孫嬌鵬,陳世悅,彭　淵,劉文平,馬　帥,邵鵬程,劉　金

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東　青島　266580;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京　100081;3.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院,四川　成都　610051)

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青海德令哈盆地石炭紀(jì)古環(huán)境研究

孫嬌鵬1,陳世悅1,彭淵2,劉文平3,馬帥1,邵鵬程1,劉金1

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京100081;3.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院,四川成都610051)

采自德令哈地區(qū)石炭系的12個(gè)碳酸鹽巖樣品測試、分析結(jié)果表明，德令哈地區(qū)石炭紀(jì)整體為分層中等的弱還原海相環(huán)境，水體受陸源碎屑注入影響明顯。這種濕熱、還原的高鹽度水體利于生物的繁盛及有機(jī)質(zhì)的保存，使德令哈地區(qū)石炭系發(fā)育極為優(yōu)越的烴源巖條件。垂向上，克魯克組偏高的咸化程度及分層程度，表明克魯克組沉積水體相對(duì)閉塞、咸化程度較高，而懷頭他拉組、扎布薩尕秀組灰?guī)r形成于水體交換相對(duì)通暢的海域。從巖性組合、陸源碎屑注入變化及鹽度、還原性的差異來看，克魯克組主體為局限臺(tái)地環(huán)境，而懷頭他拉組、扎布薩尕秀組為開闊臺(tái)地。作為對(duì)克魯克組高鹽度、還原性水介質(zhì)環(huán)境的響應(yīng)，克魯克組烴源巖TOC條件要比懷頭他拉組及扎布薩尕秀組優(yōu)越。

德令哈盆地;石炭紀(jì);碳酸鹽巖;地球化學(xué);古環(huán)境

柴東北緣德令哈地區(qū)是柴達(dá)木盆地前中生界海相勘探最有希望取得突破的地區(qū)，石炭系是該區(qū)海相油氣勘探的熱點(diǎn)所在。近些年的工作取得了較大進(jìn)展，落實(shí)了石炭系在整個(gè)地區(qū)的大面積分布，發(fā)育高演化階段的優(yōu)質(zhì)烴源巖以及厚度巨大的碳酸鹽巖、碎屑巖儲(chǔ)層，地表發(fā)現(xiàn)大量油砂等油氣顯示[1]。但沉積學(xué)工作開展較少，僅部分學(xué)者在對(duì)柴達(dá)木盆地古生代構(gòu)造-古地理的論述中順帶進(jìn)行了介紹，總體研究程度較低。

現(xiàn)今保存在沉積巖中的地球化學(xué)信息是物源區(qū)巖石地球化學(xué)性質(zhì)、沉積介質(zhì)物理-化學(xué)條件及成巖過程中地下流體性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，但不同地質(zhì)過程對(duì)不同元素的影響程度不一，部分具有特殊指示意義的元素在不同階段的可遷移性及不可遷移性存在明顯差異。因此，選取不同元素或元素組合，可以通過同一巖石的地化參數(shù)對(duì)物源區(qū)、沉積水體及成巖流體環(huán)境等進(jìn)行綜合示蹤[2-4]。

本文主要圍繞著石炭紀(jì)古水體的物理-化學(xué)性質(zhì)開展研究。在對(duì)石炭系地層特征、巖石學(xué)特征、古生物特征及沉積特征簡要介紹的基礎(chǔ)上，通過對(duì)相關(guān)特征地球化學(xué)參數(shù)的選取、分析及討論，對(duì)德令哈盆地石炭紀(jì)古環(huán)境中的鹽度、氧化-還原狀態(tài)及碎屑注入等特征因子進(jìn)行綜合判斷。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于青海省中部海西州首府德令哈市以西，大地構(gòu)造位置介于魚卡-沙柳河加里東期造山帶及宗務(wù)隆-土爾墾大坂晚古生代—早中生代裂陷槽之間，地層分區(qū)屬柴北緣地層小區(qū)。石炭紀(jì)研究區(qū)所在的歐龍布魯克地塊與柴達(dá)木地塊已完成拼貼，而北面宗務(wù)隆-土爾墾大坂一帶則形成裂陷槽。在此背景下，受來自北面宗務(wù)隆裂陷槽海侵的影響，研究區(qū)石炭紀(jì)發(fā)育一套碎屑巖-碳酸鹽巖混合沉積建造(圖1，圖2A、B)。

