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        三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)沉積巖層地球化學(xué)特征及古環(huán)境意義

        2021-08-08 10:22:22陳亞軍荊文波宋小勇何伯斌伍宏美解士建宋凱輝
        巖性油氣藏 2021年4期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境

        陳亞軍,荊文波,宋小勇,何伯斌,伍宏美,王 睿,解士建,宋凱輝,馬 強(qiáng)

        (1.北京中科聯(lián)華石油科學(xué)研究院,北京 100101;2.中國(guó)石油吐哈油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆哈密 839009;3.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,甘肅酒泉 735019)

        0 引言

        微量元素地球化學(xué)特征與沉積物沉積時(shí)的古氧化還原條件密切相關(guān),缺氧還原條件與富氧氧化條件的沉積特征具有明顯區(qū)別[1]。目前,元素地球化學(xué)分析在古氧化還原環(huán)境、物源區(qū)巖石成分分析、海相地層劃分等方面應(yīng)用廣泛[2-4],如利用微量元素含量法、微量元素比值法、硼(B)法等來(lái)研究古氧化還原環(huán)境已較為成熟[5-6]?;鹕綆r與沉積巖在形成條件、發(fā)育環(huán)境、分布規(guī)律等方面具有很大差異。巖漿作用形成的熔巖和火山碎屑巖在堆積固結(jié)成巖過(guò)程中,很可能發(fā)生后期蝕變,所蘊(yùn)含的地球化學(xué)信息雖然能反映巖漿來(lái)源及構(gòu)造背景,但噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的地球化學(xué)信息已不太準(zhǔn)確,所以直接利用火山巖元素地球化學(xué)信息來(lái)反映噴發(fā)沉積期的古地理環(huán)境特征,顯然存在較大不確定性。微量元素地球化學(xué)特征與沉積物沉積時(shí)的古氧化還原條件具有密切關(guān)系,因此,可利用火山噴發(fā)間歇期沉積的薄層沉積巖夾層的地球化學(xué)行為來(lái)研究沉積巖夾層古沉積環(huán)境的氧化還原條件,進(jìn)而得出火山巖地質(zhì)環(huán)境演化的有關(guān)信息。

        火山巖儲(chǔ)層的發(fā)育受控于多種因素,其中噴發(fā)沉積環(huán)境是影響儲(chǔ)層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[7-9]。根據(jù)火山噴發(fā)物堆積和保存時(shí)所處的古地理環(huán)境[9-11],可將火山巖分為陸上沉積火山巖和水下沉積火山巖[11]。陸上火山噴發(fā)堆積固結(jié)時(shí)接觸的介質(zhì)是空氣,水下火山噴發(fā)溢流沉積時(shí)接觸的介質(zhì)是水體(海水或湖水)[11-13],2 種不同介質(zhì)環(huán)境中U,Ni,V,Cr,Sr 等氧化還原敏感性元素的富集程度不同[14]。因此,可利用火山噴發(fā)間歇期正常沉積巖層中氧化還原敏感性微量元素的含量及其相關(guān)比值的演化趨勢(shì)來(lái)重建氧化還原狀態(tài),以進(jìn)一步探討古沉積環(huán)境意義,進(jìn)而間接得出火山噴發(fā)沉積時(shí)所處的古地理環(huán)境演化信息。對(duì)馬朗凹陷牛圈湖—牛東地區(qū)上石炭統(tǒng)卡拉崗組和哈爾加烏組的研究主要集中于巖性顏色、巖石結(jié)構(gòu)與粒度、儲(chǔ)集空間類型等方面,大多認(rèn)為水下噴發(fā)沉積或保存時(shí)水的作用主要體現(xiàn)在巖性顏色、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、產(chǎn)狀、蝕變、與下伏地層接觸關(guān)系、孔隙發(fā)育及裂縫特點(diǎn)等方面。梁浩等[15]、林潼等[16]、馬雪等[17]利用巖相、古生物標(biāo)志、自身礦物分布以及巖石中Fe2O3與FeO 的分布特征等來(lái)判定火山巖的沉積古地理環(huán)境。目前,尚無(wú)學(xué)者基于火山噴發(fā)間歇期或平靜期沉積的薄層沉積巖層微量元素的地球化學(xué)行為及其相關(guān)比值,來(lái)探討其古沉積環(huán)境的意義。

        本次研究試圖通過(guò)火山噴發(fā)間歇期沉積的薄層沉積巖微量元素的含量及其相關(guān)比值,研究其古沉積環(huán)境,以期更全面、更科學(xué)地認(rèn)識(shí)三塘湖盆地石炭系火山巖沉積古地理環(huán)境,為該類火山巖油氣勘探提供參考。

