柴北緣冷湖七號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

1.中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000

2.中國科學院大學，北京 100049

3.中國石油青海油田分公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736202

4.北部灣大學石油與化工學院，廣西欽州 535011

5.甘肅省油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000

0 引言

差異性環境條件對不同元素在分解和遷移過程中的行為有不同的影響，從而導致元素濃度在不同環境條件下產生分異，因此，沉積物中元素含量的變化可以反映沉積期間環境條件的變化[1-4]。冷湖七號位于柴達木盆地北緣腹部，生儲蓋條件優越、油氣資源豐富[5]，前人在冷湖七號地區主要開展了構造演化[6]、沉積環境[1]、儲層特征[7-8]及成藏規律[9-10]等方面的研究，目前對其古氣候及源—匯系統的研究較少，且缺乏統一的認識[11-12]。古氣候及源—匯系統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，為深入研究帶來了很大的困難。本文在前人研究的基礎上，通過對冷湖七號下干柴溝組上段鉆井巖心的精細分析，結合巖心樣品的巖性、黏土礦物組合規律及元素地球化學特征，對冷湖七號下干柴溝組上段沉積時期的古氣候條件、風化過程及源區構造背景等進行了詳細研究，以期為后續的油氣勘探提供依據。

1 地質背景

柴達木盆地是我國西部一個大型的中—新生代陸相含油氣盆地，盆地面積約1.2×105km2[17]，在整個新生代經歷擠壓構造環境，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]。古湖盆從古近紀到新近紀經歷了三個演化階段：湖盆最早出現在古新世和始新世早期，從始新世晚期到漸新世不斷擴張，并在漸新世階段沉降達到最大程度，隨后在早中新世到上新世逐漸縮小[19]。

冷湖七號位于柴北緣冷湖構造帶東南段，是冷湖構造帶中規模最大的背斜構造，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、細砂巖，下部為棕紅色泥質粉砂巖。砂巖主要以長石巖屑砂巖為主，其次為巖屑長石砂巖，孔隙較發育，多為原生粒間孔，局部可見溶蝕孔，填隙物為方解石。砂巖中發育楔狀、波狀及平行層理，底部常見沖刷面（圖2）。

圖1 柴達木盆地北緣冷湖七號位置圖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 測試結果分析

3.1 古氣候重建

3.1.1 黏土礦物組合對古氣候的指示

黏土礦物晶粒微小，成分、結構易發生轉變，對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、微細結構等特征對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、干燥環境指示礦物；而高嶺石的存在指示礦物曾經歷了溫暖潮濕環境下的弱酸性、強化學風化作用[26]。

冷湖七號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期氣候、沉積環境及成巖環境等條件共同作用的結果。在掃描電鏡下對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（圖3），反映出冷湖七號下干柴溝組上段處于干旱的堿性環境，化學風化作用較弱，沉積物成分成熟度較低。

圖3 冷湖七號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 主量元素對古氣候的指示

主量元素中常見的氧化物對古環境反映較為敏感，具有明顯的古氣候指示意義[27-28]。冷湖七號下干柴溝組上段氧化物含量變化較大（表1），說明在沉積時期環境變化相對頻繁。一般Mg/Ca比值高指示干旱氣候，低值反映潮濕氣候，但出現堿層時該比值不但不是高值，反而呈現低值，即當鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類不參與沉淀時，Mg/Ca比的高值指示干熱氣候，而當它們參與沉淀時，其低值和K+，Na+的相對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]對比下干柴溝組上段主量元素表現為較高CaO、Na2O、K2O和較低MgO、TiO2的特征，冷湖七號下干柴溝組上段沉積時期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，這與黏土礦物反應的氣候特征一致。Ti元素和Al2O3/MgO比值也指示了同樣的結果。

