鄂尔多斯盆地东南部延长组微量元素地球化学特征及环境指示意义

范萌萌,卜 军,赵筱艳,康 博,李文厚,张卫国

(1.西安科技大学 地质与环境学院/陕西省煤炭绿色开采地质保障重点实验室,陕西 西安 710054;2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院/低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710021;3.长庆实业集团有限公司 地质工艺研究所,陕西 西安 710021;4.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069)

沉积岩中的微量元素对环境的变化十分敏感,微量元素的含量及变化可以为恢复古沉积环境提供可靠的判别依据,其对古氧化还原状态的示踪尤为灵敏[1-2]。本研究通过对鄂尔多斯盆地东南部泥岩样品微量元素的分析,结合岩石的沉积学特征等,定量或半定量地分析水体的古盐度、氧化还原状态、古水深和古气候等古环境特征，以恢复研究区及其周边地区在延长组沉积期的古环境,以期为沉积、构造演化的研究和勘探开发提供理论支撑。本研究的样品全部来自于研究区内的钻井取心,涉及30口钻井,取样62件,全部为延长组各油层组的泥岩或粉砂质泥岩样品(见表1),以减小机械差异对沉积物成分造成的影响[3]。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地地处大华北地台西部,是华北古生代克拉通台地之上的中、新生代大型陆内叠合盆地[1],地跨陕、甘、宁、蒙、晋5省,是中国第二大盆地。鄂尔多斯盆地是一个沉降稳定、湖盆宽缓、拗陷迁移、扭动明显的多旋回大型沉积盆地[4-7],通常分为伊盟隆起、西缘逆冲带、天环拗陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带和渭北隆起6个构造单元。鄂尔多斯盆地上三叠统延长组是中国陆相三叠系地层中出露最好、研究最早、发育比较齐全的层型剖面,是鄂尔多斯盆地内陆湖盆形成后的第一套生储油岩系,也是盆地主要的勘探开发目的层系之一；延长组自下而上可划分为长10～长1十个油层组；在延长组的沉积历史过程中,湖盆经历了发生、发展、鼎盛、衰减和消亡这5个阶段[5, 8-10]。延长组是一套典型的以河流—三角洲—湖泊相为特征的陆源碎屑岩体系,湖盆呈北东—南西走向,盆地内水系丰富,物源供应充足；盆地东北部地形较平缓,发育曲流河—三角洲沉积体系,西南部地形较陡,发育辫状河—辫状河三角洲沉积体系[11-13]。研究区位于盆地东南部正宁—宜川地区,主要属于伊陕斜坡构造单元(见图1)。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划分、研究区和取样位置图Fig.1 Map of tectonic units of Ordos Basin, location of the study area and sampling sites

2 古盐度分析

2.1 微量元素含量法

Li，Sr，Ni和Ga等微量元素对沉积水体的盐度条件十分敏感。前人研究指出,咸水环境中Li质量分数大于150 μg/g,Sr大于800 μg/g,Ni大于40 μg/g,Ga小于8 μg/g;淡水环境中，Li质量分数小于90 μg/g,Sr小于500 μg/g,Ni小于25 μg/g,Ga大于17 μg/g[14-16]。

根据样品分析(见表1,2,图2)可知,样品中Li质量分数25.6～69.1 μg/g,平均51.7 μg/g,小于90 μg/g,指示其为淡水环境。样品中Sr质量分数125～335 μg/g,平均230.8 μg/g,样品Sr质量分数均小于500 μg/g,指示淡水环境。样品中Ni质量分数22.3～65.1 μg/g,平均38.8 μg/g,其中,1个样品小于25 μg/g,39个样品25～40 μg/g,22个样品大于40 μg/g,在这22个样品中。长7样品的Ni含量更高,质量分数平均50.9μg/g,明显高于其他层位样品数据(42～45μg/g),说明多数样品来自于半咸水环境,少数样品来自于咸水环境或淡水环境,其中长7时期湖盆的水体可能盐度更高一些。样品中Ga质量分数13.8～38.2 μg/g,平均26.6 μg/g,其中1个样品小于17 μg/g,为13.8 μg/g,其余样品均大于17 μg/g,指示绝大多数样品来自于淡水环境,极少数样品来自于半咸水环境。综上所述,所分析的泥岩样品主要来自于淡水—半咸水沉积环境,偶有咸水注入盆地中。

表1 鄂尔多斯盆地东南部延长组泥岩样品微量、常量元素分析计算表Tab.1 Calculation table of trace and major elements of mudstone samples of Yanchang Formation in southeastern Ordos Basin