        1 地質(zhì)概況

        三塘湖盆地位于新疆巴里坤哈薩克自治縣與伊吾縣境內(nèi),夾持于莫?dú)J烏拉山與蘇海圖山之間,呈北西—南東向條帶狀分布。經(jīng)過(guò)海西、印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的復(fù)合作用[15,18],呈南北分帶、東西分塊的構(gòu)造格局。其中馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖大面積分布,已發(fā)現(xiàn)了牛東油田和牛圈湖含油氣構(gòu)造,并具有上億噸儲(chǔ)量規(guī)模[圖1(a)],油層主要位于上石炭統(tǒng)卡拉崗組和哈爾加烏組火山巖體中[10]。

        鉆井揭示,牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上發(fā)育的地層自下而上依次為上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)、哈爾加烏組(C2h)、卡拉崗組(C2k)、上二疊統(tǒng)蘆草溝組(P2l)和條湖組(P2t)、中上三疊統(tǒng)克拉瑪依組(T2k2)、下侏羅統(tǒng)八道灣子組(J1b)和三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和頭屯河組(J2t)、上侏羅統(tǒng)齊古組(J3q)、下白堊統(tǒng)(K1)等,各層組間大都為不整合接觸[圖1(b)]。井下揭露上石炭統(tǒng)C2k 和C2h 以熔巖為主,占地層總厚度的70%,火山碎屑巖次之,約占地層總厚度的27%,在各噴發(fā)間歇期沉積有薄層沉積巖,約占地層總厚度的3%。司學(xué)強(qiáng)等[19]、羅權(quán)生等[20]采用旋回—亞旋回—期次—韻律—層5級(jí)地層劃分方案,將C2h 劃分為2 個(gè)亞旋回(C2h1,C2h2)、4 個(gè)噴發(fā)期次(C2h11,C2h12,C2h21,C2h22);將C2k 劃分為4 個(gè)亞旋回、8 個(gè)噴發(fā)期次,自上而下對(duì)應(yīng)8 個(gè)油層組(K1—K8)。借鑒文獻(xiàn)[18-20]的研究成果,在三塘湖牛東地區(qū),石炭系滾動(dòng)目標(biāo)優(yōu)選研究中認(rèn)識(shí)到,馬中—牛東—馬33 井區(qū)上石炭統(tǒng)C2h22,C2h12頂部有火山洼地或湖泊發(fā)育,以湖相暗色泥巖夾炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、砂礫巖沉積為特征;C2k 中下部火山噴發(fā)間歇期有少量沉積巖層存在,厚度較薄,而頂部的K1組底部為一較短期風(fēng)化面,風(fēng)化面之下分布有穩(wěn)定的沉積巖。

        圖1 三塘湖盆地馬朗凹陷構(gòu)造位置(a)及地層綜合柱狀圖(b)Fig.1 Structural location(a)and stratigraphic column(b)of Malang Sag in Santanghu Basin

        2 樣品采集及分析測(cè)試方法

        選取C2k 和C2h 火山噴發(fā)間歇期正常沉積巖層地球化學(xué)樣品共20 件,其采樣位置、深度、層位、巖性等信息見(jiàn)圖2。測(cè)試采用Finnigan Element Ⅱ型等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)完成,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于5%。測(cè)定前須做樣品處理:首先準(zhǔn)確稱取50 mg 巖石標(biāo)樣,放于聚四氟乙烯塑料坩鍋中,依次加入1 mL HClO4,3 mL HF,2 mL HNO3,置于電熱板上加熱并觀察坩鍋中HClO4白煙冒盡時(shí),取下冷卻;然后加入1 mL(1+1)HCl 和8 mL H2O,置于電熱板上微熱至鹽類完全溶解后定容10 mL,最后分取1 mL至10 mL至比色管中,并補(bǔ)加0.2 mL HNO3,標(biāo)準(zhǔn)定容至10 mL,待測(cè)。

        圖2 馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶C2k 沉積相展布(a)及采樣井位和采樣點(diǎn)示意圖(b)Fig.2 Distribution of sedimentary facies of Kalagang Formation in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag(a)and schematic diagram of sampling wells and sampling points(b)

        調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料,綜合建立了DOP(黃鐵礦礦化度)、w(U),w(U)/w(Th),w(V)/w(Cr),w(Ni)/w(Co),w(V)/w(V+Ni),w(V)/w(Sc),w(Sr)/w(Ba),w(Cu)/w(Zn),w(V)/w(Zr),w(B)/w(Ga)等11 種微量元素含量的地球化學(xué)指標(biāo)判識(shí)圖版,以此示蹤20 件地球化學(xué)樣品的古沉積環(huán)境的氧化還原狀態(tài)。

