鄂尔多斯盆地上古生界为致密砂岩气勘探开发层系，自2000年起天然气勘探集中在盆地北部，先后探明了苏里格大气田，落实了神木—米脂万亿方规模储量区^[1]，累计天然气探明地质储量5.6×10¹² m³；自2010年加大盆地南部的勘探力度后，相继发现了宜川气田、庆阳气田，累计提交天然气探明储量546×10⁸ m³，并建成年产能9.16×10⁸ m³的陇东大气田。庆阳气田的发现打开了鄂尔多斯盆地西南部陇东地区天然气勘探的新局面。

杨西燕等^[2]对鄂尔多斯盆地上古生界二叠系下石盒子组盒8段的沉积特征开展过大量研究，勘探初期认为盒8段沉积相主要受盆地北部物源控制，盆地中南部大部分为浅湖相沉积，盆地中部为大范围分布、呈东西向展布的湖相滩坝砂体；勘探后期对受北部物源控制的沉积相的认识出现了2种新的观点：①认为沉积相为河流相^[3]，指出盒8下亚段为辫状河沉积，盒8上亚段为曲流河沉积；②认为沉积相为辫状河三角洲^[4]和辫状河—浅水湖泊三角洲^[5]，沉积体系大范围向南部迁移，形成了辫状河控制的河流—三角洲沉积^[6]。随着勘探进一步加深，大部分学者认为盆地西南部发育浅水三角洲相沉积，自盆地西南缘向中部发育三角洲平原、三角洲前缘和浅湖相沉积，与北部物源的辫状河三角洲前缘相带在盆地中南部对接交互，盆地中部发育多个小型汇水区，河流的频繁改道造成河道砂体大面积分布^[7]。刘锐娥等^[8]认为盒8段沉积相为“洪水成因型”的辫状河三角洲，中—粗粒砂岩被洪水多期次运向湖盆中部且长距离延伸，导致砂体大规模叠置发育。肖红平等^[9]认为盒8段为河流相沉积，河道、泛滥平原和河间漫湖交互分布，建立了“冲积河流-漫湖”模式，指出河流南北沟通，并向东南流出盆地，盆地不存在湖相沉积。

近年来随着勘探的持续推进，在盆地腹部汇水区多口井钻遇粗砂岩和含砾粗砂岩，这种湖盆大面积富含粗砂的成因很难用早期的缓坡浅水三角洲相和单一的河流或滩坝沉积解释。因此，鄂尔多斯盆地下石盒子组盒8段沉积相类型还需进一步研究和重新认识。根据野外露头及岩心资料，结合室内鉴定分析，在源-汇系统分析的基础上，对鄂尔多斯盆地二叠系石盒子组盒8段沉积相特征、沉积相类型及砂体成因进行分析，并指出盒8段河流扇沉积模式，以期为该区下一步油气勘探提供指导。

鄂尔多斯盆地位于华北台地西缘，具有“盆内稳定、盆缘活跃、南北隆升、西冲东抬”的构造特征，可划分为6个二级构造单元，分别为陕北斜坡、西缘冲断带、天环向斜、伊盟隆起、晋西挠褶带及渭北隆起（图 1a）。鄂尔多斯盆地是典型的克拉通盆地，基底为太古界及下元古界变质岩系，盆地经历了由海到陆的演化过程^[10]：元古代是盆地雏形阶段，为断裂型坳拉谷特征；早古生代为浅海台地沉积，形成下古生界碳酸盐岩气层；晚古生代为近海平原-海陆过渡沉积，形成上古生界碎屑岩气层；中生代为内陆湖盆-冲积平原沉积，形成三叠系、侏罗系油层；新生代为盆缘断陷，最终油气赋存定型。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地构造位置（a）及二叠系岩性岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Structural location(a)and stratigraphic column of Permian(b)of Ordos Basin

鄂尔多斯盆地主力产气层为二叠系山西组和石盒子组，自早二叠世山西组沉积期开始，受来自北侧南北向的挤压应力控制，盆地北部地区逐渐隆升，海水逐步向南退去，盆地自北向南由海陆过渡相进入陆相沉积，仅在盆地南部的局部地区残留海相沉积。中—晚二叠世鄂尔多斯盆地为大型的克拉通坳陷盆地，中二叠世石盒子组沉积期基准面呈下降趋势，盆地主体延续山西组沉积期“南北高、中部低”的古地理格局^[11]。下石盒子组沉积时期，海水全部退出盆地，进入陆相沉积时期，气候变得干旱炎热，植被大量减少，很少发育煤层和暗色泥岩，沉积了一套杂色的陆源碎屑建造。自中—晚石炭世到二叠纪经历了一个完整的海侵海退沉积旋回，沉积相由早期的海相沉积渐变为海陆交互相沉积及后期的陆相沉积（图 1b）。

