鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五4亚段沉积演化及岩相古地理
于洲1, 丁振纯1, 孙六一2, 马占荣2, 吴兴宁1, 董岩3
1 中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023
2 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710018
3 中国石油新疆油田公司重油开发公司,新疆克拉玛依 834000

第一作者简介 于洲,男,1986年生,工程师,2013年毕业于中国石油大学(北京)地质工程专业,获硕士学位,现主要从事碳酸盐岩沉积储集层研究工作。E-mail: yuz_hz@petroChina.com.cn

摘要

综合野外露头及钻井岩心、薄片观察,总结了鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五 4亚段沉积微相类型及纵向微相序结构类型。并选取膏盐岩累计厚度及膏盐岩累计厚度 /地层厚度等单因素,以单因素分析多因素综合作图法理论为指导,对马五43、马五42、马五41b、马五41a 4个小层进行深入研究。分析结果表明,马五 4亚段沉积时期处于一个干旱炎热、海平面相对较低的沉积环境,其内部存在隆洼相间的古沉积格局,从马五43沉积时期至马五41沉积时期,相对海平面逐渐上升,海水含盐度逐渐降低,这些是控制各小层沉积微相发育和空间分布的重要因素。

关键词: 沉积微相; 马家沟组; 奥陶系; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)06-0787-10
Sedimentary evolution and lithofacies palaeogeography of the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin
Yu Zhou1, Ding Zhenchun1, Sun Liuyi2, Ma Zhanrong2, Wu Xingning1, Dong Yan3
1 Hangzhou Research Institute of Geology,PetroChina,Hangzhou 310023,Zhejiang
2 Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xi'an 710018,Shaanxi
3 Heavy Oil Production Company,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Karamay 834000,Xinjiang

About the first author Yu Zhou,born in 1986, enigineer, graduated from China University of Petroleum(Beijing) in 2013. He is engaged in research of sedimentation & reservoir of carbonate rocks. E-mail: yuz_hz@petroChina.com.cn.

Abstract

Based on the analysis of outcrops,drilling core samples and thin sections,this paper summarized the sedimentary microfacies and its vertical sequence types of the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin. The palaeogeography of four periods which are M543,M542,M541b and M541a of Majiagou Formation is studied,mainly based on the parameters including the cumulative thickness of gypsum-salt rock and its ratio to the whole formation. The result shows that the study area is an arid environment with a low sea level during the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou depositional period. The sedimentary pattern was uplifts alternate with depressions. From the early to later,the relative sea-level gradually rose and the salinity reduced,which controlled the development and spatial distribution of sedimentary microfacies of these sub-members.

Key words: sedimentary microfacies; Majiagou Formation; Ordovician; Ordos Basin

鄂尔多斯盆地下古生界海相碳酸盐岩地层是天然气勘探的重点领域, 1998年陕参1井的成功勘探, 拉开了奥陶系马家沟组风化壳岩溶储集层的大规模勘探序幕。近年来, 靖边气田奥陶系岩溶风化壳储集层的东延西扩勘探结果表明, 靖边气田东、西两侧奥陶系马五4亚段岩溶风化壳储集层具有很大的勘探潜力, 是增储上产的重要层系。为此, 作者以大量钻井岩心、薄片观察为基础, 深入分析鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组马五4亚段沉积微相类型、特征及其与优质储集层的关系, 找出优质储集层发育的有利相带类型, 以期为岩溶风化壳储集层的东扩西延勘探决策提供基础依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地中东部指鄂尔多斯盆地中央古隆起以东的广大区域。该区域在奥陶纪是一个内部存在着洼地、而洼地周缘地势相对较高的碳酸盐岩台地。其北部与伊盟古陆相连, 中南部与庆阳古陆相连, 东部离石— 柳林一线存在一个水下隆起(冯增昭等, 1998; 侯方浩等, 2002; 黄建松等, 2005)。受上述盆地周缘古陆和水下隆起的控制和影响, 位于华北台地西缘的鄂尔多斯地区, 在奥陶纪马家沟期整体处于一个半封闭的陆表海沉积环境, 并经历了3次大型海进— 海退旋回, 沉积了6个岩性韵律层段。其中形成于海退期的马一、三、五段以白云岩、膏岩、盐岩沉积为主; 而形成于海进期的马二、四、六段以灰岩为主, 局部夹白云岩和膏质白云岩(冯增昭等, 1998; 侯方浩等, 2003; 李文厚等, 2012; 郭彦如等, 2012; 谢锦龙等, 2013)。

