Depositional Background and Evolution of Late Carboniferous-Middle Permian, Northwestern Margin of the Ordos Basin, China

鄂尔多斯盆地位于中国大陆中北部地区,是我国中部最大的含油气盆地,具有较大的勘探难度^[1]。随着盆地油气勘探步伐不断加快,盆地西缘上古生界地层凭借其油气资源丰富、勘探潜力巨大的特点逐渐成为油气勘探的热点,研究其构造—古地理格局及沉积背景具有重要意义^[2]。前人研究认为,鄂尔多斯盆地在晚石炭世—中二叠世接受南、北两向供源,其中北部物源来自阿拉善—阴山古陆,南部物源来自秦岭—祁连造山带,但对于北部阿拉善—阴山古陆共同供砂的西北缘,其不同时期的源区背景演化和差异缺乏系统研究^[3⁃5]。鄂尔多斯盆地西北缘位于华北板块中部,在大地构造位置上属于阿拉善地块和鄂尔多斯地块的交汇区,在晚石炭世—中二叠世经历了海西构造运动,受贺兰拗拉槽复活—关闭和全盆地广泛的海侵—海退旋回影响,沉积环境经历了由海向陆的沧桑巨变,构造背景活动复杂,沉积体系配置多样^[6⁃9]。众多学者认为,晚石炭世鄂尔多斯盆地整体发生沉降,阿拉善地块和阴山古陆已经为盆地提供物源供给^[3,5⁃7]。前人对鄂尔多斯盆地西北缘晚古生代沉积充填过程及岩相古地理特征开展过诸多研究^[10⁃18],不同时期沉积体系时空配置差异明显,认为山西组、石盒子组沉积期普遍发育冲积扇—河流沉积体系,而羊虎沟组、太原组沉积期的沉积环境与古地理格局尚有诸多争议^[10⁃13,18]。不同学者利用地化数据对盆地西北缘羊虎沟组、太原组开展构造指示意义的研究^[14⁃17],认为鄂尔多斯盆地西缘整体为大陆边缘型构造背景,沉积物源主要来自上地壳长英质源区。对沉积环境的研究则主要局限于羊虎沟组与太原组,同时样品分布也主要来自个别剖面^[15⁃16],针对整个晚古生代沉积背景特征、演化及其约束下的古地理重建等方面尚缺乏系统研究。

本文以鄂尔多斯盆地西北缘晚古生代地层为研究对象,结合大量剖面及钻井样品分析,通过相关样品主微量、稀土元素结果,重塑盆地晚石炭世—中二叠世西北缘沉积背景,对比不同时期沉积环境差异,并判别各时期母岩特征和大地构造背景,以期揭示其在整个晚古生代的演化过程,对研究区古地理重建提供参考。

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部,覆于华北板块古老基底之上^[19]。研究区北起内蒙古乌海,南至小洪沟—土坡一带,西始Ac1井—中卫,东达鄂托克前旗（图1a）^[20],处于阿拉善地块、华北陆块和阴山造山带交互作用地区,构造环境复杂（图1b）。晚古生代鄂尔多斯地区作为华北地台的一部分,构造演化和沉积充填受控于周缘造山带和洋盆的演化^[21]。中新元古代的晋宁运动后,鄂尔多斯盆地进入稳定抬升阶段,内部形成坳陷,整体地形北高南低。进入晚古生代,位于华北陆块北缘的古亚洲洋开始向南俯冲,南缘的商丹洋俯冲完毕后,勉略洋也开始向南秦岭板块下的俯冲运动,在南北两侧古洋的共同作用下,盆地整体被抬升为陆地,结束了海相沉积的历史,开始逐步向陆相沉积过渡,到早二叠世晚期,盆地进入陆相沉积阶段^[22]。

Figure 1.  Tectonic map of the northwestern margin of the Ordos Basin and its lithology column diagram

