鄂爾多斯盆地南緣岐山曹家溝奧陶系剖面地層和沉積特征

陳 強(qiáng)，李文厚，孫嬌鵬，張 倩，梁積偉，李智超

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；3.長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西西安710054）

鄂爾多斯盆地位于華北地塊西部，是我國第二大沉積盆地，因含有豐富的煤、石油、天然氣、鈾等多種能源礦產(chǎn)而聞名。同時(shí)，盆地周緣露頭發(fā)育、地層齊全、沉積類型多樣、沉積現(xiàn)象豐富，一直吸引著廣大地質(zhì)工作者的關(guān)注[1-8]。岐山地區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣，南隔渭河地塹與北秦嶺—祁連褶皺帶相望，區(qū)內(nèi)發(fā)育薊縣系、震旦系、寒武—奧陶系、二疊—三疊系、侏羅系等地層（圖1），且均有相對(duì)應(yīng)的野外露頭剖面，是研究鄂爾多斯盆地乃至華北地區(qū)的地層、沉積演化及其與造山帶關(guān)系的有利地區(qū)。

圖1 鄂爾多斯盆地南緣岐山地區(qū)地質(zhì)簡況（據(jù)梁積偉等[12]修改）Fig.1 Geological profile of Qishan area,southern margin of Ordos Basin（modified from LIANG Jiwei,et al[12]）

奧陶系是鄂爾多斯盆地構(gòu)造-沉積演化和天然氣成藏的一個(gè)關(guān)鍵層位，近年來，除了區(qū)域性的研究工作[1-2,5-7,9-10]，部分學(xué)者針對(duì)岐山地區(qū)開展了相應(yīng)的工作。周書昌等[11]、梁積偉等[12]對(duì)岐山曹家溝剖面平?jīng)鼋M深水沉積環(huán)境進(jìn)行了研究；劉溪等[13]、趙迪等[14]對(duì)馬家溝組沉積環(huán)境進(jìn)行了分析，但觀點(diǎn)不同；楊甫等[15]對(duì)平?jīng)鼋M碎屑鋯石及其物源特征進(jìn)行了探討；戴霜等[16]通過牙形刺對(duì)地層對(duì)比劃分進(jìn)行了研究。這些工作在豐富區(qū)域資料的同時(shí)，也因地層劃分問題造成了結(jié)論的偏差。因此，筆者基于岐山曹家溝實(shí)測剖面，對(duì)奧陶系地層及其沉積特征進(jìn)行了厘定和分析。

1 剖面介紹

岐山曹家溝奧陶系剖面位于陜西省岐山縣東北20 km，自蒲村鎮(zhèn)向北沿麟游縣—眉縣的G342 國道出露，由于自然切割、采石場開挖，特別是2016年公路改造，露頭被進(jìn)一步揭露，使得奧陶系地層連續(xù)出露。剖面起點(diǎn)位于岐山縣曹家溝村北約1 km，坐標(biāo)N34°32'18″，E107°45'4″，終點(diǎn)位于麟游縣上永安村，坐標(biāo)N34°35'44″，E107°46'6″，全長約7 km。剖面向南斷續(xù)出露寒武系、震旦系和薊縣系地層，向北被二疊系不整合覆蓋，奧陶系自下而上可劃分為下奧陶統(tǒng)冶里組和亮甲山組、中奧陶統(tǒng)馬家溝組和峰峰組、上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M和唐王陵組（圖2）。西側(cè)崛山森林公園內(nèi)的西崛山剖面中上奧陶統(tǒng)連續(xù)發(fā)育，可作為曹家溝剖面的補(bǔ)充。

圖2 岐山曹家溝剖面奧陶系地層綜合柱狀剖面Fig.2 Ordovician comprehensive stratigraphic columnar section of Caojiagou section,Qishan

2 下奧陶統(tǒng)

2.1 冶里組

冶里組主要巖性為土黃色、灰紫色、灰色中薄層泥巖、泥質(zhì)白云巖、粉細(xì)晶白云巖。下部泥質(zhì)含量高，紋層發(fā)育，具潮汐層理，上部云質(zhì)含量高，厚度增大，為粉細(xì)晶白云巖與泥質(zhì)白云巖互層（圖3a—圖3d），地層總厚度為126.3 m，劈理較為發(fā)育。下以厚層塊狀晶粒白云巖的結(jié)束，中薄層土黃色泥質(zhì)白云巖的出現(xiàn)與下伏上寒武統(tǒng)三山子組斷層接觸（圖3a）。

