贵州地区下寒武统牛蹄塘组烃源岩热水沉积成因鉴别与强度评价
2018-06-22贾智彬侯读杰孙德强姜玉涵张自鸣中国地质大学北京能源学院北京100083海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室北京100083国土资源部页岩气资源战略评价重点实验室北京100083中国科学院科技战略咨询研究院北京100190
贾智彬，侯读杰，孙德强，姜玉涵，张自鸣，洪 梅[1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083； 2.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.国土资源部页岩气资源战略评价重点实验室，北京 100083； .中国科学院 科技战略咨询研究院，北京 100190]
热水沉积是当今地质学和地球化学的研究热点之一,被认为是继板块运动以来地学界的又一重大突破[1-6]。研究发现,现代海底热水流体中大多含有丰富的有机成分,许多优质的烃源岩也形成于古热水沉积区[7-12],这些证据表明热水沉积作用和优质烃源岩形成之间有着紧密的联系。
研究发现,V,Cr,As,Sb和U等微量元素在热水沉积物中普遍富集,而Al,Ti,Sc和Th等陆源输入标志性元素则相对亏损。前人根据热水沉积物中元素含量异常的特征总结出许多判别指标,如SiO2-Al2O3图、Al-Fe-Mn三元图解、Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)三元图解、Fe/Ti-Al/(Al+Fe+Mn)图、U-Th图、Zr-Cr图、MnO/TiO2- Fe2O3/TiO2图、REE标准化配分模式图和Eu异常系数等[13-20]。
早寒武世,上扬子地区同时受陆源输入和热水活动共同影响[6,9-12,21],普遍存在元素含量异常现象。但由于沉积环境复杂,一些常用的判别指标无法有效地区分热水沉积物与正常沉积物。因此,本文通过对贵州地区牛蹄塘组烃源岩的元素地球化学特征进行详细研究,并与有效的热水沉积判别指标相结合,从而找出能够判别和评价热水沉积作用的新指标,为研究受热水沉积影响形成的优质烃源岩提供新的理论依据。
1 地质背景
新元古代至早古生代,劳亚古陆中国南方区域发生强烈的拉张活动,生成扬子-华夏板块,并在早寒武世沿扬子板块南缘形成水体自西北向东南逐渐加深的地堑式槽状深水盆地,张性断裂剧烈程度达到峰值,岩浆和热水活动频繁[22-25],热水沉积物在埃迪卡拉系、寒武系广泛分布(图1)[26]。研究表明,在贵州地区发现的寒武系牛蹄塘动物群、遵义动物群等生物群与海底热水活动密切相关。
早古生代,上扬子板块分布有若干近东西向和北东向的张性断裂,明显控制该时期广泛沉积的一套黑色岩系。该地区自下而上为上震旦统灯影组浅灰、灰白色白云岩及条带状白云岩、夹碎屑状白云岩(Z2d)、寒武系牛蹄塘组黑色、灰黑色硅质岩、含炭质泥岩、粉砂质泥岩、硅质粉砂岩及深灰黑色炭质页岩(1n),两组地层呈假整合接触[27]。贵州牛蹄塘组硅质岩系在区域构造特征上属于稳定区向活动区过渡的部位,受控于紫云-垭都深大断裂,纳雍-息烽深大断裂和安顺-镇远深大断裂[28]。
2 样品采集及实验方法
野外露头剖面分别位于贵州省毕节市联兴村(LXC-01—04,硅质页岩)、贵阳市温水村(WSC-01—13,硅质页岩、页岩和钙质页岩)、遵义市中南村(ZNC-01—05,硅质页岩)、黔东南州羊跳村(YTC-01—03、05和06,硅质页岩)和黔东南州九门村(JMC-04—14,硅质页岩和钙质页岩),共计38件样品,均为下寒武统牛蹄塘组黑色岩系,自下而上进行编号(图2)。
图2 贵州地区下寒武统牛蹄塘组岩性柱状图Fig.2 Lithological columns of the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area
