基于有機(jī)-無機(jī)地球化學(xué)約束的膠萊盆地下白堊統(tǒng)萊陽群沉積環(huán)境重建

劉 燁，常象春，2，陳 果，馮 喬，史兵兵，葛天晨

（1．山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2．青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

引 言

近年，隨著對非常規(guī)油氣勘探的高度重視，膠萊盆地下白堊統(tǒng)萊陽群再次成為研究熱點(diǎn)，油氣鉆孔已證實(shí)水南組為主要頁巖氣目的層位［1-3］。前人從測井學(xué)、地震學(xué)、古生物學(xué)、古地層學(xué)、分子地球化學(xué)與元素地球化學(xué)等方面對膠萊盆地萊陽時期的沉積環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)研究，但認(rèn)識不統(tǒng)一，有學(xué)者認(rèn)為膠萊盆地萊陽時期是陸相沉積［4-8］，也有學(xué)者認(rèn)為是海相沉積［9-11］，萊陽群沉積環(huán)境歸屬問題依然存在爭議，有必要進(jìn)行深入研究。

有機(jī)地球化學(xué)中的生物標(biāo)志物經(jīng)常被用來恢復(fù)重建古環(huán)境，但一些生標(biāo)參數(shù)容易受烴源巖露頭風(fēng)化影響，因而用生物標(biāo)志物重建古環(huán)境有一定的局限性。元素地球化學(xué)多被沉積學(xué)家用于恢復(fù)古環(huán)境，但一些主微量元素指標(biāo)易受火山熱液影響而具有一定的局限性。因此，應(yīng)充分利用有機(jī)地球化學(xué)與無機(jī)地球化學(xué)手段的優(yōu)勢，最大可能地消除單一方法的局限。本文將有機(jī)地化指標(biāo)與無機(jī)主微量元素指標(biāo)相結(jié)合，來約束其沉積環(huán)境指示，以期彌補(bǔ)成巖后作用影響對樣品研究的干擾，深入認(rèn)識膠萊盆地白堊系的古沉積環(huán)境。

1 地質(zhì)背景

膠萊盆地為晚中生代斷陷盆地，其南部為齊魯造山帶，西部為郯廬斷裂帶，位于魯東隆起的中部（圖1）。盆地西部與郯廬斷裂帶相連，郯廬斷裂帶控制著盆地西部邊界，由數(shù)個地塹和地壘構(gòu)造組成。盆地南部與膠南隆起相鄰，以五蓮—榮城斷裂為界，北部的膠北隆起與其成接觸關(guān)系，為NE向典型的復(fù)合改造型斷陷盆地［12］。白堊紀(jì)時的膠萊盆地經(jīng)歷了多次演化，各個伸展構(gòu)造相互重疊、相交，相互作用，形成錯綜復(fù)雜的構(gòu)造樣式［13］。

圖1 膠萊盆地構(gòu)造簡圖Fig．1 Structural diagram of Jiaolai Basin

萊陽群沉積初期，盆地內(nèi)部一向展布的剝蝕凸起和沉積中心，以及一向展布的沉積中心，不僅說明了萊陽期盆地可能的平面雙軸拉張狀態(tài)，而且還說明廣泛分布的一向基底斷裂對盆地形成的控制作用。青山期沂沐裂谷系的存在，王氏期一向正斷層對地層沉積厚度的顯著控制作用，均說明拉張應(yīng)力場的普遍存在。膠萊盆地在各地質(zhì)時期均有不同方向的正斷裂組同時發(fā)生同沉積活動，指示面狀伸展?fàn)顟B(tài)。由多條平衡剖面所反映的盆地在不同方向的伸展特征表明，膠萊盆地各時期原型均為平面雙軸拉張應(yīng)力場控制。典型地區(qū)的多條沉降曲線反映，膠萊盆地從萊陽期至王氏期不是一次連續(xù)的裂陷過程，而是多期裂陷原型的疊加。在盆地發(fā)育初期，諸城凹陷和高密凹陷可能更偏于主動伸展裂陷性質(zhì)，而萊陽凹陷則更具被動伸展裂陷性質(zhì)。