        3 測(cè)試結(jié)果分析

        3.1 沉積巖層巖石類型及其特征

        在梁浩等[15]對(duì)三塘湖盆地馬朗凹陷火山巖分類的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)研究區(qū)C2k 典型取心井的巖心觀察和薄片鑒定,確定該層系發(fā)育的熔巖主要為氣孔玄武巖、致密塊狀玄武巖、杏仁狀玄武巖[圖3(a)],火山碎屑巖主要為巖屑、玻屑、晶屑凝灰?guī)r和火山角礫巖[圖3(b)—(c)]。在不同噴發(fā)間歇期即噴發(fā)間斷面上,沉積有薄層沉積巖,巖性主要有灰褐色粗中粒巖屑砂巖、棕色細(xì)砂巖、灰黑色凝灰質(zhì)泥巖、泥巖和黑色炭質(zhì)泥巖[圖3(d)—(h)],其中砂巖、細(xì)砂巖成分以石英、長(zhǎng)石為主,巖屑次之,微含暗色礦物,分選性中等,呈次圓狀,泥質(zhì)膠結(jié)[圖3(d)—(e)];灰色泥巖、黑色炭質(zhì)泥巖含少許碎屑成分,局部裂縫被方解石充填或半充填[圖3(f)—(h)]。

        C2h 主要發(fā)育致密塊狀、淬碎爐渣狀、玻璃質(zhì)含量高的玄武巖[圖3(i)],氣孔杏仁狀玄武巖發(fā)育程度低,且充填程度高,其次為玻屑、晶屑凝灰?guī)r和玄武質(zhì)火山角礫巖[圖3(j)—(k)],玻屑凝灰?guī)r和晶屑玻屑凝灰?guī)r均含有生物碎屑、炭屑及少量泥質(zhì)條帶。C2h22,C2h12火山活動(dòng)間歇期,以暗色泥巖夾炭質(zhì)泥巖或粉砂、砂礫巖沉積為特征[19,21];泥巖與炭質(zhì)泥巖含有凝灰質(zhì)成分,巖心見(jiàn)水平層理發(fā)育,紋層厚度為1~4 cm,具有一定的沉積特征[圖3(l)—(o)];凝灰質(zhì)粉砂巖[圖3(p)]較為致密,多為細(xì)砂,成分以石英為主,長(zhǎng)石次之,分選性中等,呈次圓狀。

        圖3 馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上石炭統(tǒng)C2k 和C2h 典型火山巖、沉積夾層巖心及鑄體薄片(a)玄武巖,C2k,牛東109 井,2 098.63~2 098.86 m;(b)含白云石玻屑沉凝灰?guī)r,C2k,馬73 井,2 043.96~2 044.18 m;(c)含油玄武質(zhì)火山角礫巖,C2k,馬40 井,1 795.90~1 796.03 m;(d)灰褐色粗中粒巖屑砂巖,C2k,馬24 井,1 483.28~1 483.42 m;(e)棕色細(xì)砂巖,C2k,馬24 井,1533.00~1 533.20 m;(f)灰色泥巖,C2k,馬29 井,2182.60~2 182.76 m;(g)灰色泥巖,C2k,馬29 井,2183.95~2184.05 m;(h)炭質(zhì)泥巖,C2k,馬29 井,2184.68~2 184.76 m;(i)杏仁狀玄武巖,C2h,馬40 井,2 736.23~2 736.34 m;(j)玄武質(zhì)巖屑凝灰?guī)r,C2h,馬361 井,3 162.01~3 162.21 m;(k)中性細(xì)火山角礫巖,C2h,馬67 H 井,3 083.63~3 083.73 m;(l)灰色泥巖,C2h,馬38 井,3040.05~3 040.15 m;(m)泥巖,C2h,馬38 井,3042.10~3042.22 m;(n)泥巖,C2h,馬40 井,2 732.75~2 732.87 m;(o)炭質(zhì)泥巖,C2h,馬40 井,2 732.50~2 732.75 m;(p)凝灰質(zhì)粉砂巖,C2h,馬40 井,2 668.10~2 668.18 mFig.3 Core photos and cast thin sections of typical volcanic rocks and sedimentary interbeds of Upper Carboniferous Kalagang Formation and Haerjiawu Formation in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag

        3.2 沉積巖層巖石元素分布的影響因素

        以馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶火山噴發(fā)間歇期或平靜期沉積的薄層沉積巖層(砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖等)為研究對(duì)象,在分析其元素地球化學(xué)行為與環(huán)境意義時(shí),須考慮火山活動(dòng)、沉積環(huán)境介質(zhì)(空氣、水體)、風(fēng)化作用、埋藏作用等因素的影響。

