柴达木盆地上新世狮子沟期古气候演化与层序地层

李清山，郭少斌，侯泽生，王 波

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.中国石油 青海油田 勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736202)

古气候不仅控制了湖盆的充填演化过程，还与盆内丰富的矿产资源紧密相关[1]。古气候演化研究可以重建湖盆演化过程，进而开展资源评价，这也使得古气候演化研究成为当今地学界研究的热点问题之一。

历经50多年的勘探、生产实践，众多地质工作者对柴达木盆地第四纪以来的古气候古环境演变、盆地沉积演化等做了大量论述[2-6]。然而，柴达木盆地面积大、构造演化复杂[7-9]，气候演化的控制因素众说纷纭，包括青藏高原隆升[10-14]、海峡张开和闭合[15-16]以及全球变冷效应[17-20]，这使得盆地内部古气候演化研究更加困难[21]。柴达木盆地东部是目前世界上第四系生物气规模最大的地区，盆地内生物气的生成、运移和聚集均发生在距今2.8 Ma以来，即上新世末期—更新世[22]。正确全面认识柴达木盆地上新世古气候演化，有利于分析湖盆演化过程，为第四系生物气的烃源岩、储集岩研究以及油气远景分析奠定基础。

1 区域地质背景及钻井特征

柴达木盆地位于青海省西北部，地处中纬度地带，海拔2 800 m左右，是中国西部青藏高原内部的一个大型中、新生代压扭性沉积盆地，主要受控于欧亚大陆南缘中、新生代特提斯的阶段性俯冲、消减与闭合作用，以及印度板块往北向欧亚板块碰撞、楔入的远程效应[24-26]。印支运动以来该盆地一直处于沉降发展阶段，由断陷盆地逐渐转变为新生代的拗陷盆地，其沉降中心不断从西向东扩展[27]。

柴达木盆地四周高山环绕，南为昆仑山脉，北依祁连山脉，西临阿尔金山脉，呈不规则菱形的大型山间盆地[28]。盆地内年平均气温在0～5 ℃左右，1月平均气温为-15～-10 ℃，7月平均气温为15～17 ℃，全年各月气温的平均日温差超过15 ℃；年降雨量大部分地区在50 mm左右，西部不足20 mm，而蒸发量达3 000 mm，表现出典型的大陆性荒漠气候特征和高原气候特征[29-31]。

本次古气候恢复以气钾1井为主要依据，该井位于柴达木盆地东南部的三湖坳陷，是盆地内连续取心最长的井(图1)。三湖坳陷属盆地内的一级构造单元，是在新近纪末期，由于新构造作用使柴达木盆地沉降中心由盆地西部转移至东部而形成的[32]，主要以滨浅湖和三角洲沉积为主，呈北西向展布[33]。新近系上新统狮子沟组岩性以灰色、浅灰色泥岩、粉砂岩、砂岩为主，偶见黑色碳质泥岩；第四系七个泉组不整合于狮子沟组之上，为一套最厚达2 700 m的碎屑岩沉积体，岩性主要为灰色泥岩、粉砂岩夹砾岩、砂岩及少量膏岩。该地区目前是世界上规模最大的生物气田，生物气总资源量达15 000×108m3[34]。

气钾1井完钻井深3 500 m，在300～3 500 m进行连续取心，收获率达92.7%。该井自下而上，3 082～3 500 m以棕褐色泥岩、褐灰色砂质泥岩、灰色粉砂岩为主，褐色、灰色细砂岩次之，为河流相沉积；1 847～3 082 m以灰色、棕灰色、棕褐色泥岩、砂质泥岩为主，浅灰色、灰白色泥质粉砂岩次之，夹少量棕黄色泥岩及砂质泥岩，属滨浅湖及三角洲相沉积；300～1 847 m连续取心，主要为灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩和泥质粉砂岩，少量灰黄色泥岩、灰色碳质泥岩和粉砂岩，属滨浅湖相沉积。

图1 柴达木盆地构造单元及气钾1井位置

2 古气候恢复指标

古气候研究主要基于对生物化石、陆相沉积物、地貌、深海沉积物等纪录的气候标志的研究[35]。目前，研究区内古气候恢复指标主要包括沉积矿物学[36-37]、地球化学中的元素及同位素测定[38-40]、古生物学中的孢粉及植物化石鉴定[3-4，17，41-43]、地球物理测井中的自然伽马[44]、沉积物磁化率[23，45]等。古环境的开放性和复杂性，往往给古气候恢复带来不确定性。因此，多指标论证是减少干扰因素、准确重建古气候的基础。

