李克永　李文厚　宇振昆　梁積偉

摘要：通過對鄂爾多斯盆地二疊系盒8期物源區(qū)周緣的古陸特征、重礦物特征、稀土元素富集規(guī)律的研究，分析沉積區(qū)不同沉積環(huán)境的沉積特征，總結(jié)不同類型源-匯系統(tǒng)的控砂機制。研究表明，鄂爾多斯盆地北部是主要的物源方向，西南部及南部物源的影響較小，控制著不同類型的沉積相帶及沉積特征;不同的沉積相類型控制著不同的砂體發(fā)育特征及不同的砂體疊加樣式，其中沖積扇為多個礫石厚旋回疊加的巨型砂體，河流相為數(shù)個偏粗碎屑中厚旋回疊加的大型砂體，洪泛平原為數(shù)個偏細碎屑中等旋回疊加的中型砂體。研究認為，源-匯系統(tǒng)理論不僅為不同沉積環(huán)境提供理論基礎(chǔ)，也為不同類型斜坡型砂體疊加樣式的時空耦合控砂機制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：源匯系統(tǒng)；控砂機制；沉積路徑；鄂爾多斯盆地

中圖分類號：TE121.3

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－02－003

Spatial－temporal coupling sand control mechanism of permiansource－to－sink system in Ordos Basin

LI Keyong1， LI Wenhou YU Zhenkun3，? LIANG Jiwei3

Abstract： Based on the study of peripheral paleo－continental characteristics， heavy mineral characteristics and enrichment regularity of rare earth elements around the provenance area of He 8 period of the Permian in Ordos Basin， the sedimentary characteristics of different sedimentary environments in the sedimentary area are analyzed， and the sand control mechanisms of different types of source－to－sink systems are summarized. The study suggests that the north part of Ordos Basin is the main source direction， while the southwest and southern parts of Ordos Basin have less influence on provenances， controlling control different types of sedimentary facies belts and sedimentary characteristics respectively. Different types of sedimentary facies control different development characteristics of sand bodies and different superimposed styles of sand bodies， in which the alluvial fan is the superimposed giant sand body by multiple thick cycles of gravel， fluvial facies is the superposed large sand body of medium thick cycles of coarser clastic， and flood plain is the superimposed medium sand body of multiple medium cycles of fine clastic. The theory of source－to－sink system not only provides a theoretical basis for different sedimentary environments， but also provides a theoretical basis for spatio－temporal coupling sand control mechanism of superimposed styles of different types of sloping sand bodies.

Key words： source－to－sink system; sand control mechanism; sediment routing system; Ordos Basin

源-匯系統(tǒng)（source－to－sink），又稱為沉積路徑系統(tǒng)（sediment routing system），是沉積物從剝蝕區(qū)（源）經(jīng)過剝蝕和搬運作用，被該地區(qū)特殊的區(qū)域構(gòu)造條件和氣候背景所控制，最終沉積在盆地中（匯）［1-2］。

1998年，美國國家自然科學基金委員會和聯(lián)合海洋學協(xié)會共同開啟了“洋陸邊緣計劃” （Margins Program Science Plans），對自剝蝕區(qū)中形成的剝蝕產(chǎn)物，搬運到沉積盆地中沉積下來的這一過程進行研究，開啟了了“源-匯”系統(tǒng)在沉積學領(lǐng)域應用研究的大門［3-4］。隨后，不同國家的學者和研究機構(gòu)開始了相關(guān)研究。1999年，國際大陸邊緣計劃（InterMargins）在歐洲被成立；2000年，中國運用源-匯系統(tǒng)的概念啟動了“中國邊緣海的形成演化及重要資源的關(guān)鍵問題”項目；2002年，大陸邊緣沉積作用引起了國際大洋鉆探計劃IODP的關(guān)注［5-6］。近些年來，該理論被用來進行古代沉積系統(tǒng)的研究［7-8］，已經(jīng)上升到了“整體化”“過程化”“動態(tài)化”“機制化”的地球系統(tǒng)層次［9］。祝彥賀等通過南海北部被動大陸邊緣盆地淺海陸架與深水陸坡之間的沉積響應關(guān)系，對陸架三角洲、上陸坡復合水道和陸坡重力流沉積進行綜合分析，研究了南海北部珠江口盆地特殊的陸架-陸坡“源-匯”系統(tǒng)［10］;徐偉等對渤海海域遼東凹陷南洼東部的斜坡帶古近系沙二段沉積時期發(fā)育的典型的斜坡型源-匯系統(tǒng)進行了分析與研究，明確斜坡型源-匯系統(tǒng)與砂體優(yōu)勢發(fā)育區(qū)的關(guān)系［11］;楊棵等通過研究渤海灣盆地埕島東坡古近系東營組二段下部的源-匯系統(tǒng)，構(gòu)建了物源區(qū)-搬運區(qū)-沉積區(qū)多元耦合模式，將砂體的來源及其規(guī)模與源-匯系統(tǒng)對應起來［12］。

