酒西盆地鸭儿峡白垩系砂（砾）岩稀土元素特征及物源分析

张光伟,潘树新,魏浩元,李　伟,张丽萍,龙礼文

（1.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；2.中国石油玉门油田分公司勘探开发研究院，甘肃酒泉735019）

酒西盆地鸭儿峡白垩系砂（砾）岩稀土元素特征及物源分析

张光伟1,潘树新1,魏浩元2,李伟2,张丽萍1,龙礼文1

（1.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；2.中国石油玉门油田分公司勘探开发研究院，甘肃酒泉735019）

酒西盆地鸭儿峡白垩系砂（砾）岩储层发育良好，但目前针对其物源体系的认识还不清晰。以酒西盆地鸭儿峡白垩系砂（砾）岩为研究对象，分析其稀土元素的有关参数，探讨柳北和鸭儿峡砂（砾）岩的物源及地球化学特征。研究区白垩系砂（砾）岩各稀土元素质量分数小且无明显的差异，实验样品的稀土元素配分模式相同，均呈现轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对贫乏且变化平缓的右倾模式；Eu负异常明显，物源相似，均来自上地壳；Ce/Ce*和Ceanom指数均显示酒西盆地白垩系沉积的古水介质为还原环境，这有利于油气的形成。初步认为，柳北和鸭儿峡砂（砾）岩来自于同一物源体系。

砂（砾）岩；稀土元素；物源；白垩系；鸭儿峡地区；酒西盆地

0　引言

酒西盆地青西凹陷发育下白垩统（K1）湖相泥岩与湖相碳酸盐岩烃源岩，烃源岩发育良好。下白垩统自上而下可划分为中沟组（K1z）、下沟组（K1g）和赤金堡组（K1c）。在下沟组发育时期，南部地区（柳东）由于断层强烈活动，导致断层上盘发生弯折，形成了凸起-断裂陡坡带-开阔湖盆-弯折带-断裂缓坡带古地貌单元组合，控制了扇三角洲体系的空间分布范围和规模。鸭儿峡地区下白垩统下沟组K1g0段沉积期为断阶陡坡带构造地貌，受控于边界断裂不同时期组合样式和活动强度，低位扇三角洲分布于一级断阶带（盆内）内，湖扩和高位扇三角洲分布范围扩大到二级断阶带（盆缘）内。鸭儿峡地区下白垩统下沟组K1g1和K1g2+3段沉积期为单断陡坡带构造地貌，受控于边界断裂不同时期组合样式和活动强度，同时又受强物源供给，发育分布规模较大的扇三角洲体系，其砂（砾）岩为该区优质储层［1-3］。

酒西盆地白垩系主要发育4个物源体系，分别为柳北物源体系、鸭儿峡物源体系［4］、窟窿山东部物源体系和窟窿山物源体系［5］。其中，鸭西—柳北地区岩屑组分主要为变质泥岩、变质粉砂岩和石英岩等，其次为酸性喷出岩、花岗岩和中基性岩等。单从岩性角度来看，鸭西—柳北地区具有相似的物源特征，但目前缺乏稀土元素方面的证据。研究柳北和鸭儿峡白垩系砂（砾）岩的物质来源，对于深化青西凹陷白垩系砂（砾）岩储层的认识具有一定意义。

