內(nèi)蒙古大青山石拐盆地侏羅系元素地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境指示意義

梁子若,侯明才,曹海洋,晁 暉

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

石拐盆地位于內(nèi)蒙古大青山的腹部，是中國北方中生代-新生代盆地中侏羅系保存較為完整且連續(xù)出露的陸相斷陷盆地[1]。前人主要對石拐盆地區(qū)域構(gòu)造[2-7]與盆地演化[1,8-9]、油藏和煤藏評價[10-13]進(jìn)行過一些研究。陳志勇等[3]、劉政宏等[5]認(rèn)為大青山上沖推覆構(gòu)造始于印支期晚侏羅世，結(jié)束于燕山期白堊紀(jì)晚期。杜菊民等[6]、張岳橋等[7]認(rèn)為侏羅紀(jì)早期受印支造山作用影響，使得地殼伸展垮塌，形成了斷陷盆地；晚侏羅世受燕山早期擠壓變形作用形成了代表推覆構(gòu)造體系的前緣帶構(gòu)造和斷層。徐翔軍等[1]、彭向東等[8-9]認(rèn)為盆地演化分為3個階段，早侏羅世五當(dāng)溝組時期為盆地快速堆積期，發(fā)育巨厚的含煤碎屑巖建造；中侏羅世長漢溝組時期為穩(wěn)定湖相發(fā)育期，形成灰色、灰綠色砂泥巖組合；晚侏羅世大青山組時期為萎縮期，發(fā)育紫色碎屑巖系。鄂俊杰等[10]、李滿英等[12]、馮巖等[13]認(rèn)為五當(dāng)溝組發(fā)育煤系烴源巖；召溝組富含油頁巖，處于低熟—成熟階段，發(fā)育生油層和儲油層；長漢溝組發(fā)育蓋層；盆地邊緣發(fā)現(xiàn)油苗及油氣顯示，具備形成油氣藏的潛力。前人也對石拐盆地地層[14-15]與沉積環(huán)境[16-17]進(jìn)行過少量研究。例如：烏統(tǒng)昱等[14]根據(jù)長漢溝組葉肢介化石數(shù)量繁多、排列雜亂等特征，得出該時期為動蕩水體沉積環(huán)境；劉兆生等[15]通過研究植物化石，依據(jù)孢子植物Cyathiditesminor、裸子植物花粉中銀杏目和蘇鐵目的單溝粉以及Classopollis，確定其發(fā)育于中、晚侏羅世；葛玉輝等[16]、張貴雙等[17]利用植物化石和孢粉分析，認(rèn)為五當(dāng)溝組為早侏羅世晚期比較干熱氣候下的產(chǎn)物，而召溝組為中侏羅世溫暖潮濕氣候環(huán)境下的湖泊沼澤沉積環(huán)境。

綜上可得出3點認(rèn)識：①前人研究主要集中在區(qū)域構(gòu)造與盆地演化、油藏與煤藏評價等方面，沉積環(huán)境研究明顯不足。②石拐盆地侏羅系五當(dāng)溝組發(fā)育煤系烴源巖，召溝組富含油頁巖，說明烴源巖物質(zhì)基礎(chǔ)好；召溝組和長漢溝組發(fā)育儲油層和蓋層，具有一定的油氣勘探意義：石拐盆地侏羅系具有重要研究價值。③前人對石拐盆地侏羅系沉積環(huán)境研究的資料僅在植物化石和孢粉方面，具有進(jìn)一步研究的必要性。

石拐盆地所蘊含的古氣候、古水深和古鹽度等古環(huán)境信息是開展中國北方中生代-新生代系列盆地(伊犁盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、鄂爾多斯盆地、石拐盆地、二連盆地)古環(huán)境對比研究不可或缺的基礎(chǔ)資料。利用主元素和痕量元素進(jìn)行地球化學(xué)定量分析來判別古環(huán)境演化特征是最常用的手段[18]。本文基于對石拐盆地侏羅系剖面的實測，結(jié)合沉積學(xué)特征，以侏羅系的細(xì)粒沉積巖為研究對象，開展主元素、痕量元素地球化學(xué)特征分析，探討石拐盆地侏羅紀(jì)的古鹽度、古氧化-還原條件、古水深及古氣候，恢復(fù)大青山腹部侏羅紀(jì)的古氣候環(huán)境特征及變化規(guī)律，為深入研究中國北方中生代-新生代盆地古環(huán)境對比提供基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

