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油气之光——古气候、古环境变迁研究方法

2016-7-22 17:22:24 来源:中国矿业报 作者:张帅

任何地质、地球化学过程都涉及到“时间尺度”的问题。在长时间尺度、低分辨率研究中,粗粒沉积物指示湖泊收缩、湖水较浅的干旱气候期,细粒沉积物指示湖泊扩张、湖水较深的湿润气候期。在短时间尺度、高分辨率研究中,粗粒沉积物指示降雨量较大的湿润年份,细粒沉积物指示降雨量相对较小的干旱年份。

由于不同时间尺度研究中沉积分辨率、采样分辨率和定年精度的不同,湖泊沉积物记录所反映的环境信息在不同尺度下可能存在差异。因此,不能简单地套用各种指标在长尺度研究中的环境指示意义,必须结合研究的时间尺度和分辨率,综合分析各种因素对环境记录的影响程度,才能得出较可靠的结论。

1.微量元素分析法

微量元素普遍存在于各种类型的沉积物和沉积岩中,对环境的变化极为敏感,同时它们的沉积分异、矿物成分及其质量分数等,都从不同角度记录了形成过程中各种环境因素的变化。这些对恢复古环境、研究陆相湖盆水深的变化,具有重要的指示意义。利用特征微量元素分析,可进行古气候、古环境及古水深的相对变化研究。

特征微量元素分析及其表征:

Sr:含量低指示潮湿气候背景,湖水较淡;反之,则指示干旱气候背景。

Rb:平均含量越高,反应了沉积水体越深;反之亦反。

Rb/K变化特征:K元素的含量与泥岩中碎屑矿物含量有密切关系,Rb元素易被粘土及有机质吸附,且受水体盐度影响明显。

Mg/Ca值:与水温呈明显的正相关,而与盐度呈明显的负相关。其比值越小,水温越低,盐度则越高。

Fe/Mn值:在沉积过程中,铁、锰发生分离,时间上铁的沉淀早于锰,空间上铁多沉积在浅水,而锰多沉淀在较深的水域。因此,可以利用该比值的相对大小,判断水体深度的变化:其比值越大,水体越浅;比值越小,水体则越深。

2.碳酸盐矿物分析法

国内外的研究成果表明,湖泊沉积碳酸盐矿物及其微量元素、同位素分布特征,记录了全球或区域古气候环境演变历史,可以从中提取大量定量化的古气候参数。因此,可以根据湖泊碳酸盐矿物的含量,以及碳、氧同位素变化等信息,推知其形成时期的气候环境,重建古气候、古环境,揭示气候环境演变的规律。

碳酸盐是在特定的气候条件下形成的。物源区气候变暖,化学风化作用加强,使碳酸盐、氧化钙大量流失,在湖泊中沉积的碳酸盐含量降低。对于一个封闭或半封闭的湖泊而言,在化学沉积的早期阶段,地层中的CaCO3含量高,代表了沉积期间是干旱气候;含量低,则代表气候相对湿润。

碳酸盐沉积与古气候有密切的关系。在湿润地区,由于降水量接近蒸发量,湖泊补给量超过支出量,盆地中水量不断积累而外泄,因此多为外流湖,不利于碳酸盐沉积;处在长期干旱气候条件下的湖泊,由于湖水高度浓缩,碳酸盐沉积为其他盐类沉积所代替。所以,只有半干旱气候条件下的湖泊碳酸盐沉积作用才能比较明显地表现出来,这是因为流域河流不断补给,形成碳酸盐所必需的Ca2+、Mg2+等离子,同时半干旱的气候背景为碳酸盐积累创造了有利条件。

3.稀土元素分析法

稀土元素(REE)对识别层序、体系域边界及恢复层序框架内的沉积岩相古地理(古盐度、古水深、水体的pH值、氧化还原条件、湖平面升降变化)都具有重要意义。在缺乏其他资料的情况下,应用稀土元素地球化学分析方法,可恢复地层层序的岩相古地理,指导层序地层框架内油气生、储、盖条件的研究。

稀土元素和稀土总量(∑REE)与Fe有着极密切的关联,在较强的氧化条件下,Fe2+可以变成Fe(OH)3絮团与稀土元素沉淀,特别是与铈共同沉淀可能形成稀土元素相对富集的沉积,致使与其共生的沉积物接受大量的稀土元素。相反,含Fe(OH)3絮团少的地区对稀土元素的吸附作用减弱,沉积物中稀土元素含量降低。水深和地形对稀土元素含量的影响不大。在不同沉积物类型中,稀土含量的高低受生物硅稀释的影响,含生物SiO2较多的泥质层中稀土含量最低,SiO2与稀土元素呈负相关关系,Fe3+、Mn4+、Ba2+和S2-与其呈正相关关系。

在化学相中,铈主要赋存于氧化相,所以沉积物中铈主要赋存于陆源碎屑、氧化相及吸附相中。即环境的氧化程度越强,铈则为正异常;而铈亏损程度越大,说明沉积还原程度越大。铈异常的程度通常用异常系数δCe来表示:

δCe=NCe/(2NLa+NPr)

δCe>1时,为正铈异常,即铈的富集表氧化环境;δCe<1时,为负铈异常,即铈的亏损表还原环境。□

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

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