柴北緣平臺地區(qū)下干柴溝組下段沉積-成巖環(huán)境分析

蔣赟 ,王遠飛 ,馬富強 ,朱文軍 ,孫國強 ,張順從

（1.西北大學地質(zhì)學系,陜西 西安 710000;2.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;3.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院,甘肅 敦煌 736202;4.甘肅省油氣資源研究重點實驗室 甘肅 蘭州 730000）

泥巖等細粒沉積物中主、微量元素與其形成的沉積環(huán)境具有密切關系[1]。沉積過程中，沉積物對某種元素除自身吸附能力差異不同[2]，還受到沉積介質(zhì)物理化學條件的影響[3]，通過對沉積物中主、微量元素含量與其比值的研究[4]，反演出沉積環(huán)境（如古氣候，古鹽度，氧化還原條件）等重要信息[5，6]。碳酸鹽巖作為碎屑巖中重要的膠結(jié)物類型之一[7]，在不同成巖環(huán)境中具有不同的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，其中碳、氧同位素可探究不同成巖流體中的碳來源和形成時期古溫度[8]，并劃分成巖階段[9]，在碎屑巖成巖作用研究中受到人們的廣泛關注[10]。

柴達木盆地北緣平臺地區(qū)作為賽什騰山山前最為有利的油氣勘查區(qū)域之一，具有巨大的油氣資源潛力，近年來已取得一定成果[11]，尤其是在平1 井和平3 井中獲得工業(yè)油氣流，暗示該區(qū)具廣闊的勘探潛力[12]。前人對平臺地區(qū)路樂河組砂巖儲層物性[13]、沉積微相進行了一定的研究[14]，但平臺地區(qū)整體研究較低，尤其是下干柴溝組下段研究成果較少，主要集中于天然氣成藏和物源方向[15，16]，因此，該區(qū)下干柴溝組下段沉積-成巖環(huán)境的研究對正確認識儲層及有利儲層預測具重要意義。巖石學和地球化學分析作為沉積-成巖環(huán)境分析的有效手段之一，在平臺地區(qū)應用極少，本文在前人研究基礎上，對柴北緣平臺地區(qū)下干柴溝組下段巖心樣品進行主、微量元素與碳、氧同位素測試，對沉積-成巖環(huán)境進行系統(tǒng)的探討研究，為該區(qū)下一步油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

柴達木盆地位于青藏高原的東北方向，是中新生代內(nèi)陸大型含油氣盆地之一[17]，盆地平均海拔為2 800 m，被海拔4 000～5 000 m 的四大山脈所包圍，北為祁連山，南為昆侖山，西為阿爾金山，東為挨拉山，古新世以來，由于逆沖和侵蝕作用，附近山脈向柴達木盆地輸送了大量碎屑物質(zhì)，產(chǎn)生的新生代沉積物最大厚度約為12 000 m[18]。平臺地區(qū)位于柴達木盆地北緣祁連山前（圖1），古近系發(fā)育較好[19]，分布廣泛，從平臺地區(qū)到盆地中心地層厚度逐漸增加，自下而上可劃分為路樂河組和下干柴溝組[20]，其中下干柴溝組又可分為上段和下段。下干柴溝組下段以河流相沉積為主，沉積微相可具體分為河漫和河床亞相。

圖1 柴達木盆地北緣構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic map of northern margin of Qaidam Basin

2 樣品及實驗

本次樣品主要來自柴北緣平臺地區(qū)平2井鉆井巖心。將下干柴溝組下段自下而上進行全巖連續(xù)采樣，采集深度為653.26～644.77 m。選取棕紅、紫紅色泥巖分析主、微量元素（圖2），選取膠結(jié)物中方解石含量高的砂巖進行碳、氧同位素分析。

圖2 平臺地區(qū)平2井下干柴溝組下段沉積相圖Fig.2 Sedimentary facies diagram of lower section of lower Ganchaigou Formation in Ping 2 well in platform area

主量元素的測定采用X 射線熒光光譜儀3080E3X。微量元素分析時，首先將樣品在105℃烤箱上烘烤3 h 去除水分，以便準確稱量，之后用HF+HNO3密封溶解樣品，并用激光耦合等離子體質(zhì)譜儀LA-ICP-MS 進行分析測試。碳、氧同位素分析采用Al-Aasm選擇性酸抽提法。選取樣品對鉆井巖心的粒度大小、巖石類型及沉積構(gòu)造類型等進行觀測和研究，用1%的稀鹽酸溶液對樣品進行滴試，通過產(chǎn)生氣泡的劇烈程度確定碳酸鹽膠結(jié)物的含量和成分，通過鏡下鑒定、掃描電鏡及X射線顯微分析等方法，選擇含單一碳酸鹽膠結(jié)物的樣品來分析其碳、氧同位素組成。樣品的主、微量元素和碳、氧同位素處理和測試均在甘肅省油氣資源研究重點實驗室完成。

