古氧相分析在黃驊拗陷歧南次凹沙河街組沉積環(huán)境研究中的應用

林 雄

（油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

1 問題的提出

圖1 研究區(qū)（歧南次凹）構造綱要及位置圖Fig.1 The structure outline and location of the south Qikou sag

歧口凹陷的南次凹（簡稱“歧南次凹”，下同），位于黃驊拗陷中部（圖1），是一個長期發(fā)育的生烴凹陷，具有巨大的油氣勘探潛力。其古近系沙河街組為目前大港油田的主力研究層位，隨著勘探的不斷進行，各種重大基礎學科問題不斷出現(xiàn)。在沉積學方面，主要是對沙河街組沉積環(huán)境的爭議，即究竟是陸相半咸化湖泊、海陸過渡相，還是陸相淡水湖泊存在多期海侵，這也是對渤海灣盆地古近系沉積環(huán)境研究中無法回避的問題。前人對渤海灣盆地古近紀與海連通性、海侵問題做了大量研究，海相和陸相的爭論始于20世紀70年代，80～90年代海侵觀點占據(jù)上風，90年代開始陸相咸化湖泊（鹽湖）為主流觀點。袁見齊（1983）的陸相高山深盆成鹽模式學說［1］，指出了渤海灣盆地新生代鹽類物質的非海相來源。孫鎮(zhèn)城等（1994）系統(tǒng)地研究了新生代典型的陸相咸化湖泊沉積中微體水生生物、沉積礦物、地球化學指標等特征，認為渤海灣盆地古近系是非殘留海、非海侵成因的內(nèi)陸深水咸化湖盆［2］。本文將古氧相概念引入歧南次凹沙河街組沉積環(huán)境研究中，并對古氧相分析在沉積環(huán)境研究中的應用進行探討。

2 古氧相研究歷史與現(xiàn)狀

古氧相研究的基礎最早可以追溯到Rhoads和Morse（1971）對黑海、加利福尼亞灣大陸邊緣水體溶氧量與缺氧環(huán)境的劃分研究［3］。Tyson和Pearson（1991）進一步完善了水體溶氧量與缺氧環(huán)境的劃分和標準［4］。顏佳新和張海清（1996）借鑒前人對缺氧環(huán)境的研究成果，首次在國內(nèi)提出了古氧相的概念，并制定了相應的劃分方案和標準［5］。顏佳新等（1997，1998，2004，2007）在對華南地區(qū)中二疊世棲霞組的研究［6－9］中，完善了古氧相的概念及其劃分方案和標準，并把古氧相成功應用到層序地層、沉積環(huán)境、重要地質事件及地史恢復等研究中。

古氧相（paleo－oxygenation facies），是指反映地層（或沉積物）形成時沉積環(huán)境水體中，特別是底層水體中溶氧量特征及其變化的各種巖石、生物和地球化學特征等的綜合［5，9］。根據(jù)水體溶氧量的不同，古氧相可以劃分為常氧（aerobic，水體溶氧的體積分數(shù)為2.0‰～8.0‰）、貧氧（dysaerobic，水體溶氧的體積分數(shù)為0.2‰～2.0‰）、準厭氧（quasi－anaerobic，水體溶氧的體積分數(shù)為0‰～0.2‰）、厭氧（anaerobic，水體溶氧的體積分數(shù)為0‰，出現(xiàn) H2S和FeS2等）4種類型［9］。

古氧相分析是通過對巖石、礦物（如DOP指數(shù)）、古生物及古生態(tài)、微量元素、稀土元素、穩(wěn)定同位素、有機地球化學（如有機碳和有機硫含量比值（C／S）、生物標志化合物）測試分析的相關指標研究實現(xiàn)的［3－14］，其中尤其以礦物（DOP指數(shù)）、古生物及古生態(tài)、微量元素、稀土元素等方法應用最多。Jones等（1994）指出 V／Cr、Ni／Co、U／Th等微量元素的質量分數(shù)比值在判別古氧相地球化學時可靠度最高，且它們之間具有一定的可對比性［14］。本文主要選取微量元素、巖石與古生物等方法，對歧南次凹沙河街組進行了古氧相分析，并結合古氧相的認識對古鹽度環(huán)境分析的結果進行了確定，進而達到判別沉積環(huán)境的目的。

3 歧南次凹古氧相分析

3.1 通過測試微量元素分析古氧相

針對研究區(qū)沙河街組35個砂、泥巖巖心樣品的測試分析數(shù)據(jù)，選取V／Cr、Ni／Co等微量元素的質量分數(shù)比值法，對其進行了古氧相分析（表1）。其中，V／Cr最小值為0.790，最大值為2.600，平均值為1.623；與古氧相判別標準對比（表1）可知，沒有樣品指示厭氧環(huán)境，有7個樣品（5個為沙一段樣品）指示（輕微）貧氧環(huán)境，有28個樣品指示常氧環(huán)境。而 Ni／Co的最小值為0.227，最大值為4.690，平均值為2.314；沒有樣品指示厭氧環(huán)境與貧氧環(huán)境，35個樣品皆指示常氧環(huán)境。所以，V／Cr、Ni／Co分析顯示，研究區(qū)沙河街組以常氧環(huán)境為主，其次為（輕微）貧氧環(huán)境。