鄂尔多斯盆地中南部盒8段发育辫状河浅水三角洲，这一观点是前期研究工作者的共识，认为辫状河道底部可见滞留沉积的砂砾岩和强烈冲刷形成的砂泥混积等示底构造，反映河流水动力较强，目前油田的勘探开发均根据该沉积模式进行部署。近期随着对盆地中部的甩开钻探和地质资料的不断丰富，对该观点开始出现异议：①湖盆中部汇水区大范围发育含砾粗砂岩，从盆缘到中心未见明显的粒度变细特征。长庆油田在鄂尔多斯盆地中部环县地区甩开钻探的QT6井、QSH4井分别在盒8段钻遇5.2 m和7.9 m的含砾粗砂岩，且具有明显的河道砂体特征，储集性能较好。延长油矿在湖盆汇水区延安—富县一带的YSH1井、Y102井、Y104井及FG1井钻遇盒8段含砾粗砂岩，结合目前所有探井均未发现典型的湖相泥岩，进一步证实盒8段沉积期鄂尔多斯盆地中部可能不存在广泛分布的湖区。②三角洲平原与三角洲前缘相带界线难以统一。三角洲平原与三角洲前缘的界线确定始终是盒8段沉积相带划分的难点，一种观点认为盒8段具有“大平原、小前缘”的沉积特征；另一种观点认为盒8段为“小平原、大前缘”的沉积特征，这些问题均是由于湖岸线难以确定所致。王世成等^[12]曾提出用泥岩颜色、古生物标志及岩矿特征等来判断湖岸线的位置，但仍难以明确，主要原因是盒8段没有统一的大面积汇水区，所以盒8段沉积相类型能否定为辫状河三角洲沉积还有待商榷。

沉积相类型的确定主要从沉积背景分析和水体搬运机制研究2个方面来进行。其中，沉积背景分析是沉积相研究的基础，主要通过分析古地形特征和古气候环境为沉积相类型的确定提供依据，一般通过地层发育特征尤其是泥岩沉积特征来实现^[13]；水体搬运机制的研究主要通过分析砂岩的沉积特征，包括粒度结构、构造类型及组合等，来分析沉积岩尤其是砂岩的搬运机制和水动力特征。通过对沉积背景和水体搬运机制的综合研究表明，鄂尔多斯盆地盒8段是在古气候干旱、古地形平缓的背景下，受阶段性洪水作用主导的事件沉积。

（1）干旱的古气候

气候环境对陆源碎屑沉积具有一定的控制作用，稀土微量元素是反映古气候的最直接证据。Sr是喜干型元素，Cu是喜湿型元素，二者的比值是古气候的直接指示。当Sr/Cu<10时，说明气候温湿；当Sr/Cu>10时，说明气候干热^[14]。同时，氧化还原环境也可以通过微量元素的比值来判断，V/Cr，V/（V+Ni），U/Th，Ni/Co均可用于判定沉积期的氧化还原环境。V/Cr<2.0指示氧化环境，V/Cr>4.5指示还原环境，2.0<V/Cr<4.5，指示氧化环境到还原环境的过渡。

鄂尔多斯盆地二叠系盒8段大部分样品Sr/Cu的值均大于10（图 2），说明盒8段沉积期盆地处于内陆干旱的古气候环境；大部分样品的V/Cr值均小于2.0，小部分样品的V/Cr值为2.0~4.5（图 3），说明盒8段沉积期为氧化环境和氧化—还原过渡环境。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地二叠系盒8段泥岩样品Sr/Cu值 Fig. 2 Sr/Cu values of mudstone samples of Permian He-8 member in Ordos Basin

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地二叠系盒8段泥岩样品V/Cr值 Fig. 3 V/Cr value of mudstone samples of Permian He-8 member in Ordos Basin

