黃道軍, 佘 偉, 魏柳斌, 胡新友, 張道鋒, 張立軍, 蘇中堂

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018； 2.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059； 3.河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室，河南 焦作 454003)

沉積古環(huán)境可以反演地質歷史時期地球表面的狀態(tài)并預測其演變趨勢，研究沉積環(huán)境可揭示沉積物質分布規(guī)律，從而預測礦產資源展布趨勢[1-2]。鄂爾多斯盆地是中國重要的油氣生產基地之一，近些年盆地東部奧陶系馬家溝組第五段的第五亞段(簡稱“馬五-5亞段”)成為最重要的勘探層位之一[3]；但儲層非均質性強，一直困擾勘探進展[4]。儲層非均質性是沉積物質差異的體現(xiàn)，碳酸鹽巖組構差異實質上是沉積環(huán)境在化學、物理、生物等方面變化的表現(xiàn)[5]，因而深入研究馬五-5亞段沉積古環(huán)境對油氣勘探具有指導意義。前人著眼于馬五-5亞段整體古地理環(huán)境的研究，取得了豐碩成果[6-9]，但對盆地東部馬五-5亞期古環(huán)境及其演化過程還缺乏較精細刻畫。本文以山西省呂梁市興縣關家崖剖面馬五-5亞段碳酸鹽巖為例，基于實測剖面，應用沉積學、遺跡學和地球化學方法，通過手標本、薄片鏡下鑒定、生物遺跡化石及地球化學特征變化分析，精細重建馬五-5亞段古海平面變化、沉積古環(huán)境及其演化過程。

1 區(qū)域地質概況

圖1 關家崖剖面地質簡圖Fig.1 Simplified geological map of Guanjiaya section(據(jù)文獻[10]修改)

關家崖剖面是鄂爾多斯盆地東緣研究馬家溝第五段的重要剖面之一，構造上屬于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶的次級構造單元——興縣-石樓南北褶皺帶(圖1)[10]。實測剖面為局部低緩背斜南西翼，背斜核部為馬五-8亞段，南西翼出露馬五-7—馬五-3亞段，上覆本溪組鋁土巖[11]。

奧陶紀馬家溝期,盆地東部受華北海影響發(fā)育碳酸鹽巖-膏鹽巖體系，根據(jù)巖性特征可分為6段,其中馬一、馬三、馬五段以發(fā)育白云巖與膏鹽巖組合為特征，馬二、馬四、馬六段以灰?guī)r組合為主。馬五段根據(jù)巖性特征自上而下依次分為馬五-1—馬五-10亞段。其中馬五-5亞段在盆地中東部分布穩(wěn)定，發(fā)育灰黑色、深灰色厚層泥晶灰?guī)r，通常作為對比標志層，俗稱“黑腰帶”[12]。馬五-5亞段根據(jù)測井曲線特征進一步細分為馬五-51層和馬五-52層。

