伊拉克南部Zubair地层的地球化学特征：对古盐度、古气候、构造环境、古风化作用及物质来源的启示

《Journal of African Earth Sciences》：Geochemistry of Zubair Formation in southern Iraq: implications for paleosalinity, paleoclimate, tectonic setting, paleoweathering and provenance

Zubair Formation的页岩和砂岩通过元素地球化学分析，揭示了中性-酸性岩浆来源及被动构造环境，风化指数显示砂岩经历中等风化而页岩强烈风化，沉积环境为温暖湿润气候下的三角洲系统，盆地以淡水为主伴有限浅海影响，氧条件为氧化至弱还原。

　　

扎赫拉·J·阿尔-朱博里（Zahraa J. Al-Jubory）| 穆罕默德·W·阿尔-卡法吉（Mohamed W. Alkhafaji）| 哈维·E·贝尔金（Harvey E. Belkin）| 萨桑·H·阿尔-哈扎（Sawsan H. Al-Hazaa）

伊拉克摩苏尔大学理学院地质系

摘要

下白垩统的祖拜尔地层（Zubair Formation）是伊拉克南部油田的主要储层之一，其中的页岩层被认为是潜在的烃类源岩。该地层由页岩和砂岩组成，形成于沉积物供应量较大的河流主导的三角洲系统中。为了确定其来源、古气候、构造环境及古风化作用，对祖拜尔地层中的页岩和砂岩进行了全面的地球化学研究。根据主要元素、微量元素和稀土元素的分析，这些沉积物具有中性至长英质火成岩的起源，并形成于被动构造环境中。（Sr/Cu比值、C值）、风化指数（CIA、PIA、CIW）以及（A-CN-K）图表明，砂岩经历了中等程度的风化，而页岩则经历了温暖湿润气候下的强烈风化，其间还夹杂着几次炎热干燥的时期。利用页岩样本中的古氧化还原状态指标（Th/U、U/Th、Ni/Co、Cu/Zn以及U、V、Mo元素的比值），可以推断沉积盆地在中沉积期间处于氧化至弱氧化环境。此外，祖拜尔地层样本的B/Ga比值为1.27–36，S/TOC比值为0.03–4.62，Rb/K比值为0.002–0.005，这些数据表明该盆地主要为淡水环境，同时受到有限的浅海影响。

引言

碎屑岩的化学成分，包括主要元素、微量元素和稀土元素（REE）及其相互关系，是识别其来源（例如McLennan等人，1990年；Cullers，2000年；Armstrong-Altrin等人，2004年；Spalletti等人，2012年）、构造环境（Bhatia，1983年；Roser和Korsch，1986年；1988年）、古风化和古气候（Nesbitt和Young，1982年；Suttner和Dutta，1986年；Fedo等人，1995年；Cox等人，1995年）以及古环境条件（Wignall，1994年；Akinlua等人，2010年；Mortazavi等人，2013年；Sajid等人，2020年；Xiao等人，2020年；Zhen等人，2020年）的重要依据。成岩作用可以改变沉积物的化学成分。母岩的原始矿物组成可通过沉积物中的主要氧化物含量及其比值来反映，而页岩中低溶解度且稳定的微量元素比值通常受其来源成分的控制（Taylor和McLennan，1985年），这使得它们成为评估构造环境和来源的可靠指标。由于在成岩作用、搬运和风化过程中这些元素的迁移性较低，因此可以用来判断沉积物的构造环境和来源（例如Taylor和McLennan，1985年）。与砂岩相比，页岩中的这些元素在化学成分中更能保留来源信息，因为成岩作用、风化和分选作用对砂粒大小的沉积物影响更大（Deng等人，2023年）。因此，用于确定页岩来源、构造环境和古环境条件的判别图比砂岩更为可靠。另一方面，成岩过程中某些化学成分的去除和矿物溶解在页岩中的程度较轻（Usman等人，2020年）。这些成岩过程会改变原始成分和结构，进而显著影响砂岩的储层特性。

祖拜尔地层是伊拉克中部和南部以及科威特的主要石油储层。多项研究对岩心和岩相的分析表明，该地层由砂岩和页岩交替层组成，其间夹杂着薄层至厚层的粉砂岩（Adel，2009年；Alsultan等人，2021年）。从烃类生产角度来看，祖拜尔地层可分为：（1）下部页岩层；（2）下部砂岩层，主要由软质砂岩和少量粘土组成；（3）中部页岩层，以硬质粘土为主，含有少量砂岩；（4）上部砂岩层，主要由含少量粘土的砂岩组成；（5）最上部页岩层（Owen和Nasser，1958年）。根据化石证据和区域环境，该地层的形成时代为早白垩世（巴雷曼期-阿普特期）（Chatton，1960年）。祖拜尔地层的厚度因沉积盆地的形状以及搬运和沉积条件而异。总体而言，伊拉克南部的祖拜尔地层厚度在200–500米之间（Ali和Nasser，1989年；Al Ibrahim等人，2025年），而在研究区域，其厚度为350–421米。据推测，该地层形成于沿海（三角洲）环境。沿海环境是一个复杂的系统，受到波浪、河流和潮汐作用的共同影响，这些因素影响了沉积物的化学和沉积学特征（Peng等人，2025年）。这类环境可分为两种类型（Boyd等人，1992年）：（1）以潮汐作用为主的序列，表现为潮汐三角洲和河口湾；（2）位于陆地和海洋之间的潮间带，与河口环境相关。祖拜尔地层中保存了潮汐、波浪和河流相互作用的复合记录。要准确了解风化强度（主要受气候控制）、母岩性质以及沉积时的古环境条件，还需要更详细的地球化学研究。因此，在本研究中，我们提供了精确的地球化学数据，利用主要元素、微量元素和稀土元素的地球化学特征来评估沉积环境，以确定和/或约束伊拉克南部祖拜尔地层的来源、构造环境、古环境条件、古风化和古气候条件，从而加深对其沉积条件的认识。

