柴北缘冷湖七号下干柴沟组上段古气候及物源分析

潘世乐，蒋赟，康健，陈波，张顺存，孙国强

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

3.中国石油青海油田分公司勘探开发研究院，甘肃敦煌 736202

4.北部湾大学石油与化工学院，广西钦州 535011

5.甘肃省油气资源研究重点实验室，兰州 730000

0 引言

差异性环境条件对不同元素在分解和迁移过程中的行为有不同的影响，从而导致元素浓度在不同环境条件下产生分异，因此，沉积物中元素含量的变化可以反映沉积期间环境条件的变化[1-4]。冷湖七号位于柴达木盆地北缘腹部，生储盖条件优越、油气资源丰富[5]，前人在冷湖七号地区主要开展了构造演化[6]、沉积环境[1]、储层特征[7-8]及成藏规律[9-10]等方面的研究，目前对其古气候及源—汇系统的研究较少，且缺乏统一的认识[11-12]。古气候及源—汇系统制约着油气成藏的条件、过程和模式[13-14]，但开放的古气候条件[15-16]和多种潜在的物源区，为深入研究带来了很大的困难。本文在前人研究的基础上，通过对冷湖七号下干柴沟组上段钻井岩心的精细分析，结合岩心样品的岩性、黏土矿物组合规律及元素地球化学特征，对冷湖七号下干柴沟组上段沉积时期的古气候条件、风化过程及源区构造背景等进行了详细研究，以期为后续的油气勘探提供依据。

1 地质背景

柴达木盆地是我国西部一个大型的中—新生代陆相含油气盆地，盆地面积约1.2×105km2[17]，在整个新生代经历挤压构造环境，西南部为东昆仑断裂带，东北部为南祁连断裂带，西北部为阿尔金断裂带[18]。古湖盆从古近纪到新近纪经历了三个演化阶段：湖盆最早出现在古新世和始新世早期，从始新世晚期到渐新世不断扩张，并在渐新世阶段沉降达到最大程度，随后在早中新世到上新世逐渐缩小[19]。

冷湖七号位于柴北缘冷湖构造带东南段，是冷湖构造带中规模最大的背斜构造，北靠赛什腾凹陷，南邻一里坪凹陷[20]（图1）。古近系下干柴沟组上段（）上部为灰白色和青灰色中砂岩、细砂岩，下部为棕红色泥质粉砂岩。砂岩主要以长石岩屑砂岩为主，其次为岩屑长石砂岩，孔隙较发育，多为原生粒间孔，局部可见溶蚀孔，填隙物为方解石。砂岩中发育楔状、波状及平行层理，底部常见冲刷面（图2）。

图1 柴达木盆地北缘冷湖七号位置图Fig.1 Structural location of Lenghu No.7 region at the northern margin of the Qaidam Basin

2 样品采集与分析方法

图2 冷湖七号下干柴沟组综合沉积相图Fig.2 Comprehensive sedimentary facies diagram of the Lower Ganchaigou Formation in Lenghu No.7 region

3 测试结果分析

3.1 古气候重建

3.1.1 黏土矿物组合对古气候的指示

黏土矿物晶粒微小，成分、结构易发生转变，对古气候的变化非常敏感。因此，黏土矿物沉积分异、组合类型及其含量变化、微细结构等特征对古气候有重要的指示意义[24]。成分成熟度低的碎屑岩富含蒙脱石、伊利石等黏土矿物，或者含有较高比例的非黏土矿物；而成分成熟度高的碎屑岩黏土矿物则以高岭石为主[25]。并且伊利石、蒙脱石是弱碱性、干燥环境指示矿物；而高岭石的存在指示矿物曾经历了温暖潮湿环境下的弱酸性、强化学风化作用[26]。

冷湖七号下干柴沟组上段砂岩中黏土矿物以伊利石为主，含少量伊蒙混层和绿泥石。伊利石多呈丝状或搭桥状充填在颗粒之间，伊蒙混层常见于颗粒表面或充填在颗粒之间（图3），说明砂岩中黏土矿物主要以自生为主，其组合特征是沉积时期气候、沉积环境及成岩环境等条件共同作用的结果。在扫描电镜下对样品的黏土矿物大致做了估算，伊利石、伊蒙混层和绿泥石相对占比分别为55%、25%和20%，黏土矿物组合呈高伊利石、较高伊蒙混层和绿泥石矿物含量、少蒙脱石，缺失高岭石的分布特点（图3），反映出冷湖七号下干柴沟组上段处于干旱的碱性环境，化学风化作用较弱，沉积物成分成熟度较低。