晚泥盆世以前,阿拉善地块属于不同于华北克拉通的独立的变质地块。在海西运动的影响下,贺兰拗拉槽再度复活,阿拉善、阴山古陆持续向盆地提供物源,鄂尔多斯盆地开始接受沉积。晚石炭世本溪组沉积期,华北台地逐渐发生缓慢沉降,贺兰拗拉槽的发展进入新的演化阶段,盆地内部发育中央古隆起,形成华北海、祁连海两个海盆^[23]。早二叠世太原组沉积期,随着盆地持续性沉降,海水自东西两侧侵入,华北海海侵范围达到最大,东西海域在研究区鄂托克旗一带首次贯通^[24]。早二叠世山西组沉积期为陆表海背景下的海陆过渡沉积演化阶段,盆地周边海槽停止拉张,进入消减期,南北两侧大洋相向俯冲,华北台地抬升,形成了北隆南倾的区域构造体制,海水从盆地内开始迅速退出^[5]。中二叠世下石盒子组沉积期,盆地北部构造活动加强,使得古陆进一步抬升,物源供给增强,整体表现为强物源供给条件下的富砂沉积体系,区域构造环境与古地理格局发生显著变化^[25]。阿拉善地块北部地区晚古生代发育大量花岗岩,多数学者认为其形成与古亚洲洋的俯冲闭合相关,与阴山地块西部在2.0 Ga（中元古代）开始拼合,最终在1.9 Ga（早元古代）与华北克拉通拼接^[20,26]。

研究区地层由下而上依次为：石炭系羊虎沟组、二叠系太原组、山西组和石盒子组（图1c、图2）。羊虎沟组自上而下呈现为滨岸平原—三角洲前缘—滨岸平原的沉积序列,下段沉积中粗粒砂岩,含砾石,上段下部发育多套灰岩,含大量生物化石,上段上部发育大量泥岩,可见浪成砂纹,地层厚度变化较大,介于0~1 300 m^[7,28⁃29]；太原组主要为灰黑色泥岩,灰色细砂岩和灰色泥质粉砂岩、含有煤层,发育海陆过渡相的障壁海岸—潟湖沉积,该沉积期也是西缘地区重要的聚煤期,其地层厚度主要介于50~160 m,乌达—呼鲁斯太一带厚度超过350 m^[30]；山西组主要由灰色、深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩组成,泥炭沼泽微相中发育煤层,盆地西部和东部发育浅湖沉积,其中砂岩稳定性差,富含白云母片和碳屑,层内盛产植物化石,地层厚度一般介于50~130 m^[31]；石盒子组沉积时期为“强物源供给下特色的浅水缓坡辫状河三角洲”沉积,其亚相类型有辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘,同期盆地仍有间歇性局部海侵^[32]。下部为灰黄色、黄绿色、中、上部为紫红色和黄绿色交互的砂、泥岩组成,该组底部“骆驼脖子砂岩”与下伏山西组分界,地层厚度多介于80~110 m^[33]。

Figure 2.  Stratigraphic map of the study area and its surrounding

沉积岩中微量元素的迁移富集规律主要受其自身物理化学性质、形成环境以及风化作用过程等因素的控制,其含量对沉积环境变化有着较高的敏感度,可以作为沉积背景识别的重要指标,为古环境恢复及沉积物源和大地构造背景的变迁提供可靠依据^[34⁃35]。

本次研究的样品采自鄂尔多斯盆地西缘4条剖面和43个钻井岩心,样品采样点覆盖整个研究区、包含各个研究时期对应的地层,采样过程中,优先选择风化蚀变和成岩作用弱的样品,共采集样品153件,样品处理过程可靠,对于研究该地区晚石炭世—中二叠世的沉积演化具有一定的代表性。对样品中Rb,Zr,Sr,Cu等11种微量元素和La,Ce,Pr,Nd等14种稀土元素进行了分析测试,具体测试方法为：用清水将岩石样品冲洗干净、自然烘干,用玛瑙钵初步研磨以去除岩样中的粗碎屑颗粒,过200目标准分样筛,保留200目以下的样品,以进行预处理。之后样品送至四川省科源工程技术测试中心采用ICP-MS质谱仪进行测试。在洁净、湿度35%~50%和温度18 ℃~25 ℃的室内,将样品水溶液引入氩气流中,进入氩离子体中心区解离和电离,在真空系统内,通过高速扫描离子,其浓度可精确到ng/L。针对样品中出现的K₂O,Na₂O和SiO₂等10种主量元素,使用X射线荧光光谱仪（XRF）进行分析测,其测试方法具体为：称取约1.2 g标准样品（或标准物质）及待测样品分别置于热重分析仪中,1 000 ℃下灼烧至少20 min直至样品质量恒重,重复以上操作2次,计算其灼烧减量,向铂—金坩埚中依次称取经1 000 ℃灼烧恒重后的样品0.6 g、四硼酸锂—偏硼酸锂混合熔剂6.0 g和碘化铵0.5 g,混匀后在1 150 ℃的自动熔融炉中熔融30 min,待冷却后取出脱模,制备成玻璃样片,并在仪器工作条件下测量谱线,标峰,加亮；然后分别进行信号强度及含量计算,得到初始曲线方程；最后进行基体效应校正并建立工作曲线,将玻璃样片置于单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪中测定。将各成分的检测值进行灼烧减量的修正后,得到最终成分含量。

