何 剑　李 云　孙桂梅

(1. 延长石油油气勘探公司， 陕西 延安 716000； 2. 长安大学， 西安 710051)



延长油田东区下二叠统山西组物源分析

何 剑1李 云1孙桂梅2

(1. 延长石油油气勘探公司， 陕西 延安 716000； 2. 长安大学， 西安 710051)

摘要：延长油田东区下二叠统山西组沉积物受盆地周缘多个物源区的综合影响。从微量元素、稀土元素、主量元素等地球化学及重矿物等方面系统分析了研究区沉积物特征，恢复了该区物源。研究区山西组山2段总体少盐水，山1段以延安地区为界，以南地区少盐水、以北地区中盐水；富集Rb、Th、U、La、Pb、Nd、Gd而亏损Ba、Nd、Ta、Ce、Sr、Eu，山1段和山2段分异度不大；以Y145和Y153 — Y120一线为界，前者以北地区及后者以南地区主矿物类型相似，受物源影响含量差异大。研究区山西组沉积物受北北东方向、北北西方向和南方3个物源的综合影响。

关键词：地球化学； 重矿物； 物源； 山西组； 延长油田

前人根据野外露头、钻井和物探资料研究认为鄂尔多斯盆地周缘地区古老地层及其结晶基底主要为太古界和元古界的各类变质岩、火山岩、沉积岩组成的多套古老变质岩系[12]，元古代以后长期处于剥蚀隆起地区，形成盆地北部的阿拉善 — 阴山古陆，南部的祁连 — 北秦岭古陆和西南部的六盘山古陆[13]。源区母岩类型及区域构造演化不同导致了盆地不同地区、不同层位岩石类型和成分的差异[14]，给研究带来了困难。前人主要从组分及重矿物方面对鄂尔多斯盆地山西组物源进行了分析[15-17]，主要利用稀土元素、微量元素等地化手段分析物源区的特征[18-19]，且研究区主要集中在鄂尔多斯盆地靠近物源的北部和南部，对搬运距离更远、影响因素更多的盆地中部的延长油田东区尚未建立沉积物与物源区之间的对应关系。本次研究从地球化学特征及重矿物成分入手，系统分析研究区沉积物特征，恢复该区物源，为造山带深化研究提供依据。

1区域地质背景

鄂尔多斯盆地是一个古生代稳定沉降，中生代坳陷自西向东迁移，新生代周边扭动断陷的多旋回沉积的克拉通盆地[20]。其形成经历了中晚元古代坳拉谷阶段、早古生代浅海台地阶段、晚古生代近海平原阶段、中生代内陆湖盆阶段及新生代周边断陷阶段等5个阶段。盆地周缘，尤其是北缘和南缘自太古代以来长期处于隆起剥蚀状态，为盆地提供了充沛的物源(图1)。

延长油田东区位于鄂尔多斯盆地东南缘，区域构造上大部分属于陕北斜坡，面积约1.6×104km2。下二叠统山西组自上而下分为山1段和山2段。其中，山1段岩性以岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，累计砂岩厚度主要在8～25 m，为三角洲前缘沉积；山2段岩性以岩屑砂岩为主，累计砂岩厚度主要在 5～18 m，为三角洲前缘沉积。

2碎屑岩地球化学特征分析

本次研究样品采自Y101、Y103、Y110等井，共18个，样品测试由西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，其中微量元素稀土测试采用Agilient的ICP-MS，测试准确度达到10%。

图1　研究区位置、盆地周缘结晶基底及地层分布图

沉积物中元素的地球化学性质受母岩、构造背景及古地理、古气候、古地形、古介质化学性质等多种因素的影响。在微量元素地球化学分析中测定的37种元素中，过渡族元素V、Cr、Ni、Cu、Zn、Co和有机质的质量含量与水体动力条件存在联系；Sr、Rb、Ba、Zr、SrBa、RbZr等元素的质量含量及其比值则受水体盐度、深度的影响较大；Ge、P2O5的质量含量与有机质类型关系密切。故本次研究选取以上几个对沉积环境敏感的元素作为反演沉积环境的元素标志。

根据元素B和黏土矿物成分计算的古盐度是判断沉积环境最直观的指标。现代海洋沉积物中ωB一般大于0.000 10，盐度为35‰；现代淡水湖泊相沉积物中ωB一般介于0.000 03～0.000 06，盐度小于1‰[21]。本次采用科奇(Couch)公式[22]计算古盐度，其表达式为：

lgωBK=1.28lgSP+0.11

而

ωBK=ωB(4ωI+2ωM+ωK)

