基于主(微)量元素分析法的細粒沉積巖沉積環境判別
——以大民屯凹陷安福屯地區沈352井沙四下亞段為例

張文偉

( 中國石油遼河油田分公司 勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010 )

基于主(微)量元素分析法的細粒沉積巖沉積環境判別
——以大民屯凹陷安福屯地區沈352井沙四下亞段為例

張文偉

( 中國石油遼河油田分公司 勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010 )

為明確大民屯凹陷安福屯地區沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的沉積環境及演化特征，利用地球化學方法，根據巖石中w(V)/w(V+Ni)判斷氧化還原環境的變化，根據w(Sr)/w(Ba)、w(V/)w(Ni)、w(Mg)/w(Ca)判斷沉積環境中鹽度的變化，根據w(Zr)/w(Al)及w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)判斷水體深度的變化，根據w(Sr)/w(Cu)、c(為幾種元素的比值)判斷沉積環境的古氣候變化，分析研究區沉積環境特征及變化規律。結果表明：處于陸相沉積環境的沈352井沙四下亞段由深到淺分為三部分，即在3 280～3 352 m處為還原—弱還原環境，鹽度為半咸水—咸水，水體較深，屬于半潮濕—半干燥氣候；在3 248～3 280 m處為弱還原環境，鹽度為咸水，水體較淺，屬于干熱氣候；在3 169～3 248 m處為還原環境，鹽度為咸水—半咸水，水體較深，屬于溫濕氣候；其中粒屑發育段(3 328～3 333 m)較為特殊，為氧化環境，鹽度為微咸水，水體較淺，屬于干熱氣候。該研究對分析研究區細粒沉積巖形成時的沉積環境及勘探潛力具有一定參考意義。

細粒沉積巖； 沉積環境； 主(微)量元素； 沙四下亞段； 沈352井； 大民屯凹陷

0 引言

沉積環境及沉積相的識別對古地理恢復具有重要意義[1]，其中利用地球化學特征判別沉積環境是沉積學研究中的一個重要領域。地層元素分配及比值的變化、組合反映古環境演化過程[2]，因此地層元素作為有效示蹤劑，尤其是微量元素及其比值的變化可以有效判斷沉積環境特征。如周動力等[3]利用m(Mn)/m(Ti)判斷離岸距離的遠近，利用m(Sr)/m(Ba)判斷沉積環境鹽度的變化，利用m(Ni)/m(Co)、m(Ni)/m(V)、m(V)/m(V+Ni)判斷氧化還原環境，分析黑龍江寧安盆地古近系油頁巖沉積環境，認為研究區油頁巖形成于近岸、陸相淡水淺湖、貧氧的還原沉積環境。余燁等[4]利用w(V)/w(Cr)判斷水體深度，利用w(MgO)/w(Al2O3)和w(Sr)/w(Ba)判斷水體鹽度，利用fCIA指數與w(MgO)/w(CaO)判斷氣候變化，研究惠州凹陷珠江組泥巖地球化學特征及其地質意義。王溯芳等[5]利用w(V)/w(Cr)、w(V)/w(V+Ni)、w(Ni)/w(Co)等判斷氧化還原環境，研究四川盆地南部志留系龍馬溪組富有機質頁巖沉積環境，將寧203井龍馬溪組底部A段解釋為缺氧或貧氧環境，B、C、D段解釋為缺氧環境。宋璠等[6]利用w(Fe)/w(Mn)判斷水體深度，利用w(V)/w(V+Ni)判斷氧化還原環境，研究準噶爾盆地春風油田沙灣組沉積相，認為沙灣組一段屬于水體較深的水下還原環境。

人們在利用微量元素判別沉積環境方面取得一定成果，但僅針對沉積環境的某一兩個方面進行判斷，缺少對沉積環境變化特征的研究。元素是組成巖石的基本單元，沉積巖礦物是提取古環境信息的主要研究載體[7]，筆者利用地球化學元素分析方法，綜合判斷大民屯凹陷安福屯地區沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的沉積環境特征及變化規律，包括沉積的氧化還原環境、水體深度、鹽度、氣候變化特征等，對明確研究區細粒沉積巖形成時的沉積環境及有利勘探區具有指導意義。