（2）古地形平缓与沉积水体浅

古地形特征对内陆湖盆沉积相类型具有很重要的控制作用。鄂尔多斯盆地上古生界盒8段地层厚度为35~60 m，地层厚度差小于30 m，未出现明显的突变，古沉积坡度为0.5°~1.0°，古地貌开阔平缓且无明显坡折带。

岩石颜色是判断沉积环境的直观标志，是分析岩相古地理和古气候环境的重要依据，岩石原生颜色，尤其是泥岩颜色可以判断沉积时水体的物理化学条件。浅灰色、灰黄色、灰色、紫红色等均为氧化色，代表沉积时水体较浅且多为氧化环境；深灰色、灰色、灰黑色或黑色均为还原色，说明沉积时水体较深且以还原环境为主。通过对野外露头、钻井岩心和岩屑等的观察，鄂尔多斯盆地陇东地区上古生界盒8段的泥岩颜色较杂，多为浅灰色、灰绿色、棕红色、杂色等（图 4、图 5），说明沉积时多处于氧化环境和氧化-还原环境交替频繁的环境，沉积水体较浅。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地二叠系盒8段泥岩特征 （a）灰绿色泥岩，L73井，5 017.0 m；（b）棕红色泥岩，QT2井，4 711.5 m；（c）灰绿色泥岩，二道沟剖面；（d）棕红色泥岩，冶峪河剖面。 Fig. 4 Mudstone characteristics of Permian He-8 member in Ordos Basin

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地二叠系盒8段地层厚度等值线与泥岩分布 Fig. 5 Contour map of formation thickness and mudstone distribution of Permian He-8 member in Ordos Basin

（3）洪水作用控制的事件沉积

搬运机制分析是确定砂体成因的基础，也是沉积相类型确定的关键因素。沉积背景研究大多是分析沉积物中泥岩的沉积特征，而搬运机制研究主要从砂岩沉积特征入手。砂岩的沉积特征包括粒度、结构、构造以及砂泥组合等特征，是水体搬运的物质记录，是分析沉积时搬运机制的物质基础，也是确定沉积相的重要依据。

鄂尔多斯盆地二叠系盒8段砂岩以浅灰色、灰白色为主，粒度相对较粗，以含砾粗砂岩为主（图 6）。通过对平凉二道沟剖面、准噶尔旗黑岱沟剖面、耀县石川河剖面、淳化冶峪河剖面的野外露头观察可知，盒8段砂体在横向上呈上凸状，纵向上呈下凹状，河道底界面相对平直，下切作用和冲刷作用相对于正常河流要弱，仅发育有小型冲刷面。垂向序列中典型的河流相“二元结构”不明显，砂岩与上下泥岩多为突变接触（图 7），说明水体每次均是骤然发生，然后快速退去，使得沉积物快速卸载。上述沉积现象可反映水浅、流急、动力强、间歇性活动等沉积特征，表明盒8段为受洪水作用控制的事件沉积。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地二叠系盒8段岩性特征 （a）含砾砂岩，QT2井，4 726.23 m；（b）含砾粗砂岩，L82井，3 944.60 m；（c）砾岩，QT2井，4 723.84 m；（d）砾岩，CT2井，3 729.73 m。 Fig. 6 Lithologic characteristics of Permian He-8 member in Ordos Basin

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地典型井二叠系盒8段测井曲线与砂体叠置图 Fig. 7 Logging curves and sand bodies of Permian He-8 member of typical wells in Ordos Basin

平凉二道沟剖面盒8段出露较全，各种沉积发育相对较完整，因此可以作为沉积相划分的标志性剖面。二道沟剖面盒8段可识别出2个由粗变细的沉积旋回，其中下亚段旋回可识别出2期河道（图 8a，8b），2期河道砂体与上下部泥岩均为突变接触，反映了砂体快速堆积然后水体迅速退去的特征，同时底部砂岩与下部山1段含煤泥岩也是突变接触，底面平直，下切作用不明显（图 8c），砂岩主要发育块状层理，粗粒砂岩中砾石不规则分布，不具河道底部滞留沉积特征（图 8d）。河道砂体间2套泥岩均为灰绿色、棕红色互层发育（图 8e），Sr/Cu多大于10，指示沉积环境为干热气候，水体较浅，表明盒8段是在气候干旱环境下以洪水作用为主的事件沉积。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地平凉二道沟剖面二叠系盒8段露头照片及岩性剖面 （a）平凉二道沟剖面；（b）岩性剖面；（c）—（e）局部放大剖面。 Fig. 8 Outcrop photos and lithologic column of Permian He-8 member of Erdaogou profile in Pingliang, Ordos Basin