圖1研究區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)孫嬌鵬等[5]，2014修改)

Fig.1Simplified geological map of the Delingha Basin in Qinghai

圖2德令哈地區(qū)石炭系典型照片

Fig.2Representative pictures for individual Carboniferous Formations in the Delingha Basin

區(qū)內(nèi)石炭系與泥盆系為不整合接觸，與上覆二疊系為連續(xù)沉積，主要發(fā)育下統(tǒng)的城墻溝組、懷頭他拉組以及上統(tǒng)的克魯克組與扎布薩尕秀組下部。城墻溝組及懷頭他拉組均分為下部砂礫巖、泥巖互層段及上部厚層碳酸鹽巖段，也有學(xué)者認(rèn)為城墻溝組與扎布薩尕秀組屬同一層。上石炭統(tǒng)克魯克組及扎布薩尕秀組下部巖性組合較為接近，以黑色、碳質(zhì)泥頁巖與生屑灰?guī)r互層并夾薄煤層為主要特點(diǎn)，克魯克組中部及扎布薩尕秀組底部發(fā)育砂礫巖沉積(圖1)。石炭系在石灰溝及城墻溝出露最好，城墻溝出露城墻溝組，其余層段均在石灰溝出露。青海油田等單位在這兩個(gè)地區(qū)開展了大量古生物、地層等工作，是柴北緣石炭系標(biāo)準(zhǔn)剖面。

2　樣品采集與測試方法

Tribovillard等[6]認(rèn)為大規(guī)模陸源碎屑物質(zhì)注入會(huì)很大程度影響沉積物的地球化學(xué)特征，其元素不宜做環(huán)境分析。為了減少陸源碎屑注入對(duì)REE、Th、U等大離子親石元素以及Zr、Hf等高場強(qiáng)元素等的影響，本次全部采集灰?guī)r樣品進(jìn)行測試。測試樣品全部采集于石灰溝，采樣位置見圖1(樣品所在層段與圖1描述一致，但垂向位置可能略有差異)。采樣時(shí)，洗去表面鉆井泥漿，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)粉碎至200目，主、微量、稀土元素含量測試在廣州澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素分析將樣品在105℃預(yù)干燥1-2小時(shí)，然后準(zhǔn)確稱取0.9g樣品，煅燒后加入Li2B4O7-LiBO2助熔物，充分混和后，放置在自動(dòng)熔煉儀中，使之在1000°C以上熔融。熔融物倒出后形成扁平玻璃片，再用X熒光光譜儀(AXIOS)分析。同時(shí)稱取3g樣品，1000℃下測定燒失量(LOI)。微量元素分析稱取0.25g樣品用HClO4、HNO3、HF消解。蒸至近干后的樣品用稀HCl溶解定容，再用美國AgilentVISTA型等離子體發(fā)射光譜與Agilent7700x型等離子體質(zhì)譜進(jìn)行綜合分析。稱取0.1g樣品進(jìn)行稀土元素分析，將試樣加入到硼酸鋰熔劑中，混合均勻，在1000°C以上的熔爐中熔化。熔液冷卻后，用4%的硝酸定容至100ml，再用美國Agilent7700x型等離子體質(zhì)譜儀分析。從測試結(jié)果(表1)來看，碳酸鹽巖樣品中微量元素豐度整體比陸源碎屑巖低。分析過程中，考慮到碳酸鹽巖的特殊性，未采用V/Cr等不適用于碳酸鹽巖環(huán)境分析的指標(biāo)[7]。

