沉積巖古鹽度的地球化學(xué)示蹤方法

王庭旭，伍煉華，黎海勇，唐偉龍，汪文博

(長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

1 研究內(nèi)容

古鹽度恢復(fù)是油氣地質(zhì)勘探中的一項重要研究工作，對研究盆地沉積演化過程、優(yōu)質(zhì)儲層成因類型及分布規(guī)律具有重要的指導(dǎo)意義。一直以來，沉積地球化學(xué)研究大多專注于氧化還原、初級生產(chǎn)力等古環(huán)境條件的恢復(fù)，對古鹽度指標(biāo)的探索一直處于相對比較初步的階段。前人通過古生物和地化指標(biāo)恢復(fù)了不同層段的水體古鹽度，其中硼元素(B)、硼鎵比值(B/Ga)和鍶鋇比值(Sr/Ba)的應(yīng)用相對廣泛。

最初的古鹽度研究要追溯到20世紀(jì)30年代，前人對不同沉積環(huán)境中沉積物的微量元素分布規(guī)律研究進(jìn)行了分析探索。早年研究人員主要利用現(xiàn)代海洋和湖泊沉積物中的硫和總有機碳含量比值(S/TOC)，證明了該指數(shù)可以區(qū)分海水和淡水沉積。在最近幾十年，中國學(xué)者開發(fā)或測試了許多地球化學(xué)和沉積學(xué)指標(biāo)，如Sr/Ba、B/Ga、Sr/Ca、Mg/Ca和Na/Ca等，以重建不同沉積地層的古鹽度；其中，B/Ga、Sr/Ba比值得到了較為普遍的使用[1]。

目前主要從定性和定量這兩方面來研究古鹽度，無機地球化學(xué)分析和有機地球化學(xué)分析是定性與定量最為常用的兩種研究方法。其中，利用微量元素Sr/Ba和B/Ga化學(xué)性質(zhì)的差異，對古鹽度進(jìn)行定性分析是無機地球化學(xué)分析的主要方法；而有機地球化學(xué)分析方法則是利用姥鮫烷/植烷比值對古鹽度進(jìn)行定量分析。通過上述方法的應(yīng)用，可以定性地恢復(fù)不同地質(zhì)歷史時期沉積巖的古鹽度變化趨勢，明確不同地區(qū)的鹽度特征，但是對于上述研究方法的缺點是無法準(zhǔn)確落實古鹽度數(shù)值。探討沉積巖古鹽度定性與定量的研究方法，對恢復(fù)沉積環(huán)境具有重要的意義。

2 研究方法

2.1 無機地球化學(xué)分析

Sr/Ba和B/Ga是古鹽度的靈敏指標(biāo)。這兩種比值的原理都是利用其沉積地球化學(xué)行為具有差異性，在海、陸相沉積物中富集程度不同，因而用來進(jìn)行陸源碎屑沉積物(巖)的海、陸相古鹽度環(huán)境判別[1]。

判斷古鹽度的一個常用方法就是利用Sr/Ba比值。Sr和Ba兩種元素的化學(xué)性質(zhì)有著部分相似，但在天然水體中，相對于Ba而言Sr的運移能力要高，當(dāng)Sr和Ba以碳酸氫鹽出現(xiàn)在天然水體中時，說明了水介質(zhì)礦化度較低。當(dāng)Ba以BaSO4的形式析出后，BaSO4的沉淀使得Ba相對于Sr而言更加富集，而Sr則留在水中以離子形式存在。隨著水體礦化度的進(jìn)一步增加，Sr才會以SrSO4的形式析出。通過對沉積物中記錄的Sr/Ba比值與古鹽度的相關(guān)性曲線，可以發(fā)現(xiàn)二者之間呈顯著正性相關(guān)關(guān)系，因此該方法可作為古鹽度恢復(fù)的指標(biāo)[2-4]?？偟膩碚f，由于海相水體礦化度會高于陸相，所以在海相沉積物中Ba含量較低，Sr含量較高；而陸相沉積物中Ba含量較高，Sr含量較低。一般而言，Sr含量在淡水中為100 μg/g～300 μg/g,在海水中為800 μg/g～1 000 μg/g。因此，從陸地到海洋，Sr/Ba比值會逐漸增大。具體參數(shù)見表1。

表1 古鹽度值判別指標(biāo)

B/Ga比值常被作為區(qū)分海相和陸相沉積環(huán)境的重要指標(biāo)，對沉積巖古鹽度的定性和定量恢復(fù)具有重要作用。B和Ga是兩種化學(xué)性質(zhì)不同的元素，硼酸鹽溶解度大，能遷移，只有當(dāng)水蒸發(fā)后才析出，Ga活動性低，易于沉淀[4]。因此，利用B/Ga比值可指示古鹽度[5]。根據(jù)B/Ga比值與古鹽度的關(guān)系，初步認(rèn)為在研究區(qū)B/Ga比值小于1.5為淡水相，1.5～3為半咸水相，大于4～5為咸水相[5]。

