引言

“混合沉积物”用于表述陆源碎屑与碳酸盐混合沉积的产物^[1]，混合沉积物包括两种，一种是混积岩，主要由碳酸盐和陆源碎屑组成的岩石，如含粉砂泥晶灰岩、砂质灰岩、钙质砂岩、粉砂质泥灰岩等。随着非常规油气勘探的深入，目前关于混积岩研究逐渐增多^[2-9]，分类大体一致、岩石命名方法借鉴较为成熟的陆源碎屑岩和碳酸盐岩方法；另一种为混合沉积岩层，即碎屑岩和碳酸盐岩混合沉积层。近年来关于混合沉积研究逐渐增多，主要集中在混合沉积成因^[10]、控制因素^{[2, 11-15]}和混合沉积相模式讨论^[16-20]。混合沉积层是一种特殊沉积机理的沉积现象，一方面，混合沉积对于了解沉积环境、构造运动、海(湖)平面变化、沉积动力、沉积速率、古气候、物源以及其相互间关系有着重要意义^[18]；另一方面，混合沉积对于沉积矿床(石油、天然气、煤等)的生成、保存有重要影响。

鄂尔多斯盆地上古生界拥有丰富的天然气资源，主要油气勘探层系为山西组、石盒子组，近年来在本溪组相继发现良好天然气显示和工业气流，而本溪组─太原组为陆源碎屑与碳酸盐混合沉积，即混积层，同时也是海陆过渡相沉积，前人对本溪组研究主要集中在岩石地层^[21-22]、沉积环境分析^[23-24]、油气勘探潜力等方面^[25-27]，而未对本溪组─太原组混合沉积特征及成因机制做专门研究，该沉积模式有别于山西组和石盒子组^[28-31]。本文结合区域地质资料和测井、钻井和岩芯资料，对混合沉积层进行详细分析，开展本溪组─太原组混合沉积特征及组合模式研究，对揭示沉积体系时空展布、演化、追踪并查明储集体分布规律以及对上古生界寻找高产、高丰度天然气聚集区具有重要地质意义。

1 区域地质概况

在晚古生代，鄂尔多斯盆地是华北克拉通盆地的一部分，位于其西部(图 1)，盆地充填演化主要受四周环境影响，北侧受兴蒙海槽、南侧和西南缘受秦祁海槽控制^[32]。由于秦祁海槽、兴蒙海槽、贺兰拗拉槽在晚古生代复活，鄂尔多斯地区发生区域性沉降，开始接受沉积。此时，鄂尔多斯盆地区域构造格局以南北隆、拗为主体、中部为横亘南北的中央古隆起、西侧为贺兰再生拗拉槽、东面是克拉通拗陷、北缘和西北缘分别为阴山古陆和阿拉善地块、南缘有秦岭─中条隆起^[33]。

晚石炭世本溪期，盆地内部早期古地理格局得以继续延续，中央发育近南北向“哑铃状”隆起，分割东西两侧的华北海和祁连海^[33]。早二叠世太原期，区域性沉降持续发展，此时海水自东、西向两侧侵入，中央古隆起淹没于水下，形成了统一广海域。尽管如此，水下古隆起对该地区的沉积仍具有一定控制作用，古隆起东部以陆表海沉积为主，西部则以半深水裂陷槽沉积为主^[33]。从区域背景分析，晚古生代鄂尔多斯盆地充填经历了裂陷海湾和陆表海浅陷共存、统一陆表海、近海内陆拗陷和内陆湖盆4个阶段^[34]。鄂尔多斯盆地东南部在晚石炭世─早二叠世为典型陆表海沉积。

2 岩石学及电性特征

鄂尔多斯盆地东南部上石炭统本溪组可分为两部分，下部为铁铝质沉积，上部为碎屑岩和碳酸盐岩混积层，由灰岩、泥岩、粉砂岩及砂岩、煤层或煤线组成。下二叠统太原组岩性主要为灰岩夹碳质泥岩、泥岩、煤层。其不同岩性具有不同电性特征。

