鄂尔多斯盆地白垩纪沉积体系及古地理演化

庞军刚，李文厚，国吉安，阮 昱，李卫红，常梁杰，龚斌利，王欣月，郭艳琴，马治国

(1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安 710065；3.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069;4.陕西地矿第二综合物探大队有限公司,陕西 西安 710016；5.长庆油田分公司 第三采气厂,内蒙 乌审旗 017300；6.核工业203研究所，陕西 咸阳 712000)

沉积体系控制了古地理格局及沉积演化,也与含油气盆地赋存的石油、天然气、煤、铀矿等能源矿产有关,引起了地质学者的广泛关注。鄂尔多斯盆地白垩系赋存大规模的水资源,且含有盐岩等沉积矿层,引起了人们的关注。学者研究认为，其大规模发育的风成砂岩记录了古沙漠环境,通过其沙丘交错层理、前积纹层方向的变化及沙粒表面的微形貌的差异可以研究古沙漠的古气候、古风向,从而分析区域构造和盆地的演化,进行事件地层对比[1-4]。还有学者认识到，白垩系包括风成沉积及与其相关的水成沉积,且存在沉积亚环境,其分布在平面上具有一定的规律性。从盆地边缘向盆地中心依次发育以冲积扇为主,频繁间夹沙丘、旱谷、丘间沉积;风成-冲积交互沉积,处于沙漠的边缘带,为冲积区向沙漠区的过渡地带;风成沉积带处于沙漠盆地内部,风成作用强烈,形成以沙丘为主的风成沉积体系,包括沙丘、沙丘间、沙席等。在气候变化及季节性降雨时,其在相对低洼地区形成沙丘间、沙漠湖等沉积，岩性主要为杂色泥岩灰岩、泥灰岩及强蒸发作用形成的膏岩、盐岩夹层。纵观前人研究成果可以发现，有关鄂尔多斯盆地白垩系沉积体系研究的成果较少,加上古沙漠沉积的研究也是沉积学的薄弱领域，因此，到目前为止，前人大多只针对其中发育的风成沉积开展了少量的工作。许多学者现已意识到，沙漠沙丘往往与冲积扇、季节性河流、盐湖(及萨布哈)等各多种沉积环境共存,在空间上互为消长。因此,在对白垩系古沙漠沉积体系的研究中,除了对地层中风成沉积物的识别和解释外,更要重视风成沉积物与其伴生的水成沉积物整体系统的研究,这也是风成沉积的研究趋势[5-10]。

本研究在室内编图、对比分析的基础上,综合研究了鄂尔多斯盆地200余口钻井的资料、10余条露头剖面及20多口井的岩心资料,对其沉积体系类型、沉积相及古地理演化进行了深入探讨。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是中国大型沉积盆地之一,面积约为2.5×104km2。根据盆地现今的构造形态、基底性质及构造特征,可划分为伊盟隆起、西缘逆冲构造带、天环拗陷、渭北隆起、晋西挠褶带及陕北斜坡6个一级构造单元[11]。其白垩系地层主要为早白垩世志丹群组，为一套湖相夹风成砂岩组成的碎屑岩沉积(残余地层厚度超过一千余米)。下部与侏罗系或更老地层假整合接触或不整合接触;上部与第三系呈不整合接触。志丹群自下而上分为宜君组、洛河组、环河华池组(第一个旋回),罗汉洞组、泾川组(第二旋回),其中洛河组风成沙丘广泛发育,其次为罗汉洞组,这两个旋回均反映了早期以古沙漠风成沉积为主到晚期以水成沉积为主的环境变化(见图1)[12]。

图1 鄂尔多斯盆地白垩系沉积相及层序地层格架(据庞军刚等[13])Fig.1 Sedimentary facies and sequence stratigraphy framework of Cretaceous in Ordos Basin