瓦屋夼組以萊陽市龍旺莊鎮(zhèn)瓦屋夼村一帶為標(biāo)準(zhǔn)剖面，主要以黃綠、灰黃色細(xì)砂巖、頁巖為主，夾薄層灰?guī)r，底部含有少量礫巖，水南組的主要巖性以粉砂巖和暗色頁巖為主，夾少量細(xì)砂巖和中厚層灰?guī)r，動植物化石也多在該地層中出現(xiàn)，總體上表現(xiàn)為地層顏色較深、粒度較細(xì)。萊陽群自下而上分別為：瓦屋夼組、林寺山組、止鳳莊組、水南組、龍旺莊組和曲格莊組，其間為整合接觸關(guān)系，上部被青山群后夼組覆蓋（圖2）。

圖2 膠萊盆地白堊系地層柱狀圖Fig．2 Stratigraphic lithologic histogram of Cretaceous in Jiaolai Basin

2 樣品與方法

共采集樣品8件，其中瓦屋夼村剖面的瓦屋夼組5件，水南村剖面水南組3件，樣品巖性均為灰綠色、灰黑色泥巖。將泥巖樣品磨碎至粒徑小于0．2 mm（80目），進(jìn)行HPSE固相萃取，將萃取液置于層析柱中，用正己烷淋洗出飽和烴組分，再經(jīng)安捷倫6890A色譜儀及安捷倫5975XL質(zhì)譜儀對飽和烴餾分別進(jìn)行分析。

氣相色譜-質(zhì)譜分析使用安捷倫技術(shù)公司7890B氣相色譜儀，該氣相色譜儀帶有無分裂毛細(xì)管注入器，并與安捷倫技術(shù)公司5977A質(zhì)量選擇檢測器相耦合。柱為50 m J＆W Scientific DB-5 MS柱。溫度程序設(shè)置為初始等溫80℃保持1．5 min，然后以4℃／min的速度上升至300℃，并在恒溫狀態(tài)下保持45 min。氦氣作為載氣，設(shè)定流速為1．0 mL／min。離子源和四極分析儀保持在250℃。在電子碰撞（EI）模式下，質(zhì)譜儀使用70 eV的電離能。掃描范圍為50～550 u。

主量元素采用容量法和波長色散X熒光光譜儀測量，稀土和微量元素采用等離子體質(zhì)譜儀分析獲得。

3 結(jié)果與討論

3．1 有機(jī)地球化學(xué)特征

3．1．1 有機(jī)質(zhì)輸入源

瓦屋夼組泥巖抽提物正構(gòu)烷烴氣相色譜圖呈雙峰型，正構(gòu)烷烴發(fā)育完整，且未出現(xiàn)明顯UCM鼓包，表明其未受生物降解影響（圖3）。輕重比∑n C21-／∑n C22＋值介于 0．78～5．12，指示低等水生生物和高等植物混合來源。水南組泥巖抽提物正構(gòu)烷烴氣相色譜圖表現(xiàn)為前峰型，∑n C21-／∑n C22＋值介于2．32～8．06，反映以低等水生生物來源為主。Pr／Ph，Pr／n-C17，Ph／n-C18等參數(shù)可以很好地反映物源及有機(jī)質(zhì)類型的變化［14］。瓦屋夼組樣品Pr／n-C17和 Ph／n-C18值分別為0．5～1．1和0．27～0．55，水南組樣品 Pr／n-C17和 Ph／n-C18值分別為 0．67～0．91和0．39～0．50，表明瓦屋夼組與水南組沉積環(huán)境以湖相為主（圖4（a）、圖 5（a））。瓦屋夼組樣品三環(huán)萜烷（TT）比值 C19TT／C26TT介于 0．23～1．17，均值0．73，指示母源輸入中藻類貢獻(xiàn)較大；水南組樣品中該比值介于 0．78～1．39，均值 1．14，指示有機(jī)質(zhì)主要為陸相來源。在規(guī)則甾烷系列（RS）中，富集的C29甾烷代表陸生植物的貢獻(xiàn)，而C28甾烷主要與湖泊藻類有關(guān)，C27甾烷主要來源于海洋浮游植物［15］。本次研究的所有樣品中均以C29甾烷為主（瓦屋夼組樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38．7% ～48．9%，水南組樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 35．9% ～40．9%），C28甾烷次之（瓦屋夼組和水南組樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29．5% ～43．1%和28．1%～35．3%），表明有機(jī)質(zhì)來源以高等植物和湖泊藻類混合輸入（表1）。C27-C28-C29RS三元圖中瓦屋夼組與水南組樣品均落于河口相-陸相處（圖5（c）），證明以上結(jié)論的正確性。

