陸相碎屑巖旋回沉積記錄中的物質(zhì)響應(yīng)及聚集規(guī)律——以濟陽坳陷王家崗地區(qū)古近系孔店組為例

譚先鋒，田景春，黃建紅，林小兵，馬建偉

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331; 2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都610059;3.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌736202; 4. 中國石油新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依834000)

當(dāng)今巖石記錄是原始沉積環(huán)境和后期成巖改造的綜合反映，沉積巖及巖相古地理研究的一個重要方面就在于利用各種手段恢復(fù)當(dāng)今巖石面貌的形成機理。沉積巖石旋回現(xiàn)象早已成為沉積地質(zhì)學(xué)者所關(guān)注的對象［1-4］，地層顏色、粒度、成分等均可引起旋回變化。近年來，旋回地層學(xué)研究的突破性進(jìn)展已經(jīng)成為地層學(xué)研究的新的學(xué)科增長點和亮點［5-6］，成為“地層學(xué)解讀時間的第三里程碑［7］”。由于沉積節(jié)律明顯受天文周期的控制或驅(qū)動，保存在地層中的旋回性沉積記錄是其最好的歷史見證［8］。隨著當(dāng)今科技的發(fā)展，地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的研究逐漸向定量化，高精度化發(fā)展，旋回地層研究由大尺度向米級旋回發(fā)展，越來越趨向于研究微小旋回的變化［9］。目前對于旋回沉積的研究主要基于不同旋回地層特征、不同尺度旋回的古氣候意義等方面開展工作［9-13］?？v觀研究資料中，對于碳酸鹽的“米蘭科維奇”旋回研究比較成熟［11-13］，原因在于海相碳酸鹽沉積對氣候環(huán)境反映比較敏感，且碳酸鹽成分相對簡單，對氣候和沉積水介質(zhì)與沉積旋回具有較好的耦合關(guān)系。關(guān)于碎屑巖的旋回沉積研究，特別陸相盆地碎屑巖的旋回沉積研究相對比較難，原因在于碎屑巖的旋回物質(zhì)變化與環(huán)境的耦合關(guān)系并非碳酸鹽靈敏，影響因素很多。國內(nèi)外也有少數(shù)學(xué)者開展過陸相湖盆碎屑巖旋回沉積研究［14-16］，Cari L Johnson 對內(nèi)蒙古東南部晚中生代早白堊世斷陷湖盆進(jìn)行高精度旋回沉積研究［14］。A Gurel 也發(fā)表專題論文討論了早期沖積扇和湖泊旋回沉積的地質(zhì)、礦物和地球化學(xué)特征及環(huán)境意義［10］。文章選取濟陽坳陷東營凹陷南部緩坡帶王家崗地區(qū)，針對古近系孔店組紅色-灰色、砂巖-泥巖旋回現(xiàn)象，開展斷陷湖盆斷陷初期期旋回沉積研究。期望揭示不同旋回沉積的物質(zhì)聚集及響應(yīng)規(guī)律，特殊礦物和地球化學(xué)記錄的原始沉積和當(dāng)今巖石的物質(zhì)耦合關(guān)系。

1 地質(zhì)概況

濟陽坳陷位于渤海灣盆地西南部地區(qū)，是華北古生代地臺基礎(chǔ)上發(fā)育而成的一個中、新生代疊合盆地。包括沾化凹陷、車鎮(zhèn)凹陷、東營凹陷、惠民凹陷等4 個次一級構(gòu)造(圖1)。濟陽坳陷中生代受北西向左行走滑斷層影響，新生代華北地區(qū)由于受印度板塊與歐亞板塊碰撞和太平洋板塊受北北西向轉(zhuǎn)為北西西向俯沖影響，夾持于喜馬拉雅板塊與環(huán)太平洋板塊之間，處于右旋走滑-引張應(yīng)力場，形成了一個受北北東和北東向斷層控制的半地塹式復(fù)合盆地，疊置于中生代盆地之上［17］，形成了一系列箕狀斷陷盆地。盆地演化上，晚白堊世濟陽坳陷在區(qū)域性左旋壓扭應(yīng)力場的作用下整體抬升，形成了古近系與中生界的角度不整合［17-18］，之后進(jìn)入了新生代盆地演化階段。王家崗地區(qū)位于濟陽坳陷東南部，屬于東營凹陷次一級構(gòu)造單元，沉積格局屬于東營箕狀斷陷湖盆的南部緩坡帶，發(fā)育沖積扇、淺水三角洲、濱淺湖沉積。該地區(qū)孔店組中晚期接受沉積，形成了一套紅色—灰色—紅色，巖性上具有砂巖-泥巖互層的多旋回沉積，研究區(qū)東北部地帶和西南部地帶沉積充填存在一定差異。

