鄂尔多斯盆地处于华北板块西南部，横跨陕西、内蒙古、甘肃、宁夏和山西五省区，幅员辽阔，油气资源丰富。盆地西部奥陶系乌拉力克组发育一套优质海相页岩^[1]，近年来多口乌拉力克组海相页岩探井试气获得工业油气流，有望成为国内页岩气勘探开发的北方战略领域^[2]。岩相古地理对海相页岩气藏的形成与分布规律具有控制作用^[3]，盆地西部奥陶纪乌拉力克期岩相古地理研究有利于指导优质页岩有利相带寻找及海相页岩气下步勘探方向。前人对鄂尔多斯盆地西部奥陶纪乌拉力克期岩相古地理做了大量研究^[4⁃6]。早在20世纪90年代初，有学者结合野外代表剖面和少量钻井资料将盆地西部奥陶纪中晚期大部分地区统称为西部开阔海^[3]；此后，随着研究的深入，奥陶纪中晚期盆地西部被进一步细化为碳酸盐岩台地—碳酸盐岩斜坡—海槽等沉积相单元^[4,7]。然而，盆地西部奥陶系绝大部分深埋地下，前期盆地西部乌拉力克期沉积相带研究缺乏钻井资料精细控制，学者们对盆地西部乌拉力克期古地理格局的认识尚不统一。一些学者认为盆地西部乌拉力克期发育台地、台地前缘斜坡、深水斜坡—海槽沉积相带^[8⁃10]，而陈小炜等^[11]认为盆地西部乌拉力克期整体为弧后盆地沉积环境，自东向西发育开阔台地、陆棚相、碳酸盐岩缓坡、斜坡相、盆地相。此外，学者们对盆地西部乌拉力克组沉积期的优势相带持不同观点。部分观点认为盆地西部隆洼相间，自东向西发育深水斜坡相—广海陆棚相—盆地相沉积体系，其中斜坡相、广海陆棚相为优势沉积相带^[2,12⁃14]，而孙华丽等^[15]认为乌拉力克组沉积期以深水盆地相沉积为主，主要发育笔石页岩盆地相，其次为云灰质泥岩—泥质白云岩—泥灰岩陆棚相。近年来，随着鄂尔多斯盆地源内天然气勘探力度的加大，鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组海相页岩气勘探积累了大量探井资料。本文在前人研究的基础上，以沉积学和层序地层学理论为主要依据，通过大量野外露头、钻井岩心、岩石薄片、分析化验数据等，从岩石学、元素地球化学、沉积相标志等方面综合研究了乌拉力克组沉积相类型及沉积演化特征，重新建立了鄂尔多斯盆地西部乌拉力克期沉积模式，同时优选海相页岩气勘探有利相带，明确了鄂尔多斯盆地西部海相页岩气下步勘探方向。

鄂尔多斯盆地西部处于鄂尔多斯地块、阿拉善地块和祁连—秦岭褶皱带的结合部位（图1），由天环坳陷、西缘冲断带组成。盆地后期印支期、燕山期、喜山期冲断、走滑构造活动强烈^[16]，其中西缘冲断带构造活动较强，变形较复杂^[17]，多条南北向展布的大型逆冲断裂被近东西向的走滑断层分割，整体表现为“东西分带，南北分段”的构造格局^[18⁃19]。早古生代，盆地西部地区位于鄂尔多斯地块与古秦岭洋之间，属祁连海域沉积体系^[20]。寒武纪末，鄂尔多斯地块整体短暂抬升为陆，地层出现沉积间断并遭受剥蚀；中奥陶世鄂尔多斯盆地西部发生海侵，发育清水碳酸盐岩台地沉积地层，先后发育三道坎组、桌子山组和克里摩里组^[21]；晚奥陶世，受加里东运动影响，盆地本部抬升为陆^[22]，而西部祁连海域发生差异快速沉降，海平面与全球海平面同步大幅度上升^[8,23⁃25]，沉积厚度稳定的乌拉力克组；随后鄂尔多斯盆地西部逐渐海退，先后发育拉什仲组、公乌素组、蛇山组。

