鄂爾多斯盆地西南緣寒武系辛集組碳酸鹽巖地球化學(xué)特征及古環(huán)境重建

陶文星，梁積偉，楊 光，馬曉軍，劉亞蘭，姜柳青，宇振昆，馮振偉.

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安 710054；2.長慶油田第四采油廠，陜西榆林 718500)

鄂爾多斯盆地是大型沉積盆地，其天然氣、煤層氣和煤炭資源探明儲量巨大[1-3]。目前，盆地油氣資源勘探主要集中在奧陶系的碳酸鹽巖、上古生界和中生界的砂巖、頁巖等方面[1-3]，而寒武系研究薄弱。辛集組屬寒武系第二統(tǒng)，是一期大規(guī)模海侵事件形成的一套碳酸鹽巖和碎屑巖組合[4-5]。前人對辛集組的研究大多集中在定性的巖相學(xué)方面[6-7]，而定量的地球化學(xué)方面的研究明顯不足。本文通過全巖X衍射、主量元素、微量元素和稀土元素分析測試，分析辛集組碳酸鹽巖的地球化學(xué)特征，探討碳酸鹽巖的物源性質(zhì)和古環(huán)境，為進一步研究寒武系碳酸鹽巖沉積環(huán)境及油氣勘探潛力提供依據(jù)和地質(zhì)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地隸屬華北板塊，面積為25×104km2，是一個大型復(fù)合型沉積盆地，其基底為太古代至中元古代形成的克拉通地塊[3]。盆地在晉寧運動時期進入大陸裂谷發(fā)育階段，隨著晉寧運動結(jié)束，盆地進入沉降階段；印支期時，由于華南、華北板塊碰撞，盆地南部發(fā)生隆起，秦嶺造山帶形成；經(jīng)歷燕山和喜山運動后，盆地周邊斷陷發(fā)育，鄂爾多斯盆地形成了現(xiàn)今的構(gòu)造地貌格局(圖1)，其西南緣受西緣沖斷構(gòu)造帶、天環(huán)坳陷和渭北隆起三個一級構(gòu)造單元共同控制[8]。寒武紀第二統(tǒng)辛集組主要為無障壁島濱岸沉積，發(fā)育巖性有白云巖、砂巖和泥巖，構(gòu)造上與下部羅圈組呈平行不整合接觸，與上部朱砂洞組呈整合接觸[4]。

2 樣品采集及分析方法

以野外露頭樣品為研究對象，一共采集了6塊碳酸鹽巖樣品，自下而上分別編號D1、D2、D3、D4、D5和D6。對全部樣品進行主量元素、微量元素和稀土元素分析測試，對D2和D4進行全巖X射線衍射(XRD)實驗。樣品進行主量元素測試時，將樣品研磨至200目的粉末，并進行X射線熒光光譜法(XRF)測試；微量元素和稀土元素測試時，同樣將樣品加工至200目，通過等離子體質(zhì)普法(ICP-MS)測定完成。實驗具體步驟參照國標文件，且誤差控制在1%以內(nèi)。所有樣品在實驗前均保存在自封袋中，防止樣品被污染。

圖1 鄂爾多斯盆地西南緣構(gòu)造簡圖及地層分布表(底圖據(jù)邱欣衛(wèi)[8]，2011)Fig.1 Tectonic geological map and stratigraphic distribution table on the southwest of Ordos Basin (after Qiu[8], 2011)

3 結(jié)果

3.1 巖性特征

對D2和D4樣品進行了XRD測試，測定碳酸鹽巖中的礦物含量，具體結(jié)果如表1和圖2所示。其中礦物以方解石為主(平均含量為66.45%)，其次為石英(平均含量為21.6%)和伊利石(9.6%)，其中D4樣品中含有長石(含量為4.7%)。

表1 辛集組碳酸鹽巖樣品XRD結(jié)果Table 1 Results of XRD of Xinji formation carbonate samples