圖3 膠萊盆地瓦屋夼組、水南組飽和烴氣相色譜特征Fig．3 Chromatogram s of saturated hydrocarbon in W awukuang formation and Shuinan formation of Jiaolai Basin

肖洪等［16］利用三環(huán)萜烷（TT）圖版，即 C19＋20TTC21TT-C23TT圖版區(qū)分了海陸相烴源巖（圖5（b）），瓦屋夼組、水南組樣品在該圖中均處于淡咸水相交界地帶，指示瓦屋夼組與水南組均為陸相沉積。C22TT／C21TT和C24TT／C23TT比值組合可以區(qū)分烴源巖的沉積環(huán)境［17］，研究區(qū)樣品在該圖中均落于湖相或海相頁巖區(qū)域（圖4（b））。五環(huán)三萜類中的伽馬蠟烷／C30藿烷（G／C30H）和姥植比組合也可很好地區(qū)分烴源巖的沉積環(huán)境［18］，研究區(qū)樣品伽馬蠟烷／C30藿烷值均小于 0．2，姥植比為 1．37～2．62（圖4（c）），反映萊陽群沉積環(huán)境為淡水湖相。

圖4 膠萊盆地瓦屋夼組、水南組生物標(biāo)志物參數(shù)交會圖Fig．4 Cross plots of biomarker parameters ofW awukuang formation and Shuinan formation in Jiaolai Basin

圖5 膠萊盆地瓦屋夼組、水南組生物標(biāo)志物三角圖Fig．5 Biomarker triangles of W awukuang formation and Shuinan formation in Jiaolai Basin

3．1．2 古氧化還原環(huán)境

沉積物中植烷（Ph）和姥鮫烷（Pr）的比值通常與氧化還原條件有關(guān)。植烷和姥鮫烷的母體植物在強(qiáng)還原環(huán)境中轉(zhuǎn)化為植烷，在弱氧化環(huán)境中轉(zhuǎn)化為姥鮫烷［19］。因此，Pr／Ph比值是氧化還原條件的敏感指標(biāo)。正常情況下，Pr／Ph高值（＞1）表示氧化環(huán)境，而低值（＜1）表示缺氧狀態(tài)［17］。在 Pr／n-C17-Ph／n-C18圖中，瓦屋夼組與水南組樣品均落于氧化環(huán)境區(qū)域，指示氧化環(huán)境（圖4（a））。瓦屋夼樣品Pr／Ph值為 1．37～2．62，水南組樣品 Pr／Ph值為1．57～1．79，指示沉積環(huán)境為弱氧化環(huán)境（表 1）。

表1 瓦屋夼組、水南組有機(jī)地化、元素地化參數(shù)Tab．1 Organic and elemental geochem ical parameters ofWawukuang formation and Shuinan formation in Jiaolai Basin

3．1．3 古氣候

C24四環(huán)萜烷（Tet）指示淡水輸入和陸源物質(zhì)輸入，C26TT指示低等藻類貢獻(xiàn)，故常用C24Tet／C26TT指示古氣候的干濕程度［20-21］。瓦屋夼組樣品C24Tet／C26TT比值為 0．52～0．81，指示陸源淡水輸入較少，為干旱氣候；水南組 C24Tet／C26TT比值為0．55～0．70，指示干旱氣候（表1）。

