四川盆地南部CLD1井龍?zhí)督M地球化學(xué)特征及古環(huán)境意義

陳 聰, 林良彪, 余 瑜, 劉馮斌, 唐順成, 蘇加亮, 周 文, 田景春

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)(成都理工大學(xué))，成都 610059)

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M/吳家坪組是中國(guó)南方揚(yáng)子地區(qū)古生界4套區(qū)域性烴源巖層系之一[1-3]。龍?zhí)督M作為一套海陸過(guò)渡沉積環(huán)境下形成的含煤層系，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，夾少量灰?guī)r、煤層及炭質(zhì)泥巖，縱橫向上巖性變化較大。龍?zhí)督M泥頁(yè)巖具有較高的有機(jī)碳含量、適中的熱演化程度和適宜的埋藏深度[4]，因而被認(rèn)為是二疊系的主要烴源巖層和頁(yè)巖氣勘探潛力層。研究龍?zhí)督M的形成環(huán)境和古氣候、古氧化-還原條件有助于還原四川盆地晚二疊世的古地理格局[5]，但目前對(duì)于四川盆地龍?zhí)督M的沉積環(huán)境和沉積條件的研究相對(duì)缺乏[6]。

元素地球化學(xué)方法在沉積巖環(huán)境判別方面有重要作用，并且在物源分析、構(gòu)造背景、沉積環(huán)境研究等方面都有廣泛實(shí)踐[5-9]。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)龍?zhí)督M的地球化學(xué)特征做過(guò)一些研究[10-12]，慕熙瑋等[12]在對(duì)六盤水礦區(qū)龍?zhí)督M元素地球化學(xué)進(jìn)行研究后認(rèn)為，來(lái)自被動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧的玄武巖是區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M的主要物源；周澤等[13]在對(duì)黔西月亮田礦區(qū)龍?zhí)督M泥巖的研究中，通過(guò)對(duì)痕量及稀土元素的分析，認(rèn)為龍?zhí)督M沉積期氣候主體為溫濕氣候，沉積環(huán)境以弱氧化至還原性環(huán)境為主；魏志福等[14]通過(guò)對(duì)四川盆地龍?zhí)督M烴源巖地球化學(xué)特征的研究，認(rèn)為陸源高等植物和低等水生生物是龍?zhí)督M頁(yè)巖的母質(zhì)來(lái)源，而陸源有機(jī)質(zhì)輸入則是龍?zhí)督M炭質(zhì)泥巖和煤的主要母質(zhì)來(lái)源。然而，對(duì)于四川盆地南部龍?zhí)督M地球化學(xué)的研究還不夠充分，且前人研究多以野外露頭為主。為了豐富四川盆地龍?zhí)督M沉積環(huán)境的研究，本文選取四川盆地南部鉆遇龍?zhí)督M的CLD1井為對(duì)象，通過(guò)對(duì)層內(nèi)泥頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖等細(xì)粒沉積物的主元素、痕量元素及稀土元素地球化學(xué)特征的研究，對(duì)龍?zhí)督M沉積期古氣候、古環(huán)境及氧化-還原條件等方面進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子地臺(tái)西南緣，盆地四周被相連的山脈環(huán)繞，整體呈北東向菱形[15]。中二疊世末期川西南攀西裂谷地區(qū)發(fā)生大范圍玄武巖噴發(fā)，稱之為“峨眉山玄武巖”[16]。晚二疊世，康滇古陸隆起，海水向東退去，盆地西部抬升為陸地，成為四川盆地上二疊統(tǒng)的主要物源區(qū)，四川盆地呈現(xiàn)南西高、北東低的古地理格局[17]。晚二疊世早期四川盆地沉積相帶由西南向東北依次為玄武巖→河流、三角洲相→濱岸沼澤相→潮坪相→混積陸棚相，具有明顯的由陸到海的相變特征[5]。在四川盆地南部、中部等海陸過(guò)渡環(huán)境下發(fā)育了一套含深灰色-黑色頁(yè)巖、砂巖夾煤層的沉積物，稱為龍?zhí)督M[18]；與四川盆地北部及東部的吳家坪組為同時(shí)異相。

四川盆地二疊系分布廣泛且發(fā)育較全[19-20]，二疊系自下而上劃分為：下統(tǒng)梁山組、中統(tǒng)棲霞組及茅口組、上統(tǒng)龍?zhí)督M/吳家坪組和長(zhǎng)興組。龍?zhí)督M上覆地層為長(zhǎng)興組，呈整合接觸；下伏地層為茅口組，呈不整合接觸[21]。

