1.乌海摩尔沟剖面; 2.银川苏峪口剖面; 3.同心青龙山剖面; 4.环县阴石峡剖面; 5.平凉大台子剖面
图1 鄂尔多斯盆地构造分区(修改自文献[21–22])
Fig. 1 Tectonic zoning of the Ordos Basin (modified after Ref. [21–22])
北京大学学报(自然科学版) 第62卷 第1期 2026年1月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 62, No. 1 (Jan. 2026)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.035
中国石油长庆油田公司重大科技专项(ZDZX2021)资助
收稿日期: 2024–11–13;
修回日期: 2025–05–08
摘要 通过野外观察和显微镜下薄片分析, 研究鄂尔多斯盆地西部油气储层的微相类型、微相组合及相对海平面控制下的沉积环境演化规律。结果表明, 研究区中–上寒武统可识别出 13 类微相: 泥质灰岩、泥晶灰岩、生屑粒泥灰岩、生屑泥粒灰岩、竹叶状灰岩、鲕粒颗粒灰岩、内碎屑颗粒灰岩、内碎屑生屑颗粒灰岩、泥晶–粉晶白云岩、细晶–中晶白云岩、泥质白云岩、泥岩和页岩。微相的空间分布特征表明, 该套碳酸盐岩具有 7 种微相组合类型, 分别代表局限台地泥云坪(MA1)、局限台地云坪(MA2)、开阔台地台内滩(MA3)、开阔台地滩间海(MA4)、台地边缘滩(MA5)、上斜坡(MA6)和下斜坡相带(MA7)。研究区中–上寒武统从下往上依次发育 MA5, MA6, MA7, MA3, MA4, MA1 和 MA2 微相组合, 表征台地边缘滩、上斜坡、下斜坡、开阔台地台内滩、滩间海、局限台地泥云坪和云坪相带, 反映沉积环境在纵向上从下往上变得更具局限性, 水体变得更浅; 横向上从西向东呈现为斜坡→台地边缘→开阔台地→局限台地沉积环境的转变, 即从深水向浅水变化, 水体能量逐渐升高。微相揭示的沉积环境变化受相对海平面升降和构造运动共同控制。张夏组沉积期主要受海平面变化控制, 以海平面上升为特点; 三山子组沉积期受海平面变化和构造运动共同控制, 盆地西南部构造隆升逐渐加强, 使得相对海平面显著下降, 形成自下而上为斜坡、台地边缘、开阔台地和局限台地的沉积环境变化规律。
关键词 鄂尔多斯盆地; 微相; 寒武系; 沉积演化; 海平面变化
鄂尔多斯盆地是中国油气产量最丰富的沉积盆地之一, 其上古生界天然气勘探进入高成熟阶段。为了拓展天然气勘探新领域, 近年来勘探目标逐步向下古生界碳酸盐岩转移。陇 17 井和陇 18 井等多口钻井已揭示寒武系良好的天然气显示, 但受限于深埋藏条件下沉积相带预测的困难, 规模性气藏勘探尚未取得突破。同时, 碳酸盐岩储层的分布具有强烈的相控性, 大型气田(如四川盆地安岳气田)的勘探实践表明, 颗粒滩与白云岩储层是两类关键储集类型[1–3]。鄂尔多斯盆地中–上寒武统正是这两类储层发育的有利层位[4–5], 因此迫切需要厘清其沉积相带的展布规律, 为油气勘探提供理论指导。
当前, 针对鄂尔多斯盆地寒武系沉积环境的研究已取得一定的进展, 但认识具有显著的分歧。例如, 关于寒武纪古地理格局存在以下不同的认识: 1)混积碎屑滨岸→碳酸盐岩缓坡→局限台地演化模式[6–7]; 2)局限台地、开阔台地、台地边缘、斜坡及深水盆地的相带划分[8]; 3)碳酸盐岩台地相和陆棚缓坡沉积共存的沉积模式[9]; 4)油气勘探的主要地质体为高能浅滩和台地相[10–11]。这些争议集中体现在台地类型与边界的不确定性和高能相带(如浅滩)空间分布的模糊性两个方面。究其原因, 传统的沉积相分析多基于宏观地质特征, 对微观沉积结构(如颗粒–基质组合及生物化石等)的精细解析不足, 而后者正是判别沉积环境水体深度和能量的直接标志[12–13]。作为连接微观特征与宏观相带的桥梁, 微相分析已被证明是预测深埋储层分布的有效手段[14–16]。
海平面变化是控制碳酸盐岩沉积类型和储层发育的关键因素, 相关研究多聚焦于层序地层学框架的建立, 缺乏基于微相组合反演海平面波动规律的尝试。微相类型的变化(如从泥晶灰岩到颗粒灰岩的转换)可直观地反映水体深度和能量的变化, 进而为海平面升降提供高分辨率证据[17–19]。
本研究以鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统为对象, 通过野外剖面实测和显微特征分析, 拟实现以下目标: 1)建立研究区微相分类方案, 明确微相组合的垂向序列和平面展布; 2)揭示沉积环境的演化规律, 识别高能相带有利区; 3)探讨微相组合对海平面变化的响应机制。
