内蒙古大青山石拐盆地侏罗系元素地球化学特征及沉积环境指示意义

梁子若,侯明才,曹海洋,晁 晖

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

石拐盆地位于内蒙古大青山的腹部，是中国北方中生代-新生代盆地中侏罗系保存较为完整且连续出露的陆相断陷盆地[1]。前人主要对石拐盆地区域构造[2-7]与盆地演化[1,8-9]、油藏和煤藏评价[10-13]进行过一些研究。陈志勇等[3]、刘政宏等[5]认为大青山上冲推覆构造始于印支期晚侏罗世，结束于燕山期白垩纪晚期。杜菊民等[6]、张岳桥等[7]认为侏罗纪早期受印支造山作用影响，使得地壳伸展垮塌，形成了断陷盆地；晚侏罗世受燕山早期挤压变形作用形成了代表推覆构造体系的前缘带构造和断层。徐翔军等[1]、彭向东等[8-9]认为盆地演化分为3个阶段，早侏罗世五当沟组时期为盆地快速堆积期，发育巨厚的含煤碎屑岩建造；中侏罗世长汉沟组时期为稳定湖相发育期，形成灰色、灰绿色砂泥岩组合；晚侏罗世大青山组时期为萎缩期，发育紫色碎屑岩系。鄂俊杰等[10]、李满英等[12]、冯岩等[13]认为五当沟组发育煤系烃源岩；召沟组富含油页岩，处于低熟—成熟阶段，发育生油层和储油层；长汉沟组发育盖层；盆地边缘发现油苗及油气显示，具备形成油气藏的潜力。前人也对石拐盆地地层[14-15]与沉积环境[16-17]进行过少量研究。例如：乌统昱等[14]根据长汉沟组叶肢介化石数量繁多、排列杂乱等特征，得出该时期为动荡水体沉积环境；刘兆生等[15]通过研究植物化石，依据孢子植物Cyathiditesminor、裸子植物花粉中银杏目和苏铁目的单沟粉以及Classopollis，确定其发育于中、晚侏罗世；葛玉辉等[16]、张贵双等[17]利用植物化石和孢粉分析，认为五当沟组为早侏罗世晚期比较干热气候下的产物，而召沟组为中侏罗世温暖潮湿气候环境下的湖泊沼泽沉积环境。

综上可得出3点认识：①前人研究主要集中在区域构造与盆地演化、油藏与煤藏评价等方面，沉积环境研究明显不足。②石拐盆地侏罗系五当沟组发育煤系烃源岩，召沟组富含油页岩，说明烃源岩物质基础好；召沟组和长汉沟组发育储油层和盖层，具有一定的油气勘探意义：石拐盆地侏罗系具有重要研究价值。③前人对石拐盆地侏罗系沉积环境研究的资料仅在植物化石和孢粉方面，具有进一步研究的必要性。

石拐盆地所蕴含的古气候、古水深和古盐度等古环境信息是开展中国北方中生代-新生代系列盆地(伊犁盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、石拐盆地、二连盆地)古环境对比研究不可或缺的基础资料。利用主元素和痕量元素进行地球化学定量分析来判别古环境演化特征是最常用的手段[18]。本文基于对石拐盆地侏罗系剖面的实测，结合沉积学特征，以侏罗系的细粒沉积岩为研究对象，开展主元素、痕量元素地球化学特征分析，探讨石拐盆地侏罗纪的古盐度、古氧化-还原条件、古水深及古气候，恢复大青山腹部侏罗纪的古气候环境特征及变化规律，为深入研究中国北方中生代-新生代盆地古环境对比提供基础资料。

1 区域地质背景

石拐盆地位于内蒙古中部大青山西段，呈近东西向展布。盆地形成于印支晚期，发展于燕山期，改造并定型于燕山晚期—喜马拉雅期，是一个典型的陆相断陷盆地[1,3-5]。盆地基底主要由太古界乌拉山岩群的大理岩、石英岩、片岩、变粒岩、片麻岩等构成[19]。

石拐盆地发育完整的侏罗系。本文测定的剖面起点坐标为：N40°35′24.313″，E110°26′36.37″，剖面大致沿一条水渠测量，露头出露较为平缓(图1)。

前人对大青山地区的侏罗系研究工作始于20世纪30年代，孙建初、王竹泉等创建了大青山地区侏罗纪地层序列[20]，李星学、斯行健等在此基础上又对石拐盆地侏罗纪地层进行了厘定[20-22]。

侏罗系下统和中统划分石拐群，其中下统又可细分为五当沟组，中统划分为召沟组和长汉沟组，上统划分为大青山组。

研究区内五当沟组不整合于太古宙乌拉山群片麻岩之上，实测厚度约为150 m，岩性自下而上为黄色砾岩、含砾岩屑粗砂岩、薄层灰黄色细砂岩、灰黑色泥页岩夹薄层煤，发育交错层理和水平层理，为扇三角洲—滨浅湖沉积。

