孟苗苗, 康志宏, 樊太亮, 馮曉利, 童雪飛, 于　超

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)“海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 冀東油田分公司，河北 唐山 063004)

?

痕量元素和碳氧同位素在塔里木盆地西南緣棋盤組沉積環(huán)境研究中的應(yīng)用

孟苗苗1,2, 康志宏1, 樊太亮1,2, 馮曉利1, 童雪飛1, 于超3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)“海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 冀東油田分公司，河北 唐山 063004)

[摘要]以塔里木盆地西南緣中二疊統(tǒng)棋盤組為例，通過痕量元素和碳氧同位素對(duì)古鹽度、古氣候和氧化還原環(huán)境進(jìn)行分析，進(jìn)而恢復(fù)沉積環(huán)境。用ICP-MS光譜儀和MAT-251穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀分別對(duì)棋盤組樣品進(jìn)行痕量元素和碳氧同位素測(cè)試分析，選取B含量、B/Ga、Sr/Ba和V/(V+Ni)和碳氧同位素作為判別沉積環(huán)境的指標(biāo)，分析結(jié)果表明棋盤組主要發(fā)育在鹽度較高、溫暖-炎熱的近岸海相沉積環(huán)境和有利于有機(jī)質(zhì)形成的貧氧-厭氧環(huán)境；分析垂向上痕量元素和碳氧同位素參數(shù)與海平面變化的關(guān)系，認(rèn)為參數(shù)的變化與海平面升降有一定的相關(guān)性，棋盤組下段整體上表現(xiàn)為一個(gè)海退到海侵的過程，其中有4次完整的次級(jí)旋回，由于海平面的不斷變化使得棋盤組巖性表現(xiàn)為泥巖和生物碎屑灰?guī)r的頻繁互層。

[關(guān)鍵詞]痕量元素；碳氧同位素；沉積環(huán)境；塔里木盆地；棋盤組

Application of trace elements and carbon-oxygen isotopes on

the research of sedimentary environment of the Qipan Formation in

the southwest margin of Tarim Basin, China

沉積環(huán)境是影響沉積物地球化學(xué)元素富集與分散的重要因素之一，反之，沉積物的地球化學(xué)元素能很好地記錄古環(huán)境性質(zhì)及其演化信息，因此可以運(yùn)用地球化學(xué)標(biāo)志來(lái)指示沉積環(huán)境。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地球化學(xué)方法判別沉積環(huán)境方面做了大量的研究工作[1-11]，尤其是Walker和Couch利用B含量的變化在古鹽度方面的研究以及Hatch和Jone等利用元素地球化學(xué)在氧化還原環(huán)境判別方面的研究[1-4]。隨著儀器水平的提高和對(duì)沉積環(huán)境研究由定性向定量的發(fā)展，地球化學(xué)在沉積環(huán)境判別中受到越來(lái)越多的重視[12-18]。實(shí)踐表明在沉積環(huán)境的綜合分析中，地球化學(xué)因素的確是不可缺少的標(biāo)志之一。

發(fā)育在塔里木盆地西南緣的中二疊統(tǒng)棋盤組為重要的烴源巖層，前人在宏觀巖相學(xué)、古生物學(xué)和地層學(xué)等方面做了一定的研究[19-21]，但是缺乏地球化學(xué)方面的定量研究，從而限制了對(duì)棋盤組沉積環(huán)境的深入認(rèn)識(shí)。對(duì)棋盤組痕量元素和碳氧同位素的分析有利于加深對(duì)其沉積環(huán)境的認(rèn)識(shí)和層序地層的劃分，對(duì)油氣勘探具有重要意義?；诖?，筆者選取出露較好的炮江溝剖面進(jìn)行連續(xù)取樣，通過痕量元素和碳氧同位素分析方法來(lái)揭示其古鹽度、古氣候和氧化還原環(huán)境，進(jìn)而分析沉積環(huán)境，并探討痕量元素和碳氧同位素參數(shù)在縱向的變化與海平面升降的關(guān)系。

