單俊峰，黃雙泉，李 理

(中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

湖相碳酸鹽巖的形成包含了重要的古氣候和古環(huán)境線索，尤其是湖相白云巖成為最具爭議的話題[1-2]?，F(xiàn)代生物成因的湖相白云巖首先在咸水—超咸水湖泊中被發(fā)現(xiàn)[3-4]，地質(zhì)歷史時(shí)期多個(gè)湖相盆地如古近紀(jì)東營凹陷、遼河西部凹陷、泌陽凹陷、尕斯庫勒及二疊紀(jì)三塘湖盆地等均發(fā)現(xiàn)了白云巖沉積。

遼河坳陷西部凹陷沙四上亞段是重要的生烴層系，以發(fā)育湖盆擴(kuò)張期背景下的層狀白云巖、灰黑色泥巖、油頁巖及碎屑巖互層為特點(diǎn)，白云巖具有類型多樣、主體沿盆地長軸方向分布的特征。雷家白云巖形成環(huán)境的分析對于該區(qū)致密油的勘探研究意義重大。近年來隨著研究手段的提高，人們對白云巖成因的認(rèn)識(shí)逐漸深入[5]。

Sr同位素是地球化學(xué)重要的示蹤手段之一，微量元素及稀土元素是無機(jī)礦物成因研究的重要手段，結(jié)合無機(jī)碳氧同位素可以為研究古氣候、古環(huán)境的變化提供定量的依據(jù)。研究擬通過多種測試手段重建研究區(qū)古近紀(jì)白云巖沉積古環(huán)境，對其形成機(jī)制進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

雷家地區(qū)構(gòu)造上位于遼河坳陷西部凹陷中北部，北靠高升鼻狀隆起，東鄰中央凸起，西接西部凸起，南邊緊靠冷家堡構(gòu)造帶。研究區(qū)屬于燕遼臺(tái)褶帶的一部分。自早元古代，遼河坳陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。研究區(qū)沙四上亞段自下而上細(xì)分為高升油層、杜家臺(tái)油層，杜家臺(tái)油層自下而上進(jìn)一步細(xì)分為杜Ⅲ段、杜Ⅱ段、杜Ⅰ段3個(gè)小層。高升油層及杜家臺(tái)油層沉積早期各沉積了一套白云巖組合，平面上位于陳家洼陷的西北隅，沉積于房身泡組玄武巖之上。高升油層湖盆水體較淺，主要發(fā)育了鮞粒云巖、生屑云巖以及泥晶云巖，杜家臺(tái)油層的杜Ⅲ段主要發(fā)育含方沸石質(zhì)白云巖，厚度較大(圖1)，為本文主要研究對象。

2 白云巖產(chǎn)出特征

高升油層碳酸鹽巖主要發(fā)育在高升油層底部，主要巖性為粒屑云巖、泥晶云巖，杜家臺(tái)油層碳酸鹽巖主要發(fā)育于杜Ⅲ段，以含大量方沸石為主要特點(diǎn)，主要巖性為頂部的泥晶云巖和下部的方沸石質(zhì)云巖。

X衍射全巖分析結(jié)果表明，杜Ⅲ段含泥泥晶云巖樣品中，黏土總量為12.7%，泥級(jí)礦物顆粒(石英+斜長石+方解石)為17.1%，白云石類為70.2%;含泥方沸石質(zhì)泥晶云巖主要成分中方沸石為34.4%，白云石類為46.8%;高升油層底部泥晶粒屑云巖樣品中，黏土總量為10.2%，泥級(jí)礦物顆粒(石英+斜長石+方解石)為29.9%，白云石類為59.9%;泥質(zhì)泥晶云巖樣品中，黏土總量為17.8%，白云石類為65.7%。電子探針結(jié)果顯示白云石類含有較高的FeO，多為含鐵白云石及鐵白云石。

圖1 雷家地區(qū)沙四上亞段綜合柱狀圖

圖2 雷家白云巖鏡下特征

通過巖心及薄片鏡下觀察，杜Ⅲ段含泥泥晶云 巖為塊狀構(gòu)造，厚度大，鏡下泥粉晶結(jié)構(gòu)(圖2a)，白云石自形程度差;含泥方沸石質(zhì)泥晶云巖，掃描電鏡顯示方沸石自形，顆粒直徑在70 nm(圖2b)，部分區(qū)域可與黏土礦物結(jié)合為“層偶”。高升油層泥晶粒屑云巖表現(xiàn)為鮞粒狀或假鮞粒狀，鮞粒被白云石交代，殘留原生孔隙(圖2c);泥質(zhì)泥晶云巖樣品為灰白色，鏡下表現(xiàn)為泥晶結(jié)構(gòu)(圖2d)。

3 雷家白云巖形成環(huán)境

3.1 古鹽度

古鹽度是指保存于古沉積物之中的，沉積時(shí)期水體介質(zhì)中可溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.1.1 Z值

