鄂爾多斯盆地東南部延長組微量元素地球化學(xué)特征及環(huán)境指示意義

范萌萌,卜 軍,趙筱艷,康 博,李文厚,張衛(wèi)國

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院/陜西省煤炭綠色開采地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院/低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;3.長慶實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 地質(zhì)工藝研究所,陜西 西安 710021;4.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069)

沉積巖中的微量元素對環(huán)境的變化十分敏感,微量元素的含量及變化可以為恢復(fù)古沉積環(huán)境提供可靠的判別依據(jù),其對古氧化還原狀態(tài)的示蹤尤為靈敏[1-2]。本研究通過對鄂爾多斯盆地東南部泥巖樣品微量元素的分析,結(jié)合巖石的沉積學(xué)特征等,定量或半定量地分析水體的古鹽度、氧化還原狀態(tài)、古水深和古氣候等古環(huán)境特征，以恢復(fù)研究區(qū)及其周邊地區(qū)在延長組沉積期的古環(huán)境,以期為沉積、構(gòu)造演化的研究和勘探開發(fā)提供理論支撐。本研究的樣品全部來自于研究區(qū)內(nèi)的鉆井取心,涉及30口鉆井,取樣62件,全部為延長組各油層組的泥巖或粉砂質(zhì)泥巖樣品(見表1),以減小機(jī)械差異對沉積物成分造成的影響[3]。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地地處大華北地臺西部,是華北古生代克拉通臺地之上的中、新生代大型陸內(nèi)疊合盆地[1],地跨陜、甘、寧、蒙、晉5省,是中國第二大盆地。鄂爾多斯盆地是一個沉降穩(wěn)定、湖盆寬緩、拗陷遷移、扭動明顯的多旋回大型沉積盆地[4-7],通常分為伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)拗陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起6個構(gòu)造單元。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組是中國陸相三疊系地層中出露最好、研究最早、發(fā)育比較齊全的層型剖面,是鄂爾多斯盆地內(nèi)陸湖盆形成后的第一套生儲油巖系,也是盆地主要的勘探開發(fā)目的層系之一；延長組自下而上可劃分為長10～長1十個油層組；在延長組的沉積歷史過程中,湖盆經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展、鼎盛、衰減和消亡這5個階段[5, 8-10]。延長組是一套典型的以河流—三角洲—湖泊相為特征的陸源碎屑巖體系,湖盆呈北東—南西走向,盆地內(nèi)水系豐富,物源供應(yīng)充足；盆地東北部地形較平緩,發(fā)育曲流河—三角洲沉積體系,西南部地形較陡,發(fā)育辮狀河—辮狀河三角洲沉積體系[11-13]。研究區(qū)位于盆地東南部正寧—宜川地區(qū),主要屬于伊陜斜坡構(gòu)造單元(見圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃分、研究區(qū)和取樣位置圖Fig.1 Map of tectonic units of Ordos Basin, location of the study area and sampling sites

2 古鹽度分析

2.1 微量元素含量法

Li，Sr，Ni和Ga等微量元素對沉積水體的鹽度條件十分敏感。前人研究指出,咸水環(huán)境中Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于150 μg/g,Sr大于800 μg/g,Ni大于40 μg/g,Ga小于8 μg/g;淡水環(huán)境中，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)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]。

根據(jù)樣品分析(見表1,2,圖2)可知,樣品中Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.6～69.1 μg/g,平均51.7 μg/g,小于90 μg/g,指示其為淡水環(huán)境。樣品中Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)125～335 μg/g,平均230.8 μg/g,樣品Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于500 μg/g,指示淡水環(huán)境。樣品中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)22.3～65.1 μg/g,平均38.8 μg/g,其中,1個樣品小于25 μg/g,39個樣品25～40 μg/g,22個樣品大于40 μg/g,在這22個樣品中。長7樣品的Ni含量更高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均50.9μg/g,明顯高于其他層位樣品數(shù)據(jù)(42～45μg/g),說明多數(shù)樣品來自于半咸水環(huán)境,少數(shù)樣品來自于咸水環(huán)境或淡水環(huán)境,其中長7時(shí)期湖盆的水體可能鹽度更高一些。樣品中Ga質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.8～38.2 μg/g,平均26.6 μg/g,其中1個樣品小于17 μg/g,為13.8 μg/g,其余樣品均大于17 μg/g,指示絕大多數(shù)樣品來自于淡水環(huán)境,極少數(shù)樣品來自于半咸水環(huán)境。綜上所述,所分析的泥巖樣品主要來自于淡水—半咸水沉積環(huán)境,偶有咸水注入盆地中。

