張文偉

( 中國石油遼河油田分公司 勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010 )

基于主(微)量元素分析法的細粒沉積巖沉積環(huán)境判別
——以大民屯凹陷安福屯地區(qū)沈352井沙四下亞段為例

張文偉

( 中國石油遼河油田分公司 勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010 )

為明確大民屯凹陷安福屯地區(qū)沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的沉積環(huán)境及演化特征，利用地球化學方法，根據(jù)巖石中w(V)/w(V+Ni)判斷氧化還原環(huán)境的變化，根據(jù)w(Sr)/w(Ba)、w(V/)w(Ni)、w(Mg)/w(Ca)判斷沉積環(huán)境中鹽度的變化，根據(jù)w(Zr)/w(Al)及w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)判斷水體深度的變化，根據(jù)w(Sr)/w(Cu)、c(為幾種元素的比值)判斷沉積環(huán)境的古氣候變化，分析研究區(qū)沉積環(huán)境特征及變化規(guī)律。結(jié)果表明：處于陸相沉積環(huán)境的沈352井沙四下亞段由深到淺分為三部分，即在3 280～3 352 m處為還原—弱還原環(huán)境，鹽度為半咸水—咸水，水體較深，屬于半潮濕—半干燥氣候；在3 248～3 280 m處為弱還原環(huán)境，鹽度為咸水，水體較淺，屬于干熱氣候；在3 169～3 248 m處為還原環(huán)境，鹽度為咸水—半咸水，水體較深，屬于溫濕氣候；其中粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)較為特殊，為氧化環(huán)境，鹽度為微咸水，水體較淺，屬于干熱氣候。該研究對分析研究區(qū)細粒沉積巖形成時的沉積環(huán)境及勘探潛力具有一定參考意義。

細粒沉積巖； 沉積環(huán)境； 主(微)量元素； 沙四下亞段； 沈352井； 大民屯凹陷

0 引言

沉積環(huán)境及沉積相的識別對古地理恢復具有重要意義[1]，其中利用地球化學特征判別沉積環(huán)境是沉積學研究中的一個重要領(lǐng)域。地層元素分配及比值的變化、組合反映古環(huán)境演化過程[2]，因此地層元素作為有效示蹤劑，尤其是微量元素及其比值的變化可以有效判斷沉積環(huán)境特征。如周動力等[3]利用m(Mn)/m(Ti)判斷離岸距離的遠近，利用m(Sr)/m(Ba)判斷沉積環(huán)境鹽度的變化，利用m(Ni)/m(Co)、m(Ni)/m(V)、m(V)/m(V+Ni)判斷氧化還原環(huán)境，分析黑龍江寧安盆地古近系油頁巖沉積環(huán)境，認為研究區(qū)油頁巖形成于近岸、陸相淡水淺湖、貧氧的還原沉積環(huán)境。余燁等[4]利用w(V)/w(Cr)判斷水體深度，利用w(MgO)/w(Al2O3)和w(Sr)/w(Ba)判斷水體鹽度，利用fCIA指數(shù)與w(MgO)/w(CaO)判斷氣候變化，研究惠州凹陷珠江組泥巖地球化學特征及其地質(zhì)意義。王溯芳等[5]利用w(V)/w(Cr)、w(V)/w(V+Ni)、w(Ni)/w(Co)等判斷氧化還原環(huán)境，研究四川盆地南部志留系龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖沉積環(huán)境，將寧203井龍馬溪組底部A段解釋為缺氧或貧氧環(huán)境，B、C、D段解釋為缺氧環(huán)境。宋璠等[6]利用w(Fe)/w(Mn)判斷水體深度，利用w(V)/w(V+Ni)判斷氧化還原環(huán)境，研究準噶爾盆地春風油田沙灣組沉積相，認為沙灣組一段屬于水體較深的水下還原環(huán)境。

