天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 4: 653 - 664

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.08.011

天然气地球化学

柴达木盆地三湖坳陷第四系泥岩元素地球化学特征及沉积环境分析

  • 王波 , 1, 2 ,
  • 田继先 , 3 ,
  • 周飞 1, 2 ,
  • 邵泽宇 1, 2 ,
  • 朱军 1, 2 ,
  • 宋德康 1, 2 ,
  • 李雅楠 1, 2 ,
  • 游仁宗 1, 2 ,
  • 张君 1, 2 ,
  • 鱼莎莎 1, 2
展开
  • 1. 中国石油青海油田分公司勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736200
  • 2. 青海省高原咸化湖盆油气地质重点实验室，甘肃 敦煌 736200
  • 3. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
田继先（1981-），男，甘肃庄浪人，博士，高级工程师，主要从事天然气综合地质研究.E-mail：.

王波（1984-），男，四川南江人，硕士，高级工程师，主要从事石油地质综合研究.E-mail：.

收稿日期: 2024-06-19

  修回日期: 2024-08-19

  网络出版日期: 2024-09-05

收起

Discussion on the elemental geochemical characteristics and sedimentary environment of Quaternary mudstone in the Sanhu Depression of Qaidam Basin， China

  • Bo WANG , 1, 2 ,
  • Jixian TIAN , 3 ,
  • Fei ZHOU 1, 2 ,
  • Zeyu SHAO 1, 2 ,
  • Jun ZHU 1, 2 ,
  • Dekang SONG 1, 2 ,
  • Ya’nan LI 1, 2 ,
  • Renzong YOU 1, 2 ,
  • Jun ZHANG 1, 2 ,
  • Shasha YU 1, 2
Expand
  • 1. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Qinghai Oilfield Company，Dunhuang 736202，China
  • 2. Plateau Saline Lacustrine Basin Oil⁃Gas Geology Key Laboratory of Qinghai Province，Dunhuang 736202，China
  • 3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China

Received date: 2024-06-19

  Revised date: 2024-08-19

  Online published: 2024-09-05

Supported by

The Prospective and Basic Major Technology Project of PetroChina Company Limited(2021DJ0605)

Fold

摘要

三湖坳陷是柴达木盆地最主要的第四系生物气产区，天然气资源量巨大。为了明确气藏中泥岩储层形成的沉积环境，为储层甜点评价提供依据，通过对三湖坳陷涩北地区涩探1、涩探2井泥岩岩心样品进行手标本、镜下观察以及元素测试，分析了其元素地球化学特征及沉积环境。研究结果表明：涩探1、涩探2井样品以暗色泥岩和粉砂岩为主，发育少量白云岩，呈块状、条带状和纹层状分布，含有大量螺类、植物碎片化石，反映滨浅湖—半深湖沉积环境；具有低硅、铝弱过饱和、低钾钠、富镁钙及Ba、Sr、Rb富集，Zr、Hf、Ni亏损的特征；ICV、CIA等指数和Th/Sc-Zr/Sc判别图反映涩北地区第四系泥岩仅经历了弱—中等的风化作用，没有受到沉积分选和再旋回作用影响；Ceanom、&U、δCe等参数指示沉积时期为还原向贫氧过渡的环境；Sr含量与Th/U、V/Zr等比值反映咸水—半咸水环境；MAP、LST等参数和Sr/Cu、Zr/Rb等比值反映寒冷干旱的古气候环境，水动力弱。三湖坳陷涩北地区第四系泥岩的高可溶有机质含量，频繁的沉积水体环境变化使得纵向砂泥互层特征明显，形成了良好的储盖组合，有利于形成泥岩生物气藏。

关键词： 元素地球化学; 沉积环境; 第四系泥岩; 柴达木盆地

本文引用格式

王波 , 田继先 , 周飞 , 邵泽宇 , 朱军 , 宋德康 , 李雅楠 , 游仁宗 , 张君 , 鱼莎莎 . 柴达木盆地三湖坳陷第四系泥岩元素地球化学特征及沉积环境分析[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(4) : 653 -664 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.08.011

