鄂爾多斯盆地南緣上石炭統(tǒng)本溪組泥巖元素地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境啟示

胡蕓冰，劉 燕，郭英海，劉文香，張治波，楊曉凱

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710018；4.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)

沉積巖中的微量元素含量與其成巖環(huán)境有密切聯(lián)系，沉積巖與其周?chē)乃w介質(zhì)常發(fā)生元素吸附與交換，因此微量元素含量及相關(guān)元素的比值可用于古環(huán)境的恢復(fù)研究[1]。稀土元素的化學(xué)性質(zhì)不活潑，穩(wěn)定性較強(qiáng)，沉積巖中稀土配分模式主要取決于母巖性質(zhì)，當(dāng)母巖為泥質(zhì)巖時(shí)，稀土元素的繼承性較好，是分析沉積古環(huán)境的指示劑，也是研究物源區(qū)的良好示蹤劑[2]。

鄂爾多斯盆地位于華北穩(wěn)定克拉通沉積盆地，作為秦嶺造山帶北側(cè)重要的多種能源聚集盆地，是煤-油氣-鈾資源富集區(qū)。在古生代到中生代地層中均有油氣資源發(fā)現(xiàn)，尤其是中生代的石油資源和古生代的天然氣資源[3]。古環(huán)境的研究對(duì)明確油氣資源的形成環(huán)境具有重要意義，前人已對(duì)研究區(qū)沉積環(huán)境進(jìn)行了探討。吳海燕等[4]對(duì)研究區(qū)馬家溝組膏鹽巖的沉積環(huán)境進(jìn)行研究，建立了沉積演化模式，對(duì)油氣勘探具有指導(dǎo)意義；何白新[5]認(rèn)為研究區(qū)本溪組沉積體系包括陸表海潮汐-三角洲復(fù)合體系、混積潮坪-陸棚體系、濱海平原聚煤體系和間歇性暴露風(fēng)化淤化體系；趙振宇等[6]認(rèn)為本溪組發(fā)育晉祠和畔溝兩套有利的勘探砂體；陳晶等[1]認(rèn)為鄂爾多斯盆地東南部本溪組到石盒子組沉積地球化學(xué)特征指示其形成于弱還原-還原環(huán)境，且還原性有逐漸減弱的趨勢(shì)，氣候?yàn)闇嘏瘽駶?rùn)的海相咸水環(huán)境，山西組及下石盒子組以陸相淡水沉積為主，本溪組水體較淺；胡鵬等[7]和張治波等[8]對(duì)鄂爾多斯盆地東南部本溪組和延長(zhǎng)組長(zhǎng)6地層水化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，認(rèn)為本溪組趨于封閉的還原環(huán)境有利于天然氣的保存。

前人研究多集中在馬家溝組儲(chǔ)層成因及環(huán)境、本溪組致密砂巖的沉積體系等分析，但對(duì)盆地東南緣本溪組沉積環(huán)境的研究相對(duì)薄弱。因此，本研究通過(guò)對(duì)盆地東南部高橋陜434井和宜川地區(qū)宜51井石炭系本溪組泥巖系統(tǒng)采樣，結(jié)合其巖石學(xué)、微量元素和稀土元素特征，揭示本溪組古沉積環(huán)境和古氣候特征，并進(jìn)一步探討盆地東南緣本溪組的沉積環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北臺(tái)地西部，近似矩形的大地構(gòu)造單元內(nèi)，四周被斷裂所控制，東部邊界受呂梁山隆起帶控制，南部與渭河地塹相連，西部以桌子山、惠安-沙井子斷裂帶與河套弧形構(gòu)造帶西南翼、六盤(pán)山弧形構(gòu)造帶東翼連接，北部以南緣斷裂與河套地塹連接[9]。盆地構(gòu)造格局形成于中晚三疊世，穩(wěn)定于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期[10]，總體構(gòu)造樣式表現(xiàn)為南部和北部隆起、東部升高、西部逆沖，西側(cè)的天環(huán)向斜與中部的西傾斜坡連接，盆地周邊深層構(gòu)造復(fù)雜，但蓋層自下而上構(gòu)造簡(jiǎn)單，類(lèi)型較單一[6]，區(qū)域構(gòu)造分為六個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元：中部的陜北斜坡，東部的晉西撓褶帶，西部的天環(huán)坳陷，西部邊緣的逆沖斷裂帶，北部的伊盟隆起帶，南部的渭北隆起帶[8]。

