2017, Vol. 29 
(2: 宜宾学院化学与化工学院, 宜宾 644000)
(2: School of Chemistry and Chemical Engineering, Yibin College, Yibin 644000, P. R. China)
总有机碳(TOC)是指存在于岩石或沉积物内部有机质中的碳的含量，通常以岩石或沉积物的质量百分比来表示，是烃源岩划分和评价的重要指标之一[1].以往多认为大型淡水湖泊是陆相优质烃源岩形成的有利环境，然而，越来越多的证据表明，烃源岩的发育和沉积水体盐度可能存在密切联系[2-5]，咸化湖盆甚至盐湖也能够发育有效烃源岩和优质烃源岩[6-7].我国不少陆相含油气盆地，如晚三叠世的鄂尔多斯盆地和四川盆地，均发育咸化湖泊三角洲沉积体系[8-11]，这一沉积体系中有利于烃源岩的发育环境是一个值得研究的重要问题，而对于古湖泊岩相古地理研究而言，古水深的恢复也同样重要.本文主要对青海湖布哈河口区表层沉积物中有机质特征及含量进行研究，对有利的烃源岩发育环境进行分析，同时在研究中发现沉积物中TOC含量与覆水深度存在良好的相关性，表明沉积物中TOC含量可作为古水深恢复的一种有效手段.因此，对现代咸化湖泊及河口区沉积物中TOC含量及其分布特征进行研究，不仅对于深化陆相湖盆生油岩地质认识，同时对于古环境研究和古水深恢复均有重要的比较沉积学意义.
1 研究区域地质背景青海湖是我国内陆最大的咸水湖，位于青藏高原东北部，海拔约3200 m，湖泊近似菱形，由西北向东南方向延伸，西北部较高，目前湖泊面积约4432.32 km2[12]，最大水深28.7 m，平均水深约18.4 m[13].青海湖形成于第三纪[14]，构造上处于南祁连槽向斜、南祁连槽背斜以及青海南山槽向斜三者中间，是一个不对称地堑式断陷湖泊[15](图 1)，属于青海湖-共和内外流湖区，晚更新世青海湖由外流湖变为内流湖[16]，由于气候转冷青海湖现处于萎缩阶段[17].
青海湖在地形上是封闭的，但是在水文地质意义上却是开放的，湖盆周缘物源及出露地层控制了青海湖的最终卤水类型为Na(K)-Cl型[18].青海湖湖区周缘发育40条大小河流，其中布哈河最大，提供了青海湖入湖总径流量的67 %[19]，布哈河携带大量的泥沙分别在鸟岛两侧入湖处形成三角洲，地理坐标为36°55′~ 37°02′N，99°50′~99°55′E的布哈河口区为本文研究区(图 2).
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图 2 布哈河口区采样位置 Fig.2 Location of speciments in Buha River |
本次研究样品全部采自鸟岛两侧的布哈河口区，包括河道(D67)、滨湖(D1~D16)、浅湖(D32~D45)、半深湖(D46~D49)、三角洲平原(D50~D66)及前三角洲(D17~D31)等沉积环境的表层沉积物样品(图 2)，同时现场测量沉积物上覆水体盐度(使用仪器为Eutech COND610, 新加坡制造，盐度测量范围为0.770~80 ng/L)，测得采样点上覆水体盐度范围为0.01 ‰~18.4 ‰.采集的表层沉积物样品首先在实验室中剔除新鲜植物，然后放入烘箱中在102℃恒温条件下烘24 h，制备后的样品研磨至220目( < 77 μm)，分别进行X-衍射全岩分析、TOC分析及干酪根类型分析.
其中，X-衍射全岩分析在Rigaku D/max-Ⅲc衍射仪上进行，铁片滤光，Co靶Kα射线，工作电压40 kV、电流30 mA，光阑系统为：DS(发散狭缝)=SS(防散射狭缝)=1°，RS(接受狭缝)=0.3 mm，扫描范围3°~50°，步长0.04°，计数时间为0.4 s，实验数据的处理参考文献[19]. TOC含量分析在leco-cs 230碳硫分析仪上进行，首先称取1 g样品放入可渗水的陶瓷坩埚，称重并记录，然后向坩埚中缓慢滴入3 % (重量比)的稀盐酸直到不再有气泡逸出，再用去离子水缓慢滴入坩埚，反复清洗余样，然后将坩埚放入烤箱在80℃条件下烘干，再次称重并记录，然后将烘干后的坩埚连同样品放入碳硫分析仪进行分析，记录实验结果并计算有机碳含量，其相对误差 < 5 %.干酪根分离制备参考文献[20]，样品分离后进行镜检分析.
