痕量元素和碳氧同位素在塔里木盆地西南缘棋盘组沉积环境研究中的应用

孟苗苗, 康志宏, 樊太亮, 冯晓利, 童雪飞, 于　超

(1.中国地质大学 能源学院，北京 100083；

2.中国地质大学“海相储层演化与油气富集机理”教育部重点实验室，北京 100083；

3.中国石油天然气股份有限公司 冀东油田分公司，河北 唐山 063004)



痕量元素和碳氧同位素在塔里木盆地西南缘棋盘组沉积环境研究中的应用

孟苗苗1,2, 康志宏1, 樊太亮1,2, 冯晓利1, 童雪飞1, 于超3

(1.中国地质大学 能源学院，北京 100083；

2.中国地质大学“海相储层演化与油气富集机理”教育部重点实验室，北京 100083；

3.中国石油天然气股份有限公司 冀东油田分公司，河北 唐山 063004)

[摘要]以塔里木盆地西南缘中二叠统棋盘组为例，通过痕量元素和碳氧同位素对古盐度、古气候和氧化还原环境进行分析，进而恢复沉积环境。用ICP-MS光谱仪和MAT-251稳定同位素质谱仪分别对棋盘组样品进行痕量元素和碳氧同位素测试分析，选取B含量、B/Ga、Sr/Ba和V/(V+Ni)和碳氧同位素作为判别沉积环境的指标，分析结果表明棋盘组主要发育在盐度较高、温暖-炎热的近岸海相沉积环境和有利于有机质形成的贫氧-厌氧环境；分析垂向上痕量元素和碳氧同位素参数与海平面变化的关系，认为参数的变化与海平面升降有一定的相关性，棋盘组下段整体上表现为一个海退到海侵的过程，其中有4次完整的次级旋回，由于海平面的不断变化使得棋盘组岩性表现为泥岩和生物碎屑灰岩的频繁互层。

[关键词]痕量元素；碳氧同位素；沉积环境；塔里木盆地；棋盘组

Application of trace elements and carbon-oxygen isotopes on

the research of sedimentary environment of the Qipan Formation in

the southwest margin of Tarim Basin, China

沉积环境是影响沉积物地球化学元素富集与分散的重要因素之一，反之，沉积物的地球化学元素能很好地记录古环境性质及其演化信息，因此可以运用地球化学标志来指示沉积环境。国内外学者在地球化学方法判别沉积环境方面做了大量的研究工作[1-11]，尤其是Walker和Couch利用B含量的变化在古盐度方面的研究以及Hatch和Jone等利用元素地球化学在氧化还原环境判别方面的研究[1-4]。随着仪器水平的提高和对沉积环境研究由定性向定量的发展，地球化学在沉积环境判别中受到越来越多的重视[12-18]。实践表明在沉积环境的综合分析中，地球化学因素的确是不可缺少的标志之一。

发育在塔里木盆地西南缘的中二叠统棋盘组为重要的烃源岩层，前人在宏观岩相学、古生物学和地层学等方面做了一定的研究[19-21]，但是缺乏地球化学方面的定量研究，从而限制了对棋盘组沉积环境的深入认识。对棋盘组痕量元素和碳氧同位素的分析有利于加深对其沉积环境的认识和层序地层的划分，对油气勘探具有重要意义。基于此，笔者选取出露较好的炮江沟剖面进行连续取样，通过痕量元素和碳氧同位素分析方法来揭示其古盐度、古气候和氧化还原环境，进而分析沉积环境，并探讨痕量元素和碳氧同位素参数在纵向的变化与海平面升降的关系。

1地质概况

塔西南拗陷为塔里木盆地一级构造单元，面积约0.12×106km2，位于盆地西南部，是一个经长期发展形成的复合型前陆拗陷[22,23]。其地质演化与塔里木地块和西昆仑造山带密切相关[24]，从南西向北东由山前冲断褶皱带、盆地拗陷带和麦盖提斜坡三大构造单元组成(图1)。早二叠世为塔西南拗陷前陆盆地发展阶段早期，气候湿润，海平面位于高位期，水体安静，形成了以碳酸盐岩为主的沉积体系。中二叠世，区域性挤压作用使得海水向西南方向退缩，海平面开始下降，由于波浪作用和潮汐作用的共同影响，细粒陆源碎屑岩和海相生物碎屑岩交替发育，形成海陆交互相混合沉积；同时该区发生了小规模的火山活动。晚二叠世，受板块挤压构造运动和海平面变化的影响，塔里木盆地西南缘海水全部退出，成为内陆拗陷盆地。

