西藏尼瑪盆地古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組化學(xué)地層格架分析

尹世滔，張治鋒，黃永建，祝有海，張帥，韓中鵬，李亞林，李祥，趙永輝，劉建偉

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京，100083；2)中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京，100083

內(nèi)容提要: 已有勘探資料表明，西藏尼瑪盆地古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組地層具有良好的油氣資源顯示，然而目前有關(guān)于該套地層的地層格架劃分仍然薄弱。化學(xué)地層學(xué)方法在北美頁巖氣勘探開發(fā)中取得了巨大成功，鑒于此，本文以尼瑪盆地東部的協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組剖面作為研究對象，通過對露頭樣品的主微量元素測試結(jié)果進(jìn)行沉積地球化學(xué)、主成分分析、完備總體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、以及自相關(guān)函數(shù)分析，從化學(xué)自—異旋回角度以及元素耦合行為出發(fā)，探討地球化學(xué)基準(zhǔn)面對化學(xué)地層格架的控制作用，從而為牛堡組地層提供化學(xué)地層劃分方案。主成分分析結(jié)果表明，牛堡組地層沉積主要受控于細(xì)粒碎屑輸入、碳酸鹽巖、粗粒碎屑輸入、氧化還原—生產(chǎn)力、以及鹽度這五個因素；經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和自相關(guān)函數(shù)分析結(jié)果表明，牛堡組地層受到了明顯的異旋回驅(qū)動，顯示出多尺度基準(zhǔn)面震蕩特點。通過對異旋回信號分量(本征模函數(shù)，IMFs)進(jìn)行重構(gòu)，并且結(jié)合元素相互耦合特性，建立了牛堡組化學(xué)地層格架，該結(jié)果與巖石地層單元以及沉積相單元一致，證明了本文所提出的化學(xué)地層劃分方案的可靠性和實用性。

尼瑪盆地屬于班公湖—怒江帶內(nèi)的新生代陸相沉積盆地，緊鄰倫坡拉盆地西側(cè)，其整體呈東西向展布(Decelles et al., 2007a；Kapp et al., 2007)。盆地基底為侏羅系—白堊系海相地層，新生代蓋層為古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組(E1-2n)、漸新世丁青湖組(E3d)及第四系(Q)堆積物(李啟來，2017)。蔣忠惕等(2006)和李亞林等(2010)先后在尼瑪盆地發(fā)現(xiàn)瀝青脈和油頁巖，表明尼瑪盆地是一個含油氣盆地。周小琳(2011)和盧志友等(2018)通過對牛堡組和丁青湖組地層的烴源巖和有機地化特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步證實尼瑪盆地牛堡組烴源巖具有較好的生烴潛力(孫濤等，2013a，b)。但截止目前，尼瑪盆地牛堡組還沒有建立詳盡的地層系統(tǒng)，已有的地層劃分方案也主要是基于巖石學(xué)等特征(如武景龍等，2011)。由于巖石地層單元的穿時性，難以進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ?，從而急需引入新的地層學(xué)方法(Bellanca et al., 1996; Pearce et al., 1999; Ramkumar, 2015)。

由于沉積源區(qū)、沉積背景、古氣候和成巖作用的影響，沉積巖中的元素成分處于高度變化之中，因而可以利用地層主微量元素含量、組合及其比值變化特征，建立勘探區(qū)的高分辨率的化學(xué)地層框架，解決勘探區(qū)的地層劃分和對比問題(Dypvik and Harris, 2001; Martínez-Santana et al., 2013; Craigie, 2015)?；瘜W(xué)地層學(xué)以普遍獲取的露頭和鉆井巖屑作為樣品，且用量少、對巖性無特殊要求，對甜點層的識別和刻畫尤為準(zhǔn)確(Craigie, 2015)。目前在油氣勘探，尤其是在非常規(guī)油氣勘探領(lǐng)域特別是北美的頁巖油氣中得到大規(guī)模的推廣與應(yīng)用，如Sano等(2013)和Turner等(2015)用化學(xué)地層學(xué)方法分別建立了美國晚侏羅世Haynesville和Woodford頁巖的地層框架。

在傳統(tǒng)的化學(xué)地層學(xué)工作中，研究人員往往只利用單一的地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行地層劃分，并且地層劃分過程較為主觀，因此有必要對化學(xué)地層學(xué)方法進(jìn)一步發(fā)展，使其更能夠解決實際問題(Dypvik and Harris, 2001; Martínez-Santana et al., 2013; Craigie, 2015)。從層序地層學(xué)的觀點來看，地層劃分和對比的關(guān)鍵更在于沉積基準(zhǔn)面的識別(吳向峰，2010；尹海生，2011)。本文以尼瑪盆地東部邊緣相協(xié)德鄉(xiāng)南剖面上的牛堡組地層為研究對象，從化學(xué)地層學(xué)的角度出發(fā)，結(jié)合層序地層學(xué)方法，以主微量元素測試結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行沉積地化、主成分、完備經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和重構(gòu)、自相關(guān)函數(shù)等分析，從多指標(biāo)角度探討化學(xué)地層基準(zhǔn)面的自異旋回過程(Holbrook and Miall, 2020)，從而建立牛堡組地層的化學(xué)地層格架，為尼瑪盆地牛堡組地層的劃分和對比打下基礎(chǔ)，以進(jìn)一步促進(jìn)該地區(qū)油氣資源評價工作的開展。