召沟组实测厚度约为200 m，下部为黄绿色含砾粗砂岩、岩屑杂砂岩、深灰色泥岩及粉砂质泥岩；中部为灰绿色中厚层粗砂岩、粉细砂岩及大量煤层及煤线夹薄层泥，构成韵律层；上部为灰白色含砾粗砂岩、黄绿色中细砂岩和灰黄色泥岩。含植物化石碎片，发育水平层理、交错层理和河道冲刷构造，沉积环境为河流相—湖泊相，与下伏五当沟组为整合接触。

长汉沟组实测厚度约为50 m，岩性主要为泥岩和泥质灰岩，新鲜面为深灰色，表面风化成灰绿色，沉积环境为滨浅湖相，与下伏召沟组为整合接触。

大青山组实测厚度约为300 m，下部岩性以紫红色含砾粗砂岩、紫色泥岩和黄绿色粉砂岩为特征，发育水平层理；上部岩性为灰紫色泥岩夹紫红色中粗砂岩。沉积环境为冲积扇-河流-滨浅湖相，与下伏长汉沟组呈假整合接触(图2)。

2 样品采集与制备

本次研究共采集石拐盆地野外露头细粒沉积岩样品13件，其中五当沟组1件，召沟组7件，长汉沟组1件，大青山组4件，取样位置见图2。

选择新鲜样品进行测试以保证测试结果的准确性。样品预处理和主元素、痕量元素测试均在油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)完成。主元素测试分析遵照GB/T14506.30-2010硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分测定方法，在电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES、美国PE 5300V)上完成。痕量元素测试分析遵照GB/T14506.30-2010《硅酸盐岩石化学分析方法》第30部分：44个元素测定方法，在电感耦合等离子体质谱仪(7700 Series ICP-MS)上完成。测试方法如下：①称岩石样品50 mg过200目筛，经过烘干处理，将粉末置于溶样器中；②依次加入硝酸、盐酸、氢氟酸混合，对样品进行密封处理，消解放置过夜；③将样品置于恒温加热板上，在150℃条件下蒸干12 h，用2%的盐酸稀释，移入干净的聚乙烯容量瓶中，定容摇匀。

样品检测过程中使用标准物质作为质量监控样，并且重复检测，样品分析误差<10%(质量分数)。

3 结果与讨论

3.1 古盐度

3.1.1 Sr/Ba比值

Sr/Ba值是古湖泊水体盐度判别的灵敏指标[18]，Sr/Ba值(质量分数比值)<0.5为淡水环境，0.5～1.0为半咸水环境，>1.0为咸水环境[23]。由表1、表2、图3可知，石拐盆地五当沟组Sr/Ba质量分数比值为0.21；召沟组Sr/Ba质量分数比值为0.08～0.34，均值为0.22；长汉沟组Sr/Ba质量分数比值为0.63；大青山组Sr/Ba质量分数比值为0.2～0.25，均值为0.23。

上述Sr/Ba比值表明，石拐盆地五当沟组、召沟组和大青山组以淡水环境为主，长汉沟组为半咸水环境(图3)。

3.1.2 痕量元素丰度

前人研究指出，咸水环境中Li的丰度(质量分数:w)>150×10-6，Sr的质量分数>800×10-6，Ga的质量分数<8×10-6；淡水环境中，Li的质量分数<90×10-6，Sr的质量分数<500×10-6，Ga的质量分数>17×10-6 [24-25]。对测得样品数据分析(表1，图3)可知，Li在五当沟组的丰度(质量分数)为42.42×10-6；在召沟组的质量分数为(10.2～46.71)×10-6，平均值为23.59×10-6；在长汉沟组的质量分数为17.45×10-6；在大青山组的质量分数为(19.18～29.88)×10-6，平均值为24.74×10-6：在所有样品中均小于90×10-6，指示整体环境为淡水环境。Sr在五当沟组的丰度(质量分数)为140.45×10-6；在召沟组的质量分数为(178.12～284.09)×10-6，平均值为209.77×10-6；在长汉沟组的质量分数为207.67×10-6；在大青山组的质量分数为(156.33～256.79)×10-6，平均值为207.17×10-6：在所有样品中均小于500×10-6，指示整体环境为淡水环境。Ga在五当沟组的丰度(质量分数)为35.72×10-6；在召沟组的质量分数为(14.96～34.58)×10-6，平均值为26.37×10-6；在长汉沟组的质量分数为18.49×10-6；在大青山组的质量分数为(20.90～25.39)×10-6，平均值为23.40×10-6：在所有样品中均大于17×10-6，指示整体环境为淡水环境。

