鄂爾多斯盆地西北緣晚石炭世—中二疊世沉積背景特征與演化

摘 要 【目的】鄂爾多斯盆地西北緣晚石炭世—中二疊世經歷了由海相—陸相沉積環境的轉變，伴隨著華北與祁連海域海水的進退，其沉積體系時空配置及演化規律復雜，對不同沉積背景條件下古地理格局差異的認識也相對局限?！痉椒ā炕诙鯛柖嗨古璧匚鞅本壨硎渴馈卸B世150余件樣品的主、微量和稀土元素分析測試數據，明確研究區沉積環境和源區特征，并結合野外露頭、鉆測井資料及顯微薄片鑒定等探討沉積背景對古地理重建的約束。【結果】鄂爾多斯盆地西北緣在晚石炭世—中二疊世氣候總體上溫暖濕潤。在羊虎溝組—太原組沉積時期古水深迅速變深，之后維持在相對穩定的水平。羊虎溝組、太原組沉積時期表現還原背景和咸水為主的過渡環境，山西組、石盒子組沉積時期則為氧化環境和淡水主導的過渡環境。羊虎溝組—山西組沉積時期物源體系復雜，到石盒子組沉積時期，物源供給趨于穩定?！窘Y論】研究區古地理在各時期南北部分異明顯，南部主要發育潮坪—潟湖、海灣—淺水陸棚和半深水陸棚等貧砂沉積體系，北部則主要發育河控三角洲和潮控三角洲富砂沉積體系。隨著古亞洲洋閉合及物源區母巖巖性的轉變，北部三角洲體系持續擴大，南部水體面積銳減并發育海灣/近海湖泊。

關鍵詞 沉積環境；晚古生代；物源分析；鄂爾多斯盆地西北緣

第一作者簡介 張靖芪，男，1997年出生，碩士研究生，地質工程，E-mail： hzjqw01@163.com

通信作者 劉磊，男，研究員，含油氣盆地分析，E-mail： liulei@cdut.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

鄂爾多斯盆地位于中國大陸中北部地區，是我國中部最大的含油氣盆地，具有較大的勘探難度[1]。隨著盆地油氣勘探步伐不斷加快，盆地西緣上古生界地層憑借其油氣資源豐富、勘探潛力巨大的特點逐漸成為油氣勘探的熱點，研究其構造—古地理格局及沉積背景具有重要意義[2]。前人研究認為，鄂爾多斯盆地在晚石炭世—中二疊世接受南、北兩向供源，其中北部物源來自阿拉善—陰山古陸，南部物源來自秦嶺—祁連造山帶，但對于北部阿拉善—陰山古陸共同供砂的西北緣，其不同時期的源區背景演化和差異缺乏系統研究[3?5]。鄂爾多斯盆地西北緣位于華北板塊中部，在大地構造位置上屬于阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯區，在晚石炭世—中二疊世經歷了海西構造運動，受賀蘭拗拉槽復活—關閉和全盆地廣泛的海侵—海退旋回影響，沉積環境經歷了由海向陸的滄桑巨變，構造背景活動復雜，沉積體系配置多樣[6?9]。眾多學者認為，晚石炭世鄂爾多斯盆地整體發生沉降，阿拉善地塊和陰山古陸已經為盆地提供物源供給[3，5?7]。前人對鄂爾多斯盆地西北緣晚古生代沉積充填過程及巖相古地理特征開展過諸多研究[10?18]，不同時期沉積體系時空配置差異明顯，認為山西組、石盒子組沉積期普遍發育沖積扇—河流沉積體系，而羊虎溝組、太原組沉積期的沉積環境與古地理格局尚有諸多爭議[10?13，18]。不同學者利用地化數據對盆地西北緣羊虎溝組、太原組開展構造指示意義的研究[14?17]，認為鄂爾多斯盆地西緣整體為大陸邊緣型構造背景，沉積物源主要來自上地殼長英質源區。對沉積環境的研究則主要局限于羊虎溝組與太原組，同時樣品分布也主要來自個別剖面[15?16]，針對整個晚古生代沉積背景特征、演化及其約束下的古地理重建等方面尚缺乏系統研究。

本文以鄂爾多斯盆地西北緣晚古生代地層為研究對象，結合大量剖面及鉆井樣品分析，通過相關樣品主微量、稀土元素結果，重塑盆地晚石炭世—中二疊世西北緣沉積背景，對比不同時期沉積環境差異，并判別各時期母巖特征和大地構造背景，以期揭示其在整個晚古生代的演化過程，對研究區古地理重建提供參考。