研究区在构造上属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡, 面积大约10.9× 104km2(图 1), 目的层马五4亚段位于马五段中上部, 总体为蒸发台地相带, 从下到上分为马五43、马五42、马五41b和马五41a。马五43小层以发育盐岩、膏岩、膏质白云岩和泥质白云岩为特征; 马五42、马五41b小层以发育膏岩、膏质白云岩和泥质白云岩为特征; 马五41a以发育含硬石膏结核泥粉晶白云岩、含膏白云岩为特征(图 2)。

图1 鄂尔多斯盆地中东部位置Fig.1 Location of central and eastern Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地陕2井马五4亚段综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Well Shan 2, Ordos Basin

2 沉积格局分析

位于华北台地的鄂尔多斯地区在奥陶纪马五4沉积时期发育了一套蒸发岩与碳酸盐岩交互出现的地层。前人对此展开了大量基础研究, 并取得了诸多认识:一是鄂尔多斯盆地在奥陶纪靠近赤道的中低纬度(3° ~30° )干旱气候带(王鸿祯等, 1990; 刘育燕等, 1993; 杨振宇等, 1997; 陈旭等, 2001; 胡彬等, 2013); 二是鄂尔多斯盆地受盆地周缘古陆或隆起与海平面相对下降的控制和影响, 在奥陶纪马五4沉积时期处于一个半封闭的陆表海沉积环境(冯增昭等, 1999a, 1999b; 侯方浩等, 2002; 包洪平等, 2004; 周进高等, 2011; 李文厚等, 2012), 并且东部存在一个米脂坳陷, 2个因素的叠加作用为鄂尔多斯盆地奥陶系马五4亚段蒸发岩的沉积创造了基础条件。但对马五4沉积时期盆地内部的古沉积格局及古沉积格局引起的差异性沉积研究较少。位于华北台地西缘的鄂尔多斯地区在奥陶纪是一个稳定的克拉通盆地, 其内部马五4亚段沉积的膏盐岩与沉积古格局密切相关, 在后期的构造运动的影响又较少较弱, 且现今构造下的地层中膏盐岩的厚度与原始沉积厚度基本对应(局部盐构造除外), 可近似反映沉积期初始沉积时次级构造隆起和洼地的分布, 膏岩、盐岩堆积区为洼地, 含膏云岩、含硬石膏结核白云岩堆积区为隆起带。为此, 作者以膏盐岩地层厚度图、膏盐岩厚度/地层厚度比值图等单因素分析多因素综合作图法理论为指导, 综合分析鄂尔多斯盆地中东部的古沉积格局, 以便为沉积微相的划分提供基础依据。

图3图4膏盐岩地层厚度图、膏盐岩厚度/地层厚度比值图可以看出, 鄂尔多斯盆地中东部内部在马五4亚段沉积时期总体表现为“ 东西两洼夹一隆” 的隆洼相间沉积古格局, 这与冯增昭等(1999a, 1999b)关于马家沟组上群沉积格局的成果认识较为相似。马五43沉积时期, 由于相对海平面下降较大, 盆地东部洼地地势相对较低, 见盐岩和膏岩同时沉积, 而西部洼地仅见膏岩沉积; 马五42和马五41b沉积时期, 与马五43相比, 沉积水体进一步加深, 海水盐度有所减小, 东、西2个洼地皆不再沉积盐岩, 且西部洼地膏岩厚度比东部膏岩厚度大; 而到马五41a沉积时期, 盆地内各井普遍发育含硬石膏结核溶模孔的泥粉晶白云岩, 仅在东部少数井马五41顶部可见含少量石膏, 故未做膏盐岩厚度与比值图。此外, 在各单层上膏盐岩厚度与岩石类型变化均体现了相似之处, 由内向外膏盐岩、白云质膏岩、膏质白云岩、含膏白云岩、泥质白云岩或含硬石膏结核泥粉晶白云岩依次过渡; 而在陕2井单井剖面上(图 2), 地层岩性由老到新则体现了泥质白云岩、膏岩、膏岩夹泥质白云岩、膏质白云岩、含硬石膏结核泥粉晶白云岩的总体变化趋势。这些现象反应了在马五4亚段, 盆地内平面上由洼地向周缘、纵向剖面上海水盐度值有逐渐减小的趋势, 这主要是由相对海平面上升, 盆地内与华北广海连通性增强, 有海水或淡水补给所致; 另外, 也反应了盆地的沉积中心发生了变化, 即东部膏盐岩洼地是马五43 (图 3)、马五41a沉积时期的地势最低洼地带; 而西部膏盐岩洼地是马五42 (图 4)、马五41b (图 5)沉积时期的地势最低洼地带。

