沉积学报  2018, Vol. 36 Issue (3): 617−629

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徐崇凯, 刘池洋, 郭佩, 黎茂稳, 黄雷, 赵岩, 潘银华, 张益银
XU ChongKai, LIU ChiYang, GUO Pei, LI MaoWen, HUANG Lei, ZHAO Yan, PAN YinHua, ZHANG YiYin
潜江凹陷古近系潜江组盐间泥岩地球化学特征及地质意义
Geochemical Characteristics and Their Geological Significance of Intrasalt Mudstones from the Paleogene Qianjiang Formation in the Qianjiang Graben, Jianghan Basin, China
沉积学报, 2018, 36(3): 617-629
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(3): 617-629
10.14027/j.issn.1000-0550.2018.061

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收稿日期：2017-06-01
收修改稿日期: 2017-09-15
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徐崇凯, 刘池洋, 郭佩, 黎茂稳, 黄雷, 赵岩, 潘银华, 张益银. 潜江凹陷古近系潜江组盐间泥岩地球化学特征及地质意义[J]. 沉积学报, 2018, 36(3): 617-629.
XU ChongKai, LIU ChiYang, GUO Pei, LI MaoWen, HUANG Lei, ZHAO Yan, PAN YinHua, ZHANG YiYin. Geochemical Characteristics and Their Geological Significance of Intrasalt Mudstones from the Paleogene Qianjiang Formation in the Qianjiang Graben, Jianghan Basin, China[J]. ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(3): 617-629.
潜江凹陷古近系潜江组盐间泥岩地球化学特征及地质意义
徐崇凯1, 刘池洋1, 郭佩1, 黎茂稳2, 黄雷1, 赵岩1, 潘银华2, 张益银1     
1. 西北大学大陆动力学国家重点实验室, 西北大学地质学系, 西安 710069;
2. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083
收稿日期: 2017-06-01; 收修改稿日期: 2017-09-15
基金项目: 国家自然科学基金项目(41330315);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB239101);西北大学优秀博士学位论文资助项目(YYB17024)
第一作者简介: 徐崇凯, 男, 1991年出生, 硕士研究生, 盆地分析与石油地质, E-mail:chong_xu2015@163.com 。
通讯作者: 刘池洋, 男, 教授, E-mail:lcy@nwu.edu.cn
摘要: 咸化湖盆盐间泥岩的地球化学特征对咸化烃源岩的形成环境及其共生盐岩的形成条件具有重要指示意义。利用江汉盆地潜江凹陷内潜三下段盐间泥岩的详细地球化学测试结果, 并结合岩芯观察, 分析了古近系潜江组沉积时湖盆的古盐度、氧化还原环境及古气候背景。该地层较高的Sr丰度、Sr/Ba值及钙芒硝的存在揭示潜江组泥岩沉积时水体盐度较高; 氧化还原环境指标及一些敏感元素的含量变化指示潜江组沉积时期水体含氧量较低, 处于底层水体中等分层厌氧环境; 主量元素化学蚀变指数CIA、Mg/Ca比值及对膏盐层岩芯观察反映潜三下段泥岩沉积于气候相对潮湿期段, 而膏盐层则沉积于气候相对干旱期。这种泥岩与膏岩互层出现的变化可能是由我国晚始新世频繁的气候变化导致的。而且, 由气候干湿波动造成的淡化-咸化成盐序列, 伴随着生物短期的爆发与死亡, 将有利于有机质的生成与堆积; 潮湿、缺氧的沉积环境有利于有机质的保存, 整体上盐间泥岩具备形成较好烃源岩的条件。
关键词：沉积环境     地球化学特征     潜江组     古近纪     古气候    
Geochemical Characteristics and Their Geological Significance of Intrasalt Mudstones from the Paleogene Qianjiang Formation in the Qianjiang Graben, Jianghan Basin, China
XU ChongKai1, LIU ChiYang1, GUO Pei1, LI MaoWen2, HUANG Lei1, ZHAO Yan1, PAN YinHua2, ZHANG YiYin1     
1. State Kay Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, China;
 2. China State Key Laboratory of Shale Oil and Shale Gas Resources and Effective Development, SINOPEC Petroleum Exploration & Production Research Institute, Beijing 100083, China
Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41330315;National Key Basic Research Program of China(973 Program), No.2014CB239101;Northwest University Doctorate Dissertation of Excellence Funds, No.YYB17024
Abstract: Geochemical characteristics of intrasalt mudstones have great implications for the sedimentary environment of saline source rocks and the conditions for the symbiotic formation of halite ore.In this paper, 15 mudstone samples collected continuously from the lower part of the 3rd member of Qianjiang Formation in the Qianjiang Sag of the Jianghan Basin have been analyzed for major, trace and rare earth elements, in order to obtain a better understanding of the paleosalinity, redox conditions and paleoclimatic background.The high Sr contents and Sr/Ba ratios, and also the presence of glauberite indicate high-salinity conditions with organic-rich mudstones deposited.The redox indexes of V/Cr, V/Ni, V/(V+Ni), δCe、Ce/La、δU and Ceanom and the alteration of some redox-sensitive trace elements such as V、U、Ni、Zn and Cr suggest low oxygen contents in water and the existence of water delamination with anaerobic conditions.The chemical index of alteration, Mg/Ca ratios and core observation indicate a semi-humid climate for source rocks deposition and semi-arid one for halite formation.The frequent variations of source rocks and halite deposits may indicate a fluctuated climate, probably corresponding well to the late Eocene doubt house climate.The inter-salt mudstones have a great potential to form high-quality source rocks.On the one hand, along with the alternatives of water freshening and salinizing due to climatic fluctuations, short pulses of feast and famine for living beings are conductive to the formation and accumulation of organic matters.On the other hand, deep-water and anoxic conditions during the humid pulse provide an appropriate environment to preserve organic matters.
Key words: sedimentary environment     geochemical characteristics     Qianjiang Formation     Paleogene     paleoclimate    
0 引言

