張倚安 ，田景春 ，張翔 ，李建 ，楊田 ，張琪沅

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059）

0 引言

鄂爾多斯盆地二疊系發(fā)育多套砂體，其中，下石盒子組盒1段儲(chǔ)層砂體最為發(fā)育，但孔隙度和滲透率低，物性差，在空間展布上具有廣覆式分布的特點(diǎn)［1］。為了進(jìn)一步勘探及開發(fā)動(dòng)用鄂爾多斯盆地致密低滲氣藏，亟需了解此類氣藏的儲(chǔ)層砂體特征。前人研究成果表明，在鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化方面，古亞洲洋與華北板塊呈剪刀狀拼合［2］，不同地貌演化階段形成不同的砂體空間結(jié)構(gòu)［3］，區(qū)內(nèi)泊爾江海子斷裂在山西期活動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)杭錦旗地區(qū)的天然氣成藏及分布起到控制作用［4］。在盆地以北的內(nèi)蒙古大青山地區(qū)地層中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)火山事件層，證明了火山活動(dòng)的存在［5］。對(duì)盆地東部及中部物源分析結(jié)果顯示，山西組—下石盒子組物源主要來自盆地北緣的陰山古陸［6-7］。在鄂爾多斯盆地沉積演化方面，山西期—下石盒子期盆地沉積環(huán)境由海轉(zhuǎn)陸，下石盒子組主要發(fā)育河流相及三角洲相，也發(fā)育沖積扇相［8-10］，盒1段發(fā)育大面積砂體，整體呈網(wǎng)毯狀分布［1］。

針對(duì)杭錦旗地區(qū)上古生界構(gòu)造活動(dòng)與沉積體系的聯(lián)系及二者的相互影響，以及構(gòu)造-沉積格局對(duì)砂體展布的控制作用方面，尚未取得較多的研究進(jìn)展。本文利用巖心樣品分析及測(cè)試資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)研究區(qū)目的層砂體特征進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上，綜合前人成果，詳細(xì)闡述了構(gòu)造-沉積格局對(duì)砂體展布的控制作用，明確了研究區(qū)目的層砂體展布規(guī)律。

1 構(gòu)造格局對(duì)砂體展布的控制作用

1.1 構(gòu)造背景

研究區(qū)位于伊盟隆起與伊陜斜坡交會(huì)處，以近東西向的泊爾江海子斷裂為界，其北部位于杭錦旗斷階帶之上，南部位于伊陜斜坡北緣（見圖1［11］）。

圖1 杭錦旗地區(qū)構(gòu)造位置及地層特征

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，構(gòu)造穩(wěn)定，稍微向西傾斜。其演化過程主要受到北緣古亞洲洋板塊、南緣—西南緣秦嶺海槽及其派生的賀蘭拗拉槽的擴(kuò)張、俯沖消減控制［2］。早二疊世山西期，古亞洲洋板塊向南俯沖，華北地塊整體抬升，盆地南北差異升降增強(qiáng)，華北海整體表現(xiàn)為海退趨勢(shì)，盆地類型由陸表海轉(zhuǎn)變?yōu)榻＿吘壟璧兀?2］（見圖2a［1］）。早二疊世下石盒子期，興蒙海槽西段褶皺關(guān)閉，華北地塊北部強(qiáng)烈構(gòu)造抬升，前寒武紀(jì)變質(zhì)巖基底隆升剝蝕［13］。陰山造山帶為幕式造山，且活動(dòng)性增強(qiáng)［14］。西伯利亞板塊基本保持穩(wěn)定，華北板塊向北漂移，盆地北緣陸地與陸地碰撞程度加深，古亞洲洋板塊及華北板塊呈剪刀狀拼合，向盆地提供充沛的碎屑物質(zhì)（見圖2b［1］），這一過程從石炭紀(jì)一直持續(xù)到三疊紀(jì)才完全拼合［2］。自二疊紀(jì)開始，盆地內(nèi)古亞洲洋板塊向華北板塊強(qiáng)烈俯沖消減［15］，隨著二者拼合過程的加劇，火山活動(dòng)的強(qiáng)度也在發(fā)生變化。物源區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極大程度上控制著其自身沉積物種類，隨著構(gòu)造抬升，其物質(zhì)在重力作用下被搬運(yùn)到地勢(shì)相對(duì)較低的盆地內(nèi)部而沉積下來。盆地下石盒子期沉積的大多數(shù)物質(zhì)都是陸源碎屑，這一方面說明了沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變［16］，另一方面也表明西伯利亞板塊俯沖消減的加快，使得北方物源區(qū)的造山運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)［5］。