在砂岩中石英颗粒、长石碎屑及不稳定的岩屑存在着此消彼长的关系,表明它们的主量元素间也存在一定关系,根据砂岩中碎屑组分的成分和含量可以较为准确地反映物源特征^[36⁃37]。细粒碎屑沉积岩中的微量元素性质主要受到物源区母岩性质和构造背景的影响,有些元素对沉积环境的变化很敏感,其分配和比例可以反映沉积期的古水深、古盐度和氧化还原条件等,对于沉积环境的恢复具有较高的分辨率和准确性^[34]。

锆（Zr）是一种典型的亲陆性元素,在化学风化中非常稳定,主要以锆石等重矿物形式沉积、以碎屑矿物形式搬运,离陆源区越远,岩石中含量越低,故常沉积于浅水区域。铷（Rb）是一种碱金属元素,化学性质活泼,主要赋存在黏土矿物、云母等细粒沉积物中,易于迁移,常沉积于水体较深的低能环境。因此,Rb/Zr比值可以反映水体深度的变化,Rb/Zr比值越高说明水体越深,水动力越弱,反之亦然^[38]。据研究区古水深恢复图（图3）,羊虎沟组Rb/Zr比值主体介于0.22~0.54,比值结果最低；太原组Rb/Zr比值介于0.36~0.79,山西组Rb/Zr比值介于0.40~0.87,石盒子组Rb/Zr比值介于0.48~0.82,太原组至石盒子组样品点结果比值接近,仅略有波动。此外,各组样品中均有少量比值很高的异常值,表明在该时期研究区内存在水深极深的区域。以上数据反映了研究区在羊虎沟组沉积期水体最浅,水动力强,其原因是羊虎沟组地貌差异明显,地层厚度变化大,介于0~1 300 m^[7],但研究区大部分为相对浅水区域；太原组—石盒子组水体深度总体上接近,其中山西组水体最深,石盒子组相对最浅。

Figure 3.  Graphs of paleocurrent restoration in the study area

陆相沉积物中,气候变化敏感元素Sr（喜干型元素）、Cu（喜湿型元素）可以在干旱炎热的特定环境条件下保存、迁移,Cu难以迁移到湖中,其含量显示为低值,而Sr得可以较好地保存,故Sr/Cu值（图4a,c）可以指示古气候的变化。通常在温湿气候下1<Sr/Cu<10,Sr/Cu>10则表示干旱气候^[39]。羊虎沟组Sr/Cu值介于3.53~5.35,平均为4.53；太原组Sr/Cu值介于3.91~6.27,平均为4.82；山西组Sr/Cu值介于3.72~8.23,平均为7.79；石盒子组Sr/Cu值介于4.18~7.21,平均为6.39,各组Sr/Cu值均介于1~10,指示温暖、湿润气候。羊虎沟组和太原组Sr/Cu值略有增加,总体一致；山西组Sr/Cu值达到最大,指示气候相对最为炎热,到石盒子组Sr/Cu值略有降低。

Figure 4.  Comprehensive analysis graphs of paleoclimate in the study area

气候可以影响母岩风化作用强弱、沉积物的搬运和组成等,化学蚀变指数（CIA）常被用来反映古气候条件,其计算方程为：CIA=[Al₂O₃/（Al₂O₃+CaO+Na₂O+K₂O）]×100^[40⁃41]。化学蚀变指数CIA值越大,物源区岩石遭受的化学蚀变越强烈,而强的化学蚀变通常指示温暖湿润的气候条件^[39]。研究区各时期样品均落在强风化区域,表明研究区晚石炭世—中二叠世地层经历了强烈的化学风化,指示温暖的气候条件；太原组、山西组样品点在图上更集中,表示气候稳定,而羊虎沟组、石盒子组样品点落点分散,表示在该时期内气候波动较大。

通过对研究区泥岩样品CIA-ICV图解及比值结果箱线图（图4b,d）分析,认为研究区沉积物经历了沉积再循环作用,且源区构造环境稳定。除太原组样品点更多集中在中等风化区域外,其余各组均更多位于强风化区域,各时期分区分带差异明显。ICV值在羊虎沟组—石盒子组沉积期,随时间逐渐降低,在羊虎沟组、太原组沉积期时,其ICV值分布在成熟和不成熟的区域之间,到山西组、石盒子组,仅有极少样品点位于不成熟的区域,大多数在0.5以下,表明随着时间的推移,研究区内细碎屑黏土成分逐渐增加,成熟度逐渐升高^[42],与此同时,CIA值也随时间逐渐变高,指示风化作用由弱向强转变,两者结果得以相互印证。