Abstract

Sanhu Depression is the most important biogas-producing area of the Quaternary in Qaidam Basin， with huge natural gas resources. In order to clarify the depositional environment for the formation of mudstone reservoirs in gas reservoirs and provide a basis for reservoir sweet spot evaluation， this paper analyzes the elemental geochemical characteristics and sedimentary environment of mudstone core samples from Wells ST1 and ST2 in Sebei area of Sanhu Depression through hand specimen analysis， microscopic observation and elemental testing. The findings reveal that samples from Wells ST1 and ST2 are predominantly composed of dark mudstone and siltstone， interspersed with dolomite in block， band， and laminar forms. They contain a great number of snails and plant fragments， reflecting the sedimentary environment of shallow lakes and semi-deep lakes. It has the characteristics of low silicon， weak supersaturation of aluminum， low potassium sodium， rich in magnesium and calcium， enrichment of Ba， Sr and Rb， and loss of Zr， Hf and Ni. The ICV and CIA indices， along with Th/SC-Zr/Sc discriminant maps， suggest that the Quaternary mudstone in the Sebei area underwent only mild to moderate weathering and remained largely unaffected by sedimentary sorting or recycling processes. Parameters such as Ceanom， &U， and δCe indicate that the deposition period is the environment for the transition from reduction to oxygen deficiency. The ratios of Sr content to Th/U and V/Zr are indicative of a saline water to brackish water environment. Moreover， the MAP and LST parameters， as well as Sr/Cu， Zr/Rb ratios collectively reflect a cold and dry paleoclimatic environment with weak hydrodynamics. The high soluble organic matter content of Quaternary mudstone in the Sebei area of the Sanhu Depression， coupled with frequent changes in sedimentary water environments， has resulted in distinct vertical sand-mud interbedded characteristics， forming a favorable reservoir cap combination and facilitating the formation of mudstone biogas reservoirs.

Key words： Elemental geochemistry; Depositional environment; Quaternary mudstone; Qaidam Basin

0 引言

沉积环境影响砂体和烃源岩的分布，对有效储盖组合的形成具有决定性作用，因此，通过元素地球化学特征及分布规律研究有助于了解其古沉积环境，从而为评价烃源岩及储层分布提供依据，并且在不同盆地取得良好效果［1-3］。柴达木盆地是青藏高原最大的含油气盆地，在东部三湖地区第四系中探明了我国最大的生物气藏，探明储量近3 000×108 m3，其埋藏较浅（500~1 800 m），产量高（直井单井日产量0.9×104~5.0×104 m3），资源潜力大［4-6］。已发现的生物气藏储层以砂岩为主，近年来在泥岩储层中同样发现了工业气流，证实第四系泥岩同样具备形成良好储集层的条件，生物气总体具有边生成、边运移、边成藏的特征［7-10］。因此，开展沉积环境分析对于明确泥岩储层特征、烃源岩分布等具有重要意义。柴达木盆地在更新世早期，柴东地区发生快速沉降形成三湖坳陷。第四纪沉积中心和沉降中心均在三湖坳陷附近，最大厚度超过3 000 m。前人对于三湖坳陷第四系的研究，主要集中于生物气的形成机理、影响因素以及储层有效性评价等方面［11-14］，在古气候、古盐度及风化程度方面研究较少，缺少以泥岩岩心样品为研究对象的元素及沉积环境方面的研究，制约了生物气富集规律研究及勘探领域拓展。因此，本文尝试通过对柴达木盆地三湖坳陷涩北气田涩探1井和涩探2井第四系岩心样品进行手标本和显微镜下的观察描述、元素地球化学、有机地球化学分析测试，揭示涩北地区第四系泥岩的沉积相、化学风化程度、古气候、古盐度以及水动力条件等特征，并对沉积环境进行详细的刻画，探讨了沉积环境、古气候与第四系生物气生成和聚集成藏之间的关系，以期为第四系泥岩生物气勘探提供地质依据。

1 地质概况

柴达木盆地位于青藏高原的东北隅，西邻阿尔金山构造带，北邻祁连山构造带，南邻东昆仑山构造带［5］［图1（a）］，是一个中新生代内陆大型山间含油气盆地［5］。柴达木盆地划分为西部坳陷、北缘块断带、三湖坳陷3个一级构造单元［11］。三湖坳陷位于盆地东南部，西起船形丘构造，东至南北霍布逊湖，北接一里坪坳陷和柴北缘隆起，南至昆仑山前边界断裂，面积约为30 000 km2，探明天然气地质储量约占青藏高原的80%，是目前世界上极为典型的、规模较大且最为年轻的第四系生物气田。三湖坳陷基底稳定、地层变形弱、褶皱和断层均不发育，可划分为北斜坡区、中央凹陷区、南斜坡区、西斜坡区和东斜坡区5个二级构造单元。涩北地区位于东台吉乃尔湖与涩聂湖之间，是北斜坡区和中央凹陷区的交界区［图1（b）］。第四系发育一套湖相地层，埋藏浅，地层疏松，沉积厚度超过了3 000 m［4］，巨厚的沉积物为第四系生物气的形成提供了充足的气源岩，也提供了广阔的储集空间。受南部昆仑山物源控制，整体以三角洲—滨浅湖沉积体系为主，北斜坡区岩性主要以泥岩、泥质粉砂岩和砂岩为主，纵向上总体以砂泥岩互层为主，粒度小，岩性变化较快［6］。
图1 柴达木盆地三湖坳陷位置（a）与构造简图（b）及采样位置测井剖面（c、d）