1 地質(zhì)背景

尼瑪盆地為古近系陸相盆地，從大地構(gòu)造位置上看，其位于班公湖—怒江縫合帶上的南部邊緣一帶(DeCelles et al., 2007b)，其南部為拉薩地體，北部為羌塘地體，東部與倫坡拉盆地相連，總體呈東西向展布(圖1a)。尼瑪盆地的現(xiàn)今構(gòu)造格局主要受控于白堊紀(jì)末—始新世時期的構(gòu)造碰撞運動(羅照華等，2006)，導(dǎo)致盆地總體上呈現(xiàn)為南北為坳陷區(qū)，中部為隆起的古地理格局(盧志友等，2018；Decelles et al., 2007a；Kapp et al., 2007)。趙斌(2013)通過對尼瑪盆地南部和北部多條實測剖面進(jìn)行地層對比，也將尼瑪盆地劃分為三個一級構(gòu)造單元，即中部逆沖推覆體、甲若錯坳陷(北部坳陷)、達(dá)則錯坳陷(南部坳陷)。Kapp等(2007)通過對尼瑪盆地大面積分布的紅層進(jìn)行黑云母同位素40Ar/39Ar測年，提出盆地地層的年代為漸新世—中新世。王波明等(2009)在盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)的孢粉組合以及古生物魚化石等證據(jù)，也表明尼瑪盆地陸相地層時代為始新世—漸新世。趙珍等(2020)基于牛堡組地層內(nèi)的斑脫巖和火山巖夾層，利用U-Pb定年手段，將牛堡組中上段時代定為45.41～43.82 Ma，從而確定了牛堡組地層為古新世—始新世沉積產(chǎn)物。

古近系牛堡組(E1-2n)地層在尼瑪盆地內(nèi)廣泛發(fā)育，在地表主要出露于盆地南部達(dá)則錯坳陷帶以及盆地北部甲若錯坳陷帶(李啟來，2017)，如查昂巴(武景龍等，2011)、蝦別錯(李亞林等，2010)地區(qū)，其不整合于競柱山組之上。由于受盆地中部的隆起/逆沖推覆體阻隔，尼瑪盆地南北坳陷具有完全不同的沉積物源特征(Decelles et al., 2007a；Kapp et al., 2007)。其中盆地南部坳陷牛堡組地層廣泛發(fā)育辮狀河、辮狀河三角洲、沖積扇、扇三角洲、湖泊相沉積(Decelles et al., 2007a；武景龍等，2011；盧志友等，2018)。根據(jù)沉積相和沉積巖心等特征，一般將牛堡組地層由上到下劃分為三個巖性段，對應(yīng)沉積序列表現(xiàn)為粗—細(xì)—粗的旋回特點(黃輝等，2012)。

本文所研究協(xié)德鄉(xiāng)南剖面(section in the southern Xiede village, XDXS)位于尼瑪盆地南部坳陷的東部(圖1)，剖面厚度超過2 km，幾乎出露全部的牛堡組地層。剖面底部為牛堡組一段序列，整體為一套礫巖、粗砂巖沉積，大型槽狀交錯層理發(fā)育，地層呈透鏡狀產(chǎn)出，指示為辮狀河心灘沉積，由于未見不整合接觸界線，整條剖面未現(xiàn)下伏競柱山組地層，因此牛堡組底部地層未完全出露；到剖面中上部，整體顯示為砂質(zhì)沉積、夾泥巖，并且發(fā)育邊灘相中的二元結(jié)構(gòu)，整體解釋為曲流河環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，為牛堡組二段沉積序列；而到剖面頂部，泥巖和頁巖比例較多，發(fā)育水平層理，顯示為三角洲平原亞相沉積產(chǎn)物，由于區(qū)域上牛堡組頂部地層與丁青湖組地層呈現(xiàn)(平行不)整合接觸關(guān)系，但是在牛堡組剖面頂部，地層序列連續(xù)發(fā)育，未見明顯不整合面，因此認(rèn)為協(xié)德鄉(xiāng)南剖面仍未出露丁青湖組沉積。整條剖面沉積相劃分見圖5。

圖1 青藏高原構(gòu)造單元簡圖(a，據(jù)Decelles et al., 2007b修改)及西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)區(qū)域地質(zhì)圖及協(xié)德鄉(xiāng)南剖面位置(b，據(jù) 1∶25萬尼瑪幅地質(zhì)圖?修改)Fig. 1 Simplified tectonic map of Xizang(Tibet) Plateau (a，modified from Decelles et al., 2007b)，Regional geological map of study area, and the position of the section in southern Xiede village (XDXS) (b，modified from 1∶250000 Regional Geological Map of Nyima Region?) IYSZ—雅魯藏布江縫合帶；BNSZ—班公湖—怒江縫合帶；JSZ—西金烏蘭湖—金沙江縫合帶；SKSZ—昆侖南緣縫合帶 IYSZ—Indus—Yarlung River suture zone; BNSZ—Bangong Lake—Nujiang River suture zone; JSZ—Jinsha River suture zone; SKSZ—Southern Kunlun suture zone

2 材料與方法

2.1 X射線熒光分析

按照每一單層至少有一件樣品控制的原則，在協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組剖面，共采取到415件地化樣品。對所采樣品進(jìn)行了X-射線熒光分析(XRF)，以得到主微量測試結(jié)果。首先，分析樣品被研磨至200目，然后送至北京北達(dá)智匯微構(gòu)分析測試中心，其中主量元素以金屬氧化物百分比(%)形式表示，微量元素以μg/g(×10-6)的形式表示，并用中國地質(zhì)科學(xué)院發(fā)布的25個巖石標(biāo)樣((GBW07101-07125))進(jìn)行校正。

