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西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据

沈江远 付和平 马骁 许红 赵强 陈香玉 李绪深 张道军 刘新宇 闫琢玉

沈江远,付和平,马骁,等. 西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据[J]. 海洋地质前沿,2021,37(6):18-30 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.198
引用本文: 沈江远,付和平,马骁,等. 西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据[J]. 海洋地质前沿,2021,37(6):18-30 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.198
Jiangyuan SHENG, Heping FU, Xiao MA, Hong XU, Qiang ZHAO, Xiangyu CHEN, Xushen LI, Daojun ZHANG, Xinyu LIU, Zhuoyu YAN. SPATIAL DISTRIBUTION OF ANKERITE AND DOLOMITE IN THE XISHA ISLANDS: EVIDENCE FROM GEOCHEMISTRY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(6): 18-30. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.198
Citation: Jiangyuan SHENG, Heping FU, Xiao MA, Hong XU, Qiang ZHAO, Xiangyu CHEN, Xushen LI, Daojun ZHANG, Xinyu LIU, Zhuoyu YAN. SPATIAL DISTRIBUTION OF ANKERITE AND DOLOMITE IN THE XISHA ISLANDS: EVIDENCE FROM GEOCHEMISTRY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(6): 18-30. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.198

西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.198
基金项目: 国家自然科学基金(41872114);国家科技基础资源调查专项课题(2017FY201407)
详细信息
    作者简介:

    沈江远(1993—),男,在读硕士,主要从事油气地质工程与生物礁研究工作. E-mail:874606194@qq.com

    通讯作者:

    许红(1957—),男,博士,研究员,主要从事油气地质调查与资源勘探评价及海洋生物礁成因研究工作. E-mail:qdxhong@163.com

  • 中图分类号: P736.4;P588.24

SPATIAL DISTRIBUTION OF ANKERITE AND DOLOMITE IN THE XISHA ISLANDS: EVIDENCE FROM GEOCHEMISTRY

  • 摘要: 成礁以来西沙群岛白云岩-铁白云岩大量发育,针对白云岩空间变异及成因演化的讨论具有重要意义。西科1井存在7层白云岩,对7层白云岩进行了划区处理,将7层白云岩层分为浅、中、深3类:<600 m为浅层(层一、层二、层三,合计厚度203 m),600~1 000 m为中层(层四、层五、层六,合计厚度79 m),>1 000 m为深层(层七,厚155 m)。通过对7层白云岩的主微量元素特征、成岩环境与成因模式及浅层、中层、深层白云岩地球化学数据之间的规律与差异的分析认为,西科1井白云岩受陆源物质影响小,高的SiO2可能来自西沙周缘火山地带。西沙地区白云岩成岩环境总的来讲属于氧化环境,但浅、中、深层成岩环境的氧化强度具有差异。西科1井白云岩的古盐度都较高,但层与层之间有着细微差异。西科1井白云岩锶含量总体偏低,受到淡水淋滤作用强烈,形成于古水深较浅的礁相台地环境,相比较而言,浅层受到大气淡水影响最强,中层次之,深层最弱。西沙白云岩成岩过程中受到高盐度海水、大气淡水和回流渗透作用等多种因素的影响。
  • 图  1  西沙海域岛礁分布及西科1井位置

    Figure  1.  Distribution of islands and reefs in the Xisha sea area and location of well Xike 1

    图  2  西沙群岛西科1井岩性剖面特征及取样位置

    Figure  2.  Lithostratigraphic column and sample locations of well Xike 1 on the Xisha Islands

    图  3  白云岩V、Mo、U频率分布直方图

    Figure  3.  Frequency distribution histograms of V, Mo and U of the dolomite

    图  4  白云岩V/Sc和V/Cr的分布及频率

    Figure  4.  Distribution and frequency of V/Sc and V/Cr of the dolomite

    图  5  白云岩的B/Ga和Sr/Ba分布图

    Figure  5.  Distribution of B/Ga and Sr/Ba in the dolomite

    图  6  白云岩B/Ga和Sr/Ba的频率分布直方图

    Figure  6.  Frequency distribution histograms of B/Ga and Sr/Ba of the dolomite

    图  7  西科1井白云岩Sr含量的频率分布直方图

    Figure  7.  Sr frequency distribution histogram of dolostone in the well Xike 1

    图  8  西琛1井白云岩与冰期的关系图[54]

    Figure  8.  Relationship between dolomite and glacial period in the well Xichen 1[54]

    表  1  西科1井白云岩层位及含量

    Table  1.   Position and content of dolomite in the well Xike 1

    编号井深/m厚度/m地层年代白云石含量/%
    层一288.64~303.5815上新统90.90
    层二375.37~411.8836上中新统91.50
    层三423.78~575.9152上中新统92.40
    层四620~635.0615中中新统梅山组一段75.85
    层五759.1~775.0516中中新统梅山组二段93.90
    层六972~1019.848中中新统梅山组二段61.70
    层七1 032.5~1 187.5155下中新统82.50
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    表  2  西科1井白云岩层主量元素测试结果

    Table  2.   Test results of major elements in layers of dolostone in the well Xike 1