2.1 布哈河口总有机碳特征青海湖布哈河口区不同沉积环境表层沉积物中有机碳的含量存在较大差异：来自半深湖及前三角洲表层沉积物样品一般具有较高的TOC含量，其中半深湖沉积物中的TOC含量介于1.38 %~1.94 %之间，平均TOC含量为1.75 %；前三角洲沉积物中的TOC含量介于1.06 %~1.54 %之间，平均值为1.29 %；滨湖沉积物中TOC含量介于0.40 %~4.29 %之间，平均值可达1.15 %；三角洲平原沉积物中TOC含量极少超过1 %，其平均值仅为0.37 %；浅湖及布哈河古道沉积物中的TOC含量极低，一般介于0.29 %~0.66 %之间(表 1).
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表 1 布哈河口沉积物中TOC含量、水体盐度及采样水深 Tab.1 TOC content in sediments, salinity in water and water depth of Buha River estuary |
布哈河口地区除滨湖以外，表层沉积物总体上表现为由浅向深TOC含量逐渐增大的趋势，即：浅湖区及三角洲平原较低，前三角洲与半深湖沉积物TOC含量较高.同时，滨湖及三角洲平原沉积物中TOC含量变化较大，两者在位置上位于湖平面以上，受生物活动影响较大.如滨湖沉积物样品D10，其沉积物样品中的TOC含量高达4.29 %，常量元素分析结果显示其具有较高的磷含量(P2O5含量约0.2 %)，与鸟粪土成分相似[21]，同时其Mg/Ca比值约为0.3，550℃烧失量(LOI550℃)可达23 %，其常量元素组成与牛粪相似[22]，反映该样品可能兼有鸟类和牲畜的贡献，这一结果与采样位置大量活动的鸟类和发现的牛蹄印迹相吻合.需要说明的是，浅湖区虽然生物含量远高于半深湖区，但生物遗体多被湖流搬运至半深湖深湖区保存[23]，可能是导致浅湖沉积物中TOC含量较低的主要原因.
2.2 有机质特征及来源干酪根定义为：一切不溶于常用有机溶剂的沉积有机质[24]，包含了沉积物中的年青干酪根.沉积物中的有机质主要来源于干酪根，其类型基本不会在成岩作用中发生改变，因此干酪根可以很好地表征成油母质的类型[25].
本次研究随机选取了滨湖、浅湖、半深湖、三角洲平原及前三角洲环境共计10件样品进行干酪根的分离和镜检，确定布哈河口区类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2型，有机质主要来源于高等植物或其生物降解产物，大部分为陆源生物贡献，少量由水生生物贡献.不同环境的表层沉积物中有机显微组分具有以下特征：腐泥组三角洲平原沉积物中含量极低，一般不超过10 %，而前三角洲、滨湖、浅湖及半深湖沉积物中含量稍高，一般大于12 %，其中半深湖区可达36 %；壳质组在三角洲平原沉积物中最高，可达71 %，而在半深湖相对较低，可低至47 %；镜质组及惰质组相带分异性不明显，但惰质组含量相对较高的样品主要来源于三角洲平原环境(表 2).
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表 2 布哈河口区表层沉积物干酪根类型及其显微组分特征 Tab.2 Kerogen types and maceral characteristics of the surface sediments in Buha River estuary |
影响有机质丰度的因素既包括水流速度、黏土矿物含量、波浪作用及沉积速率等沉积水体的物理因素，也包括氧化还原电位(Eh值)、酸碱度(pH值)、盐度和温度等化学因素，同时还受到生物及生物化学活动等生物因素[26].布哈河口区沉积环境较为复杂，不同沉积环境覆水深度、沉积物组分及有机质初产率等均存在明显差异，沉积物中有机碳的含量主要受到这些因素的影响和控制.
