鄂爾多斯盆地西北緣晚石炭世—中二疊世沉積背景特征與演化

摘 要 【目的】鄂爾多斯盆地西北緣晚石炭世—中二疊世經(jīng)歷了由海相—陸相沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變，伴隨著華北與祁連海域海水的進(jìn)退，其沉積體系時(shí)空配置及演化規(guī)律復(fù)雜，對(duì)不同沉積背景條件下古地理格局差異的認(rèn)識(shí)也相對(duì)局限。【方法】基于鄂爾多斯盆地西北緣晚石炭世—中二疊世150余件樣品的主、微量和稀土元素分析測(cè)試數(shù)據(jù)，明確研究區(qū)沉積環(huán)境和源區(qū)特征，并結(jié)合野外露頭、鉆測(cè)井資料及顯微薄片鑒定等探討沉積背景對(duì)古地理重建的約束?！窘Y(jié)果】鄂爾多斯盆地西北緣在晚石炭世—中二疊世氣候總體上溫暖濕潤(rùn)。在羊虎溝組—太原組沉積時(shí)期古水深迅速變深，之后維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。羊虎溝組、太原組沉積時(shí)期表現(xiàn)還原背景和咸水為主的過(guò)渡環(huán)境，山西組、石盒子組沉積時(shí)期則為氧化環(huán)境和淡水主導(dǎo)的過(guò)渡環(huán)境。羊虎溝組—山西組沉積時(shí)期物源體系復(fù)雜，到石盒子組沉積時(shí)期，物源供給趨于穩(wěn)定?！窘Y(jié)論】研究區(qū)古地理在各時(shí)期南北部分異明顯，南部主要發(fā)育潮坪—潟湖、海灣—淺水陸棚和半深水陸棚等貧砂沉積體系，北部則主要發(fā)育河控三角洲和潮控三角洲富砂沉積體系。隨著古亞洲洋閉合及物源區(qū)母巖巖性的轉(zhuǎn)變，北部三角洲體系持續(xù)擴(kuò)大，南部水體面積銳減并發(fā)育海灣/近海湖泊。

關(guān)鍵詞 沉積環(huán)境；晚古生代；物源分析；鄂爾多斯盆地西北緣

第一作者簡(jiǎn)介 張靖芪，男，1997年出生，碩士研究生，地質(zhì)工程，E-mail： hzjqw01@163.com

通信作者 劉磊，男，研究員，含油氣盆地分析，E-mail： liulei@cdut.edu.cn

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

鄂爾多斯盆地位于中國(guó)大陸中北部地區(qū)，是我國(guó)中部最大的含油氣盆地，具有較大的勘探難度[1]。隨著盆地油氣勘探步伐不斷加快，盆地西緣上古生界地層憑借其油氣資源豐富、勘探潛力巨大的特點(diǎn)逐漸成為油氣勘探的熱點(diǎn)，研究其構(gòu)造—古地理格局及沉積背景具有重要意義[2]。前人研究認(rèn)為，鄂爾多斯盆地在晚石炭世—中二疊世接受南、北兩向供源，其中北部物源來(lái)自阿拉善—陰山古陸，南部物源來(lái)自秦嶺—祁連造山帶，但對(duì)于北部阿拉善—陰山古陸共同供砂的西北緣，其不同時(shí)期的源區(qū)背景演化和差異缺乏系統(tǒng)研究[3?5]。鄂爾多斯盆地西北緣位于華北板塊中部，在大地構(gòu)造位置上屬于阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯區(qū)，在晚石炭世—中二疊世經(jīng)歷了海西構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受賀蘭拗拉槽復(fù)活—關(guān)閉和全盆地廣泛的海侵—海退旋回影響，沉積環(huán)境經(jīng)歷了由海向陸的滄桑巨變，構(gòu)造背景活動(dòng)復(fù)雜，沉積體系配置多樣[6?9]。眾多學(xué)者認(rèn)為，晚石炭世鄂爾多斯盆地整體發(fā)生沉降，阿拉善地塊和陰山古陸已經(jīng)為盆地提供物源供給[3，5?7]。前人對(duì)鄂爾多斯盆地西北緣晚古生代沉積充填過(guò)程及巖相古地理特征開展過(guò)諸多研究[10?18]，不同時(shí)期沉積體系時(shí)空配置差異明顯，認(rèn)為山西組、石盒子組沉積期普遍發(fā)育沖積扇—河流沉積體系，而羊虎溝組、太原組沉積期的沉積環(huán)境與古地理格局尚有諸多爭(zhēng)議[10?13，18]。不同學(xué)者利用地化數(shù)據(jù)對(duì)盆地西北緣羊虎溝組、太原組開展構(gòu)造指示意義的研究[14?17]，認(rèn)為鄂爾多斯盆地西緣整體為大陸邊緣型構(gòu)造背景，沉積物源主要來(lái)自上地殼長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)。對(duì)沉積環(huán)境的研究則主要局限于羊虎溝組與太原組，同時(shí)樣品分布也主要來(lái)自個(gè)別剖面[15?16]，針對(duì)整個(gè)晚古生代沉積背景特征、演化及其約束下的古地理重建等方面尚缺乏系統(tǒng)研究。