研究區(qū)位于四川盆地南部瀘州市古藺縣(圖1)。CLD1井龍?zhí)督M厚度為89 m，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、煤、炭質(zhì)泥巖、黏土巖等為主。總體來(lái)說(shuō)，巖性較為復(fù)雜，夾層較多，單層厚度小；頂部泥巖與長(zhǎng)興組灰?guī)r分層界線明顯；底部黃鐵礦黏土巖與茅口組灰?guī)r分層界線明顯(圖2)。

圖1 四川盆地構(gòu)造分區(qū)及研究區(qū)位置Fig.1 Tectonic division of the Sichuan Basin and location of the study area(構(gòu)造分區(qū)圖據(jù)鄧小亮等[15]略有修改)

圖2 CLD1井龍?zhí)督M綜合柱狀圖及地球化學(xué)指標(biāo)Fig.2 Comprehensive column and geochemical indexes of Longtan Formation in Well CLD1

2 樣品及分析方法

本次測(cè)試分析的35個(gè)樣品全部來(lái)自CLD1井龍?zhí)督M，層內(nèi)均勻采樣(圖2)，樣品以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主(圖3)。地球化學(xué)測(cè)試分析工作委托青島斯八達(dá)分析測(cè)試有限公司完成，其中主元素含量用X射線熒光光譜(ME-XRF26d)測(cè)定。痕量元素和稀土元素含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定,首先，將新鮮巖心樣品粉碎成200 μm的粉末，并在裝有0.6 mL的HNO3和2 mL的HF溶解罐中精確稱量40 mg，靜置2 h后，將樣品在150 ℃的電熱板上溶解24 h；將0.25 mL的HClO4加入到電熱板上處于150 ℃的開口燒杯中，直至接近干燥；加入1 mL的HNO3和1 mL的H2O在150 ℃下密封電熱板，隨后溶解12 h，然后使用ICP-MS將恒定體積的高純H2O加入到40 g樣品中。測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差小于2%。地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理分析及相關(guān)圖件繪制使用Geoplot及Geokit等軟件完成。

圖3 CLD1井巖心特征及鏡下薄片特征Fig.3 Photographs showing the characteristics of cores and thin sections from Well CLD1(A)炭質(zhì)泥巖，深度1 817.40 m; (B)炭質(zhì)頁(yè)巖，深度1 828.76 m; (C)泥質(zhì)細(xì)砂巖，正交偏光，深度1 748.30 m; (D)粉砂巖，正交偏光，深度1 800.15 m; (E)粉砂質(zhì)泥巖，正交偏光，深度1 821.54 m; (F)泥巖，發(fā)育紋層構(gòu)造，正交偏光，深度1 829.75 m

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 主元素

龍?zhí)督M樣品主元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)測(cè)試結(jié)果顯示(表1)：燒失量(LOI)平均為15.91%；SiO2介于17.61%～55.21%，平均為41.27%；Al2O3介于6.23%～35.33%，平均為21.36%；全鐵(TFe2O3)介于1.16%～45.24%，平均為12.14%；MgO介于0.16%～2.69%，平均為1.08%；TiO2介于0.70%～6.63%，平均為3.44%；MnO平均為0.15%；P2O5平均為0.28%；Na2O介于0.17%～2.17%，平均為0.87%；K2O介于0.16%～2.95%，平均為1.21%；全堿(Na2O+K2O)介于0.24%～3.82%，平均為2.08%。與PAAS(澳大利亞后太古宙平均頁(yè)巖)[22]對(duì)比，研究區(qū)樣品富Al2O3、P2O5、TiO2、CaO、TFe2O3和MnO，貧SiO2、MgO、Na2O和K2O。

表1 CLD1井龍?zhí)督M碎屑巖主元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果(w/%)Table 1 The mass fractions of major elements of Longtan Formation clastic rocks in Well CLD1

3.2 痕量元素

龍?zhí)督M樣品痕量元素測(cè)試結(jié)果見表2。巖石中痕量元素含量較低，但是在地殼各種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，相較于主元素，痕量元素對(duì)環(huán)境的變化更加敏感，可以很好地指示環(huán)境的變化。與大陸上地殼(UCC)[23]對(duì)比分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)樣品中親銅元素如Cu、Ga、Zn等元素，親鐵元素如Co、Ni、Cr、V等元素，親石元素如U、Th、Sc等元素相對(duì)富集，它們的豐度高于上地殼元素豐度的平均值；Rb、Ba、Pb等元素則相對(duì)虧損，其豐度低于上地殼元素豐度的平均值。

圖4 CLD1井碎屑巖UCC標(biāo)準(zhǔn)化痕量元素蛛網(wǎng)圖Fig.4 UCC standardized trace element spider diagram for clastic rocks in Well CLD1

