柴达木盆地西部第三系大咸盆套小盐分沉积模式研究

柴达木盆地西部第三系大咸盆套小盐分沉积模式研究

地表浅埋岩矿物柴达木盆地现代盐湖是典型的高山深盆。国内外学者对其进行了多方面的研究，包括地球化学等。总体上讲,干旱和过分的蒸发作用是盐湖形成的基本因素。但是对于盐类来源以及它们在盆地中分布规律一直存在不同看法,例如有人认为是地表水溶蚀露头区矿物盐类,经过高度蒸发浓缩而形成盐类沉积;还有人认为是深层卤水通过活动的断层而进入盆地,并经过蒸发而沉淀形成蒸发岩;也有人认为是混合来源的。盐类是在浅水还是在深水条件下沉积形成,是盐湖成因研究的另一焦点问题。此外,蒸发岩与生油岩的共生作用也是值得深入研究的问题。因为这些蒸发岩与生油岩和油气储集岩具有共生沉积作用,即岩盐、石膏与富含有机质的黑色、深灰色泥页岩和泥灰岩为互层或相变关系,泥灰岩和钙质泥岩本身就具有生油能力,而且全区暗色泥页岩的钙质含量普遍较高、并含有膏盐晶体,因此引起了油气地质工作者的广泛兴趣。笔者已对柴达木盆地西部蒸发岩沉积学进行了研究,现从蒸发岩系元素地球化学特征等方面进行探讨,并对蒸发岩与生油岩的共生组合作进一步研究。1蒸发岩的分布模式柴达木盆地是由昆仑山、阿尔金山和祁连山所围的大型内陆湖盆。渐新世至中新世在其西部形成了大规模的盐湖沉积,即在下干柴沟组(E1313)、上干柴沟组(E2323)和油砂山组(N1)堆积了大量的蒸发岩类:岩盐、石膏、芒硝和碳酸盐(以泥灰岩和钙质泥岩出现)等。在平面上,蒸发岩的分布具有环状结构:氯化盐位于沉积中心部位,硫酸盐分布范围大于氯化盐,碳酸盐分布范围最广。其中碳酸盐主要是浅水沉积,硫酸盐和氯化盐是较深水环境的产物。由于盆地周缘淡水供给的不均一性以及蒸发作用的持久性,造成盐湖水体时深、时浅,所以在氯化盐和硫酸盐沉积区的纵向上,常见到氯化盐、硫酸盐、碳酸盐的沉积旋回。据此特征,笔者曾提出了“大咸盆套小盐湖”的蒸发岩沉积模式。“大咸盆”是指分布广泛的以钙质泥岩、泥灰岩和粉砂岩沉积为主的浅水环境;“小盐湖”是指位于“大咸盆”之中的以石膏、岩盐和泥灰岩等沉积为主的深水环境。其中“小盐湖”受狮子沟芒崖深大断裂带控制,呈狭长带状分布在狮子沟—芒崖一带。2泥灰岩的微量元素样品采自氯化盐和硫酸盐集中分布的狮23井和狮28井,以及碳酸盐和砂泥岩分布区的咸21井和建参1井等(表1),前者代表“小盐湖”的样品,后者代表“大咸盆”的样品。这些井都是近几年钻的石油探井,所采样品全是岩心,经过筛选和清洗,除了进行有机地球化学的化学分析之外,主要还进行了泥灰岩的常量和微量元素分析。常量元素是用紫外光谱测定的,其中包括金属离子和酸根(Ca2+,Na+,K+,Fe2+,Cl-,SO2-42−4,CO2-32−3等);微量元素是用ICP-MS测定的,其中包括稀土元素、稀有元素、铁族元素、亲铜元素、分散元素、放射性元素和钼钨族等44个元素。3盐水蒸发矿物的形成模式总体上讲,蒸发岩是在沉积盆地水体中以化学方式沉淀下来的,所以它们的常量元素(阳离子和阴离子)组成能够反映母水体性质及其盐类来源等成因方面的信息。察尔汗盐湖是当今世界上较大的盐湖,是柴达木盆地第三纪盐湖经过东移演化后形成的。