        (1)沉積環(huán)境??紤]到不同介質(zhì)物化條件的差異,一些對(duì)沉積環(huán)境較為敏感的元素在巖石中的分布規(guī)律和富集程度不盡相同;有些微量元素水下(還原條件)富集,有的則陸上(氧化條件)富集。一般認(rèn)為T(mén)h 和Sc 受氧化還原環(huán)境變化影響較小,而Ni 和Co 易在還原條件下富集,V 易在氧化環(huán)境富集;而海洋(湖水)高鹽度沉積物中B 和Sr 含量高,淡水沉積物中Ga 和Ba 比較富集。

        (2)風(fēng)化作用。風(fēng)化作用的影響僅局限于陸上噴發(fā)間歇期或平靜期沉積的沉積物或沉積巖,而對(duì)水下噴發(fā)間歇期沉積的沉積物或沉積巖幾乎無(wú)影響。高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化作用對(duì)出露地表的沉積巖層主微量元素的分布和分配具有一定影響,其地球化學(xué)信息不再具有反映和記錄原始沉積古環(huán)境的意義。為合理規(guī)避這一干擾因素,采樣時(shí)選擇較為新鮮的樣品,同時(shí)去掉表層風(fēng)化物質(zhì),剔除蝕變、礦化較強(qiáng)及風(fēng)化破碎的樣品。

        (3)埋藏作用。在火山巖的埋藏成巖階段,地層流體的滲入與帶出會(huì)導(dǎo)致原有礦物發(fā)生蝕變或溶蝕,同時(shí)有新礦物或次生礦物形成,產(chǎn)生次生膠結(jié)和充填作用,成巖礦物會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而引起火山噴發(fā)間歇期薄層沉積巖中微量元素(含稀土元素)的含量發(fā)生改變,因此,在采樣分析時(shí)對(duì)埋藏成巖作用影響較深的樣品需謹(jǐn)慎對(duì)待。而燒失量(LOI 值)過(guò)高的樣品可能遭受了嚴(yán)重的埋藏成巖作用,其指示的沉積古環(huán)境意義較小,在數(shù)據(jù)充分的情況下,可根據(jù)燒失量(LOI)合理剔除埋藏成巖蝕變較強(qiáng)的樣品。

        3.3 沉積巖層巖石微量元素測(cè)試結(jié)果

        選取研究區(qū)C2k 和C2h 火山噴發(fā)間歇期20 件沉積巖層樣品的微量元素含量及其相關(guān)比值見(jiàn)表1,本次主要分析了Sr,Ba,Ni,V,Cr,Sc,Zr,B,Ga 等微量元素。

        C2k 和C2h 這2 個(gè)層組火山噴發(fā)間歇期,沉積巖層氧化還原敏感微量元素富集程度相似。C2k 中B含量除馬24 井灰色粗中粒巖屑砂巖和棕色細(xì)砂巖2 個(gè)高值之外,其余8 件樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(2.41~14.00)×10-6,平均為5.38×10-6,相對(duì)上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)[22]虧損,指示當(dāng)時(shí)可能為陸相淡水或微咸水沉積環(huán)境;Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)除灰色粗中粒巖屑砂巖1 個(gè)高值之外,其余9 件樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(20.85~56.34)×10-6,平均為33.52×10-6,較上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)低;V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(84.00~550.00)×10-6,平均為271.10×10-6,相對(duì)上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)重度富集;Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(47.88~433.00)×10-6,平均為107.43×10-6,與上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近;Sr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(107.00~906.00)×10-6,平均為559.00×10-6,高于上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ba 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(289.00~715.00)×10-6,平均為405.00×10-6,略高于上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。C2h 中B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(0~91.70)×10-6,平均為25.87×10-6,相對(duì)上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)富集,說(shuō)明當(dāng)時(shí)可能沉積于海(湖)相半咸水環(huán)境;Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(22.50~35.22)×10-6,平均為30.58×10-6,較上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)低;V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(131.00~340.00)×10-6,平均為206.30×10-6,相對(duì)上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)富集;Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.15~126.00)×10-6,平均為59.60×10-6,低于上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù);S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(97.36~1 353.00)×10-6,平均為435.74×10-6,較上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)低;Ba 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(79.27~1 196.00)×10-6,平均為359.93×10-6,低于上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

        由圖4 可看出,在C2k 淺層Sr,V,Cr 含量明顯減少,Ba 與Ni 含量明顯增多;而C2h 這些敏感元素的含量分布相對(duì)穩(wěn)定,受埋深變化影響小。2 個(gè)層組火山噴發(fā)間歇期沉積巖層中Cr 與V,Sc 與V,Zr與V,B 與Ga 存在負(fù)相關(guān)性,Cu 與Zn 相關(guān)性不明顯,而B(niǎo)a 與Sr 在演化趨勢(shì)上具有不太明顯的負(fù)相關(guān)性,所不同的是,C2k 中Ni 和V 的含量分布隨埋深的變化很不穩(wěn)定,存在負(fù)相關(guān)性。

