準南阜康地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組暗色泥巖地球化學特征及意義

史美超 雷國明 梁斌 白洪海

摘? 要：準南阜康地區(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)境之間的對應關系，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）等地化指標分析認為，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。

關鍵詞：準南阜康地區(qū);蘆草溝組;古鹽度;古氣候;氧化-還原條件

準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，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[1-2]。近年來，新疆地礦局在準南阜康地區(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特征恢復蘆草溝組沉積環(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果為基礎，結合區(qū)域地質(zhì)背景，選用對沉積環(huán)境反應較敏感的元素，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)位于準噶爾盆地南緣沖斷帶東段，準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)標法、散射背景內(nèi)標法、峰背比法進行基體校正和校準。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。樣品分析結果見表1，2。

4? 測試結果及變化特征

4.1? Sr/Ba值、B/Ga值和相當硼

測試結果顯示，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、相當硼（相當硼=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和相當硼。Sr/Ba值可作為古鹽度判別的靈敏標志，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大于鋇的地球化學性質(zhì)[13]。Sr/Ba值隨遠離海（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。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]。相當硼含量是指K2O含量為5%的硼的含量，相當硼含量與古鹽度密切相關，正常咸水環(huán)境相當硼含量為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比值是十分有用的化學參數(shù)之一[18]。前人認為，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果[19]。Mn在湖水中常以Mn2+穩(wěn)定存在，只有當湖水強烈蒸發(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比的高值對應溫濕氣候，低值對應干熱氣候。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，導致它在沉積物中富集。基于這兩種元素的地球化學差異性質(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，建立了相應的氧化還原環(huán)境微量元素識別定量指標，這己被國內(nèi)外學者廣泛認可并采用[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關系。

（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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