鄂爾多斯盆地西緣中奧陶統(tǒng)克里摩里組深水等深流溢岸混合沉積

李向東，闕 易，郇雅棋，陳海燕

(1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2. 中國石油 冀東油田分公司，河北 唐山 063200)

等深流是指由于地球旋轉(zhuǎn)而在大洋中形成的溫鹽環(huán)流,這種環(huán)流平行海底等深線作穩(wěn)定低速流動(dòng)[1-2]。等深流沉積研究則始于1964年[3],隨后緩慢發(fā)展[4]。在過去的50多年里,雖然提出和完善了等深流鑒別標(biāo)志,總結(jié)出了等深流事件性沉積序列,并對(duì)等深巖丘和大型沉積物波等大型沉積體展開研究[2,5-7],提出了等深流沉積體系[8-9],探討了深水底流對(duì)砂質(zhì)沉積物的改造[10]。特別是大洋鉆探339航次的執(zhí)行[11],使得等深流沉積研究取得長(zhǎng)足的進(jìn)步,進(jìn)一步完善了等深流沉積體系[12-13],但是研究領(lǐng)域仍以現(xiàn)代海洋沉積為主,研究手段仍以地球物理方法為主[14-19]。地層記錄中的等深流沉積研究的薄弱[20-24]和有關(guān)等深流沉積的大洋鉆探資料研究形成顯明的對(duì)比,兩者之間的不均衡,仍然是未來等深流沉積研究的重要挑戰(zhàn)之一[4]。

鄂爾多斯盆地油氣資源豐富,其西緣和中北部天然氣資源豐富,具有良好的勘探前景[25],是當(dāng)前下古生界天然氣勘探的重要地區(qū)之一[26],并且在奧陶紀(jì)曾發(fā)生過較大規(guī)模的油氣運(yùn)聚成藏[27]。依據(jù)固體瀝青的研究成果,鄂爾多斯盆地西緣中奧陶統(tǒng)克里摩里組頂部發(fā)育有較大規(guī)模(相對(duì)桌子山組和烏拉力克組古油藏)的孔洞型(晶間孔和粒間孔為主)古油藏[27]。就整個(gè)克里摩里組而言,西緣中部的礫屑石灰?guī)r發(fā)育縫洞型儲(chǔ)集空間,已獲高產(chǎn)工業(yè)氣流[28]；西緣北部的泥質(zhì)巖和泥質(zhì)石灰?guī)r有機(jī)碳含量較高,是相對(duì)有利的生排烴層段,也是下古生界的主力生烴層段[29-31]。

就沉積類型而言,鄂爾多斯盆地西緣中、晚奧陶世是等深流極為發(fā)育的時(shí)期。已發(fā)現(xiàn)的等深流沉積主要包括:平?jīng)龅貐^(qū)官莊剖面平?jīng)鼋M[23]、桌子山地區(qū)克里摩里組[32]、烏拉力克組[23]、拉什仲組[33]和公烏素組[34]。其中對(duì)克里摩里組深水等深流沉積已進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究[35-38],本文即以鄂爾多斯盆地西緣北段桌子山地區(qū)克里摩里組中段為研究對(duì)象,認(rèn)為其中的薄層石灰?guī)r和頁巖在垂向上構(gòu)成混積層系[39-41],屬于混合沉積。該混合沉積的研究,對(duì)于剖析等深流沉積的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鄂爾多斯盆地西緣天然氣的生烴、排烴和儲(chǔ)集均具有重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣北部,內(nèi)蒙古桌子山地區(qū)(圖1),在中奧陶世克里摩里組沉積的達(dá)瑞威爾期,北部為阿拉善古陸和伊盟古陸；東部為開闊碳酸鹽巖臺(tái)地；臺(tái)地邊緣斜坡呈向西南開口的環(huán)帶狀分布；中部為深水盆地[42-43]。桌子山地區(qū)奧陶系從沉積環(huán)境上可分為臺(tái)地和斜坡(含深海盆地)兩大類(系列)。臺(tái)地相由下奧陶統(tǒng)三道坎組和中奧陶統(tǒng)桌子山組組成:三道坎組為淺灰色石英砂巖、灰白色白云質(zhì)石灰?guī)r、石灰?guī)r互層,屬于潮坪沉積；桌子山組由淺灰色厚層石灰?guī)r組成,屬于碳酸鹽巖臺(tái)地沉積。斜坡相由中奧陶統(tǒng)克里摩里組和上奧陶統(tǒng)烏拉力克組、拉什仲組、公烏素組和蛇山組組成:克里摩里組和烏拉力克組主要由晶粒石灰?guī)r和頁巖組成,含礫屑石灰?guī)r；拉什仲組主要由灰綠色砂巖、泥巖組成；公烏素組為薄層石灰?guī)r、泥巖、砂巖互層；蛇山組以生物碎屑石灰?guī)r為主。整體上反映了從深水石灰?guī)r、深水碎屑巖到淺水石灰?guī)r的演化序列,其中最大海侵期可能發(fā)生在克里摩里組上段[37],隨后在拉什仲組和公烏素組共出現(xiàn)4次大陸斜坡與深海盆地的轉(zhuǎn)化[44-45],至蛇山組才變?yōu)闇\海陸棚環(huán)境。