圖1 研究區(qū)位置及井位分布Fig.1 Locations of the study area and wells

本次研究選取王家崗地區(qū)幾口典型井位，進(jìn)行高頻旋回分析。重點選取W100 和W46 進(jìn)行了詳細(xì)巖心觀察及樣品采集，薄片觀察、掃描電鏡、X-衍射、常量和微量元素分析，采樣點如圖2。采樣原則為選取巖心上觀察為紅色和灰色巖石兼顧，粗碎屑與細(xì)碎屑兼顧。其中W46 樣品有效樣品點為14 個，用于元素地球化學(xué)分析的點為7 個;W100 有效樣品點為34 個，用于元素地球化學(xué)分析的點為27 個。從選擇樣品點來看，W100 井更有利于礦物元素分配規(guī)律的分析。并結(jié)合從勝利油田收集的W130，W111，W135，W112等井位的薄片資料輔助，可以滿足沉積環(huán)境-巖石礦物-元素富集規(guī)律三者的耦合關(guān)系研究。

2 巖石地層旋回現(xiàn)象

通過研究區(qū)近30 口鉆井資料顯示，孔店組表現(xiàn)出多旋回性，這種旋回主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)顏色旋回普遍發(fā)育

孔一段到孔三段大尺度旋回表現(xiàn)為紅色—灰色—紅色的沉積旋回。沉積區(qū)孔三段普遍缺失，不發(fā)育第三段的紅色巖層，總體結(jié)構(gòu)普遍發(fā)育為灰色-紅色地層。相當(dāng)于二級層序旋回的湖侵和高位時期，表明了孔店組的二級旋回湖侵-湖退的完整過程(圖2)。高頻旋回也表現(xiàn)出灰色-紅色的交替出現(xiàn)(圖2，圖3a)，該類旋回主要為微觀尺度的旋回效應(yīng)。

圖2 中剖面微觀結(jié)構(gòu)和鉆井巖心表明，顏色的變化主要表現(xiàn)為兩種情況:(a)巖性變化與顏色同時變化，這種情況比較普遍，一般表現(xiàn)為砂巖類為灰色、泥巖類表現(xiàn)為紫紅色，也有紅色的砂巖和灰色的泥巖互層的變化;(b)相同巖性的顏色旋回變化，主要表現(xiàn)在紫紅色泥巖和灰色泥巖的巖性變化、紅色砂巖和灰色砂巖的巖性變化。顏色旋回變化主要跟氣候和沉積水介質(zhì)條件相關(guān)，指示了一定的氣候沉積條件。

圖2 王家崗地區(qū)取樣井位及樣品位置Fig.2 Sampling well location and the sample position in Wangjiagang area

圖3 研究區(qū)旋回地層特征Fig.3 Cyclic stratigraphic characteristics of the study area

2)巖性及粒度旋回變化比較普遍

任何沉積盆地和沉積體系中，均存在這樣的沉積旋回，主要表現(xiàn)為兩種:第一種為砂巖和泥巖的互層出現(xiàn)，這種現(xiàn)象的發(fā)生，主要跟物質(zhì)供給和沉積共軛體系的自振蕩有關(guān)［3］，研究中發(fā)現(xiàn)這種巖性的轉(zhuǎn)化特別普遍(圖2，圖3b)。第二種旋回變化表現(xiàn)為粒度的旋回變化，這種特征在鉆井結(jié)構(gòu)和巖心觀察中也有所發(fā)現(xiàn)，主要表現(xiàn)在一些淺水三角洲和灘壩沉積環(huán)境中比較普遍。沉積在碎屑巖沉積相研究中，特別是沉積微相的變化具有重要的指示意義。