    /Wt%
    样品CaOFe2O3K2ONa2OMgOP2O5SiO2
    层一(N=21)最小值36.70.0160.0180.25612.5590.0454.930
    最大值45.80.0790.0480.94521.3570.08113.870
    平均值39.20.0370.0300.45519.7110.0609.589
    层二(N=23)最小值32.50.0120.0090.13717.9320.0449.710
    最大值37.90.2100.0461.48621.2520.09524.600
    平均值36.70.0690.0270.42020.1300.06014.234
    层三(N=64)最小值34.30.0080.0060.0531.5140.0135.100
    最大值52.20.2320.0611.00822.3740.07519.390
    平均值37.80.0370.0180.29520.1400.03812.094
    层四(N=5)最小值36.50.0070.0080.0565.8300.0160.000
    最大值52.50.0850.0520.69420.7850.05115.160
    平均值41.80.0290.0240.31116.4900.0398.576
    层五(N=9)最小值34.90.0120.0110.10018.8420.0308.900
    最大值38.50.0810.0360.88722.0880.05717.670
    平均值36.90.0400.0200.33420.4520.04313.299
    层六(N=18)最小值30.70.0020.0080.1453.0420.0253.180
    最大值51.40.2610.0751.05418.6190.08328.680
    平均值38.10.0410.0210.44313.4160.05317.966
    层七(N=69)最小值29.50.0060.0030.0691.1680.0136.960
    最大值51.30.1960.0740.47219.9500.08630.160
    平均值33.40.0390.0150.15317.9380.05322.154
    总样品(N=209)平均值36.40.0410.0200.29318.7150.04915.810
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    表  3  各层白云岩CaO与MgO、SiO2与MgO相关系数及显著性值P

    Table  3.   Correlation coefficient and significance value P between CaO and MgO,SiO2 and MgO in layers of dolostone

    层一层二层三层四层五层六层七
    CaO与MgO相关系数−0.870 70.833 0−0.789 2−0.974 90.265 7−0.961 7−0.886 7
    CaO与MgO的显著性值P1.37×10−72.38×10−75.77×10−154.76×10−30.492.03×10−103.91×10−24
    SiO2与MgO相关系数0.536 5−0.909 30.164 80.869 5−0.580 00.879 80.569 6
    SiO2与MgO的显著性值P0.013.12×10−100.190.060.101.50×10−63.25×10−7
    注:<0.05为存在显著性
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    表  4  浅、中、深层白云岩的CaO与MgO、SiO2与MgO相关系数及显著性值P

    Table  4.   Correlation coefficient and significance value P between CaO and MgO,SiO2 and MgO in the dolostone of shallow,middle and deep zones

    浅层中层深层
    CaO与MgO相关系数−0.656 5−0.788 1−0.886 7
    CaO与MgO的显著性值P3.88×10−158.60×10−83.91×10−24
    SiO2与MgO相关系数0.069 90.365 50.567 0
    SiO2与MgO的显著性值P0.460.043.25×10−7
    注:<0.05为存在显著性
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    表  5  浅、中、深层白云岩主量元素平均含量

    Table  5.   Average content of major elements in the dolostone of shallow,middle and deep zones

    / Wt%
    CaOMgOFe2O3P2O5K2ONa2OSiO2
    浅层37.8420.050.0440.0470.0220.35312.079
    中层38.3415.880.0390.0480.0210.39215.186
    深层33.4017.940.0390.0530.0150.15322.154
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    表  6  西科1井白云岩层微量元素测试结果

    Table  6.   Test results of trace elements in layers of dolostone in the well Xike 1

    /mg/kg
    微量元素层一层二层三层四层五层六层七全球第四系碳酸盐岩
    Ti最小值12.2365.5504.4308.80534.71355.51641.184400
    最大值63.870108.121131.17572.23089.901299.868381.004
    平均值30.88242.98422.24932.61653.371121.13395.857
    Al最小值93.72689.12545.19165.70188.55655.30384.4694 200
    最大值991.1373 191.5635 299.111891.471587.9542 633.0811 765.158
    平均值332.3461 307.560457.073384.526308.530561.604442.430
    Zr最小值0.2570.1470.1370.3460.2610.2850.347
    最大值1.8461.9151.2811.5791.3795.4665.171
    平均值0.6520.8950.5770.8040.7081.3521.20819
    Sc最小值0.3310.2260.2120.3220.2030.3460.2531
    最大值0.5491.1070.6940.5000.6300.9030.848
    平均值0.4530.4400.3740.4390.3600.5590.453
    Th最小值0.0430.0300.0190.0380.0440.0480.0471.7
    最大值0.1860.3490.2740.1950.2270.4290.963
    平均值0.1030.1020.0710.1130.1010.1410.142
    V最小值1.2370.3390.3504.1092.0040.3700.59220
    最大值10.70710.26125.96611.96722.3627.72031.826
    平均值2.3773.1394.1978.2348.1961.9099.554
    Mo最小值0.0440.0780.0310.0580.0470.0420.0280.4
    最大值1.6822.5421.3760.3501.0421.5451.559
    平均值0.2170.3890.1760.1400.3070.2300.206
    U最小值0.7350.4610.5100.7700.4870.3170.3842.2
    最大值2.3172.9563.0043.45216.4910.63513.511
    平均值1.1691.0701.1591.7054.3440.5012.489
    Sr最小值240.700175.300166.800192.000169.300176.900187.700610
    最大值376.800264.000537.700271.700202.800425.800526.500
    平均值285.776210.874209.189217.720184.944250.889231.986
    V/Sc最小值2.8141.4551.21210.7954.3720.7371.901
    最大值12.12830.53972.10723.92863.1688.55072.846
    平均值5.4096.60811.53918.06724.3543.16923.313
    V/Cr最小值0.1210.0430.0380.2710.1100.0240.091
    最大值1.2541.4862.9180.6792.0720.4863.002
    平均值0.4680.5400.4140.4450.5690.1190.796
    B/Ga最小值19.2743.1784.3355.43514.8164.9678.008
    最大值73.912163.711147.77757.495105.23469.98686.939
    平均值43.94136.78660.03533.08764.40829.65935.411
    Sr/Ba最小值33.42140.44418.78150.08613.49012.32911.674
    最大值112.020106.453175.044177.60564.644172.538133.263
    平均值77.08069.34788.11798.11746.60577.72165.274
    注:全球第四系碳酸盐岩平均值来自参考文献[26]
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    表  7  浅、中、深层白云岩微量量元素平均含量

    Table  7.   Average content of trace elements in the dolostone of shallow,middle and deep zones

    /(mg/kg)
    微量元素浅层中层深层
    V3.6184.6669.554
    Mo0.2290.2370.206
    U1.1421.7702.489
    Sr224.440227.159231.986
    V/Sc9.29711.45523.313
    V/Cr0.4510.2960.796
    B/Ga51.95539.96835.411
    Sr/Ba81.97372.15665.274
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    表  8  浅、中、深层白云岩成岩环境对比

