0 引言

鄂尔多斯盆地是华北古生代克拉通台地之上的中、新生代大型陆内叠合盆地^[1-3]，盆地内中生代地层记录完整，其中三叠系是重要的油气资源富集层系。前人对于该层系的研究主要集中在上三叠统延长组，而对下伏中三叠统纸坊组以往的研究认为是一套红色沉积，油气成藏条件较差，长期被油气勘探界所忽视，其主要的研究仅仅是围绕盆地周缘地表露头剖面进行了地层研究，涉及到盆地内部探井资料较少，研究程度总体较低。然而，近年来的野外资料显示，在渭北地区存在“黑纸坊”暗色泥岩，地表露头剖面也发现含油显示，勘探前景值得重新审视。同时，三叠纪是世界性的地质事件转换期，该时期扬子板块和华北板块拼接造山^[4]，秦岭洋逐渐消亡，沉积环境由海陆过渡相向陆相环境转变。因此，中三叠统纸坊组既是构造演化也是沉积环境变迁的关键层位。

但对于该层系的研究只是根据勘探需要进行了地层划分，对于其沉积格局及古地理面貌、特别是该时期内部沉积环境介质条件、古气候变化、湖盆水体分布范围以及沉积中心的位置尚缺乏相关研究，这些都是纸坊组沉积环境分析中存在的问题。沉积岩中的微量元素及其含量对沉积环境的水介质变化有着较高的敏感度，可以为古环境、古气候的变迁提供可靠信息^[5]。因此，在野外剖面观测及岩芯观察基础上，通过采集样品的微量元素地球化学指标在平面上的变化，结合沉积学标志及孢粉组合试图恢复盆地纸坊组古盐度、氧化还原条件、古水深及古气候特征，进而通过沉积环境的变迁分析沉积格局的演化。论文的开展对于鄂尔多斯盆地中生界沉积格局的恢复以及盆地油气远景勘探具有重要的理论及现实意义。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，盆地周边活动性较强，盆地内部则相对稳定。研究区位于盆地中部，横跨西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带及渭北隆起五个构造单元(图 1)。区域资料表明，华北板块从晚二叠世开始呈逆时针旋转，与扬子板块发生剪刀状自东向西拼合。勉略洋向北俯冲，鄂尔多斯盆地南缘处于板块汇聚背景下大活动大陆边缘构造环境，中三叠统纸坊组沉积期鄂尔多斯盆地受秦岭造山带演化的控制，盆地南部的挤压构造活动逐渐增强，直至晚三叠世延长组沉积期，南北秦岭之间残余洋全部闭合，盆地南部进入陆—陆碰撞的全面造山阶段^[6-7]。古地磁的研究表明，二叠系—三叠系末，鄂尔多斯盆地发生过40°左右的逆时针方向旋转，这种旋转与同期华北块体的旋转相协调；从二叠系初到三叠系末，古纬度从N16.3°变为N32.7°，华北块体(鄂尔多斯盆地)的逐渐北向运动的规律^[8]。古构造及古纬度变化规律成为古气候变化的主导因素，随着盆地南部构造活动的增强及华北板块整体的北移，纸坊组的气候逐渐由早期干旱向潮湿转变，盆地沉积面貌表现出古生物的繁茂，岩石颜色的由紫灰色、淡红色向灰绿色过渡等一系列的变化特征。根据野外露头剖面、钻井岩芯资料及其测井相资料分析认为纸坊组沉积期盆地内发育冲积扇、河流、湖泊三角洲、滨浅湖等沉积相类型，湖盆古地形平坦开阔，水体较浅，仅南部铜川、耀县局部地区存在相对洼陷，大型“汇水”湖泊尚未形成(图 1)。

2 地层和岩石

中三叠统纸坊组，由甘克文、姚长保命名，标准剖面位于铜川纸坊村附近。该组地层与下伏和尚沟组整合接触或平行不整合接触(图 2a，b)，与上覆与延长组在盆地边缘为角度不整合，在盆地内部渐变为平行不整合或连续沉积(图 2c，d)^①。地层分布具有北薄南厚的特征，大致以定边—靖边—子长一线为界，北部地层厚度稳定，一般200~300 m，以紫红色、紫灰色为主，南部地层厚度变化大，厚度一般400~800 m，在正宁—铜川一带地层厚度超过800 m，以灰绿色、暗灰色为主。按照沉积旋回和岩性组合，盆地内部纸坊组在垂向上分上下两个岩性段，下段表现为紫红色、灰紫色、深灰色粉砂质泥岩与紫灰色、淡红色、灰绿色、黄绿色细砂岩不等厚互层；上段表现为灰绿、黄绿色、棕红色中细砂岩与深灰色、灰黑色、紫红色粉砂质泥岩不等厚互层(图 2e，f)。纸坊组岩石类型多样，主要为陆源碎屑岩。其中，盆地北缘、西北缘及西缘以含砾粗砂岩及粗砂岩为主；盆地东部以中细砂岩为主，盆地南缘以细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩为主，岩石粒度整体呈现出北粗南细的特点。

① 史秉德.陕西的三叠系.陕西生地质矿产局区调队综合分队，1985：15-23.

