鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組物源與古沉積環(huán)境恢復(fù)：來自巖石地球化學(xué)的證據(jù)

陳 曦，肖 玲，王明瑜，郝晨曦，王 峰，唐紅南

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國石油長慶油田分公司第十采油廠，甘肅 慶城 745100；4.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，甘肅 慶陽 745100；5.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；6.中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

0 引 言

在含油氣盆地研究工作中，明確源區(qū)構(gòu)造背景、源巖屬性及古沉積環(huán)境對認識沉積體系、明確沉積物來源等至關(guān)重要[1-2]。在碎屑巖沉積過程中，地球化學(xué)組成的分異賦存特征除受自身化學(xué)性質(zhì)的影響外，與源區(qū)構(gòu)造背景、源巖屬性及古沉積環(huán)境等息息相關(guān)。碎屑沉積巖中地球化學(xué)組成特征綜合反映了源巖由風(fēng)化剝蝕到沉積成巖整個遷移過程，其精確性和高分辨率性使其成為古沉積環(huán)境恢復(fù)、物源示蹤的有效手段[3-4]。

鄂爾多斯盆地位于多個構(gòu)造域結(jié)合部位，構(gòu)造條件復(fù)雜，油氣資源豐富，目前已經(jīng)成為我國最大的油氣生產(chǎn)基地，能源地位極其重要[5-6]。其中，中晚三疊世沉積的延長組是盆地內(nèi)重要的油氣資源富集層系，但由于前期技術(shù)及認識的限制，油氣勘探開發(fā)研究工作主要集中在長7油層組以上埋深相對較淺的層位。近年來，隨著油氣勘探研究工作的深入，鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)延長組長8油層組不斷有油氣新發(fā)現(xiàn)，并且已相繼落實億噸級整裝油田[7]。前人曾從元素地球化學(xué)[8-10]、輕重礦物組合特征[11-12]、古流向[13]及鋯石年代學(xué)[14]等多個角度對盆地西南緣長8油層組源區(qū)構(gòu)造背景及沉積物源開展了相關(guān)研究工作，但仍存在一定的爭議。部分學(xué)者認為物源主要來自秦祁褶皺帶火山弧物源區(qū)[8，10]，而另有學(xué)者則持有物源主要來自于華北克拉通北緣、阿拉善地塊的元古宙—古生代再旋回造山帶沉積物的觀點[14-15]。物源體系分析作為“源-匯”系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，對于認識沉積體系至關(guān)重要[16]，因此關(guān)于物源體系的爭議限制了對研究區(qū)沉積體系的深入刻畫。在上述利用地球化學(xué)組成對源區(qū)構(gòu)造背景或物源的研究中，多采用稀土元素或單一元素地球化學(xué)特征，截至目前，未見學(xué)者綜合利用全巖主量、微量和稀土元素展開系統(tǒng)研究。此外，鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組古沉積環(huán)境的系統(tǒng)研究工作相對匱乏。鑒于以上考量，在前人研究基礎(chǔ)上，本文對盆地西南緣長8油層組泥巖巖心進行系統(tǒng)取樣，利用泥巖地球化學(xué)特征對研究區(qū)源區(qū)構(gòu)造背景、源巖屬性進行綜合判別，明確其物質(zhì)來源；同時結(jié)合巖石地球化學(xué)特征及宏觀沉積學(xué)標志，恢復(fù)研究區(qū)長8油層組沉積期古水體、古氣候條件，以期為區(qū)內(nèi)長8油層組物質(zhì)來源、沉積體系及古地理環(huán)境的研究提供證據(jù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于我國東、西部構(gòu)造域的結(jié)合部，周圍發(fā)育活動構(gòu)造帶，由伊盟隆起、陜北斜坡、天環(huán)凹陷、西緣逆沖帶、渭北隆起及晉西撓褶帶共6個次級構(gòu)造單元組成，為我國陸內(nèi)第二大沉積盆地。鄂爾多斯盆地作為太古宙—早元古代華北克拉通變質(zhì)結(jié)晶基底之上的大型中新生代陸內(nèi)疊合盆地[17]，經(jīng)歷了多次構(gòu)造活動改造。盆地自中元古代進入坳拉谷盆地演化階段，以海相沉積為主[18]。古生代時期盆地作為華北板塊的組成部分，進入穩(wěn)定克拉通盆地發(fā)育期。早古生代奧陶紀末受華北板塊南北洋殼俯沖影響，華北板塊整體抬升，海水退出盆地，盆地主體缺失晚奧陶世—早石炭世地層。晚石炭世，盆地西部賀蘭坳拉谷重新開啟，盆地重新接收海相沉積[19]。早二疊世受盆地南北洋殼俯沖及西部賀蘭坳拉槽關(guān)閉、隆升影響，華北地臺整體再次抬升，盆地沉積環(huán)境逐漸進入內(nèi)陸湖盆陸相沉積階段。三疊紀至侏羅紀揚子板塊與華北板塊拼合，盆地處于擠壓階段，具有前陸盆地的性質(zhì)。白堊紀盆地進入定型階段，受太平洋板塊向新亞洲大陸俯沖影響形成伸展斷陷和坳陷盆地，大型鄂爾多斯盆地消亡，最終呈現(xiàn)為現(xiàn)今西傾單斜的整體構(gòu)造格局[20]。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣，面積約1.23×104km2(圖1(a))，大地構(gòu)造處于穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊與活躍的秦祁褶皺帶之間的交接地帶(圖1(b))，構(gòu)造條件較復(fù)雜，區(qū)域上表現(xiàn)為寬緩的西傾單斜，地形平緩。區(qū)內(nèi)在盆地基底基礎(chǔ)上發(fā)育中晚元古代—早古生代海相碳酸鹽巖沉積，此后受加里東運動影響缺失志留系—下石炭統(tǒng)地層[21]；中—晚石炭世研究區(qū)開始沉降，發(fā)育以碎屑巖為特色的陸相沉積[22]。二疊紀末，受海西運動區(qū)域上影響，地殼抬升，區(qū)內(nèi)二疊系與三疊系地層呈平行不整合接觸[23]。中生代研究區(qū)自下而上沉積了三疊系劉家溝組—白堊系洛河組等陸相碎屑巖地層，受印支運動影響缺失下侏羅統(tǒng)富縣組。三疊系延長組作為研究區(qū)乃至盆地內(nèi)主要含油層系，與下伏紙坊組呈平行不整合接觸。延長組自上而下可劃分為長1—長10共10個油層組[24]，其中長8油層組為區(qū)內(nèi)主力產(chǎn)油層位，地層厚度為50.5～115.0 m。長8油層組沉積期盆地整體穩(wěn)定沉降，沉積物源持續(xù)穩(wěn)定，主要發(fā)育三角洲沉積體系(圖1(c))，儲集體粒度相對較粗，巖性以灰白色、灰色細砂巖及粉砂巖等碎屑沉積巖為主[25]。

