鄂爾多斯盆地馬家溝組四段、五段儲(chǔ)層地球化學(xué)特征及成因分析

陸經(jīng)化，尹先鋒，鄧淘，郭紅光，雙建紅，李凱，郭長(zhǎng)海，劉凱

中國(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)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(jì)90年代以來(lái)，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(chǔ)層、構(gòu)造演化等方面取得了較好的研究成果[2]，認(rèn)為馬家溝組碳酸鹽巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要為溶孔、洞、縫系統(tǒng)，馬家溝組自源型天然氣聚集潛力大于環(huán)鹽洼相區(qū)，其優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育受控于古環(huán)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(xué)分析是研究古環(huán)境和古氣候的重要手段[6-8]，能夠?yàn)榛謴?fù)古地貌提供定量依據(jù)。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(xué)分析研究程度相對(duì)較低，古環(huán)境和古氣候研究缺少定量數(shù)據(jù)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(jiǎn)稱馬四段)和五段(以下簡(jiǎn)稱馬五段)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的C、O和Sr同位素及多種微量元素的實(shí)驗(yàn)分析，研究其物質(zhì)來(lái)源和古沉積環(huán)境，探討其形成因素。

1 地質(zhì)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(wěn)定沉降、扭動(dòng)遷移和多旋回等地質(zhì)特征[9]。鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了早古生代淺海臺(tái)地和晚古生代近海平原兩大沉積旋回，形成了發(fā)育穩(wěn)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(chǔ)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?guī)r等碳酸鹽巖，夾雜有膏巖、鹽巖，依據(jù)旋回特征及巖性組合可分為6個(gè)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(shù)據(jù)

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(wú)色石鹽、含膏鹽巖、膏質(zhì)白云巖、白云質(zhì)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?guī)r，表現(xiàn)出海平面變深的特征，總體上為一個(gè)退積的層序。

注：(a)Y143井，馬五段5亞段，無(wú)色石鹽，略帶灰黑或淺銹紅，巖心呈長(zhǎng)柱狀，透明或半透明；(b)Y143井，馬五段7亞段，灰色膏質(zhì)白云巖，細(xì)粉晶結(jié)構(gòu)，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(zhì)泥巖，灰質(zhì)條帶與泥巖互層，可見水平層理；(e)Y214井，馬五段6亞段，無(wú)色石鹽，具粗粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造層，玻璃光澤；(f)Y291井，馬五段4亞段，白色鹽巖，中粗結(jié)晶結(jié)構(gòu)，自形至半自形晶體，玻璃光澤，質(zhì)純；(g)Y291井，馬五段5亞段，深灰色灰?guī)r，泥晶-細(xì)粉晶結(jié)構(gòu)，瓷狀斷口；(h)Y291井，馬五段10亞段，灰色石膏層，含少量泥質(zhì)，吸水性強(qiáng)，遇水易分散；(i)S231井，馬五段6亞段，灰綠色泥巖，可見鹽團(tuán)塊和黃鐵礦不均勻富集，質(zhì)純。

3 地球化學(xué)特征

3.1 C、O同位素地球化學(xué)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(fā)生同位素交換作用，也可以在埋藏過(guò)程中與熱水發(fā)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(qū)馬四段、馬五段C、O同位素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(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(yán)重負(fù)偏或過(guò)小，表明其同位素組成在埋藏期間受成巖作用影響，同位素?cái)?shù)據(jù)原始性較差。當(dāng)樣品中的δ18O<-5‰時(shí)，說(shuō)明O同位素已發(fā)生一定程度的改變；當(dāng)δ18O<-10‰時(shí)，說(shuō)明O同位素經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的成巖改造作用。研究區(qū)馬四段、馬五段多數(shù)樣品的δ18O在-10‰～-5‰之間，說(shuō)明O同位素已發(fā)生一定程度的改變；樣品中δ13C均在-5‰～5‰之間，變差相對(duì)較小，為正常海相碳酸鹽巖的C同位素范圍。

