古氧相分析在黄骅拗陷歧南次凹沙河街组沉积环境研究中的应用

林 雄

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

1 问题的提出

图1 研究区（歧南次凹）构造纲要及位置图Fig.1 The structure outline and location of the south Qikou sag

歧口凹陷的南次凹（简称“歧南次凹”，下同），位于黄骅拗陷中部（图1），是一个长期发育的生烃凹陷，具有巨大的油气勘探潜力。其古近系沙河街组为目前大港油田的主力研究层位，随着勘探的不断进行，各种重大基础学科问题不断出现。在沉积学方面，主要是对沙河街组沉积环境的争议，即究竟是陆相半咸化湖泊、海陆过渡相，还是陆相淡水湖泊存在多期海侵，这也是对渤海湾盆地古近系沉积环境研究中无法回避的问题。前人对渤海湾盆地古近纪与海连通性、海侵问题做了大量研究，海相和陆相的争论始于20世纪70年代，80～90年代海侵观点占据上风，90年代开始陆相咸化湖泊（盐湖）为主流观点。袁见齐（1983）的陆相高山深盆成盐模式学说［1］，指出了渤海湾盆地新生代盐类物质的非海相来源。孙镇城等（1994）系统地研究了新生代典型的陆相咸化湖泊沉积中微体水生生物、沉积矿物、地球化学指标等特征，认为渤海湾盆地古近系是非残留海、非海侵成因的内陆深水咸化湖盆［2］。本文将古氧相概念引入歧南次凹沙河街组沉积环境研究中，并对古氧相分析在沉积环境研究中的应用进行探讨。

2 古氧相研究历史与现状

古氧相研究的基础最早可以追溯到Rhoads和Morse（1971）对黑海、加利福尼亚湾大陆边缘水体溶氧量与缺氧环境的划分研究［3］。Tyson和Pearson（1991）进一步完善了水体溶氧量与缺氧环境的划分和标准［4］。颜佳新和张海清（1996）借鉴前人对缺氧环境的研究成果，首次在国内提出了古氧相的概念，并制定了相应的划分方案和标准［5］。颜佳新等（1997，1998，2004，2007）在对华南地区中二叠世栖霞组的研究［6－9］中，完善了古氧相的概念及其划分方案和标准，并把古氧相成功应用到层序地层、沉积环境、重要地质事件及地史恢复等研究中。

古氧相（paleo－oxygenation facies），是指反映地层（或沉积物）形成时沉积环境水体中，特别是底层水体中溶氧量特征及其变化的各种岩石、生物和地球化学特征等的综合［5，9］。根据水体溶氧量的不同，古氧相可以划分为常氧（aerobic，水体溶氧的体积分数为2.0‰～8.0‰）、贫氧（dysaerobic，水体溶氧的体积分数为0.2‰～2.0‰）、准厌氧（quasi－anaerobic，水体溶氧的体积分数为0‰～0.2‰）、厌氧（anaerobic，水体溶氧的体积分数为0‰，出现 H2S和FeS2等）4种类型［9］。

古氧相分析是通过对岩石、矿物（如DOP指数）、古生物及古生态、微量元素、稀土元素、稳定同位素、有机地球化学（如有机碳和有机硫含量比值（C／S）、生物标志化合物）测试分析的相关指标研究实现的［3－14］，其中尤其以矿物（DOP指数）、古生物及古生态、微量元素、稀土元素等方法应用最多。Jones等（1994）指出 V／Cr、Ni／Co、U／Th等微量元素的质量分数比值在判别古氧相地球化学时可靠度最高，且它们之间具有一定的可对比性［14］。本文主要选取微量元素、岩石与古生物等方法，对歧南次凹沙河街组进行了古氧相分析，并结合古氧相的认识对古盐度环境分析的结果进行了确定，进而达到判别沉积环境的目的。

