太原组为庙沟灰岩底部至山西组北岔沟砂岩底面之间的所有岩层, 自下而上可划分为太2段和太1段, 主要地层及标志层有庙沟灰岩、毛儿沟灰岩、7号煤层、斜道灰岩和东大窑灰岩(图 2)。太原组沉积期, 华北海及祁连海连通, 形成统一的滨浅海沉积, 主要发育浅海陆棚沉积、海岸沉积, 在北部近物源区发育冲积扇沉积和三角洲沉积。

图 2

Fig.2

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	图 2 鄂尔多斯盆地及周缘地区下二叠统山西组和太原组地层划分Fig.2 Stratigraphic division of the Shanxi and Taiyuan Forma tions of lower Permian in Ordos Basin and its adjacent areas

2.1.1 浅海陆棚沉积

下二叠统太原组碳酸盐陆棚沉积厚度一般在10~20 m之间, 横向分布较稳定。以发育水平层理、小型交错层理和对称型浪成波痕为主, 海相生物发育, 保存完整, 有时可富集成生物礁或介壳层, 生物潜穴和扰动构造非常发育。自下而上主要发育庙沟、毛儿沟、斜道及东大窑4套灰岩(图 3-A), 岩性主要为生物碎屑灰岩和泥晶灰岩。庙沟灰岩底部存在黄色古土壤(图 3-B), 说明曾经出现过短暂沉积间断, 从区域上来看, 本次沉积间断对古地形造成了一定差异, 并且沉积分异作用在定边— 庆阳一线东西两侧体现比较明显。庙沟灰岩中富含硅质层和硅质团块(图 3-C), 毛儿沟灰岩中可见煤线和泥质夹层(图 3-D), 斜道灰岩常见粒屑灰岩, 具风暴沉积特征(图 3-E), 与东大窑灰岩之间发育泥岩夹层(图 3-F)。

图 3

Fig.3

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	图 3 鄂尔多斯盆地柳林成家庄剖面太原组陆棚沉积相特征 A— 太原组的4套灰岩, 自下向上为庙沟灰岩, 毛儿沟灰岩, 斜道灰岩和东太窑灰岩; B— 庙沟灰岩底部的黄色古土壤, 厚度4~5 cm, 局部可见; C— 庙沟灰岩中硅质团块和硅质层, 硅质团块位于硅质层之下, 顺层分布; D— 毛儿沟灰岩中煤线和泥质夹层, 泥质夹层厚30 cm左右, 分布十分稳定, 延伸远; E— 斜道灰岩中见粒屑灰岩, 发育丘状交错层理, 具风暴沉积特征; F— 斜道灰岩与东大窑灰岩分界泥岩夹层, 分布稳定, 延伸远Fig.3 Characteristics of continental shelf sedimentary facies of the Taiyuan Formation of Chengjiazhuang section, Liulin in Ordos Basin

2.1.2 海岸沉积

太原组以障壁海岸沉积为主, 障壁岛是由海浪造成的平行海岸分布的长条形沙坝, 外侧为广海, 内侧与大陆之间有潟湖相隔, 并对潟湖和潮坪起着天然屏障作用, 形成半封闭的潟湖。所以障壁岛与潟湖和潮坪密切共生, 构成一个统一的沉积相。而在漫长的地质年代中, 障壁岛随海平面的升降而往返迁移摆动, 在垂向剖面上, 形成障壁岛与潟湖和潮坪相互叠置、密切共生的演化序列(图 4-A— 4-E)。

图 4

Fig.4

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	图 4 鄂尔多斯盆地及周缘地区太原组障壁海岸沉积序列 A— 天深1井障壁岛— 潟湖沉积序列; B— 庆深2井障壁岛— 潟湖— 潮坪沉积序列; C— 镇探1井障壁岛— 潟湖— 潮坪沉积序列; D— 环14井障壁岛— 潟湖沉积序列; E— 苦深1井障壁岛— 潮坪沉积序列; F— 卡布其剖面潮坪沉积序列; G— 富古3井潮坪沉积序列; H— 富古1井碳酸盐潮坪序列; I— 卡布其剖面潮道沉积序列Fig.4 Sedimentary sequence of barrier coastal of the Taiyuan Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

(1)障壁岛

主要为灰白色、浅灰色细砂岩, 中砂岩、粗砂岩次之, 可含少量含砾粗砂岩或细砾岩, 成分以石英为主, 矿物成熟度和结构成熟度均很高, 砂岩发育板状交错层理、浪成波痕、波状层理、沙纹层理及低角度交错层理(图 5-A, 5-B, 5-C)。

