Characteristics of Lithofacies Paleogeography and Its Relationship to the Distribution of Natural Gas: A case study of sub-member Ma5₄, Ordovician Majiagou Formation, northwestern Jingbian area, Ordos Basin

现今碳酸盐岩大多经历了复杂成岩改造,所以一些现今岩石与原岩类型之间可能具有明显差异。但是,原始沉积环境及原岩特征在根本上仍影响着现今岩相特征及展布规律。因此,岩相古地理环境也成为影响碳酸盐岩储层分布的重要因素之一^[1⁃2]。已有研究表明,碳酸盐岩岩相古地理恢复是寻找碳酸盐岩储层分布有利区以及有效评价储层类别的重要环节^[3⁃4]。

马家沟组是鄂尔多斯盆地下古生界天然气勘探开发的关键层系,其中马五段是其主力产气层之一。随着靖边大气田天然气勘探开发力度加大,其勘探范围逐渐向邻区扩展。其中,靖边气田西北部地区也成为近年来重点关注的地区之一。该地区除马五5亚段为主力产气层段外,马五4亚段作为其天然气接替层位,也逐渐引起人们关注。包洪平等^[2]指出,以组、段为基本单元的岩相古地理编图对于指导宏观油气勘探方向具有重要意义,但是在预测段内更小地层单元中油气分布效果相对较差,甚至会出现与实际地质情况相矛盾的结果,同时也指出细分小层岩相古地理编图的重要性。目前,关于靖边西北部马五4亚段主要为低海平面、海退时期发育的蒸发台地相这一认识尚且统一,但众多学者对其内部发育的亚相环境仍存在争议。例如,谢锦龙等^[1]认为该地区马五4亚段自西向东依次发育含硬石膏结核白云岩坪和含膏白云岩坪。于洲等^[5]认为主要发育3种亚相环境,自西向东分别为泥质白云岩坪、含膏白云岩坪以及膏质白云岩坪。胡光明等^[6]则提出硬石膏结核白云岩潮坪和块状硬石膏白云岩洼地的认识。曹红霞等^[4]分析指出,该地区马五4亚段主要发育泥质白云岩坪和含膏白云岩坪两种亚相环境,且泥质白云岩坪环绕含膏白云岩坪分布。上述关于沉积亚相环境的争议在一定程度上限制了天然气勘探方向部署。由此可见,重新认识鄂尔多斯盆地靖边西北部地区马五4亚段岩相古地理环境,对于该地区天然气勘探具有重要意义。

本文通过岩心观察、薄片鉴定和X衍射数据分析,在明确靖边西北部马五4亚段主要岩石类型及矿物成分的基础上,利用多矿物测井解释模型对区内未取心井段岩性进行详细解释,然后在保证岩性测井解释结果可靠的前提下,采用冯增昭^[7]提出的单因素分析多因素综合作图法绘制了研究区的岩相分布图,并结合不同类型岩石的沉积结构及构造恢复了其原岩类型、重建了研究区的岩相古地理环境。在此基础上,结合测井解释的气层厚度分布特征以及实际天然气产量数据深入分析岩相古地理环境与天然气层分布之间的关系,以期为明确天然气分布规律及优选下一步天然气勘探有利区提供参考。

鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘,南抵秦岭海槽、北临兴蒙海槽、西接祁连海槽、西北侧与贺兰坳拉槽相连,整体表现为三面环海特征^[8⁃10]。该盆地在早古生代进入克拉通盆地稳定发育时期,由于经历多期次快速海进和缓慢海退,盆地内沉积物表现出以巨厚海相碳酸盐岩建造为主的特征,地层厚度整体呈北薄南厚、东薄西厚特征^[11⁃14]。中生代末期,燕山运动形成了现今鄂尔多斯盆地轴心东翼平缓、西翼陡峭的大型不对称复式向斜的构造格局以及六个二级构造单元（伊盟隆起、渭北隆起、西缘逆冲带、晋西挠褶带、天环坳陷、陕北斜坡）雏形,并受新生代末期喜山运动影响,盆地构造格局最终定型^[15],研究区位于盆地伊陕斜坡内靖边地区的西北部（图1a）。