圖2 鄂爾多斯盆地北部山西期—下石盒子期構(gòu)造格局

1.2 構(gòu)造演化對(duì)砂體發(fā)育的控制作用

1.2.1 控制砂體的巖石構(gòu)成

杭錦旗地區(qū)山西組主要發(fā)育中—粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖。其中，巖屑主要為變質(zhì)石英巖、燧石、千枚巖和泥巖巖屑等（見圖3a）。整體上，石英體積分?jǐn)?shù)較高（大于72%），巖屑次之（小于28%），長(zhǎng)石較低（小于4%）。下石盒子組主要發(fā)育不等粒巖屑石英砂巖及巖屑砂巖，其次為石英質(zhì)砂礫巖及不等粒鈣質(zhì)石英砂巖，可見細(xì)—中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖（見圖3b—3f）。石英體積分?jǐn)?shù)在58%～80%，巖屑體積分?jǐn)?shù)在7%～40%，長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)在2%～10%。

圖3 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

對(duì)比砂巖組分，可以看出：1）盒1段石英體積分?jǐn)?shù)有所減小，長(zhǎng)石和巖屑（火成巖巖屑、泥巖巖屑）體積分?jǐn)?shù)增大；2）盒1段砂巖成分成熟度（石英體積分?jǐn)?shù)/（長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)+巖屑體積分?jǐn)?shù)））為4.23，山2段砂巖成分成熟度為7.20，高于盒1段；3）山2段砂巖填隙物主要為碳酸鹽礦物、黏土礦物及硅質(zhì)膠結(jié)物，盒1段砂巖填隙物以黏土礦物、硅質(zhì)膠結(jié)物為主，部分含有鈣質(zhì)、鐵質(zhì)及凝灰質(zhì)膠結(jié)物［6］（見圖3f），而凝灰質(zhì)膠結(jié)物的存在，表明盒 1段沉積期存在較強(qiáng)的火山作用［14］；4）山2段及盒1段砂巖中石英陰極發(fā)光顏色大部分為暗藍(lán)色，少數(shù)不發(fā)光或呈暗棕色，體現(xiàn)變質(zhì)巖源區(qū)的特征（見圖4）。前人認(rèn)為，盆地北緣砂巖中的石英顆粒大部分來自北部物源區(qū)的再旋回造山帶的石英［6-7］，杭錦旗地區(qū)受北部物源區(qū)的控制程度高。

圖4 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組巖石薄片陰極發(fā)光特征

1.2.2 控制砂體的成因類型

山西期，研究區(qū)主要發(fā)育三角洲平原亞相沉積（見圖5），砂體主要為水下分流河道砂體。盆地北緣持續(xù)穩(wěn)定的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及風(fēng)化剝蝕作用所產(chǎn)生的沉積物對(duì)早期河道進(jìn)行填平補(bǔ)齊，使得山1段沉積晚期的盆地內(nèi)古地形逐漸變得平緩［10，17］。山2段沉積期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度持續(xù)增加，物源供給充足，在山1段平緩古地形的基礎(chǔ)上，山2段主要發(fā)育三角洲平原亞相沉積，水下分流河道寬，砂體較山1段更厚，延伸更遠(yuǎn)，但優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布面積較小。其中：水下主分流河道砂體在測(cè)井曲線上呈光滑箱形特征，沉積物粒度粗，巖性主要為含礫粗砂巖或粗砂巖；水下次級(jí)分流河道砂體在測(cè)井曲線上呈齒化箱形、齒化鐘形，巖性主要為中—粗砂巖及細(xì)—中砂巖［16］。

圖5 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組砂體成因類型

下石盒子期，盆地北部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)更為強(qiáng)烈，火山作用頻發(fā)，地形抬升幅度加大，物源區(qū)供給能力進(jìn)一步加強(qiáng)，河流下切作用加強(qiáng)，因此河道砂體厚度增大，但側(cè)向?qū)挾葴p小。在繼承山2段平緩古地形條件下，下石盒子組發(fā)育沖積扇及辮狀河相砂體［1］。其中：盒1段主要為沖積扇相帶的辮狀河道微相砂體；盒2段、盒3段主要為辮狀河相的高能/低能心灘微相砂體。高能心灘微相砂體巖性為礫巖、含礫粗砂巖，測(cè)井曲線呈疊置、光滑箱形特征；而低能心灘微相巖性為粗砂巖、中—粗砂巖，測(cè)井曲線呈齒化箱形、齒化鐘形特征。高能心灘微相砂體儲(chǔ)集性能最好，辮狀河道和低能心灘微相次之。研究區(qū)探井中—高能心灘微相砂體發(fā)育較多，其巖性多為含礫粗砂巖、粗砂巖、不等粒砂巖，發(fā)育粒間孔、高嶺石晶間孔，泥質(zhì)填隙物相對(duì)較少。