1 區域地質背景

遼河斷陷盆地位于遼寧省境內的下遼河平原地區，北起沈陽，南至遼東灣，根據第三系底面起伏、主要斷裂特征及盆地沉積、沉降特點，可將遼河盆地劃分為四個主要次級凹陷：沈北凹陷、大民屯凹陷、西部凹陷、東部凹陷。大民屯凹陷位于遼河斷陷盆地的東北部，西距沈陽市25 km，平面上呈不規則橢圓形，南寬北窄，四周受邊界斷層所限。大民屯凹陷安福屯洼陷是發育在太古界花崗片麻巖、混合花崗巖和元古界碳酸鹽巖基底之上的新生代陸相斷陷型凹陷(見圖1)。研究區沈352井揭示的地層序列由下至上為太古界、元古界、新生界，新生界包含古近系和新近系[8]，古近系包含房山泡組、沙河街組、東營組，其中沙河街組分為三段，從下至上分別為沙河街組四段(簡稱沙四段)、三段、一段，本次研究的主要目的層段是沙四段。大民屯凹陷沙四段沉積時期是濱淺湖—半深湖—深湖的沉積演化過程，湖盆發育早期，榮勝堡、三臺子、安福屯及勝東等洼陷處于深水沉積環境[9]。安福屯斷層以東中央構造帶為穩定的臺地，構造活動相對較弱，遠離外部沉積水流的影響，水體比較閉塞、安靜，沉積環境相對穩定，發育灰褐色油頁巖、鈣質泥巖夾深灰色泥巖，厚度達100～280 m[10]。區域構造升降使油頁巖發育段呈典型的“三明治”結構特征，油頁巖中富含白云質、鈣質，存在泥質白云巖的夾層；儲集層具有特低孔、特低滲特征[11]。

圖1 大民屯凹陷構造單元劃分Fig.1 Tectonic unit division of Damintun depression

2 樣品采集及測試方法

對沈352井沙四下亞段(3 169～3 352 m，總心長為183 m)進行鉆井取心，根據巖心觀察結果，巖石顏色以黑色夾綠色為主，呈現“三明治”特征，油頁巖夾碳酸鹽巖組合，為一套細粒沉積巖。為進一步判別沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的沉積環境，選取巖石薄片樣品241塊，主、微量元素各62件進行測試。

巖石薄片鑒定由中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院試驗技術研究中心完成，采用德國ZEISS公司的Zeiss Axio Imager A2顯微鏡。主、微量元素由西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成，主量元素測試在RIX2100 型X線熒光光譜儀(XRF)上進行，使用中國國家標準樣品GBW07105和美國地質調查所BCR-2校正標準曲線，SiO2的分析精度為1%，其他氧化物的分析精度為4%～10%；微量元素測試在Elan6100DRC電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)上進行，使用美國地質調查所的AGV-1、BHVO-2、GSR-1和GSR-3作為標準樣品，多數元素的分析誤差在±5%以內，低質量分數元素的分析誤差在±15%以內，元素的檢出限為0.1 μg/g。

3 測試結果

3.1 巖石鑒定結果

根據沈352井沙四下亞段細粒沉積巖的巖心描述及241塊巖石薄片的鑒定結果，在3 280～3 352 m處，巖石以黑色含碳酸鹽泥巖、含碳酸鹽油頁巖為主(見圖2(a-b))，其次為黑色碳酸鹽質泥巖，夾薄層泥質泥晶粒屑云巖(見圖2(c-d))和泥質泥晶云巖；在3 248～3 280 m處，巖石上部以綠色白云質泥巖為主，其次為綠色泥質泥晶云巖(見圖2(e-f))，下部以淺灰色白云質泥巖、碳酸鹽質泥巖為主，夾綠灰色泥質泥晶云巖；在3 169～3 248 m處，巖石上部以黑色油頁巖(見圖2(g-h))、含碳酸鹽油頁巖為主，下部為深灰色含碳酸鹽泥巖。

圖2 沈352井沙四下亞段巖石類型及特征Fig.2 The rock characteristics and types of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

3.2 主、微量元素測試結果

微量元素在反映古環境信息方面能較好地保存原始地球化學信息[12]。某些微量元素質量分數及其比值的變化，受風化作用、搬運作用、沉積作用、成巖作用，以及變質作用的影響很少。沉積物主、微量元素質量分數及比值變化為古環境分析提供理論依據[13]，地層中元素質量分數及其比值變化、組合在一定程度上反映古環境的演化過程[14]。

從62件主、微量元素測試結果中隨機抽取10件樣品，根據w(V)/w(V+Ni)、w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al)、w(Sr)/w(Cu)、c、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(Ni)、w(Mg)/w(Ca)等的變化特征(見表1-2)，判斷沈352井的沉積環境特征及變化規律；根據主、微量元素測試結果計算主、微量元素的質量分數比值(見表3)，其中c(為幾種元素的比值)計算方式根據蘭州地質研究所劃分標準[15]。

表1 沈352井沙四下亞段巖心主量元素化合物質量分數測試結果

Table 1 The test results of major elements compounds in corns of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352 %

表2 沈352井沙四下亞段巖心微量元素質量分數測試結果

Table 2 The test results of mass fractions of trace element in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352 μg·g-1