沉積環(huán)境上，冶里組整體上屬潮坪相沉積，表現(xiàn)為向上水體逐漸變深的演化趨勢。冶里組下部以紋層狀泥巖和泥質(zhì)白云巖為主，水平紋層發(fā)育，局部見潮汐層理、鳥眼構(gòu)造，反映了潮間帶上部的泥云坪沉積環(huán)境。冶里組上部為中厚層白云巖與中薄層泥質(zhì)白云巖不等厚互層，構(gòu)成多個(gè)白云巖—泥質(zhì)白云巖的旋回，反映了潮間帶下部云坪的沉積序列。

2.2 亮甲山組

亮甲山組主要巖性為淺灰、灰色中厚層—塊狀含燧石條帶或團(tuán)塊細(xì)晶—中粗晶白云巖，夾一套土黃色泥質(zhì)白云巖，發(fā)育少量的硅化疊層石（圖3e—圖3i），地層總厚度為123.3 m。下以中薄層泥質(zhì)白云巖結(jié)束、大套厚層塊狀晶粒白云巖和硅質(zhì)團(tuán)塊的出現(xiàn)與冶里組整合接觸，巖性特征易于區(qū)分（圖3e）。硅質(zhì)條帶或團(tuán)塊在亮甲山組中上部尤為發(fā)育，以灰白色、灰色、灰黑色為主，大體呈順層狀分布（圖3g、圖3h）。白云巖為細(xì)晶—中粗晶，越靠近硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)團(tuán)塊越發(fā)育，則白云巖的晶粒越粗，通常為中粗晶，風(fēng)化后外觀上多呈砂糖狀，可見明顯的晶間孔及溶孔發(fā)育，儲(chǔ)層物性好（圖3g、圖3i）。

圖3 岐山曹家溝剖面下奧陶統(tǒng)地層及沉積特征Fig.3 Lower Ordovician stratigraphy and sedimentary characteristics of Caojiagou section,Qishan

沉積環(huán)境上，岐山曹家溝剖面亮甲山組上部發(fā)育較明顯的波狀、半球狀疊層石，直徑20～30 cm，高10～20 cm，疊層石頂部發(fā)育有竹葉狀硅質(zhì)礫屑，礫屑大小1～2 cm（圖3g、圖3i），通常反映潮間帶下部高能沉積環(huán)境。亮甲山組中部夾少量土黃色紋層狀泥質(zhì)白云巖（圖3f），與冶里組特征基本一致，代表了間歇性海退期的潮間帶上部泥云坪沉積，綜合分析，曹家溝剖面亮甲山組整體上屬潮間帶沉積。

區(qū)域上，冶里組和亮甲山組在鄂爾多斯盆地東南部廣泛分布，巖性巖相基本一致，但《陜西省巖石地層》將其合并入三山子組[17]。冶里組作為奧陶紀(jì)海侵的初始產(chǎn)物，泥質(zhì)含量普遍比較高，單層厚度較薄。亮甲山組皆為一套厚層塊狀的含硅質(zhì)團(tuán)塊白云巖，以中厚層、含硅質(zhì)團(tuán)塊、砂糖狀晶粒為特征，其巖性特征與三山子組白云巖并不一致，且兩者為不整合接觸。因此，冶里組和亮甲山組與寒武系三山子組巖性劃分標(biāo)志明顯，區(qū)域分布穩(wěn)定且很好對(duì)比[1-2,6-7]，應(yīng)該單獨(dú)劃分，同時(shí)也避免了三山子組跨越奧陶系。

3 中奧陶統(tǒng)

3.1 馬家溝組

馬家溝組主要巖性為中薄層—中厚層的灰色、深灰色粉細(xì)晶云巖、灰?guī)r等，底部少量土黃色泥質(zhì)白云巖，整個(gè)剖面馬家溝組巖性單調(diào)、云化顯著，以大套白云巖為特征，地層總厚度為640.9 m（圖2）。底部以一套中薄層含砂礫白云巖、白云質(zhì)砂巖與下伏亮甲山組厚層塊狀含燧石團(tuán)塊粗晶白云巖平行不整合接觸，界限清晰，可見薄層風(fēng)化殼（圖4a、圖4b）。馬家溝組底部為土黃色中薄層含砂礫質(zhì)白云巖、含砂泥質(zhì)白云巖，礫石含量5%～20%，成分以燧石為主，分選磨圓差，呈棱角狀，粒度多為毫米級(jí)，大者1～3 cm。馬家溝組與下伏亮甲山組為區(qū)域性平行不整合接觸，該不整合面在鄂爾多斯中東部普遍存在，對(duì)下伏亮甲山組晶粒白云巖溶蝕孔洞的發(fā)育具有建設(shè)性作用，可形成良好的儲(chǔ)集空間。

