研究区太原组灰岩类型主要有泥晶灰岩、(含)生屑泥晶灰岩、颗粒灰岩(生屑灰岩)和微生物灰岩(凝块灰岩与粘结生屑灰岩)。

1)泥晶灰岩。岩心上, 泥晶灰岩常呈灰色— 深灰色均质块状产出, 断面细腻平滑, 也可见由于成岩过程中上覆压力作用而形成的缝合线(图 3-a)。镜下可见泥晶灰岩呈棕色— 土黄色, 无颗粒沉积, 局部含有少量生屑颗粒, 含量小于5%(图 3-b)。

图 3

Fig.3

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图 3 鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩特征 a— 泥晶灰岩, 岩心照片, Q36井, 2822.55 m; b— 图a局部放大特征, 泥晶灰岩, 单偏光, Q36井, 2822.55 m; c— 含生屑泥晶灰岩, 岩心照片, J21井, 3416.76 m; d— 生屑灰岩, 岩心照片, L134井, 4035.26 m; e— 生屑灰岩, 单偏光, L134井, 4035.26 m; f— 生屑灰岩, 岩心照片, Q31井, 2901.79 m; g— 粘结生屑灰岩, 岩心照片, T58井, 3414.16 m; h— 粘结生屑灰岩, 单偏光, T58井, 3414.16 m; i— 凝块灰岩, 单偏光, Y36井, 3035.78 mFig.3 Characteristics of the Taiyuan Formation limestone in mid-eastern Ordos Basin

2)(含)生屑泥晶灰岩。生屑含量10%~50%, 碳酸盐岩泥占比大于50%。岩心上, 呈灰色均质块状产出, 断面较粗糙, 用手触摸有细微颗粒感, 可见生屑呈斑点状分布, 缝合线发育, 发育眼球眼皮构造, 常以灰岩与泥灰岩韵律互层的形式出现(图 2; 图 3-c)。镜下多为棕色— 褐色, 生物碎屑大小不一、杂乱分布于灰泥中, 被方解石胶结物和基质碳酸盐岩泥胶结, 常见的是棘皮类、腕足类等生物碎屑。

3)生屑灰岩。宏观上呈深灰色— 褐灰色块状, 逆粒序, 自然断面粗糙, 裸眼可见有孔虫等生屑颗粒轮廓, 裂缝发育(图 3-d)。镜下见大量棘皮类、有孔虫等生屑发育, 颗粒支撑(图 3-e), 生屑多呈点— 线接触, 粒径0.1~0.6 mm, 生屑颗粒之间主要为亮晶方解石胶结物或泥质充填(图 3-f)。该岩石类型研究区出现频率较高。

4)微生物灰岩。岩心上常呈浅灰色— 深灰色, 隐约可见具斑块状(图 3-g)。研究区太原组主要可以识别出微生物粘结生屑灰岩和微生物凝块灰岩2种类型。前者镜下可见各种生屑(如有孔虫、介壳等)相互粘结在一起, 生屑铸模孔发育(图 3-h); 后者镜下颜色较深部分为凝块格架, 格架边缘模糊, 明暗相间, 格架间为方解石半充填/全充填, 格架孔发育(图 3-i)。微生物凝块灰岩厚度多为几十厘米, 规模较小, 发育频率较低。

研究区内的混积岩主要是指陆源碎屑与碳酸盐岩(包括异化粒等)在沉积上的混合, 主要识别出(含灰)灰质砂岩、(含砂)砂质灰岩、(含泥)泥质灰岩、(含灰)灰质泥岩4种类型。(含灰)灰质砂岩中, 灰质含量较低, 小于25%, 岩心上多见砂岩呈灰黑色块状(图 4-a), 镜下可见大多为石英颗粒, 粒间充填残余灰质(图 4-b)。(含砂)砂质灰岩中, 砂质含量较低, 小于25%, 主要以灰岩为主, 镜下石英颗粒分散分布在灰质间(图 4-c)。(含泥)泥质灰岩中, 泥质含量较低, 小于25%, 岩心与镜下多见泥质条带发育, 生屑颗粒之间充填泥质(图 4-d, 4-e)。(含灰)灰质泥岩中, 泥岩为主要成分, 镜下多见灰质残余(图 4-f)。

