渤海海域石臼坨凸起東段元素特征與古環(huán)境關(guān)系

姚雅琴，趙都菁，楊紀磊，曹 潔，楊嬌嬌，李國良

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300452）

近年來，越來越多的地球化學(xué)方法開始應(yīng)用到油氣田勘探中，大量研究表明，沉積巖樣品中黏土及粉砂質(zhì)碎屑巖的地球化學(xué)特征繼承了其母巖主要元素組合的特點，可追溯沉積巖形成時期的物源區(qū)地質(zhì)背景及構(gòu)造特征[1–3]。同時，地層中元素的分配、比值變化和組合都在一定程度上指示古氣候環(huán)境的演化，因此，可以利用元素的變化規(guī)律分析沉積環(huán)境[4，5]。而對渤海海域石臼坨東部地區(qū)元素與環(huán)境的關(guān)系尚未開展過系統(tǒng)研究[6]，針對沙二段具環(huán)境指示意義的古生物化石缺少的現(xiàn)狀，根據(jù)已鉆井巖屑、測井以及地球化學(xué)測試資料對石臼坨凸起東段陡坡帶東營組、沙河街組沉積環(huán)境及物源影響因素進行詳細分析，揭示砂體來源特征，對該區(qū)下一步油氣勘探具有重要意義。

渤海海域石臼坨凸起東段，南部緊鄰渤中凹陷，北部與秦南凹陷相接，在石臼坨凸起東段陡坡帶古近系發(fā)育一系列的高陡斷鼻圈閉（如秦皇島35–2、36–3和29–2等構(gòu)造） （圖1），成藏條件優(yōu)越，2008年鉆探的QHD35–2A井取得重大突破，也為該區(qū)域的進一步勘探打開了局面[7–8]。

圖1 石臼坨凸起東段區(qū)域位置

1 樣品及測試

石臼坨凸起東段84塊樣品取自于7口井，BZ–2A井8塊、BZ–1A井27塊、BZ–1B井12塊、QHD29–2A井10塊、QHD29–B井10塊、QHD30–A井6塊、QHD35–2A井9塊，其中，前寒武系2塊，石炭系2塊，二疊紀10塊，中生代12塊，古近系沙河街組37塊，東營組21塊，取樣井位置如圖1所示。樣品的Si、Al、Fe、MgO、CaO、Na、K、MnO、Ti、P、FeO等元素及燒失量分析由AB–104L、PW2404X射線熒光光譜儀進行，依據(jù)GB/T14506.14–2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法第14部分：氧化亞鐵量測定》，GB/T14506.28–2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法第28部分：16個主次成分量測定》分析得到。數(shù)據(jù)分析顯示，研究區(qū)以SiO2和Al2O3為主，含量平均值分別為57.63%和12.96%；Fe203、CaO、K2O、Na2O、CaCO3含量次之。SiO2主要賦存在花崗巖等酸性巖漿巖中，SiO2富集的程度較高，說明研究區(qū)東營組母巖類型以花崗巖等酸性巖漿巖為主；而Al和K元素常富集于長石和黏土礦物中，Al2O3和K2O的虧損與這些礦物含量較少有關(guān)。值得注意的是，在東部區(qū)域CaO特別富集，而在西部區(qū)域和南部區(qū)域CaO則存在虧損；且MgO在東部區(qū)域中虧損得少，而西部和南部區(qū)域中虧損得多，Ca一般與碳酸鹽巖有關(guān)，Mg則主要存在于基性巖中，說明這3個區(qū)域沉積環(huán)境存在差異或母巖性質(zhì)發(fā)生了變化。Al2O3含量為1.89%～21.86%，均值為12.96%，Al主要以硅酸鹽的形式賦存于細粒的黏土礦物晶格中，不易遷移；Fe203的含量為1.36%～12.42%，均值為4.49%，含量分布趨勢與Al203相同；MgO的含量為0.161%～15.450%，均值為2.600%，分布趨勢與Al大致相同；P2O5的含量為0.013%～2.260%，均值為0.150%。磷為“親生物元素”[9]，研究區(qū)整體磷含量低，反映了生物作用的影響較小。

砂巖常量元素分層系的平均含量分析表明（表1），東營組的SiO2平均含量72.06%，與燕山造山帶數(shù)據(jù)對比[10]，處于大陸島弧（70.69%）與活動大陸邊緣（73.86%）之間，沙河街組的平均含量為67.81%，接近大陸島弧的70.69%。

表1 各類大地構(gòu)造環(huán)境砂巖常量元素質(zhì)量分數(shù)

東營組Al2O3含量為12.44%，接近活動大陸邊緣的12.89%；沙河街組Al2O3含量為13.71%，接近大陸島弧的14.04%。東營組、沙河街組Na2O的含量分別為2.47%和2.73%，接近活動大陸邊緣的2.77%。研究區(qū)K2O含量為3.79%，高于活動大陸邊緣（2.90%）。東營組、沙河街組MgO的含量分別為0.50%與1.12%，低于活動大陸邊緣（1.39%）。研究區(qū)Fe2O3的含量分別為3.69%和4.07%，遠高于活動大陸邊緣（1.30%），顯示陸地水體環(huán)境的還原性較強?？傮w上東營組、沙河街組的常量元素含量更接近活動大陸邊緣，且與大陸島弧有所相似，反應(yīng)出活動大陸邊緣火山活動的特點。