中二叠统棋盘组主要岩性为灰色、灰黑色、紫红色、灰绿色泥岩、生屑灰岩与砂岩、粉砂岩互层，中段见有玄武岩夹层(图2，图3)。该组所含的生物化石以腕足类最为常见，如Orthoteitian、Orthotetes、Neoplicatifera、Kunlunia等，厚度334～838 m[25]；上部与中二叠统达里约尔组呈整合接触。达里约尔组由灰绿色、紫灰色岩屑砂岩、钙质岩屑砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩夹细砾岩透镜体组成，砂岩具有板状、楔状交错层理和平行层理，为河流相沉积。下部与下二叠统克孜里奇曼组呈整合接触。克孜里奇曼组岩性以浅灰、灰白、灰色厚层-块状灰岩、生屑灰岩、鲕粒灰岩为主，夹灰黑色薄—中厚层灰岩，厚度69.7~114.4 m。

图1　塔西南拗陷构造及剖面位置图Fig.1　Tectonic setting and location of profile insouthwest Tarim Basin1.地名; 2.剖面位置; 3.盆地边界; 4.构造边界

图2　炮江沟剖面棋盘组野外照片和样品显微照片Fig.2　Photographs and micrographs of samples of Qipan Formation in Paojianggou profile(A)宏观照片; (B)生屑灰岩照片; (C)样品PJ02显微照片; (D)样品PJ01显微照片

图3　炮江沟剖面中二叠统棋盘组柱状图Fig.3　Stratigraphic column of Qipan Formation in Paojianggou profile1.泥岩; 2.粉砂质泥岩; 3.泥质粉砂岩; 4.粉砂岩; 5.细砂岩; 6.中砂岩;7.砾状粗砂岩; 8.辉绿玢岩; 9.生屑灰岩; 10.核形石灰岩

2样品采集和测试

炮江沟剖面位于新疆维吾尔自治区泽普县和什拉甫乡附近(图1)。共采集新鲜无污染样品16件，从底到顶编号依次为PJ01—PJ16。样品粉碎至<100 μm，置于烘箱中在105℃烘3 h，取出后放在干燥器中冷却至室温。痕量元素以沉积岩中金属元素的电感耦合等离子体原子发射光谱分析方法(SY/T 6404-1999)为依据，采用ICP-MS-1000Ⅳ型等离子体发射光谱仪测定；δ13C和δ18O 值是采用磷酸法制气体CO2，在 MAT-251 质谱仪上测定。样品分析均在华北石油邦达新技术有限公司完成，痕量元素和碳氧同位素测试及分析结果见表1。

表1　炮江沟剖面棋盘组痕量元素和碳氧同位素测试及分析结果

“w”表示质量分数。

3分析方法和结果

痕量元素和碳氧同位素值的高低与古盐度、古气候和氧化还原环境密切相关，本次研究着重从这3个方面来分析棋盘组的沉积环境。采用B含量及wB/wGa、wSr/wBa和碳氧同位素法同时分析其盐度；采用氧同位素法来分析古气候；采用wV/wV+Ni来分析其氧化还原环境。

3.1古盐度

(1)研究认为B在海相泥质沉积物中含量较高，且海水中B的含量与盐度存在线性关系[2]，因此B的含量可以指示古盐度。不同的学者对其沉积环境判别依据不同(表2)，笔者依据邓平[27]的判别指标来分析棋盘组的古盐度及沉积环境。棋盘组样品中PJ13和PJ12(岩性均为生屑灰岩)可能受火山活动影响，其B含量远远低于其他灰岩样品(质量分数分别为58×10-6和40×10-6)，排除这2个样品点后B的质量分数(wB)为131×10-6~370×10-6，平均值为220×10-6。认为棋盘组盐度较高，为正常海相沉积。同时可以看出，B的含量自下而上整体上表现为一个先下降再上升的过程。而且生屑灰岩样品中B的含量较相邻泥岩样品中的低，说明生屑灰岩的古盐度较相邻泥岩的低。

表2　不同沉积环境下B的含量(wB/10-6)

(2)B与Ga化学性质上的差异是wB/wGa可以作为古盐度指标的依据。国外一些报道认为wB/wGa<1.5为淡水相，5~6为近岸海相，>7为海相。邓平认为wB/wGa<3为淡水相，3~4.5为半咸水相，4.5~5为海相[26]；王益友认为wB/wGa<4为淡水，>7为海水[27]。其实不同地区确定盐度的界限值不同，但同一地区的盐度与wB/wGa的比值关系还是相当密切的。棋盘组样品wB/wGa介于0.98~14.23之间，平均值为4.82，属于近岸海相沉积。也可以看出wB/wGa表现为波动下降再上升的过程，生屑灰岩样品中wB/wGa也较相邻泥岩中的低。

