鄂爾多斯盆地南緣奧陶系頂部碳酸鹽巖風(fēng)化殼特征及其成因機(jī)制*

熊加貝 何登發(fā) 成 祥 羅瑀峰

1 中國(guó)石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司，浙江杭州 311100

2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京 100083

3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

近年來(lái)，隨著對(duì)下古生界碳酸鹽巖研究的不斷深入，鄂爾多斯盆地的中東部地區(qū)、靖邊西部、杭錦旗地區(qū)連續(xù)獲得了大量的油氣資源，表明盆地下古生界具有良好的油氣勘探潛力和前景。奧陶紀(jì)—中晚石炭世，該地區(qū)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)1.1～1.4億年的沉積間斷，發(fā)育盆地內(nèi)規(guī)模最大的一期不整合。不整合面擔(dān)當(dāng)著 “承上啟下”的重要角色，其下發(fā)育以靖邊氣田為例的古巖溶風(fēng)化殼型儲(chǔ)集層，其上廣泛發(fā)育的石炭系—二疊系含鋁巖系不僅是風(fēng)化殼氣藏的區(qū)域蓋層，而且隨著近年來(lái)寧古3井的成功勘探，逐漸提出了其可作為有效儲(chǔ)集層的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步拓展了含鋁巖系的勘探新領(lǐng)域。

發(fā)育于不整合面之上的風(fēng)化殼是解釋沉積間斷歷史的最佳 “講解員”，原因在于礦物在風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積等地質(zhì)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生淋濾、遷移、富集等現(xiàn)象，形成風(fēng)化殼層中特殊的地球化學(xué)成分變化，成為一個(gè)時(shí)期古溫度、古環(huán)境和古氣候演變的指示器 （周文娟等，2007；杜遠(yuǎn)生和余文超，2020）。因此，找尋這些元素的規(guī)律性變化及選用適合的地球化學(xué)指標(biāo)，可以對(duì)風(fēng)化殼垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，分析風(fēng)化殼形成時(shí)期的古環(huán)境和古氣候，進(jìn)而討論風(fēng)化殼的成因機(jī)制。然而，受現(xiàn)代風(fēng)化作用影響，現(xiàn)存的野外露頭風(fēng)化殼樣本的新鮮性、完整性都遭到不同程度的破壞 （金書(shū)晨等，2020），可能會(huì)影響分析結(jié)果的精確性。

針對(duì)鄂爾多斯盆地奧陶系頂部風(fēng)化殼，前人研究分別集中在馬家溝組古巖溶風(fēng)化殼儲(chǔ)集層成因及環(huán)境和本溪組致密砂巖方面，對(duì)于含鋁巖系—古巖溶風(fēng)化殼整體變化研究較少。文中基于鄂爾多斯盆地南緣洛川地區(qū)連續(xù)鉆遇的本溪組含鋁巖系—馬家溝組風(fēng)化殼并完整取心的典型井，開(kāi)展系統(tǒng)采樣，結(jié)合巖石學(xué)、主微量元素和地球化學(xué)指標(biāo)特征，建立風(fēng)化殼的垂向結(jié)構(gòu)，反演風(fēng)化殼的形成過(guò)程，揭示盆地南緣本溪組含鋁巖系與馬家溝組風(fēng)化殼發(fā)育時(shí)期的古氧化還原環(huán)境和古氣候特征，并對(duì)風(fēng)化殼的形成過(guò)程與保存機(jī)制進(jìn)行探討，以對(duì)鄂爾多斯盆地馬家溝組巖溶風(fēng)化殼型油氣藏和本溪組含鋁巖系的勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地早古生代經(jīng)歷了多期大的海進(jìn)、海退旋回，發(fā)育一套以碳酸鹽巖和膏鹽巖為主的沉積。洛川地區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣，構(gòu)造位置上處于伊陜斜坡東南部（圖1）。受加里東運(yùn)動(dòng)影響，鄂爾多斯盆地南北兩側(cè)的興蒙洋和秦祁洋以及西側(cè)的賀蘭坳拉槽相繼關(guān)閉而轉(zhuǎn)化為陸間造山帶，鄂爾多斯盆地整體抬升剝蝕，大范圍缺失志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)，形成上、下古生界之間的 “大不整合面”。

圖1 鄂爾多斯盆地南緣區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖及洛1井位置Fig.1 Regional geological schematic diagram of southern margin of Ordos Basin and Location ofWell Luo 1

奧陶紀(jì)，鄂爾多斯板塊與北秦嶺板塊發(fā)生弧陸碰撞，鄂爾多斯盆地南緣由被動(dòng)陸緣逐步變?yōu)榛顒?dòng)陸緣，發(fā)育溝－弧－盆沉積體系，自下而上可劃分為下奧陶統(tǒng)亮甲山組—冶里組、中奧陶統(tǒng)馬家溝組及上奧陶統(tǒng)背鍋山組和平?jīng)鼋M。早奧陶世，海水自東南方向入侵鄂爾多斯盆地，巖性以白云巖為主。中奧陶世馬家溝組沉積早期，海水基本覆蓋整個(gè)盆地，此時(shí)發(fā)育廣闊的陸表海碳酸鹽沉積，巖性以膏鹽巖—碳酸鹽巖為主 （馮增昭和鮑志東，1999；魏柳斌等，2021）。馬家溝組沉積晚期，秦嶺洋持續(xù)向北俯沖，盆地南緣坡度增大，水體加深，至晚奧陶世，隨著華北板塊的整體抬升，海水退出鄂爾多斯盆地全區(qū)。該時(shí)期鄂爾多斯盆地南緣快速沉降，先后發(fā)育平?jīng)鼋M和背鍋山組，巖性以灰?guī)r和泥灰?guī)r為主，標(biāo)志著鄂爾多斯盆地早古生代碳酸鹽巖臺(tái)地沉積已接近尾聲 （袁路朋等，2014）。

