武威盆地土墩凹陷石炭系古沉积环境分析

杨鸿远，马宇超，孙 勃，刘洪军，2

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安 710065）

引言

河西走廊盆地群是中国陆上第二大盆地群，盆地展布范围大、且具有极高的勘探潜力，可作为油气勘探战略地区。其中武威盆地是河西走廊盆地群中石炭系层段中重要的盆地之一，盆地延伸分布于甘肃、内蒙古以及宁夏地区，面积约为2.75×104km2。本次研究就是以MAZD1 井上石炭统羊虎沟组与靖远组中所取得的28 块泥页岩样品为依托，对其、微量元素进行分析，并在实验数据的基础上对石炭系形成时古沉积环境进行研究，总结其地化元素特性，为之后的勘探研究工作给出石油地球化学根据，并为后期该区的油气勘探工作提供参考。

1 区域地质背景

武威盆地以阿拉善盟苏海图为地理中心，西北的雅布赖山、西南的祁连山、东部由阴山余脉和贺兰山将其环抱。武威盆地隶属阿拉善板块，在早石炭世初，由于海侵作用，在盆地的南部形成了滨浅海相、潮坪-泻湖相沉积。武威盆地以隆坳相间为构造特征, 前人将武威盆地划分为“两坳夹一隆”[1]，两坳即是南部坳陷、北部坳陷，一隆为中部隆起[2]。其中南部凹陷中土墩凹陷则是本次主要研究对象MAZD1 井所在地。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集分析

武威盆地土墩凹陷的MAZD1 井从上至下钻遇了新近系、白垩系、以及石炭系的羊虎沟组和靖远组（未穿）地层，井深1 500 m，本次取芯深度主要在370～1 450 m 之间的井段，主要涉及羊虎沟组以及靖远组部分地层，共取28 块样品，其中前20 个样品取自羊虎沟组，后8 个样品取自靖远组，均为黑色泥页岩。羊虎沟组黑色泥页岩共厚43.89 m，靖远组暗色泥页岩总计厚26.39 m（见图1）。该样品分布广泛，基本可代表石炭系主要地层特征。

图1 MAZD1 井地球化学综合剖面图

为研究沉积古环境与有机质赋存之间的关系，对所取样品进行了有机碳TOC 及热解实验。MAZD1 井上石炭统羊虎沟组共取暗色泥（页）岩20 块，其有机碳丰度在0.02%～5.84%，均值为2.32%，其样品有机碳含量均大于0.6%，仅从有机碳含量这一指标来看，羊虎沟组的烃源岩达到了“中等”甚至是“优质”烃源岩的标准。上石炭统羊虎沟组与下石炭统靖远组有机碳平均含量分别为2.32%、2.4%，但其Pg（S1+S2）平均值分别为0.26 mg/g 和0.19 mg/g，依据生烃潜力这一参数，羊虎沟组与靖远组烃源岩品质较差，这一原因可能是有机质演化程度较高所致。

2.2 地球化学特征

2.2.1 主量元素特征

岩石主量元素主要为SiO2、MgO、Al2O3。靖远组SiO2含量介于7%～58.6%之间，平均为38.88%，低于上地壳平均值。羊虎沟组SiO2含量介于3%～66%之间，平均含量为42.84%，与UCC[3]相比较低。两个层位MgO 的含量介于0.84%～2.08%之间，与UCC 相比依然较低。靖远组Al2O3的含量介于2.5%～34.5%之间，平均含量20.85%，高于UCC，羊虎沟组Al2O3含量介于8.1%～44.4%之间，平均约22.46%，超过UCC 标准。

2.2.2 微量元素特征

微 量 元 素 测 试 了Rb、Cs、Sr、Ba、Ca、Cu、V、Co、Ni、Zr、Nb、Ta、Pb 等元素，以上地壳页岩元素丰度(UCC)[3]作为标准值，利用样品值/标准值计算富集指数，富集指数＞1 指示该元素相对于UCC 富集, 反之则亏损[4]。测试分析结果显示，V、Co 十分富集，Sr 和Ni 元素亏损，Rb、Ba、V、Pb、Cu 元素丰度分布离散。