1地質(zhì)概況

塔西南拗陷為塔里木盆地一級(jí)構(gòu)造單元，面積約0.12×106km2，位于盆地西南部，是一個(gè)經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展形成的復(fù)合型前陸拗陷[22,23]。其地質(zhì)演化與塔里木地塊和西昆侖造山帶密切相關(guān)[24]，從南西向北東由山前沖斷褶皺帶、盆地拗陷帶和麥蓋提斜坡三大構(gòu)造單元組成(圖1)。早二疊世為塔西南拗陷前陸盆地發(fā)展階段早期，氣候濕潤(rùn)，海平面位于高位期，水體安靜，形成了以碳酸鹽巖為主的沉積體系。中二疊世，區(qū)域性擠壓作用使得海水向西南方向退縮，海平面開始下降，由于波浪作用和潮汐作用的共同影響，細(xì)粒陸源碎屑巖和海相生物碎屑巖交替發(fā)育，形成海陸交互相混合沉積；同時(shí)該區(qū)發(fā)生了小規(guī)模的火山活動(dòng)。晚二疊世，受板塊擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和海平面變化的影響，塔里木盆地西南緣海水全部退出，成為內(nèi)陸拗陷盆地。

中二疊統(tǒng)棋盤組主要巖性為灰色、灰黑色、紫紅色、灰綠色泥巖、生屑灰?guī)r與砂巖、粉砂巖互層，中段見有玄武巖夾層(圖2，圖3)。該組所含的生物化石以腕足類最為常見，如Orthoteitian、Orthotetes、Neoplicatifera、Kunlunia等，厚度334～838 m[25]；上部與中二疊統(tǒng)達(dá)里約爾組呈整合接觸。達(dá)里約爾組由灰綠色、紫灰色巖屑砂巖、鈣質(zhì)巖屑砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾細(xì)礫巖透鏡體組成，砂巖具有板狀、楔狀交錯(cuò)層理和平行層理，為河流相沉積。下部與下二疊統(tǒng)克孜里奇曼組呈整合接觸?？俗卫锲媛M巖性以淺灰、灰白、灰色厚層-塊狀灰?guī)r、生屑灰?guī)r、鮞?；?guī)r為主，夾灰黑色薄—中厚層灰?guī)r，厚度69.7~114.4 m。

圖1　塔西南拗陷構(gòu)造及剖面位置圖Fig.1　Tectonic setting and location of profile insouthwest Tarim Basin1.地名; 2.剖面位置; 3.盆地邊界; 4.構(gòu)造邊界

圖2　炮江溝剖面棋盤組野外照片和樣品顯微照片F(xiàn)ig.2　Photographs and micrographs of samples of Qipan Formation in Paojianggou profile(A)宏觀照片; (B)生屑灰?guī)r照片; (C)樣品PJ02顯微照片; (D)樣品PJ01顯微照片

圖3　炮江溝剖面中二疊統(tǒng)棋盤組柱狀圖Fig.3　Stratigraphic column of Qipan Formation in Paojianggou profile1.泥巖; 2.粉砂質(zhì)泥巖; 3.泥質(zhì)粉砂巖; 4.粉砂巖; 5.細(xì)砂巖; 6.中砂巖;7.礫狀粗砂巖; 8.輝綠玢巖; 9.生屑灰?guī)r; 10.核形石灰?guī)r

2樣品采集和測(cè)試

炮江溝剖面位于新疆維吾爾自治區(qū)澤普縣和什拉甫鄉(xiāng)附近(圖1)。共采集新鮮無(wú)污染樣品16件，從底到頂編號(hào)依次為PJ01—PJ16。樣品粉碎至<100 μm，置于烘箱中在105℃烘3 h，取出后放在干燥器中冷卻至室溫。痕量元素以沉積巖中金屬元素的電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析方法(SY/T 6404-1999)為依據(jù)，采用ICP-MS-1000Ⅳ型等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定；δ13C和δ18O 值是采用磷酸法制氣體CO2，在 MAT-251 質(zhì)譜儀上測(cè)定。樣品分析均在華北石油邦達(dá)新技術(shù)有限公司完成，痕量元素和碳氧同位素測(cè)試及分析結(jié)果見表1。

表1　炮江溝剖面棋盤組痕量元素和碳氧同位素測(cè)試及分析結(jié)果

“w”表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3分析方法和結(jié)果

痕量元素和碳氧同位素值的高低與古鹽度、古氣候和氧化還原環(huán)境密切相關(guān)，本次研究著重從這3個(gè)方面來(lái)分析棋盤組的沉積環(huán)境。采用B含量及wB/wGa、wSr/wBa和碳氧同位素法同時(shí)分析其鹽度；采用氧同位素法來(lái)分析古氣候；采用wV/wV+Ni來(lái)分析其氧化還原環(huán)境。