古盐度是反映地质历史时期沉积环境变化的一个重要标志，通常随古沉积物一同保存下来。对于封闭性湖盆而言，古盐度能够较灵敏地指示古气候变化，湿润气候环境下湖水盐度淡化，沉积物中的古盐度偏低；而干旱气候环境下湖盆水体萎缩，沉积物中的古盐度偏高[46-48]。古气候变化也会导致湖泊中的元素发生不同程度的富集，利用沉积物中元素的富集程度可以指示古气候的变迁，如Sr/Ca、Sr/Ba、Rb/Sr、Mg/Ca比值等[49-51]。本次研究主要利用气钾1井氯离子含量、微量元素含量、总有机碳含量等地球化学指标，结合岩心、测井及古生物资料，对柴达木盆地上新世狮子沟组沉积时期古气候演化过程进行重建。

在对气钾1井全井段岩心系统观察描述的基础上，对其进行系统取样和地球化学实验测定。其中，氯离子含量测定取样共计318块，采用硝酸银滴定法，相对偏差小于10%，具体执行遵照《岩心常规分析方法：SY/T 5336—1996》和《岩石氯盐含量测定：SY/T 5503—2009》，由中国石油青海油田分公司完成。微量元素含量测定取样136块，Rb、Sr、Bb、Ca等由德国布鲁克AXS公司生产的X射线荧光光谱仪S4 PIONEER测定，精度为±10%，具体执行遵照《岩石矿物中无机元素测定：Q/SY DQ 0338-2000》和《X射线荧光光谱分析》，由大庆油田有限责任公司完成。总有机碳含量测定取样17块，采用美国力可CS230碳硫分析仪，精度±0.5%，具体执行遵照《沉积岩中总有机碳的测定：GB/T 19145—2003》，由青海油田公司完成。

气钾1井元素含量相关性分析表明，Sr/Ba、Sr/Ca比值与氯离子含量呈正相关，随盐度增加而增大，在干旱环境中呈高值；Rb/Sr比值、总有机碳与氯离子含量呈负相关，随盐度增加而减少，在干旱环境中呈低值(图2)。从相关系数来看，Sr/Ca、Rb/Sr比值、总有机碳与氯离子含量的相关性要优于Sr/Ba比值与氯离子含量的相关性，表明前3个指标能更好地反映古气候变化。综合分析认为，地球化学方法测定的氯离子含量、Sr/Ba、Sr/Ca、Rb/Sr比值和总有机碳含量对气候变化响应较敏感，可作为研究区上新世—更新世古气候恢复指标。

由于天然气组分的复杂性，计算烃露点时，C6及更重组分需按碳数归类进行定量分析，即正戊烷(n-C5)和正己烷(n-C6)之间的组分归入C6，其中不包括nC5，但包括n-C6，其他重烃组分依次类推，按式(5)计算。

图2 柴达木盆地三湖坳陷气钾1井狮子沟组Sr/Ba、Sr/Ca、Rb/Sr比值、总有机碳与氯离子含量的相关关系

3 古气候特征及演化过程

3.1 层序地层与古气候演化

气钾1井所在的三湖地区自上新世末期进入内陆封闭湖盆演化阶段[7，52]，古气候不仅控制了湖盆的演化过程，同时也控制了湖盆中层序的发育和演化。层序地层特征能够准确反映沉积样式和旋回性，这些沉积样式和旋回性正是古气候演化的物质表现。当古气候由湿润转为干旱时，湖盆水体收缩，湖平面下降，沉积物中古盐度升高，此阶段在层序上表现为沉积基准面下降，可容空间降低，沉积响应以基准面下降半旋回为特征；而古气候由干旱转为湿润时，湖盆水体扩张，湖平面上升，沉积物中古盐度降低，这一时期沉积基准面上升，可容空间增加，沉积响应以基准面上升半旋回为特征(图3，4)。因此，基于气钾1井层序地层划分成果，通过古气候恢复指标开展古气候演化研究具有极其重要的意义。

