银额盆地下白垩统巴音戈壁组泥岩地球化学特征及其古环境意义

李继东，付玉鑫，蒋飞虎，李妲，王亚明，刘云龙，郑伟，邢智峰

(1.中国石化中原油田分公司 勘探开发研究院，河南 濮阳 457001；2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

银额盆地位于内蒙古自治区中西部(内蒙古-兴安地槽褶皱带西部)，东西长约600 km，南北宽75～255 km，面积约12.3×104km2，为中国陆上勘探程度较低的大型含油气盆地。1955—1996年，原地质矿产部、中石油等多家单位在盆地内开展系统评价工作，实施了多期次的非震、地震和钻井测试，认为银额盆地是在前中生代复合基底上发育的分割性较强的中新生代断陷盆地群，并对查干凹陷展开了比较系统的评价。近5年来，中原油田相继在拐子湖凹陷部署并钻探从拐参1井到拐参10井的10口探井，累计上报三级石油地质储量6 000万t，“锁定”了中生代巴音戈壁组和前中生代基岩潜山两套增储“热门”层系。近年来，越来越多的学者对油页岩的形成环境进行详细研究，并对油页岩有机质富集的条件提出不同见解[1-3]。但由于银额盆地经过多期构造演化，地层叠置关系复杂，地层对比困难，因此，主产油层巴音戈壁组油页岩的形成环境和有机质富集条件存在一定争议[3-6]。本文以拐子湖凹陷拐参1井为研究对象，利用新的钻井岩心资料，结合元素地球化学数据，分析拐子湖凹陷巴音戈壁组的古水体条件与古气候特征，以期对早白垩世陆相古气候和有机质富集条件的研究提供一定理论依据，为进一步揭示拐子湖凹陷的沉积演化史提供支撑。

1 研究区地质概况

1.1 区域位置与构造格局

银额盆地位于内蒙古自治区西部乌拉特后旗，是在前寒武纪变质基底和古生代褶皱基底上发育的中新生代断坳叠合型盆地，位于古亚洲构造域与特提斯构造域的交汇部位，构造上处于古生代4大板块(塔里木板块、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和华北板块)的结合部位，经历板块构造演化、板内伸展和陆内造山等不同演化阶段，是天山-兴安岭造山系的主要组成部分。盆地内划分为7个坳陷(居延海坳陷、务桃亥坳陷、达古坳陷、苏亥图坳陷、尚丹坳陷、查干德勒坳陷和苏红图坳陷)和5个隆起(绿圆隆起、宗乃山隆起、特罗西滩隆起、本巴图隆起和楚鲁隆起)(图1)。

图1 银额盆地构造分区图Fig.1 Tectonic zoning map of the Yin’e Basin

拐子湖凹陷地处巴丹吉林沙漠腹地，受控于整个银额盆地的形成演化，经历多次构造运动，剥蚀不整合界面与断陷、坳陷双重结构明显。巴音戈壁组及苏一段对应于断陷期，巴一段沉积期为区内断层活动较强烈的时期，除边界断裂外，盆地内部还发育多个次级小断裂，形成多个局限的小地堑或半地堑；巴二段沉积期，盆内次级断裂活动减弱，边界断裂活动剧烈，断块掀斜，形成典型的东断西超的半地堑湖盆。随后，快速裂陷期形成巨厚的苏一段沉积，苏二段及银根组对应于断坳转换期[7-10]。

