本溪组自下而上可分为湖田段、畔沟段和晋祠段(图 2)。湖田段为一套紫红色、褐红色含铁铝质岩层的泥岩、页岩, 由下部含“ 山西式” 铁矿的铝土矿层(图 3-a)、中部的“ 铝土矿” G层(图 3-b)及上部的灰色、深灰色泥岩、碳质泥岩(图 3-c)组成, 底部发育风化壳, 与下伏奥陶系呈不整合接触(图 3-d)。湖田段之上为畔沟段, 畔沟段底部为畔沟砂岩, 中上部为由粉砂质页岩、碳质页岩和砂岩组成的细碎屑岩(图 3-e), 常夹透镜状灰岩, 称为畔沟灰岩(张家沟灰岩)。

图 2

Fig.2

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	图 2 鄂尔多斯盆地本溪组岩性柱状图Fig.2 Lithological column of the Benxi Formation in Ordos Basin

图 3

Fig.3

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图 3 鄂尔多斯盆地及周缘地区本溪组露头及岩心照片 a— 灰白色层状铝土矿层, 夹褐灰色铁质结核(“ 山西式” 铁矿), 山西柳林成家庄剖面; b— 褐红色铝土矿层, 本溪组底部, 山西关家崖剖面; c— 泥岩、碳质页岩, 本溪组下部湖田段上部, 山西招贤水剖面; d— 马家沟组与本溪组角度不整合接触, 韩城西北城关镇竹园村; e— 畔沟段与其上的晋祠砂岩, 本溪组, 山西关家崖剖面; f— 含砾粗砂岩, 本溪组晋祠段底部, 山西关家崖剖面; g— 含砾石英粗砂岩, 本溪组晋祠段底部, 韩城下峪口; h— 晋祠砂岩, 板状交错层理, 本溪组, 孤1井; i— 本溪组8#煤与太原组桥头砂岩的接触关系, 山西桥头剖面Fig.3 Photographs of cores and outcrops of the Benxi Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

本溪组上部的晋祠段底部为一套厚层灰白、灰绿及灰褐色石英砂岩, 即晋祠砂岩, 以中— 粗粒砂岩为主(图 3-f), 部分地区为含砾石英粗砂岩(图 3-g), 可见板状交错层理(图 3-h); 中上部为粉砂质页岩、碳质页岩、砂岩、灰岩和煤层, 其中灰岩即为吴家峪灰岩, 也称为扒楼沟灰岩, 为深灰色具透镜状及脉状层理的泥晶生物碎屑灰岩, 含丰富的䗴类、腕足类等海相动物化石。在保德、柳林一带较发育, 一般1~2层, 厚度1~2 m, 有时可达5 m。由柳林— 乡宁一线向西、向南逐渐变薄或相变为钙质泥岩; 煤层主要有8^#煤、9^#煤, 8^#煤层分布稳定(图 3-i), 是良好的标志层(刘春雷, 2012; 高志东, 2019; 刘新昕, 2019)。

其中晋祠砂岩以粗砂岩、中砂岩为主, 粗砂岩、中砂岩占砂岩总含量分别大约为40%、48%; 其次为细砂岩, 占砂岩总含量大约为12%; 几乎不发育粉砂岩。主要岩石类型为石英砂岩(图 4)、岩屑石英砂岩, 石英砂岩和岩屑石英砂岩占砂岩总量分别大约为94.1%、5.8%; 极少量岩屑砂岩及长石石英砂岩, 二者占砂岩总量的0.1%。碎屑成分以石英为主, 占碎屑成分总量的94.7%; 其次为岩屑, 占碎屑成分总量的5.2%; 长石含量极少, 占碎屑成分总量的0.1%。另外, 含有少量的云母和燧石。岩屑以火成岩岩屑、变质岩岩屑为主, 分别占岩屑总量的46.8%、45.3%; 其次为沉积岩岩屑, 占岩屑总量的7.8%。填隙物中杂基以泥质为主, 远小于胶结物含量。胶结物类型以高岭石(平均4.9%)、硅质(平均3.9%)、菱镁矿(平均1.9%)、铁白云石(平均1.3%)、黄铁矿(平均0.7%)和白云石(平均0.4%)为主。

图 4

Fig.4

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	图 4 鄂尔多斯盆地及周缘地区本溪组晋祠段石英砂岩显微照片 a— 粗粒石英砂岩, 府1井, 2156.21~2156.27 m(-); b— 中粗粒石英砂岩, 本溪组晋祠段, 关家崖剖面(+)Fig.4 Quartz sandstone microphotographs of Jinci segment in the Benxi Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