本文以鄂爾多斯盆地西北緣晚古生代地層為研究對(duì)象，結(jié)合大量剖面及鉆井樣品分析，通過(guò)相關(guān)樣品主微量、稀土元素結(jié)果，重塑盆地晚石炭世—中二疊世西北緣沉積背景，對(duì)比不同時(shí)期沉積環(huán)境差異，并判別各時(shí)期母巖特征和大地構(gòu)造背景，以期揭示其在整個(gè)晚古生代的演化過(guò)程，對(duì)研究區(qū)古地理重建提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，覆于華北板塊古老基底之上[19]。研究區(qū)北起內(nèi)蒙古烏海，南至小洪溝—土坡一帶，西始Ac1井—中衛(wèi)，東達(dá)鄂托克前旗（圖1a）[20]，處于阿拉善地塊、華北陸塊和陰山造山帶交互作用地區(qū)，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜（圖1b）。晚古生代鄂爾多斯地區(qū)作為華北地臺(tái)的一部分，構(gòu)造演化和沉積充填受控于周緣造山帶和洋盆的演化[21]。中新元古代的晉寧運(yùn)動(dòng)后，鄂爾多斯盆地進(jìn)入穩(wěn)定抬升階段，內(nèi)部形成坳陷，整體地形北高南低。進(jìn)入晚古生代，位于華北陸塊北緣的古亞洲洋開始向南俯沖，南緣的商丹洋俯沖完畢后，勉略洋也開始向南秦嶺板塊下的俯沖運(yùn)動(dòng)，在南北兩側(cè)古洋的共同作用下，盆地整體被抬升為陸地，結(jié)束了海相沉積的歷史，開始逐步向陸相沉積過(guò)渡，到早二疊世晚期，盆地進(jìn)入陸相沉積階段[22]。

晚泥盆世以前，阿拉善地塊屬于不同于華北克拉通的獨(dú)立的變質(zhì)地塊。在海西運(yùn)動(dòng)的影響下，賀蘭拗拉槽再度復(fù)活，阿拉善、陰山古陸持續(xù)向盆地提供物源，鄂爾多斯盆地開始接受沉積。晚石炭世本溪組沉積期，華北臺(tái)地逐漸發(fā)生緩慢沉降，賀蘭拗拉槽的發(fā)展進(jìn)入新的演化階段，盆地內(nèi)部發(fā)育中央古隆起，形成華北海、祁連海兩個(gè)海盆[23]。早二疊世太原組沉積期，隨著盆地持續(xù)性沉降，海水自東西兩側(cè)侵入，華北海海侵范圍達(dá)到最大，東西海域在研究區(qū)鄂托克旗一帶首次貫通[24]。早二疊世山西組沉積期為陸表海背景下的海陸過(guò)渡沉積演化階段，盆地周邊海槽停止拉張，進(jìn)入消減期，南北兩側(cè)大洋相向俯沖，華北臺(tái)地抬升，形成了北隆南傾的區(qū)域構(gòu)造體制，海水從盆地內(nèi)開始迅速退出[5]。中二疊世下石盒子組沉積期，盆地北部構(gòu)造活動(dòng)加強(qiáng)，使得古陸進(jìn)一步抬升，物源供給增強(qiáng)，整體表現(xiàn)為強(qiáng)物源供給條件下的富砂沉積體系，區(qū)域構(gòu)造環(huán)境與古地理格局發(fā)生顯著變化[25]。阿拉善地塊北部地區(qū)晚古生代發(fā)育大量花崗巖，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其形成與古亞洲洋的俯沖閉合相關(guān)，與陰山地塊西部在2.0 Ga（中元古代）開始拼合，最終在1.9 Ga（早元古代）與華北克拉通拼接[20，26]。

1.2 地層劃分及沉積體系

研究區(qū)地層由下而上依次為：石炭系羊虎溝組、二疊系太原組、山西組和石盒子組（圖1c、圖2）。羊虎溝組自上而下呈現(xiàn)為濱岸平原—三角洲前緣—濱岸平原的沉積序列，下段沉積中粗粒砂巖，含礫石，上段下部發(fā)育多套灰?guī)r，含大量生物化石，上段上部發(fā)育大量泥巖，可見浪成砂紋，地層厚度變化較大，介于0～1 300 m[7，28?29]；太原組主要為灰黑色泥巖，灰色細(xì)砂巖和灰色泥質(zhì)粉砂巖、含有煤層，發(fā)育海陸過(guò)渡相的障壁海岸—潟湖沉積，該沉積期也是西緣地區(qū)重要的聚煤期，其地層厚度主要介于50～160 m，烏達(dá)—呼魯斯太一帶厚度超過(guò)350 m[30]；山西組主要由灰色、深灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖組成，泥炭沼澤微相中發(fā)育煤層，盆地西部和東部發(fā)育淺湖沉積，其中砂巖穩(wěn)定性差，富含白云母片和碳屑，層內(nèi)盛產(chǎn)植物化石，地層厚度一般介于50～130 m[31]；石盒子組沉積時(shí)期為“強(qiáng)物源供給下特色的淺水緩坡辮狀河三角洲”沉積，其亞相類型有辮狀河三角洲平原和辮狀河三角洲前緣，同期盆地仍有間歇性局部海侵[32]。下部為灰黃色、黃綠色、中、上部為紫紅色和黃綠色交互的砂、泥巖組成，該組底部“駱駝脖子砂巖”與下伏山西組分界，地層厚度多介于80～110 m[33]。

2 樣品采集測(cè)試及方法

沉積巖中微量元素的遷移富集規(guī)律主要受其自身物理化學(xué)性質(zhì)、形成環(huán)境以及風(fēng)化作用過(guò)程等因素的控制，其含量對(duì)沉積環(huán)境變化有著較高的敏感度，可以作為沉積背景識(shí)別的重要指標(biāo)，為古環(huán)境恢復(fù)及沉積物源和大地構(gòu)造背景的變遷提供可靠依據(jù)[34?35]。