1.2 地层沉积特征

拐子湖凹陷主要发育白垩系(K)与新生界(Cz)。其中白垩系由下而上划分为巴音戈壁组、苏红图组、银根组与乌兰苏海组，巴音戈壁组又可分为巴一段和巴二段。巴音戈壁组底部是区域不整合面，表现为白垩系与古生代基底的不整合接触；顶部与苏红图组呈局部不整合接触，表现为盆地边缘的削蚀与上超。区域的断块掀斜与剥蚀造成较多的近源粗碎屑快速堆积，但沉积物分布受到断陷限制。巴一段与巴二段岩性组合差别较大，巴一段下部发育厚层棕褐色砂砾岩，上部以深色泥页岩为主；巴二段主要为深灰色泥岩夹浅灰色粉砂岩或深灰色泥岩与浅灰色粉砂岩不等厚互层，巴音戈壁组上覆苏红图组分布局限于断陷，岩性特征差异较大：苏一段下部岩性以紫红色泥岩、粉砂质泥岩互层为主，夹薄层粉砂质泥岩，局部夹薄-中厚层杂色泥岩和含砾粗砂岩；苏二段岩性主要为浅灰色白云质泥岩、粉砂质泥岩[8-9]。

岩心、测井、地震相和盆地古地貌背景综合分析结果表明，拐子湖凹陷断陷期是典型的半地堑盆地，有2个快速裂陷旋回，巴音戈壁组发育在断陷早期的第一个裂陷旋回，表现为同沉积断层活动强烈，沉积控制作用明显，主要发育扇三角洲、冲积扇、湖泊、重力流沉积等4种沉积相类[8]。以拐参1井为例，巴音戈壁组下覆玄武岩基底，从下至上，分别发育巴一段和巴二段，主要表现为湖泊相沉积。巴一段下部为扇三角洲前缘亚相(水下分流河道)杂色砂砾岩，逐渐过渡到深湖-半深湖灰黑色泥岩，其中夹一层灰褐色油斑粉砂岩，厚约3 m，为重要的勘探层位；上部为辫状河三角洲沉积体系，发育前三角洲亚相，主要为深灰色泥质沉积。巴二段下部主要发育三角洲前缘亚相的河口坝、水下分流间湾、水下分流河道等微相，此处发育厚层棕褐色油浸含砾中砂岩(主要含油层位)；巴二段上部发育浅湖沉积，以浅灰色厚层泥岩夹粉砂岩为主，并发育厚层浅湖砂坝(图2)。

2 材料与方法

本研究样品采自拐子湖凹陷中原油田勘探区，共采集了拐参1井23 件样品。从下至上连续采样，用于全面分析巴音戈壁组古环境随时间的演变特征。

样品在60 ℃恒温下烘干12 h，用玛瑙研钵研磨至200目以下，包裹于硫酸纸中，置于105 ℃恒温烘箱中完全烘干。送样到澳实分析检测(广州)有限公司进行微量元素和稀土元素检测。测试采用碱熔加四酸消解-等离子质谱定量法，其中常规微量元素Ag，Al，As，Be，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，Fe，Ge，In，K，Li，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Re，S，Sb，Sc，Se，Sn，Ta，Te，Ti，Tl，W，Zn选用酸溶测试结果；Al，Ca，Fe，K，Mg，Na，S，Ti以%为单位，选用ICP测试结果。稀土和难溶元素Ba，Ce，Cs，Dy，Er，Eu，Ga，Gd，Hf，Ho，La，Lu，Nb，Nd，Pr，Rb，Sm，Sr，Tb，Th，Tm，U，V，Y，Yb，Zr选用碱熔测试结果。仪器细分见表1，主要测试结果和参数整理见表2～3。

表1 银额盆地拐子湖凹陷拐参1井巴音戈壁组微量元素测试方法Tab.1 Elemental measuring method of the mudstones from the Bayingebi Formation of the well Gc1 of,Guaizihu Depression,Yin’e Basin

续表

表2 银额盆地拐子湖凹陷拐参1井巴音戈壁组泥岩微量元素地球化学数据Tab.2 Trace elemental raw data of the mudstones from the Bayingebi Formation of the well Gc1,Guaizihu Depression,Yin’e Basin

3 古环境讨论

依据巴音戈壁组巴一段和巴二段连续采集的23件样品元素地球化学数据，对拐参1井巴音戈壁组的沉积记录进行古氧化还原性、古盐度、古水深、古气候等古环境分析(图2)。

图2 银额盆地拐参1井巴音戈壁组元素地球化学特征与沉积、古气候演变Fig.2 Geochemical characteristics,sedimentological and paleoclimatic evolution of the Bayingebi Formation elements in the well Gc1,Yin’e Basin