前人[6]在研究海相灰?guī)r和淡水灰?guī)r時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者碳同位素分布區(qū)間值不同，據(jù)此提出了一個(gè)利用碳氧同位素值區(qū)分碳酸鹽巖沉積環(huán)境的方法，即所謂的“Z”值的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:δ13C、δ18O分別為無機(jī)碳氧同位素值，當(dāng)Z＞120時(shí)為咸水型，Z＜120時(shí)則為淡水型[7]。

碳酸鹽巖的碳氧同位素分析采用鹽酸法，碳酸鹽巖礦物與鹽酸在一定溫度下反應(yīng)，釋放出CO2，通過測定與之平衡的CO2的碳氧同位素，測定碳酸鹽巖的碳氧同位素組成。

經(jīng)過計(jì)算，雷家地區(qū)碳酸鹽巖沉積時(shí)的Z值為124.1～145.9，平均值為136.8，屬于咸水型碳酸鹽巖沉積。

3.1.2 Sr同位素

不同來源Sr的混合造成了沉積水體中87Sr與86Sr豐度比值的變化，通過分析沉積物中87Sr與86Sr豐度比值可以判斷原始沉積環(huán)境。殼源的硅鋁質(zhì)巖石具有高的87Sr與86Sr豐度比值，平均為0.72，幔源的鎂鐵質(zhì)巖石平均為 0.704。根據(jù)Hess[8]及 McArthur[9]對全球 100 Ma 以來海水 Sr同位素組成的研究，沙四上亞段(時(shí)間約為43.0～45.3 Ma)雷家地區(qū)碳酸鹽巖沉積時(shí)海水87Sr與86Sr豐度比值約為0.707 78，而雷家碳酸鹽巖測試結(jié)果顯示87Sr與86Sr豐度比值主要分布在0.707 501～0.711 304，平均值為0.710 131 9(樣本數(shù)20)，比值結(jié)果略高于同期海水87Sr與86Sr豐度比值且低于殼源硅鋁質(zhì)巖石。結(jié)合εSr值偏高，均值為79.751 0，表明云巖造巖組分為殼-幔混源，εNd均值為-14.04，說明巖石主體來自地殼，綜合分析后認(rèn)為，其Sr來源主要受陸源硅鋁質(zhì)巖石質(zhì)淡水控制，即早期河流注入，由于存在個(gè)別87Sr與86Sr豐度比值低于同期海水現(xiàn)象，結(jié)合構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分析認(rèn)為，來自地幔的火山巖的蝕變使該時(shí)期湖盆水體性質(zhì)改變，導(dǎo)致個(gè)別87Sr與86Sr豐度比值低于同期海水。

3.1.3 古鹽度

古鹽度計(jì)算方法較多，也有不同的適用范圍，對鹽度的計(jì)算主要基于Couch校正公式:

式中:B*指校正硼含量，10-6;xi、xm、xk分別代表樣品中伊利石、蒙脫石和高嶺石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(通過實(shí)測數(shù)據(jù)，對伊蒙混層按照混層比分別計(jì)算)，%。系數(shù)代表各類黏土礦物對硼的吸收強(qiáng)度，以系數(shù)越大為越強(qiáng)。

Couch[10]提出的古鹽度計(jì)算公式為:

式中:Sp為古鹽度，‰。

通過以上公式，對雷家地區(qū)白云巖古鹽度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。由表1可知，沙四上亞段碳酸鹽巖沉積時(shí)，雷家地區(qū)湖盆古鹽度主要為18.07‰～19.27‰，較現(xiàn)今海水鹽度35‰低，屬于半咸水水體。

表1 雷84井黏土組成及古鹽度計(jì)算結(jié)果

3.2 氧化還原條件

某些特征金屬元素、稀土元素、有機(jī)質(zhì)姥植比等指標(biāo)可以揭示沉積水體的氧化還原條件。

3.2.1 特征金屬元素比值

通常來說，金屬元素V的含量與Ni、V總含量比值大于0.5表示厭氧環(huán)境，介于0.45～0.60指示貧氧環(huán)境，小于0.45指示為富氧環(huán)境[11]。研究區(qū)碳酸鹽巖中V的含量與Ni、V總含量比值為0.49～0.93，平均值為0.72，表明該時(shí)期為厭氧環(huán)境，水體為強(qiáng)還原性。

3.2.2 稀土元素

在現(xiàn)代海水的氧化、偏堿性條件下，Ce3+被氧化為相對不溶的Ce4+，并隨鐵錳結(jié)核在海水中同時(shí)沉淀，導(dǎo)致海水及其后期沉積物中Ce3+的虧損[12];反之亦然。根據(jù)以上認(rèn)識(shí)結(jié)果，Ce異?？杀挥米髦甘境练e環(huán)境氧化還原條件的標(biāo)志。