石拐盆地位于內(nèi)蒙古中部大青山西段，呈近東西向展布。盆地形成于印支晚期，發(fā)展于燕山期，改造并定型于燕山晚期—喜馬拉雅期，是一個典型的陸相斷陷盆地[1,3-5]。盆地基底主要由太古界烏拉山巖群的大理巖、石英巖、片巖、變粒巖、片麻巖等構(gòu)成[19]。

石拐盆地發(fā)育完整的侏羅系。本文測定的剖面起點坐標(biāo)為：N40°35′24.313″，E110°26′36.37″，剖面大致沿一條水渠測量，露頭出露較為平緩(圖1)。

前人對大青山地區(qū)的侏羅系研究工作始于20世紀(jì)30年代，孫建初、王竹泉等創(chuàng)建了大青山地區(qū)侏羅紀(jì)地層序列[20]，李星學(xué)、斯行健等在此基礎(chǔ)上又對石拐盆地侏羅紀(jì)地層進(jìn)行了厘定[20-22]。

侏羅系下統(tǒng)和中統(tǒng)劃分石拐群，其中下統(tǒng)又可細(xì)分為五當(dāng)溝組，中統(tǒng)劃分為召溝組和長漢溝組，上統(tǒng)劃分為大青山組。

研究區(qū)內(nèi)五當(dāng)溝組不整合于太古宙烏拉山群片麻巖之上，實測厚度約為150 m，巖性自下而上為黃色礫巖、含礫巖屑粗砂巖、薄層灰黃色細(xì)砂巖、灰黑色泥頁巖夾薄層煤，發(fā)育交錯層理和水平層理，為扇三角洲—濱淺湖沉積。

召溝組實測厚度約為200 m，下部為黃綠色含礫粗砂巖、巖屑雜砂巖、深灰色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖；中部為灰綠色中厚層粗砂巖、粉細(xì)砂巖及大量煤層及煤線夾薄層泥，構(gòu)成韻律層；上部為灰白色含礫粗砂巖、黃綠色中細(xì)砂巖和灰黃色泥巖。含植物化石碎片，發(fā)育水平層理、交錯層理和河道沖刷構(gòu)造，沉積環(huán)境為河流相—湖泊相，與下伏五當(dāng)溝組為整合接觸。

長漢溝組實測厚度約為50 m，巖性主要為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，新鮮面為深灰色，表面風(fēng)化成灰綠色，沉積環(huán)境為濱淺湖相，與下伏召溝組為整合接觸。

大青山組實測厚度約為300 m，下部巖性以紫紅色含礫粗砂巖、紫色泥巖和黃綠色粉砂巖為特征，發(fā)育水平層理；上部巖性為灰紫色泥巖夾紫紅色中粗砂巖。沉積環(huán)境為沖積扇-河流-濱淺湖相，與下伏長漢溝組呈假整合接觸(圖2)。

2 樣品采集與制備

本次研究共采集石拐盆地野外露頭細(xì)粒沉積巖樣品13件，其中五當(dāng)溝組1件，召溝組7件，長漢溝組1件，大青山組4件，取樣位置見圖2。

選擇新鮮樣品進(jìn)行測試以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。樣品預(yù)處理和主元素、痕量元素測試均在油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))完成。主元素測試分析遵照GB/T14506.30-2010硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法第28部分：16個主次成分測定方法，在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES、美國PE 5300V)上完成。痕量元素測試分析遵照GB/T14506.30-2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》第30部分：44個元素測定方法，在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(7700 Series ICP-MS)上完成。測試方法如下：①稱巖石樣品50 mg過200目篩，經(jīng)過烘干處理，將粉末置于溶樣器中；②依次加入硝酸、鹽酸、氫氟酸混合，對樣品進(jìn)行密封處理，消解放置過夜；③將樣品置于恒溫加熱板上，在150℃條件下蒸干12 h，用2%的鹽酸稀釋，移入干凈的聚乙烯容量瓶中，定容搖勻。

樣品檢測過程中使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為質(zhì)量監(jiān)控樣，并且重復(fù)檢測，樣品分析誤差<10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

