準東地區(qū)二疊系蘆草溝組發(fā)育期古環(huán)境特點恢復的地球化學記錄

李　鋒，杜小弟，徐銀波，楊園園 ，周鈺杰

(1.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029；2.振華石油控股有限公司；3.中國地質大學(北京)能源學院)

準東地區(qū)二疊系蘆草溝組發(fā)育期古環(huán)境特點恢復的地球化學記錄

李鋒1，杜小弟1，徐銀波1，楊園園2，周鈺杰3

(1.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029；2.振華石油控股有限公司；3.中國地質大學(北京)能源學院)

摘要：油頁巖的地球化學指標可以有效地反映古沉積環(huán)境。以準噶爾盆地東部隆起區(qū)吉木薩爾凹陷新近完成的JZK1井鉆遇的二疊系蘆草溝組為研究對象，通過沉積學和地球化學分析，認為蘆草溝組發(fā)育時期，沉積環(huán)境主體為半深湖相-深湖相，F(xiàn)e2+/Fe3+值平均為1.46，最高達2.35，Mn/Fe值0.01～0.11，相當硼含量小于200×10-6的樣品占近半數(shù)，Sr/Ba小于1的樣品數(shù)為76%，稀土總量豐度較低，且輕稀土元素相對富集，δEu值具明顯負異常，δCe基本無異常。說明蘆草溝組沉積時期以淡水還原環(huán)境為主，間或與海連通，形成短時期的咸水-半咸水環(huán)境，有利于有機質保存，具備大規(guī)模烴源巖發(fā)育地質條件。

關鍵詞：準噶爾盆地；二疊系；蘆草溝組；油頁巖；古環(huán)境；地球化學

近年來，油頁巖作為一種非常規(guī)能源，引起廣泛關注。沉積巖所含元素的豐度與分布不僅受源巖區(qū)的影響，也受到沉積成巖過程中環(huán)境流體性質改造[1]。油頁巖是一種典型的富含有機質的細粒沉積巖，其多數(shù)元素穩(wěn)定，即使豐度略有差異，其相關元素比值和分布形式仍保持相對穩(wěn)定[2]，因此，油頁巖的地化參數(shù)可以有效指示其沉積成巖時的古環(huán)境特征[3-4]。

在我國西北地區(qū)，二疊系蘆草溝組是準噶爾盆地及三塘湖盆地重要的區(qū)域性烴源巖層系之一[5-6]，當前對三塘湖盆地蘆草溝組組的研究較為深入。本文擬依據(jù)準噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷JZK1井巖心地球化學分析測試數(shù)據(jù)，從沉積環(huán)境、氧化還原條件、古鹽度、酸堿度等方面對二疊系蘆草溝組的古環(huán)境特點進行恢復和再造，對準噶爾盆地蘆草溝組優(yōu)質烴源巖的成因、空間展布特征和致密油的勘探具有重要意義。

1區(qū)域地質背景

準東地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組野外出露主要位于博格達山前帶，西起烏魯木齊市雅瑪里克山，東至奇臺的白楊溝，可見出露于妖魔山、井井子溝、天池、三工河、大黃山、東大龍口、石長溝等剖面。結合區(qū)域鉆井揭示及地震資料，蘆草溝組平面展布斷續(xù)延伸約136 km，寬度2～10 km，發(fā)育面積大約為2×104km2(圖1)。

作為本文重點研究的JZK1井，位于吉木薩爾縣城西部。該井揭示蘆草溝組總厚度519.4 m，主要層位為蘆草溝組三段和二段，鉆遇巖石類型有中砂質細砂巖、細砂巖、細砂質粉砂巖、粉砂巖、白云質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、白云質泥巖及油頁巖等。蘆草溝組發(fā)育時期，主體為半深湖相-深湖相，僅在頂部和底部發(fā)育扇三角洲相(表1)。頂部沉積厚度 29 m，為扇三角洲亞相，由水下分流河道微相和河道間灣微相互層構成；底部沉積厚度49.4 m，發(fā)育扇三角洲亞相，由前緣席狀砂夾河口壩微相組成；中部沉積厚度441 m，由半深湖相-深湖微相夾濁積巖微相構成，其中，濁積巖夾層共6層，厚度3～40 m，累計厚度80 m，為油的主要賦存層位。

