沉積巖古鹽度的地球化學示蹤方法

王庭旭，伍煉華，黎海勇，唐偉龍，汪文博

(長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100)

1 研究內容

古鹽度恢復是油氣地質勘探中的一項重要研究工作，對研究盆地沉積演化過程、優質儲層成因類型及分布規律具有重要的指導意義。一直以來，沉積地球化學研究大多專注于氧化還原、初級生產力等古環境條件的恢復，對古鹽度指標的探索一直處于相對比較初步的階段。前人通過古生物和地化指標恢復了不同層段的水體古鹽度，其中硼元素(B)、硼鎵比值(B/Ga)和鍶鋇比值(Sr/Ba)的應用相對廣泛。

最初的古鹽度研究要追溯到20世紀30年代，前人對不同沉積環境中沉積物的微量元素分布規律研究進行了分析探索。早年研究人員主要利用現代海洋和湖泊沉積物中的硫和總有機碳含量比值(S/TOC)，證明了該指數可以區分海水和淡水沉積。在最近幾十年，中國學者開發或測試了許多地球化學和沉積學指標，如Sr/Ba、B/Ga、Sr/Ca、Mg/Ca和Na/Ca等，以重建不同沉積地層的古鹽度；其中，B/Ga、Sr/Ba比值得到了較為普遍的使用[1]。

目前主要從定性和定量這兩方面來研究古鹽度，無機地球化學分析和有機地球化學分析是定性與定量最為常用的兩種研究方法。其中，利用微量元素Sr/Ba和B/Ga化學性質的差異，對古鹽度進行定性分析是無機地球化學分析的主要方法；而有機地球化學分析方法則是利用姥鮫烷/植烷比值對古鹽度進行定量分析。通過上述方法的應用，可以定性地恢復不同地質歷史時期沉積巖的古鹽度變化趨勢，明確不同地區的鹽度特征，但是對于上述研究方法的缺點是無法準確落實古鹽度數值。探討沉積巖古鹽度定性與定量的研究方法，對恢復沉積環境具有重要的意義。

2 研究方法

2.1 無機地球化學分析

Sr/Ba和B/Ga是古鹽度的靈敏指標。這兩種比值的原理都是利用其沉積地球化學行為具有差異性，在海、陸相沉積物中富集程度不同，因而用來進行陸源碎屑沉積物(巖)的海、陸相古鹽度環境判別[1]。

判斷古鹽度的一個常用方法就是利用Sr/Ba比值。Sr和Ba兩種元素的化學性質有著部分相似，但在天然水體中，相對于Ba而言Sr的運移能力要高，當Sr和Ba以碳酸氫鹽出現在天然水體中時，說明了水介質礦化度較低。當Ba以BaSO4的形式析出后，BaSO4的沉淀使得Ba相對于Sr而言更加富集，而Sr則留在水中以離子形式存在。隨著水體礦化度的進一步增加，Sr才會以SrSO4的形式析出。通過對沉積物中記錄的Sr/Ba比值與古鹽度的相關性曲線，可以發現二者之間呈顯著正性相關關系，因此該方法可作為古鹽度恢復的指標[2-4]。總的來說，由于海相水體礦化度會高于陸相，所以在海相沉積物中Ba含量較低，Sr含量較高；而陸相沉積物中Ba含量較高，Sr含量較低。一般而言，Sr含量在淡水中為100 μg/g～300 μg/g,在海水中為800 μg/g～1 000 μg/g。因此，從陸地到海洋，Sr/Ba比值會逐漸增大。具體參數見表1。

表1 古鹽度值判別指標

B/Ga比值常被作為區分海相和陸相沉積環境的重要指標，對沉積巖古鹽度的定性和定量恢復具有重要作用。B和Ga是兩種化學性質不同的元素，硼酸鹽溶解度大，能遷移，只有當水蒸發后才析出，Ga活動性低，易于沉淀[4]。因此，利用B/Ga比值可指示古鹽度[5]。根據B/Ga比值與古鹽度的關系，初步認為在研究區B/Ga比值小于1.5為淡水相，1.5～3為半咸水相，大于4～5為咸水相[5]。

