引用本文
付金华, 李士祥, 徐黎明, 牛小兵. 鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段古沉积环境恢复及意义[J]. 石油勘探与开发, 2018,45(6): 936-946.
FU Jinhua, LI Shixiang, XU Liming, NIU Xiaobing. Paleo-sedimentary environmental restoration and its significance of Chang 7 Member of Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin, NW China[J]. Petroleum Exploration & Development, 2018,45(6): 936-946.  
Doi: 10.11698/PED.2018.06.02
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鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段古沉积环境恢复及意义
付金华1,2, 李士祥1,3, 徐黎明1,3, 牛小兵1,3
1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,西安 710018
2. 中国石油长庆油田公司,西安 710018
3. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院,西安 710018

第一作者简介：付金华（1963-）,男,湖北黄冈人,博士,中国石油长庆油田公司教授级高级工程师,主要从事石油天然气地质综合研究及油气勘探管理工作。地址：西安市未央区凤城四路长庆油田公司,邮政编码：710018. E-mail: fjh_cq@petrochina.com.cn

收稿日期: 2018-01-02
基金项目: 国家重点基础研究发展计划（973项目）“淡水湖盆细粒沉积与富有机质页岩形成机理”（2014CB239003）; 国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2016ZX05050,2017ZX05001002）
摘要

通过对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段周缘露头剖面及盆内钻井取心共289块样品进行元素地球化学测试分析,运用CaO/MgO•Al2O3、Sr/Cu、Rb/Sr、B元素含量、Rb/K2O、Th/U和V/（V+Ni）等一系列古温度、古盐度和古氧化环境判别指标,尝试恢复长7段沉积期的古气候、古盐度和古氧化还原条件等古环境特征。综合分析表明,长7段沉积期为古气温大于15 ℃的温暖潮湿的温带—亚热带气候,水体为陆相微咸水—淡水环境,沉积物是在强还原条件下形成的。适宜的温度、大面积深水湖盆、强还原性的古沉积环境,导致长73亚段有机质大量发育和富集保存,既形成了一套优质烃源岩,同时也为大规模页岩油的富集创造了有利条件。图7表1参43

关键词: 古气候; 古盐度; 古氧化还原条件; 元素地球化学; 古沉积环境; 长7段; 上三叠统; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:TE122.1 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2018)06-0936-11
Paleo-sedimentary environmental restoration and its significance of Chang 7 Member of Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin, NW China
FU Jinhua1,2, LI Shixiang1,3, XU Liming1,3, NIU Xiaobing1,3
1. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields, Xi’an 710018, China;
2. PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China;
3. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China;
Abstract

Paleo-sedimentary environment of Chang 7 Member of Upper Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin, including the paleoclimate, paleo-salinity and paleo-redox conditions were restored through geochemical element analysis of 289 samples collected from the outcrop sections around and wells drilled in the basin and using a series of identification indexes of paleo-climate, paleo-salinity and paleo-redox conditions, such as CaO/MgO•Al2O3, Sr/Cu, Rb/Sr, Rb/K2O, Th/U, V/(V+Ni), the content of element B tested from the mudstone. Comprehensive analysis shows that in sedimentary period of the Chang 7, the paleo-climate was warm temperate to subtropical climate with temperature higher than 15 ℃, the water body was continental brackish water to freshwater, and the sediments were deposited under strong reduction conditions. Suitable temperature, extensively deep lake basin and strongly reductive paleo-sedimentary environment led to the blooming, enrichment and preservation of organic matter in the submember Chang 73. As a result, a set of high-quality source rock was formed, laying material foundation for large-scale accumulation of shale oil.

