黑龙江兰西地区三叠系老龙头组沉积岩元素地球化学特征及古环境

王金奎 党 胤 张文婧 马永义 聂志阳 黄清华

（1. 中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712；2. 黑龙江省陆相页岩油重点实验室，黑龙江大庆 163712；3. 中国石油大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江 大庆 163414）

0 引 言

沉积岩中痕量元素、稀土元素与沉积环境密切相关，一些元素具有较强的指示意义，因此，可以利用元素地球化学特征来探讨古气候、古盐度、古氧化还原条件等［1-2］。二叠纪—三叠纪之交的生物集群绝灭事件、古气候与古环境突变事件一直是全球研究的热点问题之一，科学家们在此领域孜孜以求，开展了界线地层、沉积层序、生物演化、稳定同位素和元素地球化学等多科学联合攻关研究，并在全球海相地层发育区取得许多重要的研究成果［3-4］。

中国北方广大地区三叠系以陆相为主，其地层序列体现为统一的古气候条件控制下的沉积组合，即早、中三叠世干旱-半干旱气候条件下的红色碎屑沉积，中三叠世晚期至晚三叠世温湿气候下的深色含煤、含油页岩沉积［5］。由于陆相二叠系—三叠系界线存在地层发育不连续、界线不明确和古生物化石缺失等地质记录不完备的情况，可见，其地层、沉积、元素地球化学等地质应用研究相对于海相地层发育区要逊色得多，尤其是古气候、古环境研究报道相对较少［6］。关于松辽盆地三叠系及其沉积环境，仅见丁秋红等［7］关于松辽盆地西南部三叠系杂色碎屑岩的研究，根据孢粉化石和岩相特征提出该地区三叠系为一种干旱炎热气候条件下的富氧沉积，而对东北地区陆相三叠系老龙头组的复杂沉积建造所蕴涵的沉积环境演变信息缺少深入的研究。

黑龙江省兰西地区的Xr7 井在白垩系之下钻遇一套厚达1701 m（未钻穿）的杂色碎屑岩，基于凝灰岩和碎屑岩锆石U-Pb 同位素测年数据和岩石地层对比结果，本文将其划归老龙头组，时代定为三叠纪。这一套巨厚层杂色碎屑岩缺少有效的岩相学和古生物化石等环境指相因子，为了深入剖析Xr7 井这套杂色碎屑岩形成时的古气候和沉积环境背景，更好地服务于油气勘探决策，本文采集了部分岩心样品进行了痕量元素和稀土元素定量分析，首次获取了一批三叠系杂色沉积岩痕量元素、稀土元素数据，不仅为解决东北地区三叠系沉积环境与古气候演变提供了重要的科学依据，也为重新认识松辽盆地前白垩系构造演化与沉积建造奠定了基础。

1 区域地质背景

东北和内蒙古地区的三叠系主要分布于一些小型山间盆地中［5］。松辽盆地及其周边地区的三叠系剖面出露少，黑龙江省龙江、嫩江、黑河、逊克和内蒙古自治区布特哈旗、阿荣旗等一带出露老龙头组，内蒙古自治区科尔沁右翼前旗索伦镇一带出露哈达陶勒盖组［8-9］，兴安岭南部林西、巴林右旗、奈曼旗等一带出露幸福之路组等［10］。

基于岩石学和生物地层学特征，前人研究认为东北地区下三叠统幸福之路组、哈达陶勒盖组杂色碎屑岩是一种炎热、干燥气候条件和富氧环境下形成的河湖相沉积［7，10］。杨雅军等［11］对大兴安岭地区早三叠世地层进行了厘定，将以产早三叠世孢粉Verrucosisporites-Lundbladispora-Chordasporites组合，叶肢介Huanghestheria-Cornia-Palaeolimnadia组合及介形类Darwinula triassiana-D.rotundata组合等特征化石的杂色泥岩、砂岩、砂砾岩，夹或不夹中酸性火山岩地层统称为老龙头组，包括幸福之路组和哈达陶勒盖组。

