钟寿康, 谭秀成, 聂万才, 张道锋, 杨梦颖, 卢子兴, 张欣玥, 肖笛. (2022). 鄂尔多斯盆地中奥陶统马五6亚段高频旋回层序研究:论海平面升降与横山凸起沉积分异效应* [J]. 古地理学报, 24(2): 245-260.
Zhong Shou-Kang, Tan Xiu-Cheng, Nie Wan-Cai, Zhang Dao-Feng, Yang Meng-Ying, Lu Zi-Xing, Zhang Xin-Yue, Xiao Di. (2022). High-frequency cyclic sequence of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin: indication for sea-level change and sedimentary differentiation effect of Hengshan uplift [J]. Journal Of Palaeogeography, 24(2): 245-260.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.02.020
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鄂尔多斯盆地中奥陶统马五6亚段高频旋回层序研究:论海平面升降与横山凸起沉积分异效应*
钟寿康1,2, 谭秀成1,2, 聂万才3,4, 张道锋3, 杨梦颖1,2, 卢子兴3, 张欣玥1,2, 肖笛1,2
1 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室,四川成都 610500
2 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500
3 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710021
4 中国石油长庆油田分公司宜黄天然气项目部,陕西延安 716000

通讯作者简介 谭秀成,男,1970年生,教授,博士生导师,主要从事碳酸盐岩沉积学与储层地质学研究。E-mail: tanxiucheng70@163.com。

第一作者简介 钟寿康,男,1995年生,博士研究生,主要从事碳酸盐岩与蒸发岩沉积学研究。E-mail: zhongsk95@163.com。

收稿日期:2021-10-13 修回日期:2021-11-02
基金资助:*中国石油集团公司上游领域基础性前瞻性项目(编号: 2021DJ0501)资助
摘要

高频旋回分析有利于揭示浅水碳酸盐岩台地海平面升降、沉积物响应、古地理单元演化及对盆地内沉积分异影响等诸多沉积学信息。依据鄂尔多斯盆地横山地区丰富的钻井取心资料,通过岩石类型、典型五级旋回结构等分析,对中奥陶统马家沟组马五 6亚段开展了高频旋回研究。研究表明: ( 1)基于研究区内马五 6亚段碳酸盐岩与蒸发岩共生组合的 9种岩石类型,识别出 5种典型 T-R单旋回,其中旋回 Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ为云质潟湖—颗粒滩—灰泥丘沉积, Ⅳ、 Ⅴ为膏盐质潟湖沉积,并以 5种单旋回为基本单元搭建骨架井五级高频旋回结构剖面;( 2)依据五级高频旋回结构剖面建立的 Fischer图解,认为马五 6亚段处于三级旋回晚期,内部发育“ 2个”四级旋回,具有初次海退—快速海侵—再次海退的相对海平面变化趋势;( 3)结合五级旋回厚度统计,认为第 1套四级旋回沉积期处于隆拗格局发育阶段,该时期横山凸起作为水下高地,对东西两侧海水封隔明显;至第 2套四级旋回沉积阶段,填平补齐作用导致横山凸起影响减弱,海水循环得到改善,凸起东西两侧盐度明显下降。以马五 6亚段为例的高频旋回研究,在横山地区马五 6亚段地层学、沉积学研究中取得了较好的效果,以期在鄂尔多斯盆地马家沟组未来研究中得到进一步推广和实践。

关键词: 高频旋回; 海平面升降; 构造沉积分异; 横山凸起; 马家沟组; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P539 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)02-0245-16
High-frequency cyclic sequence of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin: indication for sea-level change and sedimentary differentiation effect of Hengshan uplift
Zhong Shou-Kang1,2, Tan Xiu-Cheng1,2, Nie Wan-Cai3,4, Zhang Dao-Feng3, Yang Meng-Ying1,2, Lu Zi-Xing3, Zhang Xin-Yue1,2, Xiao Di1,2
1 Research Branch of Southwest Petroleum University,Key Laboratory of Carbonate Reservoirs,CNPC,Chengdu 610500,China
2 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
3 Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Xi’an 710021,China
4 Yihuang Natural Gas Project Department,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Yan’an 716000,China

About the corresponding author Tan Xiu-Cheng,born in 1970,is a professor and Ph. D. advisor of Southwest Petroleum University. He is mainly engaged in researches on carbonate sedimentology and reservoir geology.E-mail: tanxiucheng70@163.com。

About the first author Zhong Shou-Kang,born in 1995,is a Ph.D. candidate in Southwest Petroleum University. He is mainly engaged in researches on carbonate and evaporite sedimentology. E-mail: zhongsk95@163.com。

Fund:China National Petroleum Corporation upstream field basic forward-looking project(No.2021DJ0501)
Abstract

