谈梦婷, 李华, 何幼斌, 葛稳稳, 孙玉玺, 冯斌, 于星. (2023). 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道沉积特征及演化* [J]. 古地理学报, 25(1): 119-132.
TAN Mengting, LI Hua, HE Youbin, GE Wenwen, SUN Yuxi, FENG Bin, YU Xing. (2023). Characteristics and evolution of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(1): 119-132.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.01.005
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鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道沉积特征及演化*
谈梦婷, 李华, 何幼斌, 葛稳稳, 孙玉玺, 冯斌, 于星
长江大学地球科学学院,湖北武汉 430100
通讯作者简介 李华, 男,1984年生,副教授,从事沉积学方面的教学及科研。 E-mail: 501026@yangtzeu.edu.cn。

第一作者简介 谈梦婷,女,1997年生,硕士研究生,研究方向沉积学。 E-mail: 2479713996@qq.com。

收稿日期:2022-04-09 修回日期:2022-07-16
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41472113,41502101),国家科技重大专项(编号: 2017ZX05032-002-003),湖北省自然科学基金(编号: 2020CFB745)和地质资源与地质工程一流学科开放基金项目(编号: 2019KFJJ0818010)联合资助
摘要

鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组发育一套砂泥互层的深水重力流沉积,其下部重力流复合水道发育。综合野外实测、薄片和粒度分析等,探讨复合水道沉积特征、形成过程及主控因素,最终建立其沉积模式。结果表明: (1)研究区发育5种岩相和3种岩相组合,即块状层理砾屑灰岩相(Cm)、粒序层理细—粉砂岩相(Sg)、平行层理砂岩相(Sp)、交错层理粉砂岩相(Sc)、水平层理(泥)页岩相(Sh),分别代表碎屑流沉积(Cm)、浊流沉积(Sg,Sp,Sc)及深水原地沉积(Sh);(2)根据复合水道内部单一水道形态、岩相组合及粒度等将复合水道分为4个期次,反映重力流能量由强到弱的变化过程; (3)复合水道多期次发育与相对海平面升降、沉积物供给、构造运动和重力流规模及能量变化密切相关; (4)重力流沉积为斜坡—盆地环境中复合水道沉积模式。该研究可补充对研究区重力流水道认识,为油气勘探提供借鉴。

关键词: 复合水道; 重力流; 浊流; 奥陶系; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P531;P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)01-0119-14
Characteristics and evolution of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin
TAN Mengting, LI Hua, HE Youbin, GE Wenwen, SUN Yuxi, FENG Bin, YU Xing
School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China
About the corresponding author LI Hua,born in 1984,a associate professor in School of Geosciences,Yangtze University,is engaged in sedimentology. E-mail: 501026@yangtzeu.edu.cn.

About the first author TAN Mengting,born in 1997,a postgraduate in School of Geosciences,Yangtze University, is engaged in sedimentology. E-mail: 2479713996@qq.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos.41472113,41502101),National Science and Technology Major Project(No.2017ZX05032-002-003),Natural Science Foundation of Hubei Province(No.2020CFB745) and Open Foundation of Top Disciplines in Yangtze University of China(No.2019KFJJ0818010)
Abstract

A set of deep-water gravity flow deposits with sand-mud couples are developed in the Ordovician Lashizhong Formation in the western margin of the Ordos Basin,and the gravity flow complex channel is developed in the lower part. Based on field measurement,microscopic observation and grain size analysis,the sedimentary characteristics,process and main controlling factor of complex channel are discussed,and finally the sedimentary models were established. The results show that: (1)Five lithofacies and three lithofacies associations are developed in the study area,namely massive bedding calcirudite lithofacies(Cm),graded bedding fine-siltstone lithofacies(Sg),parallel bedding sandstone lithofacies(Sp),cross bedding siltstone lithofacies(Sc) and horizontal bedding(mud)shale lithofacies(Sh),indicating debris flow deposits(Cm),turbidites(Sg,Sp,Sc) and deep-water autochthonous deposits(Sh). (2)According to the morphology,lithofacies association and grain size of single channel,the complex channel is divided into four stages,reflecting a gradually decreased gravity flow energy. (3)The multi-stage filling and evolution of complex channel are closely related to relative sea-level change,sediment supply,regional tectonic activities and gravity flow size and energy change. (4)The gravity flow sedimentation in the study area is a complex channel sedimentary system formed in a slope-basin environment. This study can improve the understanding of gravity flow channel in the study area and provide reference for oil and gas exploration.

