鄂爾多斯盆地西南緣二疊系山西組山1段—下石盒子組盒8段物源分析

梁飛，黃文輝，牛君

1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083 2.中國地質大學(北京)海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083 3.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區石油學院，新疆克拉瑪依 834000

0 引言

鄂爾多斯盆地具有多旋回期次，多沉積類型，多構造體系的特點[1- 3]，是中國陸上第二大沉積盆地。本次研究的目的層段為上古生界二疊系山1段、盒8段。前人研究表明該兩個層段為連續沉積的整合接觸，盒8段下部為一套泥質含量較少且顆粒較粗的砂巖，且通常多個單層砂體疊加，與下伏的山1段上部的泥巖呈突變接觸，導致在自然伽馬測井曲線上從山1段到盒8段顯示出一個較為明顯的突變面[4]。二疊紀晚期，由于大面積的海退，盆地內沉積體系由海相轉變為陸相以及海陸過渡相，盆地北部形成隆起區，剝蝕作用變強，為盆地內提供充足的碎屑物質來源[5]，前人的研究資料多集中在盆地北部與東南部，大多數學者認為盆地上古生界受多物源的控制，且以北部物源為主，而南部物源影響較小[6- 7]，但盆地西南部分物源方面的詳細且系統性的資料相對較少，上古生界各個層段的物源認識較為模糊，層段之間物源是否發生變化缺乏明確的認識；另外，前人在研究物源方面大多忽視了對地球化學中REE的應用，缺乏巖石顆粒成分特征與地球化學的結合。筆者在結合前人研究的基礎上通過對16口井巖芯采樣結合3條地質剖面采樣，實地測量古水流方向，鏡下觀察統計巖屑成分，長石含量變化，并結合稀土元素分析，與周緣古陸特征進行對比分析物源。對盆地西南二疊系地層有利砂體的展布以及下一步的油氣勘探的部署具有指導意義(圖1)。

1 周緣古陸特征

位于伊盟隆起的陰山地區，其北部地層大致以烏蘭格爾地區為界，組成古陸的巖層的巖石類型及年代等，區別較大。分界線西部地層為中心元古宇，石英含量較為豐富，東部地層年代較為古老，為太古宇地層，石英含量相對較少，受加里東運動的影響，自二疊紀以來，處于構造高位置，為盆地提供碎屑沉積物質。由于物源區所具有的分區性，其所控制沉積的二疊系碎屑巖特征具有東西分異的特征。盆地南部秦嶺北部，可觀察到下元古界以及中元古界地層，主要包括銅鐵溝組，陶灣群等，巖性可見變質巖中的片巖，大理巖等，以及火成巖類型的花崗巖系等(表1)[8]。

2 古水流分析

古水流分析是進行盆地分析的重要方法[9]。古水流方向的研究需要結合相應的野外觀察統計[10]。古流向的測定主要來西北部和南部山1段、盒8段野頭剖面，針對比較能反應古水流方向的板狀交錯層里、槽狀交錯層理、楔狀交錯層理等構造進行實測。為了指示物源方向，需要先借助吳氏網來進行角度的校正，從而做出玫瑰花圖。其中山1段石板溝剖面測得數據25組，傾向集中在157°～176°之間；二道溝剖面測得數據28組，傾向集中在35°～51°之間；石川河剖面測得數據25組，傾向集中在265°～285°之間。盒8段在上述剖面中所測數據分別為22組，24組和25組，所得古水流傾向分別集中在140°～157°，28°～45°，280°～297°之間。所測數據在玫瑰花圖上可直觀顯示出北部石板溝剖面古水流方向主要指向為由北部向南部；二道溝剖面古水流方向主要指向為由西南向東北方向；石川河剖面古水流方向主要為東南指向西北，三個方向均指向研究區中部(圖2a)。單由古水流這一特征來分析，可初步推測研究區可能存在三個方向的物源，三個方向的物源可能在研究區中部匯合。盒8段時期除了石板溝剖面古水流方向與山1段時期有一些差別外其他兩地古水流方向差別不大(圖2b)，說明研究區盒8段時期也可能存在三個不同方向的物源區。