Keyword: paleo-climate; paleo-salinity; paleo-redox conditions; element geochemistry; paleo-sedimentary environment; Chang 7 Member; Upper Triassic; Ordos Basin
0 引言

长庆油田于2014年在鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段探明了中国首个亿吨级致密油田, 使该盆地致密油勘探取得了实质性进展。恢复长7段古沉积环境及演化特征, 对分析古沉积环境演化与富有机质页岩形成的关系非常重要。古沉积环境恢复的研究方法众多, 常量元素和微量元素地球化学定量分析是最为常用的方法和手段, 在众多盆地沉积古环境恢复中被广泛应用[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。对于古气候的恢复, 通常用Mg/Ca比值法[8, 9, 10]、MgO/CaO比值法[10]、CaO/MgO• Al2O3比值法[11, 12, 13, 14]、Sr/Cu比值法[3, 8]等进行综合判识。对于古盐度的恢复, 常用Sr/Ba比值法[7, 8, 15, 16, 17]、Rb/K比值法[16]、MgO/Al2O3比值法[8, 15]、B元素法[1, 18, 19]、V/Ni比值法[10]、Th/U比值法[10]、B/Ga比值法[20]。对于古环境氧化还原条件的恢复, 常选取对氧化还原敏感的元素来进行分析[21], 一般采用V/Cr[3, 21, 22]、Ni/Co[3, 21]、V/（V+Ni）[23, 24, 25]、Fe2+/ Fe3+[8]、U/Th[21]、Ce/Ce* [26, 27]、Eu/Eu* [26, 27]、（Cu+Mo）/ Zn比值法[28, 29]等进行分析。

在综合调研古沉积环境恢复方法的基础上, 系统对鄂尔多斯盆地周缘19条延长组露头剖面取样160块和盆地内25口井（剖面和井位置见图1）取样129块, 共计289块, 目的层长7段样品共243块, 其中长71亚段、长72亚段和长73亚段样品数分别为80块、79块和84块, 延长组长9— 长8段、长6— 长1段等其他层位共有样品46块。对上述基本涵盖盆地整个区域的样品进行地球化学元素测试分析, 选取常量和微量元素比值等适用性方法对长7段沉积期古环境进行恢复。基于盆缘及盆内大量样品分析测试数据, 主要利用泥岩常量及微量元素, 从全盆地区域内更加系统地对长7段沉积期古温度、古盐度、古还原氧化性进行定性或半定量地分析, 以期更加系统地恢复整个盆地长7段古沉积环境。同时, 深入分析长7段各小段的沉积环境变化规律, 旨在认识环境演化对富有机质页岩发育的影响。

1 沉积背景

鄂尔多斯盆地晚三叠世为一持续沉降的大型陆相拗陷湖盆, 主要发育冲积扇、河流、三角洲、湖泊等沉积相类型, 沉积了一套厚度为1 000~1 500 m的陆源碎屑岩, 延长组发育较完整, 自上而下可划分为长1— 长10共10个段, 其中长7段自上而下细分为长71、长72和长73共3个亚段。

晚三叠世鄂尔多斯湖盆经历了发生、发展、全盛、衰退乃至消亡的整个演化过程[30], 延长组长7段沉积期是盆地湖盆发育的鼎盛时期, 湖泊面积最广, 半深湖、深湖区烃源岩广泛分布于盆地西南部（见图1）, 面积约5.6× 104 km2, 沉积了一套广泛分布的细粒沉积岩, 湖盆中部— 西南部以富含有机质的泥页岩为主, 这套泥页岩沉积奠定了延长组低渗— 特低渗油藏、乃至长7段致密油大面积分布的烃源基础。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划及烃源岩展布图

2 古气候判识

不同气候环境下沉积物的元素富集特征存在一定差异, 根据各元素的沉积环境特征, 通过对沉积物中的CaO、MgO、Al2O3、K2O等常量元素和Sr、Ba、Rb等微量元素分析, 综合利用CaO/MgO· Al2O3比值法、Sr/Cu比值法和Rb/Sr比值法, 结合前人利用孢粉组合特征对古气候的研究, 对长7段沉积期古气候特征进行综合分析。