    Table  8.   Comparison of diagenetic environment of dolomites in the shallow,middle and deep zones

    浅层中层深层
    氧化强度较强一般较弱
    古盐度
    锶含量较低较高
    古水深较浅较深
    浓缩海水白云岩化作用影响较强一般较弱
    大气淡水淋滤溶蚀作用影响较强一般较弱
    回流渗透白云岩化作用影响较弱一般较强
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-04
  • 网络出版日期:  2021-05-25
  • 刊出日期:  2021-06-16

西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.198
    基金项目:  国家自然科学基金(41872114);国家科技基础资源调查专项课题(2017FY201407)
    作者简介:

    沈江远(1993—),男,在读硕士,主要从事油气地质工程与生物礁研究工作. E-mail:874606194@qq.com

    通讯作者: 许红(1957—),男,博士,研究员,主要从事油气地质调查与资源勘探评价及海洋生物礁成因研究工作. E-mail:qdxhong@163.com
  • 中图分类号: P736.4;P588.24

摘要: 成礁以来西沙群岛白云岩-铁白云岩大量发育,针对白云岩空间变异及成因演化的讨论具有重要意义。西科1井存在7层白云岩,对7层白云岩进行了划区处理,将7层白云岩层分为浅、中、深3类:<600 m为浅层(层一、层二、层三,合计厚度203 m),600~1 000 m为中层(层四、层五、层六,合计厚度79 m),>1 000 m为深层(层七,厚155 m)。通过对7层白云岩的主微量元素特征、成岩环境与成因模式及浅层、中层、深层白云岩地球化学数据之间的规律与差异的分析认为,西科1井白云岩受陆源物质影响小,高的SiO2可能来自西沙周缘火山地带。西沙地区白云岩成岩环境总的来讲属于氧化环境,但浅、中、深层成岩环境的氧化强度具有差异。西科1井白云岩的古盐度都较高,但层与层之间有着细微差异。西科1井白云岩锶含量总体偏低,受到淡水淋滤作用强烈,形成于古水深较浅的礁相台地环境,相比较而言,浅层受到大气淡水影响最强,中层次之,深层最弱。西沙白云岩成岩过程中受到高盐度海水、大气淡水和回流渗透作用等多种因素的影响。

English Abstract

沈江远,付和平,马骁,等. 西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据[J]. 海洋地质前沿,2021,37(6):18-30 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.198
引用本文: 沈江远,付和平,马骁,等. 西沙群岛白云岩-铁白云岩空间变异的特征:来自地球化学的证据[J]. 海洋地质前沿,2021,37(6):18-30 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.198
Jiangyuan SHENG, Heping FU, Xiao MA, Hong XU, Qiang ZHAO, Xiangyu CHEN, Xushen LI, Daojun ZHANG, Xinyu LIU, Zhuoyu YAN. SPATIAL DISTRIBUTION OF ANKERITE AND DOLOMITE IN THE XISHA ISLANDS: EVIDENCE FROM GEOCHEMISTRY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(6): 18-30. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.198
Citation: Jiangyuan SHENG, Heping FU, Xiao MA, Hong XU, Qiang ZHAO, Xiangyu CHEN, Xushen LI, Daojun ZHANG, Xinyu LIU, Zhuoyu YAN. SPATIAL DISTRIBUTION OF ANKERITE AND DOLOMITE IN THE XISHA ISLANDS: EVIDENCE FROM GEOCHEMISTRY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(6): 18-30. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.198
    • 南海海域是中国重点勘探的油气田地区之一,也是生物礁碳酸盐岩广泛发育的区域。白云岩储层在碳酸盐岩油气勘探中占有重要地位,全球近一半的碳酸盐岩储层产于白云岩中[1-3]。南海北部珠江口盆地流花11-1油田为大型生物礁油藏[4],西南部万安盆地、曾母盆地发现多个大中型生物礁油气田,其中存在有孔隙性良好的白云岩储层[5]。因此,在南海开展礁相白云岩的研究对油气资源的勘探开发具有重要意义。

      西沙群岛远离大陆,属于孤立的碳酸盐岩台地,其成岩作用受陆源物质影响较小[6]。其碳酸盐岩可以保留原始的地球化学信息,从而反映其成岩环境[7-8]。修淳等[9]分析了西沙碳酸盐岩的地球化学特征认为其碳酸盐岩主要生成于氧化环境中。乔培军等[10]研究了δ13C与全球气候变化的关系认为西沙群岛碳酸盐岩中的δ13C值的变化能够作为地层定年的依据;魏喜等[11]测得的西琛1井白云岩δ13C为0.80‰~3.16‰,平均为2.24‰,δ18O为0.56‰~5.23‰,平均为2.56‰,认为白云岩形成与冰川事件引起的超浓缩海水有关。王振峰等[12]报道的西科1井δ13C变化为1.214‰~3.051‰ ,平均为2.372‰ ,δ18O变化为2.293‰~5.072‰,平均为3.692‰,这与西琛1井白云岩具有相似的碳、氧同位素特征,可能反映相同或相似的成因。

      前人对西沙群岛礁相白云岩的成岩古环境已有研究,但多侧重于地层学、岩相学和古生物学等方面[12-14]。关于西沙群岛白云岩成因的解释方面,目前的主要有混合水模式[15]、浓缩海水白云化模式[11, 16]、回流渗透白云化模式[12]及热液流体的后期改造[16]。本文对西科1井白云岩主微量元素进行了细致研究,结合前人研究成果,对其成岩环境及成因模式进行了探讨。

