強(qiáng)娟，曹紅霞，張憲旭，韓小琴，吳海燕，尚婷

(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安710077)

鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖地球化學(xué)特征研究*

強(qiáng)娟1，曹紅霞1，張憲旭2，韓小琴1，吳海燕1，尚婷1

(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安710077)

∶稀土元素分析是一種判別白云巖化流體來源，分析白云巖的形成環(huán)境的重要手段。鄂爾多斯盆地中東部白云巖以明顯高的Fe含量和低的Na，Sr和Mn含量為特征，白云巖化流體主要為海水或與海水有關(guān)，未受或很少受到大氣淡水的影響。稀土元素配分圖顯示所有白云巖樣品的曲線形態(tài)類似，都呈輕稀土富集和重稀土虧損的右傾模式，且具有Eu負(fù)異常和Ce的負(fù)異常，δEu平均值為0.45，Ce的平均值為0.35，表明白云巖形成于相對(duì)偏堿性還原環(huán)境，又受到后期構(gòu)造熱液流體的影響和改造;三類白云巖的的模式都與泥微晶灰?guī)r相近，也說明白云化流體與海水或海源流體相關(guān);綜合鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖地球化學(xué)特征可以判斷出區(qū)內(nèi)白云巖的形成環(huán)境是相對(duì)還原的堿性環(huán)境。

∶鄂爾多斯盆地中東部;稀土元素;海源流體;還原環(huán)境

Key words∶central and eastern part of Ordos Basin;rare earth element;marine fluid;reducing environment

0 引言

稀土元素通常作為一種示蹤劑可以反映地球化學(xué)過程，可以通過分析稀土元素來研究巖石和沉積物的地球化學(xué)作用［1-3］。

自然界中的絕大部分流體(海水、大氣水和地下水等)的REE量一般僅為10-12～10-10，這種低含量的REE，不能對(duì)原巖的稀土元素造成改變［4］。實(shí)驗(yàn)證明，要改變?cè)瓗r的稀土元素含量只有只有成巖流體與巖石的體積比＞104［5］，因此，白云巖化后的成巖作用對(duì)白云巖的稀土元素組成及其地球化學(xué)特征影響作用不大，所以可以通過研究稀土元素特征，來研究白云巖化流體來源，分析白云巖的形成環(huán)境。

鄂爾多斯盆地地處華北臺(tái)地的西部，奧陶紀(jì)末加里東運(yùn)動(dòng)使盆地整體抬升，造成下古生界碳酸鹽巖地層出露地表，接受長達(dá)約1.5億年的風(fēng)化剝蝕以及大氣淡水淋濾作用，形成了分布廣泛的巖溶地貌，奧陶系馬家溝組為內(nèi)克拉通臺(tái)地陸表海碳酸鹽巖沉積，臺(tái)地內(nèi)發(fā)育碳酸鹽巖沉積物間夾蒸發(fā)巖(硬石膏和鹽巖)沉積。鄂爾多斯盆地中東部位于盆地巖溶斜坡部位，下古生界奧陶系具有良好的勘探開發(fā)前景。隨著下古生界碳酸鹽巖天然氣勘探與開發(fā)的不斷深入，已積累了部分研究資料，但是對(duì)下古生界奧陶系白云巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)及成因環(huán)境等方面的研究程度尚未涉及，缺乏系統(tǒng)的、較成熟的研究成果［6-7］。

鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖是盆地重要的油氣儲(chǔ)集層，關(guān)于馬家溝馬家溝組白云巖的成因問題多年來一直是個(gè)熱點(diǎn)話題，經(jīng)過地質(zhì)學(xué)家長期不懈的探索，提出了以下幾種白云化機(jī)制∶準(zhǔn)同生白云巖化［9-10］、混合水白云巖化［8-9］、埋藏白云巖化［11］、成巖白云巖化及熱液白云巖化等［13］。

通過對(duì)鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖稀土元素地球化學(xué)特征分析對(duì)研究區(qū)白云巖化流體性質(zhì)及其成因環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究，進(jìn)一步增加人們對(duì)鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖形成地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)，為該區(qū)域白云巖研究提供稀土元素地球化學(xué)參數(shù)，為該區(qū)天然氣勘探提供有利的理論支持。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，根據(jù)盆地的地質(zhì)演化史及構(gòu)造特征，可以把盆地劃分為伊盟隆起、伊陜斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷和西緣逆沖帶6個(gè)構(gòu)造單元(圖1)，本文的研究范圍位于鄂爾多斯盆地的中東部，研究區(qū)奧陶系馬家溝組為內(nèi)克拉通臺(tái)地陸表海碳酸鹽巖沉積，碳酸鹽巖沉積物厚度變化較大從數(shù)百米到千余米，沉積物中夾硬石膏和鹽巖等蒸發(fā)巖。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐峙c位置圖Fig.1 Division of tectonic units and sites in the study area

