羅錦昌，田繼軍，馬靜輝，閆嘉啟，梁雅菲，胡卓浩

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖是重要的烴源巖和非常規(guī)油氣資源儲層，具有重大頁巖油氣勘探潛力［1］。諸多學(xué)者針對吉木薩爾凹陷沉積環(huán)境及有機質(zhì)富集機理做了相關(guān)研究，對環(huán)境的認(rèn)識以“干旱-咸化-還原的湖盆沉積環(huán)境”為主［2-3］，但對其有機質(zhì)富集機理還沒有相對統(tǒng)一的結(jié)論。張慧芳等［4］提出了“有機質(zhì)生產(chǎn)-有機質(zhì)分解-有機質(zhì)稀釋”相互作用的陸相湖盆有機質(zhì)富集模式；張明明［5］探究了博格達山北麓蘆草溝組油頁巖各項有機質(zhì)聚集因素的關(guān)聯(lián)性，建立了高湖泊生產(chǎn)力、高鹽度缺氧的深水環(huán)境中的高豐度有機質(zhì)聚集模型和低生產(chǎn)力、低鹽度富氧的淺水環(huán)境中的低豐度有機質(zhì)聚集模型；曲長勝［6］通過主微量元素、碳氧同位素數(shù)據(jù)分析了蘆草溝組沉積時期的環(huán)境，建立了高頻沉積旋回下咸化湖泊富有機質(zhì)多源混合沉積模式；王子萌［7］在分析了古生產(chǎn)力和保存條件后認(rèn)為吉木薩爾蘆草溝組烴源巖上段是以古生產(chǎn)力為主控因素的“生產(chǎn)模型”，下段是以還原環(huán)境為主控因素的“保存模型”。也有學(xué)者分析了火山作用對吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組有機質(zhì)富集的影響［8-9］。張遜等［10］認(rèn)為蘆草溝組烴源巖主要受古生產(chǎn)力控制，且一直處于還原環(huán)境，并非有機質(zhì)富集的主控因素；林曉慧等［11］認(rèn)為有機質(zhì)富集早期受古生產(chǎn)力控制，后期受還原環(huán)境控制。然而，這些研究主要集中在博格達山北緣阜康斷裂帶地區(qū)以及吉木薩爾凹陷東部吉174、吉32 井區(qū)，對凹陷西部的研究較少。

以吉木薩爾凹陷西部吉頁1井區(qū)的相關(guān)資料為基礎(chǔ)，利用主微量元素分析、氣相色譜分析等手段明確該區(qū)礦物學(xué)、地球化學(xué)等特征，對其沉積環(huán)境及有機質(zhì)富集機理進行分析，以期為該地區(qū)頁巖油資源的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，是東部隆起的二級構(gòu)造帶，南北向以三臺斷裂、吉木薩爾斷裂為界夾在阜康斷裂帶與沙奇凸起之間；西部以老莊灣斷裂、西地斷裂為界，毗鄰北三臺凸起（圖1a）；向東由于構(gòu)造運動，逐漸抬升，過渡到古西凸起，是一個三面由斷裂控制的西深東淺、西斷東超的箕狀凹陷［3］。吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組為一套陸相咸化湖盆沉積，沉積相包括三角洲前緣、砂質(zhì)淺灘、云坪、半深湖和深湖等，主要發(fā)育由陸源碎屑、火山碎屑和碳酸鹽礦物構(gòu)成的陸相混積巖，這也是該區(qū)主要的烴源巖層系，沉積厚度大、分布面積廣［2-3］。根據(jù)巖性、測井曲線特征等，蘆草溝組地層自下而上可劃分為蘆一段和蘆二段（圖1b）。

圖1 吉木薩爾凹陷構(gòu)造位置（a）及吉頁1 井二疊系蘆草溝組巖性地層綜合柱狀圖（b）（據(jù)文獻［2］修改）Fig.1 Structural location（a）and stratigraphic column of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1（b）in Jimsar Sag