圖1 鄂爾多斯盆地西南緣及鄰區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖((a)，據(jù)文獻[26]修改)、研究區(qū)位置與取樣井分布(b)、延長組地層柱狀圖((c)，據(jù)文獻[27]修改)

2 樣品采集與測試方法

本次研究所有樣品均來自研究區(qū)13口盆地內(nèi)部鉆井的巖心，對14件新鮮、受成巖作用影響較弱的泥巖或粉砂質(zhì)泥巖樣品(圖2)進行了主量、微量及稀土元素測試分析。所有樣品均在瑪瑙研缽中研磨至200目以下，后放置于馬弗爐中在500 ℃溫度下加熱2 h進行干燥脫水處理。主量元素采用X衍射熒光光譜進行分析，微量元素及稀土元素均采用Agilent 7900等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)儀器完成測試，儀器精密度優(yōu)于5%，標準結(jié)果與推薦值相對誤差小于10%。所有元素測試分析工作均在成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室按照相關(guān)測試規(guī)范標準完成[28]。

圖2 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖樣品特征

3 元素地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組樣品主量元素測試結(jié)果見表1。研究區(qū)主量元素含量與PAAS標樣主量元素豐度值[29]相比，MgO含量基本一致，SiO2、Al2O3含量微弱虧損，CaO、Na2O、P2O5、K2O、P2O5均低于標樣豐度值。K2O/Na2O為0.85～1.34，平均值為1.03，總體高于上地殼(0.87)，表明樣品中含有較多含鉀礦物?？傮w而言，不同樣品主量元素含量之間無明顯差異，以較高SiO2含量(平均含量為62.77%)、Al2O3(平均含量為12.92%)以及較高活躍主量元素含量(MgO、CaO、K2O、Na2O)為特征，反映沉積源巖中含有酸性巖；另外，較高的Fe2O3和Al2O3含量表明樣品中含有含量可觀的碎屑重礦物。

表1 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖主量元素特征及相關(guān)參數(shù)

3.2 微量元素

微量元素測試結(jié)果(表2)表明，長8油層組泥巖樣品中Li、Co、V、Cr等微量元素含量分別為27.26～59.36 μg/g、12.12～28.69 μg/g、79.70～150.12 μg/g、79.96～135.48 μg/g，平均含量分別為42.12 μg/g、18.52 μg/g、118.03 μg/g、100.76 μg/g。與上地殼微量元素豐度值相比，研究區(qū)泥巖樣品的V、Cr、Ga、Ba等親石元素相對于上地殼富集，高場強元素Hf含量相對于大陸上地殼微弱虧損；親鐵元素Co、Ni均相對大陸上地殼富集，W元素含量平均值略高于大陸上地殼豐度值；Sr元素總體相對于大陸上地殼嚴重虧損，Y、U、Zr、Li 均相對于大陸上地殼富集，Ta元素含量略低于大陸上地殼豐度值。過渡元素Cr一般富集于基性、超基性巖石中，研究區(qū)樣品Cr含量遠高于上地殼豐度值，表明研究區(qū)存在基性和超基性巖石。不相容元素Th一般富集于中酸性巖石中，研究區(qū)樣品Th含量高于上地殼豐度值，表明研究區(qū)源巖以中酸性巖石為主。

