第一作者简介 王腾飞,男,1988年生,中国石油大学(北京)博士后,目前从事沉积学研究。E-mail: wang.tf@foxmail.com。
姬塬地区位于鄂尔多斯盆地中西部,主要含油层位为上三叠统延长组。延长组长 6油层组是重要的含油层系,其沉积期跨越 2个三级层序,从底至顶又再分为长 63、长 62、长 61共 3个小层。依据元素地球化学资料,对姬塬地区长 6油层组氧化还原环境、古盐度、古水深、古气候进行研究。结果表明,姬塬地区长 6油层组沉积时期处于温暖湿润的气候条件下,整体为低盐度的淡水湖泊沉积;氧化和还原环境共存,还原环境范围逐步减小并有所迁移;湖盆有逐渐缩小和变浅的趋势,后期趋于稳定。长 63沉积时期,湖泊范围较大,砂体主要为河口坝和远砂坝沉积,半深湖发育浊积砂体。随着湖平面的下降,长 62沉积时期湖盆范围明显缩小,半深湖砂体基本不发育,以河口坝砂体为主。长 61沉积时期,湖盆范围相比长 62略有缩小,砂体厚度明显增大,在湖盆范围内发育多期河道叠加及河道—河口坝叠加成因的砂体。该研究成果有助于明确该地区的沉积演化规律,对进一步勘探开发提供参考。
About the first author: Wang Teng-Fei,born in 1988,is a post-doctoral research assistant at China University of Petroleum(Beijing). Now he is mainly engaged in sedimentology. E-mail: wang.tf@foxmail.com.
The Upper Triassic Yangchang Formation is the main oil-bearing strata in Jiyuan area,middle-western Ordos Basin. The Chang 6 oil ̄bearing interval is one of the most important oil-bearing horizons,which can be subdivided into 3 layers, i.e., 63,62,and 61 layers in ascending order. The Chang 6 oil-bearing interval spans two three-order sequences. The redox environment,salinity,water depth and paleoclimate are reconstructed based on element geochemical data. In the warm and humid climate,the lake was generally low in paleo salinity. In addition,both oxidizing and reducing conditions co-existed. The reducing environment gradually decreased and migrated. While the water depth tended to decrease and become stable in the latter. In Jiyuan area,the sedimentary characteristics of Chang 61,62 and 63 layers are different. At the beginning of Chang 6,it inherited the sedimentary characteristics of the lacustrine basin in the end of Chang 7 oil-bearing interval. The lake range of Chang 63 was large and its sand bodies were mainly composed of the mouth bars and distal bars. Turbidite sand bodies developed in semi-deep lake. Along with the declining lake level,the length of the shoreline of Chang 62 was obviously reducing,and the-semi deep lake did not develop. The lake shoreline length of the Chang 61 was slightly smaller than that of the Chang 62,and the sand body thickness increased dramatically. In the range of the lakeshore line,there were many sand bodies formed by superposition of river channels and mouth bars. The results can help to clarify the sedimentary evolution laws of the Jiyuan area and provide reference for further exploration and development.
鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地, 面积28× 104km2(图1), 横跨陕、甘、宁、蒙、晋等5省区(郝蜀民, 2001)。上三叠统延长组是鄂尔多斯盆地重要的含油层位(梅志超等, 1988; 姚泾利等, 2013), 自上而下共划分出长1至长10等10个油层组(郑荣才和柳梅青, 1999), 每个油层组又可细分为若干小层。本次研究目的层位为长6油层组, 其从顶到底又可划分为长61、长62、长63共3个小层(图2)。长6油层组是盆地主力勘探目的层之一, 累计探明储量达14.5× 108t, 主要分布在陕北地区和华庆地区。
姬塬地区位于鄂尔多斯盆地中西部(图 1), 面积约1.2× 104km2。近年来勘探证实, 该地区长6油层组油藏富集, 勘探潜力巨大, 但其在横向和纵向上的富集程度差异均较大, 分布规律不够明确。前人研究认为, 姬塬地区长6油层组沉积时期存在北东、北西两大物源, 且主要为三角洲相和湖相沉积(郑荣才等, 2008; 公繁浩等, 2010; 王昌勇等, 2010)。然而, 相较于陕北和华庆地区, 姬塬地区长6油层组的研究程度较低, 油藏横向非均质性更强, 因此现有的研究成果远达不到油田勘探开发的相应要求。特别是对于该时期古环境特征和沉积演化规律的认识不足, 影响了该地区的勘探部署, 因此需要加大这方面的研究力度, 为姬塬地区长6油层组油藏的高效勘探提供依据和指导。文中依据元素地球化学分析, 剖析姬塬地区长6油层组沉积特征, 以期明确该地区沉积演化规律, 对进一步勘探开发提供参考。
较细的沉积物更能近似地代表物源区的岩石矿物组成, 并会保留下该时段完整而丰富的地球化学记录(Nesbitt and Young, 1982)。因此, 此次研究采集的样品均来自于姬塬地区24口井的泥岩, 共计30块。
测试前, 先将样品进行清水冲洗、烘干、研磨; 然后, 使用玛瑙球磨机破碎, 保留小于200目的样品; 最后, 将样品分为2份, 分别用于常量元素分析和微量、稀土元素分析。
样品由中核大地公司测试完成。其中, 常量元素分析采用X-射线荧光光谱仪完成, 微量和稀土元素分析使用ICP-MS质谱仪完成。测试步骤参考许中杰等(2010), 具体如下: 将已粉碎样品于105° 烘箱内烘干之后, 称取25mg样品放入高压溶样罐的内罐中, 加入0.5mL氢氟酸于100℃加热蒸干以去除部分Si; 蒸干后加入1mL氢氟酸和0.5mL浓硝酸, 将溶样罐的内罐取出放入钢套中, 旋紧后放入110~120℃的烘箱中加热72h; 然后将溶解样品在100℃蒸干至湿盐状, 加入1mL硝酸, 去除样品中过量的氢氟酸; 再加入5mL浓度为30%的硝酸, 于110℃密封加热4 h, 使样品充分溶解于酸中, 去除残渣; 最后用浓度2%的硝酸溶液稀释到50mL。各标准样品及空白样品所测元素的线性较好, 分析误差小于5%。相同样品的测试结果基本一致。质谱仪测试检出限小于0.5μ g/L。Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Mo、Cs、Ba和Pb检测限为0.01~0.2μ g/L; Y、Nb、Hf、Ta和REE检测限为0.001 0.005 μ g/L。各测试样品最终结果取3次测定的平均值, 数据如表 1、表 2、表 3所示。
3.1.1 Ca/Mg值
水体中的Ca、Mg元素以钙盐和镁盐的形式存在, 二者溶解度不同, 通常镁盐较钙盐更难沉淀。Ca的沉淀受介质酸碱性影响更为明显。Ca/Mg值变大, 反映古水体盐度增加、pH值升高、Eh值降低、深度加大或沉积物搬运距离增大(Benway et al., 2006; Rohling, 2007)。研究区Ca/Mg平均值从长63到长61分别为0.37、0.35、0.37, 反映了水体古盐度和pH值先降低后升高的过程(表 4)。
3.1.2 Sr/Ba值
Sr和Ba的化学性质比较相似, 前者的迁移能力强, 当淡水与咸化湖水混合时, 淡水中的Ba2+与咸化湖水(海水)中的S
3.1.3 V/Ni值