Key words: complex channel; gravity flow; turbidity current; Ordovician; Ordos Basin

深水重力流水道为陆架到深海区“ 源-汇” 系统的重要组成部分, 是陆源碎屑沉积物搬运的重要通道和砂体重要沉积场所, 且具有良好的深水油气勘探潜力, 是沉积学和油气勘探研究热点之一(Bouma , 2001; Antobreh and Krastel , 2005; Harris and Whiteway, 2011; McHargue et al., 2011; 李磊等, 2012; 李全等, 2019; 陈亮等, 2020; 李华和何幼斌, 2020; 陈华等, 2021; 孙辉等, 2021; 田荣恒等, 2021)。复合水道是指由多个单一水道侧向迁移和垂向叠合、相互切割形成的水道(蔡露露等, 2016; 李华和何幼斌, 2020; 赵晓明等, 2022), 是深水水道的重要类型之一。其弯曲度一般较低, 形态多为透镜状、“ U” 、“ V” 形或复合形, 边界常发育大型侵蚀面, 岩性以砂岩为主, 底部见少量砾岩, 发育槽模、平行层理、粒序层理、交错层理等沉积构造, 垂向上呈下粗上细沉积序列, 主要为碎屑流及浊流沉积而成(Mayall et al., 2006; 肖彬等, 2014; 李华等, 2018; 李华和何幼斌, 2020)。前人通过地震资料、野外露头、钻井资料及室内模拟实验, 对复合水道的外形、沉积单元及充填结构、成因机制及沉积模式等进行了研究并取得了一系列研究成果(Kneller, 2003; Mayall et al., 2006; Alpak et al., 2013; Fildani et al., 2013; 肖彬等, 2014; 张文彪等, 2017; 李华和何幼斌, 2020; 赵晓明等, 2018, 2022; 段瑞凯等, 2019; Ashiru et al., 2020; Fonnesu et al., 2020; 李向东和陈海燕, 2020a, 2020b; 张旭等, 2021; 李华等, 2022; 李向东等, 2022; 王光绪, 2022), 但由于深水沉积体系复杂性, 目前对复合水道形成机理的认识较为薄弱。

鄂尔多斯盆地西缘桌子山地区奥陶系发育深水重力流复合水道沉积。本研究通过野外实测、薄片和粒度分析等, 对研究区复合水道的沉积特征、演化规律、形成机理进行研究, 最终建立其沉积模式。该研究可提升对复合水道沉积的认识, 也可为研究区及类似地区重力流沉积相关油气勘探提供借鉴。

1 区域地质概况与剖面特征

鄂尔多斯盆地位于中国中部华北板块, 横跨陕、甘、宁、晋、蒙5个省区, 盆地面积约37万km2。盆地西缘奥陶系沉积主要受贺兰拗拉槽的再生裂开及晚期的闭合隆起所控制。研究区北山剖面位于内蒙古乌海市海南区桌子山地区(39° 38'10.16″N, 106° 59'10.83″E), 南距石嘴山市66 km, 紧邻G109连接线(李华等, 2022)。其大地构造位置为贺兰构造带与秦岭、北祁连海槽构成的三叉裂谷系(晋慧娟等, 2005; 肖彬等, 2014; 李华和何幼斌, 2020; 王鹏伟等, 2020; Li et al., 2021; 李向东等, 2022), 沉积环境主要为深水斜坡— 盆地(郭彦如等, 2012, 2014; 吴兴宁等, 2015; 吴东旭等, 2018; 李向东和陈海燕, 2020a, 2020b)(图 1-a)。

