第48卷 第1期
Vol.48, No.1, 67‒78
2019年1月
GEOCHIMICA
会计自我鉴定Jan., 2019
收稿日期(Received): 2017-12-29; 改回日期(Revised): 2018-04-11; 接受日期(Accepted): 2018-04-23 基金项目: 国家自然科学基金创新研究体项目(41621062); 中国科学院A 类先导项目(XDA14010102) 作者简介: 林晓慧(1991–), 女, 博士研究生, 地球化学专业。E-mail: linxiaohui15@mails.ucas.edu * 通讯作者(Corresponding author): ZOU Yan-rong, E-mail: zouyr@gig.ac; Tel: +86-20-85290187
特征及沉积环境意义
林晓慧1,2, 詹兆文1, 邹艳荣1*, 蔡玉兰1,
梁 天1,2, 石 军1,2
(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 有机地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)
摘 要: 准噶尔盆地晚二叠世沉积的芦草沟组湖相页岩是一套重要的烃源岩或油页岩资源。本文通过XRF 和ICP-MS 技术测试了该盆地东南缘博格达山地区芦草沟组油页岩的元素含量, 分析了其分布与组成特征, 阐述该区芦草沟组沉积时期的古环境特征。研究表明, 芦草沟组油页岩样品大多数主元素含量偏低, 但磷(P)含量较高, P/Ti 比值为0.23~1.94; 微量元素Sr/Ba 比值多小于1, Sr/Cu 比值处于4.88~12.36之间, V/Cr 比值为2.40~3.91, V/(V+Ni)比值为0.70~0.83, 古气候指数为0.48~0.61; 轻重稀土元素比值为5.92~7.10, 轻稀土元素明显富集。综合各参数特征及变化趋势表明, 研究区芦草沟组沉积时期主要是半干旱-半湿润的古气候特征, 总体上为半咸水的湖盆环境, 沉积水体较深, 沉积速率较慢, 具有中-高的初始古生产力。从沉积初期至晚期, 古气候逐渐变干旱, 沉积水体盐度逐渐升高和还原性逐
渐增大。研究区芦草沟组有机质富集属于生产力模式, 主要受古气候和古生产力控制, 但沉积后期沉积水体水化学条件的变化也为有机质保存提供了有利的条件。 关键词: 芦草沟组油页岩; 元素地球化学; 古沉积环境; 准噶尔盆地
中图分类号: P595 文献标识码: A 文章编号: 0379-1726(2019)01-0067-12 DOI: 10.19700/j.0379-1726.2019.01.006
Elemental geochemical characteristics of the Lucaogou Formation oil shale in the southeastern Junggar Basin and its depositional environmental implications
LIN Xiao-hui 1,2, ZHAN Zhao-wen 1, ZOU Yan-rong 1*, CAI Yu-lan 1, LIANG Tian 1,2 and SHI Jun 1,2
1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry , Guangzhou Institute of Geochemistry , Chinese Academy of Sciences , Guangzhou 510640, China ;
2. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China
Abstract: The late Permian Lucaogou Formation is a suite of oil shale in the southeastern Junggar Basin. Based on the XRF and ICP-MS analyses of oil shale samples, this study investigated their ge
ochemical characteristics, including elemental features, changes in element content, and some elemental ratios to speculate on the ancient environmental characteristics during their sedimentary period and reconstruct the sedimentary environmental history. The results show that the content of most major elements is low in the Lucaogou Formation oil shale samples, but P is significantly