洛1井位于鄂爾多斯盆地南緣東段的洛川以北。在該鉆井剖面中，馬家溝組發(fā)育含泥白云巖，之上被本溪組鋁土質(zhì)泥巖覆蓋（圖2）。研究層段共取心3次，取心進(jìn)尺24.75m，自上而下為本溪組二段—馬小層 （8.9m）、馬—馬小層（8m）和馬小層 （7.85m）。在系統(tǒng)的巖心觀察基礎(chǔ)上，本次研究選取適量樣品進(jìn)行顯微薄片觀察、X－衍射全巖分析及主微量元素和稀土元素測(cè)試。

圖2 鄂爾多斯盆地南緣洛1井巖心風(fēng)化殼巖性柱狀圖及采樣層位Fig.2 Core lithological histogram and sampling site of weathering crust from Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

2 碳酸鹽巖風(fēng)化殼特征

2.1 巖石學(xué)特征

洛1井風(fēng)化殼原始巖性為馬家溝組含泥白云巖、白云巖和灰質(zhì)白云巖，風(fēng)化殼段的巖性主要為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和黏土巖。鉆遇的石炭系本溪組為障壁海岸潟湖沉積，奧陶系馬家溝組馬五段為多套垂向疊置的灰質(zhì)云坪、云坪和泥云坪沉積 （侯中帥等，2018）。

馬家溝組含泥白云巖中白云石含量75%～80%，方解石含量5%～10%，泥質(zhì)含量10%～15%，見(jiàn)少量角礫，最大10mm×5mm，最小2mm×4mm，形狀多為長(zhǎng)條狀和橢圓狀（圖3－a），分布不均勻，瓷狀斷口，泥晶結(jié)構(gòu)。灰質(zhì)白云巖中白云石含量60%～65%，方解石含量25%～30%，泥質(zhì)含量5%～10%，瓷狀斷口，泥晶結(jié)構(gòu)，巖心截面見(jiàn)1條長(zhǎng)15 cm、寬1mm的垂直裂縫，被泥質(zhì)與方解石半充填（圖3－b）。

圖3 鄂爾多斯盆地南緣洛1井本溪組—馬家溝組巖心照片F(xiàn)ig.3 Core photos of the Benxi－Majiagou Formations in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

本溪組自上而下分為4個(gè)巖性段：（1）黑色碳質(zhì)泥巖段 （樣品號(hào)：L1－4），碳化程度較低，不染手，可塑性差，吸水性差，性硬且脆，見(jiàn)30mm×10mm黃鐵礦斑塊（圖3－c），與下伏巖層呈漸變接觸。（2）煤層段 （樣品號(hào)：L1－5），碳化程度高，質(zhì)較輕，具玻璃光澤，節(jié)理發(fā)育，性硬且脆，不易污手，可見(jiàn)黃鐵礦斑塊（圖3－d），與上、下巖層呈漸變接觸。（3）鋁土質(zhì)泥巖段 （樣品號(hào)：L1－10、L1－11），見(jiàn)大量碳化植物化石，保存較為完整（圖3－e），且由上至下化石逐漸增多，亦可見(jiàn)大量黃鐵礦斑塊，與下伏巖層呈漸變接觸。（4）泥巖段 （樣品號(hào)：L1－14、L1－15），質(zhì)純，可塑性差，吸水性差，性硬，局部見(jiàn)碳化植物葉片（蘆木類(lèi)），保存完整（圖3－f），可見(jiàn)5mm×10mm～10mm×30mm黃鐵礦斑塊，與下伏巖層呈漸變接觸。

2.2 礦物成分特征

本溪組泥巖樣品L1－12～L1－18可以細(xì)分為黃鐵礦化粉砂質(zhì)泥巖 （樣品號(hào)：L1－12～L1－15）和變黃鐵礦化粉砂質(zhì)泥巖 （樣品號(hào)：L1－16～L1－18）2類(lèi)。（1）黃鐵礦化粉砂質(zhì)泥巖：呈粉砂泥質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，具褶皺、包卷層狀構(gòu)造，顯微鏡下觀察到大量的泥質(zhì)物 （Mud），主要成分為伊利石等黏土礦物，含量55%，正交偏光下可見(jiàn)具棱角狀—次棱角狀石英 （Qtz），粒徑為 0.005～0.050mm，含量25%。其中，L1－12樣品鏡下可觀察到自形、粒狀、不透明的黃鐵礦 （Py），粒徑0.1～2.0mm，含量20%（圖4－a）；L1－13樣品鏡下觀察到富砂質(zhì)聚集層 （Sand）與富泥質(zhì)聚集層 （Mud）相間分布呈層狀構(gòu)造（圖4－b），表明在成巖過(guò)程中原巖沿層理彎曲變形呈褶皺狀，由于粒間滑移、結(jié)晶分異等使黃鐵礦聚集呈層狀；L1－14、L1－15樣品黃鐵礦含量較上覆地層低，但在鏡下可清晰觀察到含鐵質(zhì)深色聚集層 （A）與富泥質(zhì)聚集層 （B）相間分布呈層狀構(gòu)造（圖4－c，4－d）。（2）變黃鐵礦化粉砂質(zhì)泥巖：較上覆地層顏色更純，碳化程度降低，鏡下見(jiàn)變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、變余紋層狀構(gòu)造以及高嶺土等黏土礦物及其變質(zhì)產(chǎn)物絹云母定向排列所形成的板狀構(gòu)造，黃鐵礦含量較上覆地層低，含鐵質(zhì)深色聚集層 （A）與富泥質(zhì)聚集層 （B）相間分布呈層狀構(gòu)造（圖4－e）。如L1－18樣品，正交偏光下觀察到富砂質(zhì)聚集層 （Sand）與富泥質(zhì)聚集層（B）呈層狀相間分布（圖4－f）。