Xr7 井位于黑龙江省绥化市兰西县燎原乡钱福屯北约0.5 km，是1 口以钻探基岩石炭—二叠系为目的层系的地质井。区域内普遍发育白垩系河湖相砂泥岩沉积，厚度一般小于2 000 m。Xr7 井白垩系登娄库组杂色砂砾岩直接覆盖在三叠系杂色碎屑岩之上，二者之间发育底砾岩。

根据Xr7 井三叠系老龙头组岩性组合特点，并参考区域上老龙头组划分方案，本文将其细分为4个岩性段，其中下部为杂色砂泥岩段（A 段），以灰色、紫色砂岩与绿灰色泥板岩为主，夹少量紫红色、黑灰色泥板岩，厚约454.4 m；中部为紫红色泥岩段（B 段），主要为深紫色、紫红色泥岩，夹少量灰色砂岩，厚346.6 m；中上部为绿灰色泥岩段（C 段），以绿灰色泥岩发育为主要特点，夹灰色砂岩，厚577 m；上部为灰色泥岩段（D 段），以灰黑色、灰色泥板岩为主，夹灰色砂岩，厚323 m（图1）。以下描述中以B、C、D 段分别代表紫红色泥岩段、绿灰色泥岩段和灰色泥岩段。

图1 Xr7井老龙头组岩性剖面及微量元素特征参数Fig. 1 Lithologic section of Laolongtou Formation in Well Xr7 and parameters of trace elements characteristics

样品均来源于Xr7 井钻井岩心。样品分析由中国科学院贵阳地球化学研究所国家重点实验室完成。经镜下薄片鉴定，可将沉积岩样品大体分为以下3 种类型：（1）砂岩，主要包括长石石英砂岩和长石岩屑砂岩（2 块）；（2）泥岩，包含紫红色泥岩、绿灰色泥岩和灰黑色泥岩（7 块）；（3）灰色泥板岩（2 块）。编号Xr7-1、Xr7-2 和Xr7-3 岩心样品为紫红色泥岩，来源于B 段，编号Xr7-4—Xr7-8岩心样品来源于C 段，编号Xr7-9、Xr7-10、Xr7-11 岩心样品来源于D 段。

使用仪器Bruker Aurora M90 ICP-MS 测定样品痕量元素。具体操作步骤参见文献［12］，标样AMH-1（andesite）和OU-6（slate）结果与推荐值［13-14］基本一致，大部分元素测定结果相对误差为±（5%～10%）。

样品稀土元素的测试结果均采用Boyton［15］推荐的球粒陨石稀土数据对样品数据进行标准化处理，标准化后的结果和参数均以下标N 标注。采用稀土元素二分法，分别为轻稀土LREE（La—Eu） 和重稀土HREE （Gd—Lu），并以w（L）/w（H）代表轻稀土与重稀土含量的比值。同时，文中δEu 和δCe 的计算，采用赵志根等［16］的计算公式：

式中：δEu——Eu 异常值；

IEu，N——Eu 球粒陨石标准化值，μg/g；

ISm，N——Sm球粒陨石标准化值，μg/g；

IGd，N——Gd 球粒陨石标准化值，μg/g；

δCe——Ce 异常值；

ICe，N——Ce 球粒陨石标准化值，μg/g；

ILa，N——La 球粒陨石标准化值，μg/g；

IPr，N——Pr 球粒陨石标准化值，μg/g；

氧化还原环境判定指标δU 计算公式为［17-19］

式中：δU——U 异常值；

w（U）——元素U 实际测量值，μg/g；

w（Th）——元素Th实际测量值，μg/g；

2 元素地球化学特征

2.1 痕量元素

对11 块沉积岩样品进行了包括Sr、Ba、Cu、V、Cr、Co、Rb、Li、Ga、U、Th 等20 个痕量元素的检测，选用能够反映沉积环境背景的特征参数列于表1 中。