表1 鄂爾多斯盆地周緣古陸及巖性特征(據陳全紅，2009)

圖2 研究區山1段(a)與盒8段(b)古水流特征圖Fig.2 Paleocurrent rose diagram of Shan 1(a)and He 8(b) Formation in the study area

3 重礦物分析

3.1 重礦物平面分布特征

碎屑巖中重礦物的種類及類型以及重礦物的組合新形勢是在研究碎屑巖物源方面的一個重要參數，不同物源區由于其巖性的差異，其所包含的重礦物種類及含量是不同的，又由于不同類型的重礦物其抗風化能力的差異，使得重礦物可以對碎屑物質的來源，以及碎屑物質搬運距離的遠近有著較為直觀的反應，因此重礦物組合以及重礦物的相對含量可作為指示物源的良好參數[11- 12](圖3)。

根據重礦物結果分析可在研究區識別出3個不同的區域(圖3b)，其中北部重礦物組合以超穩定重礦物鋯石為主，相對含量33%，白鈦礦相對含量31.7%，并可見金紅石(圖4a,b,c)，而該區帶又可分為兩個小區，東部重礦物組合中可見子石榴子石，白鈦礦<鋯石含量(符合盆地北緣陰山地區西部色爾騰山、白云鄂博，渣爾泰山群地層特征)，西部不含石榴子石且白鈦礦>鋯石含量(符合盆地北緣陰山地區東部太古界烏拉山群、集寧群特征)；這與盆地北部的地層分區性相吻合，而且研究區北部重礦物組合中皆為超穩定重礦物，說明沉積物搬運距離較遠，更加說明了研究區北部碎屑物質受盆地北部物源控制。研究區盒8段南部重礦物種類較多，主要為超穩定礦物中的鋯石，電氣石。以及不穩定重礦物，例如黑云母，還可見綠簾石以及綠泥石等(圖4d～i)，其中西南部可見含量較少不穩定重礦物綠泥石，東南部不穩定重礦物類型較多，可見黑云母、綠泥石、綠簾石等易被風化的組分，判斷為近源沉積。總體來說，這種分布格局表明了研究區受到了北部物源和西南部物源的共同控制。

圖3 山1段(a)與盒8段(b)重礦物特征分布圖Fig.3 The character of heavy minerals of Shan 1 (a) and He 8(b)Formation

圖4 研究區重礦物微觀特征a.蘇217井，盒8段，4 178.26 m，400×(+)，鋯石；b.蘇113井，山1段，3 790.79 m，400×(+)，金紅石；c.陜322井，盒8段，4 123.25 m，400×(+)，白鈦礦；d.二道溝剖面，山1段，400×(+)，石榴子石；e.香1井，山1段，4 235.46 m，400×(+)，電氣石；f.淳探1井，盒8段，3 879.8 m，400×(-)，綠簾石；g.太統山剖面，盒8段，400×(+)，鋯石；h.口鎮剖面，盒8段，400×(-)，黑云母；i.石川河剖面，盒8段，400×(-)，綠泥石Fig.4 Microscopic characteristics of heavy minerals in the study area

根據山1段中重礦物分布特征同樣可識別出三個區，各區域的分布位置與盒8大致相同，且各區的重礦物組合也與盒8段三個區的重礦物組合相似(研究區山1段北部重礦物組合與研究區盒8段北部西側小區一致，山1段西南部和東南部重礦物組合完全一致)，說明山1段與盒8段的物源沒有發生大的變化，兩個層段的物源區可能是相同的。

