張海華，李曉海，張 健，鄭月娟，陳樹旺，張德軍，蘇 飛，卞雄飛，孫 雷

(中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034)

0 引 言

本文的研究區(qū)松遼盆地北部位于中亞造山帶的東部興蒙造山帶，二疊紀是興蒙造山帶演化階段的重要時期，該時期也是古亞洲洋向瀕太平洋構造域轉換的關鍵時期，其中上二疊統(tǒng)地層的形成時代和所處的構造環(huán)境對分析構造帶的演化歷史具有重要的意義。此外,近年來研究區(qū)的油氣地質調查成果顯示，上二疊統(tǒng)林西組具有較好的油氣資源潛力[1-2]；因此林西組的沉積時代、構造背景以及沉積環(huán)境一直以來受到地質學家的關注。不同專家學者對大興安嶺地區(qū)上二疊統(tǒng)的古生物地層特征、沉積環(huán)境和構造演化等進行了研究[3-10]。目前認為，松遼盆地二疊紀—三疊紀構造演化過程同大興安嶺地區(qū)類似，經歷了西伯利亞板塊和華北板塊的碰撞拼合的構造演化歷程[11-14]，其二疊紀地層發(fā)育特征與相鄰的大興安嶺地區(qū)能夠對比。由于松遼盆地內地質體被覆蓋，以往對林西組沉積環(huán)境及構造背景的研究多集中在松遼盆地外圍的露頭區(qū)，而針對松遼盆地內的相關研究較少。筆者在松遼盆地北部開展二疊紀地層研究時，在黑富地1井上二疊統(tǒng)地層中發(fā)現孢粉化石。本文將對孢粉化石和碎屑巖地球化學進行分析，為松遼盆地北部二疊紀地層研究提供基礎數據。本次所研究樣品采自松遼盆地北部地區(qū)的全井取心地質井黑富地1井，該井位于松遼盆地北部西斜坡區(qū)，完井深度2 089.4 m，在1 386.42～2 089.4 m井段發(fā)育厚層暗色泥質板巖和砂巖組合，并發(fā)現有晚二疊世孢粉化石。

碎屑巖中稀土、微量元素穩(wěn)定性好，在沉積過程中能穩(wěn)定存在，對判定源區(qū)性質、沉積環(huán)境以及構造背景等具有重要意義。有學者通過對不同變質帶的研究也表明，在中-低級變質作用下，巖石中的稀土、微量元素基本上不遷移，其地球化學成分基本沒有變化，仍然主要受控于物源區(qū)[15-16]。本文通過對松遼盆地北部黑富地1井1 386.42～2 089.4 m井段的林西組微體孢粉化石進行研究，確定林西組的時代，對林西組泥質板巖樣品進行元素地球化學分析，結合區(qū)域已有的地質成果，對盆地內林西組元素地球化學特征、沉積特征進行分析研究，以期為大興安嶺地區(qū)晚二疊世地層時代、沉積環(huán)境、構造背景的探討以及油氣資源前景分析提供重要的數據支撐和基礎資料。

1 區(qū)域地質概況

松遼盆地是我國油氣資源最為豐富的大型陸相含油氣盆地，基本位于松嫩地塊內部，處于中亞造山帶的東部興蒙造山帶，為古亞洲洋構造域和太平洋構造域的交切部位，其動力學和構造背景十分復雜。松遼盆地在三疊紀—早侏羅世時期，地幔物質大量上涌并引起地殼隆起，盆地整體呈現上升隆起狀態(tài)；中侏羅世至早白堊世早期，盆地中部區(qū)域莫霍面隆起使地幔作用形成大規(guī)模的拉張，并產生以北北東向為主的張性構造帶，盆地進入斷陷發(fā)育階段；早白堊世晚期至晚白堊世嫩江期，大范圍張性斷裂發(fā)育使地殼塌陷，形成統(tǒng)一的湖盆，在青山口組至嫩江組時期湖泛達到最大，盆地進入了陸內拗陷發(fā)育階段；晚白堊世嫩江組沉積之后的喜山運動時期，地殼加劇抬升，受擠壓構造作用盆地開始隆升，盆地進入了褶皺萎縮期。本次分析樣品采集的黑富地1井位于松遼盆地北部地區(qū)富裕構造帶內(圖1)，其基底為石炭—二疊系，蓋層主要白堊紀、古近紀和新近紀地層[17-18]。

