柴北緣平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段元素地球化學(xué)特征及意義

陳 波，薛雨見君，趙云南，鐘 萍，陳汾君

(1.廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 欽州 535000；2.中國(guó)石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

古沉積環(huán)境的精確判別和恢復(fù)直接制約著對(duì)古地理和沉積相的認(rèn)識(shí),進(jìn)而影響油氣勘探進(jìn)程[1]。源區(qū)母巖在各種地質(zhì)應(yīng)力作用下經(jīng)過(guò)風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)及沉積堆積并經(jīng)過(guò)成巖作用形成沉積巖，沉積物與沉積環(huán)境之間存在的復(fù)雜的地球化學(xué)平衡造就了不同元素類型、豐度的分異[2]，因此，沉積物中的各種元素的含量及其比值與沉積環(huán)境演化存在密切關(guān)系，已被廣泛應(yīng)用于恢復(fù)和判別沉積環(huán)境[3-4]。柴北緣平臺(tái)地區(qū)位于柴達(dá)木盆地西北部的賽什騰山北部，為山前最為有利的油氣勘探區(qū)域之一[5]。近年來(lái)，在平臺(tái)地區(qū)古近系至下而上的路樂(lè)河組、下干柴溝組下段和下干柴溝組上段陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了高豐度的工業(yè)油氣藏，打開了柴北緣山前油氣勘探的新局面[6]，從而使平臺(tái)地區(qū)的地質(zhì)情況得到石油地質(zhì)工作者的普遍關(guān)注。田繼先[7]、孫國(guó)強(qiáng)[5]和呂婧文等人[6]分別對(duì)平臺(tái)地區(qū)天然氣成藏條件、路樂(lè)河組砂巖儲(chǔ)層特征、沉積微相特征進(jìn)行了系統(tǒng)論述，仵宗濤等人[8]利用碳氧同位素資料探討了平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段的碳酸鹽膠結(jié)物特征。但總體而言關(guān)于平臺(tái)地區(qū)的研究成果相對(duì)較少，且下干柴溝組顯得尤為匱乏?；诖?，綜合利用礦物學(xué)和地球化學(xué)手段，利用主微量元素、碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)，系統(tǒng)地探討了平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段沉積時(shí)期的古氣候、古鹽度、氧化還原條件等古沉積環(huán)境特征，以期為該區(qū)的油氣勘探提供一定的沉積環(huán)境地質(zhì)依據(jù)。

1 樣品與分析方法

為準(zhǔn)確分析平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段的沉積環(huán)境情況，重點(diǎn)對(duì)平1井下干柴溝組下段532.50～677.08 m的剖面自下而上進(jìn)行了全巖連續(xù)系統(tǒng)的樣品采集。共采集巖心樣品32件，主要巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖以及少量的泥質(zhì)粉砂巖。樣品在分析前進(jìn)行顯微鏡下礦物組成與結(jié)構(gòu)觀察，確保用于元素地球化學(xué)分析的樣品未經(jīng)蝕變、礦化或次生風(fēng)化作用，所有樣品用無(wú)污染碎樣機(jī)研磨，并且過(guò)200 目篩。主量元素的測(cè)定采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的X射線熒光光譜儀3080E3X，分析元素范圍為Na—U。微量元素分析時(shí)，首先將樣品在105 ℃烤箱上烘烤3 h左右去除水分，以便準(zhǔn)確稱量，之后用 HF+HNO3密封溶解樣品，并用激光耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS進(jìn)行分析測(cè)試。樣品的主、微量元素及碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)(δ13C與δ18O值)處理和測(cè)試均在中科院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，主微量元素含量值均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位為%；微量元素單位為μg/g；碳與氧同位素值以V-PDB標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)，單位為‰。文中元素符號(hào)之比(如Mn/Sr比值)均指元素含量之比(Mn元素含量比Sr元素含量)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品有效性分析

