鄂尔多斯盆地西南缘寒武系辛集组碳酸盐岩地球化学特征及古环境重建

陶文星，梁积伟，杨 光，马晓军，刘亚兰，姜柳青，宇振昆，冯振伟.

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054；2.长庆油田第四采油厂，陕西榆林 718500)

鄂尔多斯盆地是大型沉积盆地，其天然气、煤层气和煤炭资源探明储量巨大[1-3]。目前，盆地油气资源勘探主要集中在奥陶系的碳酸盐岩、上古生界和中生界的砂岩、页岩等方面[1-3]，而寒武系研究薄弱。辛集组属寒武系第二统，是一期大规模海侵事件形成的一套碳酸盐岩和碎屑岩组合[4-5]。前人对辛集组的研究大多集中在定性的岩相学方面[6-7]，而定量的地球化学方面的研究明显不足。本文通过全岩X衍射、主量元素、微量元素和稀土元素分析测试，分析辛集组碳酸盐岩的地球化学特征，探讨碳酸盐岩的物源性质和古环境，为进一步研究寒武系碳酸盐岩沉积环境及油气勘探潜力提供依据和地质资料。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地隶属华北板块，面积为25×104km2，是一个大型复合型沉积盆地，其基底为太古代至中元古代形成的克拉通地块[3]。盆地在晋宁运动时期进入大陆裂谷发育阶段，随着晋宁运动结束，盆地进入沉降阶段；印支期时，由于华南、华北板块碰撞，盆地南部发生隆起，秦岭造山带形成；经历燕山和喜山运动后，盆地周边断陷发育，鄂尔多斯盆地形成了现今的构造地貌格局(图1)，其西南缘受西缘冲断构造带、天环坳陷和渭北隆起三个一级构造单元共同控制[8]。寒武纪第二统辛集组主要为无障壁岛滨岸沉积，发育岩性有白云岩、砂岩和泥岩，构造上与下部罗圈组呈平行不整合接触，与上部朱砂洞组呈整合接触[4]。

2 样品采集及分析方法

以野外露头样品为研究对象，一共采集了6块碳酸盐岩样品，自下而上分别编号D1、D2、D3、D4、D5和D6。对全部样品进行主量元素、微量元素和稀土元素分析测试，对D2和D4进行全岩X射线衍射(XRD)实验。样品进行主量元素测试时，将样品研磨至200目的粉末，并进行X射线荧光光谱法(XRF)测试；微量元素和稀土元素测试时，同样将样品加工至200目，通过等离子体质普法(ICP-MS)测定完成。实验具体步骤参照国标文件，且误差控制在1%以内。所有样品在实验前均保存在自封袋中，防止样品被污染。

图1 鄂尔多斯盆地西南缘构造简图及地层分布表(底图据邱欣卫[8]，2011)Fig.1 Tectonic geological map and stratigraphic distribution table on the southwest of Ordos Basin (after Qiu[8], 2011)

3 结果

3.1 岩性特征

对D2和D4样品进行了XRD测试，测定碳酸盐岩中的矿物含量，具体结果如表1和图2所示。其中矿物以方解石为主(平均含量为66.45%)，其次为石英(平均含量为21.6%)和伊利石(9.6%)，其中D4样品中含有长石(含量为4.7%)。

表1 辛集组碳酸盐岩样品XRD结果Table 1 Results of XRD of Xinji formation carbonate samples

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素

碳酸盐岩样品中主量元素的含量见表2，其中CaO的含量最高(30.59%～41.50%，平均为36.87%)，其次为SiO2(3.94%～28.30%，平均为14.40%)、Al2O3(1.10%～3.35%，平均为2.08%)和Fe2O3(0.94%～2.80%，平均为1.73%)，其余元素含量均小于1%。将主量元素与上陆壳均值(UCC)进行比较，可以看出CaO和MnO显示相对富集(图3)，高含量的CaO与XRD结果一致。根据前人研究表明，钙在岩石中以多种形式存在[9]。在海相碎屑岩中，大量方解石指示了Ca和方解石存在关联[9]。在辛集组碳酸盐岩样品中，方解石含量高指示了Ca主要以方解石的形式存在。另外CaO和Al2O3之间的负相关(r=-0.85)(图4a)显示Ca并非来自黏土矿物等陆源碎屑。

图2 样品XRD波谱图Fig.2 XRD spectra of the samples

图3 主量元素上陆壳均值化蛛网图Fig.3 UCC-normalized spider diagram of major elements

图4 相关性图解Fig.4 Correlation diagrams

3.2.2 微量元素

碳酸盐岩样品中微量元素的含量见表3。通过和UCC值相比较，发现样品中Cu和Y相对UCC值富集。许多元素相对UCC值有不同程度的亏损，其中Zr较亏损，Rb和Sr严重亏损，其余元素轻微亏损。

3.2.3 稀土元素

辛集组碳酸盐岩稀土元素含量和参数列在表4。样品的ΣREE范围为(44.65～252.28)×10-6，平均为137.94×10-6，与UCC值(146.00×10-6)相比，略微亏损。样品中轻稀土富集，重稀土平坦，Eu元素有明显的负异常(图5)。

表3 辛集组碳酸盐岩样品微量元素含量表Table 3 Trace elements content of Xinji formation carbonate samples

表4 辛集组碳酸盐岩样品稀土元素含量表Table 4 Rare earth elements content of Xinji formation carbonate samples

表5 辛集组碳酸盐岩样品地球化学元素参数比值结果Table 5 Element parameters results of Xinji formation carbonate samples

图5 稀土元素球粒陨石化配分曲线图Fig.5 Chondrite-normalized distribution patterns diagram of rare earth elements

