柴北缘平台地区下干柴沟组下段沉积-成岩环境分析

蒋赟 ,王远飞 ,马富强 ,朱文军 ,孙国强 ,张顺从

（1.西北大学地质学系,陕西 西安 710000;2.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730000;3.中国石油青海油田公司勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736202;4.甘肃省油气资源研究重点实验室 甘肃 兰州 730000）

泥岩等细粒沉积物中主、微量元素与其形成的沉积环境具有密切关系[1]。沉积过程中，沉积物对某种元素除自身吸附能力差异不同[2]，还受到沉积介质物理化学条件的影响[3]，通过对沉积物中主、微量元素含量与其比值的研究[4]，反演出沉积环境（如古气候，古盐度，氧化还原条件）等重要信息[5，6]。碳酸盐岩作为碎屑岩中重要的胶结物类型之一[7]，在不同成岩环境中具有不同的矿物成分和结构特征，其中碳、氧同位素可探究不同成岩流体中的碳来源和形成时期古温度[8]，并划分成岩阶段[9]，在碎屑岩成岩作用研究中受到人们的广泛关注[10]。

柴达木盆地北缘平台地区作为赛什腾山山前最为有利的油气勘查区域之一，具有巨大的油气资源潜力，近年来已取得一定成果[11]，尤其是在平1 井和平3 井中获得工业油气流，暗示该区具广阔的勘探潜力[12]。前人对平台地区路乐河组砂岩储层物性[13]、沉积微相进行了一定的研究[14]，但平台地区整体研究较低，尤其是下干柴沟组下段研究成果较少，主要集中于天然气成藏和物源方向[15，16]，因此，该区下干柴沟组下段沉积-成岩环境的研究对正确认识储层及有利储层预测具重要意义。岩石学和地球化学分析作为沉积-成岩环境分析的有效手段之一，在平台地区应用极少，本文在前人研究基础上，对柴北缘平台地区下干柴沟组下段岩心样品进行主、微量元素与碳、氧同位素测试，对沉积-成岩环境进行系统的探讨研究，为该区下一步油气勘探提供地质依据。

1 地质概况

柴达木盆地位于青藏高原的东北方向，是中新生代内陆大型含油气盆地之一[17]，盆地平均海拔为2 800 m，被海拔4 000～5 000 m 的四大山脉所包围，北为祁连山，南为昆仑山，西为阿尔金山，东为挨拉山，古新世以来，由于逆冲和侵蚀作用，附近山脉向柴达木盆地输送了大量碎屑物质，产生的新生代沉积物最大厚度约为12 000 m[18]。平台地区位于柴达木盆地北缘祁连山前（图1），古近系发育较好[19]，分布广泛，从平台地区到盆地中心地层厚度逐渐增加，自下而上可划分为路乐河组和下干柴沟组[20]，其中下干柴沟组又可分为上段和下段。下干柴沟组下段以河流相沉积为主，沉积微相可具体分为河漫和河床亚相。

图1 柴达木盆地北缘构造图Fig.1 Tectonic map of northern margin of Qaidam Basin

2 样品及实验

本次样品主要来自柴北缘平台地区平2井钻井岩心。将下干柴沟组下段自下而上进行全岩连续采样，采集深度为653.26～644.77 m。选取棕红、紫红色泥岩分析主、微量元素（图2），选取胶结物中方解石含量高的砂岩进行碳、氧同位素分析。

图2 平台地区平2井下干柴沟组下段沉积相图Fig.2 Sedimentary facies diagram of lower section of lower Ganchaigou Formation in Ping 2 well in platform area

主量元素的测定采用X 射线荧光光谱仪3080E3X。微量元素分析时，首先将样品在105℃烤箱上烘烤3 h 去除水分，以便准确称量，之后用HF+HNO3密封溶解样品，并用激光耦合等离子体质谱仪LA-ICP-MS 进行分析测试。碳、氧同位素分析采用Al-Aasm选择性酸抽提法。选取样品对钻井岩心的粒度大小、岩石类型及沉积构造类型等进行观测和研究，用1%的稀盐酸溶液对样品进行滴试，通过产生气泡的剧烈程度确定碳酸盐胶结物的含量和成分，通过镜下鉴定、扫描电镜及X射线显微分析等方法，选择含单一碳酸盐胶结物的样品来分析其碳、氧同位素组成。样品的主、微量元素和碳、氧同位素处理和测试均在甘肃省油气资源研究重点实验室完成。