表2 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖微量元素含量(μg/g)、特征值及古水深參數(shù)

3.3 稀土元素

長8油層組稀土元素(表3)總量為131.56～350.46 μg/g，平均為223.20 μg/g，高于大陸上地殼的稀土總量平均值(146.4 μg/g)[30]，輕稀土元素總量為116.83～326.48 μg/g，平均為203.67 μg/g，重稀土元素總量為14.73～23.98 μg/g，平均為19.5 μg/g，L/H(輕重稀土元素含量比值)平均值為10.44，表現(xiàn)出輕稀土元素富集、重稀土元素虧損的特征。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N分別反映輕、重稀土元素之間的分餾程度，(La/Sm)N值越大，表明輕稀土元素越富集；(Gd/Yb)N值越小，表明重稀土元素越富集。研究區(qū)長8油層組(La/Sm)N平均值為4.31，(Gd/Yb)N平均值為1.79，表現(xiàn)出輕稀土元素富集、重稀土元素輕微虧損的特征。(La/Yb)N平均值為12.18，說明輕、重稀土元素分異明顯。

表3 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖稀土元素含量(μg/g)及特征參數(shù)

4 物源分析

4.1 源區(qū)構(gòu)造背景分析

基于研究區(qū)長8油層組樣品主量元素測試分析結(jié)果，結(jié)合Roser 等[31]提出的基于砂泥巖的K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造背景圖解(圖3)判別長8油層組物源區(qū)構(gòu)造背景。研究區(qū)長8樣品總體落在活動大陸邊緣區(qū)域內(nèi)，個別樣品落在大陸島弧區(qū)域內(nèi)，表明研究區(qū)長8油層組物源區(qū)構(gòu)造背景總體與活動大陸邊緣有關(guān)。

圖3 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖K2O/Na2O-SiO2判別圖解(底圖據(jù)文獻[31])

沉積巖中稀土元素以及如La、Th、Zr等不活潑微量元素遷移性較低，穩(wěn)定性較強，受后期成巖作用、風(fēng)化作用等改造較弱，可以有效反映源區(qū)母巖組成信息及構(gòu)造背景特征[32]。利用Bhatia 1985年[33]總結(jié)的砂巖-泥巖中稀土元素地球化學(xué)特征判別4種雜砂巖不同構(gòu)造背景，其源區(qū)構(gòu)造特征及稀土元素特征見表4。由于泥巖細粒沉積物對元素的吸附作用更強，泥巖中稀土元素豐度要比相同構(gòu)造背景下雜砂巖高出20%左右，因此同沉積期雜砂巖稀土元素參數(shù)=泥巖稀土元素參數(shù)/1.2，校正后的泥巖稀土元素參數(shù)值可與雜砂巖稀土元素特征參數(shù)直接進行對比[34]。稀土元素對比結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組稀土元素特征參數(shù)總體表現(xiàn)出與活動大陸邊緣構(gòu)造背景相似的特征，推測其物源主要來自上隆基底(表4)。

表4 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖稀土元素參數(shù)特征及與不同構(gòu)造背景對比

Bhatia[35]提出了La-Th-Sc、Th-Sc-Zr、Th-Co-Zr等用于判別源區(qū)構(gòu)造環(huán)境的圖解。本次研究的泥巖樣品微量-稀土元素判別圖解如圖4所示。La-Th-Sc判別圖解中，研究區(qū)長8油層組樣品大部分數(shù)據(jù)點落在大陸島弧區(qū)域內(nèi)，部分數(shù)據(jù)點落在活動大陸邊緣、被動大陸邊緣混合區(qū)域與大陸島弧交界處。數(shù)據(jù)點在Th-Co-Zr和Th-Sc-Zr判別圖解中的分布相對分散，但多數(shù)樣品落在大陸島弧與活動大陸邊緣交匯處。結(jié)合主量元素構(gòu)造背景結(jié)果分析，長8沉積期源區(qū)屬于與大陸島弧相關(guān)的活動大陸邊緣構(gòu)造背景。綜上所述，研究區(qū)長8油層組沉積巖源區(qū)構(gòu)造背景主要為與大陸島弧相關(guān)的活動大陸邊緣，物源主要來自于上隆基底或切割巖漿弧。這一認識與李怡佳等[8]根據(jù)汭水河剖面長8段砂巖樣品判別結(jié)果為活動大陸邊緣相符。

