范萌萌,卜 軍,袁 珍,張衛國
(1.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054;2.陜西省煤炭綠色開采地質保障重點實驗室,陜西 西安 710054;3.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院/低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室,陜西 西安 710021;4.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安 710065)
鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地,位于華北克拉通中西部,屬華北克拉通的次一級構造單元,面積為25×104km2,根據演化歷史和現今構造可劃分為伊盟隆起、渭北隆起、西緣逆沖帶、天環坳陷、伊陜斜坡和晉西撓褶帶六個一級構造單元,是一個古生代地臺及臺緣坳陷與中新生代臺內坳陷疊合的大型多旋回克拉通盆地(圖1)[1,12-13]。
延長組沉積末期,受印支運動的影響,鄂爾多斯盆地不均勻抬升,延長組頂部遭受強烈剝蝕而形成了溝壑縱橫的侵蝕古地貌,盆內缺失早侏羅世早期沉積[14-15],而后沉積的富縣組和延10段對古地貌進行填平補齊,最終形成以河流-三角洲-淺湖為主的沉積體系,發育一套以煤系、中-細碎屑巖為主的延安組沉積地層[16-17]。根據沉積序列和巖性標志層等,延安組可以劃分為4段10個油層組。延10段仍以填平補齊作用為主,發育河流沉積體系,底部以寶塔砂巖為標志層,延9-延6段發育河湖三角洲沉積體系,延4+5之后盆地逐漸抬升,盆地發育進入萎縮階段(圖1)。
沉積巖中微量元素的分布、分配和遷移與沉積巖形成環境密切相關,由于部分元素性質穩定,賦存狀態受后續成巖作用影響較小[9]。
在鄂爾多斯盆地中東部地區鉆井巖芯中采集樣品27件,鉆井分布覆蓋研究區全區(圖1),樣品均為新鮮泥質巖,巖性包括泥巖、頁巖和粉砂質泥巖,來自于延10-延8油層組(表1),對泥質巖樣品進行主量元素和微量元素等分析測試。
表1 鄂爾多斯盆地中東部地區泥質巖樣品巖性、層位、相當硼及古鹽度數據
2.1 相當硼元素法
硼在海水中以硼酸及其離解產物的形式存在,且硼含量與海水鹽度呈正相關的線性關系。當黏土礦物處于含硼溶液之中時,元素硼會附著在黏土礦物的片狀晶體邊緣,后續新的黏土物質在外圍繼續生長,加之元素硼本身的擴散作用,使得元素硼可以進入黏土礦物晶格并穩定存在。黏土礦物對硼的吸收量取決于溶液的含硼量,黏土礦物的含硼量可以反映沉積水體的古鹽度特征。
沃克(Walker)利用校正硼和相當硼含量來判斷古鹽度的方法[6],校正硼是指純伊利石的含硼量,由于伊利石中K2O的平均含量是8.5%
(1)
式中 相當硼是指相當于伊利石中K2O含量5%時的含硼量,根據K2O和校正硼的含量值在相當硼散射曲線圖中讀出相當硼的含量值,也可根據以下公式計算[18]
(2)
研究認為相當硼含量小于200×10-6時,指示淡水環境,相當硼含量為200×10-6～300×10-6時,指示半咸水環境,相當硼含量為300×10-6～400×10-6時,指示正常海水環境,相當硼含量大于400×10-6時,指示過咸或超咸水環境[11]。盆地中東部地區泥質巖樣品的相當硼含量為59.74×10-6～134.17×10-6,平均88.63×10-6,指示延安組沉積時期整體為淡水沉積環境。
樣品中除了伊利石之外,還含有高嶺石和伊蒙混層等黏土礦物,考慮到不同黏土礦物對硼的吸收能力不同,可以換算出單一黏土礦物的相當硼含量,據此,科奇(Couch)提出了古鹽度的計算公式[6],根據科奇公式
logBk=1.28logSp+0.11
(3)
Bk=B/(4Xi+2Xm+Xk)
(4)
從古鹽度的角度換算可得
Sp=10(logBk-0.11)/1.28
(5)
