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国内外油气勘探实践表明,克拉通盆地内部发育的古隆起构造是油气聚集的主要区带。迄今为止,围绕大型古隆起已经发现了多个大型-特大型油气田(何登发等,1997,2008)。如四川盆地川中古隆起发现了我国最大的碳酸盐岩整装气田——安岳气田(杜金虎等,2014;杨跃明等,2016);塔里木盆地的塔中隆起、塔北隆起也是重要的油气富集区(赵靖舟等,2007;邬光辉等,2009);鄂尔多斯盆地早古生代发育中央古隆起(庆阳古隆起)、吕梁古隆起、伊盟古陆等(邵东波等,2019)。这些古隆起虽未直接控制天然气成藏,但对鄂尔多斯盆地奥陶纪古地理格局、白云岩分布、奥陶系顶部岩溶古地貌等起着重要的控制作用(图1a)。近年来随着勘探工作的逐步深入,天然气勘探不断向深层拓展,钻探揭示盆地中东部发育寒武系乌审旗-靖边古隆起(魏柳斌等,2021),诸多学者对乌审旗-靖边古隆起的成因演化、沉积储层及控藏效应进行了详细研究(包洪平等,2022;毛丹凤等,2023;何发岐等,2023;张春林等;2023)。近期研究发现奥陶系还发育志丹-横山古隆起,该古隆起为隐伏古隆起,对奥陶系碳酸盐岩-膏盐岩体系的沉积分异作用显著(钟寿康等,2022a;2022b),尽管其与乌审旗-靖边古隆起形成于不同时代,但二者的区位分布、成因机理紧密相关。目前关于志丹-横山古隆起的成因机制、演化规律及其与乌审旗-靖边古隆起的关系尚不明确,本文基于最新的地震、钻井、航磁等资料,系统解剖志丹-横山古隆起区位的分布、发育时限及形成演化过程。探讨了志丹-横山古隆起与乌审旗-靖边古隆起形成的动力机制及演化关系,进一步明确古隆起的控藏效应,以期为鄂尔多斯盆地中东部奥陶系碳酸盐岩-膏盐岩共生体系的天然气勘探起到一定的指导作用。
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1 地质背景
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鄂尔多斯盆地是在太古宙—古元古代结晶基底之上发育起来的一个多旋回的克拉通盆地(翟明国等,2011,2012;包洪平等,2019)。前寒武系发育中元古界长城系、蓟县系、新元古界震旦系,下古生界发育寒武系—奥陶系,期间主要经历了中元古代、新元古代、加里东期3个阶段的构造演化。其中,加里东期经历了寒武纪—中奥陶纪被动大陆边缘、晚奥陶纪主动大陆边缘与碰撞造山的演化历程,该时期盆缘构造相对活跃,利于古隆起的形成和发育(何登发等,2021)。鄂尔多斯地区奥陶纪主要发育伊盟古陆、中央古隆起(庆阳古隆起)、吕梁古隆起等古隆起(黄建松等,2005;何登发等,2020),由于上述古隆起的发育,使得鄂尔多斯地区与华北克拉通奥陶系沉积面貌出现了较大差异。其中,最为显著的特征是鄂尔多斯中东部奥陶系马家沟组发育了一套碳酸盐岩-膏盐岩旋回性沉积层,厚度约为700~900 m(包洪平等,2017)。表明奥陶纪马家沟期鄂尔多斯盆地在构造、古地理背景等方面与华北克拉通盆地已开始出现明显的构造与沉积分异(邵东波等,2019;包洪平等,2020)。依据岩性旋回特征,自下而上划分为6段,其中,马一段、马三段、马五段为海退蒸发岩层,以盐岩、(硬)石膏岩间夹碳酸盐岩层为主;马二段、马四段、马六段为海侵碳酸盐岩沉积层,以石灰岩、白云岩为主。马五段自上而下又划分为10个亚段,其中,马五10亚段、马五8亚段、马五6亚段、马五4亚段为海退蒸发岩层,马五9亚段、马五7亚段、马五5亚段为海侵碳酸盐岩层(图1b)。
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2 志丹-横山古隆起厘定
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志丹-横山古隆起分布在志丹、靖边、横山、榆林一带,为隐伏古隆起。古隆起的厘定主要基于盆地中东部奥陶系马家沟组400余口钻井资料、最新处理的全盆地区域地震格架大剖面、古隆起周缘地区二维、三维地震资料。建立盆地中东部奥陶系细分地层格架,据此,系统厘定了志丹-横山古隆起的空间展布、发育时限及演化规律。
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图1 鄂尔多斯盆地中晚奥陶世构造简图(a)及奥陶系马家沟组地层柱状图(b)
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Fig.1 Schematic diagram of the Late Ordovician structure in the Ordos basin (a) and column chart of the Ordovician Majiagou Formation (b)
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2.1 志丹-横山古隆起的区位分布
