準(zhǔn)噶爾盆地南緣蘆草溝組頁巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境分析
——以準(zhǔn)頁3井為例

陳 健，莊新國，吳 超，劉曉峰，周繼兵

(1.廣東煤炭地質(zhì)局，廣州 510000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)，烏魯木齊 830000)

準(zhǔn)噶爾盆地南緣蘆草溝組頁巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境分析
——以準(zhǔn)頁3井為例

陳 健1，莊新國2，吳 超3，劉曉峰2，周繼兵3

(1.廣東煤炭地質(zhì)局，廣州 510000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)，烏魯木齊 830000)

通過對(duì)準(zhǔn)頁3井中蘆草溝組頁巖樣品測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討了頁巖樣品的地球化學(xué)特征及垂向變化規(guī)律，進(jìn)一步闡述了其沉積環(huán)境指示意義及變化特征。結(jié)果表明準(zhǔn)頁3井蘆草溝組頁巖中Al和K偏低，Na、Ca和Fe偏高，P 元素明顯富集，整體屬于較為干旱的環(huán)境；Sr/ Ba與B參數(shù)特征說明蘆草溝組整體處于半咸水-咸水沉積環(huán)境，垂向上鹽度含量不斷增大；Fe2+/Fe3+、V/V+Ni、V/Cr、LREE/HREE、δCe和δEu參數(shù)特征表明蘆草溝組整體為酸化弱還原環(huán)境下近源沉積，而下段為貧氧環(huán)境，中上段為厭氧環(huán)境，且受北天山陸源碎屑和火山灰間歇性影響，為有機(jī)質(zhì)的輸入和保存提供了較為有利的條件。

蘆草溝組；地球化學(xué)；沉積環(huán)境；準(zhǔn)噶爾盆地

準(zhǔn)噶爾盆地南緣二疊系蘆草溝組形成于穩(wěn)定的內(nèi)陸湖泊環(huán)境，黑色頁巖廣泛發(fā)育，是新疆頁巖氣勘探的一個(gè)重要烴源巖層。前人對(duì)蘆草溝組的研究也多集中在博格達(dá)山北麓大黃山及吉木薩爾一帶，而對(duì)烏魯木齊周邊的蘆草溝組頁巖研究尚淺，本次研究將對(duì)烏魯木齊紅雁池地區(qū)準(zhǔn)頁3井蘆草溝組頁巖進(jìn)行地球化學(xué)特征分析并闡述其沉積環(huán)境指示意義及垂向變化特征，為開發(fā)頁巖氣提供科學(xué)依據(jù)和詳實(shí)資料的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。

1 地質(zhì)概況

博格達(dá)山前斷裂帶位于博格達(dá)山與準(zhǔn)噶爾盆地的結(jié)合部位，被阜康斷裂帶(烏魯木齊地區(qū)阜康斷裂帶為隱伏斷裂)和博格達(dá)山北緣斷裂(三工河斷裂)限定，其間為妖魔山斷裂帶，總體呈“兩向一背”的構(gòu)造格局[1]。準(zhǔn)頁3井位于博格達(dá)山前斷裂帶東段烏魯木齊紅雁池地區(qū)，在構(gòu)造上位于烏魯木齊向斜南翼。(圖1)。

在早二疊世晚期，準(zhǔn)噶爾古板塊與塔里木古板塊碰撞造山，海槽逐漸開始閉合，中二疊世準(zhǔn)噶爾盆地南緣開始進(jìn)入河流-湖泊相沉積，盆地經(jīng)歷了逐漸擴(kuò)大變深為統(tǒng)一湖盆，最后又萎縮的過程，蘆草溝組正是準(zhǔn)噶爾湖泊面積最大時(shí)沉積形成的[2-3]。

準(zhǔn)頁3井蘆草溝組巖性下段主要為碳酸鹽巖與泥頁巖互層，中段為灰黑色泥頁巖夾薄層碳酸鹽巖，上段碳酸鹽夾層變多，頂部碳酸鹽巖夾層多被鈣質(zhì)粉細(xì)砂巖取代。地層中含大量的葉肢介、介形蟲、雙殼類、魚類以及植物等化石。微細(xì)水平層理、水平或波狀紋層發(fā)育，黑色頁巖與灰?guī)r或白云巖交互頻繁，為鹽度較高的弱還原環(huán)境下的半深湖-深湖相沉積[4-6]。

F2-妖魔山斷裂； F6-博格達(dá)山北緣斷裂帶(三工河斷裂)；F7-博格達(dá)山南緣斷裂帶；F8-七道灣斷裂； A3-妖魔山背斜；A4-七道灣背斜； A10-柳樹溝背斜。S5-烏魯木齊向斜；S6-七道灣向斜圖1 準(zhǔn)南重點(diǎn)遠(yuǎn)景區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of southern Junggar key prospect area