3 結(jié)果與討論

3.1 古鹽度

3.1.1 Sr/Ba比值

Sr/Ba值是古湖泊水體鹽度判別的靈敏指標(biāo)[18]，Sr/Ba值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值)<0.5為淡水環(huán)境，0.5～1.0為半咸水環(huán)境，>1.0為咸水環(huán)境[23]。由表1、表2、圖3可知，石拐盆地五當(dāng)溝組Sr/Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.21；召溝組Sr/Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.08～0.34，均值為0.22；長漢溝組Sr/Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.63；大青山組Sr/Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.2～0.25，均值為0.23。

上述Sr/Ba比值表明，石拐盆地五當(dāng)溝組、召溝組和大青山組以淡水環(huán)境為主，長漢溝組為半咸水環(huán)境(圖3)。

3.1.2 痕量元素豐度

前人研究指出，咸水環(huán)境中Li的豐度(質(zhì)量分?jǐn)?shù):w)>150×10-6，Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>800×10-6，Ga的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<8×10-6；淡水環(huán)境中，Li的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<90×10-6，Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<500×10-6，Ga的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>17×10-6 [24-25]。對測得樣品數(shù)據(jù)分析(表1，圖3)可知，Li在五當(dāng)溝組的豐度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為42.42×10-6；在召溝組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(10.2～46.71)×10-6，平均值為23.59×10-6；在長漢溝組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.45×10-6；在大青山組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(19.18～29.88)×10-6，平均值為24.74×10-6：在所有樣品中均小于90×10-6，指示整體環(huán)境為淡水環(huán)境。Sr在五當(dāng)溝組的豐度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為140.45×10-6；在召溝組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(178.12～284.09)×10-6，平均值為209.77×10-6；在長漢溝組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為207.67×10-6；在大青山組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(156.33～256.79)×10-6，平均值為207.17×10-6：在所有樣品中均小于500×10-6，指示整體環(huán)境為淡水環(huán)境。Ga在五當(dāng)溝組的豐度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為35.72×10-6；在召溝組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.96～34.58)×10-6，平均值為26.37×10-6；在長漢溝組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.49×10-6；在大青山組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(20.90～25.39)×10-6，平均值為23.40×10-6：在所有樣品中均大于17×10-6，指示整體環(huán)境為淡水環(huán)境。

綜上所述，認(rèn)為五當(dāng)溝組、召溝組和大青山組主要為淡水環(huán)境，長漢溝組為淡水—微咸水環(huán)境。

表1 石拐盆地侏羅系細(xì)粒沉積巖樣品痕量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of trace elements of Jurassic fine-grained sedimentary rocks in Shiguai Basin

表2 石拐盆地侏羅紀(jì)巖石元素參數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculation results of major and trace elements of the Jurassic rocks in Shiguai Basin

3.2 氧化-還原條件

U、V、Cr、Co、Ni、Th等元素的含量及其比值可作為恢復(fù)古氧相的判別指標(biāo)[26-27]。本文主要通過U/Th法、V/Cr法、Ni/Co法及V/(V+Ni)法對石拐盆地侏羅紀(jì)氧化-還原條件進(jìn)行判別。

3.2.1 U/Th法

用U/Th含量比值進(jìn)行古氧化還原條件的討論。由表1、表2和圖3可知，

五當(dāng)溝組U/Th

質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.22；召溝組U/Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.06～0.22，均值為0.16；長漢溝組U/Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.07；大青山組U/Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.07～0.14，均值為0.15：判斷研究區(qū)石拐群和大青山組皆為氧化環(huán)境。

3.2.2 V/Cr、V/(V+Ni)及Ni/Co比值法

V、Cr、Ni和Co這4種元素的含量比值是判別氧化-還原環(huán)境的典型代表[26,28- 29]。

由表1、表2和圖3可知，五當(dāng)溝組V/Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為2.6，Ni/Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為3.2，V/(V+Ni)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.82；召溝組V/Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為2.32～5.35(均值為1.31)，Ni/Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為1.38～2.01(均值為1.79),V/(V+Ni)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.69～0.84(均值為0.77)；長漢溝組V/Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為1.5，Ni/Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為1.87，V/(V+Ni)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.76；大青山組V/Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.69～1.26(均值為1.01)，Ni/Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為1.61～2.13(均值為2)，V/(V+Ni)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.67～0.77(均值為0.72)。

