鄂尔多斯盆地富县中奥陶统风化壳古地貌特征

马 宁 丁晓琪 张 威,2 祁壮壮 陈乙莱 朱 颖

1.成都理工大学能源学院 2.中国石化华北油气分公司

0 引言

鄂尔多斯盆地奥陶系风化壳气藏自1989年陕参1井发现以后，经过多年勘探，马家沟组五段风化壳气藏勘探取得丰硕成果[1-2]。截至2018年底，盆地在奥陶系马五1+2亚段气藏累计探明地质储量6 400 108m3[3-4]。富县地区位于盆地南部，早期认为该地区主体位于岩溶高地上，马五1+2亚段仅出现在富县东北部，勘探范围有限[5]。随着近期一批探井的完钻，富县地区存在大面积的岩溶斜坡，马五1+2亚段大面积分布，勘探范围西扩。岩溶古地貌不仅仅控制着马五1+2亚段的分布，而且影响浅埋藏过程中溶蚀孔洞的充填程度[6]；同时，古地貌上的沟槽还是天然气充注和侧向遮挡的屏障[3,6]。

前人对古地貌的恢复主要是通过残厚法和印模法[7-8]，认为上古生界沉积时首先填平补齐，之后大面积沉积。一般认为太原组广泛分布的8号煤层沉积后，高低起伏的风化壳古地貌基本被填平补齐[7,9-10]，因此不整合面到8号煤层之间的厚度与风化壳古地貌呈现“镜像关系”。然而，根据现今统计的厚度进行压实校正才能代表当时的真正厚度，但是不整合面之上沉积有煤层、石灰岩、泥岩、砂岩、砾岩等复杂岩性，压实校正难度大。

本次研究通过恢复风化壳之下标志层（马五5）的古构造，在古构造上叠加马五5亚段之上的奥陶系残厚来进行风化壳古地貌的恢复；进而进行古地貌单元的划分，并研究不同古地貌单元上的喀斯特化特征，为下一步的天然气勘探提供储层方面的依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西缘，构造上属于大型多旋回克拉通盆地[11]。奥陶纪鄂尔多斯地区具有“三隆两鞍一坳陷”的沉积背景，沿乌审旗—庆阳—黄陵一带发育大型呈“L”展布的中央古隆起带，构成了秦祁海与鄂尔多斯地块的水下屏障[12]。奥陶系沉积时形成的中央古隆起带对沉积相的展布、古岩溶地貌以及储层的发育都有非常重要的控制作用。

加里东旋回晚期，鄂尔多斯地台受到北部中亚蒙古洋壳和南部秦祁海洋壳的俯冲影响，在构造挤压的作用下，使得盆地整体向上抬升，并经历了1.5 108a的风化淋滤剥蚀，使得上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统在盆地内出现缺失[13]。石炭纪末期，盆地发生沉降，并开始接受上覆地层的沉积[14]。

富县地区位于鄂尔多斯盆地东南部，奥陶系的沉积受“L”型古隆起的影响，整个马家沟组厚度偏薄。该地区的沉积稳定，后期构造作用主要以整体升降为主，研究区内应力构造不发育，构造变化简单。上覆石炭系为本溪组和太原组，风化壳残余地层主要为马六段和马五段，出露层位大体上沿着东北至西南逐渐变老（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地富县地区前石炭纪古地质图及马六-马五段柱状图

2 风化壳古地貌恢复方法

目前来说，广泛使用的古地貌恢复方法主要有沉积学法、残厚法、印模法、高分辨率层序地层学法等[15-22]。每一种方法都可以在特定精度范围内，基于钻井、录井、岩心、地震等资料，进行有效的古地貌恢复，都有着自己独特的优势，但也存在一些不足。在鄂尔多斯盆地马家沟组风化壳古地貌研究中，使用比较多的是印模法，如果使用该方法，就势必要进行压实校正，由于风化壳至8号煤层间沉积有煤层、石灰岩、泥岩、砂岩、砾岩等复杂岩性，压实校正的难度大，所以本文采用趋势面法恢复不整合面之下标志层（马五5亚段）的加里东期古构造，然后叠加标志层和不整合面之间的残余厚度来实现风化壳古地貌的恢复。

2.1 趋势面法原理

富县地区现今马家沟组各层段的构造基本为一单斜，缺少明显的褶皱，所以加里东期的马家沟组也为单斜构造，可以进行趋势面分析。

趋势面分析，是利用数学曲面模拟地理系统要素在空间上的分布及变化趋势的一种数学方法。它实质上是通过回归分析原理，运用最小二乘法拟合一个二维非线性函数，模拟地理要素在空间上的分布规律，展示地理要素在地域空间上的变化趋势，而古构造恰好就是地层在空间上的变化趋势。

趋势面分析的观测面由趋势面部分和残差部分组成。趋势面部分反映区域性大范围内的变化情况，残差部分是实测值与趋势函数对应值之差，反映局部变化情况。趋势面分析的一个基本要求，就是所选择的趋势面模型应该是剩余值最小，而趋势值最大，这样拟合精度才能达到足够的准确性。