图  1  研究区乌拉力克期沉积格局及乌拉力克组地层柱状图

Figure 1.  Sedimentary pattern of Wulalike period, and stratigraphic column of Wulalike Formation in the study area

鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组主要发育一套厚度稳定的富含笔石的黑色海相页岩^[26]，含角砾灰岩和泥晶灰岩夹层，底界与克里摩里组厚层碳酸盐岩分界，顶界与拉什仲组底部泥晶灰岩分界，厚度一般介于40~140 m（图1）。中晚奥陶世，受加里东构造运动影响，盆地西部相对中东部发生差异沉降，同沉积断裂控制盆地西部形成乌拉力克组地层厚层沉降区，发育重力流垮塌沉积角砾灰岩^[23,27⁃28]，乌拉力克组呈大面积近南北向条带状分布，东西宽介于50~200 km，南北长达600 km，面积约2.5×10⁴ km²。整体上，盆地西部乌拉力克组表现出“西厚东薄、北厚南薄”的分布特征（图2）。鄂尔多斯盆地西部北段棋盘井地区乌拉力克组地层厚度大，厚度介于100~140 m，向东受加里东期鄂尔多斯盆地中东部差异抬升的影响，乌拉力克组开始变薄；中段马家滩地区乌拉力克组厚度介于40~100 m，西侧乌拉力克组厚度较稳定，约100 m，向东变薄至约40 m；南段银洞子地区乌拉力克组厚度稳定，约100 m。

图  2  鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组地层厚度图（据文献[2]）

Figure 2.  Isopach map of the Wulalike Formation, western Ordos Basin （after reference [2]）

乌拉力克组整体上发育一套黑色的海相页岩，富含笔石（图3a~c），具有“高脆性、富纹层”的特点（图3d），夹颗粒灰岩（图3e）和角砾灰岩（图3f）。根据页岩、角砾灰岩和颗粒灰岩的纵向组合占比，将乌拉力克组分为纹层状页岩型、页岩夹灰岩型、灰岩夹页岩型三类岩性组合，其中纹层型页岩组合为海相页岩气最有利勘探岩相。相对扬子板块下古生界五峰组—龙马溪组页岩，华北板块奥陶系乌拉力克组页岩脆性矿物含量更高^[29]，脆性矿物含量高达75%，其中长英质矿物含量为54.6%，碳酸盐岩矿物含量为20.4%，而黏土矿物含量相对较少（图4），黏土矿物以伊利石和伊／蒙间层为主，其次为绿泥石和高岭石，含有少量黄铁矿和菱铁矿，不含蒙脱石。

图  3  鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组岩心照片

Figure 3.  Photographs of cores from the Wulalike Formation, western Ordos Basin

图  4  鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组矿物相对含量分布

Figure 4.  Distribution of mineral content in the Wulalike Formation, western Ordos Basin

利用长英质矿物（长石+石英）、碳酸盐岩矿物（方解石+白云石）和黏土矿物岩矿三端元分类法（图5），将乌拉力克组页岩划分为6个页岩岩相（表1），包含硅质页岩相（图6a）、钙质页岩相（图6b）、黏土质页岩相（图6c）和混合页岩（图6d）等页岩相，其中混合页岩进一步分为钙质硅质混合页岩、钙质黏土质混合页岩、黏土质硅质混合页岩。乌拉力克组页岩中主要发育硅质页岩、钙质硅质混合页岩、黏土质硅质混合页岩、钙质页岩（图4，6），整体表现为“高脆性”的特征。此外，乌拉力克组页岩纹层极为发育，通过全直径岩心双能谱CT扫描成像技术，识别乌拉力克组页岩主要层段纹层密度介于60~132条/m（图7）。页岩纹层主要发育硅质纹层、灰质纹层两类，其中硅质纹层以长英质矿物为主，其次为伊利石、钠长石等；灰质纹层矿物以方解石、白云石为主，含少量石英、黏土矿物。

图  5  鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组矿物三端元岩相分类

Figure 5.  Ternary diagram of mineral facies, Wulalike Formation, western Ordos Basin

图  6  鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组岩心镜下薄片

Figure 6.  Photomicrographs of thin sections, Wulalike Formation, western Ordos Basin