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志丹-横山古隆起从东西向和南北向连井地层对比剖面来看(图2),马五段早期地层厚度在志丹—横山一带显著减薄,表明期间发生了一次较为明显的内幕构造事件,进而导致了志丹-横山古隆起的隆升。再从志丹-横山古隆起过靖边、米脂的东西向地震剖面发现,两侧的马五段明显具有向古隆起超覆减薄的现象(图3)。根据马五9亚段、马五8亚段、马五6亚段的地层厚度进一步确认了古隆起的平面分布规律,其主要分布在志丹、横山、榆林一带,表现出低幅度隆起的基本特征(图4)。该古隆起主要沿南南西—北北东向展布,不同阶段古隆起的形态、分布虽略有差异,但总体呈弧形带状展布。志丹-横山古隆起向西南方向与庆阳古隆起衔接,向北东方向延伸至横山、榆林一带,并不断向北扩展,至马五6亚段沉积期与北部伊盟古陆连接。该古隆起的短轴宽约30~60 km,隆升幅度相对较高,古隆起上地层厚度显著减薄,两侧洼陷剧烈沉降,地层厚度较大。自南向北古隆起呈“三角状”延伸,延绵长约300 km,分布面积约18000 km2。此外,从岩相分布规律来看,志丹-横山古隆起主要发育在马五6亚段海退蒸发岩段的硬石膏岩与盐岩相变带附近,并对马家沟组五段的沉积分异作用突出,马五10、马五8、马五6等以海退蒸发岩沉积层为主,米脂洼陷以盐岩沉积为主,靖西洼陷以硬石膏岩沉积为主。
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图2 鄂尔多斯盆地志丹-横山古隆起奥陶系马五段—马四段对比图(剖面位置见图1a)
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Fig.2 Comparison diagram of the Ordovician Ma 5 to Ma 4 members in the Zhidan-Hengshan paleo-uplift of the Ordos basin (the cross-sectional position is shown in Fig.1a)
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2.2 志丹-横山古隆起的发育时限
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依据连井地层剖面、地层厚度、地震剖面约束了志丹-横山古隆起的发育时限。盆地中东部马四段地层的厚度具有东薄西厚特点,反映的古构造格局整体表现为东高西低的箕状单斜缓坡构造,该时期的古地理格局呈东西贯通、水体开阔,以碳酸盐岩沉积为主。靖边以西地区是主要的沉降区,厚度为180~220 m,以石灰岩沉积为主,向盆地东部神木、米脂、宜川一带地层逐渐减薄,地层厚度为80~150 m,云化程度逐渐增强(图4a)。靖边—横山—榆林—神木一带为西部靖西洼地与东部台坪的转折带,表明该时期志丹-横山古隆起尚未隆升。马五段沉积早期,志丹-横山古隆起开始浮现,马五9亚段、马五7亚段、马五6亚段等层段的厚度所反映的古构造发生重大转变,由马家沟组四段沉积期的碳酸盐岩缓坡逐步转变为“一隆两洼”的古构造格局,一隆即志丹-横山古隆起,两洼即靖西洼陷和米脂洼陷(图4b~d)。据连井剖面对比可见,马家沟组四段厚度东薄西厚,到了马家沟组五段早期志丹—横山一带厚度显著减薄,而到了马五5亚段又恢复了马家沟组四段沉积期的古构造格局,两者的古构造格局基本趋同,同为东高西低的单斜缓坡构造,岩性特征表现出高度的相似性,同样以生物扰动的云斑灰岩、石灰岩为主(图4e)。表明该隆起主要受内幕构造控制,在挤压作用的影响下,古隆起隆升,而随着挤压应力的逐渐消减,蒸发岩填平补齐作用,志丹-横山古隆起随即消失。整个马四段—马五段的岩性旋回也表现出较强的规律性。经历了由马四段的纯碳酸盐岩层,马五7~10亚段碳酸盐岩-膏盐岩交互层,马五6亚段的厚层膏盐岩层,再至马五5亚段碳酸盐岩层的演化过程,代表了志丹-横山古隆起显现、消亡的全过程(图4)。正是由于志丹-横山古隆起的隆升作用,进而使得盆地东部米脂洼陷水体循环不畅,沉积了厚层的盐岩层(图4f)。
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2.3 志丹-横山古隆起的迁移特征
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志丹-横山古隆起具有明显的迁移演化特征,随着挤压应力的不断持续,古隆起核部向西北方向迁移,呈弧形扩展,主要表现在以下两个方面:①古隆起轴部的迁移,马五9亚段沉积期古隆起主要位于志丹—榆林—神木一带(图4b),马五7亚段沉积期古隆起核部迁移至志丹西—横山一带(图4c),到了马五6亚期沉积期古隆起的发育位置基本上与马五7亚段保持一致,但整体进一步向北扩展。神木、伊金霍洛旗等地区整体隆升,志丹-横山古隆起向南与庆阳古隆起连接,向北与伊盟古陆接壤,呈哑铃状横亘于盆地中东部(图4d)。②米脂盐洼的范围逐渐扩大,志丹-横山古隆起与米脂盐洼呈镜像关系,由于志丹-横山古隆起向西北方向迁移,米脂盐洼的范围进一步扩大,进而导致盐岩的沉积范围持续扩大,马五10亚段盐岩分布面积23000 km2(图4b),马五8亚段盐岩分布面积扩展到29000 km2(图4c),马五6亚段沉积期盐岩范围达到最大,约为35000 km2(图4f),表明盐岩的分布范围伴随志丹-横山隆起向西北方向迁移也随之扩大。
