基金项目:鄂尔多斯盆地多种能源综合调查评价(编号12120114009201)资助; 中国地质调查局地质调查计划项目(12120115003201-01)
通讯作者:袁 珍(1981-),女,陕西甘泉人,博士,E-mail:cloud_yz@163.com
(School of Earth Sciences and Engineering,Xi'an Shi You University,Xi‘an 710065,China)
Yanchang gas field; bauxite; weathering crust paleogeomorphy; ordovician gas pool
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0614
鄂尔多斯盆地延长气田本溪组底部发育一套铝土岩,通过野外调查、岩心观察及测井曲线识别,明确了延长气田本溪组铝土岩物化特征及分布规律,并在此基础上结合区域地质背景探讨了延长气田本溪组铝土岩的出现对资源勘查的意义。研究认为:铝土岩的富集与奥陶系风化壳古地貌的发育有密切关系,通过铝土岩分布规律的认识有助于风化壳古地貌的重建; 伽马能谱测井表明延长气田铝土岩中有明显的铀化矿异常,为盆地铀资源的勘查提供了新的方向; 作为不整合面的重要产物,铝土岩成为下覆奥陶系气藏的区域盖层,通过铝土岩分布规律的研究对下伏气藏勘探起到了指导意义。
A suite of bauxite occurs in the bottom of Benxi formation in Yanchang gasfield of Ordos Basin.Through the open field survey,core observation and well-log recognition,the physical-chemical characteristics and distribution law of bauxite are made clear.And based on the law,the exploration significance for the bauxite in Bnexi formation of Yanchang gasfield is discussed in the paper with the regional geological background.The study considers bauxite accumulation is bound up with the paleogeomorphy of Ordovician Weathering Crust.Through understanding the distribution law of bauxite the paleogeomorphy of Ordovician Weathering Crust will be reconstructed.The spectral logging characteristics of bauxite shows that the obvious abnormal of uranium mineralization.It provides a new direction for exploration of uranium resources.The bauxite becomes the regional cap rock of the downlap gas pool in Ordovician.And the distribution law of bauxite will have a guiding significance for the gas exploration.
鄂尔多斯盆地是在太古代-古元古代结晶基底的基础上发展而来的稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回叠合的克拉通盆地,是中国第二大沉积盆地[1-2],其形成经历了3个发展阶段:早古生代差异升降阶段、晚古生代-中生代整体掀斜阶段和新生代断陷盆地[3]。鄂尔多斯地区自中奥陶世末期,由于加里东运动,逐渐上升为陆,隆升之后经历了约120 Ma的风化剥蚀过程,缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统地层。鄂尔多斯地区经历了早古生代陆表海至晚古生代裂陷海湾和陆表海共存阶段、统一陆表海阶段和近岸内陆坳陷阶段。近年来对鄂尔多斯地区延长气田(图1)的研究发现本区石炭系本溪组底部发育着0~14.3 m厚的铝土岩,这套铝土岩的成因、分布与古地理环境、古地貌有着很重要的关系,这为整个地区的资源勘探起到了重要的意义,文中拟从铝土岩发育的特征来探讨其对鄂尔多斯盆地的重要地质意义。
