準(zhǔn)南與柴窩堡凹陷蘆草溝組頁(yè)巖地球化學(xué)特征對(duì)比與古環(huán)境恢復(fù)

張遜，莊新國(guó)，涂其軍，徐仕琪，張婭（.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000）

準(zhǔn)南與柴窩堡凹陷蘆草溝組頁(yè)巖地球化學(xué)特征對(duì)比與古環(huán)境恢復(fù)

張遜1，莊新國(guó)1，涂其軍2，徐仕琪2，張婭1
（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000）

在野外露頭實(shí)測(cè)、系統(tǒng)采樣基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)分析測(cè)試資料，著重討論了準(zhǔn)噶爾盆地南緣二疊系蘆草溝組主量元素、微量元素及稀土元素等地球化學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上恢復(fù)了研究區(qū)二疊系蘆草溝組沉積時(shí)的古環(huán)境，對(duì)比了準(zhǔn)南與柴窩堡凹陷蘆草溝組沉積的差異性。結(jié)果表明，柴窩堡凹陷蘆草溝組常量元素中Ca,K,Mg和Na相對(duì)富集，P相對(duì)較少，微量元素比值V/(V+Ni)及V/Cr均低于準(zhǔn)南，輕稀土元素相對(duì)富集。準(zhǔn)南與柴窩堡凹陷蘆草溝組優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育于生產(chǎn)力較高、水體缺氧的還原環(huán)境，但相對(duì)于柴窩堡凹陷蘆草溝組，準(zhǔn)南蘆草溝組頁(yè)巖形成于生產(chǎn)力更高、水體更深且更缺氧的古環(huán)境，該環(huán)境更有利于總有機(jī)碳的形成與保存。

準(zhǔn)南；蘆草溝組；頁(yè)巖；地球化學(xué)；古環(huán)境

準(zhǔn)噶爾盆地南緣及其南部柴窩堡凹陷蘆草溝組頁(yè)巖作為我國(guó)陸相盆地頁(yè)巖氣勘探的新目標(biāo)，受到了廣泛關(guān)注。但對(duì)準(zhǔn)南地區(qū)和柴窩堡凹陷的研究?jī)H局限于層序地層劃分、儲(chǔ)層地質(zhì)研究、地層綜合劃分與對(duì)比、盆地結(jié)構(gòu)分析及油氣成藏特征等方面[1-4]，對(duì)研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖地球化學(xué)特征定量指示沉積環(huán)境的研究相對(duì)較少。目前，利用地球化學(xué)定量化指標(biāo)進(jìn)行沉積環(huán)境精確指示與標(biāo)定已成為國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油氣勘探領(lǐng)域的新方向[5-7]。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)典型露頭剖面27個(gè)樣品的測(cè)試分析，研究了蘆草溝組頁(yè)巖的地球化學(xué)特征及其沉積環(huán)境，并對(duì)準(zhǔn)南與柴窩堡凹陷兩個(gè)地區(qū)的差異性進(jìn)行對(duì)比與探討。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地南緣是指烏魯木齊-米泉斷裂以東的博格達(dá)山地區(qū)，被阜康斷裂帶和博格達(dá)山北緣斷裂（三工河斷裂）限定，其間為雅瑪里克山斷裂帶，總體呈“兩向一背”的構(gòu)造格局，自南向北依次為北天山推覆構(gòu)造系統(tǒng)、柴窩堡凹陷、博格達(dá)山和阜康凹陷，其中，阜康斷裂帶主要由向南傾的古牧地北斷裂和東段阜康斷裂組成。柴窩堡凹陷構(gòu)造位置處于博格達(dá)構(gòu)造帶與中天山伊連哈比爾尕構(gòu)造帶之間，是一個(gè)在下石炭統(tǒng)褶皺基底上發(fā)育起來(lái)的小型山間疊合凹陷。本文的準(zhǔn)南是不包括柴窩堡凹陷在內(nèi)的地區(qū)(圖1)。準(zhǔn)南及柴窩堡凹陷經(jīng)歷多期構(gòu)造變形疊加改造，在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底上發(fā)育一套以泥盆紀(jì)巖漿巖為主的早古生代褶皺基底，在其之上，主要發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系，其中，二疊系蘆草溝組沉積了一套以黑色頁(yè)巖為特征的細(xì)碎屑沉積物[8-10]。

