王起琮,張 宇,楊奕華,楊偉利,李 潔

(西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065)

鄂爾多斯盆地奧陶系中統(tǒng)馬家溝組[1-3]是在早古生代二級海平面上升過程中,形成的一套內(nèi)源盆地的碳酸鹽巖建造。前人曾根據(jù)地層巖性的變化規(guī)律,進行了層序地層劃分[4-6],由于對地層界面及層序邊界的認識不盡一致,形成了多套層序地層劃分方案。

近年來，Catuneanu等學者在長期理論研究與實踐的基礎(chǔ)上,為了解決一套地層存在不同層序地層劃分方案的問題,基于對經(jīng)典層序地層學的深刻反思和論證,指出了經(jīng)典層序地層學對于層序邊界的誤判等問題,提出了標準化層序地層學的理念,明確了層序內(nèi)客觀存在的6個地層界面,重新確定了層序邊界、低位正常海退、海侵、高位正常海退以及強制海退體系域的劃分原則[7-11]。

本文在前人研究基礎(chǔ)之上,應(yīng)用標準化層序地層學理論,開展了馬家溝組層序地層劃分研究,探討了層序地層對馬家溝組碳酸鹽巖的沉積、成巖序列構(gòu)成以及巖相分布的控制作用。

1 馬家溝組層序地層劃分

鄂爾多斯盆地馬家溝組屬于下古生界奧陶系中統(tǒng)[1-3],是一套以碳酸鹽巖為主的海相地層。按2016年國際地層年表計算,馬家溝組的地層年齡為(470±1.4)～(458.4±0.9)Ma，形成于11.2～12.1 Ma的時間段內(nèi)。

依據(jù)標準化層序地層理論[7]以及地層巖性特征與變化規(guī)律認為，馬家溝組形成于二級海平面上升初期,屬于二級層序的低位體系域。作者曾將馬家溝組劃分為3個三級層序[12],但考慮到以泥晶灰?guī)r為主的馬五5亞段雖然厚度薄(25～40 m),但分布范圍廣,應(yīng)該形成于大規(guī)模的海侵過程;另外,達瑞威爾階延續(xù)了約8.9 Ma,將其劃分為3個與大灣階(約2.7 Ma)相當?shù)暮Ｆ矫孀兓芷诟鼮楹侠?。因?本文將馬家溝組劃分為4個三級層序(見表1),并根據(jù)4個主要地層界面,即強制海退終止面、初次海泛面、最大海泛面及強制海退起始面,自下而上將每個三級層序劃分為低位、海侵、高位正常海退和強制海退4個體系域(見圖1)。

碳酸鹽臺地的層序及各體系域形成于海平面變化的不同階段,地層的巖性及分布范圍變化大。由于以碳酸鹽和蒸發(fā)鹽等內(nèi)源化學或生物沉積為主,其沉積方式、成巖過程及地層疊置樣式完全不同于外源盆地的碎屑巖地層。在奧陶紀末開始的二級海平面下降過程中,華北地臺上升為陸地,導致中、上奧陶統(tǒng)遭受了長期的風化剝蝕作用,形成殘缺不全的二級層序。上奧陶統(tǒng)的殘余地層僅分布于盆地的西、南緣,中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬六段的殘余地層僅分布于陜北斜坡東南部局部地區(qū),馬五1-2亞段的殘余地層分布較廣,主要分布于陜北斜坡的中東部地區(qū)。

表1 鄂爾多斯盆地奧陶系中統(tǒng)馬家溝組標準化層序地層劃分方案Tab.1 Standardized sequence stratigraphic division schemc of Majiagou Formation of Middle Ordovician in Ordos Basin

圖1 鄂爾多斯地中東部榆9井奧陶系中奧陶統(tǒng)馬家溝組層序地層劃分綜合柱狀圖Fig.1 The composite histogram of sequence stratigraphic division of Middle Ordovician Majiagou Formation of Well Yu 9 in the east-central Ordos Basin