綜上所述，結(jié)合圖4分析，認(rèn)為研究區(qū)整體為氧化環(huán)境，從石拐群到大青山組氧化程度越來越強，與野外觀察到的巖石顏色從灰黑色逐漸向紫紅色轉(zhuǎn)變的沉積學(xué)特征相吻合。

3.3 古水深

Co元素的平均含量較為穩(wěn)定，因此，其在沉積物中的豐度值可用來計算沉積物的沉積速率[18]。周瑤琪等[31]提出了一種利用Co的豐度值來計算沉積速率，從而計算出古水體深度的方法。

沉積環(huán)境的古水體深度可以較好地從泥巖中反映出來，不同相帶的沉積物，其沉積速率也不相同[25]。本文對研究區(qū)樣品進(jìn)行了痕量元素鈷(Co)和鑭(La)的含量測定(表1)，將所測的Co、La含量值代入公式進(jìn)行古水深的定量計算[18,25,32]。結(jié)果顯示(圖3)，研究區(qū)侏羅系五當(dāng)溝組古水深約為1.3 m；召溝組古水深為1.18～32.47 m，平均為13.98 m；長漢溝組古水深為8.31 m；大青山組古水深為4.44～8.93 m，平均為7.12 m。

水深的變化與氧化-還原條件的變化息息相關(guān)，湖泊環(huán)境水體深度不同，其充氧程度也不相同[33]。據(jù)前人研究，淺水環(huán)境中的水體充氧程度高，為氧化環(huán)境，氧化環(huán)境的深度一般小于15 m；半深水環(huán)境中表現(xiàn)為弱氧化—弱還原環(huán)境，其深度范圍一般為15～30 m，也可大于30 m；深水環(huán)境則表現(xiàn)為強還原環(huán)境，其深度范圍一般大于30 m[33-34]。結(jié)合古水深計算結(jié)果可知，從五當(dāng)溝組到召溝組中部，湖盆水體從淺水氧化環(huán)境變?yōu)榘肷钏跹趸h(huán)境，向上至大青山組時水體又逐漸變淺，即向淺水氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變。

3.4 古氣候條件

沉積物中的主元素、痕量元素含量會受古氣候條件影響，在不同的環(huán)境條件下含量產(chǎn)生差異，因此古氣候條件對氧化-還原條件、古鹽度條件具有控制作用，是解釋沉積環(huán)境重要的指標(biāo)之一[35]。本文使用古氣候指數(shù)(C)、化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)、Rb/Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(wRb/wSr)和Sr/Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(wSr/wCu)來分析古氣候。

3.4.1 古氣候指數(shù)(C)和化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)對古氣候的指示意義

Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素常常在潮濕的氣候條件下富集， Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素在水分蒸發(fā)、水體堿性增強的干旱條件下較富集。因此，這2種類型元素的質(zhì)量比——古氣候指數(shù)(C)可以用于研究沉積巖形成時的古氣候[35]。

研究表明， 0≤C<0.2指示干旱環(huán)境，0.2≤C<0.6指示半干旱—半潮濕環(huán)境，C≥0.6指示潮濕環(huán)境[35]。

由表2、表3和圖3可知，研究區(qū)五當(dāng)溝組古氣候指數(shù)為0.51，表明五當(dāng)溝組上部為半潮濕的氣候條件；召溝組古氣候指數(shù)為0.12～0.60，平均為0.29，屬于干旱—半潮濕的氣候條件；長漢溝組古氣候指數(shù)為0.50，屬于半潮濕的氣候條件；大青山組古氣候指數(shù)為0.13～0.34，平均為0.25，屬于干旱—半干旱的氣候條件。

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)常被用作定量分析氣候和風(fēng)化作用強度。據(jù)前人研究可知，因為鈣質(zhì)沉積物中碳酸鹽巖衍生出的CaO較難精準(zhǔn)測定和扣除，所以計算CIA指數(shù)時去除原公式中的CaO含量[36]。通常情況下，CIA≥80指示濕熱的氣候，表明源區(qū)的化學(xué)蝕變作用強；70≤CIA<80指示溫帶氣候，表明源區(qū)的化學(xué)蝕變作用為中等；50

