羌塘盆地那底岗日地区上侏罗统——下白垩统碳酸盐岩微量元素与古环境

朱丽霞 谭富文 陈 明 付修根 冯兴雷

（1.成都地质矿产研究所，成都610081；2.中国地质科学院，北京100037）

羌塘盆地被认为是青藏地区油气资源潜力最大和最有希望取得勘探突破的首选盆地［1］。盆地内中生代地层广泛发育，是目前油气勘探的主要目的层；然而，连续的中生代地层在盆地内出露较少。那底岗日剖面位于北羌塘盆地（次级盆地）南缘，中央隆起带北侧，是羌塘盆地内发育最完整的晚三叠世－早白垩世剖面之一；因此，该剖面的研究对于区域地层的划分与对比以及盆地内油气地质条件的评价均具有重要意义。本文在实测剖面的基础上，对该剖面的上部地层（索瓦组）进行了详细的研究，以期揭示羌塘中生代（T3－K1）盆地演化晚期的沉积古环境特征。

1 地质概况

羌塘盆地是一个形成于前寒武系基底上的古生界－中生界大型复合沉积盆地，并以横亘于其间的中央隆起带为界，划分为南、北羌塘2个拗陷带。侏罗纪－早白垩世为被动大陆边缘裂陷盆地［2］，晚侏罗世提塘期－早白垩世贝里阿斯期，随着班公湖－怒江洋盆最终消亡，区内发生了最后一次大规模海退，羌塘盆地南部、中央隆起带和盆地的东部地区迅速隆起［2］。那底岗日地区位于北羌塘拗陷南缘，靠近中央隆起带，剖面编号为NP（图1）。北羌塘盆地中、西部上侏罗统大套灰岩之上广泛出现一套浅海相细碎屑岩、碳酸盐岩组合，中国石油天然气集团公司（1996～1997）在羌塘盆地开展石油地质填图时将该套地层定名为索瓦组上段；谭富文、伊海生等根据菊石、双壳以及孢粉化石，认为该套地层的时代应为晚侏罗世－早白垩世［3，4］。王剑等利用 Re－Os同位素对胜利河油页岩层进行定年，得到的等时线年龄为101±24Ma，与孢粉化石定年基本一致，均显示其形成时代为早白垩世［5］。

图1 羌塘盆地构造单元划分与研究区位置Fig.1 Division of the tectonic units of the Qiangtang basin and the location of research area

2 沉积相分析

2.1 岩石类型及特征

那底岗日地区上侏罗统－下白垩统的岩性主要为灰岩、砂岩、页岩、泥岩、石膏等，灰岩主要分布于下部及中部，石膏与泥岩分布于中上部，顶部多为砂岩。

灰岩主要类型为灰黑色薄层状鲕粒灰岩、泥晶灰岩、泥质灰岩，以及灰黑色薄－中层状砾屑、生屑灰岩。主要由颗粒和灰泥基质组成，颗粒的质量分数变化比较大，为5%～60%不等，一般在25%～50%；颗粒以生物碎屑为主，内碎屑次之，鲕粒相对较少。生物碎屑以双壳类、腕足类为主，腹足类次之，偶见少量保存完整的生物化石。内碎屑主要为砂屑和泥屑、砾屑。鲕粒一般为圆形或椭圆形，粒径一般在0.5～0.7mm，颗粒间多为灰泥基质充填。砂岩主要为灰绿色、紫红色薄－中层状粉砂岩、细砂岩，分选和磨圆较好，颗粒支撑，钙质胶结，发育雨痕、砂纹层理和小型波痕。泥岩多呈灰绿色、暗紫红色及灰黑色，钙质含量较高，发育水平层理，以及雨痕等沉积构造。石膏主要为灰－灰白色中－厚层状，多以膏灰岩互层产出，石膏呈粉状或者纤维状结构，块状构造，顺层产出。

2.2 沉积相类型分析

在实测剖面上，上侏罗统从第1层开始，到第3层结束（图2）。第1层主要发育灰黑色薄层状鲕粒灰岩，具鲕粒结构，块状构造，鲕粒含量（面积分数）在70%～80%，鲕径在0.5～0.7mm，分选好，亮晶胶结。第2层发育灰黑色薄－中层状砾岩、生屑灰岩，生屑主要为双壳、腕足类和腹足类碎片，磨圆一般，分选一般。第3层主要发育一套灰黑色薄层状泥晶灰岩，其中发育生物化石，保存相对完整，以双壳、腕足为主。上侏罗统为开阔台地相沉积，其中底部为浅滩亚相沉积。