3.1.3 源區的古風化作用對古氣候的指示

氣候條件控制著沉積物（巖）的化學風化程度，構造背景則控制著源巖的剝蝕和供應程度[34]。通常采用化學蝕變指數（CIA）來確定物源區的化學風化程度：CIA值介于50～65，反映寒冷干燥條件下的弱化學風化程度；CIA值介于65～85，反映溫暖濕潤條件下的中等化學風化程度；CIA值介于85～100，反映炎熱潮濕條件下的強化學風化程度[35]。成分變異指數（ICV）可以用來估計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，反映是在活動的構造帶首次沉積；ICV小于1，則表明沉積物中有大量的黏土礦物，代表可能經歷了再沉積或強化學風化條件下的首次沉積[25]。

表1和圖4顯示出冷湖七號下干柴溝組上段的CIA和ICV指數具有明顯的規律性，而且存在著三次突變，每次突變均是物源區構造活動或古氣候變遷的響應：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，表明研究區下干柴溝組上段處于寒冷干燥氣候條件下的弱化學風化程度的沉積環境。2）CIA和ICV指數較為集中，局部存在著間斷性變化，說明物源區整體構造相對穩定。3）下干柴溝組上段下部到中部CIA指數減小，ICV指數增大，反映了物源區化學風化作用減弱，沉積物的成熟度降低；中部到上部CIA指數增大，ICV指數減小，表明源區化學風化作用相對增強，沉積物成熟度升高，在碎屑礦物上表現為砂巖中的長石、云母含量也發生變化。4）下干柴溝組上段CIA和ICV指數發生三次波動，每次波動對應著地層主色調的變化，指示著下干柴溝組上段蝕源區古氣候波動較大，有一定程度的溫暖濕潤間隙，可能由盆地周緣造山帶構造活動性加強所引起。

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

表1 冷湖七號下干柴溝組上段常量元素分析（%）及計算結果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示蹤

3.2.1 REE配分模式

稀土元素（REE）在風化、遷移、沉積和成巖過程中具有很強的穩定性，在水中的溶解度很低[36]。由于稀土元素的化學性質相似，它們通常在自然界中一起發現，并且在原子結構上僅表現出很小的差異，因此，稀土元素在不同的地質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）是陸地物質總量的一個指標，通常用作標準的平均頁巖（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，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∑REE遠低于這個值，說明它受陸相物質的影響較小[39-40]，所測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的加入。

研究區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），上述結果顯示研究區輕、重稀土元素分異明顯，輕稀土元素富集而重稀土元素虧損。

球粒隕石標準化[38]的稀土元素配分模式圖顯示研究區樣品的稀土元素配分模式基本類似，并具有如下特點（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處出現一個“V”形，存在明顯Eu負異常（δEu介于0.62～0.82，平均值為0.72），Ce處為輕微負異常（δCe介于0.85～0.94，平均值為0.90），說明物源較為一致，物源區相對穩定。這些特點體現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英質巖石（如中酸性侵入巖、長英質變質巖）的源區，而且與活動大陸邊緣和大陸島弧物源區沉積巖的稀土配分模式較為相似。

北美頁巖（NASC）標準化[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），趨于負異常，反映古沉積環境為氧化環境。

3.2.2 構造背景分析

風化、成巖及蝕變作用對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母巖的性質，對物源區巖石地球化學特征和構造環境有很大的示蹤意義[42]。無論是礫巖、砂巖和泥巖都經常采用標準化后的稀土元素數據來判斷母巖的性質。Bhatia[43]歸納總結了不同構造背景下雜砂巖REE特征值和模式曲線特征，認為從次穩定的被動邊緣到非穩定的大洋島弧區，∑REE、LREE/HREE、La/Yb值明顯降低。La-Th-Sc、Th-Co-Hf/10和K2O/Na2O-SiO2等圖解可以進行源區構造環境的判別[44-46]。并且La/Yb與ΣREE含量的變化關系可以反映某些巖石大類的成因特征[43]。