        圖4 馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上石炭統(tǒng)火山巖中沉積巖夾層微量元素含量的縱向演化特征Fig.4 Vertical evolution of trace element content in sedimentary interbeds of Upper Carboniferous volcanic rocks in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag

        4 古環(huán)境討論

        4.1 沉積環(huán)境氧化還原狀態(tài)的地球化學(xué)示蹤

        海水(湖水)和陸上空氣的氧化還原條件雖然控制著沉積物或沉積巖中V,Ni,Cr,Co 等氧化還原敏感微量元素以及Sr,Ba,Mn,Cu 等古氣候濕度敏感元素的富集,但單一的微量元素?cái)?shù)據(jù)或者其比值有時(shí)并未能很好地反映其古沉積環(huán)境,而利用多組比值組合指標(biāo)或者二者的關(guān)聯(lián)性可以達(dá)到更好的分析效果。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2,23-27]利用微量元素地球化學(xué)指標(biāo)來(lái)示蹤古沉積環(huán)境,并綜合建立了DOP、自生U,U/Th,V/Cr,Ni/Co,V/Sc,V/(V+Ni),Cu/Zn,Sr/Ba,V/Zr,B/Ga 等11 種地球化學(xué)指標(biāo)綜合判識(shí)圖版(圖5)。

        圖5 氧化還原條件及沉積環(huán)境介質(zhì)微量元素含量比值指標(biāo)判識(shí)圖版[2,23,27]Fig.5 Oxidation-reduction conditions and determination chart of microelement ratio index in sedimentary environment medium in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag

        Jones 等[23]利用DOP,V/Cr,U/Th,自生U,C/S,Ni/Co,Ni/V與(Cu+Mo)/Zn 這8 種地球化學(xué)指標(biāo),對(duì)挪威北海及英國(guó)海岸的上侏羅統(tǒng)灰色泥巖地層進(jìn)行取樣并計(jì)算,然后通過(guò)因素分析法來(lái)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)V/Cr,DOP,U/Th,自生U,Ni/Co 這5 種地球化學(xué)指標(biāo)特性一致,具較強(qiáng)的內(nèi)在統(tǒng)一性,是作為氧化還原條件判斷的較佳組合指標(biāo),并提出V/Cr 可很好地反映沉積環(huán)境氧化還原條件,w(V)/w(Cr)<2 為氧化環(huán)境,2.00~4.25 為貧氧環(huán)境,>4.25 為次氧至缺氧環(huán)境。Ernst[24]在地球化學(xué)分析研究中,將w(V)/w(Cr)>2視為還原環(huán)境,<2 更偏向于氧化環(huán)境。Ni 和Co 這2 種敏感元素都會(huì)在還原環(huán)境的沉積物中富集,卻又因各自地球化學(xué)行為的差異性而呈現(xiàn)出一定的含量相關(guān)關(guān)系[23];富氧氧化環(huán)境下w(Ni)/w(Co)<5.0,亞氧化—弱還原環(huán)境下5.0 <w(Ni)/w(Co)<7.0,貧氧或缺氧(還原)環(huán)境下w(Ni)/w(Co)>7.0。曾春林等[25]在柴達(dá)木盆地北緣微量元素含量及油氣地質(zhì)意義研究中認(rèn)為,氧化環(huán)境常導(dǎo)致w(Ni)/w(Co)值較低,而還原環(huán)境使w(Ni)/w(Co)值較高,并提出w(Ni)/w(Co)<2.5 為強(qiáng)氧化環(huán)境,2.5 <w(Ni)/w(Co)<5.0 為氧化還原過(guò)渡環(huán)境,w(Ni)/w(Co)>5.0 為缺氧(還原)環(huán)境。Kimura 等[26]利用w(V)/w(Sc)值研究了伊朗北部前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)海洋缺氧邊界,指出V 和Sc都為不可溶元素,在缺氧環(huán)境下w(V)/w(Sc)值較高,而在氧化環(huán)境下w(V)/w(Sc)值較低;一般認(rèn)為w(V)/w(Sc)<14 為富氧氧化環(huán)境,w(V)/w(Sc)>30 為缺氧還原環(huán)境。V 在氧化環(huán)境下容易與沉積物結(jié)合發(fā)生沉淀,而Ni 在還原條件下易被吸附而發(fā)生沉淀,在沉積巖中w(V)/w(V+Ni)>0.70 指示缺氧沉積環(huán)境;當(dāng)w(V)/w(V+Ni)>0.84 時(shí),反映還原環(huán)境;當(dāng)0.60 <w(V)/w(V+Ni)<0.84 時(shí),反映貧氧環(huán)境;當(dāng)0.46 <w(V)/w(V+Ni)<0.60 時(shí),反映弱富氧環(huán)境[5,23,27]。