本次研究的樣品采自鄂爾多斯盆地西緣4條剖面和43個(gè)鉆井巖心，樣品采樣點(diǎn)覆蓋整個(gè)研究區(qū)、包含各個(gè)研究時(shí)期對(duì)應(yīng)的地層，采樣過(guò)程中，優(yōu)先選擇風(fēng)化蝕變和成巖作用弱的樣品，共采集樣品153件，樣品處理過(guò)程可靠，對(duì)于研究該地區(qū)晚石炭世—中二疊世的沉積演化具有一定的代表性。對(duì)樣品中Rb，Zr，Sr，Cu等11種微量元素和La，Ce，Pr，Nd等14種稀土元素進(jìn)行了分析測(cè)試，具體測(cè)試方法為：用清水將巖石樣品沖洗干凈、自然烘干，用瑪瑙缽初步研磨以去除巖樣中的粗碎屑顆粒，過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，保留200目以下的樣品，以進(jìn)行預(yù)處理。之后樣品送至四川省科源工程技術(shù)測(cè)試中心采用ICP-MS質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試。在潔凈、濕度35%～50% 和溫度18 ℃～25 ℃的室內(nèi)，將樣品水溶液引入氬氣流中，進(jìn)入氬離子體中心區(qū)解離和電離，在真空系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)高速掃描離子，其濃度可精確到ng/L。針對(duì)樣品中出現(xiàn)的K2O，Na2O和SiO2等10種主量元素，使用X射線熒光光譜儀（XRF）進(jìn)行分析測(cè)，其測(cè)試方法具體為：稱取約1.2 g標(biāo)準(zhǔn)樣品（或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）及待測(cè)樣品分別置于熱重分析儀中，1 000 ℃下灼燒至少20 min直至樣品質(zhì)量恒重，重復(fù)以上操作2次，計(jì)算其灼燒減量，向鉑—金坩堝中依次稱取經(jīng)1 000 ℃灼燒恒重后的樣品0.6 g、四硼酸鋰—偏硼酸鋰混合熔劑6.0 g和碘化銨0.5 g，混勻后在1 150 ℃的自動(dòng)熔融爐中熔融30 min，待冷卻后取出脫模，制備成玻璃樣片，并在儀器工作條件下測(cè)量譜線，標(biāo)峰，加亮；然后分別進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度及含量計(jì)算，得到初始曲線方程；最后進(jìn)行基體效應(yīng)校正并建立工作曲線，將玻璃樣片置于單波長(zhǎng)激發(fā)能量色散X射線熒光光譜儀中測(cè)定。將各成分的檢測(cè)值進(jìn)行灼燒減量的修正后，得到最終成分含量。

3 沉積環(huán)境重建

在砂巖中石英顆粒、長(zhǎng)石碎屑及不穩(wěn)定的巖屑存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，表明它們的主量元素間也存在一定關(guān)系，根據(jù)砂巖中碎屑組分的成分和含量可以較為準(zhǔn)確地反映物源特征[36?37]。細(xì)粒碎屑沉積巖中的微量元素性質(zhì)主要受到物源區(qū)母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景的影響，有些元素對(duì)沉積環(huán)境的變化很敏感，其分配和比例可以反映沉積期的古水深、古鹽度和氧化還原條件等，對(duì)于沉積環(huán)境的恢復(fù)具有較高的分辨率和準(zhǔn)確性[34]。

3.1 古水深

鋯（Zr）是一種典型的親陸性元素，在化學(xué)風(fēng)化中非常穩(wěn)定，主要以鋯石等重礦物形式沉積、以碎屑礦物形式搬運(yùn)，離陸源區(qū)越遠(yuǎn)，巖石中含量越低，故常沉積于淺水區(qū)域。銣（Rb）是一種堿金屬元素，化學(xué)性質(zhì)活潑，主要賦存在黏土礦物、云母等細(xì)粒沉積物中，易于遷移，常沉積于水體較深的低能環(huán)境。因此，Rb/Zr比值可以反映水體深度的變化，Rb/Zr比值越高說(shuō)明水體越深，水動(dòng)力越弱，反之亦然[38]。據(jù)研究區(qū)古水深恢復(fù)圖（圖3），羊虎溝組Rb/Zr比值主體介于0.22～0.54，比值結(jié)果最低；太原組Rb/Zr比值介于0.36～0.79，山西組Rb/Zr比值介于0.40～0.87，石盒子組Rb/Zr比值介于0.48～0.82，太原組至石盒子組樣品點(diǎn)結(jié)果比值接近，僅略有波動(dòng)。此外，各組樣品中均有少量比值很高的異常值，表明在該時(shí)期研究區(qū)內(nèi)存在水深極深的區(qū)域。以上數(shù)據(jù)反映了研究區(qū)在羊虎溝組沉積期水體最淺，水動(dòng)力強(qiáng)，其原因是羊虎溝組地貌差異明顯，地層厚度變化大，介于0～1 300 m[7]，但研究區(qū)大部分為相對(duì)淺水區(qū)域；太原組—石盒子組水體深度總體上接近，其中山西組水體最深，石盒子組相對(duì)最淺。

3.2 古氣候

陸相沉積物中，氣候變化敏感元素Sr（喜干型元素）、Cu（喜濕型元素）可以在干旱炎熱的特定環(huán)境條件下保存、遷移，Cu難以遷移到湖中，其含量顯示為低值，而Sr得可以較好地保存，故Sr/Cu值（圖4a，c）可以指示古氣候的變化。通常在溫濕氣候下110 則表示干旱氣候[39]。羊虎溝組Sr/Cu值介于3.53～5.35，平均為4.53；太原組Sr/Cu值介于3.91～6.27，平均為4.82；山西組Sr/Cu 值介于3.72～8.23，平均為7.79；石盒子組Sr/Cu值介于4.18～7.21，平均為6.39，各組Sr/Cu值均介于1～10，指示溫暖、濕潤(rùn)氣候。羊虎溝組和太原組Sr/Cu 值略有增加，總體一致；山西組Sr/Cu值達(dá)到最大，指示氣候相對(duì)最為炎熱，到石盒子組Sr/Cu值略有降低。