1.3 構(gòu)造演化對(duì)沉積相的控制作用

盆地的構(gòu)造演化過程是個(gè)復(fù)雜的非均一過程，不同的演化階段對(duì)盆地沉積體系產(chǎn)生深刻的影響，構(gòu)造作用也控制著盆地的沉積充填過程和沉積物的空間分布［18］。鄂爾多斯盆地北緣山西期—下石盒子期的構(gòu)造演化過程總體概括為：華北板塊北緣與西伯利亞板塊碰撞程度的逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與火山活動(dòng)的增強(qiáng)，進(jìn)而影響到盆地內(nèi)沉積環(huán)境及沉積物特征。太原期，華北地臺(tái)下沉［12］，華北海的海侵海退頻繁，在古氣候與構(gòu)造演化控制下，盆地內(nèi)多為潟湖、潮坪、碳酸鹽臺(tái)地或三角洲沉積環(huán)境［19］。山西期，氣候與前期變化不大，華北地塊整體抬升，南北差異升降加劇，華北海迅速退出盆地［12］，東西差異逐漸消失。盆地類型由海相轉(zhuǎn)陸相，演變?yōu)榻＿吘壟璧兀饕l(fā)育三角洲平原亞相沉積。下石盒子期，北部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)加劇，使得盆地北緣阿拉善、陰山古陸進(jìn)一步抬升，坡度變陡。與山西期相比，構(gòu)造格局發(fā)生了明顯變化［12］，海水已經(jīng)基本退出盆地，氣候干旱，季節(jié)性水系異常活躍［19］，盆地類型轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嗪?，北部物源區(qū)提供了充足的物源，伴隨湖平面升降，盆地內(nèi)主要發(fā)育沖積扇-辮狀河復(fù)合沉積相。

2 沉積格局對(duì)砂體展布的控制作用

2.1 控制垂向上砂體疊置關(guān)系

山西期—下石盒子期主要發(fā)育三角洲、沖積扇及辮狀河3種沉積相（見圖6）。山西期，主要發(fā)育海陸過渡相三角洲沉積，其中，山2段砂體厚度薄，泥巖相對(duì)較多，以盆地內(nèi)平緩的古地形為背景，伴隨海平面小范圍起落及河流下切作用形成的河道砂體，在垂向上表現(xiàn)為厚度不大、分布范圍較大的薄層砂體與厚度較大的泥巖互相疊置，彼此交切作用不強(qiáng)。下石盒子期，主要發(fā)育陸相沉積，早期主要發(fā)育沖積扇-辮狀河的復(fù)合沉積，之后向曲流河沉積轉(zhuǎn)化。其中，盒1段沖積扇沉積較為廣泛，河道砂體厚度大，寬度較小，巖性為厚層砂巖夾泥巖，垂向上呈現(xiàn)出分布范圍較窄，心灘或辮狀河道砂體與泛濫平原、片流或河道間泥巖疊置，河道橫向上擺動(dòng)頻率較大，彼此交切作用較強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2 控制平面上砂體的展布范圍

在山西期晚期的填平補(bǔ)齊作用下，盆地內(nèi)古地形坡度整體變平緩［12］，沉積物在平緩的地形搬運(yùn)、卸載，沒有明顯的沉積中心［17］。由圖6可知：山西期，主要發(fā)育三角洲平原亞相水下分流河道沉積，河道砂體延伸方向?yàn)榻媳毕颍瑢挾容^大，主要發(fā)育在研究區(qū)中部及東部，但厚度較小。在物源充足的情況下，湖岸線南移，使得北部出現(xiàn)小范圍陸上沉積，辮狀河三角洲平原沉積范圍向南推進(jìn)，主體位于研究區(qū)北部的錦65井—錦28井—錦38井—錦37井—錦83井一帶。下石盒子期，整體以沖積扇-辮狀河復(fù)合沉積為特征，主要集中在研究區(qū)西部、中部與東部，多期次的河道砂體交織疊置，平面上呈網(wǎng)毯狀分布［1，17］，河道橫向?qū)挾葴p小，砂體厚度增大。其中：橫向上，西部和東北部發(fā)育小范圍沖積扇沉積；縱向上，在盒1段下部主要發(fā)育沖積扇沉積，上部為辮狀河沉積。