研究區(qū)為陜北斜坡東南部宜川和高橋地區(qū)(圖1)。通過(guò)對(duì)高橋和宜川地區(qū)陜434和宜51井石炭系本溪組鉆井巖芯觀察(圖2)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)本溪組巖性以灰黑色-淺灰色泥巖和灰色砂巖為主，細(xì)砂巖中可見(jiàn)巖屑富集層、泥質(zhì)條帶(圖2(a)、圖2(c))，淺灰色泥巖中常含黃鐵礦結(jié)核(圖2(b))和滑動(dòng)面構(gòu)造(圖2(d))，深灰色泥巖中見(jiàn)黃鐵礦條帶(圖2(e))，砂泥界面見(jiàn)沖刷接觸(圖2(f))。巖性以泥巖、砂巖及灰?guī)r為主，并富含黃鐵礦，表明研究區(qū)本溪期為海陸交互相環(huán)境，泥砂沉積多變，說(shuō)明沉積環(huán)境變化頻繁。

(a)采樣位置圖；(b)陜434井和宜51井本溪組巖性及采樣層位圖1 鄂爾多斯盆地區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖和采樣位置圖Fig. 1 Regional geological schematic diagram and sampling location map of Ordos Basin

(a)細(xì)砂巖中碳質(zhì)泥線；(b)淺灰色泥巖含黃鐵礦結(jié)核；(c)砂泥互層界限；(d)活脫面構(gòu)造；(e)泥巖中含黃鐵礦條帶；(f)砂泥巖沖刷接觸面圖2 鄂爾多斯盆地高橋-宜川地區(qū)本溪組巖芯照片F(xiàn)ig. 2 Core photos of Benxi Formation in Gaoqiao-Yichuan Area, Ordos Basin

2 樣品及實(shí)驗(yàn)

將研究區(qū)陜434和宜51井石炭系本溪組的23件新鮮泥巖樣品破碎，放入瑪瑙缽研磨至200目，裝入樣品袋，送至中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田勘探開(kāi)發(fā)研究院石油地質(zhì)測(cè)試中心，采用美國(guó)PerkinElmer公司生產(chǎn)的NexI0N300D電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試嚴(yán)格遵守《硅酸鹽巖化學(xué)分析方法：GB/T 14506—2010》標(biāo)準(zhǔn)。樣品預(yù)處理：①將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；②稱取樣品粉末50 mg置于Teflon溶樣彈中；③依次緩慢加入1.5 mL高純HNO3、 1.5 mL高純HF和0.1 mL高純HClO4(結(jié)核結(jié)殼中加入3 mL高純 HNO3和1 mL高純HCl)；④將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱48 h；⑤待溶樣彈冷卻，開(kāi)蓋后置于140 ℃電熱板上蒸干，然后加入3 mL HNO3并蒸干；⑥加入3 mL體積分?jǐn)?shù)為50%的高純HNO3，加蓋及鋼套密閉，在190 ℃的烘箱中保持12 h。⑦冷卻后，將提取液移至100 mL干凈的PET(聚酯)瓶中，加入1 mL的(Rh+Re)雙內(nèi)標(biāo)溶液(濃度1 mg/L)，用Milli-Q稀釋至100 g，使Rh和Re的濃度為10 ng/mL，待上機(jī)測(cè)定。樣品分析的精密度和準(zhǔn)確度同文獻(xiàn)[10]，然后在室內(nèi)溫度20 ℃、相對(duì)濕度30%的環(huán)境下，進(jìn)行微量元素和稀土元素測(cè)試，相對(duì)誤差<10%。