图 4

Fig.4

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	图 4 鄂尔多斯盆地中东部太原组混积岩特征 a— 灰质砂岩, 岩心照片, Y12井, 1936.38 m; b— 灰质砂岩, 单偏光, J26井, 3078.95 m; c— 砂质灰岩, Y15井, 2109.70 m; d— 泥质灰岩, 岩心照片, S24井, 2018.80 m; e— 泥质灰岩, 单偏光, M3井, 2332.3 m; f— 灰质泥岩, 单偏光, M24井, 2282.26 mFig.4 Characteristics of mixed sedimentary rocks of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

研究区可识别出的碎屑岩主要有砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和煤岩, 其中砂岩又可分为粗砂岩、中粗砂岩和细砂岩。粗砂岩和中粗砂岩表现为岩心上多呈灰色块状, 石英颗粒具有油脂光泽, 多发育底冲刷构造(图 5-a), 镜下可见主要由石英颗粒组成, 颗粒间充填泥质及黏土矿物(图 5-b, 5-c)。泥质粉砂岩宏观岩心多发育水平纹层状泥质条带(图 5-d), 镜下主要为泥质与粉砂岩韵律互层(图 5-e)。泥岩脆性较强, 宏观上多呈黑色片状(图 5-f), 常发育黄铁矿(图 5-g), 镜下多表现为土黄色泥岩, 可见少量泥砾(图 5-h)。煤岩岩心主要为黑色块状, 密度小, 质量轻, 局部可见炭屑(图 5-i)。

图 5

Fig.5

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	图 5 鄂尔多斯盆地中东部太原组碎屑岩特征 a— 砾岩/粗砂岩, 岩心照片, S109井, 2068.59 m; b— 中粗砂岩, 单偏光, T121井, 2473.22 m; c— 中粗砂岩, 正交偏光, T121井, 2473.22 m; d— 泥质粉砂岩, 岩心照片, ZT1H井, 2520.49 m; e— 泥质粉砂岩, 单偏光, J26井, 3086.54 m; f— 泥岩, 岩心照片, SP1井, 2566.83 m; g— 泥岩, 岩心照片, Y36井, 3034.29 m; h— 泥岩, 单偏光, M115井, 2055.10 m; i— 煤岩, 岩心照片, SP1井, 2561.15 mFig.5 Characteristics of clastic rocks of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

太原组沉积期, 受北部伊盟古陆影响, 研究区的北部以滨浅海三角洲陆源碎屑沉积为主, 南部以海相碳酸盐岩台地沉积为主。根据实际岩心和薄片观察, 将太原组划分为颗粒滩、微生物丘、潮坪、三角洲平原、三角洲前缘、前三角洲6个沉积亚相, 其中海相碳酸盐岩台地进一步划分为生屑滩、滩间海、丘基(丘间海)、丘核、开阔海、潮间带(泥灰坪)、潮上带(泥坪)等7种沉积微相(表 1)。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 鄂尔多斯盆地中东部太原组沉积相划分 Table1 Division of sedimentary facies units of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin 沉积相类型 亚相 微相 发育岩性 相标志 测井相 碳酸盐岩 台地相 颗粒滩 生屑滩、滩间海 灰色含泥生屑质灰岩、生屑灰岩 下细上粗(逆粒序) 低幅箱形、中低幅漏斗形 微生物丘 丘基(丘间海)、丘核 深灰色凝块灰岩、粘结生屑灰岩 微生物格架、格架孔 低幅箱形、中低幅漏斗形 开阔海 深灰色泥晶灰岩、含生屑泥晶灰岩 块状、眼球眼皮构造 低幅箱形 潮坪 潮间带(泥灰坪)、潮上带(泥坪) 深灰色泥灰岩、灰黑色泥岩 泥灰混杂、碳屑、铁质结核 低幅线形、齿形 三角洲相 三角洲平原 水上分流河道、堤岸、沼泽 黄灰色砾岩、灰色砂岩、泥灰黑色岩、黑色煤岩 底冲刷面、下粗上细(正粒序)、碳屑、铁质结核、板状交错层理 中幅箱形、中低幅齿形 三角洲前缘 水下分流河道、分流间湾、远砂坝 灰白色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩 正粒序、逆粒序、波状交错层理 中幅箱形、钟形、低幅线形、中幅漏斗形 前三角洲 前三角洲泥 灰黑色粉砂质泥岩、泥岩 水平层理 低幅线形