2 沉积体系类型及特征

鄂尔多斯盆地白垩系发育沙漠、湖泊、三角洲、河流及冲积扇等各种沉积体系[14-16],由于各时期古气候及沉积前古地貌的不同,不同的层段主要的沉积相类型也不同。

2.1 冲积扇

冲积扇起因于干旱气候的洪水,常发育于山谷，沉积于坡度骤减的山麓,呈扇形局限分布,根据其结构和成分可推断沉积物源,属于陆相环境中的边缘相沉积。该沉积在研究区主要发育在宜君组的西南部、东部地区,洛河组的局部也有发育。沉积地层厚1.5～50 m,(宜君、彬县可达150～225 m)。其主要的沉积微相有辫状河道、漫流沉积、筛状沉积(由暂时性水流作用形成)和泥石流沉积(或泥流)。颜色主要为灰色、灰紫色,灰棕色、棕灰色,泥岩为红色和杂色,反映以陆上沉积位置的环境为主;岩性为中厚层块状砾岩、砂质砾岩，少量砂岩,夹薄层泥质粉砂岩、泥质粉砂岩和泥岩。其是研究区白垩系厚度最大、粒度最粗的沉积类型。其主要砾石成分以近源为主。研究区受多个物源及不同母岩类型的影响,不同地区的砾石成分差异很大,如铜川地区主要有硅质岩、灰岩、角砾状灰岩等(见图2)。

A 砾石成分主要为硅质岩、灰岩、角砾状灰岩(铜川)；B 白垩系宜君组砾岩与侏罗系安定组红色砂岩；C 冲积扇泥石流砂砾岩，夹薄层水道砂岩；D 砾石次圆状，分选差，砾石成分主要为灰岩、燧石(C图局部放大，崾岘梁) 图2 鄂尔多斯盆地白垩系宜君组冲积扇沉积野外露头剖面Fig.2 Field outcrop profile of alluvial fan deposits Cretaceous YijunFormation of Ordos Basin

2.2 河流

河流是把碎屑物从物源区搬运至沉积湖泊的主要营力和介质,也是重要的沉积场所,在陆相沉积环境中广泛发育,也是白垩系主要的沉积相类型之一。根据弯曲度和砂坝数可将自然界的河流划分为4类,研究区广泛发育辫状河和曲流河,在白垩系各组中均有发育,其中环河—华池组及罗汉洞组最为广泛。辫状河沉积形成下部心滩亚相砂体,上部泛滥平原亚相泥岩,呈现下部“粗粒沉积”发育、上部“细粒沉积”不发育的 “二元结构”。其岩性主要为中粒长石石英砂岩,夹中砂岩及含砾砂岩,常发育中大型板状交错层理、槽状交错层理,向中上部过渡为平行层理及沙纹层理(见图3A)。

曲流河沉积形成下部边滩、上部河漫滩亚相,且具有下部“粗粒沉积”与上部“细粒沉积”均发育、厚度近于相等的 “二元结构”。其岩性为中细粒石英砂岩及长石石英砂岩,从下向上也依次发育底冲刷、大型板状交错层理、槽状交错层理及楔状交错层理[17]。

2.3 湖泊

对于湖泊沉积，可采用洪水面、枯水面、正常浪基面和风暴浪基面来代表沉积物在湖泊内的位置和湖水深度，从而可将湖泊划分为深湖、半深湖、滨湖和浅湖4个亚相类型。湖泊在环河—华池组分布最广,其次为泾川组,洛河组、罗汉洞只是局限分布。研究区主要发育滨湖-浅湖沉积环境,环河—华池组中西部分布深色泥页岩沉积，应为当时盆地的沉降中心,形成了半深湖环境。滨湖-浅湖沉积为灰色、灰绿色、紫红色及杂色,岩性主要为中—厚层泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩,层理构造主要发育水平层理、沙纹层理,层面构造见雨痕、泥裂波痕(流水波痕、波浪波痕均有),反映出水下沉积物间歇性地暴露地表的沉积环境特点(见图3B,C,D,E)。半深湖沉积主要呈黑色、深灰、浅灰及灰绿,局部见褐色,岩性主要为厚层泥岩、泥质粉砂岩,夹薄层状及透镜体粉—细砂岩。沉积构造以水平层理最为发育,在砂泥岩互层段可见小型透镜状、脉状及砂纹层理。