Fig.1 The location（a） and structural diagram（b） of the Sanhu Depression in the Qaidam Basin， and the log profiles of the sampling sites （c， d）

2 样品及分析方法

本文研究样品采自柴达木盆地东南部三湖坳陷涩北地区的涩探1井和涩探2井第四系钻孔岩心，其中涩探1井的19个样品连续取自1 208.03~1 319.88 m深度范围［图1（c）］，涩探2井的59个样品连续取自1 680.83~1 745.88 m深度范围［图1（d）］，样品均为泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。对采样井段和采集的样品进行了详细的手标本和显微镜下观察、描述，在确定所采样品的组成和结构没有经历过强烈的蚀变、矿化或二次风化后，分别对样品进行了主、微量元素、总有机碳（TOC）和可溶有机质含量测试。用Bruker S2PUMA波长色散X射线荧光光谱仪进行主量元素分析测试（依据国家标准GB/T 14506.28—93，以下类似），用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS对使用HF+HNO3密封溶解的样品进行微量元素分析测试（GB/T 14506.30—2010），用LECOCS-230碳硫分析仪对样品进行TOC含量测试（GB/T 19145—2003），样品中可溶有机质含量测定采用索氏抽提法（依据行业标准SY/T 5119—2016），先称取3 g样品，用滤纸包好，105 ℃烘干3 h，冷却至室温后再次称重，然后放入抽提筒抽提，抽提溶剂为无水乙醚，抽提完毕后105 ℃烘干2 h，再次称重，然后根据称重结果计算可溶有机质含量；上述实验均在中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室完成。

3 分析结果

3.1　岩石学特征

通过对岩心样品进行手标本和显微镜下岩石薄片和铸体薄片的观察和描述，结果显示研究区样品主要为灰色泥岩和灰色、灰绿色粉砂岩（图2），少量碳酸盐岩，其中泥岩包括含粉砂泥岩、粉砂质泥岩和含灰粉砂质泥岩，粉砂岩包括泥质粉砂岩和云质粉砂岩，发育部分白云岩［图3（j）］，发育块状［图2（b），图2（e），图2（f），图2（b），图3（j）］、条带状［图2（h），图3（d），图3（f），图3（h），图3（k），图3（l）］、纹层状构造［图2（a），图2（c），图2（f），图3（a）—图3（c），图3（e），图3（g），图3（i）］，常见粉砂岩条带、炭质条带和灰质泥岩条带互层［图2（h）］，反映滨浅湖—半深湖的沉积环境。
图2 涩探1井和涩探2井岩心照片

（a）涩探1井，埋深1 268.00 m，灰色纹层状粉砂质泥岩，含炭化植物碎片；（b）涩探2井，埋深1 682.50 m，灰白色块状含砂质泥岩，含螺化石和炭化植物根茎化石；（c）涩探1井，埋深1 268.00 m，灰色纹层状粉砂质泥岩，含螺化石和炭化植物根茎化石；（d）涩探1井，埋深1 275.00 m，深灰色块状含粉砂质泥岩，含螺类化石；（e）涩探2井，埋深1 681.10 m，灰色块状泥质粉砂岩，含双壳类化石；（f）涩探2井，埋深1 680.90 m，块状粉砂质泥岩，含植物叶片化石；（g）涩探2井，埋深1 746.07 m，纹层状灰色泥岩、粉砂岩互层；（h）涩探2井，埋深1 696.95 m，灰色条带状含粉砂灰质泥岩，含炭质条带和灰质泥岩条带

Fig.2 Core photographs from Wells Setan 1 and Setan 2

图3 涩探1井和涩探2井样品显微镜下岩石学特征

（a）涩探1井，纹层状粉砂质泥岩（单偏光）；（b）涩探1井，长英质碎屑为主的亮纹层（铸体薄片，单偏光）；（c）纹层状含云粉砂质泥岩，含黏土球粒，椭圆形，粒径为0.08~0.22 mm，顺层分布（单偏光）；（d）涩探1井，条带状粉砂质泥岩（单偏光）；（e）涩探1井，纹层状粉砂质泥岩，含黄铁矿，黄铁矿一部分集聚成纹层状，其余为颗粒，分布在黏土矿物内（单偏光）；（f）涩探1井，条带状含云粉砂质泥岩，含黄铁矿，黄铁矿为粒状，草莓状，呈条带状分布（单偏光）；（g）涩探1井，纹层含文石球粒状粉砂质泥岩，亮纹层内含较多泥晶文石球粒，球粒粒径为0.12~0.28 mm，圆—椭圆，长轴与纹层走向趋于一致，含少量鲕粒，鲕粒边缘被纤维状文石胶结，放射状生长，暗纹层内不含球粒（单偏光）；（h）涩探2井，条带状含泥晶球粒粉砂质泥岩，黏土矿物为主，黏土内含大量泥晶方解石形成的球粒，粒径为0.09~0.22 mm，长轴定向（单偏光）；（i）涩探2井，纹层状构造，粉砂质泥晶结构（铸体薄片，单偏光）；（j）涩探2井，粉砂质粉晶白云岩，围岩以粉晶白云石为主，内含少量长英质等碎屑矿物，碎屑矿物呈分散态，次棱角状—次圆状，分选差（单偏光）；（k）涩探2井，条带状含粉砂泥岩；（l）涩探2井，条带状粉砂质泥岩（单偏光）