2 礦物學(xué)特征

對吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組37件樣品進行X 射線衍射（XDR）分析可知，蘆一段以黏土礦物為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.90%，主要為伊利石、蒙脫石、伊蒙混層和高嶺土；石英和長石次之，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.39%和26.46%；另含少量白云石、方解石和重晶石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別11.06%，8.06%和4.95%。蘆二段與蘆一段礦物成分及其含量相當(dāng)，但在不同位置含量差異較大，蘆二段黏土礦物、石英和長石的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35.71%，21.56%和20.61%，方解石、白云石和重晶石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.41%，8.19%和4.64%（表1）。根據(jù)彭軍等［12］提出的細(xì)粒沉積巖巖石成分定名法，吉頁1井蘆一段為以長英質(zhì)混合細(xì)粒沉積巖為主的混合細(xì)粒沉積巖，蘆二段以長英質(zhì)混合細(xì)粒沉積巖和黏土質(zhì)混合細(xì)粒沉積巖為主的混合細(xì)粒沉積巖（圖2）。

圖2 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組細(xì)粒沉積巖巖石成分定名三角圖（據(jù)文獻［12］修改）Fig.2 Triangular diagram of rock composition of fine-grained sedimentary rocks of Permian Lucaogou Formation in Jimsar Sag

表1 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組巖石樣品的XDR 測試結(jié)果Table 1 XDR testing results of rock samples of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

3 地球化學(xué)特征

對采集的37 件樣品進行有機碳、硫及主量、微量元素分析，挑選了24 件進行飽和烴色譜分析。

3.1 有機碳（TOC）、硫含量

吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖TOC值為1.20%～11.50%，平均為5.83%，垂向變化較大，其中蘆一段為2.39%～11.50%，平均為5.93%，蘆二段為1.20%～9.35%，平均為5.69%。硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%～4.95%，平均值為2.54%（表2），兩者無明顯相關(guān)性。

3.2 主、微量元素特征

研究區(qū)蘆草溝組樣品主要成分為SiO2，Al2O3，CaO 和MgO，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.07%～85.42%，其中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，平均為51.74%；Al2O3與CaO含量相當(dāng)，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.80%和10.28%；MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，平均為6.80%。此外，還有少量Fe2O3，Na2O，K2O，TiO2，P2O5和MnO（表2）。與北美頁巖相比，研究區(qū)主量元素中Na，Mg，Ca 和Ti明顯富集，Al，Si 和K 相對虧損，F(xiàn)e 和Mn 含量則與北美頁巖相當(dāng)；各元素在蘆一段和蘆二段分布有所不同，P 在蘆一段相對虧損，Na，Mg，Ca，Ti 則更富集（圖3a），Na，Mg，Ca 的富集與礦物學(xué)特征中長石、碳酸鹽含量高相互印證。

表2 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組巖石樣品的有機碳、硫及主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計Table 2 Analysis results of organic carbon，sulfur and major elements of rock samples of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag%

樣品中含量最高的微量元素是Ba，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（3 629.02～32 346.82）×10-6，平均為12 052.89×10-6；含量最低的是U，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.68×10-6（表3）。與北美頁巖相比，研究區(qū)Ba 極度富集，可能與生物作用有關(guān)；V 顯著富集，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為404.30×10-6；Sr，Zr 和Cr 相對富集，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為647.55×10-6，255.33×10-6和125.06×10-6，其中Sr在蘆一段富集，在蘆二段有一定的虧損，Zr 無虧損，Cr 在蘆一段和蘆二段均出現(xiàn)部分富集，部分虧損；Ni，Th，U，Rb，Co，Zn，Mo 則相對虧損（圖3b）。

表3 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組巖石樣品的微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計Table 3 Analysis results of trace elements of rock samples of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

圖3 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組巖石樣品的主量元素（a）和微量元素（b）北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式Fig.3 Standardized North American shale partitioning patterns for major elements（a）and trace elements（b）of rock samples of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

