苏北盆地高邮凹陷阜宁组一段古环境恢复及其古湖泊学意义

丁林林 ，傅 强，夏 岩

（同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092）

苏北盆地高邮凹陷阜宁组一段古环境恢复及其古湖泊学意义

丁林林 ，傅 强*，夏 岩

（同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092）

沉积岩中碳氧同位素值的测定在古环境恢复方面具有重要意义。本文采用苏北盆地高邮凹陷韦马地区阜宁组一段(E1f1)的13个砂岩样品，利用MAT-252型稳定同位素比质谱仪，精确测定砂岩样品中沉积的碳酸盐岩胶结物的碳氧同位素比值。样品的碳、氧同位素值均为负值，δ13C值在-2.05‰～-6.44‰之间、δ18O值在-8.33‰～-12.08‰之间，通过计算及与海相和陆相碳酸盐岩同位素值对比得出，高邮凹陷阜宁组一段沉积时期发育淡水陆相开放性湖泊，成岩温度较低，湖泊古生产力具有分段性，由深变浅，湖泊的古生产力具有由低变高的趋势。

沉积环境；古湖泊；碳酸盐岩；碳氧同位素；高邮凹陷；阜宁组地层

沉积环境是研究沉积演化，划分地层格架的基础，其中包括地理条件、自然气候、沉积介质等一系列物理、化学和生物条件的环境要素。碳氧同位素是研究古环境的一项重要的地球化学方法，可用来恢复古温度、古盐度、古水文条件以及古生产力等[1～3]。目前，这种方法不仅在古海洋学和第四纪古湖泊学研究中广泛应用，也在第三纪古湖泊学中得到应用[1]。

湖泊沉积物记录了丰富的沉积环境信息，其中碳酸盐岩碳氧同位素成为研究古环境变化的重要手段，通过对湖泊沉积物中碳氧同位素的测定分析，判断湖泊的封闭性、古生产力和古气候等古环境指示信息，对于含油气盆地中沉积岩的再认识也具有重要意义。

高邮凹陷在构造上位于苏北盆地东台坳陷中部，东西长约100km，南北宽25～35km，面积约2670km2。韦马地区处于高邮凹陷最西段，构造上抬升并向东开口倾斜。古近系阜宁组是主要的生储油气层位，自下至上分为阜一段、阜二段、阜三段、阜四段。阜宁组四个沉积期的高邮湖类型和水体性质是石油地质专家关注的问题。以往研究表明，古近纪阜宁组二段、阜宁组四段沉积时期高邮凹陷发育间歇与南黄海沟通的较深水半咸水湖泊，沉积以暗色泥岩为主，局部发育薄层鲕粒灰岩或薄层富介形虫泥岩[4]。阜宁组一段沉积岩性以棕红、棕褐和暗色泥岩、灰白色细砂岩、粉细砂岩呈不等厚互层。高邮湖是否从阜宁组一段开始就发育咸水湖泊，湖泊的性质如何，这些问题的解决直接关系到高邮凹陷深层油气勘探的评价与部署，具有十分重要的地质意义。

本研究采集高邮凹陷韦马地区8口井的阜宁组一段的砂岩样。样品测试均在同济大学海洋地球科学学院海洋地质国家重点实验室完成。采用磷酸法制备CO2气体，利用美国Finnigan-MAT公司的MAT-252型稳定同位素比质谱仪测定岩样碳、氧同位素比值（国际标准PDB值）。根据样品的测定结果进行沉积环境分析、成岩温度的恢复，以了解阜宁组一段地层沉积时的地质环境，认识该地区的石油地质特征。

1 古环境恢复

1.1 沉积环境与古温度（成岩温度）

理论上，砂岩中碳酸盐岩胶结物的δ18O和δ13C可以作为砂岩储层沉积时沉积环境的标志[2]。由于沉积物中碳酸盐岩碳氧同位素的组成和当时的成岩环境有关，盐度越大，碳氧同位素值越大。在碳酸盐沉积物未受到变质作用之前，埋藏成岩作用影响不大的情况下，沉积物早期若为海相沉积物，且沉积环境较为稳定，则碳氧同位素的数值一般表现为海水成岩环境；而当沉积物早期的沉积介质是淡水，即经历了大气淡水成岩作用，后期没有明显的咸水侵入，那么碳氧同位素将保持淡水沉积状态下的数值特征。