沉積環(huán)境上，岐山曹家溝剖面馬家溝組底部以土黃色中薄層泥質(zhì)白云巖為主，代表局限臺(tái)地泥云坪沉積，向上則快速演變?yōu)橹斜印泻駥踊規(guī)r、灰質(zhì)云巖、礫屑灰?guī)r，夾大量頁片狀灰?guī)r、紋層狀灰?guī)r（圖4c、圖4d），反映水體快速加深的過程，整體屬開闊臺(tái)地—臺(tái)地前緣斜坡較深水的沉積環(huán)境，上部以厚層—塊狀的白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖為特征，反映了開闊臺(tái)地的沉積環(huán)境（圖4e）。

3.2 峰峰組

峰峰組，又稱馬家溝組六段，主要巖性為薄層—紋層狀粉細(xì)晶白云巖夾多層中薄層礫屑白云巖，地層總厚度144.8 m。下以大套中厚層灰質(zhì)白云巖結(jié)束，紋層狀白云巖出現(xiàn)與馬家溝組整合接觸，上與馬家溝組斷層接觸。在西崛山剖面峰峰組與上覆平?jīng)鼋M為連續(xù)沉積，峰峰組為紋層狀白云巖，平?jīng)鼋M為中薄層灰?guī)r夾凝灰?guī)r、硅質(zhì)巖。

沉積環(huán)境上，該段紋層狀白云巖也曾被認(rèn)為是潮坪相的藻紋層沉積[6,14]。但峰峰組白云巖中的紋層十分平直、細(xì)密，厚度通常在1～2 mm 以內(nèi)（圖4f—圖4j）。同時(shí)發(fā)育大量礫屑白云巖，通常呈薄層狀，少量中層或厚層，薄層中礫屑通常為毫米級(jí)，中厚層的礫屑為厘米級(jí)，礫屑含量變化較大，零星礫屑多呈漂浮狀，形態(tài)多為棱角狀，大小混雜，成分主要為內(nèi)碎屑，內(nèi)部具明顯的水平紋層，與下伏紋層狀白云巖相同（圖4g、圖4h）。這些礫屑白云巖具典型的碎屑流沉積特征，屬于深水重力流沉積[13,18-19]。同時(shí)，還可見到厚度1 cm 的碳酸鹽濁流沉積（圖4j）、滑塌變形構(gòu)造（圖4k、圖4l）等。因此，曹家溝剖面峰峰組整體上屬于較深水的碳酸鹽臺(tái)地前緣斜坡相沉積。

圖4 岐山曹家溝剖面中奧陶統(tǒng)地層及沉積特征Fig.4 Middle Ordovician stratigraphy and sedimentary characteristics of Caojiagou section,Qishan

從地球化學(xué)分析上看，馬家溝組碳氧同位素較下奧陶統(tǒng)略有增加，范圍為-2.06 ‰～0.83 ‰，平均值為-0.39‰，氧同位素變化不大，范圍為-7.55‰～-3.87 ‰，平均值為-5.19 ‰，Sr（鍶）含量略有增加，整體不高，平均值為134.73×10-6，但Sr/Ba（鍶/鋇）比值較高，范圍變化為4.13～138.05，平均值為44.78，說明其水體相對(duì)較淺，古鹽度較高，明顯受到盆地內(nèi)部高蒸發(fā)環(huán)境的影響。峰峰組碳同位素明顯降低，范圍為-6.17 ‰～0.16 ‰，平均值為-1.92 ‰，氧同位素略有增加，范圍為-10.68 ‰～-1.94 ‰，平均值為-4.19 ‰；Sr 含量變化大，范圍為53.94×10-6～1 212.77×10-6，平均值為314.07×10-6，但Sr/Ba 比值減少，范圍為1.15～33.92，平均值為14.51，說明其水體加深，鹽度減小。

