陜北長(zhǎng)6段高自然伽馬砂巖地球化學(xué)特征及意義

劉行軍, 馮春珍, 柳益群, 王寶江

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)系,西安 710069; 2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司 長(zhǎng)慶事業(yè)部,西安 710201)

陜北長(zhǎng)6段高自然伽馬砂巖地球化學(xué)特征及意義

劉行軍1, 2, 馮春珍2, 柳益群1, 王寶江1

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)系,西安 710069; 2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司 長(zhǎng)慶事業(yè)部,西安 710201)

陜北地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6段是勘探開發(fā)的重要層位，該段普遍發(fā)育高自然伽馬砂巖。通過對(duì)高伽馬砂巖及鄰近常規(guī)砂巖的主元素、痕量及稀土元素、電子探針微區(qū)元素、能譜測(cè)井放射性元素分析認(rèn)為，高伽馬砂巖中Th、U、K放射性元素含量比常規(guī)砂巖都高。其中Th元素含量上升最為顯著，主要存在于獨(dú)居石、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、鉀長(zhǎng)石、部分鋯石、磷灰石、黑云母及巖屑中；U元素主要存在于大多數(shù)的鋯石、部分磷灰石、黑云母及含鎂方解石中；K元素主要存在于鉀長(zhǎng)石、黑云母、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、部分鈉長(zhǎng)石及巖屑中?；鹕侥?guī)r對(duì)高伽馬砂巖的影響是次要的，高伽馬砂巖與來自于盆地東北方向的物源有一定的親緣性；但該方向上的物源不是高伽馬砂巖形成的主要控制因素，熱液活動(dòng)可能對(duì)高伽馬砂巖的形成有著重要的影響。

延長(zhǎng)組長(zhǎng)6段;高伽馬砂巖;放射性元素;熱液活動(dòng)

陜北地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，區(qū)內(nèi)構(gòu)造平緩，地層傾角約為1°。該地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組是一套湖泊—三角洲沉積地層，其中第6段(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)6段”)是重要的勘探層位，自上而下劃分了長(zhǎng)61、長(zhǎng)62和長(zhǎng)63三個(gè)砂層組，巖性主要為淺灰、灰黑色細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖，孔隙度平均為10.1%，滲透率平均為0.94×10-3μm2，屬于低孔、低滲儲(chǔ)集層。近些年來對(duì)該區(qū)長(zhǎng)6段的研究已有很多，但這些研究主要從油氣儲(chǔ)集層的角度來探討砂巖的成巖演化、儲(chǔ)集性能及含油性評(píng)價(jià)、沉積相等，對(duì)于其中的高自然伽馬砂巖研究卻很少涉及[1,2]。在陜北地區(qū)的安塞、吳起、靖邊、定邊等地區(qū)普遍發(fā)育著高自然伽馬砂巖，在一些高伽馬砂巖中獲得了工業(yè)油流。如黃81井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖經(jīng)試油獲得了工業(yè)油流6.89 t，產(chǎn)水19.13 m3；安98井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖經(jīng)試油獲得了純工業(yè)油流13.09 t。這些都表明高伽馬砂巖有著較好的孔隙性和滲透性，是有利于油氣聚集的重要儲(chǔ)層。研究該類砂巖的地球化學(xué)特征，不僅對(duì)于延長(zhǎng)組石油的勘探開發(fā)有著實(shí)際意義，而且對(duì)于了解砂巖中高自然伽馬砂巖的成因機(jī)理有著重要的理論意義。

1 高自然伽馬砂巖定義

對(duì)陜北地區(qū)21口井長(zhǎng)6段砂巖測(cè)井曲線及巖心特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)高伽馬砂巖與一般砂巖不同，常常表現(xiàn)為與鄰近泥巖層相近的自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)值，單從自然伽馬測(cè)井曲線上無法區(qū)分是砂巖還是泥巖段。在鉆井取心觀察上，高伽馬砂巖與一般砂巖也很難區(qū)分，需要依靠測(cè)井資料才能將其深度段準(zhǔn)確定出來。從自然伽馬曲線形態(tài)及厚度上可分為2類(圖1)：①薄層，厚度一般為0.2～0.9 m，平均為0.42 m，自然伽馬曲線為高幅度尖峰狀；②厚層，厚度一般為0.9～4.5 m，平均為2.29 m，自然伽馬曲線呈高幅度鋸齒狀。

圖1 陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖示意圖

究竟砂巖自然伽馬數(shù)值達(dá)到多少才可定義為高伽馬砂巖，目前還沒有明確的限定。本文在砂巖泥質(zhì)含量計(jì)算基礎(chǔ)之上，提出了高伽馬砂巖定義界限。在利用測(cè)井資料計(jì)算泥質(zhì)含量時(shí)通常會(huì)用下式

wsh=(2C×I-1)/( 2C-1)

式中：wsh為泥質(zhì)含量；I為泥質(zhì)含量指數(shù)；C為希爾奇指數(shù)，是與地層有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，C=2.0。

