鄂爾多斯盆地馬家溝組四段、五段儲層地球化學特征及成因分析

陸經化，尹先鋒，鄧淘，郭紅光，雙建紅，李凱，郭長海，劉凱

中國石油測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710201

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖是油氣勘探的重要目的層系[1]。自20世紀90年代以來，鄂爾多斯盆地已開展奧陶系碳酸鹽巖油氣勘探及研究工作。前人在該層系的沉積、儲層、構造演化等方面取得了較好的研究成果[2]，認為馬家溝組碳酸鹽巖儲層的儲集空間主要為溶孔、洞、縫系統，馬家溝組自源型天然氣聚集潛力大于環鹽洼相區，其優質儲層的發育受控于古環境和古巖溶地貌[3-5]。

碳酸鹽巖同位素及微量元素地球化學分析是研究古環境和古氣候的重要手段[6-8]，能夠為恢復古地貌提供定量依據。鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖同位素及微量元素地球化學分析研究程度相對較低，古環境和古氣候研究缺少定量數據的約束。為此，筆者開展了鄂爾多斯盆地馬家溝組主要含油氣層四段(以下簡稱馬四段)和五段(以下簡稱馬五段)碳酸鹽巖儲層的C、O和Sr同位素及多種微量元素的實驗分析，研究其物質來源和古沉積環境，探討其形成因素。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地塊西部，是典型的克拉通盆地，具有穩定沉降、扭動遷移和多旋回等地質特征[9]。鄂爾多斯盆地經歷了早古生代淺海臺地和晚古生代近海平原兩大沉積旋回，形成了發育穩定的碳酸鹽巖沉積。鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖具有較好的油氣儲集條件，成為鄂爾多斯盆地油氣勘探的重要層系，具有較大的勘探潛力[7]。馬家溝組主要巖性為白云巖和灰巖等碳酸鹽巖，夾雜有膏巖、鹽巖，依據旋回特征及巖性組合可分為6個段，其中馬四段、馬五段為主要含油氣層，也是該次研究的主要目的層。

2 樣品與數據

樣品主要取自于鄂爾多斯盆地東部的奧陶系馬家溝組，深度段為2500～2950.2m，巖性為無色石鹽、含膏鹽巖、膏質白云巖、白云質膏巖和膏鹽層等(見圖1)。馬家溝組巖性從下到上依次為：鹽巖、膏鹽巖、石膏層、白云巖、灰巖，表現出海平面變深的特征，總體上為一個退積的層序。

注：(a)Y143井，馬五段5亞段，無色石鹽，略帶灰黑或淺銹紅，巖心呈長柱狀，透明或半透明；(b)Y143井，馬五段7亞段，灰色膏質白云巖，細粉晶結構，瓷狀斷口；(c)Y143井，馬五段9亞段，深灰色含膏鹽巖，巖心呈柱狀；(d)Y214井，馬五段5亞段，灰黑色灰質泥巖，灰質條帶與泥巖互層，可見水平層理；(e)Y214井，馬五段6亞段，無色石鹽，具粗粒結晶結構，層狀構造層，玻璃光澤；(f)Y291井，馬五段4亞段，白色鹽巖，中粗結晶結構，自形至半自形晶體，玻璃光澤，質純；(g)Y291井，馬五段5亞段，深灰色灰巖，泥晶-細粉晶結構，瓷狀斷口；(h)Y291井，馬五段10亞段，灰色石膏層，含少量泥質，吸水性強，遇水易分散；(i)S231井，馬五段6亞段，灰綠色泥巖，可見鹽團塊和黃鐵礦不均勻富集，質純。

3 地球化學特征

3.1 C、O同位素地球化學特征

碳酸鹽巖原始的O同位素組成受沉積水體的溫度和鹽度影響，可以在成巖作用中與大氣淡水發生同位素交換作用，也可以在埋藏過程中與熱水發生同位素交換作用，上述兩種作用都將使δ18O明顯降低。研究區馬四段、馬五段C、O同位素實驗數據(見表1)顯示，樣品中δ13C范圍在-3.37‰～1.17‰，δ18O范圍在-11.43‰～-5.02‰。樣品中δ18O嚴重負偏或過小，表明其同位素組成在埋藏期間受成巖作用影響，同位素數據原始性較差。當樣品中的δ18O<-5‰時，說明O同位素已發生一定程度的改變；當δ18O<-10‰時，說明O同位素經歷了較為強烈的成巖改造作用。研究區馬四段、馬五段多數樣品的δ18O在-10‰～-5‰之間，說明O同位素已發生一定程度的改變；樣品中δ13C均在-5‰～5‰之間，變差相對較小，為正常海相碳酸鹽巖的C同位素范圍。

表1 研究區馬四段、馬五段C、O同位素數據

3.2 Sr同位素地球化學特征

海洋中Sr同位素有3個來源：殼源硅鋁質巖石的風化產物、幔源鎂鐵質巖石風化和海底風化產物、碳酸鹽巖的重溶作用[10]。上述3種物質的87Sr/86Sr分別為0.7200±0.005、0.7040±0.002和0.7080±0.001。三者之中，幔源物質通常以火山噴發的形式進入海水，當大量海底玄武巖噴發時，會引起海水87Sr/86Sr急劇降低。研究區馬四段、馬五段的Sr同位素實驗數據(見表2)顯示，87Sr/86Sr范圍為0.7044～0.7128，平均值為0.7092。在鄂爾多斯盆地馬家溝組原始的碳酸鹽巖地層沉積后，由于經歷后期風化淋濾、古巖溶作用以及流體化學的差異改造，古陸地流體中的富87Sr對碳酸鹽巖及其填充物發生化學反應后，87Sr/86Sr大幅度提高。研究區所選樣品中的灰巖、白云巖、膏巖等的87Sr/86Sr均明顯高于同沉積期海水的87Sr/86Sr，可能是受到基底鋁硅酸鹽及其上硅質碎屑巖的影響。