式中：ωBK—— 高岭石中硼的质量分数；

SP—— 古盐度，‰；

ωI、ωM、ωK—— 分别为伊利石、蒙脱石和高岭石的质量分数；

ωB—— 硼的实测质量分数。

ωB与黏土矿物的成分和组成密切相关，伊利石、蒙脱石、高岭石对硼的吸附能力之比为4∶2∶1。研究区山西组泥岩黏土矿物组分及其含量见表1。从表1可以看出：研究区山西组山2段总体少盐水，为低盐度；山1段在延安地区以南为低盐度，在延安地区以北为中盐度。

表1　研究区山西组泥岩黏土矿物相对含量统计表　%

表2为研究区山西组微量元素、元素比值及古盐度数据表。从表中可以看出，微量元素在山西组的2个岩性段含量大致相同且分异度不大。

黏土矿物中B、Ga和Rb元素随沉积环境不同而发生有规律的变化[23]。将泥岩中这3个元素在成分三角图中投点表明，山2层多落于海水区，山1小层样品大多落于混合水区(图2)，说明山2期本区受海水影响较大，山1期沉积主要为混合水环境。

表2　研究区山西组微量元素、元素比值及古盐度数据

图2　B、Ga、Rb成分三角图

本次研究采用邓宏文提出的元素相标志标准[24]，ωBωGa代表了沉积环境的差异，ωBωGa<5为三角洲沉积。研究区ωBωGa为2.1，指示该区具有近岸海相沉积特征。利用ωSrωBa可计算盐度，通常认为ωSrωBa>1为海洋环境，ωSrωBa<1为陆相环境。研究区山西组山1段的ωSrωBa平均值为0.34，山2段的平均值为0.25，结合其沉积岩性特征和ωRbωZr特征分析山西组应为陆相沉积，且山1段较山2段更接近海岸。ωVωNi受盐度和还原程度的影响，ωVωNi高是高盐度和强还原的响应。研究区ωVωNi的平均值为4.1，表明该区为混合水环境沉积。ωRbωZr作为水体深度判别的指标，其值越高说明水体越深。山西组的ωRbωZr变化剧烈，呈现大起大落的曲线模式，这是该区由三角洲平原(水上)到三角洲前缘(水下)，即水上、水下沉积环境频繁变化所致。

2.2稀土元素特征分析

研究区稀土元素蛛网图(图3)显示：山西组山1段和山2段轻稀土和重稀土元素自下而上均有减少的趋势，但稀土元素较富集；Eu元素具有明显的负异常，重稀土分配曲线一致性较高。

图3　研究区稀土元素蛛网图

2.3主量元素特征分析

Al、Na、K、Fe等元素的质量含量与Ti的质量含量的比值与气候变化有良好的相关性。Ti与其他元素质量含量的比值可以作为元素化学侵蚀作用中的示踪因子：ωAlωTi高说明沉积物来自较强的化学侵蚀源区；ωKωNa、ωKωTi和ωAlωNa高反映该区域为强的化学侵蚀源区。

Al2O3、K2O和TiO2金属阳离子的元素质量百分含量表明山西期泥岩沉积偏海相环境。K元素与Na元素质量之比和Al元素与Na元素质量之比均表明山西期古沉积环境相对干燥，不利于源区母岩的化学风化。山西组的P2O5、MgO和SiO2的平均质量百分含量较其他层位高表明山西组泥岩中有机质含量较为丰富。

3重矿物分析

本次研究采用目前常用的稳定的锆石和独居石作为物源分析的重矿物[25]。通过重矿物分析，研究区山西组砂岩重矿物中锆石、石榴子石和白钛矿含量最高且分布稳定。按照重矿物组合及含量分布可知，Y145、Y153 — Y120一线可以作为研究区重矿物分区的界线，Y145以北地区的北区及Y153 — Y120一线以南的南区主矿物类型相似，但含量不同，具体表现为重矿物平均含量在北区锆石为68.2%、石榴子石为7%、白钛矿为22.4%；而在南区对应的含量分别为47.7%、18.1%和29.8%，表明南区存在明显的物源区，且已经影响到Y153 — Y120一线；而中区可能受到南北2个不同物源的影响而使得重矿物含量差别较大，为混源区(图4)。