2 樣品采集與測(cè)試方法

本次研究共選取馬家溝組白云巖樣品20塊，樣品均來自研究區(qū)鉆井的新鮮巖心，采樣時(shí)要避免污染，保證樣品的純潔。在分析之前，對(duì)所選樣品進(jìn)行了陰極發(fā)光和鑄體薄片(茜素紅染色)的鏡下鑒定，對(duì)樣品詳細(xì)分類。選取樣品用瑪瑙研缽研磨并過200目篩后，用塑料樣品袋包裝，送西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微量及稀土元素分析，每份樣品重量保證大于等于10 g.

微量元素測(cè)定之前先進(jìn)行樣品分解，為了保證樣品完全溶解，分解樣品采用硝酸+氫氟酸+高氯酸敞開容器分解法與硝酸+氫氟酸密閉容器消解法相結(jié)合。這種方法與堿溶法相比不帶入任何金屬離子，同時(shí)氫氟酸和硝酸易于純化，污染小，分析本底低，測(cè)定限低。稀土元素是在ICP-MS上測(cè)定的，實(shí)驗(yàn)中使用的儀器型號(hào)為美國ELAN6100DRC型電感偶合等離子質(zhì)譜儀。

3 巖石學(xué)特征

對(duì)選取樣品進(jìn)行薄片鑒定，研究區(qū)馬家溝組白云巖主要類型如下。

3.1 微晶白云巖

巖石主要由細(xì)粉晶級(jí)白云石組成，粒徑在0.02～0.03 mm，較致密，大多數(shù)巖石孔隙不發(fā)育，局部見有溶蝕孔，微裂縫、壓溶縫發(fā)育，被硅質(zhì)礦物、泥巖等充填，孔隙連通性差，滲透率低。

3.2 亮晶白云巖

巖石成分主要為白云石、方解石，泥微晶結(jié)構(gòu);見構(gòu)造縫，最寬達(dá)25μm，內(nèi)充填方解石較完全。白云巖結(jié)晶較好的可達(dá)細(xì)晶結(jié)構(gòu)。

3.3 泥晶白云巖

巖石主要由泥晶(＜0.005 mm)物質(zhì)組成。泥晶粒徑0.01～0.02 mm占25%，其余皆＜0.005 mm，它形，粒狀物。見少量黃鐵礦、伊利石及極少量硅質(zhì)(＜5%)，裂縫充填物主要為方解石。

4 微量地球化學(xué)特征

微量元素中的Fe，Mn，Sr，Na可以用來判別碳酸巖成巖作用和成巖過程中流體特征。Mn，F(xiàn)e元素在海洋環(huán)境中含量低，而在大氣水成巖環(huán)境中強(qiáng)烈富集，Sr可以用來示蹤海水及其派生流體特征，Na則可以反應(yīng)出成巖流體的鹽度［15］。

鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖微量元素測(cè)試結(jié)果見表1，主要表現(xiàn)出Fe含量比較高，Na，Sr和Mn含量低的特征。

現(xiàn)代海洋白云石中的Na，Sr含量比較高(加勒比、阿拉伯海灣、得克薩斯的現(xiàn)代海洋白云石Na含量達(dá)(3 000～10 000)×106)［14］，古代白云石Na含量較低僅有(900～1 000)×106［15］.研究區(qū)白云石的Na平均含量為205.60×106，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)代海洋白云石Na的含量，而且比古代白云石Na的含量還要低很多，這種低值不僅說明了白云石可能形成于鹽度較低的海水，同時(shí)也可以看出白云巖在形成過程中受到淡水淋濾和埋藏的作用影響，自身的Na被成巖過程的流體帶走，使得Na含量下降較多。研究區(qū)整體Na的變化不大，說明成巖作用對(duì)白云石的影響比較均勻。

在相對(duì)封閉的成巖體系中，水和巖石基本不發(fā)生作用，母體碳酸鹽的礦物成分決定了微量元素的含量。一般來說Sr(600～5 000)×106含量較高的白云石是由含有高的Sr含量(10 000～80 000)×106的海相文石形成的。海相高鎂方解石和低鎂方解石Sr含量比較低(2 000～10 000)× 106，由它們所形成的白云石的Sr含量也比較低低(300～2 000)×106，而有很低的Sr含量的低鎂方解石母體會(huì)形成Sr含量很低的白云石［15］。根據(jù)上述理論，研究區(qū)的白云石Sr含量很低(表1)，很可能是因?yàn)樾纬伤鼈兊哪阁w是低鎂方解石;成巖過程中淡水淋濾的發(fā)生，也可能把白云石中的Sr溶解到水中帶走，造成巖石中Sr含量變低。

