柴達(dá)木盆地上新世獅子溝期古氣候演化與層序地層

李清山，郭少斌，侯澤生，王 波

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石油 青海油田 勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202)

古氣候不僅控制了湖盆的充填演化過程，還與盆內(nèi)豐富的礦產(chǎn)資源緊密相關(guān)[1]。古氣候演化研究可以重建湖盆演化過程，進(jìn)而開展資源評價，這也使得古氣候演化研究成為當(dāng)今地學(xué)界研究的熱點問題之一。

歷經(jīng)50多年的勘探、生產(chǎn)實踐，眾多地質(zhì)工作者對柴達(dá)木盆地第四紀(jì)以來的古氣候古環(huán)境演變、盆地沉積演化等做了大量論述[2-6]。然而，柴達(dá)木盆地面積大、構(gòu)造演化復(fù)雜[7-9]，氣候演化的控制因素眾說紛紜，包括青藏高原隆升[10-14]、海峽張開和閉合[15-16]以及全球變冷效應(yīng)[17-20]，這使得盆地內(nèi)部古氣候演化研究更加困難[21]。柴達(dá)木盆地東部是目前世界上第四系生物氣規(guī)模最大的地區(qū)，盆地內(nèi)生物氣的生成、運移和聚集均發(fā)生在距今2.8 Ma以來，即上新世末期—更新世[22]。正確全面認(rèn)識柴達(dá)木盆地上新世古氣候演化，有利于分析湖盆演化過程，為第四系生物氣的烴源巖、儲集巖研究以及油氣遠(yuǎn)景分析奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及鉆井特征

柴達(dá)木盆地位于青海省西北部，地處中緯度地帶，海拔2 800 m左右，是中國西部青藏高原內(nèi)部的一個大型中、新生代壓扭性沉積盆地，主要受控于歐亞大陸南緣中、新生代特提斯的階段性俯沖、消減與閉合作用，以及印度板塊往北向歐亞板塊碰撞、楔入的遠(yuǎn)程效應(yīng)[24-26]。印支運動以來該盆地一直處于沉降發(fā)展階段，由斷陷盆地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾律霓窒菖璧兀涑两抵行牟粩鄰奈飨驏|擴(kuò)展[27]。

柴達(dá)木盆地四周高山環(huán)繞，南為昆侖山脈，北依祁連山脈，西臨阿爾金山脈，呈不規(guī)則菱形的大型山間盆地[28]。盆地內(nèi)年平均氣溫在0～5 ℃左右，1月平均氣溫為-15～-10 ℃，7月平均氣溫為15～17 ℃，全年各月氣溫的平均日溫差超過15 ℃；年降雨量大部分地區(qū)在50 mm左右，西部不足20 mm，而蒸發(fā)量達(dá)3 000 mm，表現(xiàn)出典型的大陸性荒漠氣候特征和高原氣候特征[29-31]。

本次古氣候恢復(fù)以氣鉀1井為主要依據(jù)，該井位于柴達(dá)木盆地東南部的三湖坳陷，是盆地內(nèi)連續(xù)取心最長的井(圖1)。三湖坳陷屬盆地內(nèi)的一級構(gòu)造單元，是在新近紀(jì)末期，由于新構(gòu)造作用使柴達(dá)木盆地沉降中心由盆地西部轉(zhuǎn)移至東部而形成的[32]，主要以濱淺湖和三角洲沉積為主，呈北西向展布[33]。新近系上新統(tǒng)獅子溝組巖性以灰色、淺灰色泥巖、粉砂巖、砂巖為主，偶見黑色碳質(zhì)泥巖；第四系七個泉組不整合于獅子溝組之上，為一套最厚達(dá)2 700 m的碎屑巖沉積體，巖性主要為灰色泥巖、粉砂巖夾礫巖、砂巖及少量膏巖。該地區(qū)目前是世界上規(guī)模最大的生物氣田，生物氣總資源量達(dá)15 000×108m3[34]。

