柴达木盆地昆北地区路乐河组下干柴沟组泥岩地层地球化学及古环境意义.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn柴达木盆地昆北地区路乐河组/下干柴沟组泥岩地层地球化学及古环境意义**余平辉，马锦龙5（兰州大学地质科学与矿产资源学院，兰州730000）摘要：地层中的地球化学信息，对于地层划分对比、古环境恢复有着重要的意义。对昆北地区切26井新生界下部泥岩样品中多种元素及元素比值的分析表明：(1)具古环境意义的Cu、U、Cr、Sr元素平均含量在路乐河组/下干柴沟组分别为23.70、3.30、169.16、167.07ppm，10且界线上下差异明显，可作为柴达木盆地区域地层划分对比的依据；（2）样品&U值均为0.67，U/Th为0.25-0.35，V/Cr为0.106-0.130，这些指标都表明研究区路乐河组-下干柴沟组为富氧环境沉积；（3）U/Th均值在路乐河组顶部和下干柴沟组底部为0.25和0.34；V/Cr均值在路乐河组顶部和下干柴沟组底部分别为0.11、0.13，下干柴沟组较路乐河组比值大。元素比值的变化结合Cu、U、Cr等微量元素的变化，表明地层界线附近下干柴沟组较路乐15河组水体深。（4）Sr/Cu元素比值平均值在路乐河组顶部为5.97，反映偏于干旱的古气候环境；在下干柴沟组底部为4.69，表明为湿润气候类型。关键词：路乐河组/下干柴沟组；特征元素比值；氧化还原环境；古气候20ThegeochemistryandpaleoenvironmentsignificanceofLuleheFormation/XiaganchaigouFormationlocatedinthenorthareaofQaidamBasinYUPinghui,MAJinlong(Geosciences&MineralResourcesCollege,LanzhouUniversity,Lanzhou730000)25Abstract:Thegeochemicalinformationofstratumhavegreatsignificanceforthestratigraphicdivisionandtherestorationoftheancientenvironment.TheanalysisofavarietyofelementsandelementratioofthemudstonesamplesinCenozoicbottomtheof26wellinKunBeiareashowedthat:(1)thecontentofCu,U,CrandSrinmudstonehaveobviouschangeintheboundary,Itcanbeasthebasisforstratigraphicdivision.(2)&Uisall0.67;Th/Uis0.19-0.35;V/Cris0.35-0.71;Ni/Cois2.63-3.41of30thestudyhorizon.Theratioofcharacteristicelementsarelocatedintheoxygenrichenvironment,indicatingthatthestudyareaXiaganchaigou-Luleheformationareoxygenenrichedenvironment.(3)Sr/CuofXiaganchaigouformationis3.95-18.97,ofLuleheformationis5.23-6.73.Keywords:Lulehe-Xiaganchaigouformation;ratioofcharacteristicelements;oxidation-deoxidationenvironment;paleoclimate350引言[1-2]元素地球化学已经广泛应用于地层划分、对比，以及古环境恢复等。在湖泊沉积环境中，元素的分散和聚集一方面受其本身性质的控制，同时还受到古环境、古气候及物源的[3][4-5]影响。某些元素在特定环境富集，如Sr在干旱气候条件下，会因湖水浓缩沉淀而富集；[6]40而一些元素因为其本身的特性，可以直接指示古环境，如U等；另一些元素因为本身性质[7]稳定，可作为物源指示剂。柴达木盆地昆北地区，近年来在油气勘探领域取得了重要的进展，明确了路乐河组/下作者简介：余平辉（1993-），男，兰州大学硕士研究生，研究方向为地球化学通信联系人：马锦龙（1971-），博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为地球化学.E-mail:623562575@qq.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[8][9-11]干柴沟组为重要的油气储层。