3.2 地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素

碳酸鹽巖樣品中主量元素的含量見表2，其中CaO的含量最高(30.59%～41.50%，平均為36.87%)，其次為SiO2(3.94%～28.30%，平均為14.40%)、Al2O3(1.10%～3.35%，平均為2.08%)和Fe2O3(0.94%～2.80%，平均為1.73%)，其余元素含量均小于1%。將主量元素與上陸殼均值(UCC)進行比較，可以看出CaO和MnO顯示相對富集(圖3)，高含量的CaO與XRD結(jié)果一致。根據(jù)前人研究表明，鈣在巖石中以多種形式存在[9]。在海相碎屑巖中，大量方解石指示了Ca和方解石存在關(guān)聯(lián)[9]。在辛集組碳酸鹽巖樣品中，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之間的負相關(guān)(r=-0.85)(圖4a)顯示Ca并非來自黏土礦物等陸源碎屑。

圖2 樣品XRD波譜圖Fig.2 XRD spectra of the samples

圖3 主量元素上陸殼均值化蛛網(wǎng)圖Fig.3 UCC-normalized spider diagram of major elements

圖4 相關(guān)性圖解Fig.4 Correlation diagrams

3.2.2 微量元素

碳酸鹽巖樣品中微量元素的含量見表3。通過和UCC值相比較，發(fā)現(xiàn)樣品中Cu和Y相對UCC值富集。許多元素相對UCC值有不同程度的虧損，其中Zr較虧損，Rb和Sr嚴重虧損，其余元素輕微虧損。

3.2.3 稀土元素

辛集組碳酸鹽巖稀土元素含量和參數(shù)列在表4。樣品的ΣREE范圍為(44.65～252.28)×10-6，平均為137.94×10-6，與UCC值(146.00×10-6)相比，略微虧損。樣品中輕稀土富集，重稀土平坦，Eu元素有明顯的負異常(圖5)。

表3 辛集組碳酸鹽巖樣品微量元素含量表Table 3 Trace elements content of Xinji formation carbonate samples

表4 辛集組碳酸鹽巖樣品稀土元素含量表Table 4 Rare earth elements content of Xinji formation carbonate samples

表5 辛集組碳酸鹽巖樣品地球化學(xué)元素參數(shù)比值結(jié)果Table 5 Element parameters results of Xinji formation carbonate samples

圖5 稀土元素球粒隕石化配分曲線圖Fig.5 Chondrite-normalized distribution patterns diagram of rare earth elements

4 討論

4.1 物源

稀土元素和某些微量元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會受到風(fēng)化剝蝕搬運沉積和成巖作用的影響[12-13]。因此，用稀土元素和微量元素可以確定物源特征和類型。

Eu元素負異常常發(fā)生在中酸性侵入巖、火山巖、長英質(zhì)變質(zhì)巖和陸源的沉積巖中[12]。據(jù)前人研究，Eu異?？赡苡袃煞N原因：一種是在ICP-MS測試過程中，由于Ba元素的存在導(dǎo)致Eu產(chǎn)生異常；另一種是由于Eu元素富集于斜長石中，而隨著巖漿演化過程中斜長石的析出，進而導(dǎo)致Eu元素負異常[12]。根據(jù)樣品中Ba元素和Eu元素的高相關(guān)性(r=0.86)(圖4b)以及XRD結(jié)果中低的長石含量，判斷辛集組碳酸鹽巖樣品稀土元素中Eu的負異常為ICP-MS測試技術(shù)導(dǎo)致，并不能用于指示物源情況。

沉積巖中的化學(xué)組分一般為陸源碎屑、生物作用和海水來源3種方式[14]。Y元素和Ho元素化學(xué)性質(zhì)相似，因此可以用Y/Ho來判斷沉積物類型。根據(jù)研究顯示，火山巖和陸源碎屑巖的Y/Ho比值約為28，而海水來源的巖石的Y/Ho比值為44～74[12]。辛集組碳酸鹽巖樣品中Y/Ho比值范圍為26.93～30.52(平均為28.95)(表5)，結(jié)合Y-Y/Ho圖可以判定辛集組碳酸鹽巖為陸源碎屑巖(圖6)。

圖6 辛集組碳酸鹽巖樣品Y-Y/Ho關(guān)系圖解(底圖據(jù)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圖可以分別用來判斷物源類型和源巖類型[14,16]。如圖7、圖8所示，辛集組碳酸鹽巖樣品物源多為長英質(zhì)、基性巖混合物源，D4樣品顯示為酸性島弧物源；源巖類型為大陸拉斑玄武巖。