2 實測剖面描述

實測剖面位于興縣縣城北東關家崖村的北面，剖面沿006鄉(xiāng)道兩側分布，蔚汾河北岸支流河道內出露好，沉積特征、生物遺跡化石豐富，實測剖面沿河道進行。

實測剖面地層描述如下：

上覆地層：馬五-4亞段淺黃色巖溶角礫泥微晶云巖

--------整合接觸--------

馬五-5亞段：

17.青灰色厚層塊狀微晶灰?guī)r，風化表面

似含角礫狀，底、頂部含遺跡化石

5.4 m

16.淺灰色-灰色薄層狀微晶灰?guī)r

5.3 m

15.灰-深灰色中-厚層微晶灰?guī)r，層面

上見遺跡化石

3.4 m

14.灰-淺灰色薄層含泥微晶灰?guī)r，泥含

量越高層越薄，低泥質巖層內發(fā)育生

物潛穴構造

1.4 m

13.灰色中層微晶灰?guī)r

2.3 m

12.灰色-淺灰色薄層含白云質泥晶灰?guī)r，

白云質呈條帶或斑塊狀

0.6 m

11.淺灰色薄-中層微晶灰?guī)r，底面含生

物潛穴

1.4 m

10.灰-淺灰色含泥薄層云巖

1.7 m

9.灰-淺灰色中-厚層云巖，發(fā)育溶蝕孔

洞，孔洞率為15%

1.2 m

8.薄層淺黃灰色泥微晶云巖

2.0 m

7.薄層灰-淺灰色含灰云巖，層面見較多

生物遺跡

6.3 m

6.淺黃色薄層泥質白云巖

1.0 m

5.灰色中-厚層含灰云巖

0.8 m

4.灰色薄-中層泥微晶含云灰?guī)r，含生

物遺跡化石

7.0 m

3.灰色厚層-塊狀微晶含灰云巖，見

溶孔

1.3 m

2.灰色薄-中層含生物遺跡化石泥微晶

云巖，頂部夾一層含灰云巖

0.3 m

--------整合接觸----------

下伏地層：馬五-6亞段青灰色厚層微晶灰?guī)r

為了便于地層劃分并與盆內鉆井對比，用自然伽馬儀按0.5 m間距采集自然伽馬數(shù)據(jù)，建立自然伽馬曲線，總體變化特征可與鉆井曲線相匹配。根據(jù)自然伽馬曲線及巖石組合特征確定：實測剖面第17-第2層為馬五-5亞段地層，其中第17-第13層為馬五-51層，第12-第2層為馬五-52層(圖2)。此外，實測的第1層為馬五-6亞段，第18層為馬五-4亞段。

3 研究方法

對剖面按1∶100實測，逐層描述、采樣，當層厚>1 m時間隔50 cm增加樣品。巖石樣品磨制普通薄片，染色1/3不蓋載玻片，室內詳細鑒定。逐層描述遺跡化石、照相、室內鑒定并確定生物擾動指數(shù)(IB)。在薄片鑒定基礎上，挑選受成巖影響弱的樣品，用瑪瑙研缽磨制成200目以下粉末，均分成3份，一份留作備用樣，其余2份分別送成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室與武漢上譜分析科技有限責任公司做碳氧同位素與痕量元素分析。碳氧同位素分析儀器為MAT252氣體同位素質譜儀，實驗溫度為20 ℃，相對濕度(H2O的體積分數(shù))為44%，100%的磷酸溶樣，分析誤差(質量分數(shù))為0. 01%；痕量元素分析儀器為美國Thermo Elemental生產的VG PQ ExCell ICP-MS質譜儀，實驗溫度為15～30 ℃，濕度<80% (無冷凝)?；瘜W分析測試結果按采樣編號從下而上建立地球化學剖面。

4 研究結果

4.1 巖石組構分析

碳酸鹽巖沉積對環(huán)境變化異常敏感，環(huán)境變化引起沉積物差異，這種差異體現(xiàn)在碳酸鹽巖微相上[13]。碳酸鹽巖沉積組構分析是沉積微相研究的基礎，故碳酸鹽巖組構差異反映了沉積古環(huán)境的變化。關家崖剖面碳酸鹽巖主要有3類結構：顆粒結構——亮晶砂礫屑灰?guī)r與含介形蟲藻粉屑微晶灰?guī)r；微晶結構——均質微晶灰?guī)r、生物擾動微晶灰?guī)r；晶粒結構——粉晶含灰云巖。參照R.J.Dunham[14]提出的灰?guī)r分類命名方案，并結合E.Flügel[13]修訂的標準微相，關家崖剖面馬五-5亞段3類組構碳酸鹽巖基本可與SMF23(微晶灰?guī)r、生物擾動微晶灰?guī)r及粉晶含灰云巖)、SMF16(含介形蟲粉屑微晶灰?guī)r)及SMF24(亮晶砂礫屑灰?guī)r)相當。這幾種微相均位于威爾遜碳酸鹽巖模式局限區(qū)(FM8)內，巖石特征表明馬五-5亞段沉積環(huán)境為潮坪，組構差異是不同沉積微環(huán)境所致。

砂礫屑結構灰?guī)r：在關家崖剖面中出現(xiàn)頻率相對較低，第6、第8、第11層中可見，該類灰?guī)r根

據(jù)特征可細分為3種。①亮晶砂礫屑灰?guī)r(圖3-A)，砂礫屑體積分數(shù)為92%，分選性較好，磨圓度高，亮晶方解石膠結，代表高能環(huán)境產物，形成于潮間帶；②含介形蟲礫屑灰?guī)r(圖3-B)，砂礫屑的體積分數(shù)為83%，分選性差，磨圓度高，含介形蟲且保存完整，填隙物以微晶灰泥基質為主，少量亮晶膠結，代表相對高能環(huán)境產物，形成于潮間下帶；③亮晶砂礫屑灰?guī)r(圖3-C)，砂礫屑的體積分數(shù)為89%，分選性差，磨圓度中等，亮晶方解石膠結，代表相對高能環(huán)境產物，環(huán)境能量應介于前兩者之間。