1 區域地質概況

1.1 地質構造背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，覆于華北板塊古老基底之上[19]。研究區北起內蒙古烏海，南至小洪溝—土坡一帶，西始Ac1井—中衛，東達鄂托克前旗（圖1a）[20]，處于阿拉善地塊、華北陸塊和陰山造山帶交互作用地區，構造環境復雜（圖1b）。晚古生代鄂爾多斯地區作為華北地臺的一部分，構造演化和沉積充填受控于周緣造山帶和洋盆的演化[21]。中新元古代的晉寧運動后，鄂爾多斯盆地進入穩定抬升階段，內部形成坳陷，整體地形北高南低。進入晚古生代，位于華北陸塊北緣的古亞洲洋開始向南俯沖，南緣的商丹洋俯沖完畢后，勉略洋也開始向南秦嶺板塊下的俯沖運動，在南北兩側古洋的共同作用下，盆地整體被抬升為陸地，結束了海相沉積的歷史，開始逐步向陸相沉積過渡，到早二疊世晚期，盆地進入陸相沉積階段[22]。

晚泥盆世以前，阿拉善地塊屬于不同于華北克拉通的獨立的變質地塊。在海西運動的影響下，賀蘭拗拉槽再度復活，阿拉善、陰山古陸持續向盆地提供物源，鄂爾多斯盆地開始接受沉積。晚石炭世本溪組沉積期，華北臺地逐漸發生緩慢沉降，賀蘭拗拉槽的發展進入新的演化階段，盆地內部發育中央古隆起，形成華北海、祁連海兩個海盆[23]。早二疊世太原組沉積期，隨著盆地持續性沉降，海水自東西兩側侵入，華北海海侵范圍達到最大，東西海域在研究區鄂托克旗一帶首次貫通[24]。早二疊世山西組沉積期為陸表海背景下的海陸過渡沉積演化階段，盆地周邊海槽停止拉張，進入消減期，南北兩側大洋相向俯沖，華北臺地抬升，形成了北隆南傾的區域構造體制，海水從盆地內開始迅速退出[5]。中二疊世下石盒子組沉積期，盆地北部構造活動加強，使得古陸進一步抬升，物源供給增強，整體表現為強物源供給條件下的富砂沉積體系，區域構造環境與古地理格局發生顯著變化[25]。阿拉善地塊北部地區晚古生代發育大量花崗巖，多數學者認為其形成與古亞洲洋的俯沖閉合相關，與陰山地塊西部在2.0 Ga（中元古代）開始拼合，最終在1.9 Ga（早元古代）與華北克拉通拼接[20，26]。

1.2 地層劃分及沉積體系

研究區地層由下而上依次為：石炭系羊虎溝組、二疊系太原組、山西組和石盒子組（圖1c、圖2）。羊虎溝組自上而下呈現為濱岸平原—三角洲前緣—濱岸平原的沉積序列，下段沉積中粗粒砂巖，含礫石，上段下部發育多套灰巖，含大量生物化石，上段上部發育大量泥巖，可見浪成砂紋，地層厚度變化較大，介于0～1 300 m[7，28?29]；太原組主要為灰黑色泥巖，灰色細砂巖和灰色泥質粉砂巖、含有煤層，發育海陸過渡相的障壁海岸—潟湖沉積，該沉積期也是西緣地區重要的聚煤期，其地層厚度主要介于50～160 m，烏達—呼魯斯太一帶厚度超過350 m[30]；山西組主要由灰色、深灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖組成，泥炭沼澤微相中發育煤層，盆地西部和東部發育淺湖沉積，其中砂巖穩定性差，富含白云母片和碳屑，層內盛產植物化石，地層厚度一般介于50～130 m[31]；石盒子組沉積時期為“強物源供給下特色的淺水緩坡辮狀河三角洲”沉積，其亞相類型有辮狀河三角洲平原和辮狀河三角洲前緣，同期盆地仍有間歇性局部海侵[32]。下部為灰黃色、黃綠色、中、上部為紫紅色和黃綠色交互的砂、泥巖組成，該組底部“駱駝脖子砂巖”與下伏山西組分界，地層厚度多介于80～110 m[33]。

2 樣品采集測試及方法

沉積巖中微量元素的遷移富集規律主要受其自身物理化學性質、形成環境以及風化作用過程等因素的控制，其含量對沉積環境變化有著較高的敏感度，可以作為沉積背景識別的重要指標，為古環境恢復及沉積物源和大地構造背景的變遷提供可靠依據[34?35]。