Fig.3 Microscopic petrological characteristics of samples of Wells Setan 1 and Setan 2

含有大量炭化植物碎片、炭化根茎化石［图2（a），图2（c），图2（f）］，常见于纹层状或条带状泥岩中，同时还大量发育螺类化石［图2（c）—图2（e）］，炭质条带中发育黄铁矿。总体来看，纹层状和条带状粉砂质泥岩是2种主要的类型：①纹层状粉砂质泥岩［图2（a），图2（c），图2（g），图3（a）—（c），图3（e），图3（g），图3（i）］：通常纹层状粉砂质泥岩分为亮纹层和暗纹层，亮纹层主要由碎屑矿物（石英、斜长石、方解石、白云石、白云母）组成，碎屑颗粒呈次棱角状—次圆状，点—线接触，分选中等，石英、长石溶蚀较强烈，白云石与方解石呈他形粒状，分布在碎屑内，白云母杂乱分布，黏土为填隙物，暗纹层的主要矿物为黏土，碎屑矿物呈星点状分布，黏土呈纹层状分布，部分暗纹层内含条带，顺层分布［图3（c）］。②条带状粉砂质泥岩［图2（h），图3（d），图3（f），图3（h），图3（k），图3（l）］：主要矿物为黏土，其次为粉晶白云石，内部条带状构造发育，条带呈透镜状、规则带状和其他不规则形状，含少量石英、斜长石、方解石、白云石、白云母等碎屑，碎屑分布不均匀，局部集聚，常见条带状构造分为2类：一类以长英质碎屑为主，长英质条带受扰动影响，形态呈波浪状；另一类以粉晶方解石形成条带为主［图3（d）］。

3.2　地球化学特征

对研究区样品进行主、微量元素测试，结果显示，2口井岩心样品所显示出的主量元素特征趋势大体相同（表1），主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO，其中以SiO2含量最高在21.08%~54.62%之间，平均值为48.17%，低于全球平均上大陆地壳（Upper Continental Crust，UCC）［15］。其次为Al2O3，含量在7.56%~18.34%之间，平均值为15.23%，与UCC含量一致，CaO和MgO的含量分别为1.23%~19.12%和2.52%~13.83%，平均值分别为7.91%和3.81%，均高于UCC，Fe2O3含量在3.24%~10.93%之间，平均值为5.52%，与UCC含量基本一致。总体来看具有低硅、富镁钙的特征（图4）。
表1 涩探1井和涩探2井样品主微量元素含量统计（UCC数据引自RYDNICK等[15]）

Table 1 Content of main and trace elements in samples from Wells Setan 1 and Setan 2(UCC data from RYDNICK et al.[15])

样品 主量元素含量/%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O MnO TiO2 P2O5
涩探1井含量 21.08~52.54 7.56~18.10 3.24~9.21 4.01~19.12 3.05~13.83 1.42~4.06 1.65~3.10 0.07~0.21 0.27~0.63 0.09~0.15
涩探1井平均值 46.00 14.73 4.99 9.62 4.41 3.09 2.66 0.10 0.50 0.12
涩探2井含量 38.76~54.62 8.41~18.34 3.74~10.93 1.23~15.85 2.52~4.60 1.65~4.21 1.79~4.75 0.04~0.25 0.32~0.73 0.09~0.22
涩探2井平均值 49.65 15.57 5.89 6.75 3.41 3.48 3.41 0.12 0.58 0.12
UCC平均值 66.60 15.40 5.04 3.59 2.48 2.80 3.27 0.10 0.64 0.15
样品 微量元素含量/10-6
Ba Sr Zr U Th Hf Ni V Rb Sc
涩探1井含量

465.701~

2 586.86

 108.24~921.34 76.69~179.76 2.42~9.27 8.69~19.63 2.17~5.06 20.48~53.36 38.27~118.19 44.11~244.92 5.80~16.86
涩探1井平均值 1 267.03 420.98 142.13 5.17 14.8 3.96 34.70 87.93 151.10 12.19
涩探2井含量

594.52~

7 292.71

141.5~

1 525.67

 51.00~192.90 0.66~6.06 1.53~17.22 1.33 ~ 4.48 12.31~68.86 23.95~119.35 31.91~162.13 6.69~27.91
涩探2井平均值 1 511.63 410.40 129.63 1.81 7.31 3.53 36.02 93.17 103.35 16.00
UCC平均值 628.00 320.00 193.00 2.70 10.50 5.30 47.00 97.00 82.00 14.00