氣候可以影響母巖風(fēng)化作用強(qiáng)弱、沉積物的搬運(yùn)和組成等，化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）常被用來(lái)反映古氣候條件，其計(jì)算方程為：CIA=[Al2O3（/ Al2O3+CaO+Na2O+K2O）]×100[40?41]?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA值越大，物源區(qū)巖石遭受的化學(xué)蝕變?cè)綇?qiáng)烈，而強(qiáng)的化學(xué)蝕變通常指示溫暖濕潤(rùn)的氣候條件[39]。研究區(qū)各時(shí)期樣品均落在強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域，表明研究區(qū)晚石炭世—中二疊世地層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化，指示溫暖的氣候條件；太原組、山西組樣品點(diǎn)在圖上更集中，表示氣候穩(wěn)定，而羊虎溝組、石盒子組樣品點(diǎn)落點(diǎn)分散，表示在該時(shí)期內(nèi)氣候波動(dòng)較大。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)泥巖樣品CIA-ICV圖解及比值結(jié)果箱線圖（圖4b，d）分析，認(rèn)為研究區(qū)沉積物經(jīng)歷了沉積再循環(huán)作用，且源區(qū)構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定。除太原組樣品點(diǎn)更多集中在中等風(fēng)化區(qū)域外，其余各組均更多位于強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域，各時(shí)期分區(qū)分帶差異明顯。ICV值在羊虎溝組—石盒子組沉積期，隨時(shí)間逐漸降低，在羊虎溝組、太原組沉積期時(shí)，其ICV值分布在成熟和不成熟的區(qū)域之間，到山西組、石盒子組，僅有極少樣品點(diǎn)位于不成熟的區(qū)域，大多數(shù)在0.5以下，表明隨著時(shí)間的推移，研究區(qū)內(nèi)細(xì)碎屑黏土成分逐漸增加，成熟度逐漸升高[42]，與此同時(shí)，CIA值也隨時(shí)間逐漸變高，指示風(fēng)化作用由弱向強(qiáng)轉(zhuǎn)變，兩者結(jié)果得以相互印證。

研究區(qū)羊虎溝組和石盒子組樣品點(diǎn)絕大多數(shù)落在CIA值介于65～85的區(qū)域，反映溫暖濕潤(rùn)氣候下中等的化學(xué)風(fēng)化，太原組、山西組樣品點(diǎn)CIA值則集中分布在85～100，反映炎熱和潮濕氣候條件下強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化[43]。綜合認(rèn)為，研究區(qū)從羊虎溝組沉積期開始，氣溫逐漸上升，并在山西組沉積期升至最高，石盒子組沉積期與山西組相比氣溫有所降低。

3.3 古鹽度

古鹽度是沉積物中古水鹽度的記錄，是反映地質(zhì)歷史時(shí)期海陸變遷的重要參數(shù)。古鹽度的恢復(fù)對(duì)于研究沉積期古環(huán)境、區(qū)分海相與陸相環(huán)境具有重要意義。與Sr元素相比，Ba在水中遷移能力較弱。當(dāng)水體鹽度增加時(shí)，Ba2+優(yōu)先于Sr2+與SO42-結(jié)合形成BaSO4沉淀，此時(shí)，水中殘余Sr元素逐漸富集，當(dāng)鹽度繼續(xù)增加到一定程度時(shí)，BaSO4逐漸遞增沉淀，而且隨時(shí)間遞增沉淀的量逐漸增加，因此Sr/Ba比值（圖5a，c）可作為古鹽度識(shí)別的敏感標(biāo)志[44]。Sr/Bagt;1表示海相咸水，1～0.6表示淡水—咸水的過(guò)渡相，0.6～0.3表示咸水—淡水的過(guò)渡相，Sr/Balt;0.3表示陸相淡水[34，44]。羊虎溝組樣品Sr/Ba 比值主體介于0.22～0.37，平均為0.29，太原組介于0.26～0.44，平均為0.36，山西組平均為0.33，介于0.28～0.38區(qū)間，石盒子組介于0.26～0.34，平均為0.31。在海相咸水的區(qū)域內(nèi)（Sr/Bagt;1），僅有少量山西組的樣品點(diǎn)，在淡水—咸水過(guò)渡相中（0.6

古鹽度記錄了原始沉積物中水體鹽度的變化情況，在風(fēng)化作用過(guò)程中，Th元素易被黏土礦物吸附而保留，U元素隨著風(fēng)化過(guò)程易流失，Th/U值（圖5b，d）可作為判別海陸相沉積的一個(gè)指標(biāo)：Th/U含量比值小于2為海相環(huán)境，2～7為過(guò)渡相半咸水環(huán)境，大于7為陸相淡水環(huán)境[45]。羊虎溝組Th/U比值介于2.55～4.09，平均為3.16，太原組介于4.08～4.74，平均為4.19，山西組介于2.68～3.89，平均為3.40，石盒子組介于2.40～4.03，平均為3.31。根據(jù)投點(diǎn)范圍分布，各期主體均落在過(guò)渡相半咸水環(huán)境（Th/U值介于2～7），在Th/U值gt;7和Th/U值lt;2的區(qū)域中，除太原組其余各組均有少量樣品點(diǎn)出現(xiàn)；太原組樣品點(diǎn)則集中落于Th/U比值斜率較高的區(qū)域，Th/U值最高，指示在研究時(shí)期內(nèi)，太原組沉積期古鹽度最高。從太原組到石盒子組沉積期，指示古鹽度的Sr/Ba與Th/U比值具有明顯降低的變化趨勢(shì)，表明研究區(qū)受海水影響的規(guī)模與范圍愈來(lái)愈弱。