目前，物源分析方法有多种，有矿物学法（轻、重矿物分析）、沉积学法（粒度分析和地层倾角分析等）、岩石学法、地球化学法（稀土元素和特征元素分析等）、孢粉分析法及地震反射结构分析法等［6］。稀土元素（Rare Earth Elements，REE）作为地球化学过程的示踪剂，常被用来研究岩石或沉积物的地球化学行为［7-9］。沉积岩中稀土元素含量主要受物源区岩石成分、沉积环境交换反应以及成岩作用的影响［10］。稀土元素的化学性质非常相似，在海水和河水中的含量均极低，溶解度也普遍较低，在水体中停留时间极短，能够快速进入到细粒沉积物中且不易发生分异。沉积岩中的稀土元素主要以颗粒状态搬运，它反映了岩石物源区的地球化学特征，对揭示沉积岩的物源、古环境及古气候等具有重要意义［11-14］。国内外许多学者应用稀土元素对沉积物物源进行研究。Murray等［15-16］根据燧石中Ce异常及（La/Ce）N大小区分出陆源、洋中脊来源及远洋物源，在日本海的中新世—更新世沉积物中讨论了陆源、多金属输入物及生物来源对稀土元素的影响［17-18］；Cullers等［19］根据科罗拉多州Wet山的土壤及河流沉积物稀土元素组成，区分出深成岩、变质岩及混合岩等不同物源，并讨论了稀土元素组成与粒级和矿物成分之间的关系；Bau等［20］根据稀土元素特征，提出了海洋锰、铁结核的不同成因类型；Yan等［21］根据广东沿海表层沉积物稀土元素特征，分析了其物质来源；杨忠芳等［22］指出五台山地区前寒武纪碎屑沉积岩五台群上、下亚群的稀土元素组成特征不同，即不同的稀土元素特征代表了不同的物源；银晓等［23］基于稀土元素分析，对鄂尔多斯盆地姬塬地区延长组长8时期物源进行了研究；胡俊杰等［24］在稀土元素配分模式的基础上，探讨了羌塘盆地角木茶卡地区展金组不同成因类型白云岩的稀土元素特征。以上研究均表明，基于沉积物的稀土元素分析，是一种对沉积物物源分析的有效方法。

笔者试图从酒西盆地鸭儿峡白垩系砂（砾）岩的稀土元素地球化学特征分析入手，结合区域地质背景、前人研究成果、物源特征及沉积环境，对物源区砂（砾）岩的稀土元素进行分析，以期为鸭西—柳北地区白垩系砂（砾）岩的稀土元素研究提供依据。

1　地质背景

酒泉盆地位于河西走廊最西端，东起榆木山，西至红柳峡，北达花海地区，南抵祁连山北麓，面积约2.2万km2，处于北祁连造山带与阿尔金地块，以及阿拉善地块的结合部位。嘉峪关隆起位于盆地中部，将盆地分隔成东、西2个部分，分别为酒东盆地和酒西盆地［25］。酒泉盆地现有老君庙、鸭儿峡、石油沟、柳沟庄、白杨河和单北共6个油田，其中石油探明储量和潜在资源量的90%以上分布在青西坳陷及由其供油的老君庙推覆带。

酒西盆地在发展演化过程中主要经历了古生代褶皱基底、中生代裂谷断陷直至新生代前陆坳陷漫长而复杂的演化阶段。在中新生代时期主要经历了早白垩世拉张断陷期和新近纪、古近纪挤压坳陷期这2个构造旋回，即早白垩世断陷演化阶段和新生代挠曲型演化阶段，中生代盆地处于伸展开裂环境，新生代盆地处于挤压收缩环境，沉积盖层具有断坳叠置的双层结构。

酒西盆地主要沉积盖层为中—下侏罗统、下白垩统、古近系和第四系。侏罗系在旱峡地区有出露，分布局限，厚度变化大，以河流相碎屑岩为主，夹少量煤层。白垩系最厚可达5 000 m，是盆地中主要的烃源岩发育层系，同时也发育储集层和盖层［1］。研究区位置如图1所示。酒西盆地下白垩统烃源岩与古近系构成了一个完整的含油气系统。中燕山运动后，青西坳陷迅速下沉，早白垩世凹陷内发育了一个大的沉积旋回，中上部发育有多层深湖相灰黑色泥质烃源岩；晚白垩世沉积间断，局部遭受少量剥蚀。喜马拉雅运动和古近纪、新近纪早期盆地沉积了数百米厚的火烧山组和白杨河组储集层；喜马拉雅运动中晚期盆地沉降加快，沉积了巨厚的上古近系疏勒河组和第四系，成为古近系储集层的直接盖层。另外，下白垩统成为潜山储集层和砂体储集层的盖层［2］。