注：21.08~52.54=最低值—最高值

图4 涩探1井和涩探2井样品主微量元素与UCC元素标准化蛛网图

Fig.4 Standardized spider web diagram of main and trace elements and UCC elements in samples from Wells Setan 1 and Setan 2

微量元素含量最高的是Ba、Sr和Zr，2口井岩心样品的Ba含量在465.701~7 292.71 μg/g之间，平均值为1 418.68 μg/g，Sr含量在108.24~1 525.67 μg/g之间，平均值为414.42 μg/g，Zr含量在51.00~192.90 μg/g之间，平均值为134.38 μg/g，高场强元素U、Th、Hf含量分别为0.66~9.27 μg/g、1.53~19.63 μg/g、1.33~5.06 μg/g，平均含量分别为3.09 μg/g、10.16 μg/g、3.69 μg/g。从微量元素的上地壳标准化蛛网图（图4）可以看出Ba、Sr、Rb明显富集，Zr、Hf、Ni亏损，V、Sc与上陆壳相当。
涩探1井样品的TOC含量变化范围在0.07%~0.29%之间，平均为0.16%，可溶有机质含量介于0.46%~1.44%之间，平均值为0.93%；涩探2井样品的TOC含量变化范围在0.08%~0.59%之间，平均为0.24%，可溶有机质含量介于0.23%~1.34%之间，平均值为0.84%。

4 沉积环境分析

4.1　沉积分选与再旋回

COX等［16］在研究再旋回过程中泥质岩的化学特征时，提出成分变异指数（Index of Compositional Variability， ICV），用来判断沉积物的成分成熟度和是否发生再旋回作用，ICV的计算公式如下：ICV=（Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2）/ Al2O3，式中各氧化物均为摩尔百分含量，CaO*为硅酸盐中CaO的摩尔含量，计算方法为［17］：①使用P2O5对磷灰石中的CaO进行校正（CaO′=CaO－10/3×P2O5）；②CaO*=Min（CaO′，Na2O），下同。ICV<1，说明样品成分成熟度高、可能经历了再旋回作用或首次沉积条件下经历了强烈的风化作用，ICV>1，可能代表首次沉积的未成熟泥质岩。涩探1井的ICV范围在1.42~6.10之间，平均值为2.08，涩探2井的ICV范围在1.46~2.69之间，平均值为1.73，均大于1［图5（a）］，故属于构造活动背景下的首次沉积，可以排除沉积分选和再旋回作用的影响。Th/Sc—Zr/Sc图能够反映沉积物是否分选以及再旋回作用的影响［18］。沉积再循环会轻微提高沉积岩的Th/Sc值，而大幅度提高Zr/Sc值。在Th/Sc—Zr/Sc判别图中，Th/Sc值和Zr/Sc值变化趋势与岩浆分异造成的成分分异演化线基本重合，ST1、ST2几乎所有点都沿着玄武岩—安山岩—英安岩—UCC—花岗岩成分演化线分布，且主要在上地壳附近［图5（b）］，这同样表明沉积物没有受到沉积分选和再旋回作用影响或只经历了微弱的沉积旋回。
图5 样品ICV值分布（a）以及Th/Sc—Zr/Sc判别图（b，据MCLENNAN［17］ ）

Fig.5 Distribution of ICV values in samples （a）， and Th/SC-Zr/Sc discrimination diagram （b， modified from MCLENNAN［17］）

4.2　化学风化

化学蚀变指数（Chemical Index of Alteration， CIA）被广泛地应用于判断沉积物的化学风化程度［19］，公式为：CIA=100×［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］。随着气候由寒冷干旱变得温暖湿润，化学风化作用增强，CIA值也会随之升高［20-21］。CIA<50，反映未经蚀变；CIA=50 ~ 65，反映寒冷干旱、低化学风化程度；CIA=65 ~ 85，反映温暖湿润、中等化学风化程度；CIA=85 ~ 100，反映炎热潮湿、高等化学风化程度。使用CIA判断沉积物风化程度和古气候时应该注意，再旋回的母岩物质在经历二次风化后，会导致CIA值偏大，从而不能准确地反映风化程度及古气候，如果选取ICV<1的样品，无法排除沉积再旋回作用的影响，本文所选样品的ICV>1（图5），排除了沉积再旋回作用对CIA的影响。涩北地区第四系泥岩样品的CIA值为46.19 ~ 58.06，平均为53.69，表明遭受的风化程度很低（图6）。
图6 样品A—CN—K三角图