研究区羊虎沟组和石盒子组样品点绝大多数落在CIA值介于65~85的区域,反映温暖湿润气候下中等的化学风化,太原组、山西组样品点CIA值则集中分布在85~100,反映炎热和潮湿气候条件下强烈的化学风化^[43]。综合认为,研究区从羊虎沟组沉积期开始,气温逐渐上升,并在山西组沉积期升至最高,石盒子组沉积期与山西组相比气温有所降低。

古盐度是沉积物中古水盐度的记录,是反映地质历史时期海陆变迁的重要参数。古盐度的恢复对于研究沉积期古环境、区分海相与陆相环境具有重要意义。与Sr元素相比,Ba在水中迁移能力较弱。当水体盐度增加时,Ba²⁺优先于Sr²⁺与SO₄^2-结合形成BaSO₄沉淀,此时,水中残余Sr元素逐渐富集,当盐度继续增加到一定程度时,BaSO₄逐渐递增沉淀,而且随时间递增沉淀的量逐渐增加,因此Sr/Ba比值（图5a,c）可作为古盐度识别的敏感标志^[44]。Sr/Ba>1表示海相咸水,1~0.6表示淡水—咸水的过渡相,0.6~0.3表示咸水—淡水的过渡相,Sr/Ba<0.3表示陆相淡水^[34,44]。羊虎沟组样品Sr/Ba比值主体介于0.22~0.37,平均为0.29,太原组介于0.26~0.44,平均为0.36,山西组平均为0.33,介于0.28~0.38区间,石盒子组介于0.26~0.34,平均为0.31。在海相咸水的区域内（Sr/Ba>1）,仅有少量山西组的样品点,在淡水—咸水过渡相中（0.6<Sr/Ba<1）,除石盒子组,其余各组均有发现。根据投点范围分布,羊虎沟组样品点主体位于指示咸水为主的过渡环境区域,少部分指示为陆相淡水；太原组样品与羊虎沟组相比,盐度有所升高,显示为咸水为主的海陆过渡环境；山西组样品点在各个区域内均有分布,但主体指示为淡水为主的过渡环境；石盒子组与山西组相比,盐度有所降低,仍为淡水为主的过渡环境。

Figure 5.  Comprehensive analysis graphs of paleosalinity in the study area

古盐度记录了原始沉积物中水体盐度的变化情况,在风化作用过程中,Th元素易被黏土矿物吸附而保留,U元素随着风化过程易流失,Th/U值（图5b,d）可作为判别海陆相沉积的一个指标：Th/U含量比值小于2为海相环境,2~7为过渡相半咸水环境,大于7为陆相淡水环境^[45]。羊虎沟组Th/U比值介于2.55~4.09,平均为3.16,太原组介于4.08~4.74,平均为4.19,山西组介于2.68~3.89,平均为3.40,石盒子组介于2.40~4.03,平均为3.31。根据投点范围分布,各期主体均落在过渡相半咸水环境（Th/U值介于2~7）,在Th/U值>7和Th/U值<2的区域中,除太原组其余各组均有少量样品点出现；太原组样品点则集中落于Th/U比值斜率较高的区域,Th/U值最高,指示在研究时期内,太原组沉积期古盐度最高。从太原组到石盒子组沉积期,指示古盐度的Sr/Ba与Th/U比值具有明显降低的变化趋势,表明研究区受海水影响的规模与范围愈来愈弱。

综上所述,该区域晚石炭世—中二叠世为海陆过渡环境。羊虎沟组、太原组为淡水—咸水的过渡环境,山西组、石盒子组为咸水—淡水的过渡相。太原组沉积期水体盐度与羊虎沟组相比,盐度有所增加,而太原组气候温暖湿润,说明太原组水体古盐度的增大是受到了强烈的海水作用,而非湖水咸化的结果,证明太原组沉积时期,祁连海域同样表现为大规模的海侵；山西组、石盒子组样品则多集中在Sr/Ba为0.3的区域附近,研究区表现为以淡水为主的过渡环境,与羊虎沟组和太原组相比,水体盐度降低,并逐渐向淡水演变。

