柴北缘平台地区下干柴沟组下段元素地球化学特征及意义

陈 波，薛雨见君，赵云南，钟 萍，陈汾君

(1.广西高校北部湾石油天然气资源有效利用重点实验室, 广西 钦州 535000；2.中国石油青海油田分公司，甘肃 敦煌 736202)

0 引 言

古沉积环境的精确判别和恢复直接制约着对古地理和沉积相的认识,进而影响油气勘探进程[1]。源区母岩在各种地质应力作用下经过风化、侵蚀、搬运及沉积堆积并经过成岩作用形成沉积岩，沉积物与沉积环境之间存在的复杂的地球化学平衡造就了不同元素类型、丰度的分异[2]，因此，沉积物中的各种元素的含量及其比值与沉积环境演化存在密切关系，已被广泛应用于恢复和判别沉积环境[3-4]。柴北缘平台地区位于柴达木盆地西北部的赛什腾山北部，为山前最为有利的油气勘探区域之一[5]。近年来，在平台地区古近系至下而上的路乐河组、下干柴沟组下段和下干柴沟组上段陆续发现了高丰度的工业油气藏，打开了柴北缘山前油气勘探的新局面[6]，从而使平台地区的地质情况得到石油地质工作者的普遍关注。田继先[7]、孙国强[5]和吕婧文等人[6]分别对平台地区天然气成藏条件、路乐河组砂岩储层特征、沉积微相特征进行了系统论述，仵宗涛等人[8]利用碳氧同位素资料探讨了平台地区下干柴沟组下段的碳酸盐胶结物特征。但总体而言关于平台地区的研究成果相对较少，且下干柴沟组显得尤为匮乏。基于此，综合利用矿物学和地球化学手段，利用主微量元素、碳氧同位素数据，系统地探讨了平台地区下干柴沟组下段沉积时期的古气候、古盐度、氧化还原条件等古沉积环境特征，以期为该区的油气勘探提供一定的沉积环境地质依据。

1 样品与分析方法

为准确分析平台地区下干柴沟组下段的沉积环境情况，重点对平1井下干柴沟组下段532.50～677.08 m的剖面自下而上进行了全岩连续系统的样品采集。共采集岩心样品32件，主要岩性为泥岩、粉砂质泥岩以及少量的泥质粉砂岩。样品在分析前进行显微镜下矿物组成与结构观察，确保用于元素地球化学分析的样品未经蚀变、矿化或次生风化作用，所有样品用无污染碎样机研磨，并且过200 目筛。主量元素的测定采用日本理学公司生产的X射线荧光光谱仪3080E3X，分析元素范围为Na—U。微量元素分析时，首先将样品在105 ℃烤箱上烘烤3 h左右去除水分，以便准确称量，之后用 HF+HNO3密封溶解样品，并用激光耦合等离子体质谱仪ICP-MS进行分析测试。样品的主、微量元素及碳氧同位素数据(δ13C与δ18O值)处理和测试均在中科院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究重点实验室完成，主微量元素含量值均为质量分数，单位为%；微量元素单位为μg/g；碳与氧同位素值以V-PDB标准呈现，单位为‰。文中元素符号之比(如Mn/Sr比值)均指元素含量之比(Mn元素含量比Sr元素含量)。

2 结果与讨论

2.1 样品有效性分析

后期成岩作用蚀变可能影响数据在判断沉积环境时的准确性，因此，在分析数据之前，首先需要对所测得的数据进行有效性评价[9]。Kaufman等通过大量碳酸盐岩数据分析研究认为，Mn/Sr<10、δ13C与δ18O值相关性越弱、δ18O<10‰则表示样品未受到成岩蚀变的影响[10]。研究区32件样品的Mn/Sr值为1.17～4.35，平均为2.95，δ13CVPDB与δ18OVPDB数据呈现强离散性，相关系数仅为0.001(图1)，δ13CVPDB值为-7.61‰～-1.45‰，平均为-4.58‰，δ18OVPDB值为-14.45‰～-10.12‰，平均为-11.65‰，δ18OVPDB值表明样品可能受到了轻微成岩蚀变作用的影响，但结合Mn/Sr值及δ13CVPDB与δ18OVPDB数据相关性，综合分析认为，所测样品数据基本可代表原始沉积时期的元素地球化学特征值，可用于沉积环境分析，但在分析沉积环境特征时，需要综合多种指标相互印证，以保证结果的准确性。