2.2 有機地球化學(xué)分析方法

主要有萜烷類中的伽馬蠟烷以及無環(huán)類異戊二烯烷烴中的姥鮫烷/植烷比值這兩個參數(shù)可以作為指示古鹽度的指標(biāo)。伽馬蠟烷多出現(xiàn)于高鹽度的非海相和海相環(huán)境中，具有獨特的鹽度指示意義。伽馬蠟烷/C30藿烷之比就是伽馬蠟烷指數(shù)，該比值可以用來反映伽馬蠟烷的相對含量；其指數(shù)高低可以反映水體鹽度，其中咸水沉積鹽度的指數(shù)范圍高，淡水沉積鹽度指數(shù)范圍低。無環(huán)類異戊二烯烷烴中的姥鮫烷/植烷比值可以指示水體的鹽度特征，姥鮫烷/植烷比值在1左右(個別較低)主要是代表淡水環(huán)境，而淡水-半咸水環(huán)境則往往大于1，其中膏鹽環(huán)境沉積的姥鮫烷/植烷值異常低。

3 研究分析

根據(jù)前人的研究，Sr/Ba比值會受到以下3種影響因素，分別是陸相鹽湖環(huán)境的高SO42-含量、陸源碎屑中呈硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)態(tài)的Sr、Ba的影響以及Sr2+置換Ca2+進(jìn)入方解石或文石中對Sr/Ba的影響。通常鹽湖沉積的Sr/Ba值介于20～50,由于鹽湖的高SO42-含量導(dǎo)致Ba2+含量降低，其Sr/Ba值遠(yuǎn)大于1，這并不能指示該沉積環(huán)境為海相沉積；由于Sr/Ba法判別沉積環(huán)境是利用受化學(xué)、生物化學(xué)作用等因素在沉積過程中從搬運介質(zhì)(河水、海水及其混合物)中遷出的游離態(tài)Sr2+、Ba2+的比值，單一地采用黏土級或全樣分析Sr/Ba會受到陸源碎屑中硅酸鹽礦物Sr、Ba所影響，得到的結(jié)果并不可靠。在碳酸鹽沉積中Sr/Ba也會因為碳酸鹽含量的變化而受到一定的影響，其中CaCO3的含量小于15%時影響較小，當(dāng)CaCO3的含量超過15%時,由于Sr2+與Ca2+的置換使得Sr的含量在碳酸鹽中會明顯增大，而不能真正地反映該沉積環(huán)境的Sr/Ba比值，從而不能真正反映古鹽度[6]。根據(jù)魏巍等人對古鹽度值相關(guān)的研究表明，B/Ga比值的可信度要高于Sr/Ba比值。其中B/Ga比約為88%，Sr/Ba比約為66%，因此在實際應(yīng)用中更為可靠[7]。

姥鮫烷、植烷及其比值Pr/Ph也常作為判斷原始沉積環(huán)境氧化-還原條件及介質(zhì)鹽度的標(biāo)志。通過對含煤地層中提取出來的腐殖型有機質(zhì)生成的凝析油來看，從組分上來說Pr/Ph相對較高，通常大于3.0；海相腐泥型有機質(zhì)生成的凝析油來說Pr/Ph一般小于1.0；陸相混合型有機質(zhì)生成的凝析油則介于兩者之間。其中由于姥鮫烷與植烷只存在于生物體中，所以比較適用于含有有機質(zhì)的泥頁巖，不適用于幾乎不含有機質(zhì)的碳酸鹽巖。而且一般認(rèn)為，姥植比隨著烴源巖成熟度的加深而逐漸增大，因此姥植比這一傳統(tǒng)的評價烴源巖沉積古鹽度環(huán)境的生標(biāo)參數(shù)有一定的局限性。

伽馬蠟烷的主要的來源是四膜蟲醇，在分層水體中有纖毛蟲生活，而纖毛蟲能產(chǎn)生四膜蟲醇，所以伽馬蠟烷富集是水體分層的標(biāo)志。而水體分層和古鹽度關(guān)系密切具有相關(guān)性，因此可以用伽馬蠟烷的含量來指示水體古鹽度的高低。用伽馬蠟烷來研究古鹽度時，在海相和湖湘沉積環(huán)境都適用，但是此方法也含有一定的局限性，目前已發(fā)現(xiàn)很多高鹽度環(huán)境中并沒有含量很高的伽馬蠟烷，高鹽度沉積環(huán)境的水體分層通常與密度相關(guān)，這說明伽馬蠟烷和高鹽環(huán)境伴生但并不僅僅局限于高鹽度水體中的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

對于湖相沉積，目前油田勘探開發(fā)中最常用的方法仍是元素比值法，該方法利用微量元素比值定量計算不同鹽度的相對大小。因此，運用此方法對不同時期的古鹽度相對大小進(jìn)行粗略比較，從而得到不同層段的古鹽度特征。

在微量元素比值法中最常用的是Sr/Ba和B/Ga法,因為二者之間的化學(xué)性質(zhì)存在對比性的差異,這種對比差異使Sr/Ba和B/Ga比值可以作為古鹽度定性的一個較好的指標(biāo)。由于研究地區(qū)和研究層段都是不同的，因此不同盆地的地質(zhì)背景都不相同,導(dǎo)致了上述兩種比值方法與鹽度的關(guān)系在不同地區(qū)并不是絕對的,不能用一個固定的值來作為確定判斷古鹽度的界限。但是，根據(jù)古老頁巖和泥巖的古鹽度微量元素可信度而言，有機地球化學(xué)方法中伽馬蠟烷和姥鮫烷/植烷比值適用于含有有機質(zhì)的泥頁巖，但是不適用于碳酸鹽巖的古鹽度判別。