陸雨詩， 胡 勇*， 侯云東， 孫繼峰， 何文祥， 高小洋， 司 錦， 宋雯馨

(1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點實驗室， 武漢 430100； 2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院， 西安 710000)

鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地[1-2]，近年來隨著勘探程度的加深，盆地西緣逐漸地成為中國較為重要的油氣探區(qū)[3-4]，而在西緣羊虎溝組發(fā)現(xiàn)了較好的烴源巖。黃家國[5]對該地區(qū)的頁巖氣資源及勘探潛力進(jìn)行評價，結(jié)果表明該組平均有效泥頁巖厚度為37.4 m，鏡質(zhì)體反射率Ro為1.20%～2.00%，總有機碳含量(total organic carbon，TOC)為1.50%～3.50%，頁巖氣資源量約為1 853.17×108m3，平均總含氣量約為1.50 m3/t，源內(nèi)致密儲層成藏潛力大，但前人對該地區(qū)的油氣藏研究主要集中于奧陶系馬家溝組[6-7]、二疊系山西組、太原組[8-9]以及三疊系延長組[10-12]等地層。楊振等[13]對盆地西緣天環(huán)坳陷地層水的研究也僅針對二疊系下石盒子組及山西組，羊虎溝組資料十分薄弱。同時，天然氣的勘探和研究程度較低，僅針對頁巖氣成藏模式及熱演化程度。王崇敬等[14]對羊虎溝組頁巖氣成藏潛力研究認(rèn)為呼魯斯太南部、烏達(dá)及石炭井地區(qū)為頁巖氣聚集最有利的區(qū)域，但對上石炭統(tǒng)羊虎溝組的沉積格局和古地理表現(xiàn)面貌,尤其是該區(qū)域沉積期間的內(nèi)部沉積環(huán)境介質(zhì)情況、古地理氣候變化等還沒有得到充分的研究。資料薄弱、研究程度低仍然是羊虎溝組在沉積環(huán)境分析中普遍存在的問題，制約著羊虎溝組未來的勘探開發(fā)進(jìn)展。

沉積巖中的微量元素在沉積過程中受物源性質(zhì)、氣候、水化學(xué)條件的影響，是整個沉積演化過程的真實記錄，且對于沉積環(huán)境變化有著較高的敏感度，是確定古環(huán)境、古氣候變遷的有效技術(shù)手段[15-17]?；诖耍饕鶕?jù)鄂爾多斯盆地西緣東部羊虎溝組17口鉆井資料中泥巖樣品的微量元素進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合該組野外露頭巖石的觀測情況綜合判斷，明確羊虎溝組古鹽度、氧化還原環(huán)境、古水深以及古氣候特征，為該地區(qū)的油氣勘探評價提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于現(xiàn)今中國華北克拉通中西部,屬于中國華北克拉通的次一級大型地質(zhì)地貌構(gòu)造構(gòu)成單元,是一個宏觀局部性和微觀整體上穩(wěn)定地質(zhì)坳陷、沉降以及扭動、遷移明顯的大型多樣性旋回克拉通盆地[18-19]。本次研究區(qū)域位于鄂爾多斯盆地西部，即北到磴口，南至固原，東到鄂托克旗，西到賀蘭山以西，南北長500 km，東西寬60～150 km，面積約5×104km2，橫跨陜西、甘肅、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)4個省區(qū)[20]，主要由西緣的逆沖構(gòu)造地帶以及天環(huán)坳陷兩個二級構(gòu)造單元組成，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置及樣品分布Fig.1 Study area location and sample distribution

盆地西緣地區(qū)沉積厚度巨大，但由于同沉積斷裂的活動和古地形等的影響，地層厚度變化急劇，相變劇烈，馮凱龍等[21]對該組地層進(jìn)行了粒度以及全巖分析，結(jié)合沉積學(xué)特征認(rèn)為羊虎溝組發(fā)育三角洲、潮坪、障壁-瀉湖等海陸過渡相的沉積體系，穩(wěn)定的對比層相對較少。王子騰等[22]對研究區(qū)羊虎溝組進(jìn)行物源分析，認(rèn)為羊虎溝組地層沉積環(huán)境中的地層物源主要是來自北部、西南部、南部3個主要的物源聚集地區(qū)，水系豐富，物源供應(yīng)充足，地層出露較好，為該地區(qū)沉積環(huán)境分析提供了得天獨厚的條件。