圖1 鄂爾多斯盆地西緣中奧陶世達(dá)瑞威爾期古地理略圖(據(jù)文獻(xiàn)[42]繪制)Fig.1 Outline showing the Darriwilian paleogeography during the Middle Ordovician,western margin of Ordos Basin(drawn from reference [42])

克里摩里組在區(qū)域上巖性變化較大。內(nèi)蒙古桌子山地區(qū)主要由深灰色薄-中層石灰?guī)r和頁巖、鈣質(zhì)頁巖組成,表現(xiàn)為斜坡薄層石灰?guī)r序列沉積[46-47],厚度為80～202 m；寧夏吳忠市靈武地區(qū)為頁巖、鈣質(zhì)頁巖和泥質(zhì)石灰?guī)r,表現(xiàn)為極弱的靜水沉積,厚度為85～140 m(未見底)；余探1井則為垮塌作用形成的角礫石灰?guī)r,屬于臺(tái)地邊緣斜坡沉積[28]；寧夏鹽池地區(qū)為石灰?guī)r與白云質(zhì)石灰?guī)r,厚度約為102 m(未見底)；從靈武繼續(xù)向南至寧夏青龍山地區(qū),下部以中-厚層石灰?guī)r為主,向上逐漸變?yōu)楸邮規(guī)r,其中云斑石灰?guī)r和顆粒石灰?guī)r發(fā)育,厚度突然增至400多米[48]?？傊?克里摩里組整體表現(xiàn)為東西向和南北向的雙重演化,并非簡(jiǎn)單化的大陸斜坡,其構(gòu)造特征東西向?yàn)闁|部高、西部低,南北向?yàn)閮蛇叺?、中間高,具有鞍狀的特點(diǎn)[28]。

2 研究方法

本文以詳細(xì)的野外觀察為基礎(chǔ),對(duì)桌子山地區(qū)石峽谷剖面石灰?guī)r和頁巖厚度進(jìn)行了逐層測(cè)量,并在橫向上進(jìn)行追蹤,詳細(xì)觀察有關(guān)的沉積構(gòu)造,對(duì)石灰?guī)r進(jìn)行了逐層采樣。在室內(nèi)以巖石薄片研究為主,共鑒定薄片28張,重點(diǎn)對(duì)巖性和巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和歸類。結(jié)合野外地質(zhì)剖面測(cè)量與觀察和室內(nèi)巖石薄片鑒定所獲得的沉積環(huán)境信息以及區(qū)域沉積背景,恢復(fù)其原始沉積相；同時(shí)以水槽實(shí)驗(yàn)的相關(guān)成果為依據(jù),從沉積流體特征與沉積巖特征之間的關(guān)系入手,著重探討沉積流體演化與沉積演化之間的關(guān)系,恢復(fù)克里摩里組中段混合沉積的沉積作用過程。

3 巖性特征與沉積環(huán)境

克里摩里組在桌子山地區(qū)自下而上依據(jù)巖性變化可分為3段(圖2),與下伏桌子山組厚層-塊狀石灰?guī)r呈整合接觸,在石峽谷剖面兩者之間為正斷層。克里摩里組下段為深灰色薄-中層石灰?guī)r夾灰黑色極薄層頁巖、灰質(zhì)頁巖組成,具有高旋回性(圖3a),與克里摩里組中段和上段相比,其顯著特點(diǎn)是石灰?guī)r之間的頁巖夾層極薄,甚至缺失,往往形成薄層石灰?guī)r疊置層(圖3b)。石灰?guī)r主要由粉晶石灰?guī)r(含細(xì)粉晶與粗粉晶)和泥晶石灰?guī)r組成,單個(gè)晶粒呈散點(diǎn)狀分布,粉晶之間為泥晶充填,但粗粉晶、細(xì)粉晶和泥晶之間可形成條紋及條帶。石灰?guī)r單層厚度最薄層為3 cm,最厚層為31 cm,平均為10.2 cm(石峽谷剖面)；巖層上、下界面不規(guī)則,呈波狀起伏及透鏡狀,習(xí)慣上也稱為瘤狀石灰?guī)r。在石灰?guī)r中主要發(fā)育2種沉積構(gòu)造,一是具有雙向遞變特征的粒序?qū)?從下到上表現(xiàn)為細(xì)-粗-細(xì)序列,主要由細(xì)粉晶-粗粉晶-細(xì)粉晶構(gòu)成,也可由泥晶-細(xì)粉晶-泥晶構(gòu)成；二是平行層-均勻?qū)?平行層序列,平行層的晶粒相對(duì)較小,而均勻?qū)拥木ЯＯ鄬?duì)較粗[36-37]。

克里摩里組中段主要由深灰色中-薄層石灰?guī)r夾灰黑色薄-極薄層頁巖組成的巖石組合與灰黑色頁巖互層,其頂部出現(xiàn)灰黑色頁巖夾淺灰綠色粉砂巖組合與灰黑色頁巖互層(圖3c)。夾層一般由3～4層石灰?guī)r組成,單層石灰?guī)r之間一般為薄層頁巖所隔,石灰?guī)r不形成疊置層,有時(shí)為中層頁巖所隔,形成石灰?guī)r與頁巖互層組合(圖3d)；石灰?guī)r與頁巖中均含有豐富的筆石。在石峽谷剖面中共由10組這樣的巖組組成,從下到上頁巖中灰質(zhì)成分增多。石灰?guī)r結(jié)構(gòu)特征與沉積構(gòu)造詳見后文。