Figure 1.  Comprehensive map of regional geological characteristics in Ordos Basin

奥陶系马家沟组是一套以石灰岩和白云岩为主夹蒸发岩和泥质岩的海相碳酸盐台地建造^[16],并自下而上可划分为马一—马六段6个岩性段,马五段经历了多期的海进—海退,自上而下划分为马五1—马五10亚段（图1b）。其中马五4亚段在盆地中东部岩性以膏岩、盐岩、膏质白云岩和白云质膏岩为主,而在盆地西南部主要发育石灰岩、白云岩、白云质石灰岩、石灰质白云岩、泥质白云岩、泥质石灰岩和泥岩。

岩心观察、镜下薄片鉴定结果显示,研究区马五4亚段发育多种岩石类型,包括泥质白云岩、白云质石灰岩、白云岩和膏质白云岩。其中,泥质白云岩通常具有砂砾屑结构并表现出岩溶角砾化特征,反映其为表生期岩溶坍塌角砾化结果。此外,由于岩溶作用伴随陆源碎屑灌入^[17],不同砂、砾屑之间常见充填的泥质组分（图2a）。白云质石灰岩一般发育残余交代结构,方解石呈细晶等轴粒状,普遍具雾心亮边结构（图2b）且颗粒之间紧密接触,显示一定的白云石化交代作用及重结晶作用。白云岩一般具有泥晶结构,矿物组分多为泥晶或粉晶白云石,岩石中常见大量石膏假晶,还可见溶蚀孔隙或溶蚀微裂缝（图2c）。膏质白云岩多表现为泥晶结构,岩心中可见由硬石膏结核充填溶蚀孔隙形成的鸟眼构造,一般呈顺层分布（图2d）。

Figure 2.  Main type of carbonate rock of Ma54 sub⁃member in the northwestern Jingbian area

纵向上,根据四级海平面升降旋回变化特征,将马五4亚段自下而上划分为三个岩性段。其中,马五4下段形成于四级相对海平面下降过程,发育大量分散泥质组分,岩性主要为砾屑泥晶白云岩,地层厚度平均约13.9 m；中段形成于四级相对海平面上升过程,同样以砾屑泥晶云岩为主,含较多泥岩及粉砂等大量陆源碎屑,平均地层厚度约11.76 m；上段同样形成于四级相对海平面上升过程,且该段自下而上泥质组分逐渐减少,下部岩性主要为砂屑泥晶白云岩,平均地层厚度约6.95 m,上部主要为膏、盐模孔隙发育的泥晶或粉晶白云岩,平均地层厚度约5.18 m。

由于碳酸盐岩地层矿物组分复杂,利用单一测井曲线拟合解释方法无法满足碳酸盐矿物测井解释需要^[18]。因此,本文采用多矿物测井解释模型对研究区55口井马五4亚段地层矿物含量进行解释。

多矿物模型的本质是通过矿物组分分析,把一个具有复杂岩性的地层看作是由骨架矿物、黏土组分以及孔隙流体等均匀的几部分组成,而地层测井值可以看成是各种矿物和流体的综合效应。从而,可以根据对已有测井曲线信息充分分析来识别复杂碳酸盐岩地层中各类矿物组分类型及其相对含量^[19]。

以中子测井为例,其响应方程可表示为：

式中：V_i =地层中第i种矿物体积含量；CNL _i =第i种矿物中子测井值；V_ϕ =孔隙流体体积；CNL _ϕ =孔隙流体中子测井值；CNL _b =实际测量的地层中子值。

由于目前中子测井曲线纵向分辨率为0.30 m^[20],因此,针对研究区马五4亚段地层中薄层碳酸盐岩岩性变化也可以有效识别。同理,声波时差（AC）、光电吸收截面指数（Pe）、密度（DEN）、自然伽马（GR）等测井曲线也可表示为与中子（CNL）测井曲线相类似的响应方程。

