遼寧北部秀水盆地白堊系九佛堂組沉積巖地球化學(xué)特征及其古沉積環(huán)境

李文博，李曉海，丁秋紅，陳樹(shù)旺，張健

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽(yáng)110034

1 區(qū)域地質(zhì)概況

秀水盆地位于松遼盆地南部，遼寧省新民市和法庫(kù)縣交界處，屬于中生代盆地，面積約710 km2。大地構(gòu)造位置處于華北板塊北緣陸緣活動(dòng)帶之上，是在海西褶皺基底和前寒武紀(jì)基底上發(fā)育起來(lái)的斷陷型盆地，近北東向呈條帶狀展布[1]，盆地內(nèi)部發(fā)育3個(gè)次一級(jí)凹陷(東蛇山子凹陷、登仕堡凹陷和臥牛石凹陷)。區(qū)域上，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查工作以找煤為目的，2015年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心在秀水盆地開(kāi)展了以油氣發(fā)現(xiàn)為目的的地表地質(zhì)、物探和鉆探等油氣地質(zhì)調(diào)查工作。秀D1井位于遼寧省北部秀水盆地南部東蛇山子次凹(圖1),是秀水盆地的第一口油氣調(diào)查井,在早白堊系九佛堂組、義縣組發(fā)現(xiàn)多處含油級(jí)別較高的油氣顯示層，表明秀水盆地具有良好的油氣資源前景。秀水盆地屬于油氣新區(qū)，前人的研究資料較少，為更好地為后期油氣工作的跟進(jìn)提供地質(zhì)資料，筆者通過(guò)對(duì)采自秀D1井沉積巖樣品的地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)秀水盆地主力生油層位之一的白堊系九佛堂組的古沉積環(huán)境進(jìn)行探究。

圖1 秀水地區(qū)地質(zhì)圖[1]Fig.1 Geological map of Xiushui area

2 樣品采集及測(cè)試方法

本次研究的18個(gè)樣品采自秀水盆地秀D1井48.5～339 m下白堊統(tǒng)九佛堂組[1]，樣品巖性主要為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，樣品分析測(cè)試由沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室完成，采用X--熒光進(jìn)行常量元素分析,采用三酸--水溶礦法，運(yùn)用電感耦合等離子質(zhì)譜儀 ICP--MS(X series)進(jìn)行微量元素測(cè)定,測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差﹤5%。

3 測(cè)試結(jié)果分析與討論

3.1古鹽度分析及沉積相判別

硼(B)元素硼元素是分析古鹽度的重要指標(biāo)之一，可以通過(guò)硼含量的范圍來(lái)初步確定其沉積環(huán)境。通常海相環(huán)境下的硼含量為(80～125)×10-6，而淡水環(huán)境下的硼含量一般﹤60×10-6[2,3]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，秀水盆地九佛堂組砂泥巖中的硼含量為3.79×10-6～113×10-6，平均含量為43.03(n=18)(表1)，反映九佛堂組古水體環(huán)境為淡水環(huán)境。

Sr/Ba比值鍶和鋇元素在水體中的遷移能力存在差異性，因此Sr/Ba比值也可以作為判別古鹽度的標(biāo)志。當(dāng)水體環(huán)境為淡水時(shí)，水介質(zhì)的酸性較強(qiáng)，礦化度較低，水體中鍶和鋇元素往往以重碳酸鹽的形式存在，當(dāng)水體鹽度增加，鍶和鋇元素遷移能力的差異性導(dǎo)致鋇元素要先于鍶元素轉(zhuǎn)換為硫酸鋇沉淀出來(lái)[4]。一般來(lái)說(shuō)，Sr/Ba比值﹤1為淡水介質(zhì)，﹥1為咸水介質(zhì)[5]。秀D1井內(nèi)樣品的Sr/Ba比值都﹤1，在0.32～0.84之間(表1)，平均值為0.54，反映了九佛堂組沉積時(shí)期的古水體介質(zhì)為淡水介質(zhì)。從Sr/Ba比值垂向演化曲線上可以看出，九佛堂組中期古水體鹽度突然升高，然后回落，可能是古氣候影響所導(dǎo)致的(圖2)。

