松遼盆地大慶長(zhǎng)垣南端上白堊統(tǒng)四方臺(tái)組古環(huán)境特征及演化

申林，劉招君，胡菲，李建國(guó)，趙丁名，萬(wàn)濤

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061； 2.吉林省油頁(yè)巖與共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130061； 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170

0 引言

松遼盆地是中國(guó)大型中新生代含油氣盆地之一，具有典型的陸相沉積特征。松遼盆地處于119°40′～128°24′E，42°25′～49°23′N(xiāo)，整體呈北東向展布。通過(guò)近幾十年的油氣勘探，松遼盆地的研究程度有了很大提高。前人對(duì)松遼盆地的氣候變化開(kāi)展了大量的研究，青山口組沉積時(shí)期氣候溫暖濕潤(rùn)，姚家組和嫩江組一、二段時(shí)期氣候變冷，嫩江組三至五段、四方臺(tái)組和明水組時(shí)期氣候波動(dòng)較大[1-3]。

前人對(duì)松遼盆地上白堊統(tǒng)古環(huán)境的研究多集中于青山口組、嫩江組[4]，對(duì)于四方臺(tái)組古環(huán)境的研究較少。近年來(lái)，在松遼盆地北部四方臺(tái)組中發(fā)現(xiàn)了砂巖型鈾礦，對(duì)于四方臺(tái)組的研究逐漸增多，但前人的研究主要針對(duì)巖石學(xué)特征[5]、沉積相特征[6]、物源特征[7]及層序沉積特征[8-9]等，缺乏對(duì)四方臺(tái)組時(shí)期古環(huán)境的研究。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，依托巖芯和測(cè)井資料，結(jié)合四方臺(tái)組泥巖樣品地球化學(xué)測(cè)試分析，揭示四方臺(tái)組層序地層特征及層序格架內(nèi)不同時(shí)期的古氣候特征、古水體氧化還原性及演化趨勢(shì)，這對(duì)該地區(qū)砂巖型鈾礦沉積環(huán)境研究具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地橫跨三省一區(qū)(黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古自治區(qū))，是具有下斷上坳特征的大型裂谷盆地。松遼盆地北部是指盆地的黑龍江省部分，面積為11.95×104km2[10]。松遼盆地自三疊紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了熱隆張裂剝蝕階段、裂陷階段、坳陷階段、萎縮階段和差異運(yùn)動(dòng)階段。四方臺(tái)組時(shí)期處于構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段，松遼盆地整體抬升，湖盆萎縮，盆地發(fā)生掀斜反轉(zhuǎn)[11-12]。研究區(qū)位于中央坳陷區(qū)的大慶長(zhǎng)垣南端，面積約為500 km2(圖1)。研究區(qū)內(nèi)四方臺(tái)組物源主要為來(lái)自張廣才嶺、吉黑東部及盆地東南部地區(qū)的中高級(jí)變質(zhì)巖[13]。四方臺(tái)組地層形成于松遼盆地萎縮時(shí)期，巖性以灰色、灰綠色和棕紅色泥巖為主[14]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1 Location of study area

2 取樣和測(cè)試

本文樣品取自7D-1井，從下至上依次鉆遇嫩江組、四方臺(tái)組、明水組和第四系。7D-1井位于研究區(qū)中心區(qū)域，目的層四方臺(tái)組發(fā)育完整。對(duì)四方臺(tái)組泥巖進(jìn)行系統(tǒng)取樣，取樣深度為161.1 m～264.06 m，巖石樣品新鮮，共計(jì)33個(gè)樣品。首先將泥巖樣品研磨至200目。主量元素的測(cè)定應(yīng)用飛利浦 PW2404射線(xiàn)熒光光譜儀完成(測(cè)試方法依據(jù)GB/T14506.28-93標(biāo)準(zhǔn))。本次測(cè)試的主量元素主要為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、Na2O和K2O，測(cè)試樣品采用國(guó)際標(biāo)樣和平行樣進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)，測(cè)定結(jié)果的誤差<5%。微量元素和稀土元素的測(cè)定應(yīng)用高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(HR-ICP-MS)(Thermo Scientific X系列)完成(測(cè)試方法依據(jù)DZ / T 0223-2001標(biāo)準(zhǔn))。微量元素測(cè)試了V、Ni、Cr和Sr等10種元素，稀土元素測(cè)試了Ce、Dy等14種元素。樣品采用國(guó)際標(biāo)樣和平行樣進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)，誤差<10%。以上測(cè)試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成。