3 歧南次凹古氧相分析

3.1 通过测试微量元素分析古氧相

针对研究区沙河街组35个砂、泥岩岩心样品的测试分析数据，选取V／Cr、Ni／Co等微量元素的质量分数比值法，对其进行了古氧相分析（表1）。其中，V／Cr最小值为0.790，最大值为2.600，平均值为1.623；与古氧相判别标准对比（表1）可知，没有样品指示厌氧环境，有7个样品（5个为沙一段样品）指示（轻微）贫氧环境，有28个样品指示常氧环境。而 Ni／Co的最小值为0.227，最大值为4.690，平均值为2.314；没有样品指示厌氧环境与贫氧环境，35个样品皆指示常氧环境。所以，V／Cr、Ni／Co分析显示，研究区沙河街组以常氧环境为主，其次为（轻微）贫氧环境。

3.2 对岩石、古生物的研究分析古氧相

研究区沙河街组岩石类型以碎屑岩为主，次为碳酸盐岩。碎屑岩以深灰色、灰色、灰白色泥岩、各粒级的砂岩（图2）、砾岩（图3）等为主，岩性变化较大；沉积构造以交错层理（图2）、块状层理为主，其次为滑塌变形层理、平行层理、递变层理等。碳酸盐岩主要发育于沙三上亚段和沙一下亚段，以鲕粒灰岩（图4）、生屑灰岩为主（图5），次为泥灰岩及少量白云质灰岩，受陆源碎屑影响，常与细砂岩互层出现，形成混合沉积（图6）。砂质灰岩（图7）、灰质砂岩、鲕粒砂岩也频繁出现。鲕粒灰岩的鲕粒多为真鲕，含有少量的放射鲕，鲕粒核心以生物碎屑为主，生物碎屑主要为腹足类、双壳类、介形虫。所以，多变的岩性、混合沉积岩、高水动力环境为主、生物发育，都说明研究区沙河街组主要为常氧环境，这与微量元素分析结果一致。

表1 歧南次凹沙河街组古氧相、古盐度数据及环境判别标准Paleo－oxygen facies paleosalinity data and standards of environmental discrimination in the Paleogene Shahejie Formation in the south Qikou sag

图2 细砂岩中的交错层理Fig.2 Cross bedding in fine sandstone

图3 含碳酸盐岩砾石的砾岩Fig.3 Conglomerate containing carbonate rock gravel

图4 鲕粒灰岩Fig.4 Oolitic limestone

图5 生物碎屑灰岩Fig.5 Bioclastic limestone

图6 混合沉积岩剖面结构Fig.6 Profile structure of mixed sedimentary rocks of terrigenous clastics and carbonate rock

图7 砂质灰岩Fig.7 Sandy limestone

4 古氧相分析与古盐度分析的综合判别

古盐度分析是沉积环境研究常用方法之一，但是古盐度常被直接当作海、陆环境的判别标志，这是有一定的局限性的［2］，因为这样会把内陆咸化湖泊划分到海陆过渡相或者海相环境中，所以古盐度作为判别沉积时水体的盐度或者咸化度标志更为合适。分析古盐度的方法比较多，大致可以分为微量元素法、常量元素法、同位素法、古生物和古生态法、有机地球化学方法等。本文选取常用的、较为成熟的Sr／Ba法、沉积磷酸盐法（wCa／wCa＋Fe）对研究区沙河街组古盐度进行了测试（表1），并与古盐度判别标准（表1）对比可知，wSr／wBa、wCa／wCa＋Fe的值同时指示沙河街组主要为咸水和半咸水的环境，部分样品指示淡水环境。

如果按照以往的古盐度作为海、陆环境判别标志的话，研究区沙河街组环境应该是海相或者海陆过渡相的环境。但是参考古氧相分析结果发现，海相或者海陆过渡相很难出现大面积、稳定的常氧环境，含氧量不可能很高，这就出现了矛盾。笔者认为，高盐度、高含氧量的环境，以及广盐度生物，应该出现在内陆咸化湖泊中，所以歧南次凹沙河街组的沉积环境解释为内陆咸化湖泊更为合适。至于出现淡水沉积、鲕粒和生屑滩坝等问题，主要与沙三上、沙一下亚期大量淡水注入造成的局部高能环境有关，并且淡水注入所携带的营养物质也为生物生长提供了养分。