3　水體古鹽度

由于MgO具有親海性，Al2O3具有親陸性，鎂鋁比值m(m=100×MgO/Al2O3)可作為衡量沉積水體鹽度的指標(biāo)。m≤1則為淡水環(huán)境，1～10屬海陸過渡環(huán)境，介于10～500為海相環(huán)境[8]。測試樣品m值介于12.12～116.13之間，平均為35.04，表明該區(qū)屬海相沉積。12個(gè)樣品Ca/(Ca+Fe)均大于0.94，高于0.89的海水底限值[9]，同樣表明研究區(qū)為海相環(huán)境。K元素含量受陸源碎屑注入量控制，Rb易被粘土及有機(jī)質(zhì)吸附，受水體鹽度影響明顯[10]。因此，Rb/K受水體鹽度控制，海相咸水中Rb/K值≥0.006，微咸水≥0.004[11]。研究區(qū)Rb/K最小值為40，遠(yuǎn)大于0.006，可見所采樣品均是在鹽度較高的海相咸水環(huán)境中形成的。

淺海環(huán)境Sr含量>160μg/g、Ga含量<15μg/g、V含量<86μg[12]，研究區(qū)Sr、Ga及V值均明顯處于海相沉積范圍。堿土元素Sr、Ba化學(xué)性質(zhì)較為接近，但Sr比Ba遷移能力強(qiáng)，當(dāng)河水(淡水)與海水(咸水)混合時(shí)，淡水中的Ba2+易與海水中的SO42-結(jié)合，形成BaSO4，并在靠近海岸附近沉淀；而SrSO4溶解度較大，故而沉淀在較深處。因而沉積物中的Sr/Ba比值可以反映沉積水體離岸距離(古水深)、陸源物質(zhì)注入情況及古水體鹽度。測試樣品Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(20～130μg/g，平均60μg/g)，Sr含量較高(除ht1外，分布在232～814ug/g之間)，Sr/Ba均值為14.26。王益友等[13]認(rèn)為，Sr/Ba值>0.6為微咸水相，>1為咸水相。測試樣品富Sr、貧Ba及極高Sr/Ba值表明研究區(qū)屬鹽度較高的海水環(huán)境沉積。

隨著陸源碎屑影響程度增大，Ce異常值δCe(δCe=Ce/Ce*=2×CeN/(LaN+PrN)自大洋中脊(0.29)→大洋盆地(0.55)→大陸邊緣(0.9～1.03)逐漸增大[14]。研究區(qū)樣品δCe分布區(qū)間為0.43～1.02，平均為0.75，樣品這種較為明顯的負(fù)異常特征反映了介于大洋盆地-大陸邊緣之間的海洋環(huán)境。

表1　研究區(qū)石炭系樣品微量元素統(tǒng)計(jì)表

4　古環(huán)境氧化-還原、水體分層狀態(tài)

Ce異常(δCe)與Ceanom指數(shù)常被用來作為判斷古水體介質(zhì)氧化還原條件的標(biāo)志。變價(jià)元素Ce包括Ce3+及Ce4+兩種價(jià)態(tài)，氧化條件下Ce3+被氧化為很難被溶解的Ce4+，因此海水中虧損Ce而沉積物中富集Ce；缺氧還原環(huán)境下，沉積物中的Ce4+重新轉(zhuǎn)化為Ce3+釋放到水體中，導(dǎo)致沉積物中Ce虧損[15]。Elderfield[16]將Ce、La、Nd之間相關(guān)的變化稱為鈰異常(Ceanom)，Ceanom=lg[3CeN(2LaN+NdN)](N為北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化值)，并認(rèn)為Ceanom受沉積環(huán)境氧分壓控制，Ceanom>-0.1則Ce富集，為缺氧還原環(huán)境；<-0.1則Ce虧損，反映富氧氧化環(huán)境。12個(gè)樣品測試結(jié)果中，除懷頭他拉組3個(gè)樣品Ceanom略大于-0.1外，其余樣品均小于-0.1，總體為弱氧化-弱還原環(huán)境。測試樣品w(Ce)/w(La)值除zb1、zb2及zb4之外均>1.5且大多數(shù)<2，說明當(dāng)時(shí)水體貧氧-厭氧[17]。