图1　酒西盆地鸭儿峡研究区构造位置Fig.1　Tectonic location of Yaerxia area，Jiuxi Basin

2　样品和测试方法

以钻井岩心样品为研究对象，对酒西盆地下白垩统中沟组、下沟组、赤金堡组等的砂（砾）岩进行研究，取样位置、层位及深度如表1所列。在ya2井、ya10井、ya111井、ya112井和liubei1井中各取2块岩心，岩性均为砂（砾）岩。青南凹陷柳沟庄油田发育下沟组裂缝型储集层，岩性主要为白云质泥岩和泥质白云岩。为便于对比分析，同时在liubei2井中取2块泥质白云岩岩心作为研究对象，取样井位如图1所示。

岩心样品稀土元素由张掖矿产勘查院测试中心采用等离子体质谱法测定完成，分析流程和测试精度严格按照石油行业规范进行。为了保证测试精度和准确度，在测试过程中进行了重复样与标样分析。测试结果显示，稀土元素的相对偏差小于5%，分析结果可靠（表1）。表1中样品号由井号和取样号组成，例如ya2-1表示取样井为ya2井，序号为1，其他类似。

表1　酒西盆地青西坳陷鸭儿峡白垩系砂岩稀土元素质量分数Table 1　REE content of the Cretaceous sandstone in Yaerxia area，Jiuxi Basin×10-6

3　稀土元素地球化学特征

3.1稀土元素质量分数及比值

稀土元素总量，轻、重稀土元素质量分数及其比值是稀土元素地球化学的重要参数。其中，稀土元素总质量分数可以反映流体来源的相关信息；轻、重稀土元素质量分数比值在一定程度上可反映稀土元素的分异程度。利用稀土元素质量分数的测试结果，可计算出稀土元素的特征参数（表2）。青西坳陷鸭儿峡砂（砾）岩稀土元素总量低，其总质量分数平均值（∑REE）为116.00×10-6。下沟组、中沟组和赤金堡组砂（砾）岩稀土元素质量分数的平均值分别为120.53×10-6，108.54×10-6和112.13×10-6。下沟组泥质白云岩稀土元素总质量分数比砂（砾）岩略高，平均为129.87×10-6。下沟组、中沟组和赤金堡组砂（砾）岩的轻稀土元素（LREE）的总质量分数平均值（∑LREE）分别为110.01×10-6，97.25×10-6和101.21×10-6。下沟组泥质白云岩轻稀土元素总质量分数平均值为115.74×10-6。下沟组、中沟组和赤金堡组砂（砾）岩重稀土元素（HREE）总质量分数平均值分别为10.51×10-6，11.28×10-6和10.91×10-6。下沟组泥质白云岩重稀土元素总质量分数平均值为14.13×10-6。下沟组、中沟组和赤金堡组砂（砾）岩轻、重稀土元素质量分数比值（LREE/HREE）的平均值分别为10.27，8.30和9.26。下沟组泥质白云岩轻、重稀土元素质量分数比值的平均值为8.19。图2中样品号命名规则与表1相同。从图2（a）可看出：随着实验样品稀土元素总质量分数的增加，轻、重稀土元素质量分数比值缓慢增大，变化幅度较小，同时还显示实验样品的轻、重稀土元素质量分数比值较大，说明轻稀土元素相对富集。从图2（b）可看出：重稀土元素质量分数与轻稀土元素质量分数大致呈线性关系，轻稀土元素质量分数较大，相对富集，重稀土元素相对贫乏。La/Yb值同样用来反映轻、重稀土元素的富集或贫乏情况。由表2可知，（La/Yb）N变化范围为5.07～11.91，表明轻稀土元素相对重稀土元素富集；（La/Yb）UCC变化范围为0.56～1.61，变化幅度较小，上陆壳标准化的La/Yb值小于对北美页岩标准化的值。柳北2井的白云岩和其他井的砂（砾）岩稀土元素含量无明显区别。