氣鉀1井完鉆井深3 500 m，在300～3 500 m進(jìn)行連續(xù)取心，收獲率達(dá)92.7%。該井自下而上，3 082～3 500 m以棕褐色泥巖、褐灰色砂質(zhì)泥巖、灰色粉砂巖為主，褐色、灰色細(xì)砂巖次之，為河流相沉積；1 847～3 082 m以灰色、棕灰色、棕褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，淺灰色、灰白色泥質(zhì)粉砂巖次之，夾少量棕黃色泥巖及砂質(zhì)泥巖，屬濱淺湖及三角洲相沉積；300～1 847 m連續(xù)取心，主要為灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，少量灰黃色泥巖、灰色碳質(zhì)泥巖和粉砂巖，屬濱淺湖相沉積。

圖1 柴達(dá)木盆地構(gòu)造單元及氣鉀1井位置

2 古氣候恢復(fù)指標(biāo)

古氣候研究主要基于對生物化石、陸相沉積物、地貌、深海沉積物等紀(jì)錄的氣候標(biāo)志的研究[35]。目前，研究區(qū)內(nèi)古氣候恢復(fù)指標(biāo)主要包括沉積礦物學(xué)[36-37]、地球化學(xué)中的元素及同位素測定[38-40]、古生物學(xué)中的孢粉及植物化石鑒定[3-4，17，41-43]、地球物理測井中的自然伽馬[44]、沉積物磁化率[23，45]等。古環(huán)境的開放性和復(fù)雜性，往往給古氣候恢復(fù)帶來不確定性。因此，多指標(biāo)論證是減少干擾因素、準(zhǔn)確重建古氣候的基礎(chǔ)。

古鹽度是反映地質(zhì)歷史時期沉積環(huán)境變化的一個重要標(biāo)志，通常隨古沉積物一同保存下來。對于封閉性湖盆而言，古鹽度能夠較靈敏地指示古氣候變化，濕潤氣候環(huán)境下湖水鹽度淡化，沉積物中的古鹽度偏低；而干旱氣候環(huán)境下湖盆水體萎縮，沉積物中的古鹽度偏高[46-48]。古氣候變化也會導(dǎo)致湖泊中的元素發(fā)生不同程度的富集，利用沉積物中元素的富集程度可以指示古氣候的變遷，如Sr/Ca、Sr/Ba、Rb/Sr、Mg/Ca比值等[49-51]。本次研究主要利用氣鉀1井氯離子含量、微量元素含量、總有機(jī)碳含量等地球化學(xué)指標(biāo)，結(jié)合巖心、測井及古生物資料，對柴達(dá)木盆地上新世獅子溝組沉積時期古氣候演化過程進(jìn)行重建。

在對氣鉀1井全井段巖心系統(tǒng)觀察描述的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行系統(tǒng)取樣和地球化學(xué)實驗測定。其中，氯離子含量測定取樣共計318塊，采用硝酸銀滴定法，相對偏差小于10%，具體執(zhí)行遵照《巖心常規(guī)分析方法：SY/T 5336—1996》和《巖石氯鹽含量測定：SY/T 5503—2009》，由中國石油青海油田分公司完成。微量元素含量測定取樣136塊，Rb、Sr、Bb、Ca等由德國布魯克AXS公司生產(chǎn)的X射線熒光光譜儀S4 PIONEER測定，精度為±10%，具體執(zhí)行遵照《巖石礦物中無機(jī)元素測定：Q/SY DQ 0338-2000》和《X射線熒光光譜分析》，由大慶油田有限責(zé)任公司完成?？傆袡C(jī)碳含量測定取樣17塊，采用美國力可CS230碳硫分析儀，精度±0.5%，具體執(zhí)行遵照《沉積巖中總有機(jī)碳的測定：GB/T 19145—2003》，由青海油田公司完成。

