青海德令哈盆地石炭纪古环境研究

孙娇鹏,陈世悦,彭　渊,刘文平,马　帅,邵鹏程,刘　金

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东　青岛　266580;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京　100081;3.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院,四川　成都　610051)



青海德令哈盆地石炭纪古环境研究

孙娇鹏1,陈世悦1,彭渊2,刘文平3,马帅1,邵鹏程1,刘金1

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东青岛266580;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081;3.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院,四川成都610051)

采自德令哈地区石炭系的12个碳酸盐岩样品测试、分析结果表明，德令哈地区石炭纪整体为分层中等的弱还原海相环境，水体受陆源碎屑注入影响明显。这种湿热、还原的高盐度水体利于生物的繁盛及有机质的保存，使德令哈地区石炭系发育极为优越的烃源岩条件。垂向上，克鲁克组偏高的咸化程度及分层程度，表明克鲁克组沉积水体相对闭塞、咸化程度较高，而怀头他拉组、扎布萨尕秀组灰岩形成于水体交换相对通畅的海域。从岩性组合、陆源碎屑注入变化及盐度、还原性的差异来看，克鲁克组主体为局限台地环境，而怀头他拉组、扎布萨尕秀组为开阔台地。作为对克鲁克组高盐度、还原性水介质环境的响应，克鲁克组烃源岩TOC条件要比怀头他拉组及扎布萨尕秀组优越。

德令哈盆地;石炭纪;碳酸盐岩;地球化学;古环境

柴东北缘德令哈地区是柴达木盆地前中生界海相勘探最有希望取得突破的地区，石炭系是该区海相油气勘探的热点所在。近些年的工作取得了较大进展，落实了石炭系在整个地区的大面积分布，发育高演化阶段的优质烃源岩以及厚度巨大的碳酸盐岩、碎屑岩储层，地表发现大量油砂等油气显示[1]。但沉积学工作开展较少，仅部分学者在对柴达木盆地古生代构造-古地理的论述中顺带进行了介绍，总体研究程度较低。

现今保存在沉积岩中的地球化学信息是物源区岩石地球化学性质、沉积介质物理-化学条件及成岩过程中地下流体性质的综合体现，但不同地质过程对不同元素的影响程度不一，部分具有特殊指示意义的元素在不同阶段的可迁移性及不可迁移性存在明显差异。因此，选取不同元素或元素组合，可以通过同一岩石的地化参数对物源区、沉积水体及成岩流体环境等进行综合示踪[2-4]。

本文主要围绕着石炭纪古水体的物理-化学性质开展研究。在对石炭系地层特征、岩石学特征、古生物特征及沉积特征简要介绍的基础上，通过对相关特征地球化学参数的选取、分析及讨论，对德令哈盆地石炭纪古环境中的盐度、氧化-还原状态及碎屑注入等特征因子进行综合判断。

1　区域地质概况

研究区位于青海省中部海西州首府德令哈市以西，大地构造位置介于鱼卡-沙柳河加里东期造山带及宗务隆-土尔垦大坂晚古生代—早中生代裂陷槽之间，地层分区属柴北缘地层小区。石炭纪研究区所在的欧龙布鲁克地块与柴达木地块已完成拼贴，而北面宗务隆-土尔垦大坂一带则形成裂陷槽。在此背景下，受来自北面宗务隆裂陷槽海侵的影响，研究区石炭纪发育一套碎屑岩-碳酸盐岩混合沉积建造(图1，图2A、B)。

图1研究区地质简图(据孙娇鹏等[5]，2014修改)

Fig.1Simplified geological map of the Delingha Basin in Qinghai

图2德令哈地区石炭系典型照片

Fig.2Representative pictures for individual Carboniferous Formations in the Delingha Basin

区内石炭系与泥盆系为不整合接触，与上覆二叠系为连续沉积，主要发育下统的城墙沟组、怀头他拉组以及上统的克鲁克组与扎布萨尕秀组下部。城墙沟组及怀头他拉组均分为下部砂砾岩、泥岩互层段及上部厚层碳酸盐岩段，也有学者认为城墙沟组与扎布萨尕秀组属同一层。上石炭统克鲁克组及扎布萨尕秀组下部岩性组合较为接近，以黑色、碳质泥页岩与生屑灰岩互层并夹薄煤层为主要特点，克鲁克组中部及扎布萨尕秀组底部发育砂砾岩沉积(图1)。石炭系在石灰沟及城墙沟出露最好，城墙沟出露城墙沟组，其余层段均在石灰沟出露。青海油田等单位在这两个地区开展了大量古生物、地层等工作，是柴北缘石炭系标准剖面。