泥質(zhì)含量指數(shù)可由I=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin)計(jì)算得到。將wsh=50%代入泥質(zhì)含量計(jì)算公式，計(jì)算出當(dāng)泥質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))等于50%時(shí)，I=66%，也就是圖1中ΔGRh/ΔGRn=66%。從圖1中可以看出，當(dāng)ΔGRh/ΔGRn>66%時(shí)，很容易錯(cuò)誤地將圖1砂巖中的小段劃分為泥巖層段，但實(shí)際上為砂巖；因此，本文將泥質(zhì)含量指數(shù)ΔGRh/ΔGRn>66%且有一定儲(chǔ)集能力的砂巖定義為高伽馬砂巖。

2 地球化學(xué)特征

本文分析了具有代表性的13個(gè)巖樣的主元素、痕量與稀土元素含量，共涉及46個(gè)元素；此外，還對(duì)一些巖樣磨制了電子探針片，做了電子探針面掃描和微區(qū)元素分析，尋找并分析了高伽馬砂巖中的放射性礦物。實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用等離子體光譜儀ICP和等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS，實(shí)驗(yàn)條件：溫度19℃，濕度50%，由西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成測(cè)試工作。

2.1 主元素特征

與鄰近常規(guī)砂巖相比，高伽馬砂巖的主元素主要表現(xiàn)為Fe2O3、TiO2、P2O5含量明顯增加，其中Fe2O3平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，是鄰近常規(guī)砂巖0.36%的2.11倍；TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，是鄰近常規(guī)砂巖0.40%的1.95倍；P2O5平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%，是鄰近常規(guī)砂巖0.14%的2.02倍。FeO、CaO、MgO、K2O、MnO含量有所增加，這些化合物一般是鄰近常規(guī)砂巖的1.20～1.30倍，例如，高伽馬砂巖FeO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.48%，是鄰近常規(guī)砂巖3.72%的1.20倍。Al2O3、Na2O含量變化不明顯，高伽馬砂巖Al2O3平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.1%，鄰近常規(guī)砂巖為14.8%。SiO2的含量有所減少，例如，高伽馬砂巖SiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.94%，鄰近常規(guī)砂巖為67.54%。

由于缺乏詳盡的資料,加之在北朝文學(xué)研究中對(duì)北朝樂府詩(shī)的輕視，導(dǎo)致樂府詩(shī)的研究成果有限。現(xiàn)存北朝樂府詩(shī)大多保存在宋代郭茂倩編的《樂府詩(shī)集·橫吹曲辭》的《梁鼓角橫吹曲》中，宋人郭茂倩《樂府詩(shī)集》：“橫吹曲，其始亦謂之鼓吹，馬上奏之，蓋軍中之樂也。北狄諸國(guó)，皆馬上作樂，故自漢以來，北狄樂總歸鼓吹署。其后分為二部，有簫笳者為鼓吹，用之朝會(huì)、道路，亦以給賜。漢武帝時(shí)，南越七郡，皆給鼓吹是也。有鼓角者為橫吹，用之軍中，馬上所奏者是也?！盵1]從中得知橫吹曲是由演奏的樂器與演奏的性質(zhì)而定的。此外在《雜曲歌辭》和《雜歌謠辭》中也存有部分北朝民歌，總計(jì) 70首左右。

2.2 稀土元素特征

高伽馬砂巖稀土元素含量整體上比鄰近常規(guī)砂巖高一些，高伽馬砂巖∑REE平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為263.94×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖133.17×10-6的1.98倍。單個(gè)元素也呈增加趨勢(shì)，一般為鄰近常規(guī)砂巖的1.53～2.09倍，其中，Ce、Nd、Pr、Sm、Yb、Lu含量增加明顯。高伽馬砂巖Ce平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為108.57×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖53.80×10-6的2.02倍；Nd平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.53×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖21.80×10-6的2.09倍；Lu平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.283×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖0.140×10-6的2.02倍。高伽馬砂巖LREE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為230.87×10-6，HREE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.07×10-6，wLREE/wHREE為6.98;鄰近常規(guī)砂巖LREE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為115.28×10-6，HREE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.89×10-6，wLREE/wHREE為6.44。輕重稀土含量及比值表明，高伽馬砂巖更富集輕稀土元素。泥巖LREE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為171.56×10-6，HREE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.39×10-6，wLREE/wHREE為4.14。泥巖整體上稀土元素含量高，其中重稀土元素含量比起高伽馬砂巖及常規(guī)砂巖要高一些。高伽馬砂巖、鄰近常規(guī)砂巖、泥巖的δEu分別為0.76, 0.98, 0.71。高伽馬砂巖Eu有弱的虧損，泥巖虧損程度較高伽馬砂巖大一些，常規(guī)砂巖δEu變化不明顯。高伽馬砂巖、鄰近常規(guī)砂巖、泥巖的δCe無明顯變化，介于0.97～1.01。