砂岩主要为浅灰色中─粗粒、细粒石英砂岩。砂岩具有块状层理(图 2a)、冲刷面(图 2b)、低角度交错层理(图 2c)。电性特征为自然伽马小于50 API，声波时差在224 µs/m，深侧向电阻率在150~310 Ω·m(图 3)。

泥岩主要为碳质泥岩和黑色、深灰色泥岩。碳质泥岩为黑色，炭化程度较高，发育水平层理、透镜状层理(图 2d，图 2e)。电性特征：自然电位为低值，自然伽马大于125 API，声波时差大于240 µs/m，深侧向电阻率在200~282 Ω·m。纯泥岩为深灰色、灰黑色，电性特征：自然电位为基线值，自然伽马大于80 API，声波时差大于223~238 µs/m，深侧向电阻率小于50 Ω·m(图 3)。

煤层为灰黑色，单层厚度小于2.5 m，电性特征：自然电位为低值，自然伽马小于90 API，声波时差大于240 µs/m，深侧向电阻率在340~640 Ω·m，简称“三高一低”，即：高声波、高中子、高电阻率和低自然伽马(图 3)。

灰岩主要为灰色泥晶灰岩、泥质灰岩，电性特征：自然电位为低值，自然伽马小于50 API，声波时差大于200 µs/m，深侧向电阻率大于2 000 Ω·m。灰岩声波时差与自然伽马低于砂岩，灰岩电阻率远远大于砂岩(图 3)。

铁铝岩是位于本溪组底部的风化壳层。电性特征：自然伽马大于130 API，声波时差在210~250 µs/m，深侧向电阻率小于20 Ω·m(图 3)。

3 混合沉积类型及沉积特征

鄂尔多斯盆地东南部上古生界混合沉积主要发育在本溪组和太原组，根据岩相组合特征，主要沉积相组合类型为混积潮坪、混积瀉湖、混积障壁砂坝和混积台地4种沉积。

3.1 混积潮坪

混积潮坪沉积主要发育在本溪组，包括混积潮上带、潮间带和潮下带，主要以陆源碎屑岩夹碳酸盐岩交互层产出，不同沉积相其岩性组合有差异。

3.1.1 混积潮上带

混积潮上带岩性组合为灰黑色碳质泥岩、灰色泥岩和煤层夹泥晶灰岩，该组合包括两种序列，一种自下而上由灰色泥岩、碳质泥岩与泥晶灰岩组合，代表了水进沉积环境下退积序列；另一种由灰色泥岩、泥晶灰岩和煤层的组合，代表水退沉积环境下进积序列(图 4a)。

3.1.2 混积潮间带

混积潮间带岩性组合由灰黑色泥岩、浅灰色石英细─粉砂岩、灰色泥灰岩和含泥质泥晶灰岩组成。有两种组合，一种自下而上由灰黑色泥岩、泥质粉砂岩、泥质灰岩和泥晶灰岩，代表水进退积序列组合，一种由泥晶灰岩、泥质灰岩、泥质粉砂岩和灰黑色泥岩组成，代表了水退进积序列组合。局部发育潮道沉积的中─粗粒砂岩(图 4a)。

3.1.3 混积潮下带

混积潮下带以灰黑色薄层状微晶灰岩和潮道沉积的中粗粒砂岩为主。

3.2 混积瀉湖

混积瀉湖沉积主要由黑色、灰黑色泥岩夹泥晶灰岩组成，其灰黑色泥岩中含粒状黄铁矿，灰岩呈断续状分布(图 4b)。

3.3 混积障壁砂坝

该混积相岩性组合主要为中粗粒石英砂岩与灰岩组合，一种自下而上为泥质砂岩、砂岩、灰岩和泥岩组合，代表水退形成的障壁砂坝和水进形成的台地灰岩组合，沉积物由进积到退积叠置组合。另一种自下而上由深灰色泥岩、泥晶灰岩、中砂岩、泥质砂岩组成，代表退积到进积的岩性组合序列(图 4c)。