    • 南海位于欧亚板块、印度板块、菲律宾板块和太平洋板块的交汇处,受其构造运动的影响,具有复杂的地质构造背景。西沙群岛位于我国南海西北部大陆坡上[17],总面积约50×104 km2,礁岛、礁滩、沙岛和沙洲40余个,岛屿总面积8 km2,是我国南海四大群岛中陆地总面积最大的群岛。西沙海域在新生代以前曾与华南古陆、海南古陆相连,中新世早期,由于南海中央海盆的扩展作用,西沙海域与相邻古陆分离下沉,之后生物礁开始发育[18]。该区广泛发育生物礁碳酸盐岩,发育期为晚渐新世、早中新世、中中新世、晚中新世和上新世至今[18-20]。西沙碳酸盐岩基底为深灰色花岗片麻岩,对西科1井基底岩石进行的锆石测年表明其大部分为晚中生代,也存在少量的新元古代及古元古代时期的基底岩,体现了多期岩浆作用[21]。该区地壳厚度为26~28 km,属略有减薄的大陆型地壳[22]。本区自新生代以来经历了3次大的淹没事件,分别为早中新世后半段(17.5~13.8 Ma)、晚中新世(10.5~8.2 Ma)和上新世早期(3.8~3.0 Ma),淹没相均为半深海的碳酸盐岩[23]

      西科1井(图1)位于西沙石岛,是全取心科学钻井,钻井取心率近80%,钻取岩心1 268.02 m,其中0~1 257.52 m全由礁相碳酸盐岩组成,自下而上分为下中新统、中中新统、上中新统、上新统和第四系5个地层单位,其中存在7个白云岩层(图2)。

      图  1  西沙海域岛礁分布及西科1井位置

      Figure 1.  Distribution of islands and reefs in the Xisha sea area and location of well Xike 1

      图  2  西沙群岛西科1井岩性剖面特征及取样位置

      Figure 2.  Lithostratigraphic column and sample locations of well Xike 1 on the Xisha Islands

    • 根据前人对西科1井白云岩层岩心的研究[24]确定其层位及白云石含量(根据MgO含量计算),如表1所示。本文共选取白云岩样品209个,其中层一取样21个,层二取样23个,层三取样64个,层四取样5个,层五取样9个,层六取样18个,层七取样69个,根据实际情况保证每层的采取间距尽量相等。

      表 1  西科1井白云岩层位及含量

      Table 1.  Position and content of dolomite in the well Xike 1

      编号井深/m厚度/m地层年代白云石含量/%
      层一288.64~303.5815上新统90.90
      层二375.37~411.8836上中新统91.50
      层三423.78~575.9152上中新统92.40
      层四620~635.0615中中新统梅山组一段75.85
      层五759.1~775.0516中中新统梅山组二段93.90
      层六972~1019.848中中新统梅山组二段61.70
      层七1 032.5~1 187.5155下中新统82.50
    • 样品经过清洗烘干研磨后加入HF-HNO3混合酸溶液进行溶解,在溶解过程中采用国际标准样品(GSR-5、GSR-6、GSD-9)和空白样品进行校正。使用电感耦合等离子光谱仪(ICP-OES)对主量元素Ca、Fe、K、Mg、Na、P、Si进行测试,在测试过程中,采用国际单元素标准建立工作曲线,每个元素的工作曲线的相关性均在0.999 99以上,Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、P、Sr的相对标准偏差<0.5%,元素 P 的相对标准偏差<1%。B、Al、Sc、Ti、Sr等20种微量元素含量在电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)上测定,采用国际多元素标准建立工作曲线,每个元素工作曲线的相关性均在0.999 99以上。测试过程中,用1 mg/L的内标溶液Rh对仪器的稳定性进行监控,所测元素的相对标准偏差均<3%。测试结果由中海石油湛江分公司提供。

    • 西科1井岩心主量元素分析数据列于表2,7层白云岩的CaO平均含量较接近,平均含量介于33.4%~41.8%,总平均含量为36.4%,含量变化范围为29.5%~52.2%;MgO含量普遍较高,平均含量在13.416%~20.45%,总平均含量为18.715%,含量变化范围为1.514%~22.088%。将7层白云岩MgO与CaO和SiO2做相关性研究(表3),发现各层之间相关性较乱。由统计学方面知识可知,个体与个体之间关系性不强时,可能在集合与集合之间表现出一定的规律性[25]。为了探究白云岩在空间上的变异关系,将西科1井白云岩层分为浅、中、深3类,<600 m为浅层(层一、层二、层三,合计厚度203 m)、600~1 000 m为中层(层四、层五、层六,合计厚度79 m)、>100 m为深层(层七,厚155 m)。分别对浅、中、深层白云岩MgO与CaO和SiO2做相关性研究(表4),结果发现浅、中、深层的MgO和CaO均呈显著的负相关关系,且负相关性从浅层到深层依次递增,深层MgO和CaO的负相关性最强,说明在深层区域白云化程度更高;SiO2与MgO在浅层区域相关性不显著;在中层具有一定正相关性,达到0.36;在深层区域SiO2与MgO的正相关性强,接近0.57。从浅、中、深层3类白云岩主量元素的平均含量(表5)可以看到钙镁铁磷元素平均含量差异不大,但深层钾钠元素平均含量比浅中层小,而SiO2平均含量比浅中层大,达到22%。

      表 2  西科1井白云岩层主量元素测试结果

      Table 2.  Test results of major elements in layers of dolostone in the well Xike 1