圖4 鄂爾多斯盆地西南緣延長組長8油層組泥巖微量元素構(gòu)造背景判別圖解(底圖據(jù)文獻[35])

4.2 源巖屬性與物源分析

利用微量元素Co/Th-La/Sc以及La/Th-Hf源巖判別圖解可以判斷源巖性質(zhì)。從Co/Th-La/Sc圖解(圖5(a))可以看出，長8油層組泥巖樣品數(shù)據(jù)投點主要位于長英質(zhì)火山巖區(qū)域附近。在La/Th-Hf圖解(圖5(b))中，長8油層組泥巖樣品主要落在上地殼長英質(zhì)物源，部分樣品落在長英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)。這與Co/Th-La/Sc圖解的分析結(jié)果一致，表明鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組源巖以長英質(zhì)巖石為主，同時存在一定的基性巖物源。

圖5 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖Co/Th-La/Sc((a)，底圖據(jù)文獻[36])及La/Th-Hf源巖判別圖解((b)，底圖據(jù)文獻[37])

沉積巖的稀土元素特征受源巖巖石組成影響，因此稀土元素特征能夠有效反映源巖屬性，同一來源的沉積巖一般具有相似的稀土元素參數(shù)特征及配分模式。長8油層組樣品的稀土元素配分曲線均表現(xiàn)出LREE富集、HREE虧損的特征，曲線La-Eu段較陡，Eu-Lu段相對較平緩，δEu為0.59～0.87，平均值為0.69，表現(xiàn)出Eu中等負異常。與源自上地殼的巖石礦物一般具有輕稀土富集、重稀土含量較穩(wěn)定以及明顯的Eu負異常特征相似[38]，說明源巖主要來自以長英質(zhì)成分為主的上地殼。

為進一步明確研究區(qū)源巖屬性及物質(zhì)來源，筆者收集了近年來學(xué)者發(fā)表的有關(guān)研究區(qū)潛在物源區(qū)不同時期、不同巖體的稀土元素數(shù)據(jù)[39-45]，利用Boynton推薦的球粒隕石平均值[46]對本文數(shù)據(jù)與其統(tǒng)一進行標準化，繪制出相應(yīng)的稀土元素配分模式曲線與研究區(qū)進行對比(圖6)。結(jié)果表明：研究區(qū)樣品稀土元素配分模式總體特征較為相似，均表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型，La-Eu段較陡，Eu-Lu段相對較緩，Eu負異常較明顯，說明研究區(qū)物源較為一致，物源區(qū)相對穩(wěn)定。研究區(qū)長8油層組泥巖樣品稀土元素配分模式與秦祁褶皺帶母巖稀土元素配分曲線(圖6(b))高度相似，表明盆地西南緣長8油層組沉積巖與秦祁褶皺帶片麻巖、片巖等變質(zhì)巖以及各時代花崗閃長巖等侵入巖體具有親緣性。換而言之，研究區(qū)長8油層組物源主要來自于秦祁褶皺帶巖漿巖、變質(zhì)巖巖系。相比而言，盆地北部陰山—大青山古陸(圖6(c))稀土元素配分曲線整體較為平緩，表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土元素微弱虧損以及Eu負異常不明顯特征，與研究區(qū)長8油層組稀土元素配分曲線無明顯相似之處，表明盆地北部陰山古陸并未在長8沉積期為研究區(qū)提供物源。西北部阿拉善古陸(圖6(d)和(e))以及南部秦嶺古陸地區(qū)(圖6(f))巖石稀土元素配分曲線呈現(xiàn)出明顯的深“V”形，表現(xiàn)為明顯的輕稀土富集、重稀土虧損以及明顯的Eu負異常，與研究區(qū)長8油層組配分模式有較明顯差異，說明上述兩個地區(qū)在長8沉積期并不作為研究區(qū)物源區(qū)。

圖6 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖及鄰區(qū)不同巖體REE配分模式

基于Allèrgre和Minster[47]提出的稀土元素La/Yb-∑REE源巖判別圖解分析，研究區(qū)長8油層組源巖主要落在沉積巖、花崗巖以及堿性玄武巖的重疊區(qū)(圖7)，與前文分析的物源來自秦祁褶皺帶變質(zhì)巖以及火山巖系結(jié)果相一致。

圖7 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖∑REE-La/Yb源巖判別圖解(底圖據(jù)文獻[47])

此外，前人根據(jù)研究區(qū)盆地西南緣長8油層組野外露頭層理及沉積構(gòu)造古水流向測定結(jié)果表明，研究區(qū)古水流向主要為北東方向[48]，也可為研究區(qū)物源主要來自于西南部秦祁褶皺帶提供佐證。綜合研究區(qū)泥巖樣品Co/Th-La/Sc及La/Th-Hf源巖判別圖解分析結(jié)果、稀土元素配分模式、∑REE-La/Yb判別圖解及前人古水流向研究成果，認為研究區(qū)長8油層組物源主要來自秦祁褶皺帶隴山群、寬坪群及陳家河變中酸性巖等巖漿巖及變質(zhì)巖巖體。