3.3 飽和烴色譜特征

對研究區(qū)24 件樣品進行了烴源巖飽和烴色譜分析，結(jié)果顯示：①蘆一段烴源巖正構(gòu)烷烴多呈單峰型，主峰碳為C17和C19，奇偶優(yōu)勢（OEP）為0.22～2.84，平均為1.42，碳優(yōu)勢指數(shù)（CPI）為0.74～1.94，平均為1.28，具有較弱的奇碳優(yōu)勢，∑nC21-/∑nC22+為0.68～1.38，平均為1.05，反映有機質(zhì)為陸源輸入和海相藻類混合沉積，海相藻類貢獻較大；Pr 和Ph 含量較高，Pr/Ph 值為0.04～0.90，Pr/nC17值為0.008～1.550，Ph/nC18值為0.252～2.162。②蘆二段烴源巖正構(gòu)烷烴多呈單峰型，主峰碳為C19，OEP為0.01～2.05，平均為1.16，CPI為1.14～7.52，平均為1.80，具有奇碳優(yōu)勢，∑nC21-/∑nC22+為0.70～7.42，平均為2.20，反映有機質(zhì)來源為混源，海相藻類貢獻較大；Pr 和Ph 含量較高，Pr/Ph 值為0.64～2.05，Pr/nC17值為0.002～3.083，Ph/nC18值為0.195～0.591（表4）。Pr/nC17與Ph/nC18交會圖也證實了蘆草溝組有機質(zhì)混合輸入（圖4）。

表4 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組烴源巖飽和烴色譜分析Table 4 Saturated hydrocarbon chromatographic analysis of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

圖4 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18交會圖（據(jù)文獻［15］修改）Fig.4 Cross plot of Pr/nC17 and Ph/nC18of source rocks of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

4 古環(huán)境、古生產(chǎn)力

4.1 陸源碎屑

Al，Ti，Zr 和Th 等元素常被用于指示海/湖相沉積巖沉積期的陸源碎屑輸入情況，Al 主要來源于鋁硅酸鹽黏土礦物，且地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定［16-17］，Ti，Zr和Th通常保存于粗粒陸源碎屑中［18］。用Al 標(biāo)準(zhǔn)化除去細(xì)粒黏土礦物影響之后，Ti/Al，Zr/Al 和Th/Al也可用作較粗粒的陸源輸入程度的指標(biāo)。

吉木薩爾凹陷蘆草溝組的37 件測試樣品中，Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于10%，Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于0.6%，Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于200×10-6，Th 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于15×10-6，Ti/Al，Zr/Al 和Th/Al 的平均值分別為0.15，24.19 和0.85，且在垂向上變化不大。蘆草溝組沉積時期吉頁1 井區(qū)陸源碎屑物供給穩(wěn)定，來源于凹陷西邊的北三臺凸起［19-20］。

4.2 氧化還原

缺氧的還原環(huán)境可以為有機質(zhì)的保存提供良好的條件，因而判斷水體的氧化還原環(huán)境對于有機質(zhì)富集的研究尤為重要。由于沉積成巖過程復(fù)雜，單個指標(biāo)難以準(zhǔn)確評價當(dāng)時的環(huán)境，利用氧化還原敏感元素（V，Ni，Cr，U）及V/（V+Ni），V/Cr，U/Th和黃鐵礦礦化度、生物標(biāo)志化合物等綜合評價。

4.2.1 敏感元素分析

在氧化性水體中，V 以釩酸氫根（HVO42-）和H2VO4-的形式存在，釩酸氫根離子容易被Fe，Mn 氫氧化物和高嶺土吸附［21-22］，在弱還原環(huán)境下，V5+被還原為V4+，并形成釩?；鵙O2+、羥基基團VO（OH）3-以及不溶的VO（OH）2［23］，硫化環(huán)境中，V4+會進一步轉(zhuǎn)換為+3 價并形成氧化物、氫氧化物沉積或被周圍的卟啉捕獲進而富集［24］。Ni 在氧化性海水環(huán)境中主要以溶解的Ni2+或NiCl+的形式存在，大部分是以溶解的碳酸鹽形式（NiCO3）存在或吸附于腐殖酸/富里酸上［13，25］，在缺氧條件尤其是H2S 存在的條件下，可形成自生的硫化物礦物保留在沉積物中，在沉積物中明顯富集。Cr 在氧化性水體中主要以鉻酸陰離子CrO42-形式存在，小部分以水合羥基離子Cr（H2O）4（OH）2+形式存在［26］。在還原條件下Cr4+被還原為+3 價，形成水和陽離子Cr（OH）2+或者氫氧化物，最終通過腐殖酸/富里酸形成化合物或吸附于Fe，Mn 氫氧化物，進入沉積物進而富集［22，27］。通常V/（V+Ni）＜0.46 或V/Cr ＜2.00 指示富氧環(huán)境；0.46 ＜V/（V+Ni）＜0.54 或2.00 ＜V/Cr ＜4.25 指示貧氧環(huán)境；V/（V+Ni）＞0.54 或V/Cr ＞4.25 指示厭氧環(huán)境；V/（V+Ni）值越大，水體分層越好［28］。