2.2 主成分分析

已有沉積地化工作表明，沉積地層主要受控于物源變化、沉積環(huán)境、沉積過程(Ramkumar, 2015)以及后期的保存條件。具體而言其包括陸源碎屑輸入情況、沉積過程中的生產(chǎn)力水平、沉積水體氧化還原條件、以及古氣候條件等因素(Bellanca et al., 1996; Pearce et al., 1999; Montero-Serrano et al., 2010)。這些因素導(dǎo)致地層中主微量元素含量及其分布、同位素組成以及有機質(zhì)含量等都是處于高度變化的(Asiedu et al., 2000; Yan Yi et al., 2006)，因此可以通過沉積物/巖石中的各種化學(xué)指紋對這些因素進(jìn)行反演?；瘜W(xué)地層學(xué)工作就是依靠這些保存在沉積記錄中的各種地化指紋的變異性來實現(xiàn)的(Ramkumar, 2015)，這就要求我們獲取大量的巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)。如何從眾多的地化數(shù)據(jù)中快速尋找到能夠刻畫地層特征的地球化學(xué)參數(shù)或組合，同時又盡可能地代表整個巖石記錄，這就變得至關(guān)重要。

主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)是在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，將原來眾多且具有一定相關(guān)性的指標(biāo)重新組合成一組新的相互無關(guān)的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計方法(Jolliffe, 1986)，是一種典型且常用的降維手段。從巖石中所測定出來的各種元素變量，其彼此之間具有某種內(nèi)在聯(lián)系，因為元素在巖石中的物質(zhì)表現(xiàn)是通過礦物實現(xiàn)的，而特定的元素組合構(gòu)成了礦物。因此，可以利用主成分分析手段建立元素組合。本文將利用主成分分析確定單元素組合，并根據(jù)因子得分，重新構(gòu)建多個能夠反映地層物源信息、沉積環(huán)境、和保存等條件的綜合變量(主成分)。

2.3 完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

化學(xué)地層劃分的關(guān)鍵在于化學(xué)基準(zhǔn)面的識別，化學(xué)地層基準(zhǔn)面提取與其他旋回分析并無本質(zhì)上的區(qū)別。但是，考慮到地球化學(xué)數(shù)據(jù)的非線性和非平穩(wěn)性，由Yeh等 (2010) 提出的完備經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法(complementary ensemble empirical mode decomposition, CEEMD)是一種很好的數(shù)據(jù)自適應(yīng)信號提取方法，其將原始時間序列分解成若干本征模函數(shù)(IMFs)和一個殘差變量(RES)，這些IMFs按照自身特征頻率由高到低的順序排列，并且每個IMF都具有特定的物理含義，而RES變量被認(rèn)為是代表了數(shù)據(jù)本身的長趨勢，一般不予考慮。利用CEEMD進(jìn)行化學(xué)地層基準(zhǔn)面分析的基本思想，是基于化學(xué)地層資料是地層信息的集合體,化學(xué)地層信號的奇異性一般反映了地層邊界信息這一重要事實。通過提取復(fù)雜信號在每一個時刻局部的振蕩模式,將復(fù)雜信號分解為有限個本征模態(tài)函數(shù)之和，每一個IMF的信息反映了不同級別層序的界面特征，進(jìn)而可被用于進(jìn)行化學(xué)地層基準(zhǔn)面分析和層序劃分及對比研究。本文利用Matlab平臺實現(xiàn)CEEMD分析過程。

2.4 自相關(guān)函數(shù)(ACF)

自相關(guān)函數(shù)(Autocorrelation Function, ACF)，用于計算同一時間序列中，不同時間點觀測值之間的相關(guān)性(Davis, 1986)，常被用于識別隱含在時間序列中的周期信號。本文用該函數(shù)識別時間序列中的異旋回信號分量，并進(jìn)而恢復(fù)對應(yīng)的化學(xué)沉積基準(zhǔn)面，從而建立化學(xué)地層格架。其原理在于，異成因過程主要受控于氣候(Sobel and Strecker, 2003)、構(gòu)造(Whipple and Tucker, 1999)以及海平面變化，表現(xiàn)出明顯的周期性特征；而自成因過程是沉積和地層系統(tǒng)強烈自組織特性的表現(xiàn)，在時間序列上表現(xiàn)為分形特性以及不規(guī)則振蕩(Holbrook and Miall, 2020)，無周期特征，其對應(yīng)功率譜符合P～1/fβ特征,即功率值與頻率的β次方成反比(Holbrook and Miall, 2020)。對一個時間序列的自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換就得到對應(yīng)的功率譜密度，準(zhǔn)周期時間序列功率譜呈現(xiàn)多個譜峰，其與白噪音或者分形時間序列的功率譜存在明顯區(qū)別(李春峰，2005)。因此，通過對時間序列作自相關(guān)分析，如果目標(biāo)時間序列具有自相關(guān)性，即存在周期性，那么在某一延遲時間節(jié)點(t)處，其自相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)極大值；反之，如果目標(biāo)時間序列為純粹的白噪音/無周期性(自成因)，那么其自相關(guān)函數(shù)，在任一延遲時間節(jié)點(t)處，都無極大值出現(xiàn)。由于白噪音在地層劃分和對比中沒有作用，本文只需要識別出時間序列中的異旋回信號即可，而無需進(jìn)一步鑒別白噪音和自旋回信號。

3 結(jié)果

3.1 X射線熒光分析結(jié)果

本次XRF測試，共獲取到10種主量元素的氧化物含量，即Na2O，MgO，Al2O3，SiO2，P2O5，K2O，CaO，TiO2，MnO2，F(xiàn)e2O3(wt%)，以及14種包括Zn，Cu，As，Sr，Zr，Nb，Sn，Ag，Cd，Ba，Cl，V，Cr，S(ppm)在內(nèi)的微量元素。其中Zn，Cu，As，Sr，Zr，Sn，Ba，Cl中存在少量異常值(<5%)，后續(xù)分析中用序列均值替代這些異常值；而Ag和Cd的數(shù)據(jù)中存在大量異常值(>10%)，在后續(xù)分析中不再使用。本文后續(xù)分析中，主微量元素都用百分含量表示，以避免分析偏差產(chǎn)生。