      /Wt%
      样品CaOFe2O3K2ONa2OMgOP2O5SiO2
      层一(N=21)最小值36.70.0160.0180.25612.5590.0454.930
      最大值45.80.0790.0480.94521.3570.08113.870
      平均值39.20.0370.0300.45519.7110.0609.589
      层二(N=23)最小值32.50.0120.0090.13717.9320.0449.710
      最大值37.90.2100.0461.48621.2520.09524.600
      平均值36.70.0690.0270.42020.1300.06014.234
      层三(N=64)最小值34.30.0080.0060.0531.5140.0135.100
      最大值52.20.2320.0611.00822.3740.07519.390
      平均值37.80.0370.0180.29520.1400.03812.094
      层四(N=5)最小值36.50.0070.0080.0565.8300.0160.000
      最大值52.50.0850.0520.69420.7850.05115.160
      平均值41.80.0290.0240.31116.4900.0398.576
      层五(N=9)最小值34.90.0120.0110.10018.8420.0308.900
      最大值38.50.0810.0360.88722.0880.05717.670
      平均值36.90.0400.0200.33420.4520.04313.299
      层六(N=18)最小值30.70.0020.0080.1453.0420.0253.180
      最大值51.40.2610.0751.05418.6190.08328.680
      平均值38.10.0410.0210.44313.4160.05317.966
      层七(N=69)最小值29.50.0060.0030.0691.1680.0136.960
      最大值51.30.1960.0740.47219.9500.08630.160
      平均值33.40.0390.0150.15317.9380.05322.154
      总样品(N=209)平均值36.40.0410.0200.29318.7150.04915.810

      表 3  各层白云岩CaO与MgO、SiO2与MgO相关系数及显著性值P

      Table 3.  Correlation coefficient and significance value P between CaO and MgO,SiO2 and MgO in layers of dolostone

      层一层二层三层四层五层六层七
      CaO与MgO相关系数−0.870 70.833 0−0.789 2−0.974 90.265 7−0.961 7−0.886 7
      CaO与MgO的显著性值P1.37×10−72.38×10−75.77×10−154.76×10−30.492.03×10−103.91×10−24
      SiO2与MgO相关系数0.536 5−0.909 30.164 80.869 5−0.580 00.879 80.569 6
      SiO2与MgO的显著性值P0.013.12×10−100.190.060.101.50×10−63.25×10−7
      注:<0.05为存在显著性

      表 4  浅、中、深层白云岩的CaO与MgO、SiO2与MgO相关系数及显著性值P

      Table 4.  Correlation coefficient and significance value P between CaO and MgO,SiO2 and MgO in the dolostone of shallow,middle and deep zones

      浅层中层深层
      CaO与MgO相关系数−0.656 5−0.788 1−0.886 7
      CaO与MgO的显著性值P3.88×10−158.60×10−83.91×10−24
      SiO2与MgO相关系数0.069 90.365 50.567 0
      SiO2与MgO的显著性值P0.460.043.25×10−7
      注:<0.05为存在显著性

      表 5  浅、中、深层白云岩主量元素平均含量

      Table 5.  Average content of major elements in the dolostone of shallow,middle and deep zones

      / Wt%
      CaOMgOFe2O3P2O5K2ONa2OSiO2
      浅层37.8420.050.0440.0470.0220.35312.079
      中层38.3415.880.0390.0480.0210.39215.186
      深层33.4017.940.0390.0530.0150.15322.154
    • 微量元素测试结果见表6,可以看到7层白云岩Al、Ti、Zr、Sc和Th平均含量均小于全球第四纪碳酸盐岩中的平均含量[26]。7层白云岩中V平均含量介于1.909~9.554 mg/kg;Mo平均含量介于0.140~0.389 mg/kg;U平均含量介于0.501~4.344 mg/kg;Sr平均含量介于184.944~285.776 mg/kg。白云岩表现出低的U、V、Mo和Sr值。分别对浅、中、深层U、V、Mo和Sr的平均含量进行计算(表7),发现浅层和中层区域的V和U的值较接近,而深层区域的V和U的值是浅中层的2倍多;浅、中、深层的Mo的值比较接近,而浅中深层的Sr值随着深度增加含量依次增加。浅、中、深层的V/Sc和V/Cr平均值呈递增趋势;而它们的B/Ga和Sr/Ba平均值则依次递减。

      表 6  西科1井白云岩层微量元素测试结果

      Table 6.  Test results of trace elements in layers of dolostone in the well Xike 1

      /mg/kg
      微量元素层一层二层三层四层五层六层七全球第四系碳酸盐岩
      Ti最小值12.2365.5504.4308.80534.71355.51641.184400
      最大值63.870108.121131.17572.23089.901299.868381.004
      平均值30.88242.98422.24932.61653.371121.13395.857
      Al最小值93.72689.12545.19165.70188.55655.30384.4694 200
      最大值991.1373 191.5635 299.111891.471587.9542 633.0811 765.158
      平均值332.3461 307.560457.073384.526308.530561.604442.430
      Zr最小值0.2570.1470.1370.3460.2610.2850.347
      最大值1.8461.9151.2811.5791.3795.4665.171
      平均值0.6520.8950.5770.8040.7081.3521.20819
      Sc最小值0.3310.2260.2120.3220.2030.3460.2531
      最大值0.5491.1070.6940.5000.6300.9030.848
      平均值0.4530.4400.3740.4390.3600.5590.453
      Th最小值0.0430.0300.0190.0380.0440.0480.0471.7
      最大值0.1860.3490.2740.1950.2270.4290.963
      平均值0.1030.1020.0710.1130.1010.1410.142
      V最小值1.2370.3390.3504.1092.0040.3700.59220
      最大值10.70710.26125.96611.96722.3627.72031.826
      平均值2.3773.1394.1978.2348.1961.9099.554
      Mo最小值0.0440.0780.0310.0580.0470.0420.0280.4
      最大值1.6822.5421.3760.3501.0421.5451.559
      平均值0.2170.3890.1760.1400.3070.2300.206
      U最小值0.7350.4610.5100.7700.4870.3170.3842.2
      最大值2.3172.9563.0043.45216.4910.63513.511
      平均值1.1691.0701.1591.7054.3440.5012.489
      Sr最小值240.700175.300166.800192.000169.300176.900187.700610
      最大值376.800264.000537.700271.700202.800425.800526.500
      平均值285.776210.874209.189217.720184.944250.889231.986
      V/Sc最小值2.8141.4551.21210.7954.3720.7371.901
      最大值12.12830.53972.10723.92863.1688.55072.846
      平均值5.4096.60811.53918.06724.3543.16923.313
      V/Cr最小值0.1210.0430.0380.2710.1100.0240.091
      最大值1.2541.4862.9180.6792.0720.4863.002
      平均值0.4680.5400.4140.4450.5690.1190.796
      B/Ga最小值19.2743.1784.3355.43514.8164.9678.008
      最大值73.912163.711147.77757.495105.23469.98686.939
      平均值43.94136.78660.03533.08764.40829.65935.411
      Sr/Ba最小值33.42140.44418.78150.08613.49012.32911.674
      最大值112.020106.453175.044177.60564.644172.538133.263
      平均值77.08069.34788.11798.11746.60577.72165.274
      注:全球第四系碳酸盐岩平均值来自参考文献[26]