图3 冷湖七号下干柴沟组上段砂岩扫描电镜照片（a）4 111.51 m，搭桥状伊利石，伊蒙混层等黏土矿物充填在颗粒间及颗粒表面；（b）4 209.77 m，方解石填隙，石英自生加大，颗粒表面发育伊蒙混层黏土矿物；（c）4 212.14 m，蜂窝状自生绿泥石与伊蒙混层黏土矿物Fig.3 SEM images of sandstone from the upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

3.1.2 主量元素对古气候的指示

主量元素中常见的氧化物对古环境反映较为敏感，具有明显的古气候指示意义[27-28]。冷湖七号下干柴沟组上段氧化物含量变化较大（表1），说明在沉积时期环境变化相对频繁。一般Mg/Ca比值高指示干旱气候，低值反映潮湿气候，但出现碱层时该比值不但不是高值，反而呈现低值，即当钠盐、钾盐等易溶性盐类不参与沉淀时，Mg/Ca比的高值指示干热气候，而当它们参与沉淀时，其低值和K+，Na+的相对高值共同指示干热气候[29]。Ti元素含量的变化反映的是陆源物质加入的程度，该值愈高则表明陆源物含量愈丰富，表明了一种温暖潮湿的气候背景[30-31]。黏土矿物的中Al2O3/MgO的大小也可反映沉积过程中的古气候，其值越大，表明水体淡化，反映温湿气候；值越小，则表明干旱气候[32]。

下干柴沟组上段样品中CaO、Na2O、K2O、MgO和TiO2的平均含量分别为3.15%、1.77%、2.49%、1.69%和0.21%（表1），通过和美国页岩[33]对比下干柴沟组上段主量元素表现为较高CaO、Na2O、K2O和较低MgO、TiO2的特征，冷湖七号下干柴沟组上段沉积时期K+，Na+含量较高，说明其参与了沉淀，所以可以利用其高含量和Mg/Ca的低值来判别古气候，即古气候较为寒冷干旱，这与黏土矿物反应的气候特征一致。Ti元素和Al2O3/MgO比值也指示了同样的结果。

3.1.3 源区的古风化作用对古气候的指示

气候条件控制着沉积物（岩）的化学风化程度，构造背景则控制着源岩的剥蚀和供应程度[34]。通常采用化学蚀变指数（CIA）来确定物源区的化学风化程度：CIA值介于50～65，反映寒冷干燥条件下的弱化学风化程度；CIA值介于65～85，反映温暖湿润条件下的中等化学风化程度；CIA值介于85～100，反映炎热潮湿条件下的强化学风化程度[35]。成分变异指数（ICV）可以用来估计碎屑岩的原始成分变化，判断岩石序列是代表第一次沉积还是源于再循环的沉积物：ICV越高，其代表的成分成熟度越低，即ICV大于1，表明沉积物中含有很少的黏土矿物，反映是在活动的构造带首次沉积；ICV小于1，则表明沉积物中有大量的黏土矿物，代表可能经历了再沉积或强化学风化条件下的首次沉积[25]。

表1和图4显示出冷湖七号下干柴沟组上段的CIA和ICV指数具有明显的规律性，而且存在着三次突变，每次突变均是物源区构造活动或古气候变迁的响应：1）ICV值主要集中于1～1.5，平均值为1.2，意味着样品受沉积再循环作用的影响较小，成分成熟度较低；CIA值主要集中于50～65，平均值为58，表明研究区下干柴沟组上段处于寒冷干燥气候条件下的弱化学风化程度的沉积环境。2）CIA和ICV指数较为集中，局部存在着间断性变化，说明物源区整体构造相对稳定。3）下干柴沟组上段下部到中部CIA指数减小，ICV指数增大，反映了物源区化学风化作用减弱，沉积物的成熟度降低；中部到上部CIA指数增大，ICV指数减小，表明源区化学风化作用相对增强，沉积物成熟度升高，在碎屑矿物上表现为砂岩中的长石、云母含量也发生变化。4）下干柴沟组上段CIA和ICV指数发生三次波动，每次波动对应着地层主色调的变化，指示着下干柴沟组上段蚀源区古气候波动较大，有一定程度的温暖湿润间隙，可能由盆地周缘造山带构造活动性加强所引起。

图4 冷湖七号下干柴沟组上段ICV、CIA指数值随剖面垂向上变化趋势图Fig.4 Variable trend map of ICV and CIA,upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

表1 冷湖七号下干柴沟组上段常量元素分析（%）及计算结果Table 1 Major elements content (%), upper section of the Lower Ganchaigou Formation, Lenghu No. 7 region