氣鉀1井元素含量相關(guān)性分析表明，Sr/Ba、Sr/Ca比值與氯離子含量呈正相關(guān)，隨鹽度增加而增大，在干旱環(huán)境中呈高值；Rb/Sr比值、總有機(jī)碳與氯離子含量呈負(fù)相關(guān)，隨鹽度增加而減少，在干旱環(huán)境中呈低值(圖2)。從相關(guān)系數(shù)來看，Sr/Ca、Rb/Sr比值、總有機(jī)碳與氯離子含量的相關(guān)性要優(yōu)于Sr/Ba比值與氯離子含量的相關(guān)性，表明前3個指標(biāo)能更好地反映古氣候變化。綜合分析認(rèn)為，地球化學(xué)方法測定的氯離子含量、Sr/Ba、Sr/Ca、Rb/Sr比值和總有機(jī)碳含量對氣候變化響應(yīng)較敏感，可作為研究區(qū)上新世—更新世古氣候恢復(fù)指標(biāo)。

由于天然氣組分的復(fù)雜性，計算烴露點時，C6及更重組分需按碳數(shù)歸類進(jìn)行定量分析，即正戊烷(n-C5)和正己烷(n-C6)之間的組分歸入C6，其中不包括nC5，但包括n-C6，其他重?zé)N組分依次類推，按式(5)計算。

圖2 柴達(dá)木盆地三湖坳陷氣鉀1井獅子溝組Sr/Ba、Sr/Ca、Rb/Sr比值、總有機(jī)碳與氯離子含量的相關(guān)關(guān)系

3 古氣候特征及演化過程

3.1 層序地層與古氣候演化

氣鉀1井所在的三湖地區(qū)自上新世末期進(jìn)入內(nèi)陸封閉湖盆演化階段[7，52]，古氣候不僅控制了湖盆的演化過程，同時也控制了湖盆中層序的發(fā)育和演化。層序地層特征能夠準(zhǔn)確反映沉積樣式和旋回性，這些沉積樣式和旋回性正是古氣候演化的物質(zhì)表現(xiàn)。當(dāng)古氣候由濕潤轉(zhuǎn)為干旱時，湖盆水體收縮，湖平面下降，沉積物中古鹽度升高，此階段在層序上表現(xiàn)為沉積基準(zhǔn)面下降，可容空間降低，沉積響應(yīng)以基準(zhǔn)面下降半旋回為特征；而古氣候由干旱轉(zhuǎn)為濕潤時，湖盆水體擴(kuò)張，湖平面上升，沉積物中古鹽度降低，這一時期沉積基準(zhǔn)面上升，可容空間增加，沉積響應(yīng)以基準(zhǔn)面上升半旋回為特征(圖3，4)。因此，基于氣鉀1井層序地層劃分成果，通過古氣候恢復(fù)指標(biāo)開展古氣候演化研究具有極其重要的意義。

3.2 上新世獅子溝組沉積以來古氣候總體特征

根據(jù)實驗室地球化學(xué)測定結(jié)果，氣鉀1井上新世獅子溝組沉積時期，氯離子平均含量3 130×10-6，最高9 723×10-6，總有機(jī)碳含量0.28%～0.50%，平均0.36%；而更新世七個泉組沉積時期，氯離子平均含量6 500×10-6，最高達(dá)25 713×10-6，總有機(jī)碳含量0.18%～0.47%，平均僅0.30%。從氯離子測試結(jié)果來看，七個泉組較獅子溝組氯離子平均含量增大，且最大值是后者的2.6倍；而獅子溝組總有機(jī)碳含量均值高于七個泉組。上述結(jié)果表明，自上新世獅子溝組沉積時期至更新世七個泉組沉積時期，氣候從濕潤向干旱方向演化。

氣鉀1井微體古生物介形、輪藻化石樣品分析表明，獅子溝組地層見柴達(dá)木土星介、規(guī)則小玻璃介、似松輪藻、矮小輪藻、摩拉氏似輪藻、有蓋輪藻和丘陵玻璃介等生物化石，因此獅子溝組沉積時期氣候相對濕潤，總體屬微咸水，但水域咸化開始加劇，氣候也趨于干旱化。七個泉組地層見土星介、光滑土星介和強(qiáng)壯青星介，表明此時期氣候更加干旱，總體屬微咸水—半咸水。從獅子溝組到七個泉組沉積時期，古氣候由濕潤向干旱的方向演化，湖盆水體鹽度增加，從微咸水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘胂趟练e環(huán)境。這一結(jié)果與地球化學(xué)分析結(jié)論基本一致，也表明氯離子含量、總有機(jī)碳含量能夠指示古環(huán)境變化。