2 地層與巖石

羊虎溝組地層與上覆太原組之間為平行不整合或連續(xù)沉積[圖2(a)、圖2(b)]，與下伏靖遠(yuǎn)組整合接觸或平行不整合接觸[圖2(c)、圖2(d)]。該組厚度多為0～600 m，在北部烏達(dá)-雀兒溝地區(qū)可達(dá)600 m，在呼魯斯太地區(qū)約400 m，中部蘇峪口一帶厚300余米，南部下河沿地區(qū)約400 m，野外露頭出露較好，鉆井資料表明，羊虎溝組地層厚度變化較大，南部忠6井探得羊虎溝組超過1 200 m，而忠11井僅有20 m。按照沉積旋回和巖性組合，盆地內(nèi)部羊虎溝組在垂向上分為3段，羊1段表現(xiàn)為灰白色中砂巖、細(xì)砂巖、灰色-深灰色泥質(zhì)粉砂巖夾灰黑色泥頁巖，羊2段表現(xiàn)為灰黃色、黃色中-粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含礫中砂巖及灰黑色頁巖，羊3段主要為灰白色、灰黃色中-粗砂巖、灰色泥頁巖、灰?guī)r以及少量礫巖[圖2(e)、圖2(f)]。羊虎溝組發(fā)育的巖石類型豐富，其中研究區(qū)北部以中-粗砂巖為主，中部常見細(xì)砂巖，南部則以粉-細(xì)砂巖為主，巖石粒度整體呈現(xiàn)北粗南細(xì)的特點。

圖2 鄂爾多斯盆地羊虎溝組地層發(fā)育特征Fig.2 Stratigraphic development characteristics of Yanghugou Formation in Ordos Basin

3 樣品采集與分析方法

所有樣品均來自鄂爾多斯盆地西緣17口鉆井巖心，共采集樣品47件，其中羊1段36件，羊2段14件，羊3段11件，詳細(xì)采樣位置如圖1所示。由于研究區(qū)東部為巖性變化較大的濱淺海沉積環(huán)境，因此探井分布較多，勘探程度較好，而西部主要為地層較厚的瀉湖-障壁沙壩的半深海環(huán)境[21]，巖性以泥巖為主，探井較少，全面考慮到采樣井位的代表性，本次采樣井均分布于研究區(qū)東部。取樣過程中，選擇該井段具有代表性的泥巖或泥頁巖作為樣品，在室內(nèi)除去表面的鉆井泥漿及浮塵，在無污染條件下由人工碾磨至200目，送至河北省任丘市杰創(chuàng)石油科技有限公司，在室內(nèi)溫度18～27 ℃、相對濕度25%～50%的環(huán)境下進(jìn)行檢測，微量元素分析測試儀器采用X-Serise2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，測試精度優(yōu)于5%，測試方法采用《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》(GB/T 14506.30—2010)以及DZG20—184.2.6，部分主量元素的分析測試采用AxiosmaxX射線熒光光譜儀，分析誤差小于 2%，測試方法采用《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》(GB/T 14506.28—2010)，測試分析結(jié)果如表1所示。

4 測試結(jié)果及討論

4.1 古鹽度

古鹽度是原始沉積物中各種水體鹽度變化情況的記載,它是剖析地質(zhì)歷史演化過程中各種沉積物所處的環(huán)境性狀特點的重要資料。判別古鹽度的方法有很多,常見的包括同位素、古生物和微量元素以及地球化學(xué)等[23-25]。本次研究采取微量元素含量和比值計算的方法,針對研究區(qū)羊虎溝組在沉積過程中的水體古鹽度情況進(jìn)行了分析。

4.1.1 微量元素含量法

Li、Sr、Ni和Ga微量元素對沉積過程中的水體鹽度條件非常敏感，能夠較好地指示沉積期古鹽度，是常用的判別指標(biāo)。前人研究指出，Li含量>150 μg/g，Sr含量介于800～1 000 μg/g，Ni含量>40 μg/g，Ga含量<8 μg/g，指示鹽水(海相)沉積環(huán)境，Li含量<90 μg/g，Sr含量介于100～500 μg/g，Ni含量介于20～25 μg/g，Ga含量>17 μg/g，指示淡水(陸相)沉積環(huán)境[26],具體判別指標(biāo)如表2所示。