3．2 元素地球化學(xué)特征

3．2．1 古鹽度

Ca、P、Fe、Mn、Mg、Al等元素可用于古鹽度判別，w（CaO）／（w（CaO）＋w（Fe））是常用的主量元素古鹽度指標(biāo)，以0．2和0．5為界劃分淡水，半咸水和咸水［22］。瓦屋夼組樣品 w（CaO）／（w（CaO）＋w（Fe））為0．68～0．9，平均 0．83，指示咸水環(huán)境；水南組樣品該比值為 0．21～0．59，平均 0．43，指示半咸水-咸水環(huán)境（表1）。

微量元素的相對大小也可用來指示古鹽度，一般采用Ga、V這2種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)判斷。一般來說Ga元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15×10-6時指示海相沉積環(huán)境，介于（18～23）×10-6時指示陸相沉積環(huán)境；V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于86×10-6時指示海相環(huán)境，介于（110～113）×10-6時指示陸相環(huán)境［23］。瓦屋夼組樣品 Ga元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（5．17～11．28）×10-6，指示海相沉積，V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（33．02～76．31）×10-6，也指示海相環(huán)境；水南組Ga元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（18．75～25．07）×10-6，指示陸相沉積，V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（83．95～107．7）×10-6，指示海陸過渡相沉積（表1）。

微量元素比值如 w（Sr）／w（Ba）、w（Rb）／w（K）、w（V）／w（Ni）均可指示古鹽度。一般認(rèn)為，淡水沉積物中 w（Sr）／w（Ba）＜1，而海相沉積物中其值大于1［24］。w（Rb）／w（K）＞0．006，為海相沉積環(huán)境，0．004＜w（Rb）／w（K）＜0．006為微咸水相，w（Rb）／w（K）＜0．004為淡水相，由于 Rb與 K元素不是一個數(shù)量級，故用 1 000×w（Rb）／w（K）代替［25］。

綜合以上古鹽度指標(biāo)，圖6中瓦屋夼組樣品多數(shù)位于咸水相或海相沉積區(qū)域，指示其沉積環(huán)境為咸水或海相沉積，而水南組樣品則處于半咸水區(qū)域，指示其沉積環(huán)境為半咸水沉積。

圖6 瓦屋夼組、水南組古鹽度分析判別圖版Fig．6 Paleosalinity discrim inant charts of W awukuang formation and Shuinan formation in Jiaolai Basin

3．2．2古氧化還原環(huán)境

主、微量元素與稀土元素含量能夠定量判別古氧化還原環(huán)境，因此，常被作為判別古氧化還原環(huán)境的重要依據(jù)。如：Ni、Co、U、Th、V、Cr、Eu、Ce、Fe等元素在沉積物中的富集程度受氧化還原環(huán)境的控制，所以利用這些敏感元素重建古氧化還原環(huán)境是一種有效的方法。

Ni、Co元素對氧化還原環(huán)境變化十分敏感，在氧化環(huán)境下Ni以Ni＋形式存在，Co則以 Co2＋形式溶于水中。因此，可用 w（Ni）／w（Co）來判斷氧化還原環(huán)境，當(dāng) w（Ni）／w（Co）＜5時為氧化環(huán)境，介于5～7時為貧氧環(huán)境，w（Ni）／w（Co）＞7時為缺氧環(huán)境［11］。在強(qiáng)還原環(huán)境下U元素大量富集于沉積物中，Th元素惰性較強(qiáng)。當(dāng) w（U）／w（Th）＞1．25時為還原環(huán)境，介于0．75～1．25時指示貧氧環(huán)境，小于0．75時指示氧化環(huán)境［26］。在還原環(huán)境時，V元素優(yōu)先被結(jié)合，而 Cr不易被結(jié)合，故 w（V）／w（Cr）也是一個常用的判定氧化還原的指標(biāo)。w（V）／w（Cr）＜2指示氧化環(huán)境，2＜w（V）／w（Cr）＜4．25指示貧氧環(huán)境，w（V）／w（Cr）＞4．25指示還原環(huán)境［27］。在判別沉積環(huán)境時，也常用到稀土元素。當(dāng)w（Ce）／w（Ce*）＜1時，為負(fù)異常，指示氧化環(huán)境；當(dāng)w（Eu）／w（Eu*）＜1時，為負(fù)異常，亦指示氧化環(huán)境，反之，則為還原環(huán)境［28］。研究區(qū)樣品均落于氧化區(qū)域，指示烴源巖形成于相對較氧化的沉積環(huán)境（圖7）。