本文采用Taylor(1985)推薦的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化，分別作了黃81、安98井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖、常規(guī)砂巖、泥巖、鈣質(zhì)砂巖的稀土分配圖(圖2)，高伽馬砂巖、鄰近常規(guī)砂巖、鄰近泥巖稀土分布圖均表現(xiàn)為L(zhǎng)REE曲線段陡，HREE曲線段平緩，整個(gè)呈右傾形，說明三者有一定的親緣性；但高伽馬砂巖稀土曲線整體在常規(guī)砂巖、鈣質(zhì)砂巖上方，在泥巖下方。鈣質(zhì)砂巖LREE曲線段也較陡一些，但HREE曲線段更加平緩一些，鈣質(zhì)砂巖的δEu為1.09，Eu有微弱的富集，這與鈣質(zhì)砂巖在成巖過程中有較大的變化密切相關(guān)。

2.3 痕量元素特征

在分析的21項(xiàng)痕量元素中，高伽馬砂巖的Zr、Hf、U、Ta、Nb、Zn、Cu、Ni、V、Sc、Th等11個(gè)元素含量較常規(guī)砂巖上升明顯，是常規(guī)砂巖的1.51～3.61倍。高伽馬砂巖Zr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為409.67×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖113.50×10-6的3.61倍；Hf平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.71×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖2.77×10-6的3.51倍；Th平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.92×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖5.93×10-6的2.68倍；U平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.71×10-6，是鄰近常規(guī)砂巖1.20×10-6的2.26倍。高伽馬砂巖Ta、Nb的含量分別是鄰近常規(guī)砂巖的1.98倍、1.95倍，Zn是鄰近常規(guī)砂巖的1.86倍，Ni、Cu分別是鄰近常規(guī)砂巖的1.62倍、1.54倍，V、Sc分別是鄰近常規(guī)砂巖的1.51倍、1.56倍。高伽馬砂巖Co、Sr、Be、Ga含量比鄰近常規(guī)砂巖略有上升，是常規(guī)砂巖的1.14～1.17倍；Li、Rb、Cs、Ba含量變化不大。高伽馬砂巖只有Cr、Pb含量比鄰近常規(guī)砂巖略有下降，例如，高伽馬砂巖Cr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為110.23×10-6，而鄰近常規(guī)砂巖為152.10×10-6。

對(duì)稀土元素采用Sun and McDonough (1989)推薦的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化，做出了各巖樣痕量元素分布圖(圖3)。從圖中可以看出高伽馬砂巖、常規(guī)砂巖、泥巖痕量元素的變化趨勢(shì)較為一致；而鈣質(zhì)砂巖與高伽馬砂巖、常規(guī)砂巖、泥巖相比，Sr元素明顯富集。高伽馬砂巖的Th、U、Pb、La、Nd、Zr、Hf元素出現(xiàn)明顯峰值，Nb、Ta、Sr、Sm元素出現(xiàn)低谷，而且除了Pb元素外，高伽馬砂巖大多數(shù)元素標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)比鄰近常規(guī)砂巖高一些，尤其是Th、U、Zr、Hf上升明顯。

圖2 黃81、安98井高伽馬砂巖、常規(guī)砂巖、鈣質(zhì)砂巖、泥巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布圖

圖3 黃81、安98井高伽馬砂巖、常規(guī)砂巖、鈣質(zhì)砂巖、泥巖痕量元素蛛網(wǎng)圖

2.4 能譜測(cè)井U、Th、K元素特征

高伽馬砂巖能譜測(cè)井Th的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為16.18×10-6，鄰近常規(guī)砂巖為8.07×10-6，上升幅度為101%；高伽馬砂巖U的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為3.12×10-6，鄰近常規(guī)砂巖為2.09×10-6，上升幅度為49.2%；高伽馬砂巖K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為2.43%，鄰近常規(guī)砂巖為2.06%，上升幅度為18%。

2.5 電子探針微區(qū)元素特征

對(duì)一些巖樣做了電子探針面掃描和微區(qū)礦物元素分析，在高倍放大的電子探針背散射圖像下，尋找了可能的放射性礦物，發(fā)現(xiàn)含有放射性元素的物質(zhì)主要有獨(dú)居石、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、鉀長(zhǎng)石、鋯石、磷灰石、黑云母及鈉長(zhǎng)石，分析了這些放射性物質(zhì)的成分及含量(表1)。研究表明，陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖的放射性Th元素主要存在于獨(dú)居石、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、鉀長(zhǎng)石、部分鋯石、磷灰石、黑云母及巖屑中；放射性U元素主要存在于大多數(shù)鋯石、部分磷灰石、黑云母及含鎂方解石中；放射性K元素主要存在于鉀長(zhǎng)石、黑云母、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、部分鈉長(zhǎng)石及巖屑中。下面主要對(duì)高伽馬砂巖中獨(dú)居石、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、鉀長(zhǎng)石、鋯石、黑云母的組成做進(jìn)一步分析。