Ni/Co和V/（V+Ni）比值等被广泛用于判断沉积水体的氧化还原环境^[43]。由研究区氧化还原环境综合分析图（图6）可知,羊虎沟组、太原组沉积期样品集中均落于Ni/Co比值指示还原环境的区域,山西组、石盒子组沉积期样品指示为氧化环境；V/（V+Ni）二元图解投点结果与Ni/Co比值图投点结果相近,羊虎沟组、太原组沉积期样品主体仍表现为还原环境,少量样品点落于介于还原—氧化环境的区域,有相当数量山西组样品点在氧化—环境性质之间,其余则指示为氧化环境,石盒子组样品除2个落于V/（V+Ni）=5的直线上,其余均指示氧化环境。

Figure 6.  Comprehensive analysis diagrams of redox environment in the study area

由此得出,羊虎沟组、太原组沉积期主要为水体安静的还原环境,山西组、石盒子组沉积期为水体动荡的氧化环境。

鄂尔多斯盆地在晚石炭世—中二叠世接受南、北两向供源,研究区物源主要来自阿拉善和阴山古陆^[3,5],阿拉善地块基底由新太古代迭布斯格岩群下部依肯乌苏岩组（2 700 Ma）和古元古代的巴彦乌拉山岩群（2 500~2 264 Ma）组成,并经历了早古生代（480~446 Ma）和晚古生代（281~266 Ma）两次构造热事件^[46]。近“阴山古陆”并非是古老隆升的古陆,它是在晚石炭世华北板块北部陆缘向西伯利亚板块南缘南蒙微陆块俯冲碰撞的挤压构造背景中发生拱起隆升,成为华北北缘晚古生代盆地的物源,后发展成为现今古老变质结晶基底岩系广泛剥露的隆起带^[47]。鄂尔多斯盆地西北缘晚古生代地层沉积厚度大,但早古生代末期的加里东运动使得鄂尔多斯盆地整体抬升剥蚀,导致缺失了志留纪—早石炭世之间的沉积记录,晚石炭世—二叠纪地层广泛分布。贺兰山地区零星出露晚石炭世—二叠纪地层,主要分布在中北部,牛首山—大罗山以东地区^[48⁃51]。

不活泼元素La、Th、Hf等不因搬运和成岩作用而改变,因此可以利用La/Th-Hf判别图解（图7a）分析沉积物的物质来源^[34]。利用La/Yb-∑REE判别图可以直观地判别沉积物岩石大类的成因特征。

Figure 7.  Comprehensive analysis graphs of parent rock lithology in the study area

在La/Th-Hf二元图解中,羊虎沟组表现为较低的La/Th比值,物源主要为古老沉积物和长英质源；太原组与羊虎沟组相似,表现为La和Th的低比值,但古老沉积物有所减少,以长英质源为主；山西组样品点La/Th比值波动范围大,主要落在长英质源附近,也有少量样品点显示为被动边缘源、混合长英质/基性源和安山弧源；石盒子组样品点主要落于长英质源区域。La/Yb-∑REE图解（图7b）显示,羊虎沟组—山西组沉积期沉积物母岩岩性主要为花岗岩和碱性玄武岩,以及少量钙质泥岩,表明该时期物源的复杂性；到石盒子组沉积期,母岩岩性趋于稳定为花岗岩和碱性玄武岩。

在Roser et al.^[41]提出的（K₂O/Na₂O）/SiO₂构造环境判别图（图8a）中,羊虎沟组样品点多落于被动大陆边缘区域,少量落入主动大陆边缘和岛弧区域；太原组样品点显示为主动大陆边缘和被动大陆边缘,推测与古亚洲洋洋盆闭合有关,在其自西向东闭合过程中研究区西部样品点多指示为主动大陆边缘,而东部样品点仍为被动大陆边缘性质；山西组样品点集中分布在主动大陆边缘,部分样品点落入被动大陆边缘区域,少数样品点显示为岛弧；石盒子组数据点以主动大陆边缘和大陆岛弧为主。

Figure 8.  Comprehensive analysis graphs of the tectonic settings in the study area

La-Th-Sc三角判别图解（图8b）中,各组样品点均集中落入主动大陆边缘—被动大陆边缘区域,羊虎沟组、太原组、山西组少量样品点落入大陆岛弧区域；在Th-Co-Zr/10三角判别图解（图8c）中,羊虎沟组样品点投点结果显示为被动大陆边缘,太原组样品点多落入大陆岛弧区域,山西组、石盒子组样品点集中落入主动大陆边缘区域；Th-Sc-Zr/10三角判别图解（图8d）中,羊虎沟组样品点多落入主动大陆边缘区域,太原组样品投点结果显示被动大陆边缘,山西组、石盒子组样品投点结果显示为主动大陆边缘。