藻粉屑灰?guī)r(圖3-E、F)：屬顆?；?guī)r，第13、第16層可見，出現(xiàn)頻率低。藻粉屑的體積分數(shù)為90%，微晶-亮晶填隙，含保存完好的介形蟲，形成于中等能量環(huán)境，含藻類，為潮間下帶-潮下帶或潮上帶。

微晶灰?guī)r：泥微晶結構，未見化石，形成于弱能量環(huán)境，為潮下帶產物(圖3-G)；有時可見生物擾動痕跡(圖3-D)。在第11層等可見粉晶含灰云巖，經白云石化作用形成，巖石較均質，形成于相對低能環(huán)境，又發(fā)生白云石化作用，可能為潮上帶產物。

關家崖剖面以微晶灰?guī)r為主，顆?；?guī)r、藻粉屑灰?guī)r偶見，也發(fā)育少量含灰云巖和灰質云巖，表明馬五-5亞段沉積時總體能量較低，間或出現(xiàn)中-高能環(huán)境，古沉積環(huán)境在演化過程中發(fā)生變化。

4.2 生物遺跡分析

遺跡化石是地史期生物生命活動在沉積物底質中留下的痕跡，通常為原地埋藏，因此在古環(huán)境、古生態(tài)、古海洋以及古氣候重建中發(fā)揮重要作用[15-16]。關家崖剖面馬五-5亞段含豐富的遺跡化石，可細分為7個遺跡屬，分別為居住跡2屬、覓食居住跡1屬、牧食跡1屬、覓食跡3屬[17]。居住跡最常見者為似沙蠋跡(Arenicolites, 圖4-A)，通常產出于潮坪或濱淺海潮道、潮間帶；覓食居住跡中的海生跡(Thalassinoides)較為發(fā)育，這種遺跡產于潮間帶或濱海半咸水環(huán)境(圖4-B);牧食跡在剖面中不常見，僅見擬蠕形跡(Helminthopsis, 圖4-C)，它常產于各種海洋環(huán)境，正常鹽分淺海與低能淺海多見；剖面中還可見覓食跡中的漫游跡(Planolites, 圖4-D),在各種深度的海洋環(huán)境中均可見。關家崖剖面遺跡化石特征指示馬五-5亞期為潮坪環(huán)境。在關家崖剖面中，幾乎在各層中都可見到海生跡，第4、第6和第17層出現(xiàn)不同遺跡化石組合。遺跡化石組合樣式受控于含氧量，沉積環(huán)境從貧氧轉變?yōu)楦谎?，生物遺跡組合也從無擾動依次演變?yōu)橐捠驰E、牧食跡及居住潛穴[18-19]，說明剖面不同層的沉積環(huán)境含氧量存在差異。

圖3 關家崖剖面馬五-5亞段巖石組構特征Fig.3 Characteristics of rock formations of the Ma 5-5 submember in Guanjiaya section(A)亮晶藻砂礫屑灰?guī)r，第8層; (B)含介形蟲礫屑微晶灰?guī)r，第6層; (C)亮晶砂礫屑灰?guī)r，第11層; (D)具生物擾動構造粉晶白云巖，第17層; (E)含介形蟲藻粉屑灰?guī)r，第16層; (F)條帶狀藻砂屑微晶灰?guī)r，第13層; (G)泥微晶含云灰?guī)r，第2層; (H)粉晶灰云巖，第11層

評估生物擾動程度通常使用生物擾動指數(shù)(IB)，它指巖石原始沉積結構可見程度，通常劃分為6個級次，用IB=1～6表示，擾動指數(shù)值越大代表原始沉積結構保存越差[20]。圖4-E～H顯示了不同擾動指數(shù)下同種生物遺跡豐富程度。關家崖剖面中不同層生物擾動程度不同，其中第4、第5、第7層生物擾動最弱，生物擾動指數(shù)為2；第2、第3層、第8～第12層、第14～第16層生物擾動較弱，生物擾動指數(shù)為3；第6、第13、第17層生物擾動較強，生物擾動指數(shù)為4[17]。據(jù)此繪制出了關家崖剖面馬五-5亞期生物擾動曲線，從而反映生物擾動程度的變化(圖2)。