3 样品采集与分析方法

论文研究所有样品均来自于鄂尔多斯盆地周缘11条野外剖面及7口盆地内部钻井岩芯，共采集样品21件，其中野外剖面样品13件，钻井岩芯样品8件，详细采样位置见图 1。取样过程中，尽量选择风化蚀变及成岩作用弱的新鲜样品，样品岩性为泥岩或粉砂质泥岩，在最大程度上减少或消除机械分异对沉积物成分的影响以及取样差异带来的倾向^[9]。地球化学分析样品的预处理是先将岩石样品用清水冲洗、烘干，用陶瓷研钵初步研磨后去除样品中的粗碎屑颗粒，再将其中的泥质岩用玛瑙研钵破碎，用标准分样筛过筛后保留小于200目的样品，送样至中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心采用ICP-MS质谱仪测试完成，测试分析结果见表 1。孢粉样品由中国地质科学院水文地质环境地质研究所分析完成，样品在实验室里经过酸、碱等化学处理，换水清洗到中性后，用比重为2.1以上的重液在离心机上进行离心浮选，再经冰乙酸水稀释、集中，纯净水清洗至中性后制到试管，最后制活动玻片在生物显微镜下进行观察、鉴定、统计。

4 讨论 4.1 古盐度

古盐度是古代沉积物中水体盐度的记录，可作为分析地质历史中沉积环境特征的一个重要信息。有关古盐度判别的方法众多，如应用古生物、常量同位素和微量元素地球化学方法定量划分水体盐度等^[10-13]。本次研究主要采用微量元素含量及比值对纸坊组沉积期湖盆古盐度进行分析。

4.1.1 微量元素含量

沉积盆地基本的地球化学环境，对元素的分布起主要的控制作用，并且表现出微量元素分布的规律性。其中，Li、Sr、Ni、Ga的元素含量对水体盐度的变化均有较好的指示作用，Li含量大于150 μg/g，Sr含量介于800~1 000 μg/g，Ni含量大于40 μg/g，Ga含量小于8 μg/g，指示盐水(海相)沉积环境，Li含量小于90 μg/g，Sr含量介于100~500 μg/g，Ni含量介于20~25 μg/g，Ga含量大于17 μg/g，指示淡水(陆相)沉积环境^[11]。对研究区21件岩石样品统计(表 1)，Li含量为7.58~54.87 μg/g，平均31.38 μg/g，所有值小于90 μg/g；Sr含量为72.33~390.34 μg/g，平均为209.79 μg/g，所有值均小于500 μg/g；Ni含量为6.93~60.51 μg/g，平均30.00 μg/g，仅个别值大于40 μg/g；Ga含量为7.46~28.23 μg/g，平均19.85 μg/g，仅个别值小于8 μg/g，通过Li、Sr、Ni、Ga含量判断盆地纸坊组总体属于淡水—微咸水沉积环境。

4.1.2 Sr/Ba比值法

锶钡比值作为沉积物沉积时水体盐度的一种常用的判定指标^[14-17]。通常锶比钡的溶解度更大，具体表现为锶的迁移能力要强于钡，随着水体盐度的增加，锶和钡逐渐从水体中以硫酸盐的形式析出，其中，BaSO₄优先析出，当盐度达到一定高值时，SrSO₄才析出。因此，陆相淡水环境下，锶和钡一般不发生沉淀，沉积物中锶钡比值很低；陆相淡水入海(湖)后，一部分钡优先析出，此时无锶元素析出，锶钡比值也很低；锶钡继续往深海(湖)方向(盐度逐渐增大)迁移时，钡由于持续沉淀，导致其含量逐渐降低，锶此时开始沉淀，沉积物中锶钡比值会发生明显的急剧增大的趋势，故以此来判断沉积环境的盐度是可行的。一般认为，Sr/Ba比值大于1.0为海相咸水，小于0.6为陆相淡水，水介于0.6~1之间为半咸水相^[18]。论文通过对研究区纸坊组21件样品进行微量元素分析表明，Sr/Ba值介于0.12~0.92，平均值为0.41，所测数据平均值小于0.6，仅个别数据大于0.6(表 1)，由此推断研究区纸坊组沉积期主要为陆相淡水环境，仅局部为半咸水环境。