綜上所述，該區(qū)域晚石炭世—中二疊世為海陸過(guò)渡環(huán)境。羊虎溝組、太原組為淡水—咸水的過(guò)渡環(huán)境，山西組、石盒子組為咸水—淡水的過(guò)渡相。太原組沉積期水體鹽度與羊虎溝組相比，鹽度有所增加，而太原組氣候溫暖濕潤(rùn)，說(shuō)明太原組水體古鹽度的增大是受到了強(qiáng)烈的海水作用，而非湖水咸化的結(jié)果，證明太原組沉積時(shí)期，祁連海域同樣表現(xiàn)為大規(guī)模的海侵；山西組、石盒子組樣品則多集中在Sr/Ba為0.3的區(qū)域附近，研究區(qū)表現(xiàn)為以淡水為主的過(guò)渡環(huán)境，與羊虎溝組和太原組相比，水體鹽度降低，并逐漸向淡水演變。

3.4 氧化還原環(huán)境

Ni/Co和V/（V+Ni）比值等被廣泛用于判斷沉積水體的氧化還原環(huán)境[43]。由研究區(qū)氧化還原環(huán)境綜合分析圖（圖6）可知，羊虎溝組、太原組沉積期樣品集中均落于Ni/Co 比值指示還原環(huán)境的區(qū)域，山西組、石盒子組沉積期樣品指示為氧化環(huán)境；V/（V+Ni）二元圖解投點(diǎn)結(jié)果與Ni/Co 比值圖投點(diǎn)結(jié)果相近，羊虎溝組、太原組沉積期樣品主體仍表現(xiàn)為還原環(huán)境，少量樣品點(diǎn)落于介于還原—氧化環(huán)境的區(qū)域，有相當(dāng)數(shù)量山西組樣品點(diǎn)在氧化—環(huán)境性質(zhì)之間，其余則指示為氧化環(huán)境，石盒子組樣品除2 個(gè)落于V/（V+Ni）=5的直線上，其余均指示氧化環(huán)境。

由此得出，羊虎溝組、太原組沉積期主要為水體安靜的還原環(huán)境，山西組、石盒子組沉積期為水體動(dòng)蕩的氧化環(huán)境。

4 源區(qū)特征分析

鄂爾多斯盆地在晚石炭世—中二疊世接受南、北兩向供源，研究區(qū)物源主要來(lái)自阿拉善和陰山古陸[3，5]，阿拉善地塊基底由新太古代迭布斯格巖群下部依肯烏蘇巖組（2 700 Ma）和古元古代的巴彥烏拉山巖群（2 500～2 264 Ma）組成，并經(jīng)歷了早古生代（480～446 Ma）和晚古生代（281～266 Ma）兩次構(gòu)造熱事件[46]。近“陰山古陸”并非是古老隆升的古陸，它是在晚石炭世華北板塊北部陸緣向西伯利亞板塊南緣南蒙微陸塊俯沖碰撞的擠壓構(gòu)造背景中發(fā)生拱起隆升，成為華北北緣晚古生代盆地的物源，后發(fā)展成為現(xiàn)今古老變質(zhì)結(jié)晶基底巖系廣泛剝露的隆起帶[47]。鄂爾多斯盆地西北緣晚古生代地層沉積厚度大，但早古生代末期的加里東運(yùn)動(dòng)使得鄂爾多斯盆地整體抬升剝蝕，導(dǎo)致缺失了志留紀(jì)—早石炭世之間的沉積記錄，晚石炭世—二疊紀(jì)地層廣泛分布。賀蘭山地區(qū)零星出露晚石炭世—二疊紀(jì)地層，主要分布在中北部，牛首山—大羅山以東地區(qū)[48?51]。

4.1 母巖巖性

不活潑元素La、Th、Hf等不因搬運(yùn)和成巖作用而改變，因此可以利用La/Th-Hf判別圖解（圖7a）分析沉積物的物質(zhì)來(lái)源[34]。利用La/Yb-ΣREE判別圖可以直觀地判別沉積物巖石大類的成因特征。

在La/Th-Hf二元圖解中，羊虎溝組表現(xiàn)為較低的La/Th比值，物源主要為古老沉積物和長(zhǎng)英質(zhì)源；太原組與羊虎溝組相似，表現(xiàn)為L(zhǎng)a和Th的低比值，但古老沉積物有所減少，以長(zhǎng)英質(zhì)源為主；山西組樣品點(diǎn)La/Th比值波動(dòng)范圍大，主要落在長(zhǎng)英質(zhì)源附近，也有少量樣品點(diǎn)顯示為被動(dòng)邊緣源、混合長(zhǎng)英質(zhì)/基性源和安山弧源；石盒子組樣品點(diǎn)主要落于長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)域。La/Yb-ΣREE圖解（圖7b）顯示，羊虎溝組—山西組沉積期沉積物母巖巖性主要為花崗巖和堿性玄武巖，以及少量鈣質(zhì)泥巖，表明該時(shí)期物源的復(fù)雜性；到石盒子組沉積期，母巖巖性趨于穩(wěn)定為花崗巖和堿性玄武巖。

4.2 構(gòu)造背景

在Roser et al.[41]提出的（K2O/Na2O）/SiO2構(gòu)造環(huán)境判別圖（圖8a）中，羊虎溝組樣品點(diǎn)多落于被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，少量落入主動(dòng)大陸邊緣和島弧區(qū)域；太原組樣品點(diǎn)顯示為主動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣，推測(cè)與古亞洲洋洋盆閉合有關(guān)，在其自西向東閉合過(guò)程中研究區(qū)西部樣品點(diǎn)多指示為主動(dòng)大陸邊緣，而東部樣品點(diǎn)仍為被動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)；山西組樣品點(diǎn)集中分布在主動(dòng)大陸邊緣，部分樣品點(diǎn)落入被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，少數(shù)樣品點(diǎn)顯示為島弧；石盒子組數(shù)據(jù)點(diǎn)以主動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧為主。