我国的古近纪咸化含油气盆地(凹陷), 如江汉盆地、东濮凹陷、柴达木盆地、塔里木盆地等, 其主力烃源岩与膏盐层无论在平面上还是剖面上均存在较好的共生关系[1-3]。一般来说, 烃源岩形成于温暖潮湿深水环境, 而膏盐岩形成于干旱浅水蒸发环境, 二者似乎难以共生。这种似乎矛盾但却共生的岩性组合, 使人们对长期流行的北西西向“古近纪干旱气候带”[4-7]的存在提出质疑, 即认为我国古近纪期间并不存在一条纬向亚热干燥带[7-11]; 同时也对烃源岩及盐岩形成的环境、水深、盐度产生疑惑, 即认为咸化环境下烃源岩可形成于浅水条件下[12-13]或盐岩亦可形成深水环境中[14-16]。以往对该类咸化含油气湖盆古环境的研究集中于膏盐岩形成环境方面[17-20], 但分析结果差异较大, 不同指标指示结果自相矛盾[21], 而对与其互层共生的富有机质泥岩、白云质泥岩形成的环境探讨较少。因此关于我国古近纪咸化湖盆的形成环境及古气候条件仍存在广泛争议。

江汉盆地是我国古近纪咸化面积最大的盆地, 盆内潜江组烃源岩与盐岩最发育的地区为潜江凹陷, 始新统—渐新统潜江组为主要的烃源岩和储集层。潜江凹陷为潜北、通海口大断层控制下的继承性凹陷, 生烃中心与沉降—沉积中心基本一致, 暗色泥岩厚度最厚可达2 200 m(广深1井实钻厚度为1 994 m), 盐岩最厚可达1 800 m, 油气资源丰富。其中潜江组的潜三下段生油岩厚度大、埋藏深, 有机质转化程度高, 为潜江凹陷的主要烃源层系。前人对潜江凹陷潜江组的构造[22-23]、盐源及成因[24-25]、沉积相展布[25-27]以及控藏因素[28-30]等进行了诸多研究, 虽对该区地球化学特征方面亦有研究[6, 31-33], 但相对甚少。

随着元素地球化学的发展, 沉积岩中的常量元素、微量元素与稀土元素的研究已经引起地质界的广泛关注[34-36]。由于稀土元素、部分微量元素及其比值在岩石风化、剥蚀、搬运、沉积过程中变化较小, 更易反映当时的沉积环境[36-37], 因此对盆地演化史、沉积时的古气候与古环境和沉积物质来源和构造背景的研究意义重大。本文通过系统连续采集潜江凹陷内部古近系潜三下段白云质泥岩、泥质白云岩及含钙芒硝泥岩等样品, 分析全岩主微量、稀土元素含量及分布特征, 旨在揭示潜江凹陷古近纪咸化湖盆形成的古气候, 古盐度和氧化还原环境, 从而为认识潜江凹陷古近系古地理环境提供依据。

1 区域地质概况

江汉盆地面积36 350 km2, 是发育在扬子克拉通东部的白垩纪—新生代裂陷盆地。潜江凹陷是江汉盆地内的一个次级凹陷, 面积仅2 500 km2, 在盆地各凹陷中面积居第三位。在江汉盆地, 潜江凹陷油气资源最丰富, 发现油气田最多, 勘探程度也最高(图 1B)。该凹陷北、南边界分别受潜北断层、通海口断裂控制, 为一典型的双断式不对称箕状断陷(图 1C)。始新—渐新统潜江组发育巨厚盐岩沉积, 最厚处可达1 800 m, 盐间段发育富有机质泥岩, 包括钙芒硝泥岩、泥质白云岩、白云质泥岩等。

图 1 古近纪咸化含油气盆地分布(A)与潜江凹陷构造横剖面图(B)[6, 25, 38] Figure 1 Distribution of the Paleogene saline petroliferous basins(A) and tectonic setting of the Qianjiang sag in the Jianghan Basin(B)[6, 25, 38]
图选项

潜江凹陷潜江组分为四个层段, 自下而上依次为潜四段、潜三段、潜二段和潜一段。潜四下段沉积时, 凹陷北部潜北断裂活动和凹陷裂陷强烈; 至潜三段和潜二段沉积时, 潜北断层活动减弱, 湖盆兼断坳沉降特征, 凹陷基底坡度小, 整体地形相对平缓, 表现为北厚南薄、中间厚斜坡带薄的特点。至潜一段沉积时期, 断裂活动进一步减弱, 湖盆以坳陷为主。潜三下段的盐岩和砂岩都比较发育, 具有良好的储盖组合条件, 为研究区最重要的勘探目的层段之一。