表3 沈352井沙四下亞段巖心主、微量元素質量分數比值

Table 3 Major and trace element mass fractions ratios in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

樣號井深/mw(V)/w(V+Ni)w(Zr)/w(Al)cw(Sr)/w(Cu)w(Mg)/w(Ca)w(V)/w(Ni)w(Sr)/w(Ba)103171．060．5612．551．742．654．081．280．55363177．160．6715．350．687．620．812．040．58913192．990．6213．680．927．460．601．660．621073196．860．6213．770．736．980．491．660．511283240．190．8014．760．592．231．844．050．811763252．620．7215．600．3417．530．992．611．662083259．160．6113．880．248．091．161．571．902423272．150．5311．740．301000．741．130．634063315．720．6910．180．5421．610．372．242．614573338．490．5912．810．5013．020．551．451．18

4 討論

4.1w(V)/w(V+Ni)變化特征及意義

沉積巖中w(V)/w(V+Ni)是研究古環境氧化還原性的重要指標[16]。當w(V)/w(V+Ni)≤0.45時，為富氧的沉積環境(氧化環境)；當w(V)/w(V+Ni)>0.45時，為缺氧的沉積環境；當0.450.60時，為厭氧的還原環境。

沈352井沙四下亞段w(V)/w(V+Ni)以大于0.45為主(見圖3)，為缺氧環境。在3 280～3 352 m處，w(V)/w(V+Ni)以介于0.45～0.60和大于0.60為主，為還原—弱還原環境；其中在粒屑發育段(3 328～3 333 m)，w(V)/w(V+Ni)以小于0.45為主，為氧化環境。在3 248～3 280 m處，w(V)/w(V+Ni)以介于0.45～0.60為主，為弱還原環境。在3 169～3 248 m處，w(V)/w(V+Ni)以大于0.60為主，為厭氧的還原環境。

圖3 沈352井沙四下亞段巖心元素及比值變化特征Fig.3 Variation characteristics of element ratios in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

4.2w(V)/w(V+Ni)、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(Ni)、w(Mg)/w(Ca)變化特征及意義

Sr元素主要從咸水中直接沉淀，Ba元素易被黏土及細碎屑沉積物吸附富集。w(Sr)/w(Ba)能定量判別水體的古鹽度，劃分標準：當w(Sr)/w(Ba)>1.00時，為咸水相；當0.50

咸水介質中的V和Ni主要被膠體質點或黏土礦物等吸附沉淀，V元素易在氧化環境、酸度較大的條件下被吸附富集，Ni元素在還原環境、堿度較大的條件下更易富集。w(V)/w(Ni)用于判斷沉積介質鹽度，比值越高，鹽度越高[17]。當w(V)/w(Ni)大于1.0時，為咸水環境，值越大，鹽度越高[18]。

w(Mg)/w(Ca)常作為淡水和咸水沉積的參數[19]，當w(Mg)/w(Ca)≤0.25時，為微咸水；當0.251.00時，為鹽湖環境。

由圖3、表4可知，在沈352井沙四下亞段3 280～3 352 m處，w(Mg)/w(Ca)以0.50～1.00和大于1.00為主、其次為0.25～0.50，w(V)/w(Ni)以大于1.00為主，w(Sr)/w(Ba)以大于1.00和0.50～1.00為主，為半咸水、咸水環境；其中在粒屑發育段(3 328～3 333 m)，w(Mg)/w(Ca)小于0.25，w(V)/w(Ni)小于1.00，w(Sr)/w(Ba)以0.50～1.00為主，為微咸水、半咸水環境。在3 248～3 280 m處，w(Mg)/w(Ca)多集中在0.50～1.00之間，w(V)/w(Ni)大于1.00，w(Sr)/w(Ba)以大于1.00和0.50～1.00為主，為咸水環境。在3 169～3 248 m處，w(Mg)/w(Ca)多集中在0.25～1.00之間，w(V)/w(Ni)以大于1.00為主，w(Sr)/w(Ba)以小于0.50與0.50～1.00之主，為半咸水、咸水環境，整體上水體鹽度小于3 280～3 352 m處的。

表4 沈352井沙四下亞段巖石w(Mg)/w(Ca)、w(V)/w(Ni)、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(V+Ni)

Table 4 The average value ofw(Mg)/w(Ca)、w(V)/w(Ni)、w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(V+Ni)in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

井深/mw(Mg)/w(Ca)w(V)/w(Ni)w(Sr)/w(Ba)w(V)/w(V+Ni)最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均3169～324810．900．402．840．800．500．674．050．972．240．800．130．413248～32801．060．540．770．720．530．653．381．141．912．570．621．323280～33524．140．071．550．670．210．502．230．271．122．250．530．96