表1 馬家溝組白云巖主微量元素含量Tab.1 Trace element content of dolom ites in the Majiagou formation(×10-6)

在碳酸鹽巖成巖作用中其物質(zhì)來源和孔隙水的氧化-還原電位決定了Fe和Mn的濃度。孔隙水處于還原環(huán)境，在還原環(huán)境中，成巖作用強(qiáng)度不斷的增加，F(xiàn)e，Mn在孔隙水溶液的含量也隨之不斷增大。海水處于氧化條件，因此Fe，Mn在海水中的含量比較低，現(xiàn)代海洋環(huán)境中，以文石為主的灰泥Fe含量較低，Mn的含量小于200×106.研究區(qū)白云巖Fe含量比較高(表1)，說明白云巖化發(fā)生在還原環(huán)境中，受到埋藏作用的影響;研究區(qū)Mn含量有些高于海相灰?guī)r有些低于海相灰?guī)r，高的Mn值說明白云化過程中有些受到了大氣淡水的影響，低的Mn值說明白云巖化流體主要是海水流體或與海水有關(guān)的流體，未受或很少受到大氣淡水的影響。

5 稀土元素地球化學(xué)特征

稀土元素(REE)配分模式能夠反映白云巖化提供物質(zhì)的來源信息，可用來判別白云巖化流體性質(zhì)及形成環(huán)境。隨著氧化還原環(huán)境的變化，物理化學(xué)條件也發(fā)生，Ce3+和Eu3+很容易隨著環(huán)境的變化變價(jià)為難溶或者是易溶的離子，溶解于巖溶流體中或者是從巖溶流體中分餾出來，使得稀土元素含量出現(xiàn)異常，因此稀土元素特征研究是一種判斷成巖環(huán)境的有利手段。探區(qū)內(nèi)三類的白云巖REE測(cè)試結(jié)果見表2，利用球粒隕石和NASC (北美頁巖)標(biāo)準(zhǔn)值分別對(duì)白云巖的稀土元素含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，研究區(qū)三類白云巖配分模式，如圖2所示。

從白云巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖(圖2(a))中可以看出，此次測(cè)得的所有白云巖樣品的曲線形態(tài)類似，都呈輕稀土富集和重稀土虧損的右傾模式，且具有弱的Eu異常;在相對(duì)堿性溫度較低的環(huán)境中，Eu3+被還原為Eu2+，Eu2+比較容易溶解在流體中，由于Eu3+電價(jià)改變和遷移作用的發(fā)生，使得巖石中的Eu的含量降低，造成了Eu負(fù)異常(δEu＜1);在溫度較高或者是氧化環(huán)境中，Eu3+往往被氧化為Eu4+，Eu4+難溶解于流體，使得Eu的含量增加，表現(xiàn)出了Eu正異常(δEu＞1)，

圖2(a)表明鄂爾多斯盆地中東部白云巖大多有些具弱-中等Eu負(fù)異常(平均值為0.45)，說明這些白云巖中的Eu3+被還原為易溶的Eu2+，使得Eu含量減少，反映出白云巖形成于相對(duì)偏堿性的還原環(huán)境。

表2 鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 REE of dolom ites in the M ajiagou form ation of the central and eastren part of O rdos Basin(×10-6)

圖2 馬家溝組白云巖準(zhǔn)化稀土元素配分圖Fig.2 REE distribution of dolomites in the Majiagou Formation

不同來源的流體，稀土元素的含量不同，受到環(huán)境的影響不同，表現(xiàn)出的REE配分模式也不相同，因此可以對(duì)稀土元素配分模式形態(tài)進(jìn)行研究分析，來推測(cè)流體的性質(zhì)和物質(zhì)來源。在北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分圖中(圖2(b))，白云巖的REE配分模式都比較接近，說明些白云巖化流體具同源性。

Ce元素比較敏感，在氧化環(huán)境和還原環(huán)境中容易與其他三價(jià)的稀土元素發(fā)生分餾作用，在氧化環(huán)境中Ce3+變價(jià)為Ce4+，Ce4+很難與巖溶流體相溶，就會(huì)優(yōu)先進(jìn)入沉積物中，而巖溶流體由于Ce3+的變價(jià)轉(zhuǎn)移，使得流體中的Ce的含量減少，就會(huì)表現(xiàn)出Ce的負(fù)異常，因此可以用Ce的負(fù)異常程度來反映巖溶流體受到氧化環(huán)境影響的程度。從表2和圖2(b)可見，白云巖具Ce明顯負(fù)異常(平均值0.35)，說明這類白云巖形成于相對(duì)還原環(huán)境，又受到后期構(gòu)造熱液流體的影響和改造。