3.2 ZTR指數等值線

由于不同種類重礦物穩定性的差異，在碎屑物質不斷被搬運的過程中，各個類型的重礦物的相對含量是不斷變化的，尤其是不穩定重礦物，由于搬運過程中風化和磨蝕作用，離物源區越遠，在碎屑物質中的相對百分比越少，由此剩余的穩定重礦物組分相對百分比越大，其中電氣石，鋯石以及金紅石為最具有代表性的超穩定重礦物，碎屑物質中三者與總重礦物的比值為ZTR指數，可以判斷沉積物離物源區的遠近，ZTR指數越高說明離物源區越遠[13]。圖5a顯示，山1沉積時期，研究區中北部，環縣、華池一帶ZTR指數值較高，達到90以上，可判斷為匯水的沉積中心。盒8段(圖5b)ZTR指數等值線圖與山1段反映出的信息基本一致，匯水區可同樣判斷為以環縣、華池為中心的區域。

圖5 山1段(a)與盒8段(b)重礦物特征分布圖ZTR指數等值線圖Fig.5 ZTR maturity index contour map of Shan 1(a) and He 8(b) Formation

對比山1與盒8段ZTR指數等值線圖可以發現兩個時期匯水沉積中心基本相同，綜合盒8段與山1段重礦物特征分布圖與ZTR指數等值線圖來看，兩圖所示的沉積中心有較大部分的重疊。另外可以看出北部ZTR指數明顯大于南部，說明研究區北部沉積物成分成熟度較高，為遠源沉積，研究區西南部和東南部沉積物成熟度較低，為近源沉積。

4 顆粒成分特征分析

碎屑巖中碎屑顆粒特征，不穩定的長石組分特征，巖屑特征等都對物源的指示具有較為重要的意義，本節著重從以上幾個方面對物源進行分析。

4.1 碎屑成分分析

由于母源區母巖類型的差異，被風化剝蝕產生的碎屑物質的成分特征也將存在差異，且與重礦物類似，隨著距離物源越遠，由于礦物穩定性的差異，碎屑顆粒中石英所占的百分比越來越大，巖屑以及長石所占百分比越來越少[14- 15]。將各取樣點薄片在鏡下觀察(圖6)，統計碎屑成分相對含量制成餅狀圖，列于對應的取樣點位置(圖7)可以發現有以下特征：

山西組1段碎屑成分大致可以分為四塊：研究區北部碎屑物質以高石英+低巖屑、石英/巖屑穩定(3∶1)為特征，而西南部碎屑物質中含有長石，且石英/巖屑在9∶1至3∶2之間，東南部碎屑物質特征與西南部較為相似。研究區中北部環縣、華池一帶區域以極高石英+低巖屑、石英/巖屑的值波動較小。

下石盒子組8段巖石顆粒特征將研究區以北西—南東向的慶城，沙井子地區分為兩個南部和北部：分界線以北碎屑成分中石英所占比例較大，巖屑比例較小，兩組分比例穩定在5∶1，鏡下觀察幾乎不可見含長石。分界線以南的區域沉積物碎屑顆粒中，在石英比例較高和巖屑比例較低，且兩者比例不穩定的基礎上，含有百分含量較低的長石(約2%～3%)。有學者指出，盆地北部陰山古陸西段石英含量較高，以此為物源的的二疊系碎屑物質顆粒成分中石英含量也比較高，巖屑比例較低，長石百分含量在2%以下[16- 17]。對比可知，該特征和本次研究區分界線以北的碎屑特征非常一致，兩者的成分比例特征又顯示出沉積物為遠源沉積，說明在盒8段沉積時期，盆地北部的陰山古陸西段。

長石作為穩定性較差的碎屑組分，在碎屑物質向低勢區沉積的過程中，隨著搬運距離的增加以及風化作用的持續進行，長石含量逐漸減少。本次研究區的山1段與盒8段地層中，隨著采樣點向南部以及西南部的推移，其長石含量平面分布特征呈現出逐漸增加的趨勢，這在一定程度上表明研究區南部與西南部的沉積物距離母源區比較近，在碎屑物質的搬運過程中，長石未被完全分化和分選出去。研究區山1段北部的特征與研究區盒8段北部特征一致，仍然是以盆地北緣的陰山地區為物源，這里不再贅述。研究區山1段西南部和東南部均含有百分含量較低的長石，且石英與巖屑的相對百分含量比值波動較大，和本次研究區下石盒子組8段南部的碎屑顆粒表現出的特征相似，同樣屬于離物源區較近的碎屑物質。