3.2 對巖石、古生物的研究分析古氧相

研究區(qū)沙河街組巖石類型以碎屑巖為主，次為碳酸鹽巖。碎屑巖以深灰色、灰色、灰白色泥巖、各粒級的砂巖（圖2）、礫巖（圖3）等為主，巖性變化較大；沉積構造以交錯層理（圖2）、塊狀層理為主，其次為滑塌變形層理、平行層理、遞變層理等。碳酸鹽巖主要發(fā)育于沙三上亞段和沙一下亞段，以鮞粒灰?guī)r（圖4）、生屑灰?guī)r為主（圖5），次為泥灰?guī)r及少量白云質灰?guī)r，受陸源碎屑影響，常與細砂巖互層出現(xiàn)，形成混合沉積（圖6）。砂質灰?guī)r（圖7）、灰質砂巖、鮞粒砂巖也頻繁出現(xiàn)。鮞粒灰?guī)r的鮞粒多為真鮞，含有少量的放射鮞，鮞粒核心以生物碎屑為主，生物碎屑主要為腹足類、雙殼類、介形蟲。所以，多變的巖性、混合沉積巖、高水動力環(huán)境為主、生物發(fā)育，都說明研究區(qū)沙河街組主要為常氧環(huán)境，這與微量元素分析結果一致。

表1 歧南次凹沙河街組古氧相、古鹽度數(shù)據(jù)及環(huán)境判別標準Paleo－oxygen facies paleosalinity data and standards of environmental discrimination in the Paleogene Shahejie Formation in the south Qikou sag

圖2 細砂巖中的交錯層理Fig.2 Cross bedding in fine sandstone

圖3 含碳酸鹽巖礫石的礫巖Fig.3 Conglomerate containing carbonate rock gravel

圖4 鮞粒灰?guī)rFig.4 Oolitic limestone

圖5 生物碎屑灰?guī)rFig.5 Bioclastic limestone

圖6 混合沉積巖剖面結構Fig.6 Profile structure of mixed sedimentary rocks of terrigenous clastics and carbonate rock

圖7 砂質灰?guī)rFig.7 Sandy limestone

4 古氧相分析與古鹽度分析的綜合判別

古鹽度分析是沉積環(huán)境研究常用方法之一，但是古鹽度常被直接當作海、陸環(huán)境的判別標志，這是有一定的局限性的［2］，因為這樣會把內(nèi)陸咸化湖泊劃分到海陸過渡相或者海相環(huán)境中，所以古鹽度作為判別沉積時水體的鹽度或者咸化度標志更為合適。分析古鹽度的方法比較多，大致可以分為微量元素法、常量元素法、同位素法、古生物和古生態(tài)法、有機地球化學方法等。本文選取常用的、較為成熟的Sr／Ba法、沉積磷酸鹽法（wCa／wCa＋Fe）對研究區(qū)沙河街組古鹽度進行了測試（表1），并與古鹽度判別標準（表1）對比可知，wSr／wBa、wCa／wCa＋Fe的值同時指示沙河街組主要為咸水和半咸水的環(huán)境，部分樣品指示淡水環(huán)境。

如果按照以往的古鹽度作為海、陸環(huán)境判別標志的話，研究區(qū)沙河街組環(huán)境應該是海相或者海陸過渡相的環(huán)境。但是參考古氧相分析結果發(fā)現(xiàn)，海相或者海陸過渡相很難出現(xiàn)大面積、穩(wěn)定的常氧環(huán)境，含氧量不可能很高，這就出現(xiàn)了矛盾。筆者認為，高鹽度、高含氧量的環(huán)境，以及廣鹽度生物，應該出現(xiàn)在內(nèi)陸咸化湖泊中，所以歧南次凹沙河街組的沉積環(huán)境解釋為內(nèi)陸咸化湖泊更為合適。至于出現(xiàn)淡水沉積、鮞粒和生屑灘壩等問題，主要與沙三上、沙一下亞期大量淡水注入造成的局部高能環(huán)境有關，并且淡水注入所攜帶的營養(yǎng)物質也為生物生長提供了養(yǎng)分。

圖8 研究區(qū)沙一段底面空間展布圖Fig.8 The spatial distribution of seismic reflection interfaces of Es1 in Qikou sag

5 地球物理學研究成果對判別結果的佐證

由研究區(qū)地震資料分析合成的沙一段底界空間展布圖（圖8）顯示，研究區(qū)南東部埕寧隆起、西部羊三木凸起皆為高地，北部南大港同沉積斷層形成的高地相對較低，但三者仍對研究區(qū)形成環(huán)繞之勢，地形相對高差較大，低洼中心歧南2井沙河街組地層厚度達1 417m。又由布格重力異常圖（圖9）可知，研究區(qū)向北東方向低洼開口，連接歧北次凹，從其同心圈層狀的布格重力異常曲線可知，研究區(qū)及鄰區(qū)基本呈封閉狀態(tài)。這是研究區(qū)現(xiàn)今的地震及布格重力異常資料。通過區(qū)域構造演化的回溯研究，現(xiàn)今的構造、地形等基本繼承了沙河街期特征，無重大變化。所以，研究區(qū)及鄰區(qū)在沙河街期是四周環(huán)山的封閉環(huán)境，符合內(nèi)陸深水封閉湖泊的地形、沉積特征。

圖9 研究區(qū)（方框內(nèi)）及周邊地區(qū)布格重力異常圖Fig.9 The Bouguer gravity anomaly of Qikou sag and adjacent areas

6 結論與認識

在歧南次凹沙河街組研究中，應用古氧相分析確定了其為以常氧為主、（輕微）貧氧為輔的沉積環(huán)境，結合古鹽度研究（咸水、半咸水的環(huán)境）、地球物理研究（指示的四周環(huán)山的深水封閉湖泊）的認識，歧南次凹沙河街期為內(nèi)陸深水咸化湖泊環(huán)境。

應用古氧相分析可以判別沉積環(huán)境中含氧量高低，且與古鹽度、地球物理資料對比分析，能夠把因為高鹽度而誤判為海相、過渡相環(huán)境的內(nèi)陸咸化湖泊環(huán)境識別出來。

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