痕量元素和碳氧同位素在塔里木盆地西南緣棋盤組沉積環境研究中的應用

孟苗苗, 康志宏, 樊太亮, 馮曉利, 童雪飛, 于　超

(1.中國地質大學 能源學院，北京 100083；

2.中國地質大學“海相儲層演化與油氣富集機理”教育部重點實驗室，北京 100083；

3.中國石油天然氣股份有限公司 冀東油田分公司，河北 唐山 063004)

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痕量元素和碳氧同位素在塔里木盆地西南緣棋盤組沉積環境研究中的應用

孟苗苗1,2, 康志宏1, 樊太亮1,2, 馮曉利1, 童雪飛1, 于超3

(1.中國地質大學 能源學院，北京 100083；

2.中國地質大學“海相儲層演化與油氣富集機理”教育部重點實驗室，北京 100083；

3.中國石油天然氣股份有限公司 冀東油田分公司，河北 唐山 063004)

[摘要]以塔里木盆地西南緣中二疊統棋盤組為例，通過痕量元素和碳氧同位素對古鹽度、古氣候和氧化還原環境進行分析，進而恢復沉積環境。用ICP-MS光譜儀和MAT-251穩定同位素質譜儀分別對棋盤組樣品進行痕量元素和碳氧同位素測試分析，選取B含量、B/Ga、Sr/Ba和V/(V+Ni)和碳氧同位素作為判別沉積環境的指標，分析結果表明棋盤組主要發育在鹽度較高、溫暖-炎熱的近岸海相沉積環境和有利于有機質形成的貧氧-厭氧環境；分析垂向上痕量元素和碳氧同位素參數與海平面變化的關系，認為參數的變化與海平面升降有一定的相關性，棋盤組下段整體上表現為一個海退到海侵的過程，其中有4次完整的次級旋回，由于海平面的不斷變化使得棋盤組巖性表現為泥巖和生物碎屑灰巖的頻繁互層。

[關鍵詞]痕量元素；碳氧同位素；沉積環境；塔里木盆地；棋盤組

Application of trace elements and carbon-oxygen isotopes on

the research of sedimentary environment of the Qipan Formation in

the southwest margin of Tarim Basin, China

沉積環境是影響沉積物地球化學元素富集與分散的重要因素之一，反之，沉積物的地球化學元素能很好地記錄古環境性質及其演化信息，因此可以運用地球化學標志來指示沉積環境。國內外學者在地球化學方法判別沉積環境方面做了大量的研究工作[1-11]，尤其是Walker和Couch利用B含量的變化在古鹽度方面的研究以及Hatch和Jone等利用元素地球化學在氧化還原環境判別方面的研究[1-4]。隨著儀器水平的提高和對沉積環境研究由定性向定量的發展，地球化學在沉積環境判別中受到越來越多的重視[12-18]。實踐表明在沉積環境的綜合分析中，地球化學因素的確是不可缺少的標志之一。

發育在塔里木盆地西南緣的中二疊統棋盤組為重要的烴源巖層，前人在宏觀巖相學、古生物學和地層學等方面做了一定的研究[19-21]，但是缺乏地球化學方面的定量研究，從而限制了對棋盤組沉積環境的深入認識。對棋盤組痕量元素和碳氧同位素的分析有利于加深對其沉積環境的認識和層序地層的劃分，對油氣勘探具有重要意義?；诖?，筆者選取出露較好的炮江溝剖面進行連續取樣，通過痕量元素和碳氧同位素分析方法來揭示其古鹽度、古氣候和氧化還原環境，進而分析沉積環境，并探討痕量元素和碳氧同位素參數在縱向的變化與海平面升降的關系。

1地質概況

塔西南拗陷為塔里木盆地一級構造單元，面積約0.12×106km2，位于盆地西南部，是一個經長期發展形成的復合型前陸拗陷[22,23]。其地質演化與塔里木地塊和西昆侖造山帶密切相關[24]，從南西向北東由山前沖斷褶皺帶、盆地拗陷帶和麥蓋提斜坡三大構造單元組成(圖1)。早二疊世為塔西南拗陷前陸盆地發展階段早期，氣候濕潤，海平面位于高位期，水體安靜，形成了以碳酸鹽巖為主的沉積體系。中二疊世，區域性擠壓作用使得海水向西南方向退縮，海平面開始下降，由于波浪作用和潮汐作用的共同影響，細粒陸源碎屑巖和海相生物碎屑巖交替發育，形成海陸交互相混合沉積；同時該區發生了小規模的火山活動。晚二疊世，受板塊擠壓構造運動和海平面變化的影響，塔里木盆地西南緣海水全部退出，成為內陸拗陷盆地。

