鄂尔多斯盆地马家沟组四段、五段储层地球化学特征及成因分析

陆经化，尹先锋，邓淘，郭红光，双建红，李凯，郭长海，刘凯

中国石油测井有限公司长庆分公司，陕西 西安 710201

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩是油气勘探的重要目的层系[1]。自20世纪90年代以来，鄂尔多斯盆地已开展奥陶系碳酸盐岩油气勘探及研究工作。前人在该层系的沉积、储层、构造演化等方面取得了较好的研究成果[2]，认为马家沟组碳酸盐岩储层的储集空间主要为溶孔、洞、缝系统，马家沟组自源型天然气聚集潜力大于环盐洼相区，其优质储层的发育受控于古环境和古岩溶地貌[3-5]。

碳酸盐岩同位素及微量元素地球化学分析是研究古环境和古气候的重要手段[6-8]，能够为恢复古地貌提供定量依据。鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩同位素及微量元素地球化学分析研究程度相对较低，古环境和古气候研究缺少定量数据的约束。为此，笔者开展了鄂尔多斯盆地马家沟组主要含油气层四段(以下简称马四段)和五段(以下简称马五段)碳酸盐岩储层的C、O和Sr同位素及多种微量元素的实验分析，研究其物质来源和古沉积环境，探讨其形成因素。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北地块西部，是典型的克拉通盆地，具有稳定沉降、扭动迁移和多旋回等地质特征[9]。鄂尔多斯盆地经历了早古生代浅海台地和晚古生代近海平原两大沉积旋回，形成了发育稳定的碳酸盐岩沉积。鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩具有较好的油气储集条件，成为鄂尔多斯盆地油气勘探的重要层系，具有较大的勘探潜力[7]。马家沟组主要岩性为白云岩和灰岩等碳酸盐岩，夹杂有膏岩、盐岩，依据旋回特征及岩性组合可分为6个段，其中马四段、马五段为主要含油气层，也是该次研究的主要目的层。

2 样品与数据

样品主要取自于鄂尔多斯盆地东部的奥陶系马家沟组，深度段为2500～2950.2m，岩性为无色石盐、含膏盐岩、膏质白云岩、白云质膏岩和膏盐层等(见图1)。马家沟组岩性从下到上依次为：盐岩、膏盐岩、石膏层、白云岩、灰岩，表现出海平面变深的特征，总体上为一个退积的层序。

注：(a)Y143井，马五段5亚段，无色石盐，略带灰黑或浅锈红，岩心呈长柱状，透明或半透明；(b)Y143井，马五段7亚段，灰色膏质白云岩，细粉晶结构，瓷状断口；(c)Y143井，马五段9亚段，深灰色含膏盐岩，岩心呈柱状；(d)Y214井，马五段5亚段，灰黑色灰质泥岩，灰质条带与泥岩互层，可见水平层理；(e)Y214井，马五段6亚段，无色石盐，具粗粒结晶结构，层状构造层，玻璃光泽；(f)Y291井，马五段4亚段，白色盐岩，中粗结晶结构，自形至半自形晶体，玻璃光泽，质纯；(g)Y291井，马五段5亚段，深灰色灰岩，泥晶-细粉晶结构，瓷状断口；(h)Y291井，马五段10亚段，灰色石膏层，含少量泥质，吸水性强，遇水易分散；(i)S231井，马五段6亚段，灰绿色泥岩，可见盐团块和黄铁矿不均匀富集，质纯。

3 地球化学特征

3.1 C、O同位素地球化学特征

碳酸盐岩原始的O同位素组成受沉积水体的温度和盐度影响，可以在成岩作用中与大气淡水发生同位素交换作用，也可以在埋藏过程中与热水发生同位素交换作用，上述两种作用都将使δ18O明显降低。研究区马四段、马五段C、O同位素实验数据(见表1)显示，样品中δ13C范围在-3.37‰～1.17‰，δ18O范围在-11.43‰～-5.02‰。样品中δ18O严重负偏或过小，表明其同位素组成在埋藏期间受成岩作用影响，同位素数据原始性较差。当样品中的δ18O<-5‰时，说明O同位素已发生一定程度的改变；当δ18O<-10‰时，说明O同位素经历了较为强烈的成岩改造作用。研究区马四段、马五段多数样品的δ18O在-10‰～-5‰之间，说明O同位素已发生一定程度的改变；样品中δ13C均在-5‰～5‰之间，变差相对较小，为正常海相碳酸盐岩的C同位素范围。

表1 研究区马四段、马五段C、O同位素数据

3.2 Sr同位素地球化学特征

海洋中Sr同位素有3个来源：壳源硅铝质岩石的风化产物、幔源镁铁质岩石风化和海底风化产物、碳酸盐岩的重溶作用[10]。上述3种物质的87Sr/86Sr分别为0.7200±0.005、0.7040±0.002和0.7080±0.001。三者之中，幔源物质通常以火山喷发的形式进入海水，当大量海底玄武岩喷发时，会引起海水87Sr/86Sr急剧降低。研究区马四段、马五段的Sr同位素实验数据(见表2)显示，87Sr/86Sr范围为0.7044～0.7128，平均值为0.7092。在鄂尔多斯盆地马家沟组原始的碳酸盐岩地层沉积后，由于经历后期风化淋滤、古岩溶作用以及流体化学的差异改造，古陆地流体中的富87Sr对碳酸盐岩及其填充物发生化学反应后，87Sr/86Sr大幅度提高。研究区所选样品中的灰岩、白云岩、膏岩等的87Sr/86Sr均明显高于同沉积期海水的87Sr/86Sr，可能是受到基底铝硅酸盐及其上硅质碎屑岩的影响。