La-Th-Sc三角判別圖解（圖8b）中，各組樣品點(diǎn)均集中落入主動(dòng)大陸邊緣—被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，羊虎溝組、太原組、山西組少量樣品點(diǎn)落入大陸島弧區(qū)域；在Th-Co-Zr/10三角判別圖解（圖8c）中，羊虎溝組樣品點(diǎn)投點(diǎn)結(jié)果顯示為被動(dòng)大陸邊緣，太原組樣品點(diǎn)多落入大陸島弧區(qū)域，山西組、石盒子組樣品點(diǎn)集中落入主動(dòng)大陸邊緣區(qū)域；Th-Sc-Zr/10三角判別圖解（圖8d）中，羊虎溝組樣品點(diǎn)多落入主動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，太原組樣品投點(diǎn)結(jié)果顯示被動(dòng)大陸邊緣，山西組、石盒子組樣品投點(diǎn)結(jié)果顯示為主動(dòng)大陸邊緣。

綜合以上大地構(gòu)造背景分析結(jié)果，羊虎溝組物源區(qū)構(gòu)造背景為被動(dòng)大陸邊緣，太原組以主動(dòng)大陸邊緣—被動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)為主，兼具大陸島弧，山西組沉積期以主動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)為主，兼有大陸島弧，石盒子組沉積期為主動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧性質(zhì)。

5 沉積背景對(duì)古地理重建的約束

5.1 沉積環(huán)境

沉積環(huán)境演變是古地理格局差異的直觀反映，對(duì)古地理重建具有重要意義[24]。基于多種沉積環(huán)境指標(biāo)及恢復(fù)結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)野外露頭剖面發(fā)育分布情況與不同時(shí)期物源對(duì)其影響差異，選取地層發(fā)育相對(duì)連續(xù)、齊全，巖性組合多樣的呼魯斯太、小洪溝和下河沿剖面（圖9～11，剖面平面位置見圖1b），綜合探討研究區(qū)晚石炭世—中二疊世的沉積環(huán)境演化及其對(duì)古地理重建的約束（圖9～12）。

華北板塊石炭紀(jì)—二疊紀(jì)相對(duì)海平面升降幅度在0～40 m快速變化，羊虎溝組和太原組中發(fā)育數(shù)個(gè)可以作為海侵沉積記錄的灰?guī)r層，記錄了這一時(shí)期的海侵活動(dòng)，而大規(guī)模海侵期則主要集中在太原組、山西組[52]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖3），研究區(qū)在羊虎溝組沉積期水體較淺，受逐漸上升的海平面影響，可容納空間增大，而該時(shí)期物源供給有限，研究區(qū)北部發(fā)育朵體較小的河控三角洲[53]，其底部普遍發(fā)育一套灰白色含礫石英砂巖，巖性總體為砂巖、灰黑色、褐灰色泥巖及炭質(zhì)泥巖，夾煤層及生物碎屑灰?guī)r，可見板狀交錯(cuò)層理、沖洗交錯(cuò)層理（圖9c、圖10c，d），呼魯斯太剖面羊虎溝組見潮汐水道與砂壩（圖11e，f）；海平面在太原組沉積期有所升高，可容納空間增加并發(fā)生大規(guī)模海侵活動(dòng)，海洋范圍升至最大，水體深度較深，僅次于山西組，薄片中可見反映靜水條件下的云母碎片（圖12d），河控三角洲砂體較羊虎溝沉積期小面積增加，發(fā)育灰白色細(xì)砂巖、灰—灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層（7#煤、6#煤）夾生物碎屑灰?guī)r，呼魯斯太剖面在該期發(fā)育潮控三角洲，見羽狀交錯(cuò)層理、砂紋層理（圖11d），受波浪的反復(fù)淘洗，太原組薄片碎屑成分主要由石英和石英巖屑組成（圖13c，d），下河沿剖面太原組見大量生物，發(fā)現(xiàn)保存良好的遺跡化石（圖10b）；山西組沉積期，在充足的物源供給下，山西組在研究區(qū)廣泛發(fā)育，沉積厚度穩(wěn)定，發(fā)育灰色—灰黑色粉砂巖、泥巖夾煤層、煤線組合（圖11c），三角洲前緣繼續(xù)向前延伸；石盒子組沉積期古水深變淺，可容納空間下降，演變?yōu)檗p狀河三角洲沉積，巖性主要為黃綠色、灰白色砂巖與棕紅—紫紅色、黃綠色粉砂質(zhì)泥巖及泥巖組成，其總體色調(diào)為紅色與黃綠色相間，呼魯斯太剖面石盒子組底見沖刷面，發(fā)育大量礫巖、含礫砂巖，見分流河道（圖11a，b），依據(jù)古水流數(shù)據(jù)，判斷砂體持續(xù)沿東南方向推進(jìn)。在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與野外剖面實(shí)測(cè)資料繪制鄂爾多斯盆地西北緣羊虎溝組至石盒子組沉積相圖（圖12）[7，9，13]。

石炭紀(jì)華北地區(qū)總體呈現(xiàn)出海陸交互沉積，氣候?yàn)閬啛釒А獪貛夂?，羊虎溝組、太原組沉積期氣候總體溫暖濕潤(rùn)，地球表面到處長(zhǎng)滿了高大的綠色植物，尤其在湖沼、盆地等低洼地帶里，古代蕨類植物尤為茂盛，使得羊虎溝組和太原組沉積期成為研究區(qū)主要的成煤期和烴源巖發(fā)育期[35，37]；山西組和石盒子組沉積期，研究區(qū)氣候呈現(xiàn)出季節(jié)性干熱的特征，由于氣候的轉(zhuǎn)變，使一些植物屬種滅絕，銀杏和松柏等耐旱植物占據(jù)了更有競(jìng)爭(zhēng)力的生態(tài)位，不利于煤層的發(fā)育[52?53]。羊虎溝組、太原組沉積期由于植物茂盛，植被覆蓋度高，減少了降雨對(duì)地面的侵蝕能力，同時(shí)繁茂的根系也可以固結(jié)土地，導(dǎo)致輸沙量較低；山西組、石盒子組沉積期氣候較之前變熱，同時(shí)耐旱植物的出現(xiàn)也使得土地相對(duì)貧瘠，對(duì)雨水的抗侵蝕能力下降，水土流失加劇，輸沙量增加[54]。

