0 引言
2022年之前，铝土岩系的研究主要集中在两方面：一方面是将其作为战略矿产资源的铝土矿进行研究［8-11］；另一方面是在油气勘探领域作为致密盖层进行研究［12］。2020年，宁县NG3井在太原组铝土岩获13.44×104 m3/d高产气流［13］，随后2022—2023年，陇东地区C3-17-22井、L47-1CH井、Q1-7-59H井相继获百万方以上高产气流，尤其是国内针对铝土系实施的首口水平井L47-1CH井，试气获产353.4×104 m3/d，创鄂尔多斯盆地天然气勘探单井日产最高纪录，展现出铝土岩系巨大勘探潜力。同时，铝土岩系作为储集层的研究逐步受到重视。陇东地区太原组铝土岩系属于喀斯特型，铝土岩系物源主要来自下古生界碳酸盐岩，铝土岩系层序受岩溶喀斯特地形和沉积相综合控制，高地潜坑和斜坡阶地微古地貌单元，受沉积期及准同生期大气淡水淋滤作用改造影响，是理想的铝土岩系优势储层发育区［14-17］。陇东地区铝土岩系厚度分布范围为0~20 m，厚度薄、埋深大、纵横向变化快、非均质性强，主要包含铝土岩、泥质铝土岩、铝质泥岩、铁质黏土等岩性。
结合前人研究，本文基于陇东地区126口井的测井、录井资料，结合三维地震资料，在印模法重建古地貌的基础上，精细刻画微古地貌单元，分析铝土岩系岩相组合、沉积相类型，初步建立了铝土岩系发育模式，同时，利用地震振幅属性及叠前反演等技术预测铝土岩系分布，指出铝土岩勘探有利区，以期为铝土岩系研究及勘探工作展开奠定基础。
1 区域地质背景
早古生代晚期，受加里东期构造运动影响，鄂尔多斯盆地整体抬升，形成1.3亿年的沉积暴露，下伏奥陶系、寒武系碳酸盐岩受强烈剥蚀、强烈岩溶作用影响，形成了广阔分布的岩溶地貌，岩溶地貌高低起伏，负向地貌为铝土岩富集沉积提供了有利的可容纳空间［19-20］。晚古生代早期，鄂尔多斯盆地整体表现为“一隆两坳”的古地理格局，以大型“L”形中央古隆起为分割，东部为华北海陆表海型沉积体系，西侧为祁连海陆缘沉积体系，沉积上表现出明显的东西分异格局。研究区位于中央古隆起核部及北东围斜区，受加里东期构造强烈抬升影响，下古生界剥蚀量大且跨越蓟县系—奥陶系多个地层，以风化剥蚀为主，且剥蚀量大的下伏富铝碳酸盐岩作为铝土岩系母岩物质在岩溶地貌之上差异沉积［17］。铝土岩系发育于太原组，横向岩性组合及厚度差异较大，向上依次发育山西组、石盒子组及石千峰组，下伏地层包括奥陶系、寒武系碳酸盐岩及震旦系碎屑岩等［图1（c）］。
2 古地貌重建
以碳酸盐岩为基底的铝土矿成矿空间受喀斯特化作用控制，由于碳酸盐岩基底易于发生喀斯特化，存在很多喀斯特洼地、漏斗等负地形［21］，形成了含矿岩系的堆积空间。因此，太原组沉积前古地貌重建对刻画研究区负向微古地貌单元，揭示铝土岩系分布具有重要的辅助作用。
古地貌重建结果表明，太原组沉积前岩溶古地貌整体呈西南高、北东低，并向北东向开口的形态按照岩溶古地貌划分标准，自西南部高地区向北东部依次划分为岩溶高地、岩溶斜坡及岩溶洼地3个次级古岩溶地貌单元。同时，在各次级岩溶地貌单元中，识别出多种类型的负向岩溶地貌单元［图2（a）］。
2.1 岩溶高地
岩溶高地主要分布在西南部及南部，地势较高，地表长期远离潜水面，在大气淡水淋滤作用叠加强烈的垂直渗流作用的双重影响下，形成漏斗型潜坑负向微地貌单元（图2）。潜坑在平面上呈孤立岛状分布，形状不规则，大小不一，直径变化范围较大，直径范围介于20~500 m之间。
