海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣層系元素地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境演化
——以通許隆起西部下二疊統(tǒng)為例

董果果,張棟,張馨元,許軍,代磊

(1.河南省地質(zhì)研究院,鄭州 450001;2.河南省地下清潔能源勘查開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,鄭州 450001)

0 引言

頁(yè)巖氣層系的沉積環(huán)境分析,是頁(yè)巖氣富集條件和資源評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ),對(duì)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)的優(yōu)選具有重要意義[1-2]。頁(yè)巖氣層系以細(xì)粒沉積為主,而一般的巖性和構(gòu)造標(biāo)志主要是針對(duì)于砂、礫巖等粗粒沉積物的沉積環(huán)境判別,在細(xì)粒沉積物中發(fā)育有限,相比較而言元素地球化學(xué)資料的應(yīng)用更為廣泛[3]。元素的遷移和富集規(guī)律除了受制于元素本身的物理化學(xué)性質(zhì),很大程度上還受沉積環(huán)境的影響[4],眾多學(xué)者開(kāi)展了泥頁(yè)巖元素地球化學(xué)特征理論研究,應(yīng)用效果顯著[5-7]。

河南省上古生界廣泛發(fā)育海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣層系,具有富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖單層厚度小、縱向變化快,且常與煤層、灰?guī)r、致密砂巖頻繁互層的特點(diǎn),其中通許隆起下二疊統(tǒng)太原組-山西組是其中的研究重點(diǎn)[8]。針對(duì)其沉積環(huán)境和古地理演化的研究多限于露頭剖面和淺部煤田鉆孔資料,且主要通過(guò)巖相分析來(lái)判斷沉積環(huán)境,較少利用地球化學(xué)資料[9]。隨著通許隆起下二疊統(tǒng)頁(yè)巖氣勘查程度的提高,已有多口頁(yè)巖氣井獲得了相對(duì)完整的取芯,為該地區(qū)開(kāi)展地球化學(xué)特征和沉積環(huán)境研究奠定了基礎(chǔ)[10-11]。

本文以通許隆起西部ZXY1井下二疊統(tǒng)頁(yè)巖氣層系113 m巖芯為研究對(duì)象,對(duì)從其中采集的24塊樣品進(jìn)行49種元素分析,分巖性開(kāi)展了常量元素、微量元素和稀土元素特征研究,并選取對(duì)沉積環(huán)境變化較為敏感的特征元素含量及其比值等參數(shù),分析了其在縱向上的變化規(guī)律以及與沉積環(huán)境之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,研究了通許隆起西部頁(yè)巖氣層系沉積時(shí)期的物質(zhì)搬運(yùn)距離、古水深、古氣候、古鹽度、氧化還原環(huán)境和古生產(chǎn)力等沉積演化特征,以期為海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供新的參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北陸塊南緣通許隆起西部,北部與濟(jì)源凹陷接壤,走向近EW,呈北高南低的構(gòu)造格局,區(qū)內(nèi)主要發(fā)育一條較大的NWW向的北傾正斷層(圖1)。晚石炭世—中三疊世,華北陸塊南緣進(jìn)入了大型克拉通內(nèi)坳陷發(fā)展階段,廣泛發(fā)育海陸過(guò)渡相—陸相沉積;晚三疊世以來(lái),受中新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,區(qū)內(nèi)上古生界遭受不同程度的剝蝕,但通許隆起受此影響較小,保存了較為完整的上古生界海陸過(guò)渡相地層[12]。ZXY1井為研究區(qū)內(nèi)的第一口頁(yè)巖氣鉆井,在3260 m—3374 m鉆遇了下二疊統(tǒng)太原組-山西組海陸過(guò)渡相地層,并進(jìn)行了連續(xù)取芯,巖芯收獲率為94.28%,基礎(chǔ)資料齊全。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層發(fā)育情況Fig.1 Structural location and stratigraphic column of the study area