區(qū)域上，馬家溝組在鄂爾多斯盆地及整個(gè)華北地區(qū)都有廣泛分布，但岐山剖面明顯不同于華北地區(qū)以厚層灰?guī)r為主的巖性特征[20]，同時(shí)與鄂爾多斯盆地內(nèi)部馬家溝組六段構(gòu)成3 個(gè)沉積旋回的序列特征也明顯不同[7]，岐山曹家溝剖面馬家溝組以白云巖、灰質(zhì)白云巖為主，分段不清晰。沉積環(huán)境上，鄂爾多斯盆地馬家溝組整體屬淺水碳酸鹽臺(tái)地沉積，一、三、五段為局限臺(tái)地，并大量發(fā)育膏鹽巖沉積，二、四、六段為開闊臺(tái)地[1-2,7]。渭北隆起的富平、涇陽一帶以紋層狀白云巖為主，發(fā)育疊層石、鳥眼、石膏假晶等沉積構(gòu)造，代表了局限臺(tái)地潮坪沉積[2]。而岐山地區(qū)馬家溝組則表現(xiàn)為相對(duì)較深水的碳酸鹽臺(tái)地—斜坡相沉積，特別是峰峰組表現(xiàn)更為明顯。

從區(qū)域位置上看，岐山地區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣靠外的位置，與外側(cè)廣海相連，僅在馬家溝組底部海侵初期發(fā)育少量局限潮坪沉積。從沉積特征看，盆地內(nèi)部馬家溝組普遍發(fā)育的泥質(zhì)白云巖、膏鹽巖、鳥眼、假晶等淺水沉積特征在曹家溝剖面均未見到，而是發(fā)育中厚層灰?guī)r、灰質(zhì)云巖和中薄層灰?guī)r甚至是頁片狀灰?guī)r，代表了開闊臺(tái)地—臺(tái)地前緣斜坡的沉積環(huán)境。而前人所謂的疊層石大都是平直而細(xì)密的水平層理，是低能安靜的深水環(huán)境下緩慢沉積的產(chǎn)物。最顯著的是紋層狀云巖中大量中薄層碳酸鹽碎屑流和濁流的夾層，以及滑塌變形的發(fā)育（圖4f—圖4l），均反映了相對(duì)遠(yuǎn)源的重力流沉積背景[13,18-19]，說明了中奧陶世馬家溝期鄂爾多斯盆地南部的構(gòu)造-沉積格局已發(fā)生明顯分異。

4 上奧陶統(tǒng)

4.1 平?jīng)鼋M

平?jīng)鼋M主要巖性為黃綠色、灰綠色、灰黑色泥巖、頁巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖夾少量中細(xì)粒砂巖，為一套厚度巨大的韻律沉積（圖5a—圖5f），地層總厚度683.9 m。平?jīng)鼋M與下伏馬家溝組為斷層接觸關(guān)系（圖5a），界線兩側(cè)巖性差異顯著，以大套厚層灰?guī)r結(jié)束、黃綠色泥巖出現(xiàn)劃界。在西崛山剖面平?jīng)鼋M與峰峰組整合接觸，底部發(fā)育一套中薄層的灰?guī)r夾礫屑灰?guī)r、凝灰?guī)r、硅質(zhì)巖的組合（圖5e、圖5f），因此曹家溝剖面平?jīng)鼋M并未見底。

圖5 岐山曹家溝剖面上奧陶統(tǒng)地層及沉積特征Fig.5 Upper Ordovician stratigraphy and sedimentary characteristics of Caojiagou section,Qishan

沉積環(huán)境上，曹家溝剖面平?jīng)鼋M以中薄層的灰黑色泥頁巖、泥灰?guī)r為主夾多層砂巖及少量礫屑灰?guī)r，水平紋層發(fā)育，地表風(fēng)化色雖以黃綠色多見，但新鮮面則皆為灰黑色，反映了安靜低能的還原環(huán)境。砂巖通常呈中薄層，發(fā)育鮑馬序列，可見粒序?qū)永?，包卷層理，底部具沖刷面，屬斜坡底部的濁流沉積（圖5b—圖5d）。礫屑灰?guī)r僅在底部發(fā)育，礫屑大小混雜，粒度可達(dá)幾至十幾厘米，成分以塊狀灰?guī)r為主，屬臺(tái)緣斜坡的碎屑流沉積。平?jīng)鼋M自剖面底部向上灰?guī)r、礫屑灰?guī)r減少，泥頁巖、濁積砂巖增加，反映了水體加深的過程，整體上沉積厚度大，反映了半深海相泥灰質(zhì)共生的大陸斜坡沉積環(huán)境。

從地球化學(xué)分析上看，平?jīng)鼋M碳同位素明顯增加，范圍為-0.58‰～1.32‰，平均值為0.48‰，氧同位素明顯降低，范圍為-12.37‰～-10.07‰，平均值為-11.12 ‰，說明其受到成巖作用的明顯影響。Sr含量進(jìn)一步增加，變化范圍為83.40×10-6～1 337.57×10-6，平均值515.91×10-6，但Sr/Ba 比值顯著減少，范圍為0.11～11.90，平均值為2.02，說明隨水體進(jìn)一步加深，鹽度降低，與沉積相分析一致。

