準(zhǔn)噶爾盆地南緣蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)背景

王正和， 周繼兵， 余 謙， 張應(yīng)利， 鄭 曦

( 1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610083； 2. 新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009； 3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037 )

0 引言

新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣(準(zhǔn)南)上二疊統(tǒng)蘆草溝組發(fā)育巨厚的富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖，是盆地最重要的烴源巖，具有很大的非常規(guī)油氣(致密油、油頁(yè)巖、頁(yè)巖氣)勘探潛力。有關(guān)準(zhǔn)南蘆草溝組沉積古氣候、氧化—還原環(huán)境、巖石地球化學(xué)分類、源巖風(fēng)化程度等方面的研究較少。根據(jù)蘆草溝組上部沉積物以黑色為主，含黃鐵礦晶體，吳紹祖等推斷其沉積于滯流的還原環(huán)境，認(rèn)為蘆草溝組發(fā)育的厚層油頁(yè)巖、藻球?；?guī)r和兩棲類Urumchia化石指示蘆草溝組沉積于炎熱氣候條件[1]。該研究主要依據(jù)宏觀證據(jù)給出定性推論，并無(wú)量化數(shù)據(jù)進(jìn)一步支撐。Zhang Mingming等利用地球化學(xué)方法，研究蘆草溝組巖石分類及源巖風(fēng)化程度，其研究樣品僅限于天池的三工河剖面[2]，認(rèn)為巖石分類以頁(yè)巖為主，沒(méi)有探討自下而上源巖風(fēng)化程度的變化。彭雪峰等利用地球化學(xué)方法研究蘆草溝組，認(rèn)為其油頁(yè)巖形成于溫濕—干熱氣候，沉積于弱還原—還原環(huán)境[3]，沒(méi)有探討整個(gè)蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的沉積古氣候及氧化—還原環(huán)境。筆者對(duì)整個(gè)博格達(dá)北緣西段(三工河天池至烏魯木齊一帶)蘆草溝組自下而上的碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖進(jìn)行采樣，在分析測(cè)試基礎(chǔ)上，探討準(zhǔn)南蘆草溝組地球化學(xué)演化特征，以及源巖風(fēng)化程度、沉積古氣候與氧化—還原環(huán)境。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于天山山脈與阿爾泰山脈之間，是一個(gè)大型的多類型復(fù)合疊加的含油氣盆地[4]，經(jīng)歷多階段不同性質(zhì)的構(gòu)造演化與變革，地質(zhì)條件復(fù)雜[5-7]。地殼結(jié)構(gòu)分為3 個(gè)構(gòu)造層：前寒武系結(jié)晶地殼層、古生界褶皺基底層和二疊紀(jì)至今的沉積蓋層[8]。準(zhǔn)噶爾盆地具有褶皺基底和結(jié)晶基底的“雙層基底”。前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和周緣海槽沉積寒武系—石炭系海相、海陸交互相，經(jīng)過(guò)海西期周緣海槽褶皺形成盆地褶皺基底，并在其上接受二疊紀(jì)至今的蓋層沉積。

上二疊統(tǒng)蘆草溝組沉積一套厚度大于500 m且富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積巖。蘆草溝組為溫暖氣候條件下的湖相沉積[1,9]。王正和等認(rèn)為蘆草溝組主要為扇三角洲—湖泊相沉積，且博格達(dá)北緣西段蘆草溝組露頭巖性巖相組合特征具有明顯的三分性，可劃分為上、中、下段[10]。下段巖性主要為碳質(zhì)泥巖與薄層狀粉砂巖形成多個(gè)向上變粗、粉砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸變高的沉積旋回；中段巖性主要為單層厚度較大的粉砂巖與碳質(zhì)泥巖互層；上段巖性主要為碳質(zhì)泥頁(yè)巖夾碳酸鹽巖夾層，其中碳質(zhì)泥頁(yè)巖連續(xù)厚度最大，最厚可達(dá)700 m。準(zhǔn)南蘆草溝組主要出露于博格達(dá)山北緣山前帶(見(jiàn)圖1)。

圖1 研究區(qū)采樣位置及綜合柱狀圖Fig.1 Sampling position and the synthesis column map of the study area