表1 研究區(qū)馬四段、馬五段C、O同位素?cái)?shù)據(jù)

3.2 Sr同位素地球化學(xué)特征

海洋中Sr同位素有3個(gè)來(lái)源：殼源硅鋁質(zhì)巖石的風(fēng)化產(chǎn)物、幔源鎂鐵質(zhì)巖石風(fēng)化和海底風(fēng)化產(chǎn)物、碳酸鹽巖的重溶作用[10]。上述3種物質(zhì)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(zhì)通常以火山噴發(fā)的形式進(jìn)入海水，當(dāng)大量海底玄武巖噴發(fā)時(shí)，會(huì)引起海水87Sr/86Sr急劇降低。研究區(qū)馬四段、馬五段的Sr同位素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(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(jīng)歷后期風(fēng)化淋濾、古巖溶作用以及流體化學(xué)的差異改造，古陸地流體中的富87Sr對(duì)碳酸鹽巖及其填充物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，87Sr/86Sr大幅度提高。研究區(qū)所選樣品中的灰?guī)r、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(zhì)碎屑巖的影響。

表2 研究區(qū)馬四段、馬五段Sr同位素?cái)?shù)據(jù)表

3.3 碳酸鹽巖微量元素地球化學(xué)特征

研究區(qū)馬四段、馬五段碳酸鹽巖的微量元素分析結(jié)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(qū)馬四段、馬五段微量元素分析結(jié)果

研究區(qū)馬四段、馬五段稀土元素分配模式(見圖2)顯示，泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、泥膏巖、泥質(zhì)云巖等巖性稀土元素含量最高，膏質(zhì)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(duì)富集；重稀土元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)相對(duì)平坦，含量較穩(wěn)定，Ce具有微弱正異常。

圖2 研究區(qū)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(zhì)來(lái)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(qū)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(qū)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(qū)在奧陶紀(jì)均為典型的海相沉積環(huán)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(huán)境，研究區(qū)與陸源距離縮短，水體變淺。綜上所述，研究區(qū)馬家溝組來(lái)源于典型的咸化海相沉積，馬五段沉積環(huán)境相較于馬四段沉積環(huán)境水體變淺(見圖3)。

注：TST為海進(jìn)體系域；HST為高水位體系域。

4.2 碳酸鹽巖的沉積環(huán)境

4.2.1 古氣候分析

研究區(qū)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(qū)在馬四段、馬五段沉積期的氣候環(huán)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(bǔ)給，導(dǎo)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(huán)境的重要指標(biāo)[12-14]。海水中，V、Ni主要被膠體質(zhì)點(diǎn)或黏土礦物等吸附沉淀，由淺海區(qū)到深?；蛴珊Ｋ芰繌?qiáng)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(huán)境中，V/(V+Ni)在0.7～0.8之間；在貧氧環(huán)境中，V/(V+Ni)在0.45～0.70之間。研究區(qū)馬四段V/(V+Ni)平均值為0.75，其沉積時(shí)期為缺氧氣候環(huán)境；馬五段V/(V+Ni)平均值為0.64，其沉積時(shí)期為貧氧氣候環(huán)境。

4.2.3 沉積環(huán)境分析

研究區(qū)馬四段、馬五段沉積微相圖顯示，馬四段沉積期發(fā)生大規(guī)模海侵事件[15]，研究區(qū)基本被海水覆蓋形成開闊海相沉積，北部發(fā)育局限海(見圖4(a))；馬五段沉積期發(fā)生大規(guī)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(huán)境的沉積相帶(見圖4(b))。結(jié)合樣品中的地球化學(xué)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，表明研究區(qū)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(qū)馬四段、馬五段沉積相分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[2]，有修改)

5 結(jié)論

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

2)研究區(qū)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(jīng)歷后期風(fēng)化淋濾、古巖溶作用以及流體化學(xué)的差異改造，古陸地流體中的富87Sr對(duì)碳酸鹽巖及其填充物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，87Sr/86Sr大幅度提高。

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