3.3 稀土元素

龍?zhí)督M碎屑巖稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)測(cè)試結(jié)果顯示(表3)：總稀土元素(w∑REE)為(89.07～1 647.90)×10-6，平均為494.97×10-6，遠(yuǎn)高于球粒隕石(65.9×10-6)、北美頁(yè)巖(173.21×10-6)和上地殼(146.4×10-6)[24]，說(shuō)明稀土元素十分富集；輕稀土元素(wLREE)為(72.17～1546.80)×10-6，平均為454.62×10-6；重稀土元素(wHREE)為(15.66～101.10)×10-6，平均為40.35×10-6；輕、重稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(wLREE/wHREE)為4.27～22.92，平均為10.94；(wLa/wYb)N為0.54～2.63，平均為1.57：說(shuō)明樣品存在明顯的輕重稀土分異現(xiàn)象。δEu值為0.49～1.59，平均為1.20；δCe值為0.85～1.67，平均為0.96：顯示弱正銪異常而不顯示鈰異常。在稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖中，樣品表現(xiàn)平坦的配分模式(圖5)。

圖5 CLD1井碎屑巖稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖Fig.5 Standardized distribution pattern of rare earth elements for clastic rock in Well CLD1

4 討 論

4.1 物源區(qū)巖石類型

具有不同化學(xué)成分的母巖在主元素、痕量元素的含量、特征元素比值等地球化學(xué)參數(shù)上存在很大差異[25-26]。部分痕量及稀土元素在沉積過(guò)程中在海水中短暫停留，活性較低，易在風(fēng)化搬運(yùn)的過(guò)程中被帶出物源區(qū)，可以很好地留存物源區(qū)的地球化學(xué)特征，例如La、Ce、Nd、Y、Th等，可以作為物源的示蹤元素[27-28]。因此，前人提出地球化學(xué)圖解用于判別沉積巖母巖成分，包括La/Sc-Co/Th圖解、Hf-La/Th圖解以及∑REE-La/Yb圖解等[29-31]。從La/Sc-Co/Th圖解(圖6-A)可以看出，樣品落在接近玄武巖及長(zhǎng)英質(zhì)火山巖的區(qū)域?！芌EE-La/Yb圖解(圖6-B)表明，樣品處于玄武巖和花崗巖的混合區(qū)域。此外，有學(xué)者研究認(rèn)為δEu是判斷母巖物質(zhì)來(lái)源的一個(gè)重要參數(shù)[32]，當(dāng)沉積巖無(wú)負(fù)Eu異常時(shí)，認(rèn)為母巖為玄武巖；當(dāng)沉積巖有負(fù)Eu異常時(shí)，認(rèn)為母巖為花崗巖。研究區(qū)龍?zhí)督M樣品δEu的平均值為1.2，屬于弱正Eu異常，佐證了其母巖以玄武巖為主。分析認(rèn)為研究區(qū)龍?zhí)督M物源復(fù)雜，主要為玄武巖，伴少量鈣質(zhì)泥巖及部分長(zhǎng)英質(zhì)火山巖。

圖6 龍?zhí)督M源巖性質(zhì)判別圖Fig.6 Discrimination diagram of Longtan Formation source rock properties (A)據(jù)張?zhí)旄５萚29]; (B)據(jù)馬明等[31]

Al2O3/TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值常被用來(lái)確定沉積巖的母巖[33]，當(dāng)比值<14時(shí)，指示其母巖是鐵鎂質(zhì)基性火山巖；當(dāng)比值介于19～28時(shí)，指示其母巖是長(zhǎng)英質(zhì)巖石。本文樣品Al2O3/TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值介于3.71～17.54，平均值為6.76，大部分樣品的比值<14，少部分樣品的比值>14，說(shuō)明母巖主要為基性火山巖，伴少量長(zhǎng)英質(zhì)火山巖。同時(shí)，研究區(qū)碎屑巖在Al2O3/TiO2-TiO2圖中與峨眉山高Ti玄武巖[34]落點(diǎn)相近(圖7)。綜合分析認(rèn)為研究區(qū)龍?zhí)督M的母巖主要為峨眉山玄武巖及部分長(zhǎng)英質(zhì)火山巖。中晚二疊世之交峨眉山玄武巖的噴發(fā)，使盆地西南部地區(qū)隆起為陸，盆地西南的峨眉山玄武巖成為盆地主要的物源區(qū)，這與前人研究認(rèn)為的晚二疊世后期的陸相、 海陸過(guò)渡相及海相沉積的大量物質(zhì)來(lái)源于受強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕的峨眉山玄武巖的觀點(diǎn)相一致[24]。