(3)Sr和Ba均可以形成可溶性重碳酸盐、氯化物和硫酸盐进入水溶液中，但是Sr的化合物溶解度比Ba高，所以Sr的迁移能力要远高于Ba，因此wSr/wBa常作为水体盐度“指示剂”。曲星武等对二叠系样品数据分析认为，wSr/wBa>1.2代表水体盐度高、气候相对干燥的海洋沉积，wSr/wBa为0.6~1.2代表水体盐度较高、气候相对干燥的浅海过渡环境沉积，wSr/wBa<0.6则代表水体盐度低、气候相对湿润的大陆沉积[27]。棋盘组样品wSr/wBa为0.82 ~1.65之间，平均值为1.10，说明棋盘组属于盐度较高的浅海过渡相沉积。wSr/wBa虽表现出波动变化，但并未显示出与B和wB/wGa一样的上升过程以及与岩性明显的对应关系，所以对于wSr/wBa指示古盐度的精确度还需进一步研究。

(4)碳氧同位素法：生物体内的碳氧同位素组成受生命活动时期海水盐度、温度、气候等作用的控制，因此灰岩中的生物化石的碳氧同位素的变化可以作为反映古盐度、古气候等的可靠指标。Epstein等发现了海水中δ18O/δ16O值随盐度的增加而增加[28]，Clayton等也指出碳酸盐岩中碳同位素丰度与古盐度有关[29]，之后许多学者也证实了盐度和碳氧同位素丰度的正相关关系。所以本次研究对碳酸盐岩样品中的生物化石进行碳氧同位素测试，并采用Keith等人所提出的经验公式来分析古盐度[30]

Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

(1)

其中Z值是指示古盐度的参数，含盐度高，Z值大，反之则小。当Z>120 时为海相(或陆相湖泊咸水)灰(云)岩； Z<120时为淡水灰(云)岩(湖相碳酸盐岩)；Z=120时为未定型石灰岩。

参照公式(1)对研究剖面碳酸盐岩样品的碳氧同位素数据进行计算分析(表3)，可以看出棋盘组除了样品PJ02的Z值接近120(可能由于测试误差)外，其他样品Z值均大于120，平均Z值为123，说明棋盘组为海相沉积，盐度较高且盐度变化不大。

3.2古气候

Urey最早发现碳酸盐岩从水中沉淀时的温度变化导致碳酸盐岩δ18O/δ16O比值的变化，提出通过测定碳酸盐岩δ18O含量确定古海洋温度的可能性[31]。最常见的运用氧同位素计算古气候的关系式是Urey提出，由Craig进一步修改的经验公式[32]

t=16.9-4.2(δ18Oc-δ18Ow)+

0.13(δ18Oc-δ18Ow)2

(2)

其中:t为沉积时海水古温度；δ18Oc为样品实测值(PDB标准)，δ18Ow为沉积时海水值(SMOW标准)。但使用此公式所得的结果往往会出现较大的偏差，因为“年代效应”(时代越久远，δ18O值的偏差越大)影响明显。本次研究采用Keith等人实验提出的二叠纪样品δ18O校正值[30]，为Δδ18O=2.6‰。再根据Given提出的二叠纪大洋水δ18Ow值应为-2.8‰(SMOW标准)[33]，那么公式(2)就可以改写为

t校正=16.9-4.2(δ18O校正+2.8)+

0.13(δ18O校正+2.8)2

(3)

参照公式(1)和公式(3)对研究剖面碳酸盐岩样品的碳氧同位素数据进行计算分析(表3)，古温度范围在17.7~33.2℃，平均温度为27.8℃：认为研究区在这一时期表现为温暖—炎热的海洋性气候。

3.3氧化还原环境

表3　炮江沟剖面棋盘组碳氧同位素分析计算结果

Hatch和Jones等通过研究北美、北欧黑色页岩地球化学特征认为wV/wV+Ni为古缺氧环境的判识标志，其中wV/wV+Ni为0.54~0.72时为贫氧环境，>0.84为厌氧环境，0.46~0.6为富氧环境[3,4]。王争鸣通过对鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐沉积环境的研究发现wV/wV+Ni同样能够反映氧化还原环境[34]。对棋盘组所有泥岩和碳酸盐岩样品分析，wV/wV+Ni为0.39~0.84，平均值为0.68，其中绝大部分样品>0.6，所以棋盘组沉积物处于有利于有机质发育的贫氧-厌氧环境中。

4讨 论

据贾振远对鄂尔多斯盆地南缘奥陶系痕量元素含量研究表明，痕量元素平均含量的高低不仅与沉积环境密切相关，而且与海平面升降的变化有关[35]。鲍志东对塔中地区奥陶系的痕量元素特征和海平面升降的研究发现，痕量元素在浅水区较之在深水区对海平面升降具有更敏感的反应[12]。上述分析结果显示棋盘组发育在浅海沉积环境，基于此，笔者拟探讨棋盘组沉积时期痕量元素与海平面变化的关系。