2 樣品采集與分析

本次對(duì)研究區(qū)ZXY1井頁(yè)巖氣層系及其上部巖芯采集了24塊樣品進(jìn)行常量元素、微量元素和稀土元素測(cè)試,包括黑色泥巖樣品6塊、碳質(zhì)泥巖樣品6塊、粉砂巖和細(xì)-中砂巖樣品4塊、夾泥礫砂巖樣品4塊、泥質(zhì)灰?guī)r樣品4塊(圖2)。樣品測(cè)試由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)實(shí)驗(yàn)室完成,主要采用X射線(xiàn)熒光光譜法進(jìn)行了49種地球化學(xué)元素分析測(cè)試,儀器型號(hào)為掃描型波長(zhǎng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀Rigaku ZSX Primus。樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,見(jiàn)圖3—圖5。

圖2 研究區(qū)頁(yè)巖氣層系巖性特征Fig.2 Lithological characteristics of shale gas stratum series in study area a.巖芯照片,夾泥礫砂巖,3297.07 m—3297.37 m,山西組中部;b.薄片照片(+),灰色巖屑砂巖,不等粒結(jié)構(gòu),少量碳質(zhì)碎屑狀或條紋狀分布,3313.28 m,山西組下部;c.巖芯照片,黑色碳質(zhì)泥巖,3342.35 m—3342.61 m;d.巖芯照片,黑色泥巖,水平層理發(fā)育,3363.53 m—3363.8 m,太原組下部;e.薄片照片(-),黑色泥巖,太原組,3363.65 m; f.薄片照片(-),灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r,隱晶結(jié)構(gòu),含生物碎屑,3372.93 m,太原組下部

圖3 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系常量元素垂向變化特征Fig.3 The vertical variation of major elements of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

圖4 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系微量元素垂向變化特征Fig.4 The vertical variation of trace elements of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

圖5 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系稀土元素垂向變化特征Fig.5 The vertical variation of rare earth elements of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

3 元素地球化學(xué)特征

3.1 常量元素特征

研究區(qū)碎屑巖中常量元素以SiO2為主,其次是Al2O3,此外,Fe和K2O的含量較其余常量元素含量明顯偏高;泥質(zhì)灰?guī)r常量元素以CaO為主,其次為SiO2、Al2O3、MgO和Fe,TiO2、MnO和P2O5含量均較低,其中TiO2含量明顯低于其它巖性。與上地殼常量元素相比[13],研究區(qū)碎屑巖整體具有富Al2O3,貧MgO、CaO和Na2O的特征。除砂巖外,黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖和夾泥礫砂巖均呈貧SiO2特征,指示其礦物成分以黏土礦物為主;黑色泥巖、夾泥礫砂巖整體具有富Fe特征,而碳質(zhì)泥巖和砂巖則相對(duì)貧Fe,這可能與前二者發(fā)育的星點(diǎn)狀黃鐵礦和菱鐵礦有關(guān)。

Al主要來(lái)源于陸源碎屑物中的黏土礦物,且受次生作用的影響較小(Tribovillard et al, 2006)。研究區(qū)頁(yè)巖氣層系樣品中w(Al2O3)與w(Ti2O3)呈正相關(guān)(R2=0.92),與w(K2O)、w(Na2O)、w(MnO)也呈較好的正相關(guān)性(R2均>0.5),說(shuō)明Ti、K、Na、Mn主要來(lái)源于陸源碎屑;w(Al2O3)與w(TFe2O3)和w(SiO2)相關(guān)性較弱,與CaO、MgO和P2O5均無(wú)明顯相關(guān)性,說(shuō)明Fe、Si、Ca、Mg和P含量受陸源輸入影響較小。

通過(guò)w(SiO2)/w(Al2O3)值可對(duì)巖石物源進(jìn)行劃分[14]。研究區(qū)黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖、砂巖和夾泥礫砂巖的w(SiO2)/w(Al2O3)平均值均與上地殼接近(表1),說(shuō)明其物源以陸源為主;泥質(zhì)灰?guī)r的w(SiO2)/w(Al2O3)平均值略大于上地殼值,說(shuō)明其碎屑組分不僅來(lái)源于陸源,還有海源沉積的補(bǔ)充。

