秦志軍，陳麗華，李玉文，王婷婷，曹　劍（.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依84000；.中國石油勘探開發(fā)研究院杭州分院，杭州00；.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京00）

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準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組堿湖古沉積背景

秦志軍1，陳麗華1，李玉文2，王婷婷3，曹劍3
（1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油勘探開發(fā)研究院杭州分院，杭州310023；3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023）

摘要：準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組發(fā)育全球最古老的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖，但其古沉積背景尚未得到系統(tǒng)剖析，限制了對風城組發(fā)育模式與成烴演化的認識。通過巖石學(xué)與地球化學(xué)相結(jié)合的方法，研究了古沉積的地貌、氣候、水深、鹽度和水溫等特征，結(jié)果表明，瑪湖凹陷在風城組沉積期總體屬于閉塞型湖泊，古地貌表現(xiàn)為西陡東緩的不對稱箕狀凹陷，凹陷中分布有大小不等的湖灣；風城組沉積期堿湖形成的氣候條件為半干旱，蒸發(fā)量大于補給量，并且季節(jié)性的潮濕環(huán)境與干旱環(huán)境相交替；古水深總體較淺，發(fā)育深色細粒的烴源巖；古水體為高鹽度水介質(zhì)，風城組二段鹽度最高，指示風城組二段沉積時期堿湖最發(fā)育；古水溫較高，相當于暖相—偏暖相。

關(guān)鍵詞：準噶爾盆地；瑪湖凹陷；風城組；堿湖；古沉積環(huán)境；古水深；古水體鹽度；古水溫

準噶爾盆地瑪湖凹陷是一個富烴凹陷[1]，其下二疊統(tǒng)風城組發(fā)育了一套堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖[2]，前人對這套地層的研究主要側(cè)重于巖石學(xué)和有機地球化學(xué)，認為風城組巖石礦物組成復(fù)雜，屬于一類較特殊的白云質(zhì)巖，有機質(zhì)含量高，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖[2-5]。

古沉積背景研究包括古地貌、古水深、古氣候、古水體鹽度和古水溫等方面，然而準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組的古沉積背景尚未得到系統(tǒng)剖析，僅在一些文獻中有對沉積環(huán)境的初步概述，總體認識是咸水湖，但證據(jù)并不很充分，且不系統(tǒng)[1，3-5]。本文主要通過巖石學(xué)和地球化學(xué)相結(jié)合的方法，研究古沉積的地貌、氣候、水深、鹽度和水溫等特征，為堿湖形成與生烴、成藏研究提供基礎(chǔ)資料。

1　盆地類型與古地貌

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，其斜坡區(qū)地層發(fā)育比較全，自下而上包括石炭系，下二疊統(tǒng)佳木河組、風城組，中二疊統(tǒng)夏子街組、下烏爾禾組，下三疊統(tǒng)百口泉組，中三疊統(tǒng)克拉瑪依組，上三疊統(tǒng)白堿灘組，下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組及白堊系。其中，二疊系與三疊系、三疊系與侏羅系、侏羅系與白堊系之間為區(qū)域性不整合。根據(jù)巖性和電性特征，瑪湖凹陷風城組自下而上可劃分為風城組一段（P1f1）、風城組二段（P1f2）和風城組三段（P1f3）。風城組一段巖性主要為白云質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，風城組二段巖性主要為石膏質(zhì)粉砂巖與鹽質(zhì)泥巖互層，風城組三段巖性主要為泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖。

瑪湖凹陷風城組厚度800～1 800 m，總體表現(xiàn)為西厚東薄，呈楔狀分布（圖1），從地層厚度來看，其沉積時的地貌特征可能為西陡東緩的不對稱箕狀凹陷，反映出前陸盆地的特征[6]。其層序及建造特征主要受幕式逆沖撓曲構(gòu)造運動的控制，存在3種同沉積構(gòu)造坡折：逆沖斷裂撓曲坡折、逆斷裂坡折和隱伏斷裂撓曲坡折[7]。在風城組沉積早期，存在數(shù)個火山群，主要為爆發(fā)式噴發(fā)形成的層狀火山，表現(xiàn)在瑪湖凹陷有數(shù)個火山高地，凹陷中發(fā)育大小不等的湖灣，這為堿湖（閉塞型湖泊）的發(fā)育提供了宏觀的構(gòu)造—火山作用背景。

