瑪湖凹陷金龍53井魚化石埋藏環(huán)境及成因分析

張昌民，張磊，趙康，安志淵，張祥輝

1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100 2. 中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000

魚類化石是地球滄桑巨變的有力證據(jù)[1]，魚化石的發(fā)現(xiàn)對研究古湖泊的水文狀況、沉積環(huán)境、群落結構、魚類的生活史、死亡方式和保存特征具有重要意義，已經(jīng)成為古湖泊研究的重要內(nèi)容[2]。國內(nèi)外學者運用現(xiàn)代魚類集群等生物死亡分解和埋葬過程觀察、室內(nèi)實驗和分析測試等手段，分析魚類死亡及其化石保存與湖泊物理化學環(huán)境的關系[3-10]，對魚化石的埋藏和保存過程進行深入分析[11]，研究了魚化石的地層學和沉積學意義[12-14]。國內(nèi)學者陳平富對古湖泊學研究中的魚化石埋藏學方法進行了介紹[2]；陳耿嬌等研究認為廣西寧明盆地古近紀和新近紀含魚化石層以淡水湖泊沉積為主，可能夾有部分與海水有關的沉積[14]；俆雅玲借助大量的分析測試結果提出了魚化石結核形成過程的4個階段[11]。國外學者ELDER[6]和SMITH[8]對愛達荷州Clarkia盆地魚化石的埋藏環(huán)境作了分析，認為魚類化石保存與湖泊水溫、水深、食腐動物、含氧量和水流等因素有關；ZANGERL對美國Illinois盆地賓夕法尼亞紀炭質(zhì)頁巖中魚群進行了研究，認為當時潟湖底部浮游植物發(fā)育導致魚類食物短缺死亡，死亡魚類沉入潟湖底部被似粥狀的淤泥快速包裹，阻止了氧化解體形成了精美完整的化石[9]?？傮w上看，有關魚化石埋藏和形成過程的研究較少，尚未發(fā)現(xiàn)有關魚化石與沉積環(huán)境關系的詳細報道。

金龍53井位于準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷的南部(見圖1)，其第3回次鉆井取心在風城組2段鉆遇多層較完整的魚化石。魚類化石在湖相地層中發(fā)現(xiàn)較少，在鉆井巖心中更為少見。瑪湖凹陷風城組發(fā)育厚層細粒頁巖油氣儲層，已經(jīng)成為準噶爾盆地油氣勘探的重要目標。筆者以魚化石埋藏學理論為指導，以金龍53井魚化石為主要研究對象，分析二疊紀風城組沉積期魚類死亡埋藏過程和與魚化石的形成環(huán)境，旨在為分析瑪湖凹陷二疊紀風城組古湖泊環(huán)境提供參考信息，以重建瑪湖凹陷二疊紀巖相古地理并指導油氣勘探。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷構造位置與金龍53井井位 Fig.1 Tectonic location of Mahu sag in Junggar basin and well location of Well Jinlong 53

1 地質(zhì)背景

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，是準噶爾盆地重要的含油氣凹陷[15-17]，凹陷西部以扎伊爾山和哈拉阿拉特山為界，發(fā)育烏夏斷裂帶以及克百斷裂帶，西南部與中拐凸起相接，東南側發(fā)育達巴松凸起和夏鹽凸起，東北側為石英灘凸起和英西凹陷[16,17]，面積約為5000km2。金龍53井位于瑪湖凹陷西南部，構造位置位于準噶爾盆地西部中拐凸起北斜坡與瑪湖凹陷過渡區(qū)(見圖1)，該井從井深505.00m開始進行巖屑錄井，自上而下所鉆地層依次為白堊系吐谷魯群，侏羅系頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組，三疊系白堿灘組、克拉瑪依組上亞組、克拉瑪依組下亞組、百口泉組，二疊系上烏爾禾組、下烏爾禾組、夏子街組、風城組三段、風城組二段、佳木河組(見圖2(a))。