圖4 鄂爾多斯盆地南緣洛1井本溪組含鋁巖系巖心顯微照片F(xiàn)ig.4 M icroscopic photos of core samp ling for aluminum bearing rock series in the Benxi Formation of Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

馬家溝組白云巖樣品可以細(xì)分為白云巖 （樣品號(hào)：L1－19）、泥—微晶白云巖 （樣品號(hào)：L－2和L－1）和含泥白云巖 （樣品號(hào)：TY－4～TY－1）3類(lèi)。（1）白云巖：主要礦物為白云石，含少量方解石。樣品L1－19位于洛1井的巖性轉(zhuǎn)換面，巖石由內(nèi)碎屑 （30%）、砂級(jí)碎屑 （3%）和微晶白云石 （60%）、微晶方解石 （5%）、金屬礦物 （1%）等組成：內(nèi)碎屑 （Intr）成分為白云巖，次圓狀—次棱角狀，粒徑0.1～10mm；石英碎屑 （Qtz）為陸源碎屑物，棱角狀—次棱角狀，粒徑 0.05～0.1mm；微晶白云石粒徑0.004～0.04mm，微晶方解石粒徑0.004～0.04mm（圖5－a）。（2）泥—微晶白云巖：由白云石 （90%）、黏土礦物 （5%）、石英 （3%）、金屬礦物 （2%）等組成，可見(jiàn)微晶白云巖層 （B）與泥晶白云巖層 （A）相間分布呈層狀（圖5－b，5－c）。（3）含泥白云巖：由內(nèi)碎屑（30%）、砂級(jí)碎屑 （6%）和微晶白云石 （50%）、微晶方解石 （1%）、金屬礦物 （3%）等組成。樣品TY－2巖心斷面可見(jiàn)大量巖溶角礫，鏡下觀察為內(nèi)碎屑角礫 （Intr），成分為白云巖，呈次圓狀—次棱角狀，粒徑0.1～10mm；陸源石英 （Qtz）碎屑物呈棱角狀—次棱角狀，粒徑0.05～0.1mm（圖5－d）。

圖5 鄂爾多斯盆地南緣洛1井馬家溝組白云巖系巖心顯微照片F(xiàn)ig.5 Microscopic photos of core sampling of the Majiagou Formation dolostone series in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

從洛1井全巖樣品X射線衍射定量分析結(jié)果來(lái)看，黃鐵礦含量較高，較少或基本不含菱鐵礦（表1）。能譜分析表明，風(fēng)化殼上部的含鋁巖系具有明顯的伊利石特征峰，銳鈦礦的特征峰也較為明顯（圖6）。綜合上述分析結(jié)果，認(rèn)為洛1井并不是以鋁土質(zhì)泥巖為主的含鋁巖系，而是以黃鐵礦以及伊利石為主的豆鮞狀 （碎屑狀）鋁土礦。

表1 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化殼和基巖的X射線衍射全巖定量分析Table 1 Quantitative analysis of weathering crust and bedrock of Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin by X-ray diffraction whole rock method

圖6 鄂爾多斯盆地南緣洛1井本溪組樣品伊利石能譜圖Fig.6 Energy spectrum of illite from the Benxi Formation samp le of Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

2.3 地球化學(xué)特征

主量元素含量測(cè)試在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，測(cè)試儀器為日本理學(xué)公司ZSX PrimusⅡ型X射線熒光光譜儀，測(cè)試方法為X射線熒光光譜法 （XRD），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T14506.28－2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》，分析誤差小于5%。微量元素含量也在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司測(cè)試完成，測(cè)試儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 （Aglient 7700e），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB／T14506.30－2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》，分析誤差小于10%。

表2為元素氧化物含量在洛1井剖面中的分布，具有以下特征：（1）SiO2、A l2O3和Fe2O3是風(fēng)化殼的主要組成成分，含量分別為7.29%～65.26%、1.315%～32.290%和0.92%～13.31%；（2）CaO、MgO、Na2O和K2O含量低；（3）SiO2、Al2O3和TiO2曲線形態(tài)變化一致，Na2O曲線形態(tài)與Fe2O3相反，CaO曲線形態(tài)與MgO一致。

表2 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化殼常量元素含量Table 2 Major element content of weathering crust in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

Fe、A l屬于不活潑元素，呈穩(wěn)定性富集，而Ti在剖面上變化并不明顯，屬于較為穩(wěn)定的惰性元素，它們通?？勺鳛榕袛囡L(fēng)化淋濾作用強(qiáng)弱的參照元素（圖7）（Sheldon and Tabor，2009）。Ca、Mg和Na屬易遷移的堿土金屬和堿金屬元素，在洛1井中Ca、Mg在風(fēng)化作用的初期并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的富集，其含量略低于基巖，發(fā)生了元素的淋失；而Na、K較為活潑，演化初期發(fā)生富集，但在演化高級(jí)階段被淋失殆盡（圖8）。

圖7 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化殼主量元素變化Fig.7 Variation ofmajor elements in weathering crust of Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

圖8 難溶元素在鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化剖面中的地球化學(xué)特征Fig.8 Geochemical characteristics of refractory elements in weathering profile of Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