氧化狀態(tài)及還原狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致Th和U化學(xué)性質(zhì)的分異[18]，表生環(huán)境下，Th4+不易溶解。U在強(qiáng)還原狀態(tài)下為不溶于水的U4+，而在氧化狀態(tài)下以易溶的U6+存在，導(dǎo)致沉積物中U的虧損?；赥h和U地球化學(xué)性質(zhì)的差異，常用&U值(&U=U/[0.5×(Th/3+U)])和Th/U比值法衡量沉積水體的Eh狀態(tài)[19-20]。若&U>1，Th/U<2，則表明水體缺氧。測試樣品&U均值>1.60，最小值>1.20，全部>1;Th/U均值0.79，最大1.11，均<2，表明德令哈地區(qū)石炭紀(jì)盆地整體缺氧。

鐵族元素V、Ni在水體中的存在狀態(tài)受氧化還原電位控制，相對(duì)于Ni來說，V聚集在強(qiáng)烈還原的富硫化氫環(huán)境中[17]。V/(V+Ni)>0.84反映水體分層，沉積物表面呈現(xiàn)富H2S的厭氧環(huán)境；V/(V+Ni)介于0.6～0.82，表現(xiàn)為水體分層不是很強(qiáng)的厭氧環(huán)境；當(dāng)比值較低時(shí)(0.46～0.60)則說明水體分層較弱存在一定氧氣。12個(gè)測試樣品V/(V+Ni)值分布在0.24～0.68之間，除樣品ht1、zb1及zb4偏低之外，全部大于0.46，說明該區(qū)水體整體為分層不強(qiáng)的弱還原環(huán)境。Jones等[21]認(rèn)為，Ni/Co>7即為還原環(huán)境，<5為氧化環(huán)境。3個(gè)組的Ni/Co均值分別為11.52、5.90、7.05，除個(gè)別樣品低于5之外，大多數(shù)樣品分布在5～7之間，反映水體整體貧氧。梅水泉[22]認(rèn)為，在沉積作用中，銅族元素Zn、Cu隨介質(zhì)氧逸度不同而產(chǎn)生分離，即Cu/Zn比值隨介質(zhì)氧逸度增加而增大，>0.63即為氧化環(huán)境。測試樣品Cu/Zn比值在0.1～0.6之間，大多數(shù)介于0.21～0.63的弱還原范圍內(nèi)，表明水體總體缺氧。

5　古氣候及水體蒸發(fā)

Sr/Cu比值介于1～10之間指示溫濕氣候，而>10指示干熱氣候；同樣，Mg/Ca比的高值指示干熱氣候，低值指示溫濕氣候[23]。除ht1外，樣品Sr/Cu均大于199.93，Mg/Ca值均大于71，指示干熱氣候條件。

本次樣品Fe/Mn比值極低，分布在0.000963～0.003095之間，這種極低的Fe/Mn值是干熱氣候的響應(yīng)[24]。Rb/K和Sr/Ba比值是水體鹽度的體現(xiàn)。宋明水[24]強(qiáng)調(diào)，由于Rb、K及Sr、Ba溶解度的差異而導(dǎo)致沉淀順序有別，Rb相對(duì)于K、Sr相對(duì)于Ba，均具有高的溶解度，高蒸發(fā)、高濃縮、高鹽度的水體才會(huì)出現(xiàn)極高的Rb/K和Sr/Ba比值。區(qū)內(nèi)Rb/K比值(平均48.9)、Sr/Ba比值(平均15.49)極高，客觀反映了當(dāng)時(shí)較為干熱、強(qiáng)蒸發(fā)的古環(huán)境。

