西湖凹陷平湖斜坡帶平湖組微量元素和稀土元素地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

徐 波，胡碧瑤，顧智鵬，洪 婧

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司上海實(shí)驗(yàn)中心，上海 200941)

引 言

微量和稀土元素廣泛分布于地層中，由于其特有的地球化學(xué)屬性，被國內(nèi)外廣大學(xué)者用于判斷研究區(qū)沉積物來源、揭示沉積時(shí)期古環(huán)境特征、推斷構(gòu)造背景[1-8]。

平湖斜坡帶是西湖凹陷勘探的主要目標(biāo)區(qū)，其中始新統(tǒng)平湖組是研究區(qū)內(nèi)最主要的烴源巖系之一。前人從分子地球化學(xué)、沉積學(xué)、構(gòu)造學(xué)等方面對西湖凹陷平湖組的沉積環(huán)境、物源供給以及構(gòu)造演化進(jìn)行了較多的研究，但研究認(rèn)識并不統(tǒng)一，尤其是關(guān)于平湖組的沉積環(huán)境是陸相還是海相一直存在爭議。趙麗娜[9]、劉書匯等[10]從沉積學(xué)角度研究認(rèn)為平湖組沉積相以潮坪相和潮汐三角洲相為主；楊彩虹[11]、魏恒飛等[12]認(rèn)為平湖組為辮狀河三角洲沉積；蔣一鳴等[13]從構(gòu)造研究入手，結(jié)合古生物及地球化學(xué)特征研究，認(rèn)為平湖組為河流三角洲沉積為主，表現(xiàn)為陸相淡水為主的的沉積體系。

截至目前，針對西湖凹陷平湖組缺少系統(tǒng)的元素地球化學(xué)特征研究成果。本文利用元素地球化學(xué)分析手段揭示西湖凹陷平湖斜坡帶平湖組的沉積環(huán)境、物源供給以及構(gòu)造背景，為解決研究區(qū)的爭議問題提供新的證據(jù)。

1 研究區(qū)域地質(zhì)概況

西湖凹陷位于東海陸架盆地的東北部，整體呈北北東向展布，整個(gè)凹陷面積約5.9×104km2，是前古近系基底上發(fā)育起來的斷陷盆地。西湖凹陷構(gòu)造特征相對復(fù)雜，總體表現(xiàn)為“東西分帶、南北分塊”的特點(diǎn)，自西向東依次可劃分為西湖斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)帶、東次凹及東部斷階帶等次級構(gòu)造單元(圖1)。西湖凹陷發(fā)育歷經(jīng)3個(gè)構(gòu)造演化階段，分別為古新世—始新世斷陷期、漸新世—中新世坳陷期和上新世—第四紀(jì)區(qū)域沉降期，具有南北分塊的特征，依次發(fā)育杭州斜坡帶、平湖斜坡帶和天臺斜坡帶，3個(gè)斜坡帶的構(gòu)造背景不同。本次研究的主要目標(biāo)是平湖斜坡帶平湖組，其巖性以泥巖為主，整體為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和多層煤層互層的巖性組合。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of Xihu Sag

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

本次從西湖凹陷平湖斜坡帶平湖組4口井(X-1井、Y-1井、L-1井、M-1井，見圖1)采集共計(jì)55件泥巖巖屑樣品。樣品測試由中海油渤海實(shí)驗(yàn)中心完成，實(shí)驗(yàn)樣品按照圖2進(jìn)行前處理后上機(jī)測試。元素檢測采用美國珀金埃爾默(PerkinElmer)公司的電感耦合等離子體(ICP-MS)，型號為NexION 2000。為了保證實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度，實(shí)驗(yàn)過程設(shè)置樣品重復(fù)性測試(10%)，同時(shí)通過QC樣品、標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)控，測試相對誤差小于3%。

圖2 微量及稀土元素分析實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of analysis experiments of trace and rare elements