2 样品采集与分析测试

研究样品取自潜江凹陷北部QYX井潜三下段盐间泥岩段, 为连续采样, 属于Ⅲ级韵律的相对淡化阶段, 其岩性主要为泥质岩类夹部分碳酸盐岩, 在干旱气候下蒸发浓缩也可析出钙芒硝甚至盐岩。采样岩性主要为灰色白云质泥岩、泥质白云岩, 及含钙芒硝泥岩。选用新鲜岩样进行测试, 样品碎样及地球化学测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。全岩主量元素含量分析在Rikagu RIX 2100 X射线荧光光谱仪(XRF)上进行, 全岩微量元素和稀土元素含量测试在电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上进行, 标样选用BHVO-2, AGV-2和GSP-1。每5个样挑选一个重复样, 分析结果吻合, 精度优于10%。分析方法详见文献[39-40], 所分析的15件样品的层位分布、深度岩性及测试结果见表 1, 2。

表 1 潜江凹陷潜三下段泥岩主量元素分析结果(%) Table 1 Major element concentrations (%) of the mudstone samples from the lower part of the Eq3 in the Qianjiang sag
样品号 岩性 SiO2 TiO2 Al2O3 TFe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI CIA PIA
QYX-4 钙芒硝泥岩 23.1 0.31 6.96 2.72 0.05 3.5 16.74 8.98 2.0 0.11 12.5 27.9 21.7
QYX-7 白云质泥岩 41.8 0.55 12.61 5.29 0.06 3.7 8.49 1.77 3.4 0.17 20.1 78.1 72.3
QYX-9 白云质泥岩 38.5 0.56 11.66 3.62 0.04 4.8 9.26 4.08 3.3 0.22 18.5 58.8 50.8
QYX-11 含钙芒硝泥岩 33.2 0.45 11.35 4.41 0.05 3.9 11.15 4.45 3.5 0.16 18.9 56.0 46.8
QYX-12 含钙芒硝泥岩 43.0 0.56 13.2 4.15 0.05 3.7 7.31 4.33 4.1 0.21 17.5 60.4 51.3
QYX-14 泥质白云岩 29.6 0.44 10.05 3.45 0.06 8.2 12.53 4.07 2.7 0.13 20.7 55.3 47.4
QYX-15 白云质泥岩 38.7 0.56 12.85 4.92 0.05 4.4 6.17 3.25 3.4 0.20 22.1 66.4 59.3
QYX-17 白云岩 9.7 0.13 3.14 2.36 0.06 15.9 26.47 1.38 1.0 0.09 38.3 53.2 44.2
QYX-19 白云质泥岩 41.9 0.56 12.93 4.38 0.05 3.4 8.59 3.83 3.2 0.24 17.4 62.8 56.0
QYX-20 泥质白云岩 23.0 0.27 6.45 3.38 0.06 7.0 16.77 6.77 2.0 0.10 19.1 32.3 24.8
QYX-22 泥质白云岩 29.7 0.4 9.08 3.80 0.06 7.3 17.41 1.64 2.3 0.22 25.3 73.5 67.4
QYX-23 泥质白云岩 30.1 0.33 8.11 3.53 0.05 6.1 18.65 1.56 2.1 0.17 25.3 72.2 65.7
QYX-25 白云质泥岩 35.7 0.43 10.46 4.27 0.05 4.0 14.77 2.00 2.5 0.18 21.2 72.3 66.6
QYX-27 白云质泥岩 44.0 0.51 11.56 4.78 0.05 2.7 7.93 0.98 4.6 0.21 20.2 85.5 78.1
QYX-29 白云质泥岩 24.2 0.25 7.03 3.37 0.06 2.5 23.14 1.97 3.6 0.27 27.9 64.1 46.5
表选项
表 2 潜江凹陷潜三下段泥岩稀土、微量元素测试结果(×10-6) Table 2 Trace and rare earth element concentrations of the mudstone samples from the lower part of the Eq3 in the Qianjiang sag (×10-6)
样品编号 QYX-4 QYX-7 QYX-9 QYX-11 QYX-12 QYX-14 QYX-15 QYX-17 QYX-19 QYX-20 QYX-22 QYX-23 QYX-25 QYX-27 QYX-29
岩性 钙芒硝泥岩 白云质泥岩 白云质泥岩 含钙芒硝泥岩 含钙芒硝泥岩 泥质白云岩 白云质泥岩 白云岩 白云质泥岩 泥质白云岩 泥质白云岩 泥质白云岩 白云质泥岩 白云质泥岩 白云质泥岩
层位 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下 Eq3下
深度/m 1 451.59 1 463.81 1 471.11 1 476.47 1478.10 1 485.66 1 487.46 1 497.40 1 502.57 1 507.08 1 513.23 1 513.61 1 524.70 1 534.16 1 536.21
La 18.5 31.5 29 24.8 27.4 23.6 30.3 8.4 28.8 15.2 23 22 25.5 29.2 20.6
Ce 35.8 59.7 56.5 47.3 53.1 45.7 57.1 18 56 29.9 44.7 42.3 48.9 55.9 40
Pr 3.97 6.73 6.42 5.31 6.02 5.13 6.34 1.97 6.35 3.28 4.87 4.64 5.39 6.19 4.44
Nd 14.9 25.1 24.2 19.7 22.4 19.2 23.2 7.53 23.6 12.2 18.5 17.6 20.4 23.3 17.1
