鄂爾多斯盆地東緣馬家溝組元素地球化學(xué)特征及古沉積環(huán)境

王琳霖，浮 昀，方詩杰

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部 鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室，北京 100037； 2.長慶油田 第八采油廠采油工藝研究所，西安 7100183； 3.新疆油田公司 陸梁油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

鄂爾多斯盆地是我國重要的含油氣和含鹽盆地。近年來，隨著油氣和鉀鹽等多礦種綜合勘查工作在鄂爾多斯盆地的持續(xù)推進(jìn)，尋找鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層氣藏和海相鉀鹽已經(jīng)成為該地區(qū)的重要工作。多年來，針對鄂爾多斯盆地奧陶系沉積儲層特征及形成機(jī)理開展了豐富的工作[1-3]。已有的研究證明，廣大古陸內(nèi)形成的巨量蒸發(fā)巖普遍與地質(zhì)歷史中干旱的氣候有關(guān)，濕熱氣候及其與干旱氣候頻繁的轉(zhuǎn)換不利于鉀鹽的形成[4]。因此，在我國小陸塊海相盆地成鉀的構(gòu)造背景下，古氣候條件是制約鉀鹽生成和分布的重要因素。準(zhǔn)確分析奧陶紀(jì)成鹽時期的古氣候條件和沉積環(huán)境，可以構(gòu)建奧陶系馬家溝組沉積特征與沉積期古氣候的時空耦合關(guān)系，其古氣候演化也可為下一步尋找含鉀層段提供新的參考。沉積水體中原生沉積物內(nèi)保持了古沉積時期原始的元素與同位素地球化學(xué)信息，其化學(xué)元素分配及比值的變化可以反映古氣候以及成巖流體的古鹽度、古氧化還原性質(zhì)[5-17]。因此，本文以鄂爾多斯盆地東部奧陶系馬家溝組沉積特征為基礎(chǔ)，應(yīng)用主、微量元素地球化學(xué)分析方法，建立馬家溝組沉積時期的古氣候演化序列，以期為該地區(qū)奧陶系油氣和鉀鹽勘探提供參考。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是華北地臺西部的一個次級構(gòu)造單元，盆地內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定，整體東高西低，地層相對平緩。盆地依照現(xiàn)今構(gòu)造特征主要劃分為西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊盟隆起、伊陜斜坡、晉西撓褶帶及渭北隆起等6個構(gòu)造單元(圖1a)。盆地的結(jié)晶基底為太古代和下元古代的變質(zhì)巖系，上部沉積地層經(jīng)歷中新元古代拗拉谷、早古生代淺海臺地、晚古生代近海平原、中生代內(nèi)陸盆地和新生帶周邊斷陷共5個演化階段，形成下古生界碳酸鹽巖、上古生界海陸過渡相煤系和中新生代內(nèi)陸碎屑沉積的三層結(jié)構(gòu)。

馬家溝組沉積時期，受中央古隆起和邊側(cè)坳陷影響，盆地處于陸表海沉積背景，形成了以碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖為主的多旋回不等厚沉積。按照沉積特征將馬家溝組劃分為3個完整沉積旋回和6個巖性段(圖1b)，自下而上分別為馬一段—馬六段。其中馬一段、馬三段和馬五段以蒸發(fā)巖沉積為主，主要巖性為鹽巖和硬石膏巖，夾灰?guī)r和泥質(zhì)云巖以及少量膏云巖；馬二段、馬四段和馬六段為正常淺海沉積，巖性主要為灰?guī)r和白云巖，夾膏巖和云質(zhì)泥巖。

