西北大学学报(自然科学版)2005年6月,第35卷第3期,Jun.,2005,Vol.35,No.3JournalofNorthwestUniversity(NaturalScienceEdition)
收稿日期:2003206204 基金项目:中国石油天然气股份有限公司“九五”油气勘探科技工程基金资助项目(970208203202) 作者简介:赵加凡(19732),男,黑龙江大庆人,石油大学博士生,从事储层沉积学和地球物理研究。柴达木盆地第三纪盐湖沉积环境分析
赵加凡,陈小宏,金 龙
(石油大学物探重点实验室,北京 102249)
摘要:目的 分析柴达木盆地第三纪盐湖的沉积环境。方法 利用稳定同位素分馏理论及其分析
技术,分析了现代青海湖稳定同位素的组成特征,并与柴达木盆地第三纪盐湖的沉积环境特点进行
了对比。结果 柴达木盆地第三纪咸化湖泊沉积碳酸盐岩中富集δ13C与δ18O,具有较高的Z值,并且大多与海洋碳酸盐岩碳氧同位素区间值重叠,说明第三纪咸化湖泊的盐度与海相相当或高于
海水;柴达木盆地硫酸盐的δ34S值大大超过海洋硫酸盐的δ34S值,且在第三纪盐湖的演化过程中具有化学分层特征,在湖盆下部产生了强烈的硫同位素分馏现象,导致较高δ34S值蒸发岩沉积的形成。结论 柴达木盆地第三系盐湖沉积地层中可发育较丰富的油气资源。
关 键 词:柴达木盆地;第三纪;湖泊沉积物;稳定同位素;同位素分馏
中图分类号::N37 文献标识码:A 文章编号:10002274Ⅹ(2005)0320342205
柴达木盆地第三纪时为一盐湖盆地。通过现代
盐湖的稳定同位素组成特征的分析与第三纪柴达木
盆地的沉积环境进行了对比。样品主要来自区内第
三系地层,对不同层位的37个碳酸盐岩样品进行了δ13C和δ18O测定,对不同层位的21个硫酸盐样品
进行了δ34S测定。样品处理采用磷酸法,在
MAT251质谱仪上进行测定,测定精度为1%(单位
是%)。所有样品的碳氧同位素以PDB(peedeebe2
lemnitell)标准给出,硫同位素以CDT(canyonddia2
blotoilette)标准给出。
1 稳定同位素概述[1]
碳同位素在地壳中以痕量元素出现,在沉积岩
中以无机成因的氧化态化合物和有机成因的还原态
碳化合物存在。碳有两种稳定同位素:12C与13C,丰
度分别为98.59与1.11,国际上通用标准是PDB。
碳同位素组成随时代变化不如氧同位素明显,且氧
同位素为地壳中最丰富的元素之一。氧有3种同位
素,丰度分别为16O=99.763,17O=0.0375,18O=
0.1995。由于18O与16O质量差异明显且丰度值大,因此用18O/16O值来表示氧同位素组成,国际上通用
标准是SMOW(standardmeanoceanwater)。氧同位
素一般在沉积岩中反映水介质的温度与盐度。硫同
位素在沉积岩中以硫酸盐与硫化物两种形式存在,在蒸发岩中以硫酸盐形式存在。硫有32S,33S,34S与36S等4种同位素,丰度分别为95.09,0.75,4.21与0.02。一般研究中用质量较大且丰度较高的34S与32
S的比值来研究硫同位素组成,国际上通用标准是
CDT。硫同位素分析对于分析硫的来源与沉积环境具有一定意义。
2 稳定同位素分析
2.1 碳氧同位素
目前,国内外研究认为:海相碳酸盐δ13C为
-0.5%～+0.5%(PDB),δ18O为2.2%～2.9%(SMOW);陆相碳酸盐δ13C为-1.5%～-0.5%(PDB),δ18O为1%～2.5%(SMOW);蒸发岩中δ13C为-0.2%～0.5%(PDB)[2,3〗。文献[4,5]对侏
罗纪以来299个样品的碳氧同位素进行了分析,提出
了Z值计算公式:Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50),认为Z值大于120是海相,小于120是陆相。据统计分析:柴达木盆地第三系碳氧同位素组成特
征见表1;该盆地第三系δ18O分布为-1%～
-0.2%(PDB),主要集中于-1%～-0.6%(PDB)
(见图1);δ13C分布为-0.4%～0.4%(PDB),主要集中于-0.2%～0%(PDB)(见图2);Z值为