圖1 松遼盆地北部構造單元劃分圖(據文獻[19]修編)

黑富地1井鉆探成果揭示，地層自下而上為林西組，井段1 386.42～2 089.4 m；泉頭組，1 181.8～1 386.42m；青山口組，1 083～1 181.8 m；姚家組，876～1 083 m；嫩江組，614.08～876 m；四方臺組，473.1～529.4 m；明水組，202.4～473.1 m；第四系，0～202.4 m。所鉆遇二疊系林西組主要發(fā)育砂巖及厚層大套暗色泥巖。本次古生物化石樣品和地球化學分析樣品均采自林西組井段發(fā)育的暗色粉砂巖及泥巖(圖2)。

圖2 黑富地1井林西組柱狀圖和孢粉化石采樣位置圖

2 樣品特征與分析測試

微體古生物化石樣品和元素地球化學分析樣品均取自黑富地1井1 489.9～2 014.3 m井段林西組，巖性為灰黑色泥質板巖，具有斑狀變晶結構，變余層理構造和斑點構造，變斑晶成分主要為紅柱石及空晶石、白云母；斑點成分主要為炭質、白云母及絹云母；其余部分為變余、炭質泥狀結構，成分由原巖黏土礦物和炭質組成，黏土礦物部分發(fā)生重結晶并形成絹云母，呈半定向分布。

對樣品開展了微體化石分析鑒定和主量、微量元素測試等工作。孢粉樣品處理及化石的鑒定分析在吉林大學古生物學與地層學研究中心孢粉實驗室完成。樣品地球化學測試工作在自然資源部東北礦產資源監(jiān)督檢測中心完成，整個測試過程均在無污染設備中進行。主量元素采用X射線熒光光譜法(XRF)，微量、稀土元素采用電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)完成，分析誤差小于5%。

3 古生物化石特征及其反映的地層時代

本次工作首次在松遼盆地北部黑富D1井(1 515～2 020.5 m井段)上二疊統(tǒng)林西組采獲孢粉化石，以裸子植物花粉占絕對優(yōu)勢，蕨類植物孢子含量較低且屬種貧乏。裸子植物花粉以無肋雙囊粉含量最多，其次為具肋雙囊粉，單氣囊花粉含量則較少，主要屬種有Protohaploxypinus，Piceaepollenitesopimuscen，Potonieisporitesstenolomus，Alisporitescommunis，Hamiapollenitessp.，Cordaitinasp.，Florinitesluberae，Klausipollenitesschaubergeri,Platysaccuspapilionis、Vittatina等，稱為Protohaploxypinusfertilis-Piceaepollenitesopimus-Alisporitescommunis組合(圖3)。Alisporites和Falcisporites為裸子植物花粉中無肋雙囊粉中的兩個屬，這兩屬在新疆地區(qū)上二疊統(tǒng)梧桐溝組和鍋底坑組中為常見分子，并在新疆吉木薩爾大龍口地區(qū)廣泛出現和發(fā)育；Protohaploxypinus屬在本次研究中含量較多，為晚二疊世時期的重要分子，在新疆地區(qū)的鍋底坑組和梧桐溝組含量較為豐富[20-22]，并且也見于大興安嶺地區(qū)林西組[23]。綜合以上分析，本次在黑富地1井井段所獲得的孢粉化石可與新疆地區(qū)上二疊統(tǒng)和大興安嶺地區(qū)林西組孢粉組合對比，表明其地層時代為晚二疊世。

(a)Alisporites communis，樣品HFD1-27BF；(b)Protohaploxypinus fertilis，樣品HFD1-25BF；(c)Protohaploxypinus fertilis，樣品HFD1-27BF；(d)Protohaploxypinus fertilis，樣品HFD1-25BF；(e)Alisporites communis，樣品HFD1-53BF；(f)Protohaploxypinus fertilis，樣品HFD1-31BF；(g)Piceaepollenites opimus，樣品HFD1-41BF；(h)Protohaploxypinus fertilis，樣品HFD1-31BF；(i)Alisporites communis，樣品HFD1-67BF