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图3 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系地震剖面特征(剖面位置见图1a)
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Fig.3 Characteristics of Ordovician seismic profiles in the middle-eastern parts of the Ordos basin (the cross-sectional position is shown in Fig.1a)
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图4 鄂尔多斯盆地马家沟组各段地层、膏盐厚度图
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Fig.4 Stratigraphic and gypsum salt thickness maps of various sections of the Majiagou Formation in the Ordos basin
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2.4 古隆起的挤压作用逐渐增强
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对盆地中东部马五段的古构造和岩相分布特征研究表明,从马五10亚期至马五6亚期,志丹-横山古隆起的挤压作用具有逐渐增强的趋势,主要表现在以下三个方面,①志丹-横山古隆起马五7亚段、马五9亚段岩性发生显著变化,马五9亚期志丹-横山古隆起上以白云岩沉积为主,主体处于潮间带,而到了马五7亚段志丹-横山古隆起则以含膏云坪为主,由马五9亚段的潮间带向马五7亚段的潮上带转变,表明马五9亚段为水下古隆起,而到了马五7亚段古隆起逐渐浮现于海平面之上(图2B—B′);②米脂盐洼快速沉降、逐渐变深,导致石盐岩沉积厚度逐渐增厚,马五8亚段、马五9亚段石盐岩厚度5~18 m(图2),而马五6亚段石盐岩厚度30~100 m(图4f),随着古隆起挤压作用的逐渐增强,古隆起对阻隔作用更为显著,导致米脂盐洼持续保持高盐度,利于海水的浓缩蒸发结晶盐岩;③古隆起的短轴明显缩短的趋势,马五9亚段古隆起的短轴宽约40~45 km(图4b),马五7亚段古隆起的短轴宽约35~40 km(图4c),而马五6亚段古隆起的短轴25~30 km(图4d),由宽缓平坦的古隆起转变为狭窄陡立的古隆起,说明挤压应力逐渐增强。
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3 横山-志丹古隆起成因
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3.1 基底结构属性控制志丹-横山古隆起的区位分布格局
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鄂尔多斯地区航磁异常特征主体表现为正、负相间的展布特征,自南向北可划分为高—低—高—低—高五个异常区(贾进斗等,1997;李明等,2021)。其中,盆地中南部的四个磁异常区呈北北东—南南西走向展布,盆地北部的异常区整体呈现东西走向。中间微向南呈弧型凸出。这些高低航磁异常应是不同基底构造单元及其岩性组成的综合反映(图5)。根据鄂尔多斯地区基底航磁异常、岩性分区特征,可进一步将鄂尔多斯及邻区结晶基底划分为阴山陆块、定边-横山-神木孔兹岩带、鄂尔多斯陆块三个部分(图5)。阴山陆块与鄂尔多斯陆块约在1.95 Ga拼接形成统一的结晶基底(赵国春等,2002,2009;Yin Changqing et al.,2009,2011),其间以定边-横山-神木孔兹岩带(集宁群)相衔接。志丹-横山古隆起始于庆阳-志丹-米脂高磁性异常带与定边-横山-神木低磁异常带接触,并不断向北部弧形迁移,最终在志丹、靖边、横山一带定型。由此推测,志丹-横山隐伏古隆起的形成可能与定边-横山-神木孔兹岩带及鄂尔多斯陆块之间的深部作用密切相关。
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3.2 周缘大地构造环境决定志丹-横山古隆起的发育时限