研究人员从河流扇的机制、砂体结构、发育位置、季节性因素等方面对河流扇进行了系统研究，明确了河流扇为干旱环境下受洪水作用主导的洪泛平原沉积体系^[15-16]。在洪泛平原环境中，洪水成因型河流的频繁改道是形成这类扇状沉积体系的根本原因^[17]。干旱环境与洪水作用是河流扇形成的2个关键因素。

在对比分析各沉积体的基础上，总结了河流扇、河流相、冲积扇、三角洲相等相关沉积体之间的差异（表 1）。河流扇以牵引流作用为主，具河道沉积特征，而冲积扇则以重力流、片流为主，因此不发育冲积扇特有的大小混杂的泥石流和筛积物。河流相受地形控制明显，通常被限制在一个狭窄的空间中，横向发育范围有限，发育规模相对较小，而河流扇是一种横向约束较小的河流体系，其扇体的发育是多个河道多期叠加迁移的结果；同时气候上也有区别，河流扇多为干旱气候环境，上游近端河道较宽、深度较大，由于下渗和蒸发作用，向下游河道横向面积及砂体规模逐渐减小直至河道完全消失，河流改道现象频繁是河流扇沉积体系的标志性特征，而河流相沉积向下游方向由于支流的汇入，河道加宽、水量增大、沉积物粒度由粗变细。河流扇在形态上表现为向外发散的扇状体，与三角洲相很易混淆，区别在于三角洲注入稳定的水体（湖或海），而河流扇常在末端终止或注入稳定的河道，同时二者的河道类型也不同，河流扇河道为“分支型”，每个时期通常只有1条河道含有水，多期河道叠加在平面上呈扇状多期河道被泥岩分割，连通性相对较差，而三角洲河道为“分流型”，所有分支河道同期均含水，河道砂体连通性好。

表 1(Table 1)

表 1 河流扇与相似沉积体的差异 Table 1 Comparison of differences between river fans and similar sedimentary bodies 沉积相 位置 沉积形态 平面规模 搬运机制 水动力强度 末端类型 构造特征 典型沉积单元 河流扇 邻近高地的开阔洼地 平面扇形，剖面楔形 半径大于10 km，可达数百km 牵引流为主 强—中等 末端终止或注入稳定河流 块状层理、粒序层理 分支河道 冲积扇 盆地、山脉边缘及出口处 平面扇形，剖面楔形 半径小于30 km 重力流、片流 强（衰减快） 末端终止或形成稳定河流 块状层理、不规则层理 泥石流、筛状沉积 河流相 陆盆内任意位置 平面条带状，剖面透镜状 宽度数十m至数千m 牵引流 剥蚀区强、沉积区中等—弱 注入海（湖）等稳定水体 板状交错层，槽状交错层 河道 三角洲相 海（湖）等稳定水体边缘 平面鸟足状、带状，剖面透镜状 半径数十至数百km 牵引流为主，受波浪改造 中等—弱 注入海（湖）等稳定水体 反粒序层理、槽状交错层 分流河道

下载CSV 表 1 河流扇与相似沉积体的差异 Table 1 Comparison of differences between river fans and similar sedimentary bodies

鄂尔多斯盆地二叠系盒8段沉积相类型为浅水三角洲是众多学者长期以来形成的共识^[18-19]，分流河道多期叠置，不断向湖盆推移，复合连片，最终形成大面积富砂的沉积特征^[20]。勘探结果表明，盒8段含砾粗砂岩大量发育，砂岩分选性差、成分成熟度和结构成熟度均较低，部分井（如T29井、Y27井）含砾岩夹层。盒8段浅灰色、杂色、灰绿色、褐色等泥岩无规律分布，少见深色泥岩，个别井（如HT2井）发现红褐色泥砾，表明沉积时水体较浅。沉积时泥岩由于季节性干旱气候反复暴露，部分井（如LA1井）泥岩沉积厚度大，发育约35 m厚的泥岩，但无大面积分布的泥岩厚值区且多被砂岩厚度高值区分隔，说明不存在统一连片的汇水区。

