潛江凹陷鹽湖相頁(yè)巖礦物組成與稀土元素地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

鄭有偉，付德亮，田 兵，段志強(qiáng)，張 波，羅建寧，王自翔

1內(nèi)蒙古科技大學(xué)；2自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；4長(zhǎng)江大學(xué)

0 前言

北美頁(yè)巖油氣革命極大地啟發(fā)了我國(guó)頁(yè)巖油氣的勘探與開(kāi)發(fā)。我國(guó)南方下古生界海相頁(yè)巖氣已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開(kāi)發(fā)，陸相頁(yè)巖油領(lǐng)域的勘探和研究方興未艾。與北美海相頁(yè)巖油不同，我國(guó)海相地層成熟度普遍較高，因此頁(yè)巖油攻關(guān)多集中在東部成熟度相對(duì)較低的中生界—新生界陸相頁(yè)巖。江漢盆地、東濮凹陷、柴達(dá)木盆地等古近紀(jì)咸化含油氣盆地中，主力烴源巖往往與膏鹽巖層存在較好的共生關(guān)系［1-2]。隨著非常規(guī)油氣理論的發(fā)展，江漢盆地潛江凹陷古近系潛江組內(nèi)的193個(gè)鹽韻律被重新認(rèn)識(shí)為富含頁(yè)巖油的重要地質(zhì)單元［3-5]。潛江組由鹽韻律和砂泥巖段頻繁交互而成，部分層段廣泛發(fā)育富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，其生成的原油受上下鹽巖層的封堵而難以排出，形成自生自儲(chǔ)的獨(dú)特的頁(yè)巖油藏，因此，鹽湖相頁(yè)巖具有較大的頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)潛力。

前人對(duì)潛江凹陷潛江組開(kāi)展了儲(chǔ)層特征、構(gòu)造和沉積相等方面的研究［6-10]，也有部分學(xué)者開(kāi)展了頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)、測(cè)井識(shí)別及生物標(biāo)志化合物等方面的研究［11-13]，這些與頁(yè)巖有關(guān)的研究主要是針對(duì)10韻律層鹽間頁(yè)巖的優(yōu)質(zhì)烴源巖特征，而對(duì)于5韻律層的研究卻鮮有報(bào)道。潛江凹陷作為一種獨(dú)特的頁(yè)巖油系統(tǒng)單元，對(duì)其潛江組鹽間頁(yè)巖不同韻律層的物源屬性與沉積環(huán)境差異的研究目前尚未開(kāi)展。本文試圖通過(guò)對(duì)潛江組兩套不同韻律層鹽間頁(yè)巖的礦物組成、稀土元素特征及其之間關(guān)系的分析，研究?jī)商}間韻律層的物源區(qū)性質(zhì)，探討古氣候與沉積環(huán)境的差異，以期為下一步的勘探部署奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

潛江凹陷為江漢盆地中部一個(gè)較大的二級(jí)構(gòu)造單元［10，14]，王場(chǎng)構(gòu)造是潛江凹陷內(nèi)的一個(gè)背斜［15]，是重要的三級(jí)控油構(gòu)造單元，西側(cè)與北側(cè)被蚌湖向斜和張港單斜夾持（圖1a），南段被周磯斷裂、車(chē)垱斷裂切割，整體表現(xiàn)為斷背斜形態(tài)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置與地層柱狀圖（據(jù)文獻(xiàn)［10]修改）Fig.1 Structural location and stratigraphic column of study area(cited from reference［10],modified)

潛江凹陷潛江組自上而下依次分為潛一段、潛二段、潛三段和潛四段（圖1b）。從潛四段沉積中晚期開(kāi)始古地貌表現(xiàn)為北深南淺、地形相對(duì)平緩的特點(diǎn)，在高鹽度、強(qiáng)蒸發(fā)、封閉的潮濕氣候與干旱氣候交替環(huán)境下沉積了鹽系地層，縱向上由鹽巖層和砂泥巖段頻繁互層［16]。每個(gè)段分為若干亞段，每個(gè)亞段由若干鹽韻律層組成，一個(gè)鹽韻律層由底部鹽巖層和上部鹽間層組成。為了便于討論，通常稱鹽間層為一個(gè)韻律層或者鹽間頁(yè)巖。受西北部單向物源的影響，平面上自西北向東南方向依次發(fā)育三角洲沉積區(qū)—半咸水湖過(guò)渡區(qū)—鹽湖沉積區(qū)［3]。根據(jù)鉆井巖心觀察、巖心樣品分析：在三角洲沉積區(qū)，縱向上巖性組合為砂巖、泥巖頻繁互層；在半咸水湖過(guò)渡區(qū)，縱向上巖性組合為泥頁(yè)巖夾碳酸鹽巖或薄層砂巖；在鹽湖沉積區(qū)，由一百多個(gè)鹽韻律組成［3，5]。