鄂尔多斯盆地位于华北板块西部, 北邻阴山山系, 南接秦岭山系, 西起贺兰山, 东至吕梁山, 面积约为 40×104km2 [20]。盆地内有西缘逆冲带、天环坳陷、伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带和伊陕斜坡 6 个构造分区。研究区位于盆地西部, 主要发育西缘逆冲带和天环坳陷两个一级构造单元(图 1)。
从震旦纪至中奥陶世, 由于 Rodinia 期洋–陆间的不断拉离和裂解, 华北板块边缘基本上处于大洋拉张背景下的被动陆缘环境, 其边缘和内部都没有强烈的造山运动[23]。早寒武世大范围的古陆暴露, 风化的陆缘物质进入陆表海, 华北板块海侵仅到达南缘、西缘及东南缘, 主要为砂坪和局限台地沉积。中寒武世, 海侵范围扩展至最大范围。在海平面变化下, 鄂尔多斯陆块发生差异性隆升, 形成伊盟古陆和乌审旗古陆。碳酸盐岩广泛发育, 主要形成于局限台地、开阔台地和浅滩等沉积环境[24–26]。寒武纪晚期, 受秦祁洋壳俯冲影响[27], 华北板块的动力体系逐渐转化成以聚敛为主, 此时鄂尔多斯盆地整体抬升, 发生广泛的海退, 古陆彼此相连, 形成中央古隆起, 整体上属于较深水的台地边缘–盆地相沉积。因沉积环境具有差异性, 华北板块的晚寒武世地层存在明显的分区, 在盆地南缘和豫陕地区称为三山子组[28]。盆地内广泛分布局限台地相, 发育白云岩[6–7](图 2)。
1.乌海摩尔沟剖面; 2.银川苏峪口剖面; 3.同心青龙山剖面; 4.环县阴石峡剖面; 5.平凉大台子剖面
图1 鄂尔多斯盆地构造分区(修改自文献[21–22])
Fig. 1 Tectonic zoning of the Ordos Basin (modified after Ref. [21–22])
对鄂尔多斯盆地西缘乌海摩尔沟、乌海东山口、银川苏峪口、同心青龙山、环县阴石峡和平凉大台子 5 个剖面开展系统的野外观察、描述和样品采集工作, 获得岩石样品 197 件, 磨制普通薄片 177件、铸体薄片 29 件。基于野外观察和显微镜下薄片观察, 根据成分、结构和沉积构造特征, 参考碳酸盐岩标准微相类型划分方案[30], 将鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统微相划分为如下 13 个类型。
竖线填充部分为剥蚀区
图2 鄂尔多斯盆地寒武系地层对比(修改自文献[6,29])
Fig. 2 Cambrian stratigraphic correlation in the Ordos Basin (modified after Ref. [6,29])
1)泥质灰岩(MF1)。灰绿色薄层状, 厚度均匀, 横向分布稳定(图 3(a)), 方解石含量约为70%, 黏土矿物含量约为 30% (图 3(b)), 分布在张夏组下部和三山子组上部, 指示安静水体条件下的悬浮沉积, 形成于局限台地、潮坪和斜坡等低能、半局限或局限性的沉积环境中。
2)泥晶灰岩(MF2)。灰色薄板状至厚层状, 多层叠置, 厚度达到米级(图 3(c))。显微镜下可见泥晶支撑结构, 泥晶基质通常为暗色纹层状, 颗粒含量低于 10%。主要矿物成分为方解石, 层内发育少量粉晶白云石, 含量为 2% (图 3(d)), 无陆源碎屑。该微相分布在张夏组下部和三山子组中上部, 厚度较大, 其中纹层反映较弱的水动力条件, 多为悬浮沉积, 可能发育在局限台地、潟湖和斜坡等沉积环境中。
3)生屑粒泥灰岩(MF3)。主要分布在张夏组下部, 露头上呈现深灰色厚层块状特征, 斑状结构(图3(e)); 显微镜下为泥晶结构(泥晶含量为 65%), 主要矿物成分为方解石, 颗粒之间不接触, 鲕粒粒径为 200～400 μm, 颗粒中生物碎屑主要为三叶虫碎片(图 3(f)), 占 25%～35%, 平均长度为 1500 μm。鲕粒反映其经历过水体动荡的环境, 生物碎屑反映较好的水体循环条件, 因此该微相形成于开阔台地、潮坪、局限台地和斜坡等低能和中能的沉积环境中。