表1 兰西地区Xr7井三叠系老龙头组痕量元素含量及特征参数Table 1 Trace elements contents and characteristic parameters of Triassic Laolongtou Formation in Well Xr7 in Lanxi area

从表1 中可以看出：Sr、Ba、Cu、Rb、Li、V、Cr、Ni 等痕量元素在不同颜色岩性段中质量分数的差异比较明显，反映了沉积环境具有一定的波动变化。

绿灰色泥岩（C 段）中，Sr、Ba、Cu、Li 等痕量元素的质量分数最高，质量分数平均值分别为313.74、526.6、25.54、99.92 μg/g，灰黑色泥岩（D 段）中元素Sr、Ba 的质量分数最低，质量分数平均值分别为98.37、258.67 μg/g，而元素Cu、Li则在红色泥岩（B 段）中质量分数最低，质量分数平均值分别为19.87、33.77 μg/g。

V、Cr、Co、Ni、Rb、Ga 等痕量元素在红色泥岩（B 段）中的质量分数最高，质量分数平均值分别为113.8、 56.73、 14.17、 45.27、 158.0 和27.7 μg/g，而在灰黑色泥岩（D 段）中的质量分数最低，质量分数平均值分别为76.47、46.30、12.79、25.17、85.40 和23.10 μg/g。

2.2 稀土元素

实测沉积岩稀土元素含量及其特征参数如表2所示，B、C 和D 段样品的稀土元素总质量分数w（∑REE）、轻稀土元素质量分数w（LREE）差异性不大。稀土元素总质量分数为92.61～194.82 μg/g，B、C、D 段岩样平均值分别为169.36、177.75 和161.37 μg/g；轻稀土元素质量分数为83.00～171.99 μg/g，B、C、D 段岩样平均值分别为149.36、157.08 和141.09 μg/g；重稀土元素质量分数为9.61～28.68 μg/g，B、C、D 段岩样平均值分别为20.00、20.67 和20.27 μg/g。轻、重稀土元素质量分数的比值w（L）/w（H）为6.58～8.64。老龙头组样品的（w（La）/w（Yb））N为6.09～8.49，B、C、D 段岩样平均值分别为6.43、7.40 和6.81，反映了轻、重稀土元素分异程度较高；（w（La）/w（Sm））N为2.81～3.76，B、C、D段岩样平均值分别为3.60、3.27 和2.94，反映轻稀土元素分馏程度明显；（w（Gd）/w（Yb））N为1.00～1.67，B、C、D段岩样平均值分别为1.17、1.54和1.62，反映了重稀土元素分馏程度较低（表2）；δEu 值总体表现明显的负异常，其值为0.58～0.64，平均值为0.62；δCe值无异常，其值为0.99～1.06，平均值为1.03。稀土元素球粒陨石标准化配分模式总体表现为轻稀土富集、右倾，重稀土亏损、近平坦型（图2）。

表2 兰西地区Xr7井三叠系老龙头组稀土元素含量及特征参数Table 2 REE content and characteristic parameters of Triassic Laolongtou Formation in Well Xr7 in Lanxi area

图2 Xr7井老龙头组稀土元素球粒陨石配分模式Fig. 2 Chondrites distribution pattern of Laolongtou Formation REE in Well Xr7

3 古环境

3.1 古气候

痕量元素中Sr 属于喜干类型元素，而Cu 则为喜湿型元素，二者的质量分数比值对古气候变化较敏感，因此常用其来探讨古气候。一般认为w（Sr）/w（Cu）为1.3～5.0 指示温湿气候，大于5.0 则指示干热气候［20-21］。

三叠系老龙头组实测样品的Sr、Cu 质量分数大体呈负相关关系，B 和C 段泥岩中喜干类型元素Sr 的质量分数较大（平均值分别为177.67 和313.74 μg/g），而D 段泥岩明显变小（平均值98.37 μg/g）；喜湿型元素Cu 的质量分数则表现为C 和D 段的Cu 质量分数平均值（25.54 和22.73 μg/g）略大于B 段（19.87 μg/g）。