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Table 2 Trace element discrimination index and sample data statistics of paleosalinity

根據(jù)樣品的分析結(jié)果(表1、表2)，樣品中Li含量為1.6～165.72 μg/g，平均含量為40.24 μg/g，僅個別值大于90 μg/g，指示淡水-微咸水環(huán)境。樣品中Sr含量為10.24～466.11 μg/g，平均含量為120.73 μg/g，均小于500 μg/g，指示其為淡水環(huán)境。Ni含量為0.54～214.53 μg/g，平均含量為26.05 μg/g，其中32個樣品含量小于25 μg/g，7個樣品含量為25～40 μg/g，8個樣品含量大于40 μg/g，表明多數(shù)樣品來自淡水環(huán)境，少數(shù)樣品來自鹽度較高的水體環(huán)境。樣品中Ga含量為0.67～38.81 μg/g，平均含量為14.08 μg/g，其中17個樣品含量大于17 μg/g，8個樣品含量為8～17 μg/g，22個樣品航力量小于8 μg/g，表明在沉積過程中以淡水-微咸水環(huán)境為主，但也有咸水的注入，多為海陸過渡環(huán)境。綜上所述,所分析出的泥巖樣本主要是淡水-微咸水沉積在盆地內(nèi)的環(huán)境中,偶爾也會有咸水的直接注入。

4.1.2 Sr/Ba比值法

鍶鋇比值也是判斷沉積物在沉積過程中水體鹽度的常用測定指標(biāo)。通常情況下，Ba的溶解性較弱，反應(yīng)比Sr靈敏，因此，隨著水體鹽度的增加，Sr/Ba比值增大[23-24,27]。前人研究表明，當(dāng)Sr/Ba>1時，為咸水(海相)環(huán)境，當(dāng)Sr/Ba<0.6時，為淡水(陸相)環(huán)境，當(dāng)Sr/Ba比值為0.6～1時為微咸水(海陸過渡相)環(huán)境[28]。根據(jù)對研究區(qū)47件樣品的統(tǒng)計(表1、表2)，本次樣品的Sr/Ba比值為0.06～2.32，平均值為0.60，其中33個樣品Sr/Ba<0.6，4個樣品Sr/Ba為0.6～1，10個樣品Sr/Ba為大于1。

將Sr和Ba數(shù)據(jù)進(jìn)行投點(圖3)，可更直觀顯示出絕大多數(shù)樣品的Sr/Ba值均小于1，部分樣品Sr/Ba為0.6～1，僅少數(shù)樣品處于大于1的咸水環(huán)境中，由此推斷，研究區(qū)羊虎溝組沉積期主要為淡水-微咸水的環(huán)境，偶有咸水的注入。古鹽度的判別結(jié)果進(jìn)一步互相論證了本次選擇的多個測試指標(biāo)效果較好，結(jié)果可信度高。

圖3 鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組Sr/Ba散點圖Fig.3 Sr/Ba scatter diagram of Yanghugou Formation in western Ordos Basin

4.2 氧化還原條件

U、V、Cr、Co等微量元素對于水體中的氧化還原環(huán)境變化響應(yīng)十分靈敏,古氧相的變化控制著其在水體中的富集程度[29]。U和Th在氧化和還原環(huán)境下的溶解度響應(yīng)不同，且U元素對古氧相的變化反應(yīng)靈敏，因此，δU和U/Th值可以用來判斷沉積環(huán)境的古氧相，其中，δU=2U/(Th/3+U)。V、Ni、Cr和Co元素都具有相似的特性，即在氧化狀態(tài)下容易遷移,還原狀態(tài)下容易發(fā)生沉淀。采用V/(V+Ni)、V/Cr和Ni/Co這3種判別古氧相的指標(biāo)[30-34]。

