賈智彬，侯讀杰，孫德強，姜玉涵，張自鳴，洪 梅[1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083； 2.海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083；3.國土資源部頁巖氣資源戰(zhàn)略評價重點實驗室，北京 100083； .中國科學院 科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京 100190]

熱水沉積是當今地質學和地球化學的研究熱點之一,被認為是繼板塊運動以來地學界的又一重大突破[1-6]。研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代海底熱水流體中大多含有豐富的有機成分,許多優(yōu)質的烴源巖也形成于古熱水沉積區(qū)[7-12],這些證據(jù)表明熱水沉積作用和優(yōu)質烴源巖形成之間有著緊密的聯(lián)系。

研究發(fā)現(xiàn),V,Cr,As,Sb和U等微量元素在熱水沉積物中普遍富集,而Al,Ti,Sc和Th等陸源輸入標志性元素則相對虧損。前人根據(jù)熱水沉積物中元素含量異常的特征總結出許多判別指標,如SiO2-Al2O3圖、Al-Fe-Mn三元圖解、Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)三元圖解、Fe/Ti-Al/(Al+Fe+Mn)圖、U-Th圖、Zr-Cr圖、MnO/TiO2- Fe2O3/TiO2圖、REE標準化配分模式圖和Eu異常系數(shù)等[13-20]。

早寒武世,上揚子地區(qū)同時受陸源輸入和熱水活動共同影響[6,9-12,21],普遍存在元素含量異?，F(xiàn)象。但由于沉積環(huán)境復雜,一些常用的判別指標無法有效地區(qū)分熱水沉積物與正常沉積物。因此,本文通過對貴州地區(qū)牛蹄塘組烴源巖的元素地球化學特征進行詳細研究,并與有效的熱水沉積判別指標相結合,從而找出能夠判別和評價熱水沉積作用的新指標,為研究受熱水沉積影響形成的優(yōu)質烴源巖提供新的理論依據(jù)。

1 地質背景

新元古代至早古生代,勞亞古陸中國南方區(qū)域發(fā)生強烈的拉張活動,生成揚子-華夏板塊,并在早寒武世沿揚子板塊南緣形成水體自西北向東南逐漸加深的地塹式槽狀深水盆地,張性斷裂劇烈程度達到峰值,巖漿和熱水活動頻繁[22-25],熱水沉積物在埃迪卡拉系、寒武系廣泛分布(圖1)[26]。研究表明,在貴州地區(qū)發(fā)現(xiàn)的寒武系牛蹄塘動物群、遵義動物群等生物群與海底熱水活動密切相關。

早古生代,上揚子板塊分布有若干近東西向和北東向的張性斷裂,明顯控制該時期廣泛沉積的一套黑色巖系。該地區(qū)自下而上為上震旦統(tǒng)燈影組淺灰、灰白色白云巖及條帶狀白云巖、夾碎屑狀白云巖(Z2d)、寒武系牛蹄塘組黑色、灰黑色硅質巖、含炭質泥巖、粉砂質泥巖、硅質粉砂巖及深灰黑色炭質頁巖(1n),兩組地層呈假整合接觸[27]。貴州牛蹄塘組硅質巖系在區(qū)域構造特征上屬于穩(wěn)定區(qū)向活動區(qū)過渡的部位,受控于紫云-埡都深大斷裂,納雍-息烽深大斷裂和安順-鎮(zhèn)遠深大斷裂[28]。

2 樣品采集及實驗方法

野外露頭剖面分別位于貴州省畢節(jié)市聯(lián)興村(LXC-01—04,硅質頁巖)、貴陽市溫水村(WSC-01—13,硅質頁巖、頁巖和鈣質頁巖)、遵義市中南村(ZNC-01—05,硅質頁巖)、黔東南州羊跳村(YTC-01—03、05和06,硅質頁巖)和黔東南州九門村(JMC-04—14,硅質頁巖和鈣質頁巖),共計38件樣品,均為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色巖系,自下而上進行編號(圖2)。

圖2 貴州地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性柱狀圖Fig.2 Lithological columns of the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area

微量元素測試在中核集團核工業(yè)北京地質研究院完成。樣品采用ELEMENT XR 等離子體質譜儀進行分析(GB/T 14506.30—2010)。元素富集系數(shù)(EF)用來表征元素在沉積物中的富集程度。選用平均頁巖(AS)作為標準進行EF的計算[29-30],元素X的富集系數(shù)EFX計算公式如下:

