鄂爾多斯盆地東南部馬家溝組碳酸鹽巖碳氧同位素特征及意義

曹紅霞，尚 婷，吳海燕，王念喜，喬向陽(yáng)，馮 悅

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

鄂爾多斯盆地東南部天然氣的勘探開(kāi)發(fā)已取得一定成果, 發(fā)現(xiàn)延安大氣田(見(jiàn)圖1), 該氣田主力產(chǎn)氣層為古生界。 其中, 上古生界產(chǎn)氣層從本溪組到石盒子組， 沉積環(huán)境由海相、 海陸過(guò)渡相逐漸轉(zhuǎn)為陸相, 各層系地質(zhì)認(rèn)識(shí)較為明晰[1-5]； 下古生界主力產(chǎn)氣層為馬家溝組, 共分為6段, 其中馬一、馬三、馬五段由含膏白云巖與硬石膏巖、鹽巖及石灰?guī)r組成,馬二段、馬四段及馬六段以石灰?guī)r為主,夾少量白云巖[6-10]。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系沉積厚度與研究區(qū)樣品采集位置Fig.1 Ordovician sedimentary thickness and study area location of the Samples collected in Ordos Basin

對(duì)于該區(qū)下古生界馬家溝組碳酸鹽巖的研究,前期主要集中在沉積環(huán)境與巖相古地理[6-10]、巖溶古地貌發(fā)育特征[11-12]、儲(chǔ)層特征[13-14]、成藏條件及規(guī)律[15-17]等方面。候方浩[7]認(rèn)為，馬一、馬三、馬五沉積時(shí)氣候干熱,海平面下降,具深拗陷海水濃縮成鹽特征;馬二、馬四沉積期氣候濕熱,海平面上升,發(fā)育石灰?guī)r白云巖；馬六沉積期,推測(cè)中央古隆起以東屬石灰?guī)r陸棚環(huán)境。史基安[8]以龍?zhí)?井為例，對(duì)鄂爾多斯盆地東部馬家溝組馬一段到馬五段的沉積環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)研究；由于掌握的資料有限,對(duì)于馬六段沉積期，僅提出主要沉積石灰?guī)r和白云巖,而缺乏系統(tǒng)研究,認(rèn)識(shí)尚存在諸多未知因素。辛勇光[9]認(rèn)為，古構(gòu)造背景控制著馬家溝組的沉積特征及演化,并在此基礎(chǔ)上宏觀建立了馬家溝組障壁潟湖沉積模式；但對(duì)各層段的沉積演化論述較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)系統(tǒng)采集馬五段—馬六段碳酸鹽巖樣品, 對(duì)其碳氧同位素的組成特征、ω(Mn)/ω(Sr)比值及各小層巖性的宏觀微觀資料進(jìn)行對(duì)比分析,詳細(xì)查明研究區(qū)馬家溝組馬五段—馬六段沉積期的古環(huán)境演化特征,以期為后續(xù)地質(zhì)研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

中奧陶世末,由于晚加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使華北地塊整體抬升,鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了1.3億年的沉積間斷,盆地主體缺失晚奧陶世至早石炭世的沉積，因處于淺海環(huán)境,沉積類型主要為碳酸鹽巖[6-7,10]。馬家溝組地層頂部由于經(jīng)受了長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕及淋濾作用,風(fēng)化殼及其溶蝕孔、洞、縫發(fā)育[6,12,15]現(xiàn)已在研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖沉積層發(fā)現(xiàn)一定的天然氣資源(見(jiàn)圖2)。

圖2 下古生界馬家溝組巖性柱狀綜合剖面圖Fig.2 Lithologic columnar composite profile of Majiagou Formation in Lower Paleozoic

