蘇北盆地高郵凹陷阜寧組一段古環(huán)境恢復(fù)及其古湖泊學(xué)意義

丁林林 ，傅 強，夏 巖

（同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

蘇北盆地高郵凹陷阜寧組一段古環(huán)境恢復(fù)及其古湖泊學(xué)意義

丁林林 ，傅 強*，夏 巖

（同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

沉積巖中碳氧同位素值的測定在古環(huán)境恢復(fù)方面具有重要意義。本文采用蘇北盆地高郵凹陷韋馬地區(qū)阜寧組一段(E1f1)的13個砂巖樣品，利用MAT-252型穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀，精確測定砂巖樣品中沉積的碳酸鹽巖膠結(jié)物的碳氧同位素比值。樣品的碳、氧同位素值均為負(fù)值，δ13C值在-2.05‰～-6.44‰之間、δ18O值在-8.33‰～-12.08‰之間，通過計算及與海相和陸相碳酸鹽巖同位素值對比得出，高郵凹陷阜寧組一段沉積時期發(fā)育淡水陸相開放性湖泊，成巖溫度較低，湖泊古生產(chǎn)力具有分段性，由深變淺，湖泊的古生產(chǎn)力具有由低變高的趨勢。

沉積環(huán)境；古湖泊；碳酸鹽巖；碳氧同位素；高郵凹陷；阜寧組地層

沉積環(huán)境是研究沉積演化，劃分地層格架的基礎(chǔ)，其中包括地理條件、自然氣候、沉積介質(zhì)等一系列物理、化學(xué)和生物條件的環(huán)境要素。碳氧同位素是研究古環(huán)境的一項重要的地球化學(xué)方法，可用來恢復(fù)古溫度、古鹽度、古水文條件以及古生產(chǎn)力等[1～3]。目前，這種方法不僅在古海洋學(xué)和第四紀(jì)古湖泊學(xué)研究中廣泛應(yīng)用，也在第三紀(jì)古湖泊學(xué)中得到應(yīng)用[1]。

湖泊沉積物記錄了豐富的沉積環(huán)境信息，其中碳酸鹽巖碳氧同位素成為研究古環(huán)境變化的重要手段，通過對湖泊沉積物中碳氧同位素的測定分析，判斷湖泊的封閉性、古生產(chǎn)力和古氣候等古環(huán)境指示信息，對于含油氣盆地中沉積巖的再認(rèn)識也具有重要意義。

高郵凹陷在構(gòu)造上位于蘇北盆地東臺坳陷中部，東西長約100km，南北寬25～35km，面積約2670km2。韋馬地區(qū)處于高郵凹陷最西段，構(gòu)造上抬升并向東開口傾斜。古近系阜寧組是主要的生儲油氣層位，自下至上分為阜一段、阜二段、阜三段、阜四段。阜寧組四個沉積期的高郵湖類型和水體性質(zhì)是石油地質(zhì)專家關(guān)注的問題。以往研究表明，古近紀(jì)阜寧組二段、阜寧組四段沉積時期高郵凹陷發(fā)育間歇與南黃海溝通的較深水半咸水湖泊，沉積以暗色泥巖為主，局部發(fā)育薄層鮞?；?guī)r或薄層富介形蟲泥巖[4]。阜寧組一段沉積巖性以棕紅、棕褐和暗色泥巖、灰白色細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖呈不等厚互層。高郵湖是否從阜寧組一段開始就發(fā)育咸水湖泊，湖泊的性質(zhì)如何，這些問題的解決直接關(guān)系到高郵凹陷深層油氣勘探的評價與部署，具有十分重要的地質(zhì)意義。

本研究采集高郵凹陷韋馬地區(qū)8口井的阜寧組一段的砂巖樣。樣品測試均在同濟大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院海洋地質(zhì)國家重點實驗室完成。采用磷酸法制備CO2氣體，利用美國Finnigan-MAT公司的MAT-252型穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀測定巖樣碳、氧同位素比值（國際標(biāo)準(zhǔn)PDB值）。根據(jù)樣品的測定結(jié)果進(jìn)行沉積環(huán)境分析、成巖溫度的恢復(fù)，以了解阜寧組一段地層沉積時的地質(zhì)環(huán)境，認(rèn)識該地區(qū)的石油地質(zhì)特征。

1 古環(huán)境恢復(fù)