2　樣品采集與處理

本次研究實(shí)測(cè)了6個(gè)具代表性的露頭剖面，其中，準(zhǔn)南4個(gè)，柴窩堡凹陷2個(gè)。在蘆草溝組采集27塊頁(yè)巖樣品，對(duì)這些樣品進(jìn)行詳細(xì)的有機(jī)碳含量、常量及微量、稀土元素含量分析。有機(jī)碳含量測(cè)試儀器為L(zhǎng)ECO CS230碳硫分析儀，主量元素采用化學(xué)滴定法，微量、稀土元素含量采用GBC OptiMass 9500 ICP-TOF-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)量，均由新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)中心測(cè)試完成。

3　常量元素特征

研究某地區(qū)和某層位元素地球化學(xué)特征時(shí)，通常將研究區(qū)巖石的元素組成與相應(yīng)巖石類型元素的平均含量相比，進(jìn)而確定該地區(qū)富集和分散的元素，以此分析研究區(qū)地質(zhì)背景，包括區(qū)域構(gòu)造背景，源區(qū)母巖成分，古地理及古氣候。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨捌拭嫖恢脠DFig.1 Geological units division map and profile position in study area

3.1常量元素總體特征

與頁(yè)巖的克拉克值相比，研究區(qū)頁(yè)巖中大部分常量元素與北美平均頁(yè)巖非常接近[11]。其中，Si，F(xiàn)e，Mg與頁(yè)巖中的含量相當(dāng)；Na和Ca都高于頁(yè)巖中的含量，P含量遠(yuǎn)大于頁(yè)巖克拉克值，富集較明顯，其余幾種元素含量則低于普通頁(yè)巖含量。對(duì)比準(zhǔn)南和柴窩堡凹陷可知（表1），柴窩堡凹陷的常量元素Ca，K，Mg和Na相對(duì)富集，P相對(duì)較少，說(shuō)明離物源較近，覆水較淺，水體環(huán)境呈弱還原性。

表1　蘆草溝組頁(yè)巖常量元素含量Table 1 Macroelements content in shale of Lucaogou formation　單位：%

3.2 P元素特征

P是控制初級(jí)生產(chǎn)力關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)元素，P的變化在很大程度上影響初級(jí)生產(chǎn)力的大小[12-14]。研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖P元素富集，平均值為0.44%，大于普通頁(yè)巖的0.17%。P元素的大量富集為水中生物提供了較好的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，有利于水體中藻類生物的生長(zhǎng)，為后期烴源巖的形成提供了大量母質(zhì)。在深水環(huán)境中，由于藻類的生長(zhǎng)不能完全依靠自己的光合作用，此時(shí)水體中繁茂的生物會(huì)消耗大量氧氣，使水體極度缺氧形成還原環(huán)境，使沉積物中有機(jī)質(zhì)得到最大程度的保存。柴窩堡凹陷蘆草溝組頁(yè)巖的P含量平均0.27%，準(zhǔn)南蘆草溝組頁(yè)巖P含量平均0.47%，說(shuō)明準(zhǔn)南蘆草溝組沉積時(shí)期生物生產(chǎn)力較高，主要為缺氧的沉積環(huán)境，而柴窩堡凹陷蘆草溝組沉積時(shí)期水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，生產(chǎn)力相對(duì)較低。

4　微量元素特征

4.1 Sr/Ba，B元素特征

Sr/Ba值是指示沉積水體中古鹽度的良好指標(biāo)，淡水沉積物中Sr/Ba值小于1，咸水沉積物中的Sr/Ba值大于1，Sr/Ba值為0.5~1.0，為半咸水環(huán)境。B是一種易溶元素，自然界水體中硼的含量是鹽度的線性函數(shù)[15]。Degens and Keith提出利用沉積物中硼元素測(cè)試值校正計(jì)算后的“相當(dāng)硼”指標(biāo)來(lái)判別海水和湖水鹽度，劃分范圍為：“相當(dāng)硼”含量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[16]。亞當(dāng)斯據(jù)實(shí)際資料得出計(jì)算水體鹽度的公式：

y=0.097 7x?7.043

y為水體鹽度（‰），x為相當(dāng)硼（10-6）。淡水鹽度范圍約0~0.5‰，半咸水鹽度范圍為0.5‰~35‰，咸水鹽度范圍為35‰~60‰，鹽水鹽度一般大于60‰。

