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地理学论文 藏北伦坡拉盆地新生代沉积物碳酸盐含量与古环境演化

2018-11-23 11:04:04来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要:藏北伦坡拉盆地是西藏地区唯一发现有工业流油的盆地,伦坡拉盆地是一个非常重要的区域,伦坡拉具有非常大的研究价值,是一个研究的热点区域。本文通过对伦坡拉盆地的沉积物碳酸盐含量变化研究发现,在牛堡组时期碳酸盐含量经历了由少变多,而在丁青组时期经历由多变少的变化。沉积物碳酸盐含量在一定程度上能够很好地表示环境的干湿程度,以此可以揭示伦坡拉盆地环境在晚始新世到早渐新世时期由干旱到湿润再到干旱的变化。本文从一个比较新的方面去研究伦坡拉地区,是比较具有科学研究意义的。同时这一研究对于环境变化及当今世界范围内的环境气候问题都是具有一定的代表性都具有重要参考意义。

  关键词:伦坡拉盆地;碳酸盐含量;古环境

  藏北伦坡拉盆地发育于羌塘-冈底斯结合带之上,受班公-怒江断裂带影响,走向大致沿东西方向,呈东西较长,南北较窄的下场分布。是一个新生代陆相盆地,基底为燕山期褶皱,由于经历了班公-怒江断裂构造活动,所以盆地仅发育古近系及第四纪。盆地先后经历了断陷及坳陷构造活动,使得盆地中东部地层发育较全。第三系沉积自下而上可划为牛堡组、丁青湖组两个个地层,近50年来我们先后对丁青湖组、牛堡组和伦坡拉盆地西部拗陷等地层剖面进行了研究,发现藏北伦坡拉盆地也是西藏地区唯一发现有工业流油的盆地,所以对其进行古环境演化分析也是很必要的。前人对于伦坡拉盆地也进行了一系列的研究,娄国泉等人认为伦坡拉盆地在新生代时期具有封闭的环境、并且水质受到蒸发而逐渐咸化,导致大量的碳酸盐在湖盆内沉积从而形成碳酸盐岩。孙涛等人认为丁青湖组和牛堡组有机物沉积于不同层次的水体之中,而且位于湖盆底部的水体盐度高于顶部水体林松则是通过对盆地内沉积物的物源区进行研究,从而说明伦坡拉盆地地质环境变化。但是上述研究对于伦坡拉盆地的具体演化过程,以及古环境演化的揭示仍存在争议和问题。本文则是通过研究伦坡拉盆地内的沉积物碳酸盐含量变化来揭示盆地内古环境的演化。

  伦坡拉经历了如此多的变化,使得盆地内的沉积物也发生了一系列的变化,研究盆地内沉积物碳酸盐含量变化,以此来说明伦坡拉盆地的古环境变化,,则是一个比较新的研究方向。

  一、研究区地质概况

  藏北伦坡拉盆地位于班公湖—怒江大断裂的南侧,是一块东西走向的新生代陆相沉积盆地,长200余公里,宽4-20公里,面积约3600km2(图1)。

  图1 伦坡拉盆地位置及构造图

  关于伦坡拉盆地的形成的时期,一直是许多地质学家探究和讨论的话题[4]。1966年湖北石油综合研究队将此盆地命名为伦坡拉盆地。而后西藏第四地质大队又对伦坡拉盆地进行了更加细化的划分,即分为牛堡组下、中、上段和丁青湖组下、中、上段,其中牛堡组中、上段时代为始新世,丁青湖组时代为渐新世,牛堡组下段没有进行准确的计算,推测其时代为始新世。王开发等(1975)通过对伦坡拉盆地的孢粉组合进行了一系列研究,并对其地层做出了以下的划分:始新世迪欧组,牛堡组下段早渐新世,牛堡组上段为中、晚渐新世,丁青湖组下段为早中新世,丁青湖组上段为晚中新世,伦坡拉组为上新世.夏金宝(1983)在对孢粉、介形类、轮藻等低等生物资料进行分析研究后,认为牛堡组中段时代为晚始新世—早渐新世,上段为早渐新世;丁青湖组下、中、上段时代分别定为晚渐新世、中新世、上新世。而这些争论都在于没有更精准的年代测量控制。