图 5

Fig.5

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	图 5 鄂尔多斯盆地及周缘地区太原组障壁海岸沉积相特征 A— 葫芦斯台剖面砂坪沉积之上的障壁岛沉积; B— 葫芦斯台剖面障壁岛沉积细砾岩; C— 棋盘井剖面障壁岛沉积浪成波痕; D— 葫芦斯台剖面砂坪沉积交错层理; E— 沙巴台剖面砂坪沉积; F— 棋盘井剖面潮坪沉积; G— 沙巴台剖面混合坪沉积; H— 千里山剖面潮道滞留沉积; I— 葫芦斯台剖面潮道沉积双向层理Fig.5 Characteristics of barrier coastal sedimentary facies of the Taiyuan Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

(2)潟湖

潟湖与浅海陆棚以障壁岛相隔, 又常以潮道与浅海陆棚相连。沉积物以灰黑色、深灰色泥岩、碳质泥岩和煤层为主, 夹少量薄层粉砂岩、泥质粉砂岩或细砂岩, 局部地区夹有薄层灰岩。主要发育水平层理、透镜状层理、小型交错层理等。潟湖沉积因其总的岩石类型以泥质岩为主, 故测井曲线总体以低幅值为主, 但在薄层砂岩、煤层等井段自然伽马值表现为中、高幅值的峰状, 尤其在灰岩层段自然伽马曲线呈现高幅值峰状。在太原组沉积期该沉积主要分布于研究区西部石沟驿— 环县一带和中东部延安— 河津一带以西地区。山西组沉积期潟湖沉积主要沿研究区东南缘, 呈较宽的带状分布。

(3)潮坪

潮坪沉积分布面积较广, 由于受海侵范围和方向的控制, 该时期研究区环县以南以碳酸盐潮坪为主, 北部则为碎屑岩潮坪和碳酸盐潮坪的混合沉积。

1)碎屑岩潮坪。按其沉积特征又可划分为砂坪、泥坪和混合坪等3种微相。砂坪沉积由灰白色细砂岩、含砾不等粒砂岩和浅灰色粉砂岩等组成, 砂岩具有潮汐作用造成的双向交错层沉积构造, 此外还发育沙纹层理和板状收敛交错层理(图 5-D, 5-E)。砂坪沉积略显正粒序, 自然伽马曲线多呈中、高幅值的箱状, 或齿状钟型, 薄层砂岩段自然伽马呈指状。泥坪沉积主要由泥岩、粉砂质泥岩和页岩组成, 夹薄层细砂岩和灰岩, 发育水平层理、透镜状潮汐层理(图 5-F), 自然伽马曲线为低幅值齿状, 但在薄层的砂岩或灰岩段以及煤层等, 自然伽马则呈现高幅值尖峰状。混合坪沉积物主要为一套深灰色泥岩、泥质粉砂岩与粉砂岩、细砂岩的薄互层(图 5-G), 沉积构造有压扁层理、波状层理和透镜状层理等潮汐层理, 自然伽马曲线幅值变化较大(图 4-G)。

2)碳酸盐潮坪。沉积物为灰色、深灰色灰岩、泥灰岩, 并夹有薄层泥岩或煤层, 沉积构造以波状构造、褶皱纹理、干裂、鸟眼构造常见, 灰岩、泥灰岩段自然伽马曲线多为高幅值箱型或齿状箱型, 在泥岩薄层或泥质粉砂岩段伽马曲线多呈低幅值齿状或峰状(图 4-H)。

3)潮道及潮汐三角洲。潮道是潟湖与开阔海域进行水体交换及潟湖中涨潮流和退潮流的主要通道。主潮道沉积主要由潮汐流的侧向迁移作用形成, 垂向上底部在侵蚀面之上充填滞留砾石沉积, 其上为具小型双向交错层理至大型板状交错层理或槽状交错层理的砂质沉积物(图 5-H, 5-I)。潮道的充填序列自下而上通常为: 基底冲刷面— 滞留沉积— 双向交错层理、板状交错层理砂岩— 平行纹层或低角度交错纹层砂岩, 呈现粒度向上变细、层系厚度向上变小的趋势, 再往上为潮坪砂泥质和潟湖— 泥质沉积(图 4-I)。潮汐三角洲为障壁— 潟湖沉积相中重要的沉积环境单元。在断面上它呈现出三角洲型透镜体的几何形态, 其周围的环境是潟湖和潮坪。其垂向自下而上为: 砂泥混合坪、沙坝、潮道、潮坪沼泽或混合坪或泥坪, 即向上变粗又变细的粒序变化。