A 河流河道形成的多层叠置厚层砂岩沉积；B 薄层泥岩—中厚层砂岩形成的三角洲前缘沉积(宁县—旬邑沿途)；C 灰色泥岩层面上的干裂构造(板桥)；D 灰色、黑色薄层泥页岩湖泊沉积(板桥)；E 灰色薄层泥岩夹薄层或透镜状泥岩，湖泊沉积 (玉华宫北)；F 灰色、浅红色薄层泥岩与灰色薄层泥质粉砂岩互层,湖泊沉积(环县西川乡西)图3 鄂尔多斯盆地白垩系环河—华池组野外露头剖面Fig.3 Field outcrop profile of Cretaceous Huanhe-Huachi Formation of Ordos Basin

罗汉洞组及泾川组沉积期气候也较为干旱,蒸发作用强。泾川组夹肉红及白色薄层状膏盐和石膏,而罗汉洞组所夹盐岩厚度较大,分布较广,可达到工业标准(见图4)[18]。

A 细砂岩中的石膏条带(ZK31-127，253.3 m) B 钙质泥岩中石膏晶体( ZK6-4，160.0 m)图4 鄂尔多斯盆地白垩系罗汉洞组石膏晶体Fig.4 Gypsum crystals of Cretaceous Luohandong Formation of Ordos Basin

2.4 三角洲

三角洲在陆相环境中广泛分布,处于河流(冲积扇)与湖泊沉积的过渡环境。根据河流的性质,可将三角洲划分为扇三角洲、辫状河三角洲和(正常)三角洲,这几种类型的三角洲在研究区白垩系均有发育,也是分布较为广泛的沉积类型之一,主要在环河—华池组发育。环河—华池组西部、东部湖盆边界坡度较陡，主要发育辨状河三角洲；在北部、东北部，湖盆边界坡度较平缓，发育(正常)三角洲。三角洲平原是三角洲的陆上部分,与河流沉积特征类似。三角洲前缘在野外较易识别,沉积主要为灰色、灰绿色砂岩与泥岩的互层,砂岩为粗砂岩、中砂岩及细砂岩,颗粒分选中等,层面分布大量的黑云母,各类交错层理发育,高角度或垂直虫孔常见,野外及钻孔中可见较多碳化的植物碎片；整体发育由细变粗的反旋回,明显区别于三角洲平原或河流沉积由粗变细的正旋回,这是识别三角洲前缘的典型标志(见图3F)[19]。

2.5 沙漠

沙漠在白垩纪沉积期广泛分布,这一特征在其沉积厚度及分布面积方面均有体现[5,9-10,14,20]。如前所述,沙漠环境也是与湖泊、河流、冲积扇等环境共存,风成沉积、水成沉积交互出现。其具体可分为砾漠、沙丘、丘间、旱谷及沙漠湖沉积亚相。沙丘亚相以发育各种大型交错层理，分选好、磨圆佳的砂岩层最具特色，且其砂岩颗粒表面具有砂粒表面显微结构。野外观察，沙丘以细砂组分为主，发育大型板状交错层理、大型槽状及楔状交错层理等;风成与河流水道交互沉积,河道沉积具底冲刷构造;见沙丘砂岩与丘间泥岩交互沉积(见图5A,B,C,D,E,F)。沙粒表面多见撞击坑痕、荒漠漆等特点。由此可见，研究区的沙丘沉积在沉积构造、沉积粒度及颗粒表面的显微构造等方面明显不同于相关的水成沉积地层。