图 1 鄂尔多斯盆地西缘位置及地层发育(据吴东旭等, 2018; 李向东和陈海燕, 2020a, 2020b; 有修改)Fig.1 Location and stratigraphy of western margin of Ordos Basin(modified from Wu et al., 2018; Li and Chen, 2020)

鄂尔多斯盆地西缘上奥陶统地层部分缺失, 下统及中统地层保存较好(图 1-b)。研究区北山剖面走向为N120° , 自下而上发育上奥陶统乌拉力克组、拉什仲组、公乌素组及蛇山组。其中, 拉什仲组地层出露总体厚度为159 m, 据岩性类型及组合特征自下而上可分为3段: 第1段为灰绿色透镜状砂岩、粉砂岩及页岩互层; 第2段为灰黑色页岩夹灰绿色薄— 中层细砂、粉砂岩; 第3段为灰绿色透镜状及层状砂岩、粉砂岩及页岩不等厚互层。本次研究对象为上奥陶统拉什仲组第1段中下部的复合水道, 其下部植被覆盖较多, 中部及上部出露良好, 地层出露总厚度为7.41 m。岩性主要为褐灰色砾屑灰岩、灰绿色细砂、粉砂岩与灰黑色泥页岩, 沉积构造发育, 常见粒序层理、平行层理、交错层理, 底部常见槽模、侵蚀面(图2)” 。整体为一套砂泥不等厚互层的的重力流沉积。(李华等, 2022)(图2)。

图 2 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道沉积综合柱状图(Sr/Ba值及相对海平面升降据肖彬等, 2013; 修改)Fig.2 Synthesis column of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin (Data of Sr/Ba and relative sea level fluctuation is modified from Xiao et al., 2013)

2 分析测试

本次对复合水道露头进行了详细测量、记录, 并系统取样进行分析测试。

1)薄片分析。本次研究共采样21个, 制成岩石铸体薄片21块。采样位置为厚层水道的底、中、顶部, 中— 薄层水道的中部和发育天然堤水道的两侧。通过Leica DM4P正置偏光显微镜进行观察, 对岩石的颗粒成分、结构、胶结类型等进行分析。

2)粒度分析。使用显微镜和Nano Measurer软件, 对21个样品代表区域颗粒系统测量, 每个样品采样450~500个, 处理和导出粒径分布数据。应用Grapher、Excell软件进一步绘制频率累积曲线、概率累积曲线及C-M图等, 并采用Folk和Ward(1957)公式计算沉积物的平均粒径、分选系数、偏度、峰度和中值等粒度参数。

3 复合水道沉积特征
3.1 复合水道形态特征

本次对研究区北山剖面奥陶系拉什仲组水道宽度、厚度、宽厚比、单砂层数等参数进行了统计(表 1)。结果表明: (1)复合水道整体上呈“ U” 形, 厚度7.41 m(图 3-a, 3-b), 宽度由于两侧构造变形及植被覆盖原因不能准确测量, 底部可见明显侵蚀面(图 3-c); (2)复合水道内部结构复杂, 共发育13条透镜状或不规则“ U” 形单一水道(图 3-c至3-g), 其相互迁移、相互叠置, 但主要在水道内部, 迁移幅度较小, 水道外部以层状的粉砂岩及泥岩为主, 堤岸沉积较少(图 3-e); (3)单一水道宽度变化较大, 最大22.0 m, 最小2.4 m, 平均宽度10.59 m; 厚度最大1.12 m, 最小仅0.17 m, 多为0.4~0.8 m; 宽厚比变化较大, 分布在7.317~70.97之间; (4)单一水道内部通常有1~4层砂体发育。

表 1 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道内部单一水道形态参数 Table 1 Morphological parameters of single channel in complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

图 3 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道沉积特征
a— 复合水道野外露头; b— 复合水道内部充填特征; c~g— 单一水道野外露头。 e为水道C5侧翼, 粉砂岩, 交错层理发育Fig.3 Characteristics of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

