李繼東，付玉鑫，蔣飛虎，李妲，王亞明，劉云龍，鄭偉，邢智峰

(1.中國石化中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001；2.河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

銀額盆地位于內蒙古自治區(qū)中西部(內蒙古-興安地槽褶皺帶西部)，東西長約600 km，南北寬75～255 km，面積約12.3×104km2，為中國陸上勘探程度較低的大型含油氣盆地。1955—1996年，原地質礦產部、中石油等多家單位在盆地內開展系統(tǒng)評價工作，實施了多期次的非震、地震和鉆井測試，認為銀額盆地是在前中生代復合基底上發(fā)育的分割性較強的中新生代斷陷盆地群，并對查干凹陷展開了比較系統(tǒng)的評價。近5年來，中原油田相繼在拐子湖凹陷部署并鉆探從拐參1井到拐參10井的10口探井，累計上報三級石油地質儲量6 000萬t，“鎖定”了中生代巴音戈壁組和前中生代基巖潛山兩套增儲“熱門”層系。近年來，越來越多的學者對油頁巖的形成環(huán)境進行詳細研究，并對油頁巖有機質富集的條件提出不同見解[1-3]。但由于銀額盆地經過多期構造演化，地層疊置關系復雜，地層對比困難，因此，主產油層巴音戈壁組油頁巖的形成環(huán)境和有機質富集條件存在一定爭議[3-6]。本文以拐子湖凹陷拐參1井為研究對象，利用新的鉆井巖心資料，結合元素地球化學數(shù)據(jù)，分析拐子湖凹陷巴音戈壁組的古水體條件與古氣候特征，以期對早白堊世陸相古氣候和有機質富集條件的研究提供一定理論依據(jù)，為進一步揭示拐子湖凹陷的沉積演化史提供支撐。

1 研究區(qū)地質概況

1.1 區(qū)域位置與構造格局

銀額盆地位于內蒙古自治區(qū)西部烏拉特后旗，是在前寒武紀變質基底和古生代褶皺基底上發(fā)育的中新生代斷坳疊合型盆地，位于古亞洲構造域與特提斯構造域的交匯部位，構造上處于古生代4大板塊(塔里木板塊、哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和華北板塊)的結合部位，經歷板塊構造演化、板內伸展和陸內造山等不同演化階段，是天山-興安嶺造山系的主要組成部分。盆地內劃分為7個坳陷(居延海坳陷、務桃亥坳陷、達古坳陷、蘇亥圖坳陷、尚丹坳陷、查干德勒坳陷和蘇紅圖坳陷)和5個隆起(綠圓隆起、宗乃山隆起、特羅西灘隆起、本巴圖隆起和楚魯隆起)(圖1)。

圖1 銀額盆地構造分區(qū)圖Fig.1 Tectonic zoning map of the Yin’e Basin

拐子湖凹陷地處巴丹吉林沙漠腹地，受控于整個銀額盆地的形成演化，經歷多次構造運動，剝蝕不整合界面與斷陷、坳陷雙重結構明顯。巴音戈壁組及蘇一段對應于斷陷期，巴一段沉積期為區(qū)內斷層活動較強烈的時期，除邊界斷裂外，盆地內部還發(fā)育多個次級小斷裂，形成多個局限的小地塹或半地塹；巴二段沉積期，盆內次級斷裂活動減弱，邊界斷裂活動劇烈，斷塊掀斜，形成典型的東斷西超的半地塹湖盆。隨后，快速裂陷期形成巨厚的蘇一段沉積，蘇二段及銀根組對應于斷坳轉換期[7-10]。

1.2 地層沉積特征

拐子湖凹陷主要發(fā)育白堊系(K)與新生界(Cz)。其中白堊系由下而上劃分為巴音戈壁組、蘇紅圖組、銀根組與烏蘭蘇海組，巴音戈壁組又可分為巴一段和巴二段。巴音戈壁組底部是區(qū)域不整合面，表現(xiàn)為白堊系與古生代基底的不整合接觸；頂部與蘇紅圖組呈局部不整合接觸，表現(xiàn)為盆地邊緣的削蝕與上超。區(qū)域的斷塊掀斜與剝蝕造成較多的近源粗碎屑快速堆積，但沉積物分布受到斷陷限制。巴一段與巴二段巖性組合差別較大，巴一段下部發(fā)育厚層棕褐色砂礫巖，上部以深色泥頁巖為主；巴二段主要為深灰色泥巖夾淺灰色粉砂巖或深灰色泥巖與淺灰色粉砂巖不等厚互層，巴音戈壁組上覆蘇紅圖組分布局限于斷陷，巖性特征差異較大：蘇一段下部巖性以紫紅色泥巖、粉砂質泥巖互層為主，夾薄層粉砂質泥巖，局部夾薄-中厚層雜色泥巖和含礫粗砂巖；蘇二段巖性主要為淺灰色白云質泥巖、粉砂質泥巖[8-9]。