后期成巖作用蝕變可能影響數(shù)據(jù)在判斷沉積環(huán)境時(shí)的準(zhǔn)確性，因此，在分析數(shù)據(jù)之前，首先需要對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)[9]。Kaufman等通過(guò)大量碳酸鹽巖數(shù)據(jù)分析研究認(rèn)為，Mn/Sr<10、δ13C與δ18O值相關(guān)性越弱、δ18O<10‰則表示樣品未受到成巖蝕變的影響[10]。研究區(qū)32件樣品的Mn/Sr值為1.17～4.35，平均為2.95，δ13CVPDB與δ18OVPDB數(shù)據(jù)呈現(xiàn)強(qiáng)離散性，相關(guān)系數(shù)僅為0.001(圖1)，δ13CVPDB值為-7.61‰～-1.45‰，平均為-4.58‰，δ18OVPDB值為-14.45‰～-10.12‰，平均為-11.65‰，δ18OVPDB值表明樣品可能受到了輕微成巖蝕變作用的影響，但結(jié)合Mn/Sr值及δ13CVPDB與δ18OVPDB數(shù)據(jù)相關(guān)性，綜合分析認(rèn)為，所測(cè)樣品數(shù)據(jù)基本可代表原始沉積時(shí)期的元素地球化學(xué)特征值，可用于沉積環(huán)境分析，但在分析沉積環(huán)境特征時(shí)，需要綜合多種指標(biāo)相互印證，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 研究區(qū)碳氧同位素相關(guān)性

2.2 古沉積環(huán)境分析

2.2.1 古氣候特征

不同氣候條件下的富集元素會(huì)存在差異，F(xiàn)e、Mn、Ni、Cr、Co、Cu、V、Th、Rb等元素在溫暖濕潤(rùn)環(huán)境容易聚集，而Ca、Mg、Sr、K、Na、Sr、Ta、Mg、B、Zn、Pb等元素在干燥炎熱氣候下含量較高[11]，因此，通過(guò)計(jì)算氣候指數(shù)C可判斷古氣候：

C=∑(Fe+Mn+Ni+Cr+Co+V)/∑(Ca+Mg+K+Sr+Ba)

(1)

當(dāng)氣候指數(shù)C>0.800時(shí)，指示溫濕氣候；0.600

喜干型元素Sr和喜濕型元素Cu的比值Sr/Cu通常也可以指示古氣候的變化，一般1.0010.00指示干熱氣候[11]。研究區(qū)32個(gè)樣品的Sr/Cu值分布在4.30～16.05之間，平均值為8.00，同樣可說(shuō)明研究區(qū)沉積時(shí)期氣候的不穩(wěn)定性，干熱和溫濕氣候交替出現(xiàn)，但整體上氣候偏溫暖濕潤(rùn)(圖2)。

2.2.2 古鹽度特征

古鹽度的測(cè)定方法多樣，包括硼法、自生鐵礦物法、元素比值法等[1]。不同鹽度條件下元素富集程度不同[14-15]，如Ba遷移能力相對(duì)較弱，水體鹽度增大時(shí)，Ba以BaSO4形式較先沉淀，而Sr遷移

圖2 Sr/Cu與氣候指數(shù)關(guān)系

能力很強(qiáng)，只有水體鹽度增大到一定程度后才以SrSO4形式沉淀，因此，Sr的豐度和Sr/Ba比值對(duì)古鹽度具有良好的指示性且與古鹽度明顯呈正相關(guān)性[16]。眾多學(xué)者研究結(jié)果表明[17-18]：Sr/Ba>1.00或Sr>500.00 μg/g，指示海相咸水或咸化湖泊沉積；0.60

圖3 Sr和Sr/Ba比值關(guān)系特征

據(jù)Keith和Weber[19]提出的水體鹽度與碳氧同位素之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

Z=2.048(δ13CVPDB+50)+0.498(δ13OVPDB+50)

(2)