此次研究中，采用27個(gè)樣品中Sr，Ba與B元素含量進(jìn)行分析可知（表2），Sr/Ba比值中有8個(gè)樣品比值為0~0.5，12個(gè)樣品比值為0.5~1.0，7個(gè)樣品比值為1.0~1.5，屬淡水-半咸水-咸水環(huán)境。據(jù)B元素分析得出，27個(gè)樣品中21個(gè)樣品古鹽度值分布在1.7‰~35‰之間，6個(gè)樣品古鹽度值在36‰~44.49‰之間，屬半咸水-咸水環(huán)境。因此，由Sr/Ba及古鹽度值可知，研究區(qū)主要為半咸水環(huán)境。

表2　蘆草溝組頁(yè)巖微量元素地球化學(xué)分析結(jié)果Table 2 Geochemistry analysisi result of microelement in shale of Lucaogou formation

對(duì)比準(zhǔn)南和柴窩堡凹陷樣品分析結(jié)果可知，準(zhǔn)南Sr/Ba值為0.73，鹽度28.23‰，而柴窩堡Sr/Ba值為0.98，鹽度23.07‰，說(shuō)明準(zhǔn)南水體鹽度相對(duì)較高；柴窩堡凹陷Sr/Ba值較高，說(shuō)明水體環(huán)境仍受殘余海水影響。

4.2 V，Ni，Cr元素特征

古氧相分析可證明地層形成環(huán)境究竟是氧化條件還是還原條件[17]。一般通過(guò)對(duì)巖石、礦物、古生物及古生態(tài)、微量元素、稀土元素、穩(wěn)定同位素、有機(jī)地球化學(xué)等相關(guān)指標(biāo)測(cè)試分析進(jìn)行古氧相的研究。其中，以礦物、古生物及古生態(tài)、微量元素、稀土元素等方法應(yīng)用最多。Hatch、Jones等通過(guò)研究北美、北歐黑色頁(yè)巖地球化學(xué)特征，提出微量元素比值（V/(V+Ni)，V/Cr，Ni/Co等）可作為古氧化還原條件的判識(shí)標(biāo)志，并確定出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)（表3）[18,19]。

本文選取V/(V+Ni)、V/Cr比值對(duì)蘆草溝組古氧相進(jìn)行分析。研究區(qū)蘆草溝組V/(V+Ni)值主要分布于0.62~0.92，指示沉積時(shí)期主要為貧氧-厭氧的沉積環(huán)境。V/Cr值主要分布于2.00~4.25，指示貧氧環(huán)境。因此，研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖主要沉積于貧氧環(huán)境。

表3　缺氧環(huán)境與富氧環(huán)境的地球化學(xué)特征與判別指標(biāo)Fig.3 Geological characterisitc and evaluation index of oxygen-deficent environment and low oxygen environment

通過(guò)對(duì)比準(zhǔn)南和柴窩堡凹陷蘆草溝組頁(yè)巖的地球化學(xué)指標(biāo)，準(zhǔn)南TOC平均為6.00%、V/(V+Ni)平均為0.76、V/Cr平均為2.75；柴窩堡TOC平均為1.30%、V/(V+Ni)平均為0.71、V/Cr平均為2.07?？梢?jiàn)，準(zhǔn)南蘆草溝組頁(yè)巖TOC、V/(V+Ni)、V/Cr均大于柴窩堡凹陷蘆草溝組頁(yè)巖，表明準(zhǔn)南地區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖沉積于更缺氧、水體更深的沉積環(huán)境。因此，蘆草溝組頁(yè)巖沉積時(shí)期，準(zhǔn)南地區(qū)更利于TOC的富集與保存。

5　稀土元素特征

從稀土元素分析結(jié)果可知，研究區(qū)頁(yè)巖稀土元素總量變化較?。ū?）。稀土元素總量63.59×10-6~ 216.22×10-6，55.56%的樣品稀土總量小于132×10-6，低于我國(guó)其它泥巖稀土總量（132×10-6~334×10-6）?？赡芤?yàn)樵摰貐^(qū)頁(yè)巖中碳酸鹽礦物含量較高，粘土礦物含量低于其它泥頁(yè)巖，因而對(duì)稀土元素吸附量較小。稀土元素總量平均值129.70×10-6，略高于大陸沉積地殼稀土元素含量（117×10-6）。輕稀土含量為39×10-6~155×10-6，平均值92×10-6；重稀土含量為24.5×10-6~68×10-6，平均值37.7×10-6。總體特征為輕稀土含量比重稀土含量高。輕重稀土元素比值大小能反映稀土元素分異程度，在同一類型沉積體中，比值越大，證明輕稀土元素富集程度越高，重稀土元素虧損程度則越高。據(jù)前人綜合研究表明[20]，陸源物質(zhì)在搬運(yùn)過(guò)程中，輕稀土元素更易被細(xì)粒沉積物吸附，因此，越靠近物源區(qū)，輕稀土元素越富集。