      表 7  浅、中、深层白云岩微量量元素平均含量

      Table 7.  Average content of trace elements in the dolostone of shallow,middle and deep zones

      /(mg/kg)
      微量元素浅层中层深层
      V3.6184.6669.554
      Mo0.2290.2370.206
      U1.1421.7702.489
      Sr224.440227.159231.986
      V/Sc9.29711.45523.313
      V/Cr0.4510.2960.796
      B/Ga51.95539.96835.411
      Sr/Ba81.97372.15665.274
    • 罗威认为西沙群岛白云岩受间歇性暴露作用,导致季风等携带的陆源碎屑含量增高[24]。Al、Ti、Zr、Sc和Th在搬运和迁移的过程中稳定,往往能够用来指示陆源碎屑物质[26-29]。高的Al、Ti、Zr、Sc和Th的样品主要来自于陆源碎屑,前人工作[29-32]指出当样品中Al<3 000 mg/kg,Fe<0.45%,Th<0.3 mg/kg,Sc<2 mg/kg时,其受到的陆源影响可忽略不计。7个层位白云岩的Al、Ti、Zr、Sc和Th平均含量较小,均远小于全球第四系碳酸盐岩平均元素含量,且满足Al<3 000 mg/kg,Fe<0.45%,Th<0.3 mg/kg,Sc<2 mg/kg。因此,可以认为西科1井白云岩形成过程中受陆源影响可以忽略不计。从地球化学数据来看西科1井白云岩中含大量SiO2,特别是深层白云岩SiO2平均含量达22%。如此多的SiO2不是来自陆源碎屑,其来源目前未知。据相关研究表面,南海西北部海域晚中新世以来火山活动强烈[33]。西沙群岛受南海多期扩张的影响,陆壳减薄,周缘广泛存在深大断裂,易发生火山活动[34]。西沙群岛白云岩中次生流体包裹体的均一温度范围为103.3~296 ℃,平均为155.6 ℃,岩浆热液可能是一大因素[15]。种种迹象表面西沙周围的火山活动可能能够用来解释SiO2含量高的原因。西沙群岛为孤立台地,易受季风作用影响[35-36],由季风等作用从西沙周缘火山活动断裂带带来大量的火山碎屑物质,后经淋滤风化剥蚀,逐渐将石英等不溶性物质积累起来,导致西沙白云岩普遍高含SiO2。从西科1井岩心薄片中也可看到石英等矿物,西沙白云石多具雾心亮边结构可能是淋滤作用所造成的[13]

    • U、V和Mo可以用来解释古氧化还原环境[37-40]。U在还原条件下以不溶解的U4+形式存在,从而在沉积物中富集;在氧化条件下形成的U6+溶解在海水中,导致U在沉积物中亏损[37, 40-41]。西科1井中白云岩U含量较小,表现出偏氧化环境。V也是一种氧化还原敏感元素,在缺氧水体下伏沉积物中富集[41-43]。西科1井7层白云岩中V元素平均含量均小于全球第四系碳酸盐岩平均含量,低的V值指示了氧化的沉积环境。沉积物中Mo的丰度与古氧化还原环境有密切关系,在缺氧条件下的海相沉积物中普遍富集[37, 42]。7个层位白云岩Mo元素平均含量均小于全球第四系碳酸盐岩元素平均含量。据前人研究,还原环境中的沉积物中Mo含量一般>5 mg/kg[43-44]。西科1井白云岩中Mo含量介于0.028~2.542 mg/kg,指示出成岩环境为氧化环境。为了比较白云岩浅、中、深层之间的氧化环境差异,将浅、中、深层的V、Mo、U做统计分析,并以频率分布直方图的形式表示如图3。可以看到浅、中、深层Mo含量频率比较接近,各个区域具有相似分布;U在低含量区域(0~2 mg/kg)随着深度增加呈递减趋势,浅层U主要集中在低含量区域,中层次之,深层U在0~2 mg/kg和2~4 mg/kg的2个区域均有大量分布;各层之间V差异最大,浅层和中层V分布比较相似,主要集中在0~6 mg/kg区域,而深层V在0~16 mg/kg均有分布。由此可见,浅、中、深层在成岩环境中表现出一定差异,浅层成岩环境的氧化强度最高,中层次之,深层区域白云岩的成岩环境虽然表现出氧化性,但不如浅中层强烈。

      图  3  白云岩V、Mo、U频率分布直方图

      Figure 3.  Frequency distribution histograms of V, Mo and U of the dolomite

      KIMURA 等[41]提出用V/Sc比值最能表示V的富集程度,在缺氧环境中高,而在氧化环境中低;姚春彦等[42]将V/Sc>24归为缺氧的沉积环境,测得尤尔美那克剖面碳酸盐岩V/Sc值最高达400,测得氧化环境中的碳酸盐岩的V/Sc<20;严德天等[40]测得王家湾剖面和南坝子剖面碳酸盐岩地层微量元素中,指示缺氧环境的五峰组和龙马溪组的V/Sc值多数>20,指示氧化环境的观音组的V/Sc值多数<20。本文以沉积岩中V/Sc值<20指示氧化环境,>20指示贫氧或缺氧环境为标准。V/Cr值<2被认为是氧化的沉积环境,>4.25被认为是缺氧的沉积环境,贫氧介于2~4.25[40, 42, 45-46]。分别将浅、中和深层区域白云岩样品的V/Sc和V/Cr值投射在坐标图上,然后对其做二维统计处理(图4),可以看到浅层的V/Sc和V/Cr值投射在氧化最剧烈的A区(V/Cr介于0~2和V/Sc介于0~20的区域)的频率为0.907;中层落在A区的频率为0.781;而深层仅为0.464。总得来说,西科1井白云岩V/Sc和V/Cr值主要落在氧化环境区域,但浅、中、深层氧化强度之间存在差异,浅层白云岩成岩环境表现出更强的氧化性环境,中层相对来说成岩环境的氧化强度要差一些,而深层更差,甚至向贫氧环境过渡。

