巴西圣保罗州萨尔蒂尼奥市伊拉蒂地层的放射性特征分析

本研究通过X射线荧光和伽马射线光谱技术，结合Python的统计分析方法，系统研究了巴西帕拉纳盆地伊拉蒂组的地球化学特征，揭示了碳酸盐与硅质碎屑岩的显著分区现象，并识别出混合岩相“石灰岩-库库鲁托”，K/U比值显示矿物学以碳酸盐为主，为评估该盆地烃类潜力提供了重要依据。

　　

Gabrielle Roveratti | Daniel Marcos Bonotto

IGCE-地球科学与精确科学研究所，UNESP-圣保罗州立大学，地址：Av. 24-A No. 1515，邮政信箱178，CEP 13506-900，里奥克拉鲁，圣保罗，巴西

摘要

X射线荧光（XRF）和伽马射线光谱法是地质和地球化学研究中的重要分析技术，能够提供关于沉积岩和火成岩组成、起源及演变的宝贵信息。在巴西，这些方法被越来越多地应用于识别含烃区域以及描述沉积盆地内的岩性变化。特别是Irati地层，它是Paraná盆地中主要的烃生成序列之一，由富含有机物的页岩和碳酸盐岩组成，在适宜的热条件下能够产油。在此背景下，结合地球化学和地球物理分析，并利用现代计算工具，可以更精确地解释地质过程。研究结果表明，碳酸盐岩和碎屑岩之间存在明显的地球化学分异；同时，K/U比值证实该地层的矿物组成以钾长石缺乏、碳酸盐相为主。本研究采用了Python编程语言进行统计和多变量分析，使得地球化学数据的处理更加可靠且可重复。这种方法加深了对Irati地层地球化学行为的理解，有助于评估其在盆地内的烃潜力。

引言

多个科学领域依赖于基于伽马射线光谱数据的研究，例如地质学、地球化学和环境测绘，这些研究能够解释大范围区域的特征。利用伽马射线的技术不仅应用于土壤测绘和矿产勘探，还可以用于估算和评估人类所受的辐射剂量，以及识别存在自然辐射风险的区域（IAEA，2003年）。

巴西的最新研究表明，伽马射线光谱法可用于探测潜在的含烃区域。Lug?o和La Terra（2009年）在该国首次进行了高分辨率磁测和伽马射线光谱研究，发现了与烃微渗漏相关的异常现象。这些异常与残余磁异常图中的断层结构相关联，表明铀和钾浓度的变化可以作为寻找化石燃料的指示指标。因此，将伽马射线光谱数据与其他地球物理技术结合使用，是巴西油气勘探的一个有前景的方法。

X射线荧光（XRF）分析在地球科学中广泛用于测定岩石、矿物、矿石、土壤和沉积物样本中的元素浓度。XRF的原理是通过测量发射的辐射来定性和定量地确定化学元素。样品中的化学成分必然会产生X射线。需要一种合适的方法来激发原子最内层的电子，因为只有当外层电子跃迁到较低的能量级时，才会产生特征性的X射线（Bruker，2011年）。

目前，巴西国内的主要产油区域包括Solim?es、Ceará、Potiguar、Sergipe-Alagoas、Rec?ncavo、Espírito Santo、Campos和Santos盆地。此外，Barreirinhas（MA）和Tucano（BA）盆地也有小规模的石油生产。在Paraná州的S?o Mateus do Sul，通过开发Irati地层中的含油页岩，每天可生产约4,000桶石油。迄今为止，商业化的古生代石油储量仅发现于Solim?es盆地。该地区的石油系统包含泥盆纪源岩，这些页岩原本具有较高的生油潜力。然而，由于中生代岩浆作用导致的复杂热历史，这些岩石在二次裂解过程中将液态石油转化为气态烃，限制了其储油能力。盆地内的主要储层是Juruá地层的晚石炭纪砂岩（Santos，2006年）。