1.1 沉積環(huán)境與古溫度（成巖溫度）

理論上，砂巖中碳酸鹽巖膠結(jié)物的δ18O和δ13C可以作為砂巖儲層沉積時沉積環(huán)境的標(biāo)志[2]。由于沉積物中碳酸鹽巖碳氧同位素的組成和當(dāng)時的成巖環(huán)境有關(guān)，鹽度越大，碳氧同位素值越大。在碳酸鹽沉積物未受到變質(zhì)作用之前，埋藏成巖作用影響不大的情況下，沉積物早期若為海相沉積物，且沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，則碳氧同位素的數(shù)值一般表現(xiàn)為海水成巖環(huán)境；而當(dāng)沉積物早期的沉積介質(zhì)是淡水，即經(jīng)歷了大氣淡水成巖作用，后期沒有明顯的咸水侵入，那么碳氧同位素將保持淡水沉積狀態(tài)下的數(shù)值特征。

Keith和Weber（1964）推導(dǎo)出如下的方程式來劃分侏羅紀(jì)及以后時代的海水灰?guī)r和淡水灰?guī)r：

其中，δ18O和δ13C值均為PDB標(biāo)準(zhǔn)，a=2.048，b=0.498。當(dāng)Z≥120為海相，Z＜120為陸相。

*通訊作者: 傅強(教授/博導(dǎo)): fuqiang@#edu.cn

溫度也是影響碳酸鹽巖碳、氧同位素的重要因素之

一，從圖1中可見樣品δ18O值隨深度增加而急劇降低的特征，因而可以采用Epastein計算公式：

利用上述2個公式對分析樣品沉積環(huán)境Z值、成巖溫度進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

表1 高郵凹陷阜一段砂巖δ18O和δ13C值及其分析Table 1 The δ18O and δ13C values of sandstone in Funing Formation, Gaoyou Sag

1.2 沉積環(huán)境和古鹽度恢復(fù)分析

高郵凹陷韋—馬地區(qū)的13個巖樣的Z值均小于120（表1），說明高郵凹陷阜一段沉積期湖盆為陸相淡水沉積。此外Z值數(shù)字起伏大小在一定程度上反映了湖泊水體古鹽度的高低，即Z值越大，湖泊古鹽度越高；Z值越小，湖泊古鹽度越低。針對阜一段沉積期淡水湖泊水體，由于不同部位風(fēng)化與蒸發(fā)的差異，導(dǎo)致沉積巖中Z值的范圍在108.5～117.3之間起伏，顯示出阜寧組一段沉積時期古湖泊水體鹽度在淡水大背景下也有震蕩變化。

1.3 成巖溫度和埋藏深度

高郵凹陷韋馬地區(qū)阜一段13個樣品中除4號樣品（韋4，1686.02m）溫度較低，為59.87℃，其余均在63.60℃～80.15℃（表1）。

通過比較成巖溫度（T）與埋藏深度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者基本呈線性（圖2）。埋藏深度越大，古溫度（成巖溫度）值越高。13號樣品（韋5，1071.90m）成巖溫度為64.57℃，11號樣品（韋2，1445.28m）成巖溫度為67.98℃，12號樣品（韋3，1645.36m）成巖溫度為71.66℃，6號樣品（馬7，2108.44m）成巖溫度79.50℃。4個樣品很好地反映出成巖溫度與埋藏深度的線性關(guān)系，即溫度由低到高，埋藏深度由淺到深。但也發(fā)現(xiàn)成巖溫度和埋藏深度不成正比的樣品，包括2號樣品（馬11，2097.20m），4號樣品（韋4，1686.02m），9號樣品（韋9新，1353.65m）?？赡苁怯捎谏皫r中碳酸鹽巖在形成時期，受到外來水體介質(zhì)的影響，導(dǎo)致碳酸鹽巖的氧同位素受溫度的控制作用減弱，因而在利用δ18O計算成巖溫度時，結(jié)果會有偏差?？傊?，阜寧組碳酸鹽巖大致屬于埋藏深度較淺、成巖溫度偏低的形成條件。

圖1 阜寧組一段δ18O值縱向分布Fig.1 Scatter plot of δ18O of Funing Formationin

圖2 阜寧組一段成巖溫度和埋藏深度關(guān)系Fig.2 Scatter plot of diagenetic temperature and burial depth of Funing Formation

2 古湖泊學(xué)分析

湖泊碳酸鹽巖碳氧同位素很好地記錄了湖泊沉積的指標(biāo)。在判斷湖泊類型中，通過研究碳氧同位素的演化和兩者之間的相關(guān)性可以確定湖泊的封閉性和水文狀況。

