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        地球化學(xué)參數(shù)在沉積古鹽度中的應(yīng)用

        2019-11-11 06:55:00唐鵬海
        云南化工 2019年9期
        關(guān)鍵詞:咸水鹽度淡水

        唐鵬海

        (長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430100)

        隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)行,人們發(fā)現(xiàn)單純研究沉積構(gòu)造已不能滿足現(xiàn)在的要求,很多問(wèn)題需要結(jié)合沉積鹽度才能順利解決,只有理清了研究區(qū)塊的沉積鹽度,才能為研究區(qū)塊的進(jìn)一步深入研究提供理論依據(jù)[1]。在沉積巖沉積過(guò)程中,各種主微量元素和生物跟隨著一起沉積下來(lái),這些元素和生物標(biāo)志物能夠記錄一系列的重大地質(zhì)信息[2]。前人對(duì)沉積古鹽度的研究,多基于對(duì)地面露頭劃分沉積相來(lái)確定古鹽度,而利用微量元素來(lái)確定古鹽度的不是很多[3]。隨著地球化學(xué)方法的不斷成熟,人們普遍發(fā)現(xiàn)地化參數(shù)也能很好的反映古鹽度[4]。因此,對(duì)于一些缺少露頭樣品和井下樣品,不能夠很好確定沉積相的,合理利用地球化學(xué)參數(shù),能夠很好的討論古鹽度,做到與沉積相分析相輔相成,為研究沉積鹽度提供多一種手段。

        1 地化參數(shù)與沉積古鹽度

        古鹽度是分析古沉積環(huán)境的重要一項(xiàng)內(nèi)容,它可以作為研究地質(zhì)歷史時(shí)期海陸變遷的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]。能夠反映古水體鹽度的參數(shù)繁多,如應(yīng)用古生物[6]、常量同位素[7]、微量元素[8]以及生物標(biāo)志化合物[9]。在微量元素中,通常利用B、Sr、Ba、Mg、Ca 含量、Sr/Ba、B/Ga、以及Rb/K 來(lái)作為反映沉積物沉積時(shí)古水體鹽度的判別指標(biāo)。在生標(biāo)參數(shù)中,通常利用伽馬蠟烷指數(shù)來(lái)判別古鹽度[9]。

        H.C.斯皮羅和N.C.格蘭姆別格認(rèn)為,黏土礦物的吸附的組分能夠較全面的反映沉積作用的物理化學(xué)條件,可以作為反映水體沉積鹽度的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),從淡水到咸水,高嶺土含量呈逐漸減少的狀態(tài),伊利石和蒙脫石的含量則逐漸增加,而以伊利石含量的增加最為明顯;由于黏土礦物種類不同,它對(duì)吸附離子的種類也不同,吸附性亦有很大區(qū)別。如在海相地層中,伊利石對(duì)鉀(K) 離子吸附尤為明顯,能夠大量吸附鉀(K) 離子,其他一些離子也會(huì)同時(shí)被大量吸附,如銣(Rb)、銫(Cs)、鋰(Li) 等堿金屬離子。而在陸相地層中,黏土礦物主要為高嶺土,它對(duì)鉀(K) 離子的吸附性很弱,對(duì)其他堿金屬離子吸附性也體現(xiàn)出很弱的吸附性。另外,依據(jù)H.C.斯皮羅等的研究,如果海水中鹽分組成不變,隨著海水濃度增高,被吸附的堿金屬離子(K、Rb、Li、CS 等) 比堿土金屬離子(Mg、Ca、Sr、Ba 等) 要多。基于上述理由,鉀(K),銣(Rb) 等元素含量就可作為推斷古鹽度的標(biāo)志之一。一般認(rèn)為,正常海相頁(yè)巖中Rb/K 一般為0.006,微咸水頁(yè)巖的一般大于0.004,河流沉積物中一般為0.0028[10-11]。付金華[12]利用Rb/K、Sr/Ba 值等方法分析對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 段進(jìn)行了古鹽度恢復(fù),指出長(zhǎng)7 段主要沉積在淡水-微咸水的沉積鹽度,這與李得路[13]對(duì)這該層進(jìn)行古鹽度得到的判識(shí)一致。