图4　炮江沟剖面棋盘组元素及其比值与海平面的变化图Fig.4　The relationship between sea level change, element and element ratios forthe Qipan Formation, Paojiangou Profile

B的含量与水体的盐度呈正相关关系，而盐度的高低与海平面的变化有关，因此可用盐湖中B含量的变化曲线来描述海平面的变化趋势。从B含量纵向上的变化曲线(图4)中可以看出，高位体系域(HST)比低水位体系域(LST)时期的B含量相对要高。这说明高位体系域时期盐湖的海水介质盐度相对较高，而低水位体系域和海侵体系域时期，受陆缘淡水河流的影响较大，致使水体盐度降低，B含量相应降低。纵向上看，整体表现为一个海退到海侵的过程，其中有4次完整的海侵-海退的次级旋回。元素V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa和氧同位素也表现出同样的规律。wV/wV+Ni的变化曲线与海平面变化曲线呈负相关关系，说明wV/wV+Ni值在高位体系域比在海侵期(TST)和低位期大，即海平面越高，环境的还原性越强。由于海平面的不断变化，所以棋盘组岩性表现为泥岩和生物碎屑灰岩的频繁互层。

5结 论

a.痕量元素分析(B平均质量分数为220×10-6，wB/wGa平均为4.82，wSr/wBa平均为1.22)和碳氧同位素古盐度分析(Z值平均为123)均指示塔里木盆地西南缘中二叠统棋盘组为盐度较高的浅海过渡相环境；氧同位素古温度分析结果(17.8~33.5℃)，棋盘组属于温暖—炎热的海洋性气候；wV/wV+Ni(平均为0.7)代表棋盘组为贫氧-厌氧沉积环境。所以说，塔里木盆地西南缘中二叠统棋盘组主要发育在温暖—炎热、盐度较高的近岸海相沉积和有利于有机质富集的贫氧-厌氧环境。

b.分析纵向上B、V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa和wV/wV+Ni的变化与海平面变化的关系，认为B、V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa的变化和海平面的变化一致，而wV/wV+Ni与海平面变化呈负相关关系。棋盘组下段整体上表现为海退到海侵的过程，其中有4次完整的次级旋回。海平面的不断升降使得棋盘组表现为泥岩和生物碎屑灰岩的频繁互层。

c.无论野外剖面观测还是室内薄片观察中均发现海相生物化石(腕足类、海百合)，也说明棋盘组属于浅海相沉积，与上述通过痕量元素和碳氧同位素分析的结论一致。

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MENG Miao-miao1, 2, KANG Zhi-hong1, FAN Tai-liang1, 2,

FENG Xiao-li1, TONG Xue-fei1, YU Chao3

1.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

2.MinistryofEducationKeyLaboratoryofMarineReservoirEvolutionandHydrocarbonEnrichment

Mechanism,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

3.JidongOilfieldCompany,PetroChina,Tangshan063004,China

Abstract:Parameters of trace elements and carbon-oxygen isotopes are used to analyze the paleosalinity, paleoclimate and oxidation-reduction environment and reconstruct the sedimentary environment of the Middle Permian Qipan Formation in the southwest margin of Tarim Basin. The values of trace elements and carbon-oxygen isotopes are measured by ICP-MS spectrometer and MAT-251 stable isotope mass spectrometer, respectively. B, B/Ga, Sr/Ba和V/(V+Ni) and carbon-oxygen isotopes are used as indicators to determine the depositional environment. It shows that the Qipan Formation formed in a high salinity on shore marine sedimentary environment with a warm to dry climate, and in poor oxygen to anaerobic environment favorable to the enrichment of organic matter. It considers that the trace elements and carbon-oxygen isotopes parameters are closely related to the sea-level changes. The Qipan Formation shows a regressive to transgressive process with four sub-cycles, and the variation of sea-level results in the frequent occurrence of interbeds of mudstone and bioclastic limestone in Qipan Formation.

Key words:trace elements; carbon-oxygen isotopes; sedimentary environment; Tarim Basin; Qipan Formation

[文献标志码][分类号] P597.2; TE121.31 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.08

[文章编号]1671-9727(2016)01-0077-09

[收稿日期]2015-01-19。

[基金项目]全国油气资源战略选区调查与评价国家专项(第二批)(2009GYXQ02)。

[第一作者] 孟苗苗(1988-)，女，博士研究生，研究方向：沉积学, E-mail:mmm1988@126.com。