摘要: 目前我国在沉积学理论及研究方法方面已取得了显著的进展，并趋于完善与成熟。鄂尔多斯盆地东缘地区因含有丰富的油气藏而备受关注，本研究旨在填补鄂尔多斯盆地东部府谷地区太原组沉积相信息的空白。以我国陕西省榆林市府谷县二叠系太原组为具体研究对象，运用石油地质学、沉积学、地层学等理论知识，通过野外露头获取地层特征信息，结合测录井资料得到的测井曲线响应信息、样品照片的微观特征和变化规律等基础地质资料，完成了关键层位划分、构造特征识别、沉积背景分析、沉积类型特征分析等研究内容。通过对府谷地区太原组所分布的沉积亚相及微相展开研究，为该地区油气勘探开发提供了重要的基础数据和科学依据，有助于更好地了解该地区的地质环境和资源分布情况。
Abstract:
At present, China has made remarkable progress in sedimentologic theory and research methods, and tends to improve and mature. The eastern edge of the Ordos Basin has attracted much attention because it contains rich oil and gas reservoirs, and this study aims to fill the gap of information on the depositional Facies of the Taiyuan Formation in the Fugu area in the eastern part of the Ordos Basin. Taking the Permian Taiyuan Formation in Fugu County, Yulin City, Shaanxi Province, China, as the specific research object, the study utilizes the theoretical knowledge of petroleum geology, sedimentology, stratigraphy, etc., and obtains stratigraphic feature information through field outcrops, and combines the basic geological information such as logging curve response information obtained from logging data, microscopic characteristics of the sample photographs and the rule of change, to complete the research contents such as the division of the key stratigraphic position, the identification of tectonic features, the analysis of sedimentary background, and the characterization of the sedimentary type. We have accomplished the division of key layers, identification of tectonic features, analysis of sedimentary background and characterization of sedimentary types. The study of sedimentary subfacies and microfacies of Taiyuan Group in Fugu area provides important basic data and scientific basis for oil and gas exploration and development in the area, and helps to better understand the geological environment and resource distribution in the area.