克里摩里組上段由灰黑色頁巖及含灰頁巖組成,富含筆石,在風(fēng)化弱的剖面上表現(xiàn)為厚層狀,風(fēng)化較嚴(yán)重時(shí)呈頁理狀(圖3e),其中含灰頁巖的CaO和MgO含量合計(jì)小于4%?；液谏搸r及含灰頁巖中均發(fā)育有薄的水平紋層,在風(fēng)化面上表現(xiàn)優(yōu)為突出,形成密集條紋狀構(gòu)造,在1 cm的寬度上可發(fā)育6～10條,單條紋厚度約為0.1～0.2 cm(圖3f)。就單條紋的特征可分出斷續(xù)型和連續(xù)型兩類:斷續(xù)型條紋表現(xiàn)為連續(xù)或不連續(xù)的極小的透鏡體形態(tài)(圖3f中長(zhǎng)箭頭)；連續(xù)型條紋表現(xiàn)為平直、連續(xù)的單紋層,與水平層理或平行層理相當(dāng)(圖3f中短箭頭)；斷續(xù)型條紋與連續(xù)型條紋可呈過渡狀態(tài)。其頂部以透鏡狀礫屑石灰?guī)r與烏拉力克組分界,兩者呈整合接觸。

薄層石灰?guī)r與常見的臺(tái)地相厚層-塊狀石灰?guī)r不同,具有薄的單層厚度(一般小于30 cm)、高旋回性(一般為米級(jí)旋回)和石灰?guī)r-頁巖對(duì)(石灰?guī)r-灰質(zhì)頁巖對(duì)),據(jù)已有文獻(xiàn),其沉積環(huán)境一般解釋為斜坡至深水盆地[46-47,49-50]。克里摩里組下段即由薄層石灰?guī)r-頁巖對(duì)組成,且及具旋回性,而中段在頁巖中也含有薄層石灰?guī)r-薄層頁巖對(duì)巖石組合,其沉積環(huán)境可能均為深水斜坡(圖2)。其中克里摩里組下段石灰?guī)r中的細(xì)-粗-細(xì)序列和平行層-均勻?qū)?平行層序列則反映了沉積流體強(qiáng)度由弱變強(qiáng)再變?nèi)醯淖兓^程,在深水環(huán)境中解釋為等深流沉積[2,51],具體可能為等深流水下水道沉積[38],而中段則可能為等深流水下天然堤沉積(詳見后文)。

克里摩里組上段條紋狀頁巖、含灰頁巖中富含筆石,為典型的筆石頁巖,形成于滯留環(huán)境中平緩底流的條件下懸浮沉積物垂直降落沉積[52-53],其沉積環(huán)境可能為深水盆地,又由于條紋條帶發(fā)育于頁巖中,故沉積可能發(fā)生在碳酸鹽巖補(bǔ)償深度以下。依據(jù)水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)流體速度小于25 cm/s時(shí),流體中的懸浮物質(zhì)主要由粘土物質(zhì)組成,絮凝波發(fā)育且具有長(zhǎng)的尾跡,在流體改造底床沉積物的同時(shí),絮凝波中的粘土也發(fā)生垂直降落沉積,可形成粗粒和細(xì)粒相間的條紋狀沉積[53]。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景及克里摩里組沉積特征,克里摩里組上段條紋狀頁巖、含灰頁巖解釋為由弱等深流引起的粘土絮凝波和底載荷交互沉積形成[37]。

圖2 內(nèi)蒙桌子山地區(qū)石峽谷中奧陶統(tǒng)克里摩里組巖性柱狀圖Fig.2 Lithologic column of the Middle Ordovician Kelimoli Formation in Zhuozishan area,Inner Mongolia

圖3 內(nèi)蒙桌子山地區(qū)石峽谷中奧陶統(tǒng)克里摩里組巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of the Middle Ordovician Kelimoli Formation in Zhuozishan area,Inner Mongoliaa.深灰色中-薄層石灰?guī)r夾灰黑色極薄層頁巖,克里摩里組下段；b.深灰色(風(fēng)化成淺黃色)薄層石灰?guī)r疊置層,克里摩里組下段；c.深灰色中-薄層石灰?guī)r與灰黑色頁巖互層(遠(yuǎn)景),圖中數(shù)字為巖組序號(hào),克里摩里組中段；d.互層序列中的中-薄層石灰?guī)r夾薄層頁巖巖組與灰黑色頁巖,圖中 數(shù)字為巖組序號(hào),克里摩里組中段；e.灰黑色呈厚層狀灰質(zhì)頁巖,克里摩里組上段；f. 灰黑色灰質(zhì)頁巖中的條紋狀構(gòu)造,克里摩里組上段