Irati地层被认为是Paraná盆地中主要的烃生成序列之一，由富含有机物的沉积物组成，具有产油潜力。在正常埋藏条件下，该地层属于未成熟阶段，但在火成岩侵入的影响下可达到成熟状态。地球化学研究表明，Irati地层是该地区最具潜力的油源岩，与所有已知的地面和地下石油沉积物存在地球化学相关性。它主要由富含有机物的页岩和碳酸盐岩构成（Santos，2006年）。这种由富含有机物的页岩和碳酸盐岩组成的地层可以产油。在正常埋藏条件下，这些岩石通常处于未成熟状态，但在火成岩侵入（岩脉和/或岩基）的热影响下可成熟（Souza等人，2004年）。

先进分析方法与现代计算技术的结合极大地推动了自然资源研究的发展。最新研究表明，地球化学和地球物理技术的联合应用，结合机器学习方法，有助于更深入地理解储层的岩石物理和地球化学特性，从而提高勘探效率（Ardito，2019年）。此外，在碳酸盐储层的地球化学和矿物学建模中运用人工智能也被证明是一种有前景的方法（Oliveira，2022年）。

为了确保统计处理的可靠性和可重复性，本研究中的地球化学数据使用Python编程语言（Jupyter Notebook 6.5.2）进行处理和分析，采用了开源库、、和进行数据组织、统计测试和多变量分析。使用Python提高了透明度和可重复性，为传统的统计软件包（如IBM SPSS）提供了一种高效且易于使用的替代方案，特别是在探索性、多变量和图形分析方面（van Rossum和Drake，2009年；Oliphant，2006年，2007年）。这种计算方法使得KMO检验、巴特利特检验（Bartlett’s test）、主成分分析（PCA）、因子分析和层次聚类方法能够集成应用，生成了支持结果地质解释的详细可视化结果。

研究区域

研究区域位于巴西圣保罗州的Saltinho市（图1），位于Cornélio Pires公路（SP-127）的57公里处，可通过Cornélio Pires公路（BR-373）到达。研究地点位于Paraná沉积盆地（PSB）内（图1）。

Paraná盆地是南美洲中部东部的一个大型沉积中心，占地面积约为1,500,000平方公里，其中大部分位于巴西境内。

方法论

岩石样品最初采用伽马射线光谱法进行分析，具体方法遵循Roveratti和Bonotto（2022年）描述的实验方案。使用的手持光谱仪为EG&G ORTEC公司的Digidart型号，配备2”×2” NaI(Tl)闪烁晶体，探测器置于4厘米厚的铅屏蔽层内。γ光谱仪的能量校准使用了已知的γ射线辐射源。

地球化学三元图

图5所示的三元图是根据地球化学数据绘制的，三角形顶点分别对应SiO₂（顶部）、CaO+MgO（左侧）和R₂O₃（Al₂O₃+Fe₂O₃+TiO₂）（右侧）。虚线表示各组分之间的50%分界线，便于读取成分关系。

样品在三元图的高CaO+MgO区域（超过60%）的集中分布与石灰岩的存在有关（用红色表示）。

结论

XRF和伽马射线光谱数据的结合使用被证明是研究Irati地层及其他Paraná盆地岩性单元地球化学特性的有效方法。这些技术提供了关于元素组成和放射性特征的互补信息，有助于解释沉积环境和烃生成潜力。关键发现包括SiO₂与碳酸盐之间的强烈负相关性。

CRediT作者贡献声明

Gabrielle Roveratti：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据分析。Daniel M Bonotto：审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思

未引用的参考文献

Bohlen等人，1987年；CPRM，2020年；Rojkovi?等人，1992年；Roveratti，2021年；Santos等人，2006年；Souza等人。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

非常感谢巴西巴西利亚（DF）的国家石油、天然气和生物燃料局（PRH-ANP）提供的博士奖学金。同时，也感谢一位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见显著提升了手稿的可读性。