1. 引言
沉积相的研究往往结合多学科的综合研究，包括岩石学特征、测录井资料、岩电响应特征等进行综合研究 [1] 。府谷地区出露剖面位于鄂尔多斯盆地东部，经过前期勘探研究发现此地区二叠系太原组出露情况完整，方便进行取样及剖面实测。但由于目前对该研究区的基础地质工作研究还存在不足，通过深入了解研究区沉积相类型对于区域资源开发至关重要。
根据已有调研发现，多年来众多学者利用测录井资料、钻井岩心及野外露头资料对鄂尔多斯盆地含气层的沉积类型、沉积相及储层特征进行研究 [2] 。部分学者认为太原组为障壁海岸–碳酸盐台地沉积相，主要发育障壁沙坝、潮坪沙坝和近海三角洲砂体，盆地北部主要发育潮控扇三角洲 [3] [4] 。也有学者认为整个盆地太原组是障壁海岸–潮坪沉积相，主要发育障壁岛–潮汐三角洲沉积 [5] 。而近些年最新的研究中发现，侯中帅等研究认为盆地东部保德地区太原组以潮坪、潟湖沉积为主 [6] ；刘畅研究认为盆地东部临兴地区太原组主要为海相障壁海岸潮坪–潟湖–浅海陆棚沉积 [7] 。
盆地东部太原组主要为陆表海沉积环境，作为陆源碎屑滨海，滨海环境以障壁滨海为主，受潮汐影响。盆洼地带古代蕨类植物茂盛，使太原组成为主要成煤期和烃源岩发育期。石炭纪华北为海陆交互沉积，气候亚热带—温带，太原组沉积期温暖湿润，植被覆盖度高。湖沼、盆地等地遍布高大绿色植物。古盐度变化显示多次海侵活动，潮坪、潟湖广泛发育，营造了良好的还原性环境，为有机质的储存提供了极好的环境 [8] [9] [10] 。经过对露头剖面的实地踏勘，并查阅相关文献，结合采集样品薄片、古生物化石以及沉积构造特征等多种手段，利用典型气井岩电响应曲线的数据，最终完成了对整个研究区域沉积相的研究。这一研究结果对于后期的区域地质勘探和矿产开发具有重要的指导意义。
2. 地质概况
鄂尔多斯盆地属于华北地台的一部分，处中国中西部结合部位，横跨陕西省、甘肃省、山西省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区五省区，面积33 × 104 km2，是我国第二大沉积盆地 [11] 。府谷县位于陕西省最北端，在东经110˚22'~111˚14'和北纬38˚42'~39˚35'范围内，地处秦、晋、蒙接壤地带，与山西省河曲县、保德县隔河相望，北与内蒙古自治区准格尔旗、伊金霍洛旗接壤，西、南与神木市毗邻(图1)，素有“鸡鸣闻三省”之称 [12] 。
Figure 1. Comprehensive histogram of tectonic position and stratigraphy of Yulin-Fugu area
图1. 榆林–府谷地区构造位置及地层综合柱状图
研究区域位于陕西省榆林市府谷县城东部约2 km，地处鄂尔多斯盆地晋西挠褶带北、大牛地气田东约130 km；层位剖面沿黄河北岸延伸，交通便利，利于观测；露头与大牛地气田目的层位一致，包括下石盒子组、山西组、太原组、本溪组以及下古奥陶系层位，沉积环境相同，储层特征相似，气候相对干旱，植被偏少，为裸露地表的剖面提供了较好的条件。
鄂尔多斯盆地是一个构造演化叠合盆地，整体构造环境稳定 [13] 。位于华北地台西端，可分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环向斜及西缘逆冲断裂构造带等六个一级构造单元 [14] 。在早二叠太原组沉积时期，盆地北部由于兴蒙海槽的关闭，形成北高南低的地势特征，伴随着东西两侧华北海和祁连海的持续侵入，鄂尔多斯盆地整体发育滨浅海沉积 [15] [16] [17] [18] 。
3. 层位划分
利用标志层划分层位：