5 古沉積環(huán)境條件判別

5.1 數(shù)據(jù)可靠性分析

由于泥巖樣品可能受后期成巖作用的影響，在利用泥巖地球化學(xué)特征參數(shù)進行古沉積環(huán)境恢復(fù)時應(yīng)當對數(shù)據(jù)進行可靠性分析，排除成巖作用的影響。前人研究認為成巖作用會導(dǎo)致巖石的Ce異常，并使δCe和δEu具有一定的相關(guān)性[49]，因此在利用泥巖樣品進行古沉積環(huán)境條件判別時，可通過分析δCe-∑REE及δEu-δCe圖解的相關(guān)性判斷所用樣品是否受成巖作用的影響。研究區(qū)14個泥巖樣品的成巖作用判別圖解(圖8)相關(guān)性分別為0.009與0.214，無明顯正相關(guān)性，表明本次研究泥巖樣品受成巖作用影響較小，用來判別沉積環(huán)境條件是可靠的。

圖8 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖δCe與δEu、∑REE交會圖

5.2 古氣候環(huán)境

5.2.1 風(fēng)化強度指數(shù)對古氣候的指示

一般認為，物源區(qū)母巖遭受化學(xué)風(fēng)化作用越強，反映源區(qū)氣候環(huán)境相對更加濕潤[50]。Nesbitt與Young[51]提出利用泥巖化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)確定物源區(qū)的源巖風(fēng)化程度以及沉積巖沉積過程中的氣候條件，CIA多為50～100，為50指示源巖未遭受風(fēng)化作用，反映氣候干燥；為100則指示源巖遭受了強烈的化學(xué)風(fēng)化作用，氣候條件較為潮濕。CIA計算公式如下：

(1)

式中：各氧化物均為摩爾分數(shù)。其中CaO*表示來自硅酸鹽的CaO，本文采用Mclennan[52]提出的計算CaO*的方法：CaO剩余=CaO-P2O5×10/3，當CaO剩余小于Na2O時，CaO*為CaO剩余，反之則為Na2O。

計算結(jié)果表明，長8油層組CIA值(表1)介于52.56～60.54之間，平均值為56.49，指示源區(qū)巖石經(jīng)受了較弱的化學(xué)風(fēng)化作用，長8油層組沉積時期的整體上以較干燥氣候條件為主。

泥巖在成巖過程中鉀交代作用會帶入新的鉀元素，若不對K2O進行校正直接進行計算，易導(dǎo)致CIA計算值偏低。本文采用Panhai等[53]提出的公式進行K2O校正，得出校正后的K2Ocorr，進而計算得出未發(fā)生鉀交代作用的CIAcorr。K2Ocorr計算公式為：

K2Ocorr=[m·Al2O3+m·(CaO*+Na2O)]/(1-m)

(2)

其中：m代表母巖中K2O的比例，m=K2O/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)，主量元素均為摩爾分數(shù)，CaO*為來自硅酸鹽的CaO。

CIAcorr計算公式為：

CIAcorr=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2Ocorr)]×100

(3)

經(jīng)K2O校正后計算得出的CIAcorr稍高于CIA，為55.74～63.21，平均值為59.91，指示源巖經(jīng)歷了較弱的風(fēng)化作用，氣候條件較干燥。

沉積巖成分除受鉀交代作用影響外，在利用泥巖樣品進行CIA計算時，還應(yīng)考慮再旋回沉積作用的影響。經(jīng)歷再旋回沉積的源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷二次風(fēng)化后CIA值偏大，導(dǎo)致不能準確反映源區(qū)風(fēng)化程度及古氣候條件。Cox等[54]提出了成分變異指數(shù)(ICV)來判斷源區(qū)物質(zhì)是否發(fā)生再旋回作用；認為ICV<1指示泥巖成分成熟度較高，經(jīng)歷過再旋回沉積作用或強烈的風(fēng)化作用；ICV>1則指示泥巖成分成熟度較低，為構(gòu)造活動背景下的首次沉積。ICV計算公式為：

ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3

(4)

式中，主量元素均為摩爾分數(shù)。

計算結(jié)果顯示研究區(qū)ICV值為1.43～1.96(表1)，均大于1，平均值為1.65，指示研究區(qū)泥巖樣品為構(gòu)造活動背景下的首次沉積，適用于進行本文的古沉積環(huán)境條件判別。