a.獨(dú)居石。高伽馬儲(chǔ)層獨(dú)居石中主要元素有Ce、La、P、Nd、Sm、Pr、Ag，還含有一定量的Th、Hf、Y、Fe、Ca、Ga、Si。例如，黃81井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中獨(dú)居石中Th的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了1110×10-6，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：SiO20.34%, Ga2O30.38%, Ce2O331.87%, CaO 0.35%, Nd2O3電子探針儀型號(hào):JXA-8100; 實(shí)驗(yàn)條件：電壓15 kV，束流1×10-8A，溫度20℃，濕度32%。由西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成測(cè)試工作。12.66%, FeO 0.29%, Sm2O32.17%, HfO20.17%, La2O315.25%, P2O528.76%, ThO20.11%, Y2O30.47%, Pr2O38.72%(表1)。在長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中發(fā)現(xiàn)有較多的自生獨(dú)居石，主要呈長(zhǎng)條形、不規(guī)則—次圓形狀，多數(shù)呈不規(guī)則—次圓形的集合體，單個(gè)獨(dú)居石顆粒大小不一，以分布于碎屑顆粒之間填隙物和顆粒中兩種形式出現(xiàn)，較常見的是分布于鐵泥質(zhì)黏土、黑云母、長(zhǎng)石邊緣孔隙中的獨(dú)居石。相關(guān)研究資料表明，巖漿成因獨(dú)居石一般呈柱狀、近等軸狀或渾圓狀晶形，其中Y、U、Th含量較高( Th的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～7%以上)，相對(duì)富含重稀土元素，La 和Ce的含量低，La的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為4%～13%，Ce一般為 18%～28%。熱液成因獨(dú)居石一般呈粒狀，多呈自形—半自形，晶形細(xì)小，表面可能會(huì)有溶蝕，出現(xiàn)棱圓化、港灣狀結(jié)構(gòu)等外形，典型特征是在小區(qū)域內(nèi)由5～20個(gè)成簇，或者以更多顆粒的不規(guī)則集合體形態(tài)存在，其中Y、U、Th 的含量較低( Th的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常<1%)，相對(duì)富含輕稀土元素，La 和Ce 含量高，La質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為12%～18%，Ce一般>28%，P2O5含量要略高于巖漿獨(dú)居石[3-6]。鄂爾多斯盆地中部地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中獨(dú)居石形態(tài)、賦存特征及元素含量與熱液成因的自生獨(dú)居石很相似。

表1 高伽馬砂巖部分放射性物質(zhì)成分(w/%)

b.金紅石。在長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中還發(fā)現(xiàn)有較多的金紅石。金紅石中主要元素為Ti，還含有少量的Si、Al、Ca、Zn、Fe、Na和痕量的Th、K。例如，黃81井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中金紅石中Th的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為210×10-6，金紅石各組分含量見表1。單個(gè)金紅石呈不規(guī)則狀，顆粒大小不一，有單獨(dú)存在的金紅石，也有呈集合體存在的；或分布于長(zhǎng)石或石英顆粒邊緣，呈環(huán)邊形式存在；或分布于鐵泥質(zhì)黏土之中；或分布于黑云母之中，以及以集合體的形式存在于顆粒邊緣溶蝕帶中。在金紅石較多的巖樣中，常見有自生綠泥石。典型的熱液金紅石一般呈針狀、網(wǎng)狀分布于黑云母、角閃石解理及蝕變邊上，與其共生的礦物主要有綠泥石、斜長(zhǎng)石、磷灰石、方解石、白云石、黑云母、榍石及白云母等熱液礦物，金紅石容易被熱液礦物交代呈篩狀或港灣狀[7]。熱水成因的金紅石也在川東北長(zhǎng)興組碳酸鹽巖中被發(fā)現(xiàn)[8]。鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中金紅石的形態(tài)及賦存特征與熱液金紅石相似，其形成可能與熱液活動(dòng)有關(guān)。

c.鐵泥質(zhì)黏土。鐵泥質(zhì)黏土中可見有顆粒大小不一的獨(dú)居石、金紅石及少量鋯石、小顆粒的磷灰石，鐵泥質(zhì)黏土充填于顆粒之間，成分復(fù)雜，主要元素為Mg、Al、Si、Fe及少量K、Ca、Ti、Mn、Na，還有痕量的Cr、Th。其中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在26.5%～35.6%，Mg在9.8%～15.8%， Al在16.5%～22.0%， Si在25.5%～30.1%(表1)。

d.鉀長(zhǎng)石。鉀長(zhǎng)石中主要元素有Si、Al、K和少量Na、Fe，還有痕量的Th、Ca元素。例如，高13井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中，鉀長(zhǎng)石中K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.76%，Th為50×10-6。鉀長(zhǎng)石各組分含量見表1。

e.鋯石。鋯石中主要元素有Zr、Si和痕量的U、Th、Hf、Nd。例如，高13井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中鋯石組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：SiO234.3%, Al2O318.58%, ZrO258.37%, FeO 0.01%, UO20.02%, HfO20.45%, Nb2O50.22%(表1)。