表2 研究区马四段、马五段Sr同位素数据表

3.3 碳酸盐岩微量元素地球化学特征

研究区马四段、马五段碳酸盐岩的微量元素分析结果(见表3)显示，Li、V、Sr、Zr、Ba、Rb元素丰度较高，Be、Ga、Cs、Hf、Pb、U元素丰度较低，其中Sr含量为(10.80～872.00)×10-6，Ba含量为(1.12～78.50)×10-6。

表3 研究区马四段、马五段微量元素分析结果

研究区马四段、马五段稀土元素分配模式(见图2)显示，泥晶灰岩、泥质白云岩、泥膏岩、泥质云岩等岩性稀土元素含量最高，膏质白云岩和深灰色白云岩稀土元素含量居中，石盐稀土元素含量最低。样品中轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)相对富集；重稀土元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)相对平坦，含量较稳定，Ce具有微弱正异常。

图2 研究区马四段、马五段碳酸盐岩稀土元素分配图

4 碳酸盐岩的成因分析

4.1 碳酸盐岩的物质来源

淡水碳酸盐岩的δ13C为-15‰～-5‰，海相(咸水)碳酸盐岩的δ13C为-5‰～5‰[11]。研究区马四段、马五段碳酸盐岩样品的δ13C在-3.37‰～1.17‰之间，为典型的咸化海相碳酸盐岩沉积。研究区马四段、马五段样品中Sr/Ba均大于1，分布范围为5.40～21.69，表明研究区在奥陶纪均为典型的海相沉积环境。马四段至马五段样品Sr/Ba逐渐减小，可解释为陆源距离缩短，表明马五段沉积期存在海退环境，研究区与陆源距离缩短，水体变浅。综上所述，研究区马家沟组来源于典型的咸化海相沉积，马五段沉积环境相较于马四段沉积环境水体变浅(见图3)。

注：TST为海进体系域；HST为高水位体系域。

4.2 碳酸盐岩的沉积环境

4.2.1 古气候分析

研究区马四段、马五段样品中，Sr/Cu范围在1.47～237.60之间，平均值78.90，70%以上大于10，表明研究区在马四段、马五段沉积期的气候环境为干旱炎热。部分Sr/Cu小于10，Cu含量较高，可解释为间歇性的富含Cu元素的深部卤水补给，导致干旱炎热气候条件下沉积的石盐Sr/Cu偏低。

4.2.2 氧化还原性分析

V/(V+Ni)是氧化还原性沉积环境的重要指标[12-14]。海水中，V、Ni主要被胶体质点或黏土矿物等吸附沉淀，由浅海区到深海或由海水能量强的海域到海水能量较低的滞流海域，海水的氧化度、酸度降低，还原性、碱度增加，沉积物中Ni的富集程度明显增加。在缺氧环境中，V/(V+Ni)在0.7～0.8之间；在贫氧环境中，V/(V+Ni)在0.45～0.70之间。研究区马四段V/(V+Ni)平均值为0.75，其沉积时期为缺氧气候环境；马五段V/(V+Ni)平均值为0.64，其沉积时期为贫氧气候环境。

4.2.3 沉积环境分析

研究区马四段、马五段沉积微相图显示，马四段沉积期发生大规模海侵事件[15]，研究区基本被海水覆盖形成开阔海相沉积，北部发育局限海(见图4(a))；马五段沉积期发生大规模海退事件[16]，古气候干热，盆地基底抬升，海平面下降，形成膏盐湖、含膏云坪、云灰坪、局限海等具有海退环境的沉积相带(见图4(b))。结合样品中的地球化学数据验证，表明研究区奥陶系马家沟组由老至新具有水体变浅的沉积特征。

图4 研究区马四段、马五段沉积相分布图(据文献[2]，有修改)

5 结论

1)研究区马四段、马五段储层的δ13C范围在-3.37‰～1.17‰，δ18O范围在-11.43‰～-5.02‰，储层在埋藏期间受到了成岩作用影响。

2)研究区马四段、马五段的87Sr/86Sr范围为0.7044～0.7128，平均值为0.7092。在鄂尔多斯盆地奥陶系原始的碳酸盐岩地层沉积后，由于经历后期风化淋滤、古岩溶作用以及流体化学的差异改造，古陆地流体中的富87Sr对碳酸盐岩及其填充物发生化学反应后，87Sr/86Sr大幅度提高。

3)研究区马四段、马五段碳酸盐岩来源于典型的咸化海相沉积，气候炎热干旱，马五段沉积环境相较于马四段沉积环境水体变浅。