5.2.2 主量元素法

湖泊中自生碳酸鹽沉積物記錄了湖泊原始沉積期大量的氣候演變信息，其沉淀量與氣溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。白云石和方解石為陸相湖泊沉積物中主要的碳酸鹽礦物，CaO/MgO比值可反映湖泊碳酸鹽沉積物中方解石與白云石的相對含量。陸相淡水湖泊中白云石主要來源于陸源碎屑，方解石則由外來陸源組分和湖泊內(nèi)生碳酸鈣沉淀兩部分組成。對于陸源碎屑輸入量較穩(wěn)定的長8沉積期湖盆，經(jīng)Al2O3含量校正陸源碎屑輸入量變化情況之后的CaO/(MgO·Al2O3)比值可準確反映自生碳酸鹽含量的相對高低，可作為反映古氣溫條件的可靠指標，其大小與溫度成正相關(guān)關(guān)系[55]。

根據(jù)吳豐昌等[56]對貴州紅楓湖沉積物的研究成果，紅楓湖在1990年前以往30年中平均氣溫15 ℃條件下，沉積物的CaO/(MgO·Al2O3)值介于0.043～0.104之間，平均值為0.075。相關(guān)學(xué)者最新研究結(jié)果表明，三疊系延長組、長7油層組、長4+5油層組CaO/(MgO·Al2O3)平均值分別為0.117、0.112和0.178[57-58]。與之相比，長8油層組CaO/(MgO·Al2O3)值為0.12～0.30，平均值為0.19(圖9(a))，表明長8油層組沉積期的年平均古氣溫高于15 ℃，并且高于延長組長7、長4+5油層組沉積期古氣溫。

圖9 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖主量元素(a)、微量元素(b)古氣候判別圖解

5.2.3 微量元素法古氣候判別

由于微量元素自身性質(zhì)及氣候條件的差異性，不同微量元素在不同沉積環(huán)境中呈現(xiàn)出差異化的賦存特征[59]。喜干型元素(Sr)與喜濕型元素(Cu)的比值可以反映古氣候條件，一般認為Sr/Cu>10指示干熱氣候，5

綜合主微量元素分析結(jié)果，反映出長8沉積期為較干旱的氣候特征。鄧秀芹等[63]通過研究長10—長8油層組植物孢粉化石發(fā)現(xiàn)干旱氣候的光面三角孢占絕對優(yōu)勢，孢粉呈現(xiàn)出分異度較低特征，表明長8沉積期氣候較干旱。

5.3 古水深

5.3.1 鈷元素法估算古水深

恢復(fù)古水深對于認識沉積體系具有重要意義。通過測定碎屑沉積巖樣品中鈷(Co)元素的含量來推算古沉積物的沉積速率，進而定量計算古水深[64]：

(5)

(6)

式中：Vs為樣品沉積時的沉積速率，mm/a；V0為正常古湖泊沉積速率，一般取值0.2～0.4 mm/a，根據(jù)最新研究成果，研究區(qū)主要為三角洲平原以及三角洲前緣亞相，三角洲平原取0.4 mm/a，三角洲前緣取0.3 mm/a[1]；SCo為樣品中Co的豐度；TCo為陸源碎屑巖中Co的平均豐度(4.68 μg/g)，t為物源Co對樣品的貢獻值，SLa為樣品中La的豐度；NLa為陸源碎屑巖中La的平均豐度(38.99 μg/g)；h為古水深，m；NCo為正常湖泊沉積物中Co的豐度(20 μg/g)。

基于研究區(qū)14個樣品鈷(Co)元素和鑭(La)元素含量測定結(jié)果，對古水深進行定量計算，結(jié)果如表2所示。通過對比同區(qū)域樣品古水深計算結(jié)果，研究區(qū)全域古地形平坦開闊，湖泊范圍有限，水體較淺，水深范圍為7.6～58.1 m，平均水深為25.1 m；研究區(qū)整體水體較淺，水深一般小于20 m，僅在研究區(qū)東北部木缽、八珠地區(qū)存在相對洼陷，水深可大于45 m。

5.3.2 宏觀沉積學(xué)標志

沉積巖的顏色、巖性、沉積構(gòu)造、古生物化石均可用來判別古水深范圍[65]。沉積巖的顏色及古生物標志可以有效反映沉積水體環(huán)境。對于碎屑巖沉積物，砂泥比值隨著沉積水體加深而減小，巖石顏色由淺變深，反映水動力較強的淺水環(huán)境的層理、波痕及沖刷侵蝕等沉積構(gòu)造也演變?yōu)樯钏练e條件的水平、韻律層理構(gòu)造。生物活動遺跡隨著水體的加深由反映淺覆水富氧沉積環(huán)境的垂向蟲孔、高角度蟲孔逐漸向反映深覆水還原環(huán)境的水平蟲孔轉(zhuǎn)變。研究區(qū)長8油層組砂巖以灰色、灰綠色中-細砂巖為主(圖10)，巖心剖面多見板狀(圖10(b)和(d))、槽狀交錯層理(圖10(a)、(c)和(f))及平行層理(圖10(b))等反映較強水動力的沉積構(gòu)造，并可見沖刷面及沖刷泥礫(圖10(e))。常見保存較好的植物化石(圖10(g)和(h))、垂直蟲孔(圖10(i)和(j))及劣質(zhì)煤線(圖10(k))等，反映研究區(qū)為淺覆水高能環(huán)境。綜合Co元素古水深計算結(jié)果以及巖性、沉積構(gòu)造及生物化石標志分析，長8油層組沉積期整體以淺水環(huán)境為主，研究區(qū)大部分地區(qū)水深小于20 m，僅在研究區(qū)東北部局部發(fā)育洼地。