3.2 主成分分析結(jié)果

對協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組剖面樣品主微量測試結(jié)果進(jìn)行主成分分析，如表1所示，可以抽取到5個主成分(用PCA表示)。其中PCA1由Zn，Cu，Sr，Al2O3，K2O，TiO2，F(xiàn)e2O3組成；PCA2由As，SiO2，CaO，MnO2和MgO組成；PCA3由Zr，Nb，Sn和Ba組成；PCA4由V，Cr，S和P2O5組成；PCA5由Cl和Na2O組成。Cr元素在PCA1和PCA4中均具有較高的載荷絕對值，說明Cr既有陸源帶入，同時也具有沉積底層水體氧化還原狀態(tài)密切相關(guān)，但是考慮到Cr與V兩者之間的密切關(guān)系，如在頁巖地層研究中，常用V/Cr值來判斷沉積水體氧化還原情況(Tribovillard et al., 2006; Jenkyns, 2010)，因此將其劃分到PCA4中。CaO變量在PCA1和PCA2中均具有較高的載荷絕對值，說明在協(xié)德鄉(xiāng)南(XDXS)剖面上，CaO具有雙重來源，即陸相輸入來源和沉積水體自生沉積來源，考慮到Ca與Mn和Mg之間的礦物親緣性，故將CaO劃分到PCA2中。P2O5在PCA2和PCA4中也均具有較高的載荷絕對值，說明在協(xié)德鄉(xiāng)南(XDXS)剖面上，生產(chǎn)力營養(yǎng)元素P與陸相輸入相關(guān)，考慮到P與S，V，Cr之間存在密切的生物地球化學(xué)耦合過程(如Huang Yongjian et al., 2007)，因此將其劃分到PCA4當(dāng)中。

表1 西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)南剖面古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組樣品主成分分析的旋轉(zhuǎn)因子載荷Table 1 The factor loadings after rotating of PCA analysis results of the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

所抽取出來的5個主成分累計方差貢獻(xiàn)為76.75%，其中：PCA1占到27.92%，PCA2占到13.59%，PCA3占到13.31%，PCA4占到11.93%，PCA5占到10.00%。因此，所抽取出來的著5個主成分可以代表原始元素變量中的絕大部分信息。

3.3 完備經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果

首先，按照主成分分析結(jié)果，以及各主成分對應(yīng)的因子得分系數(shù)，構(gòu)建出具有特定地質(zhì)含義的綜合變量，如PCA1=0.54×Zn+0.85×Cu-0.92×Sr+0.91× Al2O3+0.91× K2O+0.73×TiO2+0.92×Fe2O3，按照同樣的思路可以得到其余4個綜合變量，即PCA2，PCA3，PCA4，PCA5，構(gòu)建結(jié)果見圖5(黑色曲線)。然后，按照CEEMD分解方法，將5個主成分進(jìn)行分解，得到對應(yīng)的本征模函數(shù)(IMFs)以及殘差(RES)。以PCA1為例，其可以被分解成8個IMFs以及1個RES分量(圖2)。同樣的，PCA2和PCA4都可以被分解成IMF1～8加上一個RES分量，PCA3和PCA5可以被分解成IMF1～9以及一個RES分量。

圖2 西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)南剖面古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組主成分1的完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果Fig. 2 The complementary ensemble empirical mode decomposition results of PCA1 variable in the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

圖3 西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)南剖面古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組主成分1的各本征模函數(shù)(IMFs)及殘差(RES)分量的自相關(guān)分析(據(jù)Davis, 1986)Fig. 3 The autocorrelation analysis for intrinsic mode functions (IMFs) and residual (RES) of PCA1 variable of the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang(after Davis, 1986)圖中黑色虛線為95%置信水平線，黑色實線為任一延遲時間t處的自相關(guān)值，位于置信水平區(qū)間內(nèi)的部分表示為隨機、獨立點The dotted black lines denote the 95% CL lines, the solid black lines are autocorrelation coefficients along lag time (t), and the intervals falling below 95% CL lines mean random and independent points

圖4 西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)南剖面古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組地層成巖作用判別圖Fig. 4 Discrimination of diagenesis for rocks from the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

圖5 西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)南剖面古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組化學(xué)地層格架Fig. 5 The chemo-stratigraphic scheme for the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

3.4 自相關(guān)性分析結(jié)果

為了進(jìn)一步構(gòu)建出能夠反映地層化學(xué)基準(zhǔn)面的曲線，需要對主成分(PCA)綜合變量中的異旋回分量進(jìn)行識別。本文對5個主成分，通過CEEMD分解所得到的所有本征模函數(shù)(IMFs)以及殘差(RES)分量進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)分析。其中主成分1的各個IMFs和RES分量自相關(guān)函數(shù)如圖3所示，可以看到IMF1～3在任一延遲時間點都不出現(xiàn)極值，表現(xiàn)為自旋回或者白噪音的特點；而IMF4—RES都呈現(xiàn)出明顯的周期性，具有異旋回特點。對其余4個主成分的本征模函數(shù)(IMFs)以及殘差(RES)分量也進(jìn)行同樣的處理，其結(jié)果表明：主成分2、4、5的本征模函數(shù)IMF1～3均為自旋回或者白噪音分量，IMF4—RES均為異旋回分量；主成分3的本征模函數(shù)IMF1～4為自旋回或者白噪音分量，IMF5—RES為異旋回分量。

