黑龍江蘭西地區(qū)三疊系老龍頭組沉積巖元素地球化學特征及古環(huán)境

王金奎 黨 胤 張文婧 馬永義 聶志陽 黃清華

（1. 中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2. 黑龍江省陸相頁巖油重點實驗室，黑龍江大慶 163712；3. 中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414）

0 引 言

沉積巖中痕量元素、稀土元素與沉積環(huán)境密切相關，一些元素具有較強的指示意義，因此，可以利用元素地球化學特征來探討古氣候、古鹽度、古氧化還原條件等［1-2］。二疊紀—三疊紀之交的生物集群絕滅事件、古氣候與古環(huán)境突變事件一直是全球研究的熱點問題之一，科學家們在此領域孜孜以求，開展了界線地層、沉積層序、生物演化、穩(wěn)定同位素和元素地球化學等多科學聯(lián)合攻關研究，并在全球海相地層發(fā)育區(qū)取得許多重要的研究成果［3-4］。

中國北方廣大地區(qū)三疊系以陸相為主，其地層序列體現(xiàn)為統(tǒng)一的古氣候條件控制下的沉積組合，即早、中三疊世干旱-半干旱氣候條件下的紅色碎屑沉積，中三疊世晚期至晚三疊世溫濕氣候下的深色含煤、含油頁巖沉積［5］。由于陸相二疊系—三疊系界線存在地層發(fā)育不連續(xù)、界線不明確和古生物化石缺失等地質(zhì)記錄不完備的情況，可見，其地層、沉積、元素地球化學等地質(zhì)應用研究相對于海相地層發(fā)育區(qū)要遜色得多，尤其是古氣候、古環(huán)境研究報道相對較少［6］。關于松遼盆地三疊系及其沉積環(huán)境，僅見丁秋紅等［7］關于松遼盆地西南部三疊系雜色碎屑巖的研究，根據(jù)孢粉化石和巖相特征提出該地區(qū)三疊系為一種干旱炎熱氣候條件下的富氧沉積，而對東北地區(qū)陸相三疊系老龍頭組的復雜沉積建造所蘊涵的沉積環(huán)境演變信息缺少深入的研究。

黑龍江省蘭西地區(qū)的Xr7 井在白堊系之下鉆遇一套厚達1701 m（未鉆穿）的雜色碎屑巖，基于凝灰?guī)r和碎屑巖鋯石U-Pb 同位素測年數(shù)據(jù)和巖石地層對比結果，本文將其劃歸老龍頭組，時代定為三疊紀。這一套巨厚層雜色碎屑巖缺少有效的巖相學和古生物化石等環(huán)境指相因子，為了深入剖析Xr7 井這套雜色碎屑巖形成時的古氣候和沉積環(huán)境背景，更好地服務于油氣勘探?jīng)Q策，本文采集了部分巖心樣品進行了痕量元素和稀土元素定量分析，首次獲取了一批三疊系雜色沉積巖痕量元素、稀土元素數(shù)據(jù)，不僅為解決東北地區(qū)三疊系沉積環(huán)境與古氣候演變提供了重要的科學依據(jù)，也為重新認識松遼盆地前白堊系構造演化與沉積建造奠定了基礎。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

東北和內(nèi)蒙古地區(qū)的三疊系主要分布于一些小型山間盆地中［5］。松遼盆地及其周邊地區(qū)的三疊系剖面出露少，黑龍江省龍江、嫩江、黑河、遜克和內(nèi)蒙古自治區(qū)布特哈旗、阿榮旗等一帶出露老龍頭組，內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁右翼前旗索倫鎮(zhèn)一帶出露哈達陶勒蓋組［8-9］，興安嶺南部林西、巴林右旗、奈曼旗等一帶出露幸福之路組等［10］。

基于巖石學和生物地層學特征，前人研究認為東北地區(qū)下三疊統(tǒng)幸福之路組、哈達陶勒蓋組雜色碎屑巖是一種炎熱、干燥氣候條件和富氧環(huán)境下形成的河湖相沉積［7，10］。楊雅軍等［11］對大興安嶺地區(qū)早三疊世地層進行了厘定，將以產(chǎn)早三疊世孢粉Verrucosisporites-Lundbladispora-Chordasporites組合，葉肢介Huanghestheria-Cornia-Palaeolimnadia組合及介形類Darwinula triassiana-D.rotundata組合等特征化石的雜色泥巖、砂巖、砂礫巖，夾或不夾中酸性火山巖地層統(tǒng)稱為老龍頭組，包括幸福之路組和哈達陶勒蓋組。