根据地层等厚为原则，对研究区太原组(距今296~285 Ma)进行层位划分，根据层位自下而上分为太1段和太2段。其间分布多个砂层组，自下而上分别为太1-1和太2-1、太2-2。研究结果表明，太1段层位总厚度小于太2段，并且太1-1、太2-1和太2-2在研究区域内总体发育稳定，但在局部地区存在小层厚度的变化。
Figure 2. Chronostratigraphic and geologic profile of the Yulin-Fugu region
图2. 榆林–府谷区域年代地层及地质剖面图
以高粱村西北方位为起点，以田家崖村为终点(图2)，布置一条沿府谷东西向的测线，根据出露地表的岩性结合区域的等高线数据，绘制出如横跨高粱村、王大庄村、黄河、田家崖村包含山西组、太原组、本溪组、马家沟组等八个层位的等层位分布剖面图(图2)。
3.1. 本溪组/太1分界
根据野外露头信息显示，以高伽马的铝土岩与粗砂岩作为两者界限(图3(d))。本溪组的上部为灰色的贫铁铝土岩，本溪组的下部为铁锈色的富铁铝土岩，厚度差别大，呈鸡窝状，俗称“山西式铁矿” [19] 。铝土岩之上的太1段为灰白色中－粗粒石英砂岩、黑色炭质泥岩夹煤线。
3.2. 太1/太2分界
根据野外露头信息显示，内部的小层以一套炭质泥岩夹薄煤层为界(图3(c))。炭质泥岩之下的太1为炭质泥岩、煤层夹厚度不等的中－粗粒石英砂岩，在该剖面上无灰岩发育，但在盆地内，太原组可发育数层灰岩，常见煤层之上直接覆盖石灰岩之上。炭质泥岩夹薄煤层之上的太2段为灰白色细砾石英砂岩与炭质泥岩的互层，其间夹杂大量的植物化石，泥与煤含量较高。
Figure 3. Benxi-Taiyuan-Shanxi interface division map
图3. 本溪–太原–山西界面划分图
3.3. 太2/山1分界
野外露头信息调查显示，太2段与山1段的分界为明显的煤层，上方发育一层较薄的东大窑灰岩，位于太原组顶部(图3(a)~(b))。煤层及灰岩之上是一套厚近7 m的灰白色粗粒–细砾岩屑石英砂岩，即北岔沟砂岩，是山西组底部的标志性产层。山1段底部发育横向沙坝，粒度较粗，含砾石，向上变为纵向和斜列沙坝，粒度变细，顶部为泛滥平原细粒沉积物，反映沉积基准面持续抬升。太原组煤层与山西组煤层的主要区别在于太原组煤层含有大量硫，开启时会闻到臭鸡蛋气味，推测与海相环境的成煤物质有关。
4. 沉积相标志特征
沉积相标志是指在不同沉积环境中形成的具有显著特征的标志，是沉积环境和沉积相研究的重要依据。这些标志主要包括岩性标志、构造标志、古生物标志和测井相标志。
4.1. 岩性标志
1) 颜色
岩石颜色变化与组成和形成环境有关。沉积岩颜色受次生、继承和自生色影响，自生色反映沉积环境，指示古环境。深色(如黑、深灰)代表深水还原环境，浅色(如黄、浅红)反映浅水氧化环境 [20] 。泥岩的颜色是恢复沉积环境的重要依据，在所研究区域内发现，太原组的泥岩以黑色及灰黑色为主，证明了当时的植被发育是以还原环境为主。
2) 岩石类型
Figure 4. Photographs and microphotographs of typical cores of the Taiyuan Formation ((a)~(b) quartz sandstone, at the base of the Taiyuan Formation; (c)~(d) microphotographs of chert, with the development of lysimetric holes and cavity holes of residual organisms; (e) carbonaceous mudstone, with a shell-like fracture and a high degree of carbonization; (f) coal seam with a large number of fossilized plant fragments, at the top of the Taiyuan)
图4. 太原组典型岩心照片及微观照片((a)~(b) 石英砂岩，于太原组底部；(c)~(d) 灰岩显微照片，发育溶孔、残余生物体腔孔；(e) 碳质泥岩，断口呈贝壳状，炭化程度较高；(f) 煤层，含大量植物化石碎片，于太原顶部)