2 樣品采集及測(cè)試

本文對(duì)準(zhǔn)頁3井的蘆草溝組組巖心進(jìn)行了仔細(xì)觀察，系統(tǒng)采集了具有代表性的富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品，經(jīng)過篩選一些典型樣品后進(jìn)行常、微量元素分析。樣品測(cè)試在新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)試驗(yàn)研究所巖礦檢測(cè)室完成。常量元素分析使用X熒光光譜儀測(cè)試，微量元素測(cè)試使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)，重復(fù)樣分析結(jié)果吻合，樣品分析具有較高精度。測(cè)試結(jié)果如表1。

3 測(cè)試結(jié)果分析討論

3.1 常量元素組成特征

對(duì)某地區(qū)和某一層位的元素地球化學(xué)特征進(jìn)行研究時(shí)，通常要將研究區(qū)巖石的元素組成與相應(yīng)的巖石類型的元素的平均含量相比較，通過比較可以確定該地區(qū)富集的元素和分散的元素，有助于對(duì)巖石的形成環(huán)境進(jìn)行分析[7]。

將準(zhǔn)頁3井蘆草溝組頁巖的常量元素平均含量與北美(NASC)頁巖[4]對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖2)：其中Si、Mg、Ti和Mn元素與標(biāo)準(zhǔn)頁巖中的含量差不多；Na、Ca和Fe值都高于標(biāo)準(zhǔn)頁巖含量，P 元素的含量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)頁巖克拉克值，富集比較明顯；而Al和K含量則低于標(biāo)準(zhǔn)頁巖中的含量。苗建宇[8]認(rèn)為在干燥氣候條件下，由于大氣降水減少，地表水份大量蒸發(fā)，盆地水介質(zhì)的堿性增強(qiáng)，Ca和Na等被大量析出沉積在水底。吳紹組[2]認(rèn)為蘆草溝組沉積時(shí)期準(zhǔn)噶爾盆地受到干旱炎熱氣流影響顯示間歇性干旱氣候的特征。從蘆草溝組頁巖元素中較為富集Ca和Na而貧Al和K可以分析蘆草溝組沉積時(shí)期的古氣候較為炎熱干燥，這與蘆草溝組巖性特征中富集碳酸鹽巖夾層相對(duì)應(yīng)。

針對(duì)P元素的富集前人也分析了原因：李婧婧[4]等在研究博格達(dá)山北麓蘆草溝組油頁巖的地球化學(xué)特征時(shí)認(rèn)為P主要來自周圍火山噴發(fā)帶來的火山灰，王東營[6]等認(rèn)為大黃山一帶蘆草溝組暗色泥巖中P富集主要由于水體鹽度分層后高鹽度水體導(dǎo)致的低等生物的滅亡。吳紹祖[2]認(rèn)為中二疊世準(zhǔn)噶爾盆地周緣火山活動(dòng)頻繁，所以針對(duì)準(zhǔn)頁3井的P元素的富集可能跟火山作用關(guān)系更大，火山作用同時(shí)帶來了大量的Fe元素。同時(shí)研究區(qū)西段受到南天山構(gòu)造抬升陸源補(bǔ)給影響較大，影響了元素濃度平衡[3]。

圖2 準(zhǔn)頁3井蘆草溝組頁巖常量元素含量與標(biāo)準(zhǔn)頁巖常量元素含量之比Figure 2 Well ZY3 ratio of Lucaogou Formation shale constant element content to standard shale constant element content

表2 Fe2+/ Fe3+與沉積環(huán)境對(duì)應(yīng)關(guān)系表(參考文獻(xiàn)引自文獻(xiàn) [9])

鐵在盆地沉積中的規(guī)律性十分明顯，隨著沉積水體pH的值的不斷增大，Eh的降低，鐵礦物能夠呈不同的相態(tài)分布，從而形成不同價(jià)態(tài)的化合物，因而可用來反映沉積環(huán)境的氧化還原性(表2)[9]。準(zhǔn)頁3井蘆草溝組頁巖Fe2+/ Fe3+含量主要在0.49～0.98，平均為0.84，處于弱氧化的環(huán)境，在垂向上呈弱氧化與弱還原不斷交替的趨勢(shì)(圖3)。