表2　酒西盆地青西坳陷鸭儿峡白垩系砂砾岩稀土元素地球化学特征Table 2　The REE geochemical characteristics of the Cretaceous sandstone in Yaerxia area，Jiuxi Basin

图2　轻、重稀土元素质量分数比值与稀土元素总质量分数（a）和重稀土元素质量分数与轻稀土元素质量分数（b）相关图Fig.2　Relationship between LREE/HREE and w（REE）（a）and relationship between w（HREE）and w（LREE）（b）of the Cretaceous sandstone in Yaerxia area，Jiuxi Basin

3.2Eu与Ce特征

Eu与Ce在不同的成岩环境下显示出不同的价态，Eu与Ce的异常反映出成岩环境的不同。Eu异常主要受氧化还原电位的控制，Eu3+/Eu2+氧化还原电位在温度升高的过程中增大，即在温度升高的过程中Eu3+/Eu2+平衡向氧溢度增加的方向转移，因此在高温条件下，流体中主要含Eu2+，导致Eu为正异常；反之，温度较低时，Eu为负异常［9］。花岗岩等中酸性侵入岩、火山岩、长英质变质岩，以及来自陆地物源区的沉积岩Eu多显示为负异常［13］。Ce主要受氧化还原条件的影响，通常与其他三价稀土元素发生分馏，在氧化条件下，Ce3+易生成难溶的Ce4+而进入沉积物中，产生Ce负异常。为便于分析实验样品的成岩环境，可计算出实验样品Eu/Eu*，Ce/Ce*及Ce/Ce#等的特征值（参见表2）。图3为Eu与Ce特征图。从图3可看出，所有实验样品均显示Eu为负异常，记录了物源中的Eu贫乏，Eu/Eu*变化范围为0.74～0.90。Ce/Ce*和Ce/Ce#均反映出Ce的异常情况，实验样品中有一部分显示Ce为负异常，还有一部分显示Ce为正异常。对Ce/Ce*而言，实验样品ya2-1，ya2-1，ya10-2，liubei2-1和liubei2-2均小于1，显示Ce为负异常；实验样品ya10-1，ya111-1，ya111-2和ya112均大于1，显示Ce为正异常。

图3　Ce与Eu特征图Fig.3　Characteristics of Ce and Eu

3.3稀土元素配分模式

稀土元素标准化通常采用北美页岩（NASC）或全球平均陆地上地壳成分（UCC）为标准值［3，13，26］，同时据文献［27］报道，Masuda等采用质谱同位素稀释法测定的6个Leedy球粒陨石数据应用较广，数据准确，故本文中球粒陨石标准采用该平均值（表3）。通过以上3种标准值对实验测得的数据进行标准化处理，以标准化数值的对数为纵坐标，以稀土元素顺序为横坐标，得到稀土元素的燕式曲线（图4）。

表3　球粒陨石标准Table 3　The values of chondrite ×10-6

图4　稀土元素配分模式图及标准化图解Fig.4　Chondrite-normalized REE diagram and normalized REE Diagrams

从图4可看出，针对球粒陨石标准值的标准化配分模式图，所有样品均呈轻稀土元素富集、重稀土元素贫乏且变化较为平缓及Eu为负异常特征，表明其物质主要来源于上地壳。这是由于上地壳中大离子亲石元素的含量相对于原始地幔明显偏高，导致轻稀土元素富集而重稀土元素贫乏；上地壳内缺少使重稀土元素分馏的因素，因而重稀土元素的含量均匀。Eu的负异常主要是由于稀土元素分异作用使上地壳中Eu缺失，下地壳中Eu富集［28-29］。

