徐 波，胡碧瑶，顾智鹏，洪 婧

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司上海实验中心，上海 200941)

引 言

微量和稀土元素广泛分布于地层中，由于其特有的地球化学属性，被国内外广大学者用于判断研究区沉积物来源、揭示沉积时期古环境特征、推断构造背景[1-8]。

平湖斜坡带是西湖凹陷勘探的主要目标区，其中始新统平湖组是研究区内最主要的烃源岩系之一。前人从分子地球化学、沉积学、构造学等方面对西湖凹陷平湖组的沉积环境、物源供给以及构造演化进行了较多的研究，但研究认识并不统一，尤其是关于平湖组的沉积环境是陆相还是海相一直存在争议。赵丽娜[9]、刘书汇等[10]从沉积学角度研究认为平湖组沉积相以潮坪相和潮汐三角洲相为主；杨彩虹[11]、魏恒飞等[12]认为平湖组为辫状河三角洲沉积；蒋一鸣等[13]从构造研究入手，结合古生物及地球化学特征研究，认为平湖组为河流三角洲沉积为主，表现为陆相淡水为主的的沉积体系。

截至目前，针对西湖凹陷平湖组缺少系统的元素地球化学特征研究成果。本文利用元素地球化学分析手段揭示西湖凹陷平湖斜坡带平湖组的沉积环境、物源供给以及构造背景，为解决研究区的争议问题提供新的证据。

1 研究区域地质概况

西湖凹陷位于东海陆架盆地的东北部，整体呈北北东向展布，整个凹陷面积约5.9×104km2，是前古近系基底上发育起来的断陷盆地。西湖凹陷构造特征相对复杂，总体表现为“东西分带、南北分块”的特点，自西向东依次可划分为西湖斜坡带、西次凹、中央反转带、东次凹及东部断阶带等次级构造单元(图1)。西湖凹陷发育历经3个构造演化阶段，分别为古新世—始新世断陷期、渐新世—中新世坳陷期和上新世—第四纪区域沉降期，具有南北分块的特征，依次发育杭州斜坡带、平湖斜坡带和天台斜坡带，3个斜坡带的构造背景不同。本次研究的主要目标是平湖斜坡带平湖组，其岩性以泥岩为主，整体为砂岩、粉砂质泥岩、泥岩和多层煤层互层的岩性组合。

图1 西湖凹陷构造位置Fig.1 Structural location of Xihu Sag

2 样品采集与实验分析

本次从西湖凹陷平湖斜坡带平湖组4口井(X-1井、Y-1井、L-1井、M-1井，见图1)采集共计55件泥岩岩屑样品。样品测试由中海油渤海实验中心完成，实验样品按照图2进行前处理后上机测试。元素检测采用美国珀金埃尔默(PerkinElmer)公司的电感耦合等离子体(ICP-MS)，型号为NexION 2000。为了保证实验分析结果的准确性和精度，实验过程设置样品重复性测试(10%)，同时通过QC样品、标准样品进行质控，测试相对误差小于3%。

图2 微量及稀土元素分析实验流程Fig.2 Flow chart of analysis experiments of trace and rare elements

3 结果讨论

3.1 微量元素

由研究区平湖组样品微量元素分析结果(表1)可知，除Li(22.4～193.8 μg/g)、Ti(1 722～6 857 μg/g)、V(55.0～219.5 μg/g)、Cr(109.9～263.0 μg/g)、Mn(78.5～1 834.2 μg/g)、Zn(101.1～228.3 μg/g)、As(96.6～2 857.6 μg/g)、Rb(41.8～192.4 μg/g)、Sr(98.0～396.2 μg/g)和Zr(240.8～433.0 μg/g)质量分数超过100 μg/g外，其他微量元素质量分数均小于100 μg/g。

通过对比平湖组泥岩和上地壳(UC)[14]中微量元素的质量分数(表1)，发现平湖组样品相对富集Li、Sc、Ti、V、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Zr、Ba、Hf、Th、U等亲石元素，相对亏损Cr、Mn、Sr、Nb、Ta等微量元素。

3.2 稀土元素

平湖组样品的稀土元素总质量分数(ΣREE)为86.81～289.86 μg/g(表2)，均值为215.70 μg/g，明显高于北美页岩(NASC)[15]。

轻稀土元素(ΣLREE)与重稀土元素(ΣHREE)的比值能够直观地反映研究区样品稀土元素的分异状况，是指示物源差异性的重要参数。比值越大，指示轻稀土元素相对越富集，重稀土元素相对越亏损。此外，稀土元素配分模式也被广泛应用于稀土元素地球化学特征研究中，本文采用北美页岩标准值[15]进行标准化，能更有效地反映研究区轻、重稀土元素的分异特征。