圖10 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組巖性、沉積構(gòu)造及古生物標志

5.4 古鹽度條件

古鹽度是反映古環(huán)境的重要指標之一，是指示海陸沉積環(huán)境及判斷湖泊水體類型的重要標志[66]。根據(jù)前人研究成果，Sr含量與水體古鹽度存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。Sr含量為100～300 μg/g指示淡水環(huán)境，含量為800～1000 μg/g則指示咸水環(huán)境[67]。測試分析結(jié)果表明，長8油層組Sr元素含量為148.54 ～417.06 μg/g，平均值為248.53 μg/g，表明長8油層組沉積期水體整體為淡水環(huán)境。

Sr/Ba比值常應(yīng)用于古鹽度的定性識別。前人研究工作中一般多將1.0

圖11 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖Sr-Sr/Ba古鹽度判別圖解

5.5 古氧化還原條件

5.5.1 微量元素法

細粒沉積物中富集的對氧化還原環(huán)境較敏感的微量元素主要有Cr、V、Co、Ni、Th、U等，其相互之間的比值在判別沉積環(huán)境氧化還原條件具有良好的一致性，可作為定性判別氧化還原條件的可靠指標[69]。

U(鈾)、Th(釷)等放射性元素主要賦存于泥質(zhì)沉積巖中，U元素在富氧環(huán)境中易被氧化從而發(fā)生淋濾丟失，遷移能力較強；Th元素為惰性元素，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，遷移能力較弱。前人常利用δU法和U/Th比值判斷沉積環(huán)境的氧化還原條件。δU由公式δU=U/[0.5×(Th/3+U)]計算得到。一般認為，正常水體富氧環(huán)境中δU<1，U/Th比值小于0.75；缺氧還原環(huán)境中，δU>1，U/Th比值>1.25[70]。結(jié)合微量元素分析結(jié)果(表1、表2)，長8油層組U/Th值為0.17～0.32，平均值為0.22，δU值為0.44～1.17，平均值為0.76。

此外，Ni/Co、V/Cr值可反映沉積水體的氧化還原條件[71]。一般認為Ni/Co>7、V/Cr>4.25指示還原環(huán)境，Ni/Co、V/Cr值分別為5～7、2.0～4.25指示氧化-還原過渡環(huán)境，Ni/Co<5、V/Cr<2.0反映氧化環(huán)境。研究區(qū)微量元素測試分析結(jié)果表明，長8油層組Ni/Co為1.55～2.52，平均值為2.01；V/Cr值為0.85～1.55，平均值為1.17。綜合上述各項指標分析結(jié)果，結(jié)合各指標之間的交會圖(圖12)分析，長8油層組沉積水體為正常富氧氧化環(huán)境。

圖12 鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組泥巖微量元素古水體氧化還原性質(zhì)判別圖解

5.5.2 稀土元素法

稀土元素Eu和Ce異常(即δEu和δCe)常用于表征水體的氧化還原條件。Eu異常(δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，N表示球粒隕石標準化)常由原生沉積作用引起，一般認為δEu<1指示氧化環(huán)境，δEu>1指示還原環(huán)境。Ce異常(δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2)則常由后生沉積作用導(dǎo)致，氧化環(huán)境中Ce常以Ce4+形式發(fā)生沉淀，呈現(xiàn)明顯負異常，水體中虧損Ce元素。一般認為當δCe<0.95時，指示氧化環(huán)境；而δCe>1表明沉積水體中相對富集Ce元素，指示還原環(huán)境[72]。長8油層組δEu和δCe值分別為0.59～0.87和0.75～1.36，平均值分別為0.690和0.948，稀土元素分析結(jié)果指示長8沉積期水體表現(xiàn)為氧化環(huán)境。綜合微量元素、稀土元素判別結(jié)果，鄂爾多斯盆地西南緣長8油層組沉積期水體主要為氧化環(huán)境。