Xr7 井位于黑龍江省綏化市蘭西縣燎原鄉(xiāng)錢福屯北約0.5 km，是1 口以鉆探基巖石炭—二疊系為目的層系的地質(zhì)井。區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育白堊系河湖相砂泥巖沉積，厚度一般小于2 000 m。Xr7 井白堊系登婁庫組雜色砂礫巖直接覆蓋在三疊系雜色碎屑巖之上，二者之間發(fā)育底礫巖。

根據(jù)Xr7 井三疊系老龍頭組巖性組合特點，并參考區(qū)域上老龍頭組劃分方案，本文將其細分為4個巖性段，其中下部為雜色砂泥巖段（A 段），以灰色、紫色砂巖與綠灰色泥板巖為主，夾少量紫紅色、黑灰色泥板巖，厚約454.4 m；中部為紫紅色泥巖段（B 段），主要為深紫色、紫紅色泥巖，夾少量灰色砂巖，厚346.6 m；中上部為綠灰色泥巖段（C 段），以綠灰色泥巖發(fā)育為主要特點，夾灰色砂巖，厚577 m；上部為灰色泥巖段（D 段），以灰黑色、灰色泥板巖為主，夾灰色砂巖，厚323 m（圖1）。以下描述中以B、C、D 段分別代表紫紅色泥巖段、綠灰色泥巖段和灰色泥巖段。

圖1 Xr7井老龍頭組巖性剖面及微量元素特征參數(shù)Fig. 1 Lithologic section of Laolongtou Formation in Well Xr7 and parameters of trace elements characteristics

樣品均來源于Xr7 井鉆井巖心。樣品分析由中國科學院貴陽地球化學研究所國家重點實驗室完成。經(jīng)鏡下薄片鑒定，可將沉積巖樣品大體分為以下3 種類型：（1）砂巖，主要包括長石石英砂巖和長石巖屑砂巖（2 塊）；（2）泥巖，包含紫紅色泥巖、綠灰色泥巖和灰黑色泥巖（7 塊）；（3）灰色泥板巖（2 塊）。編號Xr7-1、Xr7-2 和Xr7-3 巖心樣品為紫紅色泥巖，來源于B 段，編號Xr7-4—Xr7-8巖心樣品來源于C 段，編號Xr7-9、Xr7-10、Xr7-11 巖心樣品來源于D 段。

使用儀器Bruker Aurora M90 ICP-MS 測定樣品痕量元素。具體操作步驟參見文獻［12］，標樣AMH-1（andesite）和OU-6（slate）結果與推薦值［13-14］基本一致，大部分元素測定結果相對誤差為±（5%～10%）。

樣品稀土元素的測試結果均采用Boyton［15］推薦的球粒隕石稀土數(shù)據(jù)對樣品數(shù)據(jù)進行標準化處理，標準化后的結果和參數(shù)均以下標N 標注。采用稀土元素二分法，分別為輕稀土LREE（La—Eu） 和重稀土HREE （Gd—Lu），并以w（L）/w（H）代表輕稀土與重稀土含量的比值。同時，文中δEu 和δCe 的計算，采用趙志根等［16］的計算公式：

式中：δEu——Eu 異常值；

IEu，N——Eu 球粒隕石標準化值，μg/g；

ISm，N——Sm球粒隕石標準化值，μg/g；

IGd，N——Gd 球粒隕石標準化值，μg/g；

δCe——Ce 異常值；

ICe，N——Ce 球粒隕石標準化值，μg/g；

ILa，N——La 球粒隕石標準化值，μg/g；

IPr，N——Pr 球粒隕石標準化值，μg/g；

氧化還原環(huán)境判定指標δU 計算公式為［17-19］

式中：δU——U 異常值；

w（U）——元素U 實際測量值，μg/g；

w（Th）——元素Th實際測量值，μg/g；

2 元素地球化學特征

2.1 痕量元素

對11 塊沉積巖樣品進行了包括Sr、Ba、Cu、V、Cr、Co、Rb、Li、Ga、U、Th 等20 個痕量元素的檢測，選用能夠反映沉積環(huán)境背景的特征參數(shù)列于表1 中。

表1 蘭西地區(qū)Xr7井三疊系老龍頭組痕量元素含量及特征參數(shù)Table 1 Trace elements contents and characteristic parameters of Triassic Laolongtou Formation in Well Xr7 in Lanxi area