Studies in high-frequency cyclic sequence is helpful to reveal much sedimentary information,such as sea-level changes,deposition response and palaeogeographic evolution during depositional stage of shallow carbonate platform,and their impacts on the sedimentary differentiation in the basin. Based on the rich drilling core data,the lithology characteristics and typical fifth-order cyclic sequence of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation are studied. The results indicate that(1)5 types(Ⅰ~Ⅴ)of typical T-R single cycle have been identified based on the 9 rock types of symbiotic combination of carbonates and evaporites. The cycles of Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ are characterized by dolomitic sediments of lagoon-shoal-mud mound,while cycles of Ⅳ and Ⅴ are characterized as gypsum-salt sediments of lagoon. The fifth-order high-frequency cyclic structural sections have been established according to the 5 types of single cycle;(2)Fischer plot established according to the fifth-order high-frequency cyclic sections indicates that the Ma56 submember developed in the late stage of the third-order cycle,which comprises 2 fourth-order cycles representing the trend of initial regression-rapid transgression-another regression;(3)the thickness statistics of fifth-order cycles shows that the development of uplift and depression corresponds to the period of the first fourth-order cycle. The Hengshan uplift was the depositional highland,which isolated the seawater between the west and east sides. During the second fourth-order cycle period,filling and leveling up weakened the impact of Hengshan uplift,promoting the seawater circulation and the salinity at the east and west sides of the uplift decreased. The study on the high-frequency cycles of the Ma56 submember has been well applied in the analysis of stratigraphy and sedimentology of the Ma56 submember in the Hengshan area,which can be further applied in the Majiagou Formation in the Ordos Basin.

Key words: high-frequency cycles; sea-level fluctuation; structural and sedimentary differentiation; Hengshan uplift; Majiagou Formation; Ordos Basin

开放科学(资源服务)标志码(OSID)

高频旋回是指由米兰科维奇旋回驱动的气候变化和高频短周期海平面变化控制而形成的四、五级甚至六级旋回(郑荣才等, 2017), 其在浅海碳酸盐岩台地内十分常见(吴怀春等, 2011; Al-Awwad and Collins, 2013; Sevillano et al., 2020), 并控制着碳酸盐岩储集层的形成与分布(Zhong et al., 2019; Xiong et al., 2019)。目前, 众多研究将高频旋回的形成与启动机制与以下因素相关联: (1)地球轨道驱动力周期性变化引起气候与沉积物的周期性响应(吴怀春等, 2011; 张运波等, 2013); (2)幕式构造活动对于台地内可容空间的周期性影响(Benedictis et al., 2007; Bosence et al., 2009; 王建功等, 2020); (3)台地内部沉积物迁移与叠置方式(Kemp and Manen, 2019)等。因此, 基于高频旋回精细研究, 可恢复诸多沉积学信息: (1)旋回垂向叠置与演化, 这是恢复台地内部可容空间以及相对海平面变化规律最直接有效的手段(Guo et al., 2018); (2)平面上旋回结构类型的差异, 可反映不同相区沉积分异、相带分布规律(Ortí et al., 2018); (3)跨相区的旋回对比, 有利于揭示重要古地理单元自身演化及其对盆内沉积的影响(Bosence et al., 2009)。

基于鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马家沟组马五6亚段发育白云岩、膏岩、盐岩等多种岩石类型, 同时不同地区地层厚度差异较大, 推测这是由于活跃的构造运动导致台地内部海水循环受限和可容空间差异分布, 造成马五6亚段“ 相分异” 现象十分发育。与之相反, 上覆马五5亚段则沉积了一套厚度稳定(苏中堂等, 2021)的灰岩地层。上、下地层的岩性与厚度分布存在巨大差异, 可能是由于马五6亚段与马五5亚段沉积之交, 该地区构造活动经历了由活跃到稳定的转变。因此, 针对马五6亚段高频旋回及其对比研究, 可揭示鄂尔多斯盆地构造活跃期的海平面升降、重要古地理单元演变与消亡、台地内部沉积分异规律等沉积学信息及其之间连带关系。另一方面, 近年来的油气勘探显示, 鄂尔多斯盆地中下组合天然气藏受高频旋回控制的互层式生储盖组合特征尤为明显(Xiong et al., 2019), 而原先针对亚段尺度的旋回划分及其海平面升降规律(谢锦龙等, 2013; 席胜利等, 2017)的认识已不能满足新的储层刻画、预测的要求, 亟待更高精度旋回对比和海平面波动基准曲线的建立。鉴于此, 笔者利用鄂尔多斯盆地中东部地区丰富的钻井取心资料和系统的岩石学工作, 总结区内典型单旋回类型, 建立“ 横穿” 横山凸起的骨架井相序剖面等高频旋回, 综合研究马五6亚段海平面升降与“ 横山凸起” 沉积期地貌演化及其对盆地内沉积分异的控制作用等问题。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘。中奥陶世, 由贺兰裂谷与秦岭裂谷扩张影响形成的中央古隆起, 将盆地中东部地区与西南缘秦、祁广海相分隔(付金华和郑聪斌, 2001; 王振涛等, 2016), 致使中央古隆起以东区域演变为相对受限的浅水碳酸盐岩台地(图 1-A)。马家沟组沉积期, 受加里东期幕式运动影响(许淑梅等, 2016), 台地内部(中央古隆起— 吕梁古隆起之间)发育近南北走向的隆坳地貌(席胜利等, 2018; 周进高等, 2020), 由西向东依次为靖西凹陷、横山凸起、东部坳陷等次级古地理单元(图 1-A)。同时, 在华北地台整体抬升的背景下, 马家沟组沉积期广泛发育次一级海平面升降运动(谢锦龙等, 2013; 席胜利等, 2017), 具体表现为马一、三、五段沉积时期发生海退, 以白云岩— 膏岩— 盐岩韵律沉积为主; 而马二、四、六段沉积时期发生海侵, 岩性以石灰岩— 白云岩组合的碳酸盐岩为主(图 1-B)。本次研究层位马五6亚段位于马五段中部, 厚度介于70~160 m之间, 碳酸盐岩、膏岩、盐岩等均有发育, 同时该亚段中蒸发岩占比为马五段之最。