2　样品采集与测试方法

Tribovillard等[6]认为大规模陆源碎屑物质注入会很大程度影响沉积物的地球化学特征，其元素不宜做环境分析。为了减少陆源碎屑注入对REE、Th、U等大离子亲石元素以及Zr、Hf等高场强元素等的影响，本次全部采集灰岩样品进行测试。测试样品全部采集于石灰沟，采样位置见图1(样品所在层段与图1描述一致，但垂向位置可能略有差异)。采样时，洗去表面钻井泥浆，在实验室内粉碎至200目，主、微量、稀土元素含量测试在广州澳实矿物实验室完成。主量元素分析将样品在105℃预干燥1-2小时，然后准确称取0.9g样品，煅烧后加入Li2B4O7-LiBO2助熔物，充分混和后，放置在自动熔炼仪中，使之在1000°C以上熔融。熔融物倒出后形成扁平玻璃片，再用X荧光光谱仪(AXIOS)分析。同时称取3g样品，1000℃下测定烧失量(LOI)。微量元素分析称取0.25g样品用HClO4、HNO3、HF消解。蒸至近干后的样品用稀HCl溶解定容，再用美国AgilentVISTA型等离子体发射光谱与Agilent7700x型等离子体质谱进行综合分析。称取0.1g样品进行稀土元素分析，将试样加入到硼酸锂熔剂中，混合均匀，在1000°C以上的熔炉中熔化。熔液冷却后，用4%的硝酸定容至100ml，再用美国Agilent7700x型等离子体质谱仪分析。从测试结果(表1)来看，碳酸盐岩样品中微量元素丰度整体比陆源碎屑岩低。分析过程中，考虑到碳酸盐岩的特殊性，未采用V/Cr等不适用于碳酸盐岩环境分析的指标[7]。

3　水体古盐度

由于MgO具有亲海性，Al2O3具有亲陆性，镁铝比值m(m=100×MgO/Al2O3)可作为衡量沉积水体盐度的指标。m≤1则为淡水环境，1～10属海陆过渡环境，介于10～500为海相环境[8]。测试样品m值介于12.12～116.13之间，平均为35.04，表明该区属海相沉积。12个样品Ca/(Ca+Fe)均大于0.94，高于0.89的海水底限值[9]，同样表明研究区为海相环境。K元素含量受陆源碎屑注入量控制，Rb易被粘土及有机质吸附，受水体盐度影响明显[10]。因此，Rb/K受水体盐度控制，海相咸水中Rb/K值≥0.006，微咸水≥0.004[11]。研究区Rb/K最小值为40，远大于0.006，可见所采样品均是在盐度较高的海相咸水环境中形成的。

浅海环境Sr含量>160μg/g、Ga含量<15μg/g、V含量<86μg[12]，研究区Sr、Ga及V值均明显处于海相沉积范围。碱土元素Sr、Ba化学性质较为接近，但Sr比Ba迁移能力强，当河水(淡水)与海水(咸水)混合时，淡水中的Ba2+易与海水中的SO42-结合，形成BaSO4，并在靠近海岸附近沉淀；而SrSO4溶解度较大，故而沉淀在较深处。因而沉积物中的Sr/Ba比值可以反映沉积水体离岸距离(古水深)、陆源物质注入情况及古水体盐度。测试样品Ba质量分数较低(20～130μg/g，平均60μg/g)，Sr含量较高(除ht1外，分布在232～814ug/g之间)，Sr/Ba均值为14.26。王益友等[13]认为，Sr/Ba值>0.6为微咸水相，>1为咸水相。测试样品富Sr、贫Ba及极高Sr/Ba值表明研究区属盐度较高的海水环境沉积。

随着陆源碎屑影响程度增大，Ce异常值δCe(δCe=Ce/Ce*=2×CeN/(LaN+PrN)自大洋中脊(0.29)→大洋盆地(0.55)→大陆边缘(0.9～1.03)逐渐增大[14]。研究区样品δCe分布区间为0.43～1.02，平均为0.75，样品这种较为明显的负异常特征反映了介于大洋盆地-大陆边缘之间的海洋环境。

表1　研究区石炭系样品微量元素统计表

4　古环境氧化-还原、水体分层状态

Ce异常(δCe)与Ceanom指数常被用来作为判断古水体介质氧化还原条件的标志。变价元素Ce包括Ce3+及Ce4+两种价态，氧化条件下Ce3+被氧化为很难被溶解的Ce4+，因此海水中亏损Ce而沉积物中富集Ce；缺氧还原环境下，沉积物中的Ce4+重新转化为Ce3+释放到水体中，导致沉积物中Ce亏损[15]。Elderfield[16]将Ce、La、Nd之间相关的变化称为铈异常(Ceanom)，Ceanom=lg[3CeN(2LaN+NdN)](N为北美页岩标准化值)，并认为Ceanom受沉积环境氧分压控制，Ceanom>-0.1则Ce富集，为缺氧还原环境；<-0.1则Ce亏损，反映富氧氧化环境。12个样品测试结果中，除怀头他拉组3个样品Ceanom略大于-0.1外，其余样品均小于-0.1，总体为弱氧化-弱还原环境。测试样品w(Ce)/w(La)值除zb1、zb2及zb4之外均>1.5且大多数<2，说明当时水体贫氧-厌氧[17]。

