2016, Vol. 34扩展功能
文章信息
- 储呈林, 陈强路, 张博, 史政, 姜海健, 杨鑫
- CHU ChengLin, CHEN QiangLu, ZHANG Bo, SHI Zheng, JIANG HaiJian, YANG Xin
- 热液活动对东二沟剖面玉尔吐斯组烃源岩形成的影响
- Influence on Formation of Yuertusi Source Rock by Hydrothermal Activities at Dongergou Section, Tarim Basin
- 沉积学报, 2016, 34(4): 803-810
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2016, 34(4): 803-810
- 10.14027/j.cnki.cjxb.2016.04.020
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文章历史
- 收稿日期：2015-07-07
2. Tyumen State Oil and Gas University Tyumen 625003
2. Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen 625003, Russia
海底热液活动于1977年首次在加拉帕戈斯群岛被发现，其主要出现在大洋中脊、弧后盆地和岛弧三种构造环境中[1-2]。海底热液富含有各种金属元素，如Fe，Zn，Cu，Cd，Mn等，越来越多的金属矿床被发现与热液活动相关[3-5]。海底热液活动除带来大量金属元素外，同样能促进热液活动区生物群落的发育。现代海底热液研究表明，热液活动区生物繁盛，生物产量与热液活动强度呈正比，热液活动能促进沉积物中有机质的富集[6]。Han et al.[7]研究中国南方下寒武统牛蹄塘组发现，受热液活动影响的黑色页岩，金属元素富集，有机碳含量为2.55%~11.5%，平均值为7.73%，而未受热液活动影响的黑色页岩有机碳为1.80%~4.26%，平均值位3.67%。
目前热液活动与烃源岩关系的研究主要集中在热液活动有利于促进生物群落的发育和还原环境的形成两大方面[8-11]，而热液活动强度差异性及其产物对烃源岩形成的影响研究的较少。前人研究认为塔里木盆地下寒武统玉尔吐斯组为良好的烃源岩层，且形成过程中受到海底热液的影响[12-13]。本文利用地球化学指标对塔里木盆地东二沟剖面玉尔吐斯组的沉积环境进行了恢复和判别，分析有机碳和沉积环境的关系，探讨不同强度热液活动及其产物对烃源岩发育的影响。
1 区域地质背景震旦纪早期，塔里木陆块已经固结为增生的大陆地壳，形成具有前震旦系基底的盆地；震旦纪末，塔里木陆块一度整体抬升，震旦纪地层遭受风化剥蚀[14]。此后，早寒武世的冰川消融和缺氧事件，导致海平面快速上升，形成最大海泛并转为陆表海，沉积了早古生代第一套海相烃源岩[15]，在柯坪、阿克苏地区为玉尔吐斯组。
塔里木盆地东二沟剖面位于阿克苏市西南约50 km的青松石料厂北侧，地理位置为40°54′19.59″ N，79°51′10.05″ E，地层发育良好(图 1)。该剖面出露的玉尔吐斯组与下伏震旦系奇格布拉克组平行不整合接触，与上覆下寒武统肖尔布拉克组整合接触，底部为含磷硅质岩夹薄层黑色泥岩，向上硅质岩层逐渐增多；中部以黑色泥岩和页岩为主，夹有少量硅质岩；上部由瘤状白云岩夹泥岩逐渐过渡为肖尔布拉克组深灰色厚层块状白云岩。
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| 图 1 塔里木盆地东二沟剖面岩性柱状图及位置 Figure 1 Map of lithology and location of Dongergou section in Tarim Basin |
样品采自于塔里木盆地东二沟剖面，共16件，其中震旦系奇格布拉克组样品1件、寒武系玉尔吐斯组样品13件、肖尔布拉克组样品2件。残余总有机碳测试在中石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验中心完成(表 1)，仪器为美国LecoCS-200碳硫测定仪，灵敏度为3~5位有效数字，准确度：C＞0.1％±0.001或0.1％±0.005；C＜0.1％±0.000 2或0.1％±0.005。元素化学分析由中国石油勘探开发研究院廊坊分院完成(表 1)，主要元素数据用X射线荧光光谱法(XRF)分析，分析误差小于3%；微量和稀土元素数据用等离子体质谱法(ICP-MS)分析，分析误差小于6%。
大洋中脊热液流体的稀土元素特征已经被广泛研究[16-18]。由于稀土元素在化学性质上的相似性和系统差异，稀土元素常常用来作为海底热液活动的示踪剂[19-21]。