2 層序演化與沉積作用

內(nèi)源盆地的碳酸鹽產(chǎn)率和沉積方式?jīng)Q定于海平面和水深的變化。碳酸鹽產(chǎn)率與水深密切相關(guān),在深度小于10 m的透光層水域中,由于光照充分，營養(yǎng)物質(zhì)豐富,生物繁殖率及粒狀碳酸鹽產(chǎn)率最高；之后隨著水深增加，碳酸鹽產(chǎn)率急速下降[13-14]。根據(jù)碳酸鹽產(chǎn)率與海平面變化的相對關(guān)系,Jones將碳酸鹽沉積方式劃分為追補、并列、前積等3種方式(見圖2)[14]。在三級海平面變化周期中(2～5 Ma),隨海平面緩慢加速上升、快速直線上升、緩慢減速上升及持續(xù)下降,碳酸鹽臺地上可形成完整的三級層序。在海平面變化的不同階段,內(nèi)源沉積物以不同的沉積方式形成低位、海侵、高位正常海退以及強制海退4個體系域(見圖3)。

1)低位體系域:形成于三級海平面早期緩慢上升階段,臺地首次被海水淹沒,此時由于氣候炎熱干旱,海水蒸發(fā)速度高于海水補充速度,拗陷區(qū)成為半封閉海灣或潟湖;由于四級海平面上升時潟湖有海水補充,因此沉積了厚層石鹽;蒸發(fā)臺地的孔隙水鹽度較低,因此沉積了石膏、云泥及黏土。當海水補充速度超過海水蒸發(fā)速度,水體鹽度下降,拗陷區(qū)轉(zhuǎn)化為石膏及含膏云泥沉積;潮上帶則以陸源泥質(zhì)沉積為主；臺地邊緣以準同生云泥及碳酸鹽礫屑沉積為主(見圖3a)。

2)海侵體系域:形成于三級海平面中期快速上升階段,碳酸鹽產(chǎn)率低于海平面上升速度,其間海岸線向岸遷移發(fā)生海侵過程。由于水深增加、海水鹽度降低及氣候轉(zhuǎn)暖,濱岸和潮坪環(huán)境成為適宜生物生存和繁殖的環(huán)境,碳酸鹽沉積物以追補方式進行加積(見圖2)。潮上帶屬于低能環(huán)境,沉積物以薄層灰泥為主;潮間帶上部為中低能環(huán)境,以灰泥沉積為主,下部為高能環(huán)境,以藻礁、藻席、鮞粒、砂屑、礫屑及生屑等灰質(zhì)顆粒沉積為主;潮下帶水動力弱,以堆積厚層含粒及粒質(zhì)灰泥沉積為主,其中發(fā)育大量生物擾動構(gòu)造;前緣斜坡碳酸鹽產(chǎn)率低,以砂、礫屑灰?guī)r等碳酸鹽重力流沉積為主(見圖3b)。

3)高位正常海退體系域:形成于三級海平面上升末期的減速上升階段,碳酸鹽產(chǎn)率高于海平面上升速度,大量灰質(zhì)顆粒沉積物以并進加積或溢出前積方式向盆地內(nèi)堆積(見圖2),從而引起海岸線向盆地內(nèi)遷移的海退過程。潮上低能帶以薄層灰泥或云泥為主;潮間中—高能帶以藻礁、藻席、鮞粒、砂屑、生屑沉積為主,潮下低能帶以含粒及粒質(zhì)灰泥沉積為主;前緣斜坡區(qū)以礫屑灰?guī)r等碳酸鹽重力流沉積為主(見圖3c)。

圖2 碳酸鹽臺地沉積方式(據(jù)Jonse,1992)Fig.2 The sedimentation patterns on the carbonate platform(After Jonse,1992)

4)強制海退體系域:形成于三級海平面持續(xù)下降階段。由于氣候炎熱干旱,拗陷區(qū)形成封閉或半封閉的局限臺地,隨著海水的不斷蒸發(fā),潟湖中依次沉積云泥、石膏、石鹽等;蒸發(fā)臺地上以風暴砂、礫屑沉積為主,同時遭受剝蝕及淡水淋濾溶蝕作用,風化剝蝕產(chǎn)物在前積作用下(見圖2),堆積于潟湖周圍,形成礫屑沉積物;臺地前緣斜坡以厚層的碳酸鹽重力流沉積為主(見圖3d)。