風城組巖石類型豐富，發(fā)育碎屑巖、火山碎屑巖和火山巖，自下而上分為3段(見圖2(b))：風城組一段以灰色砂礫巖和灰色含礫砂巖為主，夾薄層的細砂巖；風城組二段頂部為一套約24m厚的玄武巖，中下部以細砂巖、粉砂巖為主，夾一層約4m厚的砂礫巖，白云質(zhì)成分和凝灰質(zhì)成分較多；風城組三段以粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，夾一層約4m厚的砂礫巖。魚化石位于井深5042.03～5042.97m的風城組二段底部。

圖2 金龍53井鉆遇地層以及風城組地層柱狀圖Fig.2 Stratum encountered during drilling of Well Jinlong 53 and stratum histogram of Fengcheng Formation

2 魚化石產(chǎn)狀與埋藏環(huán)境

2.1 魚化石產(chǎn)狀

金龍53井魚化石出現(xiàn)在井深5041.80～5042.97m的第3回次巖心中，集中于井深5041.80～5042.50m和5042.50～5042.97m這2段巖心。在井深5041.80～5042.50m地層中發(fā)現(xiàn)多層魚化石，其中一處除魚頭部和尾部由于巖心尺寸造成出露不全外，化石整體部位出露完整，魚鱗清晰，鱗片細密，鱗片大小約4mm，魚鰭印痕清晰可見，估計此化石長15～20cm(見圖3(a))，根據(jù)夏87井發(fā)現(xiàn)的同類魚化石推測為古鱈魚化石[18]。5041.80～5042.50m巖心段厚約70cm，巖性為粉砂質(zhì)紋層夾暗色泥質(zhì)條帶互層，無明顯層理。單個砂泥紋層厚度變化大，從1～20mm不等；魚化石多出現(xiàn)在粉砂巖和泥巖的界面上，位于粉砂巖頂面和泥巖底面之間。根據(jù)沉積物總體粒度較細、沉積構造不發(fā)育及其薄層粉砂巖和泥巖條帶分布特征，推測古沉積環(huán)境中流體流動較弱，魚類在湖泊水動力較弱的泥巖沉積期死亡墜落在半深湖區(qū)的湖底被埋藏形成化石。

金龍53井井深5042.50～5042.97m巖心厚47cm，巖性為灰色極細砂質(zhì)粉砂巖，塊狀構造，可能有生物擾動。該段砂巖底部發(fā)現(xiàn)魚化石(見圖3(b)、(c))，但化石出露不全，完整性較差。出現(xiàn)在5042.97m粉砂巖底面的魚化石可見清晰的魚鱗構造，鱗片大小約6mm，但由于巖心尺寸有限，其他結構未能獲取。臨近紋層發(fā)現(xiàn)多層化石碎片和印痕，但出露面積有限。此處化石產(chǎn)于粉砂巖中，具有輕微的穿越紋層現(xiàn)象，表明最初落入湖底時與湖底沉積物層面不平行，具有流水搬運的特征。該段發(fā)育的塊狀層理也表明沉積物堆積速度快，分選差，水動力較強，死亡的魚類遺體可能是在這種機制下被搬運到較深水區(qū)域埋藏形成化石。

注：(a)第15塊巖心的頂面，5042.27m；(b)第17塊巖心的底面，巖心截面全景圖，5042.97m；(c)第17塊巖心的底面，巖心截面局部放大圖，5042.97m。圖3 金龍53井第3回次取心第14塊到第17塊巖心中發(fā)現(xiàn)多處魚化石Fig.3 The found of many fish fossils in the cores of blocks 14 to 17 in the third coring of Well Jinlong 53

