鄂尔多斯盆地中东部延安组古环境恢复

范萌萌,卜 军,袁 珍,张卫国

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054;2.陕西省煤炭绿色开采地质保障重点实验室,陕西 西安 710054;3.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院/低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710021;4.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065)

0 引 言

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地,位于华北克拉通中西部,属华北克拉通的次一级构造单元,面积为25×104km2,根据演化历史和现今构造可划分为伊盟隆起、渭北隆起、西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡和晋西挠褶带六个一级构造单元,是一个古生代地台及台缘坳陷与中新生代台内坳陷叠合的大型多旋回克拉通盆地(图1)[1,12-13]。

延长组沉积末期,受印支运动的影响,鄂尔多斯盆地不均匀抬升,延长组顶部遭受强烈剥蚀而形成了沟壑纵横的侵蚀古地貌,盆内缺失早侏罗世早期沉积[14-15],而后沉积的富县组和延10段对古地貌进行填平补齐,最终形成以河流-三角洲-浅湖为主的沉积体系,发育一套以煤系、中-细碎屑岩为主的延安组沉积地层[16-17]。根据沉积序列和岩性标志层等,延安组可以划分为4段10个油层组。延10段仍以填平补齐作用为主,发育河流沉积体系,底部以宝塔砂岩为标志层,延9-延6段发育河湖三角洲沉积体系,延4+5之后盆地逐渐抬升,盆地发育进入萎缩阶段(图1)。

沉积岩中微量元素的分布、分配和迁移与沉积岩形成环境密切相关,由于部分元素性质稳定,赋存状态受后续成岩作用影响较小[9]。

在鄂尔多斯盆地中东部地区钻井岩芯中采集样品27件,钻井分布覆盖研究区全区(图1),样品均为新鲜泥质岩,岩性包括泥岩、页岩和粉砂质泥岩,来自于延10-延8油层组(表1),对泥质岩样品进行主量元素和微量元素等分析测试。

表1 鄂尔多斯盆地中东部地区泥质岩样品岩性、层位、相当硼及古盐度数据

2 古盐度

2.1 相当硼元素法

硼在海水中以硼酸及其离解产物的形式存在,且硼含量与海水盐度呈正相关的线性关系。当黏土矿物处于含硼溶液之中时,元素硼会附着在黏土矿物的片状晶体边缘,后续新的黏土物质在外围继续生长,加之元素硼本身的扩散作用,使得元素硼可以进入黏土矿物晶格并稳定存在。黏土矿物对硼的吸收量取决于溶液的含硼量,黏土矿物的含硼量可以反映沉积水体的古盐度特征。

沃克(Walker)利用校正硼和相当硼含量来判断古盐度的方法[6],校正硼是指纯伊利石的含硼量,由于伊利石中K2O的平均含量是8.5%

(1)

式中 相当硼是指相当于伊利石中K2O含量5%时的含硼量,根据K2O和校正硼的含量值在相当硼散射曲线图中读出相当硼的含量值,也可根据以下公式计算[18]

(2)

研究认为相当硼含量小于200×10-6时,指示淡水环境,相当硼含量为200×10-6～300×10-6时,指示半咸水环境,相当硼含量为300×10-6～400×10-6时,指示正常海水环境,相当硼含量大于400×10-6时,指示过咸或超咸水环境[11]。盆地中东部地区泥质岩样品的相当硼含量为59.74×10-6～134.17×10-6,平均88.63×10-6,指示延安组沉积时期整体为淡水沉积环境。

样品中除了伊利石之外,还含有高岭石和伊蒙混层等黏土矿物,考虑到不同黏土矿物对硼的吸收能力不同,可以换算出单一黏土矿物的相当硼含量,据此,科奇(Couch)提出了古盐度的计算公式[6],根据科奇公式

logBk=1.28logSp+0.11

(3)

Bk=B/(4Xi+2Xm+Xk)

(4)

从古盐度的角度换算可得

Sp=10(logBk-0.11)/1.28

(5)

式中Sp为古盐度;Bk为高岭石的含硼量;B为样品的含硼量;Xi为样品中伊利石的含量;Xm为样品中蒙脱石的含量;Xk为样品中高岭石的含量。根据科奇公式计算出泥质岩样品的古盐度为4.79‰～9.75‰,平均7.61‰。