圖1　瑪湖凹陷風城組厚度分布

2　古氣候

堿（鹽）湖沉積是特定自然地理和地質(zhì)環(huán)境的產(chǎn)物，在其發(fā)展的各個階段都詳盡地保存了周圍環(huán)境變化的信息，包括一般湖沼相所缺乏的咸化階段的資料，因而具有湖泊環(huán)境變化記錄的全息性[8]。通過對比古代與現(xiàn)代堿湖，發(fā)現(xiàn)其普遍形成于半干旱（沙漠—草原過渡地段，蒸發(fā)量大于補給量）而不是極干旱（沙漠）條件下，季節(jié)性的潮濕與干旱環(huán)境相交替[8]。

瑪湖凹陷風城組發(fā)育有大量的堿性蒸發(fā)巖礦物，主要有碳鈉鈣石、硅硼鈉石、天然堿、蘇打石、氯碳鈉鎂石、碳鈉鎂石，偶見石鹽、石膏、自生鈉長石和方沸石，反映出典型的堿湖特征[2]。在堿性礦物最為發(fā)育的風城組二段，堿性礦物層常與暗色泥巖、深灰色白云質(zhì)泥巖組成厚度不等的韻律，其中，堿性礦物層對應(yīng)于相對干旱時期，而暗色泥巖和深灰色白云質(zhì)泥巖對應(yīng)于相對濕潤時期。除了風城組二段外，這種特征在風城組一段下部和風城組三段上部也可以見到。風城組的沉積組合特征表明，風城組沉積期的古氣候可能以干旱為主，伴隨有交替出現(xiàn)的相對濕潤氣候，特征礦物也反映了當時氣溫較高的古氣候特征[8]。

此外，植物化石也是研究古氣候的重要依據(jù)。風城組的具肋雙氣囊花粉和肋紋花粉的孢粉組合反映風城組沉積時期總體屬于干旱炎熱環(huán)境[9]。

沉積物的碳氧同位素也可以反映古氣候，風城組碳酸鹽巖的δ13CPDB和δ18OPDB與現(xiàn)代全球典型堿湖，包括納特龍—馬加迪湖、圖爾卡納湖和美國大鹽湖的數(shù)據(jù)相比較，有部分重疊，表明瑪湖凹陷風城組沉積環(huán)境與其類似，屬于半干旱堿湖沉積[10]。此外，有很多樣品的δ18OPDB明顯偏負，反映了火山熱流體的作用，這與現(xiàn)代大型堿湖多處于火山作用區(qū)的情況可以類比[10]。

圖2　瑪湖凹陷風城組堿湖沉積物和現(xiàn)代全球典型堿湖沉積物碳氧同位素分布

3　古水深

瑪湖凹陷風城組主要為暗色細粒沉積，在不少層段常見水平紋層構(gòu)造，為白云質(zhì)泥巖，巖石中常見細粒星點狀黃鐵礦分布，依據(jù)傳統(tǒng)地質(zhì)理論，可認為是深湖相停滯靜水沉積。但實際情況可能并不完全如此，暗色細粒沉積通常指示相對靜止的水體和還原環(huán)境，但與水深并無必然聯(lián)系。絕大部分現(xiàn)代堿湖均為淺湖，即便在洪水期，水深一般也僅數(shù)米[8]。據(jù)此，筆者認為，能形成暗色細粒沉積物，甚至烴源巖的環(huán)境并不一定都是深水，證據(jù)有以下5點。

（1）風一段沉積期火山群發(fā)育火山群分布區(qū)為地貌高地，沉積水體可能相對較淺。在風城組一段沉積時期發(fā)育數(shù)個火山群，火山巖巖相以爆發(fā)相為主，溢流相分布局限，且為噴發(fā)與溢流之間過渡性的噴溢相，尤其是爆發(fā)相中占優(yōu)勢的熱碎屑流亞相是火山噴發(fā)的重要特征，主要巖石類型為熔結(jié)凝灰?guī)r，發(fā)育在緊鄰瑪湖凹陷北東部的烏爾禾—夏子街地區(qū)。熔結(jié)凝灰?guī)r大部分為水上沉積，所以在火山群分布區(qū)（烏爾禾—夏子街地區(qū)）及其周緣（瑪湖凹陷）不大可能是深水沉積。

（2）風城組各段均見有粗碎屑巖除瑪湖凹陷西部邊緣外，其他地區(qū)常見砂巖或砂礫巖分布，如風南1井—風南4井一帶的風城組一段和風城組三段主體為泥巖，夾有不等粒砂巖；艾克1井風城組三段為泥巖夾含礫砂巖，風城組二段見角礫巖，角礫主要為含碳鈉鈣石白云質(zhì)泥巖。這些相對粗碎屑巖的大量發(fā)現(xiàn)指示區(qū)域不是深水沉積。