Keith和Weber（1964）推导出如下的方程式来划分侏罗纪及以后时代的海水灰岩和淡水灰岩：

其中，δ18O和δ13C值均为PDB标准，a=2.048，b=0.498。当Z≥120为海相，Z＜120为陆相。

*通讯作者: 傅强(教授/博导): fuqiang@tongji.edu.cn

温度也是影响碳酸盐岩碳、氧同位素的重要因素之

一，从图1中可见样品δ18O值随深度增加而急剧降低的特征，因而可以采用Epastein计算公式：

利用上述2个公式对分析样品沉积环境Z值、成岩温度进行计算，结果见表1。

表1 高邮凹陷阜一段砂岩δ18O和δ13C值及其分析Table 1 The δ18O and δ13C values of sandstone in Funing Formation, Gaoyou Sag

1.2 沉积环境和古盐度恢复分析

高邮凹陷韦—马地区的13个岩样的Z值均小于120（表1），说明高邮凹陷阜一段沉积期湖盆为陆相淡水沉积。此外Z值数字起伏大小在一定程度上反映了湖泊水体古盐度的高低，即Z值越大，湖泊古盐度越高；Z值越小，湖泊古盐度越低。针对阜一段沉积期淡水湖泊水体，由于不同部位风化与蒸发的差异，导致沉积岩中Z值的范围在108.5～117.3之间起伏，显示出阜宁组一段沉积时期古湖泊水体盐度在淡水大背景下也有震荡变化。

1.3 成岩温度和埋藏深度

高邮凹陷韦马地区阜一段13个样品中除4号样品（韦4，1686.02m）温度较低，为59.87℃，其余均在63.60℃～80.15℃（表1）。

通过比较成岩温度（T）与埋藏深度的关系，发现两者基本呈线性（图2）。埋藏深度越大，古温度（成岩温度）值越高。13号样品（韦5，1071.90m）成岩温度为64.57℃，11号样品（韦2，1445.28m）成岩温度为67.98℃，12号样品（韦3，1645.36m）成岩温度为71.66℃，6号样品（马7，2108.44m）成岩温度79.50℃。4个样品很好地反映出成岩温度与埋藏深度的线性关系，即温度由低到高，埋藏深度由浅到深。但也发现成岩温度和埋藏深度不成正比的样品，包括2号样品（马11，2097.20m），4号样品（韦4，1686.02m），9号样品（韦9新，1353.65m）。可能是由于砂岩中碳酸盐岩在形成时期，受到外来水体介质的影响，导致碳酸盐岩的氧同位素受温度的控制作用减弱，因而在利用δ18O计算成岩温度时，结果会有偏差。总之，阜宁组碳酸盐岩大致属于埋藏深度较浅、成岩温度偏低的形成条件。

图1 阜宁组一段δ18O值纵向分布Fig.1 Scatter plot of δ18O of Funing Formationin

图2 阜宁组一段成岩温度和埋藏深度关系Fig.2 Scatter plot of diagenetic temperature and burial depth of Funing Formation