综合岩心观察、显微镜下薄片分析以及研究区近50块碳酸盐岩样品的X衍射分析结果,研究区马五4亚段地层矿物类型主要为白云石、方解石及伊利石（主要的泥质组分）,部分样品含有硬石膏,而硅质含量相对较少。纵向上,自马五4亚段下部至上部,硅质和泥质含量呈现先减少、再略微增加的趋势,中部局部层段硬石膏含量增加,中、下部方解石含量相对增高、白云石含量相对减少,上部白云石含量相对升高（图3）。因此,研究区马五4亚段地层矿物含量解释模型构建过程中,首先均考虑上述几种矿物类型,其次,为了避免由于岩溶改造导致岩相古地理恢复结果的误差,多矿物测井解释时均主要选取泥质含量相对较少或者基本不含泥质组分、岩溶角砾及表生岩溶孔隙基本不发育的纯碳酸盐岩层段。并且通过对现有测井资料的详细分析与对比,认为不同矿物组分的CNL、AC、GR、DEN和Pe测井值具有明显差异（表1）,反映测井曲线对多矿物识别效果较好。因此,在本次矿物解释模型构建时,充分考虑了上述5条测井曲线信息。

Figure 3.  Mineral contents of Ma54 sub⁃member, northwestern Jingbian, Ordos Basin

利用上述多矿物测井解释模型对靖边西北部地区关键取心井矿物含量进行解释,并对其岩性进行综合分析。例如,在Y914井马五4亚段3 376~3 381 m处,实测白云石含量（体积分数）平均约92.3%,测井解释白云石体积分数平均约89.5%；实测方解石体积分数平均约4.2%,测井解释结果约5.6%,实测伊利石及其他矿物总体积分数小于4%,测井解释结果小于5%。总体来看,测井解释矿物类型及含量准确率较高（约86.96%）,表明本次研究所采用的多矿物模型测井解释结果可信度较高,综合分析该段岩性为白云岩（图4）。

Figure 4.  Contrast of mineral contents in Ma54 sub⁃member, well Y914, from calculations and measurements

在保证关键取心井矿物含量和岩性测井解释结果相对准确的前提下,利用上述模型对研究区未取心井马五4亚段矿物含量和岩性进行测井解释。以S147井为例,多矿物模型测井解释结果显示,该井马五4亚段上部3 452~3 466 m矿物组分主要为白云石,其次为方解石并含少量泥质组分,基本不含硬石膏,岩性主要为石灰质白云岩、含灰白云岩以及含泥含灰白云岩；中、下部3 466~3 490 m硬石膏含量相对增加,岩性主要为膏质白云岩、含膏白云岩,以及少量含灰白云岩；底部3 490~3 500 m灰质组分含量明显增加,岩性以白云岩、灰质白云岩以及云质石灰岩为主,膏岩基本不发育（图5）。

Figure 5.  Mineral content in Ma54 sub⁃member, well S147, from log interpretation

在岩石学特征分析基础上,利用多矿物模型对研究区55口井的马五4亚段碳酸盐岩进行各矿物含量测井解释,根据此解释结果并参照冯增昭^[7]提出的单因素分析多因素综合作图法绘制了区内马五4亚段岩相平面分布图,具体绘制过程为：首先绘制马五4亚段的地层厚度、白云石、方解石、陆源泥质组分、硬石膏和石盐含量等6个单因素的平面分布图；其次对各单因素图进行综合分析,并参考其他环境标志和区域地质背景资料综合判断岩相分布特征^[7]。

多因素综合作图的步骤及原理举例如下：若一个区域白云石含量大于50%,则将其岩性主名定为白云岩；同时方解石、硬石膏、石盐含量均小于10%,但泥质组分含量介于10%~25%,那么该区域可确定为含泥白云岩分布区。同理,白云岩发育区内白云石含量介于50%~100%,同时其他矿物含量均小于10%；膏质白云岩发育区内白云石含量大于50%,同时硬石膏含量介于10%~29%,其他矿物含量均小于10%；白云质石灰岩发育区内方解石含量均大于50%,同时白云石含量介于25%~50%,而其他矿物含量均小于10%。

