鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组微量元素地球化学特征及沉积环境指示意义

陆雨诗， 胡 勇*， 侯云东， 孙继峰， 何文祥， 高小洋， 司 锦， 宋雯馨

(1.长江大学资源与环境学院油气地球化学与环境湖北省重点实验室， 武汉 430100； 2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院， 西安 710000)

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地[1-2]，近年来随着勘探程度的加深，盆地西缘逐渐地成为中国较为重要的油气探区[3-4]，而在西缘羊虎沟组发现了较好的烃源岩。黄家国[5]对该地区的页岩气资源及勘探潜力进行评价，结果表明该组平均有效泥页岩厚度为37.4 m，镜质体反射率Ro为1.20%～2.00%，总有机碳含量(total organic carbon，TOC)为1.50%～3.50%，页岩气资源量约为1 853.17×108m3，平均总含气量约为1.50 m3/t，源内致密储层成藏潜力大，但前人对该地区的油气藏研究主要集中于奥陶系马家沟组[6-7]、二叠系山西组、太原组[8-9]以及三叠系延长组[10-12]等地层。杨振等[13]对盆地西缘天环坳陷地层水的研究也仅针对二叠系下石盒子组及山西组，羊虎沟组资料十分薄弱。同时，天然气的勘探和研究程度较低，仅针对页岩气成藏模式及热演化程度。王崇敬等[14]对羊虎沟组页岩气成藏潜力研究认为呼鲁斯太南部、乌达及石炭井地区为页岩气聚集最有利的区域，但对上石炭统羊虎沟组的沉积格局和古地理表现面貌,尤其是该区域沉积期间的内部沉积环境介质情况、古地理气候变化等还没有得到充分的研究。资料薄弱、研究程度低仍然是羊虎沟组在沉积环境分析中普遍存在的问题，制约着羊虎沟组未来的勘探开发进展。

沉积岩中的微量元素在沉积过程中受物源性质、气候、水化学条件的影响，是整个沉积演化过程的真实记录，且对于沉积环境变化有着较高的敏感度，是确定古环境、古气候变迁的有效技术手段[15-17]。基于此，主要根据鄂尔多斯盆地西缘东部羊虎沟组17口钻井资料中泥岩样品的微量元素进行了系统的数据分析，并结合该组野外露头岩石的观测情况综合判断，明确羊虎沟组古盐度、氧化还原环境、古水深以及古气候特征，为该地区的油气勘探评价提供地质依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于现今中国华北克拉通中西部,属于中国华北克拉通的次一级大型地质地貌构造构成单元,是一个宏观局部性和微观整体上稳定地质坳陷、沉降以及扭动、迁移明显的大型多样性旋回克拉通盆地[18-19]。本次研究区域位于鄂尔多斯盆地西部，即北到磴口，南至固原，东到鄂托克旗，西到贺兰山以西，南北长500 km，东西宽60～150 km，面积约5×104km2，横跨陕西、甘肃、宁夏回族自治区、内蒙古自治区4个省区[20]，主要由西缘的逆冲构造地带以及天环坳陷两个二级构造单元组成，如图1所示。

图1 研究区域位置及样品分布Fig.1 Study area location and sample distribution

盆地西缘地区沉积厚度巨大，但由于同沉积断裂的活动和古地形等的影响，地层厚度变化急剧，相变剧烈，冯凯龙等[21]对该组地层进行了粒度以及全岩分析，结合沉积学特征认为羊虎沟组发育三角洲、潮坪、障壁-泻湖等海陆过渡相的沉积体系，稳定的对比层相对较少。王子腾等[22]对研究区羊虎沟组进行物源分析，认为羊虎沟组地层沉积环境中的地层物源主要是来自北部、西南部、南部3个主要的物源聚集地区，水系丰富，物源供应充足，地层出露较好，为该地区沉积环境分析提供了得天独厚的条件。

2 地层与岩石

羊虎沟组地层与上覆太原组之间为平行不整合或连续沉积[图2(a)、图2(b)]，与下伏靖远组整合接触或平行不整合接触[图2(c)、图2(d)]。该组厚度多为0～600 m，在北部乌达-雀儿沟地区可达600 m，在呼鲁斯太地区约400 m，中部苏峪口一带厚300余米，南部下河沿地区约400 m，野外露头出露较好，钻井资料表明，羊虎沟组地层厚度变化较大，南部忠6井探得羊虎沟组超过1 200 m，而忠11井仅有20 m。按照沉积旋回和岩性组合，盆地内部羊虎沟组在垂向上分为3段，羊1段表现为灰白色中砂岩、细砂岩、灰色-深灰色泥质粉砂岩夹灰黑色泥页岩，羊2段表现为灰黄色、黄色中-粗砂岩、泥质粉砂岩、含砾中砂岩及灰黑色页岩，羊3段主要为灰白色、灰黄色中-粗砂岩、灰色泥页岩、灰岩以及少量砾岩[图2(e)、图2(f)]。羊虎沟组发育的岩石类型丰富，其中研究区北部以中-粗砂岩为主，中部常见细砂岩，南部则以粉-细砂岩为主，岩石粒度整体呈现北粗南细的特点。