(a)泥质灰岩(MF1), 灰绿色薄板状, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组中部; (b)泥质灰岩(MF1), 黏土矿物含量高, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组中部; (c)泥晶灰岩(MF2), 灰色薄板状, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组上部; (d)泥晶灰岩(MF2), 纹层结构, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组上部; (e)生屑粒泥灰岩(MF3), 深灰色斑状特征, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组下部; (f)生屑粒泥灰岩(MF3), 三叶虫生物碎屑零散分布, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组下部; (g)生屑泥粒灰岩(MF4), 黄灰色, 可见黑色长条形生物碎屑杂乱排列, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组下部; (h)生屑泥粒灰岩(MF4), 少量白云石晶粒分布在三叶虫颗粒的边缘, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组下部; (i)竹叶状灰岩(MF5), 灰白色长条状砾屑平行排列, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组中部; (j)竹叶状灰岩(MF5), 砾屑间为点接触, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组下部; (k)鲕粒颗粒灰岩(MF6), 黄灰色露头上可见鲕粒圈层结构, 乌海东山口剖面, 张夏组下部; (l)鲕粒颗粒灰岩(MF6), 鲕粒间为粒状细晶方解石胶结, 乌海东山口剖面, 张夏组下部
图3 鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统微相类型(1)
Fig. 3 Microfacies types of Middle-Upper Cambrian in the western Ordos Basin (1)
4)生屑泥粒灰岩(MF4)。露头上为黄灰色, 可见黑色长条形生物碎屑杂乱排列(图 3(g)), 颗粒支撑结构, 矿物成分主要为方解石, 可见零星分布的白云石。颗粒类型以生物碎屑为主, 占 65%, 长度为 500～2000 μm, 磨圆度差, 分选性一般, 杂乱排列, 填隙物为灰泥(图 3(h))。生屑泥粒灰岩主要分布在张夏组下部, 灰泥含量高反映水体能量低, 生物碎屑含量高表明水体盐度和温度适宜生物生长, 形成于开阔台地、局限台地生屑滩以及斜坡沉积环境中。
5)竹叶状灰岩(MF5)。浅灰色, 可见长条形砾屑呈现平行状倒“小”字形排列, 砾屑粒径为 1～2cm (图 3(i)), 磨圆度较高, 分选性一般。矿物成分为方解石, 颗粒支撑结构, 砾屑含量为 70%～80%, 砾屑边界清晰, 颗粒间为点接触或线接触, 砾屑内和砾屑间的矿物成分均为灰泥(图 3(j))。该微相主要分布在张夏组中–上部和三山子组中–下部, 砾屑的平行排列及较好的磨圆度反映风暴作用的影响和长距离的搬运, 是波浪打碎原岩后搬运至较深水环境中沉积, 形成平行砾屑结构[24], 形成于潮坪、台地边缘和斜坡等高能、浅水沉积环境中。
6)鲕粒颗粒灰岩(MF6)。露头上为黄灰色, 可见粒径为 0.5～2cm 的鲕粒, 同心圈层结构明显(图 3 (k)), 矿物成分为方解石, 鲕粒含量为 65%～75%, 鲕粒内零星分布不规则沥青质, 鲕粒之间为点接触, 分选性好, 磨圆度高, 鲕粒之间为粒状细晶方解石胶结(图 3(l))。该微相主要分布在张夏组和三山子组中–下部, 颗粒中灰岩同心–切线鲕粒反映温暖、浅水、高能、持续动荡的间歇性生长条件[31], 多形成于开阔台地、潮坪和台地边缘等沉积环境中。
7)内碎屑颗粒灰岩(MF7)。露头上为棕黄色, 内碎屑为浅灰色, 不规则断续状分布(图 4(a)), 碎屑粒径为 0.2～0.4cm, 按粒径可分为粉屑、砂屑和砾屑。矿物成分为方解石, 颗粒支撑结构, 内碎屑为泥晶基质, 含量为 55%～65%, 分选性好, 磨圆度高, 内碎屑间亮晶方解石胶结(图 4(b))。该微相主要分布在三山子组中–下部, 泥晶基质指示间歇性低能环境或快速埋藏过程, 亮晶方解石胶结物反映强水动力条件下的孔隙充填作用, 形成于潮坪和颗粒滩等沉积环境中。
