內(nèi)蒙古扎魯特地區(qū)上二疊統(tǒng)林西組古鹽度分析

張 健，李曉海，鄭月娟，蘇 飛，甄 甄

（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所/中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110034）

上二疊統(tǒng)林西組是大興安嶺地區(qū)晚古生代最發(fā)育的地層之一，南起西拉木倫河，北至愛輝-黑河一帶，東至松遼盆地，沿北東方向展布.從地表露頭情況看，可分為3個(gè)沉積中心：北部以嫩江-黑河為中心，中部以索倫-碾子山為中心，南部以林西-扎魯特旗為中心［1］.近年來，因發(fā)育有巨厚的暗色泥頁巖且具有良好的生烴潛力，林西組已成為大興安嶺地區(qū)晚古生代油氣地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)層位而受到關(guān)注［2-3］.不同研究者分別對(duì)林西組的劃分對(duì)比、生物群特征、生烴潛力等進(jìn)行了研究討論［4-9］.林西組沉積時(shí)期的海陸環(huán)境也是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，但一直存有爭議，主要有2種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為林西組為陸相沉積［10-12］或主體為陸相沉積，沉積初期為海陸交互相沉積［13］；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為林西組主要為海相沉積［14-15］.

研究區(qū)位于林西組的南部沉積中心扎魯特地區(qū)，本文旨在通過對(duì)魯D2井和陶海營子剖面林西組泥巖樣品常量元素、微量元素及黏土礦物的測定，采用多種方法綜合分析上二疊統(tǒng)林西組沉積時(shí)期的古鹽度特征，探討其在油氣地質(zhì)研究中的意義，為林西組古環(huán)境和油氣地質(zhì)條件的研究提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料.

1 地質(zhì)概況及樣品采集分析

研究區(qū)主要發(fā)育上古生界二疊系與中生界侏羅系地層，樣品采自陶海營子剖面和魯D2井（圖1），所屬層位為上二疊統(tǒng)林西組，所采樣品巖性為暗色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖.

魯D2井井深為1300 m，鉆遇地層為林西組，但未鉆透.巖性主要為暗色砂巖、泥巖、砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖，見有自生黃鐵礦.暗色泥巖共計(jì)131層，總厚度達(dá)911.03 m，泥地比 70.1%［16］.陶海營子剖面長 950 m，厚度702 m，巖性主要為暗色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，夾中砂巖和粗砂巖.暗色泥巖共26層，總厚度131 m，泥地比18%.研究區(qū)林西組總體傾向北西，魯D2井位于陶海營子剖面東南，從地層傾向看魯D2井鉆遇層位應(yīng)為陶海營子剖面的下伏層位，生物地層學(xué)的研究也證實(shí)陶海營子剖面林西組地層為林西組的上部層位［7］，魯D2井林西組應(yīng)為下部層位.魯D2井共采集15塊樣品，陶海營子剖面共采集12塊樣品，分別做了常量元素、微量元素、黏土礦物含量分析.其中常量元素和微量元素測試單位為國土資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，測試儀器為X射線熒光光譜儀和ICP質(zhì)譜儀，檢測依據(jù)為GB/T14506.28-93和DZ/T0223-2001等.黏土礦物含量測試單位為長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，測試儀器為XD-2型X射線衍射儀，檢測依據(jù)為SY/T 5163-2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geologic sketch map of the studied area