对于趋势面模型，一般是将实际测量值zi（xi，yi）（i=1，2， ，n）作为因变量，地理位置坐标（xi，yi）作为自变量，趋势拟合值为为残差，有：

式中zi（xi，yi）表示趋势面高程的实际测量值，m；表示趋势面高程的趋势拟合值，m；xi、yi一般使用大地坐标系，m；εi表示残差，m。

趋势面分析法的核心在于从实际观测值出发推算趋势面，一般采用回归分析方法，使得残差平方和Q趋于最小，即

式中Q为残差平方和，m2。

这就是在最小二乘法意义下的趋势面拟合。

在实际应用中，一般会为模型预设数个公式，然后通过MATLAB等数学软件计算出相关系数。之后进行相关性检验，主要包括R2检验、显著性F检验和逐次检验这三方面。最后选出相关性最好的公式模型作为趋势面公式。

2.2 趋势面计算

趋势面计算通常采用多项式回归拟合模型，由于富县地区古构造平缓，所以选取了一次简单线性模型（式3）、一次双线性模型（式4）、二次模型（式5）这3个预设公式：

根据已有的研究区各井标志层（马五5亚段）至8号煤层（太1段）的厚度数据，运用最小二乘法原理构造趋势面方程，使用MATLAB软件编制计算程序得到一次简单趋势面z11、一次双线性趋势面z12、二次趋势面模型z2方程分别如下：

式中z11、z12、z2为不同模型下趋势面高程的趋势拟合值，m。

对其进行相关性检验，其中，R2检验结果为二次趋势面z2拟合度更高。显著性F检验结果为均显著，逐次检验结果为z2拟合度更高。使用模型方程z2得到的趋势面如图2所示。图2中0线为该地区构造的最低点。

图2 鄂尔多斯盆地富县地区前石炭纪沉积前古地形相对高程等值图

从图2可以看出，在富县地区，加里东期马家沟组的古构造为一个北东倾的单斜，地层倾角在0.1 ～0.6°之间，局部构造幅度在20～40 m之间。然后，将研究区风化壳残余厚度与趋势面图相叠加，得到最终的古地貌平面图（图3）。

图3 鄂尔多斯盆地富县地区奥陶系古地貌单元划分平面图

3 风化壳古地貌特征

根据鄂尔多斯盆地马家沟组古地貌的划分标准[6-7,9,16,23]，研究区自南西向北东发育高地、斜坡、洼地这三种二级地貌单元，在斜坡上发育残丘、沟槽等三级地貌单元。古地貌特征如图3所示。

3.1 高地

位于古构造较高的位置，上覆石炭系沉积较薄，部分地区缺失太1段；下伏奥陶系风化壳地层同样比较薄，出露地层较老，为马五5亚段以下，出露地层最老可达马五10亚段，高程值普遍大于110 m。

3.2 斜坡

位于研究区的中部，是研究区最主要的二级地貌，高程值变化很大，在55～110 m，这主要是岩溶强度在空间上的分布不均一导致。为了精细刻画，进一步将斜坡细分为残丘、沟槽等三级地貌单元。

3.2.1 残丘

是斜坡上孤立分布的范围相对较小，地势较陡且出露层位相对较新的丘状地形。残丘上石炭系沉积相对较薄，风化壳出露地层为马五1亚段—马五2亚段，其高程值在85～110 m，比较陡峭。研究区共有6个残丘，分别位于牛5井、任2井、新富7井、富古6井、延628井和延699井附近。

江苏省防汛防旱监测预警系统从2011年开始在江苏省防办投入使用，在汛期该系统已产生了数千条预警信息，预警及时。

3.2.2 沟槽

斜坡上受剥蚀或者溶蚀严重的低洼地带，一般沿残丘边缘发育，呈树杈状，是地表水流动的主要通道。研究区的沟槽主要位于工区东部，共有3条（图3）。沟槽处风化壳出露地层为马五3亚段，其高程值在55～85 m。

3.3 洼地

位于古构造的低部位，可容空间较大，上覆石炭系沉积厚度较大，下伏奥陶系保存较好，出露地层较新，以马六段为主，局部出露马五1亚段，高程值在100～130 m，比较稳定。

4 不同古地貌单元上的喀斯特特征

4.1 高地喀斯特特征

研究区西南部为高地古地貌，主要出露马五4亚段以下地层。该地区钻井无取心资料，对于喀斯特化特征只能通过测井资料来推测。一般认为高地古地貌上，地下水以垂向流动为主，溶蚀作用相对受限。然而研究区马五段为白云岩与泥岩的互层，由于矿物的易溶性，再加上补给水对矿物的不饱和性，仍可发生一定强度的溶蚀作用。由于富县西南部马五段沉积期正好位于古隆起周缘，缺少石膏的沉积，无法利用石膏层的出现作为岩溶的最大深度。在无取心资料的情况下，暂时很难判断岩溶的最大深度。