图8 研究区沙一段底面空间展布图Fig.8 The spatial distribution of seismic reflection interfaces of Es1 in Qikou sag

5 地球物理学研究成果对判别结果的佐证

由研究区地震资料分析合成的沙一段底界空间展布图（图8）显示，研究区南东部埕宁隆起、西部羊三木凸起皆为高地，北部南大港同沉积断层形成的高地相对较低，但三者仍对研究区形成环绕之势，地形相对高差较大，低洼中心歧南2井沙河街组地层厚度达1 417m。又由布格重力异常图（图9）可知，研究区向北东方向低洼开口，连接歧北次凹，从其同心圈层状的布格重力异常曲线可知，研究区及邻区基本呈封闭状态。这是研究区现今的地震及布格重力异常资料。通过区域构造演化的回溯研究，现今的构造、地形等基本继承了沙河街期特征，无重大变化。所以，研究区及邻区在沙河街期是四周环山的封闭环境，符合内陆深水封闭湖泊的地形、沉积特征。

图9 研究区（方框内）及周边地区布格重力异常图Fig.9 The Bouguer gravity anomaly of Qikou sag and adjacent areas

6 结论与认识

在歧南次凹沙河街组研究中，应用古氧相分析确定了其为以常氧为主、（轻微）贫氧为辅的沉积环境，结合古盐度研究（咸水、半咸水的环境）、地球物理研究（指示的四周环山的深水封闭湖泊）的认识，歧南次凹沙河街期为内陆深水咸化湖泊环境。

应用古氧相分析可以判别沉积环境中含氧量高低，且与古盐度、地球物理资料对比分析，能够把因为高盐度而误判为海相、过渡相环境的内陆咸化湖泊环境识别出来。

［1］袁见齐，霍承禹，蔡克勤.高山深盆的成盐环境——一种新的成盐模式的剖析［J］.地质论评，1983，29（2）：159－164.

［2］孙镇城，杨藩张，枝焕，等.中国新生代咸化湖泊沉积环境与油气生成［M］.北京：石油工业出版社，1997.

［3］Rhoads D C，Morse J W.Evolutionary and ecological significance of oxygen－deficent marine basins［J］.Lethaia，1971，4：413－428.

［4］Tyson R V，Pearson T H.Modern and ancient continental shelf anoxia：an overview［C］／／ Modern and ancient continental shelf anoxia.Geological Society Special Publication，1991，58：1－24.

［5］颜佳新，张海清.古氧相——一个新的沉积学研究领域［J］.地质科技情报，1996，15（3）：7－13.

［6］颜佳新，陈北岳，李思田，等.鄂湘桂地区栖霞组古氧相分析与层序地层和海平面变化［J］.地质论评，1997，43（2）：193－199.

［7］颜佳新，徐四平，李方林.湖北巴东栖霞组缺氧沉积环境的地球化学特征［J］.岩相古地理，1998，18（6）：27－32.

［8］颜佳新.华南地区二叠纪栖霞组碳酸盐岩成因研究及其地质意义［J］.沉积学报，2004，22（4）：579－587.

［9］颜佳新，刘新宇.从地球生物学角度讨论华南中二叠世海相烃源岩缺氧沉积环境成因模式［J］.地球科学：中国地质大学学报，2007，32（6）：789－796.

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［11］腾格尔，刘文汇，徐永昌，等.缺氧环境及地球化学判识标志的探讨——以鄂尔多斯盆地为例［J］.沉积学报，2004，22（2）：365－372.

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［14］Jones B J，Manning A C.Comparison of geochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones［J］.Chemical Geology，1994，111：111－129.