2.4 地球物理特征

鄂爾多斯盆地奧陶系頂部碳酸鹽巖風(fēng)化殼的典型巖性特征為風(fēng)化殼上部的本溪組發(fā)育一套鋁土質(zhì)泥巖、雜色膏質(zhì)、鐵質(zhì)渣狀層，其是由奧陶系碳酸鹽巖在遭受風(fēng)化、剝蝕、沖刷后，經(jīng)上覆石炭系的沉積壓實(shí)、固結(jié)而成的 （冉櫻，2011）。風(fēng)化殼層段的測(cè)井曲線特征：高自然伽馬值，與上、下地層差異較大，整體呈高峰狀突起；風(fēng)化殼底部密度曲線表現(xiàn)為高值段，井徑曲線基本規(guī)則；聲波時(shí)差呈現(xiàn)高鋸齒狀；電阻率較低。洛1井本溪組的鋁土質(zhì)泥巖 （2766～2769.5m）巖性較為致密，在鉆井過(guò)程中不容易發(fā)生崩塌，所以其井徑曲線具有一定的規(guī)律性。由圖9可知，本溪組的鋁土質(zhì)泥巖層的自然伽馬值異常高，一般為200 API。自然伽馬值的大小可以反映鋁土質(zhì)的含量，根據(jù)該值可將洛1井鋁土質(zhì)泥巖層分成2段，其中下部的自然伽馬平均值比上部高很多，反映下部鋁土質(zhì)的含量高于上部。鋁土質(zhì)相對(duì)較脆，易于產(chǎn)生微裂縫和孔隙，并且該地層是直接覆蓋于奧陶系的風(fēng)化殼體上，風(fēng)化淋濾作用較強(qiáng)烈，加之鋁土巖中的副礦物較多，因此，下部電阻率低于上部，密度高于上部，鋁土質(zhì)含量高于上部。

圖9 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化殼地球物理特征及垂向分層Fig.9 Geophysical characteristics and vertical stratification of weathering crust in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

測(cè)井曲線上，馬家溝組白云巖段表現(xiàn)為自然伽馬、自然電位和聲波時(shí)差低、電阻率較低，含泥巖段自然伽馬、自然電位和聲波時(shí)差較高而電阻率較低，灰?guī)r段電阻率較高。受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，馬六段和馬五段上部小層已被剝蝕，剩余的馬五段為區(qū)域性的產(chǎn)氣層 （韓敏強(qiáng)，2010）。洛1井馬五段以深灰色、灰褐色白云巖、泥質(zhì)白云巖和灰質(zhì)白云巖為主，測(cè)井曲線上總體呈“中、高伽馬，高電阻，低聲波時(shí)差”的特點(diǎn)（圖9）。馬五33小層厚4.2m，主要巖性為含泥白云巖，自然伽馬曲線為低幅指狀—箱狀，聲波時(shí)差曲線在底部呈現(xiàn)高值鋸齒狀，深、淺測(cè)向?yàn)橹懈咧刀?，電阻率呈上高下低特點(diǎn)。馬五4亞段是馬五段中沉積最厚的亞段，約17m，巖性主要是灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖和白云巖，可劃分為3個(gè)小層：馬小層上部為灰褐色灰質(zhì)白云巖，中下部為泥質(zhì)白云巖和白云巖，厚8.4m，分布較為穩(wěn)定，自然伽馬值上高下低，中部有峰型隆起，自然電位呈低幅平坦?fàn)?；馬小層巖性以灰褐色白云巖為主，厚5.0m，自然伽馬曲線呈鋸齒狀起伏，電阻率也呈現(xiàn)鋸齒狀高阻；馬小層上部為白云巖，下部為深灰色的泥質(zhì)白云巖，厚3.6m，自然伽馬值呈上低下高的鋸齒狀。馬五5亞段厚8m，主要以深灰色泥質(zhì)白云巖為主，自然伽馬值下高上低，聲波時(shí)差低速平穩(wěn)，電阻率值較高。

3 討論

3.1 風(fēng)化殼垂向結(jié)構(gòu)

許多學(xué)者通過(guò)對(duì)風(fēng)化殼的巖心和鑄體薄片的觀察，并與常規(guī)測(cè)井方法相結(jié)合，將其劃分為不同的結(jié)構(gòu)帶，主要包括土壤層、垂直滲流帶、水平潛流帶和母巖帶，或風(fēng)化殘積層、破碎帶、滲流帶、潛流帶 （任美鍔等，1983；李漢瑜和張錦泉，1991）。文中將鄂爾多斯盆地南緣洛川地區(qū)奧陶系頂部風(fēng)化殼垂向劃分為風(fēng)化殘積層、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和基巖帶（圖9）。考慮到風(fēng)化殼頂部是由鋁土質(zhì)泥巖及黃綠色黏土和鐵質(zhì)物質(zhì)組成，故將其劃分為風(fēng)化殘積層，測(cè)井曲線上具有高自然伽馬、低電阻率、井徑偏大、聲波時(shí)差高的顯著特征。在強(qiáng)風(fēng)化帶，存在著大量的風(fēng)化裂縫，具有溶孔和溶洞，其井徑會(huì)急劇增大，自然伽馬值略低，而當(dāng)洞穴中充滿了泥質(zhì)物質(zhì)時(shí)，自然伽馬值略有增高，自然電位及視電阻率則較低。由強(qiáng)風(fēng)化帶過(guò)渡到弱風(fēng)化帶時(shí)，裂縫不發(fā)育，測(cè)井曲線整體齒化嚴(yán)重，自然伽馬值增高，電阻率較高。基巖帶多以馬五5 亞段為主，巖性主要為灰色云質(zhì)灰?guī)r或白云巖。