8)内碎屑生屑颗粒灰岩(MF8)。露头上为灰色(图 4(c)), 矿物成分为方解石, 颗粒支撑结构, 颗粒由泥晶砂屑和长条形三叶虫生物碎屑组成, 砂屑占15%, 生物碎屑占 50%, 颗粒之间为点接触。分选性一般, 磨圆度较好, 颗粒之间为亮晶方解石胶结(图 4(d))。该微相分布在张夏组顶部和三山子组下部, 生物碎屑含量高且分布广泛, 反映水体循环好, 水动力强, 形成于潮坪和颗粒滩等沉积环境中。
(a)内碎屑颗粒灰岩(MF7), 棕黄色露头上可见灰色砾屑断续分布, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组中部; (b)内碎屑颗粒灰岩(MF7), 砂屑颗粒分选性好, 磨圆度高, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组中部; (c)内碎屑生屑颗粒灰岩(MF8), 灰色, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组顶部; (d)内碎屑生屑颗粒灰岩(MF8), 三叶虫含量高于砂屑含量, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组顶部; (e)泥晶–粉晶白云岩(MF9), 泥晶–粉晶白云石为自形–半自形结构, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组上部; (f)细晶–中晶白云岩(MF10), 可见残余颗粒幻影, 同心青龙山剖面, 三山子组中部; (g)泥质白云岩(MF11), 发育白云石晶粒、泥质及其他碎屑物质, 乌海摩尔沟剖面, 三山子组顶部; (h)泥岩(MF12), 深绿色薄板状, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组下部; (i)页岩(MF13), 深黑色, 具有页理结构, 乌海摩尔沟剖面, 张夏组上部
图4 鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统微相类型(2)
Fig. 4 Microfacies types of Middle-Upper Cambrian in the western Ordos Basin (2)
9)泥晶–粉晶白云岩(MF9)。灰色至深灰色, 主要成分为泥晶–粉晶白云石(粒径<0.1mm), 占 97%, 自形–半自形结构(图 4(e))。局部发育泥质和白云石的水平纹层。泥晶–粉晶白云岩分布在三山子组顶部, 水平纹层表明水动力条件较弱。该微相发育于低能、局限潮坪、潟湖和斜坡沉积环境中。
10)细晶–中晶白云岩(MF10)。灰白色至浅灰色, 主要成分为细晶–中晶白云石(粒径为 0.1～0.5mm), 为半自形–它形非平直晶面结构, 局部可见雾心亮边, 残余颗粒结构较为明显(图 4(f))。该微相分布在三山子组中–上部, 发育于低能、局限潮坪、台地边缘、局限台地和斜坡沉积环境中。
11)泥质白云岩(MF11)。深灰色薄板状, 发育约 1m 厚的厚层, 显微镜下可见白云石晶粒、泥质及其他碎屑物质(图 4(g)), 反映陆缘物质的输入。该微相分布在三山子组顶部, 发育于低能、局限或半局限性的局限台地、潮坪和深水盆地等环境中。
12)泥岩(MF12)。深绿色–黑色薄板状(图 4(h)), 由泥质组成, 广泛分布于张夏组下部和三山子组顶部, 发育于低能、安静的局限台地、潮坪和深水盆地等沉积环境中。
13)页岩(MF13)。深黑色薄板状(图 4(i)), 具有页理结构, 发育于低能、还原的局限台地和深水陆棚环境中, 多形成于张夏组沉积期的海侵阶段。
海平面发生波动时, 沉积相带的界面会随之发生迁移, 岩石微相只反映沉积环境的水体条件, 单凭微相类型判断沉积相带具有局限性, 因此岩石微相组合成为判断沉积相带的有效手段, 可以从时间和空间的角度解释沉积环境的演化过程[32–34]。参考 Flügel[13]的碳酸盐岩台地模式中标准微相分布情况, 结合区域地质背景与纵向上不同微相类型之间的关系, 将鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统中微相组合划分为如下 7 个类型(图 5)。
1)发育于局限台地泥云坪相带中的微相组合(MA1)。由泥晶–粉晶白云岩微相(MF9)、细晶–中晶白云岩微相(MF10)、泥质白云岩微相(MF11)和泥岩微相(MF12)组成, MF9 和 MF10 较发育, MF11和 MF12 发育丰富。该微相组合反映水体能量较低的局限性沉积环境。