4 等深流溢岸混合沉積

4.1 混積層系特征

桌子山地區(qū)克里摩里組中段由灰黑色頁巖、鈣質(zhì)頁巖組成背景沉積,深灰色中-薄層粉晶-泥晶石灰?guī)r與少量淺灰色含粉砂石灰?guī)r則分布在頁巖之中,將頁巖隔開(圖3c，d),單層頁巖厚度30～90 cm,石灰?guī)r段一般由中-薄層石灰?guī)r與中-薄層頁巖組成夾層或互層巖組(圖4a),但也有1組由1層石灰?guī)r組成(圖4b)。單層石灰?guī)r可表現(xiàn)出錯(cuò)斷、彎曲及揉皺現(xiàn)象,在側(cè)向上也出現(xiàn)分層現(xiàn)象(圖4a中短箭頭及圖4b中箭頭所示),而頁巖在側(cè)向上則出現(xiàn)局部加厚或減薄現(xiàn)象(圖4a)。在巖組中石灰?guī)r的厚度一般大于頁巖厚度,而夾層頁巖的厚度和互層頁巖的厚度相關(guān)(與石灰?guī)r巖組互層),當(dāng)互層頁巖的厚度達(dá)到80～90 cm時(shí),夾層頁巖厚度可達(dá)35 cm。

在石峽谷剖面(中段厚13.17 m)共發(fā)育10個(gè)巖組,依據(jù)石灰?guī)r與頁巖的組合特征,從下到上可劃分3個(gè)旋回:第1巖組(底界)至第3巖組(其上頁巖頂部)為第1旋回；第4巖組至第7巖組為第2旋回；第8巖組至第10巖組(中段頂界)為第3旋回(圖3c，d)。在旋回中,第1和2旋回從下到上石灰?guī)r減少,頁巖增多,和巖組互層的頁巖也由薄到厚,這種旋回性質(zhì)在第2旋回中表現(xiàn)尤為突出(圖3c，d),而第3旋回石灰?guī)r較均勻地分布在頁巖之中,3個(gè)巖組的石灰?guī)r層數(shù)分別為1，4，2,也表現(xiàn)為一定的隨機(jī)性。

依據(jù)18張石灰?guī)r薄片鑒定結(jié)果,粗粉晶、細(xì)粉晶和灰泥呈連續(xù)的過渡,在巖性上則表現(xiàn)為粗粉晶石灰?guī)r到灰泥石灰?guī)r的演化。在旋回內(nèi)部,石灰?guī)r巖組從下到上粗粉晶含量減少,細(xì)粉晶和灰泥含量增加。在旋回之間也存在類似的變化特征:第1旋回底部為粗粉晶石灰?guī)r,粉晶之間為灰泥充填,偶見細(xì)砂級(jí)的石英顆粒(圖4c),頂部(第3巖組)則出現(xiàn)含灰泥及粗粉晶的細(xì)粉晶石灰?guī)r；第2旋回底部(第4巖組)為含細(xì)粉晶的粗粉晶石灰?guī)r,經(jīng)含灰泥細(xì)粉晶質(zhì)粗粉晶石灰?guī)r(第5巖組),至頂部(第7巖組)為含粉砂灰泥石灰?guī)r(圖4d),同時(shí)陸源物質(zhì)增加,但顆粒變小,較大的也為粉砂級(jí)顆粒(圖4d中箭頭)；第3旋回基本上為灰泥石灰?guī)r,沉積構(gòu)造發(fā)育,詳見后文。

依據(jù)7件石灰?guī)r樣品及8件頁巖樣品地球化學(xué)測(cè)試結(jié)果:石灰?guī)r成份穩(wěn)定,CaO含量為49.6%～51.8%,平均50.9%；SiO2含量為3.98%～7.86%,平均5.29%；Al2O3含量為0.99%～1.57%,平均1.17%。頁巖按化學(xué)成分可分為2組,SiO2含量CaO含量呈鏡像關(guān)系,而與Al2O3含量關(guān)系略呈正相關(guān):第1組4個(gè)樣品,均在第1和第2旋回中,CaO含量為22.5%～23.5%,平均22.9%；SiO2含量為36.67%～38.54%,平均37.82%；Al2O3含量為8.78%～9.85%,平均9.32%。第2組4個(gè)樣品,第1和第2旋回中各1件,第3旋回中2件,CaO含量為5.04%～10.05%,平均7.61%；SiO2含量為53.10%～65.57%,平均61.34%；Al2O3含量一般為11.64%～12.86%,平均12.35%,第3旋回中存在1個(gè)異常值,為7.38%,小于第1組的最低值8.78%(相關(guān)數(shù)據(jù)由澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司測(cè)試)。

圖4 內(nèi)蒙桌子山地區(qū)石峽谷中奧陶統(tǒng)克里摩里組中段混積層系特征Fig.4 Characteristics of the mixed sequence in the middle part of the Middle Ordovician Kelimoli Formation,Zhuozishan area,Inner Mongoliaa.深灰色薄-中層粗粉晶石灰?guī)r與灰黑色薄層頁巖互層(巖組),第1組,長(zhǎng)箭頭所示為圖4c采樣層位,短箭頭所示為巖層的受力分層現(xiàn)象,巖組上、下灰黑色頁巖均厚約80 cm,地質(zhì)錘長(zhǎng)40 cm；b. 深灰色中層含粉砂灰泥石灰?guī)r,第8組,唯一由單層石灰?guī)r構(gòu)成的1組,其下頁巖厚40 cm,箭頭所示為巖層的受力分層現(xiàn)象,其上頁巖厚35 cm,野外記錄本長(zhǎng)18 cm；c. 深灰色薄-中層粗粉晶石灰?guī)r,第1組,巖層見圖4a箭頭所示,正交偏光,箭頭所示為 石英顆粒,粗粉晶方解石顆粒之間為灰泥充填；d. 深灰色中層含粉砂灰泥石灰?guī)r,箭頭所指為較大顆粒石英,第7組

