鄂爾多斯雙山地區(qū)七里溝砂巖沉積特征及演化

宋雪娟,李壯福

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221008)

近年來,鄂爾多斯盆地上古生界天然氣勘探不斷取得突破,神木千億方氣田的發(fā)現(xiàn)引起人們對該地區(qū)太原組砂巖儲集體的重視。本文綜合分析研究了太原組七里溝砂巖沉積特征,探討了砂體沉積演化過程,建立沉積模式,恢復(fù)其古代沉積環(huán)境,有利地指導(dǎo)了下一步天然氣勘探。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地可分為六大構(gòu)造單元：陜北斜坡、伊盟隆起、晉西撓褶帶、渭北隆起、天環(huán)坳陷和西緣逆沖構(gòu)造帶[1-2]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部,陜北斜坡之上,研究層位基底構(gòu)造較簡單,見圖 1。研究區(qū)垂向具多套含氣層系,包括太原組、山西組、石盒子組及石千峰組以及下古生界。太原組地層自下而上依次為廟溝灰?guī)r、橋頭砂巖、8#上煤、毛兒溝灰?guī)r、馬蘭砂巖、7#煤、斜道灰?guī)r、七里溝砂巖、6#煤、東大窯灰?guī)r、海相泥巖。其中七里溝砂巖在三層砂巖中砂體規(guī)模較小。

2 七里溝砂巖沉積特征

2.1 巖石學(xué)特征

七里溝砂巖的巖石類型以巖屑石英砂巖為主,夾石英砂巖和巖屑砂巖,見圖 2。

圖 1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元劃分與研究區(qū)位置圖

碎屑成分中,單晶石英以花崗巖型為主;多晶石英則以變質(zhì)巖型為主;屬石英端元組分的燧石巖屑的結(jié)構(gòu)不如橋頭砂巖復(fù)雜多樣,一般為具微粒結(jié)構(gòu)的燧

2.2 粒度分析

碎屑巖的粒度特征是判別巖石沉積時的自然地理環(huán)境以及水動力條件的良好標(biāo)志[3]。七里溝砂巖以粗粒、中粒為主。其概率累積曲線整體呈兩段式,由跳躍總體和懸浮總體構(gòu)成,見圖 3。主要由跳躍總體組成,懸浮總體含量較少,常缺乏滾動總體,跳躍總體與懸浮總體之間發(fā)育過渡帶,可能是受水能量突然降低或混合等影響的結(jié)果;跳躍組分分選中等—較差,懸浮組分分選差。細(xì)節(jié)點在 2.0～3.0φ之間,平均 2.3φ。跳躍總體含量平均 78.1%,懸浮總體含量平均 5.9%。磨圓度為次棱角—次圓,整體分選中等;頻率曲線上表現(xiàn)為雙峰或不對稱單峰曲線,多為正偏態(tài)。

通過對太原組砂巖粒度參數(shù)的計算得出：標(biāo)準(zhǔn)偏差 (σ1)為 1.13～1.92,表明分選較差—差;偏度(SK1)變化范圍較小在 0.29～0.68之間,具有正偏態(tài);峰度 (KG)變化范圍在 2.38～4.10,表明很尖銳—石。巖屑類型較為簡單,以淺變質(zhì)的絹云質(zhì)板巖—千枚巖屑為主,次為變質(zhì)粉砂巖和絹云片巖巖屑和沉積石英巖屑?？梢娚倭客耆邘X石化的碎屑。重礦物類型以穩(wěn)定的鋯石、電氣石和金紅石等為主。

巖屑含量隨粒度而變化,粗砂巖中石英含量高,巖屑含量低,隨粒度變細(xì)而巖屑含量逐漸增高而變?yōu)閹r屑砂巖。由于砂巖中的巖屑多為淺變質(zhì)巖屑,其硬度較低,在風(fēng)化作用和搬運(yùn)過程中的磨蝕作用下容易形成粒度較小的碎屑,經(jīng)沉積環(huán)境中水力的自然分選而相對集中于細(xì)粒的巖石中。