鄂爾多斯盆地東南部馬家溝組目前鉆遇的層位主要有馬五段及馬六段。馬五段以泥晶白云巖、粉晶白云巖為主,含膏斑;馬六段以泥晶灰?guī)r為主。由于受到構(gòu)造隆升剝蝕和古河道下切侵蝕作用的影響,馬六段殘余地層主要存在于研究區(qū)中部,地層厚度變化較大，介于15～47 m。從整個(gè)區(qū)域來(lái)看,馬五期沉積厚度最大區(qū)域在鄂爾多斯盆地中東部米脂拗陷,厚度大于360 m(見(jiàn)圖1)。在環(huán)縣—慶陽(yáng)一帶,馬五段減薄或缺失,為近南北向延伸的中央古隆起,西南部為韓城隆起。

2 采集樣品的特征與測(cè)試分析

穩(wěn)定碳氧同位素分析,不僅對(duì)鑒別各類巖溶作用、基巖的成巖作用、膠結(jié)充填物的起源和形成條件提供了地球化學(xué)證據(jù),而且是反映沉積環(huán)境的良好載體,其可行性和可靠性已得到大量研究的證實(shí)[18-32]。

本研究共采集25口井(見(jiàn)圖1)的新鮮巖石樣品40塊(見(jiàn)表1),在樣品采集過(guò)程中,避開(kāi)了巖脈充填部位,并盡量排除結(jié)晶程度較高的巖石樣品,以保證樣品的可用性。所取樣品包括馬五段粉晶、泥晶白云巖28塊和馬六段泥晶灰?guī)r12塊。粉晶、泥晶白云巖(見(jiàn)圖3a,b,c,f,g,h)局部含藻類(見(jiàn)圖3a)或膏斑溶孔(見(jiàn)圖3b),縫洞發(fā)育(見(jiàn)圖3c);泥晶灰?guī)r相對(duì)較為致密,晶間孔隙不發(fā)育,溶蝕孔發(fā)育也較弱(見(jiàn)圖3d,e)。

a A113 馬五段含藻類粉晶白云巖，微裂隙充填方解石，巖心照片；b A158 馬五段粉晶云巖，含膏斑溶孔，溶孔直徑平均3 mm，被方解石全充填或半充填，巖心照片；c A163 馬五段粉晶白云巖，巖心縫洞較發(fā)育，全充填，充填物為泥質(zhì)，巖心照片；d A 150 馬六段泥晶灰?guī)r，泥晶結(jié)構(gòu)為主，見(jiàn)少量細(xì)粉晶—粗粉晶結(jié)構(gòu)，含少量泥質(zhì)，且分布不均，局部富集，巖心縫洞較發(fā)育，全充填，充填物主要為方解石，局部為黃鐵礦，巖心照片； e A 159 馬六段泥晶灰?guī)r，膠結(jié)類型以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，白云石化較弱，孔隙類型以晶間孔為主，溶蝕孔發(fā)育較弱，微裂縫發(fā)育較弱，SEM照片1700×； f A 254 馬五段粉晶白云巖, 白云石粒徑大多為0.03～0.05 mm，礫化作用，使巖石變?yōu)榻堑[狀，由于后期整體泥晶化作用改造，使大多數(shù)原始結(jié)構(gòu)趨于消失，顯微照片(-)；g A 313馬五段溶蝕泥晶白云巖，白云石自形晶，粒徑0.05～0.06 mm，極為均一，后期去白云巖化作用， 使得白云石表面濁化-泥化變?yōu)槟嗑В?顯微照片(-)； h A 413 馬五段白云巖， 自形晶， 粒徑0.03～0.04 mm，成巖初期界質(zhì)動(dòng)蕩，自碎為角礫狀碎屑狀，流體交代與去白云石化作用，使得Fe質(zhì)大量逸出呈云霧狀、粉塵狀，顯微照片(-)圖3 研究區(qū)樣品巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of samples in study area