2 石臼坨凸起東段地球化學(xué)特征

2.1 MgO/CaO特征

MgO/CaO比值是氣候變化的良好指示劑，低值指示干熱氣候，高值指示潮濕氣候，但在堿層層位時則相反[13]。由于堿層的成分是碳酸鹽巖，當(dāng)鈉鹽開始沉淀時，水介質(zhì)中的Mg2+和Ca2+由于充分沉淀，濃度已經(jīng)很低，況且Mg2+的活動性比Ca2+差得多，二者相比，前者幾乎消耗殆盡，故巖層中MgO/CaO比值表現(xiàn)為低值或極低值。石臼坨凸起東段的MgO/CaO比值整體差異較大，如圖2所示，分層位計算平均值，其平均值的最大值與最小值相差3.2%，說明研究區(qū)從石炭系到東營組時期的沉積環(huán)境發(fā)生了明顯改變。BZ–1B井的MgO/CaO比值較高，為碎屑巖沉積，二疊系可能為相對干旱的氣候條件，而其他地區(qū)，尤其是QHD35-2地區(qū)的沙一段、東營組的MgO/CaO比值相對較低，BZ-1A井及BZ-2A井的東營組MgO/CaO值略高，反映了研究區(qū)沙河街組、東營組沉積時期各區(qū)域氣候條件存在較大的差異，沙一段、東營組應(yīng)為較溫暖的潮濕沉積環(huán)境。而QHD29–2地區(qū)的沙一段、沙二段沉積時期為高含鈣地層， MgO/CaO比值較高，可能為干旱或蒸發(fā)環(huán)境沉積，大量旱生裸子類植物麻黃粉等古生物化石的發(fā)現(xiàn)也表明該區(qū)為干旱或蒸發(fā)的沉積環(huán)境[14]。

圖2 石臼坨凸起東段不同井MgO/CaO比值

2.2 Fe3+/Fe2+特征

沉積物中全鐵的含量與沉積物氧化還原環(huán)境的關(guān)系不大，但在特定的氧化還原條件下Fe3+和Fe2+可以相互轉(zhuǎn)化，使得Fe3+/Fe2+比值及Fe3+和Fe2+濃度可在一定程度上判斷沉積物氧化還原環(huán)境。以往的大量研究證實，可以用Fe3+/Fe2+比值的相對大小在一定程度上表征沉積物的氧化還原環(huán)境[15–18]，基于Fe3+/Fe2+比值和沉積環(huán)境氧化還原的關(guān)系，可將沉積環(huán)境劃分為三種類型，F(xiàn)e3+/Fe2+比值大于3為氧化環(huán)境，F(xiàn)e3+/Fe2+比值在1～3為弱氧化區(qū)，F(xiàn)e3+/Fe2+比值小于1為還原區(qū)。

圖3中BZ–1A井沙三段Fe3+/Fe2+比值處于2～4，主要為弱氧化–氧化環(huán)境，沙一段、東營組Fe3+/Fe2+比值約為1，主要為還原環(huán)境；同理，BZ–2A井東營組、QHD29–2A井沙一段和沙二段、BZ–1B井二疊系、QHD35–2A井東營組的大部分層段Fe3+/Fe2+比值約為1，因而均為還原環(huán)境；QHD35–2A井3 322.6 m的Fe3+/Fe2+比值為4.89，為強氧化環(huán)境；BZ–2A井沙四段Fe3+/Fe2+比值為1.02～5.81，并且自下而上逐漸減少，說明由強氧化環(huán)境逐漸變?yōu)檫€原環(huán)境；QHD30–A、QHD29–B井的沙一段Fe3+/Fe2+比值為1～2，主要為弱氧化環(huán)境。

圖3 石臼坨凸起東段不同井Fe3+/Fe2+比值

為了弄清氧化還原環(huán)境與砂體變化的關(guān)系，本次研究對照分析了Fe3+/Fe2+比值與巖性的縱向分布關(guān)系，以BZ–1A井為代表，總體上，砂體相對發(fā)育的層位Fe3+/Fe2+比值都比泥巖段略大，如沙三段（2 801.48～2 907.61 m）砂巖Fe3+/Fe2+的比值比沙一段（2 723.97～2 726.03 m）大；但是同為砂巖發(fā)育段，2 685.46 m砂巖的Fe3+/Fe2+比值為2.85，而其臨近的細礫巖（2 682.47 m）、粗砂巖（2 688.37 m）的Fe3+/Fe2+比值分別為1.06和1.12，可能與水下沉積環(huán)境有關(guān)，2 685.46 m的砂巖可能為洪水期所形成。

3 結(jié)論

（1）石臼坨凸起東段沙河街組、東營組沉積時期各區(qū)域氣候條件存在差異。沙一段、東營組為較溫暖的潮濕沉積環(huán)境，QHD29–2E地區(qū)的沙一段、QHD29–2地區(qū)的沙二段沉積時期可能為干旱或蒸發(fā)環(huán)境。

（2）BZ–1A井沙三段為弱氧化–氧化環(huán)境，沙一段、東營組主要為還原環(huán)境；BZ–2A井東營組、QHD29–2A井沙一段和沙二段、BZ–1B井二疊系、QHD35–2A井東營組均為還原環(huán)境；QHD30–A、QHD29–B井的沙一段主要為弱氧化環(huán)境。沉積環(huán)境與砂體的關(guān)系密切，總體上，砂體相對發(fā)育的層段氧化性強于泥巖段。