2 礦物組成與地球化學(xué)特征

2.1 礦物組成特征

全巖XRD分析表明，樣品中均含較高的Al2O3、CaO和MgO組分,說(shuō)明與淡水環(huán)境的泥頁(yè)巖、泥巖相比，咸化環(huán)境形成的烴源巖鈣質(zhì)和膏鹽成分較高。兩套鹽間頁(yè)巖主要由硅酸鹽礦物（黏土礦物、石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石）、碳酸鹽礦物（方解石、白云石）、硫酸鹽礦物（鈣芒硝、石膏、硬石膏）、石鹽和黃鐵礦組成，為典型的混積巖［18]。其中，硫酸鹽礦物主要順層集中發(fā)育和在裂縫中充填，僅有少量以基質(zhì)形式存在。受采樣位置的影響，部分樣品硫酸鹽礦物含量較高，不宜參與平均統(tǒng)計(jì)。剔除-10韻律硅酸鹽礦物平均含量為46.58%，碳酸鹽礦物平均含量為43.56%，硫酸鹽礦物平均含量為4.92%，硫酸鹽礦物基本為鈣芒硝(圖2a)；E-5韻律硅酸鹽礦物平高含硫酸鹽礦物的樣品后，均含量為38.91%，碳酸鹽礦物平均含量為49.56%，硫酸鹽礦物平均含量為7.44%(圖2b)，與-10韻律不同，-5韻律硫酸鹽礦物主要為硬石膏。

圖2 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖的礦物組成Fig.2 Mineral composition of inter-salt shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

兩套韻律層的硅酸鹽礦物與碳酸鹽礦物之和約占90%，硫酸鹽礦物、石鹽和黃鐵礦等約占10%。10韻律的硅酸鹽礦物與碳酸鹽礦物含量相當(dāng)，-5韻律的硅酸鹽礦物含量約占38.91%，低于碳酸鹽礦物含量（49.56%）。另外，兩套韻律層在硅酸鹽礦物構(gòu)成上存在較大差異：-各占45%左右；10韻律的硅酸鹽礦物主要以黏土礦物和石英為主，含少量斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石；-5韻律的硅酸鹽礦物主要以斜長(zhǎng)石、黏土礦物和石英為主，含少量鉀長(zhǎng)石。礦物組成與硅酸鹽礦物構(gòu)成的差異可能暗示著物源與沉積環(huán)境的差異。

由于礦物組成的特殊性，普通巖石命名規(guī)則不適用于該類混積巖的定名。為了便于討論，本文暫且以硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、膏鹽礦物作為3個(gè)端元，按各類礦物的含量多少將樣品分為碎屑巖類、碳酸鹽巖類和膏鹽巖類3種巖石類型(圖3)。

圖3 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖的礦物組成分類Fig.3 Classification of mineral composition of inter-salt shale in Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

2.2 稀土元素特征

表1 潛江凹陷和其他地區(qū)不同類型巖石稀土元素參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistis of REE paramaters of different types of rocks in Qianjiang Depression and other areas

已有研究表明，受成巖作用的影響，巖石中往往會(huì)出現(xiàn)δCe與δEu、(Dy/Sm)N、ΣREE等參數(shù)都存在較好相關(guān)性［22-23]。本次研究樣品的δCe與δEu、(Dy/Sm)N均顯示無(wú)相關(guān)性(圖4)，表明成巖作用對(duì)-10韻律和-5韻律稀土元素的影響不明顯。

圖4 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖δCe與δEu、(Dy/Sm)N關(guān)系圖Fig.4 Relationship betweenδCe andδEu,(Dy/Sm)N of inter-salt shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

2.3 稀土元素與礦物組成的關(guān)系

同一套韻律層內(nèi)的不同類型巖石的稀土元素含量存在明顯差異(表1)，即碎屑巖類的ΣREE＞碳酸鹽巖類的ΣREE＞膏鹽巖類的ΣREE。顯然，鹽間頁(yè)巖的稀土元素含量與礦物組成密切相關(guān)。圖5a顯示兩套韻律層的稀土元素總量與硅酸鹽礦物含量之間呈明顯正相關(guān)性，體現(xiàn)了稀土元素的繼承性特征［24]。斜長(zhǎng)石是沉積巖繼承母巖稀土元素的重要載體之一，-5韻律的稀土元素含量高于-10韻律，這可能與-5韻律中具有較高含量的斜長(zhǎng)石有關(guān)。