表1 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系常量元素分析數(shù)據(jù)平均值Table 1 The mean of analysis results of major elements of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

3.2 微量元素特征

圖6為根據(jù)各巖性樣品測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化分布曲線(xiàn)圖。

圖6 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化分布曲線(xiàn)圖Fig.6 Upper crust-normalized pattern of trace elements of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

碎屑巖中微量元素,總體上呈不同程度的富集或輕度虧損特征。黑色泥巖與碳質(zhì)泥巖明顯富集Li,相對(duì)富集Sc、V、Ga、Rb、Zr、Nb、Cs、Ba、Hf、Ta、Pb、Th、U等元素,Cr和Zn元素值與上地殼較為接近,輕度虧損Sr。此外,黑色泥巖還相對(duì)富集Co和Ni,其Cu元素值與上地殼接近;碳質(zhì)泥巖則輕度虧損Ni和Cu,其Co元素值與上地殼較為接近。

砂巖和夾泥礫砂巖的各微量元素值總體上略小于黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖。明顯富集Li,相對(duì)富集Ga、Rb、Zr、Nb、Ba、Hf、Ta、Th、U等元素;此外,砂巖中其余微量元素均呈輕度和中度虧損特征;夾泥礫砂巖還相對(duì)富集Zn和Pb,其余元素值則接近上地殼豐度或輕度虧損。

泥質(zhì)灰?guī)r與其它巖性差異較大,除相對(duì)富集Sr和U之外,其余微量元素總體上呈現(xiàn)不同程度的虧損特征:Li、Sc、V、Cr、Ni、Zn、Ba等7個(gè)元素呈現(xiàn)輕度虧損;Co、Cu、Ga、Rb、Zr、Nb、Cs、Hf、Ta、Pb、Th等11個(gè)元素呈中度虧損特征。

3.3 稀土元素特征

本次研究的稀土元素?cái)?shù)據(jù)采用后太古宙澳大利亞平均頁(yè)巖(PAAS)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[14],其中異常值δCe和δEu通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算所得。

(1)

(2)

上式中,w(Ce)、w(La)、w(Pr)、w(Eu)、w(Sm)、w(Gd)分別為Ce、La、Mn、Eu、Sm、Gd元素含量;N為經(jīng)PAAS標(biāo)準(zhǔn)化后值。

表2為通許隆起西部頁(yè)巖氣層系稀土元素分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。泥質(zhì)灰?guī)r的稀土含量明顯偏低,其稀土總量平均為38.29×10-6,表明研究區(qū)泥質(zhì)灰?guī)r受陸源物質(zhì)影響較小;w(LREE)/w(HREE)平均為6.58(表2),輕稀土相對(duì)富集。碎屑巖中,黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖和夾泥礫砂巖的稀土含量均高于后太古宙澳大利亞頁(yè)巖(PAAS)的平均稀土總量(184.37×10-6);砂巖的稀土總量相對(duì)較低,與上地殼(UCC)的平均稀土總量(146.40×10-6)大致相當(dāng)。碎屑巖中w(LREE)/w(HREE)均大于4,反應(yīng)出輕稀土相對(duì)富集的特征。

表2 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系稀土元素分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistoics of REE analysis of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