      图  4  白云岩V/Sc和V/Cr的分布及频率

      Figure 4.  Distribution and frequency of V/Sc and V/Cr of the dolomite

    • B和Ga是2种化学性质不同的元素,硼酸盐溶解度大,能迁移,只有当水蒸发后才析出;Ga活动性低,易于沉淀[47-48, 50]。因此,利用B/Ga的值可指示古盐度。DEGENS 等[47]测得的美国20个古代海相沉积岩和14个现代海相沉积岩的B/Ga平均值分别为4.9和4.5;王益友等[48]测得的金湖凹陷阜宁群沉积岩B/Ga最大值为4.49。西科1井浅、中、深层白云岩中的B/Ga平均值均远大于这些地区的数值,说明白云岩成因环境的古盐度高。

      Sr/Ba的比值亦可作为古盐度判别标准,在古盐度越高的区域沉积岩中的Sr/Ba比值越大[48-50]。朱丽霞等[49]测得羌塘盆地那底岗日地区碳酸盐岩中Sr/Ba比值最高到16.2。从图5中可以看到西科1井浅、中、深层白云岩中的Sr/Ba几乎都大于此值,说明古盐度高。

      图  5  白云岩的B/Ga和Sr/Ba分布图

      Figure 5.  Distribution of B/Ga and Sr/Ba in the dolomite

      为了研究浅、中、深层古盐度差异,将它们的B/Ga和Sr/Ba分别做统计分析,作出频率分布直方图如图6。3类白云岩的B/Ga和Sr/Ba频率分布表现出相似性,总体表现出中间高两端低的特征。从浅、中、深层的B/Ga和Sr/Ba的平均值来看各数据之间差异不大,但具有依次递减的规律性。由此可以得出西科1井浅、中、深层的成岩环境的古盐度都较高,但相比较而言,浅层白云岩表现出更高的古盐度,中层次之,深层相对而言要低一些。

      图  6  白云岩B/Ga和Sr/Ba的频率分布直方图

      Figure 6.  Frequency distribution histograms of B/Ga and Sr/Ba of the dolomite

    • 碳酸盐岩的Sr含量很少运用到反演古海洋地球化学变化,但能用作为判断成岩流体性质的一个重要因素[51-52]。Sr元素在碳酸盐岩中因其离子半径(0.113~0.132 nm)与Ca2+离子半径(0.099~0.118 nm)相近,容易取代Ca2+离子的位置而在碳酸盐岩中富存[52]。Sr在文石中含量最高,可达7 000~9 400 mg/kg[15, 53]。在白云岩化过程中,由于Mg2+离子的加入交代了Ca2+、Sr2+的位置从而导致Sr元素的减少。由于白云岩化的排Sr作用,其Sr的合理含量只有470~500 mg/kg[15, 53-54]。西沙群岛西科1井白云岩Sr含量在166.8~537.7 mg/kg,平均为227.3 mg/kg,显示出低的Sr含量值。而西琛1井白云岩亦具有相似的低Sr含量特征,何起祥等[15]认为其白云岩化同时还有淡水淋滤作用使锶含量进一步贫化。将西科1井白云岩锶含量(160~560 mg/kg)化分20个区间,每个区间占20 mg/kg,分别统计浅、中、深层落在各自区间的频率,做出如图7所示Sr含量频率分布图。可以看到浅层白云岩Sr含量在180~220 mg/kg区域较集中,累计频率59%;中层样品Sr含量介于160~290 mg/kg均有较多分布,分布不集中;而深层主要集中在200~240 mg/kg区域上。再看浅、中、深层的Sr含量平均值分别为224.4、227.2和232.0 mg/kg,它们之间呈现依次递增的规律性。由此我们猜想,浅层白云岩可能受到大气淡水影响最大,导致Sr含量偏小;中层次之,Sr含量居中;深层受大气淡水影响最小,Sr含量最大。

      图  7  西科1井白云岩Sr含量的频率分布直方图

      Figure 7.  Sr frequency distribution histogram of dolostone in the well Xike 1

    • 西沙地区新生代之前与华南古陆、海南古陆相连,经历了漫长的风化剥蚀,中新世早期才开始下沉并与华南古陆、海南古陆分离,之后礁相碳酸盐岩开始发育。新生代以来总体为变冷的趋势,气候环境波动较大[55-56]。这段时期特别显著的全球事件是中中新世变冷事件,表现为南极冰盖的扩张,和上新世北极冰盖形成事件[55]。中新世中晚期气候显著变冷,环南极洋流的发展和南极大陆热隔离状态,使南极大陆的覆冰不断增加,极地变冷使大洋对流加剧,上升流发育,海洋生产力剧增,有机碳迅速埋藏,进一步导致底层水温下降,δ13C偏移[56]。上新世中晚期,全球气候发生冰期—间冰期大幅度波动,北极冰盖形成。黄土高原的黄土/古土壤序列记录了这一过程,黄土层与冰期对应,古土壤对应于间冰期,其有规律的记录了这一时期冰期—间冰期大幅度波动[57]。新近纪全球海平面变化具有一致性,海平面变化适用于西沙澙湖的成岩环境[58]。西沙群岛白云岩层与计算出的全球冰期—间冰期具有很好的对应关系(图8[58]。许红等[54]指出,新近纪中晚期大规模海退,西沙海域碳酸盐岩台地地区的海退深度超过135.51 m,西沙群岛生物礁裸露地表,遭受长期淡水淋滤溶蚀作用,推断海退后局部形成潟湖环境,其中可能赋存有高盐度的海水,或有利于白云岩的形成。