地质背景

伊拉克位于阿拉伯板块的东北边缘，这是由于晚二叠世时期古特提斯洋扩张所形成的（Jassim和Goff，2006年）。这些构造事件导致阿拉伯地盾基底岩石断裂，进而引发了阿拉伯地区一系列沉积盆地的形成。这些盆地积累了层状的烃类储层和源岩及其覆盖岩。

材料与方法

祖拜尔地层是一个地下地层，是伊拉克南部油田的主要烃类储层，因此相关样本仅存在于石油公司手中。我们从南油公司（South Oil Company，SOC）的三个井（井27、井34和井37）中获得了18个祖拜尔地层样本：其中井27提供了2个样本（样本1和2），井34提供了10个样本（样本3-12），井37提供了6个样本（样本13-18）。这些样本被用于分析主要元素、微量元素和稀土元素。

主要元素地球化学

主要元素浓度结果列于表1中。砂岩中的元素含量如下：SiO₂（80.49–97.43 wt.%，平均值=90.84 wt.%），Al₂O₃（0.25–7.55 wt.%，平均值=1.51 wt.%），TiO₂（0.072–0.638 wt.%，平均值=0.235 wt.%），Fe₂O₃（1.33–7.41 wt.%，平均值=3.19 wt.%），MgO（0.02–0.09 wt.%，平均值=0.04 wt.%），CaO（0.03–0.20 wt.%，平均值=0.10 wt.%），Na₂O（0.03–0.19 wt.%，平均值=0.09 wt.%），K₂O（0.03–0.18 wt.%，平均值=0.08 wt.%），P₂O₅（0.01–0.02 wt.%，平均值=0.02 wt.%），MnO（0.01–0.054 wt.%）。

来源分析

碎屑沉积物的地球化学数据被广泛用于表征其源岩（McLennan等人，1990年；Cullers，2000年；Armstrong-Altrin等人，2004年；Spalletti等人，2012年；Madhavaraju，2010年；Tobia和Shangola，2019年；Overare等人，2020年）。移动性元素（如Na、Ca、Mg）在确定来源时作用较小（Hayashi等人，1996年），而稀土元素及一些低迁移性的微量元素（如Th、Co、Sc和Zr）则是良好的来源指示剂，因为它们的迁移性较低。

结论

通过分析主要氧化物、微量元素和稀土元素，我们确定了伊拉克南部祖拜尔地层的来源、构造环境、古风化作用、古气候和古环境条件。基于沉积过程中的低迁移性元素（尤其是稀土元素及一些低迁移性微量元素：Th、Co、Sc和Zr）的地球化学数据，表明页岩具有长英质至中性火成岩的来源，而砂岩则具有长英质火成岩来源，并伴有沉积物再循环。

CRediT作者贡献声明

萨桑·阿尔-哈扎（Sawsan Al-Hazaa）：撰写、审稿与编辑、数据整理。扎赫拉·阿尔-朱博里（Zahraa Al-Jubory）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论制定、调查、数据分析、概念化。哈维·E·贝尔金（Harvey E. Belkin）：撰写、审稿与编辑、方法论制定、数据分析。穆罕默德·阿尔-卡法吉（Mohamed Alkhafaji）：撰写、审稿与编辑、项目监督、项目管理

未引用的参考文献

Algeo和Liu，2020年；Al-Jaberi和A-Jafar，2020年；Al-Maadhidi等人，2023年；Bathia，1983年；Condie，1991年；Cullers和Stone，1991年；De Barry Barnett和Wilson，1960年；Falkum和Grundvig，2006年；Floyd和Leveridge，1987年；Madhavaraju和Lee，2010年；Mortazavi等人，2013年；Farouk等人，2018年；Sun和McDonough，1989年；Wignall，1994年。

利益冲突声明

我们声明不存在利益冲突

致谢

作者感谢伊拉克巴士拉的南油公司（South Oil Company）提供研究样本，感谢加拿大安大略省安卡斯特的Activation Laboratories有限公司对样本进行主要元素、微量元素和稀土元素的分析，同时感谢两位匿名审稿人的建设性意见，这些意见有助于提升论文质量。