EFX=(X/Al)樣品÷(X/Al)AS

(1)

式中:X為某元素的含量,%;Al為Al元素的含量,%。

如果EFX>1,表明某元素相對于平均頁巖富集；如果EFX<1,則說明該元素相對虧損。

3 熱水沉積作用的判別

研究區(qū)受陸源輸入、生物活動和熱水活動等多種作用共同影響,沉積成因復雜。牛蹄塘組黑色頁巖石英含量普遍較高,碳酸鹽類礦物含量相對較少,以常見的熱水沉積巖——硅質巖為主。許多熱水沉積判別指標因成因復雜而無法應用(如含Mn的參數(shù)或關系圖),或者不能準確地區(qū)分熱水沉積作用、正常海水沉積作用和生物沉積作用(如Zr-Cr圖和SiO2-Al2O3圖等)等。因此本文選用Sb，As，Cr和U等熱水沉積特征元素異常富集系數(shù)、U-Th圖等對研究區(qū)熱水沉積作用的存在與否進行判別。

3.1 U-Th圖

研究區(qū)受陸源和生物輸入等影響較大,許多判別標志無法準確判別熱水沉積作用的發(fā)生。本文選擇U-Th關系圖[27,31]來判別研究區(qū)的熱水沉積作用的發(fā)生:U作為氧化還原敏感元素,容易因高的熱水沉積速率和還原環(huán)境影響而大量富集,而Th受氧化還原環(huán)境變化影響較小,作為陸源輸入的代表元素,易因沉積速率過快而相對貧乏[32]。因此,U/Th值在熱水沉積物中常大于1,在非熱水沉積物則小于1。

樣品元素含量和比值見表1。表1和圖3表明樣品中U元素明顯富集,其中YTC系列樣品的富集系數(shù)最大(14.3～145),且其Th富集系數(shù)較小(0.64～1.65),基本無異常。YTC和JMC部分樣品點落于已知熱水沉積物范圍內,與典型的熱水沉積物特征相似,而其他樣品位于已知熱水沉積物與正常海相沉積物區(qū)域之外,相對靠近熱水沉積物的分布區(qū)域,可知樣品同時受到兩種作用控制,受熱水沉積作用影響越強,越靠近熱水沉積物的分布范圍。除LXC-04和JMC-14樣品外,其余樣品U/Th>1。因此,熱水沉積作用在研究區(qū)牛蹄塘組樣品中廣泛分布,U/Th值的差異應該是由于熱水沉積作用影響強度的不同所導致的。

3.2 元素富集系數(shù)

與正常海水沉積速率(約10 cm/ka)相比,熱水沉積速率較大(大于40 cm/ka),可在短時間內堆積大量沉積物[2]。巖漿熱液常攜帶大量H2S氣體等,導致水體向缺氧的還原環(huán)境轉變。受沉積速率和氧化還原變化等影響,元素在熱水沉積物中會表現(xiàn)為異常富集或虧損[33]。

樣品的微量元素含量經計算可知(表1),EFSc為0.29～1.64,EFV為0.77～181,EFCr為0.92～261,EFSb為0.46～80.4,EFTh為0.81～2.08,EFU為1.88～145。根據(jù)各元素的富集系數(shù)變化范圍可知,Sc和Th兩種元素含量以虧損或無明顯富集特征為主。而氧化還原敏感元素V，Cr，Sb和U主要在少數(shù)樣品中出現(xiàn)異常富集,元素最大富集系數(shù)均出現(xiàn)在YTC系列(以YTC-02樣品最富集)樣品中,表明研究區(qū)以缺氧的還原環(huán)境為主,部分層位存在異常高濃度的元素來源——即受到熱水沉積作用影響,從而導致沉積物中元素發(fā)生異常富集。

4 V/Sc-V/Cr圖對熱水沉積及氧化還原變化的指示作用

4.1 V/Sc和V/Cr比值指示氧化還原變化

在揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)底部黑色頁巖中,V的富集程度比較罕見,其富集主要受熱水沉積作用所影響,與有機質之間沒有明顯的相關性[37]。而Cr在地幔中的豐度最大(1 600×10-6～2 000×10-6),素有“地幔型元素”之稱,因此在巖漿熱液中亦大量存在。Sc常代表沉積物中陸源碎屑所占的比例,在巖漿熱液中Sc的含量較低(2.5×10-6～5×10-6,Виногрáдов,1962)[40]。利用V/Sc值與V/Cr值分析研究區(qū)熱水沉積物氧化還原變化時,發(fā)現(xiàn)兩比值之間存在兩種特殊的相關關系(圖4a)。