3 結(jié)果討論

3.1 微量元素

由研究區(qū)平湖組樣品微量元素分析結(jié)果(表1)可知，除Li(22.4～193.8 μg/g)、Ti(1 722～6 857 μg/g)、V(55.0～219.5 μg/g)、Cr(109.9～263.0 μg/g)、Mn(78.5～1 834.2 μg/g)、Zn(101.1～228.3 μg/g)、As(96.6～2 857.6 μg/g)、Rb(41.8～192.4 μg/g)、Sr(98.0～396.2 μg/g)和Zr(240.8～433.0 μg/g)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過100 μg/g外，其他微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于100 μg/g。

通過對比平湖組泥巖和上地殼(UC)[14]中微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1)，發(fā)現(xiàn)平湖組樣品相對富集Li、Sc、Ti、V、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Zr、Ba、Hf、Th、U等親石元素，相對虧損Cr、Mn、Sr、Nb、Ta等微量元素。

3.2 稀土元素

平湖組樣品的稀土元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ΣREE)為86.81～289.86 μg/g(表2)，均值為215.70 μg/g，明顯高于北美頁巖(NASC)[15]。

輕稀土元素(ΣLREE)與重稀土元素(ΣHREE)的比值能夠直觀地反映研究區(qū)樣品稀土元素的分異狀況，是指示物源差異性的重要參數(shù)。比值越大，指示輕稀土元素相對越富集，重稀土元素相對越虧損。此外，稀土元素配分模式也被廣泛應(yīng)用于稀土元素地球化學(xué)特征研究中，本文采用北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)值[15]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，能更有效地反映研究區(qū)輕、重稀土元素的分異特征。

由表2可知，平湖組樣品w(ΣLREE)/w(ΣHREE)值為5.50～9.70，均值為8.02；w(La)N/w(Yb)N值為0.84～1.51，均值為1.32；w(Ce)N/w(Yb)N值為0.72～1.42， 均值為1.17，以上稀土元素參數(shù)均高于北美頁巖(NASC)[15]。結(jié)合稀土元素(ΣREE)配分模式(圖3)， 指示平湖斜坡帶平湖組樣品存在明顯的輕、重稀土元素分異現(xiàn)象， 總體呈現(xiàn)LREE相對富集、HREE相對虧損、Eu正異常以及Ce微弱負(fù)異常的特征， 研究結(jié)果與前人關(guān)于西湖凹陷平北地區(qū)平湖組稀土元素的分異特征一致[16]。

圖3 平湖組樣品的稀土元素配分模式(北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化)Fig.3 REE distribution patterns in Pinghu Formation(NASC- standardized)

4 地質(zhì)意義

4.1 平湖組成巖作用的影響

前人研究認(rèn)為，成巖作用會造成Ce異常值發(fā)生改變，通常表現(xiàn)為δCe與δEu、δCe與w(ΣREE)呈明顯相關(guān)性[17-20]。圖4表明研究區(qū)樣品的δCe與δEu以及w(ΣREE)均沒有明顯的相關(guān)性，指示后期成巖作用并未對研究區(qū)平湖組泥巖ΣREE產(chǎn)生影響。

圖4 平湖組泥巖δEu-δCe、w(ΣREE)-δCe相關(guān)性Fig.4 δEu-δCe and w(ΣREE)-δCe relations of mudstone in Pinghu Formation

4.2 平湖組沉積環(huán)境特征分析

4.2.1 氧化-還原環(huán)境

前人研究表明，Ce異常能夠有效指示研究區(qū)沉積時(shí)水體的氧化-還原狀態(tài)[17-20]。通常情況下，水體表現(xiàn)為富氧狀態(tài)時(shí)，Ce相對虧損，δCe<1；反之，水體為缺氧狀態(tài)時(shí)，Ce相對富集，此時(shí)δCe>1。

一般情況下，V、Cr、Ni、Co、U、Th等微量元素在不同氧化-還原條件的沉積過程中會產(chǎn)生分異現(xiàn)象，利用微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值(表3)能夠有效判識研究區(qū)沉積環(huán)境的演變[21-25]。

表3 氧化-還原環(huán)境判識依據(jù)[21-25]Tab.3 Determination of oxidation-reduction environments according to trace elements[21-25]