图2 鄂尔多斯盆地羊虎沟组地层发育特征Fig.2 Stratigraphic development characteristics of Yanghugou Formation in Ordos Basin

3 样品采集与分析方法

所有样品均来自鄂尔多斯盆地西缘17口钻井岩心，共采集样品47件，其中羊1段36件，羊2段14件，羊3段11件，详细采样位置如图1所示。由于研究区东部为岩性变化较大的滨浅海沉积环境，因此探井分布较多，勘探程度较好，而西部主要为地层较厚的泻湖-障壁沙坝的半深海环境[21]，岩性以泥岩为主，探井较少，全面考虑到采样井位的代表性，本次采样井均分布于研究区东部。取样过程中，选择该井段具有代表性的泥岩或泥页岩作为样品，在室内除去表面的钻井泥浆及浮尘，在无污染条件下由人工碾磨至200目，送至河北省任丘市杰创石油科技有限公司，在室内温度18～27 ℃、相对湿度25%～50%的环境下进行检测，微量元素分析测试仪器采用X-Serise2电感耦合等离子体质谱仪，测试精度优于5%，测试方法采用《硅酸盐岩石化学分析方法》(GB/T 14506.30—2010)以及DZG20—184.2.6，部分主量元素的分析测试采用AxiosmaxX射线荧光光谱仪，分析误差小于 2%，测试方法采用《硅酸盐岩石化学分析方法》(GB/T 14506.28—2010)，测试分析结果如表1所示。

4 测试结果及讨论

4.1 古盐度

古盐度是原始沉积物中各种水体盐度变化情况的记载,它是剖析地质历史演化过程中各种沉积物所处的环境性状特点的重要资料。判别古盐度的方法有很多,常见的包括同位素、古生物和微量元素以及地球化学等[23-25]。本次研究采取微量元素含量和比值计算的方法,针对研究区羊虎沟组在沉积过程中的水体古盐度情况进行了分析。

4.1.1 微量元素含量法

Li、Sr、Ni和Ga微量元素对沉积过程中的水体盐度条件非常敏感，能够较好地指示沉积期古盐度，是常用的判别指标。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，指示盐水(海相)沉积环境，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(陆相)沉积环境[26],具体判别指标如表2所示。

表2 古盐度的微量元素判别指标及样品数据统计Table 2 Trace element discrimination index and sample data statistics of paleosalinity

根据样品的分析结果(表1、表2)，样品中Li含量为1.6～165.72 μg/g，平均含量为40.24 μg/g，仅个别值大于90 μg/g，指示淡水-微咸水环境。样品中Sr含量为10.24～466.11 μg/g，平均含量为120.73 μg/g，均小于500 μg/g，指示其为淡水环境。Ni含量为0.54～214.53 μg/g，平均含量为26.05 μg/g，其中32个样品含量小于25 μg/g，7个样品含量为25～40 μg/g，8个样品含量大于40 μg/g，表明多数样品来自淡水环境，少数样品来自盐度较高的水体环境。样品中Ga含量为0.67～38.81 μg/g，平均含量为14.08 μg/g，其中17个样品含量大于17 μg/g，8个样品含量为8～17 μg/g，22个样品航力量小于8 μg/g，表明在沉积过程中以淡水-微咸水环境为主，但也有咸水的注入，多为海陆过渡环境。综上所述,所分析出的泥岩样本主要是淡水-微咸水沉积在盆地内的环境中,偶尔也会有咸水的直接注入。

4.1.2 Sr/Ba比值法

锶钡比值也是判断沉积物在沉积过程中水体盐度的常用测定指标。通常情况下，Ba的溶解性较弱，反应比Sr灵敏，因此，随着水体盐度的增加，Sr/Ba比值增大[23-24,27]。前人研究表明，当Sr/Ba>1时，为咸水(海相)环境，当Sr/Ba<0.6时，为淡水(陆相)环境，当Sr/Ba比值为0.6～1时为微咸水(海陆过渡相)环境[28]。根据对研究区47件样品的统计(表1、表2)，本次样品的Sr/Ba比值为0.06～2.32，平均值为0.60，其中33个样品Sr/Ba<0.6，4个样品Sr/Ba为0.6～1，10个样品Sr/Ba为大于1。