6　陸源物質(zhì)注入

V、Nb、Sc、Th及Ti等賦存于重礦物的元素在巖石風(fēng)化、搬運(yùn)及沉積、成巖過程中具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，在水體中存留時(shí)間極短，在自生物質(zhì)中具有極低的富集程度。所以在海底沉積物中，這些幾乎全部來源于陸源碎屑的元素客觀地反映了陸源碎屑的供給情況。平面上，這些元素均具有近岸沉積特征，向盆地中心含量迅速下降；垂向上，這些元素的含量變化反映了陸源碎屑物質(zhì)注入速率及沉積濱線遷移軌跡的變化。以Ti、V為例，Ti是一種較穩(wěn)定的元素，一般不形成可溶性化合物，所以海水中Ti的含量很低[11]，沉積物中Ti主要來源于盆外[25];V在泥巖、黏土巖中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，平均達(dá)130μg/g，這是由于黏土礦物對(duì)V的吸附作用所致，而碳酸鹽巖中V的平均含量要低得多(2.2μg/g)[25]。從表1可以看出，石炭紀(jì)時(shí)期研究區(qū)碎屑物質(zhì)供給較強(qiáng)，以V為例，克魯克組灰?guī)r的V含量約為正常碳酸鹽巖的兩倍以上，明顯高于其余樣品。表1中列述的Sc、Th及Ti等元素也具一致的變化規(guī)律，說明克魯克組碳酸鹽巖沉積期受到較強(qiáng)陸源碎屑注入的影響。

7　討論與結(jié)論

在應(yīng)用某類元素討論特定問題的時(shí)候往往會(huì)近似認(rèn)為在其它地質(zhì)過程中該類元素含量或比值變化不明顯，但事實(shí)上，保存在沉積巖中的各種元素含量、比值的變化規(guī)律極為復(fù)雜。一方面受元素本身的地球化學(xué)行為影響，另一方面又與沉積物化學(xué)組成復(fù)雜的多因素(比如成巖流體等)控制有關(guān)。任何判別標(biāo)準(zhǔn)都存在一定局限性與不確定性，因此得出的判別結(jié)果不盡相同。所以，僅僅通過單一元素或某幾個(gè)元素的變化規(guī)律，很難全面、客觀、準(zhǔn)確地對(duì)問題進(jìn)行合理的解釋。

圖3研究區(qū)典型地化參數(shù)垂向變化圖

Fig.3Vertical variations of representative geochemical parameters for the Delingha Basin

圖4德令哈地區(qū)烴源巖有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)圖

Fig.4Statistics of the organic carbon contents in the source rocks from the Delingha Basin

