鄂爾多斯盆地富縣中奧陶統(tǒng)風(fēng)化殼古地貌特征

馬 寧 丁曉琪 張 威,2 祁壯壯 陳乙萊 朱 穎

1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院 2.中國(guó)石化華北油氣分公司

0 引言

鄂爾多斯盆地奧陶系風(fēng)化殼氣藏自1989年陜參1井發(fā)現(xiàn)以后，經(jīng)過多年勘探，馬家溝組五段風(fēng)化殼氣藏勘探取得豐碩成果[1-2]。截至2018年底，盆地在奧陶系馬五1+2亞段氣藏累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量6 400 108m3[3-4]。富縣地區(qū)位于盆地南部，早期認(rèn)為該地區(qū)主體位于巖溶高地上，馬五1+2亞段僅出現(xiàn)在富縣東北部，勘探范圍有限[5]。隨著近期一批探井的完鉆，富縣地區(qū)存在大面積的巖溶斜坡，馬五1+2亞段大面積分布，勘探范圍西擴(kuò)。巖溶古地貌不僅僅控制著馬五1+2亞段的分布，而且影響淺埋藏過程中溶蝕孔洞的充填程度[6]；同時(shí)，古地貌上的溝槽還是天然氣充注和側(cè)向遮擋的屏障[3,6]。

前人對(duì)古地貌的恢復(fù)主要是通過殘厚法和印模法[7-8]，認(rèn)為上古生界沉積時(shí)首先填平補(bǔ)齊，之后大面積沉積。一般認(rèn)為太原組廣泛分布的8號(hào)煤層沉積后，高低起伏的風(fēng)化殼古地貌基本被填平補(bǔ)齊[7,9-10]，因此不整合面到8號(hào)煤層之間的厚度與風(fēng)化殼古地貌呈現(xiàn)“鏡像關(guān)系”。然而，根據(jù)現(xiàn)今統(tǒng)計(jì)的厚度進(jìn)行壓實(shí)校正才能代表當(dāng)時(shí)的真正厚度，但是不整合面之上沉積有煤層、石灰?guī)r、泥巖、砂巖、礫巖等復(fù)雜巖性，壓實(shí)校正難度大。

本次研究通過恢復(fù)風(fēng)化殼之下標(biāo)志層（馬五5）的古構(gòu)造，在古構(gòu)造上疊加馬五5亞段之上的奧陶系殘厚來進(jìn)行風(fēng)化殼古地貌的恢復(fù)；進(jìn)而進(jìn)行古地貌單元的劃分，并研究不同古地貌單元上的喀斯特化特征，為下一步的天然氣勘探提供儲(chǔ)層方面的依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西緣，構(gòu)造上屬于大型多旋回克拉通盆地[11]。奧陶紀(jì)鄂爾多斯地區(qū)具有“三隆兩鞍一坳陷”的沉積背景，沿烏審旗—慶陽(yáng)—黃陵一帶發(fā)育大型呈“L”展布的中央古隆起帶，構(gòu)成了秦祁海與鄂爾多斯地塊的水下屏障[12]。奧陶系沉積時(shí)形成的中央古隆起帶對(duì)沉積相的展布、古巖溶地貌以及儲(chǔ)層的發(fā)育都有非常重要的控制作用。

加里東旋回晚期，鄂爾多斯地臺(tái)受到北部中亞蒙古洋殼和南部秦祁海洋殼的俯沖影響，在構(gòu)造擠壓的作用下，使得盆地整體向上抬升，并經(jīng)歷了1.5 108a的風(fēng)化淋濾剝蝕，使得上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)在盆地內(nèi)出現(xiàn)缺失[13]。石炭紀(jì)末期，盆地發(fā)生沉降，并開始接受上覆地層的沉積[14]。

富縣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，奧陶系的沉積受“L”型古隆起的影響，整個(gè)馬家溝組厚度偏薄。該地區(qū)的沉積穩(wěn)定，后期構(gòu)造作用主要以整體升降為主，研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力構(gòu)造不發(fā)育，構(gòu)造變化簡(jiǎn)單。上覆石炭系為本溪組和太原組，風(fēng)化殼殘余地層主要為馬六段和馬五段，出露層位大體上沿著東北至西南逐漸變老（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)前石炭紀(jì)古地質(zhì)圖及馬六-馬五段柱狀圖