表 1 鄂尔多斯盆地中东部太原组沉积相划分 Table1 Division of sedimentary facies units of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

1)开阔海(滩间海、丘间海)。通常指海水循环较好、盐度基本正常的浅海, 其水体能量一般较低, 岩石类型以泥晶灰岩和含生屑泥晶灰岩(图 3-a, 3-b)为主, 颗粒含量较少, 岩石多呈灰色、深灰色, 中厚层至块状, 区内多以块状、眼球眼皮灰岩的形式呈现(图 3-c)。沉积构造包括生物扰动构造, 缺乏层理构造, 此外, 盆地东缘露头剖面常发育丘状交错层理, 偶尔可见部分风暴碎屑夹于正常的碳酸盐岩沉积之中(郭艳琴等, 2021; 宋慧波等, 2023)。自然伽马曲线多为低幅度箱形(图 1; 图 2)。

2)颗粒滩。区内颗粒滩类型主要为生屑滩, 多发育于局部微地貌高地, 常位于浪基面附近或之上, 沉积水体能量较高, 为有孔虫、棘皮类、腕足类等生物碎屑原地堆积而成。岩石类型主要为灰色— 灰褐色块状生屑灰岩和含泥生屑灰岩(图 3-d), 生屑颗粒间被泥质或不溶残余物充填(图 3-e), 垂向上常以下细上粗(逆粒序)的形式出现。自然伽马曲线多表现为低幅箱形或中低幅度漏斗形(图 1; 图 2)。

3)微生物丘。是指由蓝细菌等微生物通过物理化学作用沉淀灰泥并固结成岩而形成的碳酸盐岩建造((Flü gel, 2010; 席胜利等, 2017)。研究区内多表现为台地内部正常浪基面至平均低潮线之间的主要由微生物建造形成的丘状碳酸盐岩建隆。岩石类型主要以深灰色— 灰褐色微生物凝块灰岩和粘结生屑灰岩(图 3-g)为主, 多发育微生物格架, 格架孔发育(图 3-i), 逆粒序。自然伽马曲线常呈中低幅度漏斗形(图 1; 图 2)。

4)潮坪。通常处于台地内部平均低潮线至平均高潮线这一区间, 研究区内主要发育潮间带和潮上带。潮间带至潮上带波浪作用较弱, 多受潮汐作用控制, 向上部碳酸盐矿物含量减少, 植被逐渐发育。岩石类型以含生屑泥灰岩(图 4-d, 4-e)和碳质泥岩为主, 常见泥灰混杂、碳屑和铁质结核(图 5-g)。自然伽马曲线呈低幅度线形、齿形(图 1; 图 2)。

5)三角洲平原。区内以水上分流河道和堤岸沉积为主, 部分地区沼泽化。水上分流河道和堤岸的主要岩石类型为砾岩、砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩, 沼泽以碳质泥岩和黑色煤岩为主, 常见的沉积构造包括板状交错层理、冲刷— 充填构造(图 5-a)、正粒序、铁质结核(图 5-g)等。水上分流河道自然伽马曲线呈中幅度箱形、钟形, 堤岸自然伽马曲线呈中低幅度齿形(图 1; 图 2)。

6)三角洲前缘。以水下分流河道、分流间湾和远砂坝沉积为主。水下分流河道和分流间湾为水上分流河道的水下延伸部分, 以中粗砂岩、粉砂岩和泥岩为主(图 5-d, 5-e)(侯明才等, 2011)。远砂坝位于三角洲前缘以外, 以波浪作用为主, 由砂体卸载堆积而成, 垂向上常以下细上粗的形式出现, 岩石类型主要以泥岩、泥质粉砂岩、细粉砂岩、钙质粉砂岩(图 4-a, 4-b)为主, 沉积构造包括波状交错层理、脉状层理、逆粒序等。水下分流河道自然伽马曲线多呈中幅度钟形, 分流间湾呈低幅线形, 远砂坝则呈中幅漏斗形(图 1; 图 2)。