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鄂尔多斯地区中奥陶世—晚奥陶世周缘大地构造环境分析表明,该时期是鄂尔多斯盆地由被动大陆边缘向活动大陆边缘转换的关键时期(Dong Yunpeng et al.,2015,2016;师平平等,2021)。由于鄂尔多斯陆块毗邻北秦岭、北祁连海槽,鄂尔多斯盆地南缘中奥陶世末期是北秦岭造山带弧-陆碰撞的周缘前陆盆地,而鄂尔多斯地块西缘中奥陶世末期是北祁连造山带弧-陆碰撞的弧后前陆盆地(图1a)。随着北祁连、北秦岭洋俯冲作用,在盆地西南边缘地区形成前陆隆起带(中央古隆起),庆阳地区是古隆起的核部,隆升尤为强烈,核部缺失寒武系—奥陶系。与此同时,由于盆地周缘持续挤压应力的远程传递效应,导致鄂尔多斯陆块与定边-横山-神木孔兹岩带之间的构造薄弱带发生相互作用,鄂尔多斯陆块向定边-横山-神木孔兹岩带挤压,导致在两者的接触带附近形成志丹-横山隐伏水下古隆起,随着挤压应力的不断增强,古隆起向盆地西北部逐渐呈弧形迁移。最终在志丹—靖边—横山一带定型。正是该古隆起的隆升作用,进而导致整个中东部的古构造格局由马四段的碳酸盐岩缓坡转变为马五段的“隆洼相间”的古构造格局,并且发生显著的沉积分异作用,由马四段的碳酸盐岩沉积层逐渐向马五段蒸发岩层转变。
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图5 鄂尔多斯盆地航磁异常与古隆起叠合图
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Fig.5 Overlapping map of aeromagnetic anomalies and ancient uplifts in the Ordos basin
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3.3 志丹-横山古隆起与乌审旗-靖边古隆起叠加发育
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从志丹-横山古隆起与乌审旗-靖边古隆起的区位分布可知,既有差异性,又有相似性,志丹-横山古隆起位于盆地中南部地区,主体分布在结晶基底分区的鄂尔多斯陆块一侧,向南与庆阳古隆起衔接。乌审旗-靖边古隆起则位于盆地中北部地区,主体分布在结晶基底分区的孔兹岩带一侧,向北与伊盟古陆连接(图5)。它们的形成演化是鄂尔多斯盆地结晶基底结构与不同时期周缘大地构造环境双重作用的结果。
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寒武纪—早奥陶世是乌审旗-靖边古隆起的主要发展阶段,古隆起上长城系与马家沟组直接接触,缺失寒武系,古隆起边缘见碳酸盐岩-碎屑岩混积沉积层(图6)。直至早奥陶世,受怀远运动的影响,在盆地西部的区域挤压应力影响下,鄂托克旗、鄂托克前旗、定边、庆阳一带隆升形成中央古隆起,从而使得中东部地区快速沉降为中东部坳陷(图1a),此时,位于中央古隆起东侧的缓坡带的乌审旗-靖边古隆起也随即消失。
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在马家沟组五段早期,由于鄂尔多斯盆地由被动大陆边缘向活动大陆边缘转化,受盆地西南缘挤压应力的远程传递效应,使得鄂尔多斯陆块与定边-横山-神木孔兹岩系深部受到挤压作用,在靠近鄂尔多斯陆块一侧形成志丹-横山水下隐伏古隆起,从寒武系“乌审旗-靖边古隆起”及马五期“志丹-横山古隆起”的区位分布来看,两者具有明显的“跷跷板”效应,寒武系乌审旗-靖边古隆起发育期,志丹-横山古隆起在其东侧的斜坡带的有效沉积范围内,特别是东北部的神木、准格尔旗为向东北方向开口的坳陷沉降区。而到了马五期志丹-横山古隆起发育期,寒武系乌审旗-靖边古隆起则在其西侧的洼陷区,而神木、准格尔旗由寒武系的坳陷区变为隆起区。再从深部结构来看,乌审旗-靖边古隆起位于长城系裂陷槽内,志丹-横山古隆起位于长城系裂谷肩部,乌审旗-靖边古隆起与长城系裂陷槽挤压隆升有关,而志丹-横山古隆起与挤压作用下长城系裂谷肩部的太古界结晶基底翘升有关,使得两者在分布范围上表现出靖边—横山一带地区部分重叠(图7)。
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图6 鄂尔多斯盆地寒武系厚度图
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Fig.6 Thickness map of the Cambrian in the Ordos basin
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图7 鄂尔多斯盆地中东部电阻率剖面(剖面位置见图1a)