2 古湖泊学分析

湖泊碳酸盐岩碳氧同位素很好地记录了湖泊沉积的指标。在判断湖泊类型中，通过研究碳氧同位素的演化和两者之间的相关性可以确定湖泊的封闭性和水文状况。

2.1 湖泊碳酸盐碳氧同位素原理

影响湖泊沉积碳酸盐岩的碳氧同位素演化的因素很多，同时，影响δ18O和δ13C的因素不同，所以两者可以记录不同的沉积环境指标[1,5]。湖泊沉积碳酸盐岩的碳主要来自于湖水溶解的无机碳（TDIC），在开放性湖泊中，湖水溶解的无机碳主要受到入湖流体的影响，McKenzie的研究表明，现代湖泊水体的δ13C值范围与注入其中的河水和地下水相似，一般在-10‰左右[6]。在封闭性湖泊中，水体滞留时间长，由于蒸发作用的增强，12C优先从湖水表明逸出，δ13C含量增加，加上藻类植物的光合作用，使δ13C进一步富集。氧同位素值除了与湖泊中氧同位素成分有关之外，还受到温度、气候、蒸发量和注入量的影响[7,8]。雨季或较为潮湿的季节，注入量大于蒸发量，δ18O就会减小；干旱季节，气温较高的情况下，蒸发量大于注入量，δ18O就会增加。此外，对于大中型封闭性湖泊，体积大，水体的滞留时间长，没有水体的注入，蒸发作用强烈，所以蒸发量会大于注入量，使湖水的δ18O增加，可能会达到正值。在开放性湖泊，由于水体的频繁注入，使得注入量大于蒸发量，δ18O值就会偏负，与注入的水体（例如地下水、河流、雨水）的氧同位素值相当。

2.2 开放性湖泊与封闭性湖泊

决定开放性和封闭性湖泊的区别在于控制碳酸盐岩碳氧同位素的因素不同[1,5]。在开放性湖泊，水流快速流动，停留时间短，碳氧同位素主要取决于注入水体的碳氧同位素，这些水体（河流、地下水、雨水）中，影响碳氧同位素的因素不一致，因而两者没有相关性或者相关性

不明显。例如瑞士格赖芬湖（Greifensee）、美国亨德森湖（Henderson）和以色列呼勒湖（Huleh），碳酸盐岩的δ18O和δ13C均为负值，在以δ18O为横坐标，δ13C为纵坐标，以0为原点的坐标系中，开放性淡水湖泊的投点均在第三象限，并且δ18O和δ13C值之间呈不相关性或略相关性（图3）；而封闭性湖泊中，水体停留时间长，蒸发作用起决定性作用[7,8]，在蒸发作用下，δ18O和δ13C值均增加，具有共变趋势，所以两者具有相关性，如美国大盐湖（Great Salt Lake）、吐尔卡纳湖（Turkala）、纳特龙—马加迪湖（Natron-Magadi），碳酸盐岩的δ18O正负值均有，δ13C基本为正值，其投点大多落在第一、四象限（图3），δ18O和δ13C值之间呈明显的线性相关，湖泊封闭性越强，相关系数越大[7～9]。当相关系数R2＞0.5时，湖泊为封闭性湖泊[8]。

图3 样品的碳酸盐碳氧同位素值在现代开放型和封闭型湖泊中原生碳酸盐碳氧同位素分布区的投影Fig.3 Plot of δ18O and δ13C values of lacustrine carbonate rocks from the samples and comparison with δ18O and δ13C domains of primary lacustrine carbonates in modern open and closed lakes

苏北盆地高邮凹陷韦马地区阜一段样品的碳、氧同位素均为负值，δ13C值在-2.05‰～-6.44‰，平均值为-3.74‰；δ18O值在-8.33‰～-12.08‰之间，平均值为-10.48‰。碳、氧同位素比值偏低，变化幅度较小，表明阜一段沉积时期气候温暖湿润，入湖水源比较稳定，以陆源河流或大气降雨为主[10]。通过在Leeder M R的δ13C控制因素图上投点，结果表明阜宁组一段沉积岩中的碳酸盐岩沉积与土壤—风化作用有关[3]（图4）。

图4 高邮凹陷阜一段碳酸盐岩δ13C值分布Fig.4 Plot of δ13C values of carbonate rocks of Funing Formation in Gaoyou Sag

Drummond 等认为世界上不同地理、构造背景下现代和古代的非海相碳酸盐岩的δ18O值大多在-15‰～5‰之间[11]；Kelts等认为湖相原生碳酸盐岩的δ13C为-2‰～6‰[9]。阜宁组一段碳酸盐岩的δ18O和δ13C值与世界其他地区的湖相碳酸盐岩的碳、氧同位素的值保持一致。