7)前三角洲。大部分沉积物是形成于浪基面之下, 基本上不受波浪影响。沉积物主要为黑色泥岩(图 5-f)和粉砂质泥岩, 常富含有机质, 发育水平层理。自然伽马曲线常呈中低幅度线形(图 1; 图 2)。

通过对鄂尔多斯盆地中东部太原组大量岩心的宏微观特征精细观察与描述发现, 研究区内多种岩石类型构成了类型丰富的多种向上变浅沉积序列。结合沉积相分析, 在太原组内识别出6种不同类型的典型沉积序列。

1)序列1: 开阔海— 生屑滩。岩性构成由下至上依次为: 含生屑泥灰岩→ 泥晶灰岩→ 含生屑泥晶灰岩→ 泥灰岩→ 含生屑泥晶灰岩→ 生屑灰岩(图 6-a)。序列底部为灰黑色薄层含生屑泥灰岩, 厚度0.15 m; 中下部由深灰色泥晶灰岩演变为中层状发育眼球眼皮构造的含生屑泥晶灰岩, 厚度1.92 m; 向上为薄层泥灰岩, 与下伏含生屑泥晶灰岩构成不平整的岩性突变面; 中上部由含生屑泥晶灰岩(厚度0.75 m)向生屑灰岩转变; 顶部见暴露面, 暴露面之下为灰褐色生屑灰岩, 厚度0.68 m; 之上为灰色泥晶灰岩(图 6-a)。结合沉积相分析(表 1), 认为其构成开阔海— 生屑滩的典型沉积序列。

图 6

Fig.6

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	图 6 鄂尔多斯盆地中东部太原组典型沉积序列类型1和类型2 a— 典型沉积序列1(J30井, 3211.80~3215.60 m); b— 典型沉积序列2(J25井, 3042.00~3044.85 m)Fig.6 Typical sedimentary sequence types 1 and 2 of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

2)序列2: 生屑滩— 微生物丘。以发育生屑滩与微生物丘叠置为特征, 由下至上依次由深灰色含生屑泥晶灰岩→ 灰褐色生屑灰岩→ 灰色含生屑泥晶灰岩→ 灰褐色粘结生屑灰岩。序列底部为深灰色块状含生屑泥晶灰岩, 厚度0.36 m; 向上生屑含量逐渐增多, 演变为灰褐色生屑灰岩, 厚度0.44 m, 逆粒序; 序列中部和上部发育2套微生物灰岩, 均表现为下部含生屑泥晶灰岩、上部灰褐色粘结生屑灰岩, 厚度分别为0.90 m和0.85 m; 微生物灰岩顶部常见不规则暴露面, 具有近原地角砾化特征(图 6-b)。结合沉积相分析(表 1), 认为其构成生屑滩— 微生物丘的典型沉积序列。

3)序列3: 开阔海— 泥灰坪— 泥坪— 煤沼。岩性构成较为复杂, 依次为灰色含生屑泥晶灰岩→ 灰黑色泥灰岩→ 灰黑色泥岩→ 黑色煤岩。序列底部为灰色块状含生屑泥晶灰岩, 厚度0.37 m; 中下部为灰黑色泥灰岩, 局部可见少量生屑, 厚度0.58 m; 向上泥质含量增多, 灰质含量减少, 逐渐过渡为灰黑色含碳屑泥岩, 厚度0.50 m; 序列顶部为一套黑色煤岩, 厚度0.33 m(图 7-a)。结合沉积相分析(表 1), 认为其构成开阔海— 泥灰坪— 泥坪— 煤沼的典型沉积序列。

图 7

Fig.7

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	图 7 鄂尔多斯盆地中东部太原组典型沉积序列类型3和类型4 a— 典型沉积序列3(T122井, 3517.60~3520.08 m); b— 典型沉积序列4(ZT1H井, 2521.34~2522.53 m)Fig.7 Typical sedimentary sequence types 3 and 4 of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