对于该区的沉积地层，前人已经做了大量研究。但是由于昆北地区位于盆地边缘，且古近纪时主要为辫状河三角洲相沉积，因此在地层划分和古环[12]45境恢复方面具有一定难度。本文采集了昆北地区切26井下干柴沟组及路乐河组的钻井岩心样品，对其进行了微量元素测试分析。通过对数据的分析、处理，拟找到特征元素及其比值的变化规律，以此为研究区的地层划分、古环境恢复提供更精确的地化证据。1区域地质概况柴达木盆地位于青藏高原东北隅，属于山间盆地，发育巨厚的新生代沉积。构造特征体50现为三山夹一盆的格局：西北部的阿尔金走滑断裂，东北部祁连山-南山逆冲断层带，南部[13-14]的东昆仑山以及西部的祁漫塔格逆冲断层带。盆地大致呈不规则菱形，面积约12万平[15]方公里。昆北断阶带就位于柴达木盆地西部南区的昆仑山前缘（图1），是昆仑山隆升向盆地挤压、以昆北大逆断裂为主的断阶构造。构造带东西长120km，南北宽15-30km，勘探2面积约2000km。本次样品取自昆北地区的的切26井，目前在该区路乐河组辫状河三角洲[16-17]55沉积体系中发现了油藏。图1昆北断阶位置及构造纲要图Fig1ThefaultsterraceslocationandstructuralsketchforthenorthernKunlun602分析测试与露头样品比较，岩芯样品因未受风化剥蚀、流水冲刷等后期地质作用的影响，以此作为分析对象，能够避免次生作用对岩样的影响。为了对地层进行更精细、准确的划分，进一步明确油气生储层的范围，以指导油气勘探和生产，本文采集了切26井路乐河组/下干柴沟65组下段岩芯样品共计11件。样品微量元素含量采用DZ/T0223-2001电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析方法测定，分析测试工作在中国科学院青藏高原研究所完成。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn本次微量元素分析的泥岩样品主要分布在路乐河组顶部及下干柴沟组底部，部分测试结果如表1所示：表1特征元素及比值70Tab.1TheratiosofFeatureelements样品号VCrCuSrUTh&UU/ThV/CrSr/CuQ-260.79106.2021.04399.102.5110.060.670.250.11918.97Q-471.16166.0029.84268.002.7414.130.670.190.1228.98Q-6107.10156.6026.98210.803.0713.100.670.230.1237.81Q-7100.90283.3033.57132.604.1912.190.670.340.1263.95Q-979.31207.7030.77160.703.7311.660.670.320.1305.22Q-1081.89232.6026.82131.103.8710.970.670.350.1274.89Q-1187.00150.7016.21109.102.9111.610.670.250.1106.73Q-13100.40143.1018.58106.203.0212.070.670.250.1065.72Q-1580.24111.9020.50112.302.7510.410.670.260.1165.48Q-19102.10155.3019.63102.604.7513.870.670.340.1045.23Q-2176.71147.4016.76105.302.779.850.670.280.1066.283分析测试3.1路乐河组/下干柴沟组界线处地化指标特征传统的单一利用化石与岩性对地层进行划分与对比已经无法满足现如今地质勘探的需75要，近年来化学地层学已在地层界线层型剖面的研究中得到广泛的应用并取得了良好的效果[18-19]。通常在地层界线附近，沉积环境会发生比较明显的变化，而地层中某些元素及元素比[20]值也会发生相应的变化。因此，可以通过这些元素以及元素比值的变化特征来划分、对[21-22]比地层，进而探讨该区古环境变化。由表1可知，切26井在井深1963-1970m间Cu的含量变化范围为16-20.5ppm，在801935-1942m为26.82-33.57ppm，在1878-1881m该值变化范围为21.04-29.84ppm。Fe、Mn、Cu、Eu等在氧化条件下呈高价(Fe3+、Eu3+)易沉淀;还原条件下呈低价(Fe2+、Eu2+)易迁移。在含H2S的缺氧环境中,Fe、Cu、Zn、Cd等亲硫元素常形成硫化物沉淀。Th、Sc等元素一般不受氧化还原条件变化的影响,与其共生的变价元素(如U、V等)成为鲜明对[23]照。