3.1古鹽度

(1)研究認(rèn)為B在海相泥質(zhì)沉積物中含量較高，且海水中B的含量與鹽度存在線性關(guān)系[2]，因此B的含量可以指示古鹽度。不同的學(xué)者對(duì)其沉積環(huán)境判別依據(jù)不同(表2)，筆者依據(jù)鄧平[27]的判別指標(biāo)來(lái)分析棋盤組的古鹽度及沉積環(huán)境。棋盤組樣品中PJ13和PJ12(巖性均為生屑灰?guī)r)可能受火山活動(dòng)影響，其B含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他灰?guī)r樣品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58×10-6和40×10-6)，排除這2個(gè)樣品點(diǎn)后B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wB)為131×10-6~370×10-6，平均值為220×10-6。認(rèn)為棋盤組鹽度較高，為正常海相沉積。同時(shí)可以看出，B的含量自下而上整體上表現(xiàn)為一個(gè)先下降再上升的過程。而且生屑灰?guī)r樣品中B的含量較相鄰泥巖樣品中的低，說(shuō)明生屑灰?guī)r的古鹽度較相鄰泥巖的低。

表2　不同沉積環(huán)境下B的含量(wB/10-6)

(2)B與Ga化學(xué)性質(zhì)上的差異是wB/wGa可以作為古鹽度指標(biāo)的依據(jù)。國(guó)外一些報(bào)道認(rèn)為wB/wGa<1.5為淡水相，5~6為近岸海相，>7為海相。鄧平認(rèn)為wB/wGa<3為淡水相，3~4.5為半咸水相，4.5~5為海相[26]；王益友認(rèn)為wB/wGa<4為淡水，>7為海水[27]。其實(shí)不同地區(qū)確定鹽度的界限值不同，但同一地區(qū)的鹽度與wB/wGa的比值關(guān)系還是相當(dāng)密切的。棋盤組樣品wB/wGa介于0.98~14.23之間，平均值為4.82，屬于近岸海相沉積。也可以看出wB/wGa表現(xiàn)為波動(dòng)下降再上升的過程，生屑灰?guī)r樣品中wB/wGa也較相鄰泥巖中的低。

(3)Sr和Ba均可以形成可溶性重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽進(jìn)入水溶液中，但是Sr的化合物溶解度比Ba高，所以Sr的遷移能力要遠(yuǎn)高于Ba，因此wSr/wBa常作為水體鹽度“指示劑”。曲星武等對(duì)二疊系樣品數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，wSr/wBa>1.2代表水體鹽度高、氣候相對(duì)干燥的海洋沉積，wSr/wBa為0.6~1.2代表水體鹽度較高、氣候相對(duì)干燥的淺海過渡環(huán)境沉積，wSr/wBa<0.6則代表水體鹽度低、氣候相對(duì)濕潤(rùn)的大陸沉積[27]。棋盤組樣品wSr/wBa為0.82 ~1.65之間，平均值為1.10，說(shuō)明棋盤組屬于鹽度較高的淺海過渡相沉積。wSr/wBa雖表現(xiàn)出波動(dòng)變化，但并未顯示出與B和wB/wGa一樣的上升過程以及與巖性明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以對(duì)于wSr/wBa指示古鹽度的精確度還需進(jìn)一步研究。

(4)碳氧同位素法：生物體內(nèi)的碳氧同位素組成受生命活動(dòng)時(shí)期海水鹽度、溫度、氣候等作用的控制，因此灰?guī)r中的生物化石的碳氧同位素的變化可以作為反映古鹽度、古氣候等的可靠指標(biāo)。Epstein等發(fā)現(xiàn)了海水中δ18O/δ16O值隨鹽度的增加而增加[28]，Clayton等也指出碳酸鹽巖中碳同位素豐度與古鹽度有關(guān)[29]，之后許多學(xué)者也證實(shí)了鹽度和碳氧同位素豐度的正相關(guān)關(guān)系。所以本次研究對(duì)碳酸鹽巖樣品中的生物化石進(jìn)行碳氧同位素測(cè)試，并采用Keith等人所提出的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)分析古鹽度[30]

Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

(1)

其中Z值是指示古鹽度的參數(shù)，含鹽度高，Z值大，反之則小。當(dāng)Z>120 時(shí)為海相(或陸相湖泊咸水)灰(云)巖； Z<120時(shí)為淡水灰(云)巖(湖相碳酸鹽巖)；Z=120時(shí)為未定型石灰?guī)r。

