柴北緣冷湖七號(hào)下干柴溝組上段古氣候及物源分析

潘世樂，蔣赟，康健，陳波，張順存，孫國強(qiáng)

1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌 736202

4.北部灣大學(xué)石油與化工學(xué)院，廣西欽州 535011

5.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

0 引言

差異性環(huán)境條件對(duì)不同元素在分解和遷移過程中的行為有不同的影響，從而導(dǎo)致元素濃度在不同環(huán)境條件下產(chǎn)生分異，因此，沉積物中元素含量的變化可以反映沉積期間環(huán)境條件的變化[1-4]。冷湖七號(hào)位于柴達(dá)木盆地北緣腹部，生儲(chǔ)蓋條件優(yōu)越、油氣資源豐富[5]，前人在冷湖七號(hào)地區(qū)主要開展了構(gòu)造演化[6]、沉積環(huán)境[1]、儲(chǔ)層特征[7-8]及成藏規(guī)律[9-10]等方面的研究，目前對(duì)其古氣候及源—匯系統(tǒng)的研究較少，且缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[11-12]。古氣候及源—匯系統(tǒng)制約著油氣成藏的條件、過程和模式[13-14]，但開放的古氣候條件[15-16]和多種潛在的物源區(qū)，為深入研究帶來了很大的困難。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)冷湖七號(hào)下干柴溝組上段鉆井巖心的精細(xì)分析，結(jié)合巖心樣品的巖性、黏土礦物組合規(guī)律及元素地球化學(xué)特征，對(duì)冷湖七號(hào)下干柴溝組上段沉積時(shí)期的古氣候條件、風(fēng)化過程及源區(qū)構(gòu)造背景等進(jìn)行了詳細(xì)研究，以期為后續(xù)的油氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地是我國西部一個(gè)大型的中—新生代陸相含油氣盆地，盆地面積約1.2×105km2[17]，在整個(gè)新生代經(jīng)歷擠壓構(gòu)造環(huán)境，西南部為東昆侖斷裂帶，東北部為南祁連斷裂帶，西北部為阿爾金斷裂帶[18]。古湖盆從古近紀(jì)到新近紀(jì)經(jīng)歷了三個(gè)演化階段：湖盆最早出現(xiàn)在古新世和始新世早期，從始新世晚期到漸新世不斷擴(kuò)張，并在漸新世階段沉降達(dá)到最大程度，隨后在早中新世到上新世逐漸縮小[19]。

冷湖七號(hào)位于柴北緣冷湖構(gòu)造帶東南段，是冷湖構(gòu)造帶中規(guī)模最大的背斜構(gòu)造，北靠賽什騰凹陷，南鄰一里坪凹陷[20]（圖1）。古近系下干柴溝組上段（）上部為灰白色和青灰色中砂巖、細(xì)砂巖，下部為棕紅色泥質(zhì)粉砂巖。砂巖主要以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，其次為巖屑長(zhǎng)石砂巖，孔隙較發(fā)育，多為原生粒間孔，局部可見溶蝕孔，填隙物為方解石。砂巖中發(fā)育楔狀、波狀及平行層理，底部常見沖刷面（圖2）。

圖1 柴達(dá)木盆地北緣冷湖七號(hào)位置圖Fig.1 Structural location of Lenghu No.7 region at the northern margin of the Qaidam Basin

2 樣品采集與分析方法

圖2 冷湖七號(hào)下干柴溝組綜合沉積相圖Fig.2 Comprehensive sedimentary facies diagram of the Lower Ganchaigou Formation in Lenghu No.7 region

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 古氣候重建

3.1.1 黏土礦物組合對(duì)古氣候的指示

黏土礦物晶粒微小，成分、結(jié)構(gòu)易發(fā)生轉(zhuǎn)變，對(duì)古氣候的變化非常敏感。因此，黏土礦物沉積分異、組合類型及其含量變化、微細(xì)結(jié)構(gòu)等特征對(duì)古氣候有重要的指示意義[24]。成分成熟度低的碎屑巖富含蒙脫石、伊利石等黏土礦物，或者含有較高比例的非黏土礦物；而成分成熟度高的碎屑巖黏土礦物則以高嶺石為主[25]。并且伊利石、蒙脫石是弱堿性、干燥環(huán)境指示礦物；而高嶺石的存在指示礦物曾經(jīng)歷了溫暖潮濕環(huán)境下的弱酸性、強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用[26]。