图 1 鄂尔多斯盆地及邻区奥陶纪古地理背景与横山凸起东、西两侧马五6亚段岩性柱状剖面示意图
A— 鄂尔多斯盆地及邻区奥陶纪古地理图(据邵东波等, 2019; 有修改); B— 中奥陶统马家沟组地层划分简表(据黄正良等, 2015; 有修改); C— 横山凸起东西两侧马五6亚段岩性柱状剖面示意图Fig.1 The Ordovician palaeogeographic map of Ordos Basin and its adjacent region, and lithology columnar diagrams of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in east and west sides of Hengshan uplift

关于鄂尔多斯盆地中部地区马家沟组沉积期的古地理格局认识, 由于缺少钻井资料, 早期学者们多认为是西高东低的单斜式东倾地貌(谢锦龙等, 2013), 近2年来随着该区域钻井增多, 发现了1个地跨横山— 靖边的近南北向水下隆起带, 即横山凸起(魏柳斌等, 2021)。横山凸起的发现, 将研究区单斜式东倾地貌重新厘定为两侧低中间高的隆凹相间地貌, 同时凸起的东西两侧沉积岩性差异巨大。横山凸起西侧, 以白云岩与膏岩韵律互层沉积为特征, 部分井区马五6亚段上部可见规模发育的岩溶角砾岩(图 1-C); 而在横山凸起东侧, 则以沉积巨厚层盐岩夹中、厚层膏岩为特征(图 1-C)。本次研究区位于鄂尔多斯盆地中东部, 由西向东跨越靖西凹陷、横山凸起、东部坳陷等古地理单元(图 1-A)。

2 岩石学特征

受强局限台地环境、强蒸发作用的影响, 在马五6亚段海水化学沉积分异的演化路径中, 碳酸盐、硫酸盐和卤化物等多种化学成分矿物均有发现, 对应岩性分别为白云岩、膏岩和盐岩。白云岩包括泥晶云岩类、颗粒云岩类以及微生物云岩类, 膏岩依据岩石产出状态划分为纹层状云质膏岩和鸡雏状膏岩, 盐岩依据矿物成分划分为钠盐岩和钾盐岩。表 1总结了研究区内马五6亚段常见的9种岩石类型的主要特征、成因分析和微相解译, 为后续高频旋回研究提供岩石学基础认识和沉积微相划分标准。

表 1 鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马五6亚段碳酸盐岩与蒸发岩的岩石学特征与沉积环境分析 Table1 Lithological characteristics and sedimentary environmental analysis of carbonates and evaporites of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

图 2 鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马五6亚段白云岩宏观与微观特征
A— 泥质泥晶云岩, 上泥岩下泥晶云岩, 单偏光, T105井, 3677.44 m, 马五62; B— 泥晶云岩, 发育离散状与集合状石膏假晶, 内部充填方解石, 单偏光, T105井, 3679.31 m, 马五62; C— 砂屑云岩, 岩心照片, T105井, 3678.40 m, 马五62; D— 砂屑云岩, 重结晶作用导致发育颗粒幻影, 颗粒内部选择性溶蚀, 单偏光, T105井, 3678.40 m, 马五62; E— 砾屑云岩, 见不规则颗粒边缘, 单偏光, T105井, 3539.78 m, 马五62; F— 凝块云岩, 岩心照片, T112井, 3379.12 m, 马五63; G— F局部素描; H— 凝块云岩, 格架中凝块组构发育, 白云石胶结物充填, 凝块间云质含量增加, 单偏光, T112井, 3378.95 m, 马五62; I— 叠层云岩, 纹层状, 发育白云石和少量方解石胶结物单偏光, T112井, 3378.12 m, 马五62; J— 粘结砂屑云岩, 见部分砂、砾屑选择性溶蚀, 正交光, J5井, 3541.84 m, 马五63Fig.2 Macro- and micro-characteristics of dolomite stone of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

图 3 鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马五6亚段膏岩与盐岩微观特征
A— 纹层状云质膏岩, 针状石膏水平定向分布, 单偏光, Sh147井, 3006.53 m, 马五26; B— 膏岩, 均质产出, 单偏光, J5井, 3541.13 m, 马五63; C— 角砾状云质膏岩, 膏质角砾间充填暗色泥云质, 单偏光, Sh147井, 3007.08 m, 马五62; D, E— 钠盐岩, 石膏固相包裹体, 单偏光/正交光, Y9井, 2413.18 m, 马五62; F— 钾盐岩, 见人字形包裹体, 单偏光, Y9井, 2409.47 m, 马五62Fig.3 Micro- characteristics of evaporites of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