對已有樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算和統(tǒng)計，如表3、表4所示，樣品計算的δU值為0.54～1.51，平均0.89，其中9個樣品δU>1，表明樣品多數(shù)來自弱氧化-弱還原環(huán)境，少數(shù)樣品來自還原環(huán)境。樣品U/Th值為0.12～1.02，平均0.30，說明樣品全部來自弱氧化-氧化環(huán)境。樣品V/(V+Ni)值為0.46～0.91，平均為0.76，其中30個樣品值>0.77，表明大多數(shù)樣品為弱還原-還原環(huán)境，少數(shù)樣品來自氧化環(huán)境。樣品V/Cr值為0.42～3.45，平均1.62，表明樣品全部為弱氧化-氧化環(huán)境。樣品Ni/Co值為0.75～7.88，平均值2.70，其中有2個樣品>7.0，說明樣品大多數(shù)來自氧化環(huán)境。

表3 鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組泥巖樣品古氧相分析計算Table 3 Analysis and calculation of paleo oxygen facies of mudstone samples from Yanghugou Formation in western Ordos Basin

表4 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Table 4 Discrimination index of trace elements in redox environment and sample data statistics

將以上判別指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)交會投點(圖4)，其中，圖4(a)、圖4(b)中大部分樣品均位于氧化環(huán)境，僅少數(shù)樣品位于弱氧化環(huán)境中，能夠更直觀地顯示出羊虎溝組沉積期主要為弱氧化-氧化環(huán)境。而利用V/(V+Ni)比值作為指標(biāo)進(jìn)行投點判別，并與其他氧化還原參數(shù)做交會圖[圖4(c)、圖4(d)]可以看出，由V/(V+Ni)比值作為判別指標(biāo)，其結(jié)果可能會更偏向還原[35]，因此，在利用上述指標(biāo)進(jìn)行判斷古氧相對應(yīng)充分考慮參不同參數(shù)的影響，綜合判斷。

圖4 鄂爾多斯盆地羊虎溝組樣品氧化還原條件 判別指標(biāo)圖解Fig.4 Diagram of redox condition discrimination index of Yanghugou Formation in Ordos Basin

綜合以上所有的分析結(jié)果可知,在羊虎溝組沉積階段,鄂爾多斯盆地西緣地區(qū)水體主要表現(xiàn)為弱氧化弱還原-氧化的環(huán)境,在其他局部水體比較深處，則出現(xiàn)了還原環(huán)境。

4.3 古水深

對于判別古水深的方法可以采用Rb/Zr、Sr/Ba比值等，也可以借助巖性、古生物資料、沉積構(gòu)造進(jìn)行綜合評估。元素鋯(Zr)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其在自然界中的存在形式主要為鋯石等重礦物，且在相對較淺的水域很容易直接沉積[36-37]，而元素銣(Rb)化學(xué)性質(zhì)活潑、不穩(wěn)定，易遷移，在云母、黏土礦物等的細(xì)粒巖土中較為常見，而在水體相對較深的低能量環(huán)境更易直接沉積下來，因此判斷古水深的變化也常使用Rb/Zr比值作為參數(shù)，Rb/Zr值越高，水體越深，水動力條件越弱，其值越低則水體越淺，水動力條件越強。

研究區(qū)內(nèi)羊虎溝組樣品Rb/Zr比值分布于0.02～0.73，均值0.35，如表5所示，表明整體水體環(huán)境較淺。Sr/Ba 比值除了用于判別古鹽度以外，也被廣泛地作為對海水深度及其離岸距離的一個重要判斷標(biāo)志[38]。

表5 鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組泥巖樣品古水深、古氣候分析計算Table 5 Analysis and calculation of paleodepth and paleoclimate of mudstone samples from Yanghugou Formation in western Ordos Basin

由鄂33井和樂1井連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)投點，如圖5所示，結(jié)果表明鄂33井Sr/Ba 比值投點處于淡水-半咸水區(qū)，且Rb/Zr比值變化表明該井位羊虎溝組沉積期水體變化明顯，沉積環(huán)境相對劇烈，反映該井位離岸較近的特征。而樂1井的Sr/Ba 比值投點大多處于半咸水-咸水環(huán)境，且Rb/Zr比值變化不大，表明該井位羊虎溝組沉積期水體相對穩(wěn)定，且有水體變深的趨勢，反映離岸較遠(yuǎn)的特征。

圖5 鄂33、樂1井古水深判別指標(biāo)與巖性垂向變化Fig.5 Discrimination index of paleo water depth and vertical variation of lithology in E33 and L1 wells