综上所述，认为五当沟组、召沟组和大青山组主要为淡水环境，长汉沟组为淡水—微咸水环境。

表1 石拐盆地侏罗系细粒沉积岩样品痕量元素质量分数Table 1 Mass fraction of trace elements of Jurassic fine-grained sedimentary rocks in Shiguai Basin

表2 石拐盆地侏罗纪岩石元素参数计算结果Table 2 Calculation results of major and trace elements of the Jurassic rocks in Shiguai Basin

3.2 氧化-还原条件

U、V、Cr、Co、Ni、Th等元素的含量及其比值可作为恢复古氧相的判别指标[26-27]。本文主要通过U/Th法、V/Cr法、Ni/Co法及V/(V+Ni)法对石拐盆地侏罗纪氧化-还原条件进行判别。

3.2.1 U/Th法

用U/Th含量比值进行古氧化还原条件的讨论。由表1、表2和图3可知，

五当沟组U/Th

质量分数比值为0.22；召沟组U/Th质量分数比值为0.06～0.22，均值为0.16；长汉沟组U/Th质量分数比值为0.07；大青山组U/Th质量分数比值为0.07～0.14，均值为0.15：判断研究区石拐群和大青山组皆为氧化环境。

3.2.2 V/Cr、V/(V+Ni)及Ni/Co比值法

V、Cr、Ni和Co这4种元素的含量比值是判别氧化-还原环境的典型代表[26,28- 29]。

由表1、表2和图3可知，五当沟组V/Cr质量分数比值为2.6，Ni/Co质量分数比值为3.2，V/(V+Ni)质量分数比值为0.82；召沟组V/Cr质量分数比值为2.32～5.35(均值为1.31)，Ni/Co质量分数比值为1.38～2.01(均值为1.79),V/(V+Ni)质量分数比值为0.69～0.84(均值为0.77)；长汉沟组V/Cr质量分数比值为1.5，Ni/Co质量分数比值为1.87，V/(V+Ni)质量分数比值为0.76；大青山组V/Cr质量分数比值为0.69～1.26(均值为1.01)，Ni/Co质量分数比值为1.61～2.13(均值为2)，V/(V+Ni)质量分数比值为0.67～0.77(均值为0.72)。

综上所述，结合图4分析，认为研究区整体为氧化环境，从石拐群到大青山组氧化程度越来越强，与野外观察到的岩石颜色从灰黑色逐渐向紫红色转变的沉积学特征相吻合。

3.3 古水深

Co元素的平均含量较为稳定，因此，其在沉积物中的丰度值可用来计算沉积物的沉积速率[18]。周瑶琪等[31]提出了一种利用Co的丰度值来计算沉积速率，从而计算出古水体深度的方法。

沉积环境的古水体深度可以较好地从泥岩中反映出来，不同相带的沉积物，其沉积速率也不相同[25]。本文对研究区样品进行了痕量元素钴(Co)和镧(La)的含量测定(表1)，将所测的Co、La含量值代入公式进行古水深的定量计算[18,25,32]。结果显示(图3)，研究区侏罗系五当沟组古水深约为1.3 m；召沟组古水深为1.18～32.47 m，平均为13.98 m；长汉沟组古水深为8.31 m；大青山组古水深为4.44～8.93 m，平均为7.12 m。

水深的变化与氧化-还原条件的变化息息相关，湖泊环境水体深度不同，其充氧程度也不相同[33]。据前人研究，浅水环境中的水体充氧程度高，为氧化环境，氧化环境的深度一般小于15 m；半深水环境中表现为弱氧化—弱还原环境，其深度范围一般为15～30 m，也可大于30 m；深水环境则表现为强还原环境，其深度范围一般大于30 m[33-34]。结合古水深计算结果可知，从五当沟组到召沟组中部，湖盆水体从浅水氧化环境变为半深水弱氧化环境，向上至大青山组时水体又逐渐变浅，即向浅水氧化环境转变。

3.4 古气候条件

沉积物中的主元素、痕量元素含量会受古气候条件影响，在不同的环境条件下含量产生差异，因此古气候条件对氧化-还原条件、古盐度条件具有控制作用，是解释沉积环境重要的指标之一[35]。本文使用古气候指数(C)、化学蚀变指数(CIA)、Rb/Sr质量分数比值(wRb/wSr)和Sr/Cu质量分数比值(wSr/wCu)来分析古气候。

3.4.1 古气候指数(C)和化学蚀变指数(CIA)对古气候的指示意义

Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素常常在潮湿的气候条件下富集， Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素在水分蒸发、水体碱性增强的干旱条件下较富集。因此，这2种类型元素的质量比——古气候指数(C)可以用于研究沉积岩形成时的古气候[35]。