古鹽度的變化與海侵活動(dòng)息息相關(guān)，展示出與古水深變化相似的特征。羊虎溝組、太原組沉積期總體以海相沉積為主；山西組、下石盒子組沉積期為咸水—淡水的過(guò)渡相，受海陸過(guò)渡相和海相環(huán)境共同影響。鄂爾多斯盆地東南部鉆井樣品盒8段樣品（Th/U比值介于4.36～4.74，平均為4.60）與研究區(qū)石盒子組樣品（2.40～4.03，平均為3.31）均指示過(guò)渡相半咸水環(huán)境[55]，表明石盒子組沉積早期盆地仍為微咸水—半咸水的近海湖盆環(huán)境，晚期海水的完全退出，進(jìn)入陸相演化階段；盆地東南部樣品古鹽度明顯更高，造成這種同期盆地不同方位樣品古鹽度之間的差異與海退的持續(xù)時(shí)間和方向有關(guān)，推測(cè)盆地西北部海水退出時(shí)間較東部更早。

羊虎溝組沉積期在研究區(qū)南部障壁沙壩廣泛發(fā)育，古隆起之上潮坪—潟湖沉積大面積連片分布，大石頭井溝、吳忠一帶水深極深，水體相對(duì)閉塞[7]，在Ni-Co二元圖解（圖6b）中，該組有少量樣品點(diǎn)位于氧化環(huán)境，推測(cè)是北部發(fā)育的敞流沉積環(huán)境表現(xiàn)為氧化環(huán)境所導(dǎo)致，該組泥巖普遍為灰黑色、褐灰色；太原組沉積期內(nèi)祁連海域海侵海退活動(dòng)頻繁，潮坪、潟湖廣泛發(fā)育，表現(xiàn)為還原性環(huán)境，該組泥巖通常為灰—灰黑色；山西組、石盒子組沉積期，研究區(qū)北部分流河道縱橫交錯(cuò)，水體中含氧量大幅增加，沉積環(huán)境表現(xiàn)為氧化環(huán)境，山西組泥巖顏色與太原組相近，石盒子組可見棕紅—紫紅色、黃綠色粉砂質(zhì)泥巖及泥巖。在呼魯斯太剖面巖性綜合柱狀圖中（圖11），也可看出石盒子組與其他各組相比，泥巖厚度顯著變薄，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

5.2 物源背景

羊虎溝組沉積時(shí)期，鄂爾多斯盆地西北緣主要是北東—南西方向供源，砂體主要來(lái)自北部的陰山古陸、西北緣的阿拉善古陸，根據(jù)母巖巖性綜合分析圖（圖7），該時(shí)期主要是古老沉積物和長(zhǎng)英質(zhì)源，具體表現(xiàn)為花崗巖、堿性玄武巖和少量鈣質(zhì)泥巖，薄片中可見大量石英、石英巖屑和長(zhǎng)石等，與其母巖機(jī)械破碎的產(chǎn)物相對(duì)應(yīng)（圖13a，b），由于母巖巖性以古老沉積物為主，導(dǎo)致輸砂效率相對(duì)較低，形成的砂體規(guī)模較??；太原組沉積期物源以長(zhǎng)英質(zhì)源為主，古老沉積物成分與羊虎溝組比有所減少，薄片中也表現(xiàn)為以石英、石英巖屑為主，長(zhǎng)石成分降低（圖13c，d），來(lái)自東北方向的陰山古陸在靠近大陸邊緣一側(cè)，形成了一套陸緣弧巖漿巖[56]，巖漿巖比變質(zhì)巖和沉積巖更易于風(fēng)化、輸砂效率高，該期研究區(qū)整體構(gòu)造活動(dòng)微弱，由于母巖巖性的轉(zhuǎn)變使得砂體規(guī)模與羊虎溝組沉積期相比小幅增加；山西組沉積期物源以長(zhǎng)英質(zhì)源和古老沉積物為主，母巖巖性具有多樣性，花崗巖、堿性玄武巖和鈣質(zhì)泥巖均有分布，WC1井山西組砂巖薄片中碎屑組分由石英、石英巖屑和云母等組成（圖13e），同時(shí)期HT1井砂巖薄片中含少量炭化植物碎屑（圖13f）；石盒子組沉積期，物源來(lái)自中古老沉積物成分明顯降低，母巖巖性轉(zhuǎn)變?yōu)榛◢弾r和堿性玄武巖，S259井石盒子組砂巖薄片中碎屑成分以石英巖屑為主和R14 井中可見少量長(zhǎng)石與之對(duì)應(yīng)（圖13g，h）。山西組、石盒子組沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)顯著增強(qiáng)，在構(gòu)造活動(dòng)控制下砂體規(guī)模大幅增加。其中石盒子組的母巖輸砂效率較山西組高，對(duì)應(yīng)的砂體規(guī)模也更大（圖12c，d）。