2 風(fēng)化殼古地貌恢復(fù)方法

目前來說，廣泛使用的古地貌恢復(fù)方法主要有沉積學(xué)法、殘厚法、印模法、高分辨率層序地層學(xué)法等[15-22]。每一種方法都可以在特定精度范圍內(nèi)，基于鉆井、錄井、巖心、地震等資料，進(jìn)行有效的古地貌恢復(fù)，都有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不足。在鄂爾多斯盆地馬家溝組風(fēng)化殼古地貌研究中，使用比較多的是印模法，如果使用該方法，就勢(shì)必要進(jìn)行壓實(shí)校正，由于風(fēng)化殼至8號(hào)煤層間沉積有煤層、石灰?guī)r、泥巖、砂巖、礫巖等復(fù)雜巖性，壓實(shí)校正的難度大，所以本文采用趨勢(shì)面法恢復(fù)不整合面之下標(biāo)志層（馬五5亞段）的加里東期古構(gòu)造，然后疊加標(biāo)志層和不整合面之間的殘余厚度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)化殼古地貌的恢復(fù)。

2.1 趨勢(shì)面法原理

富縣地區(qū)現(xiàn)今馬家溝組各層段的構(gòu)造基本為一單斜，缺少明顯的褶皺，所以加里東期的馬家溝組也為單斜構(gòu)造，可以進(jìn)行趨勢(shì)面分析。

趨勢(shì)面分析，是利用數(shù)學(xué)曲面模擬地理系統(tǒng)要素在空間上的分布及變化趨勢(shì)的一種數(shù)學(xué)方法。它實(shí)質(zhì)上是通過回歸分析原理，運(yùn)用最小二乘法擬合一個(gè)二維非線性函數(shù)，模擬地理要素在空間上的分布規(guī)律，展示地理要素在地域空間上的變化趨勢(shì)，而古構(gòu)造恰好就是地層在空間上的變化趨勢(shì)。

趨勢(shì)面分析的觀測(cè)面由趨勢(shì)面部分和殘差部分組成。趨勢(shì)面部分反映區(qū)域性大范圍內(nèi)的變化情況，殘差部分是實(shí)測(cè)值與趨勢(shì)函數(shù)對(duì)應(yīng)值之差，反映局部變化情況。趨勢(shì)面分析的一個(gè)基本要求，就是所選擇的趨勢(shì)面模型應(yīng)該是剩余值最小，而趨勢(shì)值最大，這樣擬合精度才能達(dá)到足夠的準(zhǔn)確性。

對(duì)于趨勢(shì)面模型，一般是將實(shí)際測(cè)量值z(mì)i（xi，yi）（i=1，2， ，n）作為因變量，地理位置坐標(biāo)（xi，yi）作為自變量，趨勢(shì)擬合值為為殘差，有：

式中zi（xi，yi）表示趨勢(shì)面高程的實(shí)際測(cè)量值，m；表示趨勢(shì)面高程的趨勢(shì)擬合值，m；xi、yi一般使用大地坐標(biāo)系，m；εi表示殘差，m。

趨勢(shì)面分析法的核心在于從實(shí)際觀測(cè)值出發(fā)推算趨勢(shì)面，一般采用回歸分析方法，使得殘差平方和Q趨于最小，即

式中Q為殘差平方和，m2。

這就是在最小二乘法意義下的趨勢(shì)面擬合。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)為模型預(yù)設(shè)數(shù)個(gè)公式，然后通過MATLAB等數(shù)學(xué)軟件計(jì)算出相關(guān)系數(shù)。之后進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，主要包括R2檢驗(yàn)、顯著性F檢驗(yàn)和逐次檢驗(yàn)這三方面。最后選出相關(guān)性最好的公式模型作為趨勢(shì)面公式。

2.2 趨勢(shì)面計(jì)算

趨勢(shì)面計(jì)算通常采用多項(xiàng)式回歸擬合模型，由于富縣地區(qū)古構(gòu)造平緩，所以選取了一次簡(jiǎn)單線性模型（式3）、一次雙線性模型（式4）、二次模型（式5）這3個(gè)預(yù)設(shè)公式：

根據(jù)已有的研究區(qū)各井標(biāo)志層（馬五5亞段）至8號(hào)煤層（太1段）的厚度數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法原理構(gòu)造趨勢(shì)面方程，使用MATLAB軟件編制計(jì)算程序得到一次簡(jiǎn)單趨勢(shì)面z11、一次雙線性趨勢(shì)面z12、二次趨勢(shì)面模型z2方程分別如下：

式中z11、z12、z2為不同模型下趨勢(shì)面高程的趨勢(shì)擬合值，m。

對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，其中，R2檢驗(yàn)結(jié)果為二次趨勢(shì)面z2擬合度更高。顯著性F檢驗(yàn)結(jié)果為均顯著，逐次檢驗(yàn)結(jié)果為z2擬合度更高。使用模型方程z2得到的趨勢(shì)面如圖2所示。圖2中0線為該地區(qū)構(gòu)造的最低點(diǎn)。

圖2 鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)前石炭紀(jì)沉積前古地形相對(duì)高程等值圖