3 旋回變化與礦物響應(yīng)規(guī)律

碎屑巖由碎屑顆粒、雜基和膠結(jié)物構(gòu)成，為了反映巖石內(nèi)部構(gòu)成與旋回沉積的耦合關(guān)系，對幾種成分進(jìn)行了探討(圖4，圖5)。

1)碎屑物

碎屑顆粒反映了母巖區(qū)性質(zhì)和搬運距離的長短，巖屑顆粒是礦物的集合體，早期風(fēng)化作用和搬運作用直接控制了巖屑顆粒的大小。總體來看巖石碎屑主要為變質(zhì)巖的巖石碎屑?？v向演化上，從孔店組沉積初期到晚期，變質(zhì)巖巖屑有逐步減少的趨勢，這可能跟孔店組晚期湖盆水體收縮，搬運距離變遠(yuǎn)，碎屑成分改造強烈導(dǎo)致減少有一定關(guān)系。宏觀上看，紅色泥質(zhì)沉積物出現(xiàn)的地方，變質(zhì)巖屑有減少的趨勢，但巖石碎屑顆粒對旋回地層的出現(xiàn)似乎影響并不太大。

2)石英

礦物顆粒包括石英顆粒(SiO2)和長石顆粒，石英顆粒比較穩(wěn)定(除非堿性環(huán)境下［19］)，一般很難溶解。譚先鋒等［19］對東營凹陷孔店組成巖作用鏡下特征研究后，認(rèn)為存在強烈的硅質(zhì)膠結(jié)作用的石英礦物并非原生沉積。研究區(qū)石英次生加大并不是特別明顯，只在少數(shù)井(如W111，W113)中有少量發(fā)育，且在鏡下鑒定過程中已經(jīng)排除了次生加大部分的石英礦物，因此探討石英顆粒與旋回沉積的物質(zhì)耦合關(guān)系有一定的可信度。圖4 與圖5 顯示了石英顆?？v向上逐漸增加的趨勢，沉積旋回中，表現(xiàn)出灰色地層的石英含量普遍較低，紅色地層石英顆?？傮w較高。這可能跟湖盆水體變化有一定關(guān)系，湖盆水體加深的過程中，沉積物質(zhì)處于還原環(huán)境下，物源區(qū)顆粒搬運到該沉積區(qū)的碎屑顆粒隨之減少(這點也能從變質(zhì)巖屑變化上體現(xiàn))，石英顆粒很少能到達(dá)該沉積區(qū);湖盆水體上漲過程中，沉積物質(zhì)處于氧化環(huán)境。碎屑物質(zhì)經(jīng)歷了長距離的搬運，成分成熟度大大提高，因此石英含量有所升高。

圖4 王家崗地區(qū)W46 井沉積旋回與礦物耦合關(guān)系Fig.4 Coupling relationship between sedimentary cycles and mineral content of Well W46 in Wangjiagang area

圖5 王家崗地區(qū)W100 井沉積旋回與礦物耦合關(guān)系Fig.5 Coupling relationship between sedimentary cycles and mineral content of Well W100 in Wangjiagang area