3.4 混积台地

混积台地以泥晶灰岩组成的碳酸盐台地相为主体，夹泥岩、碳质泥岩、煤层或煤线组成。该组合相主要发育在太原组，一种为进积序列，自下而上由灰岩、泥岩互层组成；另一种为退积序列，自下而上由碳质泥岩、灰岩、煤层和灰岩等组合(图 4d)。

4 沉积相组合及混合沉积发育机理 4.1 沉积相组合及沉积模式

研究区本溪组─太原组混积沉积层岩性组合、相序组合具有明显差异，本溪组主要为碎屑岩和煤层夹灰岩组合，而太原组主要为灰岩夹碎屑岩和煤层组合，因此，本溪组主要发育混积潮坪、混积瀉湖和混积障壁砂坝，而太原组主要发育混积台地。

混合沉积相类型和组合特征是沉积环境的体现，根据晚石炭世本溪期─早二叠世太原期岩石特征及组合类型、混合相沉积类型及组合特征，在前人研究成果基础上，建立了晚石炭世─早二叠世鄂尔多斯盆地南部混合沉积模式图(图 5)，该时期研究区主要为障壁海岸与陆棚两大混合沉积环境。其中障壁海岸型对应于混积潮坪、混积瀉湖、混积障壁砂坝，而混积陆棚主要为碳酸盐台地沉积。

4.2 混合沉积发育机理

前人对混合沉积形成机理讨论较多，其成因比较复杂，影响因素比较多，是多种因素相互作用的结果^{[2-6, 10-12]}。鄂尔多斯盆地东南部混合沉积主要受构造变化、海平面变化和气候影响。

构造上，古生代鄂尔多斯盆地西缘由于贺兰拗拉槽发生横向拉张复活，祁连海水、华北海水分别从西、东北向入侵，两大海域中间受中央古隆起分割，沉积层从两个方向分别上超于古隆起上，具有填平补齐的性质，在古隆起西边形成狭窄的裂陷盆地，东边为陆表海沉积，稳定的构造沉降有利于沉积物的形成和保存。因此，在鄂尔多斯盆地东南部本溪组、太原组为陆表海清水与浑水混合沉积，其岩性主要由陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成。

相对海平面的升降是影响可容纳空间的主要因素之一，进而控制着沉积物的叠置样式。随着全球海平面上升，鄂尔多斯盆地在本溪期经历了3次自东向西海侵，而早二叠世太原期由于盆地边界构造条件转变, 呈现出北高南低趋势，海水先后4次自东南侵入研究区^[35]。由于晚石炭世本溪期─早二世太原期研究区为陆表海沉积，陆表海具有海床坡度极缓，因此海侵具有突发性及短时间可波及数千公里，沉积相序具有明显的不连续性，常见海相灰岩大面积直接覆盖于浅水或暴露沉积物上^[14]。同时多期次海侵造成海平面升降频繁，垂向上形成碳酸盐岩和碎屑岩叠加的旋回性。

在鄂尔多斯盆地南部地区，气候影响了陆源碎屑岩供给和碳酸盐产率及其分布。在晚古生代，研究区处于北纬10°附近，气候温暖潮湿^[36]，潮湿的气候有利于粗碎屑物质供给和煤系地层形成；温暖气候有利于碳酸盐生成。因此晚石炭系─早二叠系沉积了一套海陆交互相含煤混合沉积层系。

鄂尔多斯盆地本溪组─太原组混积主要受构造、海平面变化和气候控制，才形成碎屑岩-碳酸盐夹煤层的沉积组合。构造控制了陆表海沉降，多次海侵造成海平面升降频繁，构造和海平面变化控制了可容纳空间变化，控制了沉积物叠置样式，海平面变化和气候控制了碳酸盐产率和沉积物类型。