3.2 元素變遷及其指示意義

3.2.1 風(fēng)化殼剖面元素的遷移和富集

依據(jù)質(zhì)量平衡計(jì)算質(zhì)量遷移系數(shù)的分析方法，筆者計(jì)算了風(fēng)化殼中某種元素相對(duì)于不活潑的參比元素的遷移系數(shù)，從而分析其富集、淋失程度。質(zhì)量遷移系數(shù)可以評(píng)估樣品中任意一種元素j相對(duì)于基巖的遷移和富集程度。計(jì)算方程 （Nesbitt，1979； Brimhall and Dietrich， 1987； Chadwicketal.，1990）如下：

τ（j，w）＝（C（j，w）／C（i，w））／（C（j，p）／C（i，p））－1其中，C（j，w）為樣品中某種元素j在風(fēng)化殘積層中的濃度，C（j，p）為樣品中某種元素j在基巖中的濃度；C（i，w）和C（i，p）分別為參比元素i（多為不活潑元素Zr、Ti）在風(fēng)化殘積層、基巖中的濃度。

τ（j，w）＞0……樣品中元素j相對(duì)于基巖和參比元素i產(chǎn)生了富集 （可能為該元素的加入）；

τ（j，w）＝0……樣品中元素j和參比元素i一樣既沒(méi)有發(fā)生淋失也沒(méi)有產(chǎn)生富集；

τ（j，w）＜0……樣品中元素j相對(duì)于基巖遭受了淋失；

τ（j，w）＝－1……樣品中該元素j已經(jīng)被全部遷移殆盡。

由于元素Ti在風(fēng)化過(guò)程中溶解度低，并且在弱酸性、中性、堿性等多種環(huán)境中保持穩(wěn)定 （顧尚義等，2002；高杰，2016），因此文中將Ti作為參比元素進(jìn)行古風(fēng)化殼元素遷移因子的計(jì)算。從圖10中可以得出洛1井的遷移系數(shù)大小，表現(xiàn)為CaO＜MgO＜MnO＜P2O5＜Na2O＜K2O。MgO、CaO的τ（j，w）約為－1，Mg、Ca元素在剖面上幾乎完全遷移，表現(xiàn)出強(qiáng)烈虧損，這是由于CaCO3和MgCO3在早期風(fēng)化過(guò)程 （溫度適宜且水分充足，氣候溫暖濕潤(rùn)，能夠保證Ca與Mg元素的迅速溶解與淋濾）中可與H2O和CO2發(fā)生碳酸溶解，表明此時(shí)處于風(fēng)化成土的初期 （王世杰等，1999；孫承興等，2002；Drieseetal.，2003），碳酸鹽巖可溶性成分大量淋失以及酸不溶物質(zhì)積累。Na2O和K2O為原生礦物中的長(zhǎng)石成分 （鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等、伊利石等）逐漸被分解而成。同時(shí)，還存在A l、Fe、Si等穩(wěn)定元素的富集。氧化還原條件對(duì)FeO影響較大，風(fēng)化殼層段黃鐵礦逐步演化為針鐵礦，整體顯示虧損的特點(diǎn)，但FeO在風(fēng)化殼上部虧損量較小。

圖10 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化剖面主量元素以Ti為參比的質(zhì)量遷移系數(shù)Fig.10 Mass transfer coefficient ofmajor elements with Ti as a reference in weathering profile ofWell Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

3.2.2 風(fēng)化殼剖面元素相關(guān)性分析

Al-Si、Ti-Si圖解等（圖11）可顯示良好的風(fēng)化趨勢(shì)相關(guān)關(guān)系，指示Al、Ti元素在風(fēng)化剖面呈現(xiàn)出富集過(guò)程，而Ca、Mg與Si呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明陽(yáng)離子的淋失對(duì)應(yīng)Si的富集。Ti／Zr與Ti的相關(guān)性可以指示從基巖層至風(fēng)化層的變化程度 （Dickson and Scott，1998；Ashley and Driese，2000），從圖12－a可看出，風(fēng)化層與基巖層的分布區(qū)域較遠(yuǎn)，說(shuō)明其發(fā)生了強(qiáng)烈的變化，而縱坐標(biāo)Ti的含量并未發(fā)生明顯的變化，說(shuō)明Ti與Zr具有同源性。同樣可以通過(guò)對(duì)Zr／H f、Nb／Ta、Sm／Nd等穩(wěn)定元素和協(xié)變?cè)貙?duì)的分析，進(jìn)一步判斷風(fēng)化殼層段與下伏基巖的相關(guān)性（Schwarz，1997；Rye and Holland，1998）。如果兩者存在很強(qiáng)的線性相關(guān)性，則表明這些特征與基巖元素之間存在著同源性。從結(jié)果圖（圖12－b，12－c，12－d）可知，風(fēng)化層與下伏母巖具有相近的比值，說(shuō)明剖面中元素與母巖元素具有同源性，判斷其為基巖風(fēng)化的產(chǎn)物。

圖11 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化剖面不同元素的質(zhì)量含量散點(diǎn)圖及風(fēng)化趨勢(shì)Fig.11 Scatterplot of content and weathering trend of different elements in weathering profile of Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

圖12 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化剖面Ti／Zr與Ti的百分含量散點(diǎn)圖及H f-Zr、Nb-Ta及Sm-Nd變化圖Fig.12 Scatter plot of Ti／Zr and Ti content in weathering crust in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin，as well as H f-Zr，Nb-Ta，and Sm-Nd variation diagrams

3.2.3 化學(xué)風(fēng)化指數(shù)

風(fēng)化殼在形成過(guò)程中各種常量元素受到化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度的影響，體現(xiàn)出不同的地球化學(xué)行為，故通過(guò)常量元素的分析可以反映風(fēng)化程度的變化。前人多采用元素氧化物的分子比值來(lái)反映風(fēng)化殼形成過(guò)程中經(jīng)歷的不同程度化學(xué)風(fēng)化作用 （熊平生，2015）。