式中：Z為水體的古鹽度，當(dāng)Z>120.00時(shí)，為海相(陸相咸水湖泊)沉積；當(dāng)Z<120.00時(shí)，為陸相淡水沉積。

計(jì)算得出研究區(qū)樣品的Z值為105.53～119.23，平均為112.12，同樣可以判斷沉積背景為鹽度較高的陸相淡水沉積。

2.2.3 氧化還原條件

部分微量元素的溶解程度受到氧化還原條件的控制，如U、V、Cr、Ni 、Co、Mo等元素表現(xiàn)為在氧化條件下易溶，而在貧氧的還原條件下容易富集，可作為氧化還原條件良好的判別指標(biāo)[2]。通常將V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co值作為判斷氧化還原環(huán)境條件的指標(biāo)[20]。在水體分層明顯的厭氧的強(qiáng)還原環(huán)境下，通常表現(xiàn)為V/(V+Ni)>0.84、Ni/Co>7.00、V/Cr>4.25；在水體分層不強(qiáng)的貧氧亞還原環(huán)境下，V/(V+Ni)為0.60～0.84、5.00

生物化石、沉積構(gòu)造、元素地球化學(xué)都可以用于古水深的分析[17]。由于元素在沉積搬運(yùn)過(guò)程中的分異作用與離岸距離存在一定的聯(lián)系[21]，利用平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段樣品中實(shí)際的鈷、鑭含量(Co含量為 9.21～38.16 μg/g，平均為20.96 μg/g；La含量為4.76～58.43 μg/g，平均為31.51 μg/g)，計(jì)算得到研究區(qū)的古水深為4.52～65.04 m，平均為26.89 m，跨度較大，但60%的樣品計(jì)算深度小于26.00 m，說(shuō)明整體水體深度較淺，與上文對(duì)氧化還原條件的判斷結(jié)果相吻合，指示大型匯水湖泊還未形成[17]。

圖4Ni/Co和V/(V+Vi)及V/Cr比值關(guān)系特征

2.3 古環(huán)境演化對(duì)油氣勘探的指示意義

沉積相特征是沉積物在沉積環(huán)境下的綜合顯示，而地球化學(xué)信息在一定程度上準(zhǔn)確還原了沉積環(huán)境演變情況[22]，因此，將地球化學(xué)和沉積學(xué)相結(jié)合，應(yīng)用于古沉積環(huán)境及沉積相分析中，可提供物理標(biāo)志與生物標(biāo)志所不能反映的額外信息[23]。

元素地球化學(xué)特征分析表明，平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組沉積期氣候整體趨于濕潤(rùn)，但干旱、濕潤(rùn)氣候交替出現(xiàn)，從而造成湖平面升降頻繁，湖盆表現(xiàn)為高頻振蕩性特征[24]，水動(dòng)力條件及水體深度變化較大(4.52～65.04 m)，砂泥巖易出現(xiàn)互層狀分布，為有利的儲(chǔ)蓋組合發(fā)育創(chuàng)造了條件。自新生代以來(lái)，柴達(dá)木盆地長(zhǎng)期處于青藏高原隆升背景之下，持續(xù)分階段的隆升導(dǎo)致盆地的古海拔變高和湖盆逐漸封閉[25]，使古氣候成為影響沉積環(huán)境的主控因素[26]。在干旱氣候條件下，入湖水流量明顯減少，湖泊水體變淺，湖盆面積逐漸變小，湖泊水體鹽度增大，可容納空間持續(xù)減小，砂體向湖盆中心推進(jìn)能力增強(qiáng)，粗碎屑巖增多，而泥巖厚度較薄且規(guī)模較小，可形成優(yōu)良的儲(chǔ)集砂體；而在氣候溫暖潮濕時(shí)期，降水量增大，入湖水流增加，湖泊水平面升高，水體鹽度降低，湖盆面積逐漸變大，可容納空間變大，砂體搬運(yùn)距離減小，泥巖含量增高，可形成良好的蓋層。