2 巖石類型

鄂爾多斯盆地東緣鎮(zhèn)鉀1井(圖1a)馬家溝組自上而下依次發(fā)育馬五段、馬四段、馬三段、馬二段和馬一段。馬五段又進(jìn)一步細(xì)分成了5個亞段：馬五1-3亞段巖性為淺灰色粉晶灰?guī)r和角礫灰?guī)r；馬五4亞段，以鹽巖、膏巖和膏質(zhì)云巖為主；馬五5亞段巖性為灰黑色斑狀泥粉晶—粗粉晶灰?guī)r；馬五6亞段巖性為淺褐色、褐紅色、灰色、灰白色鹽巖，以及灰白色膏巖、深灰色膏質(zhì)云巖、鈣質(zhì)泥巖；馬五7-10亞段巖性為灰黑色灰?guī)r與灰白色膏巖、深灰色泥晶云巖互層。馬四段巖性為灰黑色灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)云巖，普遍具斑狀和縫合線構(gòu)造。馬三段巖性以紅色鹽巖、灰白色膏巖、深灰白色云巖不等厚互層為主。馬二段巖性主要為深灰色灰?guī)r、灰黑色灰質(zhì)云巖，夾鹽巖、石膏巖和白云巖，其中石鹽鑄?？缀涂p合線構(gòu)造發(fā)育。馬一段巖性以灰白色膏巖、深灰—灰黑色泥質(zhì)云巖、淺褐色—褐紅色鹽巖為主，底部沉積一層約2 m厚的青灰色石英砂巖，與下伏地層寒武系張夏組呈假整合接觸。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及地層分布

通過巖心觀察和巖石薄片分析，馬家溝組的巖石類型以碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖為主，碎屑巖發(fā)育較少。其中，碳酸鹽巖包括灰?guī)r和白云巖，灰?guī)r進(jìn)一步劃分為灰泥灰?guī)r(圖2a)和生物碎屑灰?guī)r(圖2b)；白云巖進(jìn)一步劃分為泥晶白云巖(圖2c)、粉晶白云巖(圖2d, 2e)和細(xì)晶白云巖(圖2f)。蒸發(fā)巖包括石膏巖和鹽巖(圖2i)，其中膏巖又細(xì)分為硬石膏巖(圖2g)、含云膏巖(圖2h)和含泥硬石膏巖。

3 馬家溝組元素地球化學(xué)特征

3.1 測試方法與成巖作用影響

樣品來自鎮(zhèn)鉀1井奧陶系鉆井巖心，共18件，其中馬二段3件，馬三段2件，馬四段2件，馬五段11件，樣品基本可以代表馬家溝組整體沉積時期的特征。分析測試內(nèi)容主要包括主量元素和微量元素(表1)。主量元素分析儀器為AxiosmAX型X射線熒光光譜儀，微量元素為NexION300D等離子體質(zhì)譜儀。主量元素和微量元素測試主要依據(jù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 14506.28-2010和GB/T 14506.30-2010，由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。

較強(qiáng)的成巖蝕變可能會引起巖石中元素組成的改變，進(jìn)而影響對沉積環(huán)境信息的保存。DERRY等[18]和JACOBSEN等[19]分別對西伯利亞穩(wěn)定地塊內(nèi)下寒武統(tǒng)碳酸鹽巖樣品以及西伯利亞地區(qū)石灰?guī)r樣品的主微量元素進(jìn)行統(tǒng)計，建立了Mn、Sr等元素在指示碳酸鹽巖及蒸發(fā)巖蝕變程度上的經(jīng)驗參考值，他們均指出當(dāng)w(Mn)/w(Sr)≤0.6的情況下，巖石樣品沒有遭受蝕變或者遭受了非常小的后期蝕變，可以作為指示古沉積環(huán)境的元素地球化學(xué)指標(biāo)。本次分析采用的馬家溝組巖石樣品的w(Mn)/w(Sr)值基本小于0.6(圖3a)，表明樣品沒有遭受或遭受了較小的蝕變作用，其元素分析結(jié)果可以有效地反映研究區(qū)馬家溝組的原始地球化學(xué)特征。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣奧陶系鎮(zhèn)鉀1井馬家溝組巖石類型與特征