3.2 上新世狮子沟组沉积以来古气候总体特征

根据实验室地球化学测定结果，气钾1井上新世狮子沟组沉积时期，氯离子平均含量3 130×10-6，最高9 723×10-6，总有机碳含量0.28%～0.50%，平均0.36%；而更新世七个泉组沉积时期，氯离子平均含量6 500×10-6，最高达25 713×10-6，总有机碳含量0.18%～0.47%，平均仅0.30%。从氯离子测试结果来看，七个泉组较狮子沟组氯离子平均含量增大，且最大值是后者的2.6倍；而狮子沟组总有机碳含量均值高于七个泉组。上述结果表明，自上新世狮子沟组沉积时期至更新世七个泉组沉积时期，气候从湿润向干旱方向演化。

气钾1井微体古生物介形、轮藻化石样品分析表明，狮子沟组地层见柴达木土星介、规则小玻璃介、似松轮藻、矮小轮藻、摩拉氏似轮藻、有盖轮藻和丘陵玻璃介等生物化石，因此狮子沟组沉积时期气候相对湿润，总体属微咸水，但水域咸化开始加剧，气候也趋于干旱化。七个泉组地层见土星介、光滑土星介和强壮青星介，表明此时期气候更加干旱，总体属微咸水—半咸水。从狮子沟组到七个泉组沉积时期，古气候由湿润向干旱的方向演化，湖盆水体盐度增加，从微咸水逐渐转变为半咸水沉积环境。这一结果与地球化学分析结论基本一致，也表明氯离子含量、总有机碳含量能够指示古环境变化。

图3 柴达木盆地古气候波动与层序发育模式

图4 基准面旋回特征与气候演化对应关系

3.3 上新世狮子沟组沉积期古气候演化

气钾1井上新世狮子沟组沉积时期，氯离子含量分布范围跨度较大，为(893～9 723)×10-6，平均值3 130×10-6，氯离子含量整体水平较低，仅在部分时期含量较高，表明该时期湖水盐度低，总体属微咸水，古气候相对较湿润(图5)。对比发现，氯离子含量与层序发育阶段具有很好的相关性：最大湖泛面时期，氯离子含量较低，主要是由于这一时期气候湿润，湖泊水体扩张，湖面上升，湖水盐度下降；层序界面附近，氯离子含量较高，这是由于该时期气候干旱，湖泊水体萎缩，湖面下降，湖水盐度上升。

研究区内狮子沟组微量元素(Sr/Ba、Rb/Sr、Sr/Ca等)与氯离子含量有较好的相关性，是古盐度、古气候分析的重要标志。从微量元素测试结果来看(图6)，最大湖泛面附近Al2O3、MgO、Rb、Ti、Cr、V、Zn等元素含量较低，而Ca、Ba、Sr、Ni、P等元素较富集，元素富集特征反映这一时期湖泊水体扩张，湖面上升，气候较湿润；而层序界面附近，元素富集特征与最大湖泛面相反，表明该时期湖泊水体萎缩，湖平面下降，气候较干旱[39]。

因此，根据氯离子含量、微量元素含量的周期性变化，可以推断古气候的连续演化过程及其波动特征。上新世狮子沟组沉积时期古气候整体为干旱—湿润—干旱的旋回，为一个完整的三级层序。其内部具有明显的次级旋回性，可进一步划分出5个次级气候变化旋回，对应5个四级层序。

(1)层序Sq1时期古气候特征。该层序沉积时期，氯离子浓度分布范围(893～5 489)×10-6，平均值2 922×10-6，氯离子浓度较低，湖水盐度较低，总体属微咸水，古气候相对较湿润。该层序整体为一个干旱—湿润—干旱的完整旋回，发育初期以棕褐色泥岩为特征，气候相对干旱；向上气候逐渐变湿润，最大湖泛时期以灰色泥岩沉积为特征；末期主要以氧化环境的棕色泥岩、灰色中砂岩沉积为主，气候逐渐转为干旱。