3)長石

礦物顆粒中的長石包括鉀長石和斜長石，該類型顆粒變化情況非常復(fù)雜。利用現(xiàn)今巖石的長石含量來試圖建立與原始沉積環(huán)境的耦合關(guān)系并不理想［20］。原因在于，長石在在地層成巖演化過程中要發(fā)生溶解。根據(jù)黃思靜教授等［21］提出的成巖過程中長石與粘土礦物的物質(zhì)交換機制，認(rèn)為同生期到埋藏初期，斜長石比鉀長石更容易溶解;埋藏期如果沉積物中存在大量同期火山物質(zhì)蒙皂石，鉀長石比斜長石更容易溶解，而一般缺乏原生蒙皂石的地層，鉀長石通常比斜長石更容易保存。通過大量的薄片資料分析，研究區(qū)孔店組長石含量較高，溶蝕作用發(fā)生較少，長石的含量基本反映了縱向的變化特征。圖4，圖5 顯示了長石的縱向變化:(a)兩類長石均有較高的含量，鉀長石總體比斜長石含量稍高，這是由于斜長石比鉀長石更容易溶解;(b)從旋回變化上看，兩口井的縱向變化有差異，W46井灰色地層鉀長石有比紅色地層鉀長石含量更少的趨勢，這可能跟石英顆粒的沉積原理類似，湖盆水體收縮，搬運距離變遠(yuǎn)，搬運過程中比較穩(wěn)定的鉀長石就更容易保存下來。W100 井灰色地層總體比紅色地層鉀長石更高的趨勢，這主要是因為W100 比W46 更靠近物源區(qū)，受搬運風(fēng)化作用影響較小有關(guān);(c)斜長石變化也有差異，W46 井灰色地層鉀長石有比紅色地層鉀長石更高的趨勢，這與該井的鉀長石正好相反的趨勢，這跟石英顆粒的變化趨勢有一定的耦合關(guān)系，因為紅色地層湖盆收縮，物質(zhì)搬運距離較遠(yuǎn)，穩(wěn)定性較差的斜長石更容易溶解。值得關(guān)注的是W100 斜長石含量基本與鉀長石有類似的變化趨勢，均顯示了紅色地層斜長石總體比灰色地層斜長石含量更低的趨勢，這一點兩口井的變化趨勢比較吻合。

4)膠結(jié)物

膠結(jié)物的的物質(zhì)分配方式更加復(fù)雜，原因在于多數(shù)膠結(jié)物為成巖演化過程中的產(chǎn)物，與旋回沉積并沒有太大聯(lián)系。但有兩種膠結(jié)物值得關(guān)注，一類是方解石膠結(jié)，另一種是硬石膏膠結(jié)。研究區(qū)方解石和硬石膏膠結(jié)比較發(fā)育［19-24］，圖4 圖5 顯示了方解石縱向上的演化，特征表現(xiàn)為紅色層方解石膠結(jié)稍微低，灰色地層方解石稍高，硬石膏膠結(jié)特征表現(xiàn)為紅色地層硬石膏普遍發(fā)育，灰色地層硬石膏不發(fā)育或者是很少，表現(xiàn)出了對沉積旋回比較靈敏的耦合關(guān)系。研究中也發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的黃鐵礦、螢石、硅質(zhì)、重晶石等膠結(jié)，圖5顯示了黃鐵礦膠結(jié)和螢石膠結(jié)與旋回變化并沒有良好的耦合關(guān)系，這可能與后期的熱液流體作用有關(guān)，形成了這類特殊的膠結(jié)物類型。

5)粘土礦物

粘土礦物對沉積水介質(zhì)和沉積氣候條件比較敏感，并且伴隨著與成巖流體之間的物質(zhì)交換，粘土礦物要發(fā)生變化，最常見的是蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致利用粘土礦物定量測定其與沉積旋回的關(guān)系難度加大。劉志飛教授等［22］利用粘土礦物來對南海第四紀(jì)沉積物進(jìn)行物源分析和氣候演化研究，對應(yīng)于氣候的各個級次的旋回變化，粘土礦物特征有響應(yīng)的響應(yīng)特征。研究區(qū)粘土礦物(粘土雜基)從總量上看含量較低(圖4，圖5)，紅色地層粘土雜基總體較高。總量的變化除了跟沉積環(huán)境有關(guān)外，還跟所取的巖石類型有關(guān)系，因此粘土雜基總量與沉積旋回的耦合關(guān)系并不是很好。然而，不同沉積環(huán)境發(fā)育的粘土礦物組合具有明顯差異。X-衍射資料顯示(表1)，W46 井上部紅色巖層的高嶺石和綠泥石含量較高，下部灰色巖層的高嶺石和綠泥石含量較低，這與應(yīng)鳳祥教授等［21］提出的鹽湖或干旱環(huán)境條件下，蒙脫石向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化的觀點是比較吻合的;W100 井的高嶺石含量變化在下部的灰色地層含量較高，上部紅色地層含量較低，也證實了下部灰色地層旋回的酸性水介質(zhì)沉積環(huán)境，上部為酸性-堿性的沉積環(huán)境。

表1 研究區(qū)孔店組粘土礦物X-衍射分析Table 1 X-ray diffraction analysis of clay minerals of the Kongdian Formation in the study area