图3 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五43小层膏盐岩地层厚度图Fig.3 Gypsum-salt isopach map of the 4th-3 sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五42小层膏盐岩地层厚度图Fig.4 Gypsum-salt isopach map of the 4th-2 sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五41b小层膏盐岩地层厚度图Fig.5 Gypsum-salt isopach map of the 4th-1b sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

3 岩相古地理特征
3.1 沉积微相类型及特征

碳酸盐岩微相的精细研究是岩相古地理编图的基础(包洪平和杨承运, 1999; 福里格, 2006)。依据单井测录井解释、钻井岩心观察和镜下铸体薄片鉴定等资料, 综合古沉积格局分析资料, 在鄂尔多斯盆地奥陶系马五4亚段内识别出以下5种沉积微相类型。

3.1.1 硬石膏结核白云岩坪

以灰黄色或褐灰色含硬石膏结核或石膏假晶的细粉晶白云岩为主要岩性, 呈中— 厚层状、常夹微粉晶白云岩或与之呈不等厚互层。硬石膏结核或石膏假晶大小通常为 1~5mm, 经大气淡水淋滤后可形成硬石膏结核溶模孔, 是鄂尔多斯盆地岩溶风化壳储集层的主要储集空间(图6-a, 6-b)。

图6 鄂尔多斯盆地奥陶系马五4亚段沉积微相特征Fig.6 Sedimentary microfacies characteristics of the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

3.1.2 含膏云坪和膏云坪

含膏云坪和膏云坪沉积岩性以薄— 中层状微晶白云岩、粉晶白云岩夹白云质硬石膏岩为主。硬石膏常呈纹层状、条带状、透镜状、串珠状集合体分布于白云岩中, 含量小于15%, 发育塑性变形层理。两类微相以石膏的15%含量为界, 小于15%为含膏白云岩坪(图 6-c), 而大于15%为膏质白云岩坪(图 6-d)。

3.1.3 膏盐岩洼地

地形上为低洼地带, 由于马五4亚期, 蒸发作用强烈, 在持续的海退过程中, 海水未能得到有效的补给, 海水盐度逐渐增加, 石膏或盐岩不断地从海水中析出并沉淀下来, 形成浅灰或灰白色盐岩、白云质膏岩和硬石膏岩等沉积物, 石膏呈条带状、云朵状、团块状分布, 易发生变形, 生物罕见, 其内部常含较多泥质条纹条带(图 6-e, 6-f), 其中盐岩仅在马五43小层分布。

3.1.4 泥云坪

泥云坪发育于较大相对海退期的水体最浅地带, 在地形上靠近盆地周缘古隆起, 泥质含量为15%~50%, 沉积岩性主要为浅褐灰色— 土黄色泥质白云岩及白云质泥岩, 并夹有少量泥岩、泥粉晶白云岩, 发育有泥质纹理, 其中局部泥粉晶白云岩中可见零星硬石膏结核。受后期岩溶作用的影响, 岩溶角砾发育, 由此伴生的网状裂缝极为发育, 裂缝中常见黄铁矿充填其中, 在马五43、马五42及马五41b小层均有分布。

3.2 沉积微相的相序结构

相序主要由环境和外营力作用的有序变化所造成, 是沉积相演化分析的手段之一, 通过微相序结构演化既能判断垂向上沉积水体的变化, 也可以从垂向上出现的沉积相序列来推断相邻地区横向上的类型和系列, 从而为油气勘探服务。为此, 作者以陕2井为例, 对马五4亚段内部沉积演化进行重点分析, 并在该井内识别出4种相序演化结构(图 7):SMFS-1下部为泥云坪, 沉积泥质白云岩等, 夹事件性沉积物— 黑色凝灰质泥岩薄层; 上部为含硬石膏结核白云坪, 沉积含硬石膏结核的泥粉晶白云岩(图7-A); SMFS-2下部为泥云坪, 沉积泥质白云岩等, 夹事件性沉积物— 黑色凝灰质泥岩薄层, 中部为含膏云坪, 上部为硬石膏岩, 为膏盐岩洼地沉积(图7-B); SMFS-3下部沉积硬石膏岩, 为膏盐岩洼地沉积, 中部沉积含硬石膏质白云岩; 上部沉积泥粉晶白云岩(图7-C); SMFS-4下部为含白云质硬石膏岩、为膏盐岩洼地沉积环境沉积; 上部为泥云坪, 沉积泥质白云岩(图7-D)。

图7 陕2井马五4亚段内部微相序结构类型Fig.7 Internal microfacies sequence types of the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Well Shan 2