人們在利用微量元素判別沉積環(huán)境方面取得一定成果，但僅針對沉積環(huán)境的某一兩個方面進行判斷，缺少對沉積環(huán)境變化特征的研究。元素是組成巖石的基本單元，沉積巖礦物是提取古環(huán)境信息的主要研究載體[7]，筆者利用地球化學元素分析方法，綜合判斷大民屯凹陷安福屯地區(qū)沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的沉積環(huán)境特征及變化規(guī)律，包括沉積的氧化還原環(huán)境、水體深度、鹽度、氣候變化特征等，對明確研究區(qū)細粒沉積巖形成時的沉積環(huán)境及有利勘探區(qū)具有指導意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

遼河斷陷盆地位于遼寧省境內(nèi)的下遼河平原地區(qū)，北起沈陽，南至遼東灣，根據(jù)第三系底面起伏、主要斷裂特征及盆地沉積、沉降特點，可將遼河盆地劃分為四個主要次級凹陷：沈北凹陷、大民屯凹陷、西部凹陷、東部凹陷。大民屯凹陷位于遼河斷陷盆地的東北部，西距沈陽市25 km，平面上呈不規(guī)則橢圓形，南寬北窄，四周受邊界斷層所限。大民屯凹陷安福屯洼陷是發(fā)育在太古界花崗片麻巖、混合花崗巖和元古界碳酸鹽巖基底之上的新生代陸相斷陷型凹陷(見圖1)。研究區(qū)沈352井揭示的地層序列由下至上為太古界、元古界、新生界，新生界包含古近系和新近系[8]，古近系包含房山泡組、沙河街組、東營組，其中沙河街組分為三段，從下至上分別為沙河街組四段(簡稱沙四段)、三段、一段，本次研究的主要目的層段是沙四段。大民屯凹陷沙四段沉積時期是濱淺湖—半深湖—深湖的沉積演化過程，湖盆發(fā)育早期，榮勝堡、三臺子、安福屯及勝東等洼陷處于深水沉積環(huán)境[9]。安福屯斷層以東中央構(gòu)造帶為穩(wěn)定的臺地，構(gòu)造活動相對較弱，遠離外部沉積水流的影響，水體比較閉塞、安靜，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，發(fā)育灰褐色油頁巖、鈣質(zhì)泥巖夾深灰色泥巖，厚度達100～280 m[10]。區(qū)域構(gòu)造升降使油頁巖發(fā)育段呈典型的“三明治”結(jié)構(gòu)特征，油頁巖中富含白云質(zhì)、鈣質(zhì)，存在泥質(zhì)白云巖的夾層；儲集層具有特低孔、特低滲特征[11]。

圖1 大民屯凹陷構(gòu)造單元劃分Fig.1 Tectonic unit division of Damintun depression

2 樣品采集及測試方法

對沈352井沙四下亞段(3 169～3 352 m，總心長為183 m)進行鉆井取心，根據(jù)巖心觀察結(jié)果，巖石顏色以黑色夾綠色為主，呈現(xiàn)“三明治”特征，油頁巖夾碳酸鹽巖組合，為一套細粒沉積巖。為進一步判別沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的沉積環(huán)境，選取巖石薄片樣品241塊，主、微量元素各62件進行測試。

巖石薄片鑒定由中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院試驗技術(shù)研究中心完成，采用德國ZEISS公司的Zeiss Axio Imager A2顯微鏡。主、微量元素由西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成，主量元素測試在RIX2100 型X線熒光光譜儀(XRF)上進行，使用中國國家標準樣品GBW07105和美國地質(zhì)調(diào)查所BCR-2校正標準曲線，SiO2的分析精度為1%，其他氧化物的分析精度為4%～10%；微量元素測試在Elan6100DRC電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上進行，使用美國地質(zhì)調(diào)查所的AGV-1、BHVO-2、GSR-1和GSR-3作為標準樣品，多數(shù)元素的分析誤差在±5%以內(nèi)，低質(zhì)量分數(shù)元素的分析誤差在±15%以內(nèi)，元素的檢出限為0.1 μg/g。