2.1 CaO/MgO· Al2O3比值法对古气温的判识

碳酸盐沉积记录主要反映湖泊原始沉积情况, 基本上不受早期成岩作用的影响。对于陆源碎屑输入基本稳定的湖泊, 内生碳酸钙沉淀直接影响沉积物碳酸盐含量的相对高低, 而内生碳酸钙沉淀包含了许多气候变化信息[11], 其沉淀量与气温呈正比[12]。湖泊沉积物中碳酸盐矿物主要为白云石和方解石, CaO/MgO值基本反映了沉积物方解石与白云石比值的变化[13, 14]。淡水湖泊中的白云石主要来源于陆源碎屑, 一般不是内生沉淀的, 而方解石则包含了由陆源搬运而来的外源组分和湖泊内生碳酸钙沉淀两部分[13, 14], 用Al2O3含量可以校正陆源碎屑输入量的变化[14]。因此, 对于陆源碎屑输入量基本稳定的长7段沉积期湖泊, CaO/ MgO· Al2O3比值可灵敏地反映内生碳酸盐含量的相对高低, 具有指示气温变化的意义, 其高值指示温暖时期, 低值指示相对寒冷时期[12, 14]。

长7段CaO/MgO· Al2O3平均值为0.112, 较长9— 长8段的0.139、长6— 长1段的0.148及整个延长组的0.117要低（见表1）, 反映了长7段沉积时湖盆发育鼎盛期的气温较延长组其他沉积时期稍低, 这与鄂尔多斯盆地中晚三叠世湖盆演化及气候变迁吻合较好[31, 32, 33, 34], 总体反映湖盆形成早期为干旱炎热的气候特征; 湖盆发育鼎盛的长7段沉积期, 雨水充沛, 形成了大面积发育的湖区, 为温暖湿润的气候特征, 之后湖盆萎缩阶段温度有所升高。

表1 鄂尔多斯盆地延长组地球化学元素及元素比值统计表

为了纵向上能更细致地研究长7段沉积期各个阶段古气温的变化, 对长7段盆地周缘122块露头剖面样品和盆地内部钻井取心121块样品, 共243块样品的CaO/MgO· Al2O3比值, 分长73亚段、长72亚段和长71亚段进行对比分析, 其CaO/MgO· Al2O3均值分别为0.101、0.112、0.125（见表1）, 长71亚段最高, 长72亚段次之, 长73亚段最低。纵向上长73亚段CaO/MgO· Al2O3低值点较长72亚段和长71亚段要多, 自长73亚段到长71亚段, 比值有微弱增大的趋势（见图2）。为分析盆缘与盆内古沉积环境是否存在差异, 对长7段的3个小段分盆缘和盆内两个种类做了元素及元素比值的分布箱线图（见图3）。CaO/MgO· Al2O3箱线图中, 自长73亚段到长71亚段, 盆缘样品和盆内样品分布的中位数均呈增大趋势（见图3）, 反映了长7段古气温自沉积早期到晚期呈逐渐上升的特点。长73亚段和长72亚段盆缘样品的中位数值小于盆内, 长71亚段盆缘样品中位数值与盆内基本相当, 总体反映了不同区域温度存在一定差异, 但差异较小。综上所述, 水体深度最大、水域面积最广的长73亚段沉积期气温较长72亚段和长71亚段沉积期气温稍低, 盆缘古气温较盆内稍低, 整个长7段沉积期自早期到晚期存在温度微弱变高的变化特征。

图2 鄂尔多斯盆地长7段古气候与古氧化还原性判别指标变化特征

同时, 为了分析区域及纵向上的差异, 选取了位于湖盆中部深水区的一口长7段全取心井Z22井（井位置见图1）进行系统采样分析, 包括长6段底部和长8段顶部, 取样长度共125 m, 基本等间距地选取了27块样品进行了地球化学元素分析。总体而言, 长7段CaO/MgO· Al2O3值分布在0.010~0.174, 长73亚段、长72亚段和长71亚段平均值分别为0.062、0.068和0.072, 呈增高的趋势（见图4）, 与上述分析的整个盆地长7段CaO/MgO· Al2O3值变化趋势一致; 反映出在长7段沉积演化期, 由早期的湖盆发育鼎盛阶段逐渐向后期萎缩阶段演变, 古气温呈微弱升高的趋势。

前人研究资料表明, 贵州红枫湖于1960— 1990年在平均气温15 ℃条件下, 沉积物的CaO/ MgO· Al2O3值主要分布在0.043~0.104, 平均值为0.075[12]。相比而言, 鄂尔多斯湖盆长7段CaO/MgO· Al2O3平均值的0.112和延长组的0.117, 均较红枫湖地区沉积物之值高。通过比较, 可判断延长组沉积期的年平均古气温较红枫湖的15 ℃要高, 由此确认长7段沉积期年均古气温应大于15 ℃。

