鄂尔多斯盆地东缘马家沟组元素地球化学特征及古沉积环境

王琳霖，浮 昀，方诗杰

(1.中国地质科学院 矿产资源研究所，国土资源部 盐湖资源与环境重点实验室，北京 100037； 2.长庆油田 第八采油厂采油工艺研究所，西安 7100183； 3.新疆油田公司 陆梁油田作业区，新疆 克拉玛依 834000)

鄂尔多斯盆地是我国重要的含油气和含盐盆地。近年来，随着油气和钾盐等多矿种综合勘查工作在鄂尔多斯盆地的持续推进，寻找鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩储层气藏和海相钾盐已经成为该地区的重要工作。多年来，针对鄂尔多斯盆地奥陶系沉积储层特征及形成机理开展了丰富的工作[1-3]。已有的研究证明，广大古陆内形成的巨量蒸发岩普遍与地质历史中干旱的气候有关，湿热气候及其与干旱气候频繁的转换不利于钾盐的形成[4]。因此，在我国小陆块海相盆地成钾的构造背景下，古气候条件是制约钾盐生成和分布的重要因素。准确分析奥陶纪成盐时期的古气候条件和沉积环境，可以构建奥陶系马家沟组沉积特征与沉积期古气候的时空耦合关系，其古气候演化也可为下一步寻找含钾层段提供新的参考。沉积水体中原生沉积物内保持了古沉积时期原始的元素与同位素地球化学信息，其化学元素分配及比值的变化可以反映古气候以及成岩流体的古盐度、古氧化还原性质[5-17]。因此，本文以鄂尔多斯盆地东部奥陶系马家沟组沉积特征为基础，应用主、微量元素地球化学分析方法，建立马家沟组沉积时期的古气候演化序列，以期为该地区奥陶系油气和钾盐勘探提供参考。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是华北地台西部的一个次级构造单元，盆地内部构造稳定，整体东高西低，地层相对平缓。盆地依照现今构造特征主要划分为西缘冲断带、天环坳陷、伊盟隆起、伊陕斜坡、晋西挠褶带及渭北隆起等6个构造单元(图1a)。盆地的结晶基底为太古代和下元古代的变质岩系，上部沉积地层经历中新元古代拗拉谷、早古生代浅海台地、晚古生代近海平原、中生代内陆盆地和新生带周边断陷共5个演化阶段，形成下古生界碳酸盐岩、上古生界海陆过渡相煤系和中新生代内陆碎屑沉积的三层结构。

马家沟组沉积时期，受中央古隆起和边侧坳陷影响，盆地处于陆表海沉积背景，形成了以碳酸盐岩和蒸发岩为主的多旋回不等厚沉积。按照沉积特征将马家沟组划分为3个完整沉积旋回和6个岩性段(图1b)，自下而上分别为马一段—马六段。其中马一段、马三段和马五段以蒸发岩沉积为主，主要岩性为盐岩和硬石膏岩，夹灰岩和泥质云岩以及少量膏云岩；马二段、马四段和马六段为正常浅海沉积，岩性主要为灰岩和白云岩，夹膏岩和云质泥岩。

2 岩石类型

鄂尔多斯盆地东缘镇钾1井(图1a)马家沟组自上而下依次发育马五段、马四段、马三段、马二段和马一段。马五段又进一步细分成了5个亚段：马五1-3亚段岩性为浅灰色粉晶灰岩和角砾灰岩；马五4亚段，以盐岩、膏岩和膏质云岩为主；马五5亚段岩性为灰黑色斑状泥粉晶—粗粉晶灰岩；马五6亚段岩性为浅褐色、褐红色、灰色、灰白色盐岩，以及灰白色膏岩、深灰色膏质云岩、钙质泥岩；马五7-10亚段岩性为灰黑色灰岩与灰白色膏岩、深灰色泥晶云岩互层。马四段岩性为灰黑色灰岩、云质灰岩和灰质云岩，普遍具斑状和缝合线构造。马三段岩性以红色盐岩、灰白色膏岩、深灰白色云岩不等厚互层为主。马二段岩性主要为深灰色灰岩、灰黑色灰质云岩，夹盐岩、石膏岩和白云岩，其中石盐铸模孔和缝合线构造发育。马一段岩性以灰白色膏岩、深灰—灰黑色泥质云岩、浅褐色—褐红色盐岩为主，底部沉积一层约2 m厚的青灰色石英砂岩，与下伏地层寒武系张夏组呈假整合接触。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元及地层分布