2.2 魚化石圍巖特征

魚化石發(fā)育層位的圍巖主要為沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖和凝灰質(zhì)細砂巖。根據(jù)該段6塊樣品的薄片觀察，所有碎屑巖皆發(fā)育凝灰結構，正常沉積物占71%～73%，凝灰質(zhì)占27%～29%。砂巖中凝灰物質(zhì)以長石、石英晶屑和安山巖、凝灰?guī)r巖屑為主。正常沉積物主要為石英、長石碎屑及自形晶粒狀白云石，白云石局部富集，部分具去云化現(xiàn)象(見圖4(a)～(f))。粉砂巖中凝灰質(zhì)主要為硅化的火山灰組成，少量晶屑。正常沉積物為水云母化泥質(zhì)和自形晶粒狀白云石(見圖4(g)～(j))。火山凝灰的普遍發(fā)育表明，火山作用造成的水體缺氧和礦物質(zhì)濃度升高可能是魚類中毒死亡的重要原因。

注：(a)凝灰質(zhì)細砂巖，5039.85m，單偏光；(b)凝灰質(zhì)細砂巖，5040.48m，單偏光；(c)凝灰質(zhì)細砂巖，5041.02m，單偏光；(d)凝灰質(zhì)細砂巖，5041.02m，正交偏光；(e)凝灰質(zhì)粉砂巖，5044.18m，單偏光；(f)凝灰質(zhì)粉砂巖，5044.18m，正交光；(g)凝灰?guī)r，不均勻發(fā)光，5044.18m，熒光；(h)凝灰?guī)r，5047.18m，單偏光；(i)凝灰?guī)r，5047.18m，正交偏光；(j)凝灰?guī)r，局部微弱發(fā)光，5047.18m，熒光；(k)粒間孔中球粒狀黃鐵礦集合體，5042.18m，掃描電鏡；(l)粒間孔中粒狀黃鐵礦，5043.22m，掃描電鏡。圖4 金龍53井第3回次取心典型微觀特征Fig.4 Typical microscopic characteristics of the third coring in Well Jinlong 53

2.3 魚化石的埋藏環(huán)境

金龍53井魚化石發(fā)育的第3回次取心為一套細粒沉積巖，主要巖性包括灰色、灰褐色、黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖和和細砂巖，夾有大量凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖和凝灰?guī)r質(zhì)粉砂巖條帶。發(fā)育極低角度小型沙紋層理、水平層理、小型沙紋層理、遞變層理、軟沉積物變形構造和塊狀層理(見圖5)。

注：(a)深灰色凝灰質(zhì)粉砂巖夾凝灰?guī)r條帶，極低角度交錯層理，5046.48～5046.58m；(b)灰黑色粉砂質(zhì)泥巖夾凝灰?guī)r條帶，水平層理，4889.00～4889.11m；(c)深灰色凝灰質(zhì)粉砂巖，小型沙紋層理，5046.86～5046.94m；(d)異重流沉積向上變細層序，下部顯示侵蝕面，發(fā)育多個向上變細旋回，頂部變?yōu)榛液谏凵百|(zhì)泥巖， 5040.53～5040.75m；(e)細砂巖遞變?yōu)槟屹|(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)凝灰?guī)r，遞變層理，巖心上顯示2個正遞變旋回，4885.56～4885.67m；(f)細砂巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖條帶，顯示軟沉積物變細構造，5041.08～5041.16m；(g)含凝灰極細砂，塊狀層理，5043.64～5043.75m。圖5 金龍53井第3回次取心典型沉積現(xiàn)象Fig.5 Typical sedimentary phenomena of the third coring in Well Jinlong 53

在對金龍53井第3回次巖心進行厘米級精細描述基礎上，對巖心中發(fā)育的巖性和沉積構造特征做了定量的統(tǒng)計，結果顯示，該取心段共發(fā)育48個巖性段，平均厚度0.17m。