2 古鹽度分析

2.1 鍶/鋇比值法

Sr和Ba的化學(xué)性質(zhì)較相似，它們在不同沉積環(huán)境中由于地球化學(xué)行為的差異而發(fā)生分離.在自然界水體中，Sr遷移能力比Ba強(qiáng)，水介質(zhì)礦化度（即鹽度）很低時(shí)，Sr、Ba均以重碳酸鹽的形式出現(xiàn).當(dāng)水體鹽度逐漸加大時(shí)，Ba以BaSO4的形式首先沉淀，留在水體中的Sr相對(duì)Ba富集.當(dāng)水體的鹽度加大到一定程度時(shí)Sr才以SrSO4的形式沉淀.因而記錄在沉積物中的Sr/Ba比值與古鹽度呈明顯正相關(guān)性,可作為古鹽度恢復(fù)的標(biāo)志［17-18］.一般來講，淡水相沉積物中Sr/Ba值小于1，而海相沉積物中Sr/Ba值大于1，Sr/Ba值為1.0～0.6，為半咸水相［19］.魯 D2 井不同層段 15 件樣品Sr/Ba值分布在0.25～0.96，平均值為0.63，總體上為半咸水環(huán)境，從下至上有變淡的趨勢.陶海營子剖面12件樣品Sr/Ba值分布在0.1～0.16，平均值為0.13，為淡水環(huán)境（表 1）.

表1 陶海營子地區(qū)林西組硼、鍶、鋇、鎵分析數(shù)據(jù)及伽馬蠟烷/C30藿烷計(jì)算數(shù)據(jù)Table 1 Analytic data of B,Sr,Ba,Ga and gammacerane/hopane（C30）of Linxi Formation in Jarud area

2.2 硼/鎵比值法

B/Ga比值是判斷古鹽度的另一種方法.硼和鎵是兩種化學(xué)性質(zhì)不同的元素，硼酸鹽溶解度大，能遷移，只有當(dāng)水蒸發(fā)后才析出，稼活動(dòng)性低，易于沉淀.因此，利用硼/稼比值可指示古鹽度［20］.硼/鎵比值小于4為淡水，大于7或20為海水［19］.研究區(qū)魯D2井分布在3.31～11.74，平均值為6.14，其結(jié)果與Sr/Ba值反應(yīng)一致為半咸水環(huán)境，從下至上有變淡的趨勢.陶海營子剖面B/Ga比值分布在1.74～3.62，平均值為2.68，顯示為淡水環(huán)境（表1）.

2.3 伽馬蠟烷指數(shù)

生物標(biāo)記化合物中伽馬蠟烷含量常與沉積水體的鹽度密切相關(guān).伽馬蠟烷的含量的變化可以反映沉積盆地古鹽度的變化，尤其是伽馬蠟烷的高含量可以比較可靠地作為古高鹽環(huán)境的分子化石指標(biāo)［21-23］.伽馬蠟烷/C30藿烷比值用來反映伽馬蠟烷的相對(duì)含量，稱為伽馬蠟烷指數(shù).原巖沉積時(shí)，水體鹽度的提高會(huì)導(dǎo)致高伽馬蠟烷指數(shù)，而在一般的淡水沉積中其豐度常很低［24-25］.魯D2井林西組暗色泥巖伽馬蠟烷指數(shù)分布在0.22～0.28，平均值0.25，顯示其形成于半咸水環(huán)境.陶海營子剖面暗色泥巖伽馬蠟烷指數(shù)分布在0.16～0.19，平均值0.17，顯示其形成于淡水環(huán)境（表1）.

2.4 硼元素法

硼元素對(duì)于鹽度的反應(yīng)比較敏感，且在各種地球化學(xué)分析方法中是比較容易確定的一種元素，因此，硼元素常被作為反映鹽度的指標(biāo)來使用.