a.灰泥石灰?guī)r，2 850.25 m。礦物成分：方解石95%，白云石3%，其他2%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒5%(主要為硬石膏、白云石)，基質(zhì)95%(主要為泥晶方解石)；b.生物碎屑灰?guī)r，3 186.58 m。礦物成分：方解石85%，黏土15%；結(jié)構(gòu)組分：顆粒80%(主要為生物碎屑)，基質(zhì)20%(灰泥、泥質(zhì))；c.泥晶白云巖，3 185.99 m。礦物成分：白云石97%，石英2%，石膏1%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒3%(石英和硬石膏)，云泥97%(云泥)；d.粉晶白云巖，2 860.28 m。礦物成分：白云石 99%，有機(jī)質(zhì)1%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒99%(白云石和生物碎屑)，基質(zhì)1%(黑色有機(jī)質(zhì)或瀝青)；e.膏質(zhì)泥粉晶白云巖，2 890.34 m。礦物成分：白云石70%，硬石膏27%，泥質(zhì)3%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒30%(硬石膏)，基質(zhì)70%(云泥)；f.細(xì)晶白云巖，3 183.79 m。礦物成分：白云石 100%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒100%；g.硬石膏巖，2 873.04 m。礦物成分：硬石膏85%，白云石15%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒85%(硬石膏)，基質(zhì)15%(云泥和暗色有機(jī)質(zhì))；h.含云硬石膏巖，2 867.5 m。礦物成分：硬石膏90%，白云石10%；結(jié)構(gòu)組分：晶粒90%(硬石膏)，基質(zhì)10%(云泥)；i.石鹽，2 810.255 m

Fig.2 Rock types and characteristics of the Ordovician Majiagou Formation in well Zhenjia 1, eastern Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地東緣奧陶系馬家溝組主量、微量元素含量

3.2 主、微量元素分布

3.2.1 主量元素

研究區(qū)馬家溝組巖石樣品的主量元素分布如表1所示，樣品具有較高的CaO含量(平均40.31%)和MgO含量(平均9.65%)，Na2O(平均0.33%)和SiO2(平均2.57%)含量相對較低，Al2O3、Fe2O3、K2O和Ti2O等主要代表陸源組分氧化物的平均含量非常低，反映馬家溝組沉積受陸源物質(zhì)影響較小，為正常的海相沉積。

3.2.2 微量元素

對馬家溝組巖石樣品進(jìn)行了微量元素分析(表1)，結(jié)果顯示樣品中微量元素的含量與分布具有一致性(圖3b)，指示為相近且相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境內(nèi)形成。樣品中除Sr(平均289×10-6)和U(平均1.02×10-6)的含量相對上地殼略微富集以外，其他絕大部分微量元素的平均含量相對于上地殼均呈虧損，其中Cr、Zn、Rb、Ba虧損較大(圖3b)。雖然Sr和Ba的化學(xué)性質(zhì)十分相似，但因為兩種微量元素的離子半徑不同，Ba2+與K+進(jìn)行類質(zhì)同像比較合適，而不能替代礦物中的Mg2+和Fe2+。與既能替代Ca2+又能替代K+的Sr2+相比，Ba2+的分布受限制[6]。此外，Sr在海水中已成為主要組分之一，其在海水中的富集作用甚至高于Ca，而海水中Ba含量比較低且Ba容易被黏土吸附。因此，在泥質(zhì)含量較低且Mg2+和Ca2+富集的海相碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖中，相對上地殼元素平均含量Sr富集與Ba虧損一定程度上反映了沉積水體的高咸化特征。同時，以Ni和V為代表的其他微量元素的虧損也指示巖石樣品吸附作用較低，指示奧陶紀(jì)時期研究區(qū)遠(yuǎn)離陸源碎屑，且為低泥質(zhì)含量的海相成巖流體沉積。

圖3 鄂爾多斯東緣馬家溝組樣品中Mn-Sr分布(a)及微量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)