3 層序地層特征

本文主要通過(guò)巖性組合和測(cè)井曲線(xiàn)識(shí)別層序和體系域。

3.1 三級(jí)層序

層序是指一套相對(duì)整一的，成因上有聯(lián)系的，頂?shù)滓圆徽厦婊蚺c之相當(dāng)?shù)恼厦鏋榻绲牡貙訂卧?。層序反映沉降速率和沉積速率的變化,與沉積環(huán)境的演變密不可分。層序界面在垂向上表現(xiàn)為沉積相(亞相)的轉(zhuǎn)變，平面上表現(xiàn)為沉積相(亞相)的遷移[15]。筆者主要通過(guò)巖性組合和測(cè)井特征識(shí)別沉積相帶轉(zhuǎn)換面，它往往代表不整合面，是三級(jí)層序的重要識(shí)別標(biāo)志。SQ1底界為四方臺(tái)組底部的沉積相帶轉(zhuǎn)換面，表現(xiàn)為界面之下為湖泊相紅棕色、紅褐色泥巖或灰色泥巖，局部夾灰色粉砂巖，界面之上突變?yōu)檗p狀河相灰色或灰綠色厚層砂巖。在SQ1底界附近自然電位曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)出現(xiàn)較大幅度的變化(坎值)，表現(xiàn)為自然電位曲線(xiàn)降低，電阻率曲線(xiàn)升高。SQ2底界為一河道侵蝕沖刷面，界面之下為灰色、灰綠色、紅棕色泥巖夾粉砂巖的泛濫平原沉積，界面之上為灰色、灰綠色砂巖的河床沉積，界面處常見(jiàn)沖刷構(gòu)造，自然電位曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)在界面處變化較大(圖2)。

3.2 體系域

體系域相當(dāng)于四級(jí)層序。一個(gè)完整的層序包括低水位體系域(LST)、水進(jìn)體系域(TST)、高水位體系域(HST)和水退體系域(RST)[16]。不同體系域之間的巖石組合特征、測(cè)井曲線(xiàn)特征及準(zhǔn)層序組疊加方式差別較大。低水位體系域由單層厚度較大的砂巖或含礫砂巖組成，自然電位值較低，電阻率值較高，準(zhǔn)層序組疊加方式以加積為主；水進(jìn)體系域由粒度向上變細(xì)、巖層厚度向上變薄的砂巖、粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖組成，自然電位值逐漸增大，電阻率值逐漸減小，準(zhǔn)層序組疊加方式以退積為主；高水位體系域由粒度較細(xì)的粉砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，局部夾薄層砂巖，自然電位值較高，電阻率值較低，準(zhǔn)層序組疊加方式以加積為主；水退體系域由粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖組成，自然電位曲線(xiàn)逐漸減小，電阻率曲線(xiàn)逐漸增大，準(zhǔn)層序組疊加方式以進(jìn)積為主(圖2)。

4 古沉積環(huán)境

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育辮狀河相和曲流河相。辮狀河具有二元結(jié)構(gòu)，以側(cè)向加積為主，其底部側(cè)向加積所占比例多>50%，自然電位和視電阻率曲線(xiàn)多呈高幅箱型、齒化箱型(圖2)。研究區(qū)辮狀河相發(fā)育在層序1(SQ1)低水位體系域中，包括河床和泛濫平原兩個(gè)亞相。河床可進(jìn)一步劃分為河床滯留沉積和心灘，河床滯留沉積以粗砂巖、含礫中、粗砂巖為主(圖3a)，心灘以細(xì)砂巖為主，常見(jiàn)沖刷構(gòu)造，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、楔狀交錯(cuò)層理和變形層理等。泛濫平原亞相由粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖組成，發(fā)育水平層理(圖3b)。