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Fig.7 Resistivity profile of the central-eastern Ordos basin (the cross-sectional position is shown in Fig.1a)
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4 天然气勘探意义
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前文已述,志丹-横山隐伏古隆起主要形成于马五段早期,其形成演化可能对奥陶系盐下马五段天然气成藏产生显著的控制作用(姚泾利等,2016;包洪平等,2020b)。近年来,随着天然气勘探不断向深部拓展,奥陶系盐下马五段天然气勘探也取得重大突破。其主力含气层段为奥陶系盐下马五7亚段(图8),该时期受志丹-横山隐伏古隆起的控制作用,沉积分异特征极为突出,志丹-横山古隆起上部以膏云坪相带为主,而古隆起两侧的坡折带则位于潮间带,利于台内滩丘复合体白云岩储层的发育,特别是古隆起西侧水动力较强,沿着吴起、靖边、横山西地区丘滩体白云岩储集体大面积连片发育,厚度约25~30 m。而上覆的马五6亚段发育连续分布的厚层膏盐岩沉积层为盐下马五7亚段天然气成藏的直接盖层,靖边-横山地区硬石膏岩厚度约30~50 m之间(图4f),具有较好的封盖能力。燕山期,盆地东部整体抬升形成东高西低的古构造格局,志丹-横山古隆起西侧的丘滩性白云岩向东逐渐相变为膏云坪相带,上倾方向构成了一个大的区域岩性相变带,利于岩性圈闭气藏的形成。在上述成藏理论认识的指导下,加大靖边-横山西侧盐下马五7亚段天然气勘探部署力度,取得了较好的勘探成效,实现了横山-志丹隐伏古隆起西侧丘滩复合体白云岩天然气勘探的突破,截止目前已有数十口井试气获得工业气流,初步落实有利勘探面积约9000 km2。
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图8 鄂尔多斯盆地马五段7亚段岩相古地理图
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Fig.8 Paleogeographic map of 7 sub-menber in the Ma 5 Member of the Ordos basin
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5 结论
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志丹-横山古隆起为挤压型古隆起,主要受结晶基底分区与周缘大地构造背景双重控制,马五段早期鄂尔多斯盆地由被动大陆边缘向活动大陆边缘转换,在北秦岭-北祁连洋俯冲挤压的远程传递效应影响下,盆地结晶基底的鄂尔多斯陆块与孔兹岩带之间之发生挤压隆升。
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志丹-横山古隆起与乌审旗-靖边古隆起东西交织,叠加发育,乌审旗-靖边古隆起主体位于孔兹岩带一侧,与长城系裂谷边缘挤压隆升有关,志丹-横山隐伏古隆起主体位于基底鄂尔多斯陆块一侧,与长城系裂谷肩部的太古界结晶基底挤压翘升有关。
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志丹-横山古隆起控制了盐下马五7亚段丘滩白云岩储集体发育,自西向东由丘滩体向膏云坪相变,其上覆马五6亚段连续分布的厚层硬石膏岩封盖,上倾方向存在大型区域岩性相变带,利于岩性圈闭的形成,值得重点勘探。
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摘要
本研究基于最新的钻井、地震、航磁异常等资料,系统研究了鄂尔多斯盆地奥陶纪志丹-横山古隆起的区位分布、发育时限、形成演化及控藏效应。研究结果表明,志丹-横山古隆起呈弧形分布于志丹、横山、榆林一带,为挤压型古隆起,发育时限为奥陶系马家沟组五段早期。在挤压应力影响下,古隆起轴部逐渐变窄、隆起幅度渐次增大,并向西北方向呈弧形迁移,至奥陶系马家沟组五段6亚期基本定型。志丹-横山古隆起与乌审旗-靖边古隆起叠加发育,其发育受基底结构属性与周缘构造背景双重控制,两者均发育在盆地结晶基底鄂尔多斯陆块与孔兹岩带的拼合带附近。乌审旗-靖边古隆起主体位于孔兹岩带一侧,向北与伊盟古陆衔接,形成于前寒武纪,在盆地北部挤压应力的影响下,结晶基底孔兹岩带上覆长城系裂陷槽边缘挤压隆升;志丹-横山古隆起主体位于鄂尔多斯陆块一侧,向南与庆阳古隆起衔接,主要与中—晚奥陶世由被动陆缘向活动陆缘构造转换有关,在盆地西南缘持续挤压的远程传递效应影响下,鄂尔多斯陆块向孔兹岩带挤压隆升。乌审旗-靖边古隆起与志丹-横山古隆起屹立南北、东西交织,控制了奥陶系盐下天然气聚集成藏,值得重点勘探。
Abstract