圖7為通許隆起西部頁(yè)巖氣層系稀土元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖;表3為通許隆起西部頁(yè)巖氣層系稀土元素富集程度與特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。研究區(qū)頁(yè)巖氣層系樣品的稀土元素配分模式圖總體較為平坦,但變化趨勢(shì)并不完全一致,且不以巖性為區(qū)分單元,說(shuō)明各巖性樣品沉積時(shí)物源和沉積環(huán)境有一定變化。根據(jù)稀土元素的富集程度、配分曲線(xiàn)的斜率以及部分元素的異常情況,可將配分模式圖大致分為3種類(lèi)型(見(jiàn)表3和圖7)。1)虧損型:稀土元素均呈虧損特征,巖性為泥質(zhì)灰?guī)r,稀土配分曲線(xiàn)總體較平坦。2)富集型:即各稀土元素均為富集特征;其又可細(xì)分為2個(gè)小類(lèi):①峰狀,巖性主要為泥巖,顯示出明顯的Eu正異常,無(wú)明顯的Ce異常;②中部分散狀,巖性主要為泥巖和碳質(zhì)泥巖,顯示出不同程度的Eu負(fù)異常,無(wú)明顯的Ce異常。3)富集-輕微虧損型,輕稀土元素總體較為富集,重稀土元素在部分樣品中呈輕微虧損特征;其有3種情況:①中部分散狀,巖性主要為泥巖和碳質(zhì)泥巖,顯示出明顯的Eu負(fù)異常,無(wú)明顯的Ce異常;②平坦近右傾狀,巖性主要為泥巖、碳質(zhì)泥巖和夾泥礫砂巖,無(wú)明顯的Ce和Eu異常;③平坦?fàn)?巖性主要為砂巖和夾泥礫砂巖,無(wú)明顯的Ce和Eu異常。

表3 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系中稀土元素富集程度與特征值Table 3 Enrichment degree and characteristic value of REE of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

圖7 通許隆起西部頁(yè)巖氣層系稀土元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖Fig.7 PAAS-normalized pattern of REE of shale gas stratum series in western Tongxu Uplift

4 沉積環(huán)境分析

4.1 離岸距離與水體深度

沉積物中的元素來(lái)源包括陸源碎屑輸入和自生成因,其中主要靠陸源碎屑輸入的元素受沉積物離岸距離和水體深度的變化的影響較大。如前所述,根據(jù)與Al的相關(guān)關(guān)系分析,研究區(qū)頁(yè)巖氣層系中Ti、K、Na、Mn等常量元素主要為陸源來(lái)源。此外,大量研究表明,Zr、Sc和Th等微量元素也在很大程度上依賴(lài)于陸源碎屑輸入[5];Ti、Zr和Th在粗粒陸源碎屑中保存較多,且Zr元素的分布受Al元素的影響較大[6];通常w(Zr)/w(Al)值的大小與離岸距離和水體深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]。Mn的氧化物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性較強(qiáng),與之相比,Ti的氧化物穩(wěn)定性相對(duì)較弱,因此在盆地內(nèi)Mn能比Ti搬運(yùn)到離湖岸更遠(yuǎn)的地方,故w(Mn)/w(Ti)值與物質(zhì)在盆地內(nèi)搬運(yùn)距離呈正相關(guān)關(guān)系[16]。Rb和K在水中的遷移和富集均受黏土支配,且與K相比,Rb更易被黏土吸附而遷移到離湖岸較遠(yuǎn)的地方,因此,w(Rb)/w(K)值也能指示沉積物搬運(yùn)距離的變化,且常與之呈正相關(guān)[16]。

研究區(qū)碎屑巖的w(Zr)/w(Al)、w(Rb)/w(K)和w(Mn)/w(Ti)值如表4所述,各巖性樣品的判別指標(biāo)值無(wú)明顯區(qū)別,但縱向上各指標(biāo)值隨深度具有一定的變化,且變化趨勢(shì)相似(圖8)。太原組下部w(Rb)/w(K)和w(Mn)/w(Ti)值整體上呈下降趨勢(shì),w(Zr)/w(Al)值呈上升趨勢(shì),說(shuō)明離岸距離逐漸變小,水體深度逐漸變淺;太原組中部至山西組下部,w(Rb)/w(K)和w(Mn)/w(Ti)值相對(duì)較高,而w(Zr)/w(Al)值相對(duì)較低,自下而上各元素比值波動(dòng)較大,所反映的離岸距離整體經(jīng)歷了近-遠(yuǎn)-近-遠(yuǎn)的變化,水體經(jīng)歷經(jīng)歷了淺-深-淺-深的變化;山西組中部大占砂巖往上,w(Rb)/w(K)和w(Mn)/w(Ti)值相對(duì)較低,且呈下降趨勢(shì),w(Zr)/w(Al)值相對(duì)較高,整體呈上升趨勢(shì),說(shuō)明該層段沉積時(shí)期,離岸距離相對(duì)較近,水體深度相對(duì)較淺,且離岸距離和水體深度呈變小趨勢(shì)。