3 马五6亚段高频旋回特征

受中央古隆起对其东西两侧的沉积分异影响(付金华和郑聪斌, 2001), 鄂尔多斯盆地内部层序旋回划分及其与西缘奥陶系地层的对比等工作难度较大。目前, 在马家沟组的地层研究中, 依据不同标准的层序划分大多只进行到三级、四级层序尺度(姚泾利等, 2008; 郭彦如等, 2012, 2014; 黄正良等, 2015; 王起琮等, 2018), 且认识尚未统一, 彼此出入较大。为规避上述问题, 笔者从系统的岩心精细观测入手, 依托最小岩石单元纵向搭建五级旋回, 以便在研究区开展关于海平面升降、旋回划分等研究。

3.1 典型五级高频单旋回类型

鄂尔多斯盆地中东部马五6亚段发育的多种岩石类型, 构成了类型丰富的多种向上变浅序列。结合沉积相分析, 在马五6亚段内共识别出5种不同类型的五级高频单旋回。

1)单旋回Ⅰ : 云质潟湖— 颗粒滩。该类型旋回由下至上依次为砾屑云岩— 含石膏假晶泥晶云岩— 砂屑云岩(图 4-A)。旋回底部的2套砾屑云岩呈正粒序结构, 具撕裂状边缘(图 2-E), 推测为2期事件性的风暴沉积; 向上演变为中层状泥晶云岩(图 2-B), 为正常浪基面之下的低能沉积产物; 再向上为逆粒序砂屑云岩, 代表正常浪基面之上的高能沉积产物。此外, 部分颗粒内部存在溶蚀特征(图 2-D)。上述沉积物由低能向高能的转变及滩体内发育的溶蚀特征, 皆表明该序列存在向上变浅的趋势, 且顶部存在短期暴露。结合沉积相分析(表 1), 认为单旋回Ⅰ 是云质潟湖— 颗粒滩的典型旋回。

图 4 鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马五6亚段典型五级T-R单旋回
A— 云质潟湖— 颗粒滩典型旋回, T105井, 3677.38~3679.96 m, 马五62; B— 灰泥丘— 膏质潟湖典型旋回, T112井, 3377.06~3379.93 m, 马五63; C— 云质潟湖— 颗粒滩— 灰泥丘— 膏质潟湖典型旋回, J5井, 3541.00~3542.97 m, 马五63; D— 云膏质潟湖— 膏质潟湖典型旋回, Sh147井, 3005.72~3007.68 m, 马五62; E— 膏质潟湖— 盐质潟湖典型旋回, Y9井, 3409.02~3418.43 m, 马五62Fig.4 Typical fifth-order T-R cycle within the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

2)单旋回Ⅱ : 灰泥丘— 膏质潟湖。该类型旋回以发育微生物岩为特征, 由下至上依次由泥质泥晶云岩— 层状凝块云岩— 格架状凝块云岩— 缓波状叠层云岩— 纹层状云质膏岩— 鸡雏/角砾状膏岩构成完整序列(图 4-B)。在该序列中, 占比最大的微生物岩具备多种形态, 其中中下部的凝块云岩由层状(图 4-B中照片3)向格架状(图 2-F, 2-G, 2-H; 图 4-B中照片4和5)演变, 表明水体逐渐变深; 向上凝块变为叠层(图 2-I; 图 4-B中照片6), 推测是可容空间不足, 导致微生物由纵向生长转为侧向生长(罗平等, 2013); 顶部微生物岩被膏岩替代, 代表海水盐度升高并突破石膏沉淀阈值。依据该序列由微生物岩形态呈现的向上变浅及由岩性变化呈现的水体向上变咸特征, 结合沉积相分析(表 1), 认为单旋回Ⅱ 构成灰泥丘(丘基— 丘核— 丘盖/坪)— 膏质潟湖典型旋回。

3)单旋回Ⅲ : 云质潟湖— 颗粒滩— 灰泥丘— 膏质潟湖。该类型旋回的岩性构成较为复杂, 依次为(泥质)泥晶云岩— 砂屑云岩— 纹层状云质膏岩— 含膏质团块泥晶云岩— 砂屑云岩— 粘结砂屑云岩— 纹层状膏质云岩— 鸡雏状膏岩(图 4-C)。下部泥晶云岩向砂屑云岩过渡的特征与相序Ⅰ 类似; 向上为纹层状含云膏岩且顶部未见暴露(图 4-C中照片2), 推测水体盐度小幅度增加但沉积未间断; 再向上泥晶云岩再次向砂屑云岩转变, 砂屑云岩之上发育粘结砂屑云岩, 说明水体盐度增加并开始发育小规模微生物岩; 至顶部膏岩规模发育, 上部见垂向溶沟(图 4-C中照片5), 是旋回顶部暴露溶蚀的有力证据。可见该类型序列具有水体向上变浅变咸、同时顶部暴露的特征, 结合沉积相分析(表 1), 认为单旋回Ⅲ 构成云质潟湖— 颗粒滩— 灰泥丘— 膏质潟湖的典型旋回。