Sm 2.9 4.76 4.68 3.74 4.33 3.68 4.27 1.47 4.43 2.38 3.53 3.35 3.83 4.38 3.27
Eu 0.59 1 0.97 0.79 0.89 0.77 0.87 0.31 0.9 0.5 0.72 0.72 0.78 0.96 0.78
Gd 2.66 4.26 4.29 3.37 3.9 3.36 3.74 1.42 3.96 2.19 3.13 2.99 3.42 3.94 3.06
Tb 0.39 0.63 0.64 0.5 0.58 0.5 0.55 0.22 0.58 0.33 0.46 0.44 0.5 0.58 0.45
Dy 2.4 3.73 3.79 2.96 3.42 2.97 3.3 1.3 3.5 1.99 2.73 2.59 2.96 3.36 2.71
Ho 0.47 0.73 0.74 0.59 0.67 0.58 0.65 0.26 0.69 0.39 0.54 0.5 0.58 0.67 0.53
Er 1.35 2.1 2.1 1.68 1.89 1.68 1.86 0.74 1.96 1.12 1.54 1.44 1.67 1.89 1.51
Tm 0.21 0.32 0.31 0.26 0.28 0.25 0.29 0.11 0.3 0.17 0.23 0.22 0.25 0.29 0.22
Yb 1.31 2.02 1.98 1.66 1.86 1.63 1.89 0.72 1.96 1.1 1.5 1.39 1.62 1.85 1.42
Lu 0.2 0.31 0.3 0.26 0.28 0.25 0.29 0.11 0.3 0.17 0.22 0.21 0.24 0.28 0.21
Y 12.7 20.8 21.4 16.9 19.2 16.8 18.6 7.08 19.8 10.9 15 13.8 16.6 19 15
∑REE 85.65 142.89 135.92 112.92 127.02 109.3 134.65 42.56 133.33 70.92 105.67 100.39 116.04 132.79 96.3
∑LREE 76.66 128.79 121.77 101.64 114.14 98.08 122.08 37.68 120.08 63.46 95.32 90.61 104.8 119.93 86.19
∑HREE 8.99 14.1 14.15 11.28 12.88 11.22 12.57 4.88 13.25 7.46 10.35 9.78 11.24 12.86 10.11
(La/Sm)N 4 4.16 3.9 4.17 3.98 4.02 4.46 3.59 4.09 4.01 4.11 4.13 4.19 4.2 3.95
(Gd/Yb)N 1.63 1.7 1.75 1.63 1.7 1.66 1.6 1.59 1.63 1.6 1.69 1.73 1.71 1.72 1.73
(La/Yb)N 9.49 10.48 9.91 10.05 9.95 9.76 10.83 7.85 9.91 9.26 10.35 10.64 10.65 10.67 9.73
(Nd/Yb)N 3.95 4.31 4.27 4.12 4.21 4.11 4.29 3.63 4.2 3.85 4.3 4.4 4.41 4.4 4.17
δEu 0.65 0.68 0.66 0.68 0.66 0.67 0.67 0.65 0.66 0.66 0.66 0.7 0.66 0.71 0.75
δCe 1.01 0.99 1 0.99 1 1 0.99 1.06 1 1.02 1.01 1.01 1 1 1.01
V 49.4 95.7 78.8 91.8 84.6 71.1 102 33.5 110 47 73.1 76.4 77.4 85.1 66.1
Cr 33.8 62.6 53.4 57.1 56.7 56.7 65.5 26.9 64.2 31.4 45.2 38.7 47.7 55.3 33.5
Co 15.1 26.1 27.8 28.7 36.7 26.1 40.9 6.99 27.6 13.2 16.1 21.6 23 30.3 16.5
Ni 18.6 37.6 32.2 36.2 40.6 27.8 40 12.5 45.1 17.7 26.3 25.7 31.6 37.6 24.9
Cu 18.3 32.6 27.6 29.7 38.2 23.9 42.8 8.01 42.3 14.4 22.8 25.2 30.4 34.8 22.6
Zn 23.1 66 35.9 43.7 45.6 29.1 52.4 12.5 40.2 17 45.1 37.5 50.4 60.2 40.8
Ga 8.77 17 15.2 15.1 16.6 13 17.3 4.07 18.1 8.48 11.9 10.6 14.6 15.2 7.45
Rb 77.9 125 112 109 135 98.1 128 37.5 134 80.3 92.9 80.9 109 138 72.5
Sr 1 203 496 986 992 1714 849 641 413 386 1 790 1 256 2 373 801 1 246 3 085
Cs 7.74 11.4 9.48 7.89 14.6 8.61 11.7 3.38 19.5 6.63 10 9.6 15.1 10.5 3.37
Ba 374 622 484 625 577 373 560 82 327 382 376 678 451 1055 1262
Th 6.88 11 10.7 9.4 11.3 8.92 11.6 2.78 10.8 5.42 7.49 6.64 8.62 9.63 6.1
U 2.76 4.01 4.48 4.5 4.96 2.74 4.78 1.33 4.85 2.16 4.44 5.52 5.04 5.49 7.32
δU 1.09 1.04 1.11 1.18 1.14 0.96 1.11 1.18 1.15 1.09 1.28 1.43 1.27 1.26 1.57
表选项
3 地球化学特征 3.1 主量元素特征