從巖性特征看，僅有一層見有零星的細小礫石外，該取心段粒度最粗的為細砂巖，主體發(fā)育粉砂巖和泥巖。在總厚8.08m的巖心中，發(fā)育凝灰?guī)r0.15m(1.85%)，泥巖0.08m(0.99%)，泥質(zhì)粉砂巖1.16m(14.36%)，粉砂巖3.63m(44.93%)，泥質(zhì)細砂巖0.12m(1.49%)，細砂巖2.56m(31.68%)，含礫細砂巖0.38m(4.70%)，說明該段巖心總體粒度較細。

對巖心中發(fā)育的沉積構造類型統(tǒng)計顯示，塊狀層理(1.78m)占巖心厚度22.03%，小型沙紋層理(0.76m)占9.40%，極低角度小型沙紋層理(1m)占12.38%，水平層理(2.28m)占28.22%，遞變層理(1.88m)占23.27%，交錯層理(0.38m)占4.70%，說明沉積水動力條件具有重力流特征，但總體水動力較弱。

通過對巖心的巖性、顏色、礦物成分、沉積構造類型、沉積構造序列的綜合精細分析，認為該取心段主要發(fā)育的異重流以及淺湖到半深湖細粒沉積(見圖6)，這一結論與前人認為風城組早期瑪湖凹陷南深北淺的古地理格局相一致[16, 19，20]。異重流是攜帶大量泥沙的河流進入湖泊(或海洋)后在河口地區(qū)形成的重力流沉積朵葉體，隨著水動力向湖泊方向逐漸減弱，異重流沉積物的粒度由河口向湖區(qū)不斷變細，逐漸融入正常的湖泊沉積之中。異重流沉積朵體近端為水下分流河道和河口壩外前緣，主要發(fā)育砂礫質(zhì)粗粒沉積；異重流朵體中部以砂質(zhì)沉積為主，廣泛發(fā)育交錯層理和侵蝕面，局部發(fā)育塊狀層理和遞變層理；異重流朵體前端以塊狀和變形層理為主，交錯層理規(guī)模減小角度變低，水平紋層明顯增加。該取心段的沉積構造組合符合異重流朵體前端的沉積特征，魚化石埋藏環(huán)境推測為半深湖到深湖區(qū)。

圖6 金龍53井第3回次取心巖心沉積相柱狀圖Fig.6 Sedimentary facies histogram of the third coring core in Well Jinlong 53

研究認為，瑪湖凹陷二疊系風城組發(fā)育堿湖沉積，風二段為強成堿階段，發(fā)育蒸發(fā)巖類及大量的堿性礦物，已報道的堿性礦物包括碳鈉鈣石、硅硼鈉石、天然堿、蘇打石、氯碳鈉鎂石、碳鈉鎂石、偶見石鹽、石膏、自生鈉長石和方沸石等[21-23]。堿湖環(huán)境微生物和藻類大量生長，導致水體缺氧可能是造成魚類死亡的重要原因。另一方面，瑪湖凹陷風二段沉積早期，氣候半干旱，陸源碎屑物供給較少，火山碎屑巖-沉火山碎屑巖巖相發(fā)育，以堿性-亞堿性火山巖為主，遠離物源區(qū)可見火山灰夾層，這一時期的瑪湖的古鹽度大于風城組三段和風城組一段[16, 24]。金龍53井巖心發(fā)育多層厚度不等的凝灰質(zhì)粉砂巖和凝灰?guī)r，水平薄層狀凝灰?guī)r可能是火山灰直接沉降的結果，粉砂巖和砂巖中的凝灰質(zhì)可能是河流通過異重流從陸上搬運到深水區(qū)沉積?；鹕侥覟槲⑸铩⒃孱惡屯λ参锾峁┝藸I養(yǎng)，但對魚類帶來了毒害，干旱的氣候導致蒸發(fā)作用增強，加劇了湖泊含鹽度的升高，造成了魚類的群體死亡。