4 地球化學特征

4.1 主量元素

黑富地1井林西組泥質板巖元素地球化學分析結果(表1)顯示，SiO2的含量為55.58%～63.72%，平均為60.41%；TiO2的含量為0.63%～0.91%，平均為0.77%；Al2O3含量較高，介于13.17%～17.93%之間，平均為16.36%；Fe2O3含量為0.35%～2.49%，平均為0.95%；FeO含量為3.23%～6.53%，平均為4.99%；MgO的含量介于1.65%～4.30%之間，平均為2.47%；A12O3/(CaO+Na2O)值介于0.92～6.89之間，平均為3.73；K2O/Na2O為0.14～2.48，平均為1.25(表1)。

4.2 微量元素

黑富地1井林西組碎屑巖樣品中微量元素Rb、Ba及Zr的質量分數相對較高,一般都達到了100×10-6(表1，圖4)。與大陸上地殼、下地殼豐度[24]相比，研究區(qū)碎屑巖的Rb、Cs等大離子親石元素質量分數相對高于上地殼的豐度(112.0×10-6、4.9×10-6),并且遠高于下地殼的豐度(5.3×10-6、0.3×10-6)；高場強元素Nb質量分數略高于上地殼豐度(25.0×10-6),且遠高于下地殼豐度(6.0×10-6)；Ta質量分數略低于上地殼豐度值(2.2×10-6),絕大部分高于下地殼豐度值(0.6×10-6)；Zr質量分數大部分高于上地殼豐度(190×10-6),且遠高于下地殼值豐度值(70×10-6)。低場強元素Th質量分數部分略高于上地殼豐度(10.7×10-6),部分略低于上地殼豐度值,但都高于下地殼豐度(1.06×10-6)；U質量分數部分高于上地殼豐度值(2.8×10-6)，都高于下地殼豐度(0.28×10-6)；Sr質量分數則基本低于上地殼和下地殼豐度值(350×10-6、230×10-6)，這可能與Sr離子半徑相對較小、易以游離態(tài)形式被地下水及地表水帶走相關[23]。

(續(xù))表1 松遼盆地黑富地1井林西組泥質板巖主量、微量和稀土元素分析結果

圖4 松遼盆地北部黑富地1井林西組泥質板巖微量元素原始地幔標準化蛛網圖(樣品號示采樣深度)

4.3 稀土元素特征

林西組樣品的稀土元素整體變化不大(表1，圖5)，均表現出輕稀土元素富集、重稀土平坦(分餾較小)的特征，Eu大部分表現出負異常。稀土元素總量ΣREE介于63.20×10-6～208.05×10-6之間，平均為147.56×10-6；LREE/HREE值為5.65～7.16，平均為6.59，低于北美頁巖豐度(7.5[25])；(La/Yb)N值介于5.01～7.29之間，表明輕、重稀土元素分異程度相對較高，輕稀土相對富集。(La/Sm)N可作為表征輕稀土元素分異程度指標，其值為2.61～3.66，變化范圍較小，平均值為3.18，指示輕稀土具有中等的分餾程度；(Gd/Yb)N則可表征重稀土分異程度，該值介于1.03～1.40之間，平均為1.25，表明重稀土元素分餾相對較低，曲線較平坦；δEu值相對較低，介于0.56～1.14之間，平均為0.73，大部分表現為Eu的負異常。

5 討 論

5.1 物源區(qū)性質

碎屑巖中稀土元素的質量分數主要由物源區(qū)的巖石成分所決定，稀土元素具有不可溶性質，在水體中的質量分數極低，搬運過程中主要呈碎屑顆粒方式進行搬運，而且受成巖作用的影響較小，所以稀土元素配分模式可以客觀地反映沉積物源區(qū)的性質,可作為物源區(qū)的一個重要的示蹤指標[26-30]。本次研究的碎屑巖樣品地稀土元素經球粒隕石標準化后，表現出輕稀土元素較富集、重稀土元素均一(輕度虧損)、Eu元素大部分具有負異常特點，這與上地殼稀土元素的配分形式較一致，說明研究區(qū)碎屑巖的原始物源來自上地殼。

微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖4)表明，黑富地1井碎屑巖樣品呈現出大致相似的微量元素分布狀態(tài)，都以虧損Nb、Ta、Sr和富集Rb、La、Pb、Nd、Sm等為特征。這些微量元素特征指示，林西組碎屑巖沉積物主要來自上地殼的長英質巖石。

前人研究[31]表明，當沉積物中Al2O3/TiO2<14時，沉積物物源可能來自鎂鐵質的巖石，Al2O3/TiO2值在19～28之間時，物源可能來自花崗閃長質機英云閃長質(或安山質和流紋質)巖石。本次研究的樣品Al2O3/TiO2值基本介于19.72～23.97之間，表明物源主要源于花崗閃長巖和英云閃長巖。