(2)层序Sq2时期古气候特征。该层序沉积时期，氯离子浓度分布范围(1 045～6 184)×10-6，平均值2 159×10-6。氯离子浓度整体较低，湖水盐度较低，总体属微咸水，古气候相对湿润。该层序整体为一个干旱—湿润的旋回。层序Sq2发育初期气候继承了Sq1的干旱特征，以棕褐色泥岩为特征；向上气候逐渐变湿润，最大湖泛时期沉积大量灰色、灰绿色泥岩，泥岩中总有机碳含量0.31%；末期以棕色泥岩、灰色中—粗砂岩沉积为主，总有机碳含量仅0.23%，气候开始逐渐转为干旱。

(3)层序Sq3时期古气候特征。该层序沉积时期，氯离子浓度分布范围(997～7 474)×10-6，平均值3 135×10-6(图7)，氯离子浓度相对较低，与Sq2相比有所上升，但湖水盐度仍较低，总体属微咸水，古气候相对湿润。该层序整体为一个干旱—湿润—干旱的旋回。层序发育初期以棕褐色泥岩夹薄层灰色粉砂岩为特征，气候较干旱；向上气候变湿润，最大湖泛时期沉积灰色、灰绿色泥岩，夹薄层灰色粉砂岩，湖泛面附近总有机碳含量达0.39%；末期沉积了厚层灰色粉砂岩、细砂岩，总有机碳含量下降，为0.33%，气候相对干旱。

图5 柴达木盆地三湖坳陷气钾1井狮子沟组氯离子含量及旋回性特征

(4)层序Sq4时期古气候特征。该层序沉积时期，氯离子浓度分布范围(1 496～8 994)×10-6，平均值3 589×10-6。氯离子浓度相比层序Sq3略有上升，但湖水盐度仍较低，总体属微咸水，古气候相对湿润。该层序整体为一个干旱—湿润—干旱的旋回。层序发育初期气候相对干旱，以棕褐色泥岩、厚层灰色粉砂岩为特征；最大湖泛时期泥岩中总有机碳含量高达0.5%，气候逐渐湿润；末期发育褐色泥岩、厚层状灰色粉砂岩，气候相对干旱。

(5)层序Sq5时期古气候特征。该层序沉积时期，氯离子浓度分布范围(1 579～7 255)×10-6，平均值3 730×10-6，氯离子浓度与层序Sq4基本一致，湖水盐度较低，总体属微咸水，古气候相对湿润。该层序整体为一个干旱—湿润—干旱的旋回。地层发育初期以棕褐色、浅灰色泥岩、泥质粉砂岩为特征，气候继承了Sq4末期的干旱特征；最大湖泛面附近气候最为湿润，发育灰色泥岩，夹薄层泥质粉砂岩；末期以发育棕色泥岩为主，气候变得更加干旱。

图6 柴达木盆地三湖坳陷气钾1井狮子沟组微量元素含量与层序地层划分

4 结论

(1)气钾1井元素含量相关性分析表明，Sr/Ba、Sr/Ca与氯离子含量呈正相关，即随盐度增加而增大，在干旱环境中呈高值；而Rb/Sr、总有机碳与氯离子含量呈负相关，随盐度增加而减少，在干旱环境中呈低值。氯离子含量、Sr/Ba、Sr/Ca、Rb/Sr和总有机碳含量可作为柴达木盆地古气候恢复指标。

(2)陆相湖盆层序发育和演化受古气候控制，单井上表现出来的沉积样式和旋回性是古气候演化的物质表现。当古气候由湿润转为干旱时，湖盆水体收缩，湖平面下降，沉积物中古盐度升高，表现为沉积基准面下降，沉积响应以基准面下降半旋回为特征；古气候由干旱转为湿润时，湖盆水体扩张，湖平面上升，沉积物中古盐度降低，这一时期沉积基准面上升，沉积响应以基准面上升半旋回为特征。

(3)上新世狮子沟组沉积时期，氯离子浓度分布范围(893～9 723)×10-6，平均仅3 130×10-6；总有机碳含量0.28%～0.50%，平均为0.36%，表明该时期湖水盐度较低，总体属微咸水，古气候相对较湿润。氯离子、微量元素含量变化具有明显的旋回性特征，结合层序地层划分结果，狮子沟组内部首次识别出5个较明显的气候演化旋回，与四级沉积旋回性基本一致，表明封闭型湖泊沉积层序是气候旋回的物质表现。

致谢：本文得到中国石油青海油田分公司勘探开发研究院的帮助和支持，在此致以衷心感谢！