圖5 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖的礦物含量與ΣREE關(guān)系Fig.5 Relationship between mineral content andΣREE of inter-salt shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

在不考慮高含硫酸鹽礦物樣品時(shí)，碳酸鹽礦物含量與稀土元素含量之間呈負(fù)相關(guān)性(圖5b)，這主要是因?yàn)樘妓猁}礦物含量與硅酸鹽礦物含量之間呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系：碳酸鹽礦物含量高時(shí)，硅酸鹽礦物含量就低。

稀土元素總量ΣREE與黏土礦物、石英含量之間并不是呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是呈對(duì)數(shù)關(guān)系(圖5c，5d)；鉀長(zhǎng)石由于含量很低，其與ΣREE之間并無(wú)明顯相關(guān)性(圖5e)。-10韻律中的斜長(zhǎng)石含量較低，其與ΣREE也無(wú)明顯相關(guān)性，但-5韻律的斜長(zhǎng)石含量相對(duì)較高，變化范圍較大，與ΣREE之間呈明顯正相關(guān)性(圖5f)。綜合來(lái)看，鹽間頁(yè)巖硅酸鹽礦物的含量控制著稀土元素的豐度。

3 討論

3.1 物源指示意義

稀土元素的化學(xué)性質(zhì)極其相似，在水介質(zhì)中的停留時(shí)間短、含量低，能夠快速地保存在細(xì)粒沉積物中而不易發(fā)生分異作用，同時(shí)，由于受成巖作用和蝕變作用影響較小，使得沉積物能夠較好地保存物源區(qū)的地球化學(xué)信息。因此，稀土元素常被用作物源指示劑，其特征參數(shù)δEu、δCe以及輕、重稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值（ΣLREE/ΣHREE）等主要反映了物源特征［25-26]。

以球粒隕石為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究樣品的REE進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如圖6。兩套韻律層的3類巖石均表現(xiàn)出相似的配分模式：LREE相對(duì)富集，HREE相對(duì)虧損，曲線呈右傾斜型，La—Eu曲線較陡，Gd—Lu曲線較為平緩。δEu值為0.58～0.75，平均值為0.64，具較為明顯的虧損；δCe值為0.91～1.05，平均值為0.98，無(wú)明顯Ce異常。相似的配分模式說(shuō)明兩套韻律層的母源物質(zhì)具有相同的稀土元素配分模式，可能來(lái)源于同一母源。

圖6 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖的REE配分模式Fig.6 REE distribution model of inter-salt shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

ΣREE—La/Yb圖版常被用來(lái)判斷巖石母源。由于該圖版使用了稀土元素絕對(duì)含量作為參數(shù)之一，因此，可以用來(lái)判斷沉積巖直接來(lái)源的硅酸鹽礦物的母源。在計(jì)算稀土元素含量時(shí)應(yīng)將碳酸鹽等化學(xué)沉積礦物所占比重扣除，而不應(yīng)該將硅酸鹽礦物稀土元素含量與碳酸鹽等化學(xué)沉積類礦物的稀土元素含量混為一談。Cullers等［27]在關(guān)于沉積分選作用對(duì)REE濃度的影響效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，含黏土的巖石比其他沉積巖具有更高的REE含量，石英和碳酸鹽礦物的存在對(duì)REE起了稀釋作用，物源區(qū)的REE含量完全可以由沉積巖中的黏土礦物來(lái)代表。由上述礦物含量與稀土元素含量關(guān)系（圖5）可知，稀土元素主要賦存在硅酸鹽礦物之中，通過(guò)圖5a中硅酸鹽礦物與REE的線性關(guān)系，可以簡(jiǎn)單換算出硅酸鹽礦物為100%時(shí)的稀土元素，這一含量反映的是真實(shí)物源區(qū)的稀土元素含量。將研究區(qū)樣品投點(diǎn)到ΣREE—La/Yb圖版(圖7)，絕大部分樣品落入花崗巖區(qū)，部分落入花崗巖與堿性玄武巖重疊區(qū)，少量落入沉積巖與花崗巖重疊區(qū)，體現(xiàn)了潛江組鹽間頁(yè)巖具有多物源屬性，更多的可能來(lái)源于花崗巖區(qū)和堿性玄武巖區(qū)。