图  7  L99井乌拉力克组（4 422.0~4 425.5 m）纹层特征、CT扫描及岩心照片

Figure 7.  laminae, CT scan and core photographs, Wulalike Formation, in well L99 (4 422.0⁃4 425.5 m)

研究区岩石类型包括硅质页岩、钙质页岩、黏土质页岩、混合页岩、石灰岩、颗粒石灰岩等岩石类型。

硅质页岩以灰黑色为主，硅质含量≥50%，自然伽马（GR）值在95~140 API之间，在乌拉力克组页岩中GR值相对较低，富含有机质，主要分布在乌拉力克组底部（图1）。页岩中硅质以生物硅为主，富含放射虫、海绵骨针、笔石等生物化石（图3a），常见黄铁矿，呈细粒散点状分布。硅质页岩水平纹层发育，岩心观察可见明显页理构造，反映了水体较深、安静贫氧的广海陆棚沉积环境（图8）。

图  8  鄂尔多斯盆地乌拉力克组氧化还原指标交会图

Figure 8.  Intersection plot of redox indicators in the Wulalike Formation, Ordos Basin

钙质页岩以浅灰色、灰绿色为主，页岩中钙质含量高（图3b），碳酸盐矿物含量通常大于50%，GR值在85~120 API之间，有机质含量较低，主要分布于乌拉力克组中上部（图1）。钙质矿物呈纹层状或分散状分布，并可见腕足、珊瑚、三叶虫、棘皮类、双壳类等化石，反映了相对较深水的、贫氧的沉积环境^[30]（图8）。

黏土质页岩以深灰色、灰黑色为主，主要分布于乌拉力克组上部。黏土矿物含量通常≥50%，GR值在110~145 API之间，在乌拉力克组页岩中GR值相对最高（图1）。矿物以伊利石、绿泥石和伊/蒙混层为主。黏土质页岩也含有石英颗粒，分析表明，该石英颗粒为陆源碎屑成因^[31]，反映了沉积期较深水的还原环境（图8）。

混合页岩中硅质、碳酸盐、黏土等矿物含量相近（图3c），以灰色、灰绿色为主，包括钙质硅质混合页岩、黏土质硅质页岩、黏土质钙质混合页岩等岩石类型，自然伽马曲线介于最高的黏土质页岩和最低的硅质页岩之间，是硅质页岩、钙质页岩和黏土质页岩的过渡岩性。

石灰岩以灰色和灰黑色为主，主要为灰泥石灰岩，GR值5~20 API之间，常具有滑塌构造（图3f）。平面分布范围局限，沿古海岸线南北带状展布，表明其沉积环境位于深水斜坡，沉积范围狭窄。

颗粒石灰岩以灰色和深灰色为主（图3e），GR值在5~20 API之间，颗粒以生物碎屑、球粒等为主（图6e，f），部分具有保存较好的交错层理。颗粒灰岩中生物化石丰富，表明沉积环境光照充足、营养丰富、生物繁盛，且沉积水体能量高，为台地边缘的颗粒滩沉积环境。

根据测井、岩心岩屑及镜下薄片分析，结合分析化验等资料，将鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组划分为盆地相、广海陆棚相、斜坡相、碳酸盐岩台地相4类，其中碳酸盐岩台地相可进一步划分为台地边缘亚相、开阔台地亚相、潮坪亚相，各类沉积相特征及沉积物特征如下。

乌拉力克组盆地相沉积主要分布在贺兰山—牛首山—罗山一带以西的地区。沉积期该地区地形平坦、水体深，沉积厚度大，一般超过1 000 m。沉积物普遍较细，主要通过细粒浊流搬运而来，以浅灰色泥页岩与砂岩互层形成的复理石建造为主，结合前人研究，物源主要来自阿拉善古陆^[12]。泥页岩的颜色较浅，不含碳酸盐岩矿物，有机质含量低，缺乏底栖生物化石，水平层理发育，反映盆地水体过深，不利于生物生存。