圖3 灰?guī)r與白云巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖Fig.3 REE distribution of limestones and dolomites in the Majiagou formation

泥晶灰?guī)r受成巖蝕變小，可代表原始海水的相關(guān)信息，它可以用來表示白云巖形成時(shí)海水的特征，可以用它進(jìn)行對(duì)比分析來判別白云巖的成因。從灰?guī)r與白云巖球粒隕石配分圖(圖3)可以看出鄂爾多斯盆地中東部三類白云巖的的模式都與區(qū)內(nèi)泥微晶灰?guī)r相近，說明該區(qū)白云化流體與海水或海源流體相關(guān)。研究區(qū)微晶白云巖的稀土元素含量值高于泥晶灰?guī)r稀土元素含量值(圖3)，說明在白云巖化的過程中，稀土元素發(fā)生了遷移，使得稀土含量變低，白云巖化就是稀土元素發(fā)生轉(zhuǎn)移含量變少的一個(gè)過程，白云巖中Mg/Ca值相對(duì)較高代表了白云巖化作用發(fā)生在偏堿性的環(huán)境，在相對(duì)堿性環(huán)境中稀土元素的更容易發(fā)生活化和遷移。研究區(qū)中亮晶白云巖和泥晶白云巖的稀土元素的含量相對(duì)于泥晶灰?guī)r和微晶稀土稀土元素含量較高，說明在白云巖形成后又受到外來的巖溶流體的影響，把外界其他物質(zhì)帶到白云巖中，使得白云巖的稀土含量有所增加。而研究區(qū)白云巖受到流體影響后的模式依然和灰?guī)r相近，說明了這種外來的巖溶流體與海水相關(guān)，受到海水的影響較大。

6 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地中東部白云巖可以分為亮晶白云巖，微晶白云巖和泥晶白云巖3類;

2)鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組白云巖Fe含量比較高，Na，Sr和Mn含量比較低，代表白云巖化流體主要為海水或與海水有關(guān)，白云化過程中未受或很少受到大氣淡水的影響;

3)從稀土元素分析結(jié)果來看，白云巖稀土配分圖都呈輕稀土富集和重稀土虧損的右傾模式，具有Eu和Ce負(fù)異常，說明白云巖形成于相對(duì)還原環(huán)境，又受到后期構(gòu)造熱液流體的影響和改造;

4)研究區(qū)三類白云巖的的稀土配分模式圖與區(qū)內(nèi)泥微晶灰?guī)r相近，說明白云巖形成于相對(duì)還原環(huán)境，白云化流體與海水或海源流體相關(guān)。

總之，鄂爾多斯盆地中東部白云巖白云化作用流體主要是海水或海源流體，白云巖主要形成于相對(duì)還原的堿性環(huán)境。

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M ajiagou formation dolom ite geochem istry characteristics in the central and eastern part of Ordos Basin

QIANG Juan1，CAO Hong-xia1，ZHANG Xian-xu2，HAN Xiao-qin1，WU Hai-yan1，SHANG Ting1

(1.Research Institute of Yanchang Petroleum Group Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China; 2.Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp，Xi’an 710077，China)

∶Rare earth elements as an importantmean is used to study the flow dolomitization origin and formation environment analysis of dolomite.The dolomite is characterized by significantly higher Fe content and lower Na，Sr and Mn contents in the central and eastern Erdos Basin.Dolomitization fluid is mainly concerned with sea water or seawater，without or little affected by atmospheric water.The REE distribution map shows all dolomite samples with similar curve shape，are light REE enrichment and heavy REE deficit rightmode with a negative anomaly of Eu and Ce，δEu average value is0.45，the average value of Ce is0.35，the dolomite formed in relatively alkaline environment，and affected by the late tectonic hydrothermal fluid and transformation;three types of dolomite patterns are similar to themicritic limestons，also shows that dolomitization fluid associated with seawater ormarine fluid.Synthesis Formation dolomite geochemistry of Ordos Basin in the central and eastern Majiagou can determine dolomite formed in relatively reduced alkaline environment.

∶P 595.5

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0312

∶1672-9315(2015)03-0344-06

∶2015-03-14責(zé)任編輯∶李克永

∶強(qiáng)娟(1981-)，女，陜西西安人，工程師，E-mail∶qj81107@163.com