渤海海域石臼坨凸起东段元素特征与古环境关系

姚雅琴，赵都菁，杨纪磊，曹 洁，杨娇娇，李国良

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司，天津 300452）

近年来，越来越多的地球化学方法开始应用到油气田勘探中，大量研究表明，沉积岩样品中黏土及粉砂质碎屑岩的地球化学特征继承了其母岩主要元素组合的特点，可追溯沉积岩形成时期的物源区地质背景及构造特征[1–3]。同时，地层中元素的分配、比值变化和组合都在一定程度上指示古气候环境的演化，因此，可以利用元素的变化规律分析沉积环境[4，5]。而对渤海海域石臼坨东部地区元素与环境的关系尚未开展过系统研究[6]，针对沙二段具环境指示意义的古生物化石缺少的现状，根据已钻井岩屑、测井以及地球化学测试资料对石臼坨凸起东段陡坡带东营组、沙河街组沉积环境及物源影响因素进行详细分析，揭示砂体来源特征，对该区下一步油气勘探具有重要意义。

渤海海域石臼坨凸起东段，南部紧邻渤中凹陷，北部与秦南凹陷相接，在石臼坨凸起东段陡坡带古近系发育一系列的高陡断鼻圈闭（如秦皇岛35–2、36–3和29–2等构造） （图1），成藏条件优越，2008年钻探的QHD35–2A井取得重大突破，也为该区域的进一步勘探打开了局面[7–8]。

图1 石臼坨凸起东段区域位置

1 样品及测试

石臼坨凸起东段84块样品取自于7口井，BZ–2A井8块、BZ–1A井27块、BZ–1B井12块、QHD29–2A井10块、QHD29–B井10块、QHD30–A井6块、QHD35–2A井9块，其中，前寒武系2块，石炭系2块，二叠纪10块，中生代12块，古近系沙河街组37块，东营组21块，取样井位置如图1所示。样品的Si、Al、Fe、MgO、CaO、Na、K、MnO、Ti、P、FeO等元素及烧失量分析由AB–104L、PW2404X射线荧光光谱仪进行，依据GB/T14506.14–2010《硅酸盐岩石化学分析方法第14部分：氧化亚铁量测定》，GB/T14506.28–2010《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》分析得到。数据分析显示，研究区以SiO2和Al2O3为主，含量平均值分别为57.63%和12.96%；Fe203、CaO、K2O、Na2O、CaCO3含量次之。SiO2主要赋存在花岗岩等酸性岩浆岩中，SiO2富集的程度较高，说明研究区东营组母岩类型以花岗岩等酸性岩浆岩为主；而Al和K元素常富集于长石和黏土矿物中，Al2O3和K2O的亏损与这些矿物含量较少有关。值得注意的是，在东部区域CaO特别富集，而在西部区域和南部区域CaO则存在亏损；且MgO在东部区域中亏损得少，而西部和南部区域中亏损得多，Ca一般与碳酸盐岩有关，Mg则主要存在于基性岩中，说明这3个区域沉积环境存在差异或母岩性质发生了变化。Al2O3含量为1.89%～21.86%，均值为12.96%，Al主要以硅酸盐的形式赋存于细粒的黏土矿物晶格中，不易迁移；Fe203的含量为1.36%～12.42%，均值为4.49%，含量分布趋势与Al203相同；MgO的含量为0.161%～15.450%，均值为2.600%，分布趋势与Al大致相同；P2O5的含量为0.013%～2.260%，均值为0.150%。磷为“亲生物元素”[9]，研究区整体磷含量低，反映了生物作用的影响较小。

砂岩常量元素分层系的平均含量分析表明（表1），东营组的SiO2平均含量72.06%，与燕山造山带数据对比[10]，处于大陆岛弧（70.69%）与活动大陆边缘（73.86%）之间，沙河街组的平均含量为67.81%，接近大陆岛弧的70.69%。

表1 各类大地构造环境砂岩常量元素质量分数

东营组Al2O3含量为12.44%，接近活动大陆边缘的12.89%；沙河街组Al2O3含量为13.71%，接近大陆岛弧的14.04%。东营组、沙河街组Na2O的含量分别为2.47%和2.73%，接近活动大陆边缘的2.77%。研究区K2O含量为3.79%，高于活动大陆边缘（2.90%）。东营组、沙河街组MgO的含量分别为0.50%与1.12%，低于活动大陆边缘（1.39%）。研究区Fe2O3的含量分别为3.69%和4.07%，远高于活动大陆边缘（1.30%），显示陆地水体环境的还原性较强。总体上东营组、沙河街组的常量元素含量更接近活动大陆边缘，且与大陆岛弧有所相似，反应出活动大陆边缘火山活动的特点。