Fig.6 Triangular plot of A-CN-K

在A—CN—K（Al2O3—（CaO*+Na2O）—K2O）三角图解中（图6），理想风化趋势线为理论上，在没有钾交代的条件下，初始成分开始风化的路径，它平行于A—CN边。涩探1、涩探2井样品实际风化趋势线几乎平行于理想风化趋势线，说明钾交代作用对样品的影响不显著，样点全部位于后太古代澳大利亚页岩（Post-Archean AustralianShale， PAAS）和UCC之间［15］，说明风化作用处于低级阶段，基本保留了原始沉积物的信息。

4.3　氧化—还原环境

在沉积过程中，沉积物与水介质之间有着复杂的地球化学平衡，运用沉积物元素含量的波动性提取环境演变信息是研究环境变化的常用手段之一，在不同的自然环境下，不同元素的分解、迁移、富集等特征不同，因此，沉积物中明显受氧化还原状态控制的元素及其比值的波动在一定程度上可以反映沉积时的环境条件［3］。Ceanom、Ce/La、V/（V+Ni）、&U、δCe、δEu是可靠的判别沉积物沉积时底层水体氧化—还原环境的指标［1-3］。
Ce通常富集于还原环境下的沉积物中，Ce与La、Nd之间的方程关系称为铈异常指数（Ceanom），当Ceanom>-0.1时，指示缺氧环境，当Ceanom<-0.1时，指示氧化环境［22］；相同的原理下，Ce/La可用于判别氧化还原环境，Ce/La<1.5指示为氧化环境，Ce/La>2为还原环境。与Ni相比，V更容易在缺氧条件下富集，因此，V/（V+Ni）>0.84代表水体分层的厌氧环境，V/（V+Ni）值介于0.54~0.72之间代表水体分层不强的厌氧环境，比值介于0.46~0.60指示水体分层弱的贫氧环境，小于0.46指示富氧的沉积环境。Th和U元素的化学性质在还原环境下十分相似，但在氧化条件下差别却很大，基于这2种元素的地球化学性质差异，常利用&U法判断沉积环境的氧化还原状态，若&U>1，表明为缺氧环境，若&U<1，则说明为氧化的水体环境。稀土元素中的Ce和Eu元素可以不呈现正三价而表现出不同于其他稀土元素的性质，从而和其他三价稀土元素发生分离，出现异常行为，在不同的沉积环境下常可造成正或负的异常，所以也通常将δCe和δEu异常作为判断沉积环境氧化—还原状态的指标，δCe或δEu<1时表示亏损，代表氧化环境，δCe或δEu>1表示正常或过剩，代表还原环境［1］。
如表2所示，本文对各微量元素含量进行了研究，Ceanom指示研究区为缺氧还原环境，Ce/La、V/（V+Ni）、&U、δCe和δEu指示研究区为贫氧过渡环境。综合判断涩探1、涩探2井样品沉积时期为缺氧还原向贫氧过渡环境。
表2 氧化—还原环境判别指标

Table 2 Indices for discriminating oxidation-reduction environments

氧化还原环境 Ceanom Ce/La V/（V+Ni） &U δCe δEu
缺氧，还原环境 >约0.1 >2.0 >0.84 >1.0 >1.0 >1.0
贫氧，过渡环境 约0.1 1.5~2.0 0.60~0.84 约1.0 约1.0 约1.0
富氧，氧化环境 <约0.1 <1.5 <0.60 <1.0 <1.0 <1.0
涩探1井 约0.09~0.01 1.73~2.24 0.58~0.75 0.70~1.52 0.80~0.99 0.76~0.89
涩探1井平均值 约0.07 1.86 0.71 1.00 0.84 0.82
涩探2井 约0.09~约0.02 1.66~1.95 0.61~0.76 0.42~1.58 0.77~0.93 0.67~1.23
涩探2井平均值 约0.05 1.81 0.72 0.82 0.86 1.07

注：Ceanom=Lg[3*CeN/（2*LaN+NdN）]；&U=U/[0.5*（Th/3+U）]；δCe=2*CeN/（La+Pr）N；δEu=2*EuN/（Sm+Gd）N；式中:N代表北美页岩标准化数值

4.4　古盐度

古盐度通常作为地质历史时期海陆变迁的一个重要参数，判别和测定方法众多，如应用古生物、岩矿和古地理资料定性描述水体盐度［23-24］，本文应用微量元素地球化学方法半定量划分水体盐度［25］（表3）。
表3 古盐度判别指标