中二疊統棋盤組主要巖性為灰色、灰黑色、紫紅色、灰綠色泥巖、生屑灰巖與砂巖、粉砂巖互層，中段見有玄武巖夾層(圖2，圖3)。該組所含的生物化石以腕足類最為常見，如Orthoteitian、Orthotetes、Neoplicatifera、Kunlunia等，厚度334～838 m[25]；上部與中二疊統達里約爾組呈整合接觸。達里約爾組由灰綠色、紫灰色巖屑砂巖、鈣質巖屑砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖夾細礫巖透鏡體組成，砂巖具有板狀、楔狀交錯層理和平行層理，為河流相沉積。下部與下二疊統克孜里奇曼組呈整合接觸?？俗卫锲媛M巖性以淺灰、灰白、灰色厚層-塊狀灰巖、生屑灰巖、鮞?；規r為主，夾灰黑色薄—中厚層灰巖，厚度69.7~114.4 m。

圖1　塔西南拗陷構造及剖面位置圖Fig.1　Tectonic setting and location of profile insouthwest Tarim Basin1.地名; 2.剖面位置; 3.盆地邊界; 4.構造邊界

圖2　炮江溝剖面棋盤組野外照片和樣品顯微照片Fig.2　Photographs and micrographs of samples of Qipan Formation in Paojianggou profile(A)宏觀照片; (B)生屑灰巖照片; (C)樣品PJ02顯微照片; (D)樣品PJ01顯微照片

圖3　炮江溝剖面中二疊統棋盤組柱狀圖Fig.3　Stratigraphic column of Qipan Formation in Paojianggou profile1.泥巖; 2.粉砂質泥巖; 3.泥質粉砂巖; 4.粉砂巖; 5.細砂巖; 6.中砂巖;7.礫狀粗砂巖; 8.輝綠玢巖; 9.生屑灰巖; 10.核形石灰巖

2樣品采集和測試

炮江溝剖面位于新疆維吾爾自治區澤普縣和什拉甫鄉附近(圖1)。共采集新鮮無污染樣品16件，從底到頂編號依次為PJ01—PJ16。樣品粉碎至<100 μm，置于烘箱中在105℃烘3 h，取出后放在干燥器中冷卻至室溫。痕量元素以沉積巖中金屬元素的電感耦合等離子體原子發射光譜分析方法(SY/T 6404-1999)為依據，采用ICP-MS-1000Ⅳ型等離子體發射光譜儀測定；δ13C和δ18O 值是采用磷酸法制氣體CO2，在 MAT-251 質譜儀上測定。樣品分析均在華北石油邦達新技術有限公司完成，痕量元素和碳氧同位素測試及分析結果見表1。

表1　炮江溝剖面棋盤組痕量元素和碳氧同位素測試及分析結果

“w”表示質量分數。

3分析方法和結果

痕量元素和碳氧同位素值的高低與古鹽度、古氣候和氧化還原環境密切相關，本次研究著重從這3個方面來分析棋盤組的沉積環境。采用B含量及wB/wGa、wSr/wBa和碳氧同位素法同時分析其鹽度；采用氧同位素法來分析古氣候；采用wV/wV+Ni來分析其氧化還原環境。

3.1古鹽度

(1)研究認為B在海相泥質沉積物中含量較高，且海水中B的含量與鹽度存在線性關系[2]，因此B的含量可以指示古鹽度。不同的學者對其沉積環境判別依據不同(表2)，筆者依據鄧平[27]的判別指標來分析棋盤組的古鹽度及沉積環境。棋盤組樣品中PJ13和PJ12(巖性均為生屑灰巖)可能受火山活動影響，其B含量遠遠低于其他灰巖樣品(質量分數分別為58×10-6和40×10-6)，排除這2個樣品點后B的質量分數(wB)為131×10-6~370×10-6，平均值為220×10-6。認為棋盤組鹽度較高，為正常海相沉積。同時可以看出，B的含量自下而上整體上表現為一個先下降再上升的過程。而且生屑灰巖樣品中B的含量較相鄰泥巖樣品中的低，說明生屑灰巖的古鹽度較相鄰泥巖的低。

表2　不同沉積環境下B的含量(wB/10-6)

(2)B與Ga化學性質上的差異是wB/wGa可以作為古鹽度指標的依據。國外一些報道認為wB/wGa<1.5為淡水相，5~6為近岸海相，>7為海相。鄧平認為wB/wGa<3為淡水相，3~4.5為半咸水相，4.5~5為海相[26]；王益友認為wB/wGa<4為淡水，>7為海水[27]。其實不同地區確定鹽度的界限值不同，但同一地區的鹽度與wB/wGa的比值關系還是相當密切的。棋盤組樣品wB/wGa介于0.98~14.23之間，平均值為4.82，屬于近岸海相沉積。也可以看出wB/wGa表現為波動下降再上升的過程，生屑灰巖樣品中wB/wGa也較相鄰泥巖中的低。