3 結(jié)果

對(duì)高橋、宜川地區(qū)本溪組23件泥巖樣品的Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Mo、Ba、W、Pb、Th、U、Ta、Hf等18種微量元素進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如表1、表2所示。將微量元素值與黎彤[11]的地殼微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高橋和宜川地區(qū)均具有富集Mo、Th、U的微弱右傾特征(圖3)。

表1 鄂爾多斯盆地東南部泥巖微量元素測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of trace elements in mudstones in the southeastern Ordos Basin 10-6

圖3 宜川與高橋地區(qū)地殼微量元素標(biāo)準(zhǔn)化化蛛網(wǎng)圖Fig. 3 Standardization cobweb map of trace elements in the crust of Yichuna and Gaoqiao Area

沉積巖中稀土元素含量與物源、沉積環(huán)境和成巖作用關(guān)系密切，可被用于沉積巖物源示蹤以及揭示巖石沉積環(huán)境及成因[11]。研究區(qū)23件泥巖樣品∑REE值介于432.47×10-6～147.99×10-6，平均266.23×10-6；LREE值介于406.93×10-6～132.91×10-6，平均244.48×10-6；HREE值為30.27×10-6～8.96×10-6，平均21.75×10-6；LREE/HREE值介于17.88～4.72，平均11.38；LaN/YbN值為1.98～0.46，平均1.24；δEu值介于1.51～0.66，平均1.160；δCe為1.77～1.19，平均1.42。對(duì)其進(jìn)行球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分析，發(fā)現(xiàn)高橋、宜川均具有右傾Eu負(fù)異常的“V”字型模式曲線特征，不同的是宜川地區(qū)曲線一致性較差(圖4(a))，而高橋地區(qū)曲線特征一致性好(圖4(b))，表明宜川地區(qū)物源來(lái)自不同方向，為多物源的混合區(qū)，而高橋地球物源較為單一。

圖4 高橋和宜川地區(qū)本溪組泥巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線圖Fig. 4 Standardized graphs of rare earth element chondrites in mudstones of Benxi Formation in Gaoqiao and Yichuan Area

4 討論

微量元素中的Co、Ni、Ba、V、Cu、Sr、Th、Cr等對(duì)環(huán)境變化靈敏，其含量比值可用來(lái)指示其形成的古環(huán)境特征，因此，可用Sr/Ba、Sr/Cu、V/Cr、U/Th、Ni/Co、Cu/Zn及T(T=(y-2 578)/-80.8，y=Sr)指示沉積地層形成時(shí)的古環(huán)境和古氣候[12-16]。研究區(qū)本溪組泥巖的微量元素特征比值如表3所示。

表3 鄂爾多斯盆地東南緣本溪組泥巖微量元素特征比值Tab. 3 Characteristic ratios of trace elements in mudstones of Benxi Formation in the southeastern margin of Ordos Basin

4.1 古鹽度

Sr比Ba遷移能力強(qiáng)，當(dāng)?shù)c海水混和時(shí)，淡水中的Ba2+與海水中的SO2-結(jié)合生成BaSO4沉淀，而SrSO4溶解度較高可遷移到遠(yuǎn)海，通過(guò)生物途徑沉淀下來(lái)。因此，Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值隨遠(yuǎn)離海岸而逐漸增大，依據(jù)該比值的大小可定性反映古鹽度并進(jìn)行沉積環(huán)境的恢復(fù)。一般來(lái)講，淡水沉積物中Sr/Ba<1，海相沉積物的Sr/Ba>1，半咸水相Sr/Ba值為1.0～0.5。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為鍶鋇比值隨鹽度增高而增大，粘土或泥巖的Sr/Ba>1為海洋沉積，<1為大陸沉積。劉小康等[18]認(rèn)為Sr/Ba>1.0為海相咸水，0.6～1.0之間為半咸水相，<0.6為陸相淡水。宜川地區(qū)本溪組泥巖的Sr/Ba除個(gè)別樣品如Y51-7較高外，其余大都在0.17～0.96，平均為0.59，為陸相淡水到半咸水環(huán)境(圖5(a))；而高橋地區(qū)本溪組泥巖的Sr/Ba為0.32～2.48，平均為1.23，水體鹽度較高，為半咸水-海相咸水環(huán)境(圖5(b))。表明本溪組時(shí)期鄂爾多斯盆地東南緣的宜川地區(qū)有淡水的混入，而高橋地區(qū)淡水的混入較少，以海相咸水環(huán)境為主。

