武威盆地土墩凹陷石炭系古沉積環境分析

楊鴻遠，馬宇超，孫 勃，劉洪軍，2

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065）

引言

河西走廊盆地群是中國陸上第二大盆地群，盆地展布范圍大、且具有極高的勘探潛力，可作為油氣勘探戰略地區。其中武威盆地是河西走廊盆地群中石炭系層段中重要的盆地之一，盆地延伸分布于甘肅、內蒙古以及寧夏地區，面積約為2.75×104km2。本次研究就是以MAZD1 井上石炭統羊虎溝組與靖遠組中所取得的28 塊泥頁巖樣品為依托，對其、微量元素進行分析，并在實驗數據的基礎上對石炭系形成時古沉積環境進行研究，總結其地化元素特性，為之后的勘探研究工作給出石油地球化學根據，并為后期該區的油氣勘探工作提供參考。

1 區域地質背景

武威盆地以阿拉善盟蘇海圖為地理中心，西北的雅布賴山、西南的祁連山、東部由陰山余脈和賀蘭山將其環抱。武威盆地隸屬阿拉善板塊，在早石炭世初，由于海侵作用，在盆地的南部形成了濱淺海相、潮坪-瀉湖相沉積。武威盆地以隆坳相間為構造特征, 前人將武威盆地劃分為“兩坳夾一隆”[1]，兩坳即是南部坳陷、北部坳陷，一隆為中部隆起[2]。其中南部凹陷中土墩凹陷則是本次主要研究對象MAZD1 井所在地。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集分析

武威盆地土墩凹陷的MAZD1 井從上至下鉆遇了新近系、白堊系、以及石炭系的羊虎溝組和靖遠組（未穿）地層，井深1 500 m，本次取芯深度主要在370～1 450 m 之間的井段，主要涉及羊虎溝組以及靖遠組部分地層，共取28 塊樣品，其中前20 個樣品取自羊虎溝組，后8 個樣品取自靖遠組，均為黑色泥頁巖。羊虎溝組黑色泥頁巖共厚43.89 m，靖遠組暗色泥頁巖總計厚26.39 m（見圖1）。該樣品分布廣泛，基本可代表石炭系主要地層特征。

圖1 MAZD1 井地球化學綜合剖面圖

為研究沉積古環境與有機質賦存之間的關系，對所取樣品進行了有機碳TOC 及熱解實驗。MAZD1 井上石炭統羊虎溝組共取暗色泥（頁）巖20 塊，其有機碳豐度在0.02%～5.84%，均值為2.32%，其樣品有機碳含量均大于0.6%，僅從有機碳含量這一指標來看，羊虎溝組的烴源巖達到了“中等”甚至是“優質”烴源巖的標準。上石炭統羊虎溝組與下石炭統靖遠組有機碳平均含量分別為2.32%、2.4%，但其Pg（S1+S2）平均值分別為0.26 mg/g 和0.19 mg/g，依據生烴潛力這一參數，羊虎溝組與靖遠組烴源巖品質較差，這一原因可能是有機質演化程度較高所致。

2.2 地球化學特征

2.2.1 主量元素特征

巖石主量元素主要為SiO2、MgO、Al2O3。靖遠組SiO2含量介于7%～58.6%之間，平均為38.88%，低于上地殼平均值。羊虎溝組SiO2含量介于3%～66%之間，平均含量為42.84%，與UCC[3]相比較低。兩個層位MgO 的含量介于0.84%～2.08%之間，與UCC 相比依然較低。靖遠組Al2O3的含量介于2.5%～34.5%之間，平均含量20.85%，高于UCC，羊虎溝組Al2O3含量介于8.1%～44.4%之間，平均約22.46%，超過UCC 標準。

2.2.2 微量元素特征

微 量 元 素 測 試 了Rb、Cs、Sr、Ba、Ca、Cu、V、Co、Ni、Zr、Nb、Ta、Pb 等元素，以上地殼頁巖元素豐度(UCC)[3]作為標準值，利用樣品值/標準值計算富集指數，富集指數＞1 指示該元素相對于UCC 富集, 反之則虧損[4]。測試分析結果顯示，V、Co 十分富集，Sr 和Ni 元素虧損，Rb、Ba、V、Pb、Cu 元素豐度分布離散。