综合以上大地构造背景分析结果,羊虎沟组物源区构造背景为被动大陆边缘,太原组以主动大陆边缘—被动大陆边缘性质为主,兼具大陆岛弧,山西组沉积期以主动大陆边缘性质为主,兼有大陆岛弧,石盒子组沉积期为主动大陆边缘—大陆岛弧性质。

沉积环境演变是古地理格局差异的直观反映,对古地理重建具有重要意义^[24]。基于多种沉积环境指标及恢复结果,并结合研究区野外露头剖面发育分布情况与不同时期物源对其影响差异,选取地层发育相对连续、齐全,岩性组合多样的呼鲁斯太、小洪沟和下河沿剖面（图9~11,剖面平面位置见图1b）,综合探讨研究区晚石炭世—中二叠世的沉积环境演化及其对古地理重建的约束（图9~12）。

Figure 9.  Comprehensive column diagram of lithology in Xiaohonggou section

Figure 10.  Comprehensive column diagram of lithology in Xiaheyan section

Figure 11.  Comprehensive column diagram of lithology in Hulusitai section

Figure 12.  Sedimentary facies maps from Yanghugou Formation to Shihezi Formation in the study area

华北板块石炭纪—二叠纪相对海平面升降幅度在0~40 m快速变化,羊虎沟组和太原组中发育数个可以作为海侵沉积记录的灰岩层,记录了这一时期的海侵活动,而大规模海侵期则主要集中在太原组、山西组^[52]。实验结果表明（图3）,研究区在羊虎沟组沉积期水体较浅,受逐渐上升的海平面影响,可容纳空间增大,而该时期物源供给有限,研究区北部发育朵体较小的河控三角洲^[53],其底部普遍发育一套灰白色含砾石英砂岩,岩性总体为砂岩、灰黑色、褐灰色泥岩及炭质泥岩,夹煤层及生物碎屑灰岩,可见板状交错层理、冲洗交错层理（图9c、图10c,d）,呼鲁斯太剖面羊虎沟组见潮汐水道与砂坝（图11e,f）；海平面在太原组沉积期有所升高,可容纳空间增加并发生大规模海侵活动,海洋范围升至最大,水体深度较深,仅次于山西组,薄片中可见反映静水条件下的云母碎片（图12d）,河控三角洲砂体较羊虎沟沉积期小面积增加,发育灰白色细砂岩、灰—灰黑色泥岩、炭质泥岩、煤层（7#煤、6#煤）夹生物碎屑灰岩,呼鲁斯太剖面在该期发育潮控三角洲,见羽状交错层理、砂纹层理（图11d）,受波浪的反复淘洗,太原组薄片碎屑成分主要由石英和石英岩屑组成（图13c,d）,下河沿剖面太原组见大量生物,发现保存良好的遗迹化石（图10b）；山西组沉积期,在充足的物源供给下,山西组在研究区广泛发育,沉积厚度稳定,发育灰色—灰黑色粉砂岩、泥岩夹煤层、煤线组合（图11c）,三角洲前缘继续向前延伸；石盒子组沉积期古水深变浅,可容纳空间下降,演变为辫状河三角洲沉积,岩性主要为黄绿色、灰白色砂岩与棕红—紫红色、黄绿色粉砂质泥岩及泥岩组成,其总体色调为红色与黄绿色相间,呼鲁斯太剖面石盒子组底见冲刷面,发育大量砾岩、含砾砂岩,见分流河道（图11a,b）,依据古水流数据,判断砂体持续沿东南方向推进。在前人研究基础上,结合实验数据结果与野外剖面实测资料绘制鄂尔多斯盆地西北缘羊虎沟组至石盒子组沉积相图（图12）^[7,9,13]。

Figure 13.  Microscopic characteristics of detrital sandstone components, Yanghugou Formation to Shihezi Formation, in the study area