代表性的風(fēng)化指標(biāo)有CIW、CIA、WI、WPI、V、WPI和 PI、K 等。本次研究選用 S／A（SiO2／Al2O3）、S／R（SiO2／（Al2O3+Fe2O3））、A／NK（Al2O3／（Na2O+K2O））、A／CNK（Al2O3／（Na2O+K2O+CaO））、CIA、CIW 這6種風(fēng)化系數(shù)來(lái)判斷風(fēng)化殼剖面的風(fēng)化強(qiáng)度特征，其中CIA為 ［Al2O3／（Na2O+K2O+CaO*+Al2O3）］×100，CIW 指 ［Al2O3／（Na2O+CaO*+Al2O3）］×100。硅鋁系數(shù) （S／A）、硅鋁鐵系數(shù)（S／R）主要指示硅的淋失及鐵鋁富集的程度，其值與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度成反比；鋁飽和度（A／NK）可以表征古風(fēng)化殼的淋溶程度，其值與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度呈正比。

洛1井風(fēng)化殼層段S／A的變化范圍為2.01～38.14，平均值為5.81；S／R的變化范圍為1.65～8.73，平均值為3.95；CIA的變化范圍為67.19～97.70，平均值為85.98（表3）。這說(shuō)明該井所在地區(qū)于馬家溝組—本溪組沉積期處于炎熱、潮濕的環(huán)境下，風(fēng)化作用較強(qiáng)，脫Si、富Fe和Al的程度較高，堿金屬與堿土金屬淋失程度較高。

表3 鄂爾多斯盆地南緣洛1井風(fēng)化殼化學(xué)風(fēng)化指數(shù)Table 3 Chemical weathering index of weathering crust in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

風(fēng)化殼的 “雙面理論”表明，頂部暴露在大氣下的沖刷面和底部的 “風(fēng)化前鋒”，以風(fēng)化前鋒為起點(diǎn)向下推進(jìn)，風(fēng)化程度從上到下都不是恒定的（Büdel，1958）。大部分的剖面和井點(diǎn)都表明，從上到下，風(fēng)化程度都是先減弱后增強(qiáng)的。研究區(qū)系列地球化學(xué)參數(shù)與深度的關(guān)系顯示出一定的規(guī)律，說(shuō)明它們都是以母巖為基底的原位風(fēng)化殘余物（熊志方和龔一鳴，2006；馮志剛等，2013；馬曉晨等，2018）。

3.3 風(fēng)化殼形成的影響因素

3.3.1 古緯度

因?yàn)轱L(fēng)化殼層段中載磁礦物的復(fù)雜性及后期重磁化作用，使得大部分采自風(fēng)化殼層段的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)不理想，而為了得到較為精確的古緯度變化，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)風(fēng)化殼上覆、下伏緊鄰地層的已知古地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新整理及換算（表4）。表4中數(shù)據(jù)是以陽(yáng)泉為參考點(diǎn)進(jìn)行古緯度的換算（113.6°E，37.7°N），結(jié)果表明早古生代早期 （寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)）華北板塊位于南半球中低緯度 （楊振宇等，1997），之后華北陸塊向北漂移，泥盆紀(jì)可能處于赤道附近，其中赤道附近為該地區(qū)風(fēng)化殼形成的最佳古地理環(huán)境，柳林蘭家山完整剖面中保留有2°N的古緯度記錄（陳平和柴東浩，1997）。中石炭紀(jì)時(shí)，陜西韓城地區(qū)緯度為9.6°N，太原西山緯度為9.8°N，至晚石炭世及二疊紀(jì)時(shí)華北板塊已漂移到北緯中低緯度，如太原西山相關(guān)采樣點(diǎn)的古緯度晚石炭世為16.2°N，二疊紀(jì)為24.9°N（林萬(wàn)智等，1984）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，位于中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖古侵蝕面之上與石炭紀(jì)—二疊紀(jì)含煤巖系之下的鋁土質(zhì)泥巖，其遭受風(fēng)化作用變成 “G層鋁土礦”，正是發(fā)生在“陸塊”的漂移變化過(guò)程中，且最可能是在北緯10°附近，也就是石炭紀(jì)—二疊紀(jì)相對(duì)滯留的古緯度（楊振宇等，1997）。因此，華北板塊漂移變化時(shí)所處的古緯度是該地區(qū)風(fēng)化殼形成的重要因素。

表4 華北板塊奧陶紀(jì)—二疊紀(jì)古緯度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics on paleolatitude data of North China Plate during the Ordovician-Permian

3.3.2 古氣候

風(fēng)化殼層段中微量元素的變化，是古氣候演變的靈敏指示劑 （藍(lán)先洪，1990；趙運(yùn)發(fā)和柴東浩，2002；陳濤等，2003；孫慶峰等，2011；牛東風(fēng)等，2015）。溫度和濕度是衡量區(qū)域氣候的2個(gè)重要標(biāo)志，也是影響巖石風(fēng)化的重要因素，但考慮到奧陶系頂部風(fēng)化殼距今時(shí)代久遠(yuǎn)，很難將平均降雨量作為濕度的衡量標(biāo)志，故文中考慮利用地球化學(xué)指標(biāo)反映濕度。