由表1可知，平湖組樣品w(V)∶w(Cr)值為0.47～1.27，w(Ni)∶w(Co)值為1.46～5.77，w(U)∶w(Th)值為0.19～0.51，δU值為0.74～1.21。根據(jù)氧化-還原條件識別條件(表3)，絕大部分樣品點(diǎn)處于氧化環(huán)境區(qū)域，少量樣品點(diǎn)處于氧化-還原過渡環(huán)境。由表2可知，δCe值為0.87～1.05，均值為0.94，δCeanom值[26-27]分布在-0.06～0.02，均值為-0.03。綜合認(rèn)為平湖斜坡帶平湖組總體處于弱氧化-弱還原的沉積環(huán)境，這與前人研究認(rèn)為平湖組主要形成于河流-三角洲平原以及潮坪、潮控三角洲的沉積環(huán)境相吻合。

4.2.2 古鹽度特征

古鹽度是指示沉積水體介質(zhì)條件的重要指標(biāo)，主要通過影響生物種類與生物繁殖的程度來判斷烴源巖的發(fā)育和分布。微量元素Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和w(Sr)∶w(Ba)值與古鹽度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，可作為研究區(qū)古鹽度判別的靈敏指標(biāo)(表4)[28-31]。

表4 古鹽度微量元素判斷標(biāo)準(zhǔn)[28-31]Tab.4 Determination of ancient salinity according to trace elements

平湖組樣品中Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.01～396.24 μg/g，均值為175.60 μg/g；w(Sr)∶w(Ba)值為0.01～0.37，均值為0.15。根據(jù)表4古鹽度判識標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)平湖組總體上以淡水沉積環(huán)境為主，該研究結(jié)果與前人[12-13]在平湖組地層中發(fā)現(xiàn)數(shù)量較多的生活在淡水環(huán)境中的盤星藻和細(xì)刺藻化石相吻合。少數(shù)樣品處于淡水-半咸水的沉積環(huán)境(圖5)，說明平湖組存在一定程度海侵作用的影響。

4.2.3 古氣候特征

古氣候?qū)瓷a(chǎn)力、 沉積水體的氧化還原條件及陸源物質(zhì)供給具有控制作用，從而影響沉積物的礦物組成和元素分布及其相對含量，是控制盆地沉積過程的根本因素[31-33]。選取對古氣候較為敏感的w(Rb)/w(Sr)和w(Rb)/w(Sr)對研究區(qū)古氣候特征進(jìn)行討論。通常情況下，當(dāng)w(Sr)/w(Cu)值處于1.3～5.0時(shí)，指示氣候溫暖潮濕；5.0～10.0，指示半潮濕-半干旱氣候；當(dāng)大于10.0時(shí)，指示處于炎熱干旱的氣候。w(Rb)/w(Sr)值變化趨勢同w(Sr)/w(Cu)值恰好相反，比值越高指示氣候越溫暖潮濕。

圖5 平湖組樣品w(Sr)∶w(Ba)與w(Sr)的關(guān)系Fig.5 w(Sr)∶w(Ba)-w(Sr) relation of samplesfrom Pinghu Formation

研究區(qū)平湖組樣品的w(Sr)/w(Cu)值在1.50～9.99，均值為3.64；w(Rb)/w(Sr)值為0.14～1.85，均值為0.93。從圖6可以看出，平湖組上段、中段下部和下段樣品的w(Sr)/w(Cu)值均小于5.0，w(Rb)/w(Sr)值較大；平湖組中段上部樣品的w(Sr)/w(Cu)值大于5.0，w(Rb)/w(Sr)值較小。分析認(rèn)為平湖組存在一定程度的氣候變化，平湖組上段、中段下部以及下段總體處于溫暖潮濕的氣候，平湖組中段上部處于干熱的氣候，總體上氣候有逐漸變溫暖潮濕的趨勢。

圖6 平湖組樣品w(Sr)/w(Cu)和w(Rb)/w(Sr)垂向演化概況Fig.6 Vertical distributions of w(Sr)/w(Cu) and w(Rb)/w(Sr) of samples from Pinghu Formation