圖7 膠萊盆地瓦屋夼組、水南組氧化還原判別圖版Fig．7 Redox discrim inant charts of W awukuang formation and Shuinan formation in Jiaolai Basin

3．2．3 古氣候

利用主、微量元素的比值可以很好地分析古氣候特征。通常用 w（Sr）／w（Cu）和 w（Ga）／w（Rb）來分析沉積區(qū)的古氣候條件。當(dāng)w（Sr）／w（Cu）為1～10時，指示濕潤氣候，大于10指示干旱氣候［27］。當(dāng) w（Ga）／w（Rb）小于 0．24時指示干燥氣候［29-30］?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA也廣泛用于古氣候分析。CIA值為50～60指示初級化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，該值60～80指示中等化學(xué)風(fēng)化，80～100指示強(qiáng)化風(fēng)化程度，且氣候濕度也隨CIA值增大而增大［31］。

在干旱條件下，由于水分補(bǔ)給減少，水質(zhì)的堿性增加，Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素大量析出沉積；在潮濕氣候條件下，賦存于巖石中的 Fe、Mn、Cr、Ni、V、Co等元素較多?？衫脙深愒氐谋戎涤?jì)算氣候指數(shù)“C”（C＝∑（Fe、Mn、Cr、Ni、V、Co）／∑（Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba））。當(dāng) C≤0．2時，指示干旱氣候；0．2＜C≤0．4時，指示半干旱氣候；0．4＜C≤0．6時，指示半干旱 -半濕潤氣候；0．6＜C≤0．8時，指示半濕潤氣候；當(dāng) C＞0．8時指示濕潤氣候［32-33］。瓦屋夼組樣品“C”值為 0．08～0．26，CIA值為57．76～75．25，指示了干旱-半干旱氣候；水南組樣品“C”值為0．34～0．81，CIA值為48．74～57．55，指示半濕潤氣候（圖8）。

圖8 膠萊盆地瓦屋夼組、水南組古氣候判別圖版Fig．8 Paleoclimate discrim inant charts of W awukuang formation and Shuinan formation in Jiaolai Basin

3．3 可靠性分析

生物標(biāo)志物相關(guān)圖版反映瓦屋夼組與水南組為淡水湖相沉積，w（Sr）／w（Ba）、w（CaO）／w（CaO＋Fe）等元素地球化學(xué)指標(biāo)指示咸水相或海相環(huán)境，二者存在矛盾。膠萊盆地在中新生代有著強(qiáng)烈的構(gòu)造活動，伴隨著間歇性的火山活動和熱液上涌［4，12，34-35］。如早白堊世受 E-W 向拉張應(yīng)力，存在大規(guī)模的火山噴發(fā)；晚白堊世受S-N向應(yīng)力作用，構(gòu)造活動十分強(qiáng)烈［36］。由于烴源巖中微量元素的來源受有機(jī)質(zhì)來源、陸源碎屑和成巖作用等諸多因素控制，膠萊盆地早白堊世［32］地層沉積時期所存在的間歇性熱液上涌、火山等活動在一定程度上造成主、微量元素來源的復(fù)雜性，影響到主、微量元素用于古環(huán)境重建的說服力［37-38］。而間歇性的火山活動、熱液上涌對烴源巖的生排烴有一定的催化和促進(jìn)作用，對生物標(biāo)志物指標(biāo)的影響并不明顯［39-42］。m／z 85譜圖也無UCM鼓包，表明生物標(biāo)志物未受生物降解的影響，故生物標(biāo)志物參數(shù)在本文中用于重建古環(huán)境比主、微量元素更具有說服力。

4 結(jié) 論

（1）瓦屋夼組與水南組有機(jī)質(zhì)為浮游植物與高等植物混合來源。

（2）萊陽時期瓦屋夼組與水南組均為淡水湖相沉積。

（3）瓦屋夼組與水南組均形成于偏氧化環(huán)境。

（4）瓦屋夼組與水南組的氣候背景以干燥氣候?yàn)橹鳌?/p>