本研究針對鄂爾多斯盆地二疊系物源區(qū)（源）格局及特征、沉積區(qū)（匯）不同沉積環(huán)境及沉積特征進行剖析，分析不同沉積環(huán)境下的砂體發(fā)育特征，以期研究斜坡型源-匯系統(tǒng)對砂體的控制機理。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地北鄰陰山，南至秦嶺，西抵西緣逆沖褶皺帶，東到晉西撓褶帶，面積250 000 km2。

晚石炭世，華北地臺逐漸發(fā)生緩慢沉降，賀蘭拗拉槽呈橫向拉張、重新復活態(tài)勢，鄂爾多斯盆地發(fā)育“L”型中央古隆起。至二疊系太原組沉積期，盆地南北同時隆起，但北部隆起比南部高，南北隆起間為拗陷，拗陷中心位于華池—合水—吳旗—志丹一帶。晚二疊世末，鄂爾多斯盆地抬升，海水向南及東南方向退出，盆地由海相逐漸向陸相演變，為內(nèi)陸湖盆沉積演化階段；二疊世山西期，海水退出鄂爾多斯盆地，整體為陸相沉積。至下石盒子期始，盆地北緣快速隆升，鄂爾多斯盆地為大華北敞流型盆地沉積的一個組成部分，河流及泛濫平原沉積發(fā)育（見圖1）。

由此可見，鄂爾多斯盆地晚古生代受興蒙海槽和秦祁海槽2個構(gòu)造活動帶的影響，賀蘭拗拉槽地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，對盆地盒8期的沉積構(gòu)成產(chǎn)生了深遠的影響［13］。從二疊紀太原期海侵到山西期、下石盒子期海退，沉積由下往上為海相—海陸過渡相—陸相的沉積演化模式。

2 源區(qū)格局及特征

通過野外露頭特征及地化特征測試資料，結(jié)合鄂爾多斯盆地周緣出露的基底特征、重礦物組合及稀土元素配分模式等，對鄂爾多斯盆地二疊系盆8段的物源方向、源區(qū)的性質(zhì)進行研究。

2.1 盆地周緣古陸特征

鄂爾多斯盆地北緣的陰山、大青山一帶，前寒武系結(jié)晶變質(zhì)巖系厚度大，由長城系白云鄂博群、長城系渣爾泰山群、薊縣系什那干群組成，基底以沉積變質(zhì)巖和中基性火山巖為主，發(fā)育碳酸鹽巖地層及疊層石化石，區(qū)域變質(zhì)程度較淺，保存有較多的原始沉積特征（見圖2）。

鄂爾多斯盆地內(nèi)部，太原組地層與太古界、元古界地層呈不整合接觸。在盆地北部的野外露頭上，缺失太原組地層，山西組地層與太古界、元古界基底不整合接觸。山西組地層厚度在盆地北部減薄，甚至缺失，使石盒子組與古老基底不整合接觸。這說明鄂爾多斯盆地北部長期處于隆起剝蝕狀態(tài)，為太古界、元古界結(jié)晶基底的古陸，是整個二疊系的沉積物源，是鄂爾多斯盆地二疊系北部物源來自內(nèi)蒙古陸的有利佐證（見圖2）。

