史美超 雷國明 梁斌 白洪海

摘? 要：準(zhǔn)南阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組暗色泥頁巖厚度大、分布廣，其沉積環(huán)境對評價頁巖油氣資源潛力具有重要意義。以蘆草溝組暗色泥巖為研究對象，通過地球化學(xué)分析，選用對沉積環(huán)境指示較敏感的代表性元素，分析其含量特征及比值與沉積環(huán)境之間的對應(yīng)關(guān)系，進而探討蘆草溝組沉積期湖盆的古鹽度、古氣候及氧化還原條件等沉積環(huán)境特征。通過Sr/Ba、B/Ga、B、Sr、Fe/Mn、Sr/Cu、&U、Th/U和V/（V+Ni）等地化指標(biāo)分析認(rèn)為，阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組暗色泥巖是高鹽度、干熱、缺氧環(huán)境下的產(chǎn)物。古鹽度、古氣候和氧化還原條件的變化趨勢顯示，準(zhǔn)南阜康地區(qū)蘆草溝組所代表的湖盆處于不斷擴張的狀態(tài)，具備良好的頁巖油氣資源潛力。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)南阜康地區(qū);蘆草溝組;古鹽度;古氣候;氧化-還原條件

準(zhǔn)噶爾盆地南緣二疊系蘆草溝組是集烴源巖、儲層、蓋層三位一體的重要層系，既是常規(guī)油氣的勘探目標(biāo)，又是頁巖氣、頁巖油、致密油藏等非常規(guī)油氣重點勘探目標(biāo)[1-2]。近年來，新疆地礦局在準(zhǔn)南阜康地區(qū)X2井蘆草溝組泥頁巖段壓裂后成功點火，顯示了極好的頁巖氣勘探潛力。前人針對準(zhǔn)南阜康地區(qū)二疊系蘆草溝組開展過一些工作，或借助地表調(diào)查、地震、鉆測井等資料建立了層序格架[3-5]，或通過巖性巖相組合、沉積構(gòu)造等大致分析了蘆草溝組沉積環(huán)境[6-9]，亦或通過白云巖成因、古生物分析探討了蘆草溝組沉積期的古鹽度和古氣候特征[10-12]，但運用泥頁巖地球化學(xué)特征恢復(fù)蘆草溝組沉積環(huán)境，評價頁巖氣勘探潛力工作較弱。本文以準(zhǔn)南阜康地區(qū)二疊系蘆草溝組鉆井巖心泥頁巖主量元素和微量元素測試結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，選用對沉積環(huán)境反應(yīng)較敏感的元素，探討研究區(qū)二疊系蘆草溝組中的元素含量、比值與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，以評價蘆草溝組各層段頁巖氣勘探潛力。

1? 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶東段，準(zhǔn)南沖斷帶東段自南向北劃分為柴窩堡凹陷、博格達山隆起和阜康斷裂帶。研究區(qū)位于阜康斷裂帶以西烏魯木齊-米東一帶，出露地層自下而上為下二疊統(tǒng)石人溝組、塔什庫拉組、中二疊統(tǒng)烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組、紅雁池組、上二疊統(tǒng)泉子街組、梧桐溝組，部分三疊系、侏羅系和中更新統(tǒng)—全新統(tǒng)的沖洪積層（圖1）。

2? 蘆草溝組沉積特征

本文重點研究對象為中二疊統(tǒng)蘆草溝組，自下而上分為下、中、上三段（圖2）[7]。下段巖性為灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、白云巖，水平層理發(fā)育，順層分布星點狀黃鐵礦，為扇三角洲平原-淺湖亞相;中段巖性為灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂狀泥巖夾薄層狀細(xì)砂巖，小型槽狀交錯層理、包卷層理發(fā)育，為扇三角洲前緣-前扇三角洲亞相沉積;上段巖性為灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾白云巖、灰?guī)r薄層，水平層理發(fā)育，見團塊狀黃鐵礦，富含為魚類、介形蟲和植物莖干等化石，為半深湖-深湖亞相沉積（圖3）。

3? 樣品采集與測試分析

本次用于分析的樣品來自研究區(qū)施工的2口鉆井，對蘆草溝組中暗色泥頁巖自上而下連續(xù)采樣，采集時有效避開破碎帶、方解石脈等，單個樣品重量不小于500 g，共計38件巖心樣，對其進行了主量元素和微量元素測試分析。Sr，Ba，M，F(xiàn)e元素采用XRF射線熒光光譜測定，測試過程：將試樣用105℃高溫烘干后，用工業(yè)硼酸鑲邊，壓制成樣品直徑為32 mm的圓片，根據(jù)不同元素的含量范圍及波長范圍，分別采用經(jīng)驗系數(shù)法、靶線散射內(nèi)標(biāo)法、散射背景內(nèi)標(biāo)法、峰背比法進行基體校正和校準(zhǔn)。B元素采用發(fā)射光譜法測定，測試過程：稱取試料和緩沖劑置于5 mL瓷坩堝中，研磨1 min將試料與緩沖劑混勻，裝入碳電極中壓緊，加兩滴乙醇溶液，待試料將溶液吸收后，于紅外燈下干燥45 min。按照攝譜儀工作條件進行攝譜，光電直讀光譜儀同時采集多元素發(fā)射信號及背景數(shù)據(jù)，進行光譜測定。釩和釷、鈾分別采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜和質(zhì)譜法，樣品經(jīng)酸分解制成溶液，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、質(zhì)譜儀測定。樣品分析結(jié)果見表1，2。