4)单旋回Ⅳ : 云膏质潟湖— 膏质潟湖。该类型旋回主要发育膏岩, 单个旋回厚度较小; 结合多个旋回组合, 归纳出常见岩性组合为泥晶云岩/纹层状膏质云岩— 纹层状云质膏岩— 鸡雏状膏岩(图 4-D)。单个旋回下部, 膏质纹层向层状膏岩转变, 膏质含量逐渐增多, 表明水体变咸; 单个旋回顶部, 多见鸡雏/角砾状膏岩, 推测为间歇性暴露结果。该类型旋回具有水体向上变咸变浅的特征, 结合沉积相分析(表 1), 认为单旋回Ⅳ 构成云膏质潟湖— 膏质潟湖的典型旋回。

5)单旋回Ⅴ : 膏质潟湖— 盐质潟湖。该类型旋回的岩性构成最为单一, 以盐岩发育为主, 仅底部发育中层状云质膏岩, 向上演变为块状钠盐岩和钾盐岩(图 4-E)。由膏岩向盐岩的转变, 表明沉积水体盐度最大可能存在10%幅度的增加(Babel and Schreiber, 2014); 同时盐岩沉淀阶段, 遵循先钠盐后钾盐的析出顺序。岩性变化体现出单旋回Ⅴ 水体向上变咸变浅, 构成膏质潟湖— 盐质潟湖的典型旋回。

总的来说, 上述5种五级高频单旋回存在2点共性: (1)单个旋回沉积初期水体加深、盐度减小, 随后便向上缓慢变浅、变咸; (2)除单旋回Ⅴ 暴露特征无法确定以外, 多数旋回顶部发育暴露面(图 4-A中照片5, 图 4-B中照片7, 图 4-C中照片5, 图 4-D中照片2和4)。由此认为, 单个五级旋回是快速海侵(T)— 缓慢海退(R)的完整沉积过程, 具有一定的地层意义(邓宏文, 2009), 并可依此进一步开展马五6亚段五级高频旋回的纵向搭建与对比研究工作。除上述5种发育较为完整的典型五级高频T— R单旋回之外, 研究区内仍可见大量不完整旋回。

3.2 骨架井五级高频旋回结构剖面

多类型的单旋回在纵向上频繁叠置, 造成在研究区马五6亚段不同相区内形成多种特征差异明显的旋回组合。为了进一步加强各相区旋回特征对比及整个马五6亚段纵向演化研究, 本次选取了2口全取心井(T112、Y9)和3口取心较多的井(T17、J2、T76), 以向上变浅变咸、顶部发育暴露面的单旋回为单元, 搭建了由西向东跨越横山凸起的5口骨架井旋回结构剖面(图 5), 从地层厚度分布、旋回横向组合差异、旋回纵向演化3个方面, 分析了横山凸起东西两侧在旋回结构差异和纵向演化方面的特征。

图 5 鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马五6亚段骨架井旋回结构剖面Fig.5 Cyclical structural sections of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation from framework wells in central and eastern Ordos Basin

马五6亚段顶面拉平后显示, 横山凸起西缘J2井向T112井方向厚度逐渐减薄, 而凸起东缘Y9井向T76井方向也有减薄趋势, 证实了马五6亚段沉积期横山凸起地貌较高。

分布在横山凸起东西两侧的5口骨架井相序组合形式显示: 横山凸起西缘以碳酸盐岩发育为主, 多数旋回顶部见膏岩, 常见的旋回组合有泥晶云岩— 颗粒云岩、泥晶云岩— 膏岩、泥晶云岩— 颗粒云岩— 膏岩、泥晶云岩— 微生物云岩— 膏岩以及泥晶云岩— 颗粒云岩— 微生物云岩— 膏岩等, 可对应于5种单旋回类型中的Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 类(图 4-A, 4-B, 4-C), 整体表现出云质潟湖— 颗粒滩— 灰泥丘— 膏质潟湖的环境演变。而在横山凸起东缘, 主要发育膏岩及盐岩, 仅极个别旋回底部发育泥云岩, 常见的序列组合有层状膏岩— 盐岩、纹层状云质膏岩— 鸡雏状膏岩, 对应于5种相序类型中的Ⅳ 、Ⅴ 类(图 4-D, 4-E), 呈现出云膏质潟湖— 膏质潟湖— 盐质潟湖的环境演变。此外, 横山凸起西缘沿T17井、J2井向T112井方向, 颗粒岩逐渐减少, 微生物岩逐渐增多, 即Ⅰ 、Ⅲ 类旋回逐渐为Ⅱ 类旋回所代替; 凸起东缘沿Y9井向T76井方向, 盐岩逐渐减少, 膏岩逐渐增多, 即Ⅳ 类旋回渐变为Ⅴ 类旋回。