圖3 碳酸鹽臺地三級層序及其體系域沉積模式Fig.3 The sedimentary model of system tractsin sequence stratigraphy on carbonate platform

3 層序格架中的沉積與成巖序列

淺埋藏期的成巖作用是影響碳酸鹽巖類型及其巖性特征的決定性因素。海平面升降過程中形成的層序地層格架,不僅制約著其碳酸鹽臺地的沉積相類型與分布,同時也制約著其成巖環(huán)境與成巖作用方式。由于處于二級海平面上升的不同階段,馬家溝組的4個三級層序及其體系域,在沉積、成巖等各方面均具有不同的特征;在碳酸鹽臺地內(nèi)部、古陸周圍以及臺地邊緣等不同位置,相同體系域的沉積與成巖序列也存在明顯差異。

1)低位體系域:馬家溝組4個層序的低位體系域分別是馬一段、馬三1-2、馬五6上和馬五1-2亞段。低位體系域的底界是強制海退結(jié)束面,即海平面開始上升的海侵面;頂面為初次海泛面,是海水補充速度超過蒸發(fā)速度時形成的巖性轉(zhuǎn)換面,即石鹽巖到硬石膏巖或泥晶云巖到泥晶灰?guī)r的巖性轉(zhuǎn)換面。潟湖內(nèi)的低位體系域自下而上主要由云泥、石膏、石鹽、石膏、云泥構(gòu)成沉積序列;淺埋藏期經(jīng)準同生云化、壓實、脫水及膠結(jié)作用,形成由泥晶云巖、硬石膏巖、石鹽巖、硬石膏巖及泥晶云巖組成的成巖序列(見圖4a)。古陸周圍的潮上帶由陸源泥質(zhì)、含膏云泥及云泥組成沉積序列;經(jīng)淺埋藏期的壓實成巖以及早期淡水溶蝕作用,最終形成由含云泥巖、次生灰?guī)r、巖溶角礫云巖(見圖5a)構(gòu)成的成巖序列(見圖4b)。臺地邊緣由于水動力較強,沉積物以灰質(zhì)顆粒為主;淺埋藏期經(jīng)回流滲透白云化作用,形成以殘余顆粒結(jié)晶云巖為主的成巖序列(見圖4c)。

馬家溝組底部的馬一段形成于臺地初次海侵的過程,其下部多見濱岸相薄層石英砂巖及陸源泥質(zhì)巖;上部的馬五1-2亞段受表生巖溶作用影響較大,馬五2亞段以淡水去膏化次生灰?guī)r為主,膏云巖僅分布于巖溶盆地的局部地區(qū)(見圖7i)。由石膏、含膏云泥及云泥構(gòu)成的原始沉積序列,在淺埋藏期經(jīng)壓實、脫水及早期淡水溶蝕等成巖作用,形成由硬石膏巖和泥晶云巖構(gòu)成的成巖序列;進入表生期后,又經(jīng)巖溶作用形成以次生灰?guī)r及巖溶角礫云巖為主的成巖序列。

圖4 鄂爾多斯盆地奧陶系中統(tǒng)馬家溝組碳酸鹽臺地層序格架內(nèi)的沉積與成巖序列模式Fig.4 Sedimentary and diagenetic sequence patterns in carbonate platform sequence stratigraphic framework of Middle Ordovician Majiagou Formation, Ordos Basin

2)海侵體系域:馬家溝組4個層序的海侵體系域分別為馬二3，馬四2，馬五5下，馬六下亞段。海侵體系域底界是初次海泛面,位于厚層泥晶灰?guī)r的底面,其頂面是最大海泛面,為泥晶灰?guī)r與云斑灰云巖或殘余結(jié)構(gòu)白云巖的分界面。