Table 3 Indices for paleosalinity estimation

古盐度 Sr/（μg/g） Th/U V/Zr Zr/Cu
咸水 >160 <2.0 >0.5 <10
半咸水 90~160 2~7 ~0.5 ~10
淡水 <90 >7.0 <0.5 >10
涩探1井 108.24~921.34 0.94~5.53 0.50~0.74 2.50~5.03
涩探1井平均值 420.98 3.31 0.62 3.59
涩探2井 141.50~1 525.67 0.79~11.15 0.46~0.95 0.23~5.44
涩探2井平均值 410.40 5.10 0.72 2.31
（1）Sr、Ga含量判别法。Sr>160×10-6为咸水沉积，Sr<90×10-6为淡水沉积，介于二者之间为半咸水沉积。涩探1井和涩探2井的Sr含量均大于90，指示咸水环境。
（2）Th/U比值法。Th/U<2.0，为咸水沉积，Th/U值介于2~7之间为微咸水—半咸水沉积，Th/U>7，为淡水沉积，本文涩探1井样品Th/U平均值为3.31，涩探2井样品Th/U平均值为5.10，为半咸水沉积。
（3）V/Zr和Zr/Cu比值法。当V/Zr<0.5，指示陆相淡水；V/Zr>0.5，指示海相咸水；Zr/Cu>10，指示陆相淡水；当Zr/Cu<10，指示海相咸水。V/Zr值指示研究区2口井为咸水—半咸水环境，Zr/Cu值指示2口井样品处于咸水环境。
根据Sr含量与Th/U值、V/Zr与Zr/Cu值交会图（图7）综合判断当时沉积介质古盐度为咸水—半咸水环境。
图7 Sr含量与Th/U值以及V/Zr与Zr/Cu值交会图

Fig.7 Crossplot of Sr content to Th/U ratio and V/Zr to Zr/Cu ratio

4.5　古气候

4.5.1 主量元素指示的古气候

若化学风化指数（Chemical Index of Weathering， CIW）与CIA值呈较强的线性相关，则CIA值对古气候的演化指示具有准确性；反之，CIA值则不能很好地反映古气候环境［3，20］。在CIW—CIA图解中CIW值与CIA值具有较强的线性相关性（ST1和ST2的R 2分别为0.99、0.98），故CIA指示意义可信度高［图8（a）］。研究区CIA平均值为53.69指示涩北地区在第四纪处于寒冷干燥的气候条件下。
图8 CIW—CIA（a）、SiO2—（Al2O3+K2O+Na2O）（b）和MAP—LST（c）判别图解

Fig.8 CIW-CIA （a）， SiO2 -（Al2O3+K2O+Na2O） （b）， and MAP-LST （c） discrimination diagrams

沉积物的SiO2/（Al2O3+K2O+Na2O）值越小说明越干旱，涩探1井和涩探2井样品具有低硅、高铝、低钾钠的特征，在SiO2—（Al2O3+K2O+Na2O）图解上显示出干旱—半干旱环境［图8（b）］。
前人认为利用CIW值［CIW=100×Al2O3/（Al2O3+Na2O+CaO*）］可以计算出年平均降水量（Mean Annual Precipitation，MAP=221.12×e0.019 7×CIW）［26］；本文由此计算出2口井样品的年降雨量为640.54~903.86 mm，平均为784.14 mm，属于中低降水量区。根据前人提出的陆地地表温度计算公式（Land Surface Temperature，LST=0.56×CIA－25.7），得出2口井样品的陆地地表温度为0.17~6.82 ℃，平均为4.36 ℃，为寒冷气候。
从图8（c）可以看出年降雨量与陆地地表温度有极强的相关性，这可能是因为随着地表温度的升高，水循环加快，蒸发量加大，大气中水汽增多，降水量也随之增多，证明了上述MAP和LST数据的可靠性。

4.5.2 微量元素指示的古气候

沉积岩中的微量元素对古气候的恢复有一定的指示意义［27］。Sr是典型的喜干型元素，Cu是喜湿型元素，Sr/Cu值对气候具有敏感的变化，通常认为Sr/Cu值处于1.3~5.0是温暖湿润气候的标志，大于5.0是干旱气候的标志［27］，涩探1井和涩探2井样品的Sr/Cu值变化范围大（图9），说明沉积时期的气候波动较大，但基本均大于5.0，整体处于干燥气候环境。Rb/Sr值在古气候研究中有一定参考价值［28］，温暖湿润的气候下Rb/Sr值大（>0.8），干旱气候下Rb/Sr值小（<0.8）。涩探1井样品的Rb/Sr值在0.179 5~1.374 3之间（均值为0.467 9），涩探2井样品的Rb/Sr值在0.020 9~0.627 1之间（均值为0.367 14），总体上较低，表明涩探1、涩探2井沉积期为相对干旱的古气候环境。
图9 涩探1、涩探2井元素地球化学指标垂向变化特征

Fig.9 Vertical variation characteristics of element geochemical indexes of Wells Setan 1 and Setan 2