氧化状态及还原状态的改变会导致Th和U化学性质的分异[18]，表生环境下，Th4+不易溶解。U在强还原状态下为不溶于水的U4+，而在氧化状态下以易溶的U6+存在，导致沉积物中U的亏损。基于Th和U地球化学性质的差异，常用&U值(&U=U/[0.5×(Th/3+U)])和Th/U比值法衡量沉积水体的Eh状态[19-20]。若&U>1，Th/U<2，则表明水体缺氧。测试样品&U均值>1.60，最小值>1.20，全部>1;Th/U均值0.79，最大1.11，均<2，表明德令哈地区石炭纪盆地整体缺氧。

铁族元素V、Ni在水体中的存在状态受氧化还原电位控制，相对于Ni来说，V聚集在强烈还原的富硫化氢环境中[17]。V/(V+Ni)>0.84反映水体分层，沉积物表面呈现富H2S的厌氧环境；V/(V+Ni)介于0.6～0.82，表现为水体分层不是很强的厌氧环境；当比值较低时(0.46～0.60)则说明水体分层较弱存在一定氧气。12个测试样品V/(V+Ni)值分布在0.24～0.68之间，除样品ht1、zb1及zb4偏低之外，全部大于0.46，说明该区水体整体为分层不强的弱还原环境。Jones等[21]认为，Ni/Co>7即为还原环境，<5为氧化环境。3个组的Ni/Co均值分别为11.52、5.90、7.05，除个别样品低于5之外，大多数样品分布在5～7之间，反映水体整体贫氧。梅水泉[22]认为，在沉积作用中，铜族元素Zn、Cu随介质氧逸度不同而产生分离，即Cu/Zn比值随介质氧逸度增加而增大，>0.63即为氧化环境。测试样品Cu/Zn比值在0.1～0.6之间，大多数介于0.21～0.63的弱还原范围内，表明水体总体缺氧。

5　古气候及水体蒸发

Sr/Cu比值介于1～10之间指示温湿气候，而>10指示干热气候；同样，Mg/Ca比的高值指示干热气候，低值指示温湿气候[23]。除ht1外，样品Sr/Cu均大于199.93，Mg/Ca值均大于71，指示干热气候条件。

本次样品Fe/Mn比值极低，分布在0.000963～0.003095之间，这种极低的Fe/Mn值是干热气候的响应[24]。Rb/K和Sr/Ba比值是水体盐度的体现。宋明水[24]强调，由于Rb、K及Sr、Ba溶解度的差异而导致沉淀顺序有别，Rb相对于K、Sr相对于Ba，均具有高的溶解度，高蒸发、高浓缩、高盐度的水体才会出现极高的Rb/K和Sr/Ba比值。区内Rb/K比值(平均48.9)、Sr/Ba比值(平均15.49)极高，客观反映了当时较为干热、强蒸发的古环境。

6　陆源物质注入

V、Nb、Sc、Th及Ti等赋存于重矿物的元素在岩石风化、搬运及沉积、成岩过程中具有极强的稳定性，在水体中存留时间极短，在自生物质中具有极低的富集程度。所以在海底沉积物中，这些几乎全部来源于陆源碎屑的元素客观地反映了陆源碎屑的供给情况。平面上，这些元素均具有近岸沉积特征，向盆地中心含量迅速下降；垂向上，这些元素的含量变化反映了陆源碎屑物质注入速率及沉积滨线迁移轨迹的变化。以Ti、V为例，Ti是一种较稳定的元素，一般不形成可溶性化合物，所以海水中Ti的含量很低[11]，沉积物中Ti主要来源于盆外[25];V在泥岩、黏土岩中质量分数最高，平均达130μg/g，这是由于黏土矿物对V的吸附作用所致，而碳酸盐岩中V的平均含量要低得多(2.2μg/g)[25]。从表1可以看出，石炭纪时期研究区碎屑物质供给较强，以V为例，克鲁克组灰岩的V含量约为正常碳酸盐岩的两倍以上，明显高于其余样品。表1中列述的Sc、Th及Ti等元素也具一致的变化规律，说明克鲁克组碳酸盐岩沉积期受到较强陆源碎屑注入的影响。