东二沟剖面玉尔吐斯组沉积物稀土元素组成见表 1，稀土元素组成分析显示其总稀土(ΣREE)含量较低，为(3.9~117.09)×10-6，平均含量为47.15×10-6。用北美页岩的稀土元素值标准化后[22]，具有明显的正Eu异常(δEu=0.94~2.11)和负Ce异常(δCe=0.31~0.63)，轻稀土与重稀土比值较小，标准化曲线近于水平或左倾。Eu的正异常是现代海底热液流体稀土元素组成的重要标志[19, 23-25]，表明东二沟玉尔吐斯组沉积时有海底热液的参与(图 2)。
沉积物中Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值同样可以作为判别海底热液的标志，当Fe/Titalic>20或(Fe +Mn)/Titalic>20±5，沉积物认为是热液沉积[26]。东二沟剖面玉尔吐斯组沉积中Fe/Ti比值为7.98~287.76，平均值为49.27，(Fe+Mn)/Ti比值为9.31~320.11，平均值为53.82(表 1)，同样表明玉尔吐斯组沉积时有海底热液的参与。以δEu、Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值反应热液活动强弱，纵向上玉尔吐斯组热液活动具有由弱到强再减弱的特征，热液活动主要集中在玉尔吐斯组的中下部，上部热液活动不明显或较弱(图 3)。
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| 图 2 东二沟剖面玉尔吐斯组稀土元素配分模式 Figure 2 REE pattern of Yuertusi Formation at Dongergou section |
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| 图 3 东二沟剖面玉尔吐斯组热液活动的地球化学特征 Figure 3 Geochemical characteristics of hydrothermal activities of Yuertusi Formation at Dongergou section |
海洋生产力反映了生物通过同化作用生产或积累有机物的能力[27]。对于古海洋而言，古海洋生产力的直接测定是不可能的。古海洋生产力的研究常用生物沉积物、化学元素、古生物等指标来替代[28]。随着现代分析测试技术的进步及其分析精度的提高，地球化学指标在古海洋研究中的作用日益突出，常用来反应古生产力的地球化学指标包括Al、Al/Ti、P、Ba、Ba/Ti等[29-31]。
单一元素受沉积速率等因素的影响较大，而通过元素比值可以抵消沉积速率等变化的影响[31]，且Al和Ti元素受成岩作用的影响较小，因此本文采用Al/Ti 的比值来做为反应古海洋生产力的指标。由于Al/Ti比值受陆源物质的影响较大，仅在受陆源物质含量较小的情况下适用[30]。Kryc et al.[32]在太平洋和南极半岛的研究表明，陆源物质小于3%~5%时，Al/Ti可以作为替代古生产力的指标。Yarincik et al.[33]在研究卡里亚科盆地时同样指出Al/Ti作为古产力指标时，陆源物质必须小于5%。根据Ti/TiPAAS计算陆源物质含量[34]，东二沟剖面除3个样品陆源物质含量超过5%外，其余样品的陆源物质含量都小于5%，平均值为4.66%，总体陆源物质的含量较少。因此可以用Al/Ti来作为反应古生产力的指标。
从东二沟剖面玉尔吐斯组Al/Ti随深度变化的曲线可以看出，Al/Ti比值变化的范围不大，主要分布在12.8~31.12之间，平均值为21.08。玉尔吐斯组下部的Al/Ti比值较大，平均值为25.28，大于上部的16.88，反应了玉尔吐斯组沉积早期，古生产力水平较高。总体看来，由下往上，玉尔吐斯组古生产力水平逐渐下降(图 4)。
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| 图 4 东二沟剖面玉尔吐斯组古生产力的地球化学特征 Figure 4 Geochemical characteristics paleoproductivity of Yuertusi Formation at Dongergou section |
保存条件是沉积物中有机质能否富集的关键因素之一。一般来说，缺氧环境有利于有机质的富集和保存，是优质烃源岩发育的重要条件之一。由于Cr、U、V、Ni等微量元素对沉积水体中的氧化还原条件比较敏感，且在成岩过程中几乎不发生迁移，反应了沉积时的原始条件，所以它们是用来恢复水体氧化还原条件的理想指标[35]。本文采用V/Cr、V/(V+Ni)和Ni/Co作为氧化还原条件的替代指标。地球化学家认为:常氧环境V/Cr＜2.00、V/(V+Ni)＜0.46、Ni/Co＜5.00；贫氧环境2.00＜V/Cr＜4.25、0.46＜V/(V+Ni)＜0.6、5.00＜Ni/Co＜7.00;厌氧环境V/Cr＞4.25、V/(V+Ni)＞ 0.6、Ni/Co＞7.00[35-36]。