4 討論

4.1 沉積地球化學(xué)特征

Fe屬于氧化還原敏感性元素，沉積地層中的Fe一部分來源于陸源碎屑輸入，同時還有相當(dāng)一部分Fe來源于還原條件下自生富集成因以及成巖作用期間熱液帶入；而Al和Ti元素屬于對氧化還原不敏感的元素，是陸源碎屑輸入的良好指標(biāo)。由于沉積地層為湖相沉積，可以排除熱液輸入的影響，因此可以用Fe2O3/TiO2值將陸源背景扣除掉，從而反映成巖作用強度，F(xiàn)e2O3/TiO2突然增大代表大量成巖作用Fe輸入(Richer et al., 2006；Thomson et al., 2006)。S元素含量變化也可以指示氧化還原界面，大量S元素峰值的出現(xiàn)可能代表了還原環(huán)境下大量黃鐵礦或者其他鐵硫化物形成(Richer et al., 2006)。

如圖4所示，F(xiàn)e2O3與Al2O3具有很好的相關(guān)性，說明地層中Fe元素主要來源于陸源碎屑輸入，S元素含量以及Fe2O3/TiO2值整體波動范圍較小，僅在局部層位其數(shù)值突然增大(500～550 m；1180～1250 m；1900～2185 m)，這在一定程度上指示成巖作用對剖面地層沉積影響較小。V/Cr比值是反映水體氧化還原條件的重要指標(biāo)之一，一般在氧化水體條件下V/Cr<2，在貧氧水體條件下V/Cr值在2～4.25之間，當(dāng)V/Cr>4.25則指示次氧化—缺氧的水體條件(Tribovillard et al., 2006; Jenkyns, 2010)。Fe2O3與S元素的哈克圖解(圖4)表明，F(xiàn)e元素在地層中主要以氧化物形式存在，結(jié)合V/Cr曲線(V/Cr < 2)，表明地層沉積環(huán)境整體以氧化條件為主，這與宏觀上，協(xié)德鄉(xiāng)南剖面整體為盆地邊緣相沉積一致。V/Cr與Fe2O3/TiO2具有較高的正相關(guān)性(R2=0.53)，這說明沉積地層中扣除陸源背景輸入的那部分Fe可以代表沉積時在相對缺氧沉積環(huán)境下自生富集的輸入量，而不是后期成巖作用改造貢獻(xiàn)。因此可以認(rèn)為本次XRF測試結(jié)果可以代表沉積地層原始沉積組分。

4.2 元素組合的地球化學(xué)含義

主成分1中，Al2O3和K2O一般被認(rèn)為與黏土和長石礦物相關(guān)(Pearce and Jarvis, 1992; Tribovillard et al., 2006)；TiO2被認(rèn)為是代表相對穩(wěn)定的陸源碎屑物質(zhì)，受成巖作用影響很小(MacLean et al., 1997)；Fe2O3和Ti元素一樣，被廣泛用作陸源沉積輸入變化的指標(biāo)，但是在某些還原環(huán)境中，也可被用作反演水體氧化還原程度的指標(biāo)(如Sluijs et al., 2009)。Sr一般被認(rèn)為與碳酸鹽巖礦物相關(guān)，但是主成分分析結(jié)果表明(表1)，Sr與Al2O3和K2O等陸源元素具有很好的相關(guān)性，說明Sr很可能也主要是陸相帶入；Zn和Cu屬于微量元素，容易被由Al2O3和K2O組成的黏土礦物吸附。因此，可以將主成分1理解為細(xì)粒陸源元素組合。主成分2中，CaO，MnO2和MgO三者與碳酸鹽巖密切相關(guān)(如Montero-Serrano et al., 2010)，而SiO2對碳酸鹽巖具有稀釋作用，其負(fù)的因子得分系數(shù)(表1)就是最好的證明，因此可以將主成分2解釋為碳酸鹽巖元素組合。主成分3中，Zr與鋯石具有很好的礦物親緣性，代表了粗碎屑輸入(Tribovillard et al., 2006)，Nb與銳鈦礦，Sn與錫石，Ba與重晶石分別具有很好的礦物親緣性，這些都是典型的重礦物，其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，受物理/化學(xué)風(fēng)化作用的影響很小，其相對含量反映了物質(zhì)沉積搬運過程中的水動力分選過程，因此可以將PCA3解釋為粗粒陸源元素組合。主成分4中，V和Cr具有多價態(tài)(Wanty and Goldhaber, 1992; Calvert and Pedersen, 1993)，可以作為氧化還原指標(biāo)，如V/Cr常用來反演沉積水體的氧化還原程度(Tribovillard et al., 2006; Jenkyns, 2010)；S元素也是變價元素，一般在還原水體中S以H2S形式存在；P2O5含量可以反映沉積水體生產(chǎn)力水平(Tyrrell, 1999)，并且與總有機碳含量(TOC)之間存在密切聯(lián)系，如在白堊紀(jì)時期的古海洋演化過程中，活性磷與總磷的堆積速率的最大值與大洋缺氧事件近乎相對應(yīng)(F?llmik, 1996)，而能夠被生物利用的P在還原條件時更容易釋放出來，P元素與水體氧化還原之間存在密切的耦合關(guān)系(Huang Yongjian et al., 2007)，因此，可以將PCA4解釋為氧化還原與生產(chǎn)力元素組合。主成分5由Cl和Na2O組成，Cl和Na都是鹵族元素，因此可以將其解釋為鹽度元素組合。各元素組合地球化學(xué)含義總結(jié)為表2。