2 石臼坨凸起东段地球化学特征

2.1 MgO/CaO特征

MgO/CaO比值是气候变化的良好指示剂，低值指示干热气候，高值指示潮湿气候，但在碱层层位时则相反[13]。由于碱层的成分是碳酸盐岩，当钠盐开始沉淀时，水介质中的Mg2+和Ca2+由于充分沉淀，浓度已经很低，况且Mg2+的活动性比Ca2+差得多，二者相比，前者几乎消耗殆尽，故岩层中MgO/CaO比值表现为低值或极低值。石臼坨凸起东段的MgO/CaO比值整体差异较大，如图2所示，分层位计算平均值，其平均值的最大值与最小值相差3.2%，说明研究区从石炭系到东营组时期的沉积环境发生了明显改变。BZ–1B井的MgO/CaO比值较高，为碎屑岩沉积，二叠系可能为相对干旱的气候条件，而其他地区，尤其是QHD35-2地区的沙一段、东营组的MgO/CaO比值相对较低，BZ-1A井及BZ-2A井的东营组MgO/CaO值略高，反映了研究区沙河街组、东营组沉积时期各区域气候条件存在较大的差异，沙一段、东营组应为较温暖的潮湿沉积环境。而QHD29–2地区的沙一段、沙二段沉积时期为高含钙地层， MgO/CaO比值较高，可能为干旱或蒸发环境沉积，大量旱生裸子类植物麻黄粉等古生物化石的发现也表明该区为干旱或蒸发的沉积环境[14]。

图2 石臼坨凸起东段不同井MgO/CaO比值

2.2 Fe3+/Fe2+特征

沉积物中全铁的含量与沉积物氧化还原环境的关系不大，但在特定的氧化还原条件下Fe3+和Fe2+可以相互转化，使得Fe3+/Fe2+比值及Fe3+和Fe2+浓度可在一定程度上判断沉积物氧化还原环境。以往的大量研究证实，可以用Fe3+/Fe2+比值的相对大小在一定程度上表征沉积物的氧化还原环境[15–18]，基于Fe3+/Fe2+比值和沉积环境氧化还原的关系，可将沉积环境划分为三种类型，Fe3+/Fe2+比值大于3为氧化环境，Fe3+/Fe2+比值在1～3为弱氧化区，Fe3+/Fe2+比值小于1为还原区。

图3中BZ–1A井沙三段Fe3+/Fe2+比值处于2～4，主要为弱氧化–氧化环境，沙一段、东营组Fe3+/Fe2+比值约为1，主要为还原环境；同理，BZ–2A井东营组、QHD29–2A井沙一段和沙二段、BZ–1B井二叠系、QHD35–2A井东营组的大部分层段Fe3+/Fe2+比值约为1，因而均为还原环境；QHD35–2A井3 322.6 m的Fe3+/Fe2+比值为4.89，为强氧化环境；BZ–2A井沙四段Fe3+/Fe2+比值为1.02～5.81，并且自下而上逐渐减少，说明由强氧化环境逐渐变为还原环境；QHD30–A、QHD29–B井的沙一段Fe3+/Fe2+比值为1～2，主要为弱氧化环境。

图3 石臼坨凸起东段不同井Fe3+/Fe2+比值

为了弄清氧化还原环境与砂体变化的关系，本次研究对照分析了Fe3+/Fe2+比值与岩性的纵向分布关系，以BZ–1A井为代表，总体上，砂体相对发育的层位Fe3+/Fe2+比值都比泥岩段略大，如沙三段（2 801.48～2 907.61 m）砂岩Fe3+/Fe2+的比值比沙一段（2 723.97～2 726.03 m）大；但是同为砂岩发育段，2 685.46 m砂岩的Fe3+/Fe2+比值为2.85，而其临近的细砾岩（2 682.47 m）、粗砂岩（2 688.37 m）的Fe3+/Fe2+比值分别为1.06和1.12，可能与水下沉积环境有关，2 685.46 m的砂岩可能为洪水期所形成。

3 结论

（1）石臼坨凸起东段沙河街组、东营组沉积时期各区域气候条件存在差异。沙一段、东营组为较温暖的潮湿沉积环境，QHD29–2E地区的沙一段、QHD29–2地区的沙二段沉积时期可能为干旱或蒸发环境。

（2）BZ–1A井沙三段为弱氧化–氧化环境，沙一段、东营组主要为还原环境；BZ–2A井东营组、QHD29–2A井沙一段和沙二段、BZ–1B井二叠系、QHD35–2A井东营组均为还原环境；QHD30–A、QHD29–B井的沙一段主要为弱氧化环境。沉积环境与砂体的关系密切，总体上，砂体相对发育的层段氧化性强于泥岩段。