续表1

样号层位沉积相Sr/BaU/ThV/(V+Ni)V/CrNi/CoSr/CuδUCaO/(MgO×Al2O3)Mg/Ca古水深/mE-16长6三角洲前缘0.320.240.691.231.786.830.830.0242.0145.73 E-17长6三角洲前缘0.260.210.771.282.363.120.780.0113.8525.61 E-18长6深湖0.210.320.71.422.172.860.9976.40 E-19长6深湖0.20.320.71.412.132.80.9773.55 E-20长6深湖0.290.220.781.352.25.520.8042.11 E-21长6深湖0.330.220.771.382.025.590.800.0202.0958.81 E-22长6深湖0.330.210.781.221.895.330.7851.40 E-23长6深湖0.290.290.761.262.343.960.930.0152.6636.26 E-24长6三角洲前缘0.40.210.731.281.797.060.7735.22 E-25长6三角洲前缘0.370.210.761.362.225.070.7820.98 E-26长6三角洲前缘0.290.230.761.371.785.030.8144.35 E-27长6深湖0.340.20.741.31.634.280.750.0411.1091.63 F-1长7深湖0.350.330.741.492.43.830.990.0192.4463.96 F-2长7深湖0.190.240.761.381.83.210.8470.57 F-3长7深湖0.240.270.781.41.684.720.9028.54 F-4长7深湖0.240.180.81.251.593.990.7071.89 F-5长7深湖0.20.210.741.281.593.120.78154.60 F-6长7深湖0.20.210.741.281.63.090.78155.17 F-7长7深湖0.290.240.731.21.483.860.84147.29 F-8长7深湖0.310.340.61.242.114.441.010.0182.76161.26 F-9长7浅湖0.480.180.771.342.066.650.700.0281.5535.50 F-10长7三角洲前缘0.430.240.721.161.338.980.8330.63 F-11长7深湖0.330.220.771.431.643.630.7977.04 F-12长7深湖0.220.580.811.551.882.621.2768.53 F-13长7深湖0.280.250.781.432.174.980.8537.37 F-14长7深湖0.440.270.771.422.166.440.8955.72 F-15长7深湖0.410.220.811.32.116.680.8032.57 F-16长7深湖0.380.240.761.281.844.930.840.0670.7558.63 G-1长8三角洲前缘0.370.270.721.351.954.690.900.0143.3243.75 G-2长8三角洲前缘0.360.230.761.392.075.280.8119.32 G-3长8三角洲前缘0.290.310.721.31.944.240.9646.73 G-4长8三角洲前缘0.290.30.731.311.954.230.9545.02 G-5长8三角洲前缘0.290.20.761.281.934.520.7625.78 H-1长9三角洲前缘0.560.230.721.522.365.320.810.0075.6348.63 I-1长10三角洲前缘0.350.240.711.241.745.850.830.0271.8852.26

表2 古盐度的微量元素判别指标及样品数据统计Tab.2 Traceelement discrimination index and sample data statistics of paleosalinity

2.2 Sr/Ba比值法

Sr含量可以作为古盐度的判定指标，而Sr/Ba比值也是古盐度判定的一个常用的有效手段。通常,在淡水中，Sr与Ba都作为离子溶于水中,并不易发生沉淀,相比而言,Ba的迁移能力要弱于Sr[16]。当淡水中有咸水注入时,Ba2+与咸水中的SO42-相结合形成BaSO4沉淀,而Sr的溶解性更强,反应不如Ba那么灵敏,Sr可以在水体中保持溶解到盐度达到一定高度,因此,随着水体盐度的增大,Sr/Ba比值会持续增大。根据前人的研究,当Sr/Ba比值大于1时,为咸水(海相)环境,当Sr/Ba比值小于0.6时,为淡水(陆相)环境,当介于0.6～1时为半咸水(海陆过渡相)环境[14, 16]。根据统计(见表1,2,图2),本次样品的Sr/Ba比值全部介于0.19～0.58,平均0.31,符合淡水沉积环境的特征。其中,有两个样品Sr/Ba比值大于0.5,靠近半咸水环境的Sr/Ba特征值。