潜江凹陷古近系潜江组泥岩样品的主量元素分析结果见表 1, 除QYX-17外, 均以SiO2、Al2O3、CaO为主, 含较多的MgO(平均值为5.39%), 说明与淡水泥岩、泥页岩相比, 咸化环境形成的烃源岩钙质、膏质成分较高。分析SiO2、MgO、CaO与Na2O含量, 可以看出MgO的含量是一个先增加, 再减少的趋势, 纵向上岩性是从白云质泥岩—泥质白云岩—白云岩—白云质泥岩—钙芒硝泥岩的变化序列。样品中其他主量元素Fe2O3平均值为3.90%、Na2O平均值为3.40%、和K2O平均值为2.19%, 样品中还含有少量的TiO2(均值为0.42%), 极少量的P2O5(均值为0.18%)与MnO(均值为0.05%)。

3.2 微量元素特征

潜江凹陷潜三下段盐间泥岩样品的微量元素分析结果见表 2, 其微量元素上陆壳标准化蛛网图见图 2。微量元素Nb、Zr、Hf含量明显低于上陆壳平均丰度, 与本次所采样品均为细粒泥质岩有关, 因上述元素主要赋存于重矿物等粗粒矿物中。微量元素Co、Cs、Ni、Li含量高于上陆壳平均丰度值, 说明泥质含量较高, 其中Li是咸化湖盆中的重要保留元素之一, 可在湖盆中滞留较长时间, Li的高含量说明湖水盐度较大, 浓缩强烈。沉积岩中微量元素Sr含量一般与主量元素Ca密切相关, 本次所采样品Sr含量均高于上陆壳平均丰度值, 最高值可达3 085×10-6, 平均值为1 215.4×10-6。值得注意的是, 样品QYX-17主量元素Ca含量较高, 其Sr含量较低, 说明灰岩白云化期间可能会释放Sr元素(图 2)。

图 2 潜江凹陷潜三下段微量元素上陆壳标准化蛛网图 Figure 2 Upper continental crust normalized trace elements pattern of the mudstone samplesfrom the lower part of the Eq3 in the Qianjiang sag
图选项
3.3 稀土元素特征

稀土元素分析结果见表 2。本文所研究样品稀土元素含量较低, 稀土元素总量为42.56×10-6~142.89×10-6, 平均值为109.76×10-6, 低于大陆上地壳(UCC)平均值, 而且LREE较富集, 平均值为98.75×10-6, 占90.0%;HREE丰度较低, 平均值为11.01×10-6, 占10.0%。因此, LREE的质量分数的变化基本决定了REE的变化。∑LREE/∑HREE比值范围7.72~9.71, 反映了研究区轻稀土富集的特征[41], (La/Yb)N平均值为9.97(7.85~10.83), 有明显的Eu负异常, δEu平均值为0.67(0.65~0.71), 无Ce异常。从15个样品稀土元素对球粒陨石标准化配分图上看出(图 3A):1)La/Yb比值均大于1;2)曲线为右倾斜模式; 3)La-Eu段曲线较陡; 4)Eu-Lu段曲线较平缓; 5)在Eu处“谷”状特征(亏损), 显示中等程度的负Eu异常。样品(Nd/Yb)N比值在3.63~4.41之间(表 2), 平均值为4.18, 显示轻稀土略亏损, 但分异度不大。样品含量呈现高低不同的特征, 暗示沉积时部分样品受物源或水动力条件等因素影响, 整体上平缓且左高右低, 说明所测样品具相同的物源供给条件。从15个样品稀土元素对北美页岩标准化配分图上看出(图 3B), 轻、重稀土元素分馏不明显, 曲线比较平坦, 斜率较小。稀土元素均值除了白云岩样品低于北美页岩, 其他均高于北美页岩。

图 3 潜江凹陷潜三下段稀土元素球粒陨石标准化(A)[42]和北美页岩标准化(B)配分曲线图 Figure 3 Chondrite and PAAS normalized REE distribution patterns of the mudstone samples from the lower part of the Eq3 in the Qianjiang sag
图选项
4 讨论 4.1 古盐度

由于Sr丰度和Sr/Ba值与古盐度存在正相关性, 因此可作为沉积物沉积时古盐度判别的灵敏指标。Sr与Ba化学性质相似, 在不同沉积环境下因不同地球化学行为而发生分离, 随着水体盐度加大, Ba会以碳酸盐、硫酸盐形式先发生沉淀, 随着水体盐度继续增大, Sr再发生沉淀[43-45]。因此, Sr/Ba比值通常被用来恢复水体古盐度[31, 46]。对于QYX井, 取样段总长80 m, Sr的含量最低386×10-6, 最高3 085×10-6, 且变化快, 说明潜江组的古盐度变化很快, 古盐度的变化对古气候的变化具有一定的指示作用。Sr的高含量主要是温湿气候下海侵导致或是干热气候条件下的湖水浓缩沉淀所致[47], 结合地质背景, 在潜江凹陷的潜江组并未有海侵的证据。C.M.卡特钦科夫提出Sr/Ba值指标, 认为Sr/Ba值＜1为淡水沉积, Sr/Ba值＞1为海相沉积, 如果介于20~50之间变为盐湖沉积[47-48]。本文所测样品仅一个样品的Sr/Ba＜1(图 4), 此样品可能是因为气候变化引起的突发性洪水使得湖水淡化, 其余均大于1, 比值范围为0.80~5.04, 平均值为2.35, 说明此时沉积为咸湖沉积。潜江组盐间泥岩沉积时盆地的古盐度较大, 其中发育的石膏、盐岩晶体即是该环境下的产物。