图4　研究区山西组重矿物分布平面图

4物源区分析

根据前人对鄂尔多斯盆地周缘基底研究成果，鄂尔多斯盆地东北缘的吕梁山太古宙花岗岩轻、重稀土元素总量相关性较大，轻稀土及重稀土均呈现亏损 — 富集分布，其球粒陨石标准化配分模式为“V”字谱型。南缘的秦岭靠山带秦岭群和宽坪群样品的球粒陨石标准化配分模式表现为轻稀土呈右倾斜、重稀土呈略右倾 — 平坦分布。西缘的阴山古陆乌拉山群稀土元素总量变化较大，呈亏损 — 富集分布，其球粒陨石标准化配分模式为右倾谱型。对比本区稀土元素球粒陨石标准化配分模式可知，盆地南缘和北缘与研究区具有明显的亲缘关系。

图5为研究区山西组物源分区图。分析Y101、Y105及Y113井样品中的锆石、石榴子石及白铁矿质量含量，在北部进一步识别出2个不同的物源方向；因此研究区共有3个物源方向，分别为北 — 北东方向(A区块)、北 — 北西方向(B区块)及正南方方向(C区块)。

图5　研究区山西组物源分区图

5结语

(1)研究区山西组山2段总体少盐水；山1段在延安地区以南地区少盐水，在延安地区以北为中盐水。

(2)研究区富集Rb、Th、U、La、Pb、Nd、Gd而亏损Ba、Nd、Ta、Ce、Sr、Eu，山1段和山2段分异度不大。

(3)研究区山2段受海水影响较大，山1段主要为混合水环境。

(4)重矿物组合上，以Y145和Y153 — Y120一线为界，Y145以北地区及Y153 — Y120以南地区Al2O3、K2O和TiO2等主矿物类型相似，受不同物源影响含量差异大。

(5)在北区进一步识别了2个物源方向，研究区山西组沉积物受北北东、北北西和正南3个物源方向的综合影响。

参考文献

[1] MCLENNAN S M, HEMMING S R, MCDANIEL D K, et al. Geochemical Approaches to Sedimentation, Provenance, and Tectonics[G]. SPE284, 1993.

[2] RUDNICK R L, GAO S. Composition of the Continental Crust[M]. 3rd ed. Oxford: Elsevier-Pergamon, 2003: 1-64.

[3] HOFMANN A. The Geochemistry of Sedimentary Rocks from the Fig Tree Formation, Barberton Greenstone Belt: Implications for Tectonic, Hydrothermal and Surface Processes during Mid-Archaean Times[J]. Precambrian Research, 2005, 143(1234): 23-49.

[4] HEGDE V S, CHAVADI V C. Geochemistry of Late Archaean Metagreywackes from the Western Dharwar Craton, South India: Implications for Provenance and Nature of the Late Archaean Crust[J]. Gondwana Research, 2009, 15(2): 178-187.

[5] 徐亚军,杜远生,杨江海,等.北祁连造山带老君山组沉积地球化学与物源分析[J].中国科学:地球科学,2010,40(4):414-425.

[6] 李双应,李任伟,孟庆任,等.大别山东南麓中新生代碎屑岩地球化学特征及其对物源的制约[J].岩石学报,2005,21(4):1157-1166.

[7] 周炼,高山,刘勇胜,等.扬子克拉通北缘碎屑沉积岩地球化学特征及意义[J].地球科学 —— 中国地质大学学报,2007,32(1):29-38.

[8] KASANZU C, MABOKO M A H, MANYA S. Geochemistry of Fine-Grained Clastic Sedimentary Rocks of the Neoproterozoic Ikorongo Formation, NE Tanzania: Implications for Provenance and Source Rock Weathering[J]. Precambrian Research, 2008, 164(34): 201-213.

[9] 许德如,马驰,NONNA B C,等.海南岛北西部邦溪地区奥陶纪火山-碎屑沉积岩岩石学、矿物学和地球化学:源区及构造环境暗示[J].地球化学,2007,36(1):11-26.

[10] 毛光周,刘池洋.地球化学在物源及沉积背景分析中的应用[J].地球科学与环境学报,2011,33(4):337-348.