從表1 中可以看出：Sr、Ba、Cu、Rb、Li、V、Cr、Ni 等痕量元素在不同顏色巖性段中質(zhì)量分數(shù)的差異比較明顯，反映了沉積環(huán)境具有一定的波動變化。

綠灰色泥巖（C 段）中，Sr、Ba、Cu、Li 等痕量元素的質(zhì)量分數(shù)最高，質(zhì)量分數(shù)平均值分別為313.74、526.6、25.54、99.92 μg/g，灰黑色泥巖（D 段）中元素Sr、Ba 的質(zhì)量分數(shù)最低，質(zhì)量分數(shù)平均值分別為98.37、258.67 μg/g，而元素Cu、Li則在紅色泥巖（B 段）中質(zhì)量分數(shù)最低，質(zhì)量分數(shù)平均值分別為19.87、33.77 μg/g。

V、Cr、Co、Ni、Rb、Ga 等痕量元素在紅色泥巖（B 段）中的質(zhì)量分數(shù)最高，質(zhì)量分數(shù)平均值分別為113.8、 56.73、 14.17、 45.27、 158.0 和27.7 μg/g，而在灰黑色泥巖（D 段）中的質(zhì)量分數(shù)最低，質(zhì)量分數(shù)平均值分別為76.47、46.30、12.79、25.17、85.40 和23.10 μg/g。

2.2 稀土元素

實測沉積巖稀土元素含量及其特征參數(shù)如表2所示，B、C 和D 段樣品的稀土元素總質(zhì)量分數(shù)w（∑REE）、輕稀土元素質(zhì)量分數(shù)w（LREE）差異性不大。稀土元素總質(zhì)量分數(shù)為92.61～194.82 μg/g，B、C、D 段巖樣平均值分別為169.36、177.75 和161.37 μg/g；輕稀土元素質(zhì)量分數(shù)為83.00～171.99 μg/g，B、C、D 段巖樣平均值分別為149.36、157.08 和141.09 μg/g；重稀土元素質(zhì)量分數(shù)為9.61～28.68 μg/g，B、C、D 段巖樣平均值分別為20.00、20.67 和20.27 μg/g。輕、重稀土元素質(zhì)量分數(shù)的比值w（L）/w（H）為6.58～8.64。老龍頭組樣品的（w（La）/w（Yb））N為6.09～8.49，B、C、D 段巖樣平均值分別為6.43、7.40 和6.81，反映了輕、重稀土元素分異程度較高；（w（La）/w（Sm））N為2.81～3.76，B、C、D段巖樣平均值分別為3.60、3.27 和2.94，反映輕稀土元素分餾程度明顯；（w（Gd）/w（Yb））N為1.00～1.67，B、C、D段巖樣平均值分別為1.17、1.54和1.62，反映了重稀土元素分餾程度較低（表2）；δEu 值總體表現(xiàn)明顯的負異常，其值為0.58～0.64，平均值為0.62；δCe值無異常，其值為0.99～1.06，平均值為1.03。稀土元素球粒隕石標準化配分模式總體表現(xiàn)為輕稀土富集、右傾，重稀土虧損、近平坦型（圖2）。

表2 蘭西地區(qū)Xr7井三疊系老龍頭組稀土元素含量及特征參數(shù)Table 2 REE content and characteristic parameters of Triassic Laolongtou Formation in Well Xr7 in Lanxi area

圖2 Xr7井老龍頭組稀土元素球粒隕石配分模式Fig. 2 Chondrites distribution pattern of Laolongtou Formation REE in Well Xr7

3 古環(huán)境

3.1 古氣候

痕量元素中Sr 屬于喜干類型元素，而Cu 則為喜濕型元素，二者的質(zhì)量分數(shù)比值對古氣候變化較敏感，因此常用其來探討古氣候。一般認為w（Sr）/w（Cu）為1.3～5.0 指示溫濕氣候，大于5.0 則指示干熱氣候［20-21］。

三疊系老龍頭組實測樣品的Sr、Cu 質(zhì)量分數(shù)大體呈負相關關系，B 和C 段泥巖中喜干類型元素Sr 的質(zhì)量分數(shù)較大（平均值分別為177.67 和313.74 μg/g），而D 段泥巖明顯變?。ㄆ骄?8.37 μg/g）；喜濕型元素Cu 的質(zhì)量分數(shù)則表現(xiàn)為C 和D 段的Cu 質(zhì)量分數(shù)平均值（25.54 和22.73 μg/g）略大于B 段（19.87 μg/g）。