表2 研究區馬四段、馬五段Sr同位素數據表

3.3 碳酸鹽巖微量元素地球化學特征

研究區馬四段、馬五段碳酸鹽巖的微量元素分析結果(見表3)顯示，Li、V、Sr、Zr、Ba、Rb元素豐度較高，Be、Ga、Cs、Hf、Pb、U元素豐度較低，其中Sr含量為(10.80～872.00)×10-6，Ba含量為(1.12～78.50)×10-6。

表3 研究區馬四段、馬五段微量元素分析結果

研究區馬四段、馬五段稀土元素分配模式(見圖2)顯示，泥晶灰巖、泥質白云巖、泥膏巖、泥質云巖等巖性稀土元素含量最高，膏質白云巖和深灰色白云巖稀土元素含量居中，石鹽稀土元素含量最低。樣品中輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)相對富集；重稀土元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)相對平坦，含量較穩定，Ce具有微弱正異常。

圖2 研究區馬四段、馬五段碳酸鹽巖稀土元素分配圖

4 碳酸鹽巖的成因分析

4.1 碳酸鹽巖的物質來源

淡水碳酸鹽巖的δ13C為-15‰～-5‰，海相(咸水)碳酸鹽巖的δ13C為-5‰～5‰[11]。研究區馬四段、馬五段碳酸鹽巖樣品的δ13C在-3.37‰～1.17‰之間，為典型的咸化海相碳酸鹽巖沉積。研究區馬四段、馬五段樣品中Sr/Ba均大于1，分布范圍為5.40～21.69，表明研究區在奧陶紀均為典型的海相沉積環境。馬四段至馬五段樣品Sr/Ba逐漸減小，可解釋為陸源距離縮短，表明馬五段沉積期存在海退環境，研究區與陸源距離縮短，水體變淺。綜上所述，研究區馬家溝組來源于典型的咸化海相沉積，馬五段沉積環境相較于馬四段沉積環境水體變淺(見圖3)。

注：TST為海進體系域；HST為高水位體系域。

4.2 碳酸鹽巖的沉積環境

4.2.1 古氣候分析

研究區馬四段、馬五段樣品中，Sr/Cu范圍在1.47～237.60之間，平均值78.90，70%以上大于10，表明研究區在馬四段、馬五段沉積期的氣候環境為干旱炎熱。部分Sr/Cu小于10，Cu含量較高，可解釋為間歇性的富含Cu元素的深部鹵水補給，導致干旱炎熱氣候條件下沉積的石鹽Sr/Cu偏低。

4.2.2 氧化還原性分析

V/(V+Ni)是氧化還原性沉積環境的重要指標[12-14]。海水中，V、Ni主要被膠體質點或黏土礦物等吸附沉淀，由淺海區到深海或由海水能量強的海域到海水能量較低的滯流海域，海水的氧化度、酸度降低，還原性、堿度增加，沉積物中Ni的富集程度明顯增加。在缺氧環境中，V/(V+Ni)在0.7～0.8之間；在貧氧環境中，V/(V+Ni)在0.45～0.70之間。研究區馬四段V/(V+Ni)平均值為0.75，其沉積時期為缺氧氣候環境；馬五段V/(V+Ni)平均值為0.64，其沉積時期為貧氧氣候環境。

4.2.3 沉積環境分析

研究區馬四段、馬五段沉積微相圖顯示，馬四段沉積期發生大規模海侵事件[15]，研究區基本被海水覆蓋形成開闊海相沉積，北部發育局限海(見圖4(a))；馬五段沉積期發生大規模海退事件[16]，古氣候干熱，盆地基底抬升，海平面下降，形成膏鹽湖、含膏云坪、云灰坪、局限海等具有海退環境的沉積相帶(見圖4(b))。結合樣品中的地球化學數據驗證，表明研究區奧陶系馬家溝組由老至新具有水體變淺的沉積特征。

圖4 研究區馬四段、馬五段沉積相分布圖(據文獻[2]，有修改)

5 結論

1)研究區馬四段、馬五段儲層的δ13C范圍在-3.37‰～1.17‰，δ18O范圍在-11.43‰～-5.02‰，儲層在埋藏期間受到了成巖作用影響。

2)研究區馬四段、馬五段的87Sr/86Sr范圍為0.7044～0.7128，平均值為0.7092。在鄂爾多斯盆地奧陶系原始的碳酸鹽巖地層沉積后，由于經歷后期風化淋濾、古巖溶作用以及流體化學的差異改造，古陸地流體中的富87Sr對碳酸鹽巖及其填充物發生化學反應后，87Sr/86Sr大幅度提高。

3)研究區馬四段、馬五段碳酸鹽巖來源于典型的咸化海相沉積，氣候炎熱干旱，馬五段沉積環境相較于馬四段沉積環境水體變淺。