3 測試結(jié)果

3.1 巖石鑒定結(jié)果

根據(jù)沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的巖心描述及241塊巖石薄片的鑒定結(jié)果，在3 280～3 352 m處，巖石以黑色含碳酸鹽泥巖、含碳酸鹽油頁巖為主(見圖2(a-b))，其次為黑色碳酸鹽質(zhì)泥巖，夾薄層泥質(zhì)泥晶粒屑云巖(見圖2(c-d))和泥質(zhì)泥晶云巖；在3 248～3 280 m處，巖石上部以綠色白云質(zhì)泥巖為主，其次為綠色泥質(zhì)泥晶云巖(見圖2(e-f))，下部以淺灰色白云質(zhì)泥巖、碳酸鹽質(zhì)泥巖為主，夾綠灰色泥質(zhì)泥晶云巖；在3 169～3 248 m處，巖石上部以黑色油頁巖(見圖2(g-h))、含碳酸鹽油頁巖為主，下部為深灰色含碳酸鹽泥巖。

圖2 沈352井沙四下亞段巖石類型及特征Fig.2 The rock characteristics and types of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

3.2 主、微量元素測試結(jié)果

微量元素在反映古環(huán)境信息方面能較好地保存原始地球化學信息[12]。某些微量元素質(zhì)量分數(shù)及其比值的變化，受風化作用、搬運作用、沉積作用、成巖作用，以及變質(zhì)作用的影響很少。沉積物主、微量元素質(zhì)量分數(shù)及比值變化為古環(huán)境分析提供理論依據(jù)[13]，地層中元素質(zhì)量分數(shù)及其比值變化、組合在一定程度上反映古環(huán)境的演化過程[14]。

從62件主、微量元素測試結(jié)果中隨機抽取10件樣品，根據(jù)w(V)/w(V+Ni)、w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al)、w(Sr)/w(Cu)、c、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(Ni)、w(Mg)/w(Ca)等的變化特征(見表1-2)，判斷沈352井的沉積環(huán)境特征及變化規(guī)律；根據(jù)主、微量元素測試結(jié)果計算主、微量元素的質(zhì)量分數(shù)比值(見表3)，其中c(為幾種元素的比值)計算方式根據(jù)蘭州地質(zhì)研究所劃分標準[15]。

表1 沈352井沙四下亞段巖心主量元素化合物質(zhì)量分數(shù)測試結(jié)果

Table 1 The test results of major elements compounds in corns of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352 %

表2 沈352井沙四下亞段巖心微量元素質(zhì)量分數(shù)測試結(jié)果

Table 2 The test results of mass fractions of trace element in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352 μg·g-1

表3 沈352井沙四下亞段巖心主、微量元素質(zhì)量分數(shù)比值

Table 3 Major and trace element mass fractions ratios in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

樣號井深/mw(V)/w(V+Ni)w(Zr)/w(Al)cw(Sr)/w(Cu)w(Mg)/w(Ca)w(V)/w(Ni)w(Sr)/w(Ba)103171．060．5612．551．742．654．081．280．55363177．160．6715．350．687．620．812．040．58913192．990．6213．680．927．460．601．660．621073196．860．6213．770．736．980．491．660．511283240．190．8014．760．592．231．844．050．811763252．620．7215．600．3417．530．992．611．662083259．160．6113．880．248．091．161．571．902423272．150．5311．740．301000．741．130．634063315．720．6910．180．5421．610．372．242．614573338．490．5912．810．5013．020．551．451．18

4 討論

4.1w(V)/w(V+Ni)變化特征及意義

沉積巖中w(V)/w(V+Ni)是研究古環(huán)境氧化還原性的重要指標[16]。當w(V)/w(V+Ni)≤0.45時，為富氧的沉積環(huán)境(氧化環(huán)境)；當w(V)/w(V+Ni)>0.45時，為缺氧的沉積環(huán)境；當0.450.60時，為厭氧的還原環(huán)境。