研究区沙丘沉积广泛分布，其砂体厚为35～470 m。其中，洛河组发育最广,其次为罗汉洞组,在泾川组等局部有小范围的分布。但是，罗汉洞组风成相砂岩的颜色有所变化,主要为橘黄、棕红色等,且多为中—厚层状砂岩。

3 白垩纪古地理演化

研究区的下白垩统志丹群是在晚侏罗世盆地抬升后形成的丘陵起伏的地形上沉积的。从鄂尔多斯盆地早白垩世的原盆面貌及沉积古地理的恢复可以看出，早白垩世，盆地的古流呈向心的辐射状,基本显现了盆地的原始面貌,志丹群所代表的早白垩世地层是一套由风成沙丘和河湖沉积物交互叠置的沉积体系。早白垩世，鄂尔多斯盆地为一东缓西陡、南北向展布的箕状盆地,在盆地的西缘陡岸一侧发育冲积扇-辫状河-湖泊沉积体系,在盆地的缓坡区发育沙漠、河流-三角洲-湖泊沉积体系,在盆地北缘长轴方向发育冲积扇-河流-湖泊沉积体系。

研究区宜君期主要为一套近源山前冲积扇沉积,盆地内大部分地区未接受沉积,仅在南缘的宜君、旬邑、彬州一带发育有宜君组杂色砾岩及含砾砂岩,为冲积扇及冲积平原沉积。根据古流向和砾石成分等研究，推测其物源区为南部的秦岭一带(见图6A)。

A 大型槽状交错层理，层面上见小的砾石(焦坪)；B 风成与河流水道交互沉积，河道底冲刷(铜川照金)；C 沙漠沙丘沉积夹沙丘间紫红色泥岩沉积(志丹)；D 沙漠沙丘沉积夹沙丘间紫红色泥岩沉积(志丹)；E 沙漠沙丘沉积夹沙丘间紫红色泥岩沉积(志丹);F 罗汉洞组风成砂岩中交错层理图5 鄂尔多斯盆地白垩系洛河组、罗汉洞组野外露头剖面Fig.5 Field outcrop profile of eolian deposits of Cretaceous Luohe and Luohandong Formation of Ordos Basin

洛河期由于气候干旱,经不断风化剥蚀，研究区地形趋向准平原化,沉积范围向北部和西部放大,在乌审旗—榆林—靖边—延安—富县—黄陵一带沉积了较单一的紫红、桔红色石英砂岩,发育巨型交错层理,局部有砾岩、砾状砂岩和泥岩夹层,主要为沙漠相沉积。在鄂尔多斯的盐池—环县—庆阳一带，研究区以滨浅湖沉积为主,在银川—平凉—长武—正宁一带则发育河流沉积。在西南部、西北部残留地层边缘发育冲积扇。在两者的过渡区形成了沙丘与丘间沉积亚相,在局部(如靖边地区)形成了小面积分布的沙漠湖泊环境。沙漠边缘地带为冲积区环境向沙漠环境的过渡带,在盐池—灵武、焦坪和彬县露头剖面上可以看到，冲积扇、辫状河及风成沉积物交替出现,构成复杂的风成-冲积体系(见图6A)。

环河—华池期,盆地已被进一步夷平,但沉积范围较早期要小,横山至榆林一带缺失沉积。其以辫状河、湖泊、三角洲沉积为主。该组地层厚度较大,以泥岩沉积为主,砂岩不发育。早期区内湖盆进一步全面下陷,湖盆基底变平,湖侵面积扩大,代表了白垩纪广泛的湖侵并发展到鼎盛时期,湖相细粒沉积在盆地中南部大面积分布。定边—靖边一线以北,为黄绿、灰绿及紫红色长石砂岩及砂砾岩夹凝灰质砂岩、层凝灰岩,为河流相沉积。定边—靖边以南的盐池至庆阳一带主要为杂色泥岩、砂质泥岩、砂岩,产鱼类及介形虫化石,应为湖泊相沉积。而在盆地西南缘的陇县及景福山一带则仍发育冲积扇沉积。在吴旗—华池—合水—庆阳—长武等沉积中心,主要为滨浅湖亚相,在华池—合水—宁县形成半深湖区。总体上讲，研究区西南部湖水深,东北部湖水浅。在湖盆边部发育了大量的三角洲。由于这些三角洲发育在地形高差很大的边部,碎屑供应充分,形成了大量的辨状河三角洲(见图6B)。