3.2 微量元素組成特征

3.2.1 Sr/ Ba與B及其對(duì)古鹽度指示意義

鍶與鋇的化學(xué)性質(zhì)非常相似，但與鍶相比鋇的化合物溶解度更低。在早期低鹽度的沉積物中一般較為富集鋇而貧鍶，到了晚期高鹽度的沉積物中則富集鍶而貧鋇，因此可根據(jù)Sr/ Ba值來確定古鹽度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)淡水沉積物中Sr/ Ba值小于1，咸水沉積物中Sr/ Ba值大于1，Sr/ Ba值為 0.5～1.0為半咸水相[10-12]。

Degens、Keith等[13]提出利用沉積物中硼元素測(cè)試值校正計(jì)算后的“相當(dāng)硼”指標(biāo)判別海水和湖水的鹽度，其劃分范圍為：相當(dāng)硼含量在300×10-6～400×10-6為正常海相沉積，200×10-6～300×10-6為半咸水沉積，小于200×10-6為淡水沉積。亞當(dāng)斯根據(jù)實(shí)際資料得出計(jì)算水體的鹽度公式：

y= 0.0977x-7.043

(1)

y為水體的鹽度(‰)，x代表相當(dāng)硼(×10-6)。

再根據(jù)表3水體鹽度對(duì)照表判斷蘆草溝組沉積時(shí)的水體環(huán)境。

準(zhǔn)頁3井樣品中的古鹽度環(huán)境指標(biāo)分析表明(圖3)，Sr/ Ba值主要集中分布在0.46～1.0、1.0～1.32，其中只有三個(gè)樣品的數(shù)據(jù)大于1，屬于湖相半咸水環(huán)境。依據(jù)B元素含量計(jì)算的古鹽度主要分布在5.43‰～91.5‰，依據(jù)表4水體鹽度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于半咸水-咸水-鹽水環(huán)境。垂向上，隨著覆水深度加深，鹽度分層作用使底層水鹽度加大，從而蘆草溝組自下而上鹽度含量增大。

表3 水體鹽度對(duì)照表(參考文獻(xiàn)引自文獻(xiàn)[13])

圖3 準(zhǔn)頁3井常、微量元素及比值垂向分布特征Figure 3 Well ZY3 constant element, trace element and specific value vertical distribution features

3.2.2 V/(V+Ni)與V/Cr及其對(duì)古氧相指示意義

古氧相是指反映地層形成時(shí)沉積環(huán)境水體中，特別是底層水體中溶氧量特征及其變化的各種巖石、生物和地球化學(xué)特征等的綜合，是沉積相的重要組成部分。Jones等[14]指出微量元素比值(U/Th，V/Ni，Ni/C等)在沉積環(huán)境的判別上取得良好的效果。

在Jones等[14]的判別標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，本文選取V/(V+Ni)和V/Cr比值對(duì)蘆草溝組古氧相進(jìn)行了分析研究(表4)。

圖3展示了準(zhǔn)頁3井蘆草溝組樣品中微量元素所計(jì)算的古氧相指標(biāo)和所確定古氧相及其垂向變化。微量元素V/(V+Ni)比值在0.58～0.85，平均為0.71，顯示貧氧-厭氧的沉積環(huán)境。V/Cr比值在1.21～5.30，平均為2.21，顯示為貧氧-厭氧的沉積環(huán)境。蘆草溝組總體處于厭氧環(huán)境，而上段為完全厭氧環(huán)境，下段為貧氧-厭氧環(huán)境，這可能與蘆草溝組沉積早期，水體相對(duì)較淺，水體受到擾動(dòng)有關(guān)，隨著水體的逐漸加深，蘆草溝組則完全處于厭氧環(huán)境的沉積狀態(tài)。但是準(zhǔn)頁3井古氧相指標(biāo)浮動(dòng)變化較大，說明準(zhǔn)頁3井一帶受到周緣物源的影響，水體有一定的動(dòng)蕩性。

表4 缺氧環(huán)境與富氧環(huán)境的地球化學(xué)特征與辨別指標(biāo)(據(jù)文獻(xiàn)[14]修改)

3.3 稀土元素組成特征

3.3.1 LREE特征

輕稀土與重稀土的比值(LREE/HREE)大小反應(yīng)稀土元素的分異程度。在同一類型地質(zhì)體中，比值越大，表明輕稀土元素的富集程度越高，重稀土元素虧損越嚴(yán)重。陸源物質(zhì)搬運(yùn)過程中，輕稀土元素易被細(xì)粒沉積物吸附，愈靠近物源區(qū)輕稀土元素相對(duì)富集[15-18]。同時(shí)魯洪波，姜在興[19]認(rèn)為在堿性-碳酸介質(zhì)中，重稀土的溶解度大，酸性介質(zhì)中先沉淀LREE，后沉淀HREE，LREE元素相對(duì)富集。