從圖2可以看出，在富縣地區(qū)，加里東期馬家溝組的古構(gòu)造為一個(gè)北東傾的單斜，地層傾角在0.1 ～0.6°之間，局部構(gòu)造幅度在20～40 m之間。然后，將研究區(qū)風(fēng)化殼殘余厚度與趨勢(shì)面圖相疊加，得到最終的古地貌平面圖（圖3）。

圖3 鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)奧陶系古地貌單元?jiǎng)澐制矫鎴D

3 風(fēng)化殼古地貌特征

根據(jù)鄂爾多斯盆地馬家溝組古地貌的劃分標(biāo)準(zhǔn)[6-7,9,16,23]，研究區(qū)自南西向北東發(fā)育高地、斜坡、洼地這三種二級(jí)地貌單元，在斜坡上發(fā)育殘丘、溝槽等三級(jí)地貌單元。古地貌特征如圖3所示。

3.1 高地

位于古構(gòu)造較高的位置，上覆石炭系沉積較薄，部分地區(qū)缺失太1段；下伏奧陶系風(fēng)化殼地層同樣比較薄，出露地層較老，為馬五5亞段以下，出露地層最老可達(dá)馬五10亞段，高程值普遍大于110 m。

3.2 斜坡

位于研究區(qū)的中部，是研究區(qū)最主要的二級(jí)地貌，高程值變化很大，在55～110 m，這主要是巖溶強(qiáng)度在空間上的分布不均一導(dǎo)致。為了精細(xì)刻畫，進(jìn)一步將斜坡細(xì)分為殘丘、溝槽等三級(jí)地貌單元。

3.2.1 殘丘

是斜坡上孤立分布的范圍相對(duì)較小，地勢(shì)較陡且出露層位相對(duì)較新的丘狀地形。殘丘上石炭系沉積相對(duì)較薄，風(fēng)化殼出露地層為馬五1亞段—馬五2亞段，其高程值在85～110 m，比較陡峭。研究區(qū)共有6個(gè)殘丘，分別位于牛5井、任2井、新富7井、富古6井、延628井和延699井附近。

江蘇省防汛防旱監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)從2011年開始在江蘇省防辦投入使用，在汛期該系統(tǒng)已產(chǎn)生了數(shù)千條預(yù)警信息，預(yù)警及時(shí)。

3.2.2 溝槽

斜坡上受剝蝕或者溶蝕嚴(yán)重的低洼地帶，一般沿殘丘邊緣發(fā)育，呈樹杈狀，是地表水流動(dòng)的主要通道。研究區(qū)的溝槽主要位于工區(qū)東部，共有3條（圖3）。溝槽處風(fēng)化殼出露地層為馬五3亞段，其高程值在55～85 m。

3.3 洼地

位于古構(gòu)造的低部位，可容空間較大，上覆石炭系沉積厚度較大，下伏奧陶系保存較好，出露地層較新，以馬六段為主，局部出露馬五1亞段，高程值在100～130 m，比較穩(wěn)定。

4 不同古地貌單元上的喀斯特特征

4.1 高地喀斯特特征

研究區(qū)西南部為高地古地貌，主要出露馬五4亞段以下地層。該地區(qū)鉆井無取心資料，對(duì)于喀斯特化特征只能通過測(cè)井資料來推測(cè)。一般認(rèn)為高地古地貌上，地下水以垂向流動(dòng)為主，溶蝕作用相對(duì)受限。然而研究區(qū)馬五段為白云巖與泥巖的互層，由于礦物的易溶性，再加上補(bǔ)給水對(duì)礦物的不飽和性，仍可發(fā)生一定強(qiáng)度的溶蝕作用。由于富縣西南部馬五段沉積期正好位于古隆起周緣，缺少石膏的沉積，無法利用石膏層的出現(xiàn)作為巖溶的最大深度。在無取心資料的情況下，暫時(shí)很難判斷巖溶的最大深度。

4.2 斜坡喀斯特特征

巖溶斜坡在富縣地區(qū)大面積分布，不整合面下主要出露馬五1+2亞段。斜坡古地貌上的地下水明顯具有水平運(yùn)動(dòng)的特征（圖4），經(jīng)歷喀斯特化后的紊亂角礫巖中的礫石碎屑分選差、磨圓差，礫石之間的黏土、云質(zhì)泥巖來自馬五段本身。

圖4 富縣地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼古地貌斜坡處巖溶特征剖面圖

馬五1+2亞段主要是微晶白云巖，局部夾少量含石膏結(jié)核的白云巖和薄層泥巖，在淡水作用下，石膏的溶解度可達(dá)白云巖的1 000倍，石膏結(jié)核溶解形成膏模孔；而泥晶白云巖由于巖性致密，不構(gòu)成淡水的滲流通道，很難發(fā)生溶蝕。所以馬五1+2亞段的儲(chǔ)層主要發(fā)育在含膏模孔的白云巖中。