2)发育于局限台地云坪相带的微相组合(MA2)。由广泛发育的泥晶–粉晶白云岩微相(MF9)、较多发育的细晶–中晶白云岩微相(MF10)和较少发育的竹叶状灰岩微相(MF5)组成。该微相组合反映局限性沉积环境。
3)发育于开阔台地台内滩相带中的微相组合(MA3)。由泥晶灰岩微相(MF2)、生屑粒泥灰岩微相(MF3)、生屑泥粒灰岩微相(MF4)和竹叶状灰岩微相(MF5)组成, MF3 和 MF4 广泛发育, MF5 发育较多, MF2 发育较少。该微相组合指示颗粒滩沉积环境, 但颗粒间多为泥晶胶结, 反映水体能量较低。
4)发育于开阔台地滩间海相带中的微相组合(MA4)。由泥质灰岩微相(MF1)、泥晶灰岩微相(MF2)和竹叶状灰岩微相(MF5)组成, MF2 大量发育, MF1 和 MF5 较多发育。该微相组合主要由泥晶灰岩组成, 泥质含量较高, 反映低能水体环境。
5)发育于台地边缘台缘滩相带中的微相组合(MA5)。由鲕粒颗粒灰岩微相(MF6)、内碎屑颗粒灰岩微相(MF7)和内碎屑生屑颗粒灰岩微相(MF8)组成, MF6 和 MF8 大量发育, MF7 发育较多。该微相组合主要由鲕粒、内碎屑和生屑颗粒组成, 颗粒间为亮晶胶结, 反映较高的水体能量。
6)发育于上斜坡相带中的微相组合(MA6)。由泥质灰岩微相(MF1)、泥晶灰岩微相(MF2)、鲕粒颗粒灰岩微相(MF6)、内碎屑颗粒灰岩微相(MF7)和泥岩微相(MF12)组成, MF2 大量发育, MF6 和MF7 发育较多, MF1 发育程度一般, MF12 发育较少。该微相组合以泥晶灰岩为主, 亮晶胶结的颗粒灰岩含量较多, 反映水体能量相对较高。
7)发育于下斜坡相带中的微相组合(MA7)。由泥质灰岩微相(MF1)、泥晶灰岩微相(MF2)和页岩微相(MF13)组成, MF13 大量发育, MF1 和 MF2 发育较多。该微相组合反映深水安静沉积环境。
纵向上, 在鄂尔多斯盆地西部野外剖面中观察到张夏组至三山子组依次发育上斜坡和下斜坡相带、台地边缘滩相带、开阔台地台内滩和滩间海相带、局限台地云坪和泥云坪相带。以摩尔沟剖面为例(图 6), 张夏组中主要微相为 MF2, 沉积于低能水体环境, 顶部发育黑色薄层页岩, 指示深水沉积环境, MA5, MA6 和 MA7 微相组合分别对应台地边缘滩、上斜坡和下斜坡相带, 自下而上经历台地边缘滩–上斜坡–台地边缘滩–上斜坡–下斜坡的相带变化, 反映斜坡与台地边缘之间的海平面频繁波动。三山子组中主要微相为 MF1, MF2 和 MF7, MA2 和MA6 微相组合分别与对应局限台地云坪和上斜坡相带, 自下而上经历从上斜坡到局限台地云坪的相带变化, 反映水体能量减小和海退的过程。
图5 鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统微相组合特征
Fig. 5 Microfacies association characteristics of Middle-Upper Cambrian in the western Ordos Basin
横向上, 从西向东(从乌海摩尔沟至平凉大台子)水体深度减小, 沉积环境更具局限性(图 7)。同时, 从北向南厚度逐渐减小, 从北部乌海摩尔沟剖面的最大厚度 577.9m 减至西南部环县阴石峡剖面的最小厚度 150m。张夏组沉积时期, 台地边缘沉积相带主要发育于银川苏峪口剖面和同心青龙山剖面, 乌海摩尔沟剖面位于上斜坡沉积相带一侧, 平凉大台子剖面和环县阴石峡剖面以开阔台地台内滩及滩间海沉积为主。这指示盆地西北缘为深水条件下的斜坡沉积相带, 向南逐渐转变为台地边缘沉积相带, 最后在西南缘为开阔台地沉积相带, 是一个从深水向浅水演变的过程, 水体能量逐渐升高。在三山子组沉积早期, 乌海摩尔沟剖面沉积水体的深度依旧较大, 以上斜坡沉积为主; 银川苏峪口剖面以开阔台地滩间海和台内滩沉积为主, 同心青龙山剖面和平凉大台子位于局限台地一侧。环县阴石峡剖面位于庆阳古隆起附近, 受怀远运动的剥蚀作用较为强烈, 故未沉积三山子组。值得注意的是, 随着海平面持续下降, 在三山子组沉积晚期, 各观测剖面的沉积环境都转变为局限台地云坪, 且从北向南沉积厚度呈增加的趋势。整体上, 沿剖面自北向南, 沉积水体的深度逐渐减小, 水动力逐渐增强, 张夏组沉积时期以斜坡、台地边缘和开阔台地沉积环境为主, 三山子组沉积时期以开阔台地和局限台地环境为主。
岩性图案的横向长度表示颗粒含量(亦指示水体能量), 横向较长的图案表示高能微相类型(如 MF8), 横向较短的图案表示低能微相类型(如MF1); 照片右下角黄色比例尺代表500 μm