岩相平面分布图显示,研究区东部S147井区主要分布膏质白云岩,表明该地区蒸发作用较强；围绕膏质白云岩在S167井—S188井—S20井区分布面积相对较大的白云岩,反映其外围蒸发作用相对减弱,白云岩化作用较彻底；白云岩外围主要发育含灰白云岩,表明该地区白云化作用相对不彻底；而在研究区西北部岩石类型以泥质白云岩为主,这可能是由于该区域更靠近剥蚀区,受陆源泥质影响相对较大。整体来看,马五4亚段平面上的优势岩相自西部靠近剥蚀区到东部依次为泥质白云岩相、白云质石灰岩相、白云岩相和膏质白云岩相（图6）。

Figure 6.  Lithofacies in Ma54 sub⁃member, northwestern Jingbian

多数碳酸盐岩在经历成岩改造之后,其成分和结构也会发生改变。因此,现今岩石类型特征并不能完全代表沉积时期岩石类型及特征。综上,要明确碳酸盐岩沉积时期的环境特征,首先要对岩石进行原岩恢复。而原岩恢复所考虑的因素主要为碳酸盐岩经历的成岩作用及保留的原始岩石结构等信息 。精细岩相学观察及地球化学分析结果表明,研究区马五4亚段碳酸盐岩主要经历了准同生白云岩化、同生或准同生成岩阶段的早期淡水溶蚀作用、表生成岩阶段的早期暴露去白云石化以及岩溶角砾化等成岩作用^①。

同生或准同生成岩阶段的早期大气淡水溶蚀作用：蒸发台地含膏白云岩坪环境所沉积的含膏泥晶白云岩中一般发育大量板条状硬石膏,这些硬石膏遇水易溶解。因此,在早期大气淡水环境下硬石膏便发生选择性溶蚀,从而形成特征的膏模孔隙,而岩石则演变为膏模孔发育的泥晶白云岩。

表生成岩阶段的早期暴露去白云石化、去石膏化作用：低海平面时期或强制海退过程中,台地边缘的潮上带环境所形成的蒸发岩会发生短时期暴露。在此过程中,地表淡水溶蚀及交代作用会使得这些蒸发岩首先发生去石膏化作用。同时,与膏岩互层分布的白云岩也会在富含Ca²⁺和SO42-的流体介质中发生去白云石化作用形成Ca²⁺、Mg²⁺和CO32-,充足的Ca²⁺与CO32-相结合就会形成具结晶结构的白云质石灰岩。

表生期岩溶阶段的角砾化作用：表生期的岩溶作用波及面广、规模大,属于非选择性溶蚀。当岩层遭受淋滤、溶蚀的同时,还会伴随其大面积坍塌和角砾化,加之岩溶流体会将地表泥质组分携带进入岩层,因此会形成角砾结构非常发育的泥晶白云岩或泥晶含灰白云岩,角砾之间通常充填陆源泥质碎屑物。

基于上述原岩恢复依据,结合岩相学分析结果,恢复了研究区马五4亚段碳酸盐岩的原岩类型。一般认为,白云岩和膏岩发生去白云石化或去石膏化后,其结果是形成白云质石灰岩而不是膏质白云岩,因此膏质白云岩应当保持了其原岩特征,即其原岩仍为膏质白云岩,反映一种局限台地相内含膏潟湖亚相沉积环境^[18]；而研究区马五4亚段白云岩以泥晶结构为主,铸体薄片下可观察到部分膏模溶孔（图7a）,表明其可能是由含膏白云岩经过早成岩阶段早期大气淡水溶解而成,在扫描电镜下也可看到粉晶白云岩中发育溶蚀孔隙（图7b）。此外,由于白云岩次生交代现象并不明显,因此其原岩应为含膏白云岩,反映一种蒸发台地相内含膏白云岩坪沉积环境；研究区白云质石灰岩常显示次生交代结构,亦见板条状硬石膏,反映白云质石灰岩是白云岩经过去白云石化或含膏白云岩经过去石膏化形成,即白云岩或含膏白云岩应当为白云质石灰岩的原岩；泥质白云岩的形成多数是由于靠近剥蚀区,表生期风化岩溶作用导致白云岩发生溶蚀坍塌及角砾化,并携带大量泥质灌入,加之其基质部分仍显示泥晶结构,因此其原岩应为泥晶白云岩。