2.2 重礦物特征

鄂爾多斯盆地盒8段砂巖中的重礦物為鋯石、金紅石、電氣石、石榴石、磁鐵礦、白鈦礦、綠泥石、黑云母、綠簾石及磷灰石等，其中，穩(wěn)定重礦物鋯石、電氣石、金紅石和石榴石等對物源有很好的指示作用［14］。從鄂爾多斯盆地重礦物平面分布圖可以看出，青銅峽、靈武、鄂托克旗一帶為鈦鐵礦+鋯石+電氣石組合，鄂托克旗、橫山、靖邊、烏審旗、鄂爾多斯一帶為鈦鐵礦+鋯石+磷鐵礦組合，東北部神木、準格爾旗一帶為石榴石+鋯石+金紅石組合，神木、子洲、子長、清澗、石樓、佳縣、興縣、府谷一帶為鋯石+鈦鐵礦+石榴石組合，盆地西南部的同心、環(huán)縣、華池、正寧一線西南一帶為鋯石+石榴石+綠簾石組合，東南部宜川、黃龍一帶為鋯石+榍石+綠簾石組合（見圖3）。由此可見，自盆地周緣向盆地中心，碎屑顆粒具有“穩(wěn)定重礦物質(zhì)量分數(shù)趨高、不穩(wěn)定重礦物質(zhì)量分數(shù)趨低”的特點。

2.3 稀土元素的富集規(guī)律

稀土元素在地球中的豐度從下地幔到上地幔再到地殼， REE總量不斷增高。 稀土元素因其獨特的地球化學性質(zhì)， 可用于物源分析， 通常用稀土模式來表示［15］。 稀土模式指示物源時， LREE／HREE比值低，無Eu異常，則物源可能為基性巖石;LREE／HREE比值高，有Eu異常，則物源多為硅質(zhì)巖。

鄂爾多斯盆地沉積物REE配分模式為“右傾斜”特征，其中La－Eu段稀土元素曲線較陡，Eu－Lu段平緩，Eu出現(xiàn)輕稀土富集（見圖4）。從REE配分曲線模式看，盆地西南部（主要為環(huán)縣、慶陽、鎮(zhèn)原及平?jīng)鲆粠В┑奈镌碦EE配分曲線模式與海原地區(qū)的紅會寺堡花崗閃長巖（δ3）、西華山綠片巖差異較大，它們不是研究區(qū)的主要物源，與隴西古陸REE配分曲線一致。

3 匯區(qū)不同類型沉積相特征

利用鄂爾多斯盆地的鉆井及野外露頭資料，并進一步實地研究盆地周緣的野外露頭，充分研究盆地內(nèi)的重點探井，將鄂爾多斯盆地二疊系盆8沉積相類型細分為沖積扇、河流、洪泛平原等類型（見表1）。其中，盒8沖積扇主要分布在盆地西北部烏達—勝1井—黑岱溝—懷仁樓子—張家口一線以北地區(qū)，千里山剖面最為典型，發(fā)育邊緣相沉積;河流相沉積在盆地北部特別發(fā)育，北到烏達、東勝、大同一線，南至烏審旗、關(guān)家崖一線，面積較大，而盆地南部的銅川、渭南附近，盆地西部的石板溝、慶陽一帶、二道溝及三道溝一帶也發(fā)育小型河流沉積;盆地中部發(fā)育洪泛平原沉積，北起蘇里格、烏審旗、關(guān)家崖一線，南至運城、蒲城、銅川一線，西至南西華山斷裂。吳起、志丹、延安、吉縣一帶發(fā)育洪泛湖沉積，認為是二疊系南北物源的交匯區(qū)。