图1 研究区碳氧同位素相关性

2.2 古沉积环境分析

2.2.1 古气候特征

不同气候条件下的富集元素会存在差异，Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Cu、V、Th、Rb等元素在温暖湿润环境容易聚集，而Ca、Mg、Sr、K、Na、Sr、Ta、Mg、B、Zn、Pb等元素在干燥炎热气候下含量较高[11]，因此，通过计算气候指数C可判断古气候：

C=∑(Fe+Mn+Ni+Cr+Co+V)/∑(Ca+Mg+K+Sr+Ba)

(1)

当气候指数C>0.800时，指示温湿气候；0.600

喜干型元素Sr和喜湿型元素Cu的比值Sr/Cu通常也可以指示古气候的变化，一般1.0010.00指示干热气候[11]。研究区32个样品的Sr/Cu值分布在4.30～16.05之间，平均值为8.00，同样可说明研究区沉积时期气候的不稳定性，干热和温湿气候交替出现，但整体上气候偏温暖湿润(图2)。

2.2.2 古盐度特征

古盐度的测定方法多样，包括硼法、自生铁矿物法、元素比值法等[1]。不同盐度条件下元素富集程度不同[14-15]，如Ba迁移能力相对较弱，水体盐度增大时，Ba以BaSO4形式较先沉淀，而Sr迁移

图2 Sr/Cu与气候指数关系

能力很强，只有水体盐度增大到一定程度后才以SrSO4形式沉淀，因此，Sr的丰度和Sr/Ba比值对古盐度具有良好的指示性且与古盐度明显呈正相关性[16]。众多学者研究结果表明[17-18]：Sr/Ba>1.00或Sr>500.00 μg/g，指示海相咸水或咸化湖泊沉积；0.60

图3 Sr和Sr/Ba比值关系特征

据Keith和Weber[19]提出的水体盐度与碳氧同位素之间的经验计算公式：

Z=2.048(δ13CVPDB+50)+0.498(δ13OVPDB+50)

(2)

式中：Z为水体的古盐度，当Z>120.00时，为海相(陆相咸水湖泊)沉积；当Z<120.00时，为陆相淡水沉积。

计算得出研究区样品的Z值为105.53～119.23，平均为112.12，同样可以判断沉积背景为盐度较高的陆相淡水沉积。

2.2.3 氧化还原条件

部分微量元素的溶解程度受到氧化还原条件的控制，如U、V、Cr、Ni 、Co、Mo等元素表现为在氧化条件下易溶，而在贫氧的还原条件下容易富集，可作为氧化还原条件良好的判别指标[2]。通常将V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co值作为判断氧化还原环境条件的指标[20]。在水体分层明显的厌氧的强还原环境下，通常表现为V/(V+Ni)>0.84、Ni/Co>7.00、V/Cr>4.25；在水体分层不强的贫氧亚还原环境下，V/(V+Ni)为0.60～0.84、5.00

生物化石、沉积构造、元素地球化学都可以用于古水深的分析[17]。由于元素在沉积搬运过程中的分异作用与离岸距离存在一定的联系[21]，利用平台地区下干柴沟组下段样品中实际的钴、镧含量(Co含量为 9.21～38.16 μg/g，平均为20.96 μg/g；La含量为4.76～58.43 μg/g，平均为31.51 μg/g)，计算得到研究区的古水深为4.52～65.04 m，平均为26.89 m，跨度较大，但60%的样品计算深度小于26.00 m，说明整体水体深度较浅，与上文对氧化还原条件的判断结果相吻合，指示大型汇水湖泊还未形成[17]。

图4Ni/Co和V/(V+Vi)及V/Cr比值关系特征

2.3 古环境演化对油气勘探的指示意义

沉积相特征是沉积物在沉积环境下的综合显示，而地球化学信息在一定程度上准确还原了沉积环境演变情况[22]，因此，将地球化学和沉积学相结合，应用于古沉积环境及沉积相分析中，可提供物理标志与生物标志所不能反映的额外信息[23]。