參照公式(1)對(duì)研究剖面碳酸鹽巖樣品的碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析(表3)，可以看出棋盤組除了樣品PJ02的Z值接近120(可能由于測(cè)試誤差)外，其他樣品Z值均大于120，平均Z值為123，說(shuō)明棋盤組為海相沉積，鹽度較高且鹽度變化不大。

3.2古氣候

Urey最早發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖從水中沉淀時(shí)的溫度變化導(dǎo)致碳酸鹽巖δ18O/δ16O比值的變化，提出通過測(cè)定碳酸鹽巖δ18O含量確定古海洋溫度的可能性[31]。最常見的運(yùn)用氧同位素計(jì)算古氣候的關(guān)系式是Urey提出，由Craig進(jìn)一步修改的經(jīng)驗(yàn)公式[32]

t=16.9-4.2(δ18Oc-δ18Ow)+

0.13(δ18Oc-δ18Ow)2

(2)

其中:t為沉積時(shí)海水古溫度；δ18Oc為樣品實(shí)測(cè)值(PDB標(biāo)準(zhǔn))，δ18Ow為沉積時(shí)海水值(SMOW標(biāo)準(zhǔn))。但使用此公式所得的結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，因?yàn)椤澳甏?yīng)”(時(shí)代越久遠(yuǎn)，δ18O值的偏差越大)影響明顯。本次研究采用Keith等人實(shí)驗(yàn)提出的二疊紀(jì)樣品δ18O校正值[30]，為Δδ18O=2.6‰。再根據(jù)Given提出的二疊紀(jì)大洋水δ18Ow值應(yīng)為-2.8‰(SMOW標(biāo)準(zhǔn))[33]，那么公式(2)就可以改寫為

t校正=16.9-4.2(δ18O校正+2.8)+

0.13(δ18O校正+2.8)2

(3)

參照公式(1)和公式(3)對(duì)研究剖面碳酸鹽巖樣品的碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析(表3)，古溫度范圍在17.7~33.2℃，平均溫度為27.8℃：認(rèn)為研究區(qū)在這一時(shí)期表現(xiàn)為溫暖—炎熱的海洋性氣候。

3.3氧化還原環(huán)境

表3　炮江溝剖面棋盤組碳氧同位素分析計(jì)算結(jié)果

Hatch和Jones等通過研究北美、北歐黑色頁(yè)巖地球化學(xué)特征認(rèn)為wV/wV+Ni為古缺氧環(huán)境的判識(shí)標(biāo)志，其中wV/wV+Ni為0.54~0.72時(shí)為貧氧環(huán)境，>0.84為厭氧環(huán)境，0.46~0.6為富氧環(huán)境[3,4]。王爭(zhēng)鳴通過對(duì)鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽沉積環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)wV/wV+Ni同樣能夠反映氧化還原環(huán)境[34]。對(duì)棋盤組所有泥巖和碳酸鹽巖樣品分析，wV/wV+Ni為0.39~0.84，平均值為0.68，其中絕大部分樣品>0.6，所以棋盤組沉積物處于有利于有機(jī)質(zhì)發(fā)育的貧氧-厭氧環(huán)境中。

4討 論

據(jù)賈振遠(yuǎn)對(duì)鄂爾多斯盆地南緣奧陶系痕量元素含量研究表明，痕量元素平均含量的高低不僅與沉積環(huán)境密切相關(guān)，而且與海平面升降的變化有關(guān)[35]。鮑志東對(duì)塔中地區(qū)奧陶系的痕量元素特征和海平面升降的研究發(fā)現(xiàn)，痕量元素在淺水區(qū)較之在深水區(qū)對(duì)海平面升降具有更敏感的反應(yīng)[12]。上述分析結(jié)果顯示棋盤組發(fā)育在淺海沉積環(huán)境，基于此，筆者擬探討棋盤組沉積時(shí)期痕量元素與海平面變化的關(guān)系。

圖4　炮江溝剖面棋盤組元素及其比值與海平面的變化圖Fig.4　The relationship between sea level change, element and element ratios forthe Qipan Formation, Paojiangou Profile