圖6 研究區碎屑成分微觀特征a.蘇113井，盒8段，3 779.26 m，50×(+)，石英含量高，巖屑含量低，不含長石；b.陜128井，盒8段，3 892.31 m，50×(+)，石英含量高，巖屑含量低，不含長石；c.陜346井，山1段，3 998.13 m，50×(+)，成分成熟度較高的砂巖，巖屑含量較低；d.石板溝剖面，盒8段，50×(+)，玉髓含量較多；e.鎮探2井，盒8段，4 112.5 m，50×(+)，巖屑含量較高；f.鎮探2井，山1段，4 120.28 m，50×(+)，可見未蝕變的斜長石；g.石川河剖面，山1段，50×(+)，可見云母條帶；h.口鎮剖面，山1段，50×(+)，成分成熟度較低的砂巖；i.淳探1井，盒8段，3 878.8 m，50×(+)，可見未蝕變的微斜長石Fig.6 Microscopic characteristics of fragments in the study area

圖7 山1段(a)與盒8段(b)碎屑成分特征分布圖Fig.7 The character of debris composition of Shan 1(a) and He 8(b) Formation

4.2 長石相對含量變化

在對比研究區各個區域的碎屑成分特征時，長石作為劃分物源在研究區的影響范圍時，顯示出明顯的南北分異的特點，同時，與石英相比，在碎屑物質搬運的過程中，長石的抗風化能力以及抗磨蝕能力均較差，在沉積過程中，其相對百分含量減少的方向，可作為沉積物搬運的方向。針對這一特征，分別作盒8段和山1段的長石含量等值線圖(圖8)。

研究區山1段地層中，北部采樣點所采樣品中，均不可見長石。以華池，鎮探1、涇川、香1、淳2和蓮1為界，越靠近研究區南部，長石的相對百分含量的值越大，并且在研究區西南部的太統山，香1井附近以及東南部的淳探1井，石川河附近長石含量較高，可達8%～9%，說明沉積物為近源沉積，物源方向為盆地西南和東南方向。

盒8段顯示出的長石特征與山1段具有類似的特征，即同樣都是沿北西—南東向以長石含量零線為界，分為兩個區域，越靠近研究區西南，離物源區越近，而零線以北的沉積物距離物源區較遠。不同之處在于在靈臺至合水附近的區域，盒8段長石含量逐漸遞減，而山1段中該區域在長石零線以北，即不含長石，這在一定程度上說明盒8時期，南部物源的影響范圍在一定程度上向北擴大。

4.3 巖屑成分特征

巖屑是由母巖直接剝蝕出來的礦物集合體，一般認為能夠較好的反映了母巖的特征，另外在碎屑巖中的特征可作為指示物源的一個很好地參數指標，各類特征能夠比較直觀的指示碎屑物質距離源區的遠近以及沉積過程中的一些成巖作用。從薄片統計結果(圖9)，將各結果投在底圖上來看有以下特征：

山1段巖屑成分大致可以劃分為四塊(圖10a)：研究區北部以變質巖巖屑+巖漿巖巖屑、變質巖/巖漿巖相對來說較穩定為特征，說明碎屑物質距離物源區較遠。研究區南部的兩個分區，西南部和東南部均以變質巖巖屑+巖漿巖巖屑+沉積巖巖屑為特征，三者比例不穩定，顯示出近源沉積的特征。環縣、華池一帶的區域則以變質巖巖屑+巖漿巖巖屑、變質巖/巖漿巖不穩定為特征。綜合重礦物特征，長石特征等可確定中部呈現出該特征的原因應為分別來自盆地南部和北部的沉積物在此處發生了交匯。從總體來看，南北差異主要是沉積巖巖屑，北部沉積物中不含沉積巖巖屑，南部普遍含有沉積巖巖屑。