图6 鄂尔多斯盆地西部乌海摩尔沟剖面中–上寒武统综合柱状图
Fig. 6 Composite column diagram of Middle-Upper Cambrian in Mo’ergou section, Wuhai, western Ordos Basin
鄂尔多斯盆地西部和南部的贺兰海湾和洛川海湾呈“L”形围绕着庆阳古陆, 早寒武世发育滨岸沉积[35], 中晚寒武世整体上表现为古陆→斜坡→台地边缘→开阔台地→局限台地的沉积环境演化特征。在张夏组沉积期, 随着海平面上升, 鄂尔多斯盆地的沉积相从碎屑岩滨岸沉积转变为碳酸盐岩台地沉积, 沉积环境主要为台地边缘、开阔台地和斜坡。在台地边缘主要发育颗粒滩亚相, 在开阔台地发育台内滩亚相和滩间海亚相, 在斜坡发育上斜坡亚相和下斜坡亚相。同时, 定探 1 井、宜 2 井和宜探 1井在张夏组钻遇鲕粒灰岩和白云岩, 表明有大面积的高能颗粒滩分布在庆阳古隆起、乌审旗古隆起和伊盟古陆周缘, 且在张夏组沉积期保持稳定[36], 指示研究区位于高能水动力条件的开阔环景中, 气候温暖湿润[9]。三山子组沉积期则发生海退, 随着古祁连海的俯冲作用, 鄂尔多斯盆地西部优先发生抬升, 盆地发生海退, 使得庆阳古陆与伊盟古陆相连, 形成中央古隆起, 台地范围减小。三山子组沉积期主要为开阔台地和局限台地沉积环境。开阔台地发育颗粒滩亚相和滩间海亚相, 局限台地主要发育云坪亚相和泥云坪亚相。局限台地相广泛地分布在三山子组沉积晚期, 形成大量白云岩, 代表海退背景下更具局限性的浅水沉积环境, 而盆地西部深水斜坡和海槽仍然发育[35]。
图7 鄂尔多斯盆地西部中–上寒武统乌海摩尔沟、银川苏峪口、同心青龙山、环县阴石峡和平凉大台子剖面沉积相对比
Fig. 7 Comparison of sedimentary facies of Moergou in Wuhai, Suyukou in Yinchuan, Qinglongshan in Tongxin, Yinshixia in Huanxian and Dataizi in Pingliang in the western Ordos Basin
岩石微相中颗粒含量与沉积水体的能量成正比, 沉积水体的能量与海平面高度成反比, 因此高能微相组合发育在低海平面沉积环境, 低能微相组合发育在高海沉积环境。根据颗粒含量, 得到 5 个观测剖面的海平面变化曲线(图 8)。因环县阴石峡剖面临近中央古隆起, 遭受强烈的剥蚀作用, 三山子组在此处未发生沉积, 故无对应的海平面变化曲线。
张夏组的主要微相组合类型为 MA3～MA7, 分别代表开阔台地台内滩相带、滩间海相带、台地边缘滩相带、上斜坡相带和下斜坡相带。斜坡相带中多发育泥质灰岩微相, 含较多泥质沉积物, 其中泥晶灰岩微相中只存在泥晶质灰岩, 无颗粒结构和胶结物, 指示沉积于相对低能的水体环境中[37]。台内滩相带中常见由泥晶质组成的竹叶状灰岩微相, 形成于不断受到高能水动力作用打扰的低能沉积环境中, 在风暴期间被打碎、搬运后沉积[38], 反映华北板块在寒武纪时期受到频繁的风暴作用[39]。亮晶胶结的鲕粒多为同心圆状, 表明其形成于动荡的浅水环境, 大量发育的鲕粒颗粒灰岩是台地边缘滩的产物[19,40–41]。张夏组下部多为 MA5～MA7 微相组合, 指示斜坡以及台地边缘的相带; 上部多为 MA3 和MA4 微相组合, 指示开阔台地台内滩和滩间海相带。斜坡→台地边缘→开阔台地的相带转变表明水体深度的增加, 海平面的升高, 指示海侵作用。从图 8 可以看出, 张夏组沉积期的海平面整体上呈现上升趋势。
三山子组的主要微相类型为 MA1～MA4, 泥晶–粉晶白云岩、细晶–中晶白云岩和泥质白云岩均形成于局限台地内, 沉积于安静的局限性环境。台地内水体较浅, 陆源输入少, 与广海之间的物质交换受限, 有利于白云石晶体的形成[42–43]。泥质的沉积可能是受到短期海侵作用的影响[44]。整体而言, 该时期属于海退阶段, 海平面下降, 但存在短期海侵引起的海平面上升。
总的来说, 研究区观测剖面具有张夏组沉积期海侵、三山子组沉积期海退的特征, 相对海平面变化曲线呈现先上升后下降的趋势, 受到全球海平面变化和构造活动控制[45]。结合寒武纪时期全球板块的分布可知, 研究区海平面变化的波动可能是受到怀远运动的影响。早寒武世时期, 海水向西推进, 导致华北古陆逐渐向西退缩, 最终形成鄂尔多斯古陆。到张夏组沉积期, 海侵范围进一步向西扩大, 鄂尔多斯古陆继续向西退缩, 并分裂为伊盟古陆和镇原古陆两个部分[9]。晚寒武世时期, 商丹洋从鄂尔多斯盆地南缘向北俯冲, 盆地西部和南部优先受到应力挤压作用[7,46], 在盆地内形成一系列古隆起, 引起海平面的频繁波动。其中, 鄂尔多斯盆地西部构造隆升逐渐加强, 导致相对海平面显著下降, 使得台地西部大量发育白云岩, 甚至发育不整合面。