曲流河在研究區(qū)廣泛發(fā)育，具有典型的二元結(jié)構(gòu)，以垂向加積為主，垂向加積比例多>50%，自然電位和視電阻率曲線(xiàn)主要呈鐘型，且幅值相對(duì)比辮狀河小(圖2)。曲流河相可以劃分為河床和泛濫平原亞相，河床進(jìn)一步劃分為河床滯留沉積和邊灘，河床滯留沉積以含礫細(xì)砂巖為主，邊灘以細(xì)砂巖為主。泛濫平原亞相進(jìn)一步分為河漫灘、河漫湖泊和決口扇微相。河漫灘沉積以泥質(zhì)粉砂巖為主，發(fā)育波狀層理(圖3c)和變形層理等；河漫湖泊以大段泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，發(fā)育水平層理和塊狀構(gòu)造；決口扇沉積以細(xì)砂巖為主，可見(jiàn)變形層理(圖3d)和槽狀交錯(cuò)層理。

研究區(qū)內(nèi)河道砂體與泛濫平原沉積交替出現(xiàn)，形成泥-砂-泥互層的結(jié)構(gòu)。垂向上，SQ1低水位體系域?yàn)檗p狀河沉積，以河床為主，局部發(fā)育泛濫平原沉積；水進(jìn)體系域開(kāi)始過(guò)渡為曲流河沉積，以河漫灘為主，局部發(fā)育曲流河河床和河漫湖泊沉積；高水位體系域時(shí)期，以河漫湖泊沉積為主，局部發(fā)育決口扇沉積；水退體系域時(shí)期以河漫灘沉積為主(圖2)。SQ2的沉積演化與SQ1類(lèi)似，部分地區(qū)不發(fā)育水退體系域沉積。平面上，SQ1低水位體系域時(shí)期，研究區(qū)內(nèi)為辮狀河沉積，河床沿西北-東南方向分布；水進(jìn)體系域時(shí)期過(guò)渡為曲流河沉積，河床兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)河漫湖泊沉積；高水位體系域時(shí)期河流曲度加大，開(kāi)始出現(xiàn)決口扇沉積，河漫湖泊沉積較為發(fā)育；水退體系域時(shí)期零星發(fā)育決口扇沉積，河漫湖泊沉積發(fā)育。7D-1井位于研究區(qū)中心位置，發(fā)育有辮狀河河床、河漫灘和河漫湖泊沉積等多種沉積微相，對(duì)于研究古環(huán)境演化具有典型性(圖4)。

圖2 松遼盆地北部167D27--2井—168D--2井層序地層格架與沉積相連井剖面圖Fig.2 Sequence stratigraphic framework and sedimentary facies connecting-well profile between Well 167D27--2 and Well 168D--2 in northern Songliao Basin

圖3 河流相巖芯典型現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.3 Photographs of typical fluvial facies cores

5 地球化學(xué)特征

主量元素測(cè)試了SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O和FeO，其中SiO2和Al2O3含量最多，平均含量分別為63.01%和15.55%。同時(shí)含有少量的Fe2O3、K2O和Na2O，平均含量分別為5.00%、2.74%和2.02%(表1)。微量元素檢測(cè)了V、Ni、Cr和Sr等10種元素，以上地殼頁(yè)巖元素豐度(UCC)作為標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)樣品與標(biāo)準(zhǔn)值的比值獲得富集指數(shù)，富集指數(shù)>1指示該元素富集，富集指數(shù)<1指示該元素虧損。分析結(jié)果表明，Cr元素富集，Sr元素虧損，Cu和U元素豐度分布離散(圖5a)(表1)。稀土元素共檢測(cè)出Ce、Dy、Er和Eu等14種元素，其中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu為輕稀土元素，Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu為重稀土元素。采用球粒隕石稀土元素含量作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。測(cè)試結(jié)果表明，四方臺(tái)組泥巖稀土元素總量(∑REE)為(383.29～833.02)×10-6，平均值為611.20×10-6。輕稀土總量為(302.38～652.43)×10-6，平均值為485.44×10-6。重稀土總量為(80.9～180.59)×10-6，平均值為125.76×10-6。通過(guò)稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值配分模式圖可以看出，La-Eu段輕稀土元素相對(duì)富集，曲線(xiàn)較陡；Gd-Lu段重稀土元素曲線(xiàn)較為平緩，Tm明顯負(fù)異常(圖5b)(表2)。

表1 主量元素和微量元素含量

圖4 層序1沉積相平面圖Fig.4 Sedimentary facies distribution of Sequence 1

圖5 微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(b)Fig.5 Upper crust-normalized trace element spidergrams(a) and chondrite-normalized REE distribution patterns(b)