元素地球化学特征分析表明，平台地区下干柴沟组沉积期气候整体趋于湿润，但干旱、湿润气候交替出现，从而造成湖平面升降频繁，湖盆表现为高频振荡性特征[24]，水动力条件及水体深度变化较大(4.52～65.04 m)，砂泥岩易出现互层状分布，为有利的储盖组合发育创造了条件。自新生代以来，柴达木盆地长期处于青藏高原隆升背景之下，持续分阶段的隆升导致盆地的古海拔变高和湖盆逐渐封闭[25]，使古气候成为影响沉积环境的主控因素[26]。在干旱气候条件下，入湖水流量明显减少，湖泊水体变浅，湖盆面积逐渐变小，湖泊水体盐度增大，可容纳空间持续减小，砂体向湖盆中心推进能力增强，粗碎屑岩增多，而泥岩厚度较薄且规模较小，可形成优良的储集砂体；而在气候温暖潮湿时期，降水量增大，入湖水流增加，湖泊水平面升高，水体盐度降低，湖盆面积逐渐变大，可容纳空间变大，砂体搬运距离减小，泥岩含量增高，可形成良好的盖层。

贾艳艳等人[25]研究结果认为，从路乐河组到下干柴沟组上段，气候逐渐由干旱向潮湿方向演化，与本次研究认识结果相吻合。平台地区下干柴沟组下段沉积时期，干旱和温湿气候共存，但整体以温湿气候为主；受路乐河组沉积时期干旱气候的影响，古盐度较高，分布范围为105.53～119.23，平均为112.12，为盐度较高的陆相淡水沉积；利用钴元素推算的水体深度变化较大(4.52～65.04 m)，但水体深度大部分低于26.00 m，氧化还原条件分析可见反映氧化环境的赤铁矿等氧化相矿物，说明研究区沉积水体为氧化为主的浅水环境。综合前人对平台地区研究相的认识结果[6]，并结合钻井岩心资料(图5)和测录井等资料分析可知：研究区灰色砂质砾岩(图5a)、棕红色含砾砂岩(图5b)、棕灰色粉砂岩(图5c)及泥岩(图5d)均有发育，砂砾岩相在研究区发育较少，常发育交错层理；砂岩相在研究区较为发育，分选中等，常发育平行层理和交错层理；粉砂岩相发育较少，分选好，常发育波纹层理和平行层理(图5e)；棕褐色泥岩相在研究区发育相对较为广泛，沉积构造不发育，多成块状(图5d)，沉积学特征同样指示了下干柴沟组下段沉积时期以氧化沉积环境为主。粒度概率曲线特征表现为悬浮和跳跃组成的两段式，反映河道牵引流沉积的特点，岩心测井曲线形态既有反映高能环境的箱形，也出现反映低能环境的漏斗形、微齿化钟形和齿化线形曲线[6]。综上分析认为，下干柴沟组下段主要发育辫状河沉积，干湿气候的交替使粗粒心滩相与细粒河漫滩相交替出现(图5f)，不同沉积环境下的砂体发育特征造成了沉积区储集岩与盖层的交替出现，从而有利于优良储盖组合的发育和油气聚集成藏。

图5 研究区岩心特征

3 结 论

(1) 通过对古气候敏感性元素Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Ca、Mg、Sr、K、Ba等元素计算的古气候指数及Sr/Cu综合分析，表明平台地区下干柴沟组下段沉积时期半干热—半温湿气候、温湿气候共存，但整体上以温暖湿润气候为主。

(2) 研究区样品Sr<300.00 μg/g，且Sr/Ba比值为0.03～0.78，平均为0.36，结合样品的δ13CVPDB与δ18OVPDB数据计算的古盐度值(低于120)，均指示下干柴沟组下段沉积时期为古盐度较低的淡水沉积。

(3) V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co等氧化还原判定指标的分析表明，研究区可能存在贫氧亚还原环境和富氧环境2种环境，但结合研究区砂岩的X衍射数据中出现的反映氧化环境的赤铁矿矿物，综合分析认为下干柴沟组下段沉积水体为富氧环境。利用钴元素估算的古水体深度平均为26.89 m，指示大型汇水湖泊尚未形成。

(4) 结合岩心、测井、录井资料分析表明，研究区主要发育辫状河沉积，下干柴沟组下段沉积时期干湿气候交替出现，造成湖平面升降频繁，粗粒心滩相与细粒河漫滩相呈互层状分布，为有利的储盖组合发育创造了条件。