        鍶(Sr)、鋇(Ba) 離子半徑以及化學(xué)性質(zhì)十分相似,它們?cè)谒幸愿鞣N鹽類方式存在,當(dāng)陸相淡水與海相咸水相混合時(shí),Sr 離子與硫酸根離子相結(jié)合,以BaSO4形式沉淀下來(lái),而Sr 離子則繼續(xù)以離子狀態(tài)存在于水中[11]。因此,沿著陸地向海洋的方向,Ba 離子逐漸被SO42-捕獲發(fā)生沉淀,Sr 離子則繼續(xù)向海洋遷移。從而可以利用Sr/Ba 來(lái)反映沉積介質(zhì)的古鹽度。據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn),Sr/Ba 在淡水沉積物中常小于1,而在海水沉積物中這大于1[14]。由于有學(xué)者提出海相沉積物中Sr/Ba 比值不一定都大于1,一般采用分類標(biāo)準(zhǔn)為Sr/Ba<0.5 為陸相淡水沉積;Sr/Ba 在0.5~0.8之間為海陸過(guò)渡相沉積;Sr/Ba>0.8 為海相咸水沉積[9],此外,Sr 元素含量對(duì)水體鹽度的變化也具有很好的指示作用,一般在鹽水(海相) 沉積鹽度Sr 含量介于800~1000mg/kg,在淡水(陸相)沉積鹽度,Sr 含量介于100~500mg/kg。在國(guó)內(nèi)研究中,應(yīng)用Sr/Ba 研究古鹽度的例子屢見(jiàn)不鮮,如Shu Tao[15]等利用Sr/Ba 比研究中國(guó)西北三塘湖盆地的油頁(yè)巖,反映了當(dāng)時(shí)古鹽度的變化趨勢(shì)。從底部到頂部,三塘湖盆地的鹽度整體呈下降趨勢(shì)。這與本地使用其他古鹽度恢復(fù)得出的結(jié)論一致。因此,利用Sr/Ba 恢復(fù)古鹽度具有一定的適用性。

        B 元素含量與海水鹽度常具有線性關(guān)系,B 元素易于被黏土吸附且晶體格架穩(wěn)定,不易受次生變化的影響,因此可以作為古鹽度判別指標(biāo)[16]。在海相鹽度中,B 元素含量通常為高值,介于80~125mg/kg,在陸相鹽度中,B 元素含量為低值,通常小于60mg/kg。Ga 元素與B 元素相比具有更小的遷移能力,因此B/Ga 比值可以作為古鹽度以及河流相、湖湘泥巖的判別指標(biāo)。前人研究認(rèn)為,B/Ga 比值具有隨鹽度增大而增大的特征,在海相沉積鹽度中,Ga 含量小于8mg/kg,在湖湘沉積鹽度中,Ga 含量大于17mg/kg。Walker[17] 指出在湖相鹽度中,B 含量最低,在低鹽度的沉積鹽度,B 含量小于200mg/kg,在半咸水的沉積鹽度,B 含量介于200~300mg/kg 之間,在正常海水的沉積鹽度,B 含量介于300~400mg/kg 之間,在成鹽瀉湖鹽度,B 含量非常高可達(dá)1000mg/kg。劉寶珺[16]指出在湖湘沉積鹽度,B 含量介于20~60,在低鹽度至半咸水沉積鹽度,B含量在60~80mg/kg,正常海相沉積物中,B 含量介于80~125mg/kg。前人對(duì)B/Ga 比值做了研究,指出在河流-三角洲相,B/Ga 值介于0.5~1.0。在遠(yuǎn)離海岸的開(kāi)闊湖相,B/Ga 值介于1.5~2.5。在封閉湖湘,B/Ga 值介于4~4.5。在非閉塞咸水湖湘,B/Ga 值介于5~7.5。劉偉[18]對(duì)西湖凹陷古近紀(jì)地層進(jìn)行了古鹽度恢復(fù),指出Ga、Ba、Sr 可作為西湖凹陷地區(qū)河流-三角洲沉積的敏感元素,B 元素作為西湖凹陷盆地相研究的敏感元素。通過(guò)利用B、Sr 元素含量,指出西湖凹陷盆地應(yīng)屬于半咸水到咸水的范圍,與Sr/Ba 含量變化相一致。并通過(guò)相應(yīng)井古近系沉積物B 含量在紅花港組下端出現(xiàn)的異常特征,識(shí)別出花港沉積時(shí)的最大海泛期。