研究區(qū)北部砂體的粒度粗,主要為細(xì)礫巖—含礫粗砂巖—粗砂巖;向南變細(xì),南端以中—細(xì)砂巖為主,反映古河流流向為自北向南。非常尖銳。

圖 2 七里溝砂巖巖石類型圖

圖 3 研究區(qū)七里溝砂巖粒度概率累積曲線圖

由上可得出結(jié)論,七里溝砂巖整體粒度特點與三角洲沉積的粒度特點吻合。

2.3 沉積地球化學(xué)特征

本區(qū)的泥巖樣品 Sr/Ba比值對環(huán)境變化有很好的響應(yīng),鍶鋇比值隨向海遠(yuǎn)離海岸而逐漸增大,見表1。

表 1 研究區(qū)七里溝段泥巖的 Sr/Ba比值

從表 1可看出,七里溝段泥巖樣品的鍶鋇比值范圍為 0.18～1.30,主要范圍 0.30～1.00,平均值為0.65,小于 1,可表明在沉積期水體的鹽度是有變化的,頻繁受到入侵海水的影響,屬于海陸過渡相。

2.4 沉積構(gòu)造特征與垂向?qū)有?/h3>

七里溝砂巖沉積構(gòu)造類型主要為不對稱波痕、沖刷—充填構(gòu)造、平行層理、板狀及槽狀交錯層理、沙紋層理、上攀層理等,層面富白云母與碳屑,見圖 4。中—粗粒砂巖為主,粒度較粗,緩傾角的大—小型板狀交錯層理、槽狀交錯層理,為河道沉積;正粒序發(fā)育、下部大型板狀交錯層理、頂部上攀層理,為三角洲平原分流河道沉積;細(xì)粒砂巖發(fā)育為主,小型板狀交錯層理,層面云母片與碳屑富集,為三角洲前緣水下分流河道沉積。河口砂壩與前三角洲不發(fā)育,表現(xiàn)出淺水三角洲的性質(zhì)。

七里溝砂巖垂直層序的典型特征為正粒序的多次旋回,每個旋回底部發(fā)育沖刷面,其底部粗粒砂巖均直接沖刷下伏灰黑色含植物葉部化石的分流間灣相泥巖或頁巖,向上粒度逐漸變細(xì),直至頂部變?yōu)榧?xì)砂巖、粉砂巖或煤層、泥巖、頁巖。每個旋回向上層理規(guī)模也相應(yīng)變小。

七里溝砂巖的宏觀沉積構(gòu)造特征與垂向?qū)有蚍从沉顺练e環(huán)境為淺水三角洲。

圖 4 研究區(qū)七里溝砂巖沉積構(gòu)造圖

圖 5 研究區(qū)七里溝砂巖沉積古地理圖

3 七里溝砂巖砂體展布及沉積古地理

3.1 七里溝砂巖展布特征

研究區(qū)七里溝砂巖為一套海退背景下的淺水三角洲沉積,砂體發(fā)育的規(guī)模比下伏橋頭砂巖、馬蘭砂巖小,厚度一般 2～6m。

規(guī)模大的厚砂帶沿常家溝—米脂、阿拉伯—雙山及榆林—響水三條條帶區(qū)域展布。厚砂體集中分布在研究區(qū)中部的雙山井區(qū)及南部的官莊—鎮(zhèn)川堡井區(qū),隨著砂體向研究區(qū)南部的推進(jìn),砂體開始分叉呈鳥足狀向研究區(qū)南部延伸,在綏德地區(qū)附近發(fā)育孤立的障壁砂壩砂巖。

3.2 七里溝砂巖沉積相空間分布特征

研究區(qū)主要為三角洲相區(qū)所占據(jù),區(qū)域上形成了淺水三角洲—碳酸鹽潮坪共存的沉積古地理格局,平面上從北向南發(fā)育三角洲前緣、障壁砂壩—瀉湖及陸表淺海[4],見圖 5。淺水三角洲相在研究區(qū)內(nèi)僅發(fā)育三角洲前緣亞相,三角洲前緣亞相以水下分流河道微相為主,河口砂壩微相和分流間灣微相不發(fā)育;障壁砂壩—瀉湖相發(fā)育障壁砂壩亞相、瀉湖亞相和潮坪亞相。