表2 西藏尼瑪盆地協(xié)德鄉(xiāng)南剖面古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組元素組合的地球化學(xué)含意Table 2 The implications of geochemical associations of the Paleocene—Eocene Niubao Formation on the section in southern Xiede village, the Nyima Basin, Xizang

4.3 自異旋回過程

Beerbower(1964)首先區(qū)分了沉積系統(tǒng)中旋回驅(qū)動的內(nèi)外動力來源，分別命名為自旋回和異旋回(目前更傾向于用自成因和異成因過程兩個術(shù)語，因為這些過程不一定是嚴(yán)格的旋回性質(zhì)的，Hajek and Straub, 2017)。盆地充填序列的發(fā)育被認(rèn)為廣泛受到自成因過程(盆地內(nèi))和異成因過程(盆地外)的雙重控制。最近的實驗和理論研究都表明，自成因過程(Hajek et al., 2010; Straub et al., 2015)和異成因過程(Holbrook and Miall, 2020)都能產(chǎn)生地層，這就造成同一時間序列里面既包含異成因分量，還含有自成因分量。

自成因過程是持續(xù)進(jìn)行的沉積機制，產(chǎn)生元地層、地層束和地層構(gòu)型要素,包括離散的海底扇葉的生長和剝落、單一地層單元的沉積或離散的潮汐通道的遷移和放棄等常見過程，屬于沉積學(xué)家熟知的傳統(tǒng)的相序和相模式的研究范疇(Hajek and Straub, 2017; Paola, 2018)。自過程負(fù)責(zé)將沉積物分散到盆地內(nèi)，在此過程中產(chǎn)生和組織而形成地層。自成因過程沒有單一的特征長度或時間尺度，而是占據(jù)了一個廣泛的尺度范圍，是沉積和地層系統(tǒng)的強烈的自組織特性的表現(xiàn)，在時間序列上表現(xiàn)為自相似性或者分形特性以及不規(guī)則振蕩(Holbrook and Miall, 2020)，即時間序列對應(yīng)的功率譜符合1/fβ特征，即功率值與頻率的β次方成反比(李春峰，2005；Holbrook and Miall, 2020)。自成因過程甚至?xí)茐漠惓梢蛐盘栐诘貙佑涗浿斜４?Jerolmack and Paola, 2010)。

異成因過程主導(dǎo)并控制了沉積系統(tǒng)的物質(zhì)和能量的變化，其本身并不產(chǎn)生地層，而是通過對自過程的改變而體現(xiàn)出來。因此不存在絕對意義上的異成因沉積，而只是被異過程驅(qū)動的自過程的變化而產(chǎn)生的沉積(Holbrook and Miall, 2020)。與自過程相反，異成因過程主要受控于氣候(Sobel and Strecker, 2003)、構(gòu)造(Whipple and Tucker, 1999)以及海平面變化，在地層記錄中傾向于周期性或者準(zhǔn)周期性，因而是可預(yù)測和可識別的。對于異成因過程產(chǎn)生的簡單周期性或隨機時間序列而言,它們的功率譜都不具有1/fβ特征，而是呈現(xiàn)出明顯的可以代表該時間序列中主周期的譜峰(Holbrook and Miall, 2020)。

因此，澄清自異成因過程的含義、機制和保存臨界點，成為地層學(xué)研究中最為根本的問題之一(Holbrook and Miall, 2020)。對于地層劃分和對比而言，即基準(zhǔn)面的識別過程，關(guān)鍵在于對自異旋回信號的識別和區(qū)分。前面通過自相關(guān)函數(shù)分析，已經(jīng)將5個主成分中的異旋回信號進(jìn)行了識別，基于異成因信號分量，重構(gòu)曲線見圖5。

4.4 化學(xué)地層框架

元素之間的礦物親緣性分析表明，主成分1(PCA1)主要代表了地層中細(xì)粒陸源碎屑物質(zhì)輸入量的變化，并且主成分分析表明，主成分1(PCA1)的方差貢獻(xiàn)最大，這說明該剖面沉積基準(zhǔn)面主要受控于細(xì)粒陸源碎屑輸入量的變化。因此本文以基于主成分1(PCA1)分解得到的本征模函數(shù)(IMFs)，來詳細(xì)闡明化學(xué)地層格架的劃分過程及其內(nèi)涵。由圖3可知，主成分1(PCA1)對應(yīng)IMF4～8分量均顯示出異旋回特征，可以認(rèn)為他們代表了不同尺度的異成因過程，即不同時間尺度的化學(xué)基準(zhǔn)面變化。原則上利用IMF4～8中的任意一個分量都可以劃分出對應(yīng)時間尺度的化學(xué)地層框架，但是考慮到基于不同IMF所恢復(fù)出來的不同時間尺度地化基準(zhǔn)面對最終的地層沉積樣式都具有一定程度的方差貢獻(xiàn)，即意味著每個尺度的地化基準(zhǔn)面只能反映一部分的地層沉積信息。因此為了得到穩(wěn)健的地層劃分方案，可以將每個主成份中具有異旋回特征的IMF分量進(jìn)行合并，重構(gòu)得到具有特定地球化學(xué)含義的基準(zhǔn)面，如利用PCA1中的IMF4～8分量可以重構(gòu)得到代表細(xì)粒陸源元素輸入量的基準(zhǔn)面曲線，以下簡稱為細(xì)?；鶞?zhǔn)面?；谕瑯舆^程，還可以得到碳酸鹽巖基準(zhǔn)面曲線、粗粒基準(zhǔn)面、氧化還原與生產(chǎn)力基準(zhǔn)面、以及鹽度基準(zhǔn)面曲線，其結(jié)果如圖5所示(黑色曲線)。那么所重構(gòu)出來的基準(zhǔn)面曲線上相鄰兩個峰值/谷值區(qū)間即代表了一次地球化學(xué)沉積基準(zhǔn)面旋回?；诖丝梢缘玫骄哂袑?yīng)地球化學(xué)含義的地層劃分方案(圖5，黑色水平虛線)。