3 砂體展布規(guī)律

3.1 垂向疊置特征

山西期—下石盒子期，鄂爾多斯盆地北部物源區(qū)供給能力增強(qiáng)，河流作用活躍，搬運(yùn)的碎屑物質(zhì)大幅增多。受古地形、物源區(qū)沉積物供給能力的影響，各地區(qū)河流砂體成因類型及其在垂向上的沉積特征存在較大差異。山2段主要發(fā)育水下分流河道砂體，巖性主要為砂礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖等，垂向上表現(xiàn)為水下分流河道、泛濫平原與泥炭沼澤的疊置組合。由圖7可以看出：1）山2段地層厚度及砂體厚度較小，砂體在南北向上連續(xù)性較好，沉積環(huán)境與物源供給較穩(wěn)定，從南到北基本上都有分布。2）盒1段地層厚度及砂體厚度明顯增大，整體表現(xiàn)為厚層砂巖夾薄層泥巖的特征。盒1段主要發(fā)育沖積扇、辮狀河砂體。沖積扇砂體以辮狀河道微相砂體為主，巖性主要為礫巖、砂礫巖、粗砂巖；而辮狀河砂體以心灘微相砂體為主，巖性主要為分選不好的含礫粗砂巖、細(xì)—粗砂巖。

圖7 杭錦旗地區(qū)山2段—盒1段連井地層對(duì)比剖面

3.2 平面展布規(guī)律

在鄂爾多斯盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制下，山西期晚期砂體平面上呈條帶狀近南北向延伸。下石盒子早期盆地北部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致古地形隆升，進(jìn)而使得河流下切作用增強(qiáng)，砂巖成分成熟度降低；砂體延伸方向?yàn)榻媳毕?，?cè)向呈網(wǎng)毯狀分布（見圖8）［10，17］。

山2段沉積期，構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定，物源區(qū)供給能力強(qiáng)，沉積物快速堆積，使得水體變淺，盆地內(nèi)可容空間逐漸減小，北部出現(xiàn)小范圍水上沉積。砂體平面上呈條帶狀延伸，厚度為4～12 m，最大可達(dá)14 m，全區(qū)分布較為穩(wěn)定（見圖8a）。其中，山22亞段沉積期延續(xù)了山21亞段沉積期的砂體展布特征，厚度有所增加，盆地中部及東部的錦66井—錦72井區(qū)分流河道更寬，沉積砂體更厚。盒1段沉積期，僅西北部發(fā)育小范圍古隆起，右側(cè)古隆起不再發(fā)育，河道延伸穩(wěn)定，平面上呈條帶狀延伸，側(cè)向相連，似網(wǎng)狀分布，砂體厚度大于10 m，局部地區(qū)達(dá)16 m。其中：盒11亞段沉積期，研究區(qū)西部錦58井區(qū)發(fā)育心灘微相沉積，中部及東部辮狀河沉積分布較廣泛，河道砂體寬度不大，但厚度較前期增大，且分布穩(wěn)定；盒11—盒12亞段沉積期，沉積格局未變，屬?zèng)_積扇-辮狀河復(fù)合沉積，砂體在橫向上的展布特征略有改變。由圖8b可以看出：各小層砂體延展方向都為近南北向，并沒有太大變化；受各地沉積環(huán)境不同影響，形成了不同成因類型砂體［20-28］。

圖8 杭錦旗地區(qū)山西組—下石盒子組砂體平面展布特征

4 結(jié)論

1）山西期—下石盒子期，盆地北緣發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致盆地南北差異升降程度進(jìn)一步加大，火山頻發(fā)，物源區(qū)的物質(zhì)供給能力加強(qiáng)，這些因素共同作用，對(duì)盆地內(nèi)砂體的發(fā)育情況及沉積相的變化起到一定的控制作用。

2）山西期—下石盒子期，沉積環(huán)境由海陸過渡相轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喹h(huán)境，山西期主要發(fā)育三角洲相沉積，下石盒子期主要發(fā)育沖積扇-辮狀河復(fù)合沉積，并最終向曲流河沉積轉(zhuǎn)化。垂向上，通常表現(xiàn)為三角洲平原沉積上覆沖積扇、辮狀河沉積，或者二者疊置組合沉積；平面上，下石盒子期在繼承了山西期砂體分布特征，之后，進(jìn)一步擴(kuò)大了砂體的分布范圍。

3）受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及沉積格局的控制，砂體延伸方向都為近南北向，山2段—盒1段砂體厚度明顯增加。山2段砂體主要表現(xiàn)為條帶狀延伸，順延伸方向砂體寬度較大，但厚度較??；盒1段砂體延伸方向不變，砂體寬度減小，厚度明顯增加，平面上呈網(wǎng)毯狀分布。