(3)Sr和Ba均可以形成可溶性重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽進入水溶液中，但是Sr的化合物溶解度比Ba高，所以Sr的遷移能力要遠高于Ba，因此wSr/wBa常作為水體鹽度“指示劑”。曲星武等對二疊系樣品數據分析認為，wSr/wBa>1.2代表水體鹽度高、氣候相對干燥的海洋沉積，wSr/wBa為0.6~1.2代表水體鹽度較高、氣候相對干燥的淺海過渡環境沉積，wSr/wBa<0.6則代表水體鹽度低、氣候相對濕潤的大陸沉積[27]。棋盤組樣品wSr/wBa為0.82 ~1.65之間，平均值為1.10，說明棋盤組屬于鹽度較高的淺海過渡相沉積。wSr/wBa雖表現出波動變化，但并未顯示出與B和wB/wGa一樣的上升過程以及與巖性明顯的對應關系，所以對于wSr/wBa指示古鹽度的精確度還需進一步研究。

(4)碳氧同位素法：生物體內的碳氧同位素組成受生命活動時期海水鹽度、溫度、氣候等作用的控制，因此灰巖中的生物化石的碳氧同位素的變化可以作為反映古鹽度、古氣候等的可靠指標。Epstein等發現了海水中δ18O/δ16O值隨鹽度的增加而增加[28]，Clayton等也指出碳酸鹽巖中碳同位素豐度與古鹽度有關[29]，之后許多學者也證實了鹽度和碳氧同位素豐度的正相關關系。所以本次研究對碳酸鹽巖樣品中的生物化石進行碳氧同位素測試，并采用Keith等人所提出的經驗公式來分析古鹽度[30]

Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

(1)

其中Z值是指示古鹽度的參數，含鹽度高，Z值大，反之則小。當Z>120 時為海相(或陸相湖泊咸水)灰(云)巖； Z<120時為淡水灰(云)巖(湖相碳酸鹽巖)；Z=120時為未定型石灰巖。

參照公式(1)對研究剖面碳酸鹽巖樣品的碳氧同位素數據進行計算分析(表3)，可以看出棋盤組除了樣品PJ02的Z值接近120(可能由于測試誤差)外，其他樣品Z值均大于120，平均Z值為123，說明棋盤組為海相沉積，鹽度較高且鹽度變化不大。

3.2古氣候

Urey最早發現碳酸鹽巖從水中沉淀時的溫度變化導致碳酸鹽巖δ18O/δ16O比值的變化，提出通過測定碳酸鹽巖δ18O含量確定古海洋溫度的可能性[31]。最常見的運用氧同位素計算古氣候的關系式是Urey提出，由Craig進一步修改的經驗公式[32]

t=16.9-4.2(δ18Oc-δ18Ow)+

0.13(δ18Oc-δ18Ow)2

(2)

其中:t為沉積時海水古溫度；δ18Oc為樣品實測值(PDB標準)，δ18Ow為沉積時海水值(SMOW標準)。但使用此公式所得的結果往往會出現較大的偏差，因為“年代效應”(時代越久遠，δ18O值的偏差越大)影響明顯。本次研究采用Keith等人實驗提出的二疊紀樣品δ18O校正值[30]，為Δδ18O=2.6‰。再根據Given提出的二疊紀大洋水δ18Ow值應為-2.8‰(SMOW標準)[33]，那么公式(2)就可以改寫為

t校正=16.9-4.2(δ18O校正+2.8)+

0.13(δ18O校正+2.8)2

(3)

參照公式(1)和公式(3)對研究剖面碳酸鹽巖樣品的碳氧同位素數據進行計算分析(表3)，古溫度范圍在17.7~33.2℃，平均溫度為27.8℃：認為研究區在這一時期表現為溫暖—炎熱的海洋性氣候。

3.3氧化還原環境

表3　炮江溝剖面棋盤組碳氧同位素分析計算結果

Hatch和Jones等通過研究北美、北歐黑色頁巖地球化學特征認為wV/wV+Ni為古缺氧環境的判識標志，其中wV/wV+Ni為0.54~0.72時為貧氧環境，>0.84為厭氧環境，0.46~0.6為富氧環境[3,4]。王爭鳴通過對鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽沉積環境的研究發現wV/wV+Ni同樣能夠反映氧化還原環境[34]。對棋盤組所有泥巖和碳酸鹽巖樣品分析，wV/wV+Ni為0.39~0.84，平均值為0.68，其中絕大部分樣品>0.6，所以棋盤組沉積物處于有利于有機質發育的貧氧-厭氧環境中。

4討 論

據賈振遠對鄂爾多斯盆地南緣奧陶系痕量元素含量研究表明，痕量元素平均含量的高低不僅與沉積環境密切相關，而且與海平面升降的變化有關[35]。鮑志東對塔中地區奧陶系的痕量元素特征和海平面升降的研究發現，痕量元素在淺水區較之在深水區對海平面升降具有更敏感的反應[12]。上述分析結果顯示棋盤組發育在淺海沉積環境，基于此，筆者擬探討棋盤組沉積時期痕量元素與海平面變化的關系。