3.1 沉积物组分的影响由于黏土矿物对有机质有明显的凝絮作用[27]，黏土矿物吸附有机质后可有效阻止生物对有机质的降解[28].因此，沉积物中黏土矿物含量对有机质的丰度有明显的影响.
X-衍射全岩分析结果(表 3)表明：布哈河口区表层沉积物中黏土矿物的含量总体偏低，一般不超过36 %；布哈河河道、三角洲平原、滨湖及浅湖沉积物中黏土矿物含量较低，一般不超过30 %，平均值不超过20 %；前三角洲及半深湖沉积物中黏土矿物含量相对较高，一般不低于26 %，平均值＞30 %.大部分沉积环境的表层沉积物中TOC含量与黏土矿物含量之间总体存在较为明显的正相关性，其中，三角洲平原、滨湖、浅湖及半深湖环境样品的相关性最好，而采自前三角洲环境的样品相关性相对较差(图 3)，推测其原因主要为前三角洲沉积受河流作用影响较大，沉积速率较高，沉积物中的有机质主要由泥沙携入，而鸟岛北部的废弃三角洲平原及滨湖、浅湖和半深湖区域，沉积物中的有机质主要依赖于黏土矿物原地的凝絮作用.
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表 3 布哈河口区表层沉积物黏土矿物含量及TOC/黏土比值(OMP) Tab.3 Clay mineral content and TOC/clay ratio in surface sediments of Buha River estuary |
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图 3 布哈河口沉积物中黏土矿物百分含量与TOC含量的关系 Fig.3 Clay mineral content as functions of TOC content in the sediments of Buha River estuary |
由于布哈河口区表层沉积物有机质的来源主要包括两大类，即：高等植物和低等生物菌类为主的陆源生物以及低等菌藻类为主的水生生物.布哈河口区滨湖及三角洲平原环境陆生植物极为繁盛(图 4)，同时有多种菌类生长，这些高等植物和低等生物菌类死亡后能够提供大量有机质，是滨湖及三角洲平原地区主要的有机质来源，同时动物活动对有机质的来源也有一定贡献，特别是滨湖区鸟类等生物活动频繁，其排泄物可能导致局部有机质丰度异常高.水生低等生物对布哈河口区表层沉积物有机质丰度有不同程度的贡献，青海湖及布哈河水体中浮游动物虽然较少，但硅藻、甲藻、绿藻、蓝细菌等浮游植物数量较大[29](表 4)，这些浮游生物死亡后成为河口区特别是浅湖和半深湖区有机质重要的来源.
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图 4 布哈河口区沉积环境特征(A-滨湖环境，植物繁盛，鸟类等生物活动强烈; B-三角洲平原，植物繁盛，偶有鸟类活动) Fig.4 Characteristics of sedimentary environments of Buha River estuary |
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表 4 青海湖及布哈河水体浮游生物数量(根据文献[23]修改) Tab.4 The number of plankton in the water of Lake Qinghai and Buha River[23] |
由于沉积物中TOC含量明显受到黏土矿物含量的影响(图 3)，因此沉积物中TOC含量可能无法真实衡量其有机质的生产能力，而仅仅只能反映不同环境沉积物对有机质凝絮能力的高低.由于不同沉积环境黏土矿物含量存在明显差别，为此，本文采用TOC/黏土含量的比值(OMP)间接推测不同环境有机质生产(包括输入)能力的大小.结果表明：布哈河道、三角洲平原及浅湖环境OMP值介于0.64~6.74之间，OMP平均值均低于3，反映其有机质生产力均不高；滨湖环境OMP平均值虽然高达6.64，但不同采样位置的OMP值差异太大，反映其有机质生产力不稳定，受偶然因素影响太大；前三角洲环境OMP值介于3.04~4.93之间，平均值为3.97，总体具有较高的有机质生产能力；半深湖环境OMP值介于5.30~5.87之间，平均值为5.58，具有相对最高的有机质生产力(表 3).