        沉積物或沉積巖中w(U)/w(Th)值可作為環(huán)境的氧化還原狀態(tài)指示。Jones 等[23]指出w(U)/w(Th)>4.25 和<0.75 分別對(duì)應(yīng)缺氧(還原)環(huán)境和氧化環(huán)境,貧氧環(huán)境介于二者之間。Wignall 等[26]指出w(Th)/w(U)值在缺氧環(huán)境下分布在0~2,在強(qiáng)氧化環(huán)境下可達(dá)8 左右。Wignall 等[28-29]、張國(guó)濤等[30]提出用自生U 來(lái)作為沉積序列中氧化還原環(huán)境的指標(biāo),δ(自生U)<5 和>12 對(duì)應(yīng)氧化環(huán)境和缺氧(還原)環(huán)境。

        沉積物中w(Sr)/w(Ba)值與古鹽度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,一般認(rèn)為淡水沉積物中0.6 <w(Sr)/w(Ba)<1.0 為半咸水相,w(Sr)/w(Ba)<0.6 為微咸水、淡水相,而海/湖相沉積物中w(Sr)/w(Ba)>1[31-33]。熊小輝等[2]認(rèn)為銅族元素(Cu,Zn)在沉積作用過(guò)程中可因沉積介質(zhì)氧逸度的不同而產(chǎn)生分離,w(Cu)/w(Zn)值隨沉積介質(zhì)氧逸度的升降而變化。因此,可用來(lái)判斷巖石沉積時(shí)的氧化還原環(huán)境。梅水泉[34]將w(Cu)/w(Zn)<0.21,0.21 <w(Cu)/w(Zn)<0.35,0.38 <w(Cu)/w(Zn)<0.50,0.50 <w(Cu)/w(Zn)<0.63,w(Cu)/w(Zn)>0.63,依次劃為還原、弱還原、還原—氧化過(guò)渡、弱氧化、氧化等“相”;在統(tǒng)計(jì)處理時(shí)等于界限值時(shí)歸前“相”,高于界限值時(shí)歸后“相”。胡見(jiàn)義等[35]、陳代演等[36]指出陸相巖石所有類型w(V)/w(Zr)為0.12~0.40,海(湖)相巖石所有類型w(V)/w(Zr)為0.25~4.0。熊輝小等[2]、陳代演等[36]、Chen 等[37]指出微量元素Sr,Ga,V,B 含量及其比值可指示淺海和陸相沉積,并將w(B)/w(Ga)>4.2,3.3 <w(B)/w(Ga)<4.2,w(B)/w(Ga)<3.3 對(duì)應(yīng)為淺海沉積、海陸過(guò)渡沉積和陸相沉積。

        4.2 沉積巖層古沉積環(huán)境的示蹤

        (1)w(V)/w(Sc)-w(V)/w(Cr)值。在C2k 和C2h火山噴發(fā)間歇期沉積的薄層沉積巖中,V 和Cr 這2種變價(jià)元素具有一定的富集,所不同的是Sc 在C2k明顯較C2h 富集程度低(參見(jiàn)圖5)。在利用w(V)/w(Sc)與w(V)/w(Cr)分析本區(qū)沉積巖層沉積古氧化還原狀態(tài)時(shí),發(fā)現(xiàn)2 個(gè)比值之間存在相關(guān)關(guān)系(圖6);于炳松等[38]在對(duì)部分已知沉積物的Sc,V和Cr 含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明,w(V)/w(Sc)和w(V)/w(Cr)也存在與本次研究相似的分布特征。

        在火山噴發(fā)伴隨高溫作用影響下,湖盆水體應(yīng)傾向于還原環(huán)境,因此分析樣品與高w(V)/w(Sc)值代表的還原環(huán)境及與低w(V)/w(Cr)值代表的氧化環(huán)境相符合。根據(jù)圖6 將氧化還原環(huán)境界線劃分為3 類:①w(V)/w(Cr)<2.00,同時(shí)w(V)/w(Sc)<14.00 時(shí),沉積巖層沉積于陸上氧化環(huán)境;②2.00 <w(V)/w(Cr)<4.25,同時(shí)14.00 <w(V)/w(Sc)<30.00 時(shí),沉積巖層沉積于水陸過(guò)渡環(huán)境(弱氧化—弱還原);③w(V)/w(Cr)>4.25,同時(shí)w(V)/w(Sc)>30.00 時(shí),沉積巖層沉積于水下缺氧(弱還原)環(huán)境。