可以看出，砂-泥巖中的旋回變化與礦物之間有一定的耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系?？傮w來講，碎屑物質(zhì)(石英、長石、巖屑、重礦物)反映了搬運分選、物質(zhì)來源等，粘土雜基含量反映了水動力的強弱變化，但由于粘土雜基后期成巖演化造成了物質(zhì)變化和遷移;膠結(jié)物比較復(fù)雜，一方面，部分膠結(jié)物反映了沉積條件，另一方面，后期的成巖流體也起到了重要的膠結(jié)作用，不能簡單加以運用。

4 旋回變化與元素富集規(guī)律

用沉積地球化學(xué)方法分析沉積環(huán)境已經(jīng)越來越得到沉積地質(zhì)學(xué)家的重視，對于陸相盆地，特別是湖泊沉積環(huán)境，不同的沉積水介質(zhì)條件和氣候條件，對元素的富集有著重要的影響。某些沉積礦產(chǎn)在這種情況下發(fā)生。正如礦物質(zhì)的富集規(guī)律一樣，某些元素對沉積環(huán)境的反映可能更加有效。值得注意的是，元素特征除了跟原始沉積環(huán)境有關(guān)外，還跟后期成巖系統(tǒng)的封閉性有關(guān)系，外來流體的進(jìn)入對沉積巖石的改造將改變元素分布規(guī)律。為了分析沉積旋回與元素的物質(zhì)耦合關(guān)系，重點選取W100，W46，W135 三口井部分樣品進(jìn)行了常量元素和微量元素分析。

1)常量元素

常量元素特征表現(xiàn)出一定的規(guī)律(圖6)，Al 的含量在紅色巖層地區(qū)總體比較高，灰色地層含量較低，從下到上的演化為逐漸升高，主要受向上水體逐漸變淺，氧化環(huán)境所致。Ca 的變化比較為紅色地層總體較低，灰色地層含鈣質(zhì)稍高，與旋回變化耦合關(guān)系并不是很好，可能跟后期改造有關(guān)系，但總體變化變現(xiàn)出從下到上有升高的趨勢。Fe 的含量從下到上表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，湖盆水體變淺出現(xiàn)的氧化環(huán)境比較耦合。Mg 和Na 并沒有太明顯的耦合關(guān)系。K 離子卻表現(xiàn)出從下到上有旋回升高的趨勢。K 的含量變化影響因素比較多，在開放的成巖環(huán)境中，K 離子由于長石的溶解或者粘土礦物的溶解會被帶走，因此，K 的含量可能與沉積旋回的耦合關(guān)系可能會受到影響。

圖6 王家崗地區(qū)W100 井旋回與常量元素耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship between sedimentary cycles and major element content of Well W100 in Wangjiagang area

圖7 王家崗地區(qū)W100 井旋回與微量元素耦合關(guān)系Fig.7 Coupling relationship between sedimentary cycles and trace element content of Well W100 in Wangjiagang area

2)微量元素

微量元素元素的變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律(圖7)，Zn的含量明顯表現(xiàn)出旋回變化，與顏色旋回變化比較耦合;Co 和Ni 的含量從下到上的演化，有主見增大的趨勢，說明氧化環(huán)境更有利于兩種元素的富集;Mn 和V的變化沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性;Ga 的含量總體趨勢也表現(xiàn)出從下到上主見升高的趨勢，明顯紅色地層更有利于Ga 的富集;值得重視的是Sr 和Ba，兩種元素從下到上則呈現(xiàn)出主見減少的趨勢，說明水體較深的還原環(huán)境更有利于兩種元素的富集，而上部的氧化環(huán)境不利于該元素的富集。圖8 也顯示紫紅色地層中Sr元素比Ba 元素更富集;灰色地層中比較紅色地層中更富集Mn 元素和Ba 元素。

3)元素比

元素的富集規(guī)律與環(huán)境的變化的可以用元素的比值方法來進(jìn)行研究，一方面利用元素比值法可以很好的研究沉積旋回及環(huán)境變化過程，另一方面也可以進(jìn)一步確定旋回變化過程中的元素富集規(guī)律。