通过相关微量元素和相当硼的分析以及科奇公式的计算(表1),盆地中东部地区延安组沉积时期,水体介质为淡水-半咸水,平均古盐度7.61‰。

2.2 元素含量与比值分析

泥岩中的微量元素含量及相关元素比值可以反映沉积环境,区分海相沉积和陆相沉积,从而判断沉积环境的古盐度。

锶和钡的化学性质类似,但钡的化合物溶解度要相对低一些,大量钡元素在近岸地区沉积而无法进入深海,而锶的迁移能力要强得多,更容易进入深海沉积,因而淡水中锶含量为100×10-6～500×10-6,半咸水中锶含量为500×10-6～800×10-6,咸水中锶含量为800×10-6～1 000×10-6。Sr/Ba值也常用来区分淡水和咸水,Sr/Ba<0.5指示淡水环境,Sr/Ba为0.5～1指示半咸水环境,Sr/Ba>1指示咸水环境[8]。

硼和镓的化学性质有较大差异,硼不稳定,活动性强,可以在水中长距离迁移,容易进入深海,而镓较稳定,活动性差,在水中的迁移能力也差,镓在淡水泥岩中的含量比在海相泥岩中要高很多。淡水中硼含量小于100×10-6,咸水中硼含量大于100×10-6;淡水中镓含量大于17×10-6,半咸水中镓含量为8×10-6～17×10-6,咸水中镓含量小于8×10-6。B/Ga值也可以用来判断水体古盐度,B/Ga<3指示淡水环境,B/Ga为3～4.5指示半咸水环境,B/Ga>4.5指示咸水环境。

K2O主要与泥岩中的黏土矿物含量有关,而Rb容易被黏土矿物吸附,且水体盐度越高,吸附能力越强,因此Rb/K2O值与沉积水体盐度成正比,当Rb/K2O<4时,指示淡水环境,当Rb/K2O为4～6时,指示半咸水环境,当Rb/K2O>6时,指示咸水环境,需要注意的是,计算时要注意Rb与K2O含量值的数量级不同。

Th/U值也可以用来判断沉积水体古盐度,当Th/U>7时,指示淡水环境,当Th/U为2～7时,指示半咸水环境,当Th/U<2时,指示咸水环境。此外,锂、镍等元素在泥岩中的丰度也可以判断古盐度。淡水中锂含量小于90×10-6,半咸水中锂含量90×10-6～150×10-6,咸水中锂含量大于150×10-6;淡水中镍含量20×10-6～25×10-6,半咸水中镍含量25×10-6～40×10-6,咸水中镍含量大于40×10-6。

根据测试结果,泥质岩样品中锶含量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;镓含量13.79×10-6～32.21×10-6,平均26.18×10-6;锂含量25.00×10-6～ 108.37×10-6,平均60.79×10-6;镍含量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。根据古盐度的微量元素判别指标(表2,图2),绝大多数泥质岩样品数据指示淡水环境,个别样品数据进入半咸水范畴,整体指示陆相淡水-半咸水沉积环境。没有外来注入咸水的强烈干扰时,通过降水、蒸发等气候条件,水体盐度可以被调节,因此,古盐度在一定程度上也能反映古气候条件[19],盆地中东部地区延安组的淡水-半咸水沉积环境反映了湿润-半湿润的气候条件。

表2 古盐度的微量元素判别指标及延安组泥岩测试数据

图2 鄂尔多斯盆地中东部地区延安组古盐度分析判别Fig.2 Analysis and discrimination of ancient salinity in Yan’an Formationin the central and eastern part of Ordos Basin