罗汉洞期,盆地再次抬升,气候又转向干旱。现存地层边部以冲积扇-河流相为主,盆地西南部发育沙漠、河流及湖泊相沉积。

研究区北部为辫状河,其北部边缘发育冲积扇,鄂托克前旗—天池为曲流河,其以东及以南分别为滨浅湖、沙丘及丘间亚相;在西南侧的虎洞—西峰—泾川—灵台一带拗陷区为沙漠相,为棕红、紫红、桔黄色具大型板状交错层理的砂岩,以沙丘亚相夹旱谷亚相及河流相为特征,环县北也有沙丘亚相发育。从环县向南到镇原东一带，沙漠盛行,垂向序列主要发育沙漠、沙丘夹丘间。地层中不同沉积类型的厚度比例统计表明,该区沙丘沉积厚度最大,各类大型—巨型交错层理发育,推测该区应处于当时古沙漠的沉积中心;根据沙丘前积层分析，当时西风盛行,且沙丘有向东迁移的趋势;在千阳、陇县一带，发育有具氧化色的砾岩、砂砾岩、砂岩、粉砂岩及泥岩,主要发育辨状河(见图6C)。

泾川期,气候转向温润,盆地内发生不均衡沉降，进入白垩系第二个沙漠萎缩-消亡期。泾川组在区内的分布范围非常局限,残留厚度也不大。崇信、陇县和宁县、盐池地区的早期主要为冲积扇-河流相,晚期湖水变深,发育面积不大的湖泊相(为一种残留湖泊)。沉积物以杂色砂泥岩沉积为主，为桔红、浅棕红、紫色泥岩、砂岩夹细砂岩、含砾粗砂岩及泥灰岩；中部及北部产叶肢介、介形虫及鱼类化石；泾川一带由南而北,从河流过渡为湖泊相沉积。其在中部池10井附近、西南部zk5-4井周围发育曲流河,泾川一带为深湖—半深湖,西南部其他残留地区为滨浅湖(见图6D)。

其后,燕山运动第IV幕使盆地整体抬升,结束了盆地中生代的沉积演化。

4 结论

1) 研究区志丹群古沙漠可划分为上、下两个古沙漠层序单元,分别为宜君组、环河—华池组(第一个旋回),罗汉洞组、泾川组(第二旋回),其中风成沉积在洛河组广泛分布,厚度巨大,其次为罗汉洞组。这两个旋回均反映了古沙漠早期由以风成沉积为主，演化为晚期以水成为主的特征。

2) 研究区白垩系主要发育冲积扇、河流、三角洲、湖泊及沙漠沉积体系,根据大量的钻井及野外露头资料可恢复研究区白垩系不同时期的沉积古地理演化：宜君期仅在南缘的宜君—彬州一带发育有冲积扇;洛河期气候干旱,沉积范围大,主要发育沙漠相沉积，其次发育冲积扇、河流、滨浅湖及丘间或沙漠湖;环河—华池期,沉积范围较早期要小,以辫状河-湖泊-(辫状河)三角洲环境为主,达到最大湖泛时期;罗汉洞期,盆地再次抬升,气候又转向干旱，边部发育冲积扇-河流相,向盆地西南中心逐渐过渡演化为沙漠、河流及湖泊环境;泾川期,地层分布范围非常局限,残留地层厚度也不大，气候转向温润,主要发育湖泊相,其次为河流相。