式中Sp為古鹽度;Bk為高嶺石的含硼量;B為樣品的含硼量;Xi為樣品中伊利石的含量;Xm為樣品中蒙脫石的含量;Xk為樣品中高嶺石的含量。根據科奇公式計算出泥質巖樣品的古鹽度為4.79‰～9.75‰,平均7.61‰。
通過相關微量元素和相當硼的分析以及科奇公式的計算(表1),盆地中東部地區延安組沉積時期,水體介質為淡水-半咸水,平均古鹽度7.61‰。
2.2 元素含量與比值分析
泥巖中的微量元素含量及相關元素比值可以反映沉積環境,區分海相沉積和陸相沉積,從而判斷沉積環境的古鹽度。
鍶和鋇的化學性質類似,但鋇的化合物溶解度要相對低一些,大量鋇元素在近岸地區沉積而無法進入深海,而鍶的遷移能力要強得多,更容易進入深海沉積,因而淡水中鍶含量為100×10-6～500×10-6,半咸水中鍶含量為500×10-6～800×10-6,咸水中鍶含量為800×10-6～1 000×10-6。Sr/Ba值也常用來區分淡水和咸水,Sr/Ba<0.5指示淡水環境,Sr/Ba為0.5～1指示半咸水環境,Sr/Ba>1指示咸水環境[8]。
硼和鎵的化學性質有較大差異,硼不穩定,活動性強,可以在水中長距離遷移,容易進入深海,而鎵較穩定,活動性差,在水中的遷移能力也差,鎵在淡水泥巖中的含量比在海相泥巖中要高很多。淡水中硼含量小于100×10-6,咸水中硼含量大于100×10-6;淡水中鎵含量大于17×10-6,半咸水中鎵含量為8×10-6～17×10-6,咸水中鎵含量小于8×10-6。B/Ga值也可以用來判斷水體古鹽度,B/Ga<3指示淡水環境,B/Ga為3～4.5指示半咸水環境,B/Ga>4.5指示咸水環境。
K2O主要與泥巖中的黏土礦物含量有關,而Rb容易被黏土礦物吸附,且水體鹽度越高,吸附能力越強,因此Rb/K2O值與沉積水體鹽度成正比,當Rb/K2O<4時,指示淡水環境,當Rb/K2O為4～6時,指示半咸水環境,當Rb/K2O>6時,指示咸水環境,需要注意的是,計算時要注意Rb與K2O含量值的數量級不同。
Th/U值也可以用來判斷沉積水體古鹽度,當Th/U>7時,指示淡水環境,當Th/U為2～7時,指示半咸水環境,當Th/U<2時,指示咸水環境。此外,鋰、鎳等元素在泥巖中的豐度也可以判斷古鹽度。淡水中鋰含量小于90×10-6,半咸水中鋰含量90×10-6～150×10-6,咸水中鋰含量大于150×10-6;淡水中鎳含量20×10-6～25×10-6,半咸水中鎳含量25×10-6～40×10-6,咸水中鎳含量大于40×10-6。
根據測試結果,泥質巖樣品中鍶含量71.70×10-6～195.00×10-6,平均134.91×10-6;硼含量24.40×10-6～55.70×10-6,平均39.14×10-6;鎵含量13.79×10-6～32.21×10-6,平均26.18×10-6;鋰含量25.00×10-6～ 108.37×10-6,平均60.79×10-6;鎳含量9.63×10-6～56.50×10-6,平均38.83×10-6;Sr/Ba值0.17～0.46,平均0.28;B/Ga值0.95～2.03,平均1.52;Rb/K2O值3.38～7.03,平均5.09;Th/U值3.20～7.00,平均4.52。根據古鹽度的微量元素判別指標(表2,圖2),絕大多數泥質巖樣品數據指示淡水環境,個別樣品數據進入半咸水范疇,整體指示陸相淡水-半咸水沉積環境。沒有外來注入咸水的強烈干擾時,通過降水、蒸發等氣候條件,水體鹽度可以被調節,因此,古鹽度在一定程度上也能反映古氣候條件[19],盆地中東部地區延安組的淡水-半咸水沉積環境反映了濕潤-半濕潤的氣候條件。
表2 古鹽度的微量元素判別指標及延安組泥巖測試數據
圖2 鄂爾多斯盆地中東部地區延安組古鹽度分析判別Fig.2 Analysis and discrimination of ancient salinity in Yan’an Formationin the central and eastern part of Ordos Basin
3.1 微量元素含量及比值法