3 氧化还原条件

3.1 微量元素含量及比值法

铀、钒、铬、钴等元素对氧化还原条件反应敏感,它们均在富氧氧化条件下溶解,在缺氧还原条件下富集,在缺氧硫化环境中极度富集,而且几乎不受后期成岩作用的影响,而钍等元素则对氧化还原条件不敏感[11,20]。镍、铜、锌等元素在缺氧还原条件下常以硫化物的形式沉淀,而在氧化条件下常呈溶解状态[11]。因此,Ni/Co、V/Cr、V/(V+Ni)、U/Th、δU等可以反映沉积环境的氧化还原条件。经前人研究认为,Ni/Co>7时,指示缺氧环境,Ni/Co在5～7时,指示贫氧环境[9,21],Ni/Co<5时,指示富氧环境。V/Cr>4.25时,指示缺氧环境,V/Cr在2～4.25时,指示贫氧环境,V/Cr<2时,指示富氧环境[7]。V/(V+Ni)>0.84时,指示水体分层强且底部出现H2S的厌氧强还原环境,V/(V+Ni)在0.60～0.84时,指示水体分层不强的贫氧环境,V/(V+Ni)<0.60时,指示水体分层弱的环境[7,22]。U/Th>1.25时,指示缺氧环境,U/Th在0.75～1.25时,指示贫氧环境,U/Th<0.75时,指示富氧环境。δU=2U/(Th/3+U),δU大于1时,指示缺氧还原环境,δU小于1时,指示弱还原-氧化环境[23]。Cu/Zn<0.21时,指示还原环境,Cu/Zn在0.21～0.35时,指示弱还原环境,Cu/Zn在0.35～0.5时,指示弱还原-氧化环境。

铁元素在不同的氧化还原条件下可以形成不同价态的含铁矿物,在氧化条件下,铁元素以Fe3+的状态存在,形成赤铁矿、褐铁矿等矿物,在还原条件下则以Fe2+的状态存在,形成黄铁矿等矿物,在过渡条件下则同时存在Fe3+和Fe2+,形成绿泥石、菱铁矿等矿物。因此,可以根据Fe2+/Fe3+值可以判断古环境的氧化还原条件,当Fe2+/Fe3+≫1时,指示还原环境,当Fe2+/Fe3+>1时,指示弱还原环境,当Fe2+/Fe3+=1时,指示中性环境,当Fe2+/Fe3+<1时,指示弱氧化环境,当Fe2+/Fe3+≪1时,指示氧化环境。需要注意的是,在后期成岩和成煤的过程中,生成的还原性物质会使Fe3+还原成Fe2+,从而改变Fe2+/Fe3+比值[11],因此,根据Fe2+/Fe3+判断氧化还原条件会有一定误差。

根据测试及计算结果,泥质岩样品中Fe2+/Fe3+为0.26～3.66,平均1.70;Ni/Co为0.07～3.00,平均1.70;V/Cr为0.94～2.94,平均1.40;V/(V+Ni)为0.68～0.88,平均0.76;U/Th为0.14～0.35,平均0.22;δU为0.60～0.97,平均0.81;Cu/Zn为0.15～1.89,平均0.47。根据氧化还原环境的微量元素判别指标(表3,图3),多数泥质岩样品数据指示弱还原-氧化环境,个别样品数据指示还原环境,说明延安组沉积环境以弱还原-氧化条件为主,局部水体较深可出现缺氧还原情况。

表3 氧化还原环境的微量元素判别指标及延安组泥岩测试数据

图3 鄂尔多斯盆地中东部地区延安组古氧化还原条件Fig.3 Ancient redox conditions in Yan’an Formation in the central and eastern part of Ordos Basin

3.2 稀土元素判别法

稀土元素一般都以三价状态存在,在氧化条件下,Ce3+会变价成难以溶解的Ce4+,从而脱离REE3+,形成所谓的负铈异常,反之,Ce3+就会相对富集。因此,沉积岩中的铈异常情况可以反映沉积水体的氧化还原条件。镧与相邻的钕和铈的相关变化称为铈异常,用Ceanom表示[9-11]如下。

Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]

式中N为该元素含量值是经过北美页岩标准化后的数值。若Ceanom大于0,表示铈富集,指示缺氧还原环境,若Ceanom小于0,表示铈亏损,指示富氧氧化环境。

Ce/La值也可以反映氧化还原条件,Ce/La>2时,指示缺氧环境,Ce/La在1.5～2时,指示贫氧环境,Ce/La<1.5时,指示富氧环境[9-11]。

根据测试及计算结果(表3),泥质岩样品中Ceanom为-0.15～0,平均-0.04;Ce/La值为1.49～2.04,平均1.95,指示弱还原-氧化环境,局部有还原情况出现,与前文微量元素比值判别结果一致。盆地中东部地区延安组沉积于河流-三角洲-浅湖沉积体系,水体不深,与弱还原-氧化条件相匹配。