研究表明， 0≤C<0.2指示干旱环境，0.2≤C<0.6指示半干旱—半潮湿环境，C≥0.6指示潮湿环境[35]。

由表2、表3和图3可知，研究区五当沟组古气候指数为0.51，表明五当沟组上部为半潮湿的气候条件；召沟组古气候指数为0.12～0.60，平均为0.29，属于干旱—半潮湿的气候条件；长汉沟组古气候指数为0.50，属于半潮湿的气候条件；大青山组古气候指数为0.13～0.34，平均为0.25，属于干旱—半干旱的气候条件。

化学蚀变指数(CIA)常被用作定量分析气候和风化作用强度。据前人研究可知，因为钙质沉积物中碳酸盐岩衍生出的CaO较难精准测定和扣除，所以计算CIA指数时去除原公式中的CaO含量[36]。通常情况下，CIA≥80指示湿热的气候，表明源区的化学蚀变作用强；70≤CIA<80指示温带气候，表明源区的化学蚀变作用为中等；50

由表2、表3和图3、图5可知，研究区五当沟组CIA值为92，表明五当沟组形成于潮湿的气候条件，化学蚀变作用强；召沟组CIA值为67～86，平均为78，属于干旱—潮湿的气候条件，化学蚀变作用较强；长汉沟组CIA值为51，属于干旱—半潮湿的气候条件，化学蚀变作用弱；大青山组CIA值为69～76，平均为72，属于干旱—半潮湿的气候条件，化学蚀变作用中等。

表3 石拐盆地侏罗系细粒沉积岩样品主元素质量分数Table 3 Mass fraction of major elements of Jurassic fine-grained sedimentary rocks in Shiguai Basin

3.4.2 Sr/Cu含量比值

wSr/wCu值能较好地用于分析古气候特征，潮湿环境下，wSr/wCu<10；干旱环境下，wSr/wCu≥10[38]。

由表2和图3可知，研究区五当沟组wSr/wCu值为1.94，表明五当沟组为潮湿的气候条件；召沟组wSr/wCu值为2.77～36.32，平均为5.24，属于干旱—潮湿的气候条件；长汉沟组wSr/wCu值为7.11，属于半潮湿的气候条件；大青山组wSr/wCu值为3.04～12.43，平均为7.41，属于潮湿—干旱的气候条件。

3.4.3 Rb/Sr含量比值

wRb/wSr值对气候变化十分敏感，由于Rb易吸附在较为稳定的黏土矿物中，而Sr易溶于溶液而被迁移走，因此被选做判别古气候的指标，wRb/wSr值越低，表示化学风化越强烈，反之风化作用越弱[39-40]。

由表2和图3可知，研究区五当沟组wRb/wSr值为0.53，表明化学风化作用强，为潮湿的气候条件；召沟组wRb/wSr值为0.12～0.67，平均为0.46，化学风化作用由强到弱，为干旱—半潮湿—潮湿的气候条件；长汉沟组wRb/wSr值为0.24，化学风化作用较强，为潮湿的气候条件；大青山组wRb/wSr值为0.49～0.72，平均为0.57，化学风化作用较强，为干旱—半潮湿的气候条件。

综合分析，石拐盆地侏罗纪古气候经历了暖湿—干旱—半潮湿—半干旱—潮湿—半干旱—半潮湿—半干旱的演变过程。参考前人研究[41-43]，将研究区侏罗纪古气候特征与鄂尔多斯盆地北部同时期古气候进行比对，发现古气候演变特征基本一致，具有可对比性。

4 结 论

a.研究区主元素和痕量元素的含量和分布特征表明：①古盐度表现为五当沟组、召沟组和大青山组主要为淡水沉积环境，长汉沟组为淡水—微咸水环境，整体盐度从石拐群到大青山组逐渐降低；②氧化-还原条件表现为研究区整体为氧化环境，从石拐群到大青山组的氧化程度越来越强；③古水深的计算表明研究区湖盆水体从五当沟组到召沟组由浅逐渐变深，至召沟组中段达到最深值32.47 m，至长汉沟组和大青山组时水体又变浅；④古气候方面，具有由石拐群的暖湿气候向大青山组的半干热半潮湿气候转变的特征，其中召沟组早期和晚期经历了短暂的干旱气候。

b.研究区古盐度的高低、氧化-还原条件和古水深的改变与古气候环境的演化具有密切相关性，随着气候变得越加炎热干旱，蒸发作用加强，水体变浅，盐度逐渐升高，氧化作用越来越强。其侏罗纪时期沉积环境演化规律与鄂尔多斯盆地北缘同一时期的沉积环境具有可对比性。