所采集樣品的測(cè)試分析全部在中國(guó)科學(xué)研究院地球環(huán)境所完成, 應(yīng)用磷酸法, 測(cè)試儀器為KielⅢ碳酸鹽裝置與MAT252氣體質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)完成(采用PDB標(biāo)準(zhǔn))。 樣品的分析精度,δ13C優(yōu)于±0.06‰,δ18O優(yōu)于±0.08‰。同時(shí)測(cè)定了Mn，Sr含量。樣品用HF+HNO3混合酸分解,采用外標(biāo)校正法在電感等離子光譜儀ICP-AES測(cè)主量元素,采用Rh內(nèi)標(biāo)法在電感等離子質(zhì)譜儀ICP-MS測(cè)微量元素。準(zhǔn)度及精度由控制樣品及重復(fù)樣品監(jiān)控,誤差<2%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)分析之前,首先對(duì)采集樣品的原始性進(jìn)行檢驗(yàn),驗(yàn)證其是否發(fā)生過(guò)后期成巖蝕變。前人研究主要通過(guò)ω(Mn)/ω(Sr)、δ(18OPDB)、δ(13CPDB)和δ(18OPDB)的相關(guān)性等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行判斷[24-27]。其標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)ω(Mn)/ω(Sr) <3,指示樣品代表性很好；當(dāng)其值處于3～10,表示樣品具有一定代表性。當(dāng)δ(18OPDB)<-10‰時(shí),意味著樣品已發(fā)生了強(qiáng)烈蝕變, 不具有代表性； 當(dāng)-10‰<δ(18OPDB) <-5‰時(shí),其氧同位素值與沉積時(shí)含量組成稍有變化,但相應(yīng)的碳同位素值變化不大,仍可以代表原始地層的沉積特征;若δ(13CPDB)和δ(18OPDB)不具有明顯的相關(guān)性,則指示樣品保持了原始地層的沉積特征。本次研究樣品測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1,其中ω(Mn)/ω(Sr) 平均值為1.4,小于3的樣品占95%;δ(18OPDB) 平均值為-8.34‰,小于-10‰的樣品有2塊,在-10‰～-9‰的樣品有3塊;δ(13CPDB)和δ(18OPDB)的相關(guān)性較低(見(jiàn)圖4),相關(guān)系數(shù)僅為0.18。綜上分析,大部分所采集樣品對(duì)原始地層的沉積特征具有代表性。

3.1 碳氧同位素組成特征

研究區(qū)各小層不同巖類碳氧同位素測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1,其δ13C值在馬五段白云巖中的變化為-1.33‰～1.01‰(PDB),平均值-0.14‰(PDB),在馬六段灰?guī)r中的變化為-6.75‰～0.92‰(PDB), 平均值-2.91‰(PDB);δ18O值，馬五段變化為-9.58‰～-6.46‰(PDB),平均值-8.08‰(PDB),馬六段變化為-11.36‰～-7.33‰(PDB),平均值-8.96‰(PDB)。

表1 碳酸鹽巖碳氧同位素分析數(shù)據(jù)Tab.1 Carbon and oxygen isotopic data of carbonate rocks

續(xù)表1

圖4 馬家溝組碳酸鹽巖δ18O、δ13C同位素分布Fig.4 The δ18O and δ13C values distribution of Majiagou Formation carbonate rocks

從δ13C，δ18O同位素值分布圖(見(jiàn)圖4)可知，馬六段δ13C，δ18O同位素值分布較馬五段更為離散,且不同層位的碳、氧同位素分布也具有一定的規(guī)律性:馬五段白云巖δ13C，δ18O值為低中負(fù)值;馬六段石灰?guī)rδ13C，δ18O值為高負(fù)值。馬六段的值較馬五段發(fā)生了明顯的負(fù)漂移,且馬六段的值變化范圍更寬。這一特征與白云巖和灰?guī)r形成時(shí)的沉積環(huán)境及后期成巖作用相關(guān)：馬五段白云巖形成時(shí),海平面下降,水深較淺,是一種高鹽、干旱炎熱的蒸發(fā)環(huán)境[7],海水中碳氧輕同位素蒸發(fā),重同位素富集,從而使得所形成的白云巖中δ13C，δ18O同位素值升高,且分布集中;馬六段灰?guī)r形成時(shí)海平面上升,水體變深,氣候濕熱[7],測(cè)試樣品的δ13C，δ18O同位素含量卻整體變低。這與前人研究所得出的海平面上升對(duì)應(yīng)δ13C增加不符[24,27],其原因?qū)⒃?.3節(jié)加以分析。