冷湖七號(hào)下干柴溝組上段砂巖中黏土礦物以伊利石為主，含少量伊蒙混層和綠泥石。伊利石多呈絲狀或搭橋狀充填在顆粒之間，伊蒙混層常見于顆粒表面或充填在顆粒之間（圖3），說明砂巖中黏土礦物主要以自生為主，其組合特征是沉積時(shí)期氣候、沉積環(huán)境及成巖環(huán)境等條件共同作用的結(jié)果。在掃描電鏡下對(duì)樣品的黏土礦物大致做了估算，伊利石、伊蒙混層和綠泥石相對(duì)占比分別為55%、25%和20%，黏土礦物組合呈高伊利石、較高伊蒙混層和綠泥石礦物含量、少蒙脫石，缺失高嶺石的分布特點(diǎn)（圖3），反映出冷湖七號(hào)下干柴溝組上段處于干旱的堿性環(huán)境，化學(xué)風(fēng)化作用較弱，沉積物成分成熟度較低。

圖3 冷湖七號(hào)下干柴溝組上段砂巖掃描電鏡照片（a）4 111.51 m，搭橋狀伊利石，伊蒙混層等黏土礦物充填在顆粒間及顆粒表面；（b）4 209.77 m，方解石填隙，石英自生加大，顆粒表面發(fā)育伊蒙混層黏土礦物；（c）4 212.14 m，蜂窩狀自生綠泥石與伊蒙混層黏土礦物Fig.3 SEM images of sandstone from the upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

3.1.2 主量元素對(duì)古氣候的指示

主量元素中常見的氧化物對(duì)古環(huán)境反映較為敏感，具有明顯的古氣候指示意義[27-28]。冷湖七號(hào)下干柴溝組上段氧化物含量變化較大（表1），說明在沉積時(shí)期環(huán)境變化相對(duì)頻繁。一般Mg/Ca比值高指示干旱氣候，低值反映潮濕氣候，但出現(xiàn)堿層時(shí)該比值不但不是高值，反而呈現(xiàn)低值，即當(dāng)鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類不參與沉淀時(shí)，Mg/Ca比的高值指示干熱氣候，而當(dāng)它們參與沉淀時(shí)，其低值和K+，Na+的相對(duì)高值共同指示干熱氣候[29]。Ti元素含量的變化反映的是陸源物質(zhì)加入的程度，該值愈高則表明陸源物含量愈豐富，表明了一種溫暖潮濕的氣候背景[30-31]。黏土礦物的中Al2O3/MgO的大小也可反映沉積過程中的古氣候，其值越大，表明水體淡化，反映溫濕氣候；值越小，則表明干旱氣候[32]。

下干柴溝組上段樣品中CaO、Na2O、K2O、MgO和TiO2的平均含量分別為3.15%、1.77%、2.49%、1.69%和0.21%（表1），通過和美國頁巖[33]對(duì)比下干柴溝組上段主量元素表現(xiàn)為較高CaO、Na2O、K2O和較低MgO、TiO2的特征，冷湖七號(hào)下干柴溝組上段沉積時(shí)期K+，Na+含量較高，說明其參與了沉淀，所以可以利用其高含量和Mg/Ca的低值來判別古氣候，即古氣候較為寒冷干旱，這與黏土礦物反應(yīng)的氣候特征一致。Ti元素和Al2O3/MgO比值也指示了同樣的結(jié)果。

3.1.3 源區(qū)的古風(fēng)化作用對(duì)古氣候的指示

氣候條件控制著沉積物（巖）的化學(xué)風(fēng)化程度，構(gòu)造背景則控制著源巖的剝蝕和供應(yīng)程度[34]。通常采用化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）來確定物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度：CIA值介于50～65，反映寒冷干燥條件下的弱化學(xué)風(fēng)化程度；CIA值介于65～85，反映溫暖濕潤條件下的中等化學(xué)風(fēng)化程度；CIA值介于85～100，反映炎熱潮濕條件下的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化程度[35]。成分變異指數(shù)（ICV）可以用來估計(jì)碎屑巖的原始成分變化，判斷巖石序列是代表第一次沉積還是源于再循環(huán)的沉積物：ICV越高，其代表的成分成熟度越低，即ICV大于1，表明沉積物中含有很少的黏土礦物，反映是在活動(dòng)的構(gòu)造帶首次沉積；ICV小于1，則表明沉積物中有大量的黏土礦物，代表可能經(jīng)歷了再沉積或強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化條件下的首次沉積[25]。