3 岩石学特征

柴北缘平台地区下干柴沟组下段埋藏较浅，通过对钻井岩心样品观察，薄片鉴定及X 衍射分析结果显示：平台地区下干柴沟组下段储集砂岩主要成分为长石（20%～49.4%），平均含量41%，岩屑（20%～55%），平均含量35%和石英（10%～35%），平均含量24%，其中岩屑成分以变质岩为主，火成岩和碳酸盐岩次之。通过投碎屑岩成分三端元图表明（图3），平台地区下干柴沟组下段岩石类型主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，含少量岩屑砂岩和长石砂岩。碎屑颗粒的粒度以粉砂岩和细砂岩为主，粗砂岩和中砂岩较少。成分成熟度较低，结构成熟度中等，颗粒分选以中等、差为主，磨圆以次棱角状为主，填隙物为泥质杂基和碳酸盐胶结物，颗粒接触关系以点接触为主，胶结类型以基底-孔隙胶结为主。孔隙类型主要为溶蚀孔和残余原生粒间孔（图4），原生粒间孔在研究区主要为残余原生粒间孔，碎屑颗粒以点接触为主，少量线接触。粒间溶孔主要为长石等颗粒和粒间方解石胶结物被溶蚀后形成的溶蚀孔隙，边缘常不规则，呈锯齿状或港湾状。

图3 平台地区下干柴沟组下段碎屑岩成分三端元图Fig.3 Triangulation of clastic rock composition of the lower member of the Lower Ganchaigou Formation in the platform area

图4 平台地区下干柴沟组下段砂岩镜下特征Fig.4 Microscopic characteristics of sandstone in the lower member of the lower Ganchaigou Formation in the platform area

4 主、微量元素分析

4.1 古盐度

大部分Rb以悬浮胶体搬运，凝絮效应使其沉淀时易被有机质和粘土吸收。在碱性条件下，K 元素含量与粘土矿物具密切关系，其中伊利石对其影响最大[21]。因此，Rb含量和Rb/K比值可反映水体盐度高低。水体盐度越高，粘土对Rb 的吸收能力越强，Rb/K 含量越高，泥岩中的Rb/K 比值随沉积时水体的含盐度的变化而变化，正常海相页岩Rb/K 大于0.006，微咸水页岩Rb/K为0.004～0.006，淡水沉积物Rb/K 比值小于0.002 8[22]，平台地区下干柴沟组下段Rb/K范围在0.001 5～0.002 0，平均0.001 7，指示沉积环境为淡水环境。

4.2 古气候

喜干型元素Sr 与喜湿型元素Cu 比值可作为古气候变化参数。一般情况下，Sr/Cu 值介于1～10 之间指示潮湿气候，大于10 则指示干热气候[23]。MgO/CaO 比值对气候变化较为敏感，当钠盐、钾盐等易溶性盐类不参与沉淀时，在干旱气候条件下，MgO/CaO 比值较高，曲线斜率较陡，在潮湿气候条件下，MgO/CaO 比值曲线斜率较缓，比值小，故MgO/CaO高值指示干热气候，低值指示潮湿气候[31]；当钠盐、钾盐等易溶性盐类参与沉淀时，Na+，K+的相对高值和MgO/CaO 低值共同指示干热气候[24]。平台地区下干柴沟组下段Sr/Cu 范围为6.59～26.58（表1），平均11.73；MgO/CaO 为0.21～0.89，而MgO/CaO 比值与Sr/Cu 比值相反，表明钠盐、钾盐等易溶性盐类参与沉淀，尤其在645.77 m、650.26 m深度时表现出明显高值，而Sr/Cu比值表现出明显低值，结合Sr/Cu比值在10附近变化，表明当时古气候变化较为频繁。

4.3 氧化还原特征

在氧化状态下，Th 元素本身不易溶解，但U 元素易溶解，造成富含Th 的沉积物中U 的丢失[25]。基于Th 和U 元素地球化学差异，通常利用Th/U 和&U法来判断沉积时期的氧化还原状态[26]，Th/U值在0～2 之间指示缺氧环境，大于8 则暗示强氧化环境[27]；&U法计算公式为&U=U/［0.5×（Th/3+U）］，若&U 值小于1指示还原环境，大于1指示氧化环境[28]。Cu，Zn 元素在沉积过程中，因介质氧逸度的不同发生分离，Cu/Zn 比值会随氧逸度的改变而变化，Cu/Zn 在0.21～0.38 范围内为还原环境，在0.38～0.50为还原-氧化环境[29]，平台地区下干柴沟组下段Th/U 为2.34～4.23，平均值3.35；&U 为0.83～1.12，平均值0.95；Cu/Zn 为0.29～0.47，平均值0.36。由于当时处于古气候变化频繁时期，对沉积水体氧化还原条件造成影响，处于还原与氧化环境交替之中，同时古气候变化与氧化还原条件变化趋势具一致性，即古气候从干热变为潮湿时，氧化还原特征即从氧化变为还原条件。当古盐度较高时，古气候为干热气候，为氧化环境，而古盐度较低时，古气候显示潮湿气候，为还原环境。