本次研究的樣品采自鄂爾多斯盆地西緣4條剖面和43個鉆井巖心，樣品采樣點覆蓋整個研究區、包含各個研究時期對應的地層，采樣過程中，優先選擇風化蝕變和成巖作用弱的樣品，共采集樣品153件，樣品處理過程可靠，對于研究該地區晚石炭世—中二疊世的沉積演化具有一定的代表性。對樣品中Rb，Zr，Sr，Cu等11種微量元素和La，Ce，Pr，Nd等14種稀土元素進行了分析測試，具體測試方法為：用清水將巖石樣品沖洗干凈、自然烘干，用瑪瑙缽初步研磨以去除巖樣中的粗碎屑顆粒，過200目標準分樣篩，保留200目以下的樣品，以進行預處理。之后樣品送至四川省科源工程技術測試中心采用ICP-MS質譜儀進行測試。在潔凈、濕度35%～50% 和溫度18 ℃～25 ℃的室內，將樣品水溶液引入氬氣流中，進入氬離子體中心區解離和電離，在真空系統內，通過高速掃描離子，其濃度可精確到ng/L。針對樣品中出現的K2O，Na2O和SiO2等10種主量元素，使用X射線熒光光譜儀（XRF）進行分析測，其測試方法具體為：稱取約1.2 g標準樣品（或標準物質）及待測樣品分別置于熱重分析儀中，1 000 ℃下灼燒至少20 min直至樣品質量恒重，重復以上操作2次，計算其灼燒減量，向鉑—金坩堝中依次稱取經1 000 ℃灼燒恒重后的樣品0.6 g、四硼酸鋰—偏硼酸鋰混合熔劑6.0 g和碘化銨0.5 g，混勻后在1 150 ℃的自動熔融爐中熔融30 min，待冷卻后取出脫模，制備成玻璃樣片，并在儀器工作條件下測量譜線，標峰，加亮；然后分別進行信號強度及含量計算，得到初始曲線方程；最后進行基體效應校正并建立工作曲線，將玻璃樣片置于單波長激發能量色散X射線熒光光譜儀中測定。將各成分的檢測值進行灼燒減量的修正后，得到最終成分含量。

3 沉積環境重建

在砂巖中石英顆粒、長石碎屑及不穩定的巖屑存在著此消彼長的關系，表明它們的主量元素間也存在一定關系，根據砂巖中碎屑組分的成分和含量可以較為準確地反映物源特征[36?37]。細粒碎屑沉積巖中的微量元素性質主要受到物源區母巖性質和構造背景的影響，有些元素對沉積環境的變化很敏感，其分配和比例可以反映沉積期的古水深、古鹽度和氧化還原條件等，對于沉積環境的恢復具有較高的分辨率和準確性[34]。

3.1 古水深

鋯（Zr）是一種典型的親陸性元素，在化學風化中非常穩定，主要以鋯石等重礦物形式沉積、以碎屑礦物形式搬運，離陸源區越遠，巖石中含量越低，故常沉積于淺水區域。銣（Rb）是一種堿金屬元素，化學性質活潑，主要賦存在黏土礦物、云母等細粒沉積物中，易于遷移，常沉積于水體較深的低能環境。因此，Rb/Zr比值可以反映水體深度的變化，Rb/Zr比值越高說明水體越深，水動力越弱，反之亦然[38]。據研究區古水深恢復圖（圖3），羊虎溝組Rb/Zr比值主體介于0.22～0.54，比值結果最低；太原組Rb/Zr比值介于0.36～0.79，山西組Rb/Zr比值介于0.40～0.87，石盒子組Rb/Zr比值介于0.48～0.82，太原組至石盒子組樣品點結果比值接近，僅略有波動。此外，各組樣品中均有少量比值很高的異常值，表明在該時期研究區內存在水深極深的區域。以上數據反映了研究區在羊虎溝組沉積期水體最淺，水動力強，其原因是羊虎溝組地貌差異明顯，地層厚度變化大，介于0～1 300 m[7]，但研究區大部分為相對淺水區域；太原組—石盒子組水體深度總體上接近，其中山西組水體最深，石盒子組相對最淺。

3.2 古氣候

陸相沉積物中，氣候變化敏感元素Sr（喜干型元素）、Cu（喜濕型元素）可以在干旱炎熱的特定環境條件下保存、遷移，Cu難以遷移到湖中，其含量顯示為低值，而Sr得可以較好地保存，故Sr/Cu值（圖4a，c）可以指示古氣候的變化。通常在溫濕氣候下110 則表示干旱氣候[39]。羊虎溝組Sr/Cu值介于3.53～5.35，平均為4.53；太原組Sr/Cu值介于3.91～6.27，平均為4.82；山西組Sr/Cu 值介于3.72～8.23，平均為7.79；石盒子組Sr/Cu值介于4.18～7.21，平均為6.39，各組Sr/Cu值均介于1～10，指示溫暖、濕潤氣候。羊虎溝組和太原組Sr/Cu 值略有增加，總體一致；山西組Sr/Cu值達到最大，指示氣候相對最為炎熱，到石盒子組Sr/Cu值略有降低。