賈艷艷等人[25]研究結(jié)果認(rèn)為，從路樂(lè)河組到下干柴溝組上段，氣候逐漸由干旱向潮濕方向演化，與本次研究認(rèn)識(shí)結(jié)果相吻合。平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段沉積時(shí)期，干旱和溫濕氣候共存，但整體以溫濕氣候?yàn)橹?；受路?lè)河組沉積時(shí)期干旱氣候的影響，古鹽度較高，分布范圍為105.53～119.23，平均為112.12，為鹽度較高的陸相淡水沉積；利用鈷元素推算的水體深度變化較大(4.52～65.04 m)，但水體深度大部分低于26.00 m，氧化還原條件分析可見反映氧化環(huán)境的赤鐵礦等氧化相礦物，說(shuō)明研究區(qū)沉積水體為氧化為主的淺水環(huán)境。綜合前人對(duì)平臺(tái)地區(qū)研究相的認(rèn)識(shí)結(jié)果[6]，并結(jié)合鉆井巖心資料(圖5)和測(cè)錄井等資料分析可知：研究區(qū)灰色砂質(zhì)礫巖(圖5a)、棕紅色含礫砂巖(圖5b)、棕灰色粉砂巖(圖5c)及泥巖(圖5d)均有發(fā)育，砂礫巖相在研究區(qū)發(fā)育較少，常發(fā)育交錯(cuò)層理；砂巖相在研究區(qū)較為發(fā)育，分選中等，常發(fā)育平行層理和交錯(cuò)層理；粉砂巖相發(fā)育較少，分選好，常發(fā)育波紋層理和平行層理(圖5e)；棕褐色泥巖相在研究區(qū)發(fā)育相對(duì)較為廣泛，沉積構(gòu)造不發(fā)育，多成塊狀(圖5d)，沉積學(xué)特征同樣指示了下干柴溝組下段沉積時(shí)期以氧化沉積環(huán)境為主。粒度概率曲線特征表現(xiàn)為懸浮和跳躍組成的兩段式，反映河道牽引流沉積的特點(diǎn)，巖心測(cè)井曲線形態(tài)既有反映高能環(huán)境的箱形，也出現(xiàn)反映低能環(huán)境的漏斗形、微齒化鐘形和齒化線形曲線[6]。綜上分析認(rèn)為，下干柴溝組下段主要發(fā)育辮狀河沉積，干濕氣候的交替使粗粒心灘相與細(xì)粒河漫灘相交替出現(xiàn)(圖5f)，不同沉積環(huán)境下的砂體發(fā)育特征造成了沉積區(qū)儲(chǔ)集巖與蓋層的交替出現(xiàn)，從而有利于優(yōu)良儲(chǔ)蓋組合的發(fā)育和油氣聚集成藏。

圖5 研究區(qū)巖心特征

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)古氣候敏感性元素Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Ca、Mg、Sr、K、Ba等元素計(jì)算的古氣候指數(shù)及Sr/Cu綜合分析，表明平臺(tái)地區(qū)下干柴溝組下段沉積時(shí)期半干熱—半溫濕氣候、溫濕氣候共存，但整體上以溫暖濕潤(rùn)氣候?yàn)橹鳌?/p>

(2) 研究區(qū)樣品Sr<300.00 μg/g，且Sr/Ba比值為0.03～0.78，平均為0.36，結(jié)合樣品的δ13CVPDB與δ18OVPDB數(shù)據(jù)計(jì)算的古鹽度值(低于120)，均指示下干柴溝組下段沉積時(shí)期為古鹽度較低的淡水沉積。

(3) V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co等氧化還原判定指標(biāo)的分析表明，研究區(qū)可能存在貧氧亞還原環(huán)境和富氧環(huán)境2種環(huán)境，但結(jié)合研究區(qū)砂巖的X衍射數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的反映氧化環(huán)境的赤鐵礦礦物，綜合分析認(rèn)為下干柴溝組下段沉積水體為富氧環(huán)境。利用鈷元素估算的古水體深度平均為26.89 m，指示大型匯水湖泊尚未形成。

(4) 結(jié)合巖心、測(cè)井、錄井資料分析表明，研究區(qū)主要發(fā)育辮狀河沉積，下干柴溝組下段沉積時(shí)期干濕氣候交替出現(xiàn)，造成湖平面升降頻繁，粗粒心灘相與細(xì)粒河漫灘相呈互層狀分布，為有利的儲(chǔ)蓋組合發(fā)育創(chuàng)造了條件。