3.2 碳氧同位素與古鹽度

海水中氧同位素(18O/16O)較穩(wěn)定,δ18O值為零左右,不超過(guò)1‰,但隨著海水鹽度的增高而增高。大氣降水成因的淡水δ18O值低于零,最低達(dá)-50‰。現(xiàn)代大洋中δ13C為-1‰～2‰,淡水中δ13C為-11‰～-5‰。由此可見(jiàn),δ18O與δ13C值的高低均與海洋水體的鹽度有一定關(guān)系,其變化趨勢(shì)都是鹽度越高,δ值越高。對(duì)于侏羅紀(jì)至現(xiàn)代的樣品,基斯和韋伯把δ18O與δ13C值結(jié)合起來(lái)用以指示古鹽度[20],并推導(dǎo)出水體鹽度的判別公式,從而可定量區(qū)分出其形成環(huán)境為咸水或淡水環(huán)境:

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)。

公式中，Z為鹽度指示劑,Z值大小與鹽度直接相關(guān)。但是，能否應(yīng)用Z值作為定量指標(biāo)來(lái)判斷侏羅紀(jì)以前沉積更早樣品的古鹽度, 還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證[24-25]。 本文通過(guò)Z值與δ(13CPDB)值和δ(18OPDB)值的相關(guān)性分析表明,δ(13CPDB)值與Z值的相關(guān)系數(shù)為0. 994,具有較高的相關(guān)性,而δ(18OPDB)值與Z值相關(guān)系數(shù)為0.498(見(jiàn)圖5),相關(guān)性低。因此,在本區(qū)Z值不作為定量指標(biāo)來(lái)判斷古鹽度,只作為相對(duì)參考值。

圖5 δ(13CPDB)和δ(18OPDB)值與Z值相關(guān)關(guān)系Fig.5 The relation among the δ18O , δ13C and Z values

3.3 沉積環(huán)境響應(yīng)及意義

前人研究結(jié)果表明:當(dāng)Z>120,可確定其形成環(huán)境為海水成因;當(dāng)Z<120,其形成環(huán)境為淡水成因;當(dāng)Z=120,為未定石灰?guī)r[14]。

研究區(qū)Z值計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)顯示:馬五段白云巖大都在120以上,平均122.36,產(chǎn)于高鎂咸水環(huán)境;馬六段灰?guī)rZ值大部分在120以下,平均117.63,處于半咸—淡水沉積環(huán)境。結(jié)合區(qū)域沉積背景與前人研究成果可進(jìn)一步證實(shí)研究區(qū)馬五段—馬六段沉積環(huán)境演化特征。鄂爾多斯盆地在馬五時(shí)，華北地臺(tái)的古氣候周期性轉(zhuǎn)變?yōu)楦蔁?盆地基底又抬升,海平面下降[7,9],又表現(xiàn)出快速海侵和緩慢海退的特征,海水蒸發(fā)量增大，鹽度升高,輕同位素蒸發(fā),重同位素富集,“深拗成鹽”時(shí)期再次出現(xiàn),隆間洼地為白云巖發(fā)育區(qū),盆地東南部為以白云巖為主的緩坡沉積(見(jiàn)圖6)。