剖面上，老龙头组的w（Sr）/w（Cu）变化较大，为3.29～60.81，平均值为12.44，总体处于干热气候。从纵向剖面来看，D 段和B、C 段地层中沉积岩中的w（Sr）/w（Cu）呈现出明显的差异性，B 段w（Sr）/w（Cu）较大，平均值为11.98，但其底部编号Xr7-1 样品w（Sr）/w（Cu）仅为3.29 （图2），至编号Xr7-3 样品其数值即达到22.92，暗示在此沉积时空发生了一个由温湿到干热的气候突变事件；C 段地层中的w（Sr）/w（Cu）最大，最大值达到60.82，平均值为17.56，表明此时的气候更加趋向于干旱炎热；自C 段上部开始，w（Sr）/w（Cu）迅速减小，回归到干湿度分界线（w（Sr）/w（Cu）=5）以下（图2）；D 段地层中的w（Sr）/w（Cu）整体较小，一直维持在干湿度分界线以下，平均值仅为4.38，指示一种温湿气候。

综上所述，三叠系老龙头组沉积时期，研究区古气候存在由早期温湿逐渐变成干热，再到晚期转为温湿的一个气候变迁事件，这与基于孢粉化石所得到的古气候［7，11］结论一致，也反映了三叠纪区域性乃至全球性的古气候演变［6，22］的协同效应。但需要说明的是，由于受钻井取心井段资料和分析样品数量限制，对缺少取心样品的大段砂泥岩沉积时间内的古气候演变还有待做进一步的工作。

3.2 古盐度

Li、Sr、Ni、Ga 等痕量元素对沉积环境水体的盐度反应较为敏感。一般认为，咸水环境中w（Li） 大于150 μg/g，w（Sr） 大于800 μg/g，w（Ga） 小于8 μg/g；淡水环境中w（Li） 小于90 μg/g， Sr 小于 500 μg/g，w（Ga） 大于17 μg/g［2，23］。

老龙头组样品实测结果（表1、图1）表明，B、C、D 段样品的Li 质量分数差别较大，其平均值分别为33.77、99.92 和41.63 μg/g，表明自B 段至C 段沉积演化过程中存在水体逐渐咸化过程，而C 段至D 段水体又重新淡化；而从全部11 块样品的检测结果来看，只有C 段中编号Xr7-5 样品（灰色石英砂岩）的Li 质量分数达到283.00 μg/g，指示其水体为咸水环境，其余样品的Li 质量分数均小于90.00 μg/g，表明B、C、D 段沉积时期主体为淡水环境。

Sr 质量分数实测结果与Li 元素大体相似，B、C、D 段样品的Sr 质量分数平均值分别为177.67、313.74 和98.37 μg/g，指示其主体为淡水环境，但Xr7-5 样品Sr 同样出现异常高值（821 μg/g）外，指示C 段沉积时期出现过水体咸化事件。Ga 质量分数均值分别为23.53、20.36 和17.2 μg/g，指示其主体为淡水环境；其中Xr7-5、Xr7-9 和Xr7-10 等3块样品的Ga 质量分数大于8 μg/g 而小于17 μg/g，指示出现过半咸水环境，水体咸化可能是气候干旱炎热作用的结果。

以海水为介质的沉积物中Sr 的质量分数远高于陆相淡水环境，而Ba 元素变化则相反，以陆相淡水环境质量分数高为显著特征。w（Sr）/w（Ba）是古盐度分析最有代表性的参数之一，一般而言，w（Sr）/w（Ba）随着远离海（湖）岸而增大，海相环境中w（Sr）/w（Ba） 大于1，而陆相淡水w（Sr）/w（Ba）小于0.6［2，23］。