Figure 7.  Petrographic evidence of fresh water dissolution of dolostone from the Ma54 sub⁃member in the study area

从地球化学角度分析,氧（δ¹⁸O）、碳（δ¹³C）稳定同位素也可以揭示成岩环境温度和成岩流体盐度信息^[21⁃25]。已有研究表明,δ¹⁸O值通常与成岩环境的温度变化或流体性质有关。一般情况下,白云岩的δ¹⁸O会随着温度升高（热液流体的δ¹⁸O一般小于-10‰）或淡水影响而降低且发生负偏^[26],δ¹³C随着蒸发环境中海水盐度的增加而升高,相反则降低^[16]。例如,现今波斯湾盐坪准同生白云石δ¹⁸O一般介于3‰~4‰,方解石δ¹⁸O介于2‰~3‰^[27],而奥陶纪海水的δ¹⁸O介于-6.60‰~-4.00‰,δ¹³C介于-2.00‰~-0.50‰^[28]。研究区马五4亚段碳酸盐岩δ¹⁸O、δ¹³C测试结果显示,泥晶白云岩的δ¹⁸O介于-8‰~-2‰,平均为-5‰（未达到-10‰）,明显低于现代盐坪准同生白云岩的δ¹⁸O,且略低于奥陶纪海水的δ¹⁸O值,表明泥晶白云岩受到淡水影响^[26],这与岩石学观察的结果一致。尽管如此,蒸发潮坪环境形成的准同生白云岩与淡水白云石胶结物相比,δ¹⁸O仍普遍较高。而泥晶白云石δ¹³C介于-1‰~5‰,平均3‰,无论是与淡水方解石胶结物（δ¹³C在-9.79‰~-2.59‰）还是海水方解石（δ¹³C在-2.34‰~-0.32‰）相比均明显偏高,印证了强蒸发环境导致流体盐度升高的事实^[29]。

此外,沉积或成岩体系中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr可以有效反映其是否受到壳源锶或幔源锶影响。通常,壳源锶⁸⁷Sr/⁸⁶Sr相对较高,一般为0.712 000（±0.001 000）,而幔源锶⁸⁷Sr/⁸⁶Sr相对较低,多为0.703 000（±0.001 000）。由此可知,大量壳源锶注入会使得⁸⁷Sr/⁸⁶Sr明显升高,相反,幔源锶加入则会降低岩石的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr^[30]。研究区马五4亚段泥质白云岩⁸⁷Sr/⁸⁶Sr介于0.709 970~0.711 800,明显较奥陶纪海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr（0.708 500~0.708 800）升高,表明有大量壳源锶注入^[17],从而反映含泥白云岩形成受到陆源碎屑物质混入的影响。与岩石学证据反映的泥质白云岩形成环境结果一致。

综合分析原岩恢复的结果,研究区马五4亚段共发育蒸发台地和局限台地两种沉积相环境。其中蒸发台地相中发育白云岩坪和含膏白云岩坪两种亚相环境,白云岩坪主要分布于研究区西北部,代表性岩石类型为白云岩。而含膏白云岩坪分布于研究区中部,并自北向南呈带状展布,主要发育含膏白云岩。局限台地相中主要发育含膏潟湖沉积亚相,展布于研究区中东部及东南部,岩石类型以膏质白云岩为主（图8,9）。