2.2 岩溶斜坡
2.3 岩溶洼地
岩溶洼地主要分布在北部，向北开口，根据岩溶洼地位置，可进一步细分为两部分：一是轴向近南北分布的向北开口的窄“U”形带状岩溶洼地区，“U” 形窄带岩溶洼地区宽度为40 km，长度为60 km，宏观地貌上无地势差；二是华池—环县东等一线的开阔岩溶洼地区，底部较为平坦，是“U” 形岩溶洼地的北部延伸段。
3 铝土岩系沉积特征及发育模式
3.1 岩性特征
3.1.1 铝土岩系岩相类型
图4 陇东地区铝土岩系典型岩性、岩相照片（a） L58井，4 040.00 m，致密块状铁质泥岩，水铝石3.1%，伊利石35.0%，高岭石59.3%；（b）L47-1C井，4 157.77 m，块状铝质泥岩，发育分散层状黄铁矿；（c）L47-1C井，4 150.14 m，碎屑状铝土岩；（d）L58井，4 040.00 m，多孔土状铝土岩，蜂窝状孔洞发育；（e）L47-1C井，4 146.56 m，豆鲕状铝土岩；（f）HT2井，4 612.82 m，铝质泥岩，碎屑颗粒塑性变形；（g）L47井，4 118.00 m，铝土岩，具鲕粒结构，鲕粒变形；（h）L47井，4 104.00 m，豆—鲕状硬水铝石岩，发育3~5个圈层结构；（i）L58井，4 040.62 m，铝质泥岩，它形隐晶质胶体团块，泥质以高岭石为主；（j）L58井，4 042.54 m，铝土岩，半自形晶硬水铝石；（k）L47井，4 115.00 m，它形伊利石；（l）L47井，4 114.00 m，基质中重结晶的硬水铝石 Fig.4 Typical lithology and lithofacies photos of bauxite rock series in the Longdong area |
（2）块状铝质泥岩相［图4（b）］。灰色、深灰色，发育泥质结构，岩性以一水硬铝石、绿泥石、伊利石为主，一水硬铝石含量介于25%~50%之间，呈隐晶质结构、较为致密，铁质泥岩相向铝土岩相过渡相沉积。
（4）多孔土状铝土岩相［图4（d）］。浅灰色、灰白色，多孔蜂窝状结构，以硬水铝石为主，结构疏松。内部可见残余碎屑、豆鲕等结构，可能由豆（鲕）状铝土岩相、碎屑状铝土岩相、碎屑状泥岩铝土质相3种类型铝土岩演化而来。含大量粒屑溶孔、粒（砾）间溶孔和晶间溶孔，是铝土岩储层发育的主要层段。
（6）碎屑状泥质铝土岩相。灰色为主，砂、砾屑结构，并以砂屑结构为主，砂屑颗粒磨圆差。成分主要以一水硬铝石［图4（l）］、黏土矿物为主，其中，一水硬铝石含量介于50%~75%之间。与块状铝质泥岩相沉积环境类似，一水硬铝石含量及结构差异可能与母源共计强度及高频海平面变化有关。
3.1.2 垂向岩相组合
太原期为典型的海陆交互相沉积，铝土岩系及其上覆岩性均具有较大变化。岩相组合能够较好地指示沉积环境，为保持铝土岩系沉积环境的完整性，将太原组整体作为研究对象，识别出4种典型的垂向岩相组合（图5）。