圖7 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖ΣREE—La/Yb圖版Fig.7 ΣREE-La/Yb chart for provenance discrimination of inter-salt shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

3.2 古氣候與沉積環(huán)境

Sr和Ba具有相似的化學(xué)性質(zhì)，Sr豐度和Sr/Ba值與古鹽度值存在較好的相關(guān)性，通常隨著水體鹽度的逐漸加大，Ba離子先與碳酸鹽、硫酸鹽中的陰離子結(jié)合發(fā)生沉淀，之后Sr離子再發(fā)生沉淀，因此Sr/Ba值可用來(lái)作為沉積時(shí)期古鹽度分析的一個(gè)指標(biāo)。研究區(qū)-10韻律中Sr含量的范圍為411～24 839μg/g，-5韻律中Sr含量的范圍為265.8～24 924μg/g，兩套韻律層均表現(xiàn)出Sr含量變化快的特征，說(shuō)明潛江組的古鹽度變化很快。古鹽度的變化對(duì)古氣候變化有一定的指示意義，一般認(rèn)為：Sr/Ba值小于0.6代表陸相淡水沉積，Sr/Ba值在0.6～1.0范圍代表半咸水的海陸過(guò)渡相沉積，Sr/Ba值大于1.0代表海相(咸化湖泊)咸水沉積［28]。研究區(qū)-10韻律的Sr/Ba值的范圍為1.25～20.63，平均值為5.01，而-5韻律的Sr/Ba值的范圍為0.87～16.09，平均值為4.19，說(shuō)明當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境均為咸湖沉積，該時(shí)期古鹽度較大，該環(huán)境下發(fā)育石膏和鹽晶體。上述分析表明，Sr的豐度和Sr/Ba值都顯示了此沉積期處于湖盆咸化期，而且-10韻律頁(yè)巖比-5韻律頁(yè)巖處于更咸化的湖盆環(huán)境。咸湖沉積有利于有機(jī)質(zhì)的堆積與保存［29]，有利于烴源巖的發(fā)育。

古氣候、沉積環(huán)境的變化可以引起沉積物中礦物組成的變化，而這種變化也可能被稀土元素記錄下來(lái)，并體現(xiàn)在稀土元素的配分特征上。

通常用(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N等比值來(lái)反映稀土元素的分餾程度：(La/Yb)N反映了稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中配分曲線的傾斜程度，即輕、重稀土元素的分餾程度；(La/Sm)N反映了輕稀土元素之間的分餾程度；(Gd/Yb)N反映了重稀土元素之間的分餾程度。研究區(qū)-10韻律的碎屑巖類(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N的平均值分別為10.85、4.16和1.69，碳酸鹽巖類(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N的平均值分別為9.89、4.01和1.66，均低于碎屑巖類，表明-10韻律碎屑巖類稀土元素分餾程度高于碳酸鹽巖類。與此相反，-5韻律的碎屑巖類(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N的平均值分別為8.92、3.72和1.60，碳酸鹽巖類(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N的平均值分別為9.73、3.96和1.66，均高于碎屑巖類，表明-5韻律的碎屑巖類稀土元素分餾程度低于碳酸鹽巖類。另一方面，從(La/Yb)N與硅酸鹽礦物含量關(guān)系圖(圖8)也可發(fā)現(xiàn)，-10韻律的硅酸鹽礦物含量與稀土元素分餾程度呈良好的正相關(guān)性，而-5韻律的硅酸鹽礦物含量與稀土元素分餾程度具負(fù)相關(guān)性。顯然，稀土元素在硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物中具有不同的分餾特征。

圖8 潛江凹陷潛江組鹽間頁(yè)巖硅酸鹽礦物含量與(La/Yb)N關(guān)系Fig.8 Relationship between silicate minerals content and(La/Yb)N of inter-salt shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Depression

研究表明，頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化后的海水中的稀土元素常表現(xiàn)出重稀土元素相對(duì)富集，ΣLREE/ΣHREE值較小，這是由于海水中稀土元素的離子常與碳酸根離子形成絡(luò)合物，重稀土絡(luò)合物比較穩(wěn)定［30-31]，輕稀土元素的離子半徑較小，其與黏土礦物的吸附而作用更強(qiáng)，因此碳酸鹽沉積環(huán)境下ΣLREE/ΣHREE值較小，碎屑巖沉積環(huán)境下ΣLREE/ΣHREE值較大。鄢明才等［21]對(duì)中國(guó)東部不同類型巖石稀土元素特征的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，稀土元素分餾程度由小到大依次為碳酸鹽巖、碎屑巖、泥質(zhì)巖（表1）。-10韻律表現(xiàn)出正常的巖石類型與分餾程度關(guān)系的特征。