2.1.3 冲积扇沉积

太原组冲积扇主要发育在盆地北部近物源区, 可划分为3个亚相, 分别为扇根、扇中和扇端。扇根主要为砾岩, 可见叠瓦状构造, 扇中以砂砾岩为主, 沉积构造以叠瓦状、大型板状交错层理为主, 扇端岩性和沉积构造类型多, 为含砾砂岩、砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩以及砂质泥岩, 常见板状交错层理、平行层理、水平层理和块状层理等。

2.1.4 三角洲沉积

太原组三角洲沉积主要发育在盆地北部近物源区, 是在广阔陆表海浅水背景下发育起来的, 常常受波浪及潮汐作用的影响, 进一步划分为三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲亚相。在盆地西北缘发育扇三角洲沉积, 扇三角洲平原由辫状分流河道和漫洪沉积构成, 辫状分流河道主要为混杂砾岩、砂砾岩、中— 粗砂岩(图 6-A; 图 7-A, 7-B), 漫洪沉积由泛滥平原和沼泽等构成, 岩性主要为砾岩、砂砾岩、中— 细砂岩夹灰黑色、灰色和杂色泥岩及煤层或煤线(图 6-B)。盆地北部发育三角洲沉积, 三角洲平原沉积由分流河道砂砾岩、河道间泥岩和泥炭沼泽煤层等组成(图 6-C, 图 7-C), 分流河道砂岩和河道间泥质沉积在纵向上交替出现, 呈多个旋回(图 6-D), 河道下切明显(图 6-E), 分流河道主要为含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩, 底部常见滞留沉积砾岩, 单个河道呈下粗上细的正粒序(图 6-F), 砂岩中发育大型槽状和板状交错层理(图 6-G), 顶面可见泥裂等暴露沉积标志(图 6-H)。三角洲前缘由水下分流河道、分流间湾和席状砂等微相组成, 水下分流河道以含砾砂岩和粗砂岩为主, 砂层单层厚度一般1.5~2.5 m, 多期河道互相切割叠置, 累计厚度达6~10 m(图 6-I), 砂岩中常见大型板状、槽状交错层理, 也可见楔状交错层理(图 6-J)。由于三角洲的进积作用, 后期陆源粗碎屑常覆盖于前期细粒沉积之上, 垂向上形成向上变粗的反粒序(图 6-K), 受潮汐的影响可以明显见到三角洲前缘砂体直接发育在潮坪之上(图 6-L)。

图 6

Fig.6

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图 6 鄂尔多斯盆地及周缘地区太原组冲积扇与三角洲沉积相特征 A— 葫芦斯台剖面扇三角洲辫状水道沉积; B— 葫芦斯台剖面扇三角洲沼泽沉积; C— 黑岱沟剖面8#煤之上桥头砂岩; D— 黑岱沟剖面七里沟中细粒砂岩多个旋回; E— 黑岱沟剖面桥头砂岩下切分流河道; F— 黑岱沟剖面砾岩— 细砂岩— 粉砂岩正粒序; G— 梁家碛剖面七里沟砂岩槽状、板状交错层理; H— 梁家碛剖面七里沟砂岩顶面泥裂; I— 保德桥头剖面多期透镜体叠置的桥头砂岩、下部泥坪碳质泥岩; J— 红土沟剖面桥头砂岩楔状层理; K— 红土沟剖面七里沟砂岩三角洲沉积反粒序; L— 黑岱沟剖面潮坪— 三角洲沉积反粒序Fig.6 Sedimentary characteristics of alluvial fan and delta of the Taiyuan Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

图 7

Fig.7

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	图 7 鄂尔多斯盆地及周缘地区太原组和山西组沉积特征 A— 葫芦斯台剖面沉积序列; B— 宁夏沙巴台剖面沉积序列; C— 伊6井太原组三角洲微相及垂向相序特征; D— 盟2井山西组扇中沉积及垂向相序特征; E— 伊23井山西组扇中沉积及垂向相序特征; F— 伊17井山西组扇端沉积及垂向相序Fig.7 Sedimentary characteristics of the Taiyuan and Shanxi Formations in Ordos Basin and its adjacent areas

山西组为北岔沟砂岩底部至下石盒子组骆驼脖子砂岩底面之间的所有岩层(图 2), 依据岩性组合、沉积旋回及含煤性自下而上分为山2段和山1段。早二叠晚期, 受海西构造运动的影响, 盆地北部抬升显著, 海水向东南方向退出, 盆地经历了由海相到陆相的转变, 进入了近海内陆坳陷的全新演化阶段, 山西期研究区以陆相沉积为主, 由北而南发育冲积扇、河流、三角洲和浅湖沉积, 在东南部发育海相沉积, 主要为障壁海岸的潟湖沉积, 局部发育障壁沙坝。