表4 研究區(qū)頁(yè)巖氣層系離岸距離與水體深度判別指標(biāo)Table 4 Discrimination indices of transported distance of sediments and depth of water of shale gas stratum series in study area

圖8 研究區(qū)頁(yè)巖氣層系沉積環(huán)境判別指標(biāo)垂向變化特征Fig.8 Discrimination indices of vertical variation of sedimentary environment of shale gas stratum series in study area

4.2 古氣候

氣候的變化也會(huì)影響元素的分解、遷移與富集。大量研究成果表明,溫暖潮濕的環(huán)境下,Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th等元素更易富集;干熱氣候背景下,Sr、Pb、Au、As、Ca、Na、Ta、U、Zn、Mg、Mo、B等含量更高[4]。其中w(Sr)/w(Cu)值和w(Rb)/w(Sr)值能更靈敏地反映古氣候變化,一般情況下,以10為分界線(xiàn),w(Sr)/w(Cu)低值常指示溫濕氣候,高值則指示干熱氣候[4];w(Rb)/w(Sr)值對(duì)氣候的反映與w(Sr)/w(Cu)值相反,其值越高,指示氣候更為溫暖潮濕[16]。濕潤(rùn)氣候更適合大量植物的生長(zhǎng),因此,盆地中有機(jī)質(zhì)的形成與分布也會(huì)受古氣候的影響。由于研究區(qū)的泥質(zhì)灰?guī)r中Sr明顯富集,故w(Sr)/w(Cu)值極高,而w(Rb)/w(Sr)值極低,其對(duì)于古氣候分析參考價(jià)值較弱,下面僅對(duì)研究區(qū)碎屑巖的微量元素比值特征進(jìn)行分析。

研究區(qū)頁(yè)巖氣層系樣品的w(Sr)/w(Cu)值普遍呈高值特征,均值均>10,而w(Rb)/w(Sr)值則普遍較低(表5)?？v向上,太原組至山西組中部w(Sr)/w(Cu)值均>10,山西組上部w(Sr)/w(Cu)值略有降低(整體波動(dòng)不大),說(shuō)明該層段沉積時(shí)氣候開(kāi)始向相對(duì)溫暖潮濕轉(zhuǎn)化。相比較而言,縱向上w(Rb)/w(Sr)值呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律,太原組至山西組下部,w(Rb)/w(Sr)值呈增大趨勢(shì),說(shuō)明氣候在相對(duì)炎熱干旱的背景下,逐漸演變?yōu)橄鄬?duì)溫暖潮濕;山西組大占砂巖底部向上,w(Rb)/w(Sr)值呈降低趨勢(shì),說(shuō)明此時(shí)氣候逐漸變得較為干旱;山西組上部,w(Rb)/w(Sr)值逐漸變大,w(Sr)/w(Cu)值>10,說(shuō)明氣候又開(kāi)始變得較為潮濕。

表5 研究區(qū)頁(yè)巖氣層系古氣候與古鹽度判別指標(biāo)Table 5 Discrimination indices of palaeoclimate and palaeosalinity of shale gas stratum series in study area