enriched, with a P/Ti ratio value ranging from 0.23 to 1.94. For trace elements, most of the Sr/Ba ratios are less than 1, and the Sr/Ba ratio ranges from 4.88 to 12.36. Meanwhile, the V/Cr ratio varies from 2.40 to 3.91, and the V/(V+Ni) ratio is within the range of from 0.70 to 0.83. The paleoclimatic index is within a range of from 0.48 to 0.61. The investigated samples have a very high abundance of REEs, with the LREE/HREE ratio ranging from 5.92 to 7.10. The results show that the Lucaogou Formation mainly formed in a semi-arid and semi-humid climate, with a sedimentary environment of deep lacustrine facies under an anoxic
星星的诗句682019年
condition. The paleoproductivity proxies reflect a middle to high initial paleoproductivity. From the early to the late depositional stage, the paleoclimate changed from semi-humid to arid. Meanwhile, the water reducibility and the value of paleosalinity increased. The formation of organic matter in the Lucaogou Formation shale was predominantly controlled by paleoproductivity and paleoclimate. Additionally, the changes in water chemistry conditions during the late sedimentary period also provided a favorable environment for organic preservation. Key words: Lucaogou Formation shale; elemental geochemistry; paleosedimentary environment; Junggar Basin
0 引言
在沉积过程中, 沉积物和沉积环境之间存在复杂的地球化学平衡, 如沉积物对元素的差异吸附以及沉积物和水介质之间的物质交换[1]。元素在沉积岩中聚集和分布的规律, 不仅取决于元素本身的物理化学性质, 还与地质环境有关。沉积时期的古气候、沉积物来源、沉积盆地的形态及沉积环境介质等条件控制着元素的分散和聚集[2]。沉积岩中的多数元素化学性质稳定, 即使丰度略有差异, 相关元素比值和分布形式仍保持相对稳定, 因此, 可以通过研究元素的含量和比值来判断沉积环境, 如Sr/Cu比值可用以判断古气候[3], K/Na比值能反映古盐度[4], V/Cr比值可指示氧化还原环境[5], 稀土元素的含量及相关参数可体现沉积盆地的物源及沉积速率等[6]。
准噶尔盆地东南缘芦草沟组沉积了巨厚的油页岩, 资源量很大, 具有很高的开发利用价值, 是本次研究的目标层系。为了了解准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩形成的环境, 本文取芦草沟组顶部和底部露头样品, 测试其主元素、微量元素和稀土元素的组成与丰度, 研究其元素地球化学意义, 得到古气候、氧化还原环境、古盐度、物源等信息, 并将沉积初期与沉积后期的古环境进行对比, 得到研究区芦草沟组油页岩的沉积环境及变化趋势, 推测其沉积过程。
1 区域地质概况
计算机应用技术专业就业方向准噶尔盆地位于阿尔泰山与天山之间, 是一个大型前陆盆地, 盆地内发育5套烃源岩层系(二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和古近系), 油气资源丰富[7]。盆地东南缘在构造上位于北天山晚古生代造山带中部, 其北部隔准噶尔盆地与西伯利亚板块相望, 南部与吐哈盆地和觉罗塔格石炭系火山岩带相邻, 西部的边界位于乌鲁木齐市一带, 东部则靠近巴里坤县西侧[8‒9]。该区经历了晚海西、印支、燕山和喜马拉雅四次构造运动, 构造较为复杂, 地层褶皱极为强烈, 大型逆冲断层作用使二叠系油页岩伴随博格达山系的形成而出露地表[10]。