拗陷區(qū)海侵體系域的沉積序列主要由泥晶灰?guī)r及含粒泥晶灰?guī)r構(gòu)成;淺埋藏期經(jīng)壓實、固結(jié)及壓釋水云化作用,形成云斑構(gòu)造含云灰?guī)r或云灰?guī)r(見圖4a)。海侵期古陸周圍由潮坪藻席、粒質(zhì)灰泥及泥質(zhì)云泥等組成沉積序列;淺埋藏期經(jīng)壓實固結(jié)、隱伏滲透和活躍回流滲透云化作用[12，15],形成由紋層泥晶灰?guī)r(見圖5b)、云斑灰云巖及殘余結(jié)構(gòu)云巖構(gòu)成的成巖序列(見圖4b)。臺地邊緣的沉積序列主要由高能生物礁或淺灘環(huán)境的藻礁和灰質(zhì)顆粒組成;淺埋藏期經(jīng)文石溶解、海水潛流膠結(jié)及回流滲透云化作用,形成由藻灰?guī)r、云斑云灰?guī)r及殘余結(jié)構(gòu)結(jié)晶白云巖構(gòu)成的成巖序列(見圖4c)。

3)高位正常海退體系域:馬家溝組4個層序的高位體系域分別是馬二1-2，馬四1，馬五5上，馬六中亞段。臺地上缺失馬六中亞段,殘余地層僅分布于臺地西南緣。底界為最大海泛面,是泥晶灰?guī)r或云灰?guī)r與白云巖的分界面,頂界為強制海退起始面,即白云巖與硬石膏巖的分界面。

臺地上高位體系域的沉積序列由生物擾動含?；蛄Ｄ嗷夷唷⒃褰?、藻席及灰質(zhì)顆粒構(gòu)成;淺埋藏過程中,生物鉆孔內(nèi)疏松的灰質(zhì)組分受強制海退期的富鎂中—高鹽度海水及壓釋水的回流滲透云化作用[15],形成云斑含云灰?guī)r、云灰?guī)r、灰云巖以及含灰云巖(見圖4a)。古陸周邊及臺地邊緣的沉積序列主要由藻礁、鮞粒、砂屑、生屑等組成;淺埋藏期經(jīng)文石溶解、海水潛流膠結(jié)、隱伏和活躍回流云化作用,形成由云斑構(gòu)造灰云巖(見圖5c)等過渡巖和殘余顆粒結(jié)構(gòu)云巖(見圖5d)構(gòu)成的成巖序列(見圖4b，c)。

4)強制海退體系域:馬家溝組4個三級層序的強制海退體系域分別是馬三3， 馬五10～6上， 馬五4～3，馬六上亞段,臺地上缺失馬六上亞段,其殘余地層主要分布于臺地西南緣。底界面為強制海退開始面,潮上帶為侵蝕間斷面,潮間到潮下帶為泥晶云巖的底界面;頂面為強制海退起始面,在潮上帶對應(yīng)于風暴礫屑沉積的頂界面,水下為石鹽巖到硬石膏巖的巖性轉(zhuǎn)換面。

局限臺地強制海退體系域的沉積序列由云泥、石膏、石鹽及泥質(zhì)構(gòu)成;埋藏期經(jīng)準同生、壓實及脫水等成巖作用,形成由泥晶云巖、硬石膏巖、石鹽巖組成的成巖序列(見圖4a)。蒸發(fā)臺地的沉積序列主要由云泥、含膏云泥、風暴云質(zhì)礫屑構(gòu)成;淺埋藏階段經(jīng)壓實、淡水淋濾溶蝕及交代作用,形成主要由含鑄?？啄嗑г茙r(見圖5e)、去膏化或去云化的次生灰?guī)r(見圖5f)、殘余礫屑含泥含灰云巖等構(gòu)成成巖序列(見圖4b)。臺地邊緣以風暴云質(zhì)角礫沉積為主;埋藏期經(jīng)壓實和膠結(jié)作用,形成由角礫云巖、泥云巖或云泥巖組成的成巖序列,頂部發(fā)育以侵蝕間斷面為特征的層序邊界(見圖4c)。

圖5 鄂爾多斯盆地南部富平金粟山剖面奧陶系中統(tǒng)馬家溝組巖性特征Fig.5 Lithologic characteristics of Middle Ordovician Majiagou Mormation on Fuping Jinsushan outcrop in the south of Ordos Basin