微量元素测试在中核集团核工业北京地质研究院完成。样品采用ELEMENT XR 等离子体质谱仪进行分析(GB/T 14506.30—2010)。元素富集系数(EF)用来表征元素在沉积物中的富集程度。选用平均页岩(AS)作为标准进行EF的计算[29-30],元素X的富集系数EFX计算公式如下:
EFX=(X/Al)样品÷(X/Al)AS
(1)
式中:X为某元素的含量,%;Al为Al元素的含量,%。
如果EFX>1,表明某元素相对于平均页岩富集；如果EFX<1,则说明该元素相对亏损。
3 热水沉积作用的判别
研究区受陆源输入、生物活动和热水活动等多种作用共同影响,沉积成因复杂。牛蹄塘组黑色页岩石英含量普遍较高,碳酸盐类矿物含量相对较少,以常见的热水沉积岩——硅质岩为主。许多热水沉积判别指标因成因复杂而无法应用(如含Mn的参数或关系图),或者不能准确地区分热水沉积作用、正常海水沉积作用和生物沉积作用(如Zr-Cr图和SiO2-Al2O3图等)等。因此本文选用Sb，As，Cr和U等热水沉积特征元素异常富集系数、U-Th图等对研究区热水沉积作用的存在与否进行判别。
3.1 U-Th图
研究区受陆源和生物输入等影响较大,许多判别标志无法准确判别热水沉积作用的发生。本文选择U-Th关系图[27,31]来判别研究区的热水沉积作用的发生:U作为氧化还原敏感元素,容易因高的热水沉积速率和还原环境影响而大量富集,而Th受氧化还原环境变化影响较小,作为陆源输入的代表元素,易因沉积速率过快而相对贫乏[32]。因此,U/Th值在热水沉积物中常大于1,在非热水沉积物则小于1。
样品元素含量和比值见表1。表1和图3表明样品中U元素明显富集,其中YTC系列样品的富集系数最大(14.3～145),且其Th富集系数较小(0.64～1.65),基本无异常。YTC和JMC部分样品点落于已知热水沉积物范围内,与典型的热水沉积物特征相似,而其他样品位于已知热水沉积物与正常海相沉积物区域之外,相对靠近热水沉积物的分布区域,可知样品同时受到两种作用控制,受热水沉积作用影响越强,越靠近热水沉积物的分布范围。除LXC-04和JMC-14样品外,其余样品U/Th>1。因此,热水沉积作用在研究区牛蹄塘组样品中广泛分布,U/Th值的差异应该是由于热水沉积作用影响强度的不同所导致的。
3.2 元素富集系数
与正常海水沉积速率(约10 cm/ka)相比,热水沉积速率较大(大于40 cm/ka),可在短时间内堆积大量沉积物[2]。岩浆热液常携带大量H2S气体等,导致水体向缺氧的还原环境转变。受沉积速率和氧化还原变化等影响,元素在热水沉积物中会表现为异常富集或亏损[33]。
样品的微量元素含量经计算可知(表1),EFSc为0.29～1.64,EFV为0.77～181,EFCr为0.92～261,EFSb为0.46～80.4,EFTh为0.81～2.08,EFU为1.88～145。根据各元素的富集系数变化范围可知,Sc和Th两种元素含量以亏损或无明显富集特征为主。而氧化还原敏感元素V，Cr，Sb和U主要在少数样品中出现异常富集,元素最大富集系数均出现在YTC系列(以YTC-02样品最富集)样品中,表明研究区以缺氧的还原环境为主,部分层位存在异常高浓度的元素来源——即受到热水沉积作用影响,从而导致沉积物中元素发生异常富集。
4 V/Sc-V/Cr图对热水沉积及氧化还原变化的指示作用
4.1 V/Sc和V/Cr比值指示氧化还原变化
在扬子地区下寒武统底部黑色页岩中,V的富集程度比较罕见,其富集主要受热水沉积作用所影响,与有机质之间没有明显的相关性[37]。而Cr在地幔中的丰度最大(1 600×10-6～2 000×10-6),素有“地幔型元素”之称,因此在岩浆热液中亦大量存在。Sc常代表沉积物中陆源碎屑所占的比例,在岩浆热液中Sc的含量较低(2.5×10-6～5×10-6,Виногрáдов,1962)[40]。利用V/Sc值与V/Cr值分析研究区热水沉积物氧化还原变化时,发现两比值之间存在两种特殊的相关关系(图4a)。