剖面上，老龍頭組的w（Sr）/w（Cu）變化較大，為3.29～60.81，平均值為12.44，總體處于干熱氣候。從縱向剖面來看，D 段和B、C 段地層中沉積巖中的w（Sr）/w（Cu）呈現(xiàn)出明顯的差異性，B 段w（Sr）/w（Cu）較大，平均值為11.98，但其底部編號Xr7-1 樣品w（Sr）/w（Cu）僅為3.29 （圖2），至編號Xr7-3 樣品其數(shù)值即達到22.92，暗示在此沉積時空發(fā)生了一個由溫濕到干熱的氣候突變事件；C 段地層中的w（Sr）/w（Cu）最大，最大值達到60.82，平均值為17.56，表明此時的氣候更加趨向于干旱炎熱；自C 段上部開始，w（Sr）/w（Cu）迅速減小，回歸到干濕度分界線（w（Sr）/w（Cu）=5）以下（圖2）；D 段地層中的w（Sr）/w（Cu）整體較小，一直維持在干濕度分界線以下，平均值僅為4.38，指示一種溫濕氣候。

綜上所述，三疊系老龍頭組沉積時期，研究區(qū)古氣候存在由早期溫濕逐漸變成干熱，再到晚期轉為溫濕的一個氣候變遷事件，這與基于孢粉化石所得到的古氣候［7，11］結論一致，也反映了三疊紀區(qū)域性乃至全球性的古氣候演變［6，22］的協(xié)同效應。但需要說明的是，由于受鉆井取心井段資料和分析樣品數(shù)量限制，對缺少取心樣品的大段砂泥巖沉積時間內(nèi)的古氣候演變還有待做進一步的工作。

3.2 古鹽度

Li、Sr、Ni、Ga 等痕量元素對沉積環(huán)境水體的鹽度反應較為敏感。一般認為，咸水環(huán)境中w（Li） 大于150 μg/g，w（Sr） 大于800 μg/g，w（Ga） 小于8 μg/g；淡水環(huán)境中w（Li） 小于90 μg/g， Sr 小于 500 μg/g，w（Ga） 大于17 μg/g［2，23］。

老龍頭組樣品實測結果（表1、圖1）表明，B、C、D 段樣品的Li 質(zhì)量分數(shù)差別較大，其平均值分別為33.77、99.92 和41.63 μg/g，表明自B 段至C 段沉積演化過程中存在水體逐漸咸化過程，而C 段至D 段水體又重新淡化；而從全部11 塊樣品的檢測結果來看，只有C 段中編號Xr7-5 樣品（灰色石英砂巖）的Li 質(zhì)量分數(shù)達到283.00 μg/g，指示其水體為咸水環(huán)境，其余樣品的Li 質(zhì)量分數(shù)均小于90.00 μg/g，表明B、C、D 段沉積時期主體為淡水環(huán)境。

Sr 質(zhì)量分數(shù)實測結果與Li 元素大體相似，B、C、D 段樣品的Sr 質(zhì)量分數(shù)平均值分別為177.67、313.74 和98.37 μg/g，指示其主體為淡水環(huán)境，但Xr7-5 樣品Sr 同樣出現(xiàn)異常高值（821 μg/g）外，指示C 段沉積時期出現(xiàn)過水體咸化事件。Ga 質(zhì)量分數(shù)均值分別為23.53、20.36 和17.2 μg/g，指示其主體為淡水環(huán)境；其中Xr7-5、Xr7-9 和Xr7-10 等3塊樣品的Ga 質(zhì)量分數(shù)大于8 μg/g 而小于17 μg/g，指示出現(xiàn)過半咸水環(huán)境，水體咸化可能是氣候干旱炎熱作用的結果。

以海水為介質(zhì)的沉積物中Sr 的質(zhì)量分數(shù)遠高于陸相淡水環(huán)境，而Ba 元素變化則相反，以陸相淡水環(huán)境質(zhì)量分數(shù)高為顯著特征。w（Sr）/w（Ba）是古鹽度分析最有代表性的參數(shù)之一，一般而言，w（Sr）/w（Ba）隨著遠離海（湖）岸而增大，海相環(huán)境中w（Sr）/w（Ba） 大于1，而陸相淡水w（Sr）/w（Ba）小于0.6［2，23］。