蘆一段的V/（V+Ni）值為0.82～0.97，平均為0.91，V/Cr 值為2.38～4.67，平均為3.31；蘆二段V/（V+Ni）值為0.80～0.94，平均為0.88，V/Cr 值為2.15～3.52，平均為2.84。因此，可以認(rèn)為蘆草溝組沉積時期整體上處于厭氧的還原環(huán)境，僅蘆二段頂部有部分層位處于貧氧環(huán)境，蘆一段還原性和水體分層較蘆二段好（圖5）。

圖5 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組烴源巖氧化還原指標(biāo)Fig.5 Redox indicator of source rocks of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

U 在氧化水體中以高價態(tài)溶解于水體中，在還原的水體中被還原為低價態(tài)而沉積下來［29］，U/Th ＜0.75 指示富氧條件，U/Th 值為0.75～1.25指示貧氧條件［11］，吉頁1 井37 件樣品U/Th 值為0.27～0.32，指示富氧環(huán)境，和V/（V+Ni）與V/Cr 值所指示的還原結(jié)果相反，分析認(rèn)為是U 虧損所致：①不同元素對氧化還原的敏感度不一樣，V 一般在硝化水體就開始沉積，U 在Fe2+和Fe3+的轉(zhuǎn)換界面開始沉積，而Mo 在有H2S 的環(huán)境下才會沉積［29］，穩(wěn)定的陸源碎屑輸入會將微量的氧帶入水體，而在這種環(huán)境中V 可以富集，U 被氧化為更高價溶解于水體中，未能沉積富集。②成巖作用期間，O2重新進入沉積物，U 從富集區(qū)域遷出，沉積后的沉積物再氧化作用對U 影響較大，而對V，Mo 和Cd 等元素的影響較小，對Co，Ni，Cu 和Zn 等元素的影響則可以忽略［30-31］（遷移距離小于5 cm）。該解釋也與蘆草溝組Mo，Zn，Ni 和Co 等元素相對虧損印證。

4.2.2 黃鐵礦礦化度分析

水體在缺氧還原且含有H2S 的靜水狀態(tài)下，黃鐵礦附著在沉積物表面，其形成也不受有機質(zhì)的影響，因此黃鐵礦礦化度（鐵與活性鐵的比值）DOPT是判斷氧化還原環(huán)境的常用指標(biāo)［29］。假設(shè)所有的硫元素以黃鐵礦（FeS2）的形式存在，DOPT計算公式［32］為

式中：S 和Fe 分別為樣品中所測的硫和鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；55.84，64.16 分別為黃鐵礦中Fe 和S 的原子質(zhì)量。

由式（1）計算出蘆一段DOPT為0.43～1.41，平均為0.73；蘆二段DOPT為0.21～0.72，平均為0.46。當(dāng)DOPT＜0.42 時為富氧環(huán)境，DOPT＞0.42 為缺氧環(huán)境［29］，由此判斷蘆草溝組一直處于缺氧環(huán)境。

4.2.3 生物標(biāo)志化合物分析

無環(huán)類異戊二烯烴中姥鮫烷（Pr）與植烷（Ph）主要來源于光合作用葉綠素a 以及細(xì)菌當(dāng)中葉綠素a和葉綠素b 的植基側(cè)鏈，在還原條件下形成Ph，在氧化環(huán)境下形成Pr，因此Pr/Ph 常被用來指示烴源巖沉積期氧化還原環(huán)境。有研究指出Pr/Ph ＞2.00 指示氧化環(huán)境，Pr/Ph 為1.00～2.00 指示半氧化—半還原環(huán)境，Pr/Ph ＜1.00指示還原環(huán)境［33］。蘆一段Pr/Ph為0.03～0.90，平均為0.50；蘆二段Pr/Ph 為0.63～2.05，去除極大值2.05 后，平均為0.93（參見圖5），均指示為還原環(huán)境。此外，Pr/nC17與Ph/nC18交會圖也指示除蘆一段1 個樣品處于氧化環(huán)境，其余均為還原環(huán)境（參見圖4）。