圖4　炮江溝剖面棋盤組元素及其比值與海平面的變化圖Fig.4　The relationship between sea level change, element and element ratios forthe Qipan Formation, Paojiangou Profile

B的含量與水體的鹽度呈正相關關系，而鹽度的高低與海平面的變化有關，因此可用鹽湖中B含量的變化曲線來描述海平面的變化趨勢。從B含量縱向上的變化曲線(圖4)中可以看出，高位體系域(HST)比低水位體系域(LST)時期的B含量相對要高。這說明高位體系域時期鹽湖的海水介質鹽度相對較高，而低水位體系域和海侵體系域時期，受陸緣淡水河流的影響較大，致使水體鹽度降低，B含量相應降低?？v向上看，整體表現為一個海退到海侵的過程，其中有4次完整的海侵-海退的次級旋回。元素V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa和氧同位素也表現出同樣的規律。wV/wV+Ni的變化曲線與海平面變化曲線呈負相關關系，說明wV/wV+Ni值在高位體系域比在海侵期(TST)和低位期大，即海平面越高，環境的還原性越強。由于海平面的不斷變化，所以棋盤組巖性表現為泥巖和生物碎屑灰巖的頻繁互層。

5結 論

a.痕量元素分析(B平均質量分數為220×10-6，wB/wGa平均為4.82，wSr/wBa平均為1.22)和碳氧同位素古鹽度分析(Z值平均為123)均指示塔里木盆地西南緣中二疊統棋盤組為鹽度較高的淺海過渡相環境；氧同位素古溫度分析結果(17.8~33.5℃)，棋盤組屬于溫暖—炎熱的海洋性氣候；wV/wV+Ni(平均為0.7)代表棋盤組為貧氧-厭氧沉積環境。所以說，塔里木盆地西南緣中二疊統棋盤組主要發育在溫暖—炎熱、鹽度較高的近岸海相沉積和有利于有機質富集的貧氧-厭氧環境。

b.分析縱向上B、V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa和wV/wV+Ni的變化與海平面變化的關系，認為B、V、Cr、Ni含量、wB/wGa、wSr/wBa的變化和海平面的變化一致，而wV/wV+Ni與海平面變化呈負相關關系。棋盤組下段整體上表現為海退到海侵的過程，其中有4次完整的次級旋回。海平面的不斷升降使得棋盤組表現為泥巖和生物碎屑灰巖的頻繁互層。

c.無論野外剖面觀測還是室內薄片觀察中均發現海相生物化石(腕足類、海百合)，也說明棋盤組屬于淺海相沉積，與上述通過痕量元素和碳氧同位素分析的結論一致。

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MENG Miao-miao1, 2, KANG Zhi-hong1, FAN Tai-liang1, 2,

FENG Xiao-li1, TONG Xue-fei1, YU Chao3

1.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

2.MinistryofEducationKeyLaboratoryofMarineReservoirEvolutionandHydrocarbonEnrichment

Mechanism,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

3.JidongOilfieldCompany,PetroChina,Tangshan063004,China

Abstract:Parameters of trace elements and carbon-oxygen isotopes are used to analyze the paleosalinity, paleoclimate and oxidation-reduction environment and reconstruct the sedimentary environment of the Middle Permian Qipan Formation in the southwest margin of Tarim Basin. The values of trace elements and carbon-oxygen isotopes are measured by ICP-MS spectrometer and MAT-251 stable isotope mass spectrometer, respectively. B, B/Ga, Sr/Ba和V/(V+Ni) and carbon-oxygen isotopes are used as indicators to determine the depositional environment. It shows that the Qipan Formation formed in a high salinity on shore marine sedimentary environment with a warm to dry climate, and in poor oxygen to anaerobic environment favorable to the enrichment of organic matter. It considers that the trace elements and carbon-oxygen isotopes parameters are closely related to the sea-level changes. The Qipan Formation shows a regressive to transgressive process with four sub-cycles, and the variation of sea-level results in the frequent occurrence of interbeds of mudstone and bioclastic limestone in Qipan Formation.

Key words:trace elements; carbon-oxygen isotopes; sedimentary environment; Tarim Basin; Qipan Formation

[文獻標志碼][分類號] P597.2; TE121.31 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.08

[文章編號]1671-9727(2016)01-0077-09

[收稿日期]2015-01-19。

[基金項目]全國油氣資源戰略選區調查與評價國家專項(第二批)(2009GYXQ02)。

[第一作者] 孟苗苗(1988-)，女，博士研究生，研究方向：沉積學, E-mail:mmm1988@126.com。