岩相组合Ⅰ：泥岩铝土质+铝土岩+煤/泥岩。底部与碳酸盐岩呈不整合接触。由于岩溶高地区，碳酸盐岩易遭受强烈的垂直渗流及水平潜流作用，往往发育较好的岩溶渗滤通道，为铝土岩分选及富集奠定基础。铝质泥岩往往部分充填于渗滤通道中，产状与渗滤通道一致。中、下部以碎屑状泥质铝土岩及铝质泥岩频繁互层，偶见砂岩层，厚度范围介于3~24 m之间，中间夹不等厚薄层铝质泥岩。上部发育豆鲕结构、多孔土状铝土岩段，厚度范围介于3~9 m之间，缺乏明显层理结构，与下部铝质泥岩呈渐变式接触，顶部覆盖泥岩及薄煤层。典型代表井包括L42井、NG3井［图5（a）］。
岩相组合Ⅱ：铁质泥岩+双铝土岩段+炭质泥岩。由于垂直渗流及水平潜流作用减弱，下伏碳酸盐岩渗滤通道较少发育，底部致密块状铁质泥岩呈突变接触覆盖于碳酸盐岩之上，厚度为2~3 m。中部为两段铝土岩，总厚度介于7~19 m之间，两段铝土岩中间夹杂0.5~2 m灰黑色炭质泥岩，下铝土岩段以碎屑状铝土岩为主，上铝土岩段自下向上发育豆（鲕）状结构、多孔土状铝土岩。上部发育炭质泥岩，厚度为1~9 m。典型代表井包括L58井、L47井［图5（b）］。
岩相组合Ⅲ：铁质泥岩+厚层铝土岩/泥质铝土岩+泥/煤岩。底部为铁质泥岩，厚度为3 m左右，发育薄纹层理。中部发育厚层深灰色—灰色铝土岩，以豆（鲕）状结构、多孔土状铝土岩为主，局部发育具有一定微波纹层理的泥质铝土岩和铝质泥岩，总厚度介于10~15 m之间。上部发育大段泥岩及煤层。典型代表井包括HT7井、HT10井［图5（c）］。
岩相组合Ⅳ：铁质泥岩+铝质泥岩+泥/灰岩。铝质泥岩与煤、灰岩产出，铝质泥岩伴生结核状菱铁矿，整体致密，上部灰岩、泥岩。典型代表井包括L72井、QT16井［图5（d）］。
3.2 铝土岩系平面发育规律
铝土岩系岩相组合在平面上广泛分布，与岩溶古地貌单元具有一定的对应规律。从西南部岩溶高地到北东部岩溶洼地，依次发育岩相组合Ⅰ、岩相组合Ⅱ、岩相组合Ⅳ，HT7井周缘的开阔岩溶洼地区主要发育岩相组合Ⅲ类型的铝土岩系（图2）。岩相组合Ⅰ主要分布在岩溶高地区的潜坑型负向古地貌中，分布范围受限于潜坑范围，潜坑中心铝土岩系及铝土岩储层厚度最大，向潜坑周围减薄至尖灭。岩相组合Ⅱ主要分布在斜坡区沟槽型负向古地貌单元中，受限于负向古地貌形态，“支”形沟槽与“干”形沟槽区铝土岩系及铝土岩储层分布方式相似，均有沟槽中心向两侧减薄至尖灭，差异主要是铝土岩系宽度及厚度。岩溶高地区及岩溶斜坡区位置相对较高，因此，大气淡水淋滤时间更长，铝土岩储层相对更为发育。岩相组合Ⅲ分布在开阔岩溶斜坡坡脚区，由于坡脚带坡脚更缓，地势较低，常位于海岸线附近，当海平面上升时，坡脚带被淹没沉积一套薄层富铁泥岩；海平面下降及海退时，周缘铝土岩碎屑以具有一定分选及层理结构的铝土岩层和混杂堆积的铝土岩层。铝土岩系及铝土岩储层平面上呈片状分布，走向与海岸线基本一致。岩相组合Ⅳ分布在开阔岩溶洼地区。地势较低，长期处于海平面之下，缺乏富铝碎屑快速输送条件及淋滤改造作用，主要发育块状构造的铝质泥岩，物性极差，整体致密。
3.3 铝土岩系发育模式