本文通过鄂尔多斯盆地西缘中–上寒武统碳酸盐岩的微相分析, 揭示沉积环境演化与海平面变化的耦合关系, 取得以下认识。
1)鄂尔多斯盆地西缘中–上寒武统发育 13 种微相类型(泥质灰岩、泥晶灰岩、生屑粒泥灰岩、生屑泥粒灰岩、竹叶状灰岩、鲕粒颗粒灰岩、内碎屑颗粒灰岩、内碎屑生屑颗粒灰岩、泥晶–粉晶白云岩、细晶–中晶白云岩、泥质白云岩、泥岩和页岩), 其中 7 类碳酸盐岩微相组合分别代表局限台地泥云坪相带、局限台地云坪相带、开阔台地台内滩相带、开阔台地滩间海相带、台缘滩相带、上斜坡相带和下斜坡相带。
图8 鄂尔多斯盆地西部典型野外剖面中–晚寒武世海平面变化曲线
Fig. 8 Middle and Late Cambrian sea level of typical field profiles in the western Ordos Basin
2)纵向上, 鄂尔多斯盆地西部张夏组从下往上依次发育台地边缘相带、上斜坡相带、下斜坡相带和开阔台地相带, 斜坡相带中发育上斜坡亚相和下斜坡亚相, 台地边缘相带中发育边缘滩亚相, 开阔台地相带中发育台内滩亚相和滩间海亚相, 局限台地相带中发育云坪亚相和泥云坪亚相; 三山子组中发育开阔台地相带和局限台地相带。纵向相带的有序分布清晰地反映沉积过程中水体深度和水体能量的垂向演变, 可为揭示地层的垂向沉积序列与演化规律提供重要依据。横向上, 从西向东, 张夏组沉积环境为斜坡→台地边缘→开阔台地, 三山子组沉积环境从开阔台地转变为局限台地, 且云坪沉积厚度从北向南呈现增加趋势。横向沉积环境的变化体现区域构造背景和古地理格局对沉积的控制作用, 可为理解区域沉积环境的差异和油气资源的横向分布规律提供重要线索。
3)鄂尔多斯盆地中–晚寒武世沉积环境的演变受海平面变化和构造运动的共同控制。张夏组沉积期构造活动较弱, 沉积环境主要由海平面变化控制。观测剖面所处部位的相对海平面呈现上升趋势, 这种海平面的变化直接影响沉积相带的垂向更替和横向迁移, 决定沉积物的类型和分布。从张夏组沉积晚期到三山子组沉积期, 构造活动显著增强, 相对海平面呈下降趋势。构造运动与海平面变化的耦合作用, 深刻地影响沉积环境的演变, 重塑沉积地层的空间结构和沉积相带分布, 是油气勘探开发的重要地质学依据。
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Microfacies Characteristics and Sea Level Changes of Middle-Upper Cambrian Carbonate Rocks in the Western Ordos Basin
Abstract Based on field outcrop observations and microscopic thin section analysis, the microfacies types, microfacies associations, and the evolution of sedimentary environments controlled by relative sea-level changes of the oil and gas reservoirs in the western Ordos Basin are studied. The results show that 13 types of microfacies (MF) can be identified in the Middle-Upper Cambrian of the study area, including argillaceous limestone MF, micritic limestone MF, bioclastic wackstone MF, bioclastic packstone MF, wormkalk, oolitic grainstone MF, intraclastic grainstone MF, intraclastic-bioclastic grainstone MF, mictric-fine crystalline dolomite MF, fine-medium crystalline