圖5 鄂爾多斯盆地東南緣本溪組泥巖古鹽度變化特征Fig. 5 Paleosalinity variation characteristics of mudstones of Benxi Formation in the southeastern margin of Ordos Basin

4.2 古氣候和古地溫

古氣候研究的常用方法有微量元素比值法和孢粉組合特征法[19]，其中Sr/Cu常被作為氣候溫濕和干熱的重要指標(biāo)，余繼峰等[20]認(rèn)為Sr/Cu介于1～10指示溫濕氣候，>10指示干熱氣候。田景春等[21]利用Sr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(y)和溫度(T)的關(guān)系來(lái)估算古水溫，即y=2 578-80.8T。宜川地區(qū)本溪組泥巖Sr/Cu為0.9～4.55，平均2.90，在1～10之間，表明處于溫濕環(huán)境(圖6(a))。高橋地區(qū)泥巖Sr/Cu范圍4.09～22.85，平均13.55，在1～10和>10范圍內(nèi)(圖6(b))，縱向上呈溫濕氣候-干熱氣候-溫濕氣候的周期變化，表明高橋地區(qū)本溪組氣候變化具有周期性從溫濕到干熱的轉(zhuǎn)換。另外，可根據(jù)Sr元素含量計(jì)算古地溫，高橋地區(qū)本溪組古溫度為26.59～30.09 ℃，平均值為28.57 ℃，表明高橋地區(qū)古溫度變化較大，而宜川地區(qū)的古溫度為29.37～31.33 ℃，平均30.44 ℃，表明宜川地區(qū)本溪組古溫度變化范圍較小，氣候相對(duì)穩(wěn)定。鄂爾多斯盆地東南緣宜川和高橋地區(qū)本溪組泥巖的Sr/Cu和古溫度研究表明，盆地東緣晚石炭世本溪期的氣候總體較為干熱，盡管宜川地區(qū)本溪期處于潮濕的環(huán)境，但古溫度和高橋地區(qū)相差不大，平均溫度僅相差2 ℃左右，其濕潤(rùn)環(huán)境可能是由于宜川地區(qū)處于深水區(qū)，遠(yuǎn)源物質(zhì)輸送較多，而高橋地區(qū)水體較淺，以周?chē)慕次镔|(zhì)輸送沉積為主。

圖6 鄂爾多斯盆地本溪組氣候變化特征Fig. 6 Climate change characteristics of Benxi Formation in Ordos Basin