陇东地区铝土岩系的沉积序列与华北地台铝土矿具有高度的相似性，均具有湿热的气候条件、负地形沉积空间、充裕的风化时间（研究区风化剥蚀时间长达 1.2~1.5亿年）、植被与微生物参与 、氧化和酸性的沉积环境及通畅的古水文系统（古水位）等主要的成矿地质条件［15］。铝土岩系形成与分布主要受物源、古地貌、海平面变化共同控制。陇东铝土岩系不存在外部物质输入，主要物源为原地下古生界碳酸盐岩［17］。太原组铝土岩系发育一个海侵—海退旋回，铝土岩则形成于海退趋势中［17］。鄂尔多斯盆地中东部太原组广泛发育一套灰岩，指示太原组沉积晚期发生广泛海侵。因此，太原组整体经历了海侵—海退—海侵旋回。综合古地貌、物源及海平面变化等多因素综合分析，建立了研究区铝土岩系发育模式（图6）。晚奥陶世，受加里东运动影响，中央古隆起形成，陇东地区整体抬升，下伏寒武系、奥陶系碳酸盐岩母岩遭受长期强烈的物理和化学风化作用，K、Na等可溶性元素不断淋失，硅、铝质矿物大量富集，形成以铝矿物、黏土矿物等组分为主的原地残积、近距离异地堆积的富铝红土残积物。富铝红土残积物在岩溶风化壳顶部广泛分布，成为铝土岩系早期母岩［图6（a）］。
太原组沉积初期，海平面迅速上升淹没岩溶斜坡及岩溶洼地区的富铝钙红土残积物，岩溶高地及部分岩溶斜坡区可溶元素进一步向低部位迁移，原地残积物进一步红土化，形成铝土岩系原始矿层；迁移出的部分富铁、富铝物质形成富铁、铝物质胶体，在海平面水体较深部位沉积较稳定分布的一套薄层铁质泥岩及铝质泥岩［图6（b）］。
太原组沉积晚期及以后，是深埋成岩阶段。随着海平面再次上升，泥岩、煤岩广泛沉积于铝土岩段之上，局部较深水区顶部覆盖一套灰岩。后期随着埋深不断加大，三水铝石变成一水软铝石，进而形成一水硬铝石。同时，泥岩及煤岩有机质演化释放的有机酸使黏土岩进一步脱硅成次生三水铝石或硬铝石改善物性［图6（e）］。
4 铝土岩系地球物理响应及分布预测
铝土岩系横向分布变化快、地震反射特征差异大，同时具有电性差异大、物性与围岩差别大等特征，为铝土岩系地震识别和刻画带来了挑战及条件。基于研究区三维地震数据，通过正演模拟、地震相分析及属性提取等技术手段，对研究区铝土岩系分布进行了刻画。
4.1 铝土岩系地球物理特征
研究区钻遇的铝土岩系与围岩具有不同属性特征。根据实钻资料统计，铝土岩系下伏地层为碳酸盐岩、上覆地层为砂泥岩及煤岩，不同岩性的典型特征差异较大。铝土岩系测井特征表现为高—超高自然伽马、中声波时差、中低电阻率及高密度特征，密度介于2.9~3 g/cm3之间，声波时差速度为5 000~5 200 m/s；下伏碳酸盐岩围岩测井特征表现为中自然伽马、低声波时差、低电阻率及高密度特征，密度介于2.80~2.88 g/cm3之间，声波时差速度为5 600~6 450 m/s；上覆砂泥岩围岩测井特征表现为中低自然伽马、高声波时差、中电阻率及低密度特征，密度介于2.55~2.65 g/cm3之间，声波时差速度为4 400~4 700 m/s。L42、L47、HT7、L72等井井震标定结果显示，岩相组合Ⅰ、岩相组合Ⅱ、岩相组合Ⅲ纵横向速度变化大，地震反射特征较围岩差异明显。底界波峰反射变弱时差减小，顶界波峰反射变弱同时时差减小，内幕波谷反射时差增大、反射减弱，弱波谷反射横向范围有一定差异，考虑与铝土岩系横向分布范围相关，同时铝土岩系发育区明显发育“同相轴下拉”现象。岩相组合Ⅳ由于铝土岩系含量减少、厚度减薄，地震相表现为平行、连续、中强反射及中高频反射特征（图7）。
为进一步验证以上分析的合理性，建立了不同厚度及产状的铝土岩系发育地质模型，应用25 Hz、180°相位的雷克子波，开展基于波动方程正演方法地震正演数值模拟。对比正演模拟结果与铝土岩系实际地震剖面，发现各类铝土岩系地震相特征与正演模拟结果吻合较好，表明以上地震—地质认识合理可靠，能够为铝土岩系的识别和刻画提供一定的指导（图8）。
