鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖地球化學特征研究*

強娟，曹紅霞，張憲旭，韓小琴，吳海燕，尚婷

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安710075; 2.中煤科工集團西安研究院，陜西西安710077)

鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖地球化學特征研究*

強娟1，曹紅霞1，張憲旭2，韓小琴1，吳海燕1，尚婷1

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安710075; 2.中煤科工集團西安研究院，陜西西安710077)

∶稀土元素分析是一種判別白云巖化流體來源，分析白云巖的形成環境的重要手段。鄂爾多斯盆地中東部白云巖以明顯高的Fe含量和低的Na，Sr和Mn含量為特征，白云巖化流體主要為海水或與海水有關，未受或很少受到大氣淡水的影響。稀土元素配分圖顯示所有白云巖樣品的曲線形態類似，都呈輕稀土富集和重稀土虧損的右傾模式，且具有Eu負異常和Ce的負異常，δEu平均值為0.45，Ce的平均值為0.35，表明白云巖形成于相對偏堿性還原環境，又受到后期構造熱液流體的影響和改造;三類白云巖的的模式都與泥微晶灰巖相近，也說明白云化流體與海水或海源流體相關;綜合鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖地球化學特征可以判斷出區內白云巖的形成環境是相對還原的堿性環境。

∶鄂爾多斯盆地中東部;稀土元素;海源流體;還原環境

Key words∶central and eastern part of Ordos Basin;rare earth element;marine fluid;reducing environment

0 引言

稀土元素通常作為一種示蹤劑可以反映地球化學過程，可以通過分析稀土元素來研究巖石和沉積物的地球化學作用［1-3］。

自然界中的絕大部分流體(海水、大氣水和地下水等)的REE量一般僅為10-12～10-10，這種低含量的REE，不能對原巖的稀土元素造成改變［4］。實驗證明，要改變原巖的稀土元素含量只有只有成巖流體與巖石的體積比＞104［5］，因此，白云巖化后的成巖作用對白云巖的稀土元素組成及其地球化學特征影響作用不大，所以可以通過研究稀土元素特征，來研究白云巖化流體來源，分析白云巖的形成環境。

鄂爾多斯盆地地處華北臺地的西部，奧陶紀末加里東運動使盆地整體抬升，造成下古生界碳酸鹽巖地層出露地表，接受長達約1.5億年的風化剝蝕以及大氣淡水淋濾作用，形成了分布廣泛的巖溶地貌，奧陶系馬家溝組為內克拉通臺地陸表海碳酸鹽巖沉積，臺地內發育碳酸鹽巖沉積物間夾蒸發巖(硬石膏和鹽巖)沉積。鄂爾多斯盆地中東部位于盆地巖溶斜坡部位，下古生界奧陶系具有良好的勘探開發前景。隨著下古生界碳酸鹽巖天然氣勘探與開發的不斷深入，已積累了部分研究資料，但是對下古生界奧陶系白云巖儲層流體性質及成因環境等方面的研究程度尚未涉及，缺乏系統的、較成熟的研究成果［6-7］。

鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖是盆地重要的油氣儲集層，關于馬家溝馬家溝組白云巖的成因問題多年來一直是個熱點話題，經過地質學家長期不懈的探索，提出了以下幾種白云化機制∶準同生白云巖化［9-10］、混合水白云巖化［8-9］、埋藏白云巖化［11］、成巖白云巖化及熱液白云巖化等［13］。

通過對鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖稀土元素地球化學特征分析對研究區白云巖化流體性質及其成因環境進行進一步的分析研究，進一步增加人們對鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖形成地質環境的認識，為該區域白云巖研究提供稀土元素地球化學參數，為該區天然氣勘探提供有利的理論支持。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，根據盆地的地質演化史及構造特征，可以把盆地劃分為伊盟隆起、伊陜斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶、天環坳陷和西緣逆沖帶6個構造單元(圖1)，本文的研究范圍位于鄂爾多斯盆地的中東部，研究區奧陶系馬家溝組為內克拉通臺地陸表海碳酸鹽巖沉積，碳酸鹽巖沉積物厚度變化較大從數百米到千余米，沉積物中夾硬石膏和鹽巖等蒸發巖。