下白垩统从第4层开始。第4～5层主要为薄层状泥晶灰岩、泥质灰岩、钙质页岩互层，发育3个韵律，岩石的颜色为灰黑色，泥质灰岩中发育少量的生物碎屑，钙质页岩中发育水平层理，为水动力较弱的潮坪－潟湖亚相沉积。第6层发育灰黑色薄层状生屑泥晶灰岩夹薄层状泥质灰岩，两者的比例为10∶1，生物碎屑以腕足、双壳类为主，为水动力较强的潮坪亚相沉积。第7层主要发育一套灰－灰白色薄－中层状石膏与泥质灰岩互层。石膏层呈粉状结构或纤维状结构，块状构造。泥质灰岩为隐晶质结构，块状构造，整体为一种浅水封闭、蒸发的水体沉积环境，为潟湖亚相沉积。第8～11层底部主要发育灰绿色薄－中层状粉砂岩、细砂岩、泥岩，顶部发育紫红色、灰绿色薄－中层状粉砂岩，中部发育极少量的灰黑色中层状介壳灰岩。砂岩中发育雨痕、砂纹层理和小型波痕，磨圆和分选较好，颗粒支撑，钙质胶结。沉积旋回为向上变粗的序列，为三角洲前缘亚相沉积。第12～13层下部主要发育灰－灰白色薄层状石膏夹薄层紫红色细砂岩，细砂岩分选与磨圆较好，颗粒支撑，钙质胶结。上部主要发育一层灰黑色薄层状泥质灰岩。整体上反映一种水浅、相对低能、蒸发量大的半封闭潟湖沉积环境。下白垩统下部为局限台地相沉积，中部为三角洲相沉积，上部为局限台地相沉积。

3 样品选择和分析方法

样品共10件，取自上侏罗统的开阔台地相（第2～3层），以及下白垩统底部的局限台地相（第4～7层），从底到顶样品编号依次为1～10，取样位置见图2。样品处理方法如下：样品在室温下自然风干，经缩分混匀后，研磨至过200目尼龙筛，进行分析。微量元素分析前样品经HFHClO4－HNO3消解处理，去离子水定容后，用电感耦合等离子质谱仪（ICP－MS）测定元素含量（以干重计），测试工作由北京核工业研究所完成，分析精度优于5%。常量元素由成都地质矿产研究所分析测试中心采用原子吸收分光光度计和紫外可见光分光光度计测试，分析精度优于5%。

图2 那底岗日地区索瓦组沉积相柱状图及取样位置Fig.2 Sedimentary facies column of the Suowa Formation in Nadigangri area and the sampling locations

4 结果与讨论

常量、微量元素测试结果见表1、表2。

表1 那底岗日地区常量元素测试结果（w／%）Table 1 The content and analysis of major elements in the Nadigangri area

利用微量元素判别古环境时，应剔除非自生元素的含量。通常，作为微营养物质进入到生物体内的微量元素微乎其微，对总量几乎没有什么影响，陆源碎屑带入的某元素X的含量可以这样估算：X碎屑＝（X／Al）平均页岩×Al样品，X自生＝X总－利用上述公式剔除非自生的微量元素含量后，来研究选定段的氧化还原环境、古气候和古盐度特征。

4.1 氧化还原环境

V是一种对氧化还原条件敏感的元素，在缺氧或贫氧水体的下伏沉积物中富集［7，8，12］。因为V和Sc都是不可溶性的，而且V随Sc呈比例地变化，所以V的富集程度可用Sc的丰度来校正，V／Sc在缺氧环境中高，而在氧化环境中低［8，9，12］。Th／U也常被用作氧化还原条件的判别指标［10，12］。Th不受氧化还原条件的影响，通常以不能溶解的Th4＋形式存在。但U在还原条件下以不能溶解的U4＋形式存在，使得U在沉积物中富集；在氧化条件下以可溶性的U6＋存在，导致U在沉 积 物 中 亏 损［9，11，12］。Ni／Co、Fe2＋／Fe3＋、V／Cr和V／（V＋Ni）同样常被用作沉积环境的判别指标。本文采用 V／Cr、V／Sc、V／（V＋Ni）、Th／U、Ni／Co和 Fe2＋／Fe3＋的含量（质量分数）比值作为判断氧化还原环境的指标，结果基本相互吻合，见图3、图4。