6 古環(huán)境對沉積體系認識的意義

關(guān)于研究區(qū)長8油層組沉積體系認識的研究歷來已久，但具有較大爭議。付金華等[73]研究認為研究區(qū)長8油層組發(fā)育由西南向東北方向推進的沖積扇-扇三角洲沉積體系。羅靜蘭等[74]研究認為延長組沉積早期湖盆處于持續(xù)擴張階段，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育近源快速沉積的沖積扇-扇三角洲沉積體系。楊華等[13]研究認為研究區(qū)主要發(fā)育近源型且三角洲平原亞相相對不發(fā)育的辮狀河三角洲沉積體系。刁帆等[75-76]研究認為該區(qū)主要發(fā)育以河流為主的淺水三角洲沉積體系。目前學(xué)者普遍認為淺水三角洲沉積體系的發(fā)育主要受控于古氣候、古水深、古地形條件以及盆地構(gòu)造運動等，多發(fā)育于干燥炎熱古氣候條件、物源充足、水體較淺、地形平緩、構(gòu)造緩慢沉降的湖盆環(huán)境中[77-79]。就研究區(qū)物源而言，中晚三疊世，隨著揚子板塊與華北板塊自東向西剪刀式重點拼接位置逐漸西移，西秦嶺以楔狀形式插入祁連地塊之下[80]，導(dǎo)致北秦嶺至祁連地區(qū)的逐漸隆升，秦祁造山帶地區(qū)隴山群、寬坪群等巖體發(fā)生抬升剝蝕成為研究區(qū)供源帶。從古水深背景來看，結(jié)合上文對古水深的定性-定量分析結(jié)果及巖心中常見的反映強水動力條件的沖刷界面、交錯層理及植物化石等淺水環(huán)境標志，研究區(qū)為湖平面頻繁進退、水體動蕩的淺水環(huán)境。研究區(qū)長8沉積期為半潮濕-半干燥、干熱氣候條件，在相對干旱的氣候條件下，降水量相對較少，地表植被相對不發(fā)育，有利于來自西南方向秦祁褶皺帶的物源長距離向湖盆中心方向搬運延伸。就古地形及盆地構(gòu)造運動而言，長8沉積期盆地以持續(xù)穩(wěn)定沉降為主，為大型坳陷湖盆，構(gòu)造環(huán)境相對穩(wěn)定，地形坡度較小，坡角在0.1°左右，不發(fā)育陡坡帶[81-82]，可為淺水三角洲的發(fā)育提供相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境及平緩的古地形條件。

綜合上述分析，中三疊統(tǒng)長8油層組沉積期，鄂爾多斯盆地坡度整體較緩，研究區(qū)西南部秦祁褶皺帶巖漿巖、變質(zhì)巖巖體發(fā)生風(fēng)化剝蝕，產(chǎn)生的碎屑物源經(jīng)研究區(qū)沿北東向湖盆中心長距離推進，沿鎮(zhèn)原—華池一線發(fā)育相對近源條件下的淺水辮狀河三角洲沉積體系，受平緩古地形及淺水湖泊范圍頻繁變化影響，砂體連片分布，分布面積較廣；研究區(qū)內(nèi)主要以三角洲平原亞相為主，三角洲前緣亞相僅在研究區(qū)東北區(qū)局域分布(圖13)。

圖13 鄂爾多斯盆地長8油層組沉積期古地理格局及沉積模式圖(據(jù)文獻[83]修改)

7 結(jié) 論

(1)利用主量元素、微量元素以及稀土元素綜合判別，鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)長8源區(qū)構(gòu)造背景主要為與大陸島弧相關(guān)的活動大陸邊緣。源巖判別圖解以及稀土元素配分曲線特征分析表明，研究區(qū)長8油層組樣品與西南緣秦祁褶皺帶古生代片巖、變質(zhì)碎屑巖、花崗片麻巖等變質(zhì)巖系以及火成巖系具有相似特征，秦祁褶皺帶為研究區(qū)長8油層組的主要物源。

(2)利用泥巖化學(xué)蝕變指數(shù)CIA、CaO/(MgO·Al2O3)及Sr/Cu、Rb/Sr對研究區(qū)古氣候進行綜合判別，氣候整體以半濕潤-半干燥及干燥氣候為主。研究區(qū)泥巖Sr元素豐度、Sr/Ba比值對西南緣地區(qū)長8油層組水體古鹽度綜合判定結(jié)果表明，研究區(qū)長8油層組水體古鹽度總體表現(xiàn)為淡水性質(zhì)。

(3)結(jié)合微量元素Ni/Co、V/Cr比值以及稀土元素異常對研究區(qū)長8油層組氧化還原環(huán)境進行定性判別，長8油層組主要形成于弱還原-強氧化過渡環(huán)境。Co元素法、沉積學(xué)標志法對研究區(qū)古水深定量計算結(jié)果表明，研究區(qū)長8油層組沉積期主要為淺水環(huán)境，大部分地區(qū)水深小于20 m。

(4)來自西南方向秦祁褶皺帶充足的物源、干燥的氣候條件以及動蕩淺水環(huán)境下的古地理條件為研究區(qū)長8油層組淺水三角洲沉積體系的發(fā)育提供了有利條件。