4.2 氧化—还原条件

微量元素的比值可以有效的指示沉积环境的氧化—还原条件。本文主要通过U/Th比值及δU法，V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co法对研究区纸坊组氧化—还原条件进行判断。

4.2.1 U/Th比值法和δU法

铀、钍等放射性元素常常赋存于泥质岩中，近年来，国内外学者先后对自然伽马能谱测井方法恢复古环境进行了研究，并取得了一定的效果。铀元素性质活跃，容易被氧化和淋滤丢失，迁移能力往往较强；钍元素作为惰性元素，迁移能力较弱，通常吸附在细粒沉积物中。因此，可利用U/Th比值和δU法判断沉积环境的氧化—还原状态。氧化环境中U/Th比值较低，一般小于0.75，还原环境中U/Th＞1.25；δU法的关系为：δU=U/[0.5×(Th/3+U)]，正常水体环境中δU＜1，缺氧还原环境中，δU＞1^[19-22]。论文结合微量元素分析结果(表 1)，U/Th值介于0.09~0.38，比值均小于0.75，δU值介于0.43~1.07，平均值0.79，大部分值小于1，仅个别值大于1，根据判别指标，纸坊组沉积环境总体为氧化—弱还原环境。

4.2.2 V/(V+Ni)比值法、V/Cr比值法及Ni/Co比值法

V、Ni、Cr等微量元素主要被胶体质点或黏土等吸附沉淀，V在还原条件下易被吸附，Ni、Cr、Co在还原环境下易于富集，因此元素V/(V+Ni)、V/Cr及Ni/Co比值可指示沉积水体的氧化还原环境。前人研究表明：厌氧还原环境中，V/(V+Ni)＞0.84，介于0.84~0.89，V/Cr值及Ni/Co值分别大于4.25及7；水体分层不强的厌氧环境及亚还原环境中，V/(V+Ni)值介于0.60~0.84，V/Cr及Ni/Co分别在2.00~4.25及5~7之间；氧化环境中，V/(V+Ni)＜0.60，V/Cr及Ni/Co分别小于2.00及5^[23-27]。论文通过对21件样品微量元素结果分析结果(表 1)，V/(V+Ni)值为0.69~0.89，平均值0.78，比值小于0.84，V/Cr值0.87~5.57，平均值1.65，比值均小于2，Ni/Co值1.21~2.93，平均值2.13，比值均小于5，根据判别指标，指示研究区纸坊组沉积水体为分层不强的氧化—弱还原过渡环境。

4.3 古水深

古水深的恢复可以借助岩性、沉积构造、古生物资料综合判断。同时现代沉积物元素地球化学研究表明，由于元素在沉积作用中所发生的分异作用，使元素的聚集和分散与离岸距离有一定的关系^[28]，运用这一性质也可以判断古水深。

4.3.1 沉积学标志判断古水深

利用岩性、沉积构造、生物遗迹均可对古水深进行判断。沉积物的分布及岩性与古水深有一定的关系^[29]。一般而言，沉积水体由浅变深，沉积物中砂质含量会逐渐减少而黏土质含量会随之增加。沉积构造是反映水体深度及动力学的良好标志^[30]，浅水地区层理类型多样，大型交错层理、波痕及冲刷侵蚀现象常见，若沉积物暴露地表，干裂、雨痕、细流痕等是常见的层面构造；深水—较深水区主要形成微细水平层理，连续韵律发育；在缺少遗体化石的沉积环境中，可采用遗迹化石，如潜穴、足迹、爬痕和其他生物扰动构造确定相对古水深，在湖滨近陆一侧的外滨湖区，潜水面变动较大，生物潜穴也随之发生变化；当潜水面下降时，生物潜穴形态由近水平状。研究区纸坊组岩性以淡红色—灰绿色砂岩砂岩、紫红色—深灰色粉砂岩为主，大型交错层理及波痕发育，常见芦木化石、植物化石茎杆及垂直生物虫孔(图 3)，这些沉积学特征反映出纸坊组以氧化—弱还原的浅水环境为主，大部分地区水深应小于25 m。

4.3.2 钴元素含量分析古水深

利用钴元素含量可以定量计算出纸坊组沉积期古水深，此方法主要通过测定沉积岩样品中钴(Co)元素的含量来推算当时岩石的沉积速率，进而计算样品沉积时的古水体深度^[31-32]，具体计算公式如下：

式中，V_s为某样品沉积时的沉积速率；V₀为当时正常湖泊沉积速率(0.2~0.4 mm/a)^[33]；N_Co为正常湖泊沉积物中的钴的丰度(20 μg/g)；S_Co为样品中钴的丰度(μg/g)；t为物源钴(Co)对样品的贡献值；S_La为样品中镧的丰度(μg/g)；N_La为陆源碎屑岩中镧的平均丰度(38.99 μg/g)；T_Co为陆源碎屑岩中钴的丰度(4.68 μg/g)；h为古水深(m)。