4.6　水动力

Zr/Rb值可反映水动力强弱和定性表征古水深，Zr/Rb值越小，水体越深、水动力越弱，Zr/Rb>2指示浅水高能环境，而Zr/Rb<2指示深水低能环境［29］。涩探1井和涩探2井样品的Zr/Rb平均值分别为1.10、1.35，指示了水体较深、水动力弱。
Th/U值的大小在一定程度上可以反映水体深度的变化，比值越大说明水深越小，氧化程度越高，庞军刚等［30］研究认为当沉积物的Th/U值>30时，反映水深小于15 m的氧化环境，当Th/U值<10时，反映水深大于25 m的还原环境。涩探1、涩探2井样品的Th/U平均值分别为3.31和5.10，均小于10，反映其可能主要形成于低Th/U值的深水还原环境。

5 地质意义

沉积环境和古气候的变化控制着生物的发育和繁衍，从而决定了烃源岩的形成与演化［5］。涩探1、涩探2井第四系厚层块状、纹层状暗色泥岩、大量生物化石以及各种元素地球化学指标显示涩北地区第四系泥岩沉积期具有弱化学风化、还原、咸水—半咸水以及寒冷干旱的环境特征，水动力条件弱且水体深度相对较大。
喜干冷的草本植物大量繁殖［图2（a）—图2（c），图2（f）］，为涩北地区第四系泥岩输入了丰富的陆源有机质，包括最容易被甲烷菌降解利用的纤维素及淀粉等有机营养物质。低温、高盐、还原环境条件有效抑制了甲烷菌的生物降解作用［10，15］，保护了形成生物气的有机质不被过早地消耗，减缓了沉积有机质的转化进程，有助于进入深埋后，抑制作用解除，甲烷的生成速度提高，进而达到生物产气的高峰，生成的天然气在欠压实、高孔渗的粉砂岩中储集，被上覆厚层顶板泥岩封盖，之后在同沉积背斜圈闭中聚集成藏［13］。这可能是柴达木盆地三湖坳陷涩北地区第四系生物气得以在较大埋藏深度下大量生成并聚集成藏的重要原因。
涩北地区第四纪沉积的巨厚泥岩暗示该时期咸化湖盆的沉积速率很高。研究表明，高沉积速率状态下，沉积水体古生产力条件是影响有机质富集的主要因素，但第四系烃源岩TOC平均值仅为0.20%（图9），指示有机质并没有很好的富集、保存。实际上测得的TOC代表有机质进入生物气生气阶段以后没有被微生物利用的残存的有机碳含量，不能作为划分生物气源岩的标准。而测得的可溶有机质含量平均值为0.76%，丰度远高于TOC（图9），其更适合微生物改造，所以，本文认为涩北地区可供微生物改造的有机质以可溶形式存在，生物气生成阶段，可溶有机质是重要母质。综合来看，沉积环境和高可溶有机质含量是三湖坳陷第四系能形成大型生物气藏的基础。
从纵向上来看，虽然2口井取心以泥岩为主，沉积物粒径小，分层性弱，砂、泥岩频繁交互，特别是砂岩、碳酸盐岩等粒度较粗的段含气量明显较高，不同沉积环境变化形成了砂泥岩的互层。干旱、半还原、浅水环境下砂岩、碳酸盐岩较为发育，有利于形成良好的泥岩储层。而半干旱、低盐度、深水还原环境下有利于泥岩形成，可溶有机质高，从而形成优质烃源岩层。第四系沉积环境的快速变化，造成了砂泥岩沉积的频繁间互，不仅形成了最佳生储配置比，而且构成了良好的生储盖组合，特别是湖盆中心厚层泥岩段中，频繁变化的水体沉积环境有利于形成良好的泥岩储层气藏，是有利的生物气勘探领域。

6 结论

（1）柴达木盆地三湖坳陷涩北地区涩探1、2井样品以暗色泥岩和粉砂岩为主，发育少量白云岩，呈块状、条带状和纹层状分布，含有大量螺类、植物根茎碎片，反映滨浅湖—半深湖沉积环境。元素地球化学具有低硅（SiO2=47.98％）、铝弱过饱和（Al2O3=14.48％）、低钾钠（K2O+Na2O=5.83％）、富镁钙（MgO=3.92％，CaO=8.83％）的特征。
（2）ICV、CIA等指数和Th/Sc—Zr/Sc判别图反映涩北地区第四系泥岩仅经历了弱—中等的风化作用、没有受到沉积分选和再旋回作用影响；Ceanom、&U、δCe等参数指示沉积时期为还原向贫氧过渡的环境；Sr含量与Th/U、V/Zr等值反映咸水—半咸水环境；MAP、LST等参数和Sr/Cu、Zr/Rb等值反映寒冷干旱的古气候环境，水动力强度较弱。
（3）三湖坳陷涩北地区第四系沉积环境变化较快，造成纵向上砂泥岩互层明显，泥岩的高可溶有机质含量，配合沉积时期还原、咸水—半咸水、干冷以及弱水动力的沉积环境形成的薄砂储层，形成了良好的生储盖组合，是三湖坳陷第四系能形成泥岩生物气藏的基础，具有良好的勘探前景。

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