由表2可知，平湖组样品w(ΣLREE)/w(ΣHREE)值为5.50～9.70，均值为8.02；w(La)N/w(Yb)N值为0.84～1.51，均值为1.32；w(Ce)N/w(Yb)N值为0.72～1.42， 均值为1.17，以上稀土元素参数均高于北美页岩(NASC)[15]。结合稀土元素(ΣREE)配分模式(图3)， 指示平湖斜坡带平湖组样品存在明显的轻、重稀土元素分异现象， 总体呈现LREE相对富集、HREE相对亏损、Eu正异常以及Ce微弱负异常的特征， 研究结果与前人关于西湖凹陷平北地区平湖组稀土元素的分异特征一致[16]。

图3 平湖组样品的稀土元素配分模式(北美页岩标准化)Fig.3 REE distribution patterns in Pinghu Formation(NASC- standardized)

4 地质意义

4.1 平湖组成岩作用的影响

前人研究认为，成岩作用会造成Ce异常值发生改变，通常表现为δCe与δEu、δCe与w(ΣREE)呈明显相关性[17-20]。图4表明研究区样品的δCe与δEu以及w(ΣREE)均没有明显的相关性，指示后期成岩作用并未对研究区平湖组泥岩ΣREE产生影响。

图4 平湖组泥岩δEu-δCe、w(ΣREE)-δCe相关性Fig.4 δEu-δCe and w(ΣREE)-δCe relations of mudstone in Pinghu Formation

4.2 平湖组沉积环境特征分析

4.2.1 氧化-还原环境

前人研究表明，Ce异常能够有效指示研究区沉积时水体的氧化-还原状态[17-20]。通常情况下，水体表现为富氧状态时，Ce相对亏损，δCe<1；反之，水体为缺氧状态时，Ce相对富集，此时δCe>1。

一般情况下，V、Cr、Ni、Co、U、Th等微量元素在不同氧化-还原条件的沉积过程中会产生分异现象，利用微量元素质量分数的比值(表3)能够有效判识研究区沉积环境的演变[21-25]。

表3 氧化-还原环境判识依据[21-25]Tab.3 Determination of oxidation-reduction environments according to trace elements[21-25]

由表1可知，平湖组样品w(V)∶w(Cr)值为0.47～1.27，w(Ni)∶w(Co)值为1.46～5.77，w(U)∶w(Th)值为0.19～0.51，δU值为0.74～1.21。根据氧化-还原条件识别条件(表3)，绝大部分样品点处于氧化环境区域，少量样品点处于氧化-还原过渡环境。由表2可知，δCe值为0.87～1.05，均值为0.94，δCeanom值[26-27]分布在-0.06～0.02，均值为-0.03。综合认为平湖斜坡带平湖组总体处于弱氧化-弱还原的沉积环境，这与前人研究认为平湖组主要形成于河流-三角洲平原以及潮坪、潮控三角洲的沉积环境相吻合。

4.2.2 古盐度特征

古盐度是指示沉积水体介质条件的重要指标，主要通过影响生物种类与生物繁殖的程度来判断烃源岩的发育和分布。微量元素Sr的质量分数和w(Sr)∶w(Ba)值与古盐度呈现明显的正相关性，可作为研究区古盐度判别的灵敏指标(表4)[28-31]。

表4 古盐度微量元素判断标准[28-31]Tab.4 Determination of ancient salinity according to trace elements

平湖组样品中Sr的质量分数为98.01～396.24 μg/g，均值为175.60 μg/g；w(Sr)∶w(Ba)值为0.01～0.37，均值为0.15。根据表4古盐度判识标准，研究区平湖组总体上以淡水沉积环境为主，该研究结果与前人[12-13]在平湖组地层中发现数量较多的生活在淡水环境中的盘星藻和细刺藻化石相吻合。少数样品处于淡水-半咸水的沉积环境(图5)，说明平湖组存在一定程度海侵作用的影响。

4.2.3 古气候特征

古气候对湖泊生产力、 沉积水体的氧化还原条件及陆源物质供给具有控制作用，从而影响沉积物的矿物组成和元素分布及其相对含量，是控制盆地沉积过程的根本因素[31-33]。选取对古气候较为敏感的w(Rb)/w(Sr)和w(Rb)/w(Sr)对研究区古气候特征进行讨论。通常情况下，当w(Sr)/w(Cu)值处于1.3～5.0时，指示气候温暖潮湿；5.0～10.0，指示半潮湿-半干旱气候；当大于10.0时，指示处于炎热干旱的气候。w(Rb)/w(Sr)值变化趋势同w(Sr)/w(Cu)值恰好相反，比值越高指示气候越温暖潮湿。