上侏罗统岩石为灰黑色，层2中V／Cr和Th／U指示氧化－贫氧环境，V／（V＋Ni）、Ni／Co、V／Sc和Fe2＋／Fe3＋指示贫氧环境，综合认为该层段为贫氧环境。层3中，V／Cr、V／（V＋Ni）、Ni／Co、V／Sc和 Fe2＋／Fe3＋均指示为贫氧环境，Th／U指示为缺氧－氧化环境，该层段保存相对完整生物化石，说明水动力较弱，但不至于完全缺氧，认为该层段应为贫氧环境。

下白垩统，层4发育少量生物碎屑，钙质页岩中发育水平层理，水动力较弱，图3、图4显示层4的下部V／Cr、Ni／Co和Th／U指示氧化－贫氧环境，V／（V＋Ni）为0.619，接近0.6，偏贫氧环境，综合分析认为该层段下部应为氧化－贫氧环境；层4的上部，V／（V＋Ni）和Ni／Co指示贫氧环境，而V／Cr（1.88）指示氧化－贫氧环境，Th／U（1.66）指示缺氧－贫氧环境，两者的指示结果均偏贫氧环境，因此可认为该层段上部为贫氧环境。层5为灰黑色中厚层状生屑泥晶灰岩与薄层状泥灰岩、钙质页岩互层。泥灰岩和页岩段，水动力较弱；泥晶灰岩段，水动力相对较强。推断泥灰岩段为缺氧－氧化环境，泥晶灰岩段为氧化－贫氧环境。该层从底到顶，氧气供应逐渐增多。层6中V／Cr、V／（V＋Ni）、Ni／Co、V／Sc和Fe2＋／Fe3＋均指示为贫氧环境，Th／U（1.09）指示的是缺氧环境，该层段为泥晶灰岩，水动力较强，可提供氧气，因此认为该层段应为贫氧环境。

表2 那底岗日地区微量元素测试结果（w／10－6）Table 2 The content and analysis of trace elements in the Nadigangri area

图3 那底岗日地区索瓦组 V／Cr、V／（V＋Ni）、Ni／Co、Th／U的值、分布特征及判别结果Fig.3 The value，distribution and identification results of V／Cr、V／（V＋Ni）、Ni／Co、Th／U in the Suowa Formation of the Nadigangri area

图4 那底岗日地区氧化还原环境的微量元素判别指标Fig.4 Redox environment indicators of trace elements in the Nadigangri area

上述研究表明，晚侏罗世时期，羌塘盆地发生了大规模海侵，研究区处于相对低能的水体环境，为贫氧环境；早白垩世，海水逐渐退出羌塘盆地，至早白垩世晚期，研究区逐渐变为贫氧－氧化环境，之上沉积了一套膏岩地层。

4.2 古气候

沉积岩中微量元素的分配、组合的变化在一定程度上指示着古气候环境的变化特征。为判断研究区段微量元素是否富集，利用富集系数，公式为富集系数大于1，表示该元素富集，反之则亏损［6］，结果见表3。

前人研究认为，Ti的高含量指示干旱炎热高盐度环境的气候背景［13］。Mn在海水中常以Mn2＋稳定存在，只有当海水强烈蒸发而使Mn2＋饱和时，它才会大量沉淀，从而在沉积岩中显示高值［13］。P元素的富集与生物有关，是由生物死亡后相对于原有地层来说富集P元素的生物尸体参与沉积成岩作用的结果［14］。从表3可知，上侏罗统大部分样品的Mn、Ti、P的富集系数＞1，那底岗日地区当时处于炎热干旱的气候条件下，海水强烈蒸发浓缩引起盐度急剧增大，某些浮游生物因不适应这种高盐度环境而死亡并参与成岩。下白垩统，除样6和10所在层位外，其他层位Mn、Ti、P均亏损，含量较低，指示相对潮湿的气候背景；样6和10所在层位Mn、Ti、P富集，表明气候此时又变为炎热干燥。