3 討論

3.1 古水體氧化還原性

古水體氧化還原性可以直接通過巖心樣品進行簡單直觀判別。暗色泥巖(深灰色、灰黑色)代表沉積時處于還原環境，紅色、紫色此類氧化色泥巖代表沉積時為氧化環境。本次MAZD1 井所取得28 個巖心樣品均為黑色泥巖，初步判斷沉積時應為還原環境。此外，也可通過巖石中所含的特征微量元素的比值進行判定，V、Ni 同屬鐵族元素，V 在氧化環境中易遷移 而在還原環境中易沉淀，Ni 在氧化及還原環境中均較穩定。本研究采用V/(V+Ni)的比值對其進行判定。元素V/(V+Ni)值>0.84 指示厭氧環境，水體出現分層；比值在0.6～0.84區間內代表水體為較弱的厭氧環境；比值在0.46～0.60 區間內指示水體為貧氧環境[5]。實驗數據顯示，靖遠組該值介于0.9～1 之間，平均約為0.99>0.84,指示較強的厭氧環境（見圖2）；羊虎溝組V/(V+Ni)的值介于0.95～1 之間，平均約為0.99>0.84，同樣指示厭氧環境。

圖2 MAZD1 井石炭系樣品V/(V+Ni)散點圖

3.2 古水體深度

由于黏土對Rb 元素和K 元素的吸附性的差異，使得巖石中Rb/K 的值具有一定的元素地球化學含義。黏土對Rb 元素和K 元素的差異性吸附能力使得Rb 元素更易遷移，所以判斷水深的變化可依據Rb/K值來進行，此值越大，揭示水體越深。根據數據顯示（見圖3），無論是靖遠組還是羊虎溝組，水體深度都較淺。

圖3 MAZD1 井石炭系樣品Rb/K 散點圖

3.3 沉積古環境與烴源巖的關系

本研究嘗試建立了個樣品點TOC 含量與沉積環境之間的關系。發現指示古環境為溫暖濕潤環境的Sr/Cu、SiO2/Al2O3比值與羊虎溝組TOC 含量成正相關關系；指示靖遠組，羊虎溝組形成時處于較強的厭氧環境的V/ (V+Ni) 與TOC 含量成正比關系（見圖4）。且MAZD1 井上石炭統羊虎溝組共有暗色泥（頁）巖20 塊，其有機碳含量在0.02%～5.84%，均值為2.321 8 %，其樣品有機碳含量均大于0.6%，僅從有機碳豐度這一參數來看，羊虎溝組的烴源巖達到了“中等”甚至是“優質”烴源巖的標準。由此看來，無論是當時的水體環境，或是古氣候都有利于烴源巖的形成。

圖4 SiO2/Al2O3(a)及V/(V+Ni)(b)與TOC 相關圖

4 結論

通過對武威盆地土墩凹陷MAZD1 井石炭系地層泥頁巖共28 個樣品的主量元素、微量元素進行分析討論，研究其元素地球化學意義，得出結論：

（1） 主量元素中SiO2、MgO 虧損，Al2O3含量高于UCC 標準，相對富集，微量元素測試了Rb、Cs、Sr、Ba、Ca、Cu 等元素，以上地殼頁巖元素豐度(UCC)作為標準值，指示V、Co 十分富集，Sr 和Ni 元素虧損，Rb、Ba、V、Pb、Cu 元素分度分布離散。

（2） V/(V+Ni)比值證實其沉積水體為厭氧環境。

（3） 靖遠組、羊虎溝組兩套地層由于氣候溫暖濕潤、蒸發量相對較少，水體咸度較低，為微咸水環境。在此背景下，沉積發育了較好的泥頁巖，并被很好的保存下來。

（4） 參考本區所取樣品TOC 含量與各特征元素比值之間的關系，顯示當時的氣候以及水體環境都有利于有機質的沉積與賦存，可促使這些泥頁巖發育為有潛力的烴源巖，成為生油層。