综合考虑敏感微量元素含量和Sr/Ba比值特征可知,延长组沉积时期，鄂尔多斯盆地内为淡水—半咸水环境,以淡水环境为主,偶有因咸水注入而形成的局部半咸水环境。

3 氧化-还原条件分析

U，V，Cr，Co等微量元素对特定的氧化还原环境敏感,其富集程度明显受控于沉积环境的氧化还原条件[17]。U在还原条件下溶解度低,而在氧化条件下极易被氧化而迁移,致使沉积物中U元素缺失；无论是在还原环境还是氧化环境中,Th元素的溶解度都不高,容易富集在沉积物中。因此,δU和U/Th值可以判定沉积环境的氧化还原条件, 其中,δU=2U/(Th/3+U)[18-21]。 V， Ni， Cr和Co元素具有相似的氧化条件下易迁移, 而还原条件下易沉淀的特点。 前人研究, 提出了V/(V+Ni)，V/Cr和Ni/Co等氧化还原环境的判别指标[22-26]。

分析样品数据得知(见表1,3, 见图2), 样品δU值介于0.7～1.39, 平均0.85, 其中有4个样品数据大于1, 这4个样品分别来自于长6(2个)和长7(2个)， 这说明多数样品来自于弱氧化-弱还原环境, 少数样品来自于还原环境。 样品U/Th值为0.18～0.58,平均0.24,说明样品来自于弱氧化-氧化环境。样品V/(V+Ni)值为0.6～0.81,平均0.75,其中有11个样品大于0.77,分别来自于长3(2个)、长4+5(1个)、长6(3个)、长7(5个)，这说明多数样品来自于弱氧化-弱还原环境,少数样品来自于还原环境。样品V/Cr值为0.99～1.6,平均1.32,说明样品全部来自于氧化环境。样品Ni/Co值为1.33～2.4,平均1.89,说明样品全部来自于氧化环境。

综合以上各项分析可知，在延长组沉积时期,鄂尔多斯盆地内的水体主要是弱氧化弱还原-氧化环境,在局部水体较深处,尤其是深湖环境广泛发育的长6和长7时期,则出现了还原环境。

表3 氧化还原环境的微量元素判别指标及样品数据统计Tab.3 Traceelement discrimination index and sample data statistics ofoxidation-deoxidation environment

图2 微量元素数据对比图Fig.2 Contrast map of trace element data

4 古水深分析

4.1 钴元素含量分析法

传统的古水深分析方法通常是利用沉积岩的岩性、沉积构造、沉积相、古生物遗迹和化石等定性或半定量分析古水深,周洪瑞(1999)、吴智平(2000)等提出利用Co元素含量定量计算沉积环境的最大古水深,多位学者在科研和工作中利用此方法并取得了良好效果[16, 27-29]。其计算公式如下:

(1)

t=SLa/NLa，

(2)

(3)

式中：Vs代表样品沉积时的沉积速率，m/Ma;Vo代表正常环境的沉积速率,湖泊—三角洲泥岩沉积速率为(0.2～0.3)×103m/Ma[16, 29];NCo代表正常湖泊沉积物中Co的平均丰度,20 μg/g;SCo代表样品中Co的丰度μg/g;TCo代表陆源碎屑岩中Co的丰度,4.68 μg/g;t代表陆源输入的Co元素对样品的影响;SLa代表样品中La的丰度，μg/g;NLa代表陆源碎屑岩中La的平均丰度，38.99 μg/g;C为常数，3.05×105,通过测定现代海洋水深和沉积速率所得;h代表古水深，m。

图3 古水深变化柱状图Fig.3 Histogram of paleo-bathymetric variation

通过计算得知(见表4),样品反映的古水深介于16.35～161.26 m,平均59.17 m。根据样品数较多的长3～长8古水深数据做出的柱状图(见图3)可知，其与鄂尔多斯盆地东南部延长期湖盆发展规律基本相一致,即长7为最大湖泛期,深湖面积最广阔,水体最深,介于28.54～161.26 m,各数据点最大古水深的平均值为78.08 m。其次,长6和长4+5时期深湖面积也较广阔[9,13],计算得出长6各数据点最大古水深的值为59.50 m,长4+5各数据点最大古水深的值为47.98 m。延长组其他时期湖盆水体属于滨浅湖范畴,长3各数据点最大古水深的值为39.48 m,长8各数据点最大古水深的平均值为36.12 m,其他层位由于数据较少不做计算。