實測樣品的w（Sr）/w（Ba）平均值變化較?。▓D2），B、C、D 段分別為0.37、0.54 和0.41，屬于陸相淡水范疇，但Xr7-5、Xr7-6 和Xr7-9 等3 塊樣品的w（Sr）/w（Ba）大于0.6 這個臨界點，分別為0.84（Xr7-5）、0.79（Xr7-6）和0.64（Xr7-9），指示期間有過水體咸化事件發(fā)生。

3.3 氧化還原條件

V、Ni、Co、Cr、U、Th 等氧化還原敏感性元素的質(zhì)量分數(shù)比值，可以用來判斷古水體環(huán)境的氧化還原性，前人基于研究成果，提出了w（Ni）/w（Co）、w（V）/w（Cr）等氧化還原環(huán)境的判定指標［2，24-25］。一般認為，w（Ni）/w（Co） ＞7、w（V）/w（Cr） ＞4.25 為還原環(huán)境，w（Ni）/w（Co）＜5、w（V）/w（Cr）＜2 為氧化環(huán)境。

老龍頭組B、C、D 段實測樣品w（Ni）/w（Co）平均值分別為3.09、2.32 和2.02，且全部樣品實測值（表1、圖1）都小于5，指示氧化環(huán)境；同樣，B、C、D 段樣品的w（V）/w（Cr）平均值分別為2.04、2.05 和1.63，其中有2 塊樣品的實測值較大， 分別為2.41 （Xr7-1） 和3.08（Xr7-5），指示老龍頭組沉積時期主體為氧化環(huán)境，局部存在弱氧化-弱還原環(huán)境。

U 元素在還原條件下溶解度低，而在氧化條件下極易被氧化而遷移，致使沉積物中U 元素缺失；而Th 元素無論是在還原環(huán)境下還是氧化環(huán)境中，其溶解度均不高，容易富集在沉積物中，因此可以利用δU 和w（U）/w（Th）值來判定沉積環(huán)境的氧化還原條件。一般認為δU＞1.0、w（U）/w（Th）＞1.25 為還原環(huán)境，δU＜0.7、w（U）/w（Th）＜0.75為氧化環(huán)境［23］。

老龍頭組全部實測樣品δU 均小于1.0，B、C、D 段均值分別為0.87、0.78 和0.89；全部樣品的w（U）/w（Th）小于0.75，B、C、D 段平均值分別為0.26、0.22 和0.27，指示全部樣品來自氧化環(huán)境（表1、圖1）。

另外，稀土元素的含量及其分布模式與沉積物質(zhì)來源和沉積環(huán)境密切相關，因而也被廣泛應用于古環(huán)境研究。部分學者研究認為，δEu 正異常、δCe 負異常時，指示還原環(huán)境；δEu 負異常、δCe正異常時，指示氧化環(huán)境［25-28］。

研究區(qū)實測樣品的δCe 正異?；驘o異常（表2），B、C、D 段平均值分別為1.01、1.02 和1.00，而全部樣品的δEu 值平均小于1.0，B、C、D 段平均值分別為0.59、0.61 和0.61，指示其沉積環(huán)境為氧化環(huán)境，這與基于三疊紀區(qū)域性，乃至全球性構造演化和沉積充填所獲得的古氣候［5-6，10，22］結論相吻合。

4 結 論

（1）老龍頭組輕、重稀土元素分異度較高，輕稀土元素分餾程度明顯，重稀土元素分餾程度較低，δEu 呈現(xiàn)顯著負異常、δCe 無異常，稀土元素球粒隕石標準化配分模式總體表現(xiàn)為輕稀土富集、右傾，重稀土虧損、近平坦型。

（2）老龍頭組沉積碎屑巖元素Sr、Cu 質(zhì)量分數(shù)和w（Sr）/w（Cu）等在剖面上的明顯差異性表明，研究區(qū)古氣候表現(xiàn)為由早期溫暖濕潤逐漸演變成干旱炎熱，再到晚期迅速轉為溫暖濕潤的一個氣候變遷過程。

（3） 痕量元素Li、Sr、Ga 質(zhì)量分數(shù)以及w（Sr）/w（Ba）等指標綜合研究表明，老龍頭組沉積時期水體主要為淡水環(huán)境，存在短暫的咸化事件，為氣候干旱炎熱作用的結果。

（4）氧化還原環(huán)境判定指標w（Ni）/w（Co）、w（V）/w（Cr）、w（U）/w（Th）、δU、δEu 和δCe等綜合研究表明，研究區(qū)在三疊系沉積時期主體為氧化環(huán)境，但不排除存在局部的、短暫的還原環(huán)境。