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，馮 悅

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

鄂爾多斯盆地東南部天然氣的勘探開發(fā)已取得一定成果, 發(fā)現(xiàn)延安大氣田(見圖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、 海陸過渡相逐漸轉(zhuǎn)為陸相, 各層系地質(zhì)認識較為明晰[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]、儲層特征[13-14]、成藏條件及規(guī)律[15-17]等方面。候方浩[7]認為，馬一、馬三、馬五沉積時氣候干熱,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)境進行了系統(tǒng)研究；由于掌握的資料有限,對于馬六段沉積期，僅提出主要沉積石灰?guī)r和白云巖,而缺乏系統(tǒng)研究,認識尚存在諸多未知因素。辛勇光[9]認為，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,通過系統(tǒng)采集馬五段—馬六段碳酸鹽巖樣品, 對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行對比分析,詳細查明研究區(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)造運動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)受了長期的風化剝蝕及淋濾作用,風化殼及其溶蝕孔、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。從整個區(qū)域來看,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(見圖1)。在環(huán)縣—慶陽一帶,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試分析

穩(wěn)定碳氧同位素分析,不僅對鑒別各類巖溶作用、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[18-32]。

本研究共采集25口井(見圖1)的新鮮巖石樣品40塊(見表1),在樣品采集過程中,避開了巖脈充填部位,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(見圖3a,b,c,f,g,h)局部含藻類(見圖3a)或膏斑溶孔(見圖3b),縫洞發(fā)育(見圖3c);泥晶灰?guī)r相對較為致密,晶間孔隙不發(fā)育,溶蝕孔發(fā)育也較弱(見圖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，見少量細粉晶—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

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

3 實驗結(jié)果與討論

在碳氧同位素數(shù)據(jù)分析之前,首先對采集樣品的原始性進行檢驗,驗證其是否發(fā)生過后期成巖蝕變。前人研究主要通過ω(Mn)/ω(Sr)、δ(18OPDB)、δ(13CPDB)和δ(18OPDB)的相關(guān)性等標準來進行判斷[24-27]。其標準為:當ω(Mn)/ω(Sr) <3,指示樣品代表性很好；當其值處于3～10,表示樣品具有一定代表性。當δ(18OPDB)<-10‰時,意味著樣品已發(fā)生了強烈蝕變, 不具有代表性； 當-10‰<δ(18OPDB) <-5‰時,其氧同位素值與沉積時含量組成稍有變化,但相應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。本次研究樣品測試結(jié)果見表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定結(jié)果見表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值為低中負值;馬六段石灰?guī)rδ13C，δ18O值為高負值。馬六段的值較馬五段發(fā)生了明顯的負漂移,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,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形成時海平面上升,水體變深,氣候濕熱[7],測試樣品的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應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-50‰。現(xiàn)代大洋中δ13C為-1‰～2‰,淡水中δ13C為-11‰～-5‰。由此可見,δ18O與δ13C值的高低均與海洋水體的鹽度有一定關(guān)系,其變化趨勢都是鹽度越高,δ值越高。對于侏羅紀至現(xiàn)代的樣品,基斯和韋伯把δ18O與δ13C值結(jié)合起來用以指示古鹽度[20],并推導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，能否應用Z值作為定量指標來判斷侏羅紀以前沉積更早樣品的古鹽度, 還需要進一步的驗證[24-25]。 本文通過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(見圖5),相關(guān)性低。因此,在本區(qū)Z值不作為定量指標來判斷古鹽度,只作為相對參考值。

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)境響應及意義

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

研究區(qū)Z值計算結(jié)果(見表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一步證實研究區(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，華北地臺的古氣候周期性轉(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(相當于峰峰組)沉積環(huán)境與巖相發(fā)育特征:馬六期華北地臺氣候又轉(zhuǎn)為濕熱,再次發(fā)生海侵,灰?guī)r陸棚環(huán)境發(fā)育[7,9]。由于加里東運動后一億三千多萬年漫長的剝蝕,東部陸棚可見厚度不等的馬六段灰?guī)r地層,其他地區(qū)均被剝蝕(見圖7)。王起琮認為,泥晶灰?guī)r為局限海臺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,單位時間和體積內(nèi)沉積的有機質(zhì)得到高度“濃縮”,從而有利于高有機質(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值為低中負值;馬六段泥晶灰?guī)rδ13C、δ18O值為高負值,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由于長期裸露地表,受到大氣淡水淋濾作用的影響,次生晶?；?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,單位時間和體積內(nèi)沉積的有機質(zhì)得到高度“濃縮”,從而有利于烴源巖的形成。