綜上所述，蘆草溝組整體處于水體分層較好的還原環(huán)境，蘆一段還原性和水體分層均較蘆二段好。

4.3 古氣候、古鹽度、古水深

古氣候、古鹽度、古水深均會在一定程度上對有機質(zhì)的保存、生產(chǎn)造成影響，利用元素比值、古氣候指數(shù)等指標(biāo)對研究區(qū)古氣候、古鹽度、古水深進行了討論。

4.3.1 古氣候分析

喜濕型元素有Cr，Ni，Mn，Cu，F(xiàn)e，Ba，Br，Co，Cs，Hf，Rb，Sc 和Th；喜干型元素有Sr，Pb，Au，As，Ca，Na，Ta，U，Zn，Mg，Mo 和B。古氣候指數(shù)C是常見的喜濕型元素含量之和與喜干型元素含量之和的比值，常被用來指示古氣候，計算公式［34］為

根據(jù)現(xiàn)有研究，1.3 ＜Sr/Cu ＜5.0 且0.6 ＜C＜1.0，指示溫暖濕潤的氣候；5.0 ＜Sr/Cu ＜10.0 且0.2 ＜C＜0.6 指示半潮濕—半干旱的氣候；Sr/Cu ＞10.0且C＜0.2，指示炎熱干旱氣候［3］。此外，在溫暖濕潤的氣候條件下Rb/Sr 值較大，在干旱性的氣候條件下Rb/Sr值較小［5］。實驗結(jié)果顯示，蘆一段Sr/Cu 值為16.48～34.59，平均為27.21，C為0.10～0.22，平均為0.15，Rb/Sr 值為0.05～0.12，平均為0.09，為炎熱干旱氣候；蘆二段Sr/Cu 值為4.36～61.37，平均為20.41，C為0.10～0.34，平均為0.21，Rb/Sr 值為0.06～0.34，平均為0.18，為半潮濕—半干旱氣候。

長鏈正構(gòu)烷烴主要來源于陸源植物，C31的主要來源為干旱氣候下含有植物蠟的草本植物，C27的主要來源為濕潤環(huán)境下木本植物中的木本植物蠟，因此正構(gòu)烷烴長鏈參數(shù)比值C31/C27也可以用來判別古氣候變化，C31/C27值越小，氣候越濕潤，C31/C27值越大，氣候越干旱［5］。蘆一段C31/C27值為0.20～2.57，平均為0.67；蘆二段C31/C27值為0.09～1.47，平均為0.31（圖6），指示蘆一段比蘆二段更干旱。

4.3.2 古鹽度分析

MgO 具有親海性，Al2O3具有親陸性，MgO/Al2O3常用于水體古鹽度的表征［5，9］；咸水環(huán)境中Sr元素易于保存，而Ca 元素不易保存，容易流失，在淡水環(huán)境中正好相反，Sr/Ca 值也常應(yīng)用于古鹽度的判別，淡水環(huán)境中Sr/Ca 值較小，咸水環(huán)境中Sr/Ca值較大［5］。根據(jù)張文文等［3］的研究，（MgO/Al2O3）×100 ＜1 為淡水環(huán)境，（MgO/Al2O3）×100 ＞10 為咸水，介于兩者之間為半咸水沉積，而實驗結(jié)果顯示，蘆一段（MgO/Al2O3）×100 為51.35～150.23，平均為87.74，Sr/Ca 為67.27～95.70，平均為76.90；蘆二段（MgO/Al2O3）×100為11.67～67.64，平均為38.27，Sr/Ca 為21.90～66.34，平均為46.51，均低于蘆一段（圖6）。分析認(rèn)為蘆草溝組均為咸水沉積，蘆一段的咸化程度更高。

圖6 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組烴源巖古氣候、古鹽度、古水深指標(biāo)Fig.6 Paleoclimate，paleosalinity and paleodepth indicators of source rocks of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

4.3.3 古水深分析

在遷移過程中Mn 和Al 等元素比較穩(wěn)定，易于保存；Ti 和Zr 等元素不太穩(wěn)定，因此常用Mn/Ti 和Zr/Al 來表征古水深，沉積水體越深，Mn/Ti 越大，Zr/Al 越??；沉積水體越淺，Mn/Ti 越小，Zr/Al 越大［5，9］。蘆一段Mn/Ti 為0.036～0.096，平均為0.061，Zr/Al為20.32～35.64，平均為26.22；蘆二段Mn/Ti 為0.053～0.122，平均為0.081，高于蘆一段，而Zr/Al為16.01～27.46，平均為25.53，小于蘆一段（圖6），分析認(rèn)為蘆二段沉積水體更深。