2.2.1 冲积扇沉积

山西组冲积扇沉积在盆地北部伊盟隆起一带发育良好, 可划分为扇根、扇中和扇端3个亚相。扇根主要为砾岩, 常呈正韵律组合, 具叠瓦状组构; 扇中主要为具叠瓦状组构的砾岩和具大型板状交错层理和平行层理的砂砾岩; 扇端主要为具冲刷— 充填构造的含砾砂岩、具平行层理、板状交错层理的砂岩、水平层理的粉砂岩和块状层理的粉砂质泥岩及砂质泥岩。早二叠世的冲积扇为潮湿气候条件下发育的, 以扇中亚相主, 扇中位于冲积扇的中部, 具有中到较低的沉积坡角, 主要发育有辫状水道、水道间微相, 有时发育沼泽微相(图 7-C, 7-D)。扇端一般具较低的沉积坡角, 主要可分为辫状水道、漫流、水道间及沼泽等微相(图 7-F)。

2.2.2 河流沉积

山西组河流沉积主要发育在盆地北部, 按河道沉积物沉积结构、构造、垂向序列和平面形态等特征, 可分为辫状河和曲流河。辫状河通常发育在地形梯度相对较大的山前冲积平原上, 辫状河河道沉积物粒级较粗, 砂、砾含量较高, 略显正旋回。从千里山剖面山西组沉积序列可以看出, 该段以辫状河沉积为主, 河道沙坝明显发育, 而泛滥平原沉积发育相对较弱(图 8-A), 垂向上砂体由多个沉积正旋回反复叠置而成, 且依次发育底部滞留沉积、粒序层、槽状、板状交错层理、平行层理(图 9-A, 9-B)。

图 8

Fig.8

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	图 8 鄂尔多斯盆地及周缘地区山西组河流— 三角洲— 湖泊沉积特征 A— 千里山剖面垂向相序特征; B— 卡布其剖面山2段曲流河沉积序列; C— 平凉二道沟剖面山西组曲流河沉积垂向相序特征; D— 榆24井山23三角洲平原沉积岩电特征图; E— 芦参1井山西组三角洲前缘沉积岩电特征图; F— 定探1井浅湖沉积岩电特征图Fig.8 Sedimentary characteristics of the fluvial-delta-lacustrine of the Shanxi Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

图 9

Fig.9

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图 9 鄂尔多斯盆地及周缘地区山西组沉积特征 A— 千里山剖面辫状河河道沉积; B— 千里山剖面辫状河道含砾砂岩; C— 葫芦斯台剖面河道砂岩, 板状交错层理; D— 棋盘井剖面多期河道叠置块状砂体; E— 二道沟剖面曲流河河道沙坝、平行层理; F— 沙巴台剖面曲流河多期河道叠置块状砂体; G— 葫芦斯台剖面河漫滩沉积; H— 保德桥头剖面山1底砂岩多期叠置互相切割; I— 梁家碛剖面山23底砂岩3个旋回, 底部砾状砂岩、中间砾岩、上部含砾粗砂岩; J— 保德桥头剖面山22板状交错层理; K— 扒楼沟剖面山1深灰色泥岩; L— 柳林成家庄剖面山23多个单砂体厚切割叠置; M— 柳林成家庄剖面山23泥岩夹层中水平层理; N— 武乡温庄剖面灰黑色碳质泥岩夹薄层粉砂岩; O— 乡宁台头镇剖面腕足类化石Fig.9 Sedimentary characteristics of the Shanxi Formation in Ordos Basin and its adjacent areas

山西组沉积期, 研究区地形较平缓, 曲流河分布范围较广, 河道沉积与河漫滩沉积相当, 具明显的正粒序及二元结构(图 8-B, 8-C)。下部河道沙坝沉积岩石类型主要为中细粒砂岩, 以发育正粒序层理以及底部的强烈冲刷面为特征, 多期河道叠置呈厚砂岩, 发育槽状、板状交错层理和平行层理等(图 9-C, 9-D, 9-E, 9-F)。上部河漫滩沉积岩石类型主要包括泥岩、砂质泥岩以及泥质粉砂岩, 岩石主要发育水平层理和沙纹层理(图 9-G)。