2.2 Sr/Cu和Rb/Sr比值法对古气候的判识

沉积物中微量元素含量受古气候影响, 不同气候条件下微量元素的富集存在明显差异, Rb、Cu等喜湿型元素与Sr等喜干型元素的比值常被用来分析古气候特征[3, 8], Sr/Cu和Rb/Sr比值被广泛用于恢复古气候。研究表明, Sr/Cu小于等于10指示温湿气候, 大于10指示干热气候[11]。延长组Sr/Cu值主要分布在1~10, 平均值为7.24（见表1）; 长7段Sr/Cu值主要分布在小于10的区间（见图2）, 平均值为7.31。Sr/Cu箱线图的中位数主要分布在3~5（见图3）, 小于湿润与干热气候分界线, 指示了长7段沉积期主要为温暖湿润的气候特征。

图3 鄂尔多斯盆地长7段地球化学元素及元素比值分布箱线图

Rb在风化作用中相对稳定, 而Sr则较易遭受淋滤散失[35]。气候湿润时降水多、风化较强烈, Sr容易流失, 使Rb/Sr值升高; 气候干旱时降水较少、风化强度相对降低, 母岩中残留更多的Sr, 使Rb/Sr值变低[35]。换言之, Rb/Sr高值指示湿润气候, 低值指示干旱气候。延长组Rb/Sr值主要分布在0.4~1.5, 平均值为0.66, 长7段Rb/Sr值主要分布在0.2~1.2（见图2）, 平均值为0.67（见表1）, 中位数主要分布在0.4~0.7（见图3）。总体较鄂尔多斯盆地北部侏罗系由于湿润向干热气候转变导致的Rb/Sr值0.15~0.30[5]要高, 揭示了延长组乃至长7段沉积期主要为温暖湿润的古气候特征。

对比Sr/Cu和Rb/Sr垂向分布曲线, 两者大致呈镜像变化趋势, Rb/Sr高值点对应Sr/Cu低值点, 两者相互印证, 综合反映出长7段沉积期主要为温暖湿润的古气候特征。

众多学者利用孢粉组合特征对长7段沉积期古气候特征进行了研究。吉利明等通过对陇东地区长8和长7段分别以Aratisporites-Punctatisporites和Asseretospora- Walchiites为代表的孢粉组合进行分析, 反映了温带— 亚热带暖湿或湿热气候特征[32, 33]。周利明等选取位于盆地半深湖— 深湖沉积区的东南部耀县瑶曲聂家河— 小桥河村剖面（见图1）长7段页岩样品, 进行孢粉组合特征分析, 孢粉组合以Dictyophyllidites-Punctatisporites- Taeniaesorites为主, 推断该区长7段沉积期为温暖潮湿的温带— 亚热带气候[36]。

图4 鄂尔多斯盆地Z22井延长组长7段古气温指标图

根据以上地球化学元素比值分析, 并结合不同学者利用孢粉组合特征对长7段古气候的判识, 综合确定了鄂尔多斯盆地长7段沉积期表现为古气温大于15 ℃的温暖潮湿的温带— 亚热带气候特征。

3 古水体性质

晚三叠世鄂尔多斯盆地处于湖水淡化过程。中晚三叠世盆地不仅完全脱离海水的直接影响, 而且印支期强烈的差异性构造活动使盆地快速沉降, 导致大型湖泊的形成, 由于缺乏与海域的连通, 属于逐渐被大气降水淡化的湖泊[33]。研究古水体物理化学性质的方法较多, 本次主要运用泥岩中的Sr、Ba、B、Ga、V、Ni、Rb、Th、U等微量元素研究延长组沉积期的古湖泊水体性质[37, 38, 39]。