图 4 江汉盆地潜江凹陷潜三下段泥岩沉积环境地球化学判别 Figure 4 Geochemical indicators for sedimentary environments in the Qianjiang Formation of the Qianjiang sag
图选项

通过本文所测样品, Sr丰度和Sr/Ba值都显示了此沉积期处于湖盆咸化期, 而咸湖沉积有利于有机质的堆积与保存[49], 有利于烃源岩的发育。

4.2 氧化还原条件

氧化还原环境通常可用V/Cr、V/Ni及V/(V + Ni)比值等指标判别[40, 50-53], 具体判别指标见表 3。研究区样品的相关分析见图 4。如图 4所示, 本文分析样品V/Cr比值为1.25~1.97, 反映沉积环境为弱氧化环境。如果盐岩沉积时, V/Ni比值大于1, 则盐湖为还原环境, 即“深水成盐”, 反之, V/Ni比值小于1, 则反映盐湖为氧化环境[38]。本文样品V/Ni比值为2.08~2.97, 反映此沉积期盐湖为还原环境(图 4)。

表 3 江汉盆地潜江凹陷潜江组元素比值特征表 Table 3 Characteristics of element concentration ratios of the samples from Qianjiang Formation from Qianjiang sag, Jianghan Basin
判别参数 本文样品数据/平均值 缺氧环境 氧化环境 资料来源
厌氧 贫氧
V/Cr 1.25~1.97/ 1.57 ＞4.25 2~4.25 ＜2 [59]
V/Ni 2.08~2.97/ 2.55 ＞1 ＜1 [40]
V/(V + Ni) 0.68~0.75/ 0.72 ＞0.6 0.46~0.6 ＜0.46 [54]
δU 0.96~1.57/ 1.19 ＞1 ＜1 [55]
δCe 0.99~1.06/ 1.01 ＞1 ＜0.95 [57]
Ce/La 1.90~2.14/ 1.94 ＞2 1.5~1.8 ＜1.5 [58]
Ceanom -0.04~0/ -0.035 ＞-0.1 ＜-0.1 [56]
表选项

腾格儿指出V/(V + Ni)元素比值＞0.5指示厌氧环境, 其比值介于0.45~0.5为贫氧环境, 比值＜0.45指示富养环境[54]。V/(V + Ni)比值除了分析沉积物沉积时的氧化还原环境, 还可以判断沉积时底层的水体分层强弱, V/(V + Ni)比值介于0.4~0.6之间, 表示水体呈弱水体分层的贫氧环境, 比值在0.60~0.84之间表示中等分层的缺氧环境, 而＞0.84表示底层水体呈强分层的还原环境[53]。潜江凹陷潜江组的V/(V + Ni)元素比值为0.68~0.73, 表示此时处于底层水体中等分层厌氧环境(图 4), 这与东濮凹陷沙河街组盐岩发育的沙河街一段和三段沉积环境相似[16]。V由于在有机质中优先被结合, 因此V的高值一般是在还原条件下出现[50]。本文分析的15件样品中, V值范围为33.5~110, 平均值为76.13, 因此V的高值也指示潜江凹陷潜江组为还原环境(图 4)。

一般认为, Ce的正异常是大陆环境沉积物的特征之一。从图 4中看出潜三下段的Ce含量基本表现为正偏或正异常, 反映了潜三下段的大陆沉积特征。Ce的异常值可用Ce/La值代替[55], 当Ce/ La＜1.5时, 反映富氧环境, 1.5~1.8时为贫氧环境, 大于2.0时为厌氧环境(图 4)。氧化还原环境还可通过δU来判别, 吴朝东等[56]用铀总量和自生铀量关系建立了δU(δU = 2U/(U+Th/3), 以此来判别沉积环境为氧化还是还原。潜江凹陷潜江组沉积环境为缺氧环境。本文样品δU的变化趋势不大, 说明潜江组氧化还原条件相差不大, 以还原环境为主(图 4)。Elderfield和Greaves提出Ceanom可指示氧化还原环境, 以北美页岩为标准, 其计算公式为:Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]。当 Ceanom < -0.10, 表示Ce亏损, 指示氧化环境; 当Ceanom>-0.10时, 则表示Ce富集, 指示缺氧、还原的古水体环境[57]。研究区潜江组Ceanom指数全部大于-0.1(图 4), 表明Ce富集, 表示其沉积时沉积环境以缺氧、还原环境为主。

部分微量元素对氧化还原环境变化较为敏感, 如V、U、Ni、Zn及Cr, 其变化亦可反映水体氧化还原环境的变化[50, 58-59]。本文所测样品较富集上述元素, 反映潜三下段沉积时水体处于厌氧环境。潜江凹陷潜江组氧含量较低, 且纵向上潜江组的V、U、Ni、Zn和Cr的变化趋势完全相同(图 4), 并且一直处于波动中, 说明潜江组沉积时, 沉积环境整体处于还原环境, 但是存在一定的波动, 结合地质背景, 潜江凹陷盐岩附近的泥质沉积物多以深灰色及灰黑色为主, 且广泛发育黄铁矿, 缺乏底栖生物化石等特征, 这些都表明了潜江凹陷潜江组盐岩沉积时盆地整体范围内皆处于还原或强还原环境。