研究区域主要出露岩石类型为碎屑岩和煤层，其中碎屑岩的主要类型为石英砂岩和灰岩(图4(a)~(d))。太1段发育炭质泥岩、煤层夹厚度不等的粗–中粒石英砂岩，砂岩呈灰黄色(图4(e))。太2段为灰白色石英砂岩，夹薄煤层，煤层中有大量硫和植物根茎化石(图4(f))。矿物组合含海绿石、黄铁矿等，储层岩性多样，煤层与致密砂岩呈交替层状结构，横向变化快，呈非均质性。
4.2. 沉积构造标志
沉积构造记录沉积时期能量条件、沉积介质等信息，直接反映沉积岩特性，是划分沉积相、亚相及微相的关键 [21] 。包括原始构造(层面、层理构造)和次生构造。层理构造反映沉积环境变化，受沉积物成分、结构变化或沉积间歇、季节变化的影响。
在太原组沉积期，鄂尔多斯盆地海水未完全退出，导致环境多样性，形成不同构造组合。海侵海退反复，引发环境波动。强潮汐和海浪作用下，太原组主要形成障壁海岸沉积体系。观察露头信息发现，太原组有多层理构造，如水平、波状、交错、平行、层纹、块状、透镜状及逆粒序等。这些层理构造主要由强潮汐和海浪影响形成，证实太原组主要为障壁海岸沉积体系。
4.3. 古生物标志
生物与环境作为统一整体密不可分，通过观察生物样本形态可以详细地了解当时其所生存的环境。光照、温度、氧气含量、水深等因素都可能影响生物的生长和分布。同时，观察生物的种类和个体形态特征可以作为确定地质年代的重要手段。
在太原组太2段内，发现了大量的植物碎片标本(图5(a)~(c))，这揭示出该地区在当时有一段时间以陆地沉积为主，各类植物生长茂盛，提供了适宜生物生存的环境。证据表明该地区曾经存在潟湖和沼泽等水体环境。古生物标本记录了当时的环境特征和生物群落，为太原组期间存在陆相环境提供了有力依据。
Figure 5. Photographs of paleontological specimens ((a) thuja; (b) lambda (fern); (c) cuneate)
图5. 古生物标本照片((a) 苏铁；(b) 羊齿(蕨类)；(c) 楔叶植物)
4.4. 测井相标志
利用大牛地气田试气数据，选取代表性气井，利用不同深度取芯回次进行岩性解释、自然伽马分析，发现府谷太原组内潮坪测井相曲线形态以箱形、指形为主；障壁砂坝、潮道及潮道三角洲测井相曲线形态以箱形、指形、钟型为主；而潟湖的以线形为主。结合取样岩心样品，判定在太原组的潟湖内泥岩发育十分广泛，在充分的还原环境下很可能为重要的油气保存层。具体划分结果见表1。
Table1. Sedimentary facies marker division table
表1. 沉积相标志划分表
5. 沉积相分析
Figure 6. Model diagram of the sedimentary system of the barrier sand bar-lagoon of the Taiyuan Formation in the Yulin-Fugu area
图6. 榆林–府谷地区太原组障壁沙坝–潟湖沉积体系模式图
沉积相是沉积环境及在该环境中形成的沉积物(岩)特征的综合 [22] [23] 。沉积环境包括自然条件、气候、构造、沉积介质的物理和化学条件。沉积物(岩)特征包括岩性、古生物和地球化学特征，是环境条件的物质记录。沉积环境决定沉积岩特征，而沉积特征是沉积环境的物质表现，图6所示为府谷地区太原组时期存在的主要沉积模式。
5.1. 沉积相类型及特征
鄂尔多斯盆地府谷地区在太原组发育为有障壁滨海，主要分为障壁沙坝及潟湖体系、潮坪亚相两大类。其中的障壁沙坝及潟湖体系主要包括：障壁沙坝微相、潟湖微相、潮道及潮汐三角洲；潮坪包括泥坪、混合坪、沙坪微相(图7)。
Figure 7. Comprehensive histogram of sedimentary microfacies and lithologic description of the Taiyuan Formation in the Yulin-Fugu area