3 巖石學特征

柴北緣平臺地區(qū)下干柴溝組下段埋藏較淺，通過對鉆井巖心樣品觀察，薄片鑒定及X 衍射分析結(jié)果顯示：平臺地區(qū)下干柴溝組下段儲集砂巖主要成分為長石（20%～49.4%），平均含量41%，巖屑（20%～55%），平均含量35%和石英（10%～35%），平均含量24%，其中巖屑成分以變質(zhì)巖為主，火成巖和碳酸鹽巖次之。通過投碎屑巖成分三端元圖表明（圖3），平臺地區(qū)下干柴溝組下段巖石類型主要為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，含少量巖屑砂巖和長石砂巖。碎屑顆粒的粒度以粉砂巖和細砂巖為主，粗砂巖和中砂巖較少。成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等，顆粒分選以中等、差為主，磨圓以次棱角狀為主，填隙物為泥質(zhì)雜基和碳酸鹽膠結(jié)物，顆粒接觸關系以點接觸為主，膠結(jié)類型以基底-孔隙膠結(jié)為主?？紫额愋椭饕獮槿芪g孔和殘余原生粒間孔（圖4），原生粒間孔在研究區(qū)主要為殘余原生粒間孔，碎屑顆粒以點接觸為主，少量線接觸。粒間溶孔主要為長石等顆粒和粒間方解石膠結(jié)物被溶蝕后形成的溶蝕孔隙，邊緣常不規(guī)則，呈鋸齒狀或港灣狀。

圖3 平臺地區(qū)下干柴溝組下段碎屑巖成分三端元圖Fig.3 Triangulation of clastic rock composition of the lower member of the Lower Ganchaigou Formation in the platform area

圖4 平臺地區(qū)下干柴溝組下段砂巖鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristics of sandstone in the lower member of the lower Ganchaigou Formation in the platform area

4 主、微量元素分析

4.1 古鹽度

大部分Rb以懸浮膠體搬運，凝絮效應使其沉淀時易被有機質(zhì)和粘土吸收。在堿性條件下，K 元素含量與粘土礦物具密切關系，其中伊利石對其影響最大[21]。因此，Rb含量和Rb/K比值可反映水體鹽度高低。水體鹽度越高，粘土對Rb 的吸收能力越強，Rb/K 含量越高，泥巖中的Rb/K 比值隨沉積時水體的含鹽度的變化而變化，正常海相頁巖Rb/K 大于0.006，微咸水頁巖Rb/K為0.004～0.006，淡水沉積物Rb/K 比值小于0.002 8[22]，平臺地區(qū)下干柴溝組下段Rb/K范圍在0.001 5～0.002 0，平均0.001 7，指示沉積環(huán)境為淡水環(huán)境。

4.2 古氣候

喜干型元素Sr 與喜濕型元素Cu 比值可作為古氣候變化參數(shù)。一般情況下，Sr/Cu 值介于1～10 之間指示潮濕氣候，大于10 則指示干熱氣候[23]。MgO/CaO 比值對氣候變化較為敏感，當鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類不參與沉淀時，在干旱氣候條件下，MgO/CaO 比值較高，曲線斜率較陡，在潮濕氣候條件下，MgO/CaO 比值曲線斜率較緩，比值小，故MgO/CaO高值指示干熱氣候，低值指示潮濕氣候[31]；當鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類參與沉淀時，Na+，K+的相對高值和MgO/CaO 低值共同指示干熱氣候[24]。平臺地區(qū)下干柴溝組下段Sr/Cu 范圍為6.59～26.58（表1），平均11.73；MgO/CaO 為0.21～0.89，而MgO/CaO 比值與Sr/Cu 比值相反，表明鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類參與沉淀，尤其在645.77 m、650.26 m深度時表現(xiàn)出明顯高值，而Sr/Cu比值表現(xiàn)出明顯低值，結(jié)合Sr/Cu比值在10附近變化，表明當時古氣候變化較為頻繁。

4.3 氧化還原特征

在氧化狀態(tài)下，Th 元素本身不易溶解，但U 元素易溶解，造成富含Th 的沉積物中U 的丟失[25]。基于Th 和U 元素地球化學差異，通常利用Th/U 和&U法來判斷沉積時期的氧化還原狀態(tài)[26]，Th/U值在0～2 之間指示缺氧環(huán)境，大于8 則暗示強氧化環(huán)境[27]；&U法計算公式為&U=U/［0.5×（Th/3+U）］，若&U 值小于1指示還原環(huán)境，大于1指示氧化環(huán)境[28]。Cu，Zn 元素在沉積過程中，因介質(zhì)氧逸度的不同發(fā)生分離，Cu/Zn 比值會隨氧逸度的改變而變化，Cu/Zn 在0.21～0.38 范圍內(nèi)為還原環(huán)境，在0.38～0.50為還原-氧化環(huán)境[29]，平臺地區(qū)下干柴溝組下段Th/U 為2.34～4.23，平均值3.35；&U 為0.83～1.12，平均值0.95；Cu/Zn 為0.29～0.47，平均值0.36。由于當時處于古氣候變化頻繁時期，對沉積水體氧化還原條件造成影響，處于還原與氧化環(huán)境交替之中，同時古氣候變化與氧化還原條件變化趨勢具一致性，即古氣候從干熱變?yōu)槌睗駮r，氧化還原特征即從氧化變?yōu)檫€原條件。當古鹽度較高時，古氣候為干熱氣候，為氧化環(huán)境，而古鹽度較低時，古氣候顯示潮濕氣候，為還原環(huán)境。