本次研究的二叠系芦草沟组油页岩位于准噶尔盆地东南缘(图1), 整体上为一套半深湖-深湖相泥(页)岩为主的烃源层段[11]。芦草沟组油页岩成烃母质以腐泥质为主, 缺少植物碎屑、底栖动物和遗迹化石, 层系中普遍含黄铁矿和凝灰质胶结物, 部分层段存在胶磷矿[12], 生物化石含量丰富, 有双壳类、介形类
、叶肢介、鱼类和两栖类, 而且分异程度较高[13]。有机质类型以Ⅰ~Ⅱ型为主, 处于成熟生油阶段(R o为0.54%~0.91%), 具有较高的生烃潜力[11,14]。该区油页岩矿带断续延长143 km, 宽10~20 km, 平均厚度约150 m, 整体上分东、西两段: 西段西起乌鲁木齐市雅玛里克山、红雁池, 经水磨沟、芦草沟到三工河, 呈NE向展布; 东段西起白杨沟, 经黄山街、西大龙口、水西沟等至奇台白杨沟, 呈NW向分布[11,15]。
2 样品及实验
准噶尔盆地东南缘地质缩略图及采样位置(见图1a)。本文样品采自准噶尔盆地东南缘西大龙口(43°57′43″N, 88°52′04″E)和井井子沟(43°47′43″N, 87°45′17″E)两个剖面, 见图1b。研究区芦草沟组主要为深灰-黑页岩和油页岩, 夹粉砂岩和泥岩, 偶含灰质。西大龙口剖面主要出露芦草沟组上部(未见底)、红雁池组及上覆地层, 出露的芦草沟组地层厚度约为45 m, 与上覆的红雁池组呈整合接触。从靠近红雁池组向下每隔5~10 m采取油页岩样品5块(DLK1~ DLK5), 代表芦草沟组上部油页岩样品。井井子沟剖面因修路建桥露头较新鲜, 出露芦草沟组、井井子沟组及下伏地层, 出露的芦草沟组厚度约为50 m, 与下伏的井井子沟组呈整合接触。从靠近井井子沟组向上每隔5~10 m采取油页岩样品5块(JJZ1~JJZ5), 代表芦草沟组下部油页岩样品。为降低现代沉积物的污染,
第1期
林晓慧等: 准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩元素地球化学特征及沉积环境意义
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童瑶性侵案
图1 研究区构造简图及采样位置(据文献[8]修改)
Fig.1 Tectonic setting and sampling location in the study area(revised after [8])
1–第四系; 2–二叠系; 3–石炭系; 4–中-下侏罗统; 5–三叠系; 6–背斜; 7–向斜; 8–逆断层; 9–地名; 10–采样剖面
并减少后期分析数据因风化、生物降解等产生的影响, 采样时尽量选择新鲜的岩石样品(深挖20 cm 以上)。在样品粉碎前, 先除去表面污染物, 并用去离子水冲洗干净、晾干待处理。
主元素分析采用X 荧光光谱(XRF), 仪器型号为PANalytical PW2424, 精密度(RD)优于5%, 精确度(RE)优于2%。微量元素和稀土元素用电感耦合等离子体发射质谱(ICP-MS)分析方法测定, 仪器型号为Agilent 7700x, 精密度(RD)小于10%, 精确度(RE)优于10%。
本文选择全球平均北美页岩(NASC)[16]交通银行信用卡中心进度查询
和大陆
[17]
素含量特征。将研究区样品中元素含量除以标准中相应元素丰度, 比值大于1为相对富集, 小于1则为亏损。对稀土元素进行球粒陨石标准化处理, 考察样品中稀土元素的含量变化及分布。
3 实验结果
3.1 主元素
研究区油页岩样品的主元素含量见表1, 表中从上到下依次代表芦草沟组从顶部到底部的地层样
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品。样品的烧失量(LOI)较高, 平均可达12.48%, 这是油页岩样品中含有大量有机质所致(表1)。在所有
样品中, SiO 2都是最主要的化学组成, 含量54.99%~ 66.78%, 平均值为60.83%; MnO 含量最低, 平均值仅0.09%。大部分主元素含量在芦草沟组上、下部地层样品中都相对稳定, 如Fe 2O 3和Al 2O 3等; 但Na 2O 和P 2O 5却有显著差异, 上部样品中Na 2O 含量(0.43%~ 1.17%)明显低于下部(1.61%~2.16%), 而上部P 2O 5含量(平均值为0.59%)则高于下部(平均值为0.29%)。
与北美页岩和大陆地壳元素丰度相比, 研究区油页岩中主元素含量具有其特有的特征。芦草沟组油页岩Si 、Fe 和Na 元素丰度与北美页岩相当, Al 、K 、Mg 、Ca 、Ti 和Mn 元素表现为亏损, 但P 元素则显著富集, 最高达到0.39%, 平均值是北美页岩的两
倍多(图2a)。与地壳元素丰度相比, 本文样品中主元素只有Si 、K 和P 相对富集, 其余均表现为相对亏损(图2 a)。 3.2 微量元素
研究区油页岩样品中含量最高的微量元素是Ba, 其含量为288~681 μg/g; 含量最低的是Cd, 平均含量为0.15 μg/g 。大部分微量元素含量在芦草沟组上、下部地层中相对稳定, 但Cu 、Sr 和Ba 元素却有明显变化, Cu 在下部地层中平均含量为47.7 μg/g, 高于上部地层(38.9 μg/g); Sr 的平均含量为246 μg/g, 低于上部地层(393 μg/g); Ba 在上部地层平均含量为471 μg/g, 而在下部地层平均含量为361 μg/g (表2)。