古氣候會對古鹽度、古水深造成一定影響，干旱氣候，水體蒸發(fā)量大，古鹽度升高，古水體變淺；氣候變濕潤時，古鹽度隨之降低，古水體變深。綜上所述，蘆草溝組整體為干旱—半干旱的咸化湖盆沉積背景，蘆二段為干旱—半干旱的氣候，水體深度大、咸化程度低；蘆一段為干旱氣候，水體深度較小、鹽度較高。

4.4 古生產(chǎn)力

豐富的有機質(zhì)來源、良好的生產(chǎn)力條件是有機質(zhì)富集的基礎(chǔ)，利用Cu，Ni，Ba，Si 和P 等生產(chǎn)力指標(biāo)對研究區(qū)古生產(chǎn)力條件進行研究。

P 是生物生存所必需的營養(yǎng)元素，參與生物的大部分新陳代謝活動，常被用來表征水體的生產(chǎn)力大小，但在還原環(huán)境或一定濃度的Fe 會對P 的富集造成影響［35］，因此在使用P 元素表征古生產(chǎn)力時要視情況而定。有機質(zhì)降解過程中釋放出的Cu 和Ni 在硫酸鹽還原環(huán)境下被黃鐵礦捕獲，保存在有機質(zhì)中，Cu 和Ni 含量越高反映古生產(chǎn)力越高［13］。Ba主要來源于腐爛的浮游植物有機質(zhì)和生物骨架中的重晶石，少量來源于陸源碎屑和Fe-Mn 化合物；Si 元素來源于陸源碎屑輸入和生物成因硅，因此在用Ba 和Si 含量指示古生產(chǎn)力時，需要消除非生物成因的影響。生物鋇（Babio）是排除陸源輸入碎屑中的Ba，只與生物活動相關(guān)的Ba，是目前普遍用來評價古生產(chǎn)力的一個重要指標(biāo)［13］。生物來源的石英與海洋/湖泊初級生產(chǎn)力的提供者關(guān)系緊密，僅來源生物活動的Si 被稱為的生物硅（Sibio）。生物Ba 和生物Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算公式為

式中：PAAS 代表后太古宙澳大利亞頁巖，（Ba/Al）PAAS為0.006 8，（Si/Al）PAAS為3.83［13］；Ba樣品，Al樣品，Si樣品分別為樣品中Ba，Al 和Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由上式可得，吉頁1 井蘆一段Babio質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（5 794.42～32 346.16）×10-6，平均為14 602.73×10-6；Sibio質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.69%～23.03%，平均為17.30%；蘆二段Babio質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（3 628.39～14 815.77）×10-6，平均為8704.52×10-6，Sibio質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.98%～17.04%，平均為12.51%，均低于蘆一段（圖7）。參考Schoepfer 等［36］的研究，Babio質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于200×10-6為低生產(chǎn)力，質(zhì)量分?jǐn)?shù)（200～1 000）×10-6為中等生產(chǎn)力，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1 000×10-6為高生產(chǎn)力，蘆草溝組沉積時古生產(chǎn)力較高，蘆一段高于蘆二段。

圖7 吉木薩爾凹陷吉頁1 井二疊系蘆草溝組烴源巖古生產(chǎn)力指標(biāo)Fig.7 Paleoproductivity indicators of source rocks of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

蘆一段Cu/Al 值為2.38～3.78，平均為2.78，Ni/Al 值為3.02～5.39，平均為3.94，蘆二段Cu/Al 值為1.56～4.17，平均為2.75，Ni/Al 值為2.08～4.40，平均為3.47，均低于蘆一段（圖7），也反映蘆一段的Cu 和Ni含量更高，古生產(chǎn)力更高。

蘆一段P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～0.20%，平均為0.13%；蘆二段P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%～0.32%，平均為0.20%，P 含量高于蘆一段。分析認(rèn)為在還原環(huán)境下P 從有機質(zhì)中釋放，導(dǎo)致高生產(chǎn)力下P 并不富集。