6 古氣候

前人研究表明，不同沉積環(huán)境具有不同的水動(dòng)力條件、溫度、鹽度和生物特征，在不同環(huán)境中元素的聚集規(guī)律也有所不同[17]。古氣候在局部地區(qū)內(nèi)通常不會(huì)發(fā)生較大的改變，因此可以選取研究區(qū)內(nèi)的一口鉆井，通過(guò)對(duì)泥巖元素及其比值的研究分析沉積巖形成環(huán)境，重建研究區(qū)內(nèi)的古氣候條件。

6.1 主量元素

化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)可以較好地定量表示硅酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度:

CIA=Al2O3/[(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100

(1)

式中:CaO*代表硅酸鹽巖中的CaO含量[18]。

研究區(qū)的CIA風(fēng)化指數(shù)值為67.25～74.47，平均為72.55(表3)，可以定義本區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用為中等強(qiáng)度[19]。四方臺(tái)組泥巖樣品的CIA值呈波動(dòng)變化(圖6)，還需借助其他地球化學(xué)參數(shù)對(duì)古氣候變化進(jìn)行更精細(xì)的解釋。溫暖濕潤(rùn)環(huán)境下，淋溶作用較強(qiáng)，易溶物質(zhì)大量遷移導(dǎo)致Al富集，并以Al2O3的形式保留下來(lái)。SiO2的變化規(guī)律和Al2O3的變化規(guī)律相反，在干旱氣候環(huán)境下最易富集。故SiO2/Al2O3值越高，反映沉積環(huán)境越干旱。當(dāng)SiO2/Al2O3的值>4時(shí),指示氣候干燥[20]。SQ1時(shí)期SiO2/Al2O3比值較高，SQ2時(shí)期SiO2/Al2O3比值降低(表3、圖6)。

6.2 微量元素

前人研究表明，Sr/Cu比值介于1.3～5.0之間時(shí)指示溫濕氣候，而>5.0指示干熱氣候[21]。SQ1時(shí)期Sr/Cu比值平均為11.41，SQ2時(shí)期Sr/Cu比值平均為10.82(表3)，反映出松遼盆地四方臺(tái)組時(shí)期處于干熱氣候，且SQ1時(shí)期干旱程度更高(圖6)。Th含量在地殼中幾乎不變，而U6+化合物可溶于水并隨地下水遷移，以U4+化合物形式沉積下來(lái)[22]。因此，氣候潮濕時(shí)鈾易被氧化遷移，Th/U比值較低。在四方臺(tái)組時(shí)期內(nèi)，Th/U比值呈逐漸減小的趨勢(shì)，可能是研究區(qū)內(nèi)砂巖型鈾礦發(fā)育所致(圖6)。在自然界中Rb相對(duì)穩(wěn)定，Sr易淋濾散失。氣候濕潤(rùn)時(shí)Sr淋濾散失導(dǎo)致Rb/Sr值升高[23]。SQ1時(shí)期Rb/Sr比值逐漸減小，SQ2時(shí)期Rb/Sr比值逐漸增大(圖6)。

結(jié)合CIA、SiO2/Al2O3、Sr/Cu、Th/U和Rb/Sr的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)四方臺(tái)組時(shí)期古氣候干旱炎熱，SQ1時(shí)期干旱程度高于SQ2時(shí)期。

表2 稀土元素含量

圖6 四方臺(tái)組古環(huán)境變化示意圖Fig.6 Schematic diagram of paleoenvironmental changes of Sifangtai Formation

表3 7D--1井古氣候地球化學(xué)特征

Table 3 Paleoclimatic geochemical characteristics of Well 7D--1

層序CIASr/CuTh/URb/SrSiO2/Al2O3SQ172.60 11.41 4.61 0.54 4.08 SQ272.45 10.82 5.47 0.59 3.97

7 古水體性質(zhì)

7.1 古水體氧化還原性

古水體氧化還原性可以通過(guò)泥巖顏色進(jìn)行簡(jiǎn)單判別。一般認(rèn)為，暗色泥巖(深灰色、灰黑色)代表沉積時(shí)為還原環(huán)境，紅棕色、紅褐色和紫褐色泥巖代表沉積時(shí)為氧化環(huán)境。SQ1的低水位體系域時(shí)期、水退體系域時(shí)期及SQ2發(fā)育大量的紅棕色、紅褐色泥巖，反映沉積時(shí)水體處于氧化環(huán)境，而SQ1的水進(jìn)體系域和高水位體系域時(shí)期發(fā)育灰色、灰綠色泥巖，反映沉積時(shí)水體還原性增強(qiáng)。利用泥巖顏色判別水體氧化還原性存在一定的局限性，還需要綜合其他依據(jù)進(jìn)行判斷。