Lowenstein等人认为,察尔汗盐湖几米深的水下存在一个永久性的卤水层,其蒸发矿物形成的顺序先为方解石、石膏、芒硝、石盐,随后是杂卤石、水镁矾等复盐,最后是水氯镁石、钾盐等。这种卤水是由沿断裂带上升的深层卤水与格尔木等河水经过混合、蒸发作用形成的,它们的常量元素组成见图1(a)和图1(b)。深层卤水是断裂活动带热液溶蚀周围各种岩类形成的,分析的狮子沟油田水化学组成(图1(c))与断裂带上升卤水相似。图1(d)给出了上升卤水与河水混合、蒸发形成的上述盐类模式,图中右上线中点为方解石结晶点,由该点到左上线中点和左下角的两条线将三角形分为3个区域:上部为Ca-Cl-丰富的卤水,右下部为Na+-HCO-3-SO2-4卤水,其余为Cl--SO2-4丰富的卤水。察尔汗现代盐湖卤水层由40~100份河水与1份断裂带上升卤水混合、蒸发形成。这种卤水可以沉淀出石膏、石盐、芒硝和钾盐等多种蒸发岩。柴达木盆地西部第三纪在狮子沟—芒崖一带有深大断裂(即11号断层)活动,存在深层卤水形成的条件,同时干旱气候又使盆地存在强烈的蒸发作用,因此,此盐类的成因与察尔汗现代盐湖具有相似性。4样品稀土组成在科里尔图解上可以清楚地看出,柴达木盆地第三系盐湖沉积物稀土元素组成具有两个集团(图2):一是各种元素含量都比较高的、膏盐集中的“小盐湖”样品(CX-1,CX-2,CX-3和CX-4);二是稀土元素含量较低的膏盐不发育的“大咸盆”样品(CX-5,CX-6和CX-7)。稀土元素的一些地化参数也反映了这种情况(表2)。同时“小盐湖”和“大咸盆”样品的稀土组成还存在一些相似之处:轻稀土含量高于重稀土含量(LREE/HREE>2.99),分馏系数(w(La)/w(Sm))N>3.5;而且轻稀土的分布斜率(w(La)/w(Yb))N>7.5,重稀土斜率较低,(w(Gd)/w(Yb))N<1.55;所有样品都具有Eu负异常(δ(Eu)为0.63~0.85,见表2)。柴达木盆地第三系盐湖沉积物稀土元素总体组成基本上与笔者提出的该蒸发岩沉积环境相对应:水体较深的石膏、岩盐发育的环境(“小盐湖”)稀土含量较高,水体较浅的碳酸盐岩发育区稀土含量较低。但是与世界其他蒸发岩的平均稀土含量相比,研究区蒸发岩稀土元素含量要高出10倍,而与喷发岩的稀土含量相当。通常,沉积岩的稀土元素主要来自母岩。柴达木盆地西部边缘的昆仑山、阿尔金山喜山期的透长石、正长石、碱性花岗岩的稀土组成与笔者分析的蒸发岩相似,说明它们有亲缘关系。另外,石膏、盐岩发育的狮子沟—芒崖一带的深大断裂活动,可使深部物质(包括稀土)以热液形式进入盆地中来,使深水的膏盐沉积物富含稀土元素。5柴达木盆地第三纪盐水沉积环境对稀有元素分布的控制除了稀土元素外,在柴达木盆地第三系盐湖沉积物中还检测到Li,Rb,Cs,Nb,Ta,Zr,Hf和Sc等稀有元素,而且发现其含量在“小盐湖”及“大咸盆”样品中存在很大差别,前者含量高,后者含量低(表3),两者差别在1倍以上。其中有几个样品的Sc未检测到,故表3中未列出Sc的检测结果。经分析认为,柴达木盆地第三纪盐湖的成因机制及其沉积环境控制了稀有元素的分布。即膏盐沉积的深水带有深大断裂提供富含稀有元素的深层卤水,故膏盐沉积物富含稀有元素;而广泛的浅水碳酸盐沉积区主要靠河流将母岩区稀有元素输入,所以泥灰岩和钙质泥岩的稀有元素含量较低。