表1 鄂爾多斯盆地東南部延長組泥巖樣品微量、常量元素分析計(jì)算表Tab.1 Calculation table of trace and major elements of mudstone samples of Yanchang Formation in southeastern Ordos Basin

續(xù)表1

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

表2 古鹽度的微量元素判別指標(biāo)及樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Traceelement discrimination index and sample data statistics of paleosalinity

2.2 Sr/Ba比值法

Sr含量可以作為古鹽度的判定指標(biāo)，而Sr/Ba比值也是古鹽度判定的一個常用的有效手段。通常,在淡水中，Sr與Ba都作為離子溶于水中,并不易發(fā)生沉淀,相比而言,Ba的遷移能力要弱于Sr[16]。當(dāng)?shù)杏邢趟⑷霑r(shí),Ba2+與咸水中的SO42-相結(jié)合形成BaSO4沉淀,而Sr的溶解性更強(qiáng),反應(yīng)不如Ba那么靈敏,Sr可以在水體中保持溶解到鹽度達(dá)到一定高度,因此,隨著水體鹽度的增大,Sr/Ba比值會持續(xù)增大。根據(jù)前人的研究,當(dāng)Sr/Ba比值大于1時(shí),為咸水(海相)環(huán)境,當(dāng)Sr/Ba比值小于0.6時(shí),為淡水(陸相)環(huán)境,當(dāng)介于0.6～1時(shí)為半咸水(海陸過渡相)環(huán)境[14, 16]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)(見表1,2,圖2),本次樣品的Sr/Ba比值全部介于0.19～0.58,平均0.31,符合淡水沉積環(huán)境的特征。其中,有兩個樣品Sr/Ba比值大于0.5,靠近半咸水環(huán)境的Sr/Ba特征值。

綜合考慮敏感微量元素含量和Sr/Ba比值特征可知,延長組沉積時(shí)期，鄂爾多斯盆地內(nèi)為淡水—半咸水環(huán)境,以淡水環(huán)境為主,偶有因咸水注入而形成的局部半咸水環(huán)境。

3 氧化-還原條件分析

U，V，Cr，Co等微量元素對特定的氧化還原環(huán)境敏感,其富集程度明顯受控于沉積環(huán)境的氧化還原條件[17]。U在還原條件下溶解度低,而在氧化條件下極易被氧化而遷移,致使沉積物中U元素缺失；無論是在還原環(huán)境還是氧化環(huán)境中,Th元素的溶解度都不高,容易富集在沉積物中。因此,δU和U/Th值可以判定沉積環(huán)境的氧化還原條件, 其中,δU=2U/(Th/3+U)[18-21]。 V， Ni， Cr和Co元素具有相似的氧化條件下易遷移, 而還原條件下易沉淀的特點(diǎn)。 前人研究, 提出了V/(V+Ni)，V/Cr和Ni/Co等氧化還原環(huán)境的判別指標(biāo)[22-26]。

分析樣品數(shù)據(jù)得知(見表1,3, 見圖2), 樣品δU值介于0.7～1.39, 平均0.85, 其中有4個樣品數(shù)據(jù)大于1, 這4個樣品分別來自于長6(2個)和長7(2個)， 這說明多數(shù)樣品來自于弱氧化-弱還原環(huán)境, 少數(shù)樣品來自于還原環(huán)境。 樣品U/Th值為0.18～0.58,平均0.24,說明樣品來自于弱氧化-氧化環(huán)境。樣品V/(V+Ni)值為0.6～0.81,平均0.75,其中有11個樣品大于0.77,分別來自于長3(2個)、長4+5(1個)、長6(3個)、長7(5個)，這說明多數(shù)樣品來自于弱氧化-弱還原環(huán)境,少數(shù)樣品來自于還原環(huán)境。樣品V/Cr值為0.99～1.6,平均1.32,說明樣品全部來自于氧化環(huán)境。樣品Ni/Co值為1.33～2.4,平均1.89,說明樣品全部來自于氧化環(huán)境。

綜合以上各項(xiàng)分析可知，在延長組沉積時(shí)期,鄂爾多斯盆地內(nèi)的水體主要是弱氧化弱還原-氧化環(huán)境,在局部水體較深處,尤其是深湖環(huán)境廣泛發(fā)育的長6和長7時(shí)期,則出現(xiàn)了還原環(huán)境。