（3）風城組各段均發(fā)育有蒸發(fā)巖風城組二段、風城組一段的頂部和風城組三段的底部，發(fā)育有大量堿性蒸發(fā)巖，巖層厚度變化較大，從幾毫米至幾米，一般層厚數(shù)厘米，與深灰色富含星點狀黃鐵礦的含白云石泥巖、白云質(zhì)凝灰?guī)r、白云質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等互層，呈韻律出現(xiàn)。鹽類礦物結(jié)晶粗大，為淺水快速結(jié)晶產(chǎn)物（圖3）。

圖3　瑪湖凹陷風城組中的蒸發(fā)巖

（4）頻繁出現(xiàn)鳥眼構(gòu)造鳥眼構(gòu)造是淺水沉積的指征性沉積構(gòu)造[11]。瑪湖凹陷風城組二段及相對鹽度較高的層段，大量發(fā)育鳥眼構(gòu)造，其類型很多，有孤立型、蠕蟲狀、條紋狀和不規(guī)則狀等類型，其中，又以孤立型和蠕蟲狀相對發(fā)育（圖4）。對于孤立型鳥眼構(gòu)造，一般認為是由沉積物中有機質(zhì)分解產(chǎn)生的氣體聚集而成；而蠕蟲狀鳥眼構(gòu)造是干燥成因的一種水平收縮孔，一般發(fā)生在橫向上結(jié)合力強，垂向上結(jié)合力弱的沉積物中，二者都反映了淺水的沉積環(huán)境[11]。此外，在不同的相區(qū)和層段，鳥眼構(gòu)造的充填物不同，主要有碳鈉鈣石、硅硼鈉石、白云石或方解石等，也反映了淺水的流體成巖環(huán)境。

圖4　瑪湖凹陷風城組中的鳥眼構(gòu)造

（5）微生物誘發(fā)沉積構(gòu)造通常不是深水沉積微生物成因構(gòu)造是由微生物作用導(dǎo)致的原生沉積構(gòu)造，一般形成于海相環(huán)境中的潮間帶和潮上帶，或者湖相環(huán)境中的淺水帶[12]。微生物成因構(gòu)造在風城組普遍發(fā)育，如風南5井和風南3井風城組二段含堿層段的夾層（圖5），常與鳥眼構(gòu)造伴生，反映為淺水沉積。

4　古水體鹽度

古水體鹽度指沉積水體介質(zhì)中所有可溶鹽的質(zhì)量分數(shù)，是指示地質(zhì)歷史時期沉積環(huán)境變化的一個重要參數(shù)。筆者采取礦物學(xué)和地球化學(xué)相結(jié)合的方法，對風城組沉積時期的古水體鹽度進行了研究。

4.1自生蒸發(fā)巖礦物

瑪湖凹陷風城組蒸發(fā)巖礦物在垂向上主要發(fā)育于風城組二段，在風城組三段下部和風城組一段上部也有少量分布；平面上在瑪湖凹陷的中心地帶發(fā)育豐富，面積大于300 km2，厚達數(shù)百米。蒸發(fā)巖礦物的存在表明風城組沉積時的水體介質(zhì)鹽度很高，為鹽湖沉積。

4.2硼元素含量

黏土中的硼元素含量可以指示其形成時水介質(zhì)的古水體鹽度。瑪湖凹陷風城組泥巖中的硼含量為43×10-6～325×10-6，平均220×10-6[13]，遠大于一般海相泥巖的硼含量100×10-6[14]。此外，由于風城組巖石中的黏土礦物含量很低，而硼元素主要被黏土礦物吸附，所以風城組沉積時的古水體鹽度可能比目前硼含量所反映的鹽度還要高。

風城組硼含量較高的另一個表現(xiàn)是自生堿性蒸發(fā)巖礦物硅硼鈉石的普遍出現(xiàn)，硅硼鈉石是風城組的常見自生礦物，特別在風城組二段，顯示當時湖水中具有很高的硼含量，且主要以硅硼鈉石自生礦物的形式存在，指示高鹽度水介質(zhì)特征。