Bhatia[43]將4種不同構造環境稀土元素特征進行了分類。大洋島弧源區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負異常；大陸島弧源區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；活動大陸邊緣和被動大陸邊緣源區類型分別為上隆的基底及克拉通內部構造高地，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負異常。研究區下干柴溝組上段碎屑巖的稀土元素分析數據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負異常（表2、圖5a），且元素特征值與活動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），表明物源區主要為活動大陸邊緣和大陸島弧的構造環境。

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

圖5 冷湖七號下干柴溝組上段部分砂巖稀土元素球粒隕石—北美頁巖標準化配分模式圖球粒隕石標準值參考Taylor et al.[38]，北美頁巖標準值參考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 冷湖七號下干柴溝組上段稀土元素分析（×10–6）及計算結果Table 2 Rare earth elements content (×10–6), upper section of the Lower Ganchaigou Formation in Lenghu No. 7 region

La-Th-Sc圖解顯示研究區大部分數據點落在活動大陸邊緣和被動大陸邊緣的區域內，一部分落在大陸島弧的范圍內，說明物源區長期處于大陸邊緣和大陸島弧的構造環境（圖6a）。球粒隕石標準化的稀土元素配分曲線與典型構造背景對比分析，下干柴溝組上段REE分布曲線特征顯示其物源具有活動大陸邊緣和大陸島弧構造背景的親和性（圖6c），K2O/Na2O-SiO2判別圖解也同樣顯示物源區構造背景以活動陸緣和大陸島弧為主（圖6b）。利用La/Yb-∑REE源巖屬性判別圖解，對研究區源巖屬性進行了研究，在La/Yb-∑REE圖解中，樣品大部分落入沉積巖范圍內，少量落在花崗巖與沉積巖重疊區，說明冷湖七號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 冷湖七號下干柴溝組上段源巖構造背景判別圖（a）La?Th?Sc判別圖[44]；（b）K2O/Na2O?SiO2判別圖[46]；（c）球粒隕石標準化稀土元素分布曲線與典型構造背景砂巖的對比圖[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，是一個長期漸進的變冷過程，直到晚漸新世氣候再次變暖時，永久冰蓋開始消融[47-50]；同時期全球構造運動增加，新鮮巖體風化消耗大量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入了寒冷干燥時期。根據主量元素以及黏土礦物特征表明冷湖七號下干柴溝組上段氣候整體干、冷的特征，與全球和區域氣候相符；并且在這一期間，全球氣候進入了短暫的回暖期，冷湖七號沉積期間古氣候有一定的溫暖濕潤間隙，正是這一氣候現象的反應。

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]，物源供給呈現出多物源、多區域分布的特征。冷湖七號構造帶在中、新生代受到多期次構造運動影響，燕山運動晚期的差異抬升及區域剝蝕，使冷湖七號整體呈現向南西傾的斜坡形態[54]，揭示了研究區東部的造山帶為其主要碎屑源區。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指數分析認為冷湖七號地區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坂山和嗷嘮山[56]，因此仍需要作進一步的研究。新生代喜馬拉雅早期（古近紀—上新世早期），區域擠壓作用較弱，構造運動微弱，柴北緣長期處于穩定沉積狀態[57-58]，結合稀土元素構造判別結果，可以認為冷湖七號下干柴溝組上段物源區構造環境偏穩定，主要為活動大陸邊緣—大陸島弧的構造背景，沉積物源主要來自上地殼長英質源區，源巖類型主要為沉積巖和花崗巖。

5 結論

（1）黏土礦物分析結果顯示冷湖七號砂巖中伊利石、伊蒙混層和綠泥石相對占比分別為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，反映出下干柴溝組上段整體處于干旱的堿性環境。

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

（3）球粒隕石標準化的REE配分模式圖顯示輕稀土元素富集而重稀土元素虧損，Eu處明顯負異常，Ce處輕微負異常。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下干柴溝組上段物源區構造環境偏穩定，主要為活動大陸邊緣—大陸島弧的構造背景，沉積物源主要來自上地殼長英質源區，物源區巖性主要為沉積巖和花崗巖。