3.3 岩相古地理特征

在综合考虑硬石膏结核分布范围、膏盐岩层厚度及膏(盐)/地比图等单因素分析多因素综合作图法来分析每一特定时期的沉积相(冯增昭, 2004), 并建立了相关的划分标准(表 1), 采用优势相原则综合表征马五43、马五42、马五41b和马五41a小层沉积微相的平面展布特征。

表1 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五4亚段平面沉积相划分依据 Table1 Classified evidence of sedimentary facies of the 4th sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

3.3.1 马五43小层

马五4亚段是继马家沟马五5沉积时期最大海侵之后的初始海退沉积, 而马五43小层形成于该沉积时期初始期, 也是该段内的最大海退期(图8), 其沉积格局呈内部多沉积中心外部环形分异, 在东部米脂— 清涧— 大宁一线为膏盐岩洼地沉积, 岩性以盐岩和膏岩为主; 而在西部洼地内存在陕66井区、陕441井区、陕112井区3个膏盐岩洼地沉积, 以膏岩为主, 而在这几个洼地外围依次为膏云坪、含膏云坪和泥云坪沉积。

图8 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五43小层岩相古地理Fig.8 Lithofacies palaeogeography of the 4th-3 sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

3.3.2 马五42小层

马五42基本继承了马五43的沉积格局, 仍然存在2个洼地, 但与马五43相比, 马五42沉积水体有所变深, 盐岩不再沉积; 此外, 盆地的沉积中心发生了迁移, 西部洼地的地势变为最低, 且东部洼地范围缩小, 西部洼地发生迁移。东部在米脂— 榆79井一带为膏盐岩洼地沉积; 西部在陕156— 陕24一线、陕3井区、陕465— 陕441一线为膏盐岩洼地沉积, 以膏岩为主, 而在这几个洼地外围依次为膏云坪、含膏云坪、泥云坪沉积(图 9)。

图9 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五42小层岩相古地理Fig.9 Lithofacies palaeogeography of the 4th-2 sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

3.3.3 马五41b小层

马五41b沉积时期的水体相对马五42又有所变浅, 但仍继承了前面2期沉积格局, 且与马五42沉积时期较为相似, 差别主要体现在膏盐岩洼地范围有所缩小, 而泥质白云岩的沉积范围在局部区域扩大。东部在米29井区、榆75井区为膏盐岩洼地沉积; 西部在陕156— 陕24井一线、榆37井区、陕295井区、陕124— 陕465— 陕441一线为膏盐岩洼地沉积, 以膏岩为主, 而在这几个洼地外围依次为膏云坪、含膏云坪、泥云坪沉积(图 10)。

图10 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五41b小层岩相古地理Fig.10 Lithofacies palaeogeography of the 4th-1b sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

3.3.4 马五41a小层

马五41a沉积时期, 沉积水体与沉积格局皆发生了变化, 此时的洼地效应不再明显。另外, 与马五43、马五42及马五41b沉积时期相比, 沉积水体加深, 为该段内的最小海退沉积时期。受两者的控制, 马五41a小层在全盆地范围内普遍发育岩性较纯的含硬石膏结核的泥粉晶白云岩, 仅在东部洼地个别井马五41a小层顶部见一薄层膏岩。沉积微相表现为单鲕同心环状分布的特点, 其中在米28井— 榆49井— 榆40井— 榆41井一带发育含膏云坪微相, 而其周围则发育硬石膏结核白云岩坪微相沉积, 不发育泥云坪(图 11)。

图11 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五41a小层岩相古地理Fig.11 Lithofacies palaeogeography of the 4th-1a sub-member of Member 5 of Majiagou Formation in Ordovician of central and eastern Ordos Basin

4 结论

1)鄂尔多斯盆地在奥陶系马五4沉积时期总体表现为“ 两洼夹一隆” 的隆洼相间古构造格局。其中, 东部膏盐洼地是马五43、马五41a沉积时期的地势最低洼地带; 而西部膏盐洼地是马五42、马五41b沉积时期的地势最低洼地带。

2)鄂尔多斯盆地中央古隆起东侧奥陶系马五4亚段从下往上总体上呈现出一个水体逐渐加深、海水含盐度逐渐降低的趋势。

3)鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五4亚段沉积物受水体升降变化和沉积古构造格局的共同控制。盐岩和硬石膏岩发育于相对低水位期, 且位于地势低洼地带; 而膏质白云岩、含膏白云岩、含硬石膏结核白云岩与泥质白云岩等沉积物则受盆地周缘海水或淡水补给的原因, 成环带状依次发育于盐岩、膏盐岩周围。

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