巖心、測井、地震相和盆地古地貌背景綜合分析結果表明，拐子湖凹陷斷陷期是典型的半地塹盆地，有2個快速裂陷旋回，巴音戈壁組發(fā)育在斷陷早期的第一個裂陷旋回，表現(xiàn)為同沉積斷層活動強烈，沉積控制作用明顯，主要發(fā)育扇三角洲、沖積扇、湖泊、重力流沉積等4種沉積相類[8]。以拐參1井為例，巴音戈壁組下覆玄武巖基底，從下至上，分別發(fā)育巴一段和巴二段，主要表現(xiàn)為湖泊相沉積。巴一段下部為扇三角洲前緣亞相(水下分流河道)雜色砂礫巖，逐漸過渡到深湖-半深湖灰黑色泥巖，其中夾一層灰褐色油斑粉砂巖，厚約3 m，為重要的勘探層位；上部為辮狀河三角洲沉積體系，發(fā)育前三角洲亞相，主要為深灰色泥質沉積。巴二段下部主要發(fā)育三角洲前緣亞相的河口壩、水下分流間灣、水下分流河道等微相，此處發(fā)育厚層棕褐色油浸含礫中砂巖(主要含油層位)；巴二段上部發(fā)育淺湖沉積，以淺灰色厚層泥巖夾粉砂巖為主，并發(fā)育厚層淺湖砂壩(圖2)。

2 材料與方法

本研究樣品采自拐子湖凹陷中原油田勘探區(qū)，共采集了拐參1井23 件樣品。從下至上連續(xù)采樣，用于全面分析巴音戈壁組古環(huán)境隨時間的演變特征。

樣品在60 ℃恒溫下烘干12 h，用瑪瑙研缽研磨至200目以下，包裹于硫酸紙中，置于105 ℃恒溫烘箱中完全烘干。送樣到澳實分析檢測(廣州)有限公司進行微量元素和稀土元素檢測。測試采用堿熔加四酸消解-等離子質譜定量法，其中常規(guī)微量元素Ag，Al，As，Be，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，F(xiàn)e，Ge，In，K，Li，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Re，S，Sb，Sc，Se，Sn，Ta，Te，Ti，Tl，W，Zn選用酸溶測試結果；Al，Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na，S，Ti以%為單位，選用ICP測試結果。稀土和難溶元素Ba，Ce，Cs，Dy，Er，Eu，Ga，Gd，Hf，Ho，La，Lu，Nb，Nd，Pr，Rb，Sm，Sr，Tb，Th，Tm，U，V，Y，Yb，Zr選用堿熔測試結果。儀器細分見表1，主要測試結果和參數(shù)整理見表2～3。

表1 銀額盆地拐子湖凹陷拐參1井巴音戈壁組微量元素測試方法Tab.1 Elemental measuring method of the mudstones from the Bayingebi Formation of the well Gc1 of,Guaizihu Depression,Yin’e Basin

續(xù)表

表2 銀額盆地拐子湖凹陷拐參1井巴音戈壁組泥巖微量元素地球化學數(shù)據(jù)Tab.2 Trace elemental raw data of the mudstones from the Bayingebi Formation of the well Gc1,Guaizihu Depression,Yin’e Basin

3 古環(huán)境討論

依據(jù)巴音戈壁組巴一段和巴二段連續(xù)采集的23件樣品元素地球化學數(shù)據(jù)，對拐參1井巴音戈壁組的沉積記錄進行古氧化還原性、古鹽度、古水深、古氣候等古環(huán)境分析(圖2)。

圖2 銀額盆地拐參1井巴音戈壁組元素地球化學特征與沉積、古氣候演變Fig.2 Geochemical characteristics,sedimentological and paleoclimatic evolution of the Bayingebi Formation elements in the well Gc1,Yin’e Basin