4.3 地球化學分析

地球化學分析主要為了研究馬五-5亞段沉積期古海洋海平面變化情況、古海水營養(yǎng)鹽及古海水含氧量變化情況，分析古沉積環(huán)境演化的控制因素。同位素與痕量元素分析結果見表1。為了評估樣品古海水信息的代表性，選用Mn/Sr(含量比值)作為評價指標。從表1可以看出，34個樣品的Mn/Sr均小于 1.5，除 G18b2和 G01b外，幾乎所有樣品Mn/Sr均小于0.5，說明實測剖面第17～第2層馬五-5亞段巖石樣品很好地保存了原始海水信息[21]，其數(shù)據(jù)可用于原始海水條件討論。

圖4 關家崖剖面馬五-5亞段中生物遺跡化石及擾動指數(shù)Fig.4 Biological fossils and disturbance index from the Guanjiaya section, Xingxian County(A)厚層灰-深灰色微晶灰?guī)r中的Skolithos isp.、Arenicolites isp.，第6層; (B)薄層狀灰-淺灰色含泥微晶灰?guī)r中的Thalassinoides isp.2，第5層; (C)厚層灰-深灰色微晶灰?guī)r中的Helminthopsis abeli，第4層; (D)灰色-淺灰色薄層含云泥晶灰?guī)r中的Planolites beverleyensis，第6層; (E)第7層中的Thalassinoides isp.2，生物擾動指數(shù)(IB)=2; (F)第12層中的Thalassinoides isp.1，IB=3; (G)第6層中的Thalassinoides isp.1， IB=4; (H)第18層中的Thalassinoides isp.4， IB=5

4.3.1 古海平面變化

古海平面變化情況通常采用C、O同位素曲線來反演，C同位素曲線升降與海平面升降正相關[22]。將各樣品C同位素值用光滑曲線連接起來，可反映馬五-5段沉積期古海洋海平面變化情況。

圖2顯示在馬五-52亞期內C同位素值出現(xiàn)升降波動，出現(xiàn)2次明顯的高低波動，這就表明馬五-52沉積期海平面發(fā)生過升降變化，低海平面時期分布對應第6層和第12層；而馬五-51亞期C同位素值僅第13層為低值，其余各層基本保持相對低值低幅度波動，表明馬五-51沉積期海平面相對穩(wěn)定，總體處于相對低海平面時期。C同位素地球化學信息顯示：馬五-5亞段沉積時期，海平面發(fā)生了3次波動，其中馬五-52亞期經歷了2次海平面升降過程，馬五-51亞期海平面上升但處于相對低海平面時期。

4.3.2 古海水含氧量

古海水含氧量主要指沉積時氧化-還原條件，通常情況下痕量元素V、U、Mo對氧化-還原條件異常敏感，氧化條件下它們在海水中富集[23]。各樣品V、U、Mo元素含量用曲線連接，顯示出V、U、Mo元素具有同向協(xié)同變化趨勢，總體含量相對較低，但在第13層與第6層內元素含量升高，表明古海水處于相對貧氧或缺氧狀態(tài)，局部呈氧化狀態(tài)，古海水相對富氧(圖2)。

4.3.3 古海水營養(yǎng)鹽

古海水營養(yǎng)鹽主要指古海洋賦含營養(yǎng)狀況，可反映古海洋生產力，通常情況下痕量元素P、Cu、Ba對古海洋生產力狀況較為敏感。Ba與古生產力具有良好相關性，Cu元素含量與有機質沉降量相關，而P是最重要的營養(yǎng)元素，這些元素富集可代表古海水賦含營養(yǎng)鹽，生產力強[24]。各樣品P、Cu、Ba總體含量較低，但在第13、第6層內明顯升高，三者具有相同的變化趨勢，表明古海水處于相對貧營養(yǎng)狀態(tài)，局部富營養(yǎng)增加，古海洋生產力相對提升(圖2)。