4 讨论

4.1 物源

稀土元素和某些微量元素化学性质稳定，不会受到风化剥蚀搬运沉积和成岩作用的影响[12-13]。因此，用稀土元素和微量元素可以确定物源特征和类型。

Eu元素负异常常发生在中酸性侵入岩、火山岩、长英质变质岩和陆源的沉积岩中[12]。据前人研究，Eu异常可能有两种原因：一种是在ICP-MS测试过程中，由于Ba元素的存在导致Eu产生异常；另一种是由于Eu元素富集于斜长石中，而随着岩浆演化过程中斜长石的析出，进而导致Eu元素负异常[12]。根据样品中Ba元素和Eu元素的高相关性(r=0.86)(图4b)以及XRD结果中低的长石含量，判断辛集组碳酸盐岩样品稀土元素中Eu的负异常为ICP-MS测试技术导致，并不能用于指示物源情况。

沉积岩中的化学组分一般为陆源碎屑、生物作用和海水来源3种方式[14]。Y元素和Ho元素化学性质相似，因此可以用Y/Ho来判断沉积物类型。根据研究显示，火山岩和陆源碎屑岩的Y/Ho比值约为28，而海水来源的岩石的Y/Ho比值为44～74[12]。辛集组碳酸盐岩样品中Y/Ho比值范围为26.93～30.52(平均为28.95)(表5)，结合Y-Y/Ho图可以判定辛集组碳酸盐岩为陆源碎屑岩(图6)。

图6 辛集组碳酸盐岩样品Y-Y/Ho关系图解(底图据Bau and Dulski[15], 1996)Fig.6 Y-Y/Ho relationship diagram of Xinji formation carbonate samples (after Bau and Dulski[15], 1996)

La/Th-Hf和La/Yb-ΣREE图可以分别用来判断物源类型和源岩类型[14,16]。如图7、图8所示，辛集组碳酸盐岩样品物源多为长英质、基性岩混合物源，D4样品显示为酸性岛弧物源；源岩类型为大陆拉斑玄武岩。

总体来看，辛集组碳酸盐岩样品的物源主要为陆源碎屑物质，物源主要为长英质、基性岩混合物，源岩类型为大陆拉斑玄武岩。

图7 物源判别图(底图据Floyed and Leveridge[16], 1987)Fig.7 Diagram of provenance (after Floyed and Leveridge[16], 1987)

图8 沉积物类型判别图(底图据Allègre and Minster[14], 1978)Fig.8 Diagram of sediments type (after Allègre and Minster[14], 1978)

4.2 古盐度

沉积岩中MgO元素具有亲海的特征，Al2O3元素具有亲陆的特征[17]。根据此特性建立m值(m=100×MgO/Al2O3)来判断沉积时的水体环境：当m<1时，代表淡水沉积环境；当1≤m<10时，代表海陆过渡沉积环境；当10≤m≤500时，代表海水沉积环境；当m>500时，代表陆表海、潟湖沉积环境[17]。研究区辛集组碳酸盐岩样品的m值范围在18.06～83.64之间，平均值为38.88(表5)，说明碳酸盐岩沉积环境为海水沉积环境。

由于Sr和Ba元素的地球化学性质相似，但Sr在海水中的迁移能力强于Ba[18]，因此，海相沉积物中Sr的富集程度要大于Ba，故Sr/Ba比值较高并且和古盐度呈正相关性。通常情况下，Sr/Ba>1时，指示海相—咸水介质；Sr/Ba<0.6时，指示陆相或淡水介质；1≤Sr/Ba≤0.6时，为过渡介质[18]。辛集组碳酸盐岩样品的Sr/Ba值范围在0.72～10.11(平均为4.51)(表5)，对应海相—咸水沉积环境。

4.3 古气候

Sr/Cu可以用来反映沉积时期的古气候情况[19]。当110时，反映干热气候[19]。辛集组碳酸盐岩样品的Sr/Cu范围为3.73～77.72(平均为27.86)(表5)，说明当时主要处于一个干热的古气候背景下。

4.4 古氧化还原条件

由于Ni、Co、V和Cr元素对氧化还原反应条件很敏感，因此Ni/Co和V/Cr等特征参数可以用来恢复古氧化还原环境[12]。由于这些元素本身对还原相环境的溶解度极低，因此当环境逐渐转向氧化相时，这些特征参数的比值都会下降。根据前人研究，Ni/Co<5和V/Cr<2指示氧化环境，Ni/Co>5 和V/Cr>2代表还原环境[12]。辛集组碳酸盐岩样品的Ni/Co范围为1.18～3.61(平均为2.60)(表5)，V/Cr范围为0.71～1.95(平均为1.25)(表5)，因此古氧化还原环境主要为氧化环境。

5 结论

(1)根据Y-Y/Ho、La/Th-Hf 和La/Yb-ΣREE图显示，辛集组碳酸盐岩样品的物源主要为陆源碎屑物质，物源主要为长英质、基性岩混合物，源岩类型为大陆拉斑玄武岩。

(2)辛集组碳酸盐岩样品的m值和Sr/Ba比值范围分别为18.06～83.64(平均为38.88)和0.72～10.11(平均为4.51)，表明沉积在一个海相环境中。

(3)辛集组碳酸盐岩样品的Sr/Cu比值范围为3.73～77.72(平均为27.86)，反映辛集组碳酸盐岩样品沉积期古气候为干燥炎热。

(4)辛集组碳酸盐岩样品的Ni/Co和V/Cr比值分别为1.18～3.61(平均为2.60)和0.71～1.92(平均为1.25)，依此判断其古氧化还原环境主要为氧化环境。