圖2 Sr/Ba、Sr/Cu、Rb/Sr參數(shù)垂向演化圖Fig.2 Vertical evolution diagram of Sr/Ba，Sr/Cu，Rb/Sr values

B/Ga比值Ga元素的遷移能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于B元素，因此河流相中的Ga元素相對(duì)較高，而湖泊相中的B元素相對(duì)富集，故B/Ga的比值可以作為區(qū)分河流和湖相泥巖的重要標(biāo)志。依據(jù)B、Ga兩種元素遷移能力的差距，前人總結(jié)出B/Ga的比值與沉積相的關(guān)系：在河流--三角洲相中，B/Ga的比值為0.5～1；在開(kāi)闊湖相中，B/Ga的比值為1.5～2.5；B/Ga的比值為4～5時(shí)，指示沉積相為閉塞湖相[5]。研究區(qū)B/Ga比值主要為1.5～2.5(表1)，少量為0.5～1及4～5，指示九佛堂組主要為開(kāi)闊湖相沉積，并有少量的三角洲相及閉塞湖相沉積。

3.2 古水體氧化還原環(huán)境的判別

U、Th、V、Cr、Ni等微量元素及Cu、Zn等金屬元素對(duì)水體的氧化還原環(huán)境有較為敏感的反應(yīng)，這些元素的溶解度受水體氧化還原狀態(tài)控制，U、V、Cr、Ni、Cu、Zn等元素在水體處于氧化環(huán)境時(shí)易溶于水，在還原條件下不溶于水，而當(dāng)水體處于貧氧環(huán)境時(shí)向沉積物中富集，且?guī)缀醪话l(fā)生遷移，對(duì)古水體環(huán)境具有一定的指示意義，因此可以作為判斷其水體氧化--還原環(huán)境的重要指標(biāo)[6--10]。Jones et al.[11]對(duì)比諸多元素參數(shù)后，認(rèn)為U/Th、V/Cr、V/(V+Ni)比值為最可靠的參數(shù)，由此總結(jié)出一套用于判別沉積物沉積時(shí)水體氧化--還原環(huán)境的微量元素比值判別指標(biāo)(表2)。

U、Th及U/Th比值秀D1井九佛堂組U/Th為0.16～0.33(n=18)，平均值為0.23；對(duì)比表2可以看出，九佛堂組沉積時(shí)，水體整體為貧氧--極貧氧的還原環(huán)境。

V/Cr比值V和Cr元素在氧化環(huán)境中溶于水，還原環(huán)境中會(huì)以硝酸鹽的形式沉淀出來(lái)，并在沉積物中富集，但V、Cr元素在還原環(huán)境中會(huì)發(fā)生反硝化現(xiàn)象，Cr、V元素的反硝化界線存在差異性，Cr元素會(huì)在厭氧條件下更早的發(fā)生反硝化還原[12]。兩種元素還原界線的差異性，使V/Cr比值也可以作為判斷古水體氧化還原環(huán)境的一個(gè)參數(shù)。研究區(qū)九佛堂組V/Cr比值范圍為0.7～2.3，除個(gè)別低值之外，主要集中在2以上，反映九佛堂組沉積時(shí)期的水體處于貧氧--次富氧的弱還原環(huán)境下。

V/(V+Ni)比值V/(V+Ni)比值通常用于判斷沉積物沉積時(shí)底層水體分層強(qiáng)弱[13,14]，當(dāng)V/(V+Ni)比值>0.77時(shí)，指示水體處于極貧氧的還原環(huán)境；當(dāng)V/(V+Ni)比值為0.6～0.77時(shí)，代表水體處于次富氧--貧氧的弱氧化--弱還原環(huán)境；當(dāng)V/(V+Ni)比值為﹤0.6時(shí)則表示水體處于富氧的氧化環(huán)境[15]。秀D1井九佛堂組V/(V+Ni)比值為0.67～0.82，平均值為0.77，反映沉積時(shí)底層水體中等--強(qiáng)分層，水體環(huán)境為貧氧--極貧氧的環(huán)境。

表1 秀D1井九佛堂組砂泥巖微量元素分析結(jié)果Table 1 Analytic results of trace elements of sand-shale in Jiufotang Formation from Well Xiu D1 /10-6

表2 氧化--還原環(huán)境微量元素判別指標(biāo)[11]Table 2 Discriminant index of redox environment by trace elements