氣候可以影響母巖風化作用強弱、沉積物的搬運和組成等，化學蝕變指數（CIA）常被用來反映古氣候條件，其計算方程為：CIA=[Al2O3（/ Al2O3+CaO+Na2O+K2O）]×100[40?41]。化學蝕變指數CIA值越大，物源區巖石遭受的化學蝕變越強烈，而強的化學蝕變通常指示溫暖濕潤的氣候條件[39]。研究區各時期樣品均落在強風化區域，表明研究區晚石炭世—中二疊世地層經歷了強烈的化學風化，指示溫暖的氣候條件；太原組、山西組樣品點在圖上更集中，表示氣候穩定，而羊虎溝組、石盒子組樣品點落點分散，表示在該時期內氣候波動較大。

通過對研究區泥巖樣品CIA-ICV圖解及比值結果箱線圖（圖4b，d）分析，認為研究區沉積物經歷了沉積再循環作用，且源區構造環境穩定。除太原組樣品點更多集中在中等風化區域外，其余各組均更多位于強風化區域，各時期分區分帶差異明顯。ICV值在羊虎溝組—石盒子組沉積期，隨時間逐漸降低，在羊虎溝組、太原組沉積期時，其ICV值分布在成熟和不成熟的區域之間，到山西組、石盒子組，僅有極少樣品點位于不成熟的區域，大多數在0.5以下，表明隨著時間的推移，研究區內細碎屑黏土成分逐漸增加，成熟度逐漸升高[42]，與此同時，CIA值也隨時間逐漸變高，指示風化作用由弱向強轉變，兩者結果得以相互印證。

研究區羊虎溝組和石盒子組樣品點絕大多數落在CIA值介于65～85的區域，反映溫暖濕潤氣候下中等的化學風化，太原組、山西組樣品點CIA值則集中分布在85～100，反映炎熱和潮濕氣候條件下強烈的化學風化[43]。綜合認為，研究區從羊虎溝組沉積期開始，氣溫逐漸上升，并在山西組沉積期升至最高，石盒子組沉積期與山西組相比氣溫有所降低。

3.3 古鹽度

古鹽度是沉積物中古水鹽度的記錄，是反映地質歷史時期海陸變遷的重要參數。古鹽度的恢復對于研究沉積期古環境、區分海相與陸相環境具有重要意義。與Sr元素相比，Ba在水中遷移能力較弱。當水體鹽度增加時，Ba2+優先于Sr2+與SO42-結合形成BaSO4沉淀，此時，水中殘余Sr元素逐漸富集，當鹽度繼續增加到一定程度時，BaSO4逐漸遞增沉淀，而且隨時間遞增沉淀的量逐漸增加，因此Sr/Ba比值（圖5a，c）可作為古鹽度識別的敏感標志[44]。Sr/Bagt;1表示海相咸水，1～0.6表示淡水—咸水的過渡相，0.6～0.3表示咸水—淡水的過渡相，Sr/Balt;0.3表示陸相淡水[34，44]。羊虎溝組樣品Sr/Ba 比值主體介于0.22～0.37，平均為0.29，太原組介于0.26～0.44，平均為0.36，山西組平均為0.33，介于0.28～0.38區間，石盒子組介于0.26～0.34，平均為0.31。在海相咸水的區域內（Sr/Bagt;1），僅有少量山西組的樣品點，在淡水—咸水過渡相中（0.6

古鹽度記錄了原始沉積物中水體鹽度的變化情況，在風化作用過程中，Th元素易被黏土礦物吸附而保留，U元素隨著風化過程易流失，Th/U值（圖5b，d）可作為判別海陸相沉積的一個指標：Th/U含量比值小于2為海相環境，2～7為過渡相半咸水環境，大于7為陸相淡水環境[45]。羊虎溝組Th/U比值介于2.55～4.09，平均為3.16，太原組介于4.08～4.74，平均為4.19，山西組介于2.68～3.89，平均為3.40，石盒子組介于2.40～4.03，平均為3.31。根據投點范圍分布，各期主體均落在過渡相半咸水環境（Th/U值介于2～7），在Th/U值gt;7和Th/U值lt;2的區域中，除太原組其余各組均有少量樣品點出現；太原組樣品點則集中落于Th/U比值斜率較高的區域，Th/U值最高，指示在研究時期內，太原組沉積期古鹽度最高。從太原組到石盒子組沉積期，指示古鹽度的Sr/Ba與Th/U比值具有明顯降低的變化趨勢，表明研究區受海水影響的規模與范圍愈來愈弱。