Figure 8.  Schematic diagram of profiles of the paleogeographic environment of Ma54 sub⁃member, northwestern Jingbian

Figure 9.  Superposed maps of lithofacies paleogeography and natural gas distribution in Ma54 sub⁃member, northwestern Jingbian

测井解释的气层厚度显示,研究区马五4亚段气层厚度主要介于2~6 m,最高可达8 m。气层整体分布于研究区东部S147井区、东南部S36井区以及西部T6井区。天然气产能数据与岩相古地理叠合图显示,高产量气井主要分布于蒸发台地相中的含膏白云岩坪亚相带和局限台地相的含膏潟湖亚相带（图9）。其中,位于含膏白云岩坪亚相带中的S180井单井日产气量可以达到357 586 m³/d（此产量数据仅来自于马五4亚段,下同）,靠近含膏潟湖亚相带的S48井日产气量为33 555 m³/d,而位于含膏潟湖亚相带中的S25井日产气量约9 800 m³/d。由于岩相古地理环境中含膏云坪亚相对应现今岩相图中的白云岩坪亚相,即现今岩石类型主要为膏模孔隙相对发育的白云岩（包括泥晶白云岩和粉晶白云岩）；而岩相古地理环境中含膏潟湖亚相对应现今岩相分布图中膏质白云岩坪亚相,即在该环境下现今岩石类型主要为膏质白云岩。

一般认为,由于膏质白云岩岩性相对致密,很难成为有效储集层,反而可以作为较好的盖层为天然气聚集提供有利条件。为了进一步明确研究区马五4亚段天然气分布与岩相古地理环境的具体关系,参考邻近研究区靖边地区马家沟组五段储集层与盖层在纵向上的组合特征,发现在马五3—马五5亚段主要为储集层发育段,而盖层主要发育在马五6亚段的白云质膏岩层和泥岩层、马五8亚段和马五10亚段的白云质膏岩层或膏岩层。由此说明,研究区不论是含膏白云岩坪亚相还是含膏潟湖亚相,可能都是作为储层而并非盖层才导致天然气聚集。但是,由于这两个亚相环境中对应现今的岩石类型物性具有差异,即白云岩物性相对膏质白云岩物性好,这可能也是两者中天然气单井产量具有较大差异的原因（尽管相比一般的井的天然气单井产量都高,但这几口的单井产量仍表现为数量级差别）。究其原因,认为可能是研究区马五4亚段白云岩自身具有一定的储集性能,并且岩石中也发育一定微裂缝,促进了淡水在此类岩石中的流动性,从而对岩石中硬石膏进行有效溶解形成膏模溶孔,进一步增强了岩石的储集性能^[1]。而研究区膏质白云岩相比泥晶或粉晶白云岩更加致密,毫无疑问,淡水对其溶蚀程度相对较弱,但是仍然可以对其中部分硬石膏进行溶解形成一定量的溶蚀孔隙,而这部分溶蚀孔隙可能就是促使研究区膏质白云岩仍具有一定储集性能的原因。因此,结合天然气层厚度分布与天然气产能数据特征,认为含膏白云岩坪亚相是研究区马五4亚段天然气储集最有利相带。

（1） 鄂尔多斯盆地靖边西北部马五4亚段岩相古地理环境包括蒸发台地和局限台地两种,其中蒸发台地相包括白云岩坪和含膏白云岩坪亚相,白云岩坪亚相现今发育的岩石类型包括泥质白云岩和白云质石灰岩,而含膏白云岩坪亚相现今发育的岩石类型主要为白云岩,局限台地相主要发育含膏潟湖亚相,现今岩石类型主要为膏质白云岩。

（2） 蒸发台地中白云岩坪亚相主要分布于研究区西北部,含膏白云岩坪亚相在中部比较发育,而局限台地中含膏潟湖亚相主要展布于中东部及东南部。蒸发台地中的含膏白云岩坪亚相带是鄂尔多斯盆地靖边西北部马五4亚段天然气储集的最有利相带。