鄂尔多斯南缘长7油页岩中钙质结核成因探讨.pdf

第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA鄂尔多斯南缘长 7 油页岩中钙质结核成因探讨樊婷婷1，柳益群2，周鼎武3，车飞翔1，杨皓凯11.西安科技大学地质与环境学院，西安 7100542.西北大学地质学系，西安 7100693.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266510摘 要 湖相油页岩中碳酸盐结核形成机制研究较为薄弱，因此以鄂尔多斯盆地南缘霸王庄延长组长7段油页岩中发育的巨型钙质结核为研究对象，通过野外观察、薄片鉴定和X射线衍射分析，结合结构构造、矿物组成、主微量元素以及碳、氧、锶、钕同位素特征，分析其形成条件和机理，其结果对研究与其伴生的优质泥质烃源岩的形成演化环境具有重要意义。研究认为：该结核矿物组成丰富，说明形成过程中发生了复杂的生物化学和化学沉积作用，结核中的滑石和文石矿物应为热液作用的产物；结核中方解石矿物主要有4种形态，其中钙质圆球粒应是蓝细菌鞘体矿化的产物。从结核边缘带到内、外环带及核部，主、微量元素含量差异较明显，表现出结核阶段性连续生长演化的特征。锶同位素值接近幔源锶同位素值，钕同位素值富集地幔特征，氧同位素值强烈负偏，以及高Sr、Ba含量均说明钙质结核形成时受到深部来源热液流体影响。此外结核中还发现在深湖热液环境中生存的鳕鱼的化石碎片和鱼粪化石。碳同位素值为-1.1112.4，强烈正偏，表明碳酸盐结核的形成可能与产烷带微生物代谢活动引起的甲烷生成有关。灰岩结核成因指示该区长7油页岩生烃能力好，为优质烃源岩。关键词 钙质结核；碳氧同位素；锶钕同位素；鄂尔多斯盆地；长7油页岩第一作者简介 樊婷婷，女，1982年出生，副教授，储层沉积学，E-mail:中图分类号 P618.12 文献标志码 A0 引言 结核是成分、颜色和结构构造等与围岩有明显区别的自生矿物集合体。其中，由方解石、白云石、菱铁矿等矿物构成的碳酸盐结核最受学者关注，优先发育于有机质含量较高的泥页岩12，其对研究沉积物埋藏和压实期间孔隙流体演化以及微生物代谢活动具有重要意义39。目前国内外研究的多为海洋环境中形成的碳酸盐结核，且大多数都与甲烷渗漏有明显成因联系和显著13C负异常特征1017。而对于湖相油页岩中的碳酸盐结核研究较少。鄂尔多斯盆地南缘延长组长7段发育一套半深湖深湖相黑色泥岩、油页岩，层内有砂质碎屑流、浊积岩和凝灰岩等沉积。近年来，在盆地南缘铜川地区长7油页岩中发现形态多样的“碳酸盐结核”1824，直径为10120 cm，其中以霸王庄地区的结核最为发育且形态最丰富，本文以霸王庄采石场剖面油页岩中常见的一个“椭球形”碳酸盐结核为研究对象，研究其岩石学和地球化学特征，分析成因机理，进而探讨该区长7油页岩的特殊沉积环境，为找寻优质烃源岩提供依据。1 区域地质背景 铜川地区位于鄂尔多斯盆地南缘，构造单元属于渭北隆起区（图1b），处于盆地稳定沉降区与南缘冲断构造带之间的过渡区带，构造活动较为强烈，区内断层比较发育25（图1a）。铜川地区自二叠纪开始拗陷成为内陆浅湖，并接受沉积，至三叠纪坳陷加大，并在长7期达到顶峰26。近年来，一些学者通过对陕西铜川、河南南召等多处野外剖面踏勘，重新界定了鄂尔多斯盆地及周缘长7深湖区的范围，得出盆 地 南 部 铜 川 地 区 长 7 期 处 于 湖 盆 沉 积 中 心位置18。铜川地区延长组长7油页岩发育厚度一般较大，最厚为32.35 m，主要分布在瑶曲何家坊淌泥河马泉头马庄一带，向东北变薄27。由于油页岩是收稿日期：20210507；修回日期：20210724；录用日期：20210914；网络出版日期：20210914基金项目：国家自然科学基金项目（41641018）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.41641018DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.104文章编号：10000550（2023）03093213第3期樊婷婷等：鄂尔多斯南缘长7油页岩中钙质结核成因探讨典型的静水沉积产物，其发育越厚通常反映沉积时水体相对越深。