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鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘,自古生代中晚期开始发育陆相沉积,其中二叠-三叠系在大部分地区发育完整且相对连续,是研究华北陆块二叠-三叠纪之交古气候和环境演化的重要区域。在二叠-三叠系界线之上发育一套红层,由于其缺少生物化石和标志层,研究难度大。本文以鄂尔多斯盆地上二叠统-中上三叠统为主要研究对象,借助显微镜、扫描电镜、主量、微量元素测定、X衍射矿物组成分析、TOC测定以及碳氧同位素分析等手段,通过11个野外露头剖面,367口井测井资料,27口钻井岩心观察,以古气候、古环境演化为主线,进行了层序地层、沉积相等方面的研究,总结了鄂尔多斯盆地二叠-三叠系界线上下的层序沉积序列,恢复了P/T界线上下的古气候环境演化,探讨了鄂尔多斯盆地红层的成因和成色机制,并最终厘定了鄂尔多斯盆地上二叠统-中上三叠统沉积相带的分布规律,建立了不同气候环境背景下的沉积相模式。本文以高分辨率层序地层学理论为依据,结合野外露头、钻井岩心以及测井资料将鄂尔多斯盆地上二叠统-中上三叠统划分为4个超长期旋回(SLSC1~SLSC4),13个长期旋回。通过地球化学分析认为晚二叠世至中晚三叠世鄂尔多斯盆地的气候环境存在显著变化。晚二叠世SLSC1(石千峰组)沉积时期氧化程度相对低,古气候相对温暖湿润;早三叠世SLSC2(刘家沟组与和尚沟组)属于强氧化环境,气候十分干旱炎热;而中三叠世SLSC3(纸坊组)氧化程度变弱,气温降低,转为半干旱半湿润的过渡性气候。中晚三叠世SLSC4(延长组长10~长7),湖平面上升到最高,盆地转变为温暖潮湿的气候和相对还原的环境。碳同位素分析结果显示,鄂尔多斯盆地陆相P/T界线上δ13CPDB存在显著负偏,与全球范围内的海相二叠-三叠系界线具有可对比性,说明在华北地台陆相P/T界线上同样存在气候突变和生物灭绝等重大地质事件的沉积记录。通过研究发现鄂尔多斯盆地的下三叠统刘家沟组与和尚沟组的红层是干旱炎热的气候和强氧化环境的沉积产物,以原生成因为主。其红色主要来自于作为染色剂的赤铁矿。石千峰组与纸坊组局部的紫红色红层也是在干旱气候下形成,但干旱程度不及早三叠世,因而其岩石内部含赤铁矿少,且保留一定的有机质和方解石。沉积岩出现不同的颜色主要是由于矿物组成不同,是盆地构造演化和气候环境变迁的结果。本文最终建立了层序地层格架内不同气候环境背景下的沉积相展布特征和沉积相模式。早三叠世干旱炎热气候背景下鄂尔多斯盆地发育河流-三角洲-滨湖沉积相,湖盆面积小、水体浅,河流-三角洲分布面积广,砂体为红色、呈分支状,类型单一,以曲流河-三角洲砂体为主。晚三叠世温暖潮湿气候条件下鄂尔多斯盆地湖盆面积扩张,水体变深,发育深湖和半深湖沉积相,并出现重力流沉积,曲流河、辫状河-三角洲砂体类型丰富,多呈连片状分布,厚度大、面积广。