圖 8 山1段(a)與盒8段(b)長石含量等值線圖Fig.8 Feldspar contour map of Shan 1(a) and He 8 (b) Formation

圖9 研究區巖屑成分微觀特征a.陜311井，盒8段，3 896.2 m，50×(+)，片麻巖巖屑；b.陜128井，山1段，3 915 m，50×(+)，片麻巖巖屑；c.蘇113井，盒8段，3 776.85 m，50×(+)，片巖巖屑；d.石板溝剖面，山1段，50×(+)，片巖巖屑與燧石巖屑；e.鎮探2井，盒8段，4 114.5 m，50×(+)，變質石英巖巖屑；f.太統山剖面，山1段，50×(+)，沉積巖巖屑；g.淳探1井，盒8段，3 878.8 m，50×(+)，石英片巖巖屑；h.石川河剖面，盒8段底部，50×(+)，石英片巖巖屑；i.口鎮剖面，山1段，50×(+)，花崗巖巖屑Fig.9 Microscopic characteristics of lithic fragments in the study area

盒8段巖屑巖成分主要以變質巖巖屑為主，以慶探2井、環縣、蓮1井為界可以將研究區分為南部和北部兩個部分(圖10b)。北部變質巖相對含量可達11%，巖漿巖含量約5%，幾乎不含沉積巖巖屑，在個別井中觀察到的沉積巖巖屑，其巖性主要類型為碎屑巖中的粉砂巖巖屑和泥巖巖屑。研究區南部沉積巖巖屑分布較為普遍，對比南北兩個區域三大巖巖屑可發現，組成北部碎屑巖中巖屑中，變質巖巖屑相對含量與巖漿巖巖屑相對含量比例穩定在2∶1左右，而在研究區南部三者比例極不穩定，在石板溝地區沉積巖巖屑與變質巖巖屑比例甚至到達1∶1，且幾乎不含巖漿巖巖屑，另外從南部其他地點的巖芯采樣與野外露頭采樣分析來看，三者比例呈現出比較雜亂的特點，反映出研究區北部為遠源沉積，南部碎屑沉積物距離源區較近。

5 稀土元素特征分析

由于稀土元素本身穩定的化學性質，在不同地質體中的濃度及分配形式受介質體條件的變化較為敏感，另外由于具有較高的均一化程等特征，決定了稀土元素在沉積學的物源分析方面提供較為準確的地球化學參數。而稀土元素在應用于不同的巖石類型上采用的標準化是不同的，對于沉積巖中稀土元素進行分析時，NASC(北美頁巖)對比其他類型的標準化能更好的反映出沉積巖的地球化學特征[18]。因此本次研究過程中測試數據利用NASC(北美頁巖)為標準，對研究區碎屑物質中的稀土元素含量進行標準化[19]，繪制稀土元素NASC標準化配分模式圖，并將山1段和盒8段稀土元素的地化參數綜合并分為研究區北部、中部、西南部和東南部四個部分進行統計，計算銪異常值(δEu)、輕重稀土比(LREE/HREE)、鑭鐿比((La/Yb)N)以及鑭釤比((La/Sm)N)等地球化學參數，分析其特征。

5.1 稀土元素配分模式

由于盆地周圍源巖類型趨同，導致不論取樣點屬于盒8段還是山1段、不論取樣點位于研究區北部、西南部還是東南部，所有的稀土元素分配型式均具有Eu虧損、東傾的特點(圖11)。因此，稀土元素分配型式對于本次物源研究意義不大，在此不予討論。