由于实验样品稀土元素配分模式相似，为了进一步区分物源特征，采用NASC和UCC的标准化图解得到稀土元素不同的分异形式（参见图4）。从图4可看出，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对贫乏。样品ya10-1，ya112，ya111-2及liubei1-2的稀土元素含量较少，分异程度较低。

3.4稀土元素特征与古水介质条件

Ce异常与Ceanom指数均常常用来作为判断古水介质氧化还原条件的标志［29，30-31］。各组砂（砾）岩样品的Ce/Ce*比值为0.93～1.33（参见表2），Ce同时存在正异常和负异常。但是，从Ceanom指数来分析，其值均大于-0.1，反映出各组砂（砾）岩形成时古水介质均为还原环境，这有利于动植物遗体的保存和有机质的转化，也易于形成具有工业价值的油气田。

4　结论

（1）柳北、鸭儿峡地区中沟组、下沟组和赤金堡组砂（砾）岩的稀土元素含量低，各组实验样品的稀土元素含量无明显的差异，表明该区物源一致，母岩可能来自于同一物源体系。

（2）从各组稀土元素对球粒陨石的标准化图解可以看出，实验样品的配分模式相同，均呈现轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对贫乏且变化平缓的右倾模式，Eu负异常明显，柳北和鸭儿峡白垩系砂（砾）岩物源均来自上地壳。

（3）酒西盆地白垩系各组砂（砾）岩形成时古水介质均为还原环境，这有利于油气的形成。

致谢：研究过程中得到了中国石油勘探开发研究院西北分院刘化清、杨占龙、邓毅林等的指导和帮助。参加本次研究的还有刘震华、王宏波、冯明、马玉虎及张闻亭，在此一并表示谢意！

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（本文编辑：杨琦）

Provenance analysis based on rare earth element characteristics of Cretaceous sandstone（conglomerate）in Yaerxia area，Jiuxi Basin

Zhang Guangwei1，Pan Shuxin1，Wei Haoyuan2，Li Wei2，Zhang Liping1，Long Liwen1
（1.PetroChina Research Institute of Exploration&Development-Northwest，Lanzhou 730020，China；2.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Yumen Oilfield Company，Jiuquan 735019，Gansu，China）

The Cretaceous sandstone（conglomerate）is good reservoir in Yaerxia area，Jiuxi Basin.The research on the provenance of the sandstone（conglomerate）is seldom，which restricts the sandstone（conglomerate）reservoir exploration in this area.The Rare earth element（REE）of the Cretaceous sandstone（conglomerate）in Yaerxia is analyzed，and the provenance and geochemical behavior were discussed.The results show that the content of the REE of the sandstone（conglomerate）is low，and there are no obvious differences between the Cretaceous sandstone（conglomerate）samples. The light rare earth element content obviously enriches compared with the heavy rare earth element content，with negative Eu anomalies shown in the chondrite aerolite standard pattern.The provenances supply of the sandstone may bederivedfromtheupper crust.TheCe/Ce*and Ceanomindexes indicate that the palaeoenvironment of the Cretaceous in Jiuxi Basin was a reduction environment，and the environment is profitable for the oil and gas formation.There is no differencebetweenthecharacteristicsof Cretaceoussandstone（conglomerate）comefromLiubei andYaerxia.

sandstone（conglomerate）；rare earth elements；provenance；Creaceous；Yaerxia area；Jiuxi Basin

P595

A

1673-8926（2015）06-0023-07

2015-07-22；

2015-09-05

中国石油股份有限公司重大科技专项“酒泉盆地精细勘探技术研究及目标优选”（编号：2013E-3301）资助

张光伟（1984-），男，博士，工程师，主要从事沉积学及储层地质学方面的研究工作。地址：（730020）甘肃省兰州市城关区雁儿湾路535号。E-mail：guangwei.2010@163.com。