3 讨论

3.1 古水体氧化还原性

古水体氧化还原性可以直接通过岩心样品进行简单直观判别。暗色泥岩(深灰色、灰黑色)代表沉积时处于还原环境，红色、紫色此类氧化色泥岩代表沉积时为氧化环境。本次MAZD1 井所取得28 个岩心样品均为黑色泥岩，初步判断沉积时应为还原环境。此外，也可通过岩石中所含的特征微量元素的比值进行判定，V、Ni 同属铁族元素，V 在氧化环境中易迁移 而在还原环境中易沉淀，Ni 在氧化及还原环境中均较稳定。本研究采用V/(V+Ni)的比值对其进行判定。元素V/(V+Ni)值>0.84 指示厌氧环境，水体出现分层；比值在0.6～0.84区间内代表水体为较弱的厌氧环境；比值在0.46～0.60 区间内指示水体为贫氧环境[5]。实验数据显示，靖远组该值介于0.9～1 之间，平均约为0.99>0.84,指示较强的厌氧环境（见图2）；羊虎沟组V/(V+Ni)的值介于0.95～1 之间，平均约为0.99>0.84，同样指示厌氧环境。

图2 MAZD1 井石炭系样品V/(V+Ni)散点图

3.2 古水体深度

由于黏土对Rb 元素和K 元素的吸附性的差异，使得岩石中Rb/K 的值具有一定的元素地球化学含义。黏土对Rb 元素和K 元素的差异性吸附能力使得Rb 元素更易迁移，所以判断水深的变化可依据Rb/K值来进行，此值越大，揭示水体越深。根据数据显示（见图3），无论是靖远组还是羊虎沟组，水体深度都较浅。

图3 MAZD1 井石炭系样品Rb/K 散点图

3.3 沉积古环境与烃源岩的关系

本研究尝试建立了个样品点TOC 含量与沉积环境之间的关系。发现指示古环境为温暖湿润环境的Sr/Cu、SiO2/Al2O3比值与羊虎沟组TOC 含量成正相关关系；指示靖远组，羊虎沟组形成时处于较强的厌氧环境的V/ (V+Ni) 与TOC 含量成正比关系（见图4）。且MAZD1 井上石炭统羊虎沟组共有暗色泥（页）岩20 块，其有机碳含量在0.02%～5.84%，均值为2.321 8 %，其样品有机碳含量均大于0.6%，仅从有机碳丰度这一参数来看，羊虎沟组的烃源岩达到了“中等”甚至是“优质”烃源岩的标准。由此看来，无论是当时的水体环境，或是古气候都有利于烃源岩的形成。

图4 SiO2/Al2O3(a)及V/(V+Ni)(b)与TOC 相关图

4 结论

通过对武威盆地土墩凹陷MAZD1 井石炭系地层泥页岩共28 个样品的主量元素、微量元素进行分析讨论，研究其元素地球化学意义，得出结论：

（1） 主量元素中SiO2、MgO 亏损，Al2O3含量高于UCC 标准，相对富集，微量元素测试了Rb、Cs、Sr、Ba、Ca、Cu 等元素，以上地壳页岩元素丰度(UCC)作为标准值，指示V、Co 十分富集，Sr 和Ni 元素亏损，Rb、Ba、V、Pb、Cu 元素分度分布离散。

（2） V/(V+Ni)比值证实其沉积水体为厌氧环境。

（3） 靖远组、羊虎沟组两套地层由于气候温暖湿润、蒸发量相对较少，水体咸度较低，为微咸水环境。在此背景下，沉积发育了较好的泥页岩，并被很好的保存下来。

（4） 参考本区所取样品TOC 含量与各特征元素比值之间的关系，显示当时的气候以及水体环境都有利于有机质的沉积与赋存，可促使这些泥页岩发育为有潜力的烃源岩，成为生油层。