表1和圖4顯示出冷湖七號(hào)下干柴溝組上段的CIA和ICV指數(shù)具有明顯的規(guī)律性，而且存在著三次突變，每次突變均是物源區(qū)構(gòu)造活動(dòng)或古氣候變遷的響應(yīng)：1）ICV值主要集中于1～1.5，平均值為1.2，意味著樣品受沉積再循環(huán)作用的影響較小，成分成熟度較低；CIA值主要集中于50～65，平均值為58，表明研究區(qū)下干柴溝組上段處于寒冷干燥氣候條件下的弱化學(xué)風(fēng)化程度的沉積環(huán)境。2）CIA和ICV指數(shù)較為集中，局部存在著間斷性變化，說明物源區(qū)整體構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。3）下干柴溝組上段下部到中部CIA指數(shù)減小，ICV指數(shù)增大，反映了物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用減弱，沉積物的成熟度降低；中部到上部CIA指數(shù)增大，ICV指數(shù)減小，表明源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用相對(duì)增強(qiáng)，沉積物成熟度升高，在碎屑礦物上表現(xiàn)為砂巖中的長(zhǎng)石、云母含量也發(fā)生變化。4）下干柴溝組上段CIA和ICV指數(shù)發(fā)生三次波動(dòng)，每次波動(dòng)對(duì)應(yīng)著地層主色調(diào)的變化，指示著下干柴溝組上段蝕源區(qū)古氣候波動(dòng)較大，有一定程度的溫暖濕潤間隙，可能由盆地周緣造山帶構(gòu)造活動(dòng)性加強(qiáng)所引起。

圖4 冷湖七號(hào)下干柴溝組上段ICV、CIA指數(shù)值隨剖面垂向上變化趨勢(shì)圖Fig.4 Variable trend map of ICV and CIA,upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

表1 冷湖七號(hào)下干柴溝組上段常量元素分析（%）及計(jì)算結(jié)果Table 1 Major elements content (%), upper section of the Lower Ganchaigou Formation, Lenghu No. 7 region

3.2 沉積物源的地球化學(xué)示蹤

3.2.1 REE配分模式

稀土元素（REE）在風(fēng)化、遷移、沉積和成巖過程中具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在水中的溶解度很低[36]。由于稀土元素的化學(xué)性質(zhì)相似，它們通常在自然界中一起發(fā)現(xiàn)，并且在原子結(jié)構(gòu)上僅表現(xiàn)出很小的差異，因此，稀土元素在不同的地質(zhì)過程中顯示出特征性的分餾模式[37]。沉積物或沉積巖中的稀土元素總量（∑REE）是陸地物質(zhì)總量的一個(gè)指標(biāo)，通常用作標(biāo)準(zhǔn)的平均頁巖（PAAS）的∑REE為184.8×10-6[38]，如果所分析的沉積物或沉積巖中的∑REE接近或高于該值時(shí)，說明沉積物或沉積巖中的微量元素主要由陸源碎屑提供；當(dāng)∑REE遠(yuǎn)低于這個(gè)值，說明它受陸相物質(zhì)的影響較小[39-40]，所測(cè)樣品稀土元素總量大部分低于PAAS值（表2），表明樣品中稀土元素主要是自生的，有一部分陸源碎屑物質(zhì)的加入。

研究區(qū)下干柴溝組上段稀土元素∑REE介于44.31×10-6～231.44×10-6，HREE介于4.84×10-6～25.79×10-6，LREE介于39.47×10-6～203.85×10-6，LREE/HREE介于7.39～10.26，平均值為8.51，（La/Yb）N（球粒隕石）集中在8.15～11.66，平均值為9.45（表2），上述結(jié)果顯示研究區(qū)輕、重稀土元素分異明顯，輕稀土元素富集而重稀土元素虧損。

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化[38]的稀土元素配分模式圖顯示研究區(qū)樣品的稀土元素配分模式基本類似，并具有如下特點(diǎn)（圖5a）：La～Sm曲線略陡，Dy～Lu曲線較為平緩，說明輕稀土元素富集、重稀土元素虧損；La-Eu段輕稀土元素表現(xiàn)為明顯“右傾”，Gd-Lu段重稀土元素配分曲線斜率較小，說明輕稀土元素分餾程度較高，重稀土元素分餾程度較低；Eu處出現(xiàn)一個(gè)“V”形，存在明顯Eu負(fù)異常（δEu介于0.62～0.82，平均值為0.72），Ce處為輕微負(fù)異常（δCe介于0.85～0.94，平均值為0.90），說明物源較為一致，物源區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。這些特點(diǎn)體現(xiàn)了典型沉積巖的稀土配分特征，其物源可能屬于親上地殼長(zhǎng)英質(zhì)巖石（如中酸性侵入巖、長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖）的源區(qū)，而且與活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧物源區(qū)沉積巖的稀土配分模式較為相似。