4 巖相分布特征與規(guī)律

始于奧陶紀末的二級海平面下降導致整個華北地臺上升為陸地,并經(jīng)歷了一億多年的風化剝蝕作用。臺地內(nèi)的上奧陶統(tǒng)剝蝕殆盡,僅殘存中奧陶統(tǒng)馬家溝組SQⅠ，SQⅡ，SQⅢ和SQⅣ的低位體系域,臺地西南緣埋藏深度大,因此中、上奧陶統(tǒng)得以保存。根據(jù)盆地內(nèi)200余口測井解釋數(shù)據(jù),應(yīng)用單組分繪圖及多組分綜合分析方法[16],以體系域為單位,繪制了馬家溝組巖相對比剖面圖和巖相平面分布圖(見圖6)。

1)SQⅠ:馬家溝組SQⅠ的典型特征是富含蒸發(fā)巖,盆地南、北部古陸缺失該套層序。

低位體系域(馬一段)在中東部拗陷區(qū)以石鹽巖為主;周邊為準同生含泥或泥質(zhì)云巖(見圖7a);海侵體系域(馬二3亞段)在拗陷區(qū)以泥晶灰?guī)r為主,周圍主要是云斑云灰?guī)r,濱岸及臺地邊緣以殘余結(jié)構(gòu)白云巖為主;高位體系域(馬二1-2亞段)以云斑灰云巖及殘余結(jié)構(gòu)白云巖為主,夾2層蒸發(fā)巖(見圖6，7b);強制海退體系域(馬三3亞段)在中東部拗陷區(qū)以厚層石鹽巖及薄層硬石膏巖為主,自潟湖向蒸發(fā)臺地石鹽巖逐漸過渡為硬石膏巖、準同生白云巖及泥云巖(見圖7a)。

a 馬家溝組東西向巖相對比剖面

b 馬家溝組南北向巖相對比剖面圖6 鄂爾多斯盆地奧陶系中統(tǒng)馬家溝組層序地層格架及巖相對比剖面圖Fig.6 The sequence stratigraphic framework and the lithologic correlation profile of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

圖7 鄂爾多斯盆地奧陶系中統(tǒng)馬家溝組三級層序體系域巖相分布圖Fig.7 The Lithofacies distribution map of system tracts in the third-order sequence stratigraphies of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

2)SQⅡ:馬家溝組SQⅡ以馬四段厚層灰?guī)r及馬五10-6下亞段中的多套蒸發(fā)巖為典型特征。

低位體系域(馬三1-2亞段)在拗陷區(qū)以石鹽巖、硬石膏巖和準同生白云巖為主,蒸發(fā)臺地以泥質(zhì)巖為主;海侵體系域(馬四2亞段)在拗陷區(qū)以泥晶灰?guī)r為主,周圍為云斑含云灰?guī)r、云灰?guī)r、灰云巖及含灰云巖等過渡巖類,云斑含量及連續(xù)性自下而上逐漸增加,蒸發(fā)臺地及臺地邊緣以殘余結(jié)構(gòu)白云巖為主(見圖7d);高位體系域(馬四1亞段)以云斑構(gòu)造云灰?guī)r、灰云巖及含灰云巖為主,上部以殘余結(jié)構(gòu)白云巖為主(見圖7e);強制海退體系域(馬五10～6下亞段)在中東部拗陷區(qū)為厚層石鹽巖,蒸發(fā)臺地以硬石膏巖和準同生白云巖為主,古陸周圍為泥云巖及灰云巖,臺地邊緣為角礫白云巖及殘余結(jié)構(gòu)白云巖(見圖7f)。

3)SQⅢ: 馬家溝組SQⅢ以馬五5亞段泥晶灰?guī)r、云斑灰?guī)r、 殘余結(jié)構(gòu)白云巖以及馬五3-4， 馬五6上亞段的蒸發(fā)巖為特征。

低位體系域(馬五6上亞段)在拗陷區(qū)為厚層石鹽巖,蒸發(fā)臺地為硬石膏巖、膏云巖及泥晶白云巖;海侵-高位體系域(馬五5亞段)自下而上由泥晶灰?guī)r、云斑云灰?guī)r及灰云巖、殘余結(jié)構(gòu)白云巖構(gòu)成(見圖7g), 殘余結(jié)構(gòu)白云巖(見圖5e)主要分布于潮間帶和臺地邊緣; 強制海退體系域(馬五4-3亞段)在拗陷區(qū)為石鹽巖,蒸發(fā)臺地上為硬石膏巖及準同生白云巖(見圖7h)。巖溶高地及巖溶斜坡上缺失馬五4-1亞段,其殘余地層僅分布于中東部的巖溶盆地,馬五4亞段的蒸發(fā)鹽未受表生期淡水淋濾及溶蝕作用影響。