随着盐度增高、还原程度增强, V的聚集作用十分明显。V/Ni值越高, 则盐度越大(许中杰等, 2017; Liang et al., 2017)。姬塬地区V/Ni值较低, 基本处于1~4之间, 显示本区盐度较低, 是低盐度和低还原程度的淡水湖泊环境。
3.1.4 Rb/K值
K含量与泥岩中的黏土矿物有关, 特别是与伊利石关系密切。而Rb大部分呈悬浮胶体状态搬运, 在碱性还原条件下, Rb的胶体状因凝絮效应沉淀而易被黏土和有机质吸附, 故水体的含盐度越高, 黏土和有机质对 Rb 的吸附越强, Rb的含量和Rb/K值亦越高, 因此, Rb的含量和 Rb/K值能反映水介质的盐度变化。一般海相Rb/K值大于0.006, 微咸水Rb/K值大于0.004(李进龙和陈东敬, 2003; 文华国等, 2008)。姬塬地区长6油层组Rb的丰度平均值为131μ g/L, Rb/K平均值为0.0036, 亦表明该区为低盐度的淡水湖泊环境。
综上所述, 长6油层组沉积时期整个姬塬地区处于低盐度的淡水湖泊沉积环境。
稀土元素因具特有的地球化学行为且对沉积环境变化十分敏感而被广泛应用于古环境研究。通常, δ Ce> 1为正异常, 指示还原环境; δ Ce< 0.95为负异常, 指示氧化环境(王中刚等, 1989)。姬塬地区长6油层组氧化和还原环境共存。将δ Ce> 1的取样点用灰色于图 3中圈出, 可发现整个研究区中部区域基本为还原环境, 但也具有一定的变化: 从长63到长62沉积时期, 还原环境范围有所缩小, 且迁移到姬塬以东地区。到了长63沉积时期, 还原环境范围进一步缩小, 并向南偏移。
碎屑岩中Co的来源主要有宇宙沉降和陆源输入, 宇宙沉降每年以8.262× 108t的恒定速率降落于地表, 陆源输入单位体积中的Co含量是宇宙沉降的1/4, 所以陆源物质的加入对宇宙沉降Co含量会产生“ 稀释效应” , 因此Co的含量可以反映其当时的沉积速率, 即Co含量愈高反映其沉积速率愈慢, 反之愈快。因而, 可通过沉积岩中Co的含量来推测当时岩石的沉积速率, 而水深与沉积速率存在一定关系, 也可以进一步推算古水深, 计算公式如下:
VS=VO× NCo/(SCo-t× TCo)
H=3.05× 105/(
其中, Vs代表某样品沉积时的沉积速率; Vo代表当时正常大洋沉积速率(0.15~0.3mm/a), 本次研究取值0.25mm/a; NCo代表正常大洋沉积物中Co的丰度(20μ g/g); SCo代表样品中Co的丰度; t为样品中La含量/陆源碎屑中La平均丰度(La/38.99); TCo代表陆源碎屑中Co的丰度(4.68μ g/g)(吴智平和周瑶琪, 2000; 张才利等, 2011; 庞军刚等, 2012)。
笔者通过微量元素Co含量, 分小层开展长6油层组古水深定量计算, 结果列于表 4。其中, 长63油层沉积时期水体最深, 集中于10~30m, 汇水区位于研究区西南部, 湖盆底型较陡; 长62油层沉积时期水体变浅, 范围缩小, 主要为10~20m, 汇水区位于研究区中部; 长61油层沉积时期水体范围变化不大, 相对深水区范围明显变小, 湖盆底型明显变缓, 汇水区向研究区东南迁移(图 4)。
3.4.1 Sr/Cu值
通常, Sr/Cu值介于1.2~5.0之间指示温湿气候, 而大于5.0则指示干热气候(王随继等, 1997)。姬塬地区长6油层组的Sr/Cu值介于2.61~7.54之间, 平均值为4.79, 为温湿气候的表现。
3.4.2 Fe/Mn值
湖水中Mn常以Mn2+形式稳定存在, 但当湖水强烈蒸发时, Mn2+的浓度饱和, 大量沉淀, 从而在岩石中显示高值。Fe在湖水中易以Fe(OH)3胶体快速沉淀, 因而沉积物中Fe/Mn值高值对应温湿气候, 低值是干热气候的响应(王随继等, 1997)。姬塬地区长6油层组中Fe/Mn值最小为57.3, 最大为223.0, 平均为134.5。Fe/Mn值整体较高, 是长6沉积期姬塬地区温湿气候的表现。
3.4.3 化学蚀变指数