5 碳、氧同位素分析

自然界中的碳同位素通常儲存在有機碳（還原碳）和碳酸鹽（氧化碳）兩大碳庫中，前者虧損13C，后者富集13C[30]。通常情況下，若δ13C范圍在-4.0‰～4.0‰之間，表明正常海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結(jié)物中碳來自于無機碳源[31]。本次碳、氧同位素分析結(jié)果表明（表2）：碳酸鹽膠結(jié)物中δ13C 范圍為-8.78‰～-3.55‰，平均值-5.06‰，δ18O 范圍為-14.01‰～-9.64‰，平均值-11.04‰。表明當時有一定數(shù)量的有機碳加入，隨著碎屑沉積物的不斷埋深，壓力與溫度不斷升高，有機質(zhì)發(fā)生熱脫羧反應，釋放出CO2，而CO2碳同位素明顯較輕。CO2溶于孔隙水后易與Ca2+結(jié)合后形成碳酸鹽巖，導致其δ13C 降低。平臺地區(qū)下干柴溝組下段δ13C 多數(shù)樣品偏低，表明本地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物中碳來源于碳酸鹽中無機碳和有機質(zhì)中的碳。

表2 平臺地區(qū)下干柴溝組下段碳氧同位素Table 2 Carbon and oxygen isotopes in the lower section of the Lower Chaigou formation in the platform area

在成巖作用過程中，生物降解和大氣降水淋濾溶解會影響δ13C和δ18O[32]，同時，古鹽度與碳、氧同位素組成有關[33]，通過Z值可區(qū)分淡水灰?guī)r和海相灰?guī)r[34]：Z=2.048(δ13C+50)+(δ18O+50),若Z小于120 指示淡水灰?guī)r，Z大于120 指示海相灰?guī)r（δ13C 和δ18O 均采用PDB標準）；平臺地區(qū)下干柴溝組下段Z值范圍在102.34‰～115.06‰之間，平均值為111.4‰，所以樣品均小于120‰，指示碳酸鹽膠結(jié)物成巖流體為大氣淋濾淡水。

水體介質(zhì)溫度對δ18O 影響較大，而對δ13C 較小，在鹽度幾乎不變的情況下，δ18O隨溫度升高而降低，Shackleton提出了古溫度計算公式[35]:t=16.9-4.38(δcδw)+0.1(δc-δw)2,其中t表示碳酸鹽巖形成時古溫度，δc為所測樣品δ18O值(PDB標準)，δw為當時海水δ18O值(SMOW 標準)本文δw取0值。平臺地區(qū)下干柴溝組下段碳酸鹽膠結(jié)物形成時的古溫度范圍在68.40℃～97.86℃，平均值為77.61℃，表明砂巖發(fā)育于早成巖階段B期。

6 地質(zhì)意義

柴北緣平臺地區(qū)發(fā)育辮狀河沉積，發(fā)育粗砂巖和含礫粗砂巖為主的河床滯留沉積，粉砂巖和泥巖為主的河漫灘沉積。通過上述分析柴沉積-成巖環(huán)境特征，古氣候環(huán)境主要是干旱與潮濕氣候交替出現(xiàn)，在洪水期時，降雨量增多，河道變寬，河水的搬運能力急劇增大。該時期形成的辮狀河沉積序列主要以河床亞相(特別是河床滯留和心灘)的粗碎屑巖為主；枯水期由于河水較少，河道變窄，水流速度降低，搬運能力較弱，這時發(fā)育的辮狀河沉積序列主要以河漫亞相的泥巖或粉砂質(zhì)泥巖為主。正是這種季節(jié)性的氣候周期性出現(xiàn)（雨季和旱季），有利于儲層中出現(xiàn)粗細碎屑巖交互沉積。

7 結(jié)論

（1）平臺地區(qū)下干柴溝組下段主要為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，通過Rb/K，Sr/Cu，MgO/CaO，&U，Th/U，Cu/Zn 等主、微量元素分析發(fā)現(xiàn)在644～654 m深度之間屬于淡水沉積，古氣候以干旱與潮濕季節(jié)性氣候為主，水體還原-氧化特征交替的沉積環(huán)境。

（2）平臺地區(qū)下干柴溝組下段碳氧同位素均較輕，與成巖流體中淡水淋濾作用有關，其中碳來源于碳酸鹽中無機碳和有機質(zhì)中的碳，通過Z 值算出古鹽度平均值為111.4‰，屬淡水沉積；古溫度平均值為77.61℃，結(jié)合巖石學特征，認為處于成巖階段B期。

（3）古氣候以干旱炎熱與溫暖潮濕頻繁交替出現(xiàn)，有利于出現(xiàn)粗細碎屑巖交互沉積，為下一步油氣勘查提供依據(jù)。