綜合w(Sr)/w(Cu)值和w(Rb)/w(Sr)值兩個(gè)指標(biāo)分析,研究區(qū)太原組-山西組沉積時(shí)期氣候總體較為炎熱干旱,但仍有一定波動(dòng),其中太原組上部至山西組下部層段,以及山西組上部層段沉積時(shí)期,氣候相對(duì)較為溫暖潮濕(圖8)。需要指出的是,石炭-二疊紀(jì)是晚古生代冰期到中生代溫室氣候轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)期,發(fā)生了地球氣候的快速波動(dòng),因此還需進(jìn)一步結(jié)合同位素年代學(xué)、泥巖風(fēng)化地球化學(xué)數(shù)據(jù)及古生物信息,對(duì)低緯度華北板塊石炭-二疊紀(jì)氣候展開(kāi)更為深入的研究。

4.3 古鹽度

研究區(qū)各巖性的w(Sr)/w(Ba)值見(jiàn)表5所述,泥質(zhì)灰?guī)r的w(Sr)/w(Ba)比值普遍大于1,均值為34.74,為海相沉積;黑色泥巖來(lái)源較為復(fù)雜,淡水、過(guò)渡相和海相沉積均有發(fā)育;碳質(zhì)泥巖主要為淡水和過(guò)渡相沉積;砂巖和夾泥礫砂巖的w(Sr)/w(Ba)值均小于0.4,為淡水沉積?？v向上,太原組整體為為過(guò)渡相-海相咸水沉積環(huán)境,山西組整體為淡水沉積環(huán)境(圖8)。

4.4 古氧化還原環(huán)境

U、V、Mo、Ni、Cr和Co等微量元素以及稀土元素Ce常作為氧化還原敏感元素,其富集程度是水體氧化還原環(huán)境的重要指示。元素比值比元素含量更能反應(yīng)水體的氧化還原條件,大量研究表明w(U)/w(Th)、w(Ni)/w(Co)、w(V)/w(V+Ni)、w(V)/w(Cr)、w(V)/w(Sc)、δCe、δU(式(3))等特征值可作為氧化還原條件判別指標(biāo)[4-5,17]。需要指出的是,上述氧化還原敏感元素也可能因富集機(jī)制和地球化學(xué)行為的不同,造成判別結(jié)果的多解性,因此應(yīng)結(jié)合多項(xiàng)指標(biāo)及沉積特征、古生物特征等進(jìn)行綜合分析。

(3)

在上式(3)中,w(U)為U元素含量(量單位:10-6),w(Th)為T(mén)h元素含量(量單位:10-6)。

表6為微量元素特征值與氧化還原環(huán)境判別標(biāo)準(zhǔn);圖9為研究區(qū)頁(yè)巖氣層系24個(gè)樣品的微量元素特征值與氧化還原環(huán)境交會(huì)圖。從圖9中不難看出,圖9a與圖9b的分布具有一定的一致性;泥質(zhì)灰?guī)r中δCe均呈負(fù)異常,δU均>1?？傮w反映了泥質(zhì)灰?guī)r主要形成于貧氧-缺氧環(huán)境,黑色泥巖主要形成于氧化-貧氧環(huán)境,而碳質(zhì)泥巖、砂巖和夾泥礫砂巖主要形成于氧化環(huán)境。

表6 微量元素特征值與氧化還原環(huán)境判別標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Discrimination indices of characteristic values of trace elements redox environment

圖9 研究區(qū)頁(yè)巖氣層系氧化還原環(huán)境的微量元素判別指標(biāo)交會(huì)圖Fig.9 Intersection chart of discrimination indices of redox sensitive trace elements of shale gas stratum series in study area