由表2、表3和圖3、圖5可知，研究區(qū)五當(dāng)溝組CIA值為92，表明五當(dāng)溝組形成于潮濕的氣候條件，化學(xué)蝕變作用強；召溝組CIA值為67～86，平均為78，屬于干旱—潮濕的氣候條件，化學(xué)蝕變作用較強；長漢溝組CIA值為51，屬于干旱—半潮濕的氣候條件，化學(xué)蝕變作用弱；大青山組CIA值為69～76，平均為72，屬于干旱—半潮濕的氣候條件，化學(xué)蝕變作用中等。

表3 石拐盆地侏羅系細(xì)粒沉積巖樣品主元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)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值能較好地用于分析古氣候特征，潮濕環(huán)境下，wSr/wCu<10；干旱環(huán)境下，wSr/wCu≥10[38]。

由表2和圖3可知，研究區(qū)五當(dāng)溝組wSr/wCu值為1.94，表明五當(dāng)溝組為潮濕的氣候條件；召溝組wSr/wCu值為2.77～36.32，平均為5.24，屬于干旱—潮濕的氣候條件；長漢溝組wSr/wCu值為7.11，屬于半潮濕的氣候條件；大青山組wSr/wCu值為3.04～12.43，平均為7.41，屬于潮濕—干旱的氣候條件。

3.4.3 Rb/Sr含量比值

wRb/wSr值對氣候變化十分敏感，由于Rb易吸附在較為穩(wěn)定的黏土礦物中，而Sr易溶于溶液而被遷移走，因此被選做判別古氣候的指標(biāo)，wRb/wSr值越低，表示化學(xué)風(fēng)化越強烈，反之風(fēng)化作用越弱[39-40]。

由表2和圖3可知，研究區(qū)五當(dāng)溝組wRb/wSr值為0.53，表明化學(xué)風(fēng)化作用強，為潮濕的氣候條件；召溝組wRb/wSr值為0.12～0.67，平均為0.46，化學(xué)風(fēng)化作用由強到弱，為干旱—半潮濕—潮濕的氣候條件；長漢溝組wRb/wSr值為0.24，化學(xué)風(fēng)化作用較強，為潮濕的氣候條件；大青山組wRb/wSr值為0.49～0.72，平均為0.57，化學(xué)風(fēng)化作用較強，為干旱—半潮濕的氣候條件。

綜合分析，石拐盆地侏羅紀(jì)古氣候經(jīng)歷了暖濕—干旱—半潮濕—半干旱—潮濕—半干旱—半潮濕—半干旱的演變過程。參考前人研究[41-43]，將研究區(qū)侏羅紀(jì)古氣候特征與鄂爾多斯盆地北部同時期古氣候進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)古氣候演變特征基本一致，具有可對比性。

4 結(jié) 論

a.研究區(qū)主元素和痕量元素的含量和分布特征表明：①古鹽度表現(xiàn)為五當(dāng)溝組、召溝組和大青山組主要為淡水沉積環(huán)境，長漢溝組為淡水—微咸水環(huán)境，整體鹽度從石拐群到大青山組逐漸降低；②氧化-還原條件表現(xiàn)為研究區(qū)整體為氧化環(huán)境，從石拐群到大青山組的氧化程度越來越強；③古水深的計算表明研究區(qū)湖盆水體從五當(dāng)溝組到召溝組由淺逐漸變深，至召溝組中段達(dá)到最深值32.47 m，至長漢溝組和大青山組時水體又變淺；④古氣候方面，具有由石拐群的暖濕氣候向大青山組的半干熱半潮濕氣候轉(zhuǎn)變的特征，其中召溝組早期和晚期經(jīng)歷了短暫的干旱氣候。

b.研究區(qū)古鹽度的高低、氧化-還原條件和古水深的改變與古氣候環(huán)境的演化具有密切相關(guān)性，隨著氣候變得越加炎熱干旱，蒸發(fā)作用加強，水體變淺，鹽度逐漸升高，氧化作用越來越強。其侏羅紀(jì)時期沉積環(huán)境演化規(guī)律與鄂爾多斯盆地北緣同一時期的沉積環(huán)境具有可對比性。