4.2 铝土岩系分布预测
基于上述铝土岩系地震反射特征及正演分析，通过提取振幅属性及地震相分析法综合开展研究区铝土岩系分布预测。铝土岩系围岩在振幅属性上存在明显区别，主要表现为弱瞬时振幅异常、反射弧长增大及负曲率异常等特征，表现出较有序的孤岛状、带状及片状分布特征。在此基础上完成了铝土岩系平面厚度刻画。结果显示：宁县北部铝土岩系呈不规则孤立岛状分布，厚度为5~18 m，钻井较多的C3-17-22井区，铝土岩系长轴方向为南北方向的纺锤形分布，南北长5~6 km，东西长2~3 km；庆城及合水南部铝土岩系呈带状分布，厚度最大值基本介于8~15 m之间；环县地区局部发育较大的片状铝土岩系分布区，厚度为10~16 m。总的来看，铝土岩系主要分布在岩溶高地及岩溶斜坡区，并与负向微古地貌分布基本对应，这与前文的地质分析及属性预测结果基本一致，进一步说明了预测结果的可靠性（图9）。
5 勘探有利区
浅坑型、斜坡型及滨岸型铝土岩物性好［孔隙度介于5.3%~26.3%之间、渗透率介于（0.1~20.0）×10-3 μm2之间，是一套优质的储层。顶板为致密泥岩及煤层，可形成岩性及烃浓度封盖，底板为致密铝土岩系与致密碳酸盐岩，同时，局部断裂及裂缝网是天然气由煤层向下部储层运移的高速运移通道，从而，构成了一套近源、高效的生储盖配置组合。典型气藏及典型井的解剖表明，陇东铝土岩气藏主富集主要受铝土岩储层、疏导体系控制，统计试气产能与铝土岩系厚度之间的关系，发现当铝土岩系厚度大于10 m以上时，往往更易形成工业气流井。因此，以裂缝/小型断裂疏导体系发育、10 m以上的铝土岩系发育区作为铝土岩有利勘探区优选原则，共优选了宁县北部、合水南部及庆城西南部、合水北部L47井区周缘及环县北部地区四块勘探有利区（图10），有利勘探面积共613 km2。
6 结论
（1）鄂尔多斯盆地陇东太原组沉积前古地貌整体表现为南高北低，向北东开口的形态，可划分出岩溶高地、岩溶斜坡及岩溶洼地3种岩溶地貌单元，对应发育潜坑、支状沟槽、干状沟槽及溶洼平原等负向微古地貌单元。
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（2）太原组铝土岩系发育铝质泥岩+铝土岩+煤/泥岩、铁质泥岩+双铝土岩段+炭质泥岩、铁质泥岩+互层铝土岩/泥质铝土岩+泥/煤岩及铁质泥岩+铝质泥岩+泥/灰岩4种岩相垂向组合方式，平面上自岩溶高地到岩溶洼地有序分布。
（3）铝土岩系受古地貌、海平面、物源控制，铝土岩系主要经历了红土残积物形成、原始铝土矿层形成、负向地貌单元铝土岩堆积、淋滤改造形成多孔铝土岩及广泛海侵煤泥覆盖5个主要形成阶段，铝土岩储层主要分布在海退期岩溶高地及岩溶斜坡区。
（4）铝土岩系地质特征明显，地震反射特征和属性较为突出。在地震剖面上表现为弱振幅、速度下拉异常反射特征，可以有效利用三维地震属性分析及地震相对铝土岩系展布进行刻画。在陇东地区刻画了4个有利区面积共613 km2。
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