北美頁巖（NASC）標(biāo)準(zhǔn)化[41]的稀土元素配分模式圖顯示輕稀土元素LREE整體較為富集[（La/Yb）N集中在1.14～1.63]（圖5b），其中δCe集中在0.86～0.95間（表2），趨于負(fù)異常，反映古沉積環(huán)境為氧化環(huán)境。

3.2.2 構(gòu)造背景分析

風(fēng)化、成巖及蝕變作用對(duì)稀土元素的組成影響很小，因此稀土元素分布特征可以用來恢復(fù)母巖的性質(zhì)，對(duì)物源區(qū)巖石地球化學(xué)特征和構(gòu)造環(huán)境有很大的示蹤意義[42]。無論是礫巖、砂巖和泥巖都經(jīng)常采用標(biāo)準(zhǔn)化后的稀土元素?cái)?shù)據(jù)來判斷母巖的性質(zhì)。Bhatia[43]歸納總結(jié)了不同構(gòu)造背景下雜砂巖REE特征值和模式曲線特征，認(rèn)為從次穩(wěn)定的被動(dòng)邊緣到非穩(wěn)定的大洋島弧區(qū)，∑REE、LREE/HREE、La/Yb值明顯降低。La-Th-Sc、Th-Co-Hf/10和K2O/Na2O-SiO2等圖解可以進(jìn)行源區(qū)構(gòu)造環(huán)境的判別[44-46]。并且La/Yb與ΣREE含量的變化關(guān)系可以反映某些巖石大類的成因特征[43]。

Bhatia[43]將4種不同構(gòu)造環(huán)境稀土元素特征進(jìn)行了分類。大洋島弧源區(qū)類型為未切割的巖漿弧，稀土元素總量底，輕稀土元素弱富集以及基本無Eu負(fù)異常；大陸島弧源區(qū)類型為切割的巖漿弧，稀土元素總量較高，輕稀土元素中等富集以及弱的Eu異常；活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣源區(qū)類型分別為上隆的基底及克拉通內(nèi)部構(gòu)造高地，且具有稀土元素總量高、輕稀土元素富集以及較為明顯的Eu負(fù)異常。研究區(qū)下干柴溝組上段碎屑巖的稀土元素分析數(shù)據(jù)顯示稀土元素總量較高、輕稀土元素富集以及較為明顯的Eu負(fù)異常（表2、圖5a），且元素特征值與活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧背景下的稀土元素特征值最為相似（表3），表明物源區(qū)主要為活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧的構(gòu)造環(huán)境。

表3 不同構(gòu)造背景稀土元素特征值Table 3 REE values for different tectonic settings

圖5 冷湖七號(hào)下干柴溝組上段部分砂巖稀土元素球粒隕石—北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值參考Taylor et al.[38]，北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)值參考Haskin et al.[41]Fig.5 Chondrite and NASC?normalized REE patterns of the upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

表2 冷湖七號(hào)下干柴溝組上段稀土元素分析（×10–6）及計(jì)算結(jié)果Table 2 Rare earth elements content (×10–6), upper section of the Lower Ganchaigou Formation in Lenghu No. 7 region

La-Th-Sc圖解顯示研究區(qū)大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)落在活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣的區(qū)域內(nèi)，一部分落在大陸島弧的范圍內(nèi)，說明物源區(qū)長(zhǎng)期處于大陸邊緣和大陸島弧的構(gòu)造環(huán)境（圖6a）。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素配分曲線與典型構(gòu)造背景對(duì)比分析，下干柴溝組上段REE分布曲線特征顯示其物源具有活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧構(gòu)造背景的親和性（圖6c），K2O/Na2O-SiO2判別圖解也同樣顯示物源區(qū)構(gòu)造背景以活動(dòng)陸緣和大陸島弧為主（圖6b）。利用La/Yb-∑REE源巖屬性判別圖解，對(duì)研究區(qū)源巖屬性進(jìn)行了研究，在La/Yb-∑REE圖解中，樣品大部分落入沉積巖范圍內(nèi)，少量落在花崗巖與沉積巖重疊區(qū)，說明冷湖七號(hào)下干柴溝組上段源巖類型主要為沉積巖，并混合有少量的花崗巖（圖6d）。