圖8 研究區(qū)孔店組不同顏色旋回元素富集規(guī)律Fig.8 Element enrichment patterns of different color cycles of the Kongdian Formation in the study area

a)Sr/Ba 指數(shù)

陸相中，Sr 的含量隨鹽度的增加有明顯增大的趨勢。圖9 顯示，Sr/Ba 總體小于1，證明了陸相環(huán)境，且紅色地層比較較高，說明了氧化環(huán)境的鹽度較高，水體濃縮，有利于Sr 的富集。

圖9 研究區(qū)孔店組元素比值特征Fig.9 Element ratio characteristics of the Kongdian Formation in the study area

b)Sr/Ca 指數(shù)

該指數(shù)可以反映古鹽度，在海相沉積物中為低值，在陸相沉積物中高值。泥巖中粘土礦物的離子交換能力會明顯影響Sr 和Ca 的相對濃度，因為Sr 的離子電位比Ca 小，所以易為粘土所吸附。圖9 中顯示縱向上演化有逐漸減小的趨勢。

c)Fe/Mn 值

該比值常稱為近岸指數(shù)。由于鐵與氧的親和力高于錳和氧的親和力，F(xiàn)e 易于氧化形成Fe(OH)3而發(fā)生沉淀，因此，Mn 的氧化物比鐵的氧化物有更大的穩(wěn)定性和遷移力，錳還可以形成可溶的重碳酸鹽，增加錳在溶液中的穩(wěn)定性。圖9 顯示紅色巖層具有較高的比值，說明湖水變淺有利于鐵的富集，不利于Mn 富集，灰色巖層具有較低的比值，跟紅色巖層具有相反的特征;

d)V/Ni 比

該比值幾乎跟Fe/Mn 比具有相似的演化規(guī)律，釩與鎳的地球化學(xué)行為較相近，V 和Ni 趨向于富集在含硫化物的沉積巖中，但它們的聚集系數(shù)卻不相同。通常情況下，V/Ni 值大于1 為還原環(huán)境，而小于1 為氧化環(huán)境。如果鹽巖沉積時，鹽湖為還原環(huán)境，其V/Ni值應(yīng)大于1，反之應(yīng)小于1。圖中顯示該地區(qū)V/Ni 比均大于1，但是明顯灰色地層比值更高，紅色地層比值更低，說明灰色地層的還原性比紅色地層要高。該比值呈現(xiàn)出的特征總體大于1，還可能跟成巖過程中巖漿和成巖流體的物質(zhì)交換有關(guān)。

5 旋回沉積物質(zhì)耦合關(guān)系

通過對研究區(qū)孔店組旋回現(xiàn)象、礦物、元素特征進(jìn)行詳細(xì)分析，建立了旋回沉積宏觀和微觀物質(zhì)耦合關(guān)系，研究結(jié)果證實了不同尺度的沉積旋回對宏觀和微觀的物質(zhì)構(gòu)成具有一定的控制作用，沉積水介質(zhì)條件和氣候?qū)ξ镔|(zhì)的構(gòu)成具有一定的控制作用，導(dǎo)致了有些元素的富集，甚至形成某些沉積礦產(chǎn)，如干旱環(huán)境，湖水濃縮容易富集巖鹽和石膏，特殊的沉積水介質(zhì)容易富集某種重要的稀有元素。這一點在現(xiàn)代沉積和礦產(chǎn)開發(fā)中得到了很多的證實。然而，探討沉積旋回的宏觀和微觀的物質(zhì)構(gòu)成和富集情況，并非是簡單的對應(yīng)關(guān)系。文中部分礦物和元素也并非那么有規(guī)律可循，原因在于自然界中沉積物到沉積巖再到后期演化的過程是非常復(fù)雜的。通過以上現(xiàn)象的認(rèn)識，筆者認(rèn)為有3 個問題值得注意。