表3 氧化還原環(huán)境的微量元素判別指標(biāo)及樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Traceelement discrimination index and sample data statistics ofoxidation-deoxidation environment

圖2 微量元素?cái)?shù)據(jù)對比圖Fig.2 Contrast map of trace element data

4 古水深分析

4.1 鈷元素含量分析法

傳統(tǒng)的古水深分析方法通常是利用沉積巖的巖性、沉積構(gòu)造、沉積相、古生物遺跡和化石等定性或半定量分析古水深,周洪瑞(1999)、吳智平(2000)等提出利用Co元素含量定量計(jì)算沉積環(huán)境的最大古水深,多位學(xué)者在科研和工作中利用此方法并取得了良好效果[16, 27-29]。其計(jì)算公式如下:

(1)

t=SLa/NLa，

(2)

(3)

式中：Vs代表樣品沉積時(shí)的沉積速率，m/Ma;Vo代表正常環(huán)境的沉積速率,湖泊—三角洲泥巖沉積速率為(0.2～0.3)×103m/Ma[16, 29];NCo代表正常湖泊沉積物中Co的平均豐度,20 μg/g;SCo代表樣品中Co的豐度μg/g;TCo代表陸源碎屑巖中Co的豐度,4.68 μg/g;t代表陸源輸入的Co元素對樣品的影響;SLa代表樣品中La的豐度，μg/g;NLa代表陸源碎屑巖中La的平均豐度，38.99 μg/g;C為常數(shù)，3.05×105,通過測定現(xiàn)代海洋水深和沉積速率所得;h代表古水深，m。

圖3 古水深變化柱狀圖Fig.3 Histogram of paleo-bathymetric variation

通過計(jì)算得知(見表4),樣品反映的古水深介于16.35～161.26 m,平均59.17 m。根據(jù)樣品數(shù)較多的長3～長8古水深數(shù)據(jù)做出的柱狀圖(見圖3)可知，其與鄂爾多斯盆地東南部延長期湖盆發(fā)展規(guī)律基本相一致,即長7為最大湖泛期,深湖面積最廣闊,水體最深,介于28.54～161.26 m,各數(shù)據(jù)點(diǎn)最大古水深的平均值為78.08 m。其次,長6和長4+5時(shí)期深湖面積也較廣闊[9,13],計(jì)算得出長6各數(shù)據(jù)點(diǎn)最大古水深的值為59.50 m,長4+5各數(shù)據(jù)點(diǎn)最大古水深的值為47.98 m。延長組其他時(shí)期湖盆水體屬于濱淺湖范疇,長3各數(shù)據(jù)點(diǎn)最大古水深的值為39.48 m,長8各數(shù)據(jù)點(diǎn)最大古水深的平均值為36.12 m,其他層位由于數(shù)據(jù)較少不做計(jì)算。

4.2 巖性和沉積構(gòu)造分析法

沉積巖是沉積環(huán)境的直觀反映,而水生生物則對生存水深有嚴(yán)格要求,通過分析沉積巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和生物遺跡化石等特征，可以反推沉積古水深。

研究區(qū)的深湖—半深湖區(qū)主要發(fā)育暗色泥頁巖、油頁巖和濁積巖,暗色泥頁巖和油頁巖中常見水平層理,生物化石相對于淺湖區(qū)要少,濁積巖則以鮑馬序列、槽模、重荷模、火焰狀構(gòu)造和滑塌變形等為特征。濱淺湖區(qū)主要發(fā)育砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥頁巖,常見平行層理、沙紋層理、中小型交錯層理、波狀層理和波痕等構(gòu)造,生物化石和遺跡豐富。在高能淺水的近岸濱淺湖地帶和水下分流河道間沉積中,常見垂直蟲孔,以垂直管狀居住跡大量發(fā)育為特征；在水能稍低的軟質(zhì)基底沉積環(huán)境中,如淺湖上部、河口壩等地帶,也可見U形等不同形態(tài)的居住跡[30]。瓣腮類、介形類和葉肢介類生物多生活于淺水環(huán)境,其化石廣泛分布于延長組的各個層位,而魚類則多見于深水環(huán)境,淺水中分布較少。特殊的自生礦物也能在一定程度上反映古水深特征,例如菱鐵礦形成于還原環(huán)境,黃鐵礦形成于強(qiáng)還原環(huán)境,相應(yīng)地,黃鐵礦指示的古水深大于菱鐵礦。

