柴达木盆地第三纪盐湖沉积环境分析
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.3
Journal of North west University(Natural Science Editi on)
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,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P DB(peedee be2
le mnitell)标准给出,硫同位素以CDT(can yond dia2
bl o t oilette)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P DB。
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S MOW(standard mean ocean water)。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%(P DB),δ18O为2.2%～2.9%
(S MOW);陆相碳酸盐δ13C为-1.5%～-0.5%
(P DB),δ18O为1%～2.5%(S MOW);蒸发岩中
δ13C为-0.2%～0.5%(P DB)[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%(P DB),主要集中于-1%～-0.6%(P DB) (见图1);δ13C分布为-0.4%～0.4%(P DB),主要集中于-0.2%～0%(P DB)(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/c m3,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 Carbon and oxygen isotope co m positi on and wa ter m ed i a esti m a ti on i n Terti a ry of Qa i dam u Ba si n 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 δ18O distributing hist ogra m of Tertiary Qaida mu
Basin
图2 柴达木盆地第三系δ13C分布直方图
Fig.2 δ13C distributing hist ogra m of Tertiary Qaida mu Basin
—
3
4
3
—
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 Z value distributing hist ogra m of Tertiary Qaida mu Basin
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% (P DB),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%(P DB),δ13C为-0.062%～0.475%(P DB),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 Carbon and oxygen isotope co m positi on of carbona te i n m odern Q i n gha iLake(Ch i n ese Acad2
e m y o
f Sc i ences,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)0.442-0.251123.83
N-2湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.4700.226125.70
N-3湖底泉华文石(含少量水菱镁石)-0.503-0.219126.70
N-4湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.484-0.237125.43
N-5湖底泉华文石(含少量水菱镁石)0.4630.251124.26
W-6湖底泉华文石(含少量水菱镁石)-0.462-0.249124.33
H-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
—
4
4
3
—西北大学学报(自然科学版) 第35卷
集34S,δ34S值超过4%(CDT)。
据研究:现代盐湖的δ34S为0.1%～1.70%,主要集中于0.37%～0.69%;新生代海相蒸发岩的δ34S约2%,最大不超过2.5%[8]。Keith和W eber指出:湖盆在化学上的分层对硫还原菌具有促进作用;持续的生物分馏作用,导致硫酸盐及其硫化物同位素富集重硫同位素而具有较高的δ34S值。数据分析表明:陆相咸化湖泊蒸发岩的δ34S同位素分布范围较广,还原条件下(由于生物分馏作用)陆相盐湖沉积硫酸盐的δ34S值可以很高,大大超过海洋硫酸盐的δ34S值。这一特征在柴达木盆地有所体现,柴达木盆地比海相沉积更富集δ34S(见表3)。柴达木盆地在第三纪盐湖的演化过程中经历了化学分层阶段,在湖盆下部发育硫还原菌等细菌微生物活动,造成了强烈的硫同位素分馏。强烈的细菌活动不仅形成具有高δ34S的蒸发岩沉积,且会有大量有机质加入到沉积物中,加上盆地下部还原性水体有利于有机质的保存,因而在柴达木盆地第三系盐湖沉积地层中发育比较丰富的油气资源。这一点在西部地区的狮子沟构造表现得最为明显,在垂向上形成蒸发岩与暗色泥岩、页岩、粉砂岩频繁互层的油盐共生的特殊地层单元。
表3 柴达木盆地第三系硫同位素分析统计
Tab.3 Sulfur isotope ana lysis and st a tisti c of Terti a ry i n Qa i dam u Ba si n
样品号井深/m 层 位 岩 性沉积相带样品名称δ34S/%七心1井-3972.31下干柴沟组灰质岩屑细砂岩半深湖相硬石膏-2.33七心1井-6986.47下干柴沟组岩屑粗砂岩半深湖相硬石膏-0.35七心1井-81054.0下干柴沟组泥质粉砂岩浅湖相硬石膏-0.86月1井-12890.0下油砂山组泥晶灰岩半深湖相硬石膏-0.72月1井-42895.3下油砂山组灰质岩屑粉砂岩浅湖相硬石膏-0.20月1井-103267.8下油砂山组泥质岩屑粉砂岩半深湖相硬石膏4.05狮12井-13301.2下干柴沟组含砾岩屑粗砂岩半深湖相硬石膏3.55狮12井-23356.3下干柴沟组含砾岩屑粗砂岩半深湖相硬石膏3.51狮23井-14014下干柴沟组 —深湖相硬石膏2.65狮23井-35515.94路乐河组 —深湖相硬石膏2.97狮25井-24007下干柴沟组 —深湖相硬石膏3.23咸7井-61691.75下干柴沟组介壳灰岩半深湖相硬石膏3.60
3 结束语
1)分析湖泊沉积物中稳定同位素的组成是解读沉积环境的一种非常有效的手段,但在利用δ13C 与δ18O稳定同位素值和Keith和W eber的区分海洋、淡水沉积碳酸盐岩的Z值时,应考虑陆相咸化湖泊沉积碳酸盐岩的特点,单纯利用Z值进行海陆相判别是不全面的,现代和古代沉积都证实在使用此方法时应该谨慎。
2)柴达木盆地第三纪盐湖沉积稳定同位素的组成特点为咸化程度较高,总体上以微咸水-半咸水为主,沉积物Z值一般120以上。同时,由于强烈的硫同位素分馏作用,导致含δ34S值高的蒸发岩发育,出现蒸发岩与暗色泥岩及油页岩共生的特殊岩性组合单元。
参考文献:
[1] 魏菊英.同位素地球化学[M].北京:地质出版社,
1988.23280.[2]DEGE NSE T.O rganic Geoche m istry Sp ringer[M].Land2
un:Heidelberg University Publicati on,1969.3042329. [3] DEGE NSE T,EPSTE I N S.Relati onshi p bet w een O18/O16
rati os in coexisting carbonates,cherts and diat om ities[J].