4? 測試結(jié)果及變化特征

4.1? Sr/Ba值、B/Ga值和相當(dāng)硼

測試結(jié)果顯示，研究區(qū)蘆草溝組泥巖Sr/Ba值為0.42～3.46、B/Ga值為1.11～21.33、相當(dāng)硼（相當(dāng)硼=5%×B/K2O）為49.28×10-6～847.36×10-6（表3）。其中，下段Sr/Ba值為0.41～3.46，平均1.16，B/Ga值為4.13～15.70，平均11.90，相當(dāng)硼為155.51×10-6～847.36×10-6，平均482.13×10-6;中段Sr/Ba值為0.71～2.15，平均1.61，B/Ga值為5.43～10.26，平均8.49，相當(dāng)硼為276.09×10-6～376.69×10-6，平均344.91×10-6;上段Sr/Ba值為0.42～1.99，平均0.81，B/Ga值為1.11～8.95，平均4.85，相當(dāng)硼為49.28×10-6～329.67×10-6，平均193×10-6。從層段上看，蘆草溝組自下段至上段泥巖中Sr/Ba值先增大后減小，B/Ga值和相當(dāng)硼含量逐漸變小。

4.2? Sr元素、Fe/Mn值、Sr/Cu值

研究區(qū)蘆草溝組泥巖Sr含量為168×10-6～611×10-6、Fe/Mn值為18.8～297.5、Sr/Cu值為3.33～23.90（表3）。其中，下段Sr含量為208×10-6～611×10-6，平均383×10-6、Fe/Mn值為47.64～121.50，平均76.78、Sr/Cu值為3.56～23.90，平均8.41;中段Sr含量為269×10-6～402×10-6，平均329×10-6、Fe/Mn值為61.79～201.55，平均108.02、Sr/Cu值為5.18～12.08，平均8.44;上段Sr含量為168×10-6～480×10-6，平均297×10-6、Fe/Mn值為18.84～297.48，平均114.18、Sr/Cu值為3.33～13.82，平均6.85。從層段上看，蘆草溝組自下段至上段泥巖中Sr含量逐漸減小，F(xiàn)e/Mn值逐漸增加，Sr/Cu值先減小后增大。

4.3? &U、Th/U值及V/（V+Ni）值

研究區(qū)蘆草溝組泥巖&U值為0.47～1.45、Th/U值為1.13～9.86、V/（V+Ni）值為0.52～0.85（表3）。其中，下段&U值為0.79～1.35，平均1.01，Th/U值為1.44～4.61，平均3.16，V/（V+Ni）比值為0.62～0.74，平均0.70;中段&U值為0.47～1.26，平均0.91，Th/U值為1.77～9.86，平均4.74，V/（V+Ni）比值為0.52～0.69，平均0.60;上段&U值為0.64～1.45，平均1.06，Th/U值為1.13～6.34，平均2.98，V/（V+Ni）比值為0.59～0.85，平均0.69。從層段上看，蘆草溝組自下段至上段泥巖中&U和V/（V+Ni）值先減小后增大，Th/U值先增大后減小。

5? 沉積環(huán)境討論分析

5.1? 古鹽度

古鹽度分析最有代表性的參數(shù)是Sr/Ba，B/Ga和相當(dāng)硼。Sr/Ba值可作為古鹽度判別的靈敏標(biāo)志，是依據(jù)溶液中鍶的遷移能力及硫酸鹽化合物的溶度積遠(yuǎn)大于鋇的地球化學(xué)性質(zhì)[13]。Sr/Ba值隨遠(yuǎn)離海（湖）岸而增大，可定性反映古鹽度，進行沉積環(huán)境的古鹽度恢復(fù)。一般來說，沉積物中Sr/Ba值在1～0.6為半咸水相，小于0.6為微咸水相，而鹽湖（海相）沉積物中的Sr/Ba值大于1[13-14]。B/Ga和Sr/Ba的變化相似，一般沉積物中B/Ga值大致以3.3為界，大于3.3則水體逐漸咸化，小于3.3則水體逐漸淡化，且受區(qū)域沉積背景影響[15]。相當(dāng)硼含量是指K2O含量為5%的硼的含量，相當(dāng)硼含量與古鹽度密切相關(guān)，正常咸水環(huán)境相當(dāng)硼含量為300×10-6～400×10-6，半咸水環(huán)境為200×10-6～300×10-6，小于200×10-6為淡水沉積[16-17]。研究區(qū)Sr/Ba，B/Ga和相當(dāng)硼含量分析表明（表3，圖4，5），阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組泥巖為半咸水-咸水環(huán)境的產(chǎn)物，中、下段為咸水環(huán)境，不利于狹鹽性生物的生存，上段為半咸水環(huán)境，鹽度降低，出現(xiàn)了介形蟲、魚類等狹鹽性生物，反映了從早期到晚期古鹽度逐漸降低，湖盆擴展的演化過程。