表4　研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖稀土元素參數(shù)表Table 4 Rare element parameter of Shale in Lucaogou formation

由頁(yè)巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式和輕重稀土元素分餾參數(shù)分布曲線可知（圖2，3）[21]：稀土元素模式曲線均向右傾，La-Dy曲線陡峭，Er-Y曲線平緩，總體呈輕稀土元素富集特征；本區(qū)頁(yè)巖輕重稀土元素比值約2.5，輕稀土含量明顯高于重稀土，表現(xiàn)為近源沉積。（La/Yb）N和（Ce/Yb）N平均值分別為5.86和4.49，均大于1，說(shuō)明輕重稀土元素的分餾明顯。反映輕稀土元素分餾程度的參數(shù)（La/Sm）N（均值2.99）普遍高于反映重稀土元素分餾程度的參數(shù)（Gd/Yb）N（均值1.35），也指示為近源沉積。從圖3可見(jiàn)，這幾項(xiàng)參數(shù)具較好的一致性，且（La/Yb）N參數(shù)對(duì)輕、重稀土元素分餾程度的反映更敏銳。對(duì)比準(zhǔn)南和柴窩堡凹陷（表4），可發(fā)現(xiàn)柴窩堡LREE富集程度更顯著，說(shuō)明柴窩堡凹陷離物源更近，輕重稀土分餾較明顯。

圖2　研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布模式圖Fig.2 Chodrite-normalized REE distribution pattern of shale in Lucaogou fromation

6　結(jié)論

(1)柴窩堡凹陷蘆草溝組常量元素中Ca，K，Mg和Na相對(duì)富集，P相對(duì)較少，微量元素對(duì)比表明：準(zhǔn)南蘆草溝組沉積期水體鹽度、TOC、V/(V+Ni)及V/Cr均高于柴窩堡凹陷；稀土元素對(duì)比發(fā)現(xiàn)柴窩堡LREE富集程度更為顯著。

圖3　研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖輕重稀土元素分餾參數(shù)分布曲線Fig.3 LREE and HREE fractionation parameter distribution curve of shale in Lucaogou formation

(2)蘆草溝組頁(yè)巖的古環(huán)境為半咸水、缺氧且水體表層生產(chǎn)力較高的沉積環(huán)境；但準(zhǔn)南蘆草溝組頁(yè)巖相比柴窩堡凹陷形成于遠(yuǎn)離物源、水體更深、更缺氧且表層水體生產(chǎn)力更高的沉積環(huán)境。這種環(huán)境導(dǎo)致蘆草溝組頁(yè)巖在準(zhǔn)南地區(qū)具更好的TOC富集與保存條件，也是TOC含量高于柴窩堡凹陷的主要原因。

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Difference of Geochemical Characteristics and Paleoenvironment Reconstruction of the Lucaogou Formation between Southern Junggar Basin and Chaiwopu Sag

Zhang Xun1,Zhuang Xinguo1,Tu Qijun2,Xu Shiqi2,Zhang Ya1
(1.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education,China University of Geosciences (Wuhan),Wuhan,Hubei,430074,China;2.Geological Research Academy of Xinjiang,Urumqi,Xinjiang,830000,China)

Shale in the Lucaogou Formation having being developed in southern Junggar Basin and Chaiwopu Sag are rich in organic matters and are high quality source rock in lacustrine strata of northwestern China.On the basis of the research data at home and abroad,integrated with the results of geochemical test data of the Lucaogou Formation,we discussed the major elements,trace elements and REE geochemical characteristics and recovered and compared the paleoenvironment of the Lucaogou Formation between southern Junggar Basin and Chaiwopu Sag.The results showed that the source rocks of Lucaogou Formation are mainly concentrated in high paleoproductivity and anoxic reduction environment.But the paleoproductivity of Lucaogou Formation of southern Junggar Basin was deposited in higher paleoproductivity and more anoxic environment than Chaiwopu Sag.

Southern Junggar Basin;Lucaogou Formation;Shale;Geochemical characteristics;Paleoenvironment

1000-8845(2016)03-423-05

P595

A

2015-10-20;

2016-11-17;作者E-mail:panzertiger@126.com

張遜（1987-），男，安徽合肥人，2013級(jí)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）在讀博士研究生，主要從事沉積學(xué)與石油地質(zhì)學(xué)研究