從剖面圖(圖8)可知,各特征元素比值總體呈向上變小的趨勢(shì),反應(yīng)出剖面自下而上沉積環(huán)境趨于氧化。在山西組下部近大占砂巖底部附近,各特征元素比值出現(xiàn)了突變,且在此突變處以下各特征元素比值變化波動(dòng)較大,說(shuō)明沉積環(huán)境變化較為頻繁,可能發(fā)生海水頻繁進(jìn)退的現(xiàn)象,是典型的陸表海沉積特征;在此之上各特征元素比值整體較均一,顯示出截然不同的沉積環(huán)境特征。這可能反映了通許隆起因構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變所導(dǎo)致的區(qū)域性海退事件,華北盆地晚古生代基底構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng),盆地北緣相對(duì)于南緣曾表現(xiàn)出明顯的抬升作用,使得整個(gè)華北盆地開(kāi)始出現(xiàn)了整體海退,沉積環(huán)境在短期內(nèi)發(fā)生改變,由陸表海沉積體系向三角洲沉積體系進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

綜上各元素指標(biāo)可知,w(U)/w(Th)、w(Ni)/w(Co)、w(V)/w(Sc)和δCe、δU等指標(biāo)相互吻合,但w(V)/w(V+Ni)和w(V)/w(Cr)在太原組部分層段得出的結(jié)論與其并不完全一致,可能和這些元素的富集受有機(jī)質(zhì)、沉積速率、后期成巖作用等影響相關(guān),導(dǎo)致元素的含量和賦存狀態(tài)發(fā)生改變。

4.5 古生產(chǎn)力(BaXS)

沉積物的古生產(chǎn)力直接影響有機(jī)質(zhì)的富集[6],古生產(chǎn)力包括初級(jí)生產(chǎn)力和次級(jí)生產(chǎn)力,P和Ba常被用于判斷古生產(chǎn)力水平[18]。P與生物活動(dòng)關(guān)系密切,可有效反映初級(jí)生產(chǎn)力的大小,但自生礦物或沉積有機(jī)質(zhì)的發(fā)育會(huì)對(duì)其判斷形成干擾,在實(shí)際運(yùn)用中,采用w(P)/w(Ti)比率可較好地消除這部分影響,更好地判斷初級(jí)生產(chǎn)力。如前所述,Ba主要以BaSO4的形式沉積于水體中,它往往與陸源有機(jī)質(zhì)的輸入直接相關(guān),與古生產(chǎn)力呈正相關(guān)關(guān)系,但還有一小部分賦存于Fe-Mn氧化物/氫氧化物中的Ba會(huì)影響判斷結(jié)果(Eagle et al,2003),一般用BaXS(式(4))可以消除這部分影響,更好的反映古生產(chǎn)力(Algeoet et al, 2011)。

(4)

表7為研究區(qū)頁(yè)巖氣層系各巖性樣品的微量元素特征值與古生產(chǎn)力判別指標(biāo)數(shù)據(jù)。泥質(zhì)灰?guī)r的w(P)/w(Ti)均值較高,但其w(P)整體偏低,表明初級(jí)生產(chǎn)力并不高;其余各巖性的w(P)/w(Ti)值整體均較低,只有太原組上部黑色泥巖w(P)/w(Ti)=2.12,w(P)=14%,說(shuō)明該層段的初級(jí)生產(chǎn)力較高。研究區(qū)泥質(zhì)灰?guī)r的BaXS均值為44.85×10-6,w(Ba)小于300×10-6,為所有巖性中最低,說(shuō)明灰?guī)r層段的古生產(chǎn)力較低;黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖的BaXS均值也均較低,但其在縱向上變化范圍較大(圖8),在太原組上部和山西組下部層段,二者的BaXS值較高,均值為286×10-6,該層段w(Ba)大于900×10-6,在整個(gè)頁(yè)巖氣層系中亦為最高,說(shuō)明太原組上部和山西組下部黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖層段古生產(chǎn)力較高。

表7 研究區(qū)頁(yè)巖氣層系微量元素特征值與古生產(chǎn)力判別指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 7 Dscrimination index of characteristic value of trace elements and palaeo-producrivity of shale gas stratum series