圖7 龍?zhí)督M碎屑巖Al2O3/TiO2-TiO2圖解及與峨眉山玄武巖對(duì)比Fig.7 Al2O3/TiO2-TiO2 diagram of Longtan Formation clastic rocks and its comparison with Emeishan basalt峨眉山高Ti玄武巖的數(shù)據(jù)引自于鑫等[34]

4.2 構(gòu)造背景

物源區(qū)的構(gòu)造背景可以根據(jù)一些活動(dòng)性不強(qiáng)的稀土元素或痕量元素(例如La、Th、Sc、Zr等)特征來(lái)推斷[35]。M.R.Bhatia[36]建立的Th-Sc-Zr/10及La-Th-Sc等構(gòu)造環(huán)境判別圖解是目前常用的研究方法。根據(jù)痕量、稀土元素的含量，繪制了研究區(qū)龍?zhí)督MTh-Sc-Zr/10物源區(qū)判別三角圖(圖8-A)及La-Th-Sc物源區(qū)判別三角圖(圖8-B)，結(jié)果顯示龍?zhí)督M樣品點(diǎn)大多分布在大陸島弧區(qū)域，說(shuō)明其物源主要來(lái)自大陸島弧。

圖8 研究區(qū)龍?zhí)督M構(gòu)造判別圖解Fig.8 Tectonic discrimination diagram of Longtan Formation in the study area (作圖方法據(jù)M.R.Bhatia[36])

4.3 沉積環(huán)境分析

4.3.1 古風(fēng)化與古氣候

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)是廣泛運(yùn)用的判斷源巖風(fēng)化程度指標(biāo)，表達(dá)式為[37]

CIA=100×xAl2O3/xAl2O3+CaO*+Na2O+K2O

其中CaO*為校正后的含量，式中x表示摩爾分?jǐn)?shù)。有大量的研究結(jié)果證實(shí)風(fēng)化程度與CIA數(shù)值存在正相關(guān)性，所以CIA曲線可以為確定研究區(qū)龍?zhí)督M古風(fēng)化與古氣候條件變化趨勢(shì)提供依據(jù)。

如圖2所示，從龍?zhí)督M底部向上，CIA呈先降低后升高的趨勢(shì)，反映出龍?zhí)督M沉積初期源區(qū)風(fēng)化程度高，隨后風(fēng)化程度相對(duì)降低，之后風(fēng)化程度重新升高的特點(diǎn)。前人研究認(rèn)為，當(dāng)沉積物遭到強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化時(shí)，CIA值>80，對(duì)應(yīng)炎熱、潮濕的氣候條件；當(dāng)沉積物遭受中等強(qiáng)度化學(xué)風(fēng)化時(shí)，CIA值>60且<80，對(duì)應(yīng)溫暖、濕潤(rùn)的氣候條件[14]。本文的樣品有4件CIA值介于60～80，其余樣品均大于80，平均值為85.19，反映川南龍?zhí)督M源巖經(jīng)歷了中等-高強(qiáng)度化學(xué)風(fēng)化作用。

沉積巖痕量元素的地球化學(xué)特征可以反映古氣候變化信息，對(duì)古氣候的恢復(fù)具有指示意義[13]。其中，wSr/wCu值是最常用的指標(biāo)，通常情況下wSr/wCu值在1～10之間指示溫暖濕潤(rùn)的氣候，wSr/wCu>10時(shí)指示干旱炎熱的氣候[38]。本文樣品wSr/wCu值介于0.41～26.05，平均值為5.68，說(shuō)明四川盆地南部龍?zhí)镀谡w處于溫暖濕潤(rùn)的氣候條件。wMgO/wCaO值是古氣候變化的良好指示劑，高值指示干熱氣候，低值指示潮濕氣候；但是在鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類參與沉積時(shí)，wMgO/wCaO高值指示潮濕氣候，低值指示干熱氣候[9,39]。研究區(qū)龍?zhí)督M樣品K2O與Na2O含量較低，K+與Na+參與沉積的程度較低，wMgO/wCaO值介于0.02～2.35，平均值為0.92，說(shuō)明研究區(qū)龍?zhí)督M沉積時(shí)期為相對(duì)潮濕的氣候條件，與wSr/wCu值指示的結(jié)果一致。