綜上所述，該區域晚石炭世—中二疊世為海陸過渡環境。羊虎溝組、太原組為淡水—咸水的過渡環境，山西組、石盒子組為咸水—淡水的過渡相。太原組沉積期水體鹽度與羊虎溝組相比，鹽度有所增加，而太原組氣候溫暖濕潤，說明太原組水體古鹽度的增大是受到了強烈的海水作用，而非湖水咸化的結果，證明太原組沉積時期，祁連海域同樣表現為大規模的海侵；山西組、石盒子組樣品則多集中在Sr/Ba為0.3的區域附近，研究區表現為以淡水為主的過渡環境，與羊虎溝組和太原組相比，水體鹽度降低，并逐漸向淡水演變。

3.4 氧化還原環境

Ni/Co和V/（V+Ni）比值等被廣泛用于判斷沉積水體的氧化還原環境[43]。由研究區氧化還原環境綜合分析圖（圖6）可知，羊虎溝組、太原組沉積期樣品集中均落于Ni/Co 比值指示還原環境的區域，山西組、石盒子組沉積期樣品指示為氧化環境；V/（V+Ni）二元圖解投點結果與Ni/Co 比值圖投點結果相近，羊虎溝組、太原組沉積期樣品主體仍表現為還原環境，少量樣品點落于介于還原—氧化環境的區域，有相當數量山西組樣品點在氧化—環境性質之間，其余則指示為氧化環境，石盒子組樣品除2 個落于V/（V+Ni）=5的直線上，其余均指示氧化環境。

由此得出，羊虎溝組、太原組沉積期主要為水體安靜的還原環境，山西組、石盒子組沉積期為水體動蕩的氧化環境。

4 源區特征分析

鄂爾多斯盆地在晚石炭世—中二疊世接受南、北兩向供源，研究區物源主要來自阿拉善和陰山古陸[3，5]，阿拉善地塊基底由新太古代迭布斯格巖群下部依肯烏蘇巖組（2 700 Ma）和古元古代的巴彥烏拉山巖群（2 500～2 264 Ma）組成，并經歷了早古生代（480～446 Ma）和晚古生代（281～266 Ma）兩次構造熱事件[46]。近“陰山古陸”并非是古老隆升的古陸，它是在晚石炭世華北板塊北部陸緣向西伯利亞板塊南緣南蒙微陸塊俯沖碰撞的擠壓構造背景中發生拱起隆升，成為華北北緣晚古生代盆地的物源，后發展成為現今古老變質結晶基底巖系廣泛剝露的隆起帶[47]。鄂爾多斯盆地西北緣晚古生代地層沉積厚度大，但早古生代末期的加里東運動使得鄂爾多斯盆地整體抬升剝蝕，導致缺失了志留紀—早石炭世之間的沉積記錄，晚石炭世—二疊紀地層廣泛分布。賀蘭山地區零星出露晚石炭世—二疊紀地層，主要分布在中北部，牛首山—大羅山以東地區[48?51]。

4.1 母巖巖性

不活潑元素La、Th、Hf等不因搬運和成巖作用而改變，因此可以利用La/Th-Hf判別圖解（圖7a）分析沉積物的物質來源[34]。利用La/Yb-ΣREE判別圖可以直觀地判別沉積物巖石大類的成因特征。

在La/Th-Hf二元圖解中，羊虎溝組表現為較低的La/Th比值，物源主要為古老沉積物和長英質源；太原組與羊虎溝組相似，表現為La和Th的低比值，但古老沉積物有所減少，以長英質源為主；山西組樣品點La/Th比值波動范圍大，主要落在長英質源附近，也有少量樣品點顯示為被動邊緣源、混合長英質/基性源和安山弧源；石盒子組樣品點主要落于長英質源區域。La/Yb-ΣREE圖解（圖7b）顯示，羊虎溝組—山西組沉積期沉積物母巖巖性主要為花崗巖和堿性玄武巖，以及少量鈣質泥巖，表明該時期物源的復雜性；到石盒子組沉積期，母巖巖性趨于穩定為花崗巖和堿性玄武巖。

4.2 構造背景

在Roser et al.[41]提出的（K2O/Na2O）/SiO2構造環境判別圖（圖8a）中，羊虎溝組樣品點多落于被動大陸邊緣區域，少量落入主動大陸邊緣和島弧區域；太原組樣品點顯示為主動大陸邊緣和被動大陸邊緣，推測與古亞洲洋洋盆閉合有關，在其自西向東閉合過程中研究區西部樣品點多指示為主動大陸邊緣，而東部樣品點仍為被動大陸邊緣性質；山西組樣品點集中分布在主動大陸邊緣，部分樣品點落入被動大陸邊緣區域，少數樣品點顯示為島弧；石盒子組數據點以主動大陸邊緣和大陸島弧為主。