石炭纪华北地区总体呈现出海陆交互沉积,气候为亚热带—温带气候,羊虎沟组、太原组沉积期气候总体温暖湿润,地球表面到处长满了高大的绿色植物,尤其在湖沼、盆地等低洼地带里,古代蕨类植物尤为茂盛,使得羊虎沟组和太原组沉积期成为研究区主要的成煤期和烃源岩发育期^[35,37]；山西组和石盒子组沉积期,研究区气候呈现出季节性干热的特征,由于气候的转变,使一些植物属种灭绝,银杏和松柏等耐旱植物占据了更有竞争力的生态位,不利于煤层的发育^[52⁃53]。羊虎沟组、太原组沉积期由于植物茂盛,植被覆盖度高,减少了降雨对地面的侵蚀能力,同时繁茂的根系也可以固结土地,导致输沙量较低；山西组、石盒子组沉积期气候较之前变热,同时耐旱植物的出现也使得土地相对贫瘠,对雨水的抗侵蚀能力下降,水土流失加剧,输沙量增加^[54]。

古盐度的变化与海侵活动息息相关,展示出与古水深变化相似的特征。羊虎沟组、太原组沉积期总体以海相沉积为主；山西组、下石盒子组沉积期为咸水—淡水的过渡相,受海陆过渡相和海相环境共同影响。鄂尔多斯盆地东南部钻井样品盒8段样品（Th/U比值介于4.36~4.74,平均为4.60）与研究区石盒子组样品（2.40~4.03,平均为3.31）均指示过渡相半咸水环境^[55],表明石盒子组沉积早期盆地仍为微咸水—半咸水的近海湖盆环境,晚期海水的完全退出,进入陆相演化阶段；盆地东南部样品古盐度明显更高,造成这种同期盆地不同方位样品古盐度之间的差异与海退的持续时间和方向有关,推测盆地西北部海水退出时间较东部更早。

羊虎沟组沉积期在研究区南部障壁沙坝广泛发育,古隆起之上潮坪—潟湖沉积大面积连片分布,大石头井沟、吴忠一带水深极深,水体相对闭塞^[7],在Ni-Co二元图解（图6b）中,该组有少量样品点位于氧化环境,推测是北部发育的敞流沉积环境表现为氧化环境所导致,该组泥岩普遍为灰黑色、褐灰色；太原组沉积期内祁连海域海侵海退活动频繁,潮坪、潟湖广泛发育,表现为还原性环境,该组泥岩通常为灰—灰黑色；山西组、石盒子组沉积期,研究区北部分流河道纵横交错,水体中含氧量大幅增加,沉积环境表现为氧化环境,山西组泥岩颜色与太原组相近,石盒子组可见棕红—紫红色、黄绿色粉砂质泥岩及泥岩。在呼鲁斯太剖面岩性综合柱状图中（图11）,也可看出石盒子组与其他各组相比,泥岩厚度显著变薄,进一步验证了实验的准确性。

羊虎沟组沉积时期,鄂尔多斯盆地西北缘主要是北东—南西方向供源,砂体主要来自北部的阴山古陆、西北缘的阿拉善古陆,根据母岩岩性综合分析图（图7）,该时期主要是古老沉积物和长英质源,具体表现为花岗岩、碱性玄武岩和少量钙质泥岩,薄片中可见大量石英、石英岩屑和长石等,与其母岩机械破碎的产物相对应（图13a,b）,由于母岩岩性以古老沉积物为主,导致输砂效率相对较低,形成的砂体规模较小；太原组沉积期物源以长英质源为主,古老沉积物成分与羊虎沟组比有所减少,薄片中也表现为以石英、石英岩屑为主,长石成分降低（图13c,d）,来自东北方向的阴山古陆在靠近大陆边缘一侧,形成了一套陆缘弧岩浆岩^[56],岩浆岩比变质岩和沉积岩更易于风化、输砂效率高,该期研究区整体构造活动微弱,由于母岩岩性的转变使得砂体规模与羊虎沟组沉积期相比小幅增加；山西组沉积期物源以长英质源和古老沉积物为主,母岩岩性具有多样性,花岗岩、碱性玄武岩和钙质泥岩均有分布,WC1井山西组砂岩薄片中碎屑组分由石英、石英岩屑和云母等组成（图13e）,同时期HT1井砂岩薄片中含少量炭化植物碎屑（图13f）；石盒子组沉积期,物源来自中古老沉积物成分明显降低,母岩岩性转变为花岗岩和碱性玄武岩,S259井石盒子组砂岩薄片中碎屑成分以石英岩屑为主和R14井中可见少量长石与之对应（图13g,h）。山西组、石盒子组沉积时期构造活动显著增强,在构造活动控制下砂体规模大幅增加。其中石盒子组的母岩输砂效率较山西组高,对应的砂体规模也更大（图12c,d）。