2 樣品描述和測(cè)試方法

2.1 樣品描述

樣品采自準(zhǔn)噶爾盆地南緣博格達(dá)山北緣西段蘆草溝組中的碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖。為使樣品具有代表性，24件樣品采自平面上不同位置的上、中、下段。其中，上段樣品為11件，中段樣品為6件，下段樣品為7件。樣品露頭上新鮮斷面多呈灰黑色(見(jiàn)圖2(a-c))，且有機(jī)碳TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在單偏光顯微鏡下可見(jiàn)有機(jī)質(zhì)(見(jiàn)圖2(d-e))。樣品的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.28%～22.81%，均值為10.21%。由于TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，樣品測(cè)試結(jié)果中燒失量也較高。

圖2 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖露頭特征及薄片特征Fig.2 The outcrop photograph and the polarizing microscope photograph of the fine-grained sedimentary rocks of Lucaogou formation

2.2 測(cè)試方法

樣品加工及分析測(cè)試在國(guó)土資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。實(shí)驗(yàn)儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和X線熒光光譜儀。根據(jù)GB/T 14506.28—1993《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法X線熒光光譜法》，采用飛利浦PW2400型X線熒光光譜儀測(cè)定主量元素，相對(duì)偏差小于5%。根據(jù)DZ/T 0223—2001《電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS) 方法通則》，采用Finnigan MAT公司生產(chǎn)的HR-ICP-MS(ElementⅠ) 測(cè)定微量元素和稀土元素，分析精度優(yōu)于3%。24件樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍大。碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的SiO2、Al2O3、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值由下段往上段升高，F(xiàn)e2O3T、MgO、Na2O等質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值由下段往上段降低(見(jiàn)表2)。SiO2與Al2O3、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較好正相關(guān)關(guān)系，表明樣品的硅質(zhì)成分主要以黏土礦物形式存在；與CaO、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較好負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明沉積巖的碳酸鹽碎屑和碳酸鹽基質(zhì)是原生而非次生[13-14]。CaO與MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較好正相關(guān)關(guān)系，與K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較好負(fù)相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖3)。Al2O3與CaO、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較好負(fù)相關(guān)關(guān)系；與K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較好正相關(guān)關(guān)系，表明蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖中存在鋁黏土礦與堿性長(zhǎng)石。

3.2 微量元素

蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的微量元素Ga、Nb、Ta、Rb、Zn、Hf、Be、Pb、Th、Ba等與Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)因數(shù)r大于0.5(見(jiàn)圖4(a))。前5種元素與Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖4(a))，說(shuō)明Ga、Nb、Ta、Rb、Zn等微量元素與Al2O3共生，易被束縛于黏土礦物晶格。

另外，與澳大利亞后太古代頁(yè)巖(PAAS)的微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比[15]，Sr元素在蘆草溝組上、中、下段富集，上段和下段比中段Sr元素更顯著富集；Hf元素在上段略為富集；其余微量元素在上、中、下段明顯虧損(見(jiàn)圖4(b))。

表2 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相關(guān)因數(shù)

段SiO2Al2O3Fe2O3TCaOMgOK2ONa2OTiO2上段23.40～70.3452.984.52～14.7610.524.24～7.846.041.48～19.224.850.61～10.612.120.76～3.601.820.93～2.201.470.21～1.900.57中段26.83～56.6450.294.68～11.949.755.46～7.856.870.67～15.774.241.03～8.593.210.82～2.951.851.93～4.583.270.13～0.540.32下段37.41～58.4147.256.88～12.719.285.20～10.136.981.65～9.966.121.26～7.244.440.95～2.661.661.35～5.704.010.07～0.610.30rSiO210.83-0.26-0.80-0.750.640.080.16Al2O31-0.10-0.74-0.660.770.090.15Fe2O3T10.350.500.020.27-0.03CaO10.89-0.57-0.02-0.10MgO1-0.500.26-0.35K2O10.08-0.02Na2O1-0.12TiO21

圖3 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖主量元素相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlations of some major elements of fine-grain carbonaceous sedimentary rocks, Lucaogou formation

3.3 稀土元素

(1)蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的稀土元素與Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)因數(shù)分別為：輕稀土元素(La(0.81)、Ce(0.79)、Pr(0.79)、Nd(0.76)、Sm(0.75)、Eu(0.74))，重稀土元素(Gd(0.72)、Dy(0.69)、Tb(0.69)、Ho(0.67)、Er(0.67)、Y(0.66)、Tm(0.65)、Yb(0.62)、Lu(0.60))。Al2O3與輕稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)因數(shù)高于重稀土元素的。