3.2 岩相与岩相组合特征

研究区复合水道沉积底部见少量生物碎屑灰岩, 向上主要为灰绿色细砂岩、粉砂岩和灰黑色泥页岩的互层沉积(图 2), 总体呈现为向上变细的沉积旋回。基于薄片、岩性和沉积构造特征分析, 认为研究区发育5种岩相, 主要特征(表 2)如下:

表 2 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道岩相特征 Table 2 Lithofacies characteristics of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

1)块状层理砾屑灰岩相(Cm): 为褐灰色砾屑灰岩, 主要发育在C1水道, 底部与灰黑色泥岩呈突变接触, 见明显侵蚀面。层内无明显组构, 基质支撑为主, 见次棱角状砾屑(3~8 cm), 及少量生屑, 如腕足类、介壳、三叶虫、腹足类等(图 4-a, 4-c), 整体为块状层理。

图 4 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道岩相特征
a— 底部褐灰色砾屑灰岩, 上部灰绿色粒序层理细— 粉砂岩; b— 从下到上依次为粒序层理细— 粉砂岩相、平行层理砂岩相、交错层理粉砂岩相和水平层理页岩相, 为不完整鲍马序列; c— 块状层理砾屑灰岩, 可见较大的砾石“ 漂浮” 在砂质基质当中, 正交光; d— 粒序层理细— 粉砂岩, 具粒度递变特征, 正交光; e— 平行层理砂岩, 长颗粒略具定向排列特征, 正交光; f— 交错层理粉砂岩, 颗粒以石英为主, 基底式胶结, 分选差, 棱角— 次棱角状, 粒度较细, 正交光。照片对应的剖面位置见图2Fig.4 Lithofacies characteristics of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

2)粒序层理细-粉砂岩相(Sg): 为灰色、灰绿色细砂岩, 向两侧逐渐过渡为粉砂岩, 发育较广泛, 主要集中在水道中、下层位, 以粒序层理最为常见, 向上逐渐过渡为平行层理砂岩(Sp), 底部常见槽模、侵蚀面。颗粒含量70%~75%(图 4-d), 以石英为主, 见长石、岩屑及极少生屑, 以基底胶结和接触胶结为主, 磨圆程度为棱角— 次棱角状, 分选较好— 中等。

3)平行层理砂岩相(Sp): 为灰色、浅灰色细砂、粉砂岩, 在实测露头C6中部出露明显。颗粒含量75%~78%, 以石英为主, 分选中等, 棱角— 次棱角状, 见泥屑、泥质条带及破碎生屑(图 4-e)。该岩相多与粒序层理细— 粉砂岩相(Sg)、交错层理粉砂岩相(Sc)共生。

4)交错层理粉砂岩相(Sc): 为灰色、灰绿色粉砂岩, 纹层倾斜与层面相交, 部分纹层呈波纹状为波状交错层理。与其他岩相相比, 出现频率较低、厚度较小, 主要发育在剖面中上部, 在水道C5、C11可见。颗粒含量70%~78%, 石英为主, 基底胶结, 分选中等— 较好, 次棱角状— 次圆状, 见少量岩屑、破碎生屑与泥质。

5)水平层理(泥)页岩相(Sh): 为深灰色、灰黑色泥、页岩, 分布广泛, 多与砂岩互层伴生出现, 页岩发育水平层理, 含丰富的笔石类化石, 也可见腕足类、腹足类及海百合等。生物扰动较为发育, 见觅食迹和进食迹遗迹为主的Nereites深水遗迹(费安玮, 2001)。

通过对研究区复合水道岩相组合类型进行了分析和研究, 识别出3种岩相组合(图 5)。

图 5 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道岩相及其组合Fig.5 Lithofacies and lithofacies association of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

岩相组合A: 仅由单一块状层理砾屑灰岩相(Cm)组成, 内部也可能存在薄层的泥岩, 底部见侵蚀面。通常块状层理指示快速沉积的过程。该岩相组合仅发育在复合水道底部。

岩相组合B: 自下而上由粒序层理细— 粉砂岩相(Sg)和平行层理砂岩相(Sp)2种岩相组成, 砂岩与下伏泥页岩呈突变接触, 底部发育槽模、侵蚀面等, 形成不完整鲍马序列Tab。