2.2.3 三角洲沉积

三角洲沉积在山西组广泛发育, 可划分为三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲亚相。三角洲平原亚相主要由分流河道、泥炭沼泽和河道间等微相组成(图 8-D)。分流河道微相构成三角洲平原的骨架砂体, 单个分流河道砂体一般呈顶平底凸的透镜体, 常由于河道的垂向叠加形成巨厚的砂层(图 9-H), 其底部具冲刷面, 内部具向上变细的沉积序列, 底部常含砾石或泥砾, 向上变为细砂岩(图 9-I), 常发育板状和槽状交错层理(图 9-J)。河道间和沼泽微相沉积较发育, 以深灰色泥岩为主, 砂质泥岩、灰黑色碳质泥岩和煤层次之(图 9-K), 泥岩大多质较纯, 性硬、脆, 吸水性、可塑性差, 富含碳化植物碎片。

三角洲前缘亚相是三角洲沉积的主体部分, 主要由水下分流河道、分流间湾等沉积微相组成, 由于水下分流河道的改道和不同期次沉积的叠加, 分流间湾沉积在单井剖面上与水下分流河道密切共生, 反复叠置(图 8-E)。水下分流河道岩性主要为含砾中砂岩、细砂岩, 单个水下分流河道砂体一般呈顶平底凸的透镜体, 纵向上是一个向上变细变浅的沉积序列, 底部发育冲刷面, 沉积构造常见板状交错层、槽状交错层和平行层理等, 多个水下分流河道互相切割叠置成厚砂体(图 9-L)。分流间湾岩性主要由粉砂质泥岩和泥岩组成, 发育水平层理和沙纹交错层理(图 9-M)。

2.2.4 湖泊沉积

山西组湖泊沉积主要发育浅湖沉积, 岩性主要为深灰色、灰黑色泥岩夹灰色、灰绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与细砂岩(图 8-F)。

2.2.5 海岸沉积

山西组海相沉积以障壁海岸沉积为主, 主要为潟湖沉积, 局部见砂坝沉积。其中潟湖沉积以灰黑色、深灰色泥岩、碳质泥岩和煤层为主, 夹少量薄层粉砂岩或泥质粉砂岩, 局部地区夹有薄层灰岩, 含腕足类化石(图 9-N, 9-O)。

太原组沉积时期, 海水从盆地东、西两侧向盆地中部大规模侵入, 中央古隆起被淹没于水下, 盆地整体以海相沉积为主。以银川北部— 榆林北部— 五台北部一线为界, 盆地南部为大范围海相沉积, 盆地西部和东部分别为滨浅海沉积和浅海陆棚沉积, 中部以海岸沉积相的潟湖沉积和潮坪沉积为主, 其中向环县一线以及延安一线地区逐渐演变为潟湖沉积, 再往鄂托克前旗— 靖边— 富平北部一线演变为潮坪沉积, 在滨浅海沉积和潟湖沉积之间以及浅海陆棚与潟湖之间发育孤立状分布的海岸沉积中的障壁岛。该时期, 盆地西北缘近物源区的乌达地区发育冲积扇沉积, 由于野外露头中未见河流沉积特征, 因此向南至石嘴山地区演变为扇三角洲沉积。而盆地北部杭锦旗一线至神木北部地区以三角洲平原沉积为主, 神木以南至榆林以北地区主要发育三角洲前缘沉积(图 10-A)。

图 10

Fig.10

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	图 10 鄂尔多斯盆地及周缘地区太原组(A)和山西组(B)沉积模式Fig.10 Sedimetary patterns of the Taiyuan(A) and Shanxi(B) Formations of Ordos Basin and its adjacent areas

山西组沉积时期, 盆地内同时接受来自北部和南部的物源供给(李树霞等, 2017)。构造抬升运动使得盆地北部明显隆起, 物源供应充足, 海水从盆地东南部大规模退却, 盆地整体进入了海陆过渡沉积时期, 盆地北部广大地区以河流沉积和三角洲沉积为主, 南部为浅湖沉积和潟湖沉积。该时期, 冲积扇沉积分布于盆地北部乌达— 鄂尔多斯一线, 向南至靖边一带, 依次发育辫状河沉积和曲流河沉积, 靖边以南至同心— 延安— 河津— 武乡一线以北地区, 演变为三角洲平原沉积, 再向南至庆阳以北地区, 主要为三角洲前缘沉积, 浅湖沉积主要分布于同心— 庆阳一线以南至富平以北地区, 再往南至彭阳、泾阳、富平等地区, 发育物源来自南部的三角洲沉积, 在研究区东南武乡— 义马一带为潟湖沉积, 局部发育障壁沙坝(图 10-B)。