研究區(qū)主要為三角洲前緣沉積,砂巖在平面上呈南北向延伸的條帶狀分布,反映了主河道的位置,因此對應(yīng)自西而東依次發(fā)育保德三角洲、榆林三角洲、雙山三角洲和神木三角洲;四條河道自東向西分別為府谷—保德、常家溝—米脂、阿拉伯—雙山及榆林—響水,研究區(qū)內(nèi)均為三角洲前緣水下分流河道沉積。其中尤以神木三角洲發(fā)育規(guī)模大、分布范圍廣,延伸至研究區(qū)南部米脂地區(qū)。研究區(qū)西南東南區(qū)域均為陸表海沉積,三角洲與陸表海過渡地帶為三角洲前緣分流間灣、瀉湖、潮坪沉積,在綏德附近有小面積的障壁砂壩沉積。

由于陸表海水淺、基底平緩,三角洲表現(xiàn)為淺水三角洲性質(zhì),其特點是三角洲平原發(fā)育分流河道沉積,三角洲前緣發(fā)育水下分流河道,河口砂壩相對不發(fā)育,前三角洲不發(fā)育。

4 七里溝砂巖沉積演化及沉積模式

晚古生代鄂爾多斯盆地的構(gòu)造演化和沉積充填主要受控于北側(cè)的興蒙海槽、南緣和西南緣秦祁海槽大洋板塊的俯沖和擠壓作用,晚石炭世末,北方西伯利亞板塊向南“推土機(jī)”機(jī)制的作用,使華北地臺發(fā)生的強(qiáng)烈的翹板式構(gòu)造運(yùn)動,鄂爾多斯盆地屬于晚古生代華北地臺的一部分,受其影響鄂爾多斯地區(qū)形成北高南低的地形地貌格局[5-6]。早二疊世早期,海侵規(guī)模擴(kuò)大,海水主要由東南方向侵入,海相沉積不斷向北超覆,北緣隆起帶成為物源,研究區(qū)太原期四次海平面升降循環(huán),形成了太原組剖面上與平面上海相與陸相相互交錯的含煤沉積[7-8]。

七里溝期沉積物總體來說在垂向上疊置于斜道灰?guī)r之上,是在斜道期海侵之后的海平面下降期間形成的陸源碎屑沉積充填,斜道期海侵是晚古生代規(guī)模最大的一次海侵。在海退期的陸表海背景下,在北高南低的地形格局中,北緣隆起帶成為物源,來自北緣隆起帶的陸源碎屑物質(zhì)被河流源源不斷向南搬運(yùn)充填入盆地中,并向南分叉推進(jìn),最終隨三角洲建設(shè)作用消減而尖滅于南部海相沉積物中。水下分流河道常強(qiáng)烈沖刷下伏沉積物,切割河口砂壩沉積物乃至先期形成的海相沉積物,使得河口砂壩相對不發(fā)育。由于蓄水盆地水體淺、沉積基底平緩、豐富的物源供給、沉積過程中構(gòu)造活動的相對穩(wěn)定,為淺水三角洲發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。由此建立七里溝砂巖的淺水三角洲沉積模式,見圖 6。

圖 6 七里溝砂巖沉積模式圖

七里溝砂巖的沉積明顯受古構(gòu)造背景、差異沉降、沉積物供給及海平面升降等因素控制[9]。由于北部物源區(qū)的抬升,三角洲向研究區(qū)南部延伸較遠(yuǎn),砂體展布受海侵規(guī)模、古地形及下伏地層差異性壓實作用控制,七里溝砂巖的空間展布大體繼承了橋頭砂巖、上馬蘭砂巖的沉積格局,但其發(fā)育規(guī)模明則因前期砂巖沉積充填之后南北的地表高程差減小而制約。

5 結(jié)束語

鄂爾多斯盆地神木—雙山地區(qū)太原組七里溝砂巖主要以巖屑石英砂巖為主,成分成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度均為中等。研究區(qū)七里溝砂巖主要為三個相對富砂條帶自北向南分叉展布,為一套海退背景下相對海平面下降時期的淺水三角洲沉積,三角洲前緣、障壁砂壩—瀉湖潮坪、陸表淺海在空間上共存,陸相砂巖與海相灰?guī)r的指狀交錯分布,由此建立其淺水三角洲沉積模式。

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