岩相组合C: 自下而上由粒序层理细— 粉砂岩相(Sg)、平行层理砂岩相(Sp)、交错层理粉砂岩相(Sc)3种岩相组成, 底面见槽模、侵蚀面, 形成不完整鲍马序列Tabc。

3.3 粒度特征

3.3.1 粒度参数特征

通过对采集的21个岩样进行粒度测试及参数统计分析(表 3)可知, 复合水道的平均粒径为-1.138~4.983Φ , 平均值为3.662Φ , 主要为细砂、粉砂和极少量砾石; 标准偏差值大多数为0.600~1.000, 平均值为0.885, 整体分选性中等; 偏度值为-0.172~0.232, 平均值为0.003; 峰度值为0.775~2.655, 平均值为1.072, 峰态多为正态窄峰, 表明沉积物粒径分布中等。

表 3 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道粒度参数特征 Table 3 Characteristics of particle size parameters of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

3.3.2 频率分布曲线和概率累积曲线

研究区复合水道样品粒度频率多数呈正态分布, 以单峰为主, 集中分布范围为3~5Φ , 表明岩性主要是细砂、粉砂。概率累积曲线反映沉积物搬运方式与粒度之间的关系, 拉什仲组复合水道砂体粒度概率累积曲线明显落在不同的区域, 并且其斜率、分截点和粒度分布范围存在明显差异, 根据这些差异将粒度概率累积曲线分为3种类型: 直线一段式、弯曲一段式及过渡两段式。

1)直线一段式: 由单一直线段组成, 表明粒度分布为正态, 曲线斜率为50° , 指示分选中等。粒径范围为1~5Φ , 以细砂、粉砂为主。本类曲线可代表水速及密度均较大, 全部沉积物呈悬浮负载(图 6-a)。

图 6 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道频率分布曲线与概率累积曲线Fig.6 Frequency curves and probability cumulative curves of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

2)弯曲一段式: 该类曲线具一定弧度, 为较好正态分布, 该曲线较直线一段式斜率略小、分选较优。粒径分布于1~6Φ , 为细砂、粉砂岩, 细粒组分较多。较直线一段式而言, 本类曲线代表的水速及密度有所减小, 但沉积物整体仍为悬浮沉积(图 6-b)。

3)过渡两段式: 该粒度概率曲线是以跳跃和悬浮总体组成的两段式, 跳跃总体组分低, 含量约30%, 粒度为1.8~3.5Φ , 为细砂, 悬浮组分含量60%~70%, 分选中等, 粒度为4~6Φ , 为粉砂。跳跃、悬浮总体间的分截点的粒度为3.7Φ 。该类曲线细粒成分占比较大(图 6-c)。

3.3.3 C-M图

奥陶系拉什仲组复合水道C-M图均由平行C=M基线的QR段构成。粒度范围为C=90~600 μ m, M=30~200 μ m, C/M值为3, 反映研究区复合水道沉积物递变悬浮搬运, 粒度展布范围较为集中, 分选中等(图 7)。

图 7 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道C-M图Fig.7 C-M diagram of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

4 成因分析

综合上述形态、岩性、沉积构造、古生物、粒度等特征可知: (1)研究区灰黑色泥页岩广泛分布及大量笔石遗迹化石, 表明整体为深水沉积环境; (2)水道岩性主要为砂岩、粉砂岩, 颗粒以石英为主, 且分选中等— 较差, 磨圆棱角— 次棱角状(图 4), 表明沉积物为异地搬运, 且搬运距离短, 快速沉积; (3)粒序层理、平行层理及交错层理、波状层理等沉积构造发育, 底部具槽模, 不完整鲍马序列组合常见(图 5), 具典型浊流沉积特征; (4)粒度概率累积曲线以一段式为主(图 6), 样点集中分布区间大致平行于C=M基线(图 7), 以悬浮载荷搬运为主。总体而言, 研究区发育深水原地沉积、重力流沉积以及可能伴随少量牵引流沉积, 其中, 以重力流沉积为主, 且可细分为碎屑流沉积以及浊流沉积。