源-汇系统研究表明，鄂尔多斯盆地盒8段沉积期位于大华北板块西部，整体表现为“北陆南海”的古地理格局^[21-22]，盆地北部、南部、西部同时提供物源，盆地内部发育多个小型的聚水区，仅为“过水区”，而非最终汇水区，最终汇水区位于华北板块东南部晋城—郑州以东地区^[23]（图 9）。盒8期沉积体系中河流并未进入湖泊水体，而是向东南流出盆地或是消失在内陆干旱地区，为洪泛平原沉积环境。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 华北板块二叠系盒8期源-汇系统及岩相古地理 Fig. 9 Source-sink system and lithofacies palaeogeographic map of Permian He-8 member in North China Plate

鄂尔多斯盆地盒8段沉积期气候干旱，物源区因受物理风化作用，长期提供丰富的碎屑物质。在长期干旱中发生暴雨时，河水流量瞬间变大，洪水裹挟着大量的泥沙沉积物从盆地北部、南部和西部同时冲进盆地中部，古植被不发育导致河道不固定，平缓的地形使得河流改道迁移频繁，导致粗粒沉积物在这一时期大面积分布，枯水期水流流量变小甚至干涸，携砂量明显减少，沉积细碎屑物质。后期的洪水冲刷并向前搬运前期沉积物，使得碎屑物质不断向盆地内部迁移，随着多期洪水的接力搬运，河道砂岩被改造不断向盆地中心地带推进，这即是鄂尔多斯盆地二叠系盒8段沉积期“满盆粗砂”以及湖盆中心普遍发育含砾粗砂岩的原因。

鄂尔多斯盆地二叠系盒8段是在干旱环境下以洪水作用为主导的河流扇沉积，河流的补给以间歇性大气降水为主。盒8下亚段沉积期大气降水相对频繁，为洪水期，河水流量大、搬运能力强，沉积物载荷量大，河道延伸远，形成粗碎屑沉积物，分支河道相对发育，河道稳定且延伸较远，多期洪水作用使得河道叠置发育，在平面上形成区域性的发散几何形态。盒8上亚段沉积期为枯水期，大气降水减少，河水局限，分支河道相对不发育，大多河道向前延伸逐渐变窄而后消失，河道载荷量小，分支河道间大范围为洪泛平原沉积，形成细碎屑沉积物（图 10）。洪水期洪水发育期次频繁，洪水量相对较大，而枯水期洪水发育次数明显减少，且每次洪水量相对较小，平面上延伸范围小，由于蒸发和下渗作用，很快消失在平原上。鄂尔多斯盆地盒8段河流扇沉积模式对指导上古生界天然气勘探具有重要意义，盒8下亚段洪水期与上亚段枯水期间歇发育，可形成很好的储盖组合。盒8下亚段洪水期大范围分布粗粒石英砂岩为优质的储集体，河流扇体内普遍发育河道砂岩，粒度粗、物性好，连通性好，是最主要的储集体；盒8上亚段枯水期普遍发育的厚层状细粒沉积物为很好的盖层，粗粒分支河道砂岩与细粒洪泛平原泥岩突变接触，是最理想的储盖组合。盒8段为河流扇沉积，水体具间歇性活动的特征，使得河流扇的河道不同于三角洲河道的“分流型”特征，而是为“分支型”，为不同期河道的纵向叠加，虽然连通性比“分流型”河道相对差，但河道砂岩在纵向上多被枯水期泥岩分割，更易形成岩性圈闭^[24]。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地二叠系盒8段河流扇沉积模式 Fig. 10 Sedimentary model of fluvial fan of Permian He-8 member in Ordos Basin

（1）鄂尔多斯盆地二叠系盒8段沉积期，具有古气候干旱、物理分化作用强、物源供给充足、古地形平缓、沉积水体浅的沉积背景，以间歇性大气降水为主，为洪水作用控制的事件沉积。

（2）鄂尔多斯盆地在盒8段沉积时期是华北地台西部沉积斜坡的过水区，全区无统一连片湖区沉积特征，以洪泛平原沉积体系为主，分支河道与泛滥平原交互分布，沉积相类型为河流扇沉积。

（3）盒8段大面积含砾砂岩成因的揭示为盆地致密气勘探部署提供了很好的指导和地质依据，洪水期形成的大面积分布的分支河道粗粒砂体与枯水期的细粒泥质沉积物组成了很好的储盖组合，具有较高的勘探潜力。