115～130,主要集中于120～125(见图3)。这与陆相碳酸盐同位素组成有很大的差别,带着这个问题,用“现代青海湖”作为钥匙,分析了柴达木盆地第三
纪盐湖的沉积环境。现代青海湖为一个十分典型的
内陆盐湖,湖水密度1.011g/cm3,盐度14.13g/L,
pH值9.15～9.30,Eh值+126～152mV[6]。在湖底
现代沉积物中,碳酸盐矿物组成较复杂,有文石、方
解石与白云石,可以是原生的,也可以是准同生的,在淤泥中占40%左右。其中,以方解石与文石为主
(约95%),白云石较少(约5%)。表1 柴达木盆地第三系碳氧同位素组成特征及水介质判断
Tab.1 CarbonandoxygenisotopecompositionandwatermediaestimationinTertiaryofQaidamuBasin
样品号深度/m 层 位岩性特征δ13C/%δ18O/%温度/℃Z值水介质七心-3972.3下干柴沟组灰质岩屑细砂岩0.280-0.94867.41128.3036微咸水
七心-4977.8下干柴沟组灰质岩屑粉砂岩0.443-1.0775.28131.0345半咸水
七心-81054.0下干柴沟组泥质粉砂岩-0.141-0.95667.9119.6437微咸水
七心-191129.5下干柴沟组钙质粉砂岩-0.015-0.80558.66123.2584微咸水
西岔沟-261235.3下干柴沟组泥晶介壳灰岩-0.255-0.28026.81121.0341微咸水
西岔沟-321242.8下干柴沟组岩屑细砂岩0.348-0.63848.9131.2436半咸水
西岔沟-551257.1上干柴沟组含钙粉砂质泥岩-0.273-0.66350.34118.4047微咸水
西岔沟-31278.6上干柴沟组含灰岩屑细砂岩-0.836-0.62748.3122.4649微咸水
西岔沟-191125.5上油砂山组亮晶介壳灰岩-0.376-0.72553.9115.9936淡水
柴北沟-361324.8下干柴沟组含灰岩屑粉砂岩0.335-0.99970.6129.1944微咸水
柴北沟-401335.1下干柴沟组灰质岩屑粉砂岩-0.755-0.70252.55108.3375淡水
柴北沟-501235.3上干柴沟组岩屑粉砂岩-0.104-0.69952.38121.6885微咸水
柴北沟-91234.2下油砂山组云质岩屑粉砂岩0.099-0.64249.15126.1396微咸水
柴北沟-651120.6上油砂山组内碎屑云岩0.129-0.39835.9127.9578微咸水
月1井-52897.5下油砂山组钙质粉砂岩-0.916-0.12122.33107.9336淡水
月1井-62898.6下油砂山组泥晶云岩-0.939-0.57245.22105.3522淡水
月1井-93266.8下油砂山组灰质细砾岩-0.481-0.83660.53113.2798淡水咸七-41692.3下干柴沟组介壳灰岩-0.189-0.32232.15121.8135微咸水咸七-53378.0下干柴沟组灰质岩屑中砂岩-0.104-0.40836.41123.1423微咸水咸水泉-242675.3上油砂山组灰质岩屑中砂岩-0.200-0.54843.91120.4745微咸水
图1 柴达木盆地第三系δ18O分布直方图Fig.1 δ18OdistributinghistogramofTertiaryQaidamu
Basin图2 柴达木盆地第三系δ13C分布直方图Fig.2 δ13CdistributinghistogramofTertiaryQaidamuBasin—343—第3期 赵加凡等:柴达木盆地第三纪盐湖沉积环境分析
图3 柴达木盆地第三系Z值分布直方图Fig.3 ZvaluedistributinghistogramofTertiaryQaidamuBasin 通过对青海湖湖底5m之内现代沉积物中碳酸
盐矿物碳氧同位素组成特征(见表2)的研究发现:湖底沉积0～1.5m的δ18O为-0.225%～