        圖1 硼含量及其校正圖

        利用B 元素除了可以對(duì)古鹽度進(jìn)行定性恢復(fù)外,還可以進(jìn)行定量計(jì)算。在自然界中,黏土礦物可從溶液中吸收硼并將其固定,吸收數(shù)量與溶液中硼元素含量有關(guān),由于水體中硼的濃度是水體的線性函數(shù),因此黏土礦物從水體中吸收硼的含量與水體的鹽度呈雙對(duì)數(shù)關(guān)系。Walker[17]提出通過(guò)利用伊利石理論含鉀量的8.5%來(lái)計(jì)算春伊利石中的“校正硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)”,即校正硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)=8.5× [硼測(cè)定值(10-6) /w(K2O)(%)]。在伊利石中硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù),為了在同等條件下對(duì)比,需計(jì)算相當(dāng)于K2O 為5%時(shí)的硼質(zhì)量分?jǐn)?shù),又稱為“相當(dāng)硼分?jǐn)?shù)”。Walker 提出,在超鹽度的古海水鹽度中,相當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于400mg/kg,在正常海水的沉積鹽度中,相當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)在300~400mg/kg,在半咸水的沉積鹽度,相當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)在200~300mg/kg,而在淡水沉積鹽度中,相當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于200mg/kg。王敏芳[19]對(duì)吐哈盆地36 個(gè)泥巖樣品,依據(jù)Walker的公式進(jìn)行了換算和作圖,指出從八道灣組-三共河組-西山窯組,相當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少,與利用Sr/Ba 比值、B 含量進(jìn)行的古鹽度恢復(fù)得到的結(jié)果具有很好的一致性。同時(shí),Walker(1963) 等人依據(jù)B 含量與水體鹽度的雙對(duì)數(shù)關(guān)系提出了古鹽度的計(jì)算公式,用來(lái)計(jì)算水體的古鹽度值,即佛倫德奇吸收方程:lgB=C1lgS+C2,式中B 為吸收硼含量(×10-6),S 為鹽度(‰),C1、C2為常數(shù)。此外,還有兩個(gè)常用的計(jì)算公式可以定性恢復(fù)古鹽度,分別為Adamas(亞當(dāng)斯) 公式:Sp=0.0977x-7.043,Sp 為古鹽度(‰),x 為“相當(dāng)硼”含量,x=8.5×B 樣品/K2O 樣品。Couch(科奇) 公式:Sp=lgB’-0.11/1.28,B’為“校正硼”含量,B’=B 樣品/(4Xi+2Xm+Xk),Xi,Xm,Xk分別代表樣品中實(shí)測(cè)的伊利石、蒙脫石和高嶺土的重量百分?jǐn)?shù)。戴朝成等在四川盆地川中地區(qū),利用Couch 公式對(duì)徐家河組沉積鹽度的古鹽度進(jìn)行分析,并通過(guò)其他的微量元素指標(biāo)對(duì)比,兩者具有很好的線性關(guān)系,達(dá)到了很好的應(yīng)用效果。

        此外,Li、Ni 元素含量也可用來(lái)指示水體鹽度的變化,在海相咸水沉積鹽度中,Li 含量大于150mg/kg、Ni 含量大于40mg/kg。在陸相淡水沉積鹽度中,Li 含量小于90mg/kg、Ni 含量介于20~25mg/kg[20]。在研究古鹽度時(shí),Sr/Ca 比值可以作為反映古水體鹽度的一個(gè)參數(shù)指標(biāo),它與Sr/Ba 呈一個(gè)負(fù)關(guān)系,在咸水沉積物中體現(xiàn)為低值,但由于該比值變化較為復(fù)雜,目前學(xué)者們并沒(méi)有統(tǒng)一的劃分標(biāo)識(shí)。

        在判別沉積物的古鹽度時(shí),亦可利用碳氧同位素和硼同位素來(lái)研究。Keith 和Weber 通過(guò)對(duì)侏羅系以來(lái)數(shù)百個(gè)海相灰?guī)r和淡水灰?guī)r同位素測(cè)定,提出來(lái)一個(gè)同位素系數(shù)(Z) 的經(jīng)驗(yàn)公式:Z=2.048 (δ13C+50) +0.498 (δ18O+50),并提出了判別范圍,若Z>120,指示海相灰?guī)r;若Z<120,指示淡水灰?guī)r。此外,還可通過(guò)單體同位素來(lái)判別水體古鹽度,常利用m (18O) /m(16O)、碳同位素、和硼同位素對(duì)古鹽度進(jìn)行恢復(fù)。肖普夫(1984) 對(duì)荷蘭某河口水體的(δ18O) 進(jìn)行了研究,并總結(jié)了其水水體的變化關(guān)系。在國(guó)內(nèi),亦有不同學(xué)者對(duì)氧同位素和鹽度的關(guān)系進(jìn)行了研究,如沈吉[21]對(duì)岱海水體的鹽度與氧同位素定量關(guān)系進(jìn)行了分析。利用碳同位素分析古鹽度的學(xué)者不多,主要時(shí)利用空氣中碳的含量低,水體中的碳主要來(lái)源于底部沉積物,使得底部沉積物的13C 被大量消耗,造成在淡水中δ13C 降低。在淡水沉積物中δ13C 分布在-5‰~15‰范圍內(nèi),在海相灰?guī)r中-5‰~5‰范圍內(nèi)。在硼同位素中,通常利用11B/10B 比值來(lái)作為同位素的表征。

        m (11B) /m (10B) 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值,標(biāo)準(zhǔn)值為4.04362±0.00137,在海水中硼同位素最高,陸相硼同位素變化最大。一般認(rèn)為,在現(xiàn)代海洋沉積物中,δ13B 值為-6.6‰~4.8‰,在古海洋沉積物中,δ13B 值為-17.0‰~5.6‰。在陸相沉積物中,硼元素含量變化較大,一般在-31‰~10‰,平均值為-4‰[23]。