2.1 湖泊碳酸鹽碳氧同位素原理

影響湖泊沉積碳酸鹽巖的碳氧同位素演化的因素很多，同時，影響δ18O和δ13C的因素不同，所以兩者可以記錄不同的沉積環(huán)境指標(biāo)[1,5]。湖泊沉積碳酸鹽巖的碳主要來自于湖水溶解的無機碳（TDIC），在開放性湖泊中，湖水溶解的無機碳主要受到入湖流體的影響，McKenzie的研究表明，現(xiàn)代湖泊水體的δ13C值范圍與注入其中的河水和地下水相似，一般在-10‰左右[6]。在封閉性湖泊中，水體滯留時間長，由于蒸發(fā)作用的增強，12C優(yōu)先從湖水表明逸出，δ13C含量增加，加上藻類植物的光合作用，使δ13C進(jìn)一步富集。氧同位素值除了與湖泊中氧同位素成分有關(guān)之外，還受到溫度、氣候、蒸發(fā)量和注入量的影響[7,8]。雨季或較為潮濕的季節(jié)，注入量大于蒸發(fā)量，δ18O就會減??；干旱季節(jié)，氣溫較高的情況下，蒸發(fā)量大于注入量，δ18O就會增加。此外，對于大中型封閉性湖泊，體積大，水體的滯留時間長，沒有水體的注入，蒸發(fā)作用強烈，所以蒸發(fā)量會大于注入量，使湖水的δ18O增加，可能會達(dá)到正值。在開放性湖泊，由于水體的頻繁注入，使得注入量大于蒸發(fā)量，δ18O值就會偏負(fù)，與注入的水體（例如地下水、河流、雨水）的氧同位素值相當(dāng)。

2.2 開放性湖泊與封閉性湖泊

決定開放性和封閉性湖泊的區(qū)別在于控制碳酸鹽巖碳氧同位素的因素不同[1,5]。在開放性湖泊，水流快速流動，停留時間短，碳氧同位素主要取決于注入水體的碳氧同位素，這些水體（河流、地下水、雨水）中，影響碳氧同位素的因素不一致，因而兩者沒有相關(guān)性或者相關(guān)性

不明顯。例如瑞士格賴芬湖（Greifensee）、美國亨德森湖（Henderson）和以色列呼勒湖（Huleh），碳酸鹽巖的δ18O和δ13C均為負(fù)值，在以δ18O為橫坐標(biāo)，δ13C為縱坐標(biāo)，以0為原點的坐標(biāo)系中，開放性淡水湖泊的投點均在第三象限，并且δ18O和δ13C值之間呈不相關(guān)性或略相關(guān)性（圖3）；而封閉性湖泊中，水體停留時間長，蒸發(fā)作用起決定性作用[7,8]，在蒸發(fā)作用下，δ18O和δ13C值均增加，具有共變趨勢，所以兩者具有相關(guān)性，如美國大鹽湖（Great Salt Lake）、吐爾卡納湖（Turkala）、納特龍—馬加迪湖（Natron-Magadi），碳酸鹽巖的δ18O正負(fù)值均有，δ13C基本為正值，其投點大多落在第一、四象限（圖3），δ18O和δ13C值之間呈明顯的線性相關(guān)，湖泊封閉性越強，相關(guān)系數(shù)越大[7～9]。當(dāng)相關(guān)系數(shù)R2＞0.5時，湖泊為封閉性湖泊[8]。

圖3 樣品的碳酸鹽碳氧同位素值在現(xiàn)代開放型和封閉型湖泊中原生碳酸鹽碳氧同位素分布區(qū)的投影Fig.3 Plot of δ18O and δ13C values of lacustrine carbonate rocks from the samples and comparison with δ18O and δ13C domains of primary lacustrine carbonates in modern open and closed lakes

蘇北盆地高郵凹陷韋馬地區(qū)阜一段樣品的碳、氧同位素均為負(fù)值，δ13C值在-2.05‰～-6.44‰，平均值為-3.74‰；δ18O值在-8.33‰～-12.08‰之間，平均值為-10.48‰。碳、氧同位素比值偏低，變化幅度較小，表明阜一段沉積時期氣候溫暖濕潤，入湖水源比較穩(wěn)定，以陸源河流或大氣降雨為主[10]。通過在Leeder M R的δ13C控制因素圖上投點，結(jié)果表明阜寧組一段沉積巖中的碳酸鹽巖沉積與土壤—風(fēng)化作用有關(guān)[3]（圖4）。

圖4 高郵凹陷阜一段碳酸鹽巖δ13C值分布Fig.4 Plot of δ13C values of carbonate rocks of Funing Formation in Gaoyou Sag

Drummond 等認(rèn)為世界上不同地理、構(gòu)造背景下現(xiàn)代和古代的非海相碳酸鹽巖的δ18O值大多在-15‰～5‰之間[11]；Kelts等認(rèn)為湖相原生碳酸鹽巖的δ13C為-2‰～6‰[9]。阜寧組一段碳酸鹽巖的δ18O和δ13C值與世界其他地區(qū)的湖相碳酸鹽巖的碳、氧同位素的值保持一致。