圖6 冷湖七號(hào)下干柴溝組上段源巖構(gòu)造背景判別圖（a）La?Th?Sc判別圖[44]；（b）K2O/Na2O?SiO2判別圖[46]；（c）球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布曲線與典型構(gòu)造背景砂巖的對(duì)比圖[43]；（d）La/Yb?ΣREE判別圖[43]Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams,upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

4 古氣候及物源討論

中始新世到早漸新世全球海平面緩慢下降，南極大陸形成永久性冰蓋，是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的變冷過程，直到晚漸新世氣候再次變暖時(shí)，永久冰蓋開始消融[47-50]；同時(shí)期全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)增加，新鮮巖體風(fēng)化消耗大量CO2使得全球溫度降低[51]；青藏高原不斷隆升[52]，使得昆侖—阿爾金—祁連山不斷抬升，柴達(dá)木盆地北緣變得封閉干旱。這些信息均指示著晚始新世到早漸新世全球氣候進(jìn)入了寒冷干燥時(shí)期。根據(jù)主量元素以及黏土礦物特征表明冷湖七號(hào)下干柴溝組上段氣候整體干、冷的特征，與全球和區(qū)域氣候相符；并且在這一期間，全球氣候進(jìn)入了短暫的回暖期，冷湖七號(hào)沉積期間古氣候有一定的溫暖濕潤間隙，正是這一氣候現(xiàn)象的反應(yīng)。

柴北緣沉積物源體系主要受到阿爾金山和祁連山兩大主力物源的控制[53]，物源供給呈現(xiàn)出多物源、多區(qū)域分布的特征。冷湖七號(hào)構(gòu)造帶在中、新生代受到多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，燕山運(yùn)動(dòng)晚期的差異抬升及區(qū)域剝蝕，使冷湖七號(hào)整體呈現(xiàn)向南西傾的斜坡形態(tài)[54]，揭示了研究區(qū)東部的造山帶為其主要碎屑源區(qū)。劉偉明等[55]通過古近系碎屑巖的碎屑組成、巖屑成分、重礦物組合特征和ZTR指數(shù)分析認(rèn)為冷湖七號(hào)地區(qū)的物源主要來自于賽什騰山東段，碎屑組分以較高含量的石英和長(zhǎng)石為主，母巖類型主要為碎屑巖和酸性巖漿巖，然而古河道的方向指示物源也可能來自于祁連南山的吐爾根達(dá)坂山和嗷嘮山[56]，因此仍需要作進(jìn)一步的研究。新生代喜馬拉雅早期（古近紀(jì)—上新世早期），區(qū)域擠壓作用較弱，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，柴北緣長(zhǎng)期處于穩(wěn)定沉積狀態(tài)[57-58]，結(jié)合稀土元素構(gòu)造判別結(jié)果，可以認(rèn)為冷湖七號(hào)下干柴溝組上段物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境偏穩(wěn)定，主要為活動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧的構(gòu)造背景，沉積物源主要來自上地殼長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)，源巖類型主要為沉積巖和花崗巖。

5 結(jié)論

（1）黏土礦物分析結(jié)果顯示冷湖七號(hào)砂巖中伊利石、伊蒙混層和綠泥石相對(duì)占比分別為55%、25%和20%，呈高伊利石、較高伊蒙混層和綠泥石、少蒙脫石，缺失高嶺石的分布特點(diǎn)，反映出下干柴溝組上段整體處于干旱的堿性環(huán)境。

（2）主量元素分析結(jié)果表明氧化物含量變化較大，并且表現(xiàn)為高Na+、K+和低Mg/Ca、TiO2、Al2O3/MgO的特征，說明冷湖七號(hào)下干柴溝組上段沉積時(shí)期環(huán)境變化相對(duì)頻繁，整體較為寒冷干旱。ICV指數(shù)意味著沉積再循環(huán)作用對(duì)沉積物成分的影響較小；CIA指數(shù)說明經(jīng)歷了寒冷干燥氣候條件下的弱化學(xué)風(fēng)化作用。

（3）球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式圖顯示輕稀土元素富集而重稀土元素虧損，Eu處明顯負(fù)異常，Ce處輕微負(fù)異常。稀土元素特征值、K2O/Na2O-SiO2、La-Th-Sc和La/Yb-∑REE判別圖解說明冷湖七號(hào)下干柴溝組上段物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境偏穩(wěn)定，主要為活動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧的構(gòu)造背景，沉積物源主要來自上地殼長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)，物源區(qū)巖性主要為沉積巖和花崗巖。