Walker［26-27］提出以伊利石理論含鉀量的 8.5%來換算純伊利石中的“校正硼含量”，即校正硼含量=8.5×［硼測定值（10-6）/K2O（%）］.而伊利石的硼含量又與鉀含量有關(guān)，為了在同等條件下對(duì)比，需計(jì)算相當(dāng)于K2O為5%時(shí)的硼含量，稱為“相當(dāng)硼含量”.一般根據(jù)Walker公布的理論換算曲線，通過圖解法求取相當(dāng)硼含量（圖2）.Walker研究認(rèn)為，在相當(dāng)硼含量大于400×10-6時(shí)古海水為超鹽度環(huán)境，300×10-6～400×10-6為正常海水環(huán)境，200×10-6～300×10-6為半咸水環(huán)境，而相當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于200×10-6時(shí)則是低鹽度環(huán)境的沉積產(chǎn)物.魯D2井大部分樣品相當(dāng)硼含量在200×10-6～300×10-6，陶海營子剖面樣品相當(dāng)硼含量均小于200×10-6（表2），表明魯D2井樣品形成環(huán)境為半咸水環(huán)境，陶海營子剖面樣品為淡水環(huán)境.

利用硼含量除了可以對(duì)古鹽度進(jìn)行定性恢復(fù)外，還可以進(jìn)行定量計(jì)算.黏土礦物可從溶液中吸附硼且吸附數(shù)量與溶液中硼濃度有關(guān).由于自然界水體中硼濃度是鹽度的線性函數(shù)，因而黏土礦物從水體中吸收的硼含量與水體的鹽度呈雙對(duì)數(shù)關(guān)系式，即所謂的佛倫德奇吸收方程［28］：lgB=C1lgSp+C2.式中，B 為吸收硼含量（10-6）；Sp為鹽度（‰）；C1，C2為常數(shù).此方程式是利用硼和黏土礦物定量計(jì)算古鹽度的理論基礎(chǔ).

常用的古鹽度計(jì)算公式有如下兩個(gè):

圖2 硼含量及其校正圖Fig.2 Boron content and correction

（1）Adamas公式［29］，表達(dá)式為

式中Sp為古鹽度（‰）；x為Walker相當(dāng)硼含量（計(jì)算古鹽度時(shí)需換算成10-6）.

（2）Couch 公式［30］，表達(dá)式為

式中B*為Couch校正硼含量（計(jì)算古鹽度時(shí)需換算成10-6）；Sp為古鹽度（‰）.

運(yùn)用Couch公式必須對(duì)泥巖樣品硼含量進(jìn)行能適用于古鹽度計(jì)算的校正，Couch校正公式為:

式中xi，xm，xk分別代表樣品中實(shí)測伊利石、蒙脫石和高嶺石的硼含量，系數(shù)代表各類黏土礦物對(duì)硼的吸收強(qiáng)度，以系數(shù)越大為吸收越強(qiáng).

此二公式對(duì)海相和非海相地層的古鹽度計(jì)算都適用.Adamas公式主要適用于以伊利石為主的泥巖樣品.Couch公式的優(yōu)點(diǎn)是考慮了多種黏土礦物的存在及其吸附能力的差別，較為符合自然界的事實(shí)，并且更適合陸相地層.

由于隨著埋深和地溫的增加蒙脫石向伊/蒙混層轉(zhuǎn)化，并最終轉(zhuǎn)化成伊利石，反應(yīng)了成巖作用逐漸加深的過程［31］.魯D2井暗色泥巖樣品黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層為主，含少量高嶺石.而陶海營子剖面暗色泥巖黏土礦物主要為伊/蒙混層，其次為綠/蒙混層（表2）.顯示陶海營子剖面樣品黏土礦物的演化程度低于魯D2井，這與陶海營子剖面泥巖樣品成巖作用低于魯D2井吻合［9］.用Couch公式計(jì)算古鹽度時(shí)，須對(duì)樣品中的伊/蒙混層、綠/蒙混層黏土進(jìn)行校正［17］.