5.2 δEu特征

Eu較為特殊，其價態會隨沉積環境的不同而改變，當Eu3+存在時，這時與其他三價的稀土元素具有相似的特征，共同遷移，當沉積環境為還原環境時，一定比例的Eu3+轉化成Eu2+，導致由于pH值與別的+3價態的稀土元素存在較大的不同而分離開來，從而出現Eu異常[20]。由于沉積中心的匯水區水深較大，整體較其周邊區域呈現出偏還原的沉積環境，導致區域出現Eu異常大于周邊環境，研究區盒8段中部Eu異常明顯大于其他區域，說明匯水區位于鎮探1井、蓮1井即偏中北部附近，山1段中部取樣點位于中部，位置相對于盒8段取樣點更加偏南，因此Eu異常不是很突出，但是這更加佐證了匯水區位于研究區中北部地區的結論。另外在表2與表3中同時可見研究區東南部Eu異常也比較突出，說明該地區在沉積時期水體較深，偏湖相環境，可能為一處規模較小的洼陷。

5.3 LREE/HREE特征

LREE/HREE的比值是判斷不同類型的稀土元素在沉積過程中分異程度的重要參數。越往匯水區，泥巖含量越多，黏土礦物的含量也越來越多，稀土元素更多的表現為以吸附態搬運，而吸附態搬運的主要是LREE，導致LREE相對富集，而HREE相對虧損，所以在匯水區會出現LREE/HREE明顯高于其他區域的情況[21- 22]。表2與表3中該參數較高的有中部和東南部兩個區域，對比ZTR指數等參數可明確匯水區應為中部偏北的環縣、華池地區，與Eu異常相對應，該參數在研究區東南部同樣有較高的參數值，兩參數特點與反應的結果非常吻合，都說明了匯水區位于研究區中部偏北地區，沉積環境為還原環境，同時在研究區東南口鎮、淳化附近區域也有類似的特征，推斷應為一處規模較小的洼陷(與δEu特征相吻合)。La/Yb、La/Sm、∑REE值反應的結果與以上兩個參數均一致，另外可見研究區北部∑REE值與其他區域∑REE值明顯不在一個層次，說明研究區北部的物源與其他區域存在著明顯的差別。

北部中部西南部東南部REE參數蘇113寧探1二道溝太統山石板溝石川河口鎮La3.241.732.461.801.021.320.50Ce2.861.582.051.530.881.060.40Pr3.061.631.951.601.021.190.44Nd2.891.461.601.480.941.090.42Sm3.011.531.461.520.991.120.45Eu1.721.010.991.130.560.850.36Gd2.801.531.551.550.961.170.49Tb2.051.301.261.160.870.990.47Dy1.661.141.191.020.860.880.45Ho1.651.161.271.050.910.900.48Er1.491.061.240.980.900.840.45Tm1.300.981.110.880.870.780.50Yb1.391.131.371.001.040.890.57Lu1.231.001.210.920.910.830.60∑REE0.590.660.660.730.570.740.77δEu1.240.961.031.060.740.910.64LREE/HREE30.3518.2320.7117.6212.7413.926.57(La/Yb)N2.331.531.801.800.981.480.87(La/Sm)N1.081.131.681.181.031.181.12

6 結論

(1) 綜合古水流，重礦物，碎屑成分與稀土元素等特征可得出研究區盒8段與山1段地層的物源區在沉積時期無明顯的變化，兩個層段存在三大物源：研究區北部沉積物來源于盆地北部的陰山古陸，研究區西南區碎屑物質來源于盆地西南部的祁連古陸中部和北部與秦嶺古陸西部，而秦嶺古陸北部則為研究區東南部提供碎屑物質來源。匯水區為研究區中北部環縣、華池一帶。

(2) 研究區北部沉積物來源于盆地以北的源區，成分成熟度較高。其中盒8段重礦物具有分區性特征，以鋯石和白鈦礦的含量特征可明顯分為東西兩個區域，與盆地北部的地層分區性吻合程度高；南部沉積物受盆地南部物源控制，成熟度較低。

表3 盒8段REE地化參數

(3) 研究區中部環縣、華池附近區域在沉積時期沉積環境偏還原。與研究區周緣相比，研究區中部明顯表現為低∑REE、高LREE /HREE、高δEu等特征；另外在研究區東南口鎮、淳化一帶，REE也反映出類似的特征，結合其他巖石礦物特征，推測該地區在沉積時期應該為一處規模較小的洼陷。

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