盆地西缘的羊虎沟组厚度变化较大, 多为0~600 m, 在乌达— 雀儿沟地区可达600 m以上, 在葫芦斯台、石炭井一带厚约530 m, 沙巴台一带厚280 m, 在苏峪口厚102 m, 卡布其、千里山一带仅有几米厚。羊虎沟组下部岩性主要为质纯的石英细砾岩— 粗砂岩— 中砂岩, 发育板状交错层理(图 5-a, 5-b), 底部为褐红色含大量铁质的风化壳, 不整合于寒武系页岩之上(图 5-c, 5-d)。

图 5

Fig.5

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	图 5 鄂尔多斯盆地西缘葫芦斯台剖面羊虎沟组野外照片 a— 石英细砾岩— 粗砂岩中的板状交错层理; b— 石英粗砂岩— 中砂岩中的板状交错层理; c, d— 羊虎沟组质纯的石英砂岩与寒武系页岩之间发育的风化壳; e— 薄层粉砂质页岩; f— 冲洗层理; g— 羽状交错层理; h— 第4套砂岩中的波痕; i— 羊虎沟组上部的碳质泥岩夹煤线, 含大量石膏; j— 羊虎沟组上部含大量石膏(白色不规则状的团块); k— 羊虎沟组顶部灰岩中的珊瑚化石(照片中的白色圆圈处)及大量生物化石碎片; l— 羊虎沟组顶部灰岩中的腕足类化石(照片中的白色圆圈处)及大量生物化石碎片Fig.5 Photographs from outcrops of the Yanghugou Formation in Hulusitai section in west adjacent areas of Ordos Basin

中上部为多层薄层状砂岩夹碳质页岩层(图 5-e), 从下往上, 砂岩层厚度增大, 逐渐由细砂岩变为粗砂岩。在葫芦斯台剖面中, 羊虎沟组中部可见多套砂岩层, 其中第3套和第4套砂岩中发育冲洗层理(图 5-f)和羽状交错层理(图 5-g)及波痕(图 5-h), 羊虎沟组上部为碳质泥岩夹煤线(图 5-i), 含大量石膏(图 5-j), 顶部厚约1.7 m的灰岩中含大量生物化石碎片(图 5-k, 5-l), 反映了其为陆表海环境下的潮坪沉积。

扇三角洲主要分布于研究区北部, 可进一步分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲3种亚相。

3.1.1 扇三角洲平原

扇三角洲平原亚相主要由分流河道与漫滩沼泽等微相组成(表 1)。岩性主要为混杂砾岩、砂砾岩、中— 细砂岩夹灰黑色、灰色和杂色泥岩、煤层或煤线。常见平行层理、块状层理或递变层理。黑岱沟本溪组发育扇三角洲平原亚相(图 6), 其中下部为分流河道间微相, 发育铝土质泥岩; 中部发育灰色、深灰色泥岩, 夹煤层, 平行层理非常发育, 具备典型扇三角洲平原漫滩沼泽微相沉积特征; 上部发育分流河道微相, 岩性为中砂岩、粗砂岩, 夹薄层泥岩。榆72井本溪组上部为扇三角洲平原亚相, 其中碳质泥岩、粉砂质泥岩和煤层发育于漫滩沼泽微相。

3.1.2 扇三角洲前缘

扇三角洲前缘亚相岩性主要为灰色、灰白色厚层含砾砂岩、砂砾岩和砂岩, 夹灰色、灰黑色泥岩、碳质泥岩、薄层粉砂岩和泥质灰岩, 偶见煤层或煤线。主要由水下分流河道、水下分流河道间、河口坝和前缘席状砂等沉积微相组成(表 1)。其中水下分流河道微相常发育交错层理、平行层理、粒序层理及透镜状层理, 粒序层理以正粒序为主。水下分流河道间微相发育波纹层理、水平层理和斜层理, 见透镜状砂体。河口坝微相常成底平顶凸透镜状, 发育反粒序层理。前缘席状砂微相发育于水下分流河道末端, 碎屑物质呈扇形展布, 构成席状砂主体。苏26井本溪组岩性为含砾粉砂岩和泥岩互层, 夹煤线, 为扇三角洲前缘亚相(图 6, 图7, 图8), 由水下分流河道间和水下分流河道等微相组成。榆72井本溪组本1段上部为扇三角洲前缘亚相, 粗粒石英砂岩夹泥质灰岩发育于河口坝微相, 粉砂质泥岩发育水下分流河道间微相。

3.1.3 前扇三角洲

前扇三角洲亚相主要由深灰色、灰黑色泥岩与薄层细砂岩、粉砂岩组成互层状, 水平层理、波状层理发育。统27井本溪组下部岩性主要为深灰色泥岩, 水平层理、波状层理发育, 沉积环境为前三角洲亚相(图 6, 图7, 图8)。由于研究区当时海水极浅, 在潮汐的作用下, 该微相与潮坪相常常不易区别。

