陳 健，莊新國，吳 超，劉曉峰，周繼兵

(1.廣東煤炭地質局，廣州 510000；2.中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；3.新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產勘查開發(fā)局第九地質大隊，烏魯木齊 830000)

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

陳 健1，莊新國2，吳 超3，劉曉峰2，周繼兵3

(1.廣東煤炭地質局，廣州 510000；2.中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；3.新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產勘查開發(fā)局第九地質大隊，烏魯木齊 830000)

通過對準頁3井中蘆草溝組頁巖樣品測試數(shù)據進行分析，探討了頁巖樣品的地球化學特征及垂向變化規(guī)律，進一步闡述了其沉積環(huán)境指示意義及變化特征。結果表明準頁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，為有機質的輸入和保存提供了較為有利的條件。

蘆草溝組；地球化學；沉積環(huán)境；準噶爾盆地

準噶爾盆地南緣二疊系蘆草溝組形成于穩(wěn)定的內陸湖泊環(huán)境，黑色頁巖廣泛發(fā)育，是新疆頁巖氣勘探的一個重要烴源巖層。前人對蘆草溝組的研究也多集中在博格達山北麓大黃山及吉木薩爾一帶，而對烏魯木齊周邊的蘆草溝組頁巖研究尚淺，本次研究將對烏魯木齊紅雁池地區(qū)準頁3井蘆草溝組頁巖進行地球化學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)頁巖氣提供科學依據和詳實資料的一項重要基礎工作。

1 地質概況

博格達山前斷裂帶位于博格達山與準噶爾盆地的結合部位，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”的構造格局[1]。準頁3井位于博格達山前斷裂帶東段烏魯木齊紅雁池地區(qū)，在構造上位于烏魯木齊向斜南翼。(圖1)。

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

準頁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粉細砂巖取代。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-博格達山北緣斷裂帶(三工河斷裂)；F7-博格達山南緣斷裂帶；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 準南重點遠景區(qū)構造綱要圖Figure 1 Structural outline map of southern Junggar key prospect area

2 樣品采集及測試

本文對準頁3井的蘆草溝組組巖心進行了仔細觀察，系統(tǒng)采集了具有代表性的富有機質頁巖樣品，經過篩選一些典型樣品后進行常、微量元素分析。樣品測試在新疆維吾爾自治區(qū)礦產試驗研究所巖礦檢測室完成。常量元素分析使用X熒光光譜儀測試，微量元素測試使用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)，重復樣分析結果吻合，樣品分析具有較高精度。測試結果如表1。

3 測試結果分析討論

3.1 常量元素組成特征

對某地區(qū)和某一層位的元素地球化學特征進行研究時，通常要將研究區(qū)巖石的元素組成與相應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，有助于對巖石的形成環(huán)境進行分析[7]。

將準頁3井蘆草溝組頁巖的常量元素平均含量與北美(NASC)頁巖[4]對比發(fā)現(xiàn)(圖2)：其中Si、Mg、Ti和Mn元素與標準頁巖中的含量差不多；Na、Ca和Fe值都高于標準頁巖含量，P 元素的含量卻遠遠大于標準頁巖克拉克值，富集比較明顯；而Al和K含量則低于標準頁巖中的含量。苗建宇[8]認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)，盆地水介質的堿性增強，Ca和Na等被大量析出沉積在水底。吳紹組[2]認為蘆草溝組沉積時期準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應。

針對P元素的富集前人也分析了原因：李婧婧[4]等在研究博格達山北麓蘆草溝組油頁巖的地球化學特征時認為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致的低等生物的滅亡。吳紹祖[2]認為中二疊世準噶爾盆地周緣火山活動頻繁，所以針對準頁3井的P元素的富集可能跟火山作用關系更大，火山作用同時帶來了大量的Fe元素。同時研究區(qū)西段受到南天山構造抬升陸源補給影響較大，影響了元素濃度平衡[3]。

圖2 準頁3井蘆草溝組頁巖常量元素含量與標準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)境對應關系表(參考文獻引自文獻 [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(圖3)。