3.1 沖積扇沉積

研究區(qū)的沖積扇在縱剖面上成下凹的透鏡狀或楔形，在橫剖面上呈上凸狀。沖積扇的坡降在扇根可達5°～10°，扇緣為2°～6°，典型的扇根河道直而深，至扇中和扇端地區(qū)則河道變淺，大多為辮狀河道，平面形態(tài)上一般為窄而長。通常，河道沉積物由礫石和砂組成，分選較差，層理不發(fā)育，多呈塊狀，單層厚度一般為5～60 cm，有時可達2 m以上。沖積扇在剖面上可見河道沖刷構(gòu)造，底部凹凸不平，與下伏地層可見沖刷接觸。

二疊世，西伯利亞板塊向南俯沖，鄂爾多斯盆地逐漸形成“北隆南傾”的構(gòu)造格局［16］。在鄂爾多斯盆地北部的烏達、 千里山、 杭錦旗、 東勝一帶發(fā)育沖積扇沉積， 其中內(nèi)蒙古石拐東部地區(qū)及童盛茂地區(qū)發(fā)育暗紫、 灰紫色砂巖、 粗砂巖， 局部發(fā)育砂礫巖和礫巖， 厚93 m， 為山間河流沉積; 鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)二疊系盆8巖性復雜，為含礫巖屑石英砂巖，其中大同懷仁樓子下石盒子組盒8段含礫中粗砂巖厚20 m，為近緣的扇緣（見圖5）。

3.2 河流沉積

河流沉積發(fā)育在地形梯度相對較大的地區(qū)，河道中常形成垂向加積和側(cè)向加積的河道砂壩，砂巖巖性為礫狀砂巖、含礫砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，均為塊狀層理，底部發(fā)育沖刷面，見泥礫，砂巖中發(fā)育平行層理、板狀交錯層理、槽狀交錯層理等［17-19］。

從鄂爾多斯盆地西南部的石板溝、二道溝等地層可以看出，盆地西南部發(fā)育灰綠色含礫中粗砂巖，砂體厚度不大，夾灰綠色、淺灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。其中，石板溝盒8剖面底部為灰綠色、灰色含礫砂巖、砂質(zhì)泥巖，上部為雜色泥巖及紫色粉砂巖。二道溝盒8剖面上部為灰綠色中—細砂巖、泥巖，底部為綠色粗砂巖、肉紅色含礫砂巖，為辮狀河沉積，總體為河流較上游沉積，河流沉積規(guī)模較小，面積不大（見圖5）。

3.3 泛濫平原沉積

泛濫平原的形成往往與盆地底型平坦、有一定坡降有關(guān)。鄂爾多斯盆地內(nèi)部盒8段主要沉積相以泛濫平原為主，砂體厚度大，粒度較粗，礫石常見。河道間多見生物潛穴、根模和鈣質(zhì)結(jié)核，是泛濫平原的典型特征［20-21］。

從鄂爾多斯盆地薛峰川、澄城三眼橋盒8段的野外剖面可以看出，其東南部剖面底部的灰綠色砂巖厚10 m，上部為21 m的砂巖以及灰色砂質(zhì)泥巖;從成家莊盒8段剖面可以看出，其底部發(fā)育灰色含礫粗砂巖，向上發(fā)育灰色中粗砂巖。鄂爾多斯盆地主體發(fā)育洪泛平原沉積，北起蘇里格、烏審旗、關(guān)家崖一線，南至運城、蒲城、銅川一線，西至南西華山斷裂；吳起、志丹、延安、吉縣一帶發(fā)育洪泛湖沉積，為二疊系下石盒子組盒8期南北物源的交匯區(qū)（見圖5）。

4 源-匯系統(tǒng)控砂機制

4.1 厚層沖積扇砂體

在沖積扇砂礫巖內(nèi)部砂體疊加樣式中，單一砂體是同一時期形成的、在成因上相互聯(lián)系的、空間上沒有疊置關(guān)系的構(gòu)型單元，各單砂體可能是同一時期不同時間段形成的［22-23］。

從鄂爾多斯盆地西北部千里山盒8段剖面可以看出，其由下向上發(fā)育向上變細的正旋回，每個旋回底部發(fā)育細礫巖或含礫砂巖。由此可見，沖積扇是由多個礫石厚旋回疊加而成的巨型砂體，每個旋回厚度為9～15 m，每個旋回底部為2～8 m的礫石層；垂向上巖性變化快，使得非均質(zhì)性增強；砂體連通性較差，粒度大小不一，粒度分選、磨圓差，孔隙度、滲透率值一般不大；在橫向上砂體變化快（見圖6）。