-0.634%(PDB),δ13C为-0.174%～-0.631%(PDB),说明湖底表面的碳酸盐矿物中碳氧同位素组成较低,反映了淡水碳酸盐性质;0.5m以下的δ18O为-0.327%～0.174%(PDB),δ13C为
-0.062%～0.475%(PDB),同位素组成明显增高,反映孔隙水盐度较高。由此证实,δ13C与δ18O值不仅取决于沉积时的温度,也与盐度大小有关[7]。
现代沉积证实,利用Z值进行海陆相判别是不
全面的,尤其是陆相咸化湖盆沉积碳酸盐。例如:现
表2 现代青海湖碳酸盐碳氧同位素组成特征(据中国科学院,1994)
Tab.2 CarbonandoxygenisotopecompositionofcarbonateinmodernQinghaiLake(ChineseAcad2
emyofSciences,1994)编 号样品名称矿物组成δ13C/%δ18O/%Z值N-1湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.442-0.251123.83N-2湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.4700.226125.70N-3湖底泉华文石(含少量水菱镁石)-0.503-0.219126.70N-4湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.484-0.237125.43N-5湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.4630.251124.26W-6湖底泉华文石(含少量水菱镁石)-0.462-0.249124.33H-14C碳酸盐结核文石(97%)方解石(3%)0.3490.273120.86
代青海湖的碳酸盐Z值均大于120;柴达木盆地第三系碳酸盐碳氧同位素Z值计算表明,有25个样品
的Z值大于120,占分析化验样品的68%以上;美国西部地区盐湖盆地的17个样品中约60%的Z值大于120[8];其他地区现代干旱盐湖的Z值也存在类似情况。因此,现代与古代沉积都证实使用此方法
时应谨慎。理论上认为,当碳酸盐在环境平衡状态下沉积时,其δ13C与δ18O值取决于碳酸盐矿物水体的盐度与温度,而陆相咸化湖泊的盐度与海相相当或高于海水,其中沉积的碳酸盐有较高的δ13C与δ18O及Z值是完全可能的。从表1中Z值判断的古水介质看:在阿尔斜坡带(由于靠近盆地边缘)古水介质受淡水河流注入的影响较大,第三纪湖泊以微咸水-半咸水为主,沉积物Z值一般大于120;在
下油砂山组和上油砂山组沉积时期,由于湖泊收缩,该地区更靠近盆地边缘,出现淡水沉积,Z值一般小于120。
2.2 硫同位素现代海洋中形成的硫酸盐矿物与海水硫酸盐本身有大致相同的硫同位素组成,因而可以根据现代蒸发岩判断古海洋的硫同位素组成[8]
。柴达木盆地第三纪为一盐湖盆地,通过分析现代硫酸盐同位素组成可研究其第三纪盐湖的硫同位素组成。硫同位素值大小取决于两个因素:①硫的来源,例如来源
于黑色页岩风化产物的硫,由于黑色页岩中主要为还原形式的硫,所以常常富集轻硫同位素;②硫的数量,封闭的内陆湖泊水体中所含硫酸盐是有限的,硫酸盐还原菌作用大大改变了水体与沉积物中硫同位素的组成,使得不同形式的硫酸盐、硫化物同位素组成具有很大的区别,有的可达5%～6%。硫酸盐在转变为硫化氢过程中以富集轻的同位素为特征,残存下来的硫酸盐富集重硫同位素,部分还原形式的
S2-以FeS2形式充填于沉积物中,这一点与海洋不同。由于海洋中硫酸盐数量大,生物分馏作用未明显改变其硫同位素组成,因而海相蒸发岩与海洋硫酸盐具有大致相同的同位素组成。
据硫同位素分析(见表3):柴达木盆地第三系硫同位素组成为-2.33%～4.03%,主要集中在
2.6%～4%。七个泉构造在下干柴沟组沉积时期处于湖泊边缘且有物源注入,因此水体的氧化程度较高,富集轻硫,δ34S为负值。处于湖泊中心的狮子沟由于处于强还原环境而富集34S,δ34S为正值。对于月牙山构造月1井,可能由于处于强还原条件下的硫酸盐细菌还原作用,使残存下的硫酸盐富—443—西北大学学报(自然科学版) 第35卷