鄂尔多斯地区同华北地台其它地区一样,在石炭系地层中分布着一套分布比较稳定的铝铁质岩,其主要分布层位位于中石炭统本溪组底部(即下伏奥陶系灰岩的剥蚀面上),常表现为与铁质岩、炭质泥岩或煤层共生所形成的铝铁和煤的沉积组合,纵观鄂尔多斯全区,这套铝土岩区域上分布稳定,野外也比较好识别(图2(a),2(b)):铝土岩呈层状产出,岩性明显区别于上下地层,质松、常含黄铁矿、赤铁矿结核或透镜体; 一般具鲕状结构或豆状结构(图2(b))。
图2 鄂尔多斯周缘本溪组底部铝土岩照片
Fig.2 Picture of bauxite at the bottom of the Benxi Fm(C2b)in the Peripheral of Ordos Basin
井下的铝土岩识别主要通过“测井曲线+录井+取心资料”的综合资料识别方法来相互印证的。延长气田铝土岩的测井曲线响应特征表现出“三高”的特征,即高-极高值的自然伽马值(一般>220 CPI)、高声波时差(呈锯齿状高值)、高密度(一般≥2.4 g/cm3)。铝土岩的测井响应特征与下伏奥陶系风化壳岩溶段测井响应有明显的区别,奥陶系风化壳岩溶段测井响应特征多为低自然伽马、低声波时差、中高电阻率、高密度(一般在2.5~2.75 g/cm3)等特征,因此铝土岩在井下易于识别(图3)。
图3 延长气田Y116井铝土岩能谱测井响应特征
Fig.3 Spectral logging response characteristics of bauxite in Y116 well,Yanchang gasfield
统计发现延长气田奥陶系顶部铝土岩厚度在0~14.3 m之间,平均8.2 m,整体表现出西部薄东部厚的格局(图4); 一般认为铝土岩在区域上的分布特征主要受控于沉积时的构造运动特征及沉积环境,局部的富集受控于古岩溶地形的特征:长期平静的构造环境是各种类型铝土矿形成的重要条件[4-5]。中石炭世时,广阔的华北地台拗陷内,构造稳定,整个沉积时期盆地保持均匀下沉,但由于构造运动的差异性,在某些区域内则形成了一些规模不等的水下隆起和凹陷,铝土岩全都沿隆起的边缘和凹陷的斜坡地带分布[4],充分说明构造运动时对铝土岩的富集起着重要作用。
除此之外,铝土岩的分布也与夷平面或侵蚀面的出现密切相关,因为这种(夷平面或侵蚀面)地形有利于地表水和地下水进行缓慢的渗透影响,同时又可使风化产物堆积下来[6]。鄂尔多斯地区受加里东运动的影响,地台整体上升成陆,在遭受长期风化、剥蚀作用的同时,形成了微弱起伏的地形,这为铝土岩的形成创造了好的地质条件[6]。与此同时,受风化作用影响下的奥陶系顶部的碳酸盐岩形成了许多岩溶孔洞。鄂尔多斯地区在中石炭世初期曾遭受海侵,海水将残留在地表的铝土物质带到早期的岩溶孔洞中,随着沉积物不断增多,沉积基准面高出奥陶系岩溶孔洞时,开始共同接受沉积。因此,古岩溶地貌中的凹陷(洼地、沟槽)单元,铝土岩的厚度相对较厚,向隆起处变薄并逐渐尖灭[7](图4)。
图4 延长气田铝土岩厚度等值线图
Fig.4 Thickness distribution of bauxite at the bottom of the Benxi Fm(C2b)in Yanchang gas field
从鄂尔多斯盆地目前的勘探现状来看,风化壳古地貌气藏中“古沟槽”的发现是影响油气勘探和开发效果的重要因素,因岩溶作用的不均衡性,往往以沟槽的溶丘块体上倾方向为最优质的储集空间,这里易获得高产[8-9]。
因而鄂尔多斯奥陶系岩溶古地貌的识别特别是古沟槽的识别成为该地区地质研究中不可或缺的重要工作。上述对鄂尔多斯地区铝土岩分布规律的讨论表明铝土岩的发育与奥陶系古岩溶地貌有着密切的关系,作为风化作用的产物,铝土岩的厚度与其形成前的地势有较大联系,厚度越大说明其形成前的地势比较低,这样有利于铝土岩的保存,在铝土岩厚、薄相间的地带,较厚处预示着古沟槽发育,故可将铝土岩的厚度作为古地貌单元划分的参考标志[10]。因此,在具体研究鄂尔多斯延长气区奥陶系风化壳古地貌的过程中可以通过统计钻井中本溪组铝土岩的识别及其厚度统计来间接重建该地区的奥陶系风化壳古地貌。
延长气田百余口井石炭系本溪组底部铝土岩厚度的平面分布图整体上呈现西部薄东部厚的趋势,说明风化壳形成的背景是西高东低的平缓倾斜,这也间接反映了下部奥陶系马家沟组顶部古地貌特征,参考王高平[10]对鄂尔多斯奥陶系风化壳古地貌恢复中的工作方法,以铝土矿厚度大于6 m,作为划分古沟槽存在与否的证据,发现延长气田共发育3条东西走向的古沟槽(或浅洼),分别为Y120-Y416一带、安塞-Y218-Y141-清涧一带、Y428-宜川一带。铝土岩的这一厚度展布将为古岩溶地貌的恢复提供一定的参照。
对比拜文华[11]、王高平[10]等根据岩溶地貌内铝土岩与马家沟组灰岩或白云岩的组合关系,即本溪组地层的充填结构,所明确的奥陶系古地貌(古地台、古沟槽)(图5),发现通过铝土岩厚度来识别奥陶系风化壳古地貌是比较可行的。