从图 5中可知，东二沟剖面玉尔吐斯组V/Cr比值主要介于2~4之间，表明玉尔吐斯组沉积时为贫 氧的沉积环境，V/(V+Ni)比值大于0.46，主要分布在0.6附近，表现为贫氧—厌氧的特征。与V/Cr和V/(V+Ni)比值不同，Ni/Co比值大多数表现为厌氧的特征，这可能是由于成岩作用使Co元素再活化，造成Co元素减少而引起的[37]，但Ni/Co纵向上的变化规律与V/Cr和V/(V+Ni)相同。因此，东二沟剖面玉尔吐斯组沉积时为贫氧—厌氧的水体环境(图 5)。
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| 图 5 东二沟剖面玉尔吐斯组氧化还原的地球化学特征 Figure 5 Geochemical characteristics of paleoredox of Yuertusi Formation at Dongergou section |
以δEu反应热液活动，Al/Ti比值表示古生产力水平，V/Cr和V/(V+ Ni)比值代表氧化还原环境，结合TOC值，研究了热液活动对东二沟剖面玉尔吐斯组烃源岩发育的影响(图 6)。
东二沟剖面玉尔吐斯组Al/Ti比值变化的范围不大，下部Al/Ti比值分布在19.7~31.12之间，平均值为25.28，上部Al/Ti值为12.8~21.33，平均值为16.88，下部的古生产力高于上部。根据δEu纵向上的变化，玉尔吐斯组沉积时的热液活动主要集中在下部。因此玉尔吐斯组下部较高的古生产力水平可能与热液活动有关，在热液活动较强时，古生产力同样存在一个明显的突变(图 6)，这可能与热液活动时带来丰富的营养物质有关。虽然玉尔吐斯组下部古生产力水平较高，处于贫氧—厌氧的沉积环境，但其TOC含量却比较低，7个样品中TOC含量为0.01%~3.58%，平均值为0.64%，但其中仅有DE-6和DE-7两个样品TOC含量大于0.5%，整体上烃源岩并不发育。虽然玉尔吐斯组中上部的古生产力水平较低、保存条件与下部相似，但热液活动较弱(图 6)，其TOC含量反而较高，6个样品中TOC含量为0.06%~12.19%，平均值为8.95%，仅有DE-16一个样品TOC含量 ＜0.5%，是烃源岩的发育层段。
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| 图 6 东二沟剖面玉尔吐斯组地球化学特征参数及有机碳丰度关系 Figure 6 Geochemical characteristics and TOC of Yuertusi Formation at Dongergou section |
东二沟剖面玉尔吐斯组沉积时，古生产力水平和氧化还原条件比较相似，仅在热液活动方面存在明显的差异性，因此热液活动是造成下部和中上部TOC差异的主要原因。玉尔吐斯组内部硅质岩的微量和稀土元素特征表明其属热水沉积作用形成。露头剖面下部硅质岩大量发育，中上部硅质岩较少也与热液活动的总体特征相符，因此硅质岩是热液活动的直接物质表现。剖面上玉尔吐斯组内部的硅质岩主要为黑色，厚度稳定，与黑色泥岩接触界线清楚。镜下薄片观察显示，硅质岩为深褐色，内部含有丰富的有机质，以藻类体为主，藻类体以绿藻、底栖红藻为主(图 7)。因此玉尔吐斯组下部TOC含量较低，可能是由于强烈的热液活动，带来大量的富硅流体，在沉积了大套硅质岩的同时，稀释了沉积物中的有机质所造成的，也就是说强烈的热液活动破坏了玉尔吐斯组下部烃源岩的发育环境。
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| 图 7 东二沟剖面玉尔吐斯组硅质岩生物特征 A.有机质与微晶石英互层，单偏光，DE-10；B.绿藻，单偏光，DE-5；C.绿藻和底栖藻叶状体，单偏光，DE-10；D.底栖藻叶状体，单偏光，DE-5；E.绿藻和底栖藻叶状体，单偏光，DE-5；F.绿藻，单偏光，DE-10。 Figure 7 Organisms characteristic of silicolite in Yuertusi Formation at Dongergou section |
δEu、Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值研究表明，玉尔吐斯组下部沉积时具有较强的热液活动，热液活动带来了大量的营养物质促进了生古产力水平的提高，但也带来了大量的富硅流体，在沉积大套硅质岩的同时，对沉积物中富集的有机质造成了稀释，造成TOC含量较低，7个样品中仅2个样品TOC含量大于0.5%；而玉尔吐斯组中上部的古生产力水平、保存条件与下部相似，但热液活动较弱，形成了对有机质保存的有利因素，6个样品的TOC含量平均值为8.95%，是较好的烃源岩层段。综上所述，热液流体强烈活动时，带来的富硅流体会造成沉积物中有机质的稀释，不利于形成有利的烃源岩层段。
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