3.1 古氧化還原性

受物質中有機碳含量和鐵離子價態(tài)影響，巖石顏色在一定程度上可以反映沉積環(huán)境的氧化還原性。如泥巖顏色由淺及深，出現(xiàn)灰色→深灰色→灰黑色→黑色等變化，指示環(huán)境還原性不斷增強。拐參1井巖性主要為泥頁巖，巴一段以灰黑色泥巖為主，表明沉積環(huán)境具有較強的還原性；巴二段以深灰色-灰色泥巖為主，還原性較弱。巖石顏色自下而上從灰黑色逐漸變化為灰色，代表還原性逐漸減弱，但總體處于還原-弱還原環(huán)境。

(1)w(V)/w(V+Ni)為0.84～0.89，為水體分層較強的厭氧環(huán)境。

(2)w(V)/w(V+Ni)為0.54～0.82，為水體分層不強的厭氧環(huán)境。

(3)w(V)/w(V+Ni)為0.46～0.60，為水體分層較弱的含氧環(huán)境。

拐參1井自下而上w(V)/w(V+Ni)為0.6～0.85，均值為0.76，整體表現(xiàn)為水體分層不強的厭氧環(huán)境，個別沉積區(qū)段為分層較強的厭氧環(huán)境(圖2)。

稀土元素Ce異常作為水體氧化還原環(huán)境的指示劑，常有Ce3+和Ce4+兩種價態(tài)，Ce4+在水中易發(fā)生水解沉淀，Ce3+是Ce在水中的主要賦存形式。氧化環(huán)境下，Ce3+易氧化生成不穩(wěn)定的Ce4+，進而發(fā)生水解沉淀，導致海水中Ce虧損；還原環(huán)境下，水體中Ce3+含量增多。利用公式Ceanom=lg[3w(Ce)N/(2w(La)N+w(Nd)N)]計算Ce異常指數(shù)，N代表北美頁巖標準化。Ceanom<-0.1時，沉積巖中出現(xiàn)Ce虧損，代表氧化環(huán)境，水體相對較淺；Ceanom>-0.1時，沉積巖中Ce相對富集，代表還原環(huán)境，水體相對較深[11-13]。巴音戈壁組拐參1井樣品Ceanom>-0.1，代表巴音戈壁組處于還原環(huán)境。

w(Th)/w(U)作為古環(huán)境氧化還原指標。Th對氧化還原環(huán)境不敏感，通常以Th4+形式存在于沉積物中。富氧環(huán)境中，沉積物中U4+易氧化為溶于水的U6+，使沉積物中出現(xiàn)U虧損；貧氧或缺氧環(huán)境中，水體中U6+還原為不溶性的U4+，U富集于沉積物中。w(Th)/w(U)為0～2指示缺氧環(huán)境，2～8指示貧氧環(huán)境，大于8指示氧化環(huán)境[14-16]。研究區(qū)巴音戈壁組拐參1井從下至上w(Th)/w(U)為0.75～6.35，均值為4.46，波動較大，反映多次缺氧-貧氧旋回。

根據(jù)巖性和地化特征，拐參1井巴音戈壁組沉積期自下而上表現(xiàn)為還原→弱還原缺氧→貧氧環(huán)境，且以貧氧為主。

3.2 古鹽度

Sr和Ba是地殼中分布較廣的微量元素，Sr，Ba的元素豐度比值是衡量古鹽度較常用的指標。海相沉積環(huán)境更有利于Sr富集，陸源碎屑巖中，鉀長石及黑云母作為Ba元素的載體，易造成Ba元素相對富集，因此，w(Sr)/w(Ba)越大，代表古鹽度越大。統(tǒng)計分析結果表明：淡水沉積物中，w(Sr)/w(Ba)<1；海水沉積物中，w(Sr)/w(Ba)>1；半咸水沉積物中，0.6

圖3 拐參1井w(Sr)/w(Cu)與w(Sr)/w(Ba)相關性分析Fig.3 Correlation analysis of w(Sr)/w(Cu)and w(Sr)/w(Ba)in well Gc1