3.2 沉积物源的地球化学示踪

3.2.1 REE配分模式

稀土元素（REE）在风化、迁移、沉积和成岩过程中具有很强的稳定性，在水中的溶解度很低[36]。由于稀土元素的化学性质相似，它们通常在自然界中一起发现，并且在原子结构上仅表现出很小的差异，因此，稀土元素在不同的地质过程中显示出特征性的分馏模式[37]。沉积物或沉积岩中的稀土元素总量（∑REE）是陆地物质总量的一个指标，通常用作标准的平均页岩（PAAS）的∑REE为184.8×10-6[38]，如果所分析的沉积物或沉积岩中的∑REE接近或高于该值时，说明沉积物或沉积岩中的微量元素主要由陆源碎屑提供；当∑REE远低于这个值，说明它受陆相物质的影响较小[39-40]，所测样品稀土元素总量大部分低于PAAS值（表2），表明样品中稀土元素主要是自生的，有一部分陆源碎屑物质的加入。

研究区下干柴沟组上段稀土元素∑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，平均值为8.51，（La/Yb）N（球粒陨石）集中在8.15～11.66，平均值为9.45（表2），上述结果显示研究区轻、重稀土元素分异明显，轻稀土元素富集而重稀土元素亏损。

球粒陨石标准化[38]的稀土元素配分模式图显示研究区样品的稀土元素配分模式基本类似，并具有如下特点（图5a）：La～Sm曲线略陡，Dy～Lu曲线较为平缓，说明轻稀土元素富集、重稀土元素亏损；La-Eu段轻稀土元素表现为明显“右倾”，Gd-Lu段重稀土元素配分曲线斜率较小，说明轻稀土元素分馏程度较高，重稀土元素分馏程度较低；Eu处出现一个“V”形，存在明显Eu负异常（δEu介于0.62～0.82，平均值为0.72），Ce处为轻微负异常（δCe介于0.85～0.94，平均值为0.90），说明物源较为一致，物源区相对稳定。这些特点体现了典型沉积岩的稀土配分特征，其物源可能属于亲上地壳长英质岩石（如中酸性侵入岩、长英质变质岩）的源区，而且与活动大陆边缘和大陆岛弧物源区沉积岩的稀土配分模式较为相似。

北美页岩（NASC）标准化[41]的稀土元素配分模式图显示轻稀土元素LREE整体较为富集[（La/Yb）N集中在1.14～1.63]（图5b），其中δCe集中在0.86～0.95间（表2），趋于负异常，反映古沉积环境为氧化环境。

3.2.2 构造背景分析

风化、成岩及蚀变作用对稀土元素的组成影响很小，因此稀土元素分布特征可以用来恢复母岩的性质，对物源区岩石地球化学特征和构造环境有很大的示踪意义[42]。无论是砾岩、砂岩和泥岩都经常采用标准化后的稀土元素数据来判断母岩的性质。Bhatia[43]归纳总结了不同构造背景下杂砂岩REE特征值和模式曲线特征，认为从次稳定的被动边缘到非稳定的大洋岛弧区，∑REE、LREE/HREE、La/Yb值明显降低。La-Th-Sc、Th-Co-Hf/10和K2O/Na2O-SiO2等图解可以进行源区构造环境的判别[44-46]。并且La/Yb与ΣREE含量的变化关系可以反映某些岩石大类的成因特征[43]。

Bhatia[43]将4种不同构造环境稀土元素特征进行了分类。大洋岛弧源区类型为未切割的岩浆弧，稀土元素总量底，轻稀土元素弱富集以及基本无Eu负异常；大陆岛弧源区类型为切割的岩浆弧，稀土元素总量较高，轻稀土元素中等富集以及弱的Eu异常；活动大陆边缘和被动大陆边缘源区类型分别为上隆的基底及克拉通内部构造高地，且具有稀土元素总量高、轻稀土元素富集以及较为明显的Eu负异常。研究区下干柴沟组上段碎屑岩的稀土元素分析数据显示稀土元素总量较高、轻稀土元素富集以及较为明显的Eu负异常（表2、图5a），且元素特征值与活动大陆边缘和大陆岛弧背景下的稀土元素特征值最为相似（表3），表明物源区主要为活动大陆边缘和大陆岛弧的构造环境。

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

图5 冷湖七号下干柴沟组上段部分砂岩稀土元素球粒陨石—北美页岩标准化配分模式图球粒陨石标准值参考Taylor et al.[38]，北美页岩标准值参考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 冷湖七号下干柴沟组上段稀土元素分析（×10–6）及计算结果Table 2 Rare earth elements content (×10–6), upper section of the Lower Ganchaigou Formation in Lenghu No. 7 region