常量金屬元素Fe及Cu/Zn比值Fe存在+2及+3價(jià)，F(xiàn)e在還原條件下是以+2價(jià)的鐵離子存在的，而在氧化環(huán)境中，F(xiàn)e一般以+3價(jià)的鐵離子形式存在，但是這種判別標(biāo)準(zhǔn)存在著大量的不確定性，因?yàn)橛绊懫浠蟽r(jià)的可逆反應(yīng)因素比較多，如介質(zhì)pH升高時(shí)，F(xiàn)e2+更易被氧化成Fe3+[16]。根據(jù)梅水泉[17]的研究，Cu/Zn比值對(duì)判斷水體的氧化還原環(huán)境具有更高的可靠性。Cu、Zn均系銅族元素，在沉積過(guò)程中受氧化還原條件的影響出現(xiàn)分異，隨著水體氧含量的升高，會(huì)出現(xiàn)由Zn向Cu過(guò)渡的沉積分帶，即Cu/Zn比值與水體中氧含量的值呈正相關(guān)。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)對(duì)比研究，梅水泉計(jì)算出Cu/Zn比值與氧化--還原環(huán)境的對(duì)應(yīng)關(guān)系[17](表3)。秀D1井九佛堂組的Cu/Zn比值多集中于0.1～0.2之間，平均值為0.19，表明九佛堂組沉積時(shí)期，水體整體處于還原環(huán)境。

表3 氧化--還原環(huán)境Cu/Zn判別指標(biāo)[17]Table 3 Cu/Zn index of redox environment

九佛堂組微量元素B、Sr/Ba、B/Ga、U/Th、V/Cr、V/(V+Ni)及Cu/Zn的組合特征表明，秀水盆地九佛堂組沉積時(shí)的水體整體為貧氧的還原環(huán)境，且古水體條件為古鹽度較低的陸相淡水環(huán)境。沉積相以開(kāi)闊湖相沉積為主。

3.3 古氣候重建

微量元素Sr、Cu及Sr/Cu、Rb/Sr比值是判別古氣候常用的研究方法，對(duì)古氣候具有較好的指示作用[9]。Cu元素主要通過(guò)有機(jī)質(zhì)向沉積物中富集，因此沉積物中Cu元素的含量與有機(jī)質(zhì)的通量具有密切的聯(lián)系[8]。Sr含量和Sr/Cu比值受古氣候的影響，在氣候溫濕的條件下，沉積物中Sr元素的含量一般較低，反之，干旱氣候時(shí)Sr的含量較高。前人的研究表明，沉積物中Sr/Cu比值為1.3～5時(shí)，表示沉積時(shí)期為溫濕氣候，﹥5則指示干旱氣候[18]。

Rb/Sr比值是判斷古氣候最主要的手段之一。Rb在風(fēng)化作用中相對(duì)穩(wěn)定，而Sr則較易發(fā)生淋溶丟失[19]。一般來(lái)說(shuō)，在氣候溫濕時(shí)，降水豐富，風(fēng)化較強(qiáng)烈，Sr淋失量增高，從而導(dǎo)致Rb/Sr比值升高。在氣候干旱時(shí)，降水較少、風(fēng)化強(qiáng)度相對(duì)較低，使沉積物中Sr能更好地保存下來(lái)，進(jìn)而使Rb/Sr比值降低[20]。換言之，Rb/Sr比值為高值時(shí)，則代表當(dāng)時(shí)的氣候是濕潤(rùn)的，反之，當(dāng)其為低值時(shí)，則代表干旱氣候。