高邮凹陷韦马地区阜一段样品测定值在现代不同类型湖泊原生碳酸盐岩的碳氧同位素的分布图上的投影，落点均在开放性湖泊分布区（图3），δ13C和δ18O的值散点图中，两者的相关性系数R2=0.0051（图5）。根据前文所知，封闭性咸水、半咸水湖泊中，δ13C和δ18O值之间相关性系数R2＞0.5，而在本研究区R2为0.0051，远小于0.5。所以从湖泊碳酸盐岩的碳、氧同位素特征表明，阜宁组一段沉积时期的湖泊为一个开放性的淡水湖泊。

图5 高邮凹陷阜一段湖相碳酸盐δ13C和δ18O值散点图Fig.5 Scatter plot of δ13C and δ18O values of lacustrine carbonate rocks from 1th of Funing Formation in Gaoyou Sag

2.3 湖泊的古生产力

图6 高邮凹陷阜一段湖相碳酸盐岩δ13C变化曲线Fig.6 Variation of δ13C from lacustrine carbonate from 1th of Funing Formation in Gaoyou Sag

不同于氧同位素受多种因素的影响，湖相碳酸盐岩的碳主要来自于湖水溶解的无机碳（TDIC），故影响湖水中溶解的无机碳碳同位素组分的一个重要因素就是湖泊的生产力[1,12]。湖泊的生产力高时，大量的浮游植物通过光合作用吸收较多的12C，使溶解的无机碳13C含量增加，原生碳

酸盐岩的碳同位素值就会偏正。由此可以根据湖相碳酸盐岩碳同位素值的变化来恢复湖泊的生产力变化[1]。

阜一段δ13C值可以看到，埋深由深变浅，除了在1600～1750m之间有一个明显的δ13C值偏负的阶段外，δ13C值经历了两个偏正段，即埋深小于1600m和1750～2100m井段，表明古湖泊生产力较高（图6）。总体上埋深由深到浅，δ13C值升高，反映了湖泊古生产力具有由低到高的变化趋势。

3 结论

（1）通过岩样碳酸盐岩碳、氧同位素的测定，苏北盆地高邮凹陷阜一段为淡水陆相沉积，大致属于埋藏深度较浅、成岩温度偏低的形成环境。

（2）碳氧同位素相关系数远小于0.5，表明苏北盆地高邮凹陷阜一段沉积期属于开放型淡水湖泊。

（3）阜一段沉积期湖泊古生产力具有分段性，埋深小于1600m和1750～2100m之间的古湖泊生产力较高。总体上，埋深由深变浅，湖泊的古生产力具有由低变高的趋势。

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Environmental recovery of paleo-lakes in the Funing formation (E1f1), Gaoyou Sag, Subei Basin

DING Lin-Lin, FU Qiang, XIA Yan
(School of marine and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Carbon and oxygen isotopes have been widely used as a means of reconstructing ancient environments. A total of 13 sandstone samples were collected from the Funing Formation (E1f1) in Gaoyou Sag, WeiMa region. A MAT-252 stable isotope ratio mass spectrometer was used to measure δ18O and δ13C in all samples. δ13C values range from −2.05‰ and−6.44‰, and the δ18O values range from −8.33‰ and −12.08‰. These values are comparable with carbonate rock marine and terrestrial isotope values, suggesting that the lakes developed into the open inland freshwater lakes in Funing Formation sedimentary period. Diagenetic tempterature is low, and the ancient productivity of the lake with piecewise sex. The ancient productivity of the lake changed from low to high with decreasing depth.

sedimental environment; ancient lake; carbonate rock; carbon and oxygen isotope; Gaoyou Sag; Funing Formation stratum

P736.22

A

2095-1329(2015)01-0086-04

2014-11-20

2015-01-26

丁林林(1990-),女,硕士生,主要从事沉积学及储层地质学方面研究.

电子邮箱: dll0410@163.com

联系电话: 021-65980148

国家科技重大专项“鄂尔多斯盆地大型低渗透岩性地层油气藏开发示范工程”(2011ZX05044)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.01.020