圖1 研究區構造單元劃分與位置圖Fig.1 Division of tectonic units and sites in the study area

2 樣品采集與測試方法

本次研究共選取馬家溝組白云巖樣品20塊，樣品均來自研究區鉆井的新鮮巖心，采樣時要避免污染，保證樣品的純潔。在分析之前，對所選樣品進行了陰極發光和鑄體薄片(茜素紅染色)的鏡下鑒定，對樣品詳細分類。選取樣品用瑪瑙研缽研磨并過200目篩后，用塑料樣品袋包裝，送西北大學大陸動力學實驗室進行微量及稀土元素分析，每份樣品重量保證大于等于10 g.

微量元素測定之前先進行樣品分解，為了保證樣品完全溶解，分解樣品采用硝酸+氫氟酸+高氯酸敞開容器分解法與硝酸+氫氟酸密閉容器消解法相結合。這種方法與堿溶法相比不帶入任何金屬離子，同時氫氟酸和硝酸易于純化，污染小，分析本底低，測定限低。稀土元素是在ICP-MS上測定的，實驗中使用的儀器型號為美國ELAN6100DRC型電感偶合等離子質譜儀。

3 巖石學特征

對選取樣品進行薄片鑒定，研究區馬家溝組白云巖主要類型如下。

3.1 微晶白云巖

巖石主要由細粉晶級白云石組成，粒徑在0.02～0.03 mm，較致密，大多數巖石孔隙不發育，局部見有溶蝕孔，微裂縫、壓溶縫發育，被硅質礦物、泥巖等充填，孔隙連通性差，滲透率低。

3.2 亮晶白云巖

巖石成分主要為白云石、方解石，泥微晶結構;見構造縫，最寬達25μm，內充填方解石較完全。白云巖結晶較好的可達細晶結構。

3.3 泥晶白云巖

巖石主要由泥晶(＜0.005 mm)物質組成。泥晶粒徑0.01～0.02 mm占25%，其余皆＜0.005 mm，它形，粒狀物。見少量黃鐵礦、伊利石及極少量硅質(＜5%)，裂縫充填物主要為方解石。

4 微量地球化學特征

微量元素中的Fe，Mn，Sr，Na可以用來判別碳酸巖成巖作用和成巖過程中流體特征。Mn，Fe元素在海洋環境中含量低，而在大氣水成巖環境中強烈富集，Sr可以用來示蹤海水及其派生流體特征，Na則可以反應出成巖流體的鹽度［15］。

鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖微量元素測試結果見表1，主要表現出Fe含量比較高，Na，Sr和Mn含量低的特征。

現代海洋白云石中的Na，Sr含量比較高(加勒比、阿拉伯海灣、得克薩斯的現代海洋白云石Na含量達(3 000～10 000)×106)［14］，古代白云石Na含量較低僅有(900～1 000)×106［15］.研究區白云石的Na平均含量為205.60×106，不僅遠遠低于現代海洋白云石Na的含量，而且比古代白云石Na的含量還要低很多，這種低值不僅說明了白云石可能形成于鹽度較低的海水，同時也可以看出白云巖在形成過程中受到淡水淋濾和埋藏的作用影響，自身的Na被成巖過程的流體帶走，使得Na含量下降較多。研究區整體Na的變化不大，說明成巖作用對白云石的影響比較均勻。

在相對封閉的成巖體系中，水和巖石基本不發生作用，母體碳酸鹽的礦物成分決定了微量元素的含量。一般來說Sr(600～5 000)×106含量較高的白云石是由含有高的Sr含量(10 000～80 000)×106的海相文石形成的。海相高鎂方解石和低鎂方解石Sr含量比較低(2 000～10 000)× 106，由它們所形成的白云石的Sr含量也比較低低(300～2 000)×106，而有很低的Sr含量的低鎂方解石母體會形成Sr含量很低的白云石［15］。根據上述理論，研究區的白云石Sr含量很低(表1)，很可能是因為形成它們的母體是低鎂方解石;成巖過程中淡水淋濾的發生，也可能把白云石中的Sr溶解到水中帶走，造成巖石中Sr含量變低。