3.1 古盐度

Sr/Ba值是古湖泊水体盐度判别的有效指标, Sr比Ba在水中溶解度高, 因此Sr迁移的更远, Sr/Ba值可间接地反映陆相与海相沉积[7, 8, 15, 16]。研究认为：Sr/Ba值小于0.5为淡水环境, 0.5~1.0为半咸水环境, 大于1.0为咸水环境[17, 40]。延长组Sr/Ba平均值为0.36, 长7段Sr/Ba平均值为0.35, 长9— 长8段平均值为0.44, 长6— 长1段平均值为0.38（见表1）, 上述层段Sr/Ba平均值均小于0.5, 为淡水环境。长7段Sr/Ba值主要分布在0.2~0.5（见图5）, 其中长73亚段、长72亚段和长71亚段平均值分别为0.38、0.34、0.33, 总体较为接近。盆缘与盆内两个种类样品的Sr/Ba值箱线图中, 主要分布区间与中位数值无明显规律性差异（见图3）, 反映了水体性质相似, 均为淡水特征。张才利等[34]通过鄂尔多斯盆地长7段Sr/Ba值为0.19~0.69的特征, 判定长7段沉积期湖盆整体为陆相淡水环境。

B元素常被用来指示古盐度[19], 水体中B含量与盐度存在线性正相关关系, 水体盐度越高, 沉积物吸附的B离子就越多[19]。一般而言, 海水环境下的B含量在0.008 0%~0.012 5%, 而淡水环境的B含量多小于0.006 0%。延长组B元素含量平均值为0.003 4%（见表1）, 长7段主要分布在0.001 0%~0.005 0%（见图5）, 平均值为0.003 3%。B元素含量箱线图中样品的中位数较为相近, 均小于0.004 0%（见图3）, 表明长7段沉积期水体为淡水性质。

Rb/K2O也常用来判断沉积区古盐度的一个指标。由于Rb与K元素的值不在一个数量级上, 因此计算Rb/K2O值时需将Rb元素含量扩大1 000倍进行判别：大于6为咸水沉积环境, 4~6为微咸水沉积环境, 小于4为淡水沉积环境[16]。延长组Rb/K2O平均值为4.27（见表1）, 长7段主要分布在2~6（见图5）, 平均值为4.28。箱线图中样品的分布区间及中位数分布在淡水和微咸水环境（见图3）。Rb/K2O与Sr/Ba的判别图中, 样品点主要分布在淡水— 微咸水区域, 微咸水— 半咸水区域也有部分样品点（见图6）。总体反映了长7段淡水— 微咸水的沉积环境。

Th/U值可作为判识海陆相沉积的一个指标, 一般而言, Th/U值大于7为陆相淡水环境, 2~7为微咸水— 半咸水沉积环境, 小于2为海相咸水环境[41]。长7段Th/U值主要分布在2~8, 平均值为5.33（见表1）, 主要分布在大于2的区间（见图5）, 长73亚段、长72亚段和长71亚段平均值分别为4.48、5.26、6.10, 由此判断长7段为陆相淡水— 微咸水— 半咸水的沉积环境。箱线图中, Th/U值主要分布在微咸水— 半咸水区域（见图3）, 其中长73亚段和长72亚段盆内样品的分布区间和中位数值均较盆缘的大, 反映了盆缘水体盐度稍高的特点。Th/U与Sr/Ba的判别图中, 样品点主要分布在微咸水— 半咸水区域, 其次分布在淡水— 微咸水区域（见图6）。判识长7段沉积期沉积水体整体陆相微咸水— 半咸水的沉积环境。

图5 鄂尔多斯盆地长7段古盐度地球化学指标变化特征

图6 鄂尔多斯盆地长7段古盐度分析判别图

综合Sr/Ba、B元素、Rb/K2O、Th/U等方法的分析, 结合张文正等[41, 42]恢复的古湖泊沉积环境为淡水环境, 综合判识长7段沉积期为陆相微咸水— 淡水的水体性质。

3.2 古氧化还原环境

沉积环境氧化还原性判断要选取对氧化还原性敏感的元素进行分析, 一般认为V、Cd、Cr、Co、Cu、U等主量元素和Zn、Fe、Cu等微量元素对环境氧化还原性较为敏感[21]。样品在还原条件下, 水体中的V比Ni能以更有效的有机络合物形式沉淀下来[24], V/（V+Ni）值被广泛应用于沉积环境氧化还原性的判识[23]。