2 野外露头特征 碳酸盐结核分布与油页岩发育厚度有很好的相关性，主要分布在铜川瑶曲镇聂家河、铜川市何家坊、金锁关镇霸王庄、淌泥河以及宜君县套滩等地。根据一些学者19,24和笔者研究团队近年来的野外勘查，发现灰岩结核主要赋存于长73段底部油页岩、泥岩序列，白云岩结核主要发育在长72亚段和长73亚段中上段的细砂岩、粉砂质砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩层序中。霸王庄地区长7油页岩中的碳酸盐结核，有“椭球形”（图2ad）、“圆球状”（图2e）、“透镜状”、“飞碟状”（图2f）、“烟囱状”等。结核大小相差悬殊，长2105 cm。少数长度较大的结核由于油页岩开采已脱离原层位（图2bd）。根据现今仍保存在油页岩中的结核，其长轴方向多平行于围岩地层，上覆页岩层绕过结核沉积，因此判断这些结核形成的时间较早，是在沉积物固结和压实前形成的。采样剖面位于霸王庄半截沟村东南山附近的采石场，地理坐标：35 14 1.7 N，109 02 10.5 E，海拔1 240 m。长73段地层出露较完整，下伏地层为长8段灰绿色砂岩，整合接触；长73段上部覆盖第四系黄土，呈角度不整合接触，未见长72与长71地层。在长73段主体为大面积分布的黑色、深灰色油页岩层、灰褐色粉细砂岩层和厚度不等的凝灰岩夹层（或透镜体）（图1c），总体厚度约23 m，地层整体上风化较严重。油页岩内部可见大量顺层分布的碳酸盐结核和胶磷矿，局部可见沥青脉。结核数量较多，颜色为灰褐色、灰黑色，结合野外观察和显微镜下薄片鉴定，以及前人研究成果1824，得出霸王庄地区巨型灰岩结核矿物成分和结构差异不大，特别是在采石场剖面，油页岩层中几乎全为长度超过20 cm的椭球形灰岩结核。因此，选择一个长度约60 cm，宽42 cm，高30 cm的椭球形灰岩结核进行研究。图 1研究区区域地质背景（a）研究区区域地质图（修改自文献25）；（b）鄂尔多斯盆地构造分区图；（c）霸王庄采石场剖面地层柱状图Fig.1Regional geological background of study area(a)geological map(modified from reference 25);(b)sketch map of field section location in the Ordos Basin;(c)comprehensive stratigraphic column in Caishichang section of Bawangzhuang933第41卷沉 积 学 报3 岩石学和矿物学特征 切开结核后发现，内部纹层较明显，从边缘带向内到核部共选择10块样品（图3）进行全岩矿物X衍射分析（表1），得出矿物成分主要为方解石（含量介于59.6%92.3%）、石英（含量介于2.5%10.2%）、黄铁矿（含量介于1.2%5.9%），部分样品含有矿物铁白云石（含量介于0.4%3.2%）、文石（含量介于3.6%32.1%）和滑石（含量介于0.5%0.7%），少数样品还出现了磷灰石、石膏、勃姆石和伊利石。显微镜下磷灰石一般呈球粒状，局部具有化石微形貌，是由生物沉积或生物化学沉积形成的；石膏一般为化学沉积作用的产物；勃姆石又称软水铝石，是铝土矿的主要成分，主要由风化作用形成；伊利石常由白云母或钾长石风化后形成；这些矿物组合说明结核在形成过程中发生了生物化学作用和化学沉积作用，后期又受到了风化作用的影响。