4.2 岩性和沉积构造分析法

沉积岩是沉积环境的直观反映,而水生生物则对生存水深有严格要求,通过分析沉积岩的结构构造和生物遗迹化石等特征，可以反推沉积古水深。

研究区的深湖—半深湖区主要发育暗色泥页岩、油页岩和浊积岩,暗色泥页岩和油页岩中常见水平层理,生物化石相对于浅湖区要少,浊积岩则以鲍马序列、槽模、重荷模、火焰状构造和滑塌变形等为特征。滨浅湖区主要发育砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥页岩,常见平行层理、沙纹层理、中小型交错层理、波状层理和波痕等构造,生物化石和遗迹丰富。在高能浅水的近岸滨浅湖地带和水下分流河道间沉积中,常见垂直虫孔,以垂直管状居住迹大量发育为特征；在水能稍低的软质基底沉积环境中,如浅湖上部、河口坝等地带,也可见U形等不同形态的居住迹[30]。瓣腮类、介形类和叶肢介类生物多生活于浅水环境,其化石广泛分布于延长组的各个层位,而鱼类则多见于深水环境,浅水中分布较少。特殊的自生矿物也能在一定程度上反映古水深特征,例如菱铁矿形成于还原环境,黄铁矿形成于强还原环境,相应地,黄铁矿指示的古水深大于菱铁矿。

根据岩心及野外剖面资料,综合考虑沉积岩岩性和沉积构造等特征,定性地推断出研究区长4+5，长6，长7的古水深可达深湖—半深湖范畴,而长1，长2，长3，长8，长9，长10的古水深为滨浅湖等级。根据表4的判定关系,半定量地推断出长7时期的最大古水深大于50 m,长4+5和长6时期的最大古水深大于35 m,小于长7的最大古水深；其他油层组沉积时期的最大古水深为35 m左右。此定性推断结论与上文通过Co含量计算得出的古水深数据基本一致。

表4 研究区延长组沉积岩特征与对应古水深(据张才利[29],杨华[31],修改)Tab.4 Characteristics of sedimentary rocks of Yanchang Formation and ancient water depth in the study area

本次研究中,将古水深的定性和定量研究方法相结合,选取数据点较多的长6地层为研究对象,将Co含量计算所得的古水深值和定量标志投于平面图上,绘制出了长6时期古水深等值线图(见图4)。该图与前人绘制的长6沉积相图基本一致[12-13],由此可见，两种古水深的判别方法相辅相成,结论一致。若综合考虑两种方法,则能得出更详细准确的结论。

图4 鄂尔多斯盆地东南部长6沉积期古水深等值线图Fig.4 Paleo-bathymetric contour map of Chang 6 Sedimentary Period in southeastern Ordos Basin

5 古气候分析

前人研究认为,Sr/Cu比值对古气候的变化有灵敏的指示作用[1, 32-34],Sr/Cu小于10指示温暖湿润气候,大于10表示干燥炎热气候。本研究的数据分析表明(见表1),其所有样品的Sr/Cu值均小于10,介于2.62～8.98,平均4.82,说明延长组沉积时期,研究区整体呈现温暖湿润的气候特征。

此外, CaO/(MgO×Al2O3)和Mg/Ca对气候的变化也具有指示意义, 它们可以反映气温的高低, 其值越大, 代表的气温就相对越高。 本研究的数据分析表明(见表1),样品的CaO/(MgO×Al2O3)值为0.007～0.110, 平均0.030, Mg/Ca值为0.41～5.67, 平均2.23, 而纸坊组的CaO/(MgO×Al2O3)值平均0.09,Mg/Ca值平均2.49[35],均高于延长组,说明从纸坊组到延长组环境温度有所降低。

综上分析表明,延长组沉积时期,研究区处于温暖湿润的气候中,相比之前的纸坊组时期气温有所降低。

6 结 论

1)通过对样品的分析得知,样品沉积时,鄂尔多斯盆地的沉积水体为淡水—半咸水,以淡水环境为主,偶有咸水注入。

2)样品的测试数据表明，在延长组沉积时期,鄂尔多斯盆地内的水体主要是弱氧化弱还原-氧化环境,在局部水体较深处则会出现还原环境。

3)综合判断出延长组各数据点最大古水深的平均值为59.17 m,其中长7时期的古水深最深；根据泥岩样品中Co元素计算出长7最大古水深28.54 m～161.26 m,平均78.08 m；延长组其他时期最大古水深平均36.12～59.50 m。根据岩石学特征推断出长7古水深大于50 m,长4+5和长6时期的最大古水深大于35 m,其他油层组沉积时期的最大古水深为35 m左右。两种方法得出的结论相一致。

4)数据分析表明，延长组沉积时期,研究区处于温暖湿润的气候中,相比之前的纸坊组时期气温略有所降低。