Jomes等通过对西北欧地区上侏罗统暗色泥岩的古沉积环境研究认为, V/（V+Ni）大于0.77为缺氧、极贫氧环境, 0.60~0.77为贫氧、次富氧环境, 小于0.6为富氧环境[21]。Hatch等认为V/（V+Ni）小于0.46为氧化环境, 0.46~0.57为弱氧化环境, 0.57~0.83为缺氧环境, 0.83~1.00为缺氧、极贫氧环境[24]。李广之等认为V/（V+Ni）小于0.5指示氧化环境, 大于等于0.5指示还原环境[43]。

虽然不同学者划分标准有所差异, 但都认为随着水体还原程度的逐渐增加, V/（V+Ni）逐渐增大。延长组长7段V/（V+Ni）最小值均大于0.5, 主要分布在0.70~0.85（见图2）, 平均值为0.78（见表1）, 反映了主要为贫氧、缺氧的还原环境。箱线图中, 盆缘样品的V/（V+Ni）分布区间及中位数均较盆内样品低（见图3）, 总体反映了盆内的还原性比盆缘更强些。长73亚段有较多的值分布在0.8~1.0（见图2）, 长73亚段、长72亚段和长71亚段V/（V+Ni）均值分别为0.79、0.78、0.77, 均表明为缺氧的还原环境。

综合对比分析长7段各小段元素地球化学特征的差异性, 在沉积水体为陆相淡水、还原性的沉积环境下, 存在自长73亚段到长71亚段沉积期古气温呈微弱升高、还原性降低的特征。在古沉积环境恢复的基础上, 选取了位于半深湖— 深湖沉积区域的长7段全取心井CH96井, 系统分析了古沉积环境演化特征（见图7）, 总体反映出该区长7段沉积期为温度较高的温带— 亚热带气候, 自长73亚段到长71亚段温度存在变高的趋势, 为缺氧的还原性淡水沉积环境。

4 古沉积环境恢复的地质意义

由上述分析可知, 长7段沉积期在温暖潮湿的温带— 亚热带气候条件下, 水系发育、光照充足、物源区风化程度高, 更多的营养物质被水流带入湖盆中, 为浮游生物勃发创造了有利条件, 具有极高的生物生产力。由于降雨量丰富, 水域面积大, 水体较深, 为缺氧的强还原环境, 有机质得以大量保存。温暖潮湿气候可形成稳定繁盛的植被, 陆地上土壤受到固结, 通过河流及风等搬运到湖泊中的无机碎屑较少, 从而降低了无机组分对有机质的稀释作用。长7段沉积期有利的气候条件为高有机碳含量、大面积厚层烃源岩的形成奠定了极好的基础。降雨量充沛、温度稍低、还原性最强的长73亚段, 最有利于有机质发育和保存, 有机质丰度高, 有机碳含量最高可达20%左右, 形成了中生界最为主要的一套烃源岩。

同时, 长73亚段适宜的温度、充沛的降水量、大面积淡水湖盆、还原性最强的古沉积环境特点, 有利于有机质大量发育和富集保存, 为大规模页岩油的富集创造了有利条件。长72亚段和长71亚段沉积期, 气温有所升高, 蒸发量较之前变大, 水体有所变浅, 古沉积环境的变化导致细砂及粉砂质的沉积岩在湖盆中部开始发育, 致密砂岩与烃源岩紧邻接触, 为致密油发育创造了良好条件。

图7 鄂尔多斯盆地CH96井长7段古沉积环境特征综合柱状图

5 结论

鄂尔多斯盆地长7段沉积期为古气温大于15 ℃的温暖潮湿的温带— 亚热带气候, 沉积期水体为陆相微咸水— 淡水水体, 沉积物是在强还原条件下形成的。适宜的温度、大面积深水湖盆、强还原性的古沉积环境, 导致长73亚段有机质大量发育和富集保存, 既形成了一套优质烃源岩, 同时也为大规模页岩油的富集创造了有利条件。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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