2016)

前期的分析发现，马五段地层为马家沟组地层成盐最有利层位。SQ3对应马五段、马六段地层沉积期，基于此，笔者对影响SQ3层序发育的因素进行综合分析。SQ3发育期，盐体的最后形成受控于构造沉降、物源供给、气候作用、海平面变化等多种因素，在多因素的综合作用下，形成了SQ3的层序结构（图11）。在马五段、马六段地层沉积期，古气候数据显示，初期气候炎热干旱，蒸发作用强烈，海平面相对较低，随着气温下降，海平面逐渐升高，末期又降低；盆地基底沉降速率较慢，初期均匀、后期逐渐停止活动。物源供给究所专家学者和新兴物探开发处非常规技术研究室全体研究人员的大力支持，胡超俊、黄元溢、刘伟等人给予了指导与帮助，在此一并表示感谢。速率稳定，可容空间被沉积物填满后停止沉积。

图11 马家沟组SQ3发育控制因素综合分析图Fig. 11 Comprehensive analysis of development controlling factors of the SQ3 stratigraphy sequence in the Majiagou Formation

5 结论

（1）马家沟组地层共划分为1个二级层序，3个三级层序，8个四级层序。研究区马家沟组地层沉积期表现为碳酸盐岩台地相沉积，马一段、马三段、马五段发育海退期局限台地沉积，马二段、马四段、马六段发育海进期开阔台地沉积。

（2）沉积作用（三级层序）影响原始盐体的形成。物源通过两种途径由东部膏盐湖浓缩卤水补给在炎热气候条件下，持续的蒸发作用使盐盆的不同位置形成物质成分不同的原始盐体。

（3）构造作用（二级层序）影响原始盐盆形成，提供了盐体沉积的有利空间，并对含盐系地层形态产生破坏、改造及调整。加里东运动早期控制陕北盐盆坳陷形态的形成，晚期对逆断层上盘原始含盐系地层产生破坏；印支—燕山期构造运动一方面其活化了加里东期断层，对含盐系地层产生破坏，另一方面，其引起的横向挤压使盐体发生塑性变形，对整体含盐系地层展布及形态变化起到改造及调整。

（4）综合分析，SQ3发育时期，受控于构造沉降、物源供给、气候作用、海平面变化等多种因素。盐体形成的最主要控制因素还是构造沉降与沉积物供给。马五段沉积期，气候条件干旱炎热，是更有利的盐体发育期。就钾盐勘探方向而言，还需进一步向湖盆中心方向做深入研究。

致谢：本项研究得到了中国地质科学院矿产资源研