f.黑云母。黑云母中主要元素有Si、Al、Fe、Mg、K、Ti，還有痕量的U、Th、Mn、Cr、Na、Ca、V。例如，高13井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中黑云母組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Na2O 0.03%, MgO 21.61%, Al2O316.74%, SiO233.39%, FeO 17.75%, CaO 0.08%, TiO23.50%, K2O 4.19%, Cr2O30.28%, MnO 0.08%, V2O50.11%, UO20.22%(表1)。部分形態(tài)上類似黑云母的物質(zhì)主要元素為Mg、Al、Si、Fe及少量K， K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般<0.4%，這些物質(zhì)可能為發(fā)生蝕變后的黑云母。

3 高伽馬砂巖成因探討

孫佩等對(duì)鄂爾多斯盆地高伽馬砂巖的研究認(rèn)為，高自然伽馬砂巖具相對(duì)高的自然伽馬值、高聲波時(shí)差、低電阻率值等測(cè)井特征，與凝灰?guī)r測(cè)井曲線特征相似，延長(zhǎng)組高自然伽馬砂巖可能為同沉積期或較先期沉積的凝灰?guī)r經(jīng)搬運(yùn)后，作為砂巖組成部分再沉積形成的[2]。本文研究認(rèn)為，火山凝灰?guī)r會(huì)對(duì)高伽馬砂巖有一定的影響，但不是其形成的主要因素。主要原因有：①地球化學(xué)特征的差異。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組火山灰沉積物的稀土元素呈右傾型分布特征，wLREE/wHREE數(shù)值高，平均為11.60，有明顯Eu負(fù)異常，δEu平均為0.48，凝灰?guī)rwLa/wSm平均為4.52，wCo/wNi平均為0.98，wZr/wHf平均為32.13[9]。雖然高伽馬砂巖的稀土分布也呈右傾形，但wLREE/wHREE相對(duì)于凝灰?guī)r較小，平均為6.98，Eu有弱的虧損，δEu平均為0.76 ，一些痕量元素比值相差較大，如高伽馬砂巖wLa/wSm平均為7.56，wCo/wNi平均為0.33，wZr/wHf平均為42.19，與火山灰蝕變黏土巖的wZr/wHf值(32.6)相差較遠(yuǎn)。②盡管陜北地區(qū)長(zhǎng)6段一些高伽馬砂巖在薄片觀察中見有凝灰質(zhì)膠結(jié)物及凝灰?guī)r碎屑，一些砂巖中的火山灰物質(zhì)也發(fā)生了堿性溶蝕作用，形成了一些綠泥石黏土礦物[10]，但多數(shù)的高伽馬砂巖中未見凝灰物質(zhì)的存在。例如，黃81井長(zhǎng)6段高伽馬砂巖薄片主要特征為粒度細(xì)，黏土雜基含量高，自生高嶺石膠結(jié)為主，并見鈣質(zhì)膠結(jié)，塑性巖屑假雜基化較多。