1)沉積旋回與礦物的耦合關(guān)系

沉積旋回現(xiàn)象一般表現(xiàn)為粒度、巖性、顏色等的旋回變化，形成原因主要與原始沉積期的水動力、物質(zhì)來源、氣候、水介質(zhì)條件等因素有關(guān)系。對于海相碳酸鹽旋回沉積非常普遍，且礦物成分相對單純。而對于陸相湖泊環(huán)境的沉積旋回物質(zhì)成分復(fù)雜，礦物成分與宏觀表現(xiàn)的耦合關(guān)系是否那么完美?碎屑巖中常見礦物有石英、長石、碳酸鹽、粘土礦物、石膏等。這些礦物類型除石英相對較穩(wěn)定之外，其他幾種均容易發(fā)生溶解和遷移。前文建立的旋回地層與礦物的關(guān)系顯示了一定的規(guī)律性，主要是基于顏色旋回的變化引起的礦物成分的差異進(jìn)行的分析。盡管礦物在成巖過程中發(fā)生了一些改變，但是該結(jié)果仍具有一定的規(guī)律性，如石英的含量與引起旋回的湖盆水體下降和上漲有一定的聯(lián)系，長石含量變化，特別是在常溫條件下容易溶解的斜長石的含量，也與引起旋回的水體變化有一定聯(lián)系。粘土礦物的總量的變化雖然不具有明顯變化，但是通過具體成分的變化也能具有一定的變化規(guī)律。特別是石膏沉積的變化，比較能代表湖盆水體的水介質(zhì)條件，因此與旋回變化耦合關(guān)系也比較好。總體上講，宏觀的旋回沉積到微觀的礦物耦合關(guān)系比較好。

2)礦物富集規(guī)律與元素富集的耦合關(guān)系

碎屑巖中的礦物構(gòu)成決定了主要元素的含量，石英、鉀長石、斜長石、蒙脫石、高嶺石、伊利石、綠泥石、方解石、白云石、硬石膏(CaSO4)等，礦物的存在，決定了巖石的元素富集。前文所述元素富集中，常量元素Al，Ca，F(xiàn)e 比較有規(guī)律出現(xiàn)，微量元素中Zn，Co，Ga，Sr，Ba 具有一定規(guī)律。結(jié)合礦物的演化規(guī)律和元素演化規(guī)律來看，Al 的含量隨著長石變化有規(guī)律的變化;Ca的來源主要為斜長石、方解石和硬石膏，從演化關(guān)系的耦合來看，有比較好的耦合關(guān)系，局部存在異常現(xiàn)象主要是由于螢石的存在引起了Ca 的異常;Fe 的來源有多種，綠泥石、黃鐵礦為主要來源，紅色地層中鐵的含量升高，導(dǎo)致鐵與這兩種礦物的耦合關(guān)系并不是很好;微量元素比較復(fù)雜，Sr 含量和Ba 含量均與旋回地層有較好的耦合關(guān)系，提供該類元素主要為重晶石和天青石。研究表明，膠結(jié)物中存在這兩種元素?？傊⒘吭刈陨韺Νh(huán)境具有耦合關(guān)系，由于含量較少，鏡下很難將礦物載體鑒定出來，但是微量元素對環(huán)境和沉積旋回比較敏感，特別是微量元素比值有很好的耦合關(guān)系。

3)旋回沉積-礦物-元素耦合關(guān)系

圖10 不同成巖系統(tǒng)物質(zhì)分配示意圖Fig.10 Schematic diagram showing material distribution in different diagenetic systems