5 有機質(zhì)富集機理

有機質(zhì)富集受古環(huán)境、古生產(chǎn)力等多種因素影響，但無論哪種因素，都是通過影響有機質(zhì)保存和有機質(zhì)生產(chǎn)從而影響沉積物中的有機質(zhì)豐度。將環(huán)境指標(biāo)（Zr/Al，V/Cr，DOPT，Pr/Ph，Sr/Cu，C31/C27）、生產(chǎn)力指標(biāo)（Cu/Al，Ni/Al 和Sibio含量）與TOC值進行擬合（圖8）可知，蘆一段氧化還原指標(biāo)V/Cr，DOPT，Pr/Ph 均與TOC值無明顯相關(guān)性（R2＜0.1）；陸源碎屑指標(biāo)（Zr/Al）、古生產(chǎn)力指標(biāo)（Cu/Al，Ni/Al 和Sibio）、古氣候指標(biāo)（Sr/Cu 和C31/C27）與TOC含量擬合度相對略高（R2為0.115～0.323）。蘆二段陸源碎屑與氧化還原指標(biāo)與TOC值無明顯相關(guān)性（R2＜0.1），古生產(chǎn)力和古氣候指標(biāo)與TOC值擬合度較高（R2為0.137～0.554）。除了蘆二段古氣候指標(biāo)Sr/Cu 與TOC值擬合相關(guān)系數(shù)達0.554，其他擬合度均較小。因此，可以認(rèn)為蘆草溝組烴源巖的有機質(zhì)富集是受多重因素共同影響的。

5.1 有機質(zhì)保存

氧化還原條件是影響有機質(zhì)保存的重要因素，缺氧的湖水環(huán)境抑制了有機質(zhì)的降解，有利于有機質(zhì)保存［10］。氧化還原指標(biāo)中只有DOPT與TOC值擬合時相關(guān)系數(shù)相對較高，在蘆一段、蘆二段分別為0.19 和0.30，其余指標(biāo)均與TOC值的擬合度均較低，但都呈正相關(guān)關(guān)系（圖8b—8d），這說明氧化還原環(huán)境并不是研究區(qū)有機質(zhì)富集的主控因素。蘆草溝組沉積時期，水體底部一直處于一個相對穩(wěn)定的還原環(huán)境，產(chǎn)生的有機質(zhì)可以得到良好地保存［10］，但蘆一段、蘆二段形成還原環(huán)境的原因卻不同，蘆一段沉積期氣候比較干燥，水體蒸發(fā)量大，水體鹽度增大，形成了上下分層、底部穩(wěn)定的高鹽度還原環(huán)境；蘆二段處于半潮濕—半干旱的氣候環(huán)境，蒸發(fā)量小，且有一定的降雨量，古水體變深，形成了易于有機質(zhì)保存的還原環(huán)境。

圖8 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組古環(huán)境、古生產(chǎn)力指標(biāo)與TOC 含量相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of paleoenvironment，paleoproductivity and TOC content of Permian Lucaogou Formation in Jimsar Sag

5.2 有機質(zhì)生產(chǎn)

結(jié)合生產(chǎn)力指標(biāo)與TOC值的擬合關(guān)系（圖8e—8g）認(rèn)為，有機質(zhì)生產(chǎn)是影響該地區(qū)有機質(zhì)富集的主要因素。蘆草溝組烴源巖為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖，蘆一段有機質(zhì)豐度較蘆二段高，造成該現(xiàn)象的原因有3 點：①光照率對湖泊初級生產(chǎn)力大小具有一定影響［4］，蘆一段氣候干旱，日照更加充足，增強了初級生產(chǎn)者的光合作用，有利于高生產(chǎn)力的形成。②咸化湖盆中，嗜鹽細(xì)菌和藻類屬種增多，生產(chǎn)力增強［8］。張明明［5］在對博格達山北麓油頁巖的研究中，利用生物標(biāo)志化合物的方法識別出了產(chǎn)甲烷古細(xì)菌、嗜鹽古細(xì)菌、嗜鹽真細(xì)菌、綠藻、甲藻纖毛蟲等12 種湖泊內(nèi)源生物類型，且沉積初期的種類多于沉積晚期，干旱氣候下，蘆一段古鹽度更高，生物種類更多，營養(yǎng)鹽更充足，生產(chǎn)力更高。此外，咸水環(huán)境中，細(xì)菌和藻類可以形成有滲透活度的有機質(zhì)（可溶性糖、甘油等），當(dāng)生物死亡后，細(xì)胞解體，釋放大量有機質(zhì)［4］。③蘆二段沉積期氣候為半潮濕—半干旱，有一定的降雨量，陸源輸入多于蘆一段，有機質(zhì)稀釋，有機質(zhì)豐度相對較低。