4 古水深

不同水体深度下,形成的沉积岩类型、沉积构造和矿物组合等会有明显的不同,根据这些特征可以反推水体深度。一般来说,若水体较浅,则形成的碎屑岩粒度较粗,颜色较浅,可见多种层理构造,植物和动物化石较丰富;若水体较深,则形成的碎屑岩粒度较细,或形成浊积岩,颜色较深,泥页岩中可见水平层理,浊积岩中可见鲍马序列、槽模等构造,生物化石较少,含有黄铁矿等代表还原条件的矿物[23](表4)。盆地中东部地区延安组的岩石组合常见浅灰色含砾砂岩-细砂岩夹灰色泥页岩,或灰色砂泥薄互层,发育交错层理、平行层理等多种层理构造,泥岩中生物化石较丰富,植物碎片常见。根据沉积特征,可以推断出盆地中东部地区延安组沉积时,古水深一般约为0.5～15 m,最大值约20 m。与该地区延安组的河流-三角洲-浅湖沉积体系相符合。

表4 鄂尔多斯盆地中东部地区延安组沉积岩特征与对应古水深

5 古水温

利用锶含量、氧同位素、有孔虫Mg/Ca等方法可以计算古水温。在干旱炎热气候条件下,Sr元素在水体中浓缩沉淀,会使沉积物中锶含量升高,前人学者经过大量的试验,归纳出计算沉积时古水温的经验公式,该方法数据处理和计算都较简便,结果也较可靠[24]

T=(2 578-Sr)/80.8

式中Sr为质量分数,%;T为古水温,℃。经计算,泥质岩样品反映的古水温为29.5～31.0 ℃,平均30.2 ℃,属于非常温暖的气候情况,有利于植物的繁荣生长。

6 古气候

6.1 元素含量与比值

喜干型元素锶和喜湿型元素铜的比值对古气候的变化有灵敏的指示作用,Sr/Cu小于10指示温暖湿润气候,大于10表示干燥炎热气候[6,24]。根据测试及计算结果,泥质岩样品中Sr/Cu为1.09～14.36,平均4.61;说明延安组沉积时期,盆地中东部地区整体呈现温暖湿润的气候特征。由前文叙述已知,水体中锶的含量值随盐度的增大而增大,因此古盐度和古气候干旱程度的变化趋势是一致的。

碎屑岩中自生碳酸钙的含量受气候影响明显,三角洲-湖泊沉积物中的碳酸钙矿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,白云石主要是碎屑来源,方解石则同时有碎屑沉积和自生沉淀两种成因,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)反映自生碳酸钙的含量,从而反映气候情况。CaO/(MgO×Al2O3)值越大,说明气候相对越温暖,值越小说明气候相对越寒冷[8]。

Mg/Ca、Rb/Sr、FeO/MnO、Al2O3/MgO对古气候的反映也很灵敏,这些比值高时反映湿润气候,比值低时表示干旱气候[26-27]。Sr/Ba则相反,该比值高时反映干旱气候,比值低时反映湿润气候。

根据分析测试结果,泥质岩样品中CaO/(MgO×Al2O3)值为0.006～0.025,平均0.015,Mg/Ca值为0.39～7.00,平均3.43,Rb/Sr值为0.56～2.37,平均1.19,FeO/MnO值为28.03～101.08,平均58.07,Al2O3/MgO值为8.56～77.18,平均29.23,Sr/Ba值为0.1～0.73,平均0.27。鄂尔多斯盆地北部直罗组泥岩样品测试数据显示[10-11],Mg/Ca平均值为2.22,Rb/Sr平均值为0.37,FeO/MnO平均值为34.34,Al2O3/MgO平均值为8.22,均低于延安组数据,而Sr/Ba平均值为0.53,高于延安组数据,说明延安期气候相对湿润,而之后的直罗期气候逐渐干旱,直罗组上段Sr/Cu值平均12.79,CaO/(MgO×Al2O3)平均值为0.025,均高于延安组,说明气候已从延安期的温暖湿润演变成了直罗晚期的干燥炎热。

6.2 化学蚀变指数

在化学风化作用中,不同元素的迁移能力不同,钠、钾、钙等较易迁移,铝则相对稳定。地表岩石在遭遇化学风化时,钠、钾、钙等元素会优先从矿物中析出,并形成新的含铝风化产物,导致Al2O3与Na2O、K2O、CaO比值的变化,因此可以用化学蚀变指数CIA来标定化学风化作用的程度,进而指示气候的温湿度[9,10,28-30]。

CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100%

式中 各分子含量均采用摩尔分数,CaO*为CaO的校正值,指硅酸盐矿物中CaO的含量,计算公式为[9,10,28-30]

若校正后的CaO*摩尔分数小于Na2O,则CaO*采用计算后的CaO*摩尔分数,若CaO*摩尔分数大于Na2O,则CaO*采用Na2O摩尔分数。

通常情况下,CIA值在50～100,当CIA在50～70之间时,代表轻度化学风化,指示干燥气候下的沉积产物,当CIA在70～80时,代表中等强度的化学风化,指示温暖湿润气候下的沉积产物;当CIA在80～100时,代表强烈的化学风化,指示炎热潮湿气候下的沉积产物[29]。

泥质岩样品CIA值在77.7～95.4,平均85.1,说明延安期物源区母岩经历了中等-强烈的化学风化,指示温暖湿润-炎热潮湿的气候。

6.3 沉积与古植物标志

鄂尔多斯盆地中东部地区延安组为浅灰色含砾砂岩、细砂岩,夹灰色粉砂岩、泥质粉砂岩和泥页岩,或者砂泥岩薄互层,发育煤层或煤线。延10油层组岩石粒度较粗,呈浅灰色-灰色,可见块状层理、板状和槽状交错层理、水平层理等,砂砾岩底部常见冲刷面构造,代表弱还原弱氧化条件下的河流沉积环境。延9-延8油层组沉积旋回较明显,粒度较延10变细,钻井岩芯整体呈浅灰色-灰色,可见平行层理、水平层理、槽状交错层理等,泥岩中含植物碎片,并发育煤线或煤层,代表弱还原弱氧化条件下的温暖湿润的浅湖-三角洲沉积环境。

鄂尔多斯盆地中东部地区侏罗系延安组的地层中,普遍发育煤层,说明当时是适合植物生长的温暖潮湿气候。构成当时森林主体的植物首先是季节性落叶植物银杏和茨康类,其次是适宜温湿气候的真蕨类和适宜温凉气候的松科属种,在孢粉化石中发现大量的指示温湿气候的蕨类桫椤科孢子、银杏苏铁类和松类花粉等,产自盆地西部灵武地区的木化石中可见到明显的年轮[11,31-33],说明延安期鄂尔多斯盆地整体处于温暖潮湿的气候中,有较明显的季节性气候变化。富县期盆地内发现适宜热带气候的马通蕨科和双扇蕨科等属种,并发现指示干旱气候的Classopollis含量在孢粉组合中占比较高,说明富县期盆地内气候炎热且较干旱[33]。在延安期之后的直罗期,植物以苏铁纲为主,比例较延安组大大增加,其次有双扇蕨科和桫椤科植物,孢粉化石中Classopollis含量明显高于延安组[33],说明直罗期盆地内气候炎热干旱。从早侏罗世晚期(富县组)到中侏罗世早期(延安组),再到中侏罗世晚期(直罗组),鄂尔多斯盆地内的气候经历了炎热半干旱半湿润—温暖湿润—炎热半干旱半湿润的变化过程。

鄂尔多斯盆地中东部地区侏罗系延安组沉积时期,气候已由干旱炎热转为温暖湿润,雨量充沛,生物繁茂,特别是造煤植物繁盛,水体较浅,形成大量浅湖-三角洲背景下的沼泽沉积,使延安组碳质泥岩和煤层大量发育且分布广泛,形成了鄂尔多斯盆地侏罗系重要的含煤岩系,另外,在盆地中东部地区以及陇东等邻区,碳质泥岩与其它泥页岩等,一起构成了侏罗系油藏的有利盖层。

7 结 论

1)泥质岩测试结果及通过科奇公式计算出古盐度,说明延安期水体为淡水-半咸水环境。

2)泥质岩测试结果指示延安期的沉积环境多为贫氧-富氧环境,反映弱还原弱氧化-氧化的沉积条件,局部水体较深处可出现还原条件。

3)鄂尔多斯盆地中东部地区延安期的古水温指示温暖气候。从早侏罗世富县期到中侏罗世延安期,再到中侏罗世直罗期,鄂尔多斯盆地内的气候经历了炎热半干旱半湿润-温暖湿润-炎热半干旱半湿润的变化过程。