利用Rockplot軟件投點，得到Ba-Sr圖解(圖4)。該圖解由麥列日克和普列多夫斯基在研究變質黏土巖的沉積環(huán)境時提出，根據(jù)不同沉積時期海洋和淡水成因的黏土B，Sr，Ba，K，Li，Rb等元素含量及比例不同，判別古鹽度和海水/淡水沉積物[18]。依據(jù)Ba，Sr元素的相關性，分析沉積物的古鹽度，并大致標出不同沉積環(huán)境下的沉積物區(qū)。Ba-Sr圖(圖4)的散點分布表明沉積期拐參1井多處于半咸水-咸水環(huán)境。武昕普等[6]對銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段露天礦進行含油頁巖巖系的地球化學特征分析表明：沉積期垂向上表現(xiàn)為炎熱干旱→溫暖濕潤→半干旱氣候環(huán)境，咸水→淡水→半咸水還原水體環(huán)境。其中半咸水-咸水環(huán)境有利于有機質富集，形成高品質油頁巖。本對拐參1井巴音戈壁組古鹽度分析結果表明：沉積期多處于半咸水-咸水還原環(huán)境，這是巴音戈壁組成為主產油層的有利因素之一。

圖4 拐參1井泥巖Ba-Sr古鹽度圖Fig.4 A Ba-Sr map indicative of paleosalinity of the mudstones in the well Gc1

3.3 古水深

傳統(tǒng)的古水深分析方法通常利用沉積巖的巖性、沉積構造、沉積相、古生物遺跡和化石等定性或半定量分析古水深。吳智平等[19]提出利用Co元素質量分數(shù)定量計算沉積環(huán)境的最大古水深，多位學者在科研和工作中利用此方法并取得了良好效果[16,20-21]。其計算公式為

Vs=Vo×(NCo)/(SCo-t×TCo),

(1)

t=SLa/NLa,

(2)

(3)

式中：Vs為樣品的沉積速率,m/Ma；Vo為正常環(huán)境的沉積速率,湖泊-三角洲泥巖沉積速率為(0.2～0.3)×103m/Ma；NCo為正常湖泊沉積物中Co元素的平均豐度,為20 μg/g；SCo為樣品中Co無素的豐度,μg/g；TCo為陸源碎屑巖中Co元素的豐度,為4.68 μg/g；t為陸源輸入的Co元素對樣品的影響；SLa為樣品中La元素的豐度,μg/g；NLa為陸源碎屑巖中La元素的平均豐度，為38.99 μg/g；C為常數(shù)，C=3.05×105，通過測定現(xiàn)代海洋水深和沉積速率得到；h為古水深，m。

根據(jù)拐參1井樣品的地球化學數(shù)據(jù)，利用Co元素質量分數(shù)定量分析古水深，結果表明，不同位置泥巖樣品的w(Co)變化大體反映了古水深變化：巴一段下部有一段較深水沉積；巴一段上部和巴二段下部存在較深水沉積到淺水沉積的變換。也有人利用w(Th)/w(U)反映研究古水深變化，將該比值與Co元素含量的定量計算進行對比，結果表明，二者在古水深的推測上表現(xiàn)基本一致(圖2，表2)。

3.4 古氣候

稀土元素總量(∑REE)高低在一定程度上反映了沉積期的氣候變化。黏土礦物是影響稀土元素富集的重要因素，溫暖濕潤環(huán)境下，有機質含量較高，黏土礦物在由REE形成的絡離子作用下與有機質結合，有利于稀土元素的富集和保存；干冷或干熱氣候條件不利于稀土元素保存，導致∑REE值降低[22-25]。從表3和圖2可以看出，拐參1井∑REE均值為187.07 μg/g，多數(shù)高于北美頁巖∑REE標準值(173.21 μg/g)，說明研究區(qū)沉積時期整體上處于相對溫暖濕潤氣候環(huán)境。巴一段∑REE多在110～205 μg/g波動，巴一段下部井深3 555～3 615 m段，∑REE先驟降后劇增，反映巴一段沉積早期有一段干旱炎熱時期，之后氣候以半干旱為主。巴二段∑REE變化在174～224 μg/g，未出現(xiàn)明顯驟降或劇增，反映巴二段沉積時期以溫暖濕潤氣候為主，并向半干旱氣候轉變。巴音戈壁組孢粉化石主要保存于含油頁巖巖系的灰色泥巖中(見巴一段頂部至巴二段底部)，以松柏類兩氣囊花粉(包括兩氣囊分化不完善的原始松柏類)繁盛為特征，見少量蘇鐵科的孢粉和零星分子如褶皺周壁粉等(圖5)，該階段植被較單調，裸子植物多，蕨類植物少，指示存在一段較溫暖濕潤的時期[4,26]，有利于有機質產出和保存，且逐漸向干熱氣候轉化。柳蓉等[5]對銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組鉆井巖心進行孢粉分析，認為研究區(qū)屬于暖溫帶-北亞熱帶氣候類型，總體表現(xiàn)為半濕潤-濕潤氣候，部分層位為半干旱氣候，并且有機質主要富集在半濕潤-濕潤氣候地層中，這與本文分析結果基本一致。半濕潤-濕潤氣候條件可以加速大氣水循環(huán)，增強母巖化學風化和陸源輸入，引起表層水體微生物(主要是浮游植物)繁盛，生物產率和有機質埋藏增加，而底層水體表現(xiàn)為缺氧狀況，這些都有利于有機質的埋藏和保存。