La-Th-Sc三角判別圖解（圖8b）中，各組樣品點均集中落入主動大陸邊緣—被動大陸邊緣區域，羊虎溝組、太原組、山西組少量樣品點落入大陸島弧區域；在Th-Co-Zr/10三角判別圖解（圖8c）中，羊虎溝組樣品點投點結果顯示為被動大陸邊緣，太原組樣品點多落入大陸島弧區域，山西組、石盒子組樣品點集中落入主動大陸邊緣區域；Th-Sc-Zr/10三角判別圖解（圖8d）中，羊虎溝組樣品點多落入主動大陸邊緣區域，太原組樣品投點結果顯示被動大陸邊緣，山西組、石盒子組樣品投點結果顯示為主動大陸邊緣。

綜合以上大地構造背景分析結果，羊虎溝組物源區構造背景為被動大陸邊緣，太原組以主動大陸邊緣—被動大陸邊緣性質為主，兼具大陸島弧，山西組沉積期以主動大陸邊緣性質為主，兼有大陸島弧，石盒子組沉積期為主動大陸邊緣—大陸島弧性質。

5 沉積背景對古地理重建的約束

5.1 沉積環境

沉積環境演變是古地理格局差異的直觀反映，對古地理重建具有重要意義[24]。基于多種沉積環境指標及恢復結果，并結合研究區野外露頭剖面發育分布情況與不同時期物源對其影響差異，選取地層發育相對連續、齊全，巖性組合多樣的呼魯斯太、小洪溝和下河沿剖面（圖9～11，剖面平面位置見圖1b），綜合探討研究區晚石炭世—中二疊世的沉積環境演化及其對古地理重建的約束（圖9～12）。

華北板塊石炭紀—二疊紀相對海平面升降幅度在0～40 m快速變化，羊虎溝組和太原組中發育數個可以作為海侵沉積記錄的灰巖層，記錄了這一時期的海侵活動，而大規模海侵期則主要集中在太原組、山西組[52]。實驗結果表明（圖3），研究區在羊虎溝組沉積期水體較淺，受逐漸上升的海平面影響，可容納空間增大，而該時期物源供給有限，研究區北部發育朵體較小的河控三角洲[53]，其底部普遍發育一套灰白色含礫石英砂巖，巖性總體為砂巖、灰黑色、褐灰色泥巖及炭質泥巖，夾煤層及生物碎屑灰巖，可見板狀交錯層理、沖洗交錯層理（圖9c、圖10c，d），呼魯斯太剖面羊虎溝組見潮汐水道與砂壩（圖11e，f）；海平面在太原組沉積期有所升高，可容納空間增加并發生大規模海侵活動，海洋范圍升至最大，水體深度較深，僅次于山西組，薄片中可見反映靜水條件下的云母碎片（圖12d），河控三角洲砂體較羊虎溝沉積期小面積增加，發育灰白色細砂巖、灰—灰黑色泥巖、炭質泥巖、煤層（7#煤、6#煤）夾生物碎屑灰巖，呼魯斯太剖面在該期發育潮控三角洲，見羽狀交錯層理、砂紋層理（圖11d），受波浪的反復淘洗，太原組薄片碎屑成分主要由石英和石英巖屑組成（圖13c，d），下河沿剖面太原組見大量生物，發現保存良好的遺跡化石（圖10b）；山西組沉積期，在充足的物源供給下，山西組在研究區廣泛發育，沉積厚度穩定，發育灰色—灰黑色粉砂巖、泥巖夾煤層、煤線組合（圖11c），三角洲前緣繼續向前延伸；石盒子組沉積期古水深變淺，可容納空間下降，演變為辮狀河三角洲沉積，巖性主要為黃綠色、灰白色砂巖與棕紅—紫紅色、黃綠色粉砂質泥巖及泥巖組成，其總體色調為紅色與黃綠色相間，呼魯斯太剖面石盒子組底見沖刷面，發育大量礫巖、含礫砂巖，見分流河道（圖11a，b），依據古水流數據，判斷砂體持續沿東南方向推進。在前人研究基礎上，結合實驗數據結果與野外剖面實測資料繪制鄂爾多斯盆地西北緣羊虎溝組至石盒子組沉積相圖（圖12）[7，9，13]。

石炭紀華北地區總體呈現出海陸交互沉積，氣候為亞熱帶—溫帶氣候，羊虎溝組、太原組沉積期氣候總體溫暖濕潤，地球表面到處長滿了高大的綠色植物，尤其在湖沼、盆地等低洼地帶里，古代蕨類植物尤為茂盛，使得羊虎溝組和太原組沉積期成為研究區主要的成煤期和烴源巖發育期[35，37]；山西組和石盒子組沉積期，研究區氣候呈現出季節性干熱的特征，由于氣候的轉變，使一些植物屬種滅絕，銀杏和松柏等耐旱植物占據了更有競爭力的生態位，不利于煤層的發育[52?53]。羊虎溝組、太原組沉積期由于植物茂盛，植被覆蓋度高，減少了降雨對地面的侵蝕能力，同時繁茂的根系也可以固結土地，導致輸沙量較低；山西組、石盒子組沉積期氣候較之前變熱，同時耐旱植物的出現也使得土地相對貧瘠，對雨水的抗侵蝕能力下降，水土流失加劇，輸沙量增加[54]。