表1 研究区油页岩主元素含量(%)
快乐男声刘著Table 1 Major element contents in the oil shale samples from the study area(%)
样 号 SiO 2 Al 2O 3
Fe 2O 3 K 2O CaO MgO Na 2O TiO 2 P 2O 5 MnO LOI CIA TOC DLK1 66.78 11.02 2.75 2.35 1.14 1.09 0.88 0.51 0.26 0.04 13.13 0.72 8.38 DLK2 61.91 13.44 4.43 2.41 1.97 2.84 1.17 0.59 0.17 0.07 10.49 0.71 2.23 DLK3 59.23 13.49 4.51 2.66 2.78 2.11 0.91 0.60 0.64 0.08 12.01 0.68 3.66 DLK4 54.99 8.72 4.86 1.80 4.25 1.56 0.43 0.37 0.97 0.14 21.46 0.57 9.42 DLK5 62.10 12.28 4.53 1.89 3.68 2.28 0.51 0.54 0.89 0.08 10.95 0.61 2.65 平均值 61.00 11.79 4.22 2.22 2.76 1.98 0.78 0.52 0.59 0.08 13.61 0.66 5.27 JJZ5 60.89 12.98 4.76 2.08 2.12 1.28 2.02 0.58 0.39 0.06 12.47 0.68 5.90 JJZ4 61.69 11.30 4.10 1.97 2.50 1.02 1.61 0.50 0.40 0.11 13.89 0.65 3.99 JJZ3 59.58 13.88 4.69 2.06 1.54 1.74 2.16 0.60 0.23 0.10 12.37 0.71 3.16 JJZ2 63.09 11.92 4.07 2.06 1.84 1.02 2.05 0.52 0.19 0.12 11.92 0.67 4.62 JJZ1 57.97 14.26 6.17 2.53 2.71 1.50 1.94 0.62 0.26 0.13 10.97 0.67 3.61 平均值 60.64 12.87 4.76 2.14 2.14 1.31 1.96 0.56 0.29 0.10 12.32 0.68 4.26 北美页岩[16] 58.10 15.40 4.02 3.24 3.11 2.44 1.30 0.65 0.17 0.12 地壳[17]
49.50
15.80
6.60
1.88
6.40
4.40
3.20
0.70
0.20
0.14
注: CIA 为化学蚀变指数, CIA=Al 2O 3/(Al 2O 3+CaO+Na 2O+K 2O)[18]
图2 研究区油页岩主元素(a)、微量元素(b)含量与北美页岩、地壳元素丰度比较图
第1期林晓慧等: 准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩元素地球化学特征及沉积环境意义71
Fig.2 Chart showing the ratio values of the average content with NASC and UCC in major elements (a) and trace elements (b)
表2研究区油页岩微量元素含量(μg/g)
Table 2 Trace element contents (μg/g) in the oil shale samples from the study area 样号Cr Co Cu Pb Zn Ga Cd V Ni Sr Ba Th U DLK1 42.0 13.7 58.6 14.1 73.0 14.7 0.220 164 62.3 375 681 5.06 4.32 DLK2 43.0 10.5 28.7 13.9 79.0 18.4 0.080 103 30.4 255 342 7.60 2.13 DLK3 46.0 12.1 44.3 14.4 76.0 18.6 0.140 180 37.2 591 665 7.78 3.06 DLK4 40.0 10.0 32.9 12.3 54.0 12.8 0.120 130 55.3 372 380 5.23 3.03 DLK5 48.0 9.40 30.1 12.6 72.0 16.5 0.120 133 46.6 372 288 6.23 2.57 平均值43.8 11.1 38.9 13.5 70.8 16.2 0.136 142 46.4 393 471 6.38 3.02 JJZ5 50.0 14.6 53.4 136 71.0 20.0 0.230 163 54.9 285 374 7.14 3.46 JJZ4 36.0 11.0 44.7 11.2 80.0 