沈352井沙四下亞段w(V)/w(V+Ni)以大于0.45為主(見圖3)，為缺氧環(huán)境。在3 280～3 352 m處，w(V)/w(V+Ni)以介于0.45～0.60和大于0.60為主，為還原—弱還原環(huán)境；其中在粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)，w(V)/w(V+Ni)以小于0.45為主，為氧化環(huán)境。在3 248～3 280 m處，w(V)/w(V+Ni)以介于0.45～0.60為主，為弱還原環(huán)境。在3 169～3 248 m處，w(V)/w(V+Ni)以大于0.60為主，為厭氧的還原環(huán)境。

圖3 沈352井沙四下亞段巖心元素及比值變化特征Fig.3 Variation characteristics of element ratios in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

4.2w(V)/w(V+Ni)、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(Ni)、w(Mg)/w(Ca)變化特征及意義

Sr元素主要從咸水中直接沉淀，Ba元素易被黏土及細碎屑沉積物吸附富集。w(Sr)/w(Ba)能定量判別水體的古鹽度，劃分標準：當w(Sr)/w(Ba)>1.00時，為咸水相；當0.50

咸水介質(zhì)中的V和Ni主要被膠體質(zhì)點或黏土礦物等吸附沉淀，V元素易在氧化環(huán)境、酸度較大的條件下被吸附富集，Ni元素在還原環(huán)境、堿度較大的條件下更易富集。w(V)/w(Ni)用于判斷沉積介質(zhì)鹽度，比值越高，鹽度越高[17]。當w(V)/w(Ni)大于1.0時，為咸水環(huán)境，值越大，鹽度越高[18]。

w(Mg)/w(Ca)常作為淡水和咸水沉積的參數(shù)[19]，當w(Mg)/w(Ca)≤0.25時，為微咸水；當0.251.00時，為鹽湖環(huán)境。

由圖3、表4可知，在沈352井沙四下亞段3 280～3 352 m處，w(Mg)/w(Ca)以0.50～1.00和大于1.00為主、其次為0.25～0.50，w(V)/w(Ni)以大于1.00為主，w(Sr)/w(Ba)以大于1.00和0.50～1.00為主，為半咸水、咸水環(huán)境；其中在粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)，w(Mg)/w(Ca)小于0.25，w(V)/w(Ni)小于1.00，w(Sr)/w(Ba)以0.50～1.00為主，為微咸水、半咸水環(huán)境。在3 248～3 280 m處，w(Mg)/w(Ca)多集中在0.50～1.00之間，w(V)/w(Ni)大于1.00，w(Sr)/w(Ba)以大于1.00和0.50～1.00為主，為咸水環(huán)境。在3 169～3 248 m處，w(Mg)/w(Ca)多集中在0.25～1.00之間，w(V)/w(Ni)以大于1.00為主，w(Sr)/w(Ba)以小于0.50與0.50～1.00之主，為半咸水、咸水環(huán)境，整體上水體鹽度小于3 280～3 352 m處的。

表4 沈352井沙四下亞段巖石w(Mg)/w(Ca)、w(V)/w(Ni)、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(V+Ni)

Table 4 The average value ofw(Mg)/w(Ca)、w(V)/w(Ni)、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(V+Ni)in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

井深/mw(Mg)/w(Ca)w(V)/w(Ni)w(Sr)/w(Ba)w(V)/w(V+Ni)最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均3169～324810．900．402．840．800．500．674．050．972．240．800．130．413248～32801．060．540．770．720．530．653．381．141．912．570．621．323280～33524．140．071．550．670．210．502．230．271．122．250．530．96

4.3w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al)變化特征及意義

Al2O3、K2O、TiO2、P2O5、V 等礦物代表陸源碎屑的泥質(zhì)含量，其值隨水體逐漸加深而增大。碎屑巖中鋯(Zr)質(zhì)量分數(shù)的大小常作為物源區(qū)遠近或海岸線的指示標志[20]。Zr常在砂中富集，泥沉積區(qū)是Zr的低值區(qū)，說明Zr的高值總是與粗粒沉積巖對應，反映高能環(huán)境。w(Zr)/w(Al)代表近距離搬運的陸源組分和水體深度的變化，通常認為w(Zr)/w(Al)≤20為深水環(huán)境，w(Zr)/w(Al)>20為淺水環(huán)境[20]。