5.2? 古氣候

在研究沉積盆地古氣候時，沉積巖中的微量元素含量及有關(guān)比值是十分有用的化學(xué)參數(shù)之一[18]。前人認(rèn)為，Sr的高含量可能是干旱炎熱氣候條件下湖水濃縮沉淀的結(jié)果[19]。Mn在湖水中常以Mn2+穩(wěn)定存在，只有當(dāng)湖水強烈蒸發(fā)使Mn2+濃度飽和時，才會大量沉淀，并在巖石中顯示高值。Fe在湖水中易以Fe（OH）3膠體快速沉淀，因此，沉積物中Fe/Mn比的高值對應(yīng)溫濕氣候，低值對應(yīng)干熱氣候。通常，Sr/Cu比介于1.3～5.0之間指示溫濕氣候，而大于5.0則指示干熱氣候[20]。Sr含量，F(xiàn)e/Mn值和Sr/Cu值分析表明，阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組泥巖是干熱環(huán)境下的產(chǎn)物，早期氣候條件干熱，水體蒸發(fā)量大，鹽度增高，形成了厚層狀堿性白云巖，晚期氣候逐漸轉(zhuǎn)向溫濕，水體蒸發(fā)量減小，湖盆擴展，鹽度降低，微生物生存環(huán)境得以改善，從而形成巨厚的富有機質(zhì)暗色泥巖，體現(xiàn)了從早期到晚期，氣候由干熱逐漸轉(zhuǎn)向溫濕，與古鹽度表現(xiàn)的結(jié)果一致。

5.3? 氧化還原條件

Th和U在還原環(huán)境下地球化學(xué)性質(zhì)相似，在氧化狀態(tài)下差別很大[21]。在表生環(huán)境下，Th只有+4一種價態(tài)，且不易溶解，而U則不一樣。在氧化的環(huán)境下，U一般為+6價，它以鈾?；男问脚c碳酸根離子結(jié)合形成UO2（CO3）34，并在現(xiàn)代海水中穩(wěn)定存在。在類似于Fe3+至Fe2+轉(zhuǎn)變的還原條件下，U+6被還原為U+4價，并多以瀝青鈾礦（UO2，U3O8）或表現(xiàn)活性很大的羥基絡(luò)合物的形式沉淀和富集在沉積物中[22]。U在強還原環(huán)境下為+4價，不溶于水，導(dǎo)致它在沉積物中富集?；谶@兩種元素的地球化學(xué)差異性質(zhì)，常利用&U法和Th/U比值法來判斷沉積環(huán)境的氧化還原狀態(tài)。&U法關(guān)系如下：&U=U/[0.5×（Th/3+U）]，&U>1為缺氧還原環(huán)境，&U<1則說明正常的水體環(huán)境[23]。Th/U值在0～2之間指示缺氧環(huán)境，在強氧化環(huán)境下這個比值可達8[24]。前人研究認(rèn)為，V和Ni同屬過渡族的親鐵、親硫元素，它們在缺氧和氧化條件下具有明顯不同的行為。國外知名學(xué)者Hatch等、Jones等通過研究世界典型盆地不同層系黑色泥頁巖中過渡金屬元素（如V，Ni，Cr等）[25-26]，以反映有機質(zhì)沉積時所處的氧化還原環(huán)境，建立了相應(yīng)的氧化還原環(huán)境微量元素識別定量指標(biāo)，這己被國內(nèi)外學(xué)者廣泛認(rèn)可并采用[27-29]。因此，V/（V+Ni）比值可反映水體的氧化還原環(huán)境[30-31]。元素V/（V+Ni）高比值（>0.84）反映水體分層及底層水體中出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境;中等比值（0.6～0.84）為水體分層不強的厭氧環(huán)境;低比值（0.46～0.60）時為水體分層弱的貧氧環(huán)境[32]。&U值，/Th/U值和V/（V+Ni）值分析表明，阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組泥巖為缺氧環(huán)境的產(chǎn)物，中、下段發(fā)育小型槽狀交錯層理、包卷層理，順層分布星點狀黃鐵礦，為水體分層弱的貧氧環(huán)境，上段發(fā)育水平層理，見團塊狀黃鐵礦，為水體分層不強的厭氧環(huán)境，揭示了從早期到晚期水體由分層弱的貧氧環(huán)境向水體分層不強的厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)變（表3，圖4，5）。

6? 結(jié)論

（1） 阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組泥巖為半咸水-咸水環(huán)境的產(chǎn)物，從早期到晚期古鹽度逐漸降低，反映了湖盆擴展的過程。

（2） 阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組泥巖為干熱氣候環(huán)境的產(chǎn)物，從早期到晚期古氣候由干旱逐漸轉(zhuǎn)向溫濕，與沉積環(huán)境古鹽度的變化具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

（3） 阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組泥巖為缺氧環(huán)境的產(chǎn)物，水體由分層弱的貧氧環(huán)境向分層不強的厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)變。

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