3.1 古氧化还原性

受物质中有机碳含量和铁离子价态影响，岩石颜色在一定程度上可以反映沉积环境的氧化还原性。如泥岩颜色由浅及深，出现灰色→深灰色→灰黑色→黑色等变化，指示环境还原性不断增强。拐参1井岩性主要为泥页岩，巴一段以灰黑色泥岩为主，表明沉积环境具有较强的还原性；巴二段以深灰色-灰色泥岩为主，还原性较弱。岩石颜色自下而上从灰黑色逐渐变化为灰色，代表还原性逐渐减弱，但总体处于还原-弱还原环境。

(1)w(V)/w(V+Ni)为0.84～0.89，为水体分层较强的厌氧环境。

(2)w(V)/w(V+Ni)为0.54～0.82，为水体分层不强的厌氧环境。

(3)w(V)/w(V+Ni)为0.46～0.60，为水体分层较弱的含氧环境。

拐参1井自下而上w(V)/w(V+Ni)为0.6～0.85，均值为0.76，整体表现为水体分层不强的厌氧环境，个别沉积区段为分层较强的厌氧环境(图2)。

稀土元素Ce异常作为水体氧化还原环境的指示剂，常有Ce3+和Ce4+两种价态，Ce4+在水中易发生水解沉淀，Ce3+是Ce在水中的主要赋存形式。氧化环境下，Ce3+易氧化生成不稳定的Ce4+，进而发生水解沉淀，导致海水中Ce亏损；还原环境下，水体中Ce3+含量增多。利用公式Ceanom=lg[3w(Ce)N/(2w(La)N+w(Nd)N)]计算Ce异常指数，N代表北美页岩标准化。Ceanom<-0.1时，沉积岩中出现Ce亏损，代表氧化环境，水体相对较浅；Ceanom>-0.1时，沉积岩中Ce相对富集，代表还原环境，水体相对较深[11-13]。巴音戈壁组拐参1井样品Ceanom>-0.1，代表巴音戈壁组处于还原环境。

w(Th)/w(U)作为古环境氧化还原指标。Th对氧化还原环境不敏感，通常以Th4+形式存在于沉积物中。富氧环境中，沉积物中U4+易氧化为溶于水的U6+，使沉积物中出现U亏损；贫氧或缺氧环境中，水体中U6+还原为不溶性的U4+，U富集于沉积物中。w(Th)/w(U)为0～2指示缺氧环境，2～8指示贫氧环境，大于8指示氧化环境[14-16]。研究区巴音戈壁组拐参1井从下至上w(Th)/w(U)为0.75～6.35，均值为4.46，波动较大，反映多次缺氧-贫氧旋回。

根据岩性和地化特征，拐参1井巴音戈壁组沉积期自下而上表现为还原→弱还原缺氧→贫氧环境，且以贫氧为主。

3.2 古盐度

Sr和Ba是地壳中分布较广的微量元素，Sr，Ba的元素丰度比值是衡量古盐度较常用的指标。海相沉积环境更有利于Sr富集，陆源碎屑岩中，钾长石及黑云母作为Ba元素的载体，易造成Ba元素相对富集，因此，w(Sr)/w(Ba)越大，代表古盐度越大。统计分析结果表明：淡水沉积物中，w(Sr)/w(Ba)<1；海水沉积物中，w(Sr)/w(Ba)>1；半咸水沉积物中，0.6

图3 拐参1井w(Sr)/w(Cu)与w(Sr)/w(Ba)相关性分析Fig.3 Correlation analysis of w(Sr)/w(Cu)and w(Sr)/w(Ba)in well Gc1