圖5　瑪湖凹陷風城組微生物誘發(fā)沉積構(gòu)造

4.3鍶元素含量

沉積物中的鍶元素含量可指示沉積水體的鹽度，通常認為古代白云巖中的鍶元素含量一般不超過200×10-6，如埋藏白云巖的鍶含量為60×10-6～170×10-6，混合帶白云巖的鍶含量通常為70×10-6～250×10-6[15]，但與蒸發(fā)巖相關(guān)的超鹽水白云巖鍶含量較高，可達550×10-6.瑪湖凹陷風城組白云質(zhì)巖類中的鍶含量較高（平均447×10-6），說明形成環(huán)境可能以咸水為主，與咸水湖環(huán)境（蒸發(fā)巖）沉積有關(guān)[15]。

4.4典型微量元素參數(shù)

沉積物中的某些微量元素含量比值可以指示沉積水體的鹽度和氧化還原條件，如當沉積物中的元素質(zhì)量比mSr/mBa>1，mB/mGa>7，mTh/mU<2，稀土元素Ce異常δCe<1[δCe=mCe/（mPr2/mNd）]，通常可指示咸水（相當海水或咸度更高）和還原的沉積環(huán)境，具有堿湖特征。

表1為瑪湖凹陷風城組樣品的微量元素含量比值，其中mSr/mBa均大于1，平均為2.99；mB/mGa遠大于7，平均為52.55；mTh/mU除一個數(shù)據(jù)大于2外，其他數(shù)據(jù)均小于2，平均1.17；δCe除一個數(shù)據(jù)大于1外，其他數(shù)據(jù)均小于1，平均0.97.這些都反映了堿性的沉積環(huán)境。

表1　瑪湖凹陷風城組微量元素典型參數(shù)比值

4.5碳氧同位素

沉積物碳氧同位素是判斷沉積古水體鹽度的一個重要指標，淡水灰?guī)r的δ13C多為-15‰～-5‰，而海相灰?guī)r的δ13C則為-5‰～5‰[16].瑪湖凹陷風城組79個樣品的統(tǒng)計結(jié)果顯示，δ13C為-1.6‰～7.1‰（圖2），顯示其沉積水介質(zhì)不是淡水，而是以具有海水性質(zhì)的咸水為主。

文獻［17］基于對數(shù)百個侏羅紀以來海相和淡水灰?guī)r的碳氧同位素測定，提出了一個同位素系數(shù)（Z）的經(jīng)驗公式：Z＝2.048（δ13CPDB＋50）＋0.498（δ18OPDB＋50），并認為此系數(shù)大于120時為海相灰?guī)r，小于120時為淡水灰?guī)r[17]。如表2，瑪湖凹陷風城組79個樣品同位素系數(shù)的計算結(jié)果為120.00～144.98，平均為134.35，說明風城組主要為咸水沉積[18]，并且風城組二段的古水體鹽度大于風城組三段和風城組一段，這與自生蒸發(fā)巖礦物的分布與含量所揭示的結(jié)果一致，反映風城組二段對應(yīng)于堿湖演化的最高峰。

表2　瑪湖凹陷風城組碳氧同位素系數(shù)統(tǒng)計

5　古水體溫度

古水體溫度是沉積水體特征的一個重要參數(shù)，一般采用礦物包裹體、特征礦物相似環(huán)境對比等方法來進行研究。在堿性鹽湖沉積中有些自生礦物具有特定結(jié)晶溫度，是研究湖盆沉積水體溫度的良好指示，堿類礦物的沉積，主要受溫度和二氧化碳分壓（溶解在溶液中的CO2產(chǎn)生的壓力）控制，如天然堿礦物是在溶液中二氧化碳分壓和大氣中二氧化碳分壓大致相等的條件下、溫度高于20℃時形成的；泡堿的形成溫度一般低于20℃；水堿易在高溫和二氧化碳分壓較低的條件下形成；重碳酸鈉是快速蒸發(fā)條件下的結(jié)晶礦物[19]，其形成條件是二氧化碳分壓一般要高于大氣的10倍。

瑪湖凹陷風城組含堿層段發(fā)育的碳氫鈉石和碳鈉鎂石（圖6）就是典型的高溫礦物。碳氫鈉石（Na2CO3·3NaHCO3）是一種無水堿金屬碳酸鹽礦物，較天然堿和重碳鈉鹽更易溶于水，最初發(fā)現(xiàn)于美國的綠河盆地，1987年在河南省泌陽凹陷發(fā)現(xiàn)[20]。這類礦物的晶體呈板狀，無色透明，主要產(chǎn)在重碳鈉鹽組成的堿礦層中，反映二者形成條件類似。