实测样品的w（Sr）/w（Ba）平均值变化较小（图2），B、C、D 段分别为0.37、0.54 和0.41，属于陆相淡水范畴，但Xr7-5、Xr7-6 和Xr7-9 等3 块样品的w（Sr）/w（Ba）大于0.6 这个临界点，分别为0.84（Xr7-5）、0.79（Xr7-6）和0.64（Xr7-9），指示期间有过水体咸化事件发生。

3.3 氧化还原条件

V、Ni、Co、Cr、U、Th 等氧化还原敏感性元素的质量分数比值，可以用来判断古水体环境的氧化还原性，前人基于研究成果，提出了w（Ni）/w（Co）、w（V）/w（Cr）等氧化还原环境的判定指标［2，24-25］。一般认为，w（Ni）/w（Co） ＞7、w（V）/w（Cr） ＞4.25 为还原环境，w（Ni）/w（Co）＜5、w（V）/w（Cr）＜2 为氧化环境。

老龙头组B、C、D 段实测样品w（Ni）/w（Co）平均值分别为3.09、2.32 和2.02，且全部样品实测值（表1、图1）都小于5，指示氧化环境；同样，B、C、D 段样品的w（V）/w（Cr）平均值分别为2.04、2.05 和1.63，其中有2 块样品的实测值较大， 分别为2.41 （Xr7-1） 和3.08（Xr7-5），指示老龙头组沉积时期主体为氧化环境，局部存在弱氧化-弱还原环境。

U 元素在还原条件下溶解度低，而在氧化条件下极易被氧化而迁移，致使沉积物中U 元素缺失；而Th 元素无论是在还原环境下还是氧化环境中，其溶解度均不高，容易富集在沉积物中，因此可以利用δU 和w（U）/w（Th）值来判定沉积环境的氧化还原条件。一般认为δU＞1.0、w（U）/w（Th）＞1.25 为还原环境，δU＜0.7、w（U）/w（Th）＜0.75为氧化环境［23］。

老龙头组全部实测样品δU 均小于1.0，B、C、D 段均值分别为0.87、0.78 和0.89；全部样品的w（U）/w（Th）小于0.75，B、C、D 段平均值分别为0.26、0.22 和0.27，指示全部样品来自氧化环境（表1、图1）。

另外，稀土元素的含量及其分布模式与沉积物质来源和沉积环境密切相关，因而也被广泛应用于古环境研究。部分学者研究认为，δEu 正异常、δCe 负异常时，指示还原环境；δEu 负异常、δCe正异常时，指示氧化环境［25-28］。

研究区实测样品的δCe 正异常或无异常（表2），B、C、D 段平均值分别为1.01、1.02 和1.00，而全部样品的δEu 值平均小于1.0，B、C、D 段平均值分别为0.59、0.61 和0.61，指示其沉积环境为氧化环境，这与基于三叠纪区域性，乃至全球性构造演化和沉积充填所获得的古气候［5-6，10，22］结论相吻合。

4 结 论

（1）老龙头组轻、重稀土元素分异度较高，轻稀土元素分馏程度明显，重稀土元素分馏程度较低，δEu 呈现显著负异常、δCe 无异常，稀土元素球粒陨石标准化配分模式总体表现为轻稀土富集、右倾，重稀土亏损、近平坦型。

（2）老龙头组沉积碎屑岩元素Sr、Cu 质量分数和w（Sr）/w（Cu）等在剖面上的明显差异性表明，研究区古气候表现为由早期温暖湿润逐渐演变成干旱炎热，再到晚期迅速转为温暖湿润的一个气候变迁过程。

（3） 痕量元素Li、Sr、Ga 质量分数以及w（Sr）/w（Ba）等指标综合研究表明，老龙头组沉积时期水体主要为淡水环境，存在短暂的咸化事件，为气候干旱炎热作用的结果。

（4）氧化还原环境判定指标w（Ni）/w（Co）、w（V）/w（Cr）、w（U）/w（Th）、δU、δEu 和δCe等综合研究表明，研究区在三叠系沉积时期主体为氧化环境，但不排除存在局部的、短暂的还原环境。