3.3 有机质保存条件由于本研究主要采集的河口区表层沉积物，因此其有机碳含量只是暂时的状态，而最终有多少有机质能够在地层中埋藏保留则主要取决于有机质的保存条件.已有研究表明，青海湖由于对流强烈，水体缺乏明显分层(这一认识在本次研究野外考察过程中再次得到确认，主要表现在同一采样位置不同深度水体盐度、pH值等参数的一致性).虽然对流作用导致湖水中富氧，但在距湖底几厘米之下仍然存在还原环境[28]，其中深湖区甚至为强还原环境，Eh值 < -200 mV[29]，总体具有随覆水深度增大环境还原条件逐渐增强的特征.布哈河道、三角洲平原及滨湖地区覆水较浅甚至间歇性暴露，最不利于有机质的保存；浅湖环境水深一般不足10 m，波浪作用强烈，水体富氧，也不利于有机质的保存；前三角洲及半深湖环境水体较深，有利于有机质的保存.
4 比较沉积学意义古代三角洲沉积体系是油气生成和聚集的有利环境，特别是鄂尔多斯盆地上三叠统延长组以及四川盆地上三叠统须家河组，发育一套咸化湖泊-三角洲沉积体系[8-11]，与青海湖布哈河三角洲可以进行类比，因此，对布哈河口区表层沉积物有机质特征进行分析，对深入了解咸化湖泊-三角洲沉积体系中有机质的来源及烃源岩的发育特征具有十分重要的比较沉积学意义，同时，湖区采样水体深度与总有机碳含量之间存在着良好的相关性，展现了在古地理研究方面的良好应用前景.
4.1 有利烃源岩发育环境传统的烃源岩评价主要针对古代地层，经过地质历史时期漫长的有机质热演化过程和排烃过程，不同沉积相带残余有机质的丰度必然不同程度地低于其原始值，即基于现今残余TOC的烃源岩评价结果不一定能够真实反映有利烃源岩发育环境，因此，本次基于现代沉积物中有机质特征分析，对布哈河口区有利烃源岩发育环境进行评价，对于古代烃源岩评价具有重要的借鉴意义.
优质烃源岩的形成既需要丰富的有机质来源，同时也需要良好的聚集与保存条件[30].本次研究，主要根据有机质生产力、干酪根类型、覆水深度及有机质保存条件对布哈河口区不同沉积环境生烃能力进行定性评价：三角洲平原有机质生产力低，干酪根主要为Ⅱ2型，覆水深度极浅并间歇暴露，有机质保存条件差，生烃能力差；浅湖有机质生产力低，干酪根主要为Ⅱ1或Ⅱ2型，覆水深度较浅，波浪作用较强，水体富氧，有机质保存条件较差，生烃能力差；滨湖有机质生产力较高，干酪根主要为Ⅱ2型，覆水深度极浅并间歇暴露，有机质保存条件差，生烃能力较差；前三角洲有机质生产力较高，干酪根主要为Ⅱ2型，覆水深度较大，有机质保存条件较好，生烃能力较好；半深湖有机质生产力高，干酪根主要为Ⅱ1或Ⅱ2型，覆水深度大，有机质保存条件好，生烃能力好(表 5).从评价结果看来前三角洲和半深湖环境生烃能力较好，其中半深湖环境无论从有机质生产力还是从干酪根类型来看都更甚一筹，再加上更大的覆水深度和更好的保存条件，为布哈河口区最有利烃源岩发育的环境.
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表 5 布哈河口区主要沉积环境生烃能力评价 Tab.5 Hydrocarbon potential evaluation of Buha River estuary |
古水深恢复是古地貌研究的重要内容之一，目前多根据介形虫[31]、有孔虫、硅藻、孢子花粉等动植物分布特征[32]、伽马能谱测井信息[33]、压实恢复[34]以及特定环境形成的沉积构造、自生矿物、沉积物分布规律等物理岩石记录[35]的方法进行古水深恢复，但由于各种成岩作用的影响，其恢复难度较大，且精确度较低.