表1 馬家溝組白云巖主微量元素含量Tab.1 Trace element content of dolom ites in the Majiagou formation(×10-6)

在碳酸鹽巖成巖作用中其物質來源和孔隙水的氧化-還原電位決定了Fe和Mn的濃度。孔隙水處于還原環境，在還原環境中，成巖作用強度不斷的增加，Fe，Mn在孔隙水溶液的含量也隨之不斷增大。海水處于氧化條件，因此Fe，Mn在海水中的含量比較低，現代海洋環境中，以文石為主的灰泥Fe含量較低，Mn的含量小于200×106.研究區白云巖Fe含量比較高(表1)，說明白云巖化發生在還原環境中，受到埋藏作用的影響;研究區Mn含量有些高于海相灰巖有些低于海相灰巖，高的Mn值說明白云化過程中有些受到了大氣淡水的影響，低的Mn值說明白云巖化流體主要是海水流體或與海水有關的流體，未受或很少受到大氣淡水的影響。

5 稀土元素地球化學特征

稀土元素(REE)配分模式能夠反映白云巖化提供物質的來源信息，可用來判別白云巖化流體性質及形成環境。隨著氧化還原環境的變化，物理化學條件也發生，Ce3+和Eu3+很容易隨著環境的變化變價為難溶或者是易溶的離子，溶解于巖溶流體中或者是從巖溶流體中分餾出來，使得稀土元素含量出現異常，因此稀土元素特征研究是一種判斷成巖環境的有利手段。探區內三類的白云巖REE測試結果見表2，利用球粒隕石和NASC (北美頁巖)標準值分別對白云巖的稀土元素含量進行標準化，研究區三類白云巖配分模式，如圖2所示。

從白云巖球粒隕石標準化圖(圖2(a))中可以看出，此次測得的所有白云巖樣品的曲線形態類似，都呈輕稀土富集和重稀土虧損的右傾模式，且具有弱的Eu異常;在相對堿性溫度較低的環境中，Eu3+被還原為Eu2+，Eu2+比較容易溶解在流體中，由于Eu3+電價改變和遷移作用的發生，使得巖石中的Eu的含量降低，造成了Eu負異常(δEu＜1);在溫度較高或者是氧化環境中，Eu3+往往被氧化為Eu4+，Eu4+難溶解于流體，使得Eu的含量增加，表現出了Eu正異常(δEu＞1)，

圖2(a)表明鄂爾多斯盆地中東部白云巖大多有些具弱-中等Eu負異常(平均值為0.45)，說明這些白云巖中的Eu3+被還原為易溶的Eu2+，使得Eu含量減少，反映出白云巖形成于相對偏堿性的還原環境。

表2 鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖稀土元素質量分數Tab.2 REE of dolom ites in the M ajiagou form ation of the central and eastren part of O rdos Basin(×10-6)

圖2 馬家溝組白云巖準化稀土元素配分圖Fig.2 REE distribution of dolomites in the Majiagou Formation

不同來源的流體，稀土元素的含量不同，受到環境的影響不同，表現出的REE配分模式也不相同，因此可以對稀土元素配分模式形態進行研究分析，來推測流體的性質和物質來源。在北美頁巖標準化配分圖中(圖2(b))，白云巖的REE配分模式都比較接近，說明些白云巖化流體具同源性。

Ce元素比較敏感，在氧化環境和還原環境中容易與其他三價的稀土元素發生分餾作用，在氧化環境中Ce3+變價為Ce4+，Ce4+很難與巖溶流體相溶，就會優先進入沉積物中，而巖溶流體由于Ce3+的變價轉移，使得流體中的Ce的含量減少，就會表現出Ce的負異常，因此可以用Ce的負異常程度來反映巖溶流體受到氧化環境影響的程度。從表2和圖2(b)可見，白云巖具Ce明顯負異常(平均值0.35)，說明這類白云巖形成于相對還原環境，又受到后期構造熱液流體的影響和改造。