區(qū)域上，加里東運(yùn)動(dòng)造成鄂爾多斯盆地主體隆升并遭受風(fēng)化剝蝕，僅在西南緣發(fā)育有平?jīng)鼋M沉積[1,2,7]，雖然區(qū)域上均以深水沉積為特征，但差異顯著。東側(cè)富平一帶以薄板狀泥晶灰?guī)r夾滑塌礫屑灰?guī)r為特征[21]，代表碳酸鹽臺(tái)地前緣斜坡沉積，西側(cè)平?jīng)鲆粠б怨P石頁巖為特征[22]，代表深水海槽沉積，岐山一帶以泥頁巖、泥灰?guī)r為特征，代表過渡狀態(tài)的大陸斜坡沉積。鄂爾多斯西緣同期的烏拉力克組以灰黑色灰泥頁巖和泥頁巖為主，屬深水斜坡—海槽相沉積，該層位是鄂爾多斯下古生界最主要的烴源巖發(fā)育層位，TOC含量多在0.4 %以上，且已有多口井試氣獲工業(yè)氣流，顯示了較好的頁巖氣勘探潛力[23,24]。

4.2 唐王陵組

唐王陵組主要巖性為灰綠色、灰褐色、深灰色、灰黑色礫巖、副礫巖（含礫泥巖）、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖泥質(zhì)砂巖等（圖5h—圖5l），地層總厚度154.1 m。礫巖、副礫巖多呈中厚層或塊狀，礫石大小混雜，含量變化較大，一般在5%～30%，高者可達(dá)50%～80%，礫石的成分主要為硅質(zhì)巖、白云巖、硅質(zhì)白云巖和少量泥巖。泥巖多為中薄層，普遍含粉砂質(zhì)或砂質(zhì)，紋層發(fā)育。垂向上由礫巖、砂巖、紋層狀泥巖構(gòu)成向上變細(xì)的基本層序（圖5h—圖5j）。唐王陵組底部為一套厚層塊狀含硅質(zhì)角礫白云巖（圖5g），厚51.3 m，據(jù)此與下伏平?jīng)鼋M分界，上被二疊系石盒子組砂巖不整合覆蓋，界限清晰。區(qū)域上，唐王陵組主要分布在陜西禮泉唐王陵—岐山曹家溝一帶，巖性穩(wěn)定，但形成時(shí)代和成因存在著較大的分歧[25-28]。

沉積環(huán)境上，唐王陵大套紋層狀泥巖、含礫泥巖、礫巖的組合反映了快速堆積的環(huán)境，礫巖底面具沖刷面，礫石分選磨圓差，雜基支撐，礫石中具同沉積軟變形的泥質(zhì)礫屑，紋層可見滑塌變形（圖5i、圖5j），反映了大陸斜坡相水下泥流、泥石流的沉積背景。在泥巖或紋層狀泥巖中，可見大量呈漂浮狀的礫石，礫石大小為幾至十幾厘米，最大可達(dá)30 cm，以棱角狀為主，可見直立狀礫石楔入并壓彎下伏泥巖紋層、上覆紋層繞過礫石的現(xiàn)象，具有典型的冰墜石沉積特征（圖5k、圖5l），反映了唐王陵組兼有冰水沉積的性質(zhì)，是大陸斜坡相泥石流沉積背景上疊加的冰筏沉積。

5 結(jié)論

1）岐山曹家溝剖面下奧陶統(tǒng)冶里組、亮甲山組分別為一套泥質(zhì)白云巖、硅質(zhì)團(tuán)塊晶粒白云巖的組合，為海侵初期的潮坪相沉積。

2）中奧陶統(tǒng)馬家溝組主體為一套碳酸鹽巖，為開闊臺(tái)地—臺(tái)地前緣斜坡相沉積，底部以砂礫巖與下奧陶統(tǒng)不整合接觸；峰峰組以紋層白云巖夾碎屑流、濁流沉積為特征，為較深水的臺(tái)地前緣斜坡相沉積，岐山地區(qū)中奧陶統(tǒng)與盆地主體的淺水碳酸鹽臺(tái)地沉積明顯不同。

3）上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M主要為一套灰黑色泥質(zhì)、泥灰質(zhì)頁巖，為大陸斜坡相深水沉積；唐王陵組主要為礫巖、含礫泥巖，為大陸斜坡相泥流、泥石流沉積，并具典型的冰筏沉積特征。