生存區(qū)域的水體深度對水生生物能否生存有著的較大的影響，分析該區(qū)域沉積巖的生物遺跡化石以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特點，能夠準(zhǔn)確地反演出沉積巖的古水深。沉積構(gòu)造是能夠準(zhǔn)確反映水體深度及動力學(xué)的良好地質(zhì)標(biāo)志[39]，在淺水沉積區(qū)，沉積物易在地表直接暴露，則會存在許多類型的層理構(gòu)造，如波痕、侵蝕、大型交錯層理等，另外細(xì)流痕、雨痕、干裂等也是常見的淺層構(gòu)造；深水—較深水區(qū)由于水體能量較弱，韻律發(fā)育連續(xù)，主要形成微水平層理等。研究區(qū)羊虎溝組巖性以灰白色、灰色中細(xì)砂巖為主，交錯層理發(fā)育，常見植物莖干化石及少量生物蟲孔，如圖6所示，這些沉積學(xué)的特點反映了羊虎溝組為氧化-弱還原相互作用的淺水環(huán)境。

圖6 羊虎溝組沉積構(gòu)造及古生物標(biāo)志Fig.6 Sedimentary structure and paleontological indicators of Yanghugou Formation

4.4 古氣候

由于古氣候的影響，沉積物中的不同元素在特定的環(huán)境中得以保存。前人研究表明，Sr/Cu比值對古氣候的變化響應(yīng)靈敏，有較好的指示效果[40]，Sr/Cu<10指示溫暖、濕潤氣候，Sr/Cu>10表示炎熱、干燥氣候。本次研究的數(shù)據(jù)結(jié)果表明(表5)，Sr/Cu為2.33～95.88，平均值22.31，將樣品中的Sr和Cu數(shù)據(jù)進(jìn)行投點分析，如圖7所示，可更加直觀地顯示不同地區(qū)間地古氣候差異，結(jié)果表明20個樣品Sr/Cu<10，大多位于研究區(qū)南部和北部，27個樣品Sr/Cu>10，大多位于研究區(qū)中部，表明在羊虎溝組沉積時期，研究區(qū)呈現(xiàn)中部炎熱干燥、南部和北部較溫暖濕潤的氣候特征。

圖7 鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組Sr/Cu散點圖Fig.7 Sr/Cu scatter diagram of Yanghugou Formation in western Ordos Basin

此外，CaO/(MgO×Al2O3)對氣候的變化也是具有一定的指示性作用，可以直接地反映出氣溫的高低，其值越大，代表的氣溫就相對越高。本次研究數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示，其中研究區(qū)北部樣品的CaO/(MgO×Al2O3)為0.018～1.171，平均值為0.549；中部樣品的值為0.002～8.333，平均值為1.175；南部樣品的值為0.007～3.788，平均值為0.502，說明北部和南部氣溫較低，而中部氣溫相對較高的特征。

綜上分析可知，羊虎溝組沉積時期，研究區(qū)處于中部炎熱干燥，而北部和南部較溫暖濕潤的氣候中。

5 結(jié)論

由羊虎溝組泥巖和粉砂質(zhì)泥巖樣品的微量元素測定結(jié)果，綜合沉積學(xué)標(biāo)志進(jìn)行分析，探討了該區(qū)域地層古鹽度、氧化還原條件、古水深以及古氣候因素的發(fā)育特點，得出以下結(jié)論。

(1)利用微量元素的含量和比值分析了羊虎溝組沉積時期水體的古鹽度，結(jié)果表明羊虎溝組水體總體為淡水-微咸水，以淡水環(huán)境為主，偶有咸水的注入。

(2)羊虎溝組樣品的測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，羊虎溝組沉積期的古氧相主要為弱氧化弱還原-氧化環(huán)境，而還原環(huán)境可能出現(xiàn)在較深的水體中。

(3)綜合元素比值與沉積學(xué)標(biāo)志及生物遺跡化石判斷，鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組沉積期以淺水環(huán)境為主，與氧化還原分析測試結(jié)果一致。

(4)數(shù)據(jù)分析表明，羊虎溝組沉積時期，研究區(qū)處于中部炎熱干燥，而北部和南部較溫暖濕潤的氣候中。

(5)綜合本次對羊虎溝組沉積古環(huán)境研究的結(jié)果，表明羊虎溝組沉積期水系豐富，論證了前人對該組沉積相為海陸過渡相的認(rèn)識，水體深度變化不大，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，具有較好的勘探前景。