圖3 灰巖與白云巖球粒隕石標準化配分圖Fig.3 REE distribution of limestones and dolomites in the Majiagou formation

泥晶灰巖受成巖蝕變小，可代表原始海水的相關信息，它可以用來表示白云巖形成時海水的特征，可以用它進行對比分析來判別白云巖的成因。從灰巖與白云巖球粒隕石配分圖(圖3)可以看出鄂爾多斯盆地中東部三類白云巖的的模式都與區內泥微晶灰巖相近，說明該區白云化流體與海水或海源流體相關。研究區微晶白云巖的稀土元素含量值高于泥晶灰巖稀土元素含量值(圖3)，說明在白云巖化的過程中，稀土元素發生了遷移，使得稀土含量變低，白云巖化就是稀土元素發生轉移含量變少的一個過程，白云巖中Mg/Ca值相對較高代表了白云巖化作用發生在偏堿性的環境，在相對堿性環境中稀土元素的更容易發生活化和遷移。研究區中亮晶白云巖和泥晶白云巖的稀土元素的含量相對于泥晶灰巖和微晶稀土稀土元素含量較高，說明在白云巖形成后又受到外來的巖溶流體的影響，把外界其他物質帶到白云巖中，使得白云巖的稀土含量有所增加。而研究區白云巖受到流體影響后的模式依然和灰巖相近，說明了這種外來的巖溶流體與海水相關，受到海水的影響較大。

6 結論

1)鄂爾多斯盆地中東部白云巖可以分為亮晶白云巖，微晶白云巖和泥晶白云巖3類;

2)鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖Fe含量比較高，Na，Sr和Mn含量比較低，代表白云巖化流體主要為海水或與海水有關，白云化過程中未受或很少受到大氣淡水的影響;

3)從稀土元素分析結果來看，白云巖稀土配分圖都呈輕稀土富集和重稀土虧損的右傾模式，具有Eu和Ce負異常，說明白云巖形成于相對還原環境，又受到后期構造熱液流體的影響和改造;

4)研究區三類白云巖的的稀土配分模式圖與區內泥微晶灰巖相近，說明白云巖形成于相對還原環境，白云化流體與海水或海源流體相關。

總之，鄂爾多斯盆地中東部白云巖白云化作用流體主要是海水或海源流體，白云巖主要形成于相對還原的堿性環境。

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M ajiagou formation dolom ite geochem istry characteristics in the central and eastern part of Ordos Basin

QIANG Juan1，CAO Hong-xia1，ZHANG Xian-xu2，HAN Xiao-qin1，WU Hai-yan1，SHANG Ting1

(1.Research Institute of Yanchang Petroleum Group Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China; 2.Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp，Xi’an 710077，China)

∶Rare earth elements as an importantmean is used to study the flow dolomitization origin and formation environment analysis of dolomite.The dolomite is characterized by significantly higher Fe content and lower Na，Sr and Mn contents in the central and eastern Erdos Basin.Dolomitization fluid is mainly concerned with sea water or seawater，without or little affected by atmospheric water.The REE distribution map shows all dolomite samples with similar curve shape，are light REE enrichment and heavy REE deficit rightmode with a negative anomaly of Eu and Ce，δEu average value is0.45，the average value of Ce is0.35，the dolomite formed in relatively alkaline environment，and affected by the late tectonic hydrothermal fluid and transformation;three types of dolomite patterns are similar to themicritic limestons，also shows that dolomitization fluid associated with seawater ormarine fluid.Synthesis Formation dolomite geochemistry of Ordos Basin in the central and eastern Majiagou can determine dolomite formed in relatively reduced alkaline environment.

∶P 595.5

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0312

∶1672-9315(2015)03-0344-06

∶2015-03-14責任編輯∶李克永

∶強娟(1981-)，女，陜西西安人，工程師，E-mail∶qj81107@163.com