在相序纵向演化方面, 横山凸起西缘的旋回结构显示, 向马五6亚段顶部, 单个旋回顶部的膏岩消失或减少, 其中消失的膏岩常被颗粒岩(图 5-A)或岩溶角砾岩(图 5-C)替代, 而较少的膏岩则主要体现在鸡雏状膏岩消失, 仅保留部分纹层状云质膏岩(图 5-B)。横山凸起东缘, 向马五6亚段上部, 盐岩消失后以膏岩代替, 即旋回类型由相序Ⅴ 类向Ⅳ 类演变(图 5-D), 且此现象越靠近横山凸起及东部盐凹周缘越是发育。

3.3 高频旋回统计

在了解马五6亚段的五级高频旋回结构分布特征基础上, 对5口骨架井的地层厚度及单旋回个数、厚度进行统计。结果表明, 由西向东5口骨架井马五6亚段的地层厚度分别为88.2 m、98.7 m、75.6 m、104.5 m、156.5 m, 而对应的单个五级旋回平均厚度与个数则分别为3.3 m(27个)、3.7 m(27个)、2.8 m(27个)、4.8 m(22个)、6.5 m(24个)(图 6-A)。每口井的单旋回厚度分布频数统计为: T17井, 主峰明确, 其主峰带介于2~3 m之间(图 6-B); J2井, 主峰较为明确, 但主峰带分布较宽, 介于2~5 m之间(图 6-C); T112井, 主峰明确, 单旋回厚度分布峰值介于2~3 m之间(图 6-D); T76井和Y9井的主峰带较宽或是出现多个峰值(图 6-E, 6-F)。

图 6 鄂尔多斯盆地中东部地区中奥陶统马五6亚段骨架井地层厚度及单旋回厚度发育频数分布直方图
A— 各骨架井地层厚度与单旋回平均厚度; B— T17井单旋回厚度分布及频数; C— J2井单旋回厚度分布及频数; D— T112井单旋回厚度分布及频数; E— T76井单旋回厚度分布及频数; F— Y9井单旋回厚度分布及频数Fig.6 Frequency distribution histogram of formation thickness and single cycle thickness of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation from framework wells in central and eastern Ordos Basin

在对统计数据的分析中, 值得注意的规律是: (1)地层厚度变大, 相对应的单旋回平均厚度也随之增大(相关性R2=0.9481)(图 6-A); (2)各井中旋回个数差异较小, 尤其是西部3口井马五6亚段旋回个数一致, 均为27个(图 6-B, 6-C, 6-D), 而往东部, T76井和Y9井的旋回个数减少; (3)主峰带的分布和宽度, 与井位和地层厚度存在一定关系, 即越往东侧(尤其是横山凸起以东)沉积旋回厚度分布越不稳定; 同样地层越厚单旋回厚度分布越不稳定, 表现为主峰带较宽(图 6-E), 甚至出现了多峰态(图 6-F)。

4 横山凸起东西缘沉积特征比较

基于岩石学、典型五级旋回、高频旋回结构剖面以及旋回统计等分析, 以横山凸起为界, 围绕其东、西两侧, 进行包括岩石类型、旋回类型、纵向演化、地层厚度、旋回个数以及单旋回厚度等主要沉积特征比较(表 2)。

表 2 横山凸起东、西两侧中奥陶统马五6亚段沉积期沉积特征对比 Table2 Comparison of sedimentary characteristics during the depositional stage of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation between west and east sides of Hengshan uplift

首先, 横山凸起东、西两侧岩性差异巨大。从海水化学沉积分异的角度来看, 凸起西侧以碳酸盐→ 硫酸盐的咸化序列为主, 东侧则基本跳过碳酸盐沉淀过程, 多为硫酸盐→ 卤化物咸化序列(表 1); 其次, 横山凸起东西两侧沉积物的差异, 构成了典型五级单旋回的差异性分布(图 4, 图 5), 而由五级单旋回代表的沉积微环境演变, 表明由西向东存在沉积水体能量渐弱、渐次受限的环境演替; 最后, 横山凸起东西两侧旋回统计学差异(图 6), 则暗示着高频旋回的启动机制与横山凸起之间有着密不可分的联系。

综合来看, 基于岩石类型、沉积环境、五级旋回构成等方面的显著差异, 认为横山凸起在马五6亚段沉积期对研究区沉积分异具有影响。

5 高频旋回的沉积学应用
5.1 海平面相对升降变化与沉积响应

针对鄂尔多斯盆地中东部地区马五6亚段高频旋回划分与纵向分布, 进一步利用Fischer图解, 来重现沉积期海平面的相对升降变化趋势(Guo et al., 2018)。Fischer图解制作要求有更多的旋回参与统计, 以更真实地展示马五6亚段海平面升降趋势, 因此将马五6亚段放入整个马家沟组中组合地层中(马五10亚段— 马五5亚段)进行统计绘图(图 7-A, 7-B)。T112井和Y9井的Fischer图解均显示马五10-6亚段为一套不完整三级旋回, 其中马五6亚段(红色段)仅为海退半旋回, 说明整个马五6亚段相对海平面持续下降, 且于该亚段顶部结束该套三级旋回沉积。因此, 利用Fischer图解得出马五6亚段处于海退期的结论, 与前人从岩性统计(席胜利等, 2017)、沉积相演化(谢锦龙等, 2013)、层序划分(郭彦如等, 2012)、化学地层分析(蒋苏扬等, 2019)、盆缘露头Fischer图解分析(翟永红, 1999)等大量工作中得出的结论相一致。