Cr/Zr值可以用來反映鎂鐵質巖石與長英質巖石對沉積物的相對貢獻。黑富地1井巖石樣品Cr/Zr值介于0.20～0.50之間，平均為0.30，明顯小于1，說明它們的物源主要來自長英質巖石[32]。

Ni質量分數介于19.1×10-6～42.7×10-6之間，TiO2質量分數介于0.63%～0.91%之間，在Floyd提出的Ni-TiO2成分判別圖解[33]中，樣品的投影點基本都落在長英質源區(qū)內，明顯區(qū)別于其他物質成分的源區(qū)(圖6)。

圖6 松遼盆地北部黑富地1井林西組泥質板Ni-TiO2圖解

在Hf-La/Th判別圖解(圖7)中，樣品投點基本落入長英質物源區(qū)或其附近，表明碎屑物具有長英質源區(qū)性質。

圖7 松遼盆地北部黑富地1井林西組泥質板巖Hf-La/Th圖解

在REE-La/Yb源巖判別圖解(圖8)中，碎屑巖樣品投點都集中落在鈣質泥巖區(qū)和玄武巖區(qū)的混合區(qū)范圍內。

圖8 松遼盆地北部黑富地1井林西組泥質板巖REE-La/Yb圖解

綜上分析認為，研究區(qū)黑富地1井林西組碎屑巖沉積物母巖源區(qū)物質相對較復雜，主要源于上地殼的長英質物源區(qū)，少量來自基性火成巖物源區(qū)，物源呈現多樣性，但主要以長英質巖石的物源區(qū)為主。

5.2 構造背景

通過對不同構造背景的古碎屑巖及現代砂泥巖沉積物的主量元素特征分析, Roser等[34]認為主量元素K2O/Na2O 值為反映構造環(huán)境的有效指標，并提出K2O/Na2O-SiO2構造環(huán)境判別圖解。本次測試樣品投點都落在了活動大陸邊緣區(qū)域和在島弧區(qū)(圖9(a))，表明研究區(qū)沉積物的物源區(qū)背景以主動大陸邊緣和島弧構造環(huán)境為主。依據F1、F2判別函數及公式計算出函數值并進行投圖分析[35-36]。在F1-F2構造判別圖解(圖9(b))上，林西組泥質板巖樣品大部分落在活動大陸邊緣區(qū)和島弧區(qū)域，也表明研究區(qū)物源區(qū)背景以主動大陸邊緣和島弧構造環(huán)境為主。

圖9 松遼盆地林北部黑富地1井林西組泥質板巖構造背景(底圖分別據文獻[34-35,37])

碎屑巖中的微量元素比主量元素具有更好的穩(wěn)定性，Cr、Co、Th、Sc、La和Zr等在沉積環(huán)境中保持穩(wěn)定，可用來判定源區(qū)性質及構造背景[37]。在Th-Co-Zr/10構造判別圖解(圖9(c))上，數據點大部分落入大陸島弧的范圍內，反映源區(qū)為大陸島弧構造背景。

稀土元素特征可被用于判定現代和古代沉積物的物源區(qū)性質或構造背景等。Murry等[38]的研究成果表明，Ce異常與沉積盆地的構造背景相關，在距洋脊頂400 km之內的擴張脊附近，Ce負異常明顯，δCe為0.29×10-6；大洋盆地中具有中等的Ce負異常，δCe值為0.55×10-6；大陸邊緣區(qū)Ce異常消失或者轉變?yōu)檎惓?，δCe介于0.9×10-6～1.30×10-6之間。本文林西組泥質板巖樣品的Ce異常值介于0.90×10-6～0.98×10-6之間，為弱負異常，反映當時沉積背景為靠近大陸邊緣區(qū)域，類似于大陸邊緣構造環(huán)境。