而準(zhǔn)頁3井LREE/HREE比值大多在2.26～3.17，平均為2.56。從頁巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土分布模式圖(圖4)，可以更直觀的看出，分布曲線整體向右傾斜，La-Eu曲線陡峭，Dy-Y曲線平緩，總體顯示蘆草溝組頁巖具輕稀土元素相對(duì)富集的特征，表現(xiàn)為近源沉積，說明準(zhǔn)頁3井受陸源影響較大。在垂向上，LREE/HREE比值呈現(xiàn)低幅度的增減交替變化，反應(yīng)酸性水介質(zhì)的間歇性變化。

3.3.2 Ce異常

δCe 反應(yīng)稀土元素Ce 異常價(jià)態(tài)變化，Ce在自然界中多呈+3價(jià)的狀態(tài)，但在氧化條件較好、弱堿性或堿性沉積環(huán)境中，Ce3+容易變成 Ce4+。即δCe虧損程度越大，說明沉積還原程度越強(qiáng)。因而，對(duì)于沉積物中的 Ce 來說，當(dāng)δCe<0.95時(shí)，指示缺氧還原環(huán)境；δCe>1.05指示氧化環(huán)境[15-16]。

準(zhǔn)頁3井樣品中δCe 值分布在 0.76～1.02(表1)，平均值為 0.91，顯示為弱的負(fù)異常，說明蘆草溝組頁巖的形成環(huán)境為弱還原性環(huán)境。因?yàn)樘J草溝組弱還原環(huán)境變化幅度較小，所以在垂向上δCe變化規(guī)律不明顯(圖3)。

3.3.3 Eu異常

δEu是指稀土元素Eu異常價(jià)態(tài)變化情況。在酸性介質(zhì)中或強(qiáng)還原條件下，Eu3+容易被還原為 Eu2+，而與其他三價(jià)稀土元素發(fā)生分離，因此δEu出現(xiàn)負(fù)異?？梢宰鳛樗嵝赃€原環(huán)境的標(biāo)志。一般情況下，我們認(rèn)為δEu>1.05 為正異常，δEu<0.95 為負(fù)異常[15-16]。

準(zhǔn)頁3井樣品中δEu 值分布在 0.58～0.73，平均值為 0.65(表1)，顯示為明顯的負(fù)異常，反應(yīng)了沉積時(shí)生物物質(zhì)耗氧腐化，造成環(huán)境酸化還原。

圖4 準(zhǔn)頁3井蘆草溝組頁巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖Figure 4 Well ZY3 Lucaogou Formation shale REE chondrite standardization model

4 結(jié)論

(1)蘆草溝組地層富含白云巖夾層，常量中Na、Ca元素偏高，說明蘆草溝組沉積時(shí)期氣候較為干旱炎熱，水體偏堿性；較為富集的P和Fe也表明水體具一定的富營養(yǎng)化，且受周緣火山爆發(fā)和北天山陸源供給影響較大。

(2)Sr/ Ba與B參數(shù)特征說明蘆草溝組整體處于半咸水-咸水環(huán)境，隨著覆水加深，鹽度分層作用使底層水鹽度加大，從而蘆草溝組自下而上鹽度增大。

(3)Fe2+/ Fe3+、V/(V+Ni)、V/Cr、LREE/HREE、δCe和δEu參數(shù)特征表明蘆草溝組整體為酸化弱還原環(huán)境下近源沉積，而下段為貧氧環(huán)境，中上段為厭氧環(huán)境；但是在垂向上古氧相指標(biāo)參數(shù)浮動(dòng)變化較大，說明準(zhǔn)頁3井一帶受北天山陸源間歇性影響，水體環(huán)境有一定的波動(dòng)性。

綜上所述，準(zhǔn)頁3井蘆草溝組富有機(jī)質(zhì)頁巖的沉積介質(zhì)環(huán)境顯著特征是具一定水動(dòng)力的半咸水狀態(tài)下弱還原-氧化環(huán)境，加上不斷加深的水體、周緣火山爆發(fā)以及北天山陸源供給為有機(jī)質(zhì)的輸入和保存提供了優(yōu)質(zhì)的條件。

[1]陳新，盧華復(fù)，舒良樹，等. 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造演化分析新進(jìn)展[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào). 2002(03): 257-267.

[2]吳紹祖，屈迅，李強(qiáng). 準(zhǔn)噶爾蘆草溝組與黃山街組的古氣候條件[J].新疆地質(zhì). 2002(03): 183-186.

[3]高建平. 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段山前帶構(gòu)造特征與油氣基本[D].西北大學(xué), 2008.