利用Rockplot软件投点，得到Ba-Sr图解(图4)。该图解由麦列日克和普列多夫斯基在研究变质黏土岩的沉积环境时提出，根据不同沉积时期海洋和淡水成因的黏土B，Sr，Ba，K，Li，Rb等元素含量及比例不同，判别古盐度和海水/淡水沉积物[18]。依据Ba，Sr元素的相关性，分析沉积物的古盐度，并大致标出不同沉积环境下的沉积物区。Ba-Sr图(图4)的散点分布表明沉积期拐参1井多处于半咸水-咸水环境。武昕普等[6]对银额盆地巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组二段露天矿进行含油页岩岩系的地球化学特征分析表明：沉积期垂向上表现为炎热干旱→温暖湿润→半干旱气候环境，咸水→淡水→半咸水还原水体环境。其中半咸水-咸水环境有利于有机质富集，形成高品质油页岩。本对拐参1井巴音戈壁组古盐度分析结果表明：沉积期多处于半咸水-咸水还原环境，这是巴音戈壁组成为主产油层的有利因素之一。

图4 拐参1井泥岩Ba-Sr古盐度图Fig.4 A Ba-Sr map indicative of paleosalinity of the mudstones in the well Gc1

3.3 古水深

传统的古水深分析方法通常利用沉积岩的岩性、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。吴智平等[19]提出利用Co元素质量分数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[16,20-21]。其计算公式为

Vs=Vo×(NCo)/(SCo-t×TCo),

(1)

t=SLa/NLa,

(2)

(3)

式中：Vs为样品的沉积速率,m/Ma；Vo为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；NCo为正常湖泊沉积物中Co元素的平均丰度,为20 μg/g；SCo为样品中Co无素的丰度,μg/g；TCo为陆源碎屑岩中Co元素的丰度,为4.68 μg/g；t为陆源输入的Co元素对样品的影响；SLa为样品中La元素的丰度,μg/g；NLa为陆源碎屑岩中La元素的平均丰度，为38.99 μg/g；C为常数，C=3.05×105，通过测定现代海洋水深和沉积速率得到；h为古水深，m。

根据拐参1井样品的地球化学数据，利用Co元素质量分数定量分析古水深，结果表明，不同位置泥岩样品的w(Co)变化大体反映了古水深变化：巴一段下部有一段较深水沉积；巴一段上部和巴二段下部存在较深水沉积到浅水沉积的变换。也有人利用w(Th)/w(U)反映研究古水深变化，将该比值与Co元素含量的定量计算进行对比，结果表明，二者在古水深的推测上表现基本一致(图2，表2)。

3.4 古气候

稀土元素总量(∑REE)高低在一定程度上反映了沉积期的气候变化。黏土矿物是影响稀土元素富集的重要因素，温暖湿润环境下，有机质含量较高，黏土矿物在由REE形成的络离子作用下与有机质结合，有利于稀土元素的富集和保存；干冷或干热气候条件不利于稀土元素保存，导致∑REE值降低[22-25]。从表3和图2可以看出，拐参1井∑REE均值为187.07 μg/g，多数高于北美页岩∑REE标准值(173.21 μg/g)，说明研究区沉积时期整体上处于相对温暖湿润气候环境。巴一段∑REE多在110～205 μg/g波动，巴一段下部井深3 555～3 615 m段，∑REE先骤降后剧增，反映巴一段沉积早期有一段干旱炎热时期，之后气候以半干旱为主。巴二段∑REE变化在174～224 μg/g，未出现明显骤降或剧增，反映巴二段沉积时期以温暖湿润气候为主，并向半干旱气候转变。巴音戈壁组孢粉化石主要保存于含油页岩岩系的灰色泥岩中(见巴一段顶部至巴二段底部)，以松柏类两气囊花粉(包括两气囊分化不完善的原始松柏类)繁盛为特征，见少量苏铁科的孢粉和零星分子如褶皱周壁粉等(图5)，该阶段植被较单调，裸子植物多，蕨类植物少，指示存在一段较温暖湿润的时期[4,26]，有利于有机质产出和保存，且逐渐向干热气候转化。柳蓉等[5]对银额盆地巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组钻井岩心进行孢粉分析，认为研究区属于暖温带-北亚热带气候类型，总体表现为半湿润-湿润气候，部分层位为半干旱气候，并且有机质主要富集在半湿润-湿润气候地层中，这与本文分析结果基本一致。半湿润-湿润气候条件可以加速大气水循环，增强母岩化学风化和陆源输入，引起表层水体微生物(主要是浮游植物)繁盛，生物产率和有机质埋藏增加，而底层水体表现为缺氧状况，这些都有利于有机质的埋藏和保存。