4.3.2 古鹽度

wSr/wBa值可作為古鹽度判別的靈敏標(biāo)志，常用于古鹽度的恢復(fù)。wSr/wBa值與古鹽度呈正相關(guān)，當(dāng)wSr/wBa<1時(shí)，指示淡水沉積環(huán)境；wSr/wBa>1時(shí)，指示咸水沉積環(huán)境[12]。研究區(qū)龍?zhí)督M樣品wSr/wBa值介于1.67～4.26，說(shuō)明龍?zhí)督M沉積期處于咸水環(huán)境。沉積巖中Mg和Al的含量對(duì)沉積環(huán)境分析具有重要的標(biāo)志作用，根據(jù)沉積巖層中MaO的親海性與Al2O3的親陸性，可以建立古鹽度的計(jì)算公式[40]

m=100×wMaO/wAl2O3

當(dāng)沉積環(huán)境由淡水過(guò)渡為海水時(shí)，m值會(huì)隨水體鹽度的增加而增加，當(dāng)m<1時(shí)，指示淡水沉積環(huán)境；當(dāng)1≤m<10時(shí)，指示海陸過(guò)渡的沉積環(huán)境；當(dāng)10≤m<500時(shí)，指示海水沉積環(huán)境；當(dāng)m≥500時(shí)，指示陸表海沉積環(huán)境(或潟湖沉積環(huán)境)[41]。研究區(qū)龍?zhí)督M樣品m值為0.7～19.27，平均值為6.05，結(jié)合圖2分析，說(shuō)明龍?zhí)督M沉積期為海陸過(guò)渡環(huán)境，晚期水深進(jìn)一步增加，出現(xiàn)海水沉積環(huán)境?？v向上鹽度變化趨勢(shì)與wSr/wBa值變化趨勢(shì)相似，再次證實(shí)了研究區(qū)龍?zhí)镀诠披}度與沉積環(huán)境的變化特征。

4.3.3 氧化-還原條件

古水體氧化-還原狀態(tài)主要是利用痕量元素及稀土元素在不同氧化-還原狀態(tài)下賦存和富集含量的差異進(jìn)行推測(cè)，前人研究認(rèn)為一般以wV/wV+Ni值、wTh/wU值、Ce元素異常等參數(shù)作為判斷氧化-還原條件的指標(biāo)。具體判別指標(biāo)如下：①當(dāng)0.4≤wV/wV+Ni<0.6，指示水體為分層弱的貧氧環(huán)境；0.6≤wV/wV+Ni<0.84，指示水體為分層不強(qiáng)的厭氧環(huán)境；wV/wV+Ni≥0.84時(shí)，指示水體分層及底層水體中出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境[42]。②wTh/wU值介于0～2時(shí)，指示水體為缺氧環(huán)境；wTh/wU>8時(shí)，指示強(qiáng)氧化環(huán)境[43]。③Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]指示Ce異常，判別古缺氧環(huán)境，當(dāng)Ceanom>0時(shí)，Ce富集，水體為氧化環(huán)境；Ceanom<0時(shí)，Ce虧損，水體為還原環(huán)境[44]。

研究區(qū)龍?zhí)督M樣品wV/wV+Ni值介于0.59～0.95，平均值為0.81，說(shuō)明其沉積期為厭氧環(huán)境；wTh/wU值介于2.18～5.62，平均值為4.23，說(shuō)明沉積期水體以缺氧環(huán)境為主；Ceanom值介于-0.80～0.10，平均為-0.01，結(jié)合圖2分析，說(shuō)明沉積期以還原性環(huán)境為主，早期為弱氧化環(huán)境。綜合以上研究認(rèn)為，研究區(qū)龍?zhí)督M沉積水體以貧氧至厭氧的弱氧化至還原性環(huán)境為主。

5 結(jié) 論

本文選取四川盆地南部CLD1井龍?zhí)督M泥巖、粉砂質(zhì)泥巖樣品進(jìn)行地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境研究，得出以下結(jié)論：

a.研究區(qū)龍?zhí)督M碎屑巖地球化學(xué)特征表明其物源復(fù)雜，主要為峨眉山玄武巖，伴少量鈣質(zhì)泥巖及部分長(zhǎng)英質(zhì)火山巖；龍?zhí)督M物源主要來(lái)自大陸島弧。

b.龍?zhí)督M沉積初期源區(qū)風(fēng)化程度高，隨后風(fēng)化程度相對(duì)降低，之后風(fēng)化程度重新升高；龍?zhí)督M的源巖整體上為中-高強(qiáng)度風(fēng)化，主要處于溫暖濕潤(rùn)的氣候條件；沉積環(huán)境為咸水的海陸過(guò)渡相環(huán)境，晚期為海相沉積環(huán)境。

c.龍?zhí)督M沉積水體以貧氧至厭氧的弱氧化至還原性環(huán)境為主。