秀D1井的18件樣品中Sr/Cu比值均﹥5，最大可達(dá)74.5(表1)，平均值為27.6。說(shuō)明九佛堂組沉積時(shí)期的氣候整體為干旱氣候。Rb/Sr比值0.06～0.97(n=18)，平均值約為0.49。這同樣指示在九佛堂組沉積時(shí)期，古氣候?yàn)楦珊禋夂颉?duì)比Rb/Sr和Sr/Cu垂向演化曲線(圖2)，可以看出兩條曲線大致呈鏡像變化趨勢(shì)，這與前文所提到的Sr/Cu比值與干旱氣候正相關(guān)，而Rb/Sr比值則與干旱氣候反相關(guān)恰好相一致。從兩組垂向演化曲線的整體趨勢(shì)可以看出，在九佛堂組中期經(jīng)歷過(guò)一次氣溫陡升的古氣候事件。對(duì)比Sr/Ba比值曲線，其與Sr/Cu曲線具有良好的正相關(guān)性，與Rb/Sr曲線則具有反相關(guān)性。換言之，古鹽度與古氣候的干旱程度具有良好的一致性，氣候越干旱，水體的蒸發(fā)量劇增，水體急劇濃縮，從而引起了水體鹽度的上升，這也解釋了前文所提到的古鹽度在九佛堂組時(shí)期有一次劇增事件。

綜合Rb/Sr、Sr/Cu比值以及古鹽度的特征可以看出，九佛堂組古氣候整體為干旱氣候，在九佛堂組時(shí)期存在一次波動(dòng)性升溫事件，古氣溫整體趨勢(shì)為“低--高--低”的波動(dòng)性變化。

3.4 物源區(qū)的古風(fēng)化作用

元素在特定的風(fēng)化條件下遷移能力具有差異性，造成各種元素按其遷移能力的強(qiáng)弱依次從母巖中分離出來(lái)，其中Cl、S元素受風(fēng)化作用的水遷移能力最強(qiáng)；Al、Fe、Ti等元素遷移能力極弱，屬于微弱遷移元素，而Si幾乎不發(fā)生遷移。在化學(xué)風(fēng)化作用過(guò)程中，Cl、S、Al、K、Na、Ca極易發(fā)生分離[21]。Nesbitt[22]等提出可以用CIA指數(shù)來(lái)確定物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度，而該指數(shù)也是目前判斷物源區(qū)風(fēng)化特征最主要的化學(xué)指標(biāo)。當(dāng)源巖基本未遭受化學(xué)風(fēng)化時(shí)，CIA指數(shù)一般﹤50；而CIA值50～100時(shí)，表明其遭受到一定強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化；CIA值越高則代表其受到的化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng)[9]。秀D1井樣品的CIA值普遍為60～80(表4)，平均值為71.5，可見(jiàn)物源區(qū)在九佛堂組沉積時(shí)期處于中等--強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化背景下。古氣候條件和構(gòu)造背景是影響沉積物成分成熟度的重要因素，沉積物的成分成熟度可以通過(guò)ICV指數(shù)來(lái)判斷[23]。ICV指數(shù)與沉積物的成分成熟度呈負(fù)相關(guān)，即ICV指數(shù)越低，其成分成熟度越高；反之亦然。構(gòu)造活動(dòng)區(qū)泥質(zhì)巖石的成分成熟度一般較低，而構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)或強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化背景下泥質(zhì)巖石的成分成熟度相對(duì)較高[24]。秀D1井樣品的ICV值為0.61～0.91，主要集中在0.7～0.85(表4)，平均值為0.78，ICV值相對(duì)較低，說(shuō)明秀D1井樣品具有較高的成分成熟度，反映物源區(qū)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。

表4 秀D1井九佛堂組砂泥巖常量元素分析結(jié)果Table 4 Analytic results of major elements of sandstone-mudstone in Jiufotang Formation from Well Xiu D1 /%

注：CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+CaO+K2O)*100; ICV=(Fe2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO+TiO2)/Al2O3.

4 結(jié)論

(1)元素B、Sr/Ba、B/Ga組合及U/Th、V/Cr、V/(V+Ni)、Cu/Zn組合，指示秀水盆地九佛堂組沉積時(shí)的水體整體為貧氧的還原環(huán)境，古水體條件為古鹽度較低的陸相淡水環(huán)境。沉積相以開(kāi)闊湖相沉積為主。

(2)綜合Rb/Sr、Sr/Cu比值以及古鹽度的特征，秀水盆地九佛堂組時(shí)期古氣候整體為干旱氣候，在九佛堂組時(shí)期存在一次波動(dòng)性升溫事件，古氣溫整體趨勢(shì)為“低--高--低”的波動(dòng)性變化。

(3)CIA、ICV指數(shù)反映秀水盆地在九佛堂組沉積時(shí)期物源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，并處于中等--強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化背景下。