微量元素Rb、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、Rb／Sr值指示沉積地層形成時(shí)的古環(huán)境和古氣候 （陳松等，2012）。微量元素Rb通常存在于硅酸鹽組分中，性質(zhì)較穩(wěn)定，而Sr則主要存在于碳酸鹽組分中，性質(zhì)比較活潑，在潮濕環(huán)境下Sr的淋濾程度比較大，而干旱環(huán)境下Sr的淋濾程度比較小，賦存Sr含量高，因此潮濕環(huán)境下Rb／Sr值高，干旱環(huán)境下Rb／Sr值低。Sr／Ba值也可以反映古氣候特征，它與Rb／Sr值所反映的現(xiàn)象相反，即潮濕環(huán)境下Sr／Ba值低，干旱環(huán)境下Sr／Ba值高 （郭熙年等，1991；程保洲，1992；汪曾蔭等，1996）。除上述比值外，也可用Sr／Cu值對(duì)古氣候進(jìn)行劃分，其中1.3＜（Sr／Cu）＜5為溫暖潮濕氣候，Sr／Cu＞5為干旱炎熱氣候。干旱氣候條件下，水分大量蒸發(fā)致使Mg、Ca、Mn等元素大量析出富集，溫度越高，Mg相對(duì)Ca更利于沉積，所以可用Mg／Ca值反映氣候條件，該比值高指示干旱氣候，比值低指示濕潤(rùn)氣候。FeO／MnO值也可用來(lái)判別古氣候條件，高值對(duì)應(yīng)溫濕氣候，低值代表干熱氣候。沉積巖中SiO2／Al2O3值也可以反映沉積時(shí)的氣候特點(diǎn)，當(dāng)SiO2／Al2O3＞4時(shí)，指示氣候干燥，反之，在潮濕氣候下化學(xué)風(fēng)化較為強(qiáng)烈，SiO2遭受搬運(yùn)遷移，而Al2O3大量富集，相應(yīng)的SiO2／Al2O3值就會(huì)變小，一般認(rèn)為小于4時(shí)指示潮濕氣候（表5）。

表5 古氣候指標(biāo)Table 5 Paleoclimatic indicators

筆者選取Sr／Ba、Sr／Cu值等指標(biāo)應(yīng)用于本次研究。從圖13可看出，洛1井的Sr／Ba值一直在1左右波動(dòng)，可能說(shuō)明該井當(dāng)時(shí)處于海陸交互的沉積環(huán)境；而Sr／Cu值變化顯示其氣候頻繁在潮濕和干旱之間變化?？傮w上，這些指標(biāo)反映鄂爾多斯盆地石炭紀(jì)為海陸過(guò)渡沉積環(huán)境，氣候出現(xiàn)干旱—潮濕頻繁轉(zhuǎn)換。

圖13 鄂爾多斯盆地南緣洛1井Sr／Ba與Sr／Cu交會(huì)圖Fig.13 Intersection diagram of Sr／Ba and Sr／Cu in Well Luo 1 in southern margin of Ordos Basin

由于受風(fēng)化作用形成的硬水鋁石的氧同位素組成不受形成后各種介質(zhì)的影響，只受控于形成初期的淋溶水，故古溫度的測(cè)量也可以通過(guò)對(duì)鋁土礦主要物質(zhì)組分——硬水鋁石和高嶺石的氫氧同位素測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn) （趙運(yùn)發(fā)和柴東浩，2002）。由表6可知，硬水鋁石所反映的最高年平均氣溫為35.1℃，最低為29.5℃，而高嶺石所反映的最高年平均氣溫為36℃，最低為12℃，綜合推測(cè)研究區(qū)風(fēng)化殼形成時(shí)的年平均氣溫為28.15℃。

表6 鋁土礦中硬水鋁石、高嶺石的形成溫度Table 6 Formation temperature of diaspore and kaolinite in bauxite

3.4 風(fēng)化殼的演化與保存

3.4.1 演化過(guò)程

理想的碳酸鹽巖風(fēng)化殼縱向上可劃分為風(fēng)化殘積層、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和基巖4個(gè)帶，但是大多數(shù)情況下受古環(huán)境變化、地下喀斯特發(fā)育程度及是否會(huì)發(fā)生喀斯特垮塌等因素影響，碳酸鹽巖風(fēng)化殼不可能被完整地保存下來(lái)。

鄂爾多斯盆地奧陶系頂部碳酸鹽巖風(fēng)化殼的形成過(guò)程如圖14所示。受到構(gòu)造應(yīng)力作用，在碳酸鹽巖新鮮基巖表面形成了不均一分布的裂縫、節(jié)理，裂縫周?chē)卟课坏奈镔|(zhì)經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積成巖作用后聚集在裂縫中（圖14－a，14－b）。此時(shí)進(jìn)入巖溶發(fā)育期，形成大量洞穴，地下暗河系統(tǒng)沿著裂縫等構(gòu)造脆弱部位發(fā)生優(yōu)先溶蝕（圖14－c），伴有陸源碎屑泥巖沉積，部分暗河系統(tǒng)被碎屑物質(zhì)充填，形成了洛1井馬家溝頂部的泥巖—含泥白云巖的夾層（圖14－d），部分地區(qū)存在殘余的孔、洞、縫系統(tǒng)。在巖溶后期發(fā)生夷平、壓實(shí)作用，地貌已基本成型，主要表現(xiàn)為在奧陶系頂部的本溪組鋁土質(zhì)泥巖殘積。本溪組底部鋁土質(zhì)泥巖下部及馬家溝組頂部還有1層薄層狀風(fēng)化土層，其是在長(zhǎng)期的氧化條件及水化作用下形成的，殘積物多呈褐紅色和土黃色，井下一般見(jiàn)黃鐵礦，個(gè)別地貌高部位為褐鐵礦。伴隨著重力及水流作用，在地勢(shì)較高部位的風(fēng)化殘積物會(huì)部分向地勢(shì)低的溶溝搬運(yùn)堆積，又因地勢(shì)低的部位為巖溶水的匯集區(qū)，低部位的風(fēng)化前鋒不斷向下拓展（圖14－e），因此筆者認(rèn)為該套鋁土質(zhì)泥巖主要形成于下伏碳酸鹽巖地層的風(fēng)化和殘積，是濕熱環(huán)境下的高風(fēng)化產(chǎn)物。