        Nelson 通過(guò)對(duì)Rappahannock 河口三角港,F(xiàn)lower、York 河和Chesapeake 灣,Caniaco 海槽,Murray 湖紀(jì)南卡羅林納大陸坡的現(xiàn)代沉積物研究,提出磷酸鹽法的古鹽度計(jì)算公式:Fcap=0.09±0.026Sp,其中:Fcap 為磷酸鈣比值=磷酸鈣/(磷酸鐵+磷酸鈣),Sp 為古鹽度,單位‰。Fcap 與鹽度呈正相關(guān)關(guān)系,F(xiàn)cap<0.4 指示陸相鹽度,F(xiàn)cap>0.8 指示海相鹽度。王敏芳[19]利用Nelson 公式碎吐哈盆地西緣水西溝群泥巖進(jìn)行了古鹽度的恢復(fù)。指出使用Nelson 公式計(jì)算得到的結(jié)果與Couch 公式計(jì)算得到的結(jié)果有出入,但總體上指向一致,都指示了西水溝組的水體介質(zhì)為淡水-微咸水,且從下到上水體鹽度逐漸減少,與其它指標(biāo)判斷一致。

        在微量元素中,可以利用Th/U 比值來(lái)對(duì)古水體介質(zhì)進(jìn)行鹽度恢復(fù)。JOHN A S ADAMS[24]通過(guò)研究不同地區(qū)不同巖石的Th/U 比,總結(jié)提出了利用Th/U 比值劃分古水體鹽度的范圍。在陸相淡水鹽度,Th/U 比值大于7。在微咸水-半咸水的沉積鹽度,Th/U 比值介于2~7。在海相咸水的沉積鹽度,Th/U 比值小于2。付金華對(duì)長(zhǎng)7 段沉積巖的Th/U 進(jìn)行了研究,通過(guò)數(shù)據(jù)投點(diǎn)觀察,Th/U 值主要分布在微咸水-半咸水的區(qū)域,其次分布在淡水-微咸水區(qū)域,判識(shí)長(zhǎng)7 段水體介質(zhì)整體為微咸水-半咸水的沉積鹽度,與前人的研究結(jié)果得到很好的印證。

        在進(jìn)行古鹽度沉積時(shí),可利用總有機(jī)碳(TOC) 和總硫(TS) 含量的比值進(jìn)行古鹽度判別,Berner 和Raiswell (1984) 對(duì)現(xiàn)代沉積物石炭紀(jì)沉積巖進(jìn)行研究顯示,C/S 可以作為古鹽度判別的潛在指標(biāo),指出在海相沉積物中,C/S 值較低,分布在0.5~5,在陸相淡水沉積物中,C/S 比值較高,一般大于10。見(jiàn)表1。

        在生物標(biāo)志物地球化學(xué)中,伽馬蠟烷指數(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于古鹽度的研究。伽馬蠟烷來(lái)源于四膜蟲(chóng)醇,廣泛分布在原生動(dòng)物,光合硫細(xì)菌以及其他生物中。經(jīng)常出現(xiàn)在咸水的沉積物中,被認(rèn)為是咸水沉積鹽度的標(biāo)志物。伽馬蠟烷指數(shù)是伽馬蠟烷除以C30 藿烷的比值,高值指示咸水沉積鹽度,低值指示淡水沉積鹽度。三環(huán)萜烷也可對(duì)判別古鹽度提供一定幫助,通常淡水沉積物來(lái)源的萜烷中三環(huán)萜烷含量低,咸水沉積物來(lái)源的萜烷中三環(huán)萜烷含量高[9]。

        表1 古鹽度的基本特征及綜合判別表

        2 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

        綜合對(duì)以上各種地球化學(xué)指標(biāo)及所代表含義的詳細(xì)討論,可見(jiàn)在對(duì)沉積古鹽度進(jìn)行恢復(fù)時(shí),可以利用多種方法對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)。此外,不同的指標(biāo)在恢復(fù)沉積古鹽度時(shí)準(zhǔn)確性不一樣,我們要充分結(jié)合樣品實(shí)際的地質(zhì)背景,巖性特征,在地質(zhì)背景的約束下,充分利用好各類判別指標(biāo),選取誤差小,爭(zhēng)議性小的指標(biāo)參數(shù)。并且,在利用地球化學(xué)判別公式來(lái)研究沉積古鹽度時(shí),盡量采用多樣品、多元素的方法,避免單獨(dú)應(yīng)用一個(gè)樣品、一個(gè)元素就得出結(jié)論,這樣才能對(duì)各種參數(shù)之間的誤差進(jìn)行矯正判識(shí),減少誤判的誤差。

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