障壁岛为海浪造成的平行海岸分布的长条形沙坝, 其内侧为半封闭的潟湖, 二者往往相伴生。

3.2.1 障壁岛

岩性主要为灰白色、浅灰色细砂岩, 其次为中砂岩、粗砂岩及可含少量砾的粗砂岩。发育浪成波痕、波状层理、沙纹层理、低角度交错层理和粒序层理, 粒序层理往往为逆粒序。如延223井(图 9-a)、蒲1井、榆6井等井本溪组发育障壁岛沉积, 岩性主要是灰白色细粒石英砂岩, 成分以石英为主, 长石次之, 含少量暗色矿物及白云母碎片, 颗粒次圆状, 分选中等— 好, 具明显的逆粒序。

图 9

Fig.9

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	图 9 延安地区本溪组障壁海岸沉积岩心照片 a— 灰白色细粒石英砂岩, 障壁岛沉积, 本溪组, 延223井, 2453.01 m; b— 碳质泥岩, 水平层理, 潟湖沉积, 本溪组, 延107井, 2633.5~2639 m; c— 灰岩, 缝合线构造, 潮坪沉积, 本溪组, 延137井, 2962 mFig.9 Photographs of cores of barrier coastal sediments of the Benxi Formation in Yan’ an area

3.2.2 潟湖

岩性主要为灰黑色、深灰色泥岩、碳质泥岩和煤层, 其次为薄层粉砂岩、泥质粉砂岩或细砂岩, 偶夹薄层灰岩。可见水平层理(图 9-b)、透镜状层理、小型交错层理等。

障壁岛与潟湖密切共生, 构成一个统一的沉积体系。如鸳探1井羊虎沟组主要发育潟湖、障壁岛等沉积相, 在剖面上表现为障壁岛、潟湖相互叠置发育(图 6, 图7)。

上石炭系统本溪组(羊虎沟组)潮坪沉积非常发育, 尤其是碎屑岩潮坪分布范围广泛, 碳酸盐岩相对局限。

3.3.1 碎屑岩潮坪

研究区碎屑岩潮坪亚相最为发育, 可分为砂坪、泥坪、混合坪和潮沟等4种沉积微相。

其中砂坪微相岩性主要为灰白色、浅灰色含砾砂岩、细砂岩和粉砂岩。常见羽状交错层理, 还可见沙纹层理、板状交错层理(图 5-a, 5-b)。

泥坪微相以泥岩、粉砂质泥岩和页岩为主, 夹薄层粉砂岩、细砂岩。发育水平层理、羽状交错层理, 含植物化石碎片, 向上过渡为煤层。

混合坪微相下部为深灰色泥岩、泥质粉砂岩与粉砂岩、细砂岩互层, 向上过渡为黑色泥岩、煤层, 偶夹泥质灰岩。常见压扁层理、波状层理和羽状状层理。葫芦斯台剖面羊虎沟组中上部岩性主要为厚层泥岩、页岩夹薄层砂岩, 砂岩中常发育冲洗层理、羽状交错层理和波痕(图 5-f, 5-g, 5-h), 属混合坪沉积微相。

潮沟微相岩性主要为细— 粗粒石英砂岩, 常见羽状交错层理, 砂体成透镜状, 底部见冲刷面。

砂坪、泥坪、混合坪和潮沟等4种沉积微相往往相互叠置发育。如宜探1井本溪组岩性主要为灰色、灰白色中砂岩和深灰色、灰黑色泥岩, 由砂坪和泥坪2种微相组成。

3.3.2 碳酸盐岩潮坪

碳酸盐岩潮坪岩性以深灰色泥质灰岩为主, 夹薄层泥岩或煤层, 常见䗴类、腕足类及棘皮类等古生物化石。发育波状层理、干裂、鸟眼、缝合线等沉积构造(图 9-c)。

浅海陆棚相以泥质陆棚亚相为主, 其次为碳酸盐岩陆棚亚相。泥质陆棚亚相岩性主要为深灰— 灰黑色泥岩, 其次为粉砂岩和砂岩, 其中泥岩主要发育水平层理, 往往见生物扰动现象。碳酸盐岩陆棚亚相岩性主要为生物碎屑灰岩、生物泥晶灰岩及泥灰岩, 生物化石丰富。如榆60井本溪组浅海陆棚相比较发育, 可见泥质陆棚和碳酸盐岩陆棚2种亚相(图 6, 图7)。宜探1井主要发育泥质陆棚亚相(图 6, 图 8)。受海平面升降的影响, 浅海陆棚相有时与障壁岛相共生。