適量火山灰的輸入有利于有機質(zhì)生產(chǎn)，以往的研究已證實，吉木薩爾凹陷周緣博格達山、北三臺凸起等都存在火山機構(gòu)，且火山活動規(guī)模大、時間長，而凹陷內(nèi)火山活動不發(fā)育［37］。研究區(qū)距火山口中心較遠，火山作用的影響比較溫和，火山灰隨風(fēng)進入水體，大量輸入Fe，N 和P 等微量元素，有利于藻類等低等植物繁盛［38］。同時，在構(gòu)造變形作用下，湖水滲入盆地底部裂隙，被基底巖漿加熱回升至湖底，在此過程中，熱液攜帶地幔物質(zhì)進入湖底，熱液帶來的營養(yǎng)和熱量也促進了湖盆生物的繁衍［39］。

5.3 有機質(zhì)富集模式

吉頁1 井區(qū)蘆草溝組烴源巖有機質(zhì)富集是陸源碎屑、氧化還原條件、古生產(chǎn)力和古氣候等因素共同作用的結(jié)果（圖9）。整個蘆草溝沉積時期，均處于穩(wěn)定的還原環(huán)境，有機質(zhì)富集不受氧化還原環(huán)境的控制，是典型的“生產(chǎn)力富集模式”。蘆一段沉積時期整體為干旱環(huán)境，水體蒸發(fā)量大，古水體淺，古鹽度高，水體更容易分層，形成了穩(wěn)定的還原環(huán)境，有機質(zhì)得以保存；充足的日照、較高的水體鹽度、穩(wěn)定的陸源碎屑和火山灰的共同作用，提供了良好的生產(chǎn)力，有機質(zhì)豐度高。蘆二段沉積時期為半潮濕—半干旱的沉積環(huán)境，蒸發(fā)量小，且有一定的降雨量，古水體變深，形成了易于有機質(zhì)保存的還原環(huán)境，古生產(chǎn)力的影響因素與蘆一段相同，但由于日照較少、古鹽度較低、大量陸源碎屑輸入對有機質(zhì)的稀釋作用，有機質(zhì)豐度相對較低。

圖9 吉木薩爾凹陷吉頁1 井區(qū)二疊系蘆草溝組烴源巖有機質(zhì)富集模式Fig.9 Organic matter enrichment model of source rocks of Permian Lucaogou Formation of well Jiye 1 in Jimsar Sag

6 結(jié)論

（1）吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組烴源巖是以長英質(zhì)混合細(xì)粒沉積巖和黏土質(zhì)混合細(xì)粒沉積巖為主的混合細(xì)粒沉積巖，TOC值為1.20%～11.50%，平均為5.83%，是一套優(yōu)質(zhì)烴源巖，有機質(zhì)來源為陸源有機質(zhì)和海相藻類混合輸入，海相藻類貢獻較大。

（2）吉木薩爾凹陷蘆草溝組沉積期整體為干旱-咸化還原沉積背景。蘆一段沉積時期為干旱氣候，古水體較淺，古鹽度較高，水體分層形成穩(wěn)定的還原環(huán)境，古生產(chǎn)力比蘆二段強；蘆二段沉積時期為半潮濕—半干旱氣候，古水體較深，古鹽度較低，還原環(huán)境好。

（3）吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖有機質(zhì)富集是陸源碎屑、氧化還原條件、古生產(chǎn)力和古氣候等因素共同作用的結(jié)果。蘆草溝沉積時期處于穩(wěn)定的還原環(huán)境，有機質(zhì)富集不受氧化還原環(huán)境的控制，是典型的“生產(chǎn)力富集模式”；古氣候、古鹽度和陸源碎屑的影響導(dǎo)致蘆二段TOC含量較低。