B的含量與水體的鹽度呈正相關(guān)關(guān)系，而鹽度的高低與海平面的變化有關(guān)，因此可用鹽湖中B含量的變化曲線來(lái)描述海平面的變化趨勢(shì)。從B含量縱向上的變化曲線(圖4)中可以看出，高位體系域(HST)比低水位體系域(LST)時(shí)期的B含量相對(duì)要高。這說(shuō)明高位體系域時(shí)期鹽湖的海水介質(zhì)鹽度相對(duì)較高，而低水位體系域和海侵體系域時(shí)期，受陸緣淡水河流的影響較大，致使水體鹽度降低，B含量相應(yīng)降低?？v向上看，整體表現(xiàn)為一個(gè)海退到海侵的過程，其中有4次完整的海侵-海退的次級(jí)旋回。元素V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa和氧同位素也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。wV/wV+Ni的變化曲線與海平面變化曲線呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明wV/wV+Ni值在高位體系域比在海侵期(TST)和低位期大，即海平面越高，環(huán)境的還原性越強(qiáng)。由于海平面的不斷變化，所以棋盤組巖性表現(xiàn)為泥巖和生物碎屑灰?guī)r的頻繁互層。

5結(jié) 論

a.痕量元素分析(B平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為220×10-6，wB/wGa平均為4.82，wSr/wBa平均為1.22)和碳氧同位素古鹽度分析(Z值平均為123)均指示塔里木盆地西南緣中二疊統(tǒng)棋盤組為鹽度較高的淺海過渡相環(huán)境；氧同位素古溫度分析結(jié)果(17.8~33.5℃)，棋盤組屬于溫暖—炎熱的海洋性氣候；wV/wV+Ni(平均為0.7)代表棋盤組為貧氧-厭氧沉積環(huán)境。所以說(shuō)，塔里木盆地西南緣中二疊統(tǒng)棋盤組主要發(fā)育在溫暖—炎熱、鹽度較高的近岸海相沉積和有利于有機(jī)質(zhì)富集的貧氧-厭氧環(huán)境。

b.分析縱向上B、V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa和wV/wV+Ni的變化與海平面變化的關(guān)系，認(rèn)為B、V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa的變化和海平面的變化一致，而wV/wV+Ni與海平面變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。棋盤組下段整體上表現(xiàn)為海退到海侵的過程，其中有4次完整的次級(jí)旋回。海平面的不斷升降使得棋盤組表現(xiàn)為泥巖和生物碎屑灰?guī)r的頻繁互層。

c.無(wú)論野外剖面觀測(cè)還是室內(nèi)薄片觀察中均發(fā)現(xiàn)海相生物化石(腕足類、海百合)，也說(shuō)明棋盤組屬于淺海相沉積，與上述通過痕量元素和碳氧同位素分析的結(jié)論一致。

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MENG Miao-miao1, 2, KANG Zhi-hong1, FAN Tai-liang1, 2,

FENG Xiao-li1, TONG Xue-fei1, YU Chao3

1.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

2.MinistryofEducationKeyLaboratoryofMarineReservoirEvolutionandHydrocarbonEnrichment

Mechanism,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

3.JidongOilfieldCompany,PetroChina,Tangshan063004,China

Abstract:Parameters of trace elements and carbon-oxygen isotopes are used to analyze the paleosalinity, paleoclimate and oxidation-reduction environment and reconstruct the sedimentary environment of the Middle Permian Qipan Formation in the southwest margin of Tarim Basin. The values of trace elements and carbon-oxygen isotopes are measured by ICP-MS spectrometer and MAT-251 stable isotope mass spectrometer, respectively. B, B/Ga, Sr/Ba和V/(V+Ni) and carbon-oxygen isotopes are used as indicators to determine the depositional environment. It shows that the Qipan Formation formed in a high salinity on shore marine sedimentary environment with a warm to dry climate, and in poor oxygen to anaerobic environment favorable to the enrichment of organic matter. It considers that the trace elements and carbon-oxygen isotopes parameters are closely related to the sea-level changes. The Qipan Formation shows a regressive to transgressive process with four sub-cycles, and the variation of sea-level results in the frequent occurrence of interbeds of mudstone and bioclastic limestone in Qipan Formation.

Key words:trace elements; carbon-oxygen isotopes; sedimentary environment; Tarim Basin; Qipan Formation

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼][分類號(hào)] P597.2; TE121.31 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.08

[文章編號(hào)]1671-9727(2016)01-0077-09

[收稿日期]2015-01-19。

[基金項(xiàng)目]全國(guó)油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)國(guó)家專項(xiàng)(第二批)(2009GYXQ02)。

[第一作者] 孟苗苗(1988-)，女，博士研究生，研究方向：沉積學(xué), E-mail:mmm1988@126.com。