鈾、釩、鉻、鈷等元素對氧化還原條件反應敏感,它們均在富氧氧化條件下溶解,在缺氧還原條件下富集,在缺氧硫化環境中極度富集,而且幾乎不受后期成巖作用的影響,而釷等元素則對氧化還原條件不敏感[11,20]。鎳、銅、鋅等元素在缺氧還原條件下常以硫化物的形式沉淀,而在氧化條件下常呈溶解狀態[11]。因此,Ni/Co、V/Cr、V/(V+Ni)、U/Th、δU等可以反映沉積環境的氧化還原條件。經前人研究認為,Ni/Co>7時,指示缺氧環境,Ni/Co在5～7時,指示貧氧環境[9,21],Ni/Co<5時,指示富氧環境。V/Cr>4.25時,指示缺氧環境,V/Cr在2～4.25時,指示貧氧環境,V/Cr<2時,指示富氧環境[7]。V/(V+Ni)>0.84時,指示水體分層強且底部出現H2S的厭氧強還原環境,V/(V+Ni)在0.60～0.84時,指示水體分層不強的貧氧環境,V/(V+Ni)<0.60時,指示水體分層弱的環境[7,22]。U/Th>1.25時,指示缺氧環境,U/Th在0.75～1.25時,指示貧氧環境,U/Th<0.75時,指示富氧環境。δU=2U/(Th/3+U),δU大于1時,指示缺氧還原環境,δU小于1時,指示弱還原-氧化環境[23]。Cu/Zn<0.21時,指示還原環境,Cu/Zn在0.21～0.35時,指示弱還原環境,Cu/Zn在0.35～0.5時,指示弱還原-氧化環境。
鐵元素在不同的氧化還原條件下可以形成不同價態的含鐵礦物,在氧化條件下,鐵元素以Fe3+的狀態存在,形成赤鐵礦、褐鐵礦等礦物,在還原條件下則以Fe2+的狀態存在,形成黃鐵礦等礦物,在過渡條件下則同時存在Fe3+和Fe2+,形成綠泥石、菱鐵礦等礦物。因此,可以根據Fe2+/Fe3+值可以判斷古環境的氧化還原條件,當Fe2+/Fe3+?1時,指示還原環境,當Fe2+/Fe3+>1時,指示弱還原環境,當Fe2+/Fe3+=1時,指示中性環境,當Fe2+/Fe3+<1時,指示弱氧化環境,當Fe2+/Fe3+?1時,指示氧化環境。需要注意的是,在后期成巖和成煤的過程中,生成的還原性物質會使Fe3+還原成Fe2+,從而改變Fe2+/Fe3+比值[11],因此,根據Fe2+/Fe3+判斷氧化還原條件會有一定誤差。
根據測試及計算結果,泥質巖樣品中Fe2+/Fe3+為0.26～3.66,平均1.70;Ni/Co為0.07～3.00,平均1.70;V/Cr為0.94～2.94,平均1.40;V/(V+Ni)為0.68～0.88,平均0.76;U/Th為0.14～0.35,平均0.22;δU為0.60～0.97,平均0.81;Cu/Zn為0.15～1.89,平均0.47。根據氧化還原環境的微量元素判別指標(表3,圖3),多數泥質巖樣品數據指示弱還原-氧化環境,個別樣品數據指示還原環境,說明延安組沉積環境以弱還原-氧化條件為主,局部水體較深可出現缺氧還原情況。
表3 氧化還原環境的微量元素判別指標及延安組泥巖測試數據
圖3 鄂爾多斯盆地中東部地區延安組古氧化還原條件Fig.3 Ancient redox conditions in Yan’an Formation in the central and eastern part of Ordos Basin
3.2 稀土元素判別法
稀土元素一般都以三價狀態存在,在氧化條件下,Ce3+會變價成難以溶解的Ce4+,從而脫離REE3+,形成所謂的負鈰異常,反之,Ce3+就會相對富集。因此,沉積巖中的鈰異常情況可以反映沉積水體的氧化還原條件。鑭與相鄰的釹和鈰的相關變化稱為鈰異常,用Ceanom表示[9-11]如下。
Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]
式中N為該元素含量值是經過北美頁巖標準化后的數值。若Ceanom大于0,表示鈰富集,指示缺氧還原環境,若Ceanom小于0,表示鈰虧損,指示富氧氧化環境。
Ce/La值也可以反映氧化還原條件,Ce/La>2時,指示缺氧環境,Ce/La在1.5～2時,指示貧氧環境,Ce/La<1.5時,指示富氧環境[9-11]。