圖14 鄂爾多斯盆地南緣奧陶系頂部風(fēng)化殼形成過(guò)程示意圖Fig.14 Schematic diagram of formation process of weathered crust on the top of Ordovician in southern margin of Ordos Basin

3.4.2 保存機(jī)制

風(fēng)化殼的形成其實(shí)就是原巖遭受破壞和改造的過(guò)程，所以風(fēng)化殼形成的同時(shí)也在接受改造。由于其發(fā)育時(shí)所處的位置不同，故遭受破壞、保存的程度也會(huì)有所差異。碳酸鹽巖風(fēng)化殼埋藏和保存時(shí)間的先后，會(huì)造成風(fēng)化殼具有不同的結(jié)構(gòu)。

前期已對(duì)風(fēng)化殼發(fā)育時(shí)期的古地貌進(jìn)行了恢復(fù)，并對(duì)盆地多口井進(jìn)行了風(fēng)化殼垂向結(jié)構(gòu)的分層，發(fā)現(xiàn)在不同井位，風(fēng)化殼各結(jié)構(gòu)層的厚度存在較大差異，總體上表現(xiàn)出高部位風(fēng)化殼的結(jié)構(gòu)層厚度整體較小，中—低部位的結(jié)構(gòu)層發(fā)育完善且厚度相對(duì)較大 （熊加貝，2022）。研究表明，構(gòu)造高部位區(qū)往往遭受強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成大量的裂縫、節(jié)理等構(gòu)造，由于與大氣接觸面積增加，受到風(fēng)化淋濾作用的影響更強(qiáng)，因此埋藏和保存作用相較于構(gòu)造緩坡區(qū)要差一些，風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)層難以保存。依據(jù)上述研究，明確了碳酸鹽巖風(fēng)化殼的埋藏和保存機(jī)制，認(rèn)為風(fēng)化殼在遭受破壞后，地勢(shì)平緩地區(qū)的風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)層保存機(jī)率會(huì)更大（圖14－e）。

4 結(jié)論

1）受加里東期運(yùn)動(dòng)的影響，鄂爾多斯盆地南緣奧陶系頂部風(fēng)化殼廣泛分布，但因后期構(gòu)造作用及氣候的影響，風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)不易被保存下來(lái)。結(jié)合錄井資料，將奧陶系風(fēng)化殼分為4個(gè)部分：頂部為以鋁土質(zhì)泥巖、黏土巖為主的風(fēng)化殘積層，自然伽馬值特高；孔滲性較好且微裂縫發(fā)育的強(qiáng)風(fēng)化帶，測(cè)井曲線多呈近箱型，自然伽馬值較低；孔滲性較差、裂縫不發(fā)育的弱風(fēng)化帶，測(cè)井曲線呈鋸齒狀，自然伽馬值略高于強(qiáng)風(fēng)化帶；馬五5亞段及其下伏地層，主要為云質(zhì)灰?guī)r或灰?guī)r為主的基巖層。

2）從地球化學(xué)角度分析，該套風(fēng)化殼具有如下特征：不活潑元素Fe、A l穩(wěn)定性富集，活潑元素Na、K在演化初期發(fā)生富集而在演化高級(jí)階段被淋失殆盡，較為穩(wěn)定的惰性元素Ti在剖面上變化不明顯，Ca、Mg在風(fēng)化作用的初期并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的富集，其含量略低于基巖，發(fā)生元素的淋失。隨著風(fēng)化作用的進(jìn)行，風(fēng)化殘積層脫Si、富Fe和Al的程度會(huì)逐漸加深。Ti／Zr值與Ti的相關(guān)性說(shuō)明 Ti與 Zr具有同源性。通過(guò)對(duì) Zr／H f、Nb／Ta、Sm／Nd等穩(wěn)定元素和協(xié)變?cè)貙?duì)進(jìn)一步分析，推測(cè)風(fēng)化殼層段與下伏基巖存在很強(qiáng)的線性相關(guān)性，說(shuō)明剖面元素與母巖元素具有同源性，其為基巖風(fēng)化的產(chǎn)物。

3）氣候是控制風(fēng)化殼發(fā)育的一個(gè)重要因素，會(huì)受到諸如緯度、地勢(shì)等因素的影響。根據(jù)已有的華北地臺(tái)古地磁數(shù)據(jù)研究結(jié)果，以陽(yáng)泉為參考點(diǎn)進(jìn)行古緯度的換算，推測(cè)奧陶系頂部風(fēng)化殼形成時(shí)所處的古緯度應(yīng)在赤道與北緯10°之間。依據(jù)地球化學(xué)指標(biāo)（Sr／Ba、Sr／Cu）認(rèn)為鄂爾多斯盆地石炭紀(jì)總體上處于海陸過(guò)渡的沉積環(huán)境，依據(jù)鋁土礦主要物質(zhì)組分——硬水鋁石和高嶺石的氫氧同位素推測(cè)風(fēng)化殼形成時(shí)的年平均氣溫為28.15℃，處于潮濕—半干旱的環(huán)境，屬熱帶—亞熱帶氣候。

4）明確了碳酸鹽巖風(fēng)化殼的埋藏和保存機(jī)制，認(rèn)為風(fēng)化殼在地勢(shì)高陡地區(qū)容易遭受破壞，而在地勢(shì)平緩的地區(qū)，風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)層的保存機(jī)率會(huì)更大，厚度也相對(duì)較大。