將重構(gòu)出來五條地球化學(xué)基準(zhǔn)面曲線(圖5，黑色曲線)與對應(yīng)的主成分綜合變量曲線(圖5，灰色曲線)進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，前者波動更加明顯，能夠揭示更多的地球化學(xué)突變點，這點是傳統(tǒng)化學(xué)地層學(xué)無法實現(xiàn)的。

在傳統(tǒng)層序地層學(xué)中，海侵體系域(TSTs)由退積序列定義(Catuneanu et al., 2011)，表現(xiàn)為可容納空間持續(xù)增加，對應(yīng)的陸源碎屑指標(biāo)含量以及沉積盆地局限程度逐漸降低(如Turner et al., 2016)；低水位體系域(LSTs)由進(jìn)積序列定義(Catuneanu et al., 2011)，盆地局限水平逐漸升高(Turner et al., 2016)；高水位體系域(HSTs)同樣由進(jìn)積序列定義，表現(xiàn)為可容納空間持續(xù)減少(Catuneanu et al., 2011)，對應(yīng)的陸源碎屑指標(biāo)含量逐漸升高，然而沉積盆地局限程度卻是最低的(如Turner et al., 2016)?；谝陨嫌^點，可以認(rèn)為基準(zhǔn)面變化的具體表現(xiàn)形式就是可容納空間發(fā)生變化，而直接的物質(zhì)表現(xiàn)就是，陸源輸入量、水體局限程度(氧還還原)等替代性指標(biāo)的升高與降低。

回歸到本文，可以認(rèn)為細(xì)粒基準(zhǔn)面曲線上，其對應(yīng)數(shù)值由高到低，代表細(xì)粒物質(zhì)輸入量逐漸減少，即意味著沉積水體逐漸變淺，可容納空間減少，沉積基準(zhǔn)面不斷升高的過程；由于氧化還原—生產(chǎn)力指標(biāo)常常與細(xì)粒指標(biāo)之間存在同相的耦合關(guān)系，因此氧化還原—生產(chǎn)力基準(zhǔn)面曲線上，對應(yīng)數(shù)值表現(xiàn)為逐漸降低，也代表了沉積基準(zhǔn)面不斷升高的過程；碳酸鹽巖含量、粗粒物質(zhì)含量、以及鹽度三者都與細(xì)粒物質(zhì)含量存在反相的理論耦合關(guān)系，因此，其對應(yīng)基準(zhǔn)面曲線數(shù)值由高到低，則表示積基準(zhǔn)面不斷降低的過程。利用這種元素指標(biāo)之間的耦合關(guān)系，可以建立最終的化學(xué)地層格架。具體流程如下：①細(xì)粒基準(zhǔn)面對地層沉積樣式具有最高的方差貢獻(xiàn)(PCA1方差最大)，因此首先以細(xì)?；鶞?zhǔn)面曲線上的峰值點作為對應(yīng)地層劃分界限；②結(jié)合各元素組合之間的耦合關(guān)系，同樣可以將氧化還原—生產(chǎn)力基準(zhǔn)面曲線上的峰值點作為對應(yīng)地層劃分界限；并將碳酸鹽巖、粗粒、以及鹽度基準(zhǔn)面曲線上的谷值點作為對應(yīng)地層劃分界限。基于這5種基準(zhǔn)面分別得到的地層劃分方案如圖5所示(黑色水平虛線)。

基于不同的地球化學(xué)元素組合(主成分)所得到的地層劃分方案不同，是因為其側(cè)重點不同。如基于細(xì)粒基準(zhǔn)面得到的地層劃分方案，強調(diào)地層中細(xì)粒碎屑物質(zhì)輸入量在異成因驅(qū)動下的表現(xiàn)形式；而基于主成分3得到的地層劃分方案，則強調(diào)沉積水體氧化還原程度以及生產(chǎn)力水平。那么如何對不同的劃分方案進(jìn)行統(tǒng)一呢？異成因過程主要受控于氣候(Sobel and Strecker, 2003)、構(gòu)造(Whipple and Tucker, 1999)以及海平面變化，因此從地球化學(xué)角度出發(fā)，代表地層的各種屬性之間應(yīng)該存在耦合關(guān)系，即只有那些具有共同界線，并且地層屬性能夠相互耦合起來的界線，可能才代表了真正的基準(zhǔn)面。本文按照至少有3條不同類型地層界線能夠滿足地球化學(xué)耦合關(guān)系，則將該界線視為真正影響到地層沉積的異旋回基準(zhǔn)面界線原則，從而得到協(xié)德鄉(xiāng)南剖面牛堡組地層的最終化學(xué)地層格架，其結(jié)果如圖5(化學(xué)地層格架)所示，共得到十二個化學(xué)地層單元。