通过岩心观察和岩石薄片分析，马家沟组的岩石类型以碳酸盐岩和蒸发岩为主，碎屑岩发育较少。其中，碳酸盐岩包括灰岩和白云岩，灰岩进一步划分为灰泥灰岩(图2a)和生物碎屑灰岩(图2b)；白云岩进一步划分为泥晶白云岩(图2c)、粉晶白云岩(图2d, 2e)和细晶白云岩(图2f)。蒸发岩包括石膏岩和盐岩(图2i)，其中膏岩又细分为硬石膏岩(图2g)、含云膏岩(图2h)和含泥硬石膏岩。

3 马家沟组元素地球化学特征

3.1 测试方法与成岩作用影响

样品来自镇钾1井奥陶系钻井岩心，共18件，其中马二段3件，马三段2件，马四段2件，马五段11件，样品基本可以代表马家沟组整体沉积时期的特征。分析测试内容主要包括主量元素和微量元素(表1)。主量元素分析仪器为AxiosmAX型X射线荧光光谱仪，微量元素为NexION300D等离子体质谱仪。主量元素和微量元素测试主要依据的检测标准分别为GB/T 14506.28-2010和GB/T 14506.30-2010，由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。

较强的成岩蚀变可能会引起岩石中元素组成的改变，进而影响对沉积环境信息的保存。DERRY等[18]和JACOBSEN等[19]分别对西伯利亚稳定地块内下寒武统碳酸盐岩样品以及西伯利亚地区石灰岩样品的主微量元素进行统计，建立了Mn、Sr等元素在指示碳酸盐岩及蒸发岩蚀变程度上的经验参考值，他们均指出当w(Mn)/w(Sr)≤0.6的情况下，岩石样品没有遭受蚀变或者遭受了非常小的后期蚀变，可以作为指示古沉积环境的元素地球化学指标。本次分析采用的马家沟组岩石样品的w(Mn)/w(Sr)值基本小于0.6(图3a)，表明样品没有遭受或遭受了较小的蚀变作用，其元素分析结果可以有效地反映研究区马家沟组的原始地球化学特征。

图2 鄂尔多斯盆地东缘奥陶系镇钾1井马家沟组岩石类型与特征

a.灰泥石灰岩，2 850.25 m。矿物成分：方解石95%，白云石3%，其他2%；结构组分：晶粒5%(主要为硬石膏、白云石)，基质95%(主要为泥晶方解石)；b.生物碎屑灰岩，3 186.58 m。矿物成分：方解石85%，黏土15%；结构组分：颗粒80%(主要为生物碎屑)，基质20%(灰泥、泥质)；c.泥晶白云岩，3 185.99 m。矿物成分：白云石97%，石英2%，石膏1%；结构组分：晶粒3%(石英和硬石膏)，云泥97%(云泥)；d.粉晶白云岩，2 860.28 m。矿物成分：白云石 99%，有机质1%；结构组分：晶粒99%(白云石和生物碎屑)，基质1%(黑色有机质或沥青)；e.膏质泥粉晶白云岩，2 890.34 m。矿物成分：白云石70%，硬石膏27%，泥质3%；结构组分：晶粒30%(硬石膏)，基质70%(云泥)；f.细晶白云岩，3 183.79 m。矿物成分：白云石 100%；结构组分：晶粒100%；g.硬石膏岩，2 873.04 m。矿物成分：硬石膏85%，白云石15%；结构组分：晶粒85%(硬石膏)，基质15%(云泥和暗色有机质)；h.含云硬石膏岩，2 867.5 m。矿物成分：硬石膏90%，白云石10%；结构组分：晶粒90%(硬石膏)，基质10%(云泥)；i.石盐，2 810.255 m

Fig.2 Rock types and characteristics of the Ordovician Majiagou Formation in well Zhenjia 1, eastern Ordos Basin

表1 鄂尔多斯盆地东缘奥陶系马家沟组主量、微量元素含量

3.2 主、微量元素分布

3.2.1 主量元素

研究区马家沟组岩石样品的主量元素分布如表1所示，样品具有较高的CaO含量(平均40.31%)和MgO含量(平均9.65%)，Na2O(平均0.33%)和SiO2(平均2.57%)含量相对较低，Al2O3、Fe2O3、K2O和Ti2O等主要代表陆源组分氧化物的平均含量非常低，反映马家沟组沉积受陆源物质影响较小，为正常的海相沉积。