在古水體溫度的指相鹽類礦物中，與堿性蒸發(fā)巖礦物有關(guān)的一般是典型暖相和偏暖相的天然堿層，普遍形成于亞熱帶—熱帶和赤道半干旱或干旱區(qū)，以及其他干熱區(qū)[21]?，敽枷蒿L城組的蒸發(fā)巖礦物組成主要為暖相和廣溫相礦物，基本不含冷相鹽類礦物。因此，筆者認為風城組沉積時的水體溫度可能比較高，相當于暖相—偏暖相環(huán)境，這與文獻［22］根據(jù)碳氧穩(wěn)定同位素計算的白云質(zhì)巖形成溫度（平均溫度為25℃）接近。而文獻［23］曾在烏爾禾地區(qū)風城組鹽類礦物中曾測得包裹體均一溫度主峰區(qū)間為70～80℃，顯示部分蒸發(fā)巖礦物為炎熱條件快速結(jié)晶的產(chǎn)物。

6　結(jié)　論

（1）通過對準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組古沉積背景特征的分析，可以明確風城組屬于堿湖沉積。在盆地和古地貌背景方面，風城組沉積時期屬于前陸盆地的閉塞型湖泊，古地貌表現(xiàn)為西陡東緩的箕狀凹陷，為堿湖發(fā)育提供了良好的地貌背景。

（2）在古氣候背景方面，通過巖石礦物學(xué)、古植物化石、碳氧同位素等方面的系統(tǒng)論證，認為瑪湖凹陷風城組堿湖沉積形成的氣候條件為半干旱，蒸發(fā)量大于補給量，季節(jié)性的潮濕環(huán)境與干旱環(huán)境相交替，形成了獨特的堿湖白云質(zhì)泥巖和泥巖的混合沉積。

（3）在古水體深度方面，基于火山群和相對粗碎屑巖的存在，以及蒸發(fā)巖、鳥眼構(gòu)造和微生物誘發(fā)沉積構(gòu)造的頻繁出現(xiàn)，認為風城組沉積期的古水體較淺，發(fā)育了深色細粒的烴源巖。

（4）在古水體鹽度方面，通過系統(tǒng)的地球化學(xué)指標參數(shù)，包括硼、鍶等微量元素和碳氧同位素等，發(fā)現(xiàn)風城組沉積時為高鹽度水介質(zhì)，并且風城組二段鹽度最高，反映堿湖演化到高峰期。

（5）在古水體溫度方面，主要通過指相礦物的精細分析，認為風城組形成于暖相—偏暖相的環(huán)境。

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（編輯曹元婷）

Paleo?Sedimentary Setting of The Lower Permian Fengcheng Alkali Lake in Mahu Sag, Junggar Basin

QIN Zhijun1, CHE?N Lihua1, LI Yuwen2, WANG Tingting3, CAO Jian3
（1.Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay, Xinjiang 834000, China; 2.Hangzhou Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Hangzhou, Zhejiang 310023, China; 3.School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210023, China）

Abstract：The high?quality hydrocarbon source rocks of the world’s most ancient alkali lake are found in the Lower Permian Fengcheng formation of Junggar basin.The understanding of development model and hydrocarbon?forming evolution of the Fengcheng formation have been limited due to unsystematic analysis about its paleo?sedimentary setting up to now.This paper uses petrological and geochemical methods to study the characteristics of its landform, climate, lake water depth, salinity and water temperature, and the results show that Ma?hu sag is a closed lake in the depositional stage of Fengcheng formation as a whole, and its ancient landform appears asymmetric halfgraben?like sag with steep slope in the west and gentle slope in the east, and the sizes of lake bays are distributed in it; the climatic condition of the alkali lake formation in this stage is semi?arid, characterized by that the evaporation was greater than the recharge, with seasonal humid?arid?alternate environment; the lake water depth is shallow in general, developing dark fine?grained source rocks; the water body is of high?salin?ity medium, the highest salinity occurs in second member of Fengcheng formation, indicating the alkali lake is most developed in this mem?ber; and the paleotemperature of the water body is relatively high, equivalent to warm to partial warm phase.

Keywords：Junggar basin; Mahu sag; Fengcheng formation; alkali lake; paleo?sedimentary environment; paleo?water depth; paleo?water salinity; paleo?water temperature

作者簡介：秦志軍（1973-），男，河南鹿邑人，高級工程師，石油地質(zhì)，（Tel）0990-6882756（E-mail）qinzj@petrochina.com.cn.

基金項目：中石油科技重大專項（2012E-34-01）

收稿日期：2015-11-11

修訂日期：2015-11-19

文章編號：1001-3873（2016）01-0001-06

DOI：10.7657/XJPG20160101

中圖分類號：TE111.3

文獻標識碼：A