  我们通过对伦坡拉盆地地层的系统考察和地层系统划分和对比,并结合沉积相分析,对其地层时代进行了重新的划分,认为牛堡组为晚始新世-早渐新世,而丁青湖组为早渐新世-晚中新世(图2)。牛堡组与丁青湖组区域上是不整合接触。

  图2 伦坡拉盆地地层划分

  通过上述分析,我们可以看出,伦坡拉盆地在新生代时期主要发育了牛堡组和丁青湖组,牛堡组下段时代为晚始新世,中段为晚始新世—早始新世,上段为早始新世—早渐新世。丁青湖组下段和中段时代为早渐新世,上段为早渐新世—晚渐新世。这两个地层又代表了盆地从断陷变成坳陷的两个沉积回旋的阶段(图3)。

  图3 伦坡拉盆地地层划分、岩性组合及沉积相

  根据盆地演化、岩性特征、沉积旋回分析及以上数据,我们可以将盆地第三系沉积划为两个大的沉积旋回,下部为牛堡组,上部为丁青湖组。每个部分又划分为上、中、下上段,分别属于不同的沉积相组合。根据图2可以看出从牛堡组到丁青湖组,伦坡拉盆地沉积相经历了从浅湖相到河流相再到浅湖相的变化。

  二、样本的采集与测试

  我们选取伦坡拉盆地的牛堡组和丁青湖组地层,进行0.5-2米深度深槽开挖以去掉风化层,平均采样间隔为3米,岩性变化较大处,采样间隔为0.5-1米,样品分三个剖面(LPL1、LPL2、LPL3)采集得到,由于地层未出露或不整合的原因,之间有部分地层缺失,我们一共采集到了1000余块样品。在室内依次取10g左右的样本放置于40℃的烘箱中烘干后,研磨均匀进行了碳酸盐含量的分析。

  样品采用气量法测量样品中的碳酸盐含量(Machette,1986),采用1:4的盐酸与样品充分反应,使用国际标准的Bascomb碳酸盐计,测定生成CO2的含量,通过公式计算CaCO3含量:

  CaCO3(%)=

  其中, P为大气压强(帕斯卡,pa),V为气体体积(m3),R为摩尔气体常数(8.3145 J.mol-1K-1)),T为测量时温度(K),W为样品的质量(g)。

  伦坡拉盆地碳酸盐含量分析

  湖泊中的碳酸盐含量与环境气候以及湖泊的面积变化关系密切,同时碳酸盐含量的变化趋势在一定程度上也可以说明环境变化的趋势。一般来说,湖泊内盐类物质在碳酸盐沉淀过程中,沉积物中的碳酸盐含量高低与湖水咸淡变化密切相关,通过这一变化,间接地反映出湖区的气候变化以及干湿变化。当碳酸盐含量随湖盆面积变小而变小时,反映了湖盆环境干旱程度的加剧。许多学者根据这个理论对湖泊古环境等进行了程度不一的重建。本文对从样本中的碳酸盐含量进行平均值、最大值、最小值以及标准偏差进行统计计算。

  经统计,全剖面的碳酸盐含量平均值为0.279,最大值为0.947,最小值为0.0685,标准偏差为0.148。LPL1剖面的碳酸盐含量平均值为0.247,最大值为0.855,最小值为0.0685,标准偏差为0.128。LPL2剖面的碳酸盐含量平均值为0.3987,最大值为0.947,最小值为0.1233,标准偏差为0.152。LPL3剖面的碳酸盐含量平均值为0.284,最大值为0.7485,最小值为0.0869,标准偏差为0.140。整体来看,伦坡拉盆地在始新世到渐新世的环境并不是湿润环境。通过对三个剖面的碳酸盐含量进行单独分析可以发现在牛堡组形成时期盆地内的环境比较干旱。随着丁青湖组的形成,环境湿润度在逐渐上升,但在丁青湖组上段形成时期,盆地内环境呈现出逐渐向干旱转化的趋势(图4)。

  图4 伦坡拉盆地新生代碳酸盐含量变化曲线(LPL1剖面631-982米处地层未出露)

  根据此数据以及其他沉积相数据分析[6-12],则可以将三个剖面的碳酸盐含量变化划分为五个阶段(图5)。

  A阶段(牛堡组下段):此阶段碳酸盐含量整体较低,在15%到34%之间波动,平均在26%左右波动,且碳酸盐含量波动变化剧烈,此阶段的盆地碳酸盐含量变化没有特别明显的特征,不具有一定的说明意义。