4.3 古盐度

古盐度是分析地质历史中沉积环境特征的一个重要标志。本文利用Sr／Ba、Sr／Ca、V／Ni及Rb值的变化来分析古盐度的变化。

Sr和Ba的化学性质较相似，但它们在不同沉积环境中由于地球化学行为的差异而发生分离。在自然界水体中，Sr迁移能力比Ba迁移能力强，水介质矿化度即盐度很低时，Sr、Ba均以重碳酸盐的形式出现；当水体盐度逐渐加大时，Ba以BaSO4的形式首先沉淀，留在水体中的Sr相对Ba趋于富集；当水体的盐度加大到一定程度时，Sr亦以SrSO4的形式递增沉淀。因而记录在沉积物中的Sr／Ba比值与古盐度呈明显正相关性，可作为古盐度判别的灵敏标志［15］。Sr／Ca、V／Ni和Rb值均可用于推断古盐度：Sr／Ca＜1为淡水沉积，Sr／Ca＞1为海相沉积；V／Ni和Rb值是海相大于淡水相，其值越高盐度越大［16］。

研究区段从底到顶Sr／Ba均大于1，为海相环境，Sr／Ca、V／Ni和Rb曲线的变化趋势非常相似（图5）。整体来说，上侏罗统Sr／Ba、Sr／Ca、V／Ni及Rb值低于下白垩统对应的各值，且各值在样5所在层位出现异常。分析可得，上侏罗统－下白垩统研究区段盐度较高，但具体到各个层位稍有变化。上侏罗统，研究区段从下到上盐度逐渐增大。到下白垩统，样5所在层位沉积水体局限，使盐度此时达到一个异常高值。前已述及，样5所在层位该时期气候相对潮湿，外来水体的加入对盐度逐渐起稀释作用，因而样6所在层位盐度相对下降，之后气候又变为炎热干燥，样6上覆岩层盐度升高。总体来说，下白垩统的古盐度高于上侏罗统。

表3 那底岗日地区微量元素的富集系数Table 3 The enrichment factors of trace elements in the Nadigangri area

5 沉积古环境变迁与区域油页岩的形成

晚侏罗世牛津期，羌塘盆地发生了明显的整体沉降作用，陆源物注入量明显减少，正常盐度海水入侵，气候干燥炎热，研究区水体能量较低，氧气供应不足，贫氧，盐度增高。结合沉积相分析认为，那底岗日地区上侏罗统属于盐度较高的开阔台地相沉积。

晚侏罗世提塘期－早白垩世贝里阿斯期，羌塘盆地发生了大规模的海退，北侧造山带、中央隆起带和盆地的东部地区迅速隆起，陆地面积扩大，沉积水体变得局限，水体盐度升高。该时期那底岗日地区经历了潮坪与潟湖环境的频繁转换，总的来说，研究区下白垩统为盐度较高的局限台地相沉积，且盐度高于上侏罗统。据前人研究［17－19］，胜利河等地的下白垩统海相油页岩的沉积环境为潟湖，油页岩中检测到一定含量的伽马蜡烷，且升藿烷含量均较高，显示较高的盐度，Ph／Pr值较低，说明其形成于较强的还原环境。油页岩中孢粉化石Apiculatisporite，Reticulisporite，Jiaohepollis，Chasmatosporite，Ephedripites（Ephedripites）cf.notensis的产出显示油页岩形成于潮湿的热带－亚热带环境［18］。油页岩层之上的膏岩与泥灰岩、砂泥岩互层中产出的Classopollis，Perinopollenites，Brevilaesuraspora，Cyathidites，Cicatricosisporites显示的气候条件是炎热干燥的［19］。区域地层对比表明，那底岗日剖面页岩段（第4层之上－第5层之上）与区域上油页岩产出层位相当，显示为潟湖相沉积环境。该时期气候温暖潮湿，有利于生物的大量繁殖，这也是区域上沉积大规模油页岩的主要原因。早白垩世晚期（第9层灰岩沉积期），海水逐渐退出羌塘盆地，研究区水体逐渐变浅，水体环境变为氧化环境，加之气候干燥炎热，不利于生物的大量繁殖，羌塘地区的油页岩沉积逐渐消失。

6 结论

根据上述分析及讨论，可得出以下结论：

a.那底岗日地区索瓦组从底到顶依次为开阔台地相沉积、局限台地相沉积、三角洲相沉积、局限台地相沉积。

b.氧化还原、古气候及古盐度分析表明，上侏罗统索瓦组，那底岗日地区处于贫氧的干旱炎热高盐度环境；下白垩统索瓦组，那底岗日地区为氧化－贫氧的潮湿至干旱炎热高盐度环境，且盐度高于上侏罗统。

c.那底岗日剖面索瓦组页岩产出层位相当于下白垩统海相油页岩的产出层位，均为潟湖相沉积。该时期气候温暖潮湿，有利于生物的大量繁殖，有利于区域上大规模油页岩的沉积。

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