對比海平面波動狀況、古海水含氧量與古海水營養(yǎng)鹽含量變化情況表明：相對低海平面時期，即海平面上升初期或海平面下降中晚期，古海洋含氧量相對較高，相對富營養(yǎng)；在高海平面時期，即海平面上升中晚期或海平面下降早期，古海洋含氧量相對較低，營養(yǎng)鹽相對貧乏。這說明馬五-5亞段沉積期古海平面變化過程中，海洋含氧量和營養(yǎng)鹽也發(fā)生變化，古海洋條件不同。

5 討 論

關家崖剖面巖石組構與生物遺跡特征均表明馬五-5亞期為潮坪環(huán)境，沉積環(huán)境演化過程中發(fā)生微環(huán)境改變，形成不同結構類型的巖石和生物遺跡組合。同位素地球化學與痕量元素地球化學也表明海平面發(fā)生升降波動引起古海水含氧量和營養(yǎng)鹽變化。對比海平面波動狀況、古海水含氧量與古海水營養(yǎng)鹽含量變化及生物遺跡組合、生物擾動指數(shù)及巖石組構發(fā)現(xiàn)，在相對低海平面時期，即海平面上升初期或海平面下降中晚期，古海洋含氧量相對較高，相對富營養(yǎng)，生物擾動指數(shù)高，生物遺跡豐富，出現(xiàn)覓食跡、牧食跡及居住潛穴組合，沉積物出現(xiàn)代表潮間高能環(huán)境的亮晶砂礫屑灰?guī)r；在高海平面時期，即海平面上升中晚期或海平面下降早期，古海洋含氧量相對較低，營養(yǎng)鹽相對貧乏，生物遺跡相對簡單，生物擾動指數(shù)低，沉積物以代表低能潮下環(huán)境的微晶灰?guī)r為主。這就說明生物活動狀況受到古海洋含氧量、營養(yǎng)鹽的控制，與含氧量和營養(yǎng)鹽含量呈正比。而后者與海平面升降相關，在低海平面時期古海洋相對含氧充沛、營養(yǎng)豐富，所以有大量生物活動，形成復雜的生物遺跡構造體系；同時海平面下降，水體相對變淺，改變了沉積區(qū)域水動力，使沉積環(huán)境趨于相對高能，形成高能環(huán)境不同組構的巖石類型。這顯示出海平面變化對碳酸鹽巖沉積的明顯制約，海平面變化不僅引起自身性質發(fā)生轉變，而且導致生物生態(tài)系統(tǒng)改變，形成組構不同的碳酸鹽沉積物，使沉積環(huán)境在潮下-潮間-潮上交互轉變(圖5)。馬五-5亞段沉積期多發(fā)育微晶灰?guī)r，前人研究多認為系馬五段沉積期相對高海平面時期為開闊海環(huán)境[6-7,9]；筆者利用巖石組構微相分析，輔以生物遺跡化石及其組合，確定為潮坪環(huán)境。盡管盆地東部此時處于馬五期最大海侵期，但陸表海沉積背景使環(huán)境依舊局限，海水流動并未完全通暢形成正常開闊海環(huán)境。地球化學分析不僅指示了馬五-5亞段沉積期海平面波動過程，而且表明隨海平面變化，海水營養(yǎng)鹽及含氧量也作規(guī)律性變化，導致生物生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉變，進而形成不同組構碳酸鹽巖及其組合。上述分析表明多手段古地理分析能更加客觀地揭示碳酸鹽巖沉積古環(huán)境演化過程。

圖5 關家崖剖面馬五-5亞段沉積模式圖Fig.5 Sedimentary model of Ma 5-5 of the Guanjiaya section

6 結 論

a.關家崖剖面馬五-5亞段亮晶砂礫屑灰?guī)r、含介形蟲藻粉屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r、生物擾動微晶灰?guī)r及粉晶含灰云巖及遺跡化石Arenicolites、Thalassinoides、Helminthopsis和Planolites及其組合，指示該時期為潮坪沉積環(huán)境。

b.馬五-5亞期關家崖地區(qū)海平面經歷了3次波動，海洋含氧量與營養(yǎng)鹽隨海平面升降發(fā)生變化，海平面變化使生物生態(tài)系統(tǒng)與海洋性質發(fā)生變化，形成了不同組構碳酸鹽巖及組合。關家崖地區(qū)馬五-5亞期沉積環(huán)境由潮下演變?yōu)槌遍g，最后轉變?yōu)槌鄙檄h(huán)境。