7　讨论与结论

在应用某类元素讨论特定问题的时候往往会近似认为在其它地质过程中该类元素含量或比值变化不明显，但事实上，保存在沉积岩中的各种元素含量、比值的变化规律极为复杂。一方面受元素本身的地球化学行为影响，另一方面又与沉积物化学组成复杂的多因素(比如成岩流体等)控制有关。任何判别标准都存在一定局限性与不确定性，因此得出的判别结果不尽相同。所以，仅仅通过单一元素或某几个元素的变化规律，很难全面、客观、准确地对问题进行合理的解释。

图3研究区典型地化参数垂向变化图

Fig.3Vertical variations of representative geochemical parameters for the Delingha Basin

图4德令哈地区烃源岩有机碳含量统计图

Fig.4Statistics of the organic carbon contents in the source rocks from the Delingha Basin

岩相组合上，克鲁克组呈现暗色泥岩与灰岩互层的岩性组合特点(图2A、B)，而怀头他拉组与扎布萨尕秀组主要发育厚层碳酸盐岩沉积(图2C、D、E、F、G、J)。克鲁克组颗粒灰岩(主要是生屑灰岩与礁灰岩)含量、厚度明显小于另外两个组。Rb/K值及Sr/Ba值及K/Na值等表明克鲁克组具有相对较高的古盐度。同时，克鲁克组样品的V、Nb、Sc、Th及Ti含量要明显高于怀头他拉组与扎布萨尕秀组，大约是其它两个组含量的两倍，说明克鲁克组沉积期具有较多的陆源碎屑物质的注入(图3)。德令哈海盆石炭纪的咸化与与陆源碎屑注入有关，陆源碎屑中的Mg、Na等碱金属元素为水体咸化提供了充足的阳离子。克鲁克组偏高的咸化程度及分层程度，意味着克鲁克组沉积水体相对闭塞、咸化程度较高，而怀头他拉组、扎布萨尕秀组灰岩形成于水体交换相对通畅的海域。从岩性组合、陆源碎屑注入变化及盐度、还原性的差异来看，克鲁克组主体为局限台地环境，而怀头他拉组、扎布萨尕秀组为开阔台地。导致水体分层中等的可能原因主要有两个方面：一是频繁的风暴作用，研究区全部灰岩均存在明显的风暴涡流侵蚀痕迹(图2J)，风暴搅动导致水体与空气频繁交换，造成氧气含量的提升;二是陆源碎屑注入导致的水体分层破坏。研究区碳酸盐岩整体不是很纯，常夹砂岩透镜体(图2K)或形成混积岩(图2L)，这说明粗陆源碎屑高频进入盆地，携带碎屑物质的淡水会破坏海水的分层，导致环境中Eh值趋向氧化。

石炭纪时期，研究区湿热的高盐度海相环境利于植物及海洋生物的繁盛，总体闭塞、还原的水体条件利于沉积物中有机质的保存。在此背景下，德令哈地区石炭系各个层段均发育有烃源岩，不论碳酸盐岩还是泥质烃源岩样品总体具有相对较高的TOC含量(图4)。从3个组的对比来看，克鲁克组的泥质烃源岩及碳酸盐岩烃源岩较怀头他拉组及扎布萨尕秀组都好得多，体现为高TOC样品绝大多数出现在克鲁克组(图4)，这与克鲁克组具有的高盐度、还原性的水介质环境相吻合。

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Palaeoenvironments of the Delingha Basin in Qinghai during the Carboniferous

SUN Jiao-peng1, CHEN Shi-yue1, PENG Yuan2, LIU Wen-ping3, MA Shuai1, SHAO Peng-cheng1, LIU Jin1

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,Shandong,China; 2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China; 3.SouthwestOilandGasFieldCompany,CNPC,Chengdu610051,Sichuan,China)

The analyses of 12 pieces of carbonate rock samples from the Carboniferous strata in the Delingha Basin, Qinghai have reflected that during the Carboniferous, the Delingha area was once in the marine saline water environments with saline and dysaerobic sea water, humid and highly evaporated conditions, and plenty of terrigenous supply. This type of humid and reducing environments may be favourable for the propagation of organisms and preservation of organic matter, and thus may be the ideal sites for the development of the Carboniferous source rocks. Vertically, higher salinity and stratification of sea water in the Keluke Formation suggest the relatively enclosed and salinized sea water in the restricted carbonate platform environment, while in the Huaitoutala and Zhabusagaxiu Formations, the sea water was well connected in the open carbonate platform environment. It can be seen that the total organic contents in the Keluke Formation are higher than those in the Huaitoutala and Zhabusagaxiu Formations in the Delingha Basin.

Delingha Basin; Carboniferous; carbonate rock; geochemistry; palaeoenvironment

1009-3850(2016)02-0030-08

2014-09-28； 改回日期： 2014-10-10

孙娇鹏(1988-),男,博士研究生,沉积学专业。E-mail:sunjiaopeng@163.com

本文为国土资源地调项目(资[2014]03-025-002、12120113040000-3)资助成果

P534.45

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