不同氧化還原條件下的泥巖具有不同的地球化學(xué)特征。前人研究表明低V/Cr 、V/(V+Ni)、Ni/Co和U/Th比值指示富氧的水體環(huán)境[24]。V/Cr和V/(V+Ni)比值在SQ1和SQ2時(shí)期相差不大、Ni/Co比值SQ1明顯較小(表4)(圖6)，反映出四方臺(tái)組時(shí)期水體處于氧化還原過(guò)渡-氧化環(huán)境，SQ1水體氧化性更強(qiáng)。Ce異常也可以反映古水體氧化還原條件變化，氧化環(huán)境中表現(xiàn)為Ce負(fù)異常，還原環(huán)境下表現(xiàn)為Ce正異常[25]。SQ1時(shí)期δCe平均為0.92，SQ2時(shí)期平均為0.91(表4)，顯示出微弱的負(fù)異常，表明四方臺(tái)組時(shí)期水體處于氧化還原過(guò)渡-氧化環(huán)境。

古水體氧化還原性、古氣候和沉積環(huán)境之間具有較好的耦合關(guān)系。SQ1時(shí)期，氣候干熱，蒸發(fā)作用加劇，水體變淺，氧化性增強(qiáng)，河床沉積相對(duì)發(fā)育。SQ2時(shí)期氣候干旱程度降低，蒸發(fā)作用相對(duì)減弱，水體變深，氧化性減弱，以細(xì)粒泛濫平原沉積為主。

表4 7D--1井氧化還原性特征

7.2 古水體鹽度及深度

Sr/Ba值可以判別古水體鹽度。通常認(rèn)為Sr/Ba比值<0.5為淡水，0.5～0.8為半咸水，>0.8為咸水沉積[26]。四方臺(tái)組泥巖樣品的Sr/Ba比值平均為0.38，說(shuō)明整個(gè)四方臺(tái)組均為陸相淡水沉積。

一般來(lái)說(shuō)，深水環(huán)境水動(dòng)力較弱，沉積物以細(xì)粒的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，水體較淺時(shí)，水動(dòng)力增強(qiáng)，砂質(zhì)沉積物含量增多。因此可以利用砂巖厚度與地層厚度之比判斷沉積時(shí)的水體深度，砂地比值高代表水體淺，砂地比值低代表水體深。通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)35口井的砂地比統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：SQ1低水位體系域砂地比最高，平均為0.85，水進(jìn)體系域砂地比減小，平均為0.63，高水位體系域砂地比最小，平均為0.49，水退體系域砂地比增大，為0.61。SQ2具有類(lèi)似的特征。根據(jù)砂地比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，低水位體系域砂地比最高，對(duì)應(yīng)著水體最淺，高水位體系域砂地比最低，對(duì)應(yīng)著水體最深。低水位體系域→水進(jìn)體系域→高水位體系域→水退體系域是一個(gè)基準(zhǔn)面低→高→低的變化過(guò)程，水進(jìn)體系域和高水位體系域時(shí)期基準(zhǔn)面較高，水體較深。

8 結(jié)論

(1)松遼盆地北部四方臺(tái)組可以劃分為2個(gè)三級(jí)層序，8個(gè)四級(jí)層序，并識(shí)別出辮狀河和曲流河2種沉積以及8種沉積微相。SQ1低水位體系域時(shí)期為辮狀河相，水進(jìn)體系域時(shí)期開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱酉唷?/p>

(2)結(jié)合泥巖樣品的地球化學(xué)特征可知SQ1時(shí)期氣候干熱，水體氧化性逐漸增強(qiáng)；SQ2時(shí)期氣候干旱程度降低，水體氧化性減弱。

(3)古氣候、古水體氧化還原性和沉積相之間具有較好的耦合關(guān)系。氣候干熱時(shí)，蒸發(fā)作用加劇，水體變淺，水體氧化性增強(qiáng)，發(fā)育大量河床亞相沉積；氣候干旱程度降低時(shí)，蒸發(fā)作用減緩，水體變深，水體氧化性減弱，以泛濫平原亞相為主。