綜合以上地球化學分析結果，松遼盆地北部黑富地1井林西組泥質板巖形成于靠近大陸島弧的活動大陸邊緣的構造環(huán)境。

5.3 沉積環(huán)境

分析沉積環(huán)境時，運用微量元素比值等信息可以反映沉積介質氧化還原特征，V/(V+Ni)>0.46 指示還原環(huán)境，V/(V+Ni)<0.46則指示氧化環(huán)境[39]。黑富地1井林西組泥質板巖的V/(V+Ni)值介于0.73～0.82之間，平均為0.78，大于0.46，指示林西組形成于還原環(huán)境，有利于有機質的保存；對該井林西組井段樣品有機碳含量等相關指標(樣品有機質豐度平均為1.06%)的分析也表明，林西組形成于還原環(huán)境[40]。

根據碎屑巖中MgO的親海性和Al2O3的親陸性特征，可以用鎂鋁比值(b=MgO/Al2O3)判定水體的鹽度[41]，b值隨著水體鹽度的增加而增加：淡水沉積環(huán)境中b<1，陸海過渡性沉積環(huán)境中b值介于1～10之間，海水沉積環(huán)境中b介于10～500之間，陸表海環(huán)境(或潟湖碳酸鹽巖環(huán)境)中b>500。黑富地1井林西組的b值絕大多數在10～20之間(11.03～27.22)，指示林西組碎屑巖大多形成于陸海過渡沉積環(huán)境。

Sr/Ba值和鍶豐度也可作為古鹽度判別的標志。在自然界水體中，鍶和鋇在水體中以重碳酸鹽的形式出現，當水體礦化度即鹽度逐漸增加時，鋇以BaSO4的形式首先發(fā)生沉淀,而留在水體中的鍶相對鋇較富集；當水體的鹽度增加到一定程度時，鍶以SrSO4的形式發(fā)生沉淀, 進而記錄在碎屑沉積物中的鍶豐度、Sr/Ba值與古鹽度呈現明顯的正相關關系，因此可作為古鹽度判別的標志。一般來說，淡水相沉積物中Sr/Ba值小于1，Sr/Ba為0.6～1.0，為半咸水環(huán)境，海相沉積物中Sr/Ba值大于1[42]。黑富地1井10件樣品的Sr/Ba值分布介于0.18～0.39之間，平均為0.54，反映其總體上為淡水環(huán)境。

B/Ga值是判斷沉積水體古鹽度的另一種方法。硼酸鹽溶解度較大，可以遷移，只有當水蒸發(fā)后才能析出；鎵活動性低，易沉淀，因此利用B/Ga值可判定古鹽度[43]。海相沉積物中B/Ga值一般大于4.2，而陸相沉積物中一般小于3.3。黑富地1井10件碎屑巖樣品的B/Ga值分布在0.21～4.78之間，其中介于3.61～4.78之間的樣品為3件，即大于3.3，10件樣品的平均值為1.85，主體反映為陸相淡水環(huán)境，可能存在咸水向淡水轉化的過渡環(huán)境或存在海侵過程。

綜合以上巖石地球化學分析和指標，通過源區(qū)特征、構造背景及古環(huán)境分析，推斷研究區(qū)林西組可能形成于活動大陸邊緣構造環(huán)境，并且類似于大陸島弧的背景，母巖源區(qū)物質較復雜，但以長英質源區(qū)為主。可能后期受到島弧俯沖和碰撞等作用的影響，陸殼發(fā)生抬升，沉積背景由海陸過渡相逐漸轉變?yōu)殛懴?，沉積水體由海陸過渡環(huán)境的半咸水逐漸轉變?yōu)殛懴嗟牡?，這與先期發(fā)表的數據和盆地外圍扎魯特地區(qū)林西組水體鹽度變化相一致[32,44]。

6 結 論

(1)松遼盆地北部黑富地1井獲得的孢粉化石分析結果表明，孢粉組合具有晚二疊世時期的典型分子特征，可與新疆梧桐溝組和鍋底坑組以及大興安嶺地區(qū)林西組孢粉組合對比，反映該地層的形成時代為晚二疊世。

(2)林西組碎屑巖母巖源區(qū)物質較復雜，物源具有多樣性，但源區(qū)主要以上地殼長英質巖石為主，并有少量基性巖物源；林西組碎屑巖形成于主動大陸邊緣和大陸島弧構造環(huán)境，可能與板塊的俯沖、碰撞背景相關。

(3)研究區(qū)林西組可能受島弧俯沖及碰撞造山作用的影響，陸殼抬升，沉積環(huán)境應從弧后盆地的海陸過渡環(huán)境逐漸轉變?yōu)殛懴喹h(huán)境，水體由海陸過渡相的半咸水向陸相的淡水轉變。