[4]李婧婧. 博格達(dá)山北麓二疊系蘆草溝組油頁巖地球化學(xué)特征研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 2009.

[5]李松，湯達(dá)禎，陶樹. 博格達(dá)山北麓阜康西區(qū)油頁巖礦體特征[J].潔凈煤技術(shù). 2010(01): 43-46.

[6]王東營，許浩，李婧婧，等. 博格達(dá)山北麓大黃山地區(qū)蘆草溝組油頁巖地球化學(xué)特征與沉積環(huán)境分析[J].內(nèi)蒙古石油化工. 2008(03): 62-65.

[7]姜鹍鵬. 新疆博格達(dá)山北麓油頁巖地球化學(xué)特征及其形成環(huán)境分析[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 2014.

[8]苗建宇. 新疆北部主要盆地二疊系烴源巖沉積環(huán)境與生烴特征[D].西北大學(xué), 2001.

[9]鄧宏文，錢凱. 沉積地球化學(xué)與環(huán)境分析[M].蘭州: 甘肅科學(xué)技術(shù)出版社, 1993: 4-28.

[10]李婧婧. 準(zhǔn)噶爾盆地南緣大黃山礦區(qū)二疊系蘆草溝組油頁巖沉積特征[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2009, 29(1): 68-72.

[11]周仰康，何錦文，王子玉. 硼作為古鹽度指標(biāo)的應(yīng)用[C].//沉積學(xué)和有機(jī)地球化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集.北京: 科學(xué)出版社, 1984.

[12]南京大學(xué)地質(zhì)系. 地球化學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社, 1984: 357-358.

[13] Degens E T, Williams E G, Keith M L. Environmental Studies of Carboniferous Sediments Part I: Geochemical Criteria for Differentiating Marine from Fresh-Water Shales[J].AAPG Bulletin. 1957.

[14] J J B, C M A. Comparison of genchemichal indices used for interpretation of palaeoreddox conditions in ancient mudstones[J].Chemichal Geology. 1994: 111.

[15]姜在興. 沉積學(xué)[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 2003: 255-256.

[16] A.萊爾曼. 湖泊的化學(xué)地質(zhì)學(xué)和物理學(xué)[M].北京: 地質(zhì)出版社, 1989.

[17]中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所. 高等地球化學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2000.

[18]楊守業(yè)，李從先. REE示蹤沉積物物源研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展. 1999(02).

[19]魯洪波，姜在興. 稀土元素地球化學(xué)分析在巖相古地理研究中的應(yīng)用[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 1999(01).

GeochemicalFeaturesandSedimentaryEnvironmentAnalysisofLucaogouFormationShaleinSouthernJunggarBasin——ACaseStudyofWellZY3

Chen Jian1, Zhuang Xinguo2, Wu Chao3, Liu Xiaofeng2and Zhou Jibing3

(1.Guangdong Bureau of Coal Geological Exploration, Guangzhou, Guangdong 510000;2.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, CUGW, Wuhan, Hubei 430074;3.The Ninth Geological Team, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration, Exploitation, Urumqi, Xinjiang 830000)

Through analysis of Lucaogou Formation shale samples from the well ZY3, has discussed shale samples geochemical features and vertical variation pattern; and then further expounded its sedimentary environmental indicative significance and variation features. The result has shown that the elements Al and K on the low side in well ZY3 Lucaogou Formation shale, Na, Ca and Fe on the high side and P obviously enriched; indicated a rather arid environment as a whole. The Sr/Ba and B parametric features indicated brackish water to salt water sedimentary environment as a whole; from bottom to top the salinity continuously increasing. The Fe2+/Fe3+, V/V+Ni, V/Cr, LREE/HREE,δCe andδEu parametric features indicated Lucaogou Formation is a kind of proximal sedimentation under acidification weak reduction environment as a whole, while lower member under oxygen poor environment, middle and upper members under anaerobic environment. Because of intermittent impacts from the northern Tianshan Mts. terrigenous clasts and volcanic ash have provided rather favorable condition for organic matter entering into and preservation.

Lucaogou Formation; geochemistry; sedimentary environment; Junggar Basin

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.06

1674-1803(2017)08-0032-07

新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目《新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣重點(diǎn)遠(yuǎn)景區(qū)頁巖氣調(diào)查評(píng)價(jià)》的下屬專題《準(zhǔn)噶爾盆地南緣重點(diǎn)遠(yuǎn)景區(qū)頁巖氣成藏條件及資源潛力研究》。

陳健(1987—)，男，碩士研究生，主要從事地球化學(xué)研究。

2017-05-28

A

責(zé)任編輯：宋博輦