广海陆棚相位于浅海陆棚靠近广海一侧的深水沉积环境。其水深位于氧化还原界面（缺氧线）之下，水体安静、环境能量低，属于强还原的沉积环境。广海陆棚相主要发育纹层状页岩，岩性以灰黑色—黑色的厚层页岩为主，普遍含黄铁矿晶粒，常呈星点状或纹层状分布。页岩硅质含量高，次为黏土矿物，碳酸盐矿物含量低，为硅质页岩。生物化石以笔石为主，并可见硅质的放射虫和海绵骨针。在广海陆棚相沉积物中还可见透镜状角砾灰岩，为同沉积构造活动引起的块体搬运作用产物，这种小规模的垮塌角砾岩非斜坡相的标志^[23,27,32]。

斜坡相位于碳酸盐岩台地与广海陆棚的过渡区，水深位于风暴浪基面以下，较广海陆棚水体稍浅。斜坡相沉积物岩性以页岩夹灰岩型岩性组合为主，碳酸盐矿物含量明显增加，并有角砾灰岩发育，常具有滑塌构造（图3f），为碳酸盐岩水下块体搬运沉积产物^[23]。页岩呈灰黑色，多为钙质页岩、钙质硅质混合页岩或钙质黏土质混合页岩，水平层理极为发育，表明水体整体比较安静。镜下研究表明，页岩纹层呈明暗交替变化，主要是由于页岩矿物成分差异引起的。亮色纹层矿物以方解石、石英为主，含少量白云石；暗色纹层主要由石英组成，其次为伊利石、钠长石（图3c、图6a，d）。

浅海台地相以碳酸盐岩沉积为主，是相对浅水且富氧的沉积环境，生物繁盛，沉积物中可见生物碎屑。碳酸盐岩台地相可进一步划分为台地边缘亚相、开阔台地亚相、潮坪亚相。

台地边缘亚相位于斜坡相向陆地一侧的相对浅水环境，其沉积物中灰质含量较斜坡相明显提高。以灰岩夹页岩型岩性组合为主，灰岩为泥晶灰岩、亮晶颗粒灰岩，页岩为薄层钙质、黏土质页岩。台地边缘水动力强，发育颗粒滩，其沉积地貌相对较高且风浪作用较强，海水往复冲洗，形成颗粒相对均一的沉积物堆积。颗粒以腕足类、珊瑚、三叶虫、棘皮类、双壳类等生物碎屑和球粒为主。

开阔台地亚相以灰色和灰黑色灰泥石灰岩沉积为主。其平面分布范围局限，呈与陆地平行的南北带状展布，沉积范围狭窄。石灰岩中可见含生屑泥晶灰岩，以灰色、深灰色为主，见生屑颗粒（图5g），表明其形成于碳酸盐岩台地的环境。此外，地层中可见含球粒石灰岩，以及鸟眼（图5h）与泥裂（图3g）共生的泥晶灰岩，显示潮坪相的沉积环境。因研究区东侧受华北地台在加里东期构造抬升的影响，地层几乎被剥蚀殆尽，开阔台地亚相和潮坪相仅局部存在，故本文不再对此详述。

乌拉力克期，鄂尔多斯盆地受加里东构造运动的不断影响，华北地台及盆地本部进一步构造抬升，成为剥蚀古陆，盆地西部差异沉降，成为陆缘海。盆地西部属于祁连海域沉积，是华北地台与祁连海槽的过渡部位，沉积相带受海岸地形影响，呈南北带状展布。研究区以广海陆棚相和深水斜坡相沉积为主，水体西深东浅。

微量元素分析表明，V/Cr比值、Ni/Co比值、U/Th比值均呈现自下而上变小的趋势（图9）^[2]，表明水体逐渐变浅^[33⁃35]。奥陶纪克里摩里末期，盆地西部呈碳酸盐岩台地沉积，主要发育石灰岩（图9）；进入乌拉力克期，盆地西部发生了快速海侵，由克里摩里期的碳酸盐岩台地相沉积，突变为陆缘海深水沉积^[36]，沉积了黑色硅质页岩（图9），并在局部地区发育；随后缓慢海退，生物硅质含量逐渐降低，碳酸盐岩含量逐渐增加（图10）。进入乌拉力克中期，水体快速变浅，北部棋盘井地区以浅水碳酸盐岩沉积为主，南部马家滩地区仍以深水页岩沉积为主，主要发育广海陆棚相和斜坡相（图10）。乌拉力克末期，水体再次快速加深，形成以黏土质页岩、混合页岩为主的沉积。生物硅质含量与孔隙度、TOC呈现正比例的关系^[37]，而乌拉力克组下部硅质含量相对较高，因此乌拉力克组的优质页岩段（即页岩气甜点段）主要位于乌拉力克组下部^[38⁃39]。