3.2.2 微量元素

对马家沟组岩石样品进行了微量元素分析(表1)，结果显示样品中微量元素的含量与分布具有一致性(图3b)，指示为相近且相对稳定的沉积环境内形成。样品中除Sr(平均289×10-6)和U(平均1.02×10-6)的含量相对上地壳略微富集以外，其他绝大部分微量元素的平均含量相对于上地壳均呈亏损，其中Cr、Zn、Rb、Ba亏损较大(图3b)。虽然Sr和Ba的化学性质十分相似，但因为两种微量元素的离子半径不同，Ba2+与K+进行类质同像比较合适，而不能替代矿物中的Mg2+和Fe2+。与既能替代Ca2+又能替代K+的Sr2+相比，Ba2+的分布受限制[6]。此外，Sr在海水中已成为主要组分之一，其在海水中的富集作用甚至高于Ca，而海水中Ba含量比较低且Ba容易被黏土吸附。因此，在泥质含量较低且Mg2+和Ca2+富集的海相碳酸盐岩和蒸发岩中，相对上地壳元素平均含量Sr富集与Ba亏损一定程度上反映了沉积水体的高咸化特征。同时，以Ni和V为代表的其他微量元素的亏损也指示岩石样品吸附作用较低，指示奥陶纪时期研究区远离陆源碎屑，且为低泥质含量的海相成岩流体沉积。

图3 鄂尔多斯东缘马家沟组样品中Mn-Sr分布(a)及微量元素UCC标准化蛛网图(b)

4 主微量元素分布对沉积环境的指示

与陆源碎屑沉积岩相比，内源沉积岩中的碳酸盐岩和石膏类蒸发岩可以更好地反映古沉积时期的成岩流体信息。通过岩石样品的元素分析，可以在垂向和横向范围内获取岩石内蕴含的丰富的元素地球化学信息，结合区域沉积的岩石学特征，可以有效地还原古地质时期沉积环境的演化过程。

4.1 古气候

(1)MgO/CaO。碳酸盐沉积物中Mg和Ca的沉淀具有地球化学的意义。溶解在海水中的Mg的数量实际上远大于Ca的数量，但海水中仅有非常小的一部分Mg产生碳酸盐沉淀，因而海水中Mg的丰度相对比较稳定，相反海水中绝大部分Ca被析出，形成广泛的碳酸盐沉积物。由于在海水中碳酸钙的溶解度一般随着温度和pH值的增加而下降，随着CO2分压的增加而上升，因此，应用MgO/CaO比值可以反映原生沉积时期的古气候[20-21]，即MgO/CaO低比值指示干热气候，高比值指示相对潮湿气候。研究区马家沟组MgO/CaO值分布在0.031～0.718之间，平均为0.282，其中67%的样品MgO/CaO值小于0.30，指示干热气候。在马二段开始沉积后期、马五段沉积早期(马五7-10沉积晚期)以及马五4沉积中晚期和马五段沉积末期出现MgO/CaO高值，指示该阶段相对潮湿的气候环境(图4)。

(2)Rb/Sr。海水中Rb含量较低，通常在蒸发作用强烈的水体中Rb含量较高，对KCl-RbCl-H2O系统的实验研究表明，随着流体温度增加Rb被钾盐吸收量会减少。Sr具有易与O(或OH、H2O)形成化合物的特点。此外，Sr在岩石中的含量主要受造岩元素Ca2+和K+的制约，其分配既取决于它在钙矿物中置换钙离子的程度，又取决于钾长石中K+捕获Sr2+的程度[6]。干旱气候背景下CaO含量增加，海水中Sr浓度也增大，相应的两种离子之间置换总量也增加，该背景下形成的岩石中Sr含量也增加。因此，在原生沉积岩中Rb/Sr升高可以指示古气候由相对干旱向相对湿润的气候演化，而Rb/Sr降低则相反。研究区马家沟组沉积时期Rb/Sr以低值分布为主，介于0.007～0.082之间，平均为0.028(表1，图4)，反映了马家沟组沉积时期以干旱为主要背景的古气候。马二段沉积早期和马四段沉积中后期的Rb/Sr值较高，为相对湿润气候；马二段沉积早期到马三段沉积末期Rb/Sr值逐渐降低，指示该阶段古气候由相对湿润向干旱气候演化；马五段整体以低Rb/Sr值分布为主，表现为干旱气候为主的沉积背景。其中，马五5沉积时期、马五4沉积中后期以及马五1-3沉积早期表现出相对较高的Rb/Sr值，指示了其阶段性向湿润气候演化的特征。