(2)蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的稀土元素分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，蘆草溝組各段稀土元素總量(∑REE)存在較大差異，上段∑REE均值最大，中段的最小。各段輕、重稀土元素分異明顯，中段∑LREE/∑HREE均值最大，上段的最小。以PAAS標(biāo)準(zhǔn)化后，各段 (La/Yb)NPAAS均值小于1，且自下段往上段均值逐漸降低。總體上，蘆草溝組各段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的輕、重稀土元素分餾程度弱于PAAS的。

表3 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖稀土元素分析

(3)將蘆草溝組各段樣品的各稀土元素均值與PAAS相比，輕稀土元素明顯虧損，上段重稀土元素與PAAS大致相當(dāng)，但Tm呈正異常；中段與下段重稀土元素均值相當(dāng)，與PAAS相比呈現(xiàn)虧損(見(jiàn)圖4(b))。

(4)蘆草溝組各段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的稀土元素與PAAS的相比，Ce呈弱負(fù)異常， Eu在下段與中段呈弱負(fù)異常，在上段呈明顯正異常，且比PAAS的略富集(見(jiàn)圖4(b)、圖5(a))。與球粒隕石的稀土元素[16]相比，各段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖樣品呈Eu強(qiáng)負(fù)異常及Ce弱負(fù)異常；中段有一個(gè)樣品的Tm、Yb和Lu明顯正異常，下段有一個(gè)樣品的Yb和Lu明顯負(fù)異常 (見(jiàn)圖5(b))?？傮w上，蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖REE標(biāo)準(zhǔn)化配分型式一致，上段、中段與下段的物源巖石類型一致。

圖4 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖微量元素與稀土元素特征Fig.4 The trace elements and rare earth elements characteristics of the fine-grained carbonaceous sedimentary rocks of Lucaogou formation

圖5 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化模式

(5)以球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后， 各段(La/Yb)Nchondrite及(Gd/Yb)Nchondrite均值大于1，且自下段往上段逐漸降低。 (La/Yb)Nchondrite均值為2.40，(Gd/Yb)Nchondrite均值為2.57，熱液具有明顯的LREE富集[17-18]。蘆草溝組上段發(fā)育一層厚度約為20 cm斑脫巖，沉積時(shí)期伴隨巖漿活動(dòng)。蘆草溝組REE除受物源貢獻(xiàn)外，還有巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的熱液貢獻(xiàn)。

4 地質(zhì)背景

4.1 巖石地球化學(xué)分類

蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖礦物組分差異較大，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～56%，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～63%，多數(shù)含有鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石，且鐵白云石較為發(fā)育(見(jiàn)表4)。采用主量元素分析陸源砂巖與頁(yè)巖分類的方法[19]，對(duì)蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖進(jìn)行分類，樣品投點(diǎn)比較集中，主要分散在頁(yè)巖、鐵質(zhì)頁(yè)巖、鐵質(zhì)砂巖及雜砂巖4個(gè)區(qū)域，蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖巖石類型復(fù)雜多樣，以地球化學(xué)分類方法難以區(qū)分沉積巖類型(見(jiàn)圖6)。樣品普遍含有鐵方解石、鐵白云石或菱鐵礦，導(dǎo)致較多樣品投點(diǎn)落在鐵質(zhì)頁(yè)巖或鐵質(zhì)砂巖區(qū)域。

表4 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4.2 源巖風(fēng)化程度

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)可以表征和反映源巖的化學(xué)風(fēng)化程度[20]。蘆草溝組下段CIA為34～55，中段CIA為38～60，上段CIA為39～72。根據(jù)風(fēng)化程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)[21]，蘆草溝組下段源巖遭受弱化學(xué)風(fēng)化，中段源巖逐漸變?yōu)榈突瘜W(xué)風(fēng)化，上段源巖過(guò)渡為中等化學(xué)風(fēng)化，即自下段至上段，源巖遭受化學(xué)風(fēng)化作用逐漸增強(qiáng)。由下段至上段，化學(xué)風(fēng)化趨勢(shì)近于平行A-CN一側(cè)，說(shuō)明源巖在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中無(wú)鉀交代作用或弱鉀交代作用(見(jiàn)圖7)。

圖6 蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖分類Fig.6 Classification of the fine-grained carbonaceous sedimentary rocks, Lucaogou formation

圖7 準(zhǔn)南蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖A-CN-K圖Fig.7 The A-CN-K diagram of carbonaceous fine-grained sedimentary rocks of Lucaogou formation