表3 銀額盆地拐子湖凹陷拐參1井巴音戈壁組泥巖稀土元素地球化學數(shù)據(jù)Tab.3 Rare earth elemental raw data of the mudstones from the Bayingebi Formation of the well Gc1,Guaizihu Depression,Yin’e Basin

(a)(b)(d)蘇鐵粉(未定多種)Cycadopites spp.;(c)環(huán)圈克拉梭粉Classopollis annulatus;(e)(f)具兩氣囊花粉Disacciatrileti;(g)(h)褶皺周壁粉Perinopollenites elatoides

干旱氣候條件下，水體介質趨于堿性，Sr，Cu等元素從水體中析出，富集于巖石中。因此，w(Sr)/w(Cu)為1～10時，常指示溫濕氣候條件；w(Sr)/w(Cu)>10時，指示干熱氣候條件[13]。拐參1井自下而上w(Sr)/w(Cu)整體變化不大，只在巴一段下部和巴二段上部比值明顯增大，其他部分保持在1～10，均值為7.89，且從下至上表現(xiàn)為干旱→較干旱→濕潤→較干旱氣候環(huán)境。結合，REE結果可以推斷，拐參1井巴音戈壁組沉積時期古氣候總體表現(xiàn)為半干旱→濕潤→半干旱，且在沉積早期有一段干旱時期(圖2)。

4 結 論

(1)氧化還原特征。根據(jù)w(Th)/w(U)、w(V)/w(V+Ni),Ce異常等地化指標和巖性特征，拐參1井巴音戈壁組沉積期自下而上表現(xiàn)為還原性→較弱還原性的缺氧→貧氧環(huán)境，且以貧氧為主。

(2)古鹽度分析。拐參1井巴音戈壁組w(Sr)/w(Ba)均值為0.75，自下向上多表現(xiàn)為淡水→半咸水環(huán)境。巴一段w(Sr)/w(Ba)多為0.6～0.9，巴二段w(Sr)/w(Ba)多為0.3～0.75波動，總體而言，巴一段沉積期古鹽度高于巴二段的。w(Sr)/w(Ba)在巴一段底部和巴二段上部又各有一次明顯右偏，這兩次右偏和w(Sr)/w(Cu)兩次右偏保持一致，二者呈正相關關系，相關系數(shù)達2.38，推測右偏時古鹽度的顯著增高可能與暫時的干旱氣候有關。由Ba-Sr圖的散點分布可知沉積期多處于半咸水-咸水環(huán)境。

(3)古水深推測。利用巴音戈壁組采樣點地球化學數(shù)據(jù)定量計算w(Co),分析古水深變化，巴一段下部有一段較深水沉積；巴一段上部和巴二段存在較深水沉積到淺水沉積的變換。

(4)古氣候分析。拐參1井ΣREE均值為187.07 μg/g，多數(shù)高于北美頁巖，REE(173.21 μg/g)。巴一段，REE多在110～205 μg/g波動，且巴一段下部，REE出現(xiàn)先驟降后劇增的變化，反映巴一段沉積早期有一段相對干旱時期，之后氣候以半干旱為主。巴二段，REE為174～224 μg/g，但數(shù)值未出現(xiàn)明顯驟降或劇增，反映巴二段早期氣候以溫暖濕潤為主，并向半干旱氣候轉變。拐參1井自下而上w(Sr)/w(Cu)整體變化不大，只在巴一段下部和巴二段上部明顯增大，其他層位保持在1～10，結合孢粉化石分析結果，推測巴音戈壁組含油頁巖巖系沉積時期為較溫暖濕潤氣候，利于有機質產出和保存。古氣候垂向上表現(xiàn)為較干旱→濕潤→較干旱特征。