根據測試及計算結果(表3),泥質巖樣品中Ceanom為-0.15～0,平均-0.04;Ce/La值為1.49～2.04,平均1.95,指示弱還原-氧化環境,局部有還原情況出現,與前文微量元素比值判別結果一致。盆地中東部地區延安組沉積于河流-三角洲-淺湖沉積體系,水體不深,與弱還原-氧化條件相匹配。
不同水體深度下,形成的沉積巖類型、沉積構造和礦物組合等會有明顯的不同,根據這些特征可以反推水體深度。一般來說,若水體較淺,則形成的碎屑巖粒度較粗,顏色較淺,可見多種層理構造,植物和動物化石較豐富;若水體較深,則形成的碎屑巖粒度較細,或形成濁積巖,顏色較深,泥頁巖中可見水平層理,濁積巖中可見鮑馬序列、槽模等構造,生物化石較少,含有黃鐵礦等代表還原條件的礦物[23](表4)。盆地中東部地區延安組的巖石組合常見淺灰色含礫砂巖-細砂巖夾灰色泥頁巖,或灰色砂泥薄互層,發育交錯層理、平行層理等多種層理構造,泥巖中生物化石較豐富,植物碎片常見。根據沉積特征,可以推斷出盆地中東部地區延安組沉積時,古水深一般約為0.5～15 m,最大值約20 m。與該地區延安組的河流-三角洲-淺湖沉積體系相符合。
表4 鄂爾多斯盆地中東部地區延安組沉積巖特征與對應古水深
利用鍶含量、氧同位素、有孔蟲Mg/Ca等方法可以計算古水溫。在干旱炎熱氣候條件下,Sr元素在水體中濃縮沉淀,會使沉積物中鍶含量升高,前人學者經過大量的試驗,歸納出計算沉積時古水溫的經驗公式,該方法數據處理和計算都較簡便,結果也較可靠[24]
T=(2 578-Sr)/80.8
式中Sr為質量分數,%;T為古水溫,℃。經計算,泥質巖樣品反映的古水溫為29.5～31.0 ℃,平均30.2 ℃,屬于非常溫暖的氣候情況,有利于植物的繁榮生長。
6.1 元素含量與比值
喜干型元素鍶和喜濕型元素銅的比值對古氣候的變化有靈敏的指示作用,Sr/Cu小于10指示溫暖濕潤氣候,大于10表示干燥炎熱氣候[6,24]。根據測試及計算結果,泥質巖樣品中Sr/Cu為1.09～14.36,平均4.61;說明延安組沉積時期,盆地中東部地區整體呈現溫暖濕潤的氣候特征。由前文敘述已知,水體中鍶的含量值隨鹽度的增大而增大,因此古鹽度和古氣候干旱程度的變化趨勢是一致的。
碎屑巖中自生碳酸鈣的含量受氣候影響明顯,三角洲-湖泊沉積物中的碳酸鈣礦物主要是方解石和白云石,CaO和MgO的比值基本上可以反映方解石和白云石的含量比,其中,白云石主要是碎屑來源,方解石則同時有碎屑沉積和自生沉淀兩種成因,用Al2O3含量可以有效地校正碎屑方解石的含量[25],因此,可以用CaO/(MgO×Al2O3)反映自生碳酸鈣的含量,從而反映氣候情況。CaO/(MgO×Al2O3)值越大,說明氣候相對越溫暖,值越小說明氣候相對越寒冷[8]。
Mg/Ca、Rb/Sr、FeO/MnO、Al2O3/MgO對古氣候的反映也很靈敏,這些比值高時反映濕潤氣候,比值低時表示干旱氣候[26-27]。Sr/Ba則相反,該比值高時反映干旱氣候,比值低時反映濕潤氣候。
根據分析測試結果,泥質巖樣品中CaO/(MgO×Al2O3)值為0.006～0.025,平均0.015,Mg/Ca值為0.39～7.00,平均3.43,Rb/Sr值為0.56～2.37,平均1.19,FeO/MnO值為28.03～101.08,平均58.07,Al2O3/MgO值為8.56～77.18,平均29.23,Sr/Ba值為0.1～0.73,平均0.27。鄂爾多斯盆地北部直羅組泥巖樣品測試數據顯示[10-11],Mg/Ca平均值為2.22,Rb/Sr平均值為0.37,FeO/MnO平均值為34.34,Al2O3/MgO平均值為8.22,均低于延安組數據,而Sr/Ba平均值為0.53,高于延安組數據,說明延安期氣候相對濕潤,而之后的直羅期氣候逐漸干旱,直羅組上段Sr/Cu值平均12.79,CaO/(MgO×Al2O3)平均值為0.025,均高于延安組,說明氣候已從延安期的溫暖濕潤演變成了直羅晚期的干燥炎熱。