4.3 氧化還原環(huán)境

微量元素的V/Cr、U/Th、Ni/Co及Cu/Zn等參數(shù)對(duì)沉積巖形成過(guò)程中的氧化還原條件敏感，常被用于指示沉積物形成的氧化還原環(huán)境。其中，V/Cr常被用作含氧量指標(biāo)，一般認(rèn)為V/Cr<2為含氧環(huán)境，2～4.25為貧氧條件，>4.25為次氧至缺氧條件[22]。U在強(qiáng)還原條件下以不溶的U4+形式存在，造成沉積物中大量富含U元素，隨著沉積環(huán)境變?yōu)楹醐h(huán)境，則以可溶的U6+形式存在流體中。Th比較穩(wěn)定，不受水體氧化還原條件的影響，所以常用U/Th值反映沉積巖氧化還原條件，一般認(rèn)為U/Th>1.25代表缺氧環(huán)境，0.75～1.25為貧氧環(huán)境，<0.75為氧化環(huán)境[14,22]。Ni/Co是判斷沉積物沉積時(shí)期的水體氧化還原程度的重要參數(shù)。Ni在H2S存在的還原環(huán)境中以硫化物形式沉淀，而在氧化環(huán)境中以離子形式存在。Co在氧化環(huán)境中以Co2+離子溶于流體，在缺氧環(huán)境中以固溶體進(jìn)入自生黃鐵礦[22]，常把Ni/Co<5為氧化環(huán)境，5～7為貧氧環(huán)境，>7為次氧至缺氧環(huán)境[17]。田景春等[21]認(rèn)為Cu/Zn值<0.21為還原環(huán)境，0.21～0.35為弱還原環(huán)境，0.35～0.50為還原-氧化環(huán)境。

通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東南緣高橋和宜川地區(qū)石炭統(tǒng)本溪組泥巖微量元素V/Cr、U/Th、Ni/Co和Cu/Zn比值(圖7)特征研究發(fā)現(xiàn)，高橋和宜川地區(qū)本溪組泥巖V/Cr值范圍分別為0.66～1.64、1.17～1.9，平均值1.24、1.50，均<2。U/Th值范圍分別為0.15～0.39、0.17～0.97，平均值0.31、0.33，雖然U/Th變化范圍較大，但整體上均<0.75。Ni/Co值范圍分別為1.54～7.11、1.00～8.44，平均值4.28、0.33，其值變化范圍較大，但大多數(shù)樣品Ni/Co值都<5。Cu/Zn比值分別為0.28～0.95、0.26～2.7，平均值6.38、1.08，整體>0.35。因此，認(rèn)為鄂爾多斯盆地東南緣高橋和宜川地區(qū)均屬于含氧的氧化環(huán)境，但是氧化程度及變化頻次略有差異，可能受本溪期海侵作用所致。宜川地區(qū)經(jīng)歷了弱氧化→強(qiáng)氧化→弱氧化→強(qiáng)氧化→弱氧化的演變過(guò)程，而高橋地區(qū)經(jīng)歷了弱氧化→強(qiáng)氧化→弱氧化→氧化4個(gè)演化階段。

圖7 鄂爾多斯盆地東南緣本溪組泥巖微量元素氧化還原特征圖Fig. 7 Redox characteristics of trace elements in mudstones of Benxi Formation in the southeastern margin of Ordos Basin

5 結(jié)論

1) 通過(guò)研究區(qū)泥巖微量元素的Sr/Ba比值，認(rèn)為高橋地區(qū)在本溪組時(shí)期為開(kāi)放環(huán)境，水體整體表現(xiàn)為陸相淡水到海相咸水并存的環(huán)境，表明高橋地區(qū)為盆地水體較淺部位；而宜川地區(qū)本溪組以海水環(huán)境為主，位于水體較深部位，受陸相淡水影響較小。

2) 通過(guò)研究區(qū)本溪組泥巖的Sr/Cu比值和古水溫研究，認(rèn)為高橋地區(qū)在本溪組時(shí)期氣候處于溫濕環(huán)境，且古水溫相對(duì)變化較大；而宜川地區(qū)則處于溫濕→干旱→溫濕的周期性變化環(huán)境，古水溫變化較小。

3) 研究區(qū)本溪組泥巖V/Cr、U/Th、Ni/Co及Cu/Zn特征研究表明，宜川地區(qū)在本溪組時(shí)期水體為淡水-海水的氧化環(huán)境，且古氣候較為穩(wěn)定，處于深水環(huán)境；而高橋地區(qū)受到海水的入侵作用，鹽度發(fā)生周期性變化，可能與海平面的變化同步進(jìn)行，古氣候在溫濕-干熱-溫濕間周期性變化，以氧化環(huán)境為主，反映了海平面邊緣的淺水環(huán)境，易受到大氣環(huán)境影響。