表1　JZK1井蘆草溝組發(fā)育沉積相類型

圖1　準東地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組平面展布范圍

2油頁巖樣品采集及實驗分析

JZK1井中油頁巖主要發(fā)育于蘆草溝組二段的深湖-半深湖相層段，呈不等厚層狀重復性出現(xiàn)。本次研究，取油頁巖巖心樣品10 g，用10%鹽酸浸泡預處理，恒溫烘干，破碎研磨至200目備用。常量元素分析采用熔片法X-射線熒光光譜(XRF)，微量元素和稀土元素的測定采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)分析完成。本次測量油頁巖樣品常量元素分析4件，微量元素分析37件，稀土元素分析8件，相應分析結果見表2、表3和表5。

表2　蘆草溝組油頁巖Fe2+/Fe3+比值

(大黃山數(shù)據(jù)來自王東營等, 2008[11])

3結果與討論

3.1常量元素與古沉積環(huán)境

鐵元素在海盆中沉積具有明顯的規(guī)律性，隨著pH值的增大，Eh的降低，鐵的化合價態(tài)由Fe3+相應過渡為Fe2+[7]，因而Fe2+/Fe3+常用來劃分氧化還原相。一般認為，F(xiàn)e2+/Fe3+>1為還原環(huán)境，F(xiàn)e2+/Fe3+等于1為中性環(huán)境，F(xiàn)e2+/Fe3+<1為氧化環(huán)境[8]。

吉木薩爾油頁巖樣品取自于JZK1井深部，其Fe2+/Fe3+比值平均為1.46，最高達2.35(表2)，油頁巖中主要含鐵礦物為黃鐵礦和鐵白云巖，應比較準確代表弱還原環(huán)境或還原環(huán)境。與大黃山剖面采集的10個油頁巖樣品的分析結果(表2)對比發(fā)現(xiàn)，由于地表氧化作用，黃鐵礦氧化為褐鐵礦或黃鉀鐵礦，即受Fe2+被氧化成Fe3+的影響，F(xiàn)e2+/Fe3+比值明顯降低，說明該比值在實際應用中具有一定的局限性。

搬運過程中，沉積物中所含F(xiàn)e2+易被氧化轉變?yōu)镕e3+，以Fe(OH)3的形式沉淀，所以鐵元素的化合物在近岸濱海地區(qū)富集。而錳元素卻能在離子溶液中比較穩(wěn)定地存在[9]，可在離海岸較遠的盆地中心沉積，因而海相頁巖中Mn/Fe值比淡水頁巖要高得多[10]。吉木薩爾JZK1井中油頁巖Mn/Fe比值范圍為0.01～0.11，與大黃山油頁巖Mn/Fe比值范圍0.02～0.10相似(表3)，均遠遠小于海相沉積頁巖。表明蘆草溝組油頁巖的沉積環(huán)境以淡水環(huán)境為主。

表3　蘆草溝組油頁巖Mn/Fe比值

(大黃山數(shù)據(jù)來自王東營等，2008[11])

3.2微量元素與古鹽度

作為古環(huán)境和古氣候分析中的一個重要指標,古鹽度在恢復沉積時期古地理環(huán)境和古氣候中具有重要的應用。目前較為廣泛應用B元素含量及Sr/Ba比值來判別海相與陸相、氧化與還原、鹽度等沉積特征(表4)。

表4　判別海陸環(huán)境的微量元素參考指標

海水溶液中硼元素的濃度與鹽度呈線性相關，因此，油頁巖中硼元素含量可直接反映沉積時的古鹽度。相當硼含量是指相當于伊利石中K2O含量為5%時的硼含量。walker[12]認為，相當硼含量與古鹽度密切相關，正常海水環(huán)境，相當硼含量為(300～400)×10-6，半咸水環(huán)境為(200～300)×10-6，小于200×10-6則為淡水沉積。

吉木薩爾南油頁巖37件樣品中，18件樣品硼含量小于200×10-6，7件樣品(200～300)×10-6,12件樣品大于300×10-6，說明在蘆草溝組油頁巖沉積環(huán)境是淡水主導，但是受到海水一定程度的影響；從大黃山蘆草溝組油頁巖10個樣品硼含量測定結果看，大部分小于200×10-6，僅1個樣品在(200～300)×10-6，沉積環(huán)境亦受到海水的影響。綜合分析認為JZK1井所在的吉木薩爾一帶為海退方向，受海水影響較大。

盡管親石元素Sr和Ba地球化學性質很相似，但在沉積盆地水體中，Sr元素主要從海水中直接沉淀，Ba元素易被黏土及細碎屑沉積物吸附而富集。在海水中形成的沉積物，其Sr的含量高而Ba的含量低，與淡水中形成的沉積物情況相反。一般認為，泥巖中若Sr/Ba比值大于1，則為海水沉積，Sr/Ba比值小于1則屬陸相淡水沉積[13]。