将Sr和Ba数据进行投点(图3)，可更直观显示出绝大多数样品的Sr/Ba值均小于1，部分样品Sr/Ba为0.6～1，仅少数样品处于大于1的咸水环境中，由此推断，研究区羊虎沟组沉积期主要为淡水-微咸水的环境，偶有咸水的注入。古盐度的判别结果进一步互相论证了本次选择的多个测试指标效果较好，结果可信度高。

图3 鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组Sr/Ba散点图Fig.3 Sr/Ba scatter diagram of Yanghugou Formation in western Ordos Basin

4.2 氧化还原条件

U、V、Cr、Co等微量元素对于水体中的氧化还原环境变化响应十分灵敏,古氧相的变化控制着其在水体中的富集程度[29]。U和Th在氧化和还原环境下的溶解度响应不同，且U元素对古氧相的变化反应灵敏，因此，δU和U/Th值可以用来判断沉积环境的古氧相，其中，δU=2U/(Th/3+U)。V、Ni、Cr和Co元素都具有相似的特性，即在氧化状态下容易迁移,还原状态下容易发生沉淀。采用V/(V+Ni)、V/Cr和Ni/Co这3种判别古氧相的指标[30-34]。

对已有样品数据进行分析计算和统计，如表3、表4所示，样品计算的δU值为0.54～1.51，平均0.89，其中9个样品δU>1，表明样品多数来自弱氧化-弱还原环境，少数样品来自还原环境。样品U/Th值为0.12～1.02，平均0.30，说明样品全部来自弱氧化-氧化环境。样品V/(V+Ni)值为0.46～0.91，平均为0.76，其中30个样品值>0.77，表明大多数样品为弱还原-还原环境，少数样品来自氧化环境。样品V/Cr值为0.42～3.45，平均1.62，表明样品全部为弱氧化-氧化环境。样品Ni/Co值为0.75～7.88，平均值2.70，其中有2个样品>7.0，说明样品大多数来自氧化环境。

表3 鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组泥岩样品古氧相分析计算Table 3 Analysis and calculation of paleo oxygen facies of mudstone samples from Yanghugou Formation in western Ordos Basin

表4 氧化还原环境的微量元素判别指标及样品数据统计Table 4 Discrimination index of trace elements in redox environment and sample data statistics

将以上判别指标进行参数交会投点(图4)，其中，图4(a)、图4(b)中大部分样品均位于氧化环境，仅少数样品位于弱氧化环境中，能够更直观地显示出羊虎沟组沉积期主要为弱氧化-氧化环境。而利用V/(V+Ni)比值作为指标进行投点判别，并与其他氧化还原参数做交会图[图4(c)、图4(d)]可以看出，由V/(V+Ni)比值作为判别指标，其结果可能会更偏向还原[35]，因此，在利用上述指标进行判断古氧相对应充分考虑参不同参数的影响，综合判断。

图4 鄂尔多斯盆地羊虎沟组样品氧化还原条件 判别指标图解Fig.4 Diagram of redox condition discrimination index of Yanghugou Formation in Ordos Basin

综合以上所有的分析结果可知,在羊虎沟组沉积阶段,鄂尔多斯盆地西缘地区水体主要表现为弱氧化弱还原-氧化的环境,在其他局部水体比较深处，则出现了还原环境。

4.3 古水深

对于判别古水深的方法可以采用Rb/Zr、Sr/Ba比值等，也可以借助岩性、古生物资料、沉积构造进行综合评估。元素锆(Zr)化学性质稳定，其在自然界中的存在形式主要为锆石等重矿物，且在相对较浅的水域很容易直接沉积[36-37]，而元素铷(Rb)化学性质活泼、不稳定，易迁移，在云母、黏土矿物等的细粒岩土中较为常见，而在水体相对较深的低能量环境更易直接沉积下来，因此判断古水深的变化也常使用Rb/Zr比值作为参数，Rb/Zr值越高，水体越深，水动力条件越弱，其值越低则水体越浅，水动力条件越强。

研究区内羊虎沟组样品Rb/Zr比值分布于0.02～0.73，均值0.35，如表5所示，表明整体水体环境较浅。Sr/Ba 比值除了用于判别古盐度以外，也被广泛地作为对海水深度及其离岸距离的一个重要判断标志[38]。