總體來看，辛集組碳酸鹽巖樣品的物源主要為陸源碎屑物質(zhì)，物源主要為長英質(zhì)、基性巖混合物，源巖類型為大陸拉斑玄武巖。

圖7 物源判別圖(底圖據(jù)Floyed and Leveridge[16], 1987)Fig.7 Diagram of provenance (after Floyed and Leveridge[16], 1987)

圖8 沉積物類型判別圖(底圖據(jù)Allègre and Minster[14], 1978)Fig.8 Diagram of sediments type (after Allègre and Minster[14], 1978)

4.2 古鹽度

沉積巖中MgO元素具有親海的特征，Al2O3元素具有親陸的特征[17]。根據(jù)此特性建立m值(m=100×MgO/Al2O3)來判斷沉積時的水體環(huán)境：當m<1時，代表淡水沉積環(huán)境；當1≤m<10時，代表海陸過渡沉積環(huán)境；當10≤m≤500時，代表海水沉積環(huán)境；當m>500時，代表陸表海、潟湖沉積環(huán)境[17]。研究區(qū)辛集組碳酸鹽巖樣品的m值范圍在18.06～83.64之間，平均值為38.88(表5)，說明碳酸鹽巖沉積環(huán)境為海水沉積環(huán)境。

由于Sr和Ba元素的地球化學(xué)性質(zhì)相似，但Sr在海水中的遷移能力強于Ba[18]，因此，海相沉積物中Sr的富集程度要大于Ba，故Sr/Ba比值較高并且和古鹽度呈正相關(guān)性。通常情況下，Sr/Ba>1時，指示海相—咸水介質(zhì)；Sr/Ba<0.6時，指示陸相或淡水介質(zhì)；1≤Sr/Ba≤0.6時，為過渡介質(zhì)[18]。辛集組碳酸鹽巖樣品的Sr/Ba值范圍在0.72～10.11(平均為4.51)(表5)，對應(yīng)海相—咸水沉積環(huán)境。

4.3 古氣候

Sr/Cu可以用來反映沉積時期的古氣候情況[19]。當110時，反映干熱氣候[19]。辛集組碳酸鹽巖樣品的Sr/Cu范圍為3.73～77.72(平均為27.86)(表5)，說明當時主要處于一個干熱的古氣候背景下。

4.4 古氧化還原條件

由于Ni、Co、V和Cr元素對氧化還原反應(yīng)條件很敏感，因此Ni/Co和V/Cr等特征參數(shù)可以用來恢復(fù)古氧化還原環(huán)境[12]。由于這些元素本身對還原相環(huán)境的溶解度極低，因此當環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)向氧化相時，這些特征參數(shù)的比值都會下降。根據(jù)前人研究，Ni/Co<5和V/Cr<2指示氧化環(huán)境，Ni/Co>5 和V/Cr>2代表還原環(huán)境[12]。辛集組碳酸鹽巖樣品的Ni/Co范圍為1.18～3.61(平均為2.60)(表5)，V/Cr范圍為0.71～1.95(平均為1.25)(表5)，因此古氧化還原環(huán)境主要為氧化環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)Y-Y/Ho、La/Th-Hf 和La/Yb-ΣREE圖顯示，辛集組碳酸鹽巖樣品的物源主要為陸源碎屑物質(zhì)，物源主要為長英質(zhì)、基性巖混合物，源巖類型為大陸拉斑玄武巖。

(2)辛集組碳酸鹽巖樣品的m值和Sr/Ba比值范圍分別為18.06～83.64(平均為38.88)和0.72～10.11(平均為4.51)，表明沉積在一個海相環(huán)境中。

(3)辛集組碳酸鹽巖樣品的Sr/Cu比值范圍為3.73～77.72(平均為27.86)，反映辛集組碳酸鹽巖樣品沉積期古氣候為干燥炎熱。

(4)辛集組碳酸鹽巖樣品的Ni/Co和V/Cr比值分別為1.18～3.61(平均為2.60)和0.71～1.92(平均為1.25)，依此判斷其古氧化還原環(huán)境主要為氧化環(huán)境。