4.2 斜坡喀斯特特征

岩溶斜坡在富县地区大面积分布，不整合面下主要出露马五1+2亚段。斜坡古地貌上的地下水明显具有水平运动的特征（图4），经历喀斯特化后的紊乱角砾岩中的砾石碎屑分选差、磨圆差，砾石之间的黏土、云质泥岩来自马五段本身。

图4 富县地区奥陶系风化壳古地貌斜坡处岩溶特征剖面图

马五1+2亚段主要是微晶白云岩，局部夹少量含石膏结核的白云岩和薄层泥岩，在淡水作用下，石膏的溶解度可达白云岩的1 000倍，石膏结核溶解形成膏模孔；而泥晶白云岩由于岩性致密，不构成淡水的渗流通道，很难发生溶蚀。所以马五1+2亚段的储层主要发育在含膏模孔的白云岩中。

马五3+4亚段为薄—中层的白云岩、黏土质白云岩和石膏的互层，黏土质白云岩中由于黏土和白云石晶体间弱的结合力，导致溶解度增加。普遍发生原地垮塌、溶蚀，并发生近距离的搬运，形成一套紊乱角砾岩，局部夹洞穴充填物。该套地层很难形成有效储层。

马五5亚段为白云岩，淡水垂向上经过马五5亚段以上，横向上经过长距离的溶蚀后，对微—粉晶白云岩达到饱和；再加上马五5亚段岩性本身致密，淡水难以对期进行溶蚀，导致马五5亚段成为斜坡古地貌的喀斯特底板。

4.3 洼地喀斯特特征

洼地古地貌不整合面下出露马六段，局部低洼处直接出露马五1亚段。洼地古地貌上的地下水既有垂向运动又有水平运动。喀斯特化的角砾以镶嵌状为主，局部可见少许紊乱角砾岩。地层完整，垮塌不明显（图5）。

图5 富县地区奥陶系风化壳古地貌洼地处岩溶特征剖面图

马六段岩性为泥晶灰岩，岩性致密。由于处于垂直渗流带，整个洼地内的钻井未在马六段中钻遇水平溶洞。从测井资料来看，垂直裂缝、高角度网状缝发育，构成地表水向下渗透的通道，但这些垂直裂隙在石炭纪海侵期，被本溪组泥质沉积物充填，或在埋藏期被巨晶方解石充填。

马五1+2亚段中的石膏结核被淡水溶蚀形成膏模孔，但绝大部分膏模孔在之后的浅埋藏阶段被方解石充填。由于硬石膏遇水发生体积膨胀，石膏结核溶解过程中形成大量的网状裂缝，部分小裂缝未被方解石充填，和未充填的膏模孔构成有效储集空间和渗流通道。

马五3亚段中的石膏仍保存下来，地层被淡水改造的特征不明显，说明在洼地古地貌上，淡水的影响深度仅到马五3亚段。

从古地貌高地—斜坡—洼地的马家沟组喀斯特剖面可以看出（图6），喀斯特的底界在古地貌高地和斜坡处具有穿层性，喀斯特的底界从古地貌高地的马五8亚段上升到斜坡部位的马五4亚段；在古地貌洼地处，喀斯特的底界相对稳定，保持在马五3亚段内。喀斯特化的底界海拔相对稳定，在剖面上近似水平，向古地貌高地略有上翘。这一方面反映出不整合面的起伏并不大；另一方面说明研究区东部马五3+4亚段中大量层状石膏使下渗淡水趋于饱和。

图6 富古3井—新富17井马六—马五段喀斯特剖面对比图

5 结论

1）通过恢复不整合之下马五5亚段标志层的古构造，叠加标志层与不整合面之间的残留地层厚度，可高精度恢复不整合面的古地貌。该方法避开了利用印模法进行古地貌恢复时的去压实校正。

2）富县地区奥陶系不整合面古地貌自南西向北东，从高地、斜坡到洼地。高地出露地层老，最老可达马五10亚段，地形坡度大；斜坡出露地层变新，主要出露马五3—马五1亚段，地层坡度变小，发育有6个残丘、3条沟槽；洼地出露地层最新，以马五1亚段和马六为主，地形平缓。

3）古地貌高地上，地下水以垂直渗流为主，溶蚀特征不明显，喀斯特深度暂不明确；古地貌斜坡上，地下水以水平潜流为主，溶蚀明显，产层段马五1+2亚段形成裂缝-镶嵌角砾岩，喀斯特深度达马五5亚段；古地貌洼地上，地下水既有垂直渗流，又有水平潜流。喀斯特深度达马五3亚段。

4）富县地区上石炭统沉积前，高地出露面积小，大面积分布岩溶斜坡和洼地。地层倾角小，沟槽将斜坡和洼地切割成若干个残丘，斜坡上的残丘是最有利的勘探区域。