沈352井沙四下亞段(3 169～3 352 m)的w(Zr)/w(Al)小于20，代表深水環(huán)境。根據(jù)w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)判斷，在3 280～3 352 m處，整體水體較深，其中在粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)水體較淺；在3 248～3 280 m處，水體變淺；在3 169～3 248 m處，水體變深(見圖3、表5)。

表5 沈352井沙四下亞段巖石w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al)

Table 5 The average value ofw(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al) in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

井深/mw(Al2O3)/%w(K2O)/%w(TiO2)/%w(P2O5)/%w(V)/%w(Zr)/w(Al)最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均3169～324817．3513．215．113．580．912．391．760．751．070．800．040．21186．00100．00145．9315．3510．6512．953248～328011．554．708．823．700．912．581．060．250．520．420．050．16127．0043．0075．5017．0813．6815．503280～335219．051．7911．6253．620．152．031．420．090．741．980．120．2204．0013．0096．1613．638．4211．095

4.4c、w(Sr)/w(Cu)變化特征及意義

在潮濕氣候條件下，沉積巖中Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素質(zhì)量分數(shù)較高；在干燥氣候條件下，由于大氣降水減少，地表水分大量蒸發(fā)，盆地水介質(zhì)的堿性增強，Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素被大量析出并沉積在水底。

兩類元素在巖石中的質(zhì)量分數(shù)相對較高，利用它們的比值計算氣候指數(shù)c[15]:

c=∑(Fe+Mn+Cr+V+Ni+Co)/∑(Ca+Mg+K+Na+Sr+Ba)。

當c≤0.2時，為干燥氣候；當0.20.8時，為潮濕氣候[15]。

當w(Sr)/w(Cu)介于1.3～5.0時，為溫濕氣候；大于5.0 時，為干熱氣候[21]。

由圖3、表6可知，在沈352井沙四下亞段3 280～3 352 m處，c以0.6～0.8之間和0.4～0.6之間為主，其次為大于0.8；w(Sr)/w(Cu)以1.3～5.0為主，其次為大于5.0，為半潮濕氣候。在粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)，c以0.2～0.4之間和小于0.2為主，w(Sr)/w(Cu)大于5.0，為干熱氣候為主。在3 248～3 280 m處，c以0.2～0.4之間為主，w(Sr)/w(Cu)大于5.0，為半干燥、干燥氣候。在3 169～3 248 m處，c以大于0.8和0.6～0.8之間為主，w(Sr)/w(Cu)以1.3～5.0之間為主，其次為大于5.0，為潮濕、半潮濕氣候。

表6 沈352井沙四下亞段巖石c、w(Sr)/w(Cu)

Table 6 The average value ofc，w(Sr)/w(Cu) in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

井深/mcw(Sr)/w(Cu)最大最小平均最大最小平均3169～32483．010．630．9710．132．645．203248～32800．340．120．251008．0929．383280～33521．650．130．5178．334．6134．00

5 結(jié)論

(1)沈352井沙四下亞段氧化還原環(huán)境是由還原—弱還原、弱還原、還原環(huán)境的轉(zhuǎn)變，其中粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)為氧化環(huán)境。

(2)沈352井沙四下亞段水體鹽度是由半咸水—咸水、咸水、咸水—半咸水的轉(zhuǎn)變，其中粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)為微咸水環(huán)境。

(3)沈352井沙四下亞段水體深度是由較深、相對較淺、較深的轉(zhuǎn)變，其中粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)水體較淺。

(4)沈352井沙四下亞段氣候是由半潮濕—半干燥、干熱、溫濕的轉(zhuǎn)變，其中粒屑發(fā)育段(3 328～3 333 m)氣候干熱。

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2017-01-16；編輯：朱秀杰

國家科技重大專項(2016ZX05006-005-002)

張文偉(1978-)，男，碩士，工程師，主要從事油氣地質(zhì)方面的研究。

P618.13

A

2095-4107(2017)04-0099-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.04.011