4)序列4: 分流间湾— 远砂坝。一般单个序列厚度较小, 垂向岩性组合为灰黑色粉砂质泥岩→ 灰色粉砂岩→ 灰色中粗砂岩。序列下部主要由黑色泥岩与灰黑色粉砂质泥岩韵律互层构成, 厚度0.35 m; 序列中部为灰色含泥粉砂岩, 厚度0.32 m; 向上泥质含量减少, 颗粒粒径逐渐增大, 变为灰色中粗砂岩沉积, 逆粒序, 厚度0.34 m(图 7-b)。结合沉积相分析(表 1), 认为其构成分流间湾— 远砂坝的典型沉积序列。

5)序列5: 分流河道— 堤岸— 泥沼— 煤沼。由下至上岩性依次为: 灰色中粗砂岩→ 灰色粉砂岩→ 灰黑色泥质粉砂岩→ 黑色泥岩→ 黑色煤岩。序列下部为厚层灰色含岩屑中粗砂岩, 常见低冲刷面, 厚度1.71 m; 向上颗粒粒径减小, 演变为灰色粉砂岩和灰黑色泥质粉砂岩, 厚度分别为0.42 m和0.27 m; 顶部由黑色泥岩与煤岩组成, 厚度1.20 m(图 8-a)。结合沉积相分析(表 1), 认为其构成分流河道— 堤岸— 泥沼— 煤沼的典型沉积序列。

图 8

Fig.8

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	图 8 鄂尔多斯盆地中东部太原组典型沉积序列类型5和类型6 a— 典型沉积序列5(SP1井, 2562.60~2566.90 m); b— 典型沉积序列6(SP1井, 2559.56~2562.50 m)Fig.8 Typical sedimentary sequence types 5 and 6 of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

6)序列6: 泥沼— 煤沼。岩性构成最为单一, 主要以煤岩发育为主。仅底部发育薄层黑色泥岩, 常见植物化石, 厚度0.05~0.21 m; 向上演变为块状中厚层黑色煤岩, 厚度0.35~1.46 m(图 8-b)。结合沉积相分析(表 1), 认为其构成泥沼— 煤沼的典型沉积序列。

对上述岩石学特征及沉积相综合分析发现, 鄂尔多斯盆地中东部下二叠统太原组经历了由陆相三角洲(碎屑沉积)→ 海陆过渡相(混积)→ 海相碳酸盐台地(碳酸盐岩沉积)的沉积演化。太原组沉积期, 沉积水体为微咸水— 淡水、氧化— 还原至还原的过渡环境, 古气候持续温暖潮湿, 是重要的成煤期(赵剑, 2021)。之后受到鄂尔多斯盆地西北部隆升和海西运动的影响, 盆地东南地区的相对拗陷区域汇入来自北部高地的大量物源, 在陆表海的共同作用下, 研究区北部靠陆一侧, 由陆向海依次发育沼泽→ 分流河道→ 泥坪→ 泥灰坪→ 远砂坝沉积; 而南部向海方向, 随着陆源影响逐渐减弱, 开始沉积碳酸盐岩。开阔海域等位于浪基面之下的低能环境主要沉积泥晶灰岩或含生屑泥晶灰岩, 局部位于浪基面之上的微地貌高地以发育生屑灰岩和粘结生屑灰岩为主, 为生屑滩/微生物丘沉积(图 9)。由此形成了一套陆相三角洲— 海相碳酸盐台地混合沉积体系(台地过渡沉积体系), 整体具有“ 北砂南灰, 上覆泥煤” 的沉积充填模式(图 10)。

图 9

Fig.9

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	图 9 鄂尔多斯盆地中东部太原组沉积相横向对比剖面Fig.9 Cross section comparison of sedimentary facies of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin

图 10

Fig.10

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	图 10 鄂尔多斯盆地中东部太原组沉积模式Fig.10 Sedimentary model of the Taiyuan Formation in mid-eastern Ordos Basin