4.3 古氣候

通常，Sr/Cu為1.3～5.0，指示為溫濕氣候；Sr/Cu大于5.0，指示干熱氣候[22]。去除顯著異常的奇異值，蘆草溝組下段w(Sr)/w(Cu)的均值為5.8，中段w(Sr)/w(Cu)的均值為3.1，上段w(Sr)/w(Cu)的均值為4.7。表明蘆草溝組沉積早期至晚期，氣候由略為干熱轉(zhuǎn)變?yōu)闇貪?，與蘆草溝組沉積時(shí)期為炎熱氣候的結(jié)論有差異[1]。蘆草溝組上段沉積厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，更符合溫濕氣候條件。

Ba2+、Ca2+的碳酸鹽(或硫酸鹽)溶解度相對(duì)較低，易于沉淀，受氣候變化的擾動(dòng)比較敏感； Sr的鹽類溶解度相對(duì)較大，受氣候變化的擾動(dòng)相對(duì)于Ba2+、Ca2+沉淀滯后。沉積巖的w(Sr)/w(Ba)上升，表明氣候轉(zhuǎn)為干旱，水體蒸發(fā)大于補(bǔ)給使鹽度相對(duì)增加；w(Sr)/w(Ba)下降，表明氣候轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)，水體蒸發(fā)小于補(bǔ)給使鹽度相對(duì)降低；w(Sr)/w(Ba)變化相對(duì)較小，表明沉積水體的鹽度相對(duì)較穩(wěn)定，大致反映氣候的穩(wěn)定性[23]。準(zhǔn)南蘆草溝組下段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的w(Sr)/w(Ba)均值為1.4，標(biāo)準(zhǔn)差為0.9；中段w(Sr)/w(Ba)均值為0.7，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6；上段w(Sr)/w(Ba)均值為0.9，標(biāo)準(zhǔn)差為0.8。從沉積早期至晚期，蘆草溝組明顯轉(zhuǎn)向更為溫濕的氣候，與w(Sr)/w(Cu)揭示的氣候變化特征一致；w(Sr)/w(Ba)的標(biāo)準(zhǔn)差反映沉積中期比沉積早期和晚期的氣候相對(duì)穩(wěn)定。

4.4 氧化還原環(huán)境

Elderfield H提出Ce異常計(jì)算方法。以北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化后，當(dāng)Ceanom>-0.1時(shí)，為缺氧還原條件；當(dāng)Ceanom<-0.1時(shí)，為氧化環(huán)境[24]。蘆草溝組下段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖樣品Ceanom為-0.10～-0.04，均值為-0.06；中段Ceanom為-0.09～-0.04，均值為-0.07；上段Ceanom為-0.09～-0. 02，均值為-0.07 。因此，蘆草溝組各段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖沉積于缺氧還原條件。

一般認(rèn)為，w(V)/w(V+Ni)≥0. 46，指示缺氧環(huán)境[25]。蘆草溝組下段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的w(V)/w(V+Ni)為0.67～0.79，均值為0.73；中段w(V)/w(V+Ni)為0.63～0.91，均值為0.71；上段w(V)/w(V+Ni)為0.62～0.88，均值為0.76 。表明蘆草溝組各段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖沉積于缺氧的還原環(huán)境，并且水體分層不強(qiáng)。

5 結(jié)論

(1)自下段至上段，準(zhǔn)南蘆草溝組碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖的源巖遭受化學(xué)風(fēng)化作用越來(lái)越強(qiáng)，物源的搬運(yùn)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，物源越來(lái)越遠(yuǎn)，與蘆草溝組上段中基本不發(fā)育粗碎屑層的特征符合。

(2)沉積早期至晚期，蘆草溝組氣候由略為干熱轉(zhuǎn)變?yōu)闇貪?，?dǎo)致源巖風(fēng)化程度越來(lái)越強(qiáng)，符合蘆草溝組自下而上相對(duì)湖平面上升的特征。此外，沉積中期比沉積早期和晚期的氣候相對(duì)更穩(wěn)定。

(3)蘆草溝組各段碳質(zhì)細(xì)粒沉積巖均沉積于缺氧的還原環(huán)境，與蘆草溝組細(xì)粒沉積巖富集有機(jī)質(zhì)、含黃鐵礦及含磷塊巖反映的還原環(huán)境一致。

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