古鹽度的變化與海侵活動息息相關，展示出與古水深變化相似的特征。羊虎溝組、太原組沉積期總體以海相沉積為主；山西組、下石盒子組沉積期為咸水—淡水的過渡相，受海陸過渡相和海相環境共同影響。鄂爾多斯盆地東南部鉆井樣品盒8段樣品（Th/U比值介于4.36～4.74，平均為4.60）與研究區石盒子組樣品（2.40～4.03，平均為3.31）均指示過渡相半咸水環境[55]，表明石盒子組沉積早期盆地仍為微咸水—半咸水的近海湖盆環境，晚期海水的完全退出，進入陸相演化階段；盆地東南部樣品古鹽度明顯更高，造成這種同期盆地不同方位樣品古鹽度之間的差異與海退的持續時間和方向有關，推測盆地西北部海水退出時間較東部更早。

羊虎溝組沉積期在研究區南部障壁沙壩廣泛發育，古隆起之上潮坪—潟湖沉積大面積連片分布，大石頭井溝、吳忠一帶水深極深，水體相對閉塞[7]，在Ni-Co二元圖解（圖6b）中，該組有少量樣品點位于氧化環境，推測是北部發育的敞流沉積環境表現為氧化環境所導致，該組泥巖普遍為灰黑色、褐灰色；太原組沉積期內祁連海域海侵海退活動頻繁，潮坪、潟湖廣泛發育，表現為還原性環境，該組泥巖通常為灰—灰黑色；山西組、石盒子組沉積期，研究區北部分流河道縱橫交錯，水體中含氧量大幅增加，沉積環境表現為氧化環境，山西組泥巖顏色與太原組相近，石盒子組可見棕紅—紫紅色、黃綠色粉砂質泥巖及泥巖。在呼魯斯太剖面巖性綜合柱狀圖中（圖11），也可看出石盒子組與其他各組相比，泥巖厚度顯著變薄，進一步驗證了實驗的準確性。

5.2 物源背景

羊虎溝組沉積時期，鄂爾多斯盆地西北緣主要是北東—南西方向供源，砂體主要來自北部的陰山古陸、西北緣的阿拉善古陸，根據母巖巖性綜合分析圖（圖7），該時期主要是古老沉積物和長英質源，具體表現為花崗巖、堿性玄武巖和少量鈣質泥巖，薄片中可見大量石英、石英巖屑和長石等，與其母巖機械破碎的產物相對應（圖13a，b），由于母巖巖性以古老沉積物為主，導致輸砂效率相對較低，形成的砂體規模較?。惶M沉積期物源以長英質源為主，古老沉積物成分與羊虎溝組比有所減少，薄片中也表現為以石英、石英巖屑為主，長石成分降低（圖13c，d），來自東北方向的陰山古陸在靠近大陸邊緣一側，形成了一套陸緣弧巖漿巖[56]，巖漿巖比變質巖和沉積巖更易于風化、輸砂效率高，該期研究區整體構造活動微弱，由于母巖巖性的轉變使得砂體規模與羊虎溝組沉積期相比小幅增加；山西組沉積期物源以長英質源和古老沉積物為主，母巖巖性具有多樣性，花崗巖、堿性玄武巖和鈣質泥巖均有分布，WC1井山西組砂巖薄片中碎屑組分由石英、石英巖屑和云母等組成（圖13e），同時期HT1井砂巖薄片中含少量炭化植物碎屑（圖13f）；石盒子組沉積期，物源來自中古老沉積物成分明顯降低，母巖巖性轉變為花崗巖和堿性玄武巖，S259井石盒子組砂巖薄片中碎屑成分以石英巖屑為主和R14 井中可見少量長石與之對應（圖13g，h）。山西組、石盒子組沉積時期構造活動顯著增強，在構造活動控制下砂體規模大幅增加。其中石盒子組的母巖輸砂效率較山西組高，對應的砂體規模也更大（圖12c，d）。