  B阶段(牛堡组中段):此阶段碳酸盐含量整体较高,在7%到85%之间波动,平均值在37%左右波动,但此时的碳酸盐含量并没有达到最大值,而且在牛堡组中段,碳酸盐含量变化又可以分成三个小的阶段,牛堡组中下段时期,碳酸盐含量变化比上一阶段异常增大,且逐渐减小,在减小的过程中偶尔出现急剧增大现象。在牛堡组375米到425米阶段,碳酸盐含量趋于稳定在17%左右。牛堡组中上段碳酸盐含量变化则是与中下段相反,在逐渐增大的过程中伴随着偶尔的下降。

  C阶段(牛堡组上段):此阶段碳酸盐含量整体要比B阶段略显下降,在9%到65%之间波动,平均值在23%左右波动,而且波动并没有A、B阶段的波动性大,但此阶段的碳酸盐含量没有一定的变化规律。在牛堡组上段顶端,碳酸盐含量变化则与其下地层有着明显的差别,含量变化更加动荡且没有规律。

  D阶段(丁青湖组下、中段):此阶段的碳酸盐含量整体较高,在13%到95%之间波动,平均值在42%左右波动,但碳酸盐含量波动性比较大,碳酸盐含量的最大值与最小值差距很大,碳酸盐含量在此阶段达到历史变化的最大值。

  E阶段(丁青湖组上段):此阶段碳酸盐含量相比上一个阶段整体有所下降,在10%到75%之间波动,平均值在25%波动,波动性也有所下降,此阶段的碳酸盐含量变化是上一阶段的碳酸盐含量变化的延续,碳酸盐含量由大变小,而且逐渐趋于稳定。

  图5 伦坡拉盆地新生代碳酸盐变化曲线、对应地层分段及沉积相

  四、碳酸盐含量数据变化讨论

  根据以上五个阶段的结果分析,我们可以看出下层的沉积相主要是浅湖相至半深湖相沉积,岩性以细颗粒的沉积物为主,氧化环境下沉积的红色沉积物质较发育。上层以湿润环境的湖泊沉积为主,暗色沉积物较发育。以此根据古环境演化以及其他资料如地震波等来分析,推测在牛堡组中、上段发生过水进体系和深水位体系中发育过扇三角洲沉积相,在丁青组发育浊积扇沉积相。而且碳酸盐含量含量的变化也代表了环境干湿的变化,碳酸盐含量高则环境较湿润,碳酸盐含量低则环境较干旱。

  洪积扇相—浅湖相在牛堡组下段浅水位较为发育,洪积扇相主要发育在盆地的边缘,浅湖相在盆地中央较为发育。而在这两个沉积相之间,可能存在多股河流相沉积。洪积扇相和多股河流相得岩性多为紫红色岩石,以砂砾岩、砂岩、少量泥岩为主。但此阶段的浅湖相并不具有特别明显的特征,把牛堡组下段沉积相定位为浅湖相,则是根据伦坡拉盆地演化全过程而确定的。

  牛堡组中、上段为水进体系时期,沉积相有浅湖—半深湖相,河流—三角洲相[13]。牛堡组中下段主要为浅湖相,此阶段的湖盆面积要比牛堡组下段时期大,岩性以紫红色泥岩、灰绿色钙质泥岩为主,含少量灰色砂岩和泥灰岩,砂岩以石英为主,由泥质或灰质胶结在一起,而且水平层理在此阶段发育较多。

  牛堡组中上段主要为半深湖相,此阶段水平层理比较明显,岩性主要为具有互层特征的泥岩和页岩。此时的伦坡拉盆地湖盆面积变化较快,环境比较湿润。

  牛堡组上段主要为河流—三角洲相沉积,此沉积相则是来源于山间流水汇聚,河流所带的沉积物常年堆积形成扇形体三角洲,岩石颗粒从扇根到扇端逐渐变细。此时的沉积中心和沉降中心基本一致,湖泊水体较大。根据古地貌分析,盆地西侧较平缓,湖泊物源区主要来源于东侧。当牛堡组上段开始沉积时,此时的水体并没有牛堡组中段时期大,沉积物为氧化环境的红色沉积物,但其沉积相和物源区与牛堡组中段有一定的继承性。