高郵凹陷韋馬地區(qū)阜一段樣品測定值在現(xiàn)代不同類型湖泊原生碳酸鹽巖的碳氧同位素的分布圖上的投影，落點均在開放性湖泊分布區(qū)（圖3），δ13C和δ18O的值散點圖中，兩者的相關(guān)性系數(shù)R2=0.0051（圖5）。根據(jù)前文所知，封閉性咸水、半咸水湖泊中，δ13C和δ18O值之間相關(guān)性系數(shù)R2＞0.5，而在本研究區(qū)R2為0.0051，遠(yuǎn)小于0.5。所以從湖泊碳酸鹽巖的碳、氧同位素特征表明，阜寧組一段沉積時期的湖泊為一個開放性的淡水湖泊。

圖5 高郵凹陷阜一段湖相碳酸鹽δ13C和δ18O值散點圖Fig.5 Scatter plot of δ13C and δ18O values of lacustrine carbonate rocks from 1th of Funing Formation in Gaoyou Sag

2.3 湖泊的古生產(chǎn)力

圖6 高郵凹陷阜一段湖相碳酸鹽巖δ13C變化曲線Fig.6 Variation of δ13C from lacustrine carbonate from 1th of Funing Formation in Gaoyou Sag

不同于氧同位素受多種因素的影響，湖相碳酸鹽巖的碳主要來自于湖水溶解的無機碳（TDIC），故影響湖水中溶解的無機碳碳同位素組分的一個重要因素就是湖泊的生產(chǎn)力[1,12]。湖泊的生產(chǎn)力高時，大量的浮游植物通過光合作用吸收較多的12C，使溶解的無機碳13C含量增加，原生碳

酸鹽巖的碳同位素值就會偏正。由此可以根據(jù)湖相碳酸鹽巖碳同位素值的變化來恢復(fù)湖泊的生產(chǎn)力變化[1]。

阜一段δ13C值可以看到，埋深由深變淺，除了在1600～1750m之間有一個明顯的δ13C值偏負(fù)的階段外，δ13C值經(jīng)歷了兩個偏正段，即埋深小于1600m和1750～2100m井段，表明古湖泊生產(chǎn)力較高（圖6）。總體上埋深由深到淺，δ13C值升高，反映了湖泊古生產(chǎn)力具有由低到高的變化趨勢。

3 結(jié)論

（1）通過巖樣碳酸鹽巖碳、氧同位素的測定，蘇北盆地高郵凹陷阜一段為淡水陸相沉積，大致屬于埋藏深度較淺、成巖溫度偏低的形成環(huán)境。

（2）碳氧同位素相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于0.5，表明蘇北盆地高郵凹陷阜一段沉積期屬于開放型淡水湖泊。

（3）阜一段沉積期湖泊古生產(chǎn)力具有分段性，埋深小于1600m和1750～2100m之間的古湖泊生產(chǎn)力較高?？傮w上，埋深由深變淺，湖泊的古生產(chǎn)力具有由低變高的趨勢。

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Environmental recovery of paleo-lakes in the Funing formation (E1f1), Gaoyou Sag, Subei Basin

DING Lin-Lin, FU Qiang, XIA Yan
(School of marine and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Carbon and oxygen isotopes have been widely used as a means of reconstructing ancient environments. A total of 13 sandstone samples were collected from the Funing Formation (E1f1) in Gaoyou Sag, WeiMa region. A MAT-252 stable isotope ratio mass spectrometer was used to measure δ18O and δ13C in all samples. δ13C values range from ?2.05‰ and?6.44‰, and the δ18O values range from ?8.33‰ and ?12.08‰. These values are comparable with carbonate rock marine and terrestrial isotope values, suggesting that the lakes developed into the open inland freshwater lakes in Funing Formation sedimentary period. Diagenetic tempterature is low, and the ancient productivity of the lake with piecewise sex. The ancient productivity of the lake changed from low to high with decreasing depth.

sedimental environment; ancient lake; carbonate rock; carbon and oxygen isotope; Gaoyou Sag; Funing Formation stratum

P736.22

A

2095-1329(2015)01-0086-04

2014-11-20

2015-01-26

丁林林(1990-),女,碩士生,主要從事沉積學(xué)及儲層地質(zhì)學(xué)方面研究.

電子郵箱: dll0410@163.com

聯(lián)系電話: 021-65980148

國家科技重大專項“鄂爾多斯盆地大型低滲透巖性地層油氣藏開發(fā)示范工程”(2011ZX05044)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.01.020