表1 貴州地區(qū)牛蹄塘組樣品微量元素分析結果Table 1 Trace element of source rocks from the Niutitang Formation in Guizhou area

圖3 貴州地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組樣品U-Th關系Fig.3 U-Th diagram of source rocks from the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area1.TAG熱水沉積物區(qū)-TAG熱水沉積物區(qū)；2.Galapagos熱水沉積物區(qū)；3.Amphitrite熱水沉積物區(qū)；4.紅海熱水沉積物區(qū)；5.太平洋中脊熱水沉積物區(qū)；6.Langban熱水沉積物區(qū)；7.錳結核區(qū)；8.普通深海沉積物； 9.鋁土礦區(qū)；10.古老石化的熱水沉積物區(qū)

第一種關系是在圖的左側呈線性正相關關系——y=0.124x(R2=0.92),兩比值的變化范圍較小(V/Cr<10,V/Sc<90),Sc/Cr≈0.124,主要是LXC、WSC和JMC系列樣品,有個別ZNC和YTC樣品。這類樣品的元素富集程度相對較低,Cr和Sc、Th之間具有很好地線性相關關系,表明這類樣品的Cr主要來自于陸源碎屑的輸入,熱水沉積作用影響相對較弱,元素富集主要受陸源輸入和生物活動等常見作用影響。

第二種關系是在第一種線性關系的右下方,無明顯的相關關系。這類樣品的V/Cr值變化范圍較小(0.24～6.01),V/Sc值的范圍較大(71.6～1 563),樣品斜率Sc/Cr值普遍小于第一類樣品。主要是YTC和ZNC系列樣品,有個別JMC樣品。一般情況下,低V/Cr值和高V/Sc值代表兩種相反的氧化還原環(huán)境,而在熱水沉積作用影響下水體應傾向于還原環(huán)境,因此該類樣品應與高V/Sc值代表的還原環(huán)境相符合,而與低V/Cr值代表的氧化環(huán)境相矛盾,所以V/Cr值在第二種樣品中對氧化還原變化的指示作用失靈。

圖4 貴州地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組樣品V/Sc-V/Cr圖(a)及氧化還原環(huán)境指示圖(b)Fig.4 Diagram of the V/Sc-V/Cr ratio for source rocks(a)and redox environment(b)in the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area

4.2 V/Sc-V/Cr圖指示熱水沉積作用的發(fā)生

根據(jù)元素富集系數(shù)計算結果可知,V、Cr、Sb和U等元素發(fā)生異常富集,且元素的異常系數(shù)之間均具有較好的相關性。由于Sb在巖漿熱液中普遍存在,是熱水沉積作用的代表元素之一,其富集系數(shù)EFSb可代表熱水沉積作用強度[1,41],因此本文選用EFSb值作為熱水沉積作用強度的評價指標。

4.3 V/Sc-V/Cr沉積作用模式

對國內部分已知的熱水沉積物的Sc、V和Cr含量進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)[26,42-45],V/Sc值和V/Cr值也存在與本文相似的分布特征(圖6)。

根據(jù)不同學者對地殼中Sc和Cr元素豐度的計算(表2)得知,全球地殼元素豐度的Sc/Cr值介于0.12～0.22[46],沉積巖(以平均頁巖計)的Sc/Cr值為0.144[29],而巖漿巖的Sc/Cr值(以Виногрáдов統(tǒng)計結果計)則介于0.002 5～0.12[40],巖漿巖的Sc/Cr值明顯小于沉積巖中的Sc/Cr值。由于熱水沉積物是巖漿熱液與海水混合后沉積的產物,因此本文認為Sc/Cr≥0.144的樣品是以正常沉積成巖作用為主(以平均頁巖為標準)；Sc/Cr≤0.120的樣品以熱水沉積成巖作用及巖漿成巖作用為主(以酸性巖漿巖為標準)；而Sc/Cr值介于兩者之間的樣品為混合沉積成巖作用。

1) 第一種相關關系——正常沉積作用及氧化還原變化的指示

第一種相關關系代表以正常沉積作用為主,沉積物主要分布在V/Sc-V/Cr關系圖最左側,擬合直線的斜率Sc/Cr≥0.144,V/Sc值和V/Cr值呈線性正相關關系。根據(jù)正常沉積物的擬合直線(y=0.144x)在V/Sc-V/Cr關系圖對氧化還原環(huán)境界線劃分如下(圖4b)：