5 混合沉积与油气关系

鄂尔多斯盆地上古生界天然气勘探主要集中在山西组─石盒子组，近年来在本溪组发现了“小而肥”天然气聚集，其天然气聚集特征与山西组和石盒子组有其相当大差异，主要是本溪组独特古地理格局及沉积特征决定了后期油气聚集差异。

鄂尔多斯盆地本溪组─太原组沉积了一套海陆过渡相及海相沉积的含煤碎屑岩和灰岩的混合沉积，其黑色泥页岩，有机质丰度较高，总有机碳含量平均达到2.0%以上；有机质类型以Ⅱ$_1$型和Ⅱ$_2$型为主，且成熟度高，$R_{\rm o}$平均达到1.52%^[24]，有利于有机质热解生气，是上古生界气藏的主要烃源岩^[37-39]。前人研究认为，石炭系─二叠系发育的煤岩是该套地层的优质烃源岩之一^[40]，本溪组发育1~2层(俗称8#和9#煤)2~3 m厚煤层，具备煤层生气条件。另外，通过对上古生界页岩的评价，鄂尔多斯盆地上古生界页岩气也具有巨大的勘探潜力^[25]。

鄂尔多斯盆地本溪组是以障壁岛─潮坪─瀉湖沉积体系为主的海陆交互相沉积环境，本溪组发育障壁砂坝中粗粒砂岩和潮道中细粒砂岩，其孔隙度在1.5%~12.8%，平均孔隙度5.0%；渗透率为0.05~2.50 mD，渗透率平均0.45 mD。根据鄂尔多斯盆地高桥地区已获得工业气流井统计，气层孔隙度下限为4%，渗透率下限为0.10 mD，因此本溪组绝大部分砂岩为有利储层。本溪组发育障壁砂坝砂体，单个坝体规模小，砂体横向变化快，但这些砂体离气源近，具备近源成藏条件^[40]，从试气结果看，本溪组砂体普遍含气，平面上呈短条带状展布，是本溪组主要及最佳储集体。

鄂尔多斯盆地本溪组─太原组经历了多期次海侵，形成了碳酸盐岩和碎屑岩混积现象，太原期主要为陆棚沉积，岩性为灰岩夹煤层和泥岩沉积，因此太原组的灰岩、泥岩是本溪组气藏封堵的区域盖层；本溪期发生了多期次海侵，沉积了多套浅水和深水的混合沉积组合，垂向上发育多套砂泥岩、灰岩及煤层等多套生储盖组合，因此本溪组成藏为自生自储，气藏具有“小而肥”特征。

本溪组─太原组独特的古地理环境沉积了碳酸盐岩与碎屑岩混合层，进而决定了本溪组具有丰富烃源岩、优质储集体和多套生储盖组合。

6 结论

（1）鄂尔多斯盆地本溪组─太原组为陆源碎屑岩和碳酸盐岩混合沉积，其岩性由灰岩、泥岩、粉砂岩、砂岩和煤层或煤线组成。本溪组主要为碎屑岩和煤层夹灰岩，太原组主要为灰岩夹碎屑岩。

（2）本溪组混积组合类型主要为混积潮坪包括混积潮上带、潮间带、潮下带和混积瀉湖及混积障壁砂坝。太原组混积组合为混积台地。混积沉积模式主要分为两类：混积障壁海岸和混积陆棚。本溪组为混积障壁海岸；太原组为混积陆棚沉积。

（3）鄂尔多斯盆地本溪期─太原期混积主要受构造、海平面变化和气候控制，陆表海多期次快速海侵形成多旋回的混积岩相组合。

（4）本溪组─太原组古地理沉积环境混合沉积决定了本溪组具有丰富的烃源岩和储集体，多套生储盖组合，本溪组是油气富集的有利层位，因而本溪组气藏具有“小而肥”特点。