2.2 有機地球化學分析方法

主要有萜烷類中的伽馬蠟烷以及無環類異戊二烯烷烴中的姥鮫烷/植烷比值這兩個參數可以作為指示古鹽度的指標。伽馬蠟烷多出現于高鹽度的非海相和海相環境中，具有獨特的鹽度指示意義。伽馬蠟烷/C30藿烷之比就是伽馬蠟烷指數，該比值可以用來反映伽馬蠟烷的相對含量；其指數高低可以反映水體鹽度，其中咸水沉積鹽度的指數范圍高，淡水沉積鹽度指數范圍低。無環類異戊二烯烷烴中的姥鮫烷/植烷比值可以指示水體的鹽度特征，姥鮫烷/植烷比值在1左右(個別較低)主要是代表淡水環境，而淡水-半咸水環境則往往大于1，其中膏鹽環境沉積的姥鮫烷/植烷值異常低。

3 研究分析

根據前人的研究，Sr/Ba比值會受到以下3種影響因素，分別是陸相鹽湖環境的高SO42-含量、陸源碎屑中呈硅酸鹽礦物結構態的Sr、Ba的影響以及Sr2+置換Ca2+進入方解石或文石中對Sr/Ba的影響。通常鹽湖沉積的Sr/Ba值介于20～50,由于鹽湖的高SO42-含量導致Ba2+含量降低，其Sr/Ba值遠大于1，這并不能指示該沉積環境為海相沉積；由于Sr/Ba法判別沉積環境是利用受化學、生物化學作用等因素在沉積過程中從搬運介質(河水、海水及其混合物)中遷出的游離態Sr2+、Ba2+的比值，單一地采用黏土級或全樣分析Sr/Ba會受到陸源碎屑中硅酸鹽礦物Sr、Ba所影響，得到的結果并不可靠。在碳酸鹽沉積中Sr/Ba也會因為碳酸鹽含量的變化而受到一定的影響，其中CaCO3的含量小于15%時影響較小，當CaCO3的含量超過15%時,由于Sr2+與Ca2+的置換使得Sr的含量在碳酸鹽中會明顯增大，而不能真正地反映該沉積環境的Sr/Ba比值，從而不能真正反映古鹽度[6]。根據魏巍等人對古鹽度值相關的研究表明，B/Ga比值的可信度要高于Sr/Ba比值。其中B/Ga比約為88%，Sr/Ba比約為66%，因此在實際應用中更為可靠[7]。

姥鮫烷、植烷及其比值Pr/Ph也常作為判斷原始沉積環境氧化-還原條件及介質鹽度的標志。通過對含煤地層中提取出來的腐殖型有機質生成的凝析油來看，從組分上來說Pr/Ph相對較高，通常大于3.0；海相腐泥型有機質生成的凝析油來說Pr/Ph一般小于1.0；陸相混合型有機質生成的凝析油則介于兩者之間。其中由于姥鮫烷與植烷只存在于生物體中，所以比較適用于含有有機質的泥頁巖，不適用于幾乎不含有機質的碳酸鹽巖。而且一般認為，姥植比隨著烴源巖成熟度的加深而逐漸增大，因此姥植比這一傳統的評價烴源巖沉積古鹽度環境的生標參數有一定的局限性。

伽馬蠟烷的主要的來源是四膜蟲醇，在分層水體中有纖毛蟲生活，而纖毛蟲能產生四膜蟲醇，所以伽馬蠟烷富集是水體分層的標志。而水體分層和古鹽度關系密切具有相關性，因此可以用伽馬蠟烷的含量來指示水體古鹽度的高低。用伽馬蠟烷來研究古鹽度時，在海相和湖湘沉積環境都適用，但是此方法也含有一定的局限性，目前已發現很多高鹽度環境中并沒有含量很高的伽馬蠟烷，高鹽度沉積環境的水體分層通常與密度相關，這說明伽馬蠟烷和高鹽環境伴生但并不僅僅局限于高鹽度水體中的現象。

4 結論

對于湖相沉積，目前油田勘探開發中最常用的方法仍是元素比值法，該方法利用微量元素比值定量計算不同鹽度的相對大小。因此，運用此方法對不同時期的古鹽度相對大小進行粗略比較，從而得到不同層段的古鹽度特征。

在微量元素比值法中最常用的是Sr/Ba和B/Ga法,因為二者之間的化學性質存在對比性的差異,這種對比差異使Sr/Ba和B/Ga比值可以作為古鹽度定性的一個較好的指標。由于研究地區和研究層段都是不同的，因此不同盆地的地質背景都不相同,導致了上述兩種比值方法與鹽度的關系在不同地區并不是絕對的,不能用一個固定的值來作為確定判斷古鹽度的界限。但是，根據古老頁巖和泥巖的古鹽度微量元素可信度而言，有機地球化學方法中伽馬蠟烷和姥鮫烷/植烷比值適用于含有有機質的泥頁巖，但是不適用于碳酸鹽巖的古鹽度判別。