4 主微量元素分布對沉積環(huán)境的指示

與陸源碎屑沉積巖相比，內(nèi)源沉積巖中的碳酸鹽巖和石膏類蒸發(fā)巖可以更好地反映古沉積時期的成巖流體信息。通過巖石樣品的元素分析，可以在垂向和橫向范圍內(nèi)獲取巖石內(nèi)蘊含的豐富的元素地球化學(xué)信息，結(jié)合區(qū)域沉積的巖石學(xué)特征，可以有效地還原古地質(zhì)時期沉積環(huán)境的演化過程。

4.1 古氣候

(1)MgO/CaO。碳酸鹽沉積物中Mg和Ca的沉淀具有地球化學(xué)的意義。溶解在海水中的Mg的數(shù)量實際上遠(yuǎn)大于Ca的數(shù)量，但海水中僅有非常小的一部分Mg產(chǎn)生碳酸鹽沉淀，因而海水中Mg的豐度相對比較穩(wěn)定，相反海水中絕大部分Ca被析出，形成廣泛的碳酸鹽沉積物。由于在海水中碳酸鈣的溶解度一般隨著溫度和pH值的增加而下降，隨著CO2分壓的增加而上升，因此，應(yīng)用MgO/CaO比值可以反映原生沉積時期的古氣候[20-21]，即MgO/CaO低比值指示干熱氣候，高比值指示相對潮濕氣候。研究區(qū)馬家溝組MgO/CaO值分布在0.031～0.718之間，平均為0.282，其中67%的樣品MgO/CaO值小于0.30，指示干熱氣候。在馬二段開始沉積后期、馬五段沉積早期(馬五7-10沉積晚期)以及馬五4沉積中晚期和馬五段沉積末期出現(xiàn)MgO/CaO高值，指示該階段相對潮濕的氣候環(huán)境(圖4)。

(2)Rb/Sr。海水中Rb含量較低，通常在蒸發(fā)作用強(qiáng)烈的水體中Rb含量較高，對KCl-RbCl-H2O系統(tǒng)的實驗研究表明，隨著流體溫度增加Rb被鉀鹽吸收量會減少。Sr具有易與O(或OH、H2O)形成化合物的特點。此外，Sr在巖石中的含量主要受造巖元素Ca2+和K+的制約，其分配既取決于它在鈣礦物中置換鈣離子的程度，又取決于鉀長石中K+捕獲Sr2+的程度[6]。干旱氣候背景下CaO含量增加，海水中Sr濃度也增大，相應(yīng)的兩種離子之間置換總量也增加，該背景下形成的巖石中Sr含量也增加。因此，在原生沉積巖中Rb/Sr升高可以指示古氣候由相對干旱向相對濕潤的氣候演化，而Rb/Sr降低則相反。研究區(qū)馬家溝組沉積時期Rb/Sr以低值分布為主，介于0.007～0.082之間，平均為0.028(表1，圖4)，反映了馬家溝組沉積時期以干旱為主要背景的古氣候。馬二段沉積早期和馬四段沉積中后期的Rb/Sr值較高，為相對濕潤氣候；馬二段沉積早期到馬三段沉積末期Rb/Sr值逐漸降低，指示該階段古氣候由相對濕潤向干旱氣候演化；馬五段整體以低Rb/Sr值分布為主，表現(xiàn)為干旱氣候為主的沉積背景。其中，馬五5沉積時期、馬五4沉積中后期以及馬五1-3沉積早期表現(xiàn)出相對較高的Rb/Sr值，指示了其階段性向濕潤氣候演化的特征。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣馬家溝組沉積期古氣候判識指標(biāo)分布特征