Based onrecent drilling, seismic, and aeromagnetic anomalies, a systematic study was conducted on the location distribution, development time, formation and evolution, and reservoir control effects of the Ordovician Zhidan Hengshan ancient uplift in the Ordos basin. The results indicate that the Zhidan Hengshan ancient uplift is distributed in an arc shape in the Zhidan, Hengshan, and Yulin areas. It is a compressional uplift that developed during the early stage of the fifth Member of the Ordovician Majiagou Formation. Under the influence of compressive stress, the uplift's axis gradually narrowed, its amplitude increased, and it migrated northwestward in an arc-shaped pattern, reaching its maximum development during the deposition of the fifth and sixth sub-sections of the Majiagou Formation. The Zhidan Hengshan ancient uplift displays a superimposed relationship with the Wushenqi Jingbian ancient uplift. Their development is controlled by a complex interplay between basement structural attributes and the peripheral structural background. Both uplifts are localized within weak structural zones where the crystalline basement of the basin intersects with the Ordos landmass and the Kongziyan belt. The main body of the Wushenqi Jingbian ancient uplift is located along one side of the Kongziyan belt, connecting with the Yimeng ancient landmass to the north, which formed during the Precambrian period. Compressive stress in the northern part of the basin uplifted the crystalline basement along the Kongziyan belt, which is overlaid by the edge of the Great Wall series trough. The main body of the Zhidan Hengshan ancient uplift is located along one side of the Ordos block, connecting with the Qingyang ancient uplift to the south. Its formation is primarily related to the transition from passive to active continental margins during the Middle-Late Ordovician period. Continuous compression on the southwestern edge of the basin remotely uplifted the Ordos block towards the Kongziyan belt. The interconnected Wushenqi Jingbian and Zhidan Hengshan ancient uplifts control the accumulation of natural gas beneath the Ordovician salt layer, making them worthy of further exploration and attention.