圖6 馬五1沉積模式圖Fig.6 The sedimentary pattern of M51

圖7 馬六段地層出露圖Fig.7 Stratigraphic outcrop of M6

馬六段(相當(dāng)于峰峰組)沉積環(huán)境與巖相發(fā)育特征:馬六期華北地臺(tái)氣候又轉(zhuǎn)為濕熱,再次發(fā)生海侵,灰?guī)r陸棚環(huán)境發(fā)育[7,9]。由于加里東運(yùn)動(dòng)后一億三千多萬(wàn)年漫長(zhǎng)的剝蝕,東部陸棚可見(jiàn)厚度不等的馬六段灰?guī)r地層,其他地區(qū)均被剝蝕(見(jiàn)圖7)。王起琮認(rèn)為,泥晶灰?guī)r為局限海臺(tái)地在海侵階段的沉積產(chǎn)物,其成巖環(huán)境溫度較低,具有明顯的淡水成巖環(huán)境的特征,碳氧同位素值呈低值[28]。馬六期灰?guī)r由于長(zhǎng)期裸露地表,受到大氣淡水淋濾作用的影響，加之早期巖溶作用，膏、鹽層溶蝕或形成溶洞，造成上覆泥晶灰?guī)r層坍塌并原地堆積，從而使角礫泥晶灰?guī)r發(fā)育(見(jiàn)表1)；其碳氧同位素值較低,這是馬六段灰?guī)r出現(xiàn)碳同位素值變化與海平面上升不一致的主要原因。

碳同位素的變化也被用于指示烴源巖的發(fā)育程度[24],碳同位素的正向偏移表明有機(jī)質(zhì)被有效地保存在沉積物內(nèi),因生物同位素分餾作用造成了碳酸鹽巖的δ13C 值增加。馬五期海平面大規(guī)模下降,可容空間減少,沉積速率減小,單位時(shí)間和體積內(nèi)沉積的有機(jī)質(zhì)得到高度“濃縮”,從而有利于高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖的形成。

4 結(jié) 論

1)鄂爾多斯盆地東南部馬家溝組馬五段、 馬六段碳酸鹽巖碳氧同位素測(cè)試結(jié)果具有明顯的規(guī)律, 不同區(qū)域、 不同層位樣品的碳氧同位素組成分布都較為離散。 馬五段沉積期粉晶白云巖δ13C、δ18O值為低中負(fù)值;馬六段泥晶灰?guī)rδ13C、δ18O值為高負(fù)值,且馬六段的灰?guī)r碳氧同位素值變化范圍更寬。這一特征與白云巖和石灰?guī)r形成所需的水體環(huán)境相吻合：白云巖形成時(shí)水深較淺,是一種高鹽、干旱炎熱的蒸發(fā)環(huán)境,海水中碳氧輕同位素蒸發(fā),重同位素富集,從而使得白云巖中δ13C、δ18O同位素值升高,且分布集中;馬六期形成的灰?guī)r由于長(zhǎng)期裸露地表,受到大氣淡水淋濾作用的影響,次生晶粒灰?guī)r發(fā)育,其碳氧同位素值較低。

2)研究區(qū)δ(13CPDB)值與Z值相關(guān)系數(shù)為0. 994,具有較高的相關(guān)性,而δ(18OPDB)值與Z值相關(guān)系數(shù)為0.498,相關(guān)性低,只作為本區(qū)古鹽度分析的相對(duì)參考值。馬五段粉晶白云巖的Z值大都在120以上,指示高鎂咸水環(huán)境;馬六段泥晶灰?guī)r的Z值大都在120以下,指示淡水成因。

3)通過(guò)碳氧同位素沉積環(huán)境分析可知,鄂爾多斯盆地東南部馬家溝組馬五段沉積期處于海退期,氣候干旱炎熱,處于蒸發(fā)環(huán)境,海水咸度較大,可容空間減少,海水深度增加使沉積速率減小,單位時(shí)間和體積內(nèi)沉積的有機(jī)質(zhì)得到高度“濃縮”,從而有利于烴源巖的形成。