在石灰?guī)r中,CaO，SiO2及Al2O3等化學(xué)含量穩(wěn)定,說明石灰?guī)r從粗粉晶到灰泥的變化只是晶粒大小的變化,與陸源物質(zhì)的混入關(guān)系不大,結(jié)合粗晶顆粒周邊為灰泥充填的現(xiàn)象(圖4c)說明石灰?guī)r受成巖作用的影響有限,因此石灰?guī)r晶粒大小的變化可能反映了沉積時(shí)水動(dòng)力的變化。石灰?guī)r層的錯(cuò)斷、彎曲、揉皺現(xiàn)象及頁巖在側(cè)向上的加厚或減薄,說明巖層受到過擠壓力作用,因此可以推測(cè)石灰?guī)r層在側(cè)向上的分層現(xiàn)象可能與擠壓作用相關(guān),屬于受力分層(圖4a，b)。

在頁巖中CaO與SiO2含量呈鏡像關(guān)系,說明了陸源物質(zhì)沉積對(duì)碳酸鹽沉積的抑制作用,但是二者的關(guān)系不是漸變的,而是突變,可分為2組:第1組測(cè)試樣品其CaO平均含量為22.9%,應(yīng)為灰泥質(zhì)頁巖,屬于陸源碎屑與清水碳酸鹽混合沉積包括混積巖,即碳酸鹽質(zhì)-陸源碎屑巖[39-41]；第2組測(cè)試樣品其CaO平均含量為7.61%,略高于5%(該地區(qū)上奧陶統(tǒng)拉什仲組灰綠色頁巖),可視為頁巖及含灰泥頁巖,基本屬于陸源碎屑巖沉積。

從混合沉積的角度對(duì)克里摩里組的巖石進(jìn)行分類[39-41]:薄層石灰?guī)r主要由碳酸鹽組分構(gòu)成,屬于非混積巖；而頂部的砂質(zhì)石灰?guī)r則屬于混積巖；第1組頁巖由碳酸鹽組分和陸源碎屑組分(粘土)構(gòu)成,屬于混積巖；第2組頁巖主要由陸源碎屑組分(粘土)構(gòu)成,屬于非混積巖。因此,薄層石灰?guī)r與第1組頁巖構(gòu)成碳酸鹽與混積巖混積層系,主要發(fā)育在第1和第2旋回下部；薄層石灰?guī)r與第2組頁巖構(gòu)成碳酸鹽與陸源碎屑混積層系,主要發(fā)育在第1和第2旋回上部以及第3旋回；而第2旋回頂部(第7巖組)砂質(zhì)石灰?guī)r和第2組頁巖則構(gòu)成陸源碎屑與混積巖混積層系。故整個(gè)克里摩里組中段即為廣義的混合沉積。

4.2 巖層形態(tài)特征

克里摩里組中段10個(gè)石灰?guī)r組,就單層石灰?guī)r形態(tài)而言可分為3類,其在垂向上的發(fā)育及巖性特征也具有一定的規(guī)律性:① 單層石灰?guī)r呈透鏡狀,側(cè)向上尖滅于頁巖之中,其規(guī)模較小(圖5a，c),發(fā)育在第1巖組至第6巖組,巖性為粉晶石灰?guī)r,包括粗粉晶和細(xì)粉晶,并含有灰泥。其尖滅方式可觀察到3種:單層石灰?guī)r尖滅于和巖組互層的頁巖中,而且不同的巖層可向不同的方向尖滅,而非一定向同一方向尖滅(圖5a)；多個(gè)石灰?guī)r層在短距離內(nèi)呈透鏡體向兩個(gè)方向同時(shí)尖滅,在形態(tài)上表現(xiàn)為小型水道形態(tài)(圖5b)；單個(gè)石灰?guī)r層呈透鏡體尖滅于巖組中的夾層頁巖之中(圖5c)。② 單個(gè)石灰?guī)r層呈長(zhǎng)透鏡體尖滅于互層頁巖之中(圖5d),其規(guī)模較大,需要沿巖層走向追蹤,發(fā)育在第7巖組和第8巖組,巖性為含粉砂灰泥石灰?guī)r,是克里摩里組中段方解石顆粒最小(平均)而陸源物質(zhì)含量最多的巖層。③ 單層石灰?guī)r呈板狀,在側(cè)向上延伸遠(yuǎn),順層追蹤,未發(fā)現(xiàn)側(cè)向尖滅現(xiàn)象,但有小斷層錯(cuò)開,發(fā)育在第9巖組和第10巖組,巖性為粉晶質(zhì)(條帶狀)灰泥石灰?guī)r,該巖層中沉積構(gòu)造發(fā)育,詳見后文。