本次研究发现，青海湖布哈河口区湖岸线之下(包括前三角洲、浅湖及半深湖)的表层沉积物样品中TOC含量与采样深度(水深)之间存在良好的相关性(R=0.92)，即：随着水体深度的增加，沉积物粒度逐渐变细、泥质含量的增多，TOC含量亦逐渐升高(图 5).因此，有机碳TOC含量可用于湖泊古水深恢复，即水体深度可由以下公式估算：
| $ H = 5.6375{\rm{e}}^{0.618\;TO{C_{\rm{o}}}} $ | (1) |
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图 5 布哈河口区采样水深与沉积物中TOC含量的关系 Fig.5 Sample depth as function of TOC content in the sediments of Buha River estuary |
式中，H为水深(m)，TOCo为原始有机碳总量(%).
需要注意的是，沉积岩中有机质经历过热演化和排烃，其有机碳总量有不同程度的损失，因此在利用公式(1)进行古水深恢复时必须将TOC含量恢复至原始状态.
沉积岩中原始有机碳的恢复多以物质守恒原理为基础，通过计算总有机碳含量恢复系数(Kc)对原始有机碳进行恢复，即：
| $ TO{C_{\rm{o}}} = TO{C_{\rm{r}}} \cdot Kc $ | (2) |
式中，TOCr为残余有机碳总量(%).
有机碳恢复系数的计算方法很多，如热解模拟实验法[36]、平衡反应模型[37]、生烃动力学[7, 38]、无效碳守恒法[39]、化学反应守恒法[40-41]、有机质守恒法[42-43]、Mo-TOC法[44]等，本文主要引用卢双舫等[42]提出的公式：
| $ Kc = 1/\left( {1 - DTOC} \right) $ | (3) |
式中，DTOC为有机碳损失率.
根据模拟实验获取岩石的排烃效率[45-46]，并结合干酪根类型分析、成熟度分析结果，可以在图 6上估算出DTOC值，考虑到成岩过程中可能带来的岩石质量的变化，有机碳恢复系数(Kc')能更客观地反映有机质丰度的变化[41].
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图 6 有机碳恢复系数(Kc和Kc')与成熟度、排烃效率和有机质类型的关系[42] Fig.6 Reconstruction coefficient of organic carbon vs. maturation, hydrocarbon expulsion efficiency and type of organic mater[42] |
因此，利用岩石中TOCr恢复古水深的公式为：
| $ H = 5.6375{{\rm{e}}^{0.618\;TO{C_{\rm{r}}} \cdot Kc'}} $ | (4) |
需要说明的是，图 6只给出了对应排烃效率分别为10 %、30 %、50 %、70 %、90 %的Kc(或Kc')曲线，估计Kc(或Kc')读数可能存在一定误差(不超过0.1)，会对古水深的恢复结果带来一定影响，以TOCr取值2 %，Kc(或Kc')分别取值1.7和1.6，其古水深恢复结果差值仅5 m左右，因此，本文提出的古水深预测公式适用陆相湖盆地层古水深的恢复，但其数据仅来自青海湖，因不同湖盆生产力及有机质保存条件的差异，对其他类型的湖泊还需要进一步丰富数据，研究修正，以提高预测精度.由于不同类型烃源岩的演化过程不同，同时成岩作用的影响较为复杂，该公式目前对咸化湖泊三角洲沉积体系成熟度较低的烃源岩可能更为适用，而对成熟度较高的烃源岩，古水深恢复公式仍有待于修正和验证.
5 结论1) 布哈河口区表层沉积物中有机碳含量介于0.06 % ~4.29 %，其中半深湖有机碳含量最高，其次为前三角洲及滨湖沉积物，三角洲平原及浅湖沉积物有机碳含量较低，三角洲平原及滨湖沉积物由于间歇暴露，受动物活动影响较强而导致有机碳含量波动较大；
2) 布哈河口区有机质干酪根类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2型，大部分为陆源生物贡献，少量由水生生物贡献，腐泥组分在浅湖及半深湖沉积中相对含量最高；
3) 布哈河口区表层沉积物中有机质丰度较高，主要受黏土矿物含量、有机质生产力和水深控制，黏土矿物含量越高、有机质生产力越强、水深越大，越有利于沉积物中有机质的保存；
4) 布哈河口区表层沉积物中有机质分析具有重要的比较沉积学意义，具有一定盐度的陆相湖盆河口区半深湖环境最有利于烃源岩的发育，同时，利用有机碳含量对古水深进行恢复具有很好的应用前景.
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