根據(jù)巖心及野外剖面資料,綜合考慮沉積巖巖性和沉積構(gòu)造等特征,定性地推斷出研究區(qū)長4+5，長6，長7的古水深可達(dá)深湖—半深湖范疇,而長1，長2，長3，長8，長9，長10的古水深為濱淺湖等級。根據(jù)表4的判定關(guān)系,半定量地推斷出長7時(shí)期的最大古水深大于50 m,長4+5和長6時(shí)期的最大古水深大于35 m,小于長7的最大古水深；其他油層組沉積時(shí)期的最大古水深為35 m左右。此定性推斷結(jié)論與上文通過Co含量計(jì)算得出的古水深數(shù)據(jù)基本一致。

表4 研究區(qū)延長組沉積巖特征與對應(yīng)古水深(據(jù)張才利[29],楊華[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,將古水深的定性和定量研究方法相結(jié)合,選取數(shù)據(jù)點(diǎn)較多的長6地層為研究對象,將Co含量計(jì)算所得的古水深值和定量標(biāo)志投于平面圖上,繪制出了長6時(shí)期古水深等值線圖(見圖4)。該圖與前人繪制的長6沉積相圖基本一致[12-13],由此可見，兩種古水深的判別方法相輔相成,結(jié)論一致。若綜合考慮兩種方法,則能得出更詳細(xì)準(zhǔn)確的結(jié)論。

圖4 鄂爾多斯盆地東南部長6沉積期古水深等值線圖Fig.4 Paleo-bathymetric contour map of Chang 6 Sedimentary Period in southeastern Ordos Basin

5 古氣候分析

前人研究認(rèn)為,Sr/Cu比值對古氣候的變化有靈敏的指示作用[1, 32-34],Sr/Cu小于10指示溫暖濕潤氣候,大于10表示干燥炎熱氣候。本研究的數(shù)據(jù)分析表明(見表1),其所有樣品的Sr/Cu值均小于10,介于2.62～8.98,平均4.82,說明延長組沉積時(shí)期,研究區(qū)整體呈現(xiàn)溫暖濕潤的氣候特征。

此外, CaO/(MgO×Al2O3)和Mg/Ca對氣候的變化也具有指示意義, 它們可以反映氣溫的高低, 其值越大, 代表的氣溫就相對越高。 本研究的數(shù)據(jù)分析表明(見表1),樣品的CaO/(MgO×Al2O3)值為0.007～0.110, 平均0.030, Mg/Ca值為0.41～5.67, 平均2.23, 而紙坊組的CaO/(MgO×Al2O3)值平均0.09,Mg/Ca值平均2.49[35],均高于延長組,說明從紙坊組到延長組環(huán)境溫度有所降低。

綜上分析表明,延長組沉積時(shí)期,研究區(qū)處于溫暖濕潤的氣候中,相比之前的紙坊組時(shí)期氣溫有所降低。

6 結(jié) 論

1)通過對樣品的分析得知,樣品沉積時(shí),鄂爾多斯盆地的沉積水體為淡水—半咸水,以淡水環(huán)境為主,偶有咸水注入。

2)樣品的測試數(shù)據(jù)表明，在延長組沉積時(shí)期,鄂爾多斯盆地內(nèi)的水體主要是弱氧化弱還原-氧化環(huán)境,在局部水體較深處則會出現(xiàn)還原環(huán)境。

3)綜合判斷出延長組各數(shù)據(jù)點(diǎn)最大古水深的平均值為59.17 m,其中長7時(shí)期的古水深最深；根據(jù)泥巖樣品中Co元素計(jì)算出長7最大古水深28.54 m～161.26 m,平均78.08 m；延長組其他時(shí)期最大古水深平均36.12～59.50 m。根據(jù)巖石學(xué)特征推斷出長7古水深大于50 m,長4+5和長6時(shí)期的最大古水深大于35 m,其他油層組沉積時(shí)期的最大古水深為35 m左右。兩種方法得出的結(jié)論相一致。

4)數(shù)據(jù)分析表明，延長組沉積時(shí)期,研究區(qū)處于溫暖濕潤的氣候中,相比之前的紙坊組時(shí)期氣溫略有所降低。