第1巖組至第6巖組中單層石灰?guī)r多呈透鏡狀,其巖性以粗粉晶及細(xì)粉晶石灰?guī)r為主,均說明了沉積時(shí)水流的相對(duì)集中。而圖5b中雙向尖滅的石灰?guī)r透鏡體顯示出小型水道形態(tài),就其規(guī)模而言,相當(dāng)于小沖溝,石灰?guī)r在后期壓實(shí)過程中厚度變化較小,因此沖溝的深度也很淺。不同單層石灰?guī)r透鏡體在同一位置分別向兩個(gè)相反的方向尖滅(圖5a)以及單層石灰?guī)r尖滅于巖組內(nèi)部夾層頁巖之中(圖5c),均說明了相對(duì)聚集的水流側(cè)向遷移較快,且遷移方向具有隨機(jī)性。從剖面底部小規(guī)模透鏡體尖滅(第1巖組至第6巖組)逐漸演變?yōu)殚L(zhǎng)透鏡體尖滅(第7巖組和第8巖組)及板狀石灰?guī)r層(第9巖組和第10巖組),則反映了水流由強(qiáng)到弱的變化。上述所有特征,均體現(xiàn)了水道溢岸水流在天然堤上的沉積特征:由于溢岸水流的相對(duì)集中,在天然堤上形成小的沖溝,沉積了石灰?guī)r；溢岸水流具有事件性和隨機(jī)性,則導(dǎo)致了石灰?guī)r層在不同方向上的尖滅及尖滅于夾層頁巖和互層頁巖之中；由于天然堤的不斷加高和水深的不斷加深,溢岸水流越來越弱,則形成了長(zhǎng)透鏡體尖滅和板狀石灰?guī)r層。

4.3 沉積構(gòu)造特征

克里摩里組中段的沉積構(gòu)造主要發(fā)育在第9和第10巖組,發(fā)現(xiàn)了2種類型。第1種是平行層-均勻?qū)?平行層序列(圖6a),發(fā)育在同一石灰?guī)r層中,平行層的晶粒相對(duì)較小,層系厚度薄,但是非常明顯,將均勻?qū)痈糸_(圖6a長(zhǎng)箭頭),均勻?qū)拥木ЯＯ鄬?duì)較粗。均勻?qū)雍推叫袑邮窍鄬?duì)的,其區(qū)別在于紋層厚度的不同,2者可以連續(xù)變化,形成條紋條帶構(gòu)造(圖6a短箭頭),不同的序列之間可相互疊置,宏觀上構(gòu)成同一巖層(圖6a)。第2種是平緩微波狀條紋構(gòu)造(圖6b),平緩是指整個(gè)紋層近水平狀,微波是指紋層本身不平直,呈微小的不規(guī)則波狀起伏(圖6b箭頭)。平緩微波狀條紋構(gòu)造和準(zhǔn)平行層理不同,區(qū)別主要有兩點(diǎn):① 前者紋層間的距離較大且不相等,有時(shí)呈現(xiàn)出有規(guī)律的窄—寬—窄變化,而后者紋層間的距離較小且均勻；② 前者紋層圍繞“平衡位置”出現(xiàn)眾多的不規(guī)則微小波狀起伏,而后者是單一的較大的波狀起伏,波長(zhǎng)與波高之比一般大于100[55-56]。在顯微鏡下,可清晰地看到這種條紋是由灰泥和粉晶聚集帶交替形成(圖6c，d),粉晶具有正粒序,其上粉晶與灰泥呈不規(guī)則交替,粉晶具有撕裂團(tuán)塊狀；底界波狀起伏,具有明顯的剝蝕性(圖6c，d中長(zhǎng)箭頭所示)；而頂界則與灰泥呈連續(xù)過渡,但常存在晶粒反?，F(xiàn)象(圖6c，d中短箭頭所示)?；夷嗪头劬Ь奂瘞Э蓪捒烧?與其宏觀紋層特征(圖6b)相吻合。平行層-均勻?qū)?平行層序列和平緩微波狀條紋構(gòu)造并非截然分開,二者之間可呈現(xiàn)出連續(xù)過渡,平行層-均勻?qū)?平行層序列中的平行層可以為較清晰的平行層,也可為模糊的平行層,也可演化為斷續(xù)的平行層,甚至平緩的波狀層。

圖5 內(nèi)蒙桌子山地區(qū)石峽谷中奧陶統(tǒng)克里摩里組中段混積層系中石灰?guī)r形態(tài)特征Fig.5 Geometry of limestones in the mixed sequence of the middle part of the Middle Ordovician Kelimoli Formation,Zhuozishan area,Inner Mongoliaa.單層石灰?guī)r側(cè)向上尖滅于頁巖中,呈透鏡體狀,第3巖組；b. 石灰?guī)r雙向尖滅透鏡體所指示的小型水道,第3巖組；c. 薄層石灰?guī)r側(cè)向上呈透鏡體尖滅于石灰?guī)r層所夾的頁巖夾層中(箭頭),第4巖組；d. 淺灰色薄-中層含粉砂灰泥石灰?guī)r側(cè)向呈透鏡體尖滅于灰黑色頁巖 之中,第7巖組