晚古生代初期（羊虎溝組沉積期）華北陸塊處于8°～18° N的低緯度地區(qū)，受海西構(gòu)造階段的一系列運(yùn)動(dòng)影響，各板塊間碰撞、拼合，華北陸塊的位置從石炭紀(jì)的古赤道附近逐漸北移，研究區(qū)在構(gòu)造背景上顯示為被動(dòng)大陸邊緣，構(gòu)造上長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，通常以生成巨厚的淺海相沉積、巖漿活動(dòng)微弱和地層基本未遭變形為基本特征[57]。研究區(qū)古地理環(huán)境南部以海灣—淺水陸棚和潮坪—潟湖環(huán)境為主，北部靠?jī)?nèi)陸一側(cè)發(fā)育河流三角洲；前人通過(guò)古地磁研究認(rèn)識(shí)到華北陸塊在向北漂移的過(guò)程中伴隨著逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[58]，北移至早二疊世華北陸塊所處的古緯度為18.3°±6.6° N，華北陸塊北側(cè)受古亞洲洋閉合致使西伯利亞板塊向南擠壓作用，鄂爾多斯盆地抬升，海水自東南和西南方向退出，自北緣高部位物源區(qū)向南部低部位供源形成北西—南東向展布的河控三角洲沉積相帶，研究區(qū)南部潮坪—潟湖廣泛發(fā)育；二疊紀(jì)中期，古亞洲洋板塊向華北板塊北緣俯沖及隨后的弧—陸碰撞，使華北板塊北緣繼續(xù)隆升，形成增生造山帶，伴隨著強(qiáng)烈褶皺、沖斷[58]，構(gòu)造背景分析結(jié)果顯示山西組沉積期為主動(dòng)大陸邊緣，兼具大陸島弧性質(zhì)，在充足的物源供給下，北部三角洲相帶向東南方向繼續(xù)推進(jìn)，古地理格局表現(xiàn)為河控三角洲和海灣沉積環(huán)境[59]；石盒子組沉積期研究區(qū)構(gòu)造背景為主動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧性質(zhì)，這一時(shí)期內(nèi)北部陰山物源供給充足，研究區(qū)古地理格局自北部辮狀河沉積向南依次演變?yōu)檗p狀河三角洲平原沉積以及辮狀河三角洲前緣沉積[2]，與山西組相比，阿拉善供源有所減弱，西南部出現(xiàn)較大面積的近海湖泊沉積。

研究區(qū)羊虎溝組沉積期的被動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)，與區(qū)內(nèi)形成的厚層灰?guī)r及潮坪、潟湖廣布所反映出的微弱地碰撞作用表現(xiàn)出較好的統(tǒng)一性；早二疊世古亞洲洋閉合開始導(dǎo)致華北板塊碰撞、擠壓，而構(gòu)造背景分析結(jié)果表顯示，太原組沉積期為主動(dòng)大陸邊緣—被動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)，兼具大陸島弧性質(zhì)，兩者有密切的聯(lián)系；受華北板塊北緣晚古生代巖漿弧增生影響，山西組沉積期以主動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)為主，兼有大陸島弧，石盒子組沉積期構(gòu)造背景為主動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧性質(zhì)，研究區(qū)內(nèi)砂體范圍也隨之不斷擴(kuò)大，與古亞洲洋閉合導(dǎo)致的碰撞造山運(yùn)動(dòng)存在較好的一致性。

6 結(jié)論

（1） 鄂爾多斯盆地在晚石炭世—二疊紀(jì)內(nèi)氣候整體波動(dòng)較小，表現(xiàn)為溫暖濕潤(rùn)的氣候，研究區(qū)羊虎溝組—太原組沉積期，古鹽度明顯升高，且均屬還原環(huán)境，推測(cè)該時(shí)期西北緣地區(qū)海侵作用強(qiáng)烈；山西組沉積期古水深、古鹽度指標(biāo)雖與羊虎溝組接近，但較低的Ni/Co、V/（V+Ni）比值表明山西組整體處于氧化環(huán)境，不利于烴源巖發(fā)育。受全球范圍內(nèi)的氣候事件和構(gòu)造活動(dòng)影響，羊虎溝組、太原組沉積期成為研究區(qū)內(nèi)主要的成煤期。

（2） 研究區(qū)羊虎溝組—山西組沉積期物源復(fù)雜，存在一定的混源現(xiàn)象，羊虎溝組主要為古老沉積物及長(zhǎng)英質(zhì)源，山西組、太原組沉積時(shí)期，古老沉積物比重降低，長(zhǎng)英質(zhì)源比重上升，到石盒子組，長(zhǎng)英質(zhì)源成為主要的物源。羊虎溝組—山西組沉積期母巖巖性表現(xiàn)為花崗巖、堿性玄武巖、鈣質(zhì)泥巖和大陸拉斑玄武巖混合的特征；到石盒子組，物源供給趨于穩(wěn)定，花崗巖和堿性玄武巖是主要的母巖巖性。

（3） 晚石炭世—二疊紀(jì)，研究區(qū)內(nèi)三角洲推進(jìn)方向主要受構(gòu)造活動(dòng)的影響，經(jīng)歷了從東北—西南向到西北—東南向的轉(zhuǎn)變；在羊虎溝組、太原組沉積期內(nèi)沉積演化主要受沉積環(huán)境約束，研究區(qū)北部發(fā)育小型河控三角洲扇體，南部存在半深水陸棚、海灣—淺水陸棚和潮坪—潟湖多種沉積相帶；山西組、石盒子組沉積期受物源區(qū)母巖巖性改變和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同作用，區(qū)內(nèi)北部砂體推進(jìn)范圍隨時(shí)間持續(xù)增加，河控三角洲體系不斷擴(kuò)大，南部水體面積銳減，沉積環(huán)境也趨于單一，由海灣向近海湖泊轉(zhuǎn)變。

致謝 感謝成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院劉磊老師的悉心指導(dǎo)，感謝成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院王志偉博士、朱淑玥碩士、趙菲碩士、張蕊碩士和李丹碩士對(duì)本文提出的建議和幫助。評(píng)審專家及編輯部老師對(duì)本文提出了寶貴的修改意見，在此表示衷心的感謝！

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42102132）；中石油長(zhǎng)慶油田科研項(xiàng)目（2020-62503，2021-18099）