图7. 榆林–府谷地区太原组沉积微相及岩性描述综合柱状图
1) 障壁沙坝微相特征
障壁砂坝发育的岩性主要是中–粗砂岩，由于长期受到波浪冲刷作用，剖面可观察到砂质较为纯净，磨圆度较高，岩体表明存在明显的冲洗交错层理。障壁沙坝在向海方向的存在坝滩；在向湖方向发育障壁坪；在障壁岛的顶部发育有沙丘，可观察到许多细颗粒的砂砾沉积。
2) 潟湖微相特征
潟湖微相内可观察到大量的植物化石及煤层。由于障壁岛的阻隔，与开阔海域的沟通仅依赖于潮汐通道，使得潟湖水动力条件较弱，环境表现得相对宁静且能量较低，在太原组时期营造了还原环境，为有机质的产生及储存提供了机会。同时由于潟湖呈现出半封闭的状态，这种相对孤立的环境导致潟湖内部的盐度异常，生物物种单一，以细粒的陆源物质和化学沉积物质为主。通过踏勘观察结合岩性样品分析，太原组的潟湖内，泥岩、粉砂质泥岩和煤层的发育特征明显，整体颗粒非常细小，只有偶尔夹杂着薄层的砂泥岩互层，其中的砂岩据推测可能是在风暴时期或波浪卷入时形成的。
3) 潮道及潮汐三角洲
在露头剖面观察到底部滞留砾石为板状交错层理的砂质沉积及存在类似河道沉积的侧向迁移现象。判断其是切割障壁沙坝连接潟湖与广海的潮汐水道与潮汐三角洲，通过观察它们的分布形态及大小确定在太二段时期曾经有大量沉积物输送至盆地内部，为盆地供源。
4) 泥坪、混合坪、沙坪微相
本次野外露头观察显示，潮坪相的出现主要由细粒石英砂岩和少量粉砂岩组成，一般呈正粒序分布，发育较多平行层理和波状层理。泥坪作为潮坪亚相的一种，发育高潮线附近，由于能量较低，一般有利于有机质保存。
5.2. 沉积相变分析
1) 泥坪–障壁砂坝
形成原因：其主要发育在太一段、太二组的开始阶段。泥坪到砂坪的转变分析：一方面可能是受到海平面下降的影响，导致泥坪暴露进而接受砂质沉积；另一方面考虑到在太原组初期沉积物供给的增加，泥坪逐渐被砂质沉积覆盖。
2) 障壁砂坝–潟湖–障壁砂坝
形成原因：其主要发育在太二段，其间多次出现。第一种是障壁砂坝–潟湖转换，分析其原因：一方面可能是由于河流携带泥沙在河口附近不断堆积，形成障壁岛的同时创造了潟湖半封闭的环境；另一方面为海平面变化，当海平面上升可能导致砂坝被淹没形成潟湖。第二种就是潟湖–障壁岛转换，分析其原因：一方面考虑由于海平面变化，当海平面下降时潟湖会接受沉积向砂坝转换；另一方面考虑带来的供给增加，导致潟湖被砂质填充形成；此外还有一种可能分析由于潮汐作用增强，形成潮汐通道及潮汐三角洲，发展为障壁砂坝(较好地符合图7内太二段内部发育的潮汐三角洲的现象)。
3) 潟湖–分流河道
主要发育在太原组与山西组的交界。潟湖–分流河道的转变分析：一方面考虑潮汐作用可以促使潟湖与外海物质进行交换，潮汐通道的冲刷有助于分流河道的形成。另一方面考虑波浪的作用，其侵蚀改造作用形成通道，进而发展为分流河道。
4) 障壁砂坝–混合坪
主要发育在太一段的后期，出现频率不高。障壁砂坝–混合坪转变分析：一方面考虑是海平面上升导致障壁砂坝被淹没，沉积环境由滨岸转向潮坪环境。另一方面考虑是水动力减弱，波浪潮汐减弱，不再以砂质沉积为主，转而为泥质和砂质的混合沉积。
6. 结论
1) 沉积相类型及分类
府谷地区太原组作为有障壁滨海，主要发育为障壁砂坝–潟湖体系。障壁沙坝的岩性主要为高纯度砂岩，偶见细砾，底部常见冲刷面，分布有坝滩、障壁坪和沙丘；潟湖微相中，受还原环境影响，以泥质和煤为主，是有机质积累和保存的最可能位置；潮汐通道连接潟湖与广海，对盆地内物质供给和悬沙输运有重要作用；潮坪相出现频率低，包括泥坪、混合坪和沙坪，在潮汐作用影响下，泥坪下可能保存有机物，根据潮坪沉积物分布可大致确定潮汐作用时间。
2) 沉积相变
将府谷地区太原组沉积相变分为四类：泥坪–障壁砂坝、障壁砂坝–潟湖–障壁砂坝、潟湖–分流河道、障壁砂坝–混合坪。相变发生在太原组的四个主要时期：太一段、太二段开始、太二段内部、太原组与山西组交界、太一段后期。受海侵、海退交替及强潮汐、海浪作用共同影响，形成了现今的障壁海岸沉积体系。分析沉积相的类型特征和成因，有助于深化对该地区沉积相的理解，为科学研究及资源勘探提供依据。
NOTES
*通讯作者。