显微镜下观察结核中方解石主要有4种形态：第一种是针状方解石（少数文石晶形也呈针状），集合体常呈纤维状，或围绕某一中心呈放射状排列构成次生球粒（图4ae）；第二种是方解石重结晶后形成多晶镶嵌状或中粗晶方解石，晶粒一般为 0.250.60 mm，表面裂纹发育（图4f，g）；第三种是在正交偏光镜下呈十字消光的方解石晶粒（图4h，i），晶粒通常介于0.050.15 mm，集合体常呈纹层或条带状分布；第四种为1020 m方解石圆球粒，多个聚集在一起呈团块或条带状分布（图5a，b），局部零星状散布。这种方解石圆球粒已在盆地南缘渭北地区多个长7段露头剖面中的碳酸盐夹层或结核中发现1819。根据能谱测试结果，主要为方解石，少部分为白云石或铁白云石。圆球粒大小形状都比较均一，直径一般不超过20 m，常密集分布在第一种和第三种形态的方解石周围，绝大部分形态完整，圆球粒可见晶体腔和黑色有机质边缘，一般情况下，黑色有机质边缘较薄，少见较厚壳壁和刺状突起。少部分发生溶蚀后被黄铁矿交代，也可见被油迹和有机质完全浸染的现象（图5a）。图 2铜川霸王庄地区长 7 油页岩中灰岩结核的宏观特征（a）地层中可见多个椭球形灰岩结核，油页岩绕过结核沉积；（b）结核长约85 cm，宽约45 cm，已脱离原始岩层；（c）结核长约95 cm，宽约55 cm；（d）结核长约110 cm，宽约50 cm，围岩为富有机质泥岩；（e）形态各异的小结核，长320 cm；（f）飞碟状结核长约120 cm，宽约80 cmFig.2Macroscopic features of Chang 7 limestone concretions of Bawangzhuang in the Tongchuan area(a)one of many ellipsoidal limestone concretions in the formation;oil shale surrounds the concretion;(b)concretion broken away from the original rock formation,measures about 85 cm45 cm;(c)concretion about 95 cm55 cm;(d)concretion about 110 cm50 cm surrounded by organic-rich mudstone;(e)concretions 3 cm to 20 cm long;(f)saucer-shaped concretion 120 cm80 cm图 3霸王庄地区“椭球形”结核横截面取样位置示意图Fig.3Sampling locations within crosssections of ellipsoidal concretions in Bawangzhuang area934第3期樊婷婷等：鄂尔多斯南缘长7油页岩中钙质结核成因探讨在结核中观察到一些微弱的起伏纹层，表明某种微生物的活动。具放射状结构的方解石次生球粒核部发现有生物化石碎片（图5c）。此外，在结核内（样品号为BWZ02）还发现一个长5 cm，宽3 cm，高2.5 cm的椭球形生物成因的豆粒。该豆粒显微镜下主要由两部分构成，一类分布较少，以纤维状、放射状的方解石集合体为主，含有黄褐色凝灰物质和一些生物化石碎片（图5d）；另一类为主体，由暗色泥质表1霸王庄地区长7油页岩中的结核全岩矿物X射线衍射分析（%）Table 1The features(%)of Xray diffraction of Chang 7 limestone concretions in Bawangzhuang area样品编号BWZ01BWZ02BWZ03BWZ04BWZ06BWZ07BWZ08BWZ09BWZ10矿物含量方解石85.177.359.671.486.492.390.486.691.6铁白云石00002.63.20.80.70.4文石4.33.632.123.100000石英4.510.24.22.68.52.54.57.43.9磷灰石0000003.100勃姆石00000002.81.8滑石0.700.600.5000.50黄铁矿4.45.93.52.92.02.01.22.02.3石膏1.000000000伊利