表3 银额盆地拐子湖凹陷拐参1井巴音戈壁组泥岩稀土元素地球化学数据Tab.3 Rare earth elemental raw data of the mudstones from the Bayingebi Formation of the well Gc1,Guaizihu Depression,Yin’e Basin

(a)(b)(d)苏铁粉(未定多种)Cycadopites spp.;(c)环圈克拉梭粉Classopollis annulatus;(e)(f)具两气囊花粉Disacciatrileti;(g)(h)褶皱周壁粉Perinopollenites elatoides

干旱气候条件下，水体介质趋于碱性，Sr，Cu等元素从水体中析出，富集于岩石中。因此，w(Sr)/w(Cu)为1～10时，常指示温湿气候条件；w(Sr)/w(Cu)>10时，指示干热气候条件[13]。拐参1井自下而上w(Sr)/w(Cu)整体变化不大，只在巴一段下部和巴二段上部比值明显增大，其他部分保持在1～10，均值为7.89，且从下至上表现为干旱→较干旱→湿润→较干旱气候环境。结合，REE结果可以推断，拐参1井巴音戈壁组沉积时期古气候总体表现为半干旱→湿润→半干旱，且在沉积早期有一段干旱时期(图2)。

4 结 论

(1)氧化还原特征。根据w(Th)/w(U)、w(V)/w(V+Ni),Ce异常等地化指标和岩性特征，拐参1井巴音戈壁组沉积期自下而上表现为还原性→较弱还原性的缺氧→贫氧环境，且以贫氧为主。

(2)古盐度分析。拐参1井巴音戈壁组w(Sr)/w(Ba)均值为0.75，自下向上多表现为淡水→半咸水环境。巴一段w(Sr)/w(Ba)多为0.6～0.9，巴二段w(Sr)/w(Ba)多为0.3～0.75波动，总体而言，巴一段沉积期古盐度高于巴二段的。w(Sr)/w(Ba)在巴一段底部和巴二段上部又各有一次明显右偏，这两次右偏和w(Sr)/w(Cu)两次右偏保持一致，二者呈正相关关系，相关系数达2.38，推测右偏时古盐度的显著增高可能与暂时的干旱气候有关。由Ba-Sr图的散点分布可知沉积期多处于半咸水-咸水环境。

(3)古水深推测。利用巴音戈壁组采样点地球化学数据定量计算w(Co),分析古水深变化，巴一段下部有一段较深水沉积；巴一段上部和巴二段存在较深水沉积到浅水沉积的变换。

(4)古气候分析。拐参1井ΣREE均值为187.07 μg/g，多数高于北美页岩，REE(173.21 μg/g)。巴一段，REE多在110～205 μg/g波动，且巴一段下部，REE出现先骤降后剧增的变化，反映巴一段沉积早期有一段相对干旱时期，之后气候以半干旱为主。巴二段，REE为174～224 μg/g，但数值未出现明显骤降或剧增，反映巴二段早期气候以温暖湿润为主，并向半干旱气候转变。拐参1井自下而上w(Sr)/w(Cu)整体变化不大，只在巴一段下部和巴二段上部明显增大，其他层位保持在1～10，结合孢粉化石分析结果，推测巴音戈壁组含油页岩岩系沉积时期为较温暖湿润气候，利于有机质产出和保存。古气候垂向上表现为较干旱→湿润→较干旱特征。