將化學(xué)地層學(xué)格架與巖石地層單元進(jìn)行對比。如圖5所示，化學(xué)地層界線整體上與巖石地層界線一致，并且都是出現(xiàn)在巖性粒度變化的位置，如⑩/和/之間的界線對應(yīng)泥巖/粗砂巖界線，⑧/⑨之間的界線對應(yīng)粉砂/含礫粗砂巖界線，由于協(xié)德鄉(xiāng)牛堡組地層是湖相沉積，這說明控制地層沉積的主要因素為物源輸入，這與化學(xué)地層學(xué)分析過程中的主成分分析結(jié)果一致，即反映地層粒度信息的主成分1和3累計提供了41.23%的方差貢獻(xiàn)。與此同時，在巖石地層單元上，還有許多界線在化學(xué)地層學(xué)格架上并沒有體現(xiàn)出來，那是因為在原始地層沉積過程中，除了異旋回因素如源區(qū)信號能夠影響到沉積序列，另外自旋回過程同樣可以作用于地層沉積樣式，但是與前者不同的是，后者產(chǎn)生的地層無法實現(xiàn)區(qū)域甚至全球?qū)Ρ取Ｓ捎诒疚牟捎猛陚浣?jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法，首先將自旋回信號濾掉，只保留了異旋回信號，所以相較于傳統(tǒng)的巖石地層學(xué)劃分方案，本文的化學(xué)地層學(xué)格架相當(dāng)于一個“濾波器”，已經(jīng)將自旋回因素產(chǎn)生的巖石界線排除在外，這樣提高了地層的區(qū)域可對比性。除此之外，相較于巖石地層單元，本文給出的化學(xué)地層學(xué)框架還識別出前者無法識別到的界線，如化學(xué)地層單元⑨/⑩之間的界線出現(xiàn)在巖石地層單元上沒有響應(yīng)。

化學(xué)地層界線其本質(zhì)上是對沉積環(huán)境改變做出的響應(yīng)，因此化學(xué)地層界線能與沉積相界線很好對應(yīng)，如最底部的界線與辮狀河沉積相/曲流河沉積相之間的界線一致，并且前者具有更高的分辨率，那是因為在這些沉積相中，還存在許多微環(huán)境的變化，如亞相、微相等。

4.5 區(qū)域地層對比

協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組地層位于尼瑪盆地南部坳陷的東邊，屬于盆地邊緣相沉積。盡管位于尼瑪盆地北部坳陷的牛堡組地層也整體可以劃分為三段，即沉積序列表現(xiàn)為從下到上粗—細(xì)—粗的沉積旋回特征(黃輝等，2012)，但是物源和古流向數(shù)據(jù)分析表明，尼瑪盆地北部和南部坳陷分別接收來自不同物源區(qū)的沉積(Kapp et al., 2007)，尼瑪盆地南北坳陷內(nèi)牛堡組地層的沉積環(huán)境也完全不同，因此在區(qū)域上，協(xié)德鄉(xiāng)南剖面的牛堡組地層只能與尼瑪盆地南部對應(yīng)地層進(jìn)行對比。對于尼瑪盆地南部坳陷，在晚白堊紀(jì)—第三紀(jì)時期，其主要為辮狀河、沖積扇、湖相沉積等沉積類型(DeCelles et al., 2007a)，本文所研究的協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組沉積環(huán)境與其一致(圖5)。具體來看，無論是位于南部坳陷西部(尼瑪縣城附近)的康瑪兒勒、新禿那若、俄久鄉(xiāng)下布果剖面(盧志友等，2018)，還是位于南部坳陷南部的查昂巴剖面(武景龍等，2011；李啟來，2017)，其牛堡組地層都表現(xiàn)為頂?shù)诪橄鄬^粗的淺水相沉積，而中間為相對深水相沉積，這與協(xié)德鄉(xiāng)南剖面情況一致。因此可以認(rèn)為本文針對協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組地層所劃分的十二個化學(xué)地層單元可以應(yīng)用于尼瑪盆地南部坳陷其他地區(qū)的牛堡組地層。但是值得注意的是，協(xié)德鄉(xiāng)牛堡組屬于盆地邊緣相沉積，在具體地層對比時還應(yīng)該考慮到沉積相遷移所引起的沉積環(huán)境改變的問題。

5 結(jié)論

(1)本文利用化學(xué)地層學(xué)方法，首次建立了西藏尼瑪盆地古新統(tǒng)—始新統(tǒng)牛堡組地層的化學(xué)地層學(xué)格架，有利于促進(jìn)該地區(qū)油氣資源評價工作的開展。將協(xié)德鄉(xiāng)南牛堡組地層劃分成了12個化學(xué)地層單元，該地層劃分結(jié)果與巖石地層單元以及沉積相單元一致，證實了化學(xué)地層劃分方案的可靠性和實用性，并且認(rèn)為該劃分結(jié)果可以應(yīng)用于尼瑪盆地南部坳陷中沉積的牛堡組地層，具備區(qū)域可對比性。

(2)此外，本文在牛堡組地層化學(xué)地層格架建立過程中，對化學(xué)地層學(xué)方法進(jìn)行了探索。本文結(jié)合了沉積地球化學(xué)、主成分分析、完備總體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、以及自相關(guān)函數(shù)分析等方法，從化學(xué)自—異旋回角度以及元素耦合行為出發(fā)，探討了地球化學(xué)基準(zhǔn)面對化學(xué)地層框架的控制作用。這一過程有別于傳統(tǒng)的化學(xué)地層學(xué)方法，其更加強調(diào)異旋回對地層的控制作用，并且取得的結(jié)果更加客觀。

致謝：在野外樣品采集過程中，得到了博士研究生李帥、郝敏剛、韓凱博的幫助；稿件中部分圖件得到博士研究生畢文軍以及碩士研究生包宏揚的協(xié)助；審稿過程中得到了評審專家和編輯提出的寶貴意見，在此一并表示謝意！

注 釋 / Note

? 河南省地質(zhì)調(diào)查院. 2002. 1∶25萬尼瑪區(qū)幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告.