Cu也常常被作为古生产力替代指标，是因为其在氧化水体中以有机金属配位体的形85式存在，少数以二价离子存在，随有机质沉降而到达海底，同时也可以吸附在Fe和Mn的氢氧化物上沉降到水底。在还原条件下形成各自的硫化物而沉积下来，因此沉积物中Cu元素[24-25]的含量与有机质的沉降量有密切关系。1960m处为路乐河组/下干柴沟组界线（图2），Cu元素含量在界线附近有明显的增量，表明界线附近水体环境、古生产力发生了变化。U在井深在1963-1965m间该值变化范围为2.75-3.02ppm，1935-1942m间变化范围为6+6+5+4+903.73-4.19ppm。氧化条件下,U、Mo、V、Ce、S等呈高价(U、Mo、V、Ce、6+4+4+3+3+2-S)易迁移；还原条件下呈低价(U、Mo、V、Ce、S)易沉淀。U在不同的环境里表现为不同的价态，其在强还原状态，表现为+4价不溶于水，富集在沉积物当中。而在氧[21-22][26]化状态下，表现为+6价态，易溶于水，不易在沉积物中富集。在界线附近，U值从路乐河组的低值转变为下干柴沟组的高值。表明当时，沉积环境水体从路乐河组的氧化环境95转化为下干柴沟组的还原状态。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn在研究层位，Cr在井深1963-1970m，即路乐河组上段变化范围为112-115ppm。在井深6+1935-1942m，Cr的变化范围为208-283ppm。Cr在富氧海水中会流失，主要以可溶的Cr铬6+3+酸盐形式存在。在缺氧条件下Cr还原成Cr形成水合离子，这些离子极易被腐殖质或Fe和Mn的氢氧化物汲取而进入沉积物。Cr值分布散点图表明，在下干柴沟组靠近界线附100近的Cr值较路乐河组有较大的增值，表明两组界线附近，下干柴沟组沉积环境向缺氧环境转变。Sr在井深1963-1970m变化范围为103-112ppm，在井深1878-1942m变化范围131-399ppm。前人研究发现，Sr在两种情况下富集；一种为在干旱气候条件下，湖水浓缩沉淀。另一种为[5]在潮湿环境下，海侵所致。昆北地区古近系没有海侵的证据，始新世中晚期(40.2-33.4Ma)[27]105我国西北内陆总体为显著的行星风系下北亚热带副高控制下的干旱-半干旱气候。因而可以认为,地层中Sr的高值可能是昆北地区气候变干的证据。从散点图可以看出，Sr值在地层界限附近，变化不明显。但是下干柴沟组数值整体较路乐河组大，而且呈现逐渐增大的趋势。Sr的增大，表明研究区下干柴沟组较路乐河组气候干旱。110图2切26井下干柴沟组-路乐河组界线处变化明显的特征元素Fig2FeatureelementswithdistinctchangesattheboundaryofLulehe-Xiaganchaigouformation3.2氧化还原环境115缺氧环境对某些元素的迁移、富集、成矿具有重要意义，也是烃源岩发育的主控因素之[6][23-24]一。判断氧化还原环境的方法很多，本文主要选择&U法、U/Th和V/Cr这三种指标对研究区的水体氧化还原环境进行判定。用&U法和U/Th比值来判断古氧化还原环境，是基于Th和U在还原环境里，具有相似的化学性质。Th化学性质比较稳定，只有一种价态，即+4价且不易溶解。而U则在不同120的环境里表现为不同的价态，其在强还原状态，表现为+4价，且不溶于水，富集在沉积物当中。而在氧化状态下，表现为+6价态，且易溶于水，不易在沉积物中富集。正因为这两种元素地球化学性质的差异，所以常常使用&U法和U/Th比值来判别古沉积环境。&U法关系式如下：-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn&U=U/[0.5×（Th/3+U）][28]125当&U>1，表明当时的水体为缺氧环境；&U<1，则为正常的水体环境。研究区路乐河组和下干柴沟组下段11个泥岩样品的&U值都为0.67，表明路乐河组和下干柴沟组下段泥岩样品的整体沉积环境都为富氧环境。该值在路乐河组和下干柴沟组没有任何变化，指示当时的水体环境相对稳定。130表2氧化还原环境的地化指标Tab.2Geochemicalindicatorsofredoxconditions地化指标本文样品厌氧贫氧富氧环境δU0.67>1<1U/Th0.19-0.35>1.250.75-1.25<0.75V/Cr0.10-0.13>4.252.00-4.25<2.00135U/Th>1.25指示厌氧环境；U/Th介于0.75-1.25之间指示贫氧环境；U/Th<0.75是为富氧[29]环境。切26井井深1968-1970m处，U/Th的值为0.28-0.34；1963-1965m处，为0.25-0.26；井深1935-1942m处，为0.32-0.35；1878-1881m，为0.19-0.25。