4.3w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al)變化特征及意義

Al2O3、K2O、TiO2、P2O5、V 等礦物代表陸源碎屑的泥質含量，其值隨水體逐漸加深而增大。碎屑巖中鋯(Zr)質量分數的大小常作為物源區遠近或海岸線的指示標志[20]。Zr常在砂中富集，泥沉積區是Zr的低值區，說明Zr的高值總是與粗粒沉積巖對應，反映高能環境。w(Zr)/w(Al)代表近距離搬運的陸源組分和水體深度的變化，通常認為w(Zr)/w(Al)≤20為深水環境，w(Zr)/w(Al)>20為淺水環境[20]。

沈352井沙四下亞段(3 169～3 352 m)的w(Zr)/w(Al)小于20，代表深水環境。根據w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)判斷，在3 280～3 352 m處，整體水體較深，其中在粒屑發育段(3 328～3 333 m)水體較淺；在3 248～3 280 m處，水體變淺；在3 169～3 248 m處，水體變深(見圖3、表5)。

表5 沈352井沙四下亞段巖石w(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al)

Table 5 The average value ofw(Al2O3)、w(K2O)、w(TiO2)、w(P2O5)、w(V)、w(Zr)/w(Al) in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

井深/mw(Al2O3)/%w(K2O)/%w(TiO2)/%w(P2O5)/%w(V)/%w(Zr)/w(Al)最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均3169～324817．3513．215．113．580．912．391．760．751．070．800．040．21186．00100．00145．9315．3510．6512．953248～328011．554．708．823．700．912．581．060．250．520．420．050．16127．0043．0075．5017．0813．6815．503280～335219．051．7911．6253．620．152．031．420．090．741．980．120．2204．0013．0096．1613．638．4211．095

4.4c、w(Sr)/w(Cu)變化特征及意義

在潮濕氣候條件下，沉積巖中Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素質量分數較高；在干燥氣候條件下，由于大氣降水減少，地表水分大量蒸發，盆地水介質的堿性增強，Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素被大量析出并沉積在水底。

兩類元素在巖石中的質量分數相對較高，利用它們的比值計算氣候指數c[15]:

c=∑(Fe+Mn+Cr+V+Ni+Co)/∑(Ca+Mg+K+Na+Sr+Ba)。

當c≤0.2時，為干燥氣候；當0.20.8時，為潮濕氣候[15]。

當w(Sr)/w(Cu)介于1.3～5.0時，為溫濕氣候；大于5.0 時，為干熱氣候[21]。

由圖3、表6可知，在沈352井沙四下亞段3 280～3 352 m處，c以0.6～0.8之間和0.4～0.6之間為主，其次為大于0.8；w(Sr)/w(Cu)以1.3～5.0為主，其次為大于5.0，為半潮濕氣候。在粒屑發育段(3 328～3 333 m)，c以0.2～0.4之間和小于0.2為主，w(Sr)/w(Cu)大于5.0，為干熱氣候為主。在3 248～3 280 m處，c以0.2～0.4之間為主，w(Sr)/w(Cu)大于5.0，為半干燥、干燥氣候。在3 169～3 248 m處，c以大于0.8和0.6～0.8之間為主，w(Sr)/w(Cu)以1.3～5.0之間為主，其次為大于5.0，為潮濕、半潮濕氣候。

表6 沈352井沙四下亞段巖石c、w(Sr)/w(Cu)

Table 6 The average value ofc，w(Sr)/w(Cu) in cores of the lower fourth member of Shahejie formation in the well of Shen352

井深/mcw(Sr)/w(Cu)最大最小平均最大最小平均3169～32483．010．630．9710．132．645．203248～32800．340．120．251008．0929．383280～33521．650．130．5178．334．6134．00

5 結論

(1)沈352井沙四下亞段氧化還原環境是由還原—弱還原、弱還原、還原環境的轉變，其中粒屑發育段(3 328～3 333 m)為氧化環境。

(2)沈352井沙四下亞段水體鹽度是由半咸水—咸水、咸水、咸水—半咸水的轉變，其中粒屑發育段(3 328～3 333 m)為微咸水環境。

(3)沈352井沙四下亞段水體深度是由較深、相對較淺、較深的轉變，其中粒屑發育段(3 328～3 333 m)水體較淺。

(4)沈352井沙四下亞段氣候是由半潮濕—半干燥、干熱、溫濕的轉變，其中粒屑發育段(3 328～3 333 m)氣候干熱。

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2017-01-16；編輯：朱秀杰

國家科技重大專項(2016ZX05006-005-002)

張文偉(1978-)，男，碩士，工程師，主要從事油氣地質方面的研究。

P618.13

A

2095-4107(2017)04-0099-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.04.011