沉积物的风化强度指标可用不稳定的元素氧化物(Na2O、CaO、MgO、K2O)和相对稳定元素氧化物(Al2O3、ZrO2、TiO2)确定, 沉积物源区岩石的化学风化程度, 可以通过化学指数, 即化学蚀变指数(CIA)进行定量研究。CIA=[(Al2O3)/(Al2O3+CaO* +Na2O+K2O)]× 100, 其中CaO* 为硅酸盐矿物中的CaO成分(Nesbitt and Young, 1982)。化学蚀变指数在研究沉积岩的物源和判断沉积岩化学风化或蚀变程度上应用广泛(Fedo et al., 1997)。通常CIA介于50~100之间, 50代表未经化学风化岩石, 100代表完全化学风化的岩石。经过风化搬运后沉积物的不同CIA值, 是对当时气候条件的记录。CIA值介于80~100之间表示是在炎热的热带气候条件的沉积产物, 介于70~80之间表示是温暖湿润气候条件下的产物, 而介于60~70之间是寒冷干燥气候条件下形成的冰碛岩和冰碛黏土。姬塬地区长6油层组CIA值介于62.70~83.52之间, 平均值为72.03, 且由下至上没有明显的变化, 显示多处于温暖湿润气候下。
综上所述, 长6油层组沉积时期姬塬地区为温暖湿润气候。
长63油层呈现明显的反旋回, 自下而上粒度为粉细砂岩至细砂岩, 沉积构造为平行/交错层理— 块状层理, 主要发育河口坝和远砂坝沉积微相。自然电位和自然伽马曲线呈漏斗型, 单层砂体厚度一般在5~10m之间(图 5)。
长62油层以粉细砂岩— 细砂岩为主, 沉积特征呈现明显的反旋回, 自下而上依次发育波状层理— 细平行层理— 大平行层理— 块状层理, 自然电位和自然伽马曲线呈明显的反旋回, 单层砂体厚度一般为10m左右。砂体以河口坝沉积微相为主, 局部发育水下分流河道微相。
长61油层砂体岩性以块状、平行层理细砂岩为主, 泥岩为深灰色、灰黑色, 以水下分流河道微相为主, 测井曲线表现为呈锯齿状的钟型和箱型, 多为多期水下分流河道的叠加, 叠加厚度多为10~30m。中部多发育河口坝微相, 反旋回沉积序列明显。
姬塬地区长6沉积时期处于温暖湿润的气候条件下, 总体为低盐度的湖泊环境。氧化和还原环境共存, 还原环境逐步减小并有所迁移。笔者仅对姬塬的岩相古地理相关图件进行简单展示(图 6), 具体内容将另文发表。
在长6油层组沉积早期, 继承长7油层组沉积末期的湖盆沉积特征, 长63油层沉积时期湖泊范围较大, 湖岸线分布在大水坑— 古峰庄— 定边— 安边一带, 在南部的樊学— 乔川一带发育半深湖沉积, 砂体主要为河口坝和远砂坝微相沉积, 半深湖发育浊积砂体。
随着湖平面的下降, 长62油层沉积时期湖盆范围比长61明显缩小至麻黄山— 白儿庄— 杨井一带, 半深湖基本不发育, 仅在乔川一带出现, 砂体主要为河口坝沉积微相。
与长62油层沉积时期相比, 长61油层沉积时期湖盆范围略有缩小, 且向北东偏移, 位于耿湾— 史家湾— 波罗池— 安边一带, 砂体厚度明显增大, 在湖盆范围内发育多期河道叠加及河道— 河口坝叠加成因的砂体。
这些变化特征与前文中以地球化学数据得到的相关结论是一致的。
1) 利用Ca/Mg值、Sr/Ba值、V/Ni值、Rb/K值对鄂尔多斯盆地姬塬地区长6油层组古盐度特征进行了定量判定, 利用Sr/Cu值、Fe/Mn值和化学蚀变指数(CIA)对姬塬长6油层组沉积时期古气候特征进行了定量判定。结果表明, 姬塬地区长6油层组沉积时期整体为低盐度的淡水湖泊环境和温暖湿润气候。
2)利用铈异常(δ Ce)对姬塬地区长6油层组古氧化还原环境进行了定量判定。姬塬地区长6油层组沉积时期氧化和还原环境共存, 从长63到长61还原环境范围逐渐缩小, 且由西向东偏移。
3)利用Co含量变化对姬塬地区长6油层组沉积时期古水深进行了定量判定, 同时利用传统的岩相古地理成图方法, 对整个长6油层组的沉积演化特征进行了分析。姬塬长6油层组总体为三角洲相和湖相沉积, 具有岸线后退的趋势, 且半深湖范围逐渐缩小。
致谢 感谢吉林大学许中杰副教授、杨浩博士在成文过程中给予的指导和帮助!感谢审稿专家给出的建设性意见!
作者声明没有竞争性利益冲突.
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