可以看出，U/Th的值整体都处于富氧环境的范围，但却又有波动性，且在界线附近下干柴沟组较路乐河组数值增大（图3）。140V/Cr也可作为指示氧化还原环境的指标，其原理同Th和U类似，即在一定温度下,变[29]价元素反应的氧化还原电位随氧化态和还原态浓度之比的变化而改变这一原理。V/Cr>4.25时指示厌氧环境；V/Cr值为2-4.25之间时，指示贫氧环境；V/Cr<2时，指示富氧环境。切26井井深1968-1970m处，V/Cr的值为0.104-0.106；1963-1965m处，为0.106-0.116；井深1935-1942m处，为0.126-0.130；1878-1881m，为0.119-0.123。V/Cr值得变化，跟U/Th145值具有某些相似性，其整体处于富氧环境范围，而且在地层界线附近都表现为在路乐河组一侧为低值，在下干柴沟组一侧为较高值。图3切26井路乐河组-下干柴沟组一些元素比值变化特征Fig3thechangefeaturesofsomeelementsinLulehe-Xiaganchaigouformation-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn150古近纪昆北地区沉积相主要为；路乐河组辫状河三角洲平原亚相及辫状河三角洲前缘亚[8][12]相，下干柴沟组辫状河三角洲前缘亚相及滨浅湖相。结合沉积相与特征元素比值，我们发现；特征元素中Cu、U、Cr等微量元素在界线附近变化明显同U/Th和V/Cr的变化一致，&U值所有11个样品都为0.67，同U/Th和V/Cr整体指示的富氧环境沉积一致。本次取样155的层位，主要在路乐河组-界线附近，其可视为辫状河三角洲平原-辫状河三角洲前缘亚相的过渡带。因此我们得出；辫状河三角洲亚相之间的转换可能是导致特征元素比值变化微弱的原因。而在路乐河合组和下干柴沟组下段地层界线附近，Cu、U、Cr等对氧化还原环境敏感的微量元素以及元素比值U/Th和V/Cr比值有较明显的变化。由此可见，虽然辫状河三角洲亚相之间的转化引起的水体变化很小，但某些地化指标仍然非常灵敏，能够准确反映沉160积环境的细微变化。表明，路乐河组与下干柴沟组的界线附近水体加深。3.3古气候Sr/Cu比值常被作为反映古气候指标，当Sr/Cu>5，表示古气候为干热类型；当Sr/Cu为[30-31]1-5表示古气候为温湿类型。切26井在井深1963-1970m处，Sr/Cu比值为5.23-6.73，平均值为5.89；在井深井深1651935-1942m，Sr/Cu变化范围为3.95-5.22；1878-1885m，Sr/Cu变化范围为7.81-18.97。通过比较我们可以发现，路乐河组的Sr/Cu比值变化较小。下干柴沟组下段Sr/Cu比值在靠近地层界线附近的井段为低值，有两个值小于5，指示当时气候较为温湿。在井深为1878-1885m处，则持续增大且全部数值大于5，表明当时古气候开始变得干旱（图3）。[32-34]宋春晖等对中国西北地区新生代以来的的古气候演化做了大量的研究，研究表明西170北地区新生代以来经历了长期干旱化的过程，并且伴有多期次的旋回。昆北地区Sr/Cu比值表明；在靠近地层界线附近的层位，路乐河组顶部古气候较为干旱；在下干柴沟组底部井深1935-1942m处，Sr/Cu比值为相对低值，表明在地层界线附近古气候经历了一次由干旱向湿润转变的过程。在井深1878-1885m，Sr/Cu比值为高值，且持续增大，表明当时古气候又朝干旱的方向发展。总体而言，研究区古气候变化整体朝干旱方向发展，期间又有干湿的波动。1754结论通过以上研究，可以得出如下结论：（1）具古环境意义的Cu、U、Cr、Sr元素平均含量在路乐河组/下干柴沟组分别为23.70、3.30、169.16、167.07ppm，且界线上下差异明显，可作为柴达木盆地区域地层划分对比的依据；（2）样品&U值均为0.67，U/Th为0.25-0.35，V/Cr为0.106-0.130，这些指标都表明研究区路180乐河组-下干柴沟组为富氧环境沉积；（3）U/Th均值在路乐河组顶部和下干柴沟组底部为0.25和0.34；V/Cr均值在路乐河组顶部和下干柴沟组底部分别为0.11、0.13，下干柴沟组较路乐河组比值大。元素比值的变化结合Cu、U、Cr等微量元素的变化，表明地层界线附近下干柴沟组较路乐河组水体深。（4）Sr/Cu元素比值平均值在路乐河组顶部为5.97，反映偏于干旱的古气候环境；在下干柴185沟组底部为4.69，表明为湿润气候类型。-6- 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