與中國(guó)東部碳酸鹽巖［21]相比，潛江組兩套韻律層的碳酸鹽巖類稀土元素分餾程度相似，都略高于中國(guó)東部碳酸鹽巖(表1)，這與研究樣品中含有部分硅酸鹽礦物有關(guān)。研究區(qū)-10韻律碎屑巖類稀土元素分餾程度與中國(guó)東部碎屑巖相近，而-5韻律碎屑巖類稀土元素分餾程度則明顯低于10韻律碎屑巖類和中國(guó)東部碎屑巖。分析認(rèn)為有兩種原因造成以上現(xiàn)象：其一，潛江組兩套韻律層的母源物質(zhì)本身有所差異；其二，兩套韻律層具有同一物源，但在-5韻律沉積時(shí)期的沉積物在風(fēng)化—搬運(yùn)—沉積—成巖這一過(guò)程中稀土元素的分餾作用弱于-10韻律和中國(guó)東部碎屑巖。結(jié)合兩套韻律層的硅酸鹽礦物組成來(lái)看，相較于10韻律而言，-5韻律較高含量的長(zhǎng)石類礦物說(shuō)明其物源母質(zhì)并未遭受強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用，在母巖風(fēng)化后便快速搬運(yùn)、沉積下來(lái)，其稀土元素配分特征仍然保持著與母巖更為相似的相對(duì)較弱的稀土元素分餾程度特征。

氣候變化是控制沉積物稀土元素配分的重要原因之一，高的(La/Yb)N值通常指示著相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣候［19]。相同類型的巖石，研究區(qū)-10韻律(La/Yb)N值高于-10韻律沉積時(shí)期氣候相對(duì)更為溫暖濕潤(rùn)，這種氣候更有利于生物的生長(zhǎng)，這可能是-10韻律有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較高的原因之一。

稀土元素在湖泊中以溶解態(tài)和懸浮態(tài)的形式存在，重稀土元素較易沉淀，分異不明顯，而輕稀土元素停留在深水環(huán)境的時(shí)間長(zhǎng)，沉降緩慢，與水溶液交換時(shí)間長(zhǎng)，促進(jìn)了輕稀土元素間的分異［32]。因此，較高的(La/Sm)N值可能指示了相對(duì)較深的水體。相同類型的巖石，E-10韻律(La/Sm)N值大于-5韻律，表明-5韻律，表明-10韻律沉積時(shí)期湖泊水體可能更深。

Elderfield等［33]提出了Ce異常值的計(jì)算公式為Ceanom=lg(3CeN/(2LaN+NdN))，以北美頁(yè)巖為標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)Ceanom值＞-0.1時(shí)，為缺氧還原條件；當(dāng)Ceanom值＜-0.1時(shí)，為氧化環(huán)境。研究區(qū)Eq34-10韻律的Ceanom值為-0.08～-0.02，平均值為-0.05，-5韻律的Ceanom值為-0.05～-0.01，平均值為-0.04，均大于-0.1，表明這兩套韻律層的沉積水體均為缺氧的還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

4 結(jié)論

（1）潛江凹陷古近系潛江組鹽間頁(yè)巖主要由硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物和少量膏鹽礦物組成，由于古氣候和沉積環(huán)境的變化，不同韻律層之間礦物組成有一定的差異。-10韻律的硅酸鹽礦物主要以黏土礦物和石英為主；E-5韻律的硅酸鹽礦物主要以斜長(zhǎng)石、黏土礦物和石英為主。

（2）研究區(qū)鹽間頁(yè)巖稀土元素含量與硅酸鹽礦物含量呈正相關(guān)。-10韻律的碎屑巖類稀土元素分餾程度大于碳酸鹽巖類，-5韻律的碎屑巖類稀土元素分餾程度與碳酸鹽巖類相似，可能指示兩套地層的母源物質(zhì)存在差異，或-10韻律沉積時(shí)期氣候相對(duì)更為溫暖濕潤(rùn)、風(fēng)蝕作用更強(qiáng)。兩套地層沉積水體均為還原環(huán)境，而-10韻律沉積時(shí)期的湖泊水體可能更深。