1)深水原地沉积:以水平层理(泥)页岩相(Sh)为代表, 颜色主要为灰黑色; 水平层理发育, 含有丰富的笔石类化石; 生物扰动发育, Nereites深水遗迹为主, 指示水体较深、沉积水动力条件弱的环境。推测其为深水悬浮沉降作用下形成的。

2)碎屑流沉积:以块状层理砾屑灰岩相(Cm)为代表, 层内无明显组构, 基质支撑为主, 见大小不等、无定向排列次棱角状砾屑; 整体为块状或略显正递变层理(漂浮的砾石自下而上粒径总体减小), 显示在重力作用下以基质和杂基支撑的块体搬运机制, 以及以凝结方式快速堆积的沉积特点。可能为碎屑流以整体冻结方式发生的沉积。

3)浊流沉积, 发育3种岩相:(1)粒序层理砂岩相(Sg), 发育正粒序层理, 底部见槽模, 指示了浊流沉积, 是牛顿流变和紊流搬运和沉积的结果。其概率累积曲线为直线一段式, 为典型浊流悬浮沉降产物, 推测为鲍马序列a段。(2)平行层理砂岩相(Sp), 平行层理发育; 概率累积曲线为直线或弯曲一段式, 整体仍为悬浮沉降, 可能为鲍马序列b段。常与Sg组合形成不完整鲍马序列Tab即岩相组合B, 推测为浊流沉积的早期阶段或浊流能量减弱时悬浮沉降产物。(3)交错层理粉砂岩相(Sc), 交错层理, 波状层理发育, 可见少量破碎生屑与泥质; 概率累积曲线为弯曲一段式, 表明水动力能量减弱, 推测为低密度浊流悬浮沉降产物, 发育于鲍马序列c段, 常与Sg、Sp形成不完整鲍马序列Tabc即岩相组合C。然而, 若岩相Sp、Sc主要为泥质粉砂岩, 无明显粒度变化的粒序层理, 而交错层理和波状层理等沉积构造发育, 推测其是由携带沉积物的流体在水道内发生溢流而形成的天然堤沉积。

4)牵引流沉积:水道顶部细粒成分占比较大, 概率累积曲线呈现以跳跃和悬浮总体2部分组成的两段式, 推测为重力流发育后期能量减弱, 伴随着部分牵引流沉积。

5 演化特征

综合分析复合水道内部单一水道形态、岩相组合及粒度特征, 认为研究区复合水道自下而上大致经历4个演化期次。主要依据如下: (1)研究区水道宽度、厚度及宽厚比等形态参数均在垂向上呈现4个明显期次, 表现为由宽厚比较小的侵蚀型水道向宽厚比较大的沉积型水道转变(图 8); (2)研究区复合水道从早到晚经历了碎屑流沉积、浊流沉积、低密度浊流沉积和牵引流沉积过程, 不同岩相组合的发育与水道发育期次具有较好联动关系(表 4); (3)研究区水道的5种粒度参数在垂向上呈现4个明显期次(图 8), 且概率累积曲线也有较好的对应关系。研究区复合水道的发育演化特征具体如下。

图 8 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道垂向特征Fig.8 Vertical characteristics of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

表 4 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道演化特征 Table 4 Evolution characteristics of complex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

第 1 期包含单一水道C1— C4, 该期水道规模较大, 宽3~12.1 m, 厚0.41~1.12 m, 水道向下侵蚀作用明显。C1水道发育岩相组合A, 可能为整体冻结作用产物, C2— C4发育岩相组合B、C, 概率累积曲线以直线一段式为主, 为整体悬浮沉降沉积。该时期重力流流体较大, 水动力能量较强, 可能为碎屑流和密度较高的浊流沉积形成。

第2期包含单一水道C5— C7, 该期水道宽度较第1期明显增大, 宽8.3~21 m, 厚0.31~0.6 m, 向两侧侵蚀并沉积, 水道堤岸发育。发育岩相组合B、C, 概率累积曲线直线一段式和弯曲一段式为主。该期水动力能量有所减弱, 重力流流态可能转变为低密度浊流。