克里摩里組中段石灰?guī)r中的平行層-均勻?qū)?平行層序列(圖6a),事實(shí)上包含了粒度的細(xì)-粗-細(xì)變化,反映了沉積流體強(qiáng)度由弱變強(qiáng)再變?nèi)醯淖兓^程,在深水環(huán)境中解釋為等深流沉積[2,51],這是中段等深流沉積的直接標(biāo)志。平緩微波狀條紋構(gòu)造(圖6b)反映了等深流具有弱的剝蝕性[2,51],而顯微鏡下灰泥和粉晶聚集帶的分布特征則進(jìn)一步提供了具有剝蝕性質(zhì)的等深流信息。粉晶底界的波狀起伏與突變,說明流體一開始速度較大,具有剝蝕性,沒有從小到大的變化過程,這和等深流低速期與高速期的交互略有不同[1-2]；而粉晶聚集帶具有正粒序以及粉晶聚集帶頂部粉晶到灰泥的連續(xù)過渡,則說明沉積流體速度隨時(shí)間而減小,具有衰弱流的性質(zhì)[57-58]；而粉晶聚集帶上部粉晶與灰泥的不規(guī)則交替以及灰泥聚集帶下部存在的晶粒反?，F(xiàn)象,則顯示出紊流的懸浮特征。以上沉積特征所顯示的低速流體(等深流低流速期速度一般為5～20 cm/s；在高流速期速度一般為20～40 cm/s[1])開始速度相對(duì)較高,具有剝蝕性,之后隨時(shí)間而衰弱,但紊流性質(zhì)加強(qiáng),這和水道中的水流在高速期溢岸,隨后在天然堤發(fā)散,而在沖溝中紊流性質(zhì)加強(qiáng)的現(xiàn)象吻合,因此其沉積構(gòu)造特征也顯示了溢岸水流沉積,與依據(jù)巖層形態(tài)特征所推測(cè)出的結(jié)論一致。

圖6 內(nèi)蒙桌子山地區(qū)石峽谷中奧陶統(tǒng)克里摩里組中段混積層系中石灰?guī)r沉積構(gòu)造Fig.6 Sedimentary structure of limestones in the mixed sequence of the middle Middle Ordovician Kelimoli Formation,Zhuozishan area,Inner Mongoliaa.深灰色中層含粉砂灰泥石灰?guī)r中的平行層-均勻?qū)?平行層,平行層(長(zhǎng)箭頭)晶粒較細(xì),向上演變?yōu)闂l紋條帶構(gòu)造(短箭頭),第8巖組；b.淺灰至深灰色中層粗粉晶質(zhì)灰泥石灰?guī)r,發(fā)育條紋狀構(gòu)造,條紋呈微波狀起伏(箭頭),第10巖組；c.粗粉晶質(zhì)灰泥石灰?guī)r由粗粉晶組成的條紋狀構(gòu)造,粗粉晶略呈正粒序,底界不平整且粒度突變(長(zhǎng)箭頭),下部灰泥與粉晶呈連續(xù)過渡,局部存在晶粒反常(短箭頭),第10巖組；d.同c,灰泥條紋較窄,粉晶顆粒相對(duì)較為分散,存在不平整且粒度突變的底界(長(zhǎng)箭頭),及下部局部晶粒反常(短箭頭),第10巖組

5 解釋與討論

依據(jù)區(qū)域地質(zhì)及巖相古地理的相關(guān)研究成果,在中奧陶世達(dá)瑞威爾期研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣臺(tái)地邊緣斜坡,其南部為深水盆地(圖1)[42],就其巖性特征而言,下段的薄層狀石灰?guī)r夾極薄層泥巖(圖3b)可直接作為深水沉積的指相標(biāo)志[46-47,49-50]；克里摩里組整體上為深水等深流沉積[37-38],就其中段而言:平行層-均勻?qū)?平行層序列和平緩微波狀條紋構(gòu)造(圖6a，b)可做為等深流沉積的直接標(biāo)志[1-2]；石灰?guī)r單層的透鏡體尖滅(圖5)及石灰?guī)r中粉晶聚集帶和灰泥聚集帶的關(guān)系(圖6c，d)則具有天然堤溢岸水流的沉積特征。因此,克里摩里組中段可能為深水斜坡環(huán)境下等深流溢岸混合沉積,結(jié)合該組沉積時(shí)等深流受米蘭柯維奇旋回控制的現(xiàn)象[35],可做出研究區(qū)克里摩里組中段混合沉積機(jī)制示意圖(圖7)。

由于等深流強(qiáng)度受天文旋回控制,故在一個(gè)天文旋回內(nèi)可分出等深流強(qiáng)作用期和弱作用期(圖7)。在弱作用期,等深流限制在水道范圍內(nèi),在水道中改造已有沉積物,由于沉積物極薄,每次等深流作用都對(duì)表層的碳酸鹽晶粒和粘土進(jìn)行重新分選,在一個(gè)歲差周期內(nèi),形成改造后的薄層石灰?guī)r和粘土層,即發(fā)育在下段的石灰?guī)r-頁巖對(duì)。在天然堤上則無等深流改造作用,由深水垂直降落作用形成粘土和灰質(zhì)的混合物,越靠近碳酸鹽補(bǔ)償深度(CCD),灰質(zhì)越少泥質(zhì)越多。在等深流強(qiáng)作用期,等深流發(fā)生溢岸,但海底的低密度流體在溢岸之后仍在一定的時(shí)間內(nèi)保持原有形態(tài),即仍然沿天然堤作等深流動(dòng)(圖7)。在天然堤上部形成改造型的薄層石灰?guī)r和粘土層,即粉晶石灰?guī)r與頁巖對(duì)(圖7),但在小周期(如歲差周期)的弱作用期也可在改造粘土層之上沉積垂直降落形成的粘土和灰質(zhì)粘土,這可能是中段巖組中的頁巖層較厚且和互層中的頁巖層厚度相關(guān)的原因。