表2 陶海營子地區(qū)林西組黏土礦物分析數(shù)據(jù)及相當(dāng)硼含量和古鹽度計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 Analytic data of clay minerals and calculated parameters of Linxi Formation in Jarud area

分別采用Adamas公式和Couch公式對(duì)林西組古鹽度進(jìn)行了計(jì)算，Adamas公式計(jì)算結(jié)果顯示魯D2井樣品古鹽度變化范圍為2.73‰～30.28‰，平均值為17.17‰，陶海營子剖面樣品古鹽度變化范圍為2.63‰～8.39‰，平均值為6.00‰.Couch公式計(jì)算結(jié)果顯示魯D2井樣品古鹽度變化范圍為5.25‰～21.81‰，平均值為13.22‰；陶海營子剖面樣品古鹽度變化范圍為6.03‰～8.62‰，平均值為 7.70‰（表 2）.兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)了魯D2井林西組樣品古鹽度高于陶海營子剖面.

綜合上述各種分析方法（表3、圖3），可知魯D2井林西組沉積時(shí)的水體環(huán)境為半咸水，陶海營子剖面林西組則為淡水沉積環(huán)境，林西組沉積的水體環(huán)境有一個(gè)逐漸淡化的過程.

3 古鹽度分析及其地質(zhì)意義

依據(jù)硼元素法對(duì)晚二疊世林西組古鹽度進(jìn)行了定量計(jì)算,其結(jié)果與Sr/Ba比值、B/Ga比值、伽馬蠟烷指數(shù)和相當(dāng)硼含量所反映的古鹽度具有很強(qiáng)的一致性,證實(shí)利用上述方法恢復(fù)研究區(qū)湖泊水體的古鹽度是可靠的.

從上文可知，林西組下部至上部湖盆水體有逐漸變淡的趨勢.由此推測：林西組沉積時(shí)期古亞洲洋沿西拉木倫河拼合帶閉合，海水退出，原來是海洋的地方升起為陸地，有些地方仍殘留一些海盆，但這些海盆已經(jīng)不是正常的海相環(huán)境，而是轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嘞趟喘h(huán)境.由于一部分海水得以保存，水體鹽度較高，這些陸上咸水湖泊與海洋隔絕，得不到海水的補(bǔ)給，卻更多地接受陸地河流中的淡水補(bǔ)充，因此殘留湖泊中水體的含鹽度也隨著時(shí)間的推移而逐漸淡化.林西組下部多見巨厚的暗色泥巖沉積，并富含有機(jī)質(zhì)，發(fā)育自生黃鐵礦，化石稀少，應(yīng)與水體高鹽度形成的水體分層有關(guān)，屬咸化湖泊環(huán)境，而后上部逐漸變?yōu)榈喘h(huán)境.

表3 古鹽度綜合劃分?jǐn)?shù)據(jù)表Table 3 Synthetic classification of paleosalinity

當(dāng)湖泊水體具一定的鹽度時(shí)，咸化的水體不僅有利于沉積物中有機(jī)質(zhì)的保存和富集，也可造成水體的密度分層和促進(jìn)氧化還原界面向上遷移，從而為生油巖系的發(fā)育提供偏堿性的還原條件和更大的堆積空間［17，34］，有利于生油巖系的形成和發(fā)育.林西組早期的半咸化的湖水環(huán)境有利于形成巨厚的烴源巖層，水體的鹽度分層又為有機(jī)質(zhì)的保存創(chuàng)造了良好的條件，林西組具有潛在的油氣資源前景.

圖3 林西組古鹽度綜合評(píng)價(jià)柱狀圖Fig.3 Comprehensive evaluation column of paleosalinity of Linxi Formation

4 結(jié)論

應(yīng)用鍶鋇法、硼鎵法、伽馬蠟烷指數(shù)及硼元素的定性和定量分析方法對(duì)扎魯特地區(qū)林西組的古鹽度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，魯D2井林西組樣品古鹽度高于陶海營子剖面，魯D2井林西組沉積時(shí)水體環(huán)境為半咸水環(huán)境，其上部層位陶海營子剖面林西組則為淡水環(huán)境，扎魯特地區(qū)林西組沉積時(shí)期水體環(huán)境逐漸淡化，下部為陸相半咸水的湖泊環(huán)境，上部為淡水湖泊環(huán)境.

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