        圖6 馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上石炭統(tǒng)火山巖沉積巖夾層樣品w(V)/w(Sc)-w(V)/w(Cr)交匯及氧化還原環(huán)境指示Fig.6 w(V)/w(Sc)-w(V)/w(Cr)intersection and redox environment indicator of sedimentary interbed samples in UpperCarboniferous volcanic rocks in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag

        由表1 可知,C2k 沉積巖層中,w(V)/w(Sc)為11.31~396.40,跨度較大,數(shù)值>30.00 的樣品占50%;w(V)/w(Cr)為1.27~8.48,數(shù)值>4.25 的樣品為50%。由圖7 可看出:w(V)/w(Sc)與w(V)/w(Cr)的值整體演化趨勢(shì)相似,到淺部減小,反映當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境復(fù)雜多變,多為頻繁的水、陸過(guò)渡動(dòng)蕩沉積環(huán)境;C2h 沉積巖層中,w(V)/w(Sc)為11.02~232.88,跨度亦很大,數(shù)值<30.00 樣品占60%;w(V)/w(Cr)為1.94~17.75,大部分?jǐn)?shù)值>2.00;w(V)/w(Sc)的值相對(duì)穩(wěn)定,而w(V)/w(Cr)的值不穩(wěn)定,整體演化趨勢(shì)與C2k 相似,但略高于C2k。反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境存在一定還原性,局部具有一定水體深度,同時(shí)水、陸過(guò)渡沉積環(huán)境也存在。

        (2)w(V)/w(Ni+V)值。由表1、圖7 可看出,C2k 沉積巖層中,w(V)/w(Ni+V)為0.08~0.96,跨度較大,但大部分?jǐn)?shù)值>0.60,其值在淺層明顯減小,反映由還原環(huán)境逐漸向氧化環(huán)境過(guò)渡。C2h 沉積巖層中,w(V)/w(Ni+V)為0.79~0.92,數(shù)值跨度小且分布集中,大部分?jǐn)?shù)值>0.84,其值分布比較穩(wěn)定,表明受水動(dòng)力條件影響小,多為相對(duì)穩(wěn)定的水體還原環(huán)境。

        圖7 馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶沉積巖夾層微量元素比值縱向演化曲線Fig.7 Vertical indicator evolution curve of trace element ratio of sedimentary interbeds in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag

        (3)w(Cu)/w(Zn)值。C2k 沉積巖層中,w(Cu)/w(Zn)為0.67~1.37,數(shù)值均>0.63,其值增減不穩(wěn)定,根據(jù)前述指標(biāo)可判斷為陸上氧化環(huán)境。C2h 沉積巖層中,w(Cu)/w(Zn)為0.52~3.71,大部分?jǐn)?shù)值>0.63,其值向淺層具有增大趨勢(shì),且較C2k 要高,可判斷為以氧化環(huán)境為主。

        (4)w(Sr)/w(Ba)值。C2k 沉積巖層中,w(Sr)/w(Ba)為0.15~2.48,數(shù)值>1.00 樣品的占70%,其值到淺層明顯減小,可判斷為頻繁水、陸過(guò)渡沉積環(huán)境或淡水微咸水介質(zhì)。C2h 沉積巖層中w(Sr)/w(Ba)為0.52~2.08,數(shù)值>1.00 樣品的占50%,其值受深度影響較小,可以判斷為海(湖)相半咸水介質(zhì)或水、陸過(guò)渡沉積環(huán)境。

        (5)w(V)/w(Zr)值。C2k 沉積巖層中w(V)/w(Zr)為1.07~5.05,數(shù)值均>0.40,其值有向淺層減小的趨勢(shì),可判斷為海相沉積環(huán)境或高鹽度咸水介質(zhì)。C2h 沉積巖層中w(V)/w(Zr)為0.13~0.91,數(shù)值>0.4 的占50%,w(V)/w(Zr)為0.2~0.4 的占40%,其值呈一定韻律性變化,可判斷為海相咸水介質(zhì)和海陸過(guò)渡相半咸水介質(zhì)。

        (6)w(B)/w(Ga)值。C2k 沉積巖層中w(B)/w(Ga)為0.41~5.32,多數(shù)值<3.30,其值受埋深影響明顯,向淺層顯著增大,反映以陸相沉積環(huán)境為主,海(湖)、陸過(guò)渡沉積環(huán)境也存在。C2h 沉積巖層中,w(B)/w(Ga)為0.20~24.72,多數(shù)值>4.20,可判斷為以海(湖)相沉積為主,海(湖)、陸過(guò)渡相沉積次之。