圖3 柴達(dá)木盆地古氣候波動與層序發(fā)育模式

圖4 基準(zhǔn)面旋回特征與氣候演化對應(yīng)關(guān)系

3.3 上新世獅子溝組沉積期古氣候演化

氣鉀1井上新世獅子溝組沉積時期，氯離子含量分布范圍跨度較大，為(893～9 723)×10-6，平均值3 130×10-6，氯離子含量整體水平較低，僅在部分時期含量較高，表明該時期湖水鹽度低，總體屬微咸水，古氣候相對較濕潤(圖5)。對比發(fā)現(xiàn)，氯離子含量與層序發(fā)育階段具有很好的相關(guān)性：最大湖泛面時期，氯離子含量較低，主要是由于這一時期氣候濕潤，湖泊水體擴(kuò)張，湖面上升，湖水鹽度下降；層序界面附近，氯離子含量較高，這是由于該時期氣候干旱，湖泊水體萎縮，湖面下降，湖水鹽度上升。

研究區(qū)內(nèi)獅子溝組微量元素(Sr/Ba、Rb/Sr、Sr/Ca等)與氯離子含量有較好的相關(guān)性，是古鹽度、古氣候分析的重要標(biāo)志。從微量元素測試結(jié)果來看(圖6)，最大湖泛面附近Al2O3、MgO、Rb、Ti、Cr、V、Zn等元素含量較低，而Ca、Ba、Sr、Ni、P等元素較富集，元素富集特征反映這一時期湖泊水體擴(kuò)張，湖面上升，氣候較濕潤；而層序界面附近，元素富集特征與最大湖泛面相反，表明該時期湖泊水體萎縮，湖平面下降，氣候較干旱[39]。

因此，根據(jù)氯離子含量、微量元素含量的周期性變化，可以推斷古氣候的連續(xù)演化過程及其波動特征。上新世獅子溝組沉積時期古氣候整體為干旱—濕潤—干旱的旋回，為一個完整的三級層序。其內(nèi)部具有明顯的次級旋回性，可進(jìn)一步劃分出5個次級氣候變化旋回，對應(yīng)5個四級層序。

(1)層序Sq1時期古氣候特征。該層序沉積時期，氯離子濃度分布范圍(893～5 489)×10-6，平均值2 922×10-6，氯離子濃度較低，湖水鹽度較低，總體屬微咸水，古氣候相對較濕潤。該層序整體為一個干旱—濕潤—干旱的完整旋回，發(fā)育初期以棕褐色泥巖為特征，氣候相對干旱；向上氣候逐漸變濕潤，最大湖泛時期以灰色泥巖沉積為特征；末期主要以氧化環(huán)境的棕色泥巖、灰色中砂巖沉積為主，氣候逐漸轉(zhuǎn)為干旱。

(2)層序Sq2時期古氣候特征。該層序沉積時期，氯離子濃度分布范圍(1 045～6 184)×10-6，平均值2 159×10-6。氯離子濃度整體較低，湖水鹽度較低，總體屬微咸水，古氣候相對濕潤。該層序整體為一個干旱—濕潤的旋回。層序Sq2發(fā)育初期氣候繼承了Sq1的干旱特征，以棕褐色泥巖為特征；向上氣候逐漸變濕潤，最大湖泛時期沉積大量灰色、灰綠色泥巖，泥巖中總有機(jī)碳含量0.31%；末期以棕色泥巖、灰色中—粗砂巖沉積為主，總有機(jī)碳含量僅0.23%，氣候開始逐漸轉(zhuǎn)為干旱。

(3)層序Sq3時期古氣候特征。該層序沉積時期，氯離子濃度分布范圍(997～7 474)×10-6，平均值3 135×10-6(圖7)，氯離子濃度相對較低，與Sq2相比有所上升，但湖水鹽度仍較低，總體屬微咸水，古氣候相對濕潤。該層序整體為一個干旱—濕潤—干旱的旋回。層序發(fā)育初期以棕褐色泥巖夾薄層灰色粉砂巖為特征，氣候較干旱；向上氣候變濕潤，最大湖泛時期沉積灰色、灰綠色泥巖，夾薄層灰色粉砂巖，湖泛面附近總有機(jī)碳含量達(dá)0.39%；末期沉積了厚層灰色粉砂巖、細(xì)砂巖，總有機(jī)碳含量下降，為0.33%，氣候相對干旱。