晚古生代初期（羊虎沟组沉积期）华北陆块处于8°~18° N的低纬度地区,受海西构造阶段的一系列运动影响,各板块间碰撞、拼合,华北陆块的位置从石炭纪的古赤道附近逐渐北移,研究区在构造背景上显示为被动大陆边缘,构造上长期处于相对稳定状态,通常以生成巨厚的浅海相沉积、岩浆活动微弱和地层基本未遭变形为基本特征^[57]。研究区古地理环境南部以海湾—浅水陆棚和潮坪—潟湖环境为主,北部靠内陆一侧发育河流三角洲；前人通过古地磁研究认识到华北陆块在向北漂移的过程中伴随着逆时针旋转运动^[58],北移至早二叠世华北陆块所处的古纬度为18.3°±6.6° N,华北陆块北侧受古亚洲洋闭合致使西伯利亚板块向南挤压作用,鄂尔多斯盆地抬升,海水自东南和西南方向退出,自北缘高部位物源区向南部低部位供源形成北西—南东向展布的河控三角洲沉积相带,研究区南部潮坪—潟湖广泛发育；二叠纪中期,古亚洲洋板块向华北板块北缘俯冲及随后的弧—陆碰撞,使华北板块北缘继续隆升,形成增生造山带,伴随着强烈褶皱、冲断^[58],构造背景分析结果显示山西组沉积期为主动大陆边缘,兼具大陆岛弧性质,在充足的物源供给下,北部三角洲相带向东南方向继续推进,古地理格局表现为河控三角洲和海湾沉积环境^[59]；石盒子组沉积期研究区构造背景为主动大陆边缘—大陆岛弧性质,这一时期内北部阴山物源供给充足,研究区古地理格局自北部辫状河沉积向南依次演变为辫状河三角洲平原沉积以及辫状河三角洲前缘沉积^[2],与山西组相比,阿拉善供源有所减弱,西南部出现较大面积的近海湖泊沉积。

研究区羊虎沟组沉积期的被动大陆边缘性质,与区内形成的厚层灰岩及潮坪、潟湖广布所反映出的微弱地碰撞作用表现出较好的统一性；早二叠世古亚洲洋闭合开始导致华北板块碰撞、挤压,而构造背景分析结果表显示,太原组沉积期为主动大陆边缘—被动大陆边缘性质,兼具大陆岛弧性质,两者有密切的联系；受华北板块北缘晚古生代岩浆弧增生影响,山西组沉积期以主动大陆边缘性质为主,兼有大陆岛弧,石盒子组沉积期构造背景为主动大陆边缘—大陆岛弧性质,研究区内砂体范围也随之不断扩大,与古亚洲洋闭合导致的碰撞造山运动存在较好的一致性。

（1） 鄂尔多斯盆地在晚石炭世—二叠纪内气候整体波动较小,表现为温暖湿润的气候,研究区羊虎沟组—太原组沉积期,古盐度明显升高,且均属还原环境,推测该时期西北缘地区海侵作用强烈；山西组沉积期古水深、古盐度指标虽与羊虎沟组接近,但较低的Ni/Co、V/（V+Ni）比值表明山西组整体处于氧化环境,不利于烃源岩发育。受全球范围内的气候事件和构造活动影响,羊虎沟组、太原组沉积期成为研究区内主要的成煤期。

（2） 研究区羊虎沟组—山西组沉积期物源复杂,存在一定的混源现象,羊虎沟组主要为古老沉积物及长英质源,山西组、太原组沉积时期,古老沉积物比重降低,长英质源比重上升,到石盒子组,长英质源成为主要的物源。羊虎沟组—山西组沉积期母岩岩性表现为花岗岩、碱性玄武岩、钙质泥岩和大陆拉斑玄武岩混合的特征；到石盒子组,物源供给趋于稳定,花岗岩和碱性玄武岩是主要的母岩岩性。

（3） 晚石炭世—二叠纪,研究区内三角洲推进方向主要受构造活动的影响,经历了从东北—西南向到西北—东南向的转变；在羊虎沟组、太原组沉积期内沉积演化主要受沉积环境约束,研究区北部发育小型河控三角洲扇体,南部存在半深水陆棚、海湾—浅水陆棚和潮坪—潟湖多种沉积相带；山西组、石盒子组沉积期受物源区母岩岩性改变和构造运动共同作用,区内北部砂体推进范围随时间持续增加,河控三角洲体系不断扩大,南部水体面积锐减,沉积环境也趋于单一,由海湾向近海湖泊转变。