沙四上白云巖δCe變化范圍為1.02～1.14，平均值為1.07，具有弱—中度Ce正異常的總體特征。普遍的δCe正異常，說明湖底水體和沉積物具有Ce4+的富集作用，可作為湖底熱鹵水沉積環(huán)境具備較強(qiáng)還原、偏堿性條件的標(biāo)志。當(dāng)樣品中元素La的含量與Sm的含量比值超過0.35，且元素La的含量與Sm的含量比值與Ce無相關(guān)性時(shí)，沉積物Ce異?？纱砥湫纬森h(huán)境的物理化學(xué)條件[13]。已知白云巖樣品中元素La的含量與Sm的含量比值為5.15～8.15，結(jié)果遠(yuǎn)大于0.35，元素La的含量與Sm的含量比值與Ce異常的相關(guān)系數(shù)(R2)僅為0.1348，相關(guān)性很差。以上結(jié)果表明，沙四上白云巖的Ce正異常反映西部凹陷湖底沉積作用發(fā)生在具備還原、偏堿性條件的缺氧環(huán)境中。

3.2.3 姥植比

沉積有機(jī)質(zhì)飽和烴中的姥植比也是常用的識(shí)別氧化還原沉積環(huán)境的指標(biāo)，極低的姥植比(如小于0.8)反映較強(qiáng)還原條件，以及咸水碳酸鹽巖沉積特征。雷家白云巖的姥植比為0.18～0.60，14個(gè)樣本平均值為0.38，指示為較強(qiáng)還原條件和咸水缺氧環(huán)境。

3.3 湖盆封閉性

湖盆水體的封閉性與開放性的研究對于以化學(xué)沉積為主的咸化湖盆非常重要。碳、氧穩(wěn)定同位素和稀土元素分析是較常用且有效的方法。

3.3.1 碳氧穩(wěn)定同位素

現(xiàn)代湖泊中碳酸鹽巖碳、氧穩(wěn)定同位素測試結(jié)果表明:在開放型淡水湖泊中原生碳酸鹽δ13C和δ18O之間相關(guān)性很差，且δ13C和δ18O均以負(fù)值為主，呈散亂分布。如美國Henderson湖，瑞士Greifensee湖和以色列Huleh湖，而在封閉型的咸水半咸水湖泊中δ13C和δ18O之間具明顯的正相關(guān)關(guān)系。一般來說湖盆水體越是封閉其碳氧同位素值相關(guān)系數(shù)就越大δ18O正負(fù)均有δ13C則基本為正值，呈較規(guī)則的線狀分布如肯尼亞Lake Turkala、Lake Magadi、美國 Great Salt Lake[11]。

結(jié)果表明，雷家地區(qū)沙四上亞段白云巖碳氧穩(wěn)定同位素主要分布在十字坐標(biāo)系的第二象限，相關(guān)性好，相關(guān)系數(shù)R2=0.772 6(圖3)，表明沙四上亞段白云巖沉積時(shí)的湖盆為封閉型湖盆。

圖3 雷家地區(qū)沙四上亞段白云巖碳氧穩(wěn)定同位素分布

3.3.2 元素La與Ce的含量比值和元素Eu與Sm的含量比值關(guān)系

雷家白云巖測試結(jié)果顯示δEu均大于1.0，其正異常的原因尚未完全解釋清楚，但另一方面也說明，δEu值并沒有隨δCe值同步變小，也就是說并沒有外來水體的混入。丁振舉等人[14]在研究古熱水系統(tǒng)時(shí)，建立了元素La與Ce的含量比值和元素Eu與Sm的含量比值關(guān)系圖版，用來判斷樣品是否受海水(外來水)或高溫?zé)嵋鹤饔糜绊?圖4)[14]。圖版中，流體數(shù)據(jù)趨向A端說明Ce負(fù)異常明顯，元素La與Ce的含量比值趨向變大，表示海水影響作用增強(qiáng);趨向B端說明湖底高溫?zé)嵋鹤饔迷鰪?qiáng)。雷家白云巖樣品都集中分布在r=0.01線左側(cè)，說明雷家白云巖沉積過程中受熱流體與湖水影響較小，表明白云巖沉積時(shí)為封閉的沉積環(huán)境。

4 結(jié)論

通過多種實(shí)驗(yàn)測試手段綜合分析認(rèn)為，雷家地區(qū)沙四晚期水體屬于輕微咸化、強(qiáng)還原水體，湖盆封閉性良好，基本沒有受到外界水體影響，水體性質(zhì)受到了早期火山巖蝕變的影響。此類沉積環(huán)境下的有 機(jī)質(zhì)得到較好保存，是致密油勘探的有利領(lǐng)域。

圖4 元素鑭與鈰的含量比值和元素銪與釤的含量比值關(guān)系圖

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