表1 贵州地区牛蹄塘组样品微量元素分析结果Table 1 Trace element of source rocks from the Niutitang Formation in Guizhou area
图3 贵州地区下寒武统牛蹄塘组样品U-Th关系Fig.3 U-Th diagram of source rocks from the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area1.TAG热水沉积物区-TAG热水沉积物区；2.Galapagos热水沉积物区；3.Amphitrite热水沉积物区；4.红海热水沉积物区；5.太平洋中脊热水沉积物区；6.Langban热水沉积物区；7.锰结核区；8.普通深海沉积物； 9.铝土矿区；10.古老石化的热水沉积物区
第一种关系是在图的左侧呈线性正相关关系——y=0.124x(R2=0.92),两比值的变化范围较小(V/Cr<10,V/Sc<90),Sc/Cr≈0.124,主要是LXC、WSC和JMC系列样品,有个别ZNC和YTC样品。这类样品的元素富集程度相对较低,Cr和Sc、Th之间具有很好地线性相关关系,表明这类样品的Cr主要来自于陆源碎屑的输入,热水沉积作用影响相对较弱,元素富集主要受陆源输入和生物活动等常见作用影响。
第二种关系是在第一种线性关系的右下方,无明显的相关关系。这类样品的V/Cr值变化范围较小(0.24～6.01),V/Sc值的范围较大(71.6～1 563),样品斜率Sc/Cr值普遍小于第一类样品。主要是YTC和ZNC系列样品,有个别JMC样品。一般情况下,低V/Cr值和高V/Sc值代表两种相反的氧化还原环境,而在热水沉积作用影响下水体应倾向于还原环境,因此该类样品应与高V/Sc值代表的还原环境相符合,而与低V/Cr值代表的氧化环境相矛盾,所以V/Cr值在第二种样品中对氧化还原变化的指示作用失灵。
图4 贵州地区下寒武统牛蹄塘组样品V/Sc-V/Cr图(a)及氧化还原环境指示图(b)Fig.4 Diagram of the V/Sc-V/Cr ratio for source rocks(a)and redox environment(b)in the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area
4.2 V/Sc-V/Cr图指示热水沉积作用的发生
根据元素富集系数计算结果可知,V、Cr、Sb和U等元素发生异常富集,且元素的异常系数之间均具有较好的相关性。由于Sb在岩浆热液中普遍存在,是热水沉积作用的代表元素之一,其富集系数EFSb可代表热水沉积作用强度[1,41],因此本文选用EFSb值作为热水沉积作用强度的评价指标。
4.3 V/Sc-V/Cr沉积作用模式
对国内部分已知的热水沉积物的Sc、V和Cr含量进行统计分析后发现[26,42-45],V/Sc值和V/Cr值也存在与本文相似的分布特征(图6)。
根据不同学者对地壳中Sc和Cr元素丰度的计算(表2)得知,全球地壳元素丰度的Sc/Cr值介于0.12～0.22[46],沉积岩(以平均页岩计)的Sc/Cr值为0.144[29],而岩浆岩的Sc/Cr值(以Виногрáдов统计结果计)则介于0.002 5～0.12[40],岩浆岩的Sc/Cr值明显小于沉积岩中的Sc/Cr值。由于热水沉积物是岩浆热液与海水混合后沉积的产物,因此本文认为Sc/Cr≥0.144的样品是以正常沉积成岩作用为主(以平均页岩为标准)；Sc/Cr≤0.120的样品以热水沉积成岩作用及岩浆成岩作用为主(以酸性岩浆岩为标准)；而Sc/Cr值介于两者之间的样品为混合沉积成岩作用。
1) 第一种相关关系——正常沉积作用及氧化还原变化的指示
