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中国东部南襄盆地泌阳凹陷核桃园组湖相页岩的有机质富集及古气候记录

苏奥  
【摘要】:南襄盆地是中国东部典型的新生代陆相断陷盆地,含有丰富的油气和碱矿资源。本文以泌阳凹陷中央深凹带的一口页岩油井(C2井)的连续泥页岩钻井取心为重点研究对象,运用宏观岩心-微观薄片、场发射扫描电镜和阴极发光观察,主微量元素地球化学、XRD矿物学、有机质TOC含量和岩石热解分析,草莓状黄铁矿形态学、黄铁矿的硫同位素、泥页岩的钼(Mo)和原生碳酸盐碳氧同位素组成分析等多种手段,对泌阳凹陷核桃园组第三段湖相泥页岩所记录的古湖泊沉积环境以及区域古气候进行了重建,并探讨了中始新世气候驱动下湖泊演化并分析了不同湖泊水文条件下有机质富集的机制。获得如下成果性认识:1.对C2井核桃园第三段岩心、薄片观察和地球化学分析,识别出6种岩相类型:纹层状的灰质泥岩、纹层状的云质泥岩、块状的硅质-粘土混合泥岩、块状的硅质泥岩、块状的云质泥岩和粉砂岩。2.鉴于根据海相泥页岩的氧化还原判别标准无法准确识别湖相沉积水体的具体氧化还原状态,本文运用利用草莓状黄铁矿形貌学和δ~(98)Mo值,结合氧化还原敏感的Ni/Co和U/Th比值判识湖相沉积水体的氧化还原状态相对变化趋势。结果表明,粉砂岩和相邻的块状的硅质泥岩显然形成于含氧水体;草莓状黄铁矿形态和粒径统计学表明富碳酸盐的纹层状泥岩(纹层状的灰质泥岩和云质泥岩)主要形成于以缺氧为主,偶尔硫化和贫氧的底层水体,而块状的硅质-粘土混合泥岩形成于贫氧-含氧的沉积水体。富碳酸盐的纹层状泥岩的硫同位素分馏程度相对较小和更大的δ~(98)Mo值指示了湖泊沉积水体的含氧量更低。这也与黄铁矿形态和粒径的指示是一致的。3.基于不同阶段湖泊水文条件改变引起泥岩的矿物学和沉积结构变化的岩相组合,结合古气候指标Ln(Al_2O_3/Na_2O)和古盐度指标B/Ga比值,将该岩心所记录的湖泊沉积阶段自上而下分为6个阶段:第Ⅰ段:以纹层状灰质泥岩岩相为主,湖泊流域较强的化学风化指数指示相对温暖潮湿的气候,当时湖泊为一个较深的大型不完全对流的湖泊,由含氧的低盐度表层水和缺氧为主的高盐度的底层水组成。第Ⅱ段:以纹层状云质泥岩和块状的硅质-粘土混合泥岩岩相为主,Ln(Al_2O_3/Na_2O)显示湖泊流域气候由潮湿逐渐转向干旱,纹层状云质泥岩与纹层状灰质形成于相似的沉积条件,区别在于相对干旱气候下有限降雨导致湖水蒸发增强,提升的Mg/Ca比促进原生白云石沉淀。块状硅质-粘土混合泥岩岩相形成于湖泊流域的气候相对更加干旱、水位更低的时期,淡水输入较少使得盐度引起的化学分层减弱和消失,水体含氧水平上升。第Ⅲ段:以粉砂岩和块状硅质泥岩岩相为主,局部存在块状白云质泥岩;湖泊处于更加干旱气候下,弱化学风化强度导致大量未风化的物源长石被保留,此时湖泊水位也更低,三角洲向湖泊中心推进。长石质粉砂岩的存在以及粉砂岩与泥岩构成波状交错层理指示了三角洲前缘相沉积。第Ⅳ段:以纹层状云质泥岩为主,局部存在纹层状灰质泥岩和块状的硅质-粘土混合泥岩,反映气候干旱情况有所反弹,沉积水体为水体较深的湖泊。第Ⅴ段:与第Ⅲ段相似,以长石质粉砂岩为主,干旱再次加剧,湖泊水位再次下降,湖泊接受了第二幕三角洲的推进。第Ⅵ段:以纹层状云质泥岩为主,该阶段与第Ⅳ阶段一样,气候湿度有所增加,湖泊水位上升,再次形成分层水体咸化湖泊。白云石含量逐渐增加而方解石含量逐渐降低,Mg/Ca比值逐渐变高和硬石膏相对含量逐渐增加的变化趋势以及泥页岩的稳定碳氧同位素指示总体上湖泊流域气候从相对温暖潮湿转向相对寒冷干旱,湖水蒸发逐渐变强的趋势(局部有所波动),这与全球始新世逐渐冷却的趋势基本一致。对于岩心中下段,在相对高水位时期沉积的富碳酸盐的纹层状泥质岩相中的有机质积累主要是古生产力和氧化还原条件共同控制,且与沉降速率无关;而在相对低水位的湖泊时期,沉积的块状硅质-粘土混合泥岩中有机质富集主要受氧化还原条件和沉降速率所控制。4.长期以来,中国东部古近系是否遭受了海侵并为蒸发岩提供了盐源一直存在争议。过去很多学者主要使用古生物化石(有孔虫、颗石藻、沟鞭藻、红藻和褐藻等)和指相矿物(海绿石、磷灰石和白云石等)来论证存在海侵的可能性。南襄盆地与中国东部其它中新生代陆相断陷盆地存在共性,即古近系富有机质的泥页岩经常与蒸发岩共存。为此,本文对此开展了区域性对比分析,总体上认为这些化石和矿物学证据并不能排除干旱气候下蒸发浓缩成因的可能性。通过采集和分析渤海湾盆地东营凹陷和东濮凹陷、南襄盆地泌阳凹陷和舞阳凹陷、江汉盆地潜江凹陷,以及苏北盆地的高邮凹陷和洪泽凹陷的富有机质泥页岩以及共存蒸发岩样品,运用元素地球化学和同位素组成来判别盐源。结果表明,这些凹陷的石盐样品中B和Br元素含量均低于海相石盐。石盐和碱矿样品~(87)Sr/~(86)Sr均明显高于古近系海水的值;石盐、石膏和无水芒硝的硫同位素比值与同时期海水也不一致;与蒸发岩共存的富有机质暗色泥页中最大Mo同位素值均低于早始新世的海水Mo同位素值;蒸发岩的稀土特征与海水明显不同。这均表明蒸发岩的盐源可能与海侵关联较小。另外,东部诸多断陷的古近系有时钻遇凝灰岩和火山岩,另外含有部分岩石含有一定量的方沸石,蒸发岩普遍存在正Eu异常。这些特征指示了东部晚白垩到新生代伸展构造背景下可能来自深部喷流供给了盐源。考虑到始新世是一个温暖潮湿的气候,盆地周缘中元古界和下古生界的混合片麻岩、大理岩和变粒岩类以及火山岩易被风化,以溶质的形式随河流入湖,这也是可能的盐源。


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