  丁青湖组时期的沉积顺序与牛堡组大体上类似,但湖泊河流水位相比于牛堡组略显下降,丁青湖组下段的气候较为湿润,同时期盆地西侧受构造运动开始抬升,沉积中心和沉降中心逐渐向东向南移动。沉积相主要为浅湖相和滨湖相,在盆地东南侧可能有浊积相,边缘发育三角洲相。

  丁青湖组中段为水进体系时期,但此时盆地的沉积处于非补偿沉积环境,沉积物以还原环境的暗色系泥质岩、灰质岩为。丁青湖组上段沉积时,盆地范围变小,其后向半干旱、干旱环境转变,沉积物向红色氧化物演化,沉积物颗粒变粗。在盆地形成末期即丁青湖组上段末期,盆地发生强烈的构造运动,盆地受到挤压变形,之后发生强烈的剥蚀,所以丁青湖组上段在盆地内存在较少。

  五、古环境演化

  伦坡拉盆地沉积主要是碎屑岩泥质岩夹杂少量碳酸盐组成,部分含有有机物化石,如介形虫类和轮藻类生物,以此可断定盆地为陆相湖盆沉积,与外海相隔。从底层剖面来看,牛堡组一、上段主要为棕红氧化环境,气候较干旱,牛堡组中段则是为气候较为湿润的还原环境。因此牛堡组自下而上形成了有红到灰再到红的沉积旋回。丁青湖组下、中段是在较湿润环境下的沉积,在上段沉积的时候气候逐渐向半干旱、干旱转变,沉积物颗粒由粗到细,沉积旋回发育不完全。

  从始新世时期开始,盆地在区域构造作用下发生走滑拉张,盆地沉降主要呈断陷状态,盆地边缘与中心落差较大,边远地区遭受剧烈氧化剥蚀,向盆地中心输送大量碎屑物,盆地中心则是出于干旱氧化沉积阶段。牛堡组下段时期,盆地仍处于大量接受填充时期,盆地内缺乏大型可蓄水的湖泊,牛堡组中段时期,盆地东部受构造影响逐渐抬升,西部则逐渐下降,此时期的沉降中心出于蒋日阿错地区,盆地东部形成向西的陡坡,物源区来源于东部,其次是南部。蓄水湖规模比下段时期明显变大,气候也逐渐变得湿润,沉积物向暗色系转变,有机质大量发育。牛堡组上段时期,盆地格局没有太大变化,沉降中心仍处于西侧,盆地内气候开始想半干旱、干旱转化,伦坡拉盆地北部出现构造抬升,但并不明显。上段末期,盆地地质构造强烈,西部剧烈上升,盆地内积水湖变小,沉降中心向东部南部转移,形成新的沉降中心,沉积物多为氧化环境的棕红色系岩石。

  到渐新世的丁青湖组时期,盆地又形成新的沉积旋回。丁青湖组下段时期,盆地内积水湖水量增多,气候湿润,氧化剥蚀减弱,盆地内以非补偿状态接受沉积,沉积物主要为灰色至灰绿色的暗色系物质。丁青湖组中段时期,盆地西侧继续抬升,沉降中心慢慢的向东南方向移动,湖盆内水量减少,气候逐渐变得干旱,但整体格局并没有太大的变化。直至上段末期,盆地西部北部构造运动强烈,南部冲断隆起,中部坳陷,形成了如今东西走向的盆地格局。

  综上所述,伦坡拉盆地在形成过程中,构造活动十分频繁,长期处于不稳定状态,导致了沉降中心由西北向东南的迁移,影响了盆地沉积体系和沉积相的发育。

  六、结论

  对于伦坡拉盆地而言,碳酸盐含量的变化在一定程度上能够很好地说明伦坡拉盆地的环境干湿变化,盆地内从牛堡组到丁青湖组碳酸盐含量呈由低到高再到低变化趋势,在牛堡组上段及丁青湖组下段达到峰值,说明了此时伦坡拉盆地是最湿润时期,盆地内的湖盆面积也是达到了最大。盆地形成早期则是发育多股河流以及面积不大的甚至尚未形成的浅湖,在盆地后期则是由湿润逐渐干旱,但这一阶段的干旱程度并没有盆地形成早期严重,这几个阶段的伦坡拉盆地则是处于相对较干旱的时期。

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