圖5 柴達(dá)木盆地三湖坳陷氣鉀1井獅子溝組氯離子含量及旋回性特征

(4)層序Sq4時期古氣候特征。該層序沉積時期，氯離子濃度分布范圍(1 496～8 994)×10-6，平均值3 589×10-6。氯離子濃度相比層序Sq3略有上升，但湖水鹽度仍較低，總體屬微咸水，古氣候相對濕潤。該層序整體為一個干旱—濕潤—干旱的旋回。層序發(fā)育初期氣候相對干旱，以棕褐色泥巖、厚層灰色粉砂巖為特征；最大湖泛時期泥巖中總有機(jī)碳含量高達(dá)0.5%，氣候逐漸濕潤；末期發(fā)育褐色泥巖、厚層狀灰色粉砂巖，氣候相對干旱。

(5)層序Sq5時期古氣候特征。該層序沉積時期，氯離子濃度分布范圍(1 579～7 255)×10-6，平均值3 730×10-6，氯離子濃度與層序Sq4基本一致，湖水鹽度較低，總體屬微咸水，古氣候相對濕潤。該層序整體為一個干旱—濕潤—干旱的旋回。地層發(fā)育初期以棕褐色、淺灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為特征，氣候繼承了Sq4末期的干旱特征；最大湖泛面附近氣候最為濕潤，發(fā)育灰色泥巖，夾薄層泥質(zhì)粉砂巖；末期以發(fā)育棕色泥巖為主，氣候變得更加干旱。

圖6 柴達(dá)木盆地三湖坳陷氣鉀1井獅子溝組微量元素含量與層序地層劃分

4 結(jié)論

(1)氣鉀1井元素含量相關(guān)性分析表明，Sr/Ba、Sr/Ca與氯離子含量呈正相關(guān)，即隨鹽度增加而增大，在干旱環(huán)境中呈高值；而Rb/Sr、總有機(jī)碳與氯離子含量呈負(fù)相關(guān)，隨鹽度增加而減少，在干旱環(huán)境中呈低值。氯離子含量、Sr/Ba、Sr/Ca、Rb/Sr和總有機(jī)碳含量可作為柴達(dá)木盆地古氣候恢復(fù)指標(biāo)。

(2)陸相湖盆層序發(fā)育和演化受古氣候控制，單井上表現(xiàn)出來的沉積樣式和旋回性是古氣候演化的物質(zhì)表現(xiàn)。當(dāng)古氣候由濕潤轉(zhuǎn)為干旱時，湖盆水體收縮，湖平面下降，沉積物中古鹽度升高，表現(xiàn)為沉積基準(zhǔn)面下降，沉積響應(yīng)以基準(zhǔn)面下降半旋回為特征；古氣候由干旱轉(zhuǎn)為濕潤時，湖盆水體擴(kuò)張，湖平面上升，沉積物中古鹽度降低，這一時期沉積基準(zhǔn)面上升，沉積響應(yīng)以基準(zhǔn)面上升半旋回為特征。

(3)上新世獅子溝組沉積時期，氯離子濃度分布范圍(893～9 723)×10-6，平均僅3 130×10-6；總有機(jī)碳含量0.28%～0.50%，平均為0.36%，表明該時期湖水鹽度較低，總體屬微咸水，古氣候相對較濕潤。氯離子、微量元素含量變化具有明顯的旋回性特征，結(jié)合層序地層劃分結(jié)果，獅子溝組內(nèi)部首次識別出5個較明顯的氣候演化旋回，與四級沉積旋回性基本一致，表明封閉型湖泊沉積層序是氣候旋回的物質(zhì)表現(xiàn)。

致謝：本文得到中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院的幫助和支持，在此致以衷心感謝！