4.3 物源識別

沉積后期的風(fēng)化、成巖以及蝕變等次生作用對沉積巖中的稀土元素(ΣREE)組成影響較小，稀土元素組成主要受源巖成分的控制。因此，沉積巖中稀土元素特征能夠有效表征研究區(qū)的物源及構(gòu)造環(huán)境[16-20]。

稀土元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ΣREE)與各微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性是識別物源的重要參數(shù)，相關(guān)性的主要指標(biāo)為相關(guān)系數(shù)|r|。相關(guān)系數(shù)越接近1時(shí)，說明關(guān)系越密切；反之則缺乏關(guān)聯(lián)。由表1中相關(guān)系數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Sc、Ti、Cr、Rb、Nb、Zr、Hf、Ta、Th等親石元素與ΣREE呈良好的正相關(guān)性，指示平湖組泥巖的稀土元素主要來源于陸源碎屑礦物。

δEu是判斷沉積物源的另一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)花崗巖為母巖時(shí)，沉積巖的δEu值通常表現(xiàn)為負(fù)異常；當(dāng)玄武巖為母巖時(shí)，沉積巖的δEu值通常表現(xiàn)為無異常；當(dāng)斜長巖為母巖時(shí)，沉積巖的δEu值通常表現(xiàn)為正異常[16-25]。研究區(qū)平湖組樣品δEu值為0.85～2.06，均值為1.17，大部分樣品δEu值接近1.0，表現(xiàn)為無明顯異常，指示母巖主要為玄武巖。結(jié)合樣品w(ΣREE)和w(La)/w(Yb)值的關(guān)系圖(圖7)可以看出，平湖組大部分泥巖樣品落于堿性玄武巖和沉積巖交匯區(qū)域，少數(shù)樣品落于沉積巖的區(qū)域，綜合指示研究區(qū)平湖組泥巖的源巖主要為堿性玄武巖和沉積巖。

4.4 構(gòu)造背景判斷

稀土元素含量在不同構(gòu)造背景下的差異性特征可以用來判識沉積時(shí)期的構(gòu)造環(huán)境。Bhatia[1-2]針對雜砂巖不同構(gòu)造背景條件下的稀土元素特征，提出利用La-Th-Sc進(jìn)行構(gòu)造環(huán)境的識別。許中節(jié)等[35]研究認(rèn)為，泥巖稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)除以校正因子(校正因子為1.2)后可以轉(zhuǎn)換成同期砂巖稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖7 平湖組樣品w(ΣREE)與w(La)/w(Yb)的關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[34])Fig.7 w(ΣREE)-w(La)/w(Yb) relation of samples from Pinghu Formation[34]

由于平湖斜坡帶平湖組樣品主要為泥巖巖屑，換算后建立La-Th-Sc相關(guān)性，進(jìn)行構(gòu)造背景分析。如圖8所示，平湖組的樣品表現(xiàn)一致，均落于大陸島弧區(qū)域，由此判斷研究區(qū)平湖組的物源區(qū)處于大陸島弧的構(gòu)造環(huán)境中，物源較為單一。

圖8 La-Th-Sc判別圖(據(jù)Bhatia and Crook[3])Fig.8 La-Th-Sc discrimination diagram[3]

5 結(jié) 論

(1)平湖斜坡帶平湖組存在明顯的輕、重稀土元素分異現(xiàn)象，總體呈現(xiàn)LREE相對富集、HREE相對虧損、Eu正異常以及Ce微弱負(fù)異常的特征。

(2)平湖斜坡帶平湖組整體處于弱氧化-弱還原的沉積環(huán)境，以淡水沉積環(huán)境為主，局部存在海侵作用的影響。

(3)平湖斜坡帶平湖組沉積時(shí)期存在一定程度的氣候變化，其中平湖組上段、中段下部以及下段處于溫暖潮濕的氣候，平湖組中段上部處于干熱的氣候，總體有逐漸變溫暖潮濕的趨勢。

(4)平湖組的物源區(qū)處于大陸島弧的構(gòu)造環(huán)境中，物源較為單一；稀土元素主要來源于陸源碎屑輸入，源巖主要為堿性玄武巖和沉積巖。