        通過(guò)上述綜合因素分析法驗(yàn)證篩選,發(fā)現(xiàn)w(V)/w(Cr),w(V)/w(Sc),w(V)/w(V+Ni),w(Sr)/w(Ba)和w(B)/w(Ga)這5 類比值數(shù)據(jù)演化趨勢(shì)較為一致,且結(jié)論較為可信,是沉積巖層古氧化還原環(huán)境或古沉積環(huán)境介質(zhì)示蹤判別的較佳組合指標(biāo);而w(Cu)/w(Zn)和w(V)/w(Zr)這2 類數(shù)據(jù)與其他比值的演化趨勢(shì)有差異,這2 類比值的地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境意義有待商榷,不適合作為古氧化還原條件或古沉積環(huán)境介質(zhì)的判別依據(jù)(表2)。

        表2 氧化還原環(huán)境微量元素判別指標(biāo)及馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上石炭統(tǒng)沉積巖層測(cè)試樣品數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of trace element discrimination index and Upper Carboniferous test sample data in redox environment in Niuquanhu-Niudong structural belt of Malang Sag

        w(V)/w(Cr),w(V)/w(Sc),w(V)/w(V+Ni),w(Sr)/w(Ba)和w(B)/w(Ga)這5 類比值指標(biāo)的一致性表明,C2k 沉積巖層的古沉積環(huán)境極為復(fù)雜,為頻繁水、陸過(guò)渡相及陸上沉積特征,水、陸過(guò)渡時(shí)期湖盆水體可能處于不斷波動(dòng)的過(guò)程,該組火山巖沉積保存于水、陸交替和陸上古地理環(huán)境。C2h 沉積巖層的古沉積環(huán)境相對(duì)單一,以水下沉積環(huán)境為主(局部水體具有一定深度或具有一定鹽度),水、陸過(guò)渡相也發(fā)育,該組火山巖主要沉積保存于水下古地理環(huán)境,水、陸過(guò)渡古地理環(huán)境也存在。這與王盛鵬等[11]和朱卡等[19]的研究結(jié)果較為吻合。由此,經(jīng)綜合因素分析法驗(yàn)證篩選得出的w(V)/w(C),w(V)/w(Sc),w(V)/w(V+Ni),w(Sr)/w(Ba)和w(B)/w(Ga)這5 類比值組合指標(biāo),對(duì)本區(qū)上石炭統(tǒng)古沉積環(huán)境的示蹤判別結(jié)果是科學(xué)可信的,且該地球化學(xué)方法不受地質(zhì)時(shí)代及區(qū)域地質(zhì)條件的限制,具有普遍適用性。

        5 結(jié)論

        (1)馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上石炭統(tǒng)火山噴發(fā)間歇期正常沉積巖夾層的巖性主要有灰色粗中粒巖屑砂巖、棕色細(xì)砂巖、灰色泥巖和灰黑色炭質(zhì)泥巖,其灰色粗中粒巖屑砂巖、棕色細(xì)砂巖成分以巖屑為主,石英、長(zhǎng)石次之,微含暗色礦物,泥質(zhì)膠結(jié)次致密;而灰色泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖不純,在C2h 巖心中見(jiàn)水平層理發(fā)育,紋層的厚度為1~4 cm,具有一定的沉積特征。

        (2)基于DOP、自生U,U/Th,V/Cr,Ni/Co,V/(V+Ni),V/Sc,V/Zr,Sr/Ba,Cu/Zn,B/Ga 等11 種地球化學(xué)指標(biāo)判識(shí)圖版可以判別馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶火山熔巖與火山碎屑巖中沉積巖夾層的古沉積環(huán)境。

        (3)w(V)/w(Cr),w(V)/w(Sc),w(V)/w(V+Ni),w(Sr)/w(Ba)和w(B)/w(Ga)這5 類比值演化趨勢(shì)較為一致,可作為較佳的沉積巖層古氧化還原環(huán)境判別組合指標(biāo);5 類組合指標(biāo)綜合判別上石炭統(tǒng)C2k 沉積巖層沉積介質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜,存在頻繁水、陸過(guò)渡相及陸相沉積特征;上石炭統(tǒng)C2h 沉積巖層沉積介質(zhì)環(huán)境相對(duì)單一,以海(湖)水下還原環(huán)境為主,海(湖)、陸過(guò)渡復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)也存在。

        (4)基于火山噴發(fā)間歇期正常沉積巖夾層微量元素地球化學(xué)特征指示的古沉積環(huán)境意義,間接得出的火山巖地質(zhì)環(huán)境演化結(jié)果具有普適性,可應(yīng)用于不同地質(zhì)時(shí)代、不同區(qū)域地質(zhì)條件下火山巖噴發(fā)間歇期沉積巖夾層古沉積介質(zhì)環(huán)境的判別中。

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