鄂尔多斯盆地自上世纪90年代以来,铀矿勘查工作取得了一定的成果,从早期的热液矿床勘探到近来中新生代盆地砂岩型后生水成铀矿的探查,都表明鄂尔多斯地区具有良好的有矿化前景[11-12]。受加拿大阿萨巴斯卡盆地及澳大利亚北区派因克里克早、中元古代不整合铀矿床的启发[13],在对鄂尔多斯地区古生代不整合面研究的过程中尝试着进行铀资源的探查。
不整合面是一个非常不稳定的界面,在后期的构造运动中,不整合面容易被挤压、破碎,因此该面上易出现各种断裂构造,致使这个面具有较高的孔隙性,这为某些元素的富集提供了良好的储集场所[14]。加里东末期的鄂尔多斯整体抬升致使地台边缘破裂,盆地本部缺失奥陶系中上统、志留系、泥盆系及中下石炭统,下奥陶统马家沟组也遭受不同程度的剥蚀[15]。此时形成的这个不整合面为成矿事件提供了良好的地质环境。由于鄂尔多斯盆地的基底岩石以酸性、中酸性为主的(太古界变质岩、混合岩、花岗岩片麻岩等)岩石为主,因此其铀丰度较高(经铅同位素计算和校正铀含量为1.2~12×10-6,Th/U为1.75~2.5),为盆地铀成矿提供物质来源,因此,基底的隆起地区和盆地边缘出露的基底岩石均可以成为铀源区。平稳的构造升降运动,给铀的释出、搬运、富集提供良好的环境。鄂尔多斯奥陶系的碳酸盐岩在加里东运动的影响下遭受抬升、风化、剥蚀、大气降水淋滤等作用,这样反复的作用之后,使得该风化壳成为下古生界良好的天然气储集层。另外,由于上古生界进入生气阶段,天然气作为铀的还原剂,对本溪组底部铀的富集应该也起到积极作用。
晚石炭世本溪期,鄂尔多斯地区受祁连海(西部)海侵及华北海(东部)海侵作用的影响,在区内沉积了一套上段为暗色泥岩、砂岩、石灰岩和煤层互层,下段为铁铝土岩组合的泻湖-障壁-潮坪的海进海退沉积[16]。该区本溪组底部的铝土岩属于碳酸盐岩上的岩溶型铝土岩,按廖士范等人的意见,应属于古风化壳型铝土岩,主要矿物成分为一水硬铝石、水云母和高岭石等。铁铝质岩类对铀元素有很好的吸附作用,可以提高本溪组地层的铀元素的富集[17]。统计表明延长气田铝土岩能谱测井中表现出非常明显的铀异常(图3),异常值的范围为13~44.67 ppm,平均值可达31 ppm.由此可见,鄂尔多斯地区存在着寻找不整合型铀矿的前景,由于不整合面是区域性构造运动的产物,因此产于其中的矿床往往也是在区域上成群或成带地聚集,容易出现矿产富集区,对此还需要进一步找矿实践的验证。
4铝土岩分布与奥陶系天然气藏之间的关系
鄂尔多斯延长气田奥陶系马家沟组气藏是以风化壳储层为主的“垂向运移、沟槽遮挡”的上生下储型天然气气藏。这套风化壳储层与上覆的石炭-二叠系煤系烃源岩地层间接或直接的接触,在晚燕山期东高西低的古构造格局下,马家沟组顶部的铝土岩及其上组合中发育的古侵蚀沟槽成风化壳储层上倾方向的遮挡,从而形成岩溶古地貌地层圈闭,该气藏圈闭受古地貌形态、古沟槽切割及充填封堵等因素所控制[2],鄂尔多斯地区广布的风化壳储层横向上具有较好的连通性,其上覆又以含水的铝氧化物和少量含水铁氧化物的本溪组铝土岩作为其直接盖层。付金华(1991)[18]等研究表明:纯铝土岩的渗透率为1.45×10-7~6.5×10-7 μm2,突破压力为0.6~5 MPa; 铝土质泥岩的渗透率为6.4×10-8~8.3×10-7 μm2,突破压力大于5 MPa,出现裂隙时,其渗透率仍有10-6 μm2.由于铝土岩具有较高的膨胀性,并且常常与泥质岩共生,在成岩过程中不易产生裂缝,因此,是气藏理想的盖层。
鄂尔多斯延长气田受上古生界石炭系-二叠系煤系烃源岩的高强度生烃的影响,天然气在烃、储间剩余压差的作用下向下运移并聚集成藏。通过延长气田铝土岩的厚度分布图发现,本区铝土岩在西南部较薄并存在铝土岩分布缺口。在西北部的岩溶沟槽处,铝土岩的分布也存在缺失。在上覆地层运移动力的驱动下,在裂缝的沟通作用下,流体在上倾方向聚集,并通过铝土岩缺失区,进入构造高点和沟槽附近(图6)。因此铝土岩的厚度厚的地区应是气藏较为发育的区域,这种思路为奥陶系马家沟组气藏的发现提供了一定的勘探方向。
1)鄂尔多斯地区石炭系本溪组受加里东运动影响,于风化壳上发育一套铝土岩,铝土岩在区域上的分布特征主要受控于沉积时的构造运动特征及沉积环境,局部的富集受控于古岩溶地形的特征;
2)通过铝土岩的分布特征间接重建鄂尔多斯延长气田的风化壳古地貌,区内与气藏有密切关系的3条古沟槽呈东西向展布,为天然气藏的勘探提供一定的预测依据;
3)延长气田钻井能谱测井特征中发现本区本溪组铝土岩中有较为明显的铀化矿的异常带,虽然目前尚未有太深入的研究,但为鄂尔多斯盆地的铀资源勘探提供了一定的方向;
4)作为不整合面的组成本溪组铝土岩在鄂尔多斯盆地奥陶系气藏的聚集规律中扮演了重要的作用:一方面,铝土岩可以作为区域盖层成为奥陶系气藏的有效盖层; 另一方面,铝土岩的分布特征也为天然气的运移提供了了重要的输导体系,为正确认识奥陶系天然气藏的聚集规律提供可靠依据。