国外学者统计的陆相碳酸盐沉积物稀有元素含量与本文所测盐湖相碳酸盐沉积物的相似也是佐证。6柴达木盆地第三系盐水沉积中铁族元素的分布研究区蒸发岩基本在弱还原—强还原环境中形成,沉积物中黄铁矿含量较多,基本为常量元素。铁含量也是还原程度的反映:膏盐沉积区为强还原环境,其沉积物铁含量在10mg/g以上;碳酸盐沉积区为弱还原环境,铁含量一般在3~6mg/g。其他铁族元素的分布规律与稀有元素的分布有相似之处(见表4),即膏盐沉积的含量高,泥灰岩的含量低,二者差别大部分在1倍以上。总体上讲,“小盐湖”沉积物中铁族元素含量高,它既是强还原环境的反映,又是深层卤水高铁族元素含量高的反映。“大咸盆”为弱还原环境,沉积物中铁族元素相对含量较低。在柴达木盆地第三系盐湖沉积样品中检测到Cu,Pb和Zn3个亲铜元素,它们的分布与铁族元素一样是受母质来源和沉积环境的还原程度控制的。“小盐湖”泥灰岩中的Cu,Pb和Zn的平均含量分别为47.697,35.451,1531.492μg/g;“大咸盆”样品的平均含量分别为26.402,18.616,382.999μg/g。就Zn而言,它一般与CO2-3优先结合形成沉淀,所以它在碳酸盐岩中含量较高。然而,柴达木盆地第三系蒸发岩中泥灰岩的锌含量因其沉积区域不同而有很大差异,沉积在“小盐湖”区的样品中的含量是沉积在“大咸盆”区样品的近4倍(两者平均含量比值为3.999),因此,膏盐沉积区存在亲铜等元素的独特来源(即深层卤水来源)。7cd-ga含量地球化学上同属于分散元素的Rb,Cs,Cd,Ga,In,Tl和Ge等,在柴达木盆地盐湖相沉积物中的分布具有与稀有元素、铁族和亲铜元素相似的规律性:即在膏盐类沉积物中含量高,在泥灰岩中含量低(表5)。沉积岩中Cd含量一般在0.5μg/g以下,但在柴达木盆地蒸发岩中的Cd的含量均超过该值,其中“小盐湖”区的泥灰岩Cd含量均在2μg/g以上。笔者认为与断裂带上升卤水有关,因为热液中的Cd含量可以在10μg/g以上。沉积岩中的Ga常富集在强烈风化作用形成的铝土矿床内,一般碳酸盐岩Ga含量在1μg/g以下,咸水沉积物中Ga含量也不超过10μg/g。柴达木盐湖沉积物中Ga含量均超过常规,可能与上升热卤水有关。In,Tl和Ge的含量比较低,但是基本处于沉积岩的分布范围,它们与Cd,Ga含量一样,在“小盐湖”的泥灰岩中含量较高。8地层中u和th含量测定的地层意义柴达木盆地第三系蒸发岩中W和Mo的含量与一般沉积岩的含量相当;但是Sn含量比一般页岩要高出3倍,其原因与深源卤水有关。盐湖沉积物中U和Th的含量与正常页岩的相近,但是这里的泥灰岩中U和Th的含量比海相石灰岩的要高出1个数量级。柴达木盆地膏盐沉积物中U和Th的含量高于泥灰岩的含量,这也是沉积环境的还原性所控制的。9柴达木盆地第三纪盐水沉积区环境特征(1)通过ICP-MS和紫外光谱分析,展示了柴达木盆地第三系盐湖沉积物的微量元素组成特征。由于此项研究是盐湖相沉积学研究的基础,因此介绍的40余种微量元素能够从地球化学方面很好地揭示盐类物质来源和盐湖相内部环境划分等盐湖沉积问题。(2)稀有元素(特别是稀土元素)的组成说明,柴达木盆地第三纪盐湖相具有地表陆源溶蚀和断