圖4 鄂爾多斯盆地周緣、基底斷裂及長(zhǎng)6段高伽馬砂巖分布圖

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組物源研究結(jié)果表明，延長(zhǎng)組物源主要來自盆地的四周，可劃分出5個(gè)物源方向， 即東北、東、南、西南和西北方向，其中東北、西南和西北物源是主要物源方向[11-15]。本文研究認(rèn)為，高伽馬砂巖與來自于盆地東北方向的物源有一定的親緣性，但物源不是高伽馬砂巖形成的主要控制因素。主要原因有：①地球化學(xué)特征的相似性。對(duì)鄂爾多斯盆地東北緣大青山太古代及早元古代變質(zhì)巖的稀土元素特征的研究表明，這些變質(zhì)巖的稀土分配形式表現(xiàn)為L(zhǎng)REE曲線段陡，HREE曲線段平緩，整個(gè)曲線呈右傾形，Eu有弱的虧損，δEu值為0.70～0.81，wLREE/wHREE值為3.35～4.23，輕重稀土分餾較明顯[16,17]。這些特征不僅與陜北吳起、志丹、定邊地區(qū)泥巖樣品稀土元素特征較為一致[17]，而且與本文所取巖樣分析結(jié)果接近。本文所取的長(zhǎng)6段高伽馬砂巖、鄰近常規(guī)砂巖、鄰近泥巖稀土分配形式也均表現(xiàn)為L(zhǎng)REE曲線段陡、HREE曲線段平緩，整個(gè)呈右傾形，三者有一定的親緣性；高伽馬砂巖δEu為0.76，Eu也有弱的虧損，wLREE/wHREE為6.98，輕重稀土分餾明顯。而鄂爾多斯盆地西北緣阿拉善古陸左旗花崗片麻巖及大武口斜長(zhǎng)片麻巖地球化學(xué)特征為：LREE曲線段陡、HREE曲線段平緩，也呈右傾形，但Eu有微弱的富集，δEu平均為1.10，wLREE/wHREE=10.8[17]，與本文巖樣分析的稀土元素特征差異較大。② 高伽馬砂巖的分布與物源有較好的一致性。從圖4上可以看出，長(zhǎng)6段高伽馬砂巖主要分布在盆地中部偏南地區(qū)，這一區(qū)域東至陜西吳堡，西達(dá)甘肅環(huán)縣山城，北到陜西榆林，南抵陜西富縣，在陜北靖邊、吳起、安塞地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖層數(shù)多，其次為寧夏鹽池、陜西定邊、白豹地區(qū)，這些地區(qū)的沉積物主要受東北物源控制；而盆地南部及西南部的甘肅西峰、合水、寧縣、演武、鎮(zhèn)原地區(qū)高伽馬砂巖不發(fā)育，這些地區(qū)的沉積物主要受西南物源控制[18,19]。東北方向物源可能提供了高伽馬砂巖的物質(zhì)基礎(chǔ)，在高伽馬砂巖的碎屑顆粒之中也發(fā)現(xiàn)有放射性的礦物，如獨(dú)居石、鋯石等，這些物源區(qū)的放射性元素可能在地下熱液的作用下活化、遷移和聚集，進(jìn)一步形成高伽馬砂巖；但也不能排除地下熱液攜帶一些放射性元素到長(zhǎng)6段砂巖中的可能性。然而，如果高伽馬砂巖完全受控于東北方向物源，那么在東北物源控制范圍內(nèi)應(yīng)該為單一的高伽馬砂巖；但實(shí)際情況是高伽馬與常規(guī)砂巖在縱向上彼此疊置，共同存在。因此，綜合分析認(rèn)為高伽馬砂巖與來自于盆地東北方向的物源有一定的親緣性，但物源對(duì)高伽馬砂巖形成的影響程度還值得進(jìn)一步研究。

盡管鄂爾多斯盆地被認(rèn)為是穩(wěn)定的克拉通盆地，但近些年來，鄂爾多斯盆地的熱液活動(dòng)越來越受到許多研究者的關(guān)注[20,21]，而且盆地也具備熱液活動(dòng)的一些條件：①盆地內(nèi)基底斷裂發(fā)育[22-24](圖4)，這些基底斷裂的隱性活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生裂隙和斷層，為深部熱流體運(yùn)移提供通道。②鄂爾多斯盆地周緣是地震多發(fā)地帶，盆地內(nèi)地震活動(dòng)雖然相對(duì)較弱，但5級(jí)以上地震時(shí)有發(fā)生。蘭州地震研究所相關(guān)資料表明，自公元1448年以來鄂爾多斯盆地及周緣發(fā)生5級(jí)以上地震達(dá)32次之多。地震是斷裂現(xiàn)代活動(dòng)的集中反映，斷裂活動(dòng)為深部流體的上涌提供了非常有利的條件[25]。③盆地內(nèi)部及邊緣存在有殼內(nèi)高導(dǎo)層[26,27]，反映了地殼深部流體的存在與活動(dòng)[28]。如果存在斷裂、裂隙等必要的構(gòu)造條件，深部流體就有可能會(huì)向上運(yùn)移。陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖的地球化學(xué)特征顯示，該類砂巖在形成過程中可能有熱液活動(dòng)參與，主要表現(xiàn)在：在分析的46個(gè)元素中，有Fe、Ti、P、Mg、K、Ca、Mn等7個(gè)主元素，Zr、Hf、U、Ta、Nb、Zn、Cu、Ni、V、Sc、Th、Co、Sr、Be、Ga等15個(gè)痕量元素，La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y等15個(gè)稀土元素含量與鄰近常規(guī)砂巖相比有所增加，Zr、Hf、Th、U、Ta、Nb、Zn、Cu、Ni、V、Sc、Ce、Pr、Nd、Sm、Yb、Lu、Fe、Ti、P等20個(gè)元素含量較常規(guī)砂巖上升明顯，是鄰近常規(guī)砂巖的1.51～3.61倍。Simoneit研究了加利福尼亞灣古亞依馬斯盆地?zé)嵋毫黧w中Fe、Zn、Cu、Mn等元素在通過沉積物以后的變化，當(dāng)這些元素通過沉積物以后，熱液中Fe、Zn、Cu、Mn含量降低了2%～20%，這些元素分散到了沉積物當(dāng)中，使沉積物中這些元素的含量有所增加[29]。金之鈞等研究了塔里木盆地?zé)嵋夯顒?dòng)地球化學(xué)特征及其對(duì)砂巖的影響，研究結(jié)果表明熱液作用使區(qū)域碳酸鹽巖成分發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為Fe、Mn元素的顯著增加[30]。東營(yíng)凹陷第三系有熱液流體活動(dòng)的泥巖和砂巖中微量元素Zn、V、Cu、Co、Ni有高的異常值[31]，砂巖中Zn的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為121.9×10-6，V為37.8×10-6。如前所述，陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖的Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Ni、V含量都比鄰近常規(guī)砂巖高，F(xiàn)e含量是鄰近常規(guī)砂巖的1.28倍，Zn含量是鄰近常規(guī)砂巖的1.86倍；在與東營(yíng)凹陷第三系砂巖對(duì)比中，高伽馬砂巖Zn、V的含量更高一些，Zn的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為158.3×10-6，V為74.5×10-6。張文正等認(rèn)為鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段烴源巖沉積時(shí)湖盆底部有熱水活動(dòng)的參與[21]。熱水活動(dòng)是造成長(zhǎng)7段優(yōu)質(zhì)烴源巖中Cu、U、Mo等微量元素富集的重要因素。由于熱水在湖泊中的對(duì)流以及與沉積物和生物的相互作用，熱水中往往含有豐富的P、Cu、Fe、Mo、V等生命營(yíng)養(yǎng)元素，長(zhǎng)6段高伽馬砂巖中P2O5平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.273%，是鄰近常規(guī)砂巖0.135%的2.02倍，高伽馬砂巖P元素的相對(duì)富集也可能與熱水活動(dòng)有關(guān)。

鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)有鈾礦物的存在，秦艷等研究了長(zhǎng)7段油頁(yè)巖中的鈾礦物，認(rèn)為隨著油頁(yè)巖中有機(jī)碳含量的升高，鈾含量有上升的趨勢(shì)，鈾礦的富集可能有深部熱液活動(dòng)的參與[32]。柳益群等分析了鄂爾多斯盆地北部東勝地區(qū)的侏羅系砂巖型鈾礦，研究結(jié)果顯示該地區(qū)砂巖型鈾礦屬于與油氣還原作用有關(guān)的低溫?zé)嵋衡櫟V床[20]。楊曉勇等對(duì)鄂爾多斯盆地北部含鈾砂巖碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素分析認(rèn)為，來自深部熱液的滲濾作用，可能促成地層中鈾元素形成絡(luò)合物運(yùn)移和聚集，是砂巖型鈾礦形成與運(yùn)移的主要機(jī)制[33]。朱西養(yǎng)等研究了盆地北部東勝砂巖鈾礦地球化學(xué)特征，結(jié)果表明該礦床具外生和深源雙重性質(zhì)，深部熱流體在鈾成藏成礦中具有重要作用。該鈾礦伴生元素組合與新疆伊犁層間氧化帶型砂巖鈾礦既有相同之處(都伴生Mo、Se、Ge)，又存在較大差異(前者伴生Zr、Ba、Hf和Au)。Zr、Hf為高場(chǎng)強(qiáng)親地幔元素，其富集主要由內(nèi)生地質(zhì)作用驅(qū)動(dòng)，多數(shù)為內(nèi)生深源成因。稀土元素特征為L(zhǎng)REE富集，HREE虧損，LREE、HREE分異程度高，總體呈右翼下沉、左翼上揚(yáng)的不對(duì)稱燕式[34]。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6段高伽馬砂巖的Th、U、K含量比鄰近常規(guī)砂巖都有所上升，而且Th、Zr、Hf含量上升顯著，Th平均含量是鄰近常規(guī)砂巖的2.68倍，U平均含量是鄰近常規(guī)砂巖的2.26倍，Zr平均含量是鄰近常規(guī)砂巖的3.61倍，Hf平均含量是鄰近常規(guī)砂巖的3.51倍，LREE、HREE分異程度較高，稀土分配曲線呈右傾型，這些地球化學(xué)特征與東勝砂巖型鈾礦相似。盆地北部東勝砂巖鈾礦具外生和深源雙重性質(zhì)，因此，可以認(rèn)為陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖在形成時(shí)也可能有熱液活動(dòng)的參與。此外，在鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)6段高伽馬砂巖還發(fā)育有獨(dú)居石、金紅石、閃鋅礦、黃鐵礦、鈦鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、磁鐵礦、銀礦、綠泥石、方解石、磷灰石、石鹽、重晶石等熱液礦物，其中獨(dú)居石、金紅石、閃鋅礦、黃鐵礦、鈦鐵礦、方鉛礦較其他礦物常見。上述一些熱液礦物在中國(guó)其他一些含油氣盆地中也有發(fā)現(xiàn)[30,35,36]。