圖5 貴州地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組樣品Sc/Cr-EFSb關系Fig.5 Relationship of Sc/Cr -EFSb in source rocks in the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area

圖6 國內海相熱水沉積物V/Sc-V/Cr關系[26，42-45]Fig.6 V/Sc-V/Cr relationship of marine hydrothermal sediments in China[26，42-45]

表2 不同標準中Sc和Cr元素豐度[27,35,40]Table 2 Abundance of Sc and Cr under varying criteria[27,35,40]

① 當V/Sc<14(等同于V/Cr<2)時,水體處于氧化環(huán)境；

② 當14

③ 當V/Sc>30(等同于V/Cr>4.25)時,水體處于厭氧環(huán)境。

根據(jù)圖4可知,第一類樣品主要呈線性分布在V/Sc-V/Cr關系圖的最左側,擬合直線的斜率k=0.124,略高于Виногрáдов得出的巖漿巖Sc/Cr值(0.12),明顯低于平均頁巖的Sc/Cr值(0.144),且Cr主要來自于陸源碎屑的輸入,表明研究區(qū)樣品介于熱水沉積成因和正常沉積成因之間,同時受兩種沉積成巖作用影響。由于該類樣品的特殊成因,研究區(qū)該類樣品的V/Sc值和V/Cr值仍能大致反映氧化還原環(huán)境的變化。

2) 第二種相關關系——熱水沉積作用的判別及氧化還原環(huán)境指示失效

以熱水沉積作用為主的沉積物主要分布在正常沉積物擬合直線的右下方,樣品的斜率Sc/Cr≤0.120。

造成該類樣品V/Cr值對氧化還原變化指示異常的主要原因是由于巖漿熱液中V/Cr值很低(從超基性巖到酸性巖V/Cr值為0.02～1.6,Виногрáдов,1962)。熱水活動在富集V的同時,還會富集更多的Cr,使熱水沉積物的V/Cr值介于正常沉積物的高V/Cr值和巖漿熱液的低V/Cr值之間,具體數(shù)值取決于熱液所占的比例,與熱水活動強度有關,因此V/Cr值對氧化還原環(huán)境的指示作用在熱水活動較強的環(huán)境中不適用。雖然高V/Sc值也可代表還原環(huán)境,但由于V元素的含量受熱水沉積作用所影響異常富集,因此V/Sc值對氧化還原能力的指示明顯受到干擾,不能準確反映氧化還原能力的變化。

圖7 不同成因沉積物V/Sc-V/Cr關系Fig.7 V/Sc-V/Cr relationship of sediments with diverse geneses

綜上所述,V/Sc-V/Cr關系圖(圖7)和Sc/Cr值可用來判別和評價熱水沉積作用——樣品在圖中的位置越趨向正常沉積作用趨勢線的右下方,Sc/Cr值越小,熱水沉積作用的強度越強。

5 結論

1) 通過對貴州地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組熱水沉積烴源巖的研究可知,研究區(qū)內牛蹄塘組熱水沉積作用與正常沉積作用交替控制,熱水沉積作用控制的樣品存在V,Cr,U和Th等熱水沉積代表元素含量異常的現(xiàn)象。

2) V/Sc-V/Cr圖可判斷熱水沉積作用的發(fā)生,Sc/Cr值可用于指示熱水沉積作用影響的強度,且熱水沉積作用下V/Cr值對氧化還原變化的指示作用失效,具體表現(xiàn)為:當Sc/Cr>0.144時,處于正常沉積成巖作用。V/Sc值和V/Cr值均可用來指示氧化還原環(huán)境。V/Sc<13時,氧化環(huán)境。1330時,次氧或缺氧環(huán)境,但不同地區(qū)V/Sc值的分界線會存在較小的偏移。當Sc/Cr<0.120時,沉積過程主要受熱水沉積過程影響。V/Cr值對氧化還原環(huán)境變化的指示會失效。當0.120

3) V/Sc-V/Cr關系圖對熱水沉積作用的判別及Sc/Cr值對熱水沉積作用強度的定量評價為今后研究熱水沉積作用及其與烴源巖的形成之間的關系提供了新的理論依據(jù)。

參 考 文 獻

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