泥岩的沉积能较好反映沉积环境的古水体深度，相带不同沉积物的沉积速率不同^[33]。本文以滨浅湖沉积速率0.2 mm/a，三角洲前缘0.3 mm/a，河流沉积速率0.4 mm/a来计算纸坊组沉积古水深。通过对研究区21个泥岩及粉砂质泥岩样品进行微量元素含量测定，并将测得的钴(Co)元素和镧(La)元素含量带入上述公式进行纸坊组古水深定量计算(表 2)。计算结果表明，研究区纸坊组古水深在5.19~105.28 m，平均水深为29.64 m，研究区北部水体深度较浅，一般小于25 m；南部水体较深，通常大于40 m。Z78-Z34井附近沉积粒度最细，水体较深，平均深度大于60 m，研究区纸坊组古地形平坦开阔，湖盆总体分布局限，水体较浅，仅南部正宁、铜川局部地区存在相对洼陷，深度可大于60 m，且主要分布在盆地南部，大型汇水湖泊尚未形成。

4.4 古气候

古气候研究可以依据沉积岩中所存在的某些具有特征的岩石和标志，及其所含古生物化石来进行，也可采用古地磁学和碳氧同位素等地质学方法^[11-12]。本次研究主要采用微量元素比值法、孢粉分析、钙质结合成因分析等方法综合判断纸坊组沉积期古气候特征。

4.4.1 Sr/Cu比值法

沉积物中微量元素受古沉积气候影响，不同的元素在特定的环境下可以保存下来，其中：喜湿型元素为：Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th；喜干型元素为：Sr、Pb、Au、As、Ca、Na、Ta、U、Zn、Mg、Mo、B。喜干型元素(Sr)与喜湿型元素(Cu)的比值可以反映古气候，Sr/Cu＜10指示温湿气候，Sr/Cu＞10指示干热气候^[34]。研究区21个泥岩及粉砂质泥岩样品Sr/Cu比值为0.85~16.7之间，平均值5.8，结果显示大部分小于10，仅个别值大于10(表 1)，反映出纸坊组沉积期，古气候已由和尚沟期干热气候趋于温暖气候。

4.4.2 孢粉分析反映出的古气候特征

孢粉分析是古气候与古环境恢复方法之一。孢粉组合反映了植物群落的面貌，而植物的生长、发育、繁盛、衰落都和一定的气候环境有着密切的关系，因此对化石孢粉可能母体植物及其生长环境的分析研究可推测当时的古植被和古气候^[35-36]。本次研究主要是选取鄂尔多斯盆地纸坊组2条剖面共7件泥岩样品在中国地质科学院水文地质环境地质研究所进行孢粉分析。共统计陆生植物花粉1 865粒，孢粉总浓度平均为111粒/克，共发现并鉴定了40个科属的植物花粉。其中包括15个科属的乔木植物花粉，3个科属的灌木植物花粉，18个科属的草本植物花粉，4个科属的蕨类孢子。孢粉组合中乔木植物花粉占据优势，草本植物花粉次之，灌木花粉和蕨类孢子零星出现(图 4)。从数据分析推测中三叠统纸坊组沉积期，研究区高山区分布着松属、云杉属为主的针叶林，林下生长着海金沙等蕨类植物；低山区附近分布着栎属、榆属、桦属等阔叶林；平原区草本植物覆盖率较低，以禾本科、茄科、蒿属等草本植物为主，表现出温暖湿润特征。纸坊组古气候特征与三叠系构造环境演化具有很好的一致性，表明该时期古气候已由和尚沟组干热气候转为暖湿气候。

5 结论

通过纸坊组泥岩和粉砂质泥岩样品的微量元素测定，结合沉积学标志及孢粉分析，讨论了古盐度、氧化还原条件、古水深、古气候条件的发育特征，并得出以下结论：

(1) 利用微量元素含量及比值对纸坊组沉积期湖盆古盐度、氧化—还原条件进行分析，结果显示纸坊组水体总体为淡水—微咸水，属于水体分层不强的氧化—弱还原过渡环境。

(2) 通过沉积学标志及Co元素定量计算，显示纸坊组古水体深度介于5.19~105.28 m，平均水深为29.64 m，研究区湖盆总体分布局限，且主要分布在盆地南部，大型汇水湖泊尚未形成。

(3) 利用微量元素比值Sr/Cu值结合孢粉分析，综合判断纸坊组沉积期古气候已由和尚沟组干热气候转为温湿气候。