图5 平湖组样品w(Sr)∶w(Ba)与w(Sr)的关系Fig.5 w(Sr)∶w(Ba)-w(Sr) relation of samplesfrom Pinghu Formation

研究区平湖组样品的w(Sr)/w(Cu)值在1.50～9.99，均值为3.64；w(Rb)/w(Sr)值为0.14～1.85，均值为0.93。从图6可以看出，平湖组上段、中段下部和下段样品的w(Sr)/w(Cu)值均小于5.0，w(Rb)/w(Sr)值较大；平湖组中段上部样品的w(Sr)/w(Cu)值大于5.0，w(Rb)/w(Sr)值较小。分析认为平湖组存在一定程度的气候变化，平湖组上段、中段下部以及下段总体处于温暖潮湿的气候，平湖组中段上部处于干热的气候，总体上气候有逐渐变温暖潮湿的趋势。

图6 平湖组样品w(Sr)/w(Cu)和w(Rb)/w(Sr)垂向演化概况Fig.6 Vertical distributions of w(Sr)/w(Cu) and w(Rb)/w(Sr) of samples from Pinghu Formation

4.3 物源识别

沉积后期的风化、成岩以及蚀变等次生作用对沉积岩中的稀土元素(ΣREE)组成影响较小，稀土元素组成主要受源岩成分的控制。因此，沉积岩中稀土元素特征能够有效表征研究区的物源及构造环境[16-20]。

稀土元素总质量分数(ΣREE)与各微量元素质量分数的相关性是识别物源的重要参数，相关性的主要指标为相关系数|r|。相关系数越接近1时，说明关系越密切；反之则缺乏关联。由表1中相关系数结果发现，Sc、Ti、Cr、Rb、Nb、Zr、Hf、Ta、Th等亲石元素与ΣREE呈良好的正相关性，指示平湖组泥岩的稀土元素主要来源于陆源碎屑矿物。

δEu是判断沉积物源的另一个重要参数。当花岗岩为母岩时，沉积岩的δEu值通常表现为负异常；当玄武岩为母岩时，沉积岩的δEu值通常表现为无异常；当斜长岩为母岩时，沉积岩的δEu值通常表现为正异常[16-25]。研究区平湖组样品δEu值为0.85～2.06，均值为1.17，大部分样品δEu值接近1.0，表现为无明显异常，指示母岩主要为玄武岩。结合样品w(ΣREE)和w(La)/w(Yb)值的关系图(图7)可以看出，平湖组大部分泥岩样品落于碱性玄武岩和沉积岩交汇区域，少数样品落于沉积岩的区域，综合指示研究区平湖组泥岩的源岩主要为碱性玄武岩和沉积岩。

4.4 构造背景判断

稀土元素含量在不同构造背景下的差异性特征可以用来判识沉积时期的构造环境。Bhatia[1-2]针对杂砂岩不同构造背景条件下的稀土元素特征，提出利用La-Th-Sc进行构造环境的识别。许中节等[35]研究认为，泥岩稀土元素质量分数除以校正因子(校正因子为1.2)后可以转换成同期砂岩稀土元素的质量分数。

图7 平湖组样品w(ΣREE)与w(La)/w(Yb)的关系(据文献[34])Fig.7 w(ΣREE)-w(La)/w(Yb) relation of samples from Pinghu Formation[34]

由于平湖斜坡带平湖组样品主要为泥岩岩屑，换算后建立La-Th-Sc相关性，进行构造背景分析。如图8所示，平湖组的样品表现一致，均落于大陆岛弧区域，由此判断研究区平湖组的物源区处于大陆岛弧的构造环境中，物源较为单一。

图8 La-Th-Sc判别图(据Bhatia and Crook[3])Fig.8 La-Th-Sc discrimination diagram[3]

5 结 论

(1)平湖斜坡带平湖组存在明显的轻、重稀土元素分异现象，总体呈现LREE相对富集、HREE相对亏损、Eu正异常以及Ce微弱负异常的特征。

(2)平湖斜坡带平湖组整体处于弱氧化-弱还原的沉积环境，以淡水沉积环境为主，局部存在海侵作用的影响。

(3)平湖斜坡带平湖组沉积时期存在一定程度的气候变化，其中平湖组上段、中段下部以及下段处于温暖潮湿的气候，平湖组中段上部处于干热的气候，总体有逐渐变温暖潮湿的趋势。

(4)平湖组的物源区处于大陆岛弧的构造环境中，物源较为单一；稀土元素主要来源于陆源碎屑输入，源岩主要为碱性玄武岩和沉积岩。