dolomite MF, argillaceous dolomite MF, mudstone MF, and shale MF. The spatial distribution characteristics of microfacies indicate that this set of carbonate rocks has seven types of microfacies associations, representing restricted platform muddy dolomite flats (MA1), restricted platform dolomite flats (MA2), open platform intra-platform shoals (MA3), open platform inter-shoal sea (MA4), platform margin shoals (MA5), upper slope (MA6), and lower slope facies belts (MA7). From bottom to top, the Middle-Upper Cambrian in the study area successively develops MA5, MA6, MA7, MA3, MA4, MA1, and MA2, which correspond to the platform margin shoals, upper slope, lower slope, open platform intra-platform shoals, inter-shoal sea, restricted platform muddy dolomite flats, and dolomite flats. This sequence indicates that the sedimentary environment becomes more restricted vertically from bottom to top, with the water body becoming shallower. Laterally, the sedimentary environment transitions from slope to platform margin, then to open platform, and finally to restricted platform from west to east, representing a change from deep water to shallow water with a gradual increase in water energy. The sedimentary environment changes revealed by microfacies are jointly controlled by relative sea-level fluctuations and tectonic movements: the sedimentary period of the Zhangxia Formation was mainly controlled by sea-level changes, characterized by sea-level rise. The sedimentary period of the Sanshanzi Formation was controlled by both sea-level changes and tectonic movements. The tectonic uplift in the southwestern part of the basin gradually intensified, leading to a significant drop in relative sea level, thus forming the sedimentary environment transition from slope to platform margin, open platform, and restricted platform from bottom to top.
Key words Ordos Basin; microfacies; Cambrian; sedimentary evolution; sea level change