Amer A ss oc Petr ol Geol Bull,1962,46:5342542.
[4] KE I T H W L,W E BER J N.Carbon and oxygen is ot op ic
compositi on of mollusk shells fr om marine and fresh water
envir on ment[J].Geochem ica and Cos moche m ica Acta,
1964,28:178121816.
[5] KE I T H W L,W E BER J N.Carbon and oxygen is ot op ic
compositi on of selected of li m e st ones and fossils[J].
Geoch Et Cos moch Acta,1964,28:178621816.
[6] 彭立才,孙镇城.青藏高原咸化湖泊沉积碳酸盐岩碳、
氧稳定同位素组成及其地质意义[J].岩石矿物学杂
志,1996,15(3):2352240.
[7] 张秀莲.碳酸盐岩中氧、碳稳定同位素与古盐度、古温
度的关系[J].沉积学报,1985,3(4):17230.
[8] 中国科学院兰州分院,中国科学院西部资源环境研究
中心.青海湖近代环境的演化和预测[M].北京:科学
出版社,1994.892123.(编 辑 张银玲)
—
5
4
3
—
第3期 赵加凡等:柴达木盆地第三纪盐湖沉积环境分析
Appli cati on of st able isotope i n Terti a ry s ali n e l ake of Qa i damu Basi n
ZHAO J ia 2fan,CHEN Xiao 2hong,J I N Long
(Key Lab of Geophysical Exp l orati on,University of Petr oleu m,Beijing 102249,China )
Abstract:A i m T o analyze Tertiary peri od sedi m entary envir on ment of Qaida mu saline lake .M ethods Contras 2ting Tertiary peri od sedi m entary envir onment by analyzing stable is ot ope compositi on feature of moden ti m es Qaid 2a mu lake based on stable is ot ope fracti onati on theory and analyzing technique .Results The carbonate sedi m ents in Qaida mu saline lake are rich in δ13
C and δ18
O with relatively high Z values,most of which are coincidence with
Z values of marine carbonate r ocks .The fact shows that the salinity of Tertiary saline lake is equal t o or bigger than
the one of sea water .Sulfate of Qaida mu Basin is quite rich in δ34S and δ34
S value is greatly bigger than the one of ocean sulfate .Conclusi on I n the evolve ment p r ocess of tertiary saline lake,there is a character of la m inati on in che m istry and exists sulfur is ot ope fracti onal distillati on in the l ower of Qaida mu Basin,which results in the for m ing of evaporati on with high δ34
S value .Theref ore,there may exist quite abundant oil and gas res ource in Tertiary sa 2line sedi m ent of Qaida mu Basin .
Key words:Qaida mu Basin;Tertiary peri od;lacustrine sedi m ent;stable is ot ope;is ot ope fracti onal distillati on (上接第341页)
[10] 马宗晋,高祥林.大陆多震层的研究与震源体的破裂
发展[A ].马宗晋.大陆多震层研究[C ].北京:地震出版社,1992.128.
[11] 马润勇,彭建兵,门玉明,等.逆冲断层发育的力学机
制研究[J ].西北大学学报(自然科学版).2003,33
(2):1962200.
[12] 傅承义,陈运泰,祁贵仲.地球物理学基础[M ].北
京:科学出版社,1985.
[13] 马润勇.青藏高原东北缘构造活动及其工程灾害效
应[D ].西安:长安大学,2003
[14] 邓起东,刘百篪,张培震,等.活动断裂工程安全评价
和位错量的定量评估[A ].国家地震局地质研究所.活动断裂研究(2)[C ].北京:地震出版社,1992.2362
246.
[15] 彭建兵,毛彦龙,范 文,等.区域稳定性动力学研究
[M ].北京:科学出版社,2001.
[16] 闵 伟,张培震,邓起东.中卫2同心断裂带全新世古
地震研究[J ].地震地质,2001,23(3):3572366.
(编 辑 张银玲)
A new method of ascert a i n i n g fracture zone length:Take 1709with M s =71
2
i n Zhongwei ,Ni n gxi a as an example
MA Run 2yong,PENG J ian 2bing,MEN Yu 2m ing
(College of Geol ogical Engineering and Geometry,Chang ′an University,Xi ′an 710054,China )
Abstract:A i m T o utilize relati on bet w een fracture z one length of earthquake,earthquake magnitude and focus dep th t o esti m ate the scale of earthquake fracture z one .M ethods Based on existent results,co mbine with field survey,and using the relati on bet w een fracture z one length of earthquake,earthquake magnitude and f ocus dep th which is established and the fracture marks of recent activity,the scale of fracture z one of 1709Zhong wei earth 2quake with m s =7
1
2
in N ingxia has been studied .Results The ele mentary length of the fracture z one which is esti m ated by the relati on was 103km ,and based on the fracture marks,the fracture z one length of the earthquake was 110k m.The esti m ated result is cl ose t o the field survey result .The result says that the fracture z one of the earthquake cr ossed the Yell ow river and extends t o Daduiduig ou,but als o west w ard arrives at the Xiaohongshan .Conclusi on Fracture z one length of earthquake not only has s omething t o do with earthquake magnitude,but als o relates t o focus dep th .The relati on established by the paper can be used in p ractice,and take scale of earthquake fracture z one t o esti m ate palaeo 2earthquake magnitude .
Key words:earthquake;rup ture length;relati on;fracture mark;N ingxia area
—643—西北大学学报(自然科学版) 第35卷