(3)Sr/Cu。海水中Cu含量很低，一般海相沉積物中Cu的含量也相對較低，其與Sr相對含量的變化一定程度上可以指示古氣候條件。LERMANM(1978)建立了巖石中微量元素Sr/Cu與沉積時期古氣候的對應(yīng)關(guān)系，并認(rèn)為當(dāng)Sr/Cu比值介于1～10之間時，指示成巖條件為濕潤氣候；而當(dāng)Sr/Cu比值大于10的情況下，指示成巖條件為相對干旱的氣候背景[5]。研究區(qū)馬家溝組巖樣內(nèi)Sr/Cu值介于21.1～198.6之間，平均為69.2(表1，圖4)，指示該時期地區(qū)氣候以干旱為主的地質(zhì)背景，其中馬三段沉積中晚期和馬五6亞段沉積早期Sr/Cu為高值，反映該段沉積時期的古氣候干旱程度較高。

綜合MgO/CaO、Rb/Sr以及Sr/Cu值的分布趨勢，3種指標(biāo)對研究區(qū)馬家溝組的古氣候的反映基本一致，即整個馬家溝組沉積時期以干熱氣候為主要背景，在馬二段、馬四段和馬五段沉積的中晚階段經(jīng)歷了短暫的干熱氣候向相對濕潤氣候轉(zhuǎn)換。元素化學(xué)分析反映出的馬家溝組沉積時期干熱的氣候背景，與TROTTER 等[14]據(jù)世界各地典型剖面的牙形石、腕足、泥晶灰?guī)r等氧同位素研究反映出的奧陶紀(jì)在早—中期處于一個長期的溫室背景下的結(jié)論一致?；谏鲜?種指標(biāo)分析的古氣候與馬家溝組沉積旋回的分布具有較好的耦合性，指示干熱氣候的元素化學(xué)指標(biāo)與蒸發(fā)環(huán)境中形成的鹽巖段能形成較好的對比。

4.2 古鹽度

由于Sr2+的離子半徑位于K+與Ca2+之間，因此Sr2+既可以替代K+也可以替代Ca2+，而Ba2+僅與K+進(jìn)行類質(zhì)同象替代最為合適，這一特征使Sr在海水中的遷移能力比Ba強(qiáng)[11,17]。當(dāng)海水蒸發(fā)時，高含鈣的礦物大量產(chǎn)生，有利于Sr2+與Ca2+進(jìn)行替代，同時海水因蒸發(fā)或受石灰?guī)r的中和作用引起硫酸鹽離子濃度增加，促使海水中Ba以BaSO4的形式產(chǎn)生沉淀。上述兩因素導(dǎo)致海水中和沉積物中的Sr相對于Ba更容易趨于富集，造成沉積物中的Sr/Ba比值較高。前人通過研究發(fā)現(xiàn)，Sr/Ba與古鹽度具有較明顯的正相關(guān)性，通常w(Sr)/w(Ba)>1時成巖流體為咸水介質(zhì)；w(Sr)/w(Ba)<0.6時成巖流體一般為淡水介質(zhì)；w(Sr)/w(Ba)介于0.6～1之間時為過渡介質(zhì)[22-23]。研究區(qū)馬家溝組w(Sr)/w(Ba)介于1.65～58.53之間，平均值為22.17(圖4)，反映馬家溝組沉積期為咸水介質(zhì)的沉積環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖樣品的主量、微量元素研究結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地東緣馬家溝組主要形成于未受陸源碎屑影響的海相沉積環(huán)境。

(2)巖石特征和古鹽度分析表明，研究區(qū)馬家溝組主要由咸水沉積背景下形成的碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖組成，巖石類型包括灰泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、泥晶白云巖、粉晶白云巖、細(xì)晶白云巖、石膏巖和鹽巖等。

(3)Rb/Sr、Sr/Cu、MgO/CaO和Sr/Ba值分布曲線指示，研究區(qū)整個馬家溝組沉積時期主要為干熱氣候背景，古氣候與馬家溝組沉積旋回的分布具有較好的耦合性。馬二段、馬四段沉積時期和馬五段沉積中后期經(jīng)歷了階段性的干熱氣候向相對濕潤氣候的轉(zhuǎn)換，其余沉積階段為較長周期的干熱氣候條件。