图 7 鄂尔多斯盆地中东部地区T112井、Y9井中奥陶统马五6亚段Fischer图解响应海平面升降与沉积物发育耦合关系
A— T112井Fischer图解, 马五5-10亚段, 红色段为马五6亚段; B— Y9井Fischer图解, 马五5-10亚段, 红色段为马五6亚段; C— T112井马五6亚段27个旋回各类岩性厚度占比统计; D— Y9井马五6亚段24个旋回各类岩性厚度占比统计Fig.7 Coupling relation between Fischer plot and sediment development of the Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation from Wells T112 and Y9 in central and eastern Ordos Basin

三级旋回之下, 可以进一步划分若干四级旋回。其中Y9井马五6亚段中可见2套四级旋回(图 7-B), 下部的第1套四级旋回构成不完整, 处于海退阶段, 而上部的第2套四级旋回构成完整, 呈现快速海侵到缓慢海退的特征。相比而言, T112井马五6亚段四级旋回划分显得不太清晰(图 7-A), 但在五级旋回37处可见相对海平面下降速率变缓, 表现为海平面变化曲线变缓; 同时基于层序地层格架可对比的考虑, 也将T112井马五6亚段划分为2套四级旋回, 具体特征同Y9井类似。因此, 在三级旋回海退背景下, 将马五6亚段细分为初次海退— 快速海侵— 再次海退四级海平面升降组合(图 5)。

前述分析表明, 典型五级T-R旋回的旋回划分是以明确的暴露面进行标定的, 且单个旋回由下至上具有变浅变咸的演化趋势。以划分的五级旋回为基础, 对单井的四级旋回及相应的沉积特征进行了分析。T112井中(图 7-C), 自旋回32~34(连续3套五级旋回中膏岩占比大于50%)和自旋回34~36(连续3套五级旋回顶部出现岩溶角砾岩), 对应马五6亚段第1套不完整四级旋回晚期; 旋回37(岩溶角砾岩消失、膏岩类占比下降、泥晶岩类占比上升)对应马五6亚段第2套完整四级旋回海侵阶段、自旋回39~42(膏岩类占比连续大于50%)和自旋回43(后续每一套五级旋回顶部皆发育岩溶角砾岩), 对应第2套完整四级旋回海退阶段。Y9井中(图 7-D), 旋回20~29(钾盐岩占比始终大于50%)和旋回30(钠盐岩出现、钾盐岩占比下降), 分别对应第1套四级旋回晚期海退和第2套四级旋回初期海侵的转变。此外, 在T112井马五6亚段Fischer图解中, 虽然四级旋回不明显, 但五级沉积响应却较为明显, 可以进一步佐证四级旋回的划分; 反之, 可理解为四级旋回控制了五级旋回在垂向上的差异性叠置。

5.2 横山凸起沉积期地貌演化

一般来说, 通过对基准面和现今地层厚度分布的分析, 可以近似地恢复浅水沉积区内古地形的相对起伏特征(郭荣涛等, 2019), 但有关横山凸起在三级旋回沉积末期的地貌特征、2套四级旋回对比下横山凸起的演变趋势等方面的讨论, 至今尚不明确。另一方面, 研究区内多种五级高频旋回多为上、下暴露面约束(图 4-A中照片5, 4-B中照片7, 4-C中照片5, 4-D中照片2和4), 而暴露面多是指由于相对海平面下降而导致沉积物暴露至地表、遭受溶蚀或无沉积的作用面, 具有明显沉积间断的沉积学意义(Flü gel, 2010), 因此顶部发育暴露面的五级高频旋回, 可认为是1次从海侵开始到可容空间为零的完整、独立的沉积充填过程。因此, 可利用单个旋回厚度粗略反映沉积地貌差异, 故基于研究区骨架井五级旋回厚度统计, 可以揭示马五6亚段2套四级旋回的沉积期地貌特征及可容空间演化趋势。

在马五6亚段下部的第1套四级旋回中(图 5), 横山凸起附近骨架井(T112井)五级单旋回平均厚度为2.8 m, 西侧骨架井(J2井)为3.8 m, 东侧骨架井(T76)为5.8 m(图 8-A), 反映了横山凸起及其东西两侧存在米级的沉积地貌差异(图 8-B)。在马五6亚段上部的第2套四级旋回中, 五级单旋回平均厚度分别减小为2.7 m、3.5 m、4.0 m(图 8-A), 推测在整体水深略微减小的同时, 横山凸起东西两侧的地貌差异也在减小(图 8-C)。2套四级旋回继承性旋回厚度演变表明, 马五6亚段沉积初期, 横山凸起具有明显高于东西两侧的地貌, 为隆凹格局的发育阶段; 至晚期, 横山凸起东西两侧地貌差异逐渐减小, 处于填平补齐阶段。因此, 横山凸起西侧为白云岩与膏岩韵律互层沉积、东侧为巨厚盐岩沉积, 可能是由于盐岩具有较高沉积速率, 导致横山凸起两侧逐渐填平形成的。再者, 地层厚度与平均旋回厚度的协同演变(图 6-A)表明, 前人研究认识中差异达50余米的“ 大隆大凹” 格局可拆分为若干单个五级旋回的米级差异, 其正是由高频旋回米级差异的“ 小隆小凹” 继承性频繁叠置形成的。