第3期由单一水道C8— C11组成, 该期水道宽6.2~15.9 m, 厚0.2~0.48 m。发育岩相组合B、C。概率累积曲线为一段式和过渡两段式。水道以弱侧向摆动迁移和弱加积, 水道粉砂岩与深水沉积泥岩互层, 且泥岩厚度增大。表明此时水动力能量减弱, 重力流流态仍为低密度浊流。

第4期内部发育单一水道C12— C13, 水道宽度2.4~8.2 m, 厚0.17~0.23 m, 岩性以粉砂为主, 发育岩相组合B, 概率累积曲线呈过渡两段式特征, 表明浊流能量进一步降低, 沉积物供给量减少, 水道逐渐消失废弃, 上覆深水原地沉积泥岩。

总体而言, 研究区复合水道在发育过程中经历4个演化期次, 从第1期到第4期水道经历由下切侵蚀— 侧向侵蚀充填— 弱侧向摆动迁移和弱加积充填及填平消亡的过程, 水道规模逐渐减小, 反映重力流能量的由强到弱的变化。

6 形成机理
6.1 主控因素

由于深水沉积体系的复杂性, 相对海平面变化、沉积物供给和构造运动等大尺度因素对复合水道形态及发育规模有所影响; 同时, 地形地貌、重力流流体性质等小尺度因素对复合水道内部发育的单一水道平面分布位置和沉积样式也会造成差异。

1)相对海平面变化。拉什仲组岩石样品Sr/Ba值在剖面上整体上具有向上先减小后增大的趋势(图 2), 指示相对海平面先升高再降低(肖彬等, 2013; 王振涛等, 2015, 2016), 表明拉什仲组从下至上重力流沉积规模先减小再增大, 自下而上发育复合水道、迁移水道、垂向叠加水道、孤立小水道(李华等, 2018, 2022)。其中, 复合水道发育时期, 相对海平面呈现高— 低下降变化, 促进物源产生和重力流发育(Zhang et al., 2018)。且该期处于重力流爆发早期, 流体能量较强, 侵蚀作用明显, 且物源供给充分, 从而在拉什仲组第1段下部发育一套复合水道沉积。随后海平面波动上升, 重力流能量减弱, 复合水道逐渐消亡(图 2)。

2)沉积物供给。拉什仲组剖面底面槽模的古水流方向主要为SW, 平均方位为230° , 与该时期的大陆斜坡方向基本一致, 表明该时期重力流自北东向南西推进(晋慧娟等, 2005; 李向东等, 2019)。结合复合水道大量发育砂岩, 推测物源主要为来自伊盟古陆的陆源碎屑物, 而其底部少量砾屑灰岩可能来自于鄂尔多斯古陆的碳酸盐沉积物。伊盟古陆和鄂尔多斯古陆地形较平坦, 侵蚀速度、物源供给量较小, 重力流发育规模较小, 故发育一套规模较小的复合水道沉积, 与通常重力流发育巨厚的分布面积广的大型深水水道有所区别。

3)构造运动。鄂尔多斯盆地西缘的沉积演化与贺兰裂陷槽的裂陷作用和秦祁洋的开裂扩张活动密切相关。早古生代秦祁洋扩张时, 贺兰裂陷槽开始裂陷, 至中奥陶世裂陷至最大, 以中奥陶乌拉力克组出现笔石页岩为水体最深的表现; 晚奥陶世— 志留纪秦祁洋俯冲消亡, 贺兰裂陷槽则处于充填封闭阶段(传婷婷, 2013; 许淑梅等, 2016)。拉什仲组沉积时期, 鄂尔多斯盆地西缘构造环境相对稳定, 海平面波动下降, 重力流水道沉积发育, 至奥陶世晚期, 受贺兰拗拉槽扩张影响, 西部沉积水体加深, 重力流发育减弱, 该区水道逐渐萎缩直至被上覆泥岩覆盖消失(晋慧娟等, 2005)。