6.2 化學蝕變指數
在化學風化作用中,不同元素的遷移能力不同,鈉、鉀、鈣等較易遷移,鋁則相對穩定。地表巖石在遭遇化學風化時,鈉、鉀、鈣等元素會優先從礦物中析出,并形成新的含鋁風化產物,導致Al2O3與Na2O、K2O、CaO比值的變化,因此可以用化學蝕變指數CIA來標定化學風化作用的程度,進而指示氣候的溫濕度[9,10,28-30]。
CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100%
式中 各分子含量均采用摩爾分數,CaO*為CaO的校正值,指硅酸鹽礦物中CaO的含量,計算公式為[9,10,28-30]
若校正后的CaO*摩爾分數小于Na2O,則CaO*采用計算后的CaO*摩爾分數,若CaO*摩爾分數大于Na2O,則CaO*采用Na2O摩爾分數。
通常情況下,CIA值在50～100,當CIA在50～70之間時,代表輕度化學風化,指示干燥氣候下的沉積產物,當CIA在70～80時,代表中等強度的化學風化,指示溫暖濕潤氣候下的沉積產物;當CIA在80～100時,代表強烈的化學風化,指示炎熱潮濕氣候下的沉積產物[29]。
泥質巖樣品CIA值在77.7～95.4,平均85.1,說明延安期物源區母巖經歷了中等-強烈的化學風化,指示溫暖濕潤-炎熱潮濕的氣候。
6.3 沉積與古植物標志
鄂爾多斯盆地中東部地區延安組為淺灰色含礫砂巖、細砂巖,夾灰色粉砂巖、泥質粉砂巖和泥頁巖,或者砂泥巖薄互層,發育煤層或煤線。延10油層組巖石粒度較粗,呈淺灰色-灰色,可見塊狀層理、板狀和槽狀交錯層理、水平層理等,砂礫巖底部常見沖刷面構造,代表弱還原弱氧化條件下的河流沉積環境。延9-延8油層組沉積旋回較明顯,粒度較延10變細,鉆井巖芯整體呈淺灰色-灰色,可見平行層理、水平層理、槽狀交錯層理等,泥巖中含植物碎片,并發育煤線或煤層,代表弱還原弱氧化條件下的溫暖濕潤的淺湖-三角洲沉積環境。
鄂爾多斯盆地中東部地區侏羅系延安組的地層中,普遍發育煤層,說明當時是適合植物生長的溫暖潮濕氣候。構成當時森林主體的植物首先是季節性落葉植物銀杏和茨康類,其次是適宜溫濕氣候的真蕨類和適宜溫涼氣候的松科屬種,在孢粉化石中發現大量的指示溫濕氣候的蕨類桫欏科孢子、銀杏蘇鐵類和松類花粉等,產自盆地西部靈武地區的木化石中可見到明顯的年輪[11,31-33],說明延安期鄂爾多斯盆地整體處于溫暖潮濕的氣候中,有較明顯的季節性氣候變化。富縣期盆地內發現適宜熱帶氣候的馬通蕨科和雙扇蕨科等屬種,并發現指示干旱氣候的Classopollis含量在孢粉組合中占比較高,說明富縣期盆地內氣候炎熱且較干旱[33]。在延安期之后的直羅期,植物以蘇鐵綱為主,比例較延安組大大增加,其次有雙扇蕨科和桫欏科植物,孢粉化石中Classopollis含量明顯高于延安組[33],說明直羅期盆地內氣候炎熱干旱。從早侏羅世晚期(富縣組)到中侏羅世早期(延安組),再到中侏羅世晚期(直羅組),鄂爾多斯盆地內的氣候經歷了炎熱半干旱半濕潤—溫暖濕潤—炎熱半干旱半濕潤的變化過程。
鄂爾多斯盆地中東部地區侏羅系延安組沉積時期,氣候已由干旱炎熱轉為溫暖濕潤,雨量充沛,生物繁茂,特別是造煤植物繁盛,水體較淺,形成大量淺湖-三角洲背景下的沼澤沉積,使延安組碳質泥巖和煤層大量發育且分布廣泛,形成了鄂爾多斯盆地侏羅系重要的含煤巖系,另外,在盆地中東部地區以及隴東等鄰區,碳質泥巖與其它泥頁巖等,一起構成了侏羅系油藏的有利蓋層。
1)泥質巖測試結果及通過科奇公式計算出古鹽度,說明延安期水體為淡水-半咸水環境。
2)泥質巖測試結果指示延安期的沉積環境多為貧氧-富氧環境,反映弱還原弱氧化-氧化的沉積條件,局部水體較深處可出現還原條件。
3)鄂爾多斯盆地中東部地區延安期的古水溫指示溫暖氣候。從早侏羅世富縣期到中侏羅世延安期,再到中侏羅世直羅期,鄂爾多斯盆地內的氣候經歷了炎熱半干旱半濕潤-溫暖濕潤-炎熱半干旱半濕潤的變化過程。
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