图4 鄂尔多斯盆地东缘马家沟组沉积期古气候判识指标分布特征

(3)Sr/Cu。海水中Cu含量很低，一般海相沉积物中Cu的含量也相对较低，其与Sr相对含量的变化一定程度上可以指示古气候条件。LERMANM(1978)建立了岩石中微量元素Sr/Cu与沉积时期古气候的对应关系，并认为当Sr/Cu比值介于1～10之间时，指示成岩条件为湿润气候；而当Sr/Cu比值大于10的情况下，指示成岩条件为相对干旱的气候背景[5]。研究区马家沟组岩样内Sr/Cu值介于21.1～198.6之间，平均为69.2(表1，图4)，指示该时期地区气候以干旱为主的地质背景，其中马三段沉积中晚期和马五6亚段沉积早期Sr/Cu为高值，反映该段沉积时期的古气候干旱程度较高。

综合MgO/CaO、Rb/Sr以及Sr/Cu值的分布趋势，3种指标对研究区马家沟组的古气候的反映基本一致，即整个马家沟组沉积时期以干热气候为主要背景，在马二段、马四段和马五段沉积的中晚阶段经历了短暂的干热气候向相对湿润气候转换。元素化学分析反映出的马家沟组沉积时期干热的气候背景，与TROTTER 等[14]据世界各地典型剖面的牙形石、腕足、泥晶灰岩等氧同位素研究反映出的奥陶纪在早—中期处于一个长期的温室背景下的结论一致。基于上述3种指标分析的古气候与马家沟组沉积旋回的分布具有较好的耦合性，指示干热气候的元素化学指标与蒸发环境中形成的盐岩段能形成较好的对比。

4.2 古盐度

由于Sr2+的离子半径位于K+与Ca2+之间，因此Sr2+既可以替代K+也可以替代Ca2+，而Ba2+仅与K+进行类质同象替代最为合适，这一特征使Sr在海水中的迁移能力比Ba强[11,17]。当海水蒸发时，高含钙的矿物大量产生，有利于Sr2+与Ca2+进行替代，同时海水因蒸发或受石灰岩的中和作用引起硫酸盐离子浓度增加，促使海水中Ba以BaSO4的形式产生沉淀。上述两因素导致海水中和沉积物中的Sr相对于Ba更容易趋于富集，造成沉积物中的Sr/Ba比值较高。前人通过研究发现，Sr/Ba与古盐度具有较明显的正相关性，通常w(Sr)/w(Ba)>1时成岩流体为咸水介质；w(Sr)/w(Ba)<0.6时成岩流体一般为淡水介质；w(Sr)/w(Ba)介于0.6～1之间时为过渡介质[22-23]。研究区马家沟组w(Sr)/w(Ba)介于1.65～58.53之间，平均值为22.17(图4)，反映马家沟组沉积期为咸水介质的沉积环境。

5 结论

(1)碳酸盐岩和蒸发岩样品的主量、微量元素研究结果表明，鄂尔多斯盆地东缘马家沟组主要形成于未受陆源碎屑影响的海相沉积环境。

(2)岩石特征和古盐度分析表明，研究区马家沟组主要由咸水沉积背景下形成的碳酸盐岩和蒸发岩组成，岩石类型包括灰泥灰岩、生物碎屑灰岩、泥晶白云岩、粉晶白云岩、细晶白云岩、石膏岩和盐岩等。

(3)Rb/Sr、Sr/Cu、MgO/CaO和Sr/Ba值分布曲线指示，研究区整个马家沟组沉积时期主要为干热气候背景，古气候与马家沟组沉积旋回的分布具有较好的耦合性。马二段、马四段沉积时期和马五段沉积中后期经历了阶段性的干热气候向相对湿润气候的转换，其余沉积阶段为较长周期的干热气候条件。