5 碳、氧同位素分析

自然界中的碳同位素通常储存在有机碳（还原碳）和碳酸盐（氧化碳）两大碳库中，前者亏损13C，后者富集13C[30]。通常情况下，若δ13C范围在-4.0‰～4.0‰之间，表明正常海相碳酸盐岩和碳酸盐胶结物中碳来自于无机碳源[31]。本次碳、氧同位素分析结果表明（表2）：碳酸盐胶结物中δ13C 范围为-8.78‰～-3.55‰，平均值-5.06‰，δ18O 范围为-14.01‰～-9.64‰，平均值-11.04‰。表明当时有一定数量的有机碳加入，随着碎屑沉积物的不断埋深，压力与温度不断升高，有机质发生热脱羧反应，释放出CO2，而CO2碳同位素明显较轻。CO2溶于孔隙水后易与Ca2+结合后形成碳酸盐岩，导致其δ13C 降低。平台地区下干柴沟组下段δ13C 多数样品偏低，表明本地区碳酸盐胶结物中碳来源于碳酸盐中无机碳和有机质中的碳。

表2 平台地区下干柴沟组下段碳氧同位素Table 2 Carbon and oxygen isotopes in the lower section of the Lower Chaigou formation in the platform area

在成岩作用过程中，生物降解和大气降水淋滤溶解会影响δ13C和δ18O[32]，同时，古盐度与碳、氧同位素组成有关[33]，通过Z值可区分淡水灰岩和海相灰岩[34]：Z=2.048(δ13C+50)+(δ18O+50),若Z小于120 指示淡水灰岩，Z大于120 指示海相灰岩（δ13C 和δ18O 均采用PDB标准）；平台地区下干柴沟组下段Z值范围在102.34‰～115.06‰之间，平均值为111.4‰，所以样品均小于120‰，指示碳酸盐胶结物成岩流体为大气淋滤淡水。

水体介质温度对δ18O 影响较大，而对δ13C 较小，在盐度几乎不变的情况下，δ18O随温度升高而降低，Shackleton提出了古温度计算公式[35]:t=16.9-4.38(δcδw)+0.1(δc-δw)2,其中t表示碳酸盐岩形成时古温度，δc为所测样品δ18O值(PDB标准)，δw为当时海水δ18O值(SMOW 标准)本文δw取0值。平台地区下干柴沟组下段碳酸盐胶结物形成时的古温度范围在68.40℃～97.86℃，平均值为77.61℃，表明砂岩发育于早成岩阶段B期。

6 地质意义

柴北缘平台地区发育辫状河沉积，发育粗砂岩和含砾粗砂岩为主的河床滞留沉积，粉砂岩和泥岩为主的河漫滩沉积。通过上述分析柴沉积-成岩环境特征，古气候环境主要是干旱与潮湿气候交替出现，在洪水期时，降雨量增多，河道变宽，河水的搬运能力急剧增大。该时期形成的辫状河沉积序列主要以河床亚相(特别是河床滞留和心滩)的粗碎屑岩为主；枯水期由于河水较少，河道变窄，水流速度降低，搬运能力较弱，这时发育的辫状河沉积序列主要以河漫亚相的泥岩或粉砂质泥岩为主。正是这种季节性的气候周期性出现（雨季和旱季），有利于储层中出现粗细碎屑岩交互沉积。

7 结论

（1）平台地区下干柴沟组下段主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，通过Rb/K，Sr/Cu，MgO/CaO，&U，Th/U，Cu/Zn 等主、微量元素分析发现在644～654 m深度之间属于淡水沉积，古气候以干旱与潮湿季节性气候为主，水体还原-氧化特征交替的沉积环境。

（2）平台地区下干柴沟组下段碳氧同位素均较轻，与成岩流体中淡水淋滤作用有关，其中碳来源于碳酸盐中无机碳和有机质中的碳，通过Z 值算出古盐度平均值为111.4‰，属淡水沉积；古温度平均值为77.61℃，结合岩石学特征，认为处于成岩阶段B期。

（3）古气候以干旱炎热与温暖潮湿频繁交替出现，有利于出现粗细碎屑岩交互沉积，为下一步油气勘查提供依据。