在此耦合關(guān)系中，需要考慮成巖流體的改造作用。盡管沉積環(huán)境控制下的旋回沉積發(fā)生之后主要元素并不會發(fā)生太大改變，但成巖過程中的流體改造可能會起到很重要的作用，成巖系統(tǒng)的開放與封閉對原始沉積礦物和元素有不同的影響(圖10)。原始沉積礦物有時會在成巖過程中消失殆盡。如長石，雖然本文涉及的長石含量比較高，但對某些地層來講，特別是經(jīng)歷了很長的地質(zhì)時期，并且多期次成巖改造作用之后，長石或許被全部被溶解帶走或者是轉(zhuǎn)變成粘土礦物。開放成巖系統(tǒng)中，由于物質(zhì)的遷移，會有新礦物的生成和部分礦物的溶解，封閉成巖系統(tǒng)中，由于流體的循環(huán)，導(dǎo)致部分元素重新組合，粘土礦物的轉(zhuǎn)化是最好的解釋，對于粘土礦物來講，成巖改造之后就更難恢復(fù)與旋回的物質(zhì)耦合關(guān)系。因此，對于原始沉積的礦物來說，無論是封閉環(huán)境還是開放環(huán)境，成巖改造的作用對旋回與礦物的耦合關(guān)系都是非常不利的。元素特征的情況更加復(fù)雜，如果是封閉成巖環(huán)境，沉積旋回地質(zhì)體沒有與外界物質(zhì)交換，這種情況下，元素特征保留了原始的沉積信息，元素的聚集對于分析沉積環(huán)境和礦產(chǎn)資源開發(fā)都是非常有利的。如果地質(zhì)體處于開放環(huán)境中，或者是某個時間段經(jīng)歷了開放環(huán)境，如構(gòu)造活動和巖漿活動。這種情況下元素聚集特征與旋回分析耦合關(guān)系就非常差，前文所述元素特征中某些元素比較雜亂，無任何規(guī)律，可能就跟外來物質(zhì)的加入有關(guān)。開放環(huán)境中，由于物質(zhì)交換，可能還會富集之前沉積沒有的元素和礦物，如W111 井的底部沉積時期，就出現(xiàn)了火山物質(zhì)，說明當(dāng)時有巖漿作用，對沉積物進(jìn)行了改造，因此在W111、W113 等井位中出現(xiàn)了螢石、天青石、黃鐵礦、硅質(zhì)膠結(jié)等物質(zhì)，這種物質(zhì)的出現(xiàn)提供了Sr，Ca 等元素，可能會對元素分析造成很大影響。因此，在進(jìn)行元素富集規(guī)律分析的時候必須要考慮到該因素的影響。

6 結(jié)論

1)王家崗地區(qū)孔店組具有旋回特征，主要表現(xiàn)為顏色的旋回性和巖性的旋回。顏色旋回表現(xiàn)為紅色—灰色的各個尺度的旋回變化，主要由氣候條件和沉積水介質(zhì)引起;巖性旋回主要為砂巖—泥巖的旋回變化和砂巖粒度的旋回變化，主要由物質(zhì)來源和水動力條件引起。旋回沉積機理主要為間歇性鹽湖的振蕩作用所致。紅色巖層代表湖盆水體收縮，間歇干旱環(huán)境;灰色巖層代表湖盆水體整體上漲，間歇性潮濕的沉積環(huán)境。縱向演化上，孔店組為一個湖平面逐漸收縮的演化過程，期間包括許多高頻的次級升降旋回。

2)顏色旋回變化過程中，存在一定規(guī)律的礦物聚集響應(yīng)特征?？v向演化上，石英含量逐漸逐漸增加，鉀長石含量逐漸增加，斜長石逐漸減少，方解石含量有所減少，硬石膏含量逐漸增加等變化，礦物變化旋回與顏色旋回的變化具有較好的耦合關(guān)系。部分礦物含量不穩(wěn)定可能是由于后期成巖流體的改造作用。

3)旋回變化與元素富集也具有一定的耦合關(guān)系，縱向演化上，常量元素中Al，Ca，F(xiàn)e，Mg 含量有增加的趨勢。微量元素中Sr，Ba，Ga，Co 4 種元素含量有增加的趨勢。旋回變化與元素比值也有較好的耦合關(guān)系，特別是Fe/Mn 和V/Ni 比值，呈現(xiàn)出多級次旋回變化的特征。

4)沉積介質(zhì)和氣候條件控制了旋回沉積的變化，進(jìn)而控制了礦物組成特征和元素富集的變化。旋回變化與礦物和元素富集均有一定的耦合關(guān)系。這種耦合關(guān)系主要表現(xiàn)在部分礦物和元素上，這也是沉積學(xué)常提到的“指相礦物”，對于大多數(shù)元素而言，這種耦合關(guān)系并非那么簡單，必須考慮到流體-巖石的相互作用、成巖演化系統(tǒng)的封閉性?；謴?fù)原始沉積礦物，才能更好的研究旋回沉積中的沉積機理和物質(zhì)耦合關(guān)系。

致謝：感謝勝利油田研究院測試中心提供了部分測試數(shù)據(jù)。

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