吉木薩爾南油頁巖37件樣品中，28件樣品Sr/Ba小于1，9件樣品大于1，說明在蘆草溝組油頁巖沉積環(huán)境以淡水沉積為主，特定時段受到海水的影響；從大黃山蘆草溝組油頁巖10個樣品中9個Sr/Ba比值大都小于1，僅有1個樣品的Sr/Ba比值大于1，表明本區(qū)沉積環(huán)境主要為淡水半深湖-深湖等陸相。與硼元素所指示的沉積環(huán)境基本一致。

3.3稀土元素與古環(huán)境

基于8件樣品的稀土元素分析結果(表5) 及Leed隕石和北美頁巖標準化后的稀土配分模式特征(圖2A)發(fā)現(xiàn)，吉木薩爾油頁巖的稀土元素總量介于(81.96～121.62)×10-6，含量偏低，小于北美頁巖(表5，圖2B)。其可能原因一方面是剝蝕區(qū)原巖稀土元素本身絕對含量較低；另一方面受風化、搬運到地表沉積環(huán)境的影響。此外，泥巖類烴源巖中鈣質含量較高也是稀土元素含量偏低的重要原因[14]。

輕稀土元素(LREE)指從La～Eu各稀土元素，

圖2　蘆草溝組油頁巖稀土元素分配型式A:據(jù)Leed球粒隕石標準化，Masuda,1973[16])；B:據(jù)北美頁巖標準化,Gromet，1984[17])

重稀土元素(HREE)指從Gd～Lu各稀土元素?！芁REE/∑HREE比值大小可反映出輕重稀土元素的分異程度，大比值表明輕稀土元素的富集，而重稀土元素虧損。在陸源物質搬運過程中，因LREE易被細粒沉積物吸附，使得近物源區(qū)沉積物中輕稀土元素相對富集。吉木薩爾油頁巖LREE/HREE比值的平均值為5.73，較球粒隕石的2.40明顯要高。大黃山油頁巖LREE/HREE比值為1.98～3.73，具有輕稀土元素富集特征，反映相似意義的(La/Yb)n比值為4.16～9.41，表現(xiàn)為近源陸相沉積。

表5　吉木薩爾油頁巖稀土元素分析結果　　　　　　　　　　　10-6

在酸性介質中或強還原條件下，因Eu3+被還原成Eu2+發(fā)生再次元素運移，使得沉積物中Eu元素產(chǎn)生負異常。因此，油頁巖中δEu的負異常可指示酸性還原環(huán)境。吉木薩爾油頁巖經(jīng)球粒隕石標準化后，δEu平均值為0.64，與上地殼平均值0.65相差不大，Eu具有較明顯的虧損，大黃山油頁巖δEu值0.69～0.81，均呈現(xiàn)負異常，反映出油頁巖沉積時，大量生物物質耗氧腐化，導致酸化還原環(huán)境。

在堿性介質與高氧化電位的表生作用帶，Ce3+易被氧化成Ce4+，生成Ce虧損的巖礦組合。因此，δCe的負異?？芍甘緣A性氧化成巖流體環(huán)境。在海水pH、Eh條件下，Ce3+易于氧化成Ce4+，造成海水中Ce虧損明顯，而海相沉積物中Ce富集[15]。一般δCe>1.05為正異常，代表氧化環(huán)境，δCe<0.95為負異常，指示還原環(huán)境。吉木薩爾深部油頁巖δCe值0.86～1.00，平均值為0.95，基本無異常，反映弱的還原環(huán)境。大黃山地表油頁巖樣品，除一件為正異常外，其他呈現(xiàn)弱的負異常，顯示有海水影響，可能與近地表氧化作用有關。

4結論

中二疊世初期，在博格達山北麓地區(qū)形成了陸相深水湖盆，蘆草溝組沉積時期，整體為一閉塞滯留的深湖-半深湖環(huán)境，形成以粉砂巖-細砂巖為主體的深水沉積夾不等厚濁積巖巖性序列。蘆草溝組沉積時期以淡水還原環(huán)境為主，間或與海連通，形成短時期的咸水-半咸水環(huán)境。此時期氣候溫暖潮濕，十分有利于水生生物和植物的生長繁殖，有機質十分豐富，形成區(qū)域分布廣泛的烴源巖層。

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編輯：吳官生

文章編號：1673-8217(2016)02-0012-05

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：李鋒，高級工程師，1969年生，1991年畢業(yè)于江漢石油學院，現(xiàn)從事油氣基礎地質調查與戰(zhàn)略選區(qū)工作。

基金項目：國土資源部全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調查與評價項目(1211302108019)資助。

中圖分類號：TE311

文獻標識碼：A