15.5 0.120 110 34.4 218 345 5.27 2.33 JJZ3 46.0 13.9 44.0 18.4 60.0 20.8 0.140 127 42.9 239 335 8.65 3.34 JJZ2 39.0 11.2 41.7 13.5 67.0 17.2 0.110 115 40.0 215 407 6.51 2.34 JJZ1 47.0 14.8 54.8 17.4 89.0 20.4 0.170 184 47.9 274 342 8.54 3.96 平均值43.6 13.1 47.7 39.4 73.4 18.8 0.154 140 44.0 246 361 7.22 3.09 北美页岩[16]100 19.0 20.0 80.0 130 68.0 300 580 12.0 3.70 地壳[17]119 25.0 24.0 12.6 73.0 16.0 75.0 128 51.0 325 390 5.60 1.42
与北美页岩微量元素含量相比, 研究区油页岩中Pb较为富集, 平均含量为26.43 μg/g, V和Sr含量与北美页岩相近, 其余微量元素皆相对亏损(图2b)。与地壳微量元素含量相比, 研究区样品中Cu、Pb和U显著富集, Cr和Co相对亏损, Cd极度亏损(只有地壳的0.2%), 其他微量元素无明显异常(图2b)。
3.3稀土元素
研究区油页岩样品中稀土元素含量见表3和表4, 稀土元素总量(∑REE)在89.0~155 μg/g之间, 平均含量为126 μg/g, 低于北美页岩∑REE的平均值(173 μg/g)。轻稀土元素(LREE)指从La到Eu各稀土元素, 重稀土元素(HREE)指从Gd到Lu各稀土元素。∑LREE/∑HREE比值大小反映LREE、HREE的分异程度, 比值大表明LREE富集, HREE亏损。研究区样品∑REE含量为76.1~133 μg/g, ∑HREE含量为12.9~22.3 μg/g, ∑LREE/∑HREE比值为5.92~7.10(表4), LREE明显富集, 远高于球粒陨石的标准比值(1.78)[14], 略低于北美页岩的标准比值(7.44)[15]。
(Ce/Yb)N比值表示稀土元素在球粒陨石标准化图解中的斜率[6]。研究区油页岩样品的(Ce/Yb)N比值变化范围为3.70~5.77, 平均值为5.20, 表现为LREE 右倾, 表明LREE、HREE分异; (La/Sm)N比值为2.88~3.52, 表明LREE段存在中等程度的分异; (Gd/Yb)N比值为1.01~1.73, 表明HREE段相对平缓,
表3研究区油页岩稀土元素含量(μg/g)
Table 3 REE contents (μg/g) in the oil shale samples from the study area
样号La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu DLK1 18.5 39.5 4.59 18.6 4.04 0.84 4.07 0.62 3.66 0.72 2.01 0.29 1.90 0.29 DLK2 24.1 50.7 6.01 23.7 5.05 1.02 4.95 0.78 4.62 0.92 2.76 0.42 2.65 0.41 DLK3 28.0 59.5 6.97 28.3 6.25 1.19 6.01 0.97 5.68 1.21 3.51 0.52 3.37 0.51 DLK4 17.7 35.7 3.85 15.0 3.24 0.63 3.12 0.51 3.12 0.69 2.16
0.37 2.50 0.38 DLK5 23.6 48.0 5.67 22.7 4.75 1.01 4.76 0.73 4.34 0.88 2.45 0.37 2.43 0.37 平均值22.4 46.7 5.42 21.7 4.67 0.94 4.58 0.72 4.28 0.88 2.58 0.39 2.57 0.39 JJZ5 22.9 49.2 5.46 21.7 4.76 0.92 4.36 0.66 3.89 0.78 2.22 0.33 2.21 0.33 JJZ4 16.5 36.8 4.11 16.8 3.58 0.77 3.69 0.58 3.40 0.69 2.01 0.30 1.93 0.28 JJZ3 28.0 60.2 7.02 28.4 5.76 1.03 5.55 0.86 5.06 1.00 2.83 0.41 2.80 0.42 JJZ2 21.2 47.1 5.20 20.8 4.46 0.83 4.18 0.69 4.15 0.85 2.49 0.37 2.51 0.40 JJZ1 28.2 61.0 7.16 29.3 6.28 1.16 6.28 1.02 6.10 1.22 3.48 0.50 3.27 0.48 平均值23.4 50.9 5.79 23.4 4.97 0.94 4.81 0.76 4.52 0.91 2.61 0.38 2.54 0.38
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