第一种相关关系代表以正常沉积作用为主,沉积物主要分布在V/Sc-V/Cr关系图最左侧,拟合直线的斜率Sc/Cr≥0.144,V/Sc值和V/Cr值呈线性正相关关系。根据正常沉积物的拟合直线(y=0.144x)在V/Sc-V/Cr关系图对氧化还原环境界线划分如下(图4b)：
图5 贵州地区下寒武统牛蹄塘组样品Sc/Cr-EFSb关系Fig.5 Relationship of Sc/Cr -EFSb in source rocks in the Early Cambrian Niutitang Formation in Guizhou area
图6 国内海相热水沉积物V/Sc-V/Cr关系[26，42-45]Fig.6 V/Sc-V/Cr relationship of marine hydrothermal sediments in China[26，42-45]
表2 不同标准中Sc和Cr元素丰度[27,35,40]Table 2 Abundance of Sc and Cr under varying criteria[27,35,40]
① 当V/Sc<14(等同于V/Cr<2)时,水体处于氧化环境；
② 当14 ③ 当V/Sc>30(等同于V/Cr>4.25)时,水体处于厌氧环境。 根据图4可知,第一类样品主要呈线性分布在V/Sc-V/Cr关系图的最左侧,拟合直线的斜率k=0.124,略高于Виногрáдов得出的岩浆岩Sc/Cr值(0.12),明显低于平均页岩的Sc/Cr值(0.144),且Cr主要来自于陆源碎屑的输入,表明研究区样品介于热水沉积成因和正常沉积成因之间,同时受两种沉积成岩作用影响。由于该类样品的特殊成因,研究区该类样品的V/Sc值和V/Cr值仍能大致反映氧化还原环境的变化。 2) 第二种相关关系——热水沉积作用的判别及氧化还原环境指示失效 以热水沉积作用为主的沉积物主要分布在正常沉积物拟合直线的右下方,样品的斜率Sc/Cr≤0.120。 造成该类样品V/Cr值对氧化还原变化指示异常的主要原因是由于岩浆热液中V/Cr值很低(从超基性岩到酸性岩V/Cr值为0.02～1.6,Виногрáдов,1962)。热水活动在富集V的同时,还会富集更多的Cr,使热水沉积物的V/Cr值介于正常沉积物的高V/Cr值和岩浆热液的低V/Cr值之间,具体数值取决于热液所占的比例,与热水活动强度有关,因此V/Cr值对氧化还原环境的指示作用在热水活动较强的环境中不适用。虽然高V/Sc值也可代表还原环境,但由于V元素的含量受热水沉积作用所影响异常富集,因此V/Sc值对氧化还原能力的指示明显受到干扰,不能准确反映氧化还原能力的变化。 图7 不同成因沉积物V/Sc-V/Cr关系Fig.7 V/Sc-V/Cr relationship of sediments with diverse geneses 综上所述,V/Sc-V/Cr关系图(图7)和Sc/Cr值可用来判别和评价热水沉积作用——样品在图中的位置越趋向正常沉积作用趋势线的右下方,Sc/Cr值越小,热水沉积作用的强度越强。 1) 通过对贵州地区下寒武统牛蹄塘组热水沉积烃源岩的研究可知,研究区内牛蹄塘组热水沉积作用与正常沉积作用交替控制,热水沉积作用控制的样品存在V,Cr,U和Th等热水沉积代表元素含量异常的现象。 2) V/Sc-V/Cr图可判断热水沉积作用的发生,Sc/Cr值可用于指示热水沉积作用影响的强度,且热水沉积作用下V/Cr值对氧化还原变化的指示作用失效,具体表现为:当Sc/Cr>0.144时,处于正常沉积成岩作用。V/Sc值和V/Cr值均可用来指示氧化还原环境。V/Sc<13时,氧化环境。13 3) V/Sc-V/Cr关系图对热水沉积作用的判别及Sc/Cr值对热水沉积作用强度的定量评价为今后研究热水沉积作用及其与烃源岩的形成之间的关系提供了新的理论依据。 参 考 文 献 [1] 涂光炽,高振敏,程景平.低温地球化学[M].北京:科学出版社,1998. 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5 结论