4)重力流规模及能量的变化。深水水道发育过程中, 重力流规模及能量的变化会对水道的沉积规模、几何形态变化产生重要影响。研究区复合水道在发育过程中经历4个演化期次, 其规模由大至小反映重力流能量的由强到弱的变化。各期次复合水道的沉积演化通常经历早期下切侵蚀、中期充填沉积及晚期填平消亡等3个阶段。早期, 重力流的规模大、能量强时, 复合水道以侵蚀作用为主, 易形成限制性的水道发育环境; 随着重力流对下伏地层的侵蚀能力变弱时, 水道发育环境的限制性由强变弱, 主要以沉积作用为主, 水道内部碎屑物质开始大量沉降, 水道宽度明显增大。最终随着重力流能量衰减、物源供应不足, 水道顶部沉积深海泥质沉积物而消亡。重力流规模及能量的变化可能是导致不同期次复合水道的宽度、下切深度等差异的主要因素。

6.2 沉积模式

根据鄂尔多斯盆地西缘的沉积背景, 结合复合水道形态特征、演化期次和水道沉积控制因素, 建立了鄂尔多斯盆地西缘拉什仲组深水复合水道沉积模式(图 9)。

图 9 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系拉什仲组复合水道沉积模式Fig.9 Sedimentary model of comlex channel in the Ordovician Lashizhong Formation in western margin of Ordos Basin

拉什仲组沉积时期, 来自伊盟古陆的陆源碎屑物及少量鄂尔多斯古陆的碳酸盐沉积物沿坳陷区边缘斜坡自北东向南西缓慢搬运并发生沉积。在海平面变化、物源供应、区域构造活动等因素影响下, 重力流性质与能量强弱不断变化, 水道分布形态也不断变化。早期浊流能量强, 水道以侵蚀作用为主, 可利用的沟道空间较大。在一次浊流事件结束时, 水道未被完全充填, 后续的浊流到达时的能量高于先期浊流衰减时的能量, 水道底部出现不平衡, 导致早期浊流部分被侵蚀和水道向外侧的逐渐迁移。最终随着重力流能量衰减、物源供应不足, 水道最终被泥岩覆盖消亡。在经历多次浊流事件后, 最终形成复杂的多期次性充填与演化的深水复合水道。

7 结论

综合露头、薄片、粒度分析, 对鄂尔多斯盆地西缘桌子山地区奥陶系拉什仲组复合水道沉积特征、演化过程及沉积模式进行了研究, 主要有以下几方面的认识。

1)研究区复合水道整体上呈“ U” 形, 底部可见明显侵蚀面, 内部共发育13条透镜状或不规则“ U” 形单一水道, 其相互迁移、相互叠置, 且单一水道内部通常有1~4层砂体发育。

2)水道发育5种岩相(包括块状层理砾屑灰岩相(Cm)、粒序层理细— 粉砂岩相(Sg)、平行层理砂岩相(Sp)、交错层理粉砂岩相(Sc)、水平层理(泥)页岩相(Sh))和不完整鲍马序列组合Tab、Tabc。C-M图上粒度分析样点集中分布区间大致平行于基线, 概率累积曲线以一段式为主, 呈现重力流沉积特征。

3)根据复合水道内部单一水道形态、岩相组合及粒度等将复合水道分为4个期次, 从第1期到第4期水道经历由下切侵蚀— 侧向侵蚀充填— 弱侧向摆动迁移和弱加积充填及填平消亡的过程, 水道规模逐渐减小, 反映重力流能量的由强到弱的变化。

4)相对海平面变化、沉积物供给和构造运动等大尺度因素对复合水道形态及发育规模有所影响; 重力流规模及能量变化等小尺度因素影响复合水道内部发育的单一水道平面分布位置和沉积样式。受以上因素的影响, 研究区复合水道呈现复杂的多期次性充填与演化过程。

致谢 审稿专家及编辑提出了宝贵的意见和建议, 研究生黄伟、刘朱睿鸷、苏帅亦参加了野外及部分室内工作, 在此表示衷心的感谢。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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