馬五3+4亞段為薄—中層的白云巖、黏土質(zhì)白云巖和石膏的互層，黏土質(zhì)白云巖中由于黏土和白云石晶體間弱的結(jié)合力，導(dǎo)致溶解度增加。普遍發(fā)生原地垮塌、溶蝕，并發(fā)生近距離的搬運(yùn)，形成一套紊亂角礫巖，局部夾洞穴充填物。該套地層很難形成有效儲(chǔ)層。

馬五5亞段為白云巖，淡水垂向上經(jīng)過馬五5亞段以上，橫向上經(jīng)過長(zhǎng)距離的溶蝕后，對(duì)微—粉晶白云巖達(dá)到飽和；再加上馬五5亞段巖性本身致密，淡水難以對(duì)期進(jìn)行溶蝕，導(dǎo)致馬五5亞段成為斜坡古地貌的喀斯特底板。

4.3 洼地喀斯特特征

洼地古地貌不整合面下出露馬六段，局部低洼處直接出露馬五1亞段。洼地古地貌上的地下水既有垂向運(yùn)動(dòng)又有水平運(yùn)動(dòng)?？λ固鼗慕堑[以鑲嵌狀為主，局部可見少許紊亂角礫巖。地層完整，垮塌不明顯（圖5）。

圖5 富縣地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼古地貌洼地處巖溶特征剖面圖

馬六段巖性為泥晶灰?guī)r，巖性致密。由于處于垂直滲流帶，整個(gè)洼地內(nèi)的鉆井未在馬六段中鉆遇水平溶洞。從測(cè)井資料來看，垂直裂縫、高角度網(wǎng)狀縫發(fā)育，構(gòu)成地表水向下滲透的通道，但這些垂直裂隙在石炭紀(jì)海侵期，被本溪組泥質(zhì)沉積物充填，或在埋藏期被巨晶方解石充填。

馬五1+2亞段中的石膏結(jié)核被淡水溶蝕形成膏?？?，但絕大部分膏模孔在之后的淺埋藏階段被方解石充填。由于硬石膏遇水發(fā)生體積膨脹，石膏結(jié)核溶解過程中形成大量的網(wǎng)狀裂縫，部分小裂縫未被方解石充填，和未充填的膏模孔構(gòu)成有效儲(chǔ)集空間和滲流通道。

馬五3亞段中的石膏仍保存下來，地層被淡水改造的特征不明顯，說明在洼地古地貌上，淡水的影響深度僅到馬五3亞段。

從古地貌高地—斜坡—洼地的馬家溝組喀斯特剖面可以看出（圖6），喀斯特的底界在古地貌高地和斜坡處具有穿層性，喀斯特的底界從古地貌高地的馬五8亞段上升到斜坡部位的馬五4亞段；在古地貌洼地處，喀斯特的底界相對(duì)穩(wěn)定，保持在馬五3亞段內(nèi)。喀斯特化的底界海拔相對(duì)穩(wěn)定，在剖面上近似水平，向古地貌高地略有上翹。這一方面反映出不整合面的起伏并不大；另一方面說明研究區(qū)東部馬五3+4亞段中大量層狀石膏使下滲淡水趨于飽和。

圖6 富古3井—新富17井馬六—馬五段喀斯特剖面對(duì)比圖

5 結(jié)論

1）通過恢復(fù)不整合之下馬五5亞段標(biāo)志層的古構(gòu)造，疊加標(biāo)志層與不整合面之間的殘留地層厚度，可高精度恢復(fù)不整合面的古地貌。該方法避開了利用印模法進(jìn)行古地貌恢復(fù)時(shí)的去壓實(shí)校正。

2）富縣地區(qū)奧陶系不整合面古地貌自南西向北東，從高地、斜坡到洼地。高地出露地層老，最老可達(dá)馬五10亞段，地形坡度大；斜坡出露地層變新，主要出露馬五3—馬五1亞段，地層坡度變小，發(fā)育有6個(gè)殘丘、3條溝槽；洼地出露地層最新，以馬五1亞段和馬六為主，地形平緩。

3）古地貌高地上，地下水以垂直滲流為主，溶蝕特征不明顯，喀斯特深度暫不明確；古地貌斜坡上，地下水以水平潛流為主，溶蝕明顯，產(chǎn)層段馬五1+2亞段形成裂縫-鑲嵌角礫巖，喀斯特深度達(dá)馬五5亞段；古地貌洼地上，地下水既有垂直滲流，又有水平潛流?？λ固厣疃冗_(dá)馬五3亞段。

4）富縣地區(qū)上石炭統(tǒng)沉積前，高地出露面積小，大面積分布巖溶斜坡和洼地。地層傾角小，溝槽將斜坡和洼地切割成若干個(gè)殘丘，斜坡上的殘丘是最有利的勘探區(qū)域。