表5 鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组泥岩样品古水深、古气候分析计算Table 5 Analysis and calculation of paleodepth and paleoclimate of mudstone samples from Yanghugou Formation in western Ordos Basin

由鄂33井和乐1井连续采样的数据投点，如图5所示，结果表明鄂33井Sr/Ba 比值投点处于淡水-半咸水区，且Rb/Zr比值变化表明该井位羊虎沟组沉积期水体变化明显，沉积环境相对剧烈，反映该井位离岸较近的特征。而乐1井的Sr/Ba 比值投点大多处于半咸水-咸水环境，且Rb/Zr比值变化不大，表明该井位羊虎沟组沉积期水体相对稳定，且有水体变深的趋势，反映离岸较远的特征。

图5 鄂33、乐1井古水深判别指标与岩性垂向变化Fig.5 Discrimination index of paleo water depth and vertical variation of lithology in E33 and L1 wells

生存区域的水体深度对水生生物能否生存有着的较大的影响，分析该区域沉积岩的生物遗迹化石以及结构构造等特点，能够准确地反演出沉积岩的古水深。沉积构造是能够准确反映水体深度及动力学的良好地质标志[39]，在浅水沉积区，沉积物易在地表直接暴露，则会存在许多类型的层理构造，如波痕、侵蚀、大型交错层理等，另外细流痕、雨痕、干裂等也是常见的浅层构造；深水—较深水区由于水体能量较弱，韵律发育连续，主要形成微水平层理等。研究区羊虎沟组岩性以灰白色、灰色中细砂岩为主，交错层理发育，常见植物茎干化石及少量生物虫孔，如图6所示，这些沉积学的特点反映了羊虎沟组为氧化-弱还原相互作用的浅水环境。

图6 羊虎沟组沉积构造及古生物标志Fig.6 Sedimentary structure and paleontological indicators of Yanghugou Formation

4.4 古气候

由于古气候的影响，沉积物中的不同元素在特定的环境中得以保存。前人研究表明，Sr/Cu比值对古气候的变化响应灵敏，有较好的指示效果[40]，Sr/Cu<10指示温暖、湿润气候，Sr/Cu>10表示炎热、干燥气候。本次研究的数据结果表明(表5)，Sr/Cu为2.33～95.88，平均值22.31，将样品中的Sr和Cu数据进行投点分析，如图7所示，可更加直观地显示不同地区间地古气候差异，结果表明20个样品Sr/Cu<10，大多位于研究区南部和北部，27个样品Sr/Cu>10，大多位于研究区中部，表明在羊虎沟组沉积时期，研究区呈现中部炎热干燥、南部和北部较温暖湿润的气候特征。

图7 鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组Sr/Cu散点图Fig.7 Sr/Cu scatter diagram of Yanghugou Formation in western Ordos Basin

此外，CaO/(MgO×Al2O3)对气候的变化也是具有一定的指示性作用，可以直接地反映出气温的高低，其值越大，代表的气温就相对越高。本次研究数据分析结果如表3所示，其中研究区北部样品的CaO/(MgO×Al2O3)为0.018～1.171，平均值为0.549；中部样品的值为0.002～8.333，平均值为1.175；南部样品的值为0.007～3.788，平均值为0.502，说明北部和南部气温较低，而中部气温相对较高的特征。

综上分析可知，羊虎沟组沉积时期，研究区处于中部炎热干燥，而北部和南部较温暖湿润的气候中。

5 结论

由羊虎沟组泥岩和粉砂质泥岩样品的微量元素测定结果，综合沉积学标志进行分析，探讨了该区域地层古盐度、氧化还原条件、古水深以及古气候因素的发育特点，得出以下结论。

(1)利用微量元素的含量和比值分析了羊虎沟组沉积时期水体的古盐度，结果表明羊虎沟组水体总体为淡水-微咸水，以淡水环境为主，偶有咸水的注入。

(2)羊虎沟组样品的测试数据结果表明，羊虎沟组沉积期的古氧相主要为弱氧化弱还原-氧化环境，而还原环境可能出现在较深的水体中。

(3)综合元素比值与沉积学标志及生物遗迹化石判断，鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组沉积期以浅水环境为主，与氧化还原分析测试结果一致。

(4)数据分析表明，羊虎沟组沉积时期，研究区处于中部炎热干燥，而北部和南部较温暖湿润的气候中。

(5)综合本次对羊虎沟组沉积古环境研究的结果，表明羊虎沟组沉积期水系丰富，论证了前人对该组沉积相为海陆过渡相的认识，水体深度变化不大，沉积环境相对稳定，具有较好的勘探前景。