4.3 古气候条件

泥岩主量元素的相对含量能够提供物源区风化作用的信息, 进而可以推演出古气候信息。在风化过程中, 稳定的阳离子如Al3+、Ti4+易被保存在风化产物中, 而不稳定的阳离子如Na+、K+、Ca2+等则易溶于水中, 随水体流失, 上述主量元素富集与亏损的程度取决于原岩的化学风化强度。Harnois于1988年提出化学蚀变指数(CIA = [Al2O3/(Al2O3 + CaO*+Na2O)×100])来判别物源区的化学分化程度, 考虑到K元素的富集问题, Fedo et al.[60]1995年提出斜长石的蚀变指数(PIA = [(Al2O3-K2O)/ (Al2O3+CaO*+Na2O-K2O)×100)作为替换。潜江凹陷潜三下段盐间泥岩的化学蚀变指数CIA介于27.9~85.5, 平均为61.3, PIA介于21.7~78.1, 波动较大(图 4), 平均为53.3(表 1), 总体处于微弱至中等风化程度, 说明潜三段泥岩沉积时化学风化并不强烈, 气候处于半潮湿—半干旱阶段。

在陆相沉积物中, Cu与Cs等元素对气候变化非常敏感[61]。当气候干旱炎热时, 由于Cu、Cs等元素难以迁移到湖中, 因而在湖泊沉积物中会显示低值。如图 4所示, 潜江组潜三下段Cu、Cs含量较低, 且具有相同的频繁波动趋势, 可能指示该期潜江组总体上处于半干旱炎热气候条件, 且存在轻微的气候波动。从岩芯上观察, 岩性也主要是灰色白云质泥岩、钙芒硝泥岩, 与地球化学分析相吻合。Mg/Ca、Sr/Cu也可作为反映古气候特征的指标[31, 62]。Mg/Ca高值指示干热气候, 低值指示温湿气候, 所测样品Mg/Ca为0.11~0.71(图 4), 反映此时处于相对潮湿的气候, 并存在轻微的气候波动。

潜三下段沉积于晚始新世, 据西宁盆地精确古地磁即孢粉化石研究, 该时期我国气候以快速变化为特征[63]。江汉盆地古近系孢粉组合亦显示, 始新世晚期我国有一次干旱气候向温湿气候的转变(图 6A), 且湿生植物孢粉与旱生植物孢粉交替出现, 反映干湿气候频繁交替。频繁的气候变化使潜江组呈现出各类环境的岩相组合特征, 包括1)代表强烈蒸发的结核状硬石膏, 肠状硬石膏(图 5A, B, C), 该类硬石膏是石膏在埋藏过程中的成岩产物, 是典型的泥坪、潮上带等岸上沉积[64-65], 说明此时气候较为干旱; 2)代表强烈蒸发的石盐层, 潜江组的石盐多样, 既与页理发育的泥岩、白云岩互层(图 5D, E), 代表深水沉积, 又发育溶蚀结构, 底部见泥岩团块(图 5F, G), 代表极浅水沉积, 说明在湖盆强烈蒸发时, 盐岩沉积遍布整个湖盆, 即浅水石盐、深水石盐均发育; 3)代表相对淡化期的富有机质泥岩、泥质白云岩, 水生生物发育(图 5H, I), 即使在淡化期, 湖水亦出现多次短暂的咸化期(图 5J), 沉积钙芒硝等膏质沉积。

图 6 江汉盆地潜江组不同沉积环境的岩性特征 A, B, C.结核状、肠状硬石膏, 埋藏过程中由石膏脱水而成, 发育于红棕色粉砂岩及灰绿色泥岩中, 代表泥坪、潮上带氧化环境(万3井, 潜江组); D.潜江组石盐段, 泥岩夹层丰富, 页理发育, 代表较深静水沉积(浩87井, 潜江组); E.石盐层底部条带状白云岩发育, 层理发育, 代表较深静水沉积(王99井, 潜江组); F.盐岩段不同期石盐曾呈波状溶蚀接触, 接触面含丰富的泥质, 可能代表极浅水沉积(王99井, 潜江组); G.盐岩段底部“泥质团块”, 亦可能代表极浅水沉积(王99井, 潜江组); H.泥岩中螺化石, 代表浅水环境(王45X井, 潜江组); I.泥岩中叶片化石, 代表淡水时期水生植物发育(王45X井, 潜江组); J.泥岩段层状钙芒硝发育, 代表水体短暂咸化(浩87井, 潜江组) Figure 6 Lithological associations of different sedimentary environments of the Qiangjiang Formation in the Jianghan Basin
图选项
图 5 A.江汉盆地古近系孢粉化石组合[2]; B.潜江凹陷潜江组湖相白云岩碳氧同位素组成与沉积环境分析图[2, 64, 66] Figure 5 A.sporo-pollen assemblages of Paleogene strata in the Jianghan Basin; B.carbon and oxygen isotopes of the lacustrine dolomite from the Qianjiang Formation of the Jianghan Basin
图选项