3.2 微量元素組成特征

3.2.1 Sr/ Ba與B及其對古鹽度指示意義

鍶與鋇的化學性質非常相似，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Sr/ Ba值來確定古鹽度。經研究發(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試值校正計算后的“相當硼”指標判別海水和湖水的鹽度，其劃分范圍為：相當硼含量在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。亞當斯根據實際資料得出計算水體的鹽度公式：

y= 0.0977x-7.043

(1)

y為水體的鹽度(‰)，x代表相當硼(×10-6)。

再根據表3水體鹽度對照表判斷蘆草溝組沉積時的水體環(huán)境。

準頁3井樣品中的古鹽度環(huán)境指標分析表明(圖3)，Sr/ Ba值主要集中分布在0.46～1.0、1.0～1.32，其中只有三個樣品的數(shù)據大于1，屬于湖相半咸水環(huán)境。依據B元素含量計算的古鹽度主要分布在5.43‰～91.5‰，依據表4水體鹽度的劃分標準，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 水體鹽度對照表(參考文獻引自文獻[13])

圖3 準頁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及其對古氧相指示意義

古氧相是指反映地層形成時沉積環(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]的判別標準基礎之上，本文選取V/(V+Ni)和V/Cr比值對蘆草溝組古氧相進行了分析研究(表4)。

圖3展示了準頁3井蘆草溝組樣品中微量元素所計算的古氧相指標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，水體相對較淺，水體受到擾動有關，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)。但是準頁3井古氧相指標浮動變化較大，說明準頁3井一帶受到周緣物源的影響，水體有一定的動蕩性。

表4 缺氧環(huán)境與富氧環(huán)境的地球化學特征與辨別指標(據文獻[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)大小反應稀土元素的分異程度。在同一類型地質體中，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重。陸源物質搬運過程中，輕稀土元素易被細粒沉積物吸附，愈靠近物源區(qū)輕稀土元素相對富集[15-18]。同時魯洪波，姜在興[19]認為在堿性-碳酸介質中，重稀土的溶解度大，酸性介質中先沉淀LREE，后沉淀HREE，LREE元素相對富集。

而準頁3井LREE/HREE比值大多在2.26～3.17，平均為2.56。從頁巖球粒隕石標準化稀土分布模式圖(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富集的特征，表現(xiàn)為近源沉積，說明準頁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，反應酸性水介質的間歇性變化。

3.3.2 Ce異常

δCe 反應稀土元素Ce 異常價態(tài)變化，Ce在自然界中多呈+3價的狀態(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。因而，對于沉積物中的 Ce 來說，當δCe<0.95時，指示缺氧還原環(huán)境；δCe>1.05指示氧化環(huán)境[15-16]。

準頁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。因為蘆草溝組弱還原環(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異常價態(tài)變化情況。在酸性介質中或強還原條件下，Eu3+容易被還原為 Eu2+，而與其他三價稀土元素發(fā)生分離，因此δEu出現(xiàn)負異?？梢宰鳛樗嵝赃€原環(huán)境的標志。一般情況下，我們認為δEu>1.05 為正異常，δEu<0.95 為負異常[15-16]。

準頁3井樣品中δEu 值分布在 0.58～0.73，平均值為 0.65(表1)，顯示為明顯的負異常，反應了沉積時生物物質耗氧腐化，造成環(huán)境酸化還原。

圖4 準頁3井蘆草溝組頁巖稀土元素球粒隕石標準化模式圖Figure 4 Well ZY3 Lucaogou Formation shale REE chondrite standardization model

4 結論

(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參數(shù)浮動變化較大，說明準頁3井一帶受北天山陸源間歇性影響，水體環(huán)境有一定的波動性。

綜上所述，準頁3井蘆草溝組富有機質頁巖的沉積介質環(huán)境顯著特征是具一定水動力的半咸水狀態(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質的輸入和保存提供了優(yōu)質的條件。

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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)地質勘查基金項目《新疆準噶爾盆地南緣重點遠景區(qū)頁巖氣調查評價》的下屬專題《準噶爾盆地南緣重點遠景區(qū)頁巖氣成藏條件及資源潛力研究》。

陳健(1987—)，男，碩士研究生，主要從事地球化學研究。

2017-05-28

A

責任編輯：宋博輦