图 8 横山凸起周缘中奥陶统马五6亚段五级旋回平均厚度控制下的沉积底形与旋回构成示意图Fig.8 Sedimentary bedform and cyclical composition controlled by the fifth-order cycle within Ma56 submember of Middle Ordovician Majiagou Formation around Hengshan uplift

5.3 横山凸起对沉积分异的影响

2套四级旋回中五级旋回平均厚度的统计, 揭示了横山凸起东西两侧马五6亚段地层具有填平补齐的趋势。而对旋回结构样式及东西差异随之发生调整的分析, 可进一步开展关于横山凸起在地貌演变过程中对盆内沉积分异控制的讨论。

在第1套四级旋回内, 横山凸起西侧的旋回结构样式以Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 类五级旋回为主, 下部云岩、上部膏岩, 而横山凸起东侧, 发育盐岩为主的Ⅴ 类五级旋回(表 2; 图 8-A)。第1套四级旋回内蒸发岩较为发育, 推测与隆凹格局的发育有关, 尤其以横山凸起的封隔效应最为明显。在第2套四级旋回内, 上部的五级旋回中蒸发岩含量明显下降(图 8-B), 凸起西缘膏岩减少甚至消失, 东缘盐岩减少甚至消失(表 2)(Ⅳ 类旋回), 说明第2套四级旋回上部沉积水体盐度下降。局限环境的海水盐度下降, 存在2种可能: (1)规模海侵; (2)局限环境被改变, 可以与正常盐度海水进行循环交换。但依据研究层段单旋回厚度减小以及凸起附近单旋回顶部的岩溶角砾岩发育(图 5-C), 认为这是可容空间减少造成的(Yı lmaz and Altı ner, 2006), 由此推测海侵的可能性不大, 而是沉积地貌变平缓导致了海水局限程度降低。这一猜想与马五6亚段沉积末期填平补齐的认识相吻合。

另外, 横山凸起东西两侧在五级旋回数量和地层厚度方面同样存在差异(图 6-B至6-F; 表 2)。首先, 横山凸起西侧旋回个数多于东侧, 推测横山凸起作为地貌高地, 使次级小规模海侵无法越过, 导致横山凸起西侧浅水区对海侵影响更加敏感, 而水体相对较深的东侧则可能表现出若干旋回的合并。其次, 横山凸起西侧单旋回厚度分布较东侧表现得更为集中, 四、五级旋回可对比性更强(图 5), 推测横山凸起西侧浅水区高频旋回的发育统一受到了区域性构造运动、绝对海平面升降等因素控制, 表现为具有时间地层对比意义的异旋回(邓宏文, 2009); 而东侧五级单旋回内盐岩占比较大(图 4-E), 推测是盐岩极高的沉积速率放大了等时格架下的单旋回厚度差异(Sorento et al., 2020), 加之若干旋回的合并, 导致横山凸起东侧单旋回厚度分布不集中、五级旋回可对比性较差。

6 结论与启示

1)基于鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组马五6亚段碳酸盐岩与蒸发岩共生组合的9种岩石类型, 搭建了5类典型五级T— R单旋回, 其中Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 类为云质潟湖— 颗粒滩— 灰泥丘沉积, Ⅳ 、Ⅴ 类为膏盐质潟湖沉积, 并以5种类型相序为代表搭建骨架井高频五级旋回结构剖面。

2)依据高频旋回结构剖面建立的Fischer图解, 认为马五6亚段处于三级旋回晚期, 内部发育“ 2个” 四级旋回, 具有初次海退— 快速海侵— 再次海退的海平面变化趋势。同时, 五级旋回结构样式很好地响应了四级旋回, 四级旋回控制了五级旋回的垂向叠置方式。

3)基于旋回厚度统计与对比, 分析了“ 2套” 四级旋回对比下横山凸起的演变趋势, 认为马五6亚段沉积初期(第1套四级旋回)为隆凹格局发育阶段, 沉积晚期(第2套四级旋回)为填平补齐阶段, 横山凸起规模逐渐减小。

4)横山凸起作为水下高地, 造成其东西两侧海水盐度产生明显分异, 致使凸起西侧发育Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 类相序, 东缘发育Ⅳ 、Ⅴ 类; 至晚期凸起的封隔影响减弱, 东西两侧盐度明显下降。此外, 横山凸起对东西两侧五级旋回的发育个数和横向对比也产生了重要影响。

笔者以马五6亚段为例进行了鄂尔多斯盆地马家沟组高频旋回研究的初探, 而关于该地区高频旋回的搭建与对比工作远未结束, 期待在未来加强与储集层分布规律、化学地层等多学科方向的研究融合, 以及更大尺度的旋回搭建工作, 进而解决鄂尔多斯奥陶系马家沟组地层归属及其与全球海平面对比等关键地质问题。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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