[11] 李双应,李任伟,王道轩,等.大别山北缘凤凰台组砾石地球化学特征及源区构造环境[J].沉积学报,2005,23(3):380-388.

[12] 何自新.鄂尔多斯盆地演化与油气[M].北京:石油工业出版社,2003：3-67.

[13] 杨俊杰.鄂尔多斯盆地构造演化与油气分布规律[M].北京:石油工业出版社,2002:48-60.

[14] 魏红红,彭惠群,李静群,等.鄂尔多斯盆地中部石炭—二叠系沉积相带与砂体展布[J].沉积学报,1999,17(3):403-408.

[15] 陈安清,陈洪德,向芳,等.鄂尔多斯东北部山西组上石盒子组砂岩特征及物源分析[J].成都理工大学学报(自然科学版),2007,34(3):305-311.

[16] 张道锋,杨文敬,漆亚玲,等.鄂尔多斯盆地神木地区上古生界山西组物源分析[J].天然气地球科学,2009,20(6):902-906.

[17] 席胜利,王怀厂,秦伯平.鄂尔多斯盆地北部山西组、下石盒子组物源分析[J].天然气工业,2002,22(2):21-24.

[18] 廖志伟,陈洪德,陈安清,等.鄂尔多斯盆地南部二叠系山西组二段泥岩稀土元素特征及地质意义[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2011,33(9):7-12.

[19] 谢国梁,沈玉林,魏展航,等.鄂尔多斯盆地延川南地区下二叠统山西组泥岩稀土元素特征及地质意义[J].天然气地球科学,2013,24(5):991-998.

[20] 白斌,杨文敬,周立发,等.鄂尔多斯盆地西缘山西组沉积物源及源区大地构造属性分析[J].煤田地质与勘探,2007,35(4):8-11.

[21] 刘岫峰.沉积岩实验室研究方法[M].北京:地质出版社,1991：206-207.

[22] COUCH E L. Calculation of Paleosalinnityes from Boion and Clay Mineral Date[J]. AAPG Bulletin, 1971, 55(10): 1829-1837.

[23] 严钦尚,张国栋,项立嵩,等.苏北金湖凹陷阜宁群的海侵和沉积环境[J].地质学报,1979(1):74-83.

[24] 邓宏文,钱凯.沉积地球化学与环境分析[M].兰州:甘肃科学技术出版社,1993:22-25.

[25] 和钟铧,刘招君,张峰.重矿物在盆地分析中的应用研究进展[J].地质科技情报,2001,20(4):29-32.

Provenance Analysis of Shanxi Formation in Lower Permian Series in East Yanchang Oilfield

HEJian1LIYun1SUNGuimei2

(1. Yanchang Petroleum and Gas Exploration Company, Yan′an Shaanxi 716000, China;2. Chang′an University, Xi′an 710051, China)

Abstract:The deposit sediments at Shanxi formation in lower Permian series in the east Yanchang oilfield are affected by the comprehensive powers of many provenance areas around many basins. This paper analyzes the sedimentary features of this area from the aspects of ithogeochemistry, such as trace elements, REE and major elements as well as heavy minerals, on whose basis it recovers the provenance. The results show that: firstly, the No.1 Section of this area mainly consists of low-salinity water in the south and middle-salinity water in the north, while the No.2 section mainly consists of low-salinity water. Secondly, with the trace elements, it is generally rich in Rb, Th, U, La, Pb, Nd and Gd in varying degrees while poor in Ba, Nd, Ta, Ce, especially Sr and Eu; the two lithologic sections differ little in this aspect. Lastly, the Shanxi formation can be divided into three sections in heavy mineral combinations: the North Section — to the north of Y145, the South Section — to the south of Y153 and Y120, and the Middle Section — between the above two sections; the North and South Sections are the same in the types of main minerals, though different in proportion, but the Middle Section differs much from the two due to the effects of different provenance. It is clear that the sedimentary at Shanxi formation is affected comprehensively by the three provenance areas: north north east, north north west and south.

Key words:geochemistry; heavy minerals; provenance; Shanxi formation; Yanchang oilfield

收稿日期：2015-09-29

基金项目：中国博士后基金项目“鄂尔多斯盆地南部特低渗储层精细评价及地质模型研究”(20070420489)

作者简介：何剑(1979 — )，男，硕士，工程师，研究方向为油气勘探综合地质学。

中图分类号：P588

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0005-05