晚古生代初期（羊虎溝組沉積期）華北陸塊處于8°～18° N的低緯度地區，受海西構造階段的一系列運動影響，各板塊間碰撞、拼合，華北陸塊的位置從石炭紀的古赤道附近逐漸北移，研究區在構造背景上顯示為被動大陸邊緣，構造上長期處于相對穩定狀態，通常以生成巨厚的淺海相沉積、巖漿活動微弱和地層基本未遭變形為基本特征[57]。研究區古地理環境南部以海灣—淺水陸棚和潮坪—潟湖環境為主，北部靠內陸一側發育河流三角洲；前人通過古地磁研究認識到華北陸塊在向北漂移的過程中伴隨著逆時針旋轉運動[58]，北移至早二疊世華北陸塊所處的古緯度為18.3°±6.6° N，華北陸塊北側受古亞洲洋閉合致使西伯利亞板塊向南擠壓作用，鄂爾多斯盆地抬升，海水自東南和西南方向退出，自北緣高部位物源區向南部低部位供源形成北西—南東向展布的河控三角洲沉積相帶，研究區南部潮坪—潟湖廣泛發育；二疊紀中期，古亞洲洋板塊向華北板塊北緣俯沖及隨后的弧—陸碰撞，使華北板塊北緣繼續隆升，形成增生造山帶，伴隨著強烈褶皺、沖斷[58]，構造背景分析結果顯示山西組沉積期為主動大陸邊緣，兼具大陸島弧性質，在充足的物源供給下，北部三角洲相帶向東南方向繼續推進，古地理格局表現為河控三角洲和海灣沉積環境[59]；石盒子組沉積期研究區構造背景為主動大陸邊緣—大陸島弧性質，這一時期內北部陰山物源供給充足，研究區古地理格局自北部辮狀河沉積向南依次演變為辮狀河三角洲平原沉積以及辮狀河三角洲前緣沉積[2]，與山西組相比，阿拉善供源有所減弱，西南部出現較大面積的近海湖泊沉積。

研究區羊虎溝組沉積期的被動大陸邊緣性質，與區內形成的厚層灰巖及潮坪、潟湖廣布所反映出的微弱地碰撞作用表現出較好的統一性；早二疊世古亞洲洋閉合開始導致華北板塊碰撞、擠壓，而構造背景分析結果表顯示，太原組沉積期為主動大陸邊緣—被動大陸邊緣性質，兼具大陸島弧性質，兩者有密切的聯系；受華北板塊北緣晚古生代巖漿弧增生影響，山西組沉積期以主動大陸邊緣性質為主，兼有大陸島弧，石盒子組沉積期構造背景為主動大陸邊緣—大陸島弧性質，研究區內砂體范圍也隨之不斷擴大，與古亞洲洋閉合導致的碰撞造山運動存在較好的一致性。

6 結論

（1） 鄂爾多斯盆地在晚石炭世—二疊紀內氣候整體波動較小，表現為溫暖濕潤的氣候，研究區羊虎溝組—太原組沉積期，古鹽度明顯升高，且均屬還原環境，推測該時期西北緣地區海侵作用強烈；山西組沉積期古水深、古鹽度指標雖與羊虎溝組接近，但較低的Ni/Co、V/（V+Ni）比值表明山西組整體處于氧化環境，不利于烴源巖發育。受全球范圍內的氣候事件和構造活動影響，羊虎溝組、太原組沉積期成為研究區內主要的成煤期。

（2） 研究區羊虎溝組—山西組沉積期物源復雜，存在一定的混源現象，羊虎溝組主要為古老沉積物及長英質源，山西組、太原組沉積時期，古老沉積物比重降低，長英質源比重上升，到石盒子組，長英質源成為主要的物源。羊虎溝組—山西組沉積期母巖巖性表現為花崗巖、堿性玄武巖、鈣質泥巖和大陸拉斑玄武巖混合的特征；到石盒子組，物源供給趨于穩定，花崗巖和堿性玄武巖是主要的母巖巖性。

（3） 晚石炭世—二疊紀，研究區內三角洲推進方向主要受構造活動的影響，經歷了從東北—西南向到西北—東南向的轉變；在羊虎溝組、太原組沉積期內沉積演化主要受沉積環境約束，研究區北部發育小型河控三角洲扇體，南部存在半深水陸棚、海灣—淺水陸棚和潮坪—潟湖多種沉積相帶；山西組、石盒子組沉積期受物源區母巖巖性改變和構造運動共同作用，區內北部砂體推進范圍隨時間持續增加，河控三角洲體系不斷擴大，南部水體面積銳減，沉積環境也趨于單一，由海灣向近海湖泊轉變。

致謝 感謝成都理工大學沉積地質研究院劉磊老師的悉心指導，感謝成都理工大學沉積地質研究院王志偉博士、朱淑玥碩士、趙菲碩士、張蕊碩士和李丹碩士對本文提出的建議和幫助。評審專家及編輯部老師對本文提出了寶貴的修改意見，在此表示衷心的感謝！

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基金項目：國家自然科學基金項目（42102132）；中石油長慶油田科研項目（2020-62503，2021-18099）