巖相組合上，克魯克組呈現(xiàn)暗色泥巖與灰?guī)r互層的巖性組合特點(diǎn)(圖2A、B)，而懷頭他拉組與扎布薩尕秀組主要發(fā)育厚層碳酸鹽巖沉積(圖2C、D、E、F、G、J)?？唆斂私M顆?；?guī)r(主要是生屑灰?guī)r與礁灰?guī)r)含量、厚度明顯小于另外兩個(gè)組。Rb/K值及Sr/Ba值及K/Na值等表明克魯克組具有相對(duì)較高的古鹽度。同時(shí)，克魯克組樣品的V、Nb、Sc、Th及Ti含量要明顯高于懷頭他拉組與扎布薩尕秀組，大約是其它兩個(gè)組含量的兩倍，說明克魯克組沉積期具有較多的陸源碎屑物質(zhì)的注入(圖3)。德令哈海盆石炭紀(jì)的咸化與與陸源碎屑注入有關(guān)，陸源碎屑中的Mg、Na等堿金屬元素為水體咸化提供了充足的陽離子。克魯克組偏高的咸化程度及分層程度，意味著克魯克組沉積水體相對(duì)閉塞、咸化程度較高，而懷頭他拉組、扎布薩尕秀組灰?guī)r形成于水體交換相對(duì)通暢的海域。從巖性組合、陸源碎屑注入變化及鹽度、還原性的差異來看，克魯克組主體為局限臺(tái)地環(huán)境，而懷頭他拉組、扎布薩尕秀組為開闊臺(tái)地。導(dǎo)致水體分層中等的可能原因主要有兩個(gè)方面：一是頻繁的風(fēng)暴作用，研究區(qū)全部灰?guī)r均存在明顯的風(fēng)暴渦流侵蝕痕跡(圖2J)，風(fēng)暴攪動(dòng)導(dǎo)致水體與空氣頻繁交換，造成氧氣含量的提升;二是陸源碎屑注入導(dǎo)致的水體分層破壞。研究區(qū)碳酸鹽巖整體不是很純，常夾砂巖透鏡體(圖2K)或形成混積巖(圖2L)，這說明粗陸源碎屑高頻進(jìn)入盆地，攜帶碎屑物質(zhì)的淡水會(huì)破壞海水的分層，導(dǎo)致環(huán)境中Eh值趨向氧化。

石炭紀(jì)時(shí)期，研究區(qū)濕熱的高鹽度海相環(huán)境利于植物及海洋生物的繁盛，總體閉塞、還原的水體條件利于沉積物中有機(jī)質(zhì)的保存。在此背景下，德令哈地區(qū)石炭系各個(gè)層段均發(fā)育有烴源巖，不論碳酸鹽巖還是泥質(zhì)烴源巖樣品總體具有相對(duì)較高的TOC含量(圖4)。從3個(gè)組的對(duì)比來看，克魯克組的泥質(zhì)烴源巖及碳酸鹽巖烴源巖較懷頭他拉組及扎布薩尕秀組都好得多，體現(xiàn)為高TOC樣品絕大多數(shù)出現(xiàn)在克魯克組(圖4)，這與克魯克組具有的高鹽度、還原性的水介質(zhì)環(huán)境相吻合。

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Palaeoenvironments of the Delingha Basin in Qinghai during the Carboniferous

SUN Jiao-peng1, CHEN Shi-yue1, PENG Yuan2, LIU Wen-ping3, MA Shuai1, SHAO Peng-cheng1, LIU Jin1

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,Shandong,China; 2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China; 3.SouthwestOilandGasFieldCompany,CNPC,Chengdu610051,Sichuan,China)

The analyses of 12 pieces of carbonate rock samples from the Carboniferous strata in the Delingha Basin, Qinghai have reflected that during the Carboniferous, the Delingha area was once in the marine saline water environments with saline and dysaerobic sea water, humid and highly evaporated conditions, and plenty of terrigenous supply. This type of humid and reducing environments may be favourable for the propagation of organisms and preservation of organic matter, and thus may be the ideal sites for the development of the Carboniferous source rocks. Vertically, higher salinity and stratification of sea water in the Keluke Formation suggest the relatively enclosed and salinized sea water in the restricted carbonate platform environment, while in the Huaitoutala and Zhabusagaxiu Formations, the sea water was well connected in the open carbonate platform environment. It can be seen that the total organic contents in the Keluke Formation are higher than those in the Huaitoutala and Zhabusagaxiu Formations in the Delingha Basin.

Delingha Basin; Carboniferous; carbonate rock; geochemistry; palaeoenvironment

1009-3850(2016)02-0030-08

2014-09-28； 改回日期： 2014-10-10

孫嬌鵬(1988-),男,博士研究生,沉積學(xué)專業(yè)。E-mail:sunjiaopeng@163.com

本文為國土資源地調(diào)項(xiàng)目(資[2014]03-025-002、12120113040000-3)資助成果

P534.45

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