綜合以上分析認(rèn)為，陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖在形成過程中火山凝灰?guī)r的影響是次要的，該類砂巖與來自于盆地東北方向的物源有一定的親緣性；但該方向上的物源不是高伽馬砂巖形成的主要控制因素，熱液活動(dòng)可能對(duì)高伽馬砂巖的形成有著重要的影響。鄂爾多斯盆地內(nèi)部有過多期構(gòu)造活動(dòng)及構(gòu)造熱事件[37,38]，孫少華等、高峰等認(rèn)為盆地在早中生代以來，至少經(jīng)歷了4次較為明顯的構(gòu)造熱事件[39,40]。趙文智等認(rèn)為鄂爾多斯盆地占重要地位的三疊系、侏羅系油田主要分布在隴東—靖邊、安塞這一寬近千米、長(zhǎng)300余千米的北東向帶狀區(qū)域內(nèi)，這可能與北東向基底斷裂在中生代的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，不能排除有深部物質(zhì)在油氣藏形成與演化中發(fā)揮的作用[41]。陜北地區(qū)長(zhǎng)6段高伽馬砂巖發(fā)育區(qū)域，盆地基底斷裂帶發(fā)育，主要發(fā)育4條北東向斷裂、1條東西向斷裂(圖4)。構(gòu)造活動(dòng)使鄂爾多斯盆地基底斷裂帶活動(dòng)。在構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的地帶，會(huì)發(fā)育有裂隙和斷層，深部流體也相對(duì)活躍，裂隙和斷層為深部熱流體運(yùn)移提供了通道。相關(guān)的研究資料也表明，陜北地區(qū)長(zhǎng)6段無論是在野外露頭，還是在鉆井巖心中，都見有多期的構(gòu)造裂縫[42,43]。深部熱流體沿著斷裂帶和裂縫運(yùn)移至延長(zhǎng)組。由于延長(zhǎng)組裂縫的發(fā)育程度及熱液活動(dòng)強(qiáng)弱不同，所以熱液活動(dòng)在橫向上的影響范圍也有限，多期次強(qiáng)度不同的構(gòu)造活動(dòng)及構(gòu)造熱事件就可能會(huì)形成多期的熱液活動(dòng)。熱液活動(dòng)可能給延長(zhǎng)組帶來了一些含有放射性元素的物質(zhì)，同時(shí)也促使了地層中有機(jī)質(zhì)的成熟，有利于鄂爾多斯盆地油氣大面積成藏。

4 結(jié) 論

a.高伽馬砂巖中Th、U、K放射性元素含量比常規(guī)砂巖都高，其中Th含量上升最為顯著，主要存在于獨(dú)居石、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、鉀長(zhǎng)石、部分鋯石、磷灰石、黑云母及巖屑中；U主要存在于大多數(shù)的鋯石、部分磷灰石、黑云母及含鎂方解石中；K主要存在于鉀長(zhǎng)石、黑云母、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、部分鈉長(zhǎng)石及巖屑中。

b.高伽馬砂巖地球化學(xué)特征顯示，火山凝灰?guī)r對(duì)高伽馬砂巖的影響是次要的，高伽馬砂巖與來自于盆地東北方向的物源有一定的親緣性，但物源不是高伽馬砂巖形成的主要控制因素。熱液活動(dòng)可能對(duì)高伽馬砂巖的形成有著重要的影響。構(gòu)造活動(dòng)使鄂爾多斯盆地基底斷裂帶活動(dòng)，多期強(qiáng)度不同的構(gòu)造活動(dòng)使地層深部熱液流體沿著斷裂帶和裂縫運(yùn)移至延長(zhǎng)組，形成了長(zhǎng)6段的高伽馬砂巖。

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GeochemicalcharacteristicsandsignificanceofChang6highnaturalgammaraysandstonesinYanchangFormationinnorthofShaanxi,China

LIU Xing-jun1,2, FENG Chun-zhen2, LIU Yi-qun1, WANG Bao-jiang1

1.DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China; 2.ChangqingDivision,ChinaPetroleumWellLoggingLimitedCompany,Xi’an710201,China

Member 6 of Upper Triassic Yanchang Formation (Chang 6) in North Shaanxi is an important horizon for petroleum exploration and development. The high natural gamma ray sandstones generally exist in this member. Through analysing the major elements and trace elements, electron microprobe microscopic elements, spectrum well logging radioactive elements in the high natural gamma ray sandstones and the nearby conventional sandstones, people can conclude that the content of Th, U, K in the high natural gamma ray sandstones increases compared with the conventional sandstone. Among them, the content of Th increases significantly. Th mainly exist in monazite, rutile, iron muddy clay, feldspar, some of the zircon, apatite, biotite and debris. The radioactive element U mainly exists in most of zircon, some of apatite, biotite and magnesium calcite. The radioactive element K is mainly in K-feldspar, biotite, rutile, iron muddy clay, and some of albite and debris. The affection of volcanic tuff is secondary in forming the high gamma ray sandstones. To a certain degree, the high gamma ray sandstones have an affinity to the material source from the northeast of the basin. But the northeast material source is not the main controlling factor for the formation of the high gamma ray sandstones. The hydrothermal activity maybe the important factor in forming the high gamma ray sandstones.

Yanchang Formation; high natural gamma ray sandstone; radioactive element; hydrothermal activity

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.04.13

1671-9727(2013)04-0445-12

2012-08-26

劉行軍(1975-),男,博士,工程師,主要從事測(cè)井資料解釋與應(yīng)用、儲(chǔ)層地質(zhì)、含油氣盆地沉積體系分析研究工作, E-mail:liuhangjun@tom.com。

P588.212.3; TE122.221

A