      图  8  西琛1井白云岩与冰期的关系图[54]

      Figure 8.  Relationship between dolomite and glacial period in the well Xichen 1[54]

    • 有学者提出[11]西沙白云岩为浓缩海水成因的准同生白云岩,该模式由于蒸发作用,结晶速度快,白云石往往呈泥粉晶结构,这就很好的解释了西沙群岛存在大量泥晶至粉晶质白云石,但难以解释浅层、中层和深层之间氧化环境和古盐度呈有序排列的现象。王振峰等[12]对西科1井白云岩的矿物学特征进行了研究,指出白云石主要为微晶至细粉晶结构,并且随深度的增加较大晶粒的白云石的比例增加。回流渗透白云化作用形成的后生白云石,由于结晶时间长,结晶颗粒往往比准同生的大,容易形成粉晶、细晶结构。西科1井碳酸盐岩总体孔隙性较好,溶蚀孔隙较多,同时相对封闭的潟湖环境具备了大规模回流渗透白云岩化条件[12]。邵龙义等[59]对比了浓缩海水准同生白云岩与回流渗透白云化作用形成的白云岩,发现浓缩海水准同生白云岩,白云石以泥晶粉晶为主,Sr/Ba远>1;而回流渗透白云化作用形成的白云岩,白云石以粉晶细晶为主,Sr/Ba也>1,但比浓缩海水准同生白云岩要小。西科1井Sr/Ba介于11.674~177.605 mg/kg,平均为74.957 mg/kg,而浅层平均为81.973 mg/kg,中层平均为72.156 mg/kg,深层平均为65.274 mg/kg,表现出依次递减的趋势,Sr/Ba值反应了古环境盐度的大小,说明西科1井浅层白云岩表现出更高的古盐度,中层次之,深层最低。同时何起祥等[15, 54]指出中新统和上新统岛礁露出水面,遭受长期淡水淋滤溶蚀作用,从而导致Sr含量贫化现象。西沙群岛白云岩未见石膏、石盐层也说明成岩时期遭受了淡水的淋滤及溶蚀作用。

      综合西科1井地球化学特征及前人所做的相关研究,笔者认为西沙群岛白云岩成岩过程中受到多种因素的影响(表8)。在深层区域,粉细晶白云石多,氧化环境相对较弱,古盐度相对浅中层白云岩较小,古水深相对较深,溶蚀孔相对较少,Sr含量相对较大,受到淡水淋滤溶蚀作用要小一些,主要受到回流渗透白云化作用的影响。中层白云岩粉细晶白云石较多,但相对深层较少,含一定比例泥微晶白云石,成岩环境的氧化强度相对深层要强,但比浅层要弱,古盐度居中,同时Sr含量也居中,说明古成岩深度比深层要浅,受到淡水淋滤溶蚀作用较强,浓缩海水准同生白云岩占有一定比例,但同时存在回流渗透作用生成的白云岩。而浅层区域相对中、深层白云岩无论是成岩的氧化强度还是古盐度都比较高,而Sr含量最低,可以推断其白云岩生成环境海水最浅,受到大气淡水淋滤溶蚀作用的影响强烈,结晶速度快,导致泥粉晶的白云石较多,浓缩海水白云岩化作用占主导地位,而回流渗透白云化作用次之。三者锶含量都很低,淡水淋滤溶蚀作用强烈,与前人相关研究和结论是一致的[35, 54],也符合西沙群岛孤立碳酸盐岩台地生物礁环境的实际。

      表 8  浅、中、深层白云岩成岩环境对比

      Table 8.  Comparison of diagenetic environment of dolomites in the shallow,middle and deep zones

      浅层中层深层
      氧化强度较强一般较弱
      古盐度
      锶含量较低较高
      古水深较浅较深
      浓缩海水白云岩化作用影响较强一般较弱
      大气淡水淋滤溶蚀作用影响较强一般较弱
      回流渗透白云岩化作用影响较弱一般较强
    • (1)西科1井白云岩受陆源影响小,高的SiO2可能来自西沙周缘火山地带区,火山碎屑物质经季风等作用搬运而来,白云岩中多见石英等矿物。

      (2)西沙地区白云岩成岩环境总的来讲属于氧化环境,根据浅、中、深层的V、Mo、U的比较和V/Sc和V/Cr值可知浅、中、深层成岩环境的氧化强度具有差异:浅层成岩环境的氧化强度最高,中层次之,深层区域白云岩的成岩环境虽然表现出氧化性,但不如浅中层强烈。

      (3)西沙岛礁白云岩受到大气淡水淋滤溶蚀作用影响,导致Sr含量偏低。同时对比浅、中、深层Sr含量可知,浅层Sr含量最低,受到大气淡水影响最强,中层次之,深层受到影响相对较小。

      (4)西科1井白云岩的古盐度都较高,但层与层之间有着细微差异。从B/Ga和Sr/Ba的平均值具有依次递减的规律性可以看出,浅层白云岩表现出更高的古盐度,中层次之,深层相对而言要低一些。

      (5)西沙白云岩成岩过程中受到多种因素的影响。浅层白云岩形成于深度较浅、古盐度较高的海水,受到较强的大气淡水淋滤溶蚀作用影响,回流渗透白云化作用影响较小;中层白云岩成岩深度居中,古盐度相对较小,同时受到大气淡水淋滤溶蚀作用影响一般,回流渗透作用影响相对较强;深层区域白云岩回流渗透作用最强,成岩深度相对较深,氧化强度要弱一些,古盐度更最低,受到大气淡水影响最小。

      致谢:感谢中海石油湛江分公司提供岩心样品及测试数据!

参考文献 (59)

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