La-Th-Sc图解显示研究区大部分数据点落在活动大陆边缘和被动大陆边缘的区域内，一部分落在大陆岛弧的范围内，说明物源区长期处于大陆边缘和大陆岛弧的构造环境（图6a）。球粒陨石标准化的稀土元素配分曲线与典型构造背景对比分析，下干柴沟组上段REE分布曲线特征显示其物源具有活动大陆边缘和大陆岛弧构造背景的亲和性（图6c），K2O/Na2O-SiO2判别图解也同样显示物源区构造背景以活动陆缘和大陆岛弧为主（图6b）。利用La/Yb-∑REE源岩属性判别图解，对研究区源岩属性进行了研究，在La/Yb-∑REE图解中，样品大部分落入沉积岩范围内，少量落在花岗岩与沉积岩重叠区，说明冷湖七号下干柴沟组上段源岩类型主要为沉积岩，并混合有少量的花岗岩（图6d）。

图6 冷湖七号下干柴沟组上段源岩构造背景判别图（a）La⁃Th⁃Sc判别图[44]；（b）K2O/Na2O⁃SiO2判别图[46]；（c）球粒陨石标准化稀土元素分布曲线与典型构造背景砂岩的对比图[43]；（d）La/Yb⁃ΣREE判别图[43]Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams,upper section of the Lower Ganchaigou Formation,Lenghu No.7 region

4 古气候及物源讨论

中始新世到早渐新世全球海平面缓慢下降，南极大陆形成永久性冰盖，是一个长期渐进的变冷过程，直到晚渐新世气候再次变暖时，永久冰盖开始消融[47-50]；同时期全球构造运动增加，新鲜岩体风化消耗大量CO2使得全球温度降低[51]；青藏高原不断隆升[52]，使得昆仑—阿尔金—祁连山不断抬升，柴达木盆地北缘变得封闭干旱。这些信息均指示着晚始新世到早渐新世全球气候进入了寒冷干燥时期。根据主量元素以及黏土矿物特征表明冷湖七号下干柴沟组上段气候整体干、冷的特征，与全球和区域气候相符；并且在这一期间，全球气候进入了短暂的回暖期，冷湖七号沉积期间古气候有一定的温暖湿润间隙，正是这一气候现象的反应。

柴北缘沉积物源体系主要受到阿尔金山和祁连山两大主力物源的控制[53]，物源供给呈现出多物源、多区域分布的特征。冷湖七号构造带在中、新生代受到多期次构造运动影响，燕山运动晚期的差异抬升及区域剥蚀，使冷湖七号整体呈现向南西倾的斜坡形态[54]，揭示了研究区东部的造山带为其主要碎屑源区。刘伟明等[55]通过古近系碎屑岩的碎屑组成、岩屑成分、重矿物组合特征和ZTR指数分析认为冷湖七号地区的物源主要来自于赛什腾山东段，碎屑组分以较高含量的石英和长石为主，母岩类型主要为碎屑岩和酸性岩浆岩，然而古河道的方向指示物源也可能来自于祁连南山的吐尔根达坂山和嗷唠山[56]，因此仍需要作进一步的研究。新生代喜马拉雅早期（古近纪—上新世早期），区域挤压作用较弱，构造运动微弱，柴北缘长期处于稳定沉积状态[57-58]，结合稀土元素构造判别结果，可以认为冷湖七号下干柴沟组上段物源区构造环境偏稳定，主要为活动大陆边缘—大陆岛弧的构造背景，沉积物源主要来自上地壳长英质源区，源岩类型主要为沉积岩和花岗岩。

5 结论

（1）黏土矿物分析结果显示冷湖七号砂岩中伊利石、伊蒙混层和绿泥石相对占比分别为55%、25%和20%，呈高伊利石、较高伊蒙混层和绿泥石、少蒙脱石，缺失高岭石的分布特点，反映出下干柴沟组上段整体处于干旱的碱性环境。

（2）主量元素分析结果表明氧化物含量变化较大，并且表现为高Na+、K+和低Mg/Ca、TiO2、Al2O3/MgO的特征，说明冷湖七号下干柴沟组上段沉积时期环境变化相对频繁，整体较为寒冷干旱。ICV指数意味着沉积再循环作用对沉积物成分的影响较小；CIA指数说明经历了寒冷干燥气候条件下的弱化学风化作用。

（3）球粒陨石标准化的REE配分模式图显示轻稀土元素富集而重稀土元素亏损，Eu处明显负异常，Ce处轻微负异常。稀土元素特征值、K2O/Na2O-SiO2、La-Th-Sc和La/Yb-∑REE判别图解说明冷湖七号下干柴沟组上段物源区构造环境偏稳定，主要为活动大陆边缘—大陆岛弧的构造背景，沉积物源主要来自上地壳长英质源区，物源区岩性主要为沉积岩和花岗岩。