图  9  鄂尔多斯盆地ZP1井乌拉力克组古环境参数变化图（井号位置见图2，数据来源文献[2]）

Figure 9.  Paleoenvironmental variation in well ZP1, Wulalike Formation, Ordos Basin(well location shown in Fig.2, data from reference [2])

图  10  XT1井—L83井—L105井—L55井—L100井奥陶系乌拉力克组地层与沉积相连井剖面图（井号位置见图2）

Figure 10.  Stratigraphic and sedimentary profile of wells XT1⁃L83⁃L105⁃L55⁃L100, Ordovician Wulalike Formation (well locations shown in Fig.2)

鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组探井地层厚度、岩性组合特征及岩心矿物组成分析资料表明，自西向东，沉积地层厚度变薄，岩性组合由沉积深水陆棚纹层状页岩向页岩夹灰岩岩性组合过渡，且岩石矿物组成中硅质含量降低，碳酸盐岩含量增加，表明水体逐渐变浅（图10，11）。此外，乌拉力克组探井岩心V/Cr比值自西向东降低，表明水体自西向东水体变浅（图11）。整体上，乌拉力克组自西向东依次发育盆地相、广海陆棚相、台地边缘斜坡相、碳酸盐岩台地相等沉积（图10，12）。研究区东侧地层由于受加里东期构造运动影响隆升剥蚀，无法确定剥蚀区的古环境。根据现代海洋沉积环境沉积序列推测，认为研究区东侧靠近鄂尔多斯古陆，为浅海台地相的沉积。

图  11  鄂尔多斯盆地乌拉力克组岩性横向变化趋势（井号位置见图2）

Figure 11.  Photomicrographs showing lateral lithological variation trend in the Wulalike Formation, Ordos Basin (well locations shown in Fig.2)

图  12  鄂尔多斯盆地奥陶纪乌拉力克期岩相古地理图

Figure 12.  Paleogeographic map of the Wulalike period lithofacies in the Ordos Basin

鄂尔多斯盆地西部中晚奥陶世乌拉力克期地势东高西低，盆地本部处于剥蚀古陆的环境，向西依次发育潮坪相、碳酸盐岩台地相、斜坡相、广海陆棚相和盆地相（图13），沉积水体逐渐变深。其中，潮坪相和碳酸盐岩台地相为浅水、富氧的沉积环境，在台地边缘发育颗粒滩亚相，是有利的储集层发育相带。斜坡相和广海陆棚相页岩发育，页岩硅质含量高，且TOC较高，纹层及水平缝发育^[40⁃41]，是有利的烃源岩和储集层。

图  13  鄂尔多斯盆地奥陶纪乌拉力克期沉积模式图

Figure 13.  Sedimentary model of the Wulalike period in the Ordos Basin

（1） 鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组发育硅质页岩、钙质页岩、黏土质页岩、混合页岩、石灰岩、颗粒石灰岩等岩石类型。结合沉积相标志分析，识别出了盆地相、广海陆棚相、斜坡相、碳酸盐岩台地相等四个沉积相类型。

（2） 鄂尔多斯盆地西部乌拉力克期发育碳酸盐岩台地边缘沉积模式，研究区沉积相带受海岸地形影响，呈南北带状展布，并以广海陆棚相和深水斜坡相沉积为主，水体西深东浅。

（3） 结合储层孔隙度和有机碳丰度，明确了斜坡相、广海陆棚相、颗粒滩亚相是有利的烃源岩和储集层发育相带；在纵向上，乌拉力克组底部纹层状硅质页岩发育，是海相页岩气有利的勘探层段。