結(jié)合w(P)、w(P)/w(Ti)、w(Ba)和BaXS四個(gè)指標(biāo)分析,研究區(qū)太原組上部和山西組下部層段具有良好的古生產(chǎn)力條件(圖8)。該層段下部的黑色泥巖沉積時(shí)期,w(P)和w(P)/w(Ti)值均較高,說(shuō)明水體的初級(jí)生產(chǎn)力較高;此后黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖沉積時(shí)期,w(P)/w(Ti)有所降低,但BaXS開(kāi)始升高,說(shuō)明此時(shí)水體的初級(jí)生產(chǎn)力并不高,但陸源有機(jī)質(zhì)的輸入較多,使對(duì)整體生產(chǎn)力仍處于較高水平。

前文分析表明,研究區(qū)頁(yè)巖氣層系沉積時(shí)的沉積環(huán)境呈周期性的變化。太原組下部沉積時(shí)期,離岸距離逐漸變小,水體深度逐漸變淺,氣候在相對(duì)炎熱干旱的背景下,逐漸演變?yōu)橄鄬?duì)溫暖潮濕,水體為過(guò)渡相-海相咸水環(huán)境,總體呈還原環(huán)境,向上氧化性增強(qiáng),古生產(chǎn)力相對(duì)較低;太原組中部-山西組下部沉積時(shí)期,離岸距離和水體深度變化較為頻繁,氣候繼續(xù)向相對(duì)溫暖潮濕轉(zhuǎn)變,水體由過(guò)渡相—海相咸水環(huán)境向淡水環(huán)境轉(zhuǎn)變,氧化還原環(huán)境波動(dòng)較大,古生產(chǎn)力有所增加,其中該段上部古生產(chǎn)力達(dá)到最高水平;山西組中部往上,離岸距離相對(duì)較近,水體深度相對(duì)較淺,氣候先由相對(duì)溫暖潮濕轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊?又向溫暖潮濕轉(zhuǎn)化,總體呈淡水氧化環(huán)境,古生產(chǎn)力較低?？傮w而言,太原組上部至山西組下部黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖沉積時(shí)期,水體深度相對(duì)較大,氣候相對(duì)溫暖潮濕,呈過(guò)渡相咸水-淡水環(huán)境,古生產(chǎn)力較高,總體處于弱還原-氧化沉積環(huán)境,利于有機(jī)質(zhì)的富集。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通許隆起西部下二疊統(tǒng)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣層系,普遍發(fā)育黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖、砂巖和夾泥礫砂巖等碎屑巖,以及泥質(zhì)灰?guī)r。碎屑巖中常量元素整體具有富Al2O3,貧MgO、CaO和Na2O的特征,w(SiO2)/w(Al2O3)值反映碎屑巖物源以陸源為主。碎屑巖中微量元素總體上呈不同程度的富集或輕度虧損特征,且微量元素值隨粒度增大有降低趨勢(shì);泥質(zhì)灰?guī)r中微量元素除Sr和U外,總體上呈現(xiàn)不同程度的虧損特征。碎屑巖中稀土元素總量均大于142.03×10-6,泥質(zhì)灰?guī)r中稀土元素總量平均為38.29×10-6,總體表現(xiàn)為輕稀土相對(duì)富集的特征,稀土元素配分曲線(xiàn)總體較為平坦,但變化趨勢(shì)有所區(qū)別,反映出頁(yè)巖氣層系沉積時(shí)物源和沉積環(huán)境有一定變化。

(2)元素地球化學(xué)分析為通許隆起西部下二疊統(tǒng)頁(yè)巖氣層系沉積環(huán)境研究提供了新的依據(jù)。綜合分析表明,太原組上部至山西組下部層段沉積時(shí)期,離岸距離經(jīng)歷了遠(yuǎn)-近-遠(yuǎn)、沉積水體經(jīng)歷了深-淺-深的變化,氣候相對(duì)溫暖潮濕,主要發(fā)育過(guò)渡相咸水-淡水、弱還原-氧化的沉積環(huán)境,古生產(chǎn)力較高,為頁(yè)巖氣發(fā)育和富集提供了良好的基礎(chǔ),是區(qū)域頁(yè)巖氣勘探的有利層段。