4.2 中厚層河流相砂體

辮狀河心灘發(fā)育，壩間發(fā)育河道沙壩，廢棄河道發(fā)育泥質(zhì)沉積。鄂爾多斯盆地盒8期，辮狀河中厚砂層砂體疊加樣式復雜，從盆地西北部的呼魯斯太、石板溝、二道溝及盆地內(nèi)單井盒8河流相剖面可以看出，河道砂壩是數(shù)個偏粗碎屑中厚旋回疊加的大型砂體，旋回厚度5～12 m；旋回內(nèi)部泥巖隔層厚度增大，并被泥巖隔層分隔開；砂體內(nèi)部見薄的泥巖夾層，使得垂向上具有較強的非均質(zhì)性；砂體的連通性在垂向上較沖積扇變差；橫向上，在河流較上游方向的辮狀河連通性較好，而下游曲流河由于河漫灘發(fā)育，連通性變差；由于河水的動力學特征，使得河流相沉積物的分選、磨圓較沖積扇好（見圖6）。

4.3 中薄層泛濫平原相砂體

從鄂爾多斯盆地盒8段野外露頭及盆地內(nèi)單井洪泛平原剖面可看出，洪泛平原是數(shù)個偏細碎屑中等旋回疊加的中型砂體，旋回厚度3～8 m，個別剖面或單井靠近河流相的旋回，厚度超過10 m；旋回內(nèi)部泥巖、粉砂質(zhì)泥巖厚度增大；垂向上，砂體連通性較河流相變差，非均質(zhì)性增強，橫向上，砂體的連通性也較好；由于河水的動力學特征，使得洪泛平原，特別是下游方向沉積物的分選、磨圓較好。由此可見，鄂爾多斯盆地儲層為較好儲層，含氣性受烴源巖影響較大，分流間灣泥巖、粉砂質(zhì)泥巖能夠起到良好的蓋層作用（見圖6）。

5 結(jié) 論

1）結(jié)合盆地周緣古陸的特征，利用輕重礦物組合特征、稀土元素配分模式等指標，認為鄂爾多斯盆地北部的陰山、大青山一帶為北部主物源區(qū)，其他方向物源為次要物源區(qū)。

2）鄂爾多斯盆地在下石盒子組盒8段發(fā)育沖積扇、河流、泛濫平原沉積相。其中，沖積扇分布在盆地北部烏達—勝1井—黑岱溝一線，為邊緣相沉積;河流相往南至烏審旗、榆林、關(guān)家崖一線，盆地南部河流相發(fā)育在銅川、渭南附近，盆地西部石板溝、鎮(zhèn)原、平?jīng)?、崇信一帶發(fā)育河流相沉積;泛濫平原北起蘇里格、烏審旗、關(guān)家崖一線，南至運城、蒲城、銅川一線，西至南西華山斷裂；延安、吉縣一帶發(fā)育洪泛湖，為盒8期南北物源的交匯區(qū)。

3）鄂爾多斯盆地盒8段不同的沉積相發(fā)育不同的砂厚及不同的砂體疊加樣式。沖積扇砂體疊加樣式為多個礫石厚旋回疊加的巨型砂體，河流砂體疊加樣式由數(shù)個偏粗碎屑中厚旋回疊加的大型砂體，洪泛平原是數(shù)個偏細碎屑中等旋回疊加的中型砂體。

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（編 輯 雷雁林）

收稿日期：2019－11－25

基金項目：國家科技重大專項專題基金資助項目（2017ZX05005002－004），國家自然科學基金資助項目（41702117，41330315），中國地質(zhì)調(diào)查局礦產(chǎn)資源調(diào)查評價基金資助項目（121201011000150014）

作者簡介：李克永，男，山東莒南人，博士，從事沉積學及石油地質(zhì)學研究。