鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地和主要的含油气盆地,延长组是其中生界最主要的生储岩系,也是我国陆相三叠系中研究最早、发育齐全的地层剖面,甚至曾激发产生了著名的陆相生油理论。延长组根据凝灰岩标志层、测井和沉积旋回特征等从下到上被划分为长10 ~长1共10个油层组,其中长7油层组、长9油层组等是主要的烃源岩层,长8油层组、长6油层组等是主要的储层。前人开展的与延长组相关的大多数课题都是根据盆地内不同区块、不同目标仅针对其中的某一个层段进行研究,并且大多数钻井岩心取样也只是部分取心,缺乏对整个延长组的连续取心资料,因此限制了人们对延长组的全面认识,让人产生“只见树木、不见森林”之感,尤其是对近几年发现的延长组热水沉积作用特征的认识更为有限。热水沉积是沉积地质学研究的前沿课题,但由于研究手段十分有限,近十几年来其发展非常缓慢。中国科学院战略性先导科技专项“页岩气勘探开发基础理论与关键技术”项目组近期在鄂尔多斯盆地南部铜川地区以全取心的方式打了一口新钻井,钻遇地层为延长组长4+5油层组~长10油层组,顶部长1油层组~长3油层组已经被剥蚀缺失。本研究充分利用这一有利条件,对该钻井采集大量岩心样品,通过元素测试分析、岩石热解和总有机碳含量测试等实验,开展延长组元素地球化学研究,并探讨其与陆相烃源岩、尤其是优质烃源岩发育的关系,其中元素地球化学研究内容包括延长组的地球化学元素丰度特征、沉积地球化学古环境特征,以及热水沉积作用特征等。主要研究成果如下:1. 元素丰度纵向分布特征分析表明,研究区延长组页岩地层中,整体上相对平均页岩富集Fe、Bi、Co、Hf、La、Nb、Nd、W和Zr等元素,整体相对亏损Mg、Na、Ga、Ni、Sr、Th、Tl、Y等元素,而Si、Al、K、Ti、Ce、Cr和Rb等元素与平均页岩含量相近;还有一些元素在纵向分布上具有差异性,例如P、S、Cl、Cu、Pb和V等元素在长7-3段明显富集,但在其它层段呈亏损状态;Mn元素在少数层段富集,多数层段亏损;Ca、As、Ba、Zn等元素具有两段性特征,其中Ca元素在长7-3段以深层段整体亏损,而在长7-3段及其以浅地层中整体富集,As、Ba、Zn等元素则与之相反,即在长7-3段及其以深整体富集,而在长7-3段以浅整体亏损。2. 依据元素地球化学标志沉积古环境的理论分析表明,研究区延长组沉积水体古盐度较低,是淡水沉积介质;沉积水体中为含氧~贫氧状况,其中长7-3期含氧量最低,偶尔达到缺氧状况;古气候条件以半干燥~半潮湿为主,呈旋回交替变化特征,即长9-1期、长7-3期、长6-2期古气候条件湿度增大,尤其是长7-3期以潮湿气候为主,而长9-2期、长8-1期、长7-1期、长6-1期古气候条件湿度减小;延长期湖泊古生产力状况在长7-3期最大,是其它时期古生产力的2~4倍。3. 根据烃源岩评价指标,分析了研究区延长组样品的有机质丰度、有机质类型及其热成熟度特征,结果表明研究区长7-3段有机质丰度最高,大部分样品都超过10%,甚至高达30%,而其它油层组主要为小于1%,少数层段达到2%,热解参数S1、S2等也指示长7-3段烃源岩资源潜力最好;有机碳指数PCI和氢指数HI指示研究区长7-3段有机质母质以藻类为主,其它层段以陆源高等植物为主,即长7-3段偏油源岩,其它层段偏气源岩;热解参数Tmax及根据其计算的镜质体反射率结果表明研究区烃源岩目前处于中等热成熟度,已经进入生油阶段。4. 通过元素地球化学判别图解和热液元素比值,首次研究了延长组热水沉积作用的宏观特征。元素地球化学判别图如SiO2/(K2O + Na2O)- MnO/TiO2交会图和Fe - Mn -(Cu + Co + Ni)× 10三角图指示鄂尔多斯盆地南部延长组沉积整体上都接受了热流体输入的影响;而热液元素指标Al/(Al + Fe + Mn)和(Fe + Mn)/Ti比值分别为0.34~0.84和4.81~50.54,平均值分别为0.66和10.67,表明大部分样品都是以陆源输入为主的非典型热水沉积。热液元素指标指示延长组沉积期可能经历过4次强度相对较大的热流体活动影响,分别发生在长10期、长9-1期、长7-3期和长6-2期,其中长7-3期相对最大,并且长7-3段部分样品为典型热水沉积,同时也造成了异于其它层段的元素特征。5. 根据前人文献并通过数据分析表明,鄂尔多斯坳陷湖盆南部延长组热水沉积中的热流体不是来自构造相对稳定的盆地内部,而是来自盆地南缘构造运动和火山活动比较活跃的北秦岭深部。早期印支运动以及火山活动激活了盆地南缘的基底断裂,为热流体上涌至地表提供了通道。热流体溢出断裂后向北流入地势较低的湖盆内部,与较冷的湖水混合,同时接受来自北秦岭高地的陆源碎屑输入,共同形成了研究区的热水沉积,是一种湖盆边缘溢流型热水沉积模式,不同于断陷盆地的热水沉积作用模式。6. 首次根据热液元素比值与有机质丰度的相关性分析定量研究了热水沉积作用对烃源岩发育的影响。研究区烃源岩有机质丰度值与热液元素指标Al/(Al+Fe+Mn)、(Fe+Mn)/Ti比值之间的相关系数分别高达-0.89和0.89,证明热水沉积作用与烃源岩发育之间具有密切的关系,并且热液输入强度越大,烃源岩有机质丰度越高。同时,Al/(Al+Fe+Mn)与P/Al、P/Ti、TS的相关系数分别为-0.81、-0.80和-0.89,表明热水沉积作用与烃源岩发育之间的关系可能是因为热水活动有助于提高湖水表面古生产力状况和促进底水缺氧环境的形成,在烃源岩发育过程中可以提供充足的有机质来源和有利的有机质保存条件。7. 以长7-3段油页岩样品为例,分析了元素地球化学与优质烃源岩的关系。结果表明,研究区延长组长7-3段优质烃源岩有机质丰度高(TOC值为12.06-29.91%,平均值为18.16%),有机质干酪根类型为Ⅰ型-Ⅱ1型,这些烃源岩具有较高的生油潜力(GP值为55.51~146.79 mg HC/g rock,平均为89.92mg HC/g rock),目前已进入生油阶段。与上地壳UC值相比,这些优质烃源岩中富集Fe、P、S、V、Co、Cu、Zn、Nb、As、Bi、Ce、La、Nd、Pb、W和Y元素,显著富集Fe、P、S、Cu、As、Bi、Pb和W元素,亏损Si、Mg、Ca、Na、Mn、Cl、Ga、Sr、Th和Tl元素,而Al、K、Ti、Cr、Ni、Ba、Zr和Hf元素的富集或亏损特征不明显。这些元素变量中,与TOC亲密程度较大的是Cl、V、Cu、S、Fe、Ni、Zn、Nb、Y、Al、Cr、P、Ce、La和Nd元素。