依據(jù)已有研究成果,克里摩里組對(duì)應(yīng)一個(gè)3級(jí)海侵旋回(底部缺失開始海侵階段)[35],和鄂爾多斯盆地中奧陶世馬六期(對(duì)應(yīng)達(dá)瑞威爾期)3級(jí)海侵一致[59-60],至上段和烏拉力克組達(dá)到最大海侵[37],中段大致對(duì)應(yīng)淹沒階段和淺化階段[35],海平面呈持續(xù)上升趨勢(shì)。在石峽谷剖面中克里摩里組中段依據(jù)石灰?guī)r與頁巖的組合特征可劃分3個(gè)旋回,結(jié)合該組下段的研究成果[35],每個(gè)旋回可能相當(dāng)于超旋回束,受低頻離心率旋回(約0.41 Ma)控制；依據(jù)每個(gè)旋回所包含的巖組數(shù),每個(gè)巖組可能對(duì)應(yīng)于旋回束,受高頻離心率旋回(約0.10 Ma)控制；巖組中的石灰?guī)r-頁巖對(duì)則受歲差周期(約0.02 Ma)控制[35]。依據(jù)每個(gè)旋回中從下到上石灰?guī)r減少、頁巖增多的現(xiàn)象,可以判斷在受低頻離心率旋回控制的等深流強(qiáng)作用期和弱作用期一般分別對(duì)應(yīng)較低和較高的海平面(4級(jí)或5級(jí)海平面變化)；受歲差周期控制的等深流強(qiáng)作用期和弱作用期一般和海平面變化關(guān)系不大。受高頻離心率旋回控制的等深流強(qiáng)作用期和弱作用期與海平面變化之間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

已有研究表明,鄂爾多斯盆地西緣奧陶系烴源巖主要發(fā)育在克里摩里組和烏拉力克組,為一套分布廣、厚度大的深海相泥頁巖和泥質(zhì)碳酸鹽巖沉積[31],其中克里摩里組泥巖有機(jī)碳含量平均為0.52%[29],最高可達(dá)1.25%[61],均大于海相泥頁巖烴源巖生烴有機(jī)碳含量下限0.5%[31]；克里摩里組石灰?guī)r有機(jī)碳含量平均為0.33%[62],而前人在綜合海相碳酸鹽巖烴源巖生烴的有機(jī)碳含量下限及鄂爾多斯盆地下古生界多項(xiàng)無機(jī)與有機(jī)參數(shù)分析,認(rèn)為烴源巖有機(jī)碳含量為0.2%是個(gè)重要的界限,認(rèn)為碳酸鹽巖生烴的有機(jī)碳含量下限一般為0.2%～0.4%。因此,克里摩里組中的深灰色薄層石灰?guī)r和灰黑色頁巖均為鄂爾多斯盆地西緣下古生界重要的烴源巖[31,62]。

圖7 內(nèi)蒙桌子山地區(qū)石峽谷中奧陶統(tǒng)克里摩里組中段混合沉積機(jī)制示意圖Fig.7 Schematic diagram showing the mixed deposition mechanism in the middle part of the Middle Ordovician Kelimoli Formation in the Shixiagu outcrop of Zhuozishan area,Inner Mongolia

等深流對(duì)油氣系統(tǒng)中的儲(chǔ)集層幾何形態(tài)及烴源巖的分布均可產(chǎn)生重要的影響[4],克里摩里組中由等深流形成的薄層晶粒石灰?guī)r往往有利于排烴,也有利于孔隙和裂縫的發(fā)育,間接改善儲(chǔ)層物性。克里摩里組中段溢岸混積層系的發(fā)現(xiàn),起到了承上啟下的作用,連通著下段的薄層石灰?guī)r疊置層和上段及烏拉力克組的頁巖,且其自身可構(gòu)成小規(guī)模的自生自儲(chǔ)巖系,對(duì)鄂爾多斯盆地西緣下古生界頁巖氣的勘探具有重要的意義。

6 結(jié)論

通過對(duì)桌子山地區(qū)中奧陶統(tǒng)克里摩里組中段深灰色中-薄層石灰?guī)r與灰黑色頁巖的組合特征、石灰?guī)r單層形態(tài)及側(cè)向尖滅特征和石灰?guī)r中沉積構(gòu)造的研究,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和頁巖的相關(guān)主量元素測(cè)試結(jié)果,綜合判斷石灰?guī)r與頁巖組成混積層系,包含有陸源碎屑與碳酸鹽混積層系及碳酸鹽(陸源碎屑巖)與混積巖混積層系2種類型。混積層系可能是深水斜坡環(huán)境下受天文旋回控制的等深流周期性溢岸混合沉積所致,在等深流強(qiáng)作用期形成薄層石灰?guī)r,在弱作用期形成頁巖。這種溢岸混積層系由晶粒石灰?guī)r巖組和還原環(huán)境下形成的頁巖組成互層,是小規(guī)模的自生自儲(chǔ)巖系,對(duì)頁巖氣的勘探具有重要意義。

致謝：昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院地球科學(xué)系教師董有浦、鐘軍偉,參加了相關(guān)討論,提出了寶貴的意見,研究生張東陽、廖勇軍參加了部分野外工作,在此一并致謝！