4)SQⅣ:由馬五1-2亞段和馬六段構(gòu)成,受表生巖溶作用影響,地層發(fā)育不完整。

低位體系域(馬五1-2亞段)上段為馬五1亞段的巖溶或膏鹽溶角礫云巖,包括4個白云巖層和4個凝灰質(zhì)泥灰?guī)r層,其中凝灰?guī)r巖屑的出現(xiàn),顯示此階段的火山活動比較頻繁;馬五2亞段以次生結(jié)晶灰?guī)r為主,形成于淡水去膏或去云化作用,東部巖溶盆地的局部地區(qū)仍有未受淡水影響的膏云巖分布(見圖7i);海侵到高位體系域(馬六下-中亞段)以泥晶灰?guī)r、云斑含云灰?guī)r、云灰?guī)r及灰云巖為主[12],陜北斜坡南部分布的殘余地層以巖溶角礫灰?guī)r為主;臺地西、南緣的強制海退體系域(馬六上亞段)以碳酸鹽重力流成因的礫屑灰?guī)r為主(見圖5f)。

5 結(jié) 論

1)依據(jù)標準化層序地層學原理,將奧陶系中統(tǒng)馬家溝組劃分為二級層序低位體系域;依據(jù)地質(zhì)年齡及層序邊界,進一步將馬家溝組劃分為4個三級層序(2.8 Ma);據(jù)強制海退終止面、初次海泛面、最大海泛面、強制海退起始面,又將每個三級層序劃分為低位、海侵、高位正常海退和強制海退4個體系域。

2)低位體系域形成于海平面開始上升到初次海泛期,臺地沉積序列主要由砂泥、蒸發(fā)鹽和云泥構(gòu)成,淺埋藏階段經(jīng)壓實和脫水,形成主要由石鹽巖、硬石膏巖及準同生白云巖構(gòu)成的成巖序列;海侵體系域形成于初次海泛到最大海泛期,臺地主要由藻席、粒質(zhì)及含?；夷?、灰泥構(gòu)成沉積序列,淺埋藏期經(jīng)壓實和隱伏滲透云化作用,形成主要由藻灰?guī)r或粒泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、云斑含云及云灰?guī)r構(gòu)成的成巖序列;高位正常海退體系域形成于最大海泛到強制海退開始期,臺地上主要由藻席、含?；蛄Ｙ|(zhì)灰泥以及灰質(zhì)顆粒構(gòu)成沉積序列,淺埋藏期經(jīng)壓實、隱伏滲透和活躍回流滲透云化作用,形成主要由云斑含云灰?guī)r或灰云巖以及殘余結(jié)構(gòu)結(jié)晶白云巖構(gòu)成的成巖序列;強制海退體系域形成于海平面下降期,拗陷區(qū)成為潟湖,沉淀蒸發(fā)鹽及云泥,淺埋藏期經(jīng)壓實和脫水作用,形成主要由石鹽巖、硬石膏巖及準同生白云巖構(gòu)成的成巖序列。

3)碳酸鹽巖臺地的巖相分布主要受海平面變化、古氣候和古地貌的影響。在海平面低位期,古氣候炎熱干旱,碳酸鹽產(chǎn)率低下,臺地拗陷區(qū)以蒸發(fā)巖為主,蒸發(fā)臺地以準同生白云巖及泥云巖為主;在海平面高位期,古氣候溫暖潮濕,生物繁殖及碳酸鹽產(chǎn)率高,臺地拗陷區(qū)以云斑云灰?guī)r或灰云巖為主,臺地邊緣主要為殘余結(jié)構(gòu)結(jié)晶白云巖,前緣斜坡以重力流成因的礫屑灰?guī)r為主;盆地中西部的巖溶高地及巖溶斜坡區(qū),風化殼附近的殘余地層上部以巖溶作用為主,中東部巖溶盆地殘余地層的上部以膠結(jié)作用為主,局部地區(qū)的有蒸發(fā)巖分布。