综上分析, 所测样品说明潜江凹陷潜江组潜三下段化学风化并不强烈, 为半干旱偏湿的气候, 这也说明盐间沉积物沉积于咸化湖盆的淡化期。上述讨论表明, 江汉盆地潜江组的盐间泥岩段形成于气候相对潮湿的湖水淡化期, 湖盆水体缺氧、还原, 具较高盐度。潜江凹陷潜江组的气候为频繁的干湿交替[2, 64], 因此频繁的湖水平面的变化尤为重要。一次小的气候变化便生成一个Ⅳ级韵律, 每一个韵律即代表一次湖水淡化—咸化的变化过程, 而每一个韵律又构成一个生储盖, 有利于油气的生成、聚集、保存。

4.4 咸化湖盆烃源岩形成的沉积环境

关于咸化湖盆蒸发岩与烃源岩互层的形成条件, 前人共总结出3种成因模式:浅水成盐、深水成盐及频繁水平面变化。本文的地球化学证据较为支持第三种模式, 即受始新世末期气候频繁变化的影响, 蒸发岩主要形成于气候相对干旱的浅水期, 烃源岩主要形成于气候相对潮湿的深水期。上述讨论表明, 江汉盆地潜江组的盐间泥岩段形成于气候相对潮湿的湖水淡化期, 湖盆水体缺氧、还原, 具较高盐度。根据江汉盆地古近系孢粉化石组合研究认为, 古近系存在着气候的频繁变化(图 6A)。统计前人公开发表的潜江凹陷潜江组碳酸盐岩碳氧同位素数据, 发现潜江组沉积时湖相碳酸盐的碳、氧同位素大多数落在开放性湖泊和封闭性湖泊之间(图 6B), 说明潜江凹陷古近系沉积时期的湖盆水体具有一定的半封闭性, 北部物源供给充分, 入湖水系对白云岩碳氧同位素组成产生一定影响, 使得沉积时湖盆的水体又具有一定半开放性。总体分析认为, 其沉积环境为一半封闭半开放的咸水湖环境。

根据本文取样层段岩性为泥质岩类夹碳酸盐岩, 为Ⅲ级韵律的淡化阶段[67], 此时的每一次古气候的较小变化便会形成一个Ⅳ级韵律, 每一个Ⅳ级韵律即代表一个淡化—咸化的过程, 而由气候波动导致湖水循环的淡化(feast)和咸化(famine)是咸化环境沉积物中发育丰富有机质的主要模式, 将有利于有机质的生产及保存, 是咸化湖泊富集有机质的主要模式[65, 68-69]。现代和古代咸化湖盆只分布在干燥—半干燥地区[5, 69]。但持续的干旱气候会使盐湖逐渐浓缩, 面积日渐缩小, 甚至消失, 形成不了规模烃源岩。若在整体干燥气候下, 间歇性的出现温暖潮湿气候, 河流径流量增大, 大量淡水注入盐湖中, 盐湖面积增大, 表面水体淡化, 生物会出现短时间的大爆发(feast)[65, 69], 生产大量有机质; 随后气候转为干旱, 强烈的蒸发使湖水面积减小, 浓度增高, 卤水层上部的条件变得不适应生物生存, 大量生物将死亡(famine), 先是耐盐性生物, 接着是适盐性生物, 最后是嗜盐性生物。这种生物的短暂大爆发及随后的快速死亡将在较短时间内产生大量的有机质, 抵消了由于湖底分解者所带来的有机质损失, 可使有机质较完整的到达湖底沉积物中, 从而得以保存。

本文所测样品整体上为咸化湖沉积, 且咸淡交替频繁(图 4), 每一个交替即产生一个Ⅳ级韵律, 随着每一个沉积韵律即淡化—咸化成盐序列形成的过程, 使得在各种盐度适存的生物在所适盐度范围内爆发, 提供了丰富的有机质, 在盐度高而不适存时又出现短范围内大量死亡, 将丰富的有机质堆积起来。又由于本文所测盐间泥岩样品表征此时处于半干旱偏湿的缺氧、还原的环境, 使得形成的丰富有机质良好保存。整体来说, 潜三下段盐间泥岩的沉积环境有利于有机质的生成、堆积与保存, 完全具备形成较好烃源岩的条件。

5 结论

(1) 通过氧化还原指标V/Cr、V/Ni、V/(V+Ni)、δU、δCe、Ce/La和Ceanom以及氧化还原敏感元素V、U、Ni、Zn和Cr的含量变化指示潜江组沉积期水体氧含量较低, 处于底层水体中等分层厌氧环境;

(2) 通过Sr丰度、Sr/Ba值、碳氧同位素分析及钙芒硝的存在揭示潜江组泥岩沉积时为一高盐度的半封闭半开放的咸水湖环境;

(3) 通过主量元素化学蚀变指数CIA、Mg/Ca比值及对膏盐层岩芯观察反映潜三下段泥岩沉积于相对潮湿阶段。

(4) 由气候干湿波动造成的淡化—咸化成盐序列, 伴随着生物短期的爆发与死亡, 有利于有机质的生成与堆积; 潮湿、缺氧的沉积环境有利于有机质的保存, 整体上盐间泥岩具备形成较好烃源岩的条件。

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