3 魚化石的形成過程

3.1 現(xiàn)代魚類死亡與埋藏的啟示

造成魚類死亡的原因很多，有些屬于個體現(xiàn)象，有些是群體的原因。MCGREW研究認為始新世綠河組Fossil湖魚類死亡是由于藻類的大量繁殖耗盡水中的CO2造成的，魚類尸體解體程度與其暴露在湖底的時間呈正比，只有在水溫較低和一定壓力條件下，未經(jīng)埋葬的魚尸體才能停留在湖底形成完整化石[5]。BUCHHEIM認為始新世綠河組Gosiute湖水堿/鹽度突然變化導致魚類大量死亡，近湖濱和遠湖濱水生植物發(fā)育使得魚類尸體保存完好[3]。

現(xiàn)代湖濱常見魚類死亡現(xiàn)象。圖7為新疆艾里克湖南岸發(fā)現(xiàn)的死魚個體，死魚長約50cm,寬約15cm，查閱資料認為其是白鰱(見圖7(a))，發(fā)現(xiàn)時魚體平行于岸線，伴隨大量蘆葦莖稈，有些較早飄浮到岸邊的死魚已經(jīng)開始腐爛(見圖7(b))。死魚位于濱湖湖灘，沉積物為含礫砂質(zhì)沉積和砂質(zhì)細礫狀沉積物，礫石顆粒直徑最大達5cm左右，磨圓度高，呈圓到次圓狀，砂質(zhì)沉積物為中到粗砂，分選中等，沿岸發(fā)育小型沙壟(見圖7(c))和低角度平坦湖灘(見圖7(d))。此處沉積環(huán)境和沉積物與金龍3井魚化石相差甚遠。

注：(a)平行湖岸線死亡的白鰱；(b) 正在解體的死魚，伴隨大量蘆葦莖稈平行于岸線分布；(c) 湖灘地帶發(fā)育的小型浪成沙壟；(d)低角度平坦湖灘。圖7 艾里克湖南岸死魚形態(tài)及其沉積環(huán)境Fig.7 Morphology and sedimentary environment of dead fish on the South Bank of Alice Lake

水位急劇下降會導致魚類死亡。圖8顯示艾里克湖西南部湖汊一些小魚遺骸沿退水線分布, 魚體長度5～10cm，已經(jīng)干化但并未腐爛，魚體保存完好。部分死魚分布在干裂縫之上，個別跌落在裂縫之中(見圖8(a))，大多數(shù)散落在裂縫不發(fā)育的砂質(zhì)灘面上，魚體長軸平行于退水線呈帶狀散布(見圖8(b)、(c))。死魚位于艾里克湖的西南端，此處洪水期與廣湖相連，枯水期水位下降形成局部洼地直至干涸，造成魚類群體死亡，死亡后的小魚被水波推向洼地邊緣沿退水線分布。死魚洼地處于湖泊邊緣沼澤地帶，生長有蘆葦?shù)韧λ参?，由于水流循環(huán)不暢造成有機質(zhì)大量堆積，形成黑色軟泥(見圖8(d))和砂礫質(zhì)互層沉積，在泥質(zhì)較厚的洼地中心區(qū)形成干裂(見圖8(a)、(d))。此環(huán)境雖沉積黑色軟泥，但形成的沉積物粒度較粗，分選很差，與金龍53井魚化石的埋藏環(huán)境也不相同。

注:(a)死魚分布在干裂縫之上，個別跌落在裂縫之中；(b)死亡的魚體長軸平行于退水線呈帶狀散布；(c)死亡的魚體散落在裂縫不發(fā)育的砂質(zhì)灘面上；(d)黑色泥質(zhì)沉積物。圖8 艾里克湖干湖汊中的死魚沿著退水線呈帶狀分布Fig.8 Stripe distribution of the dead fish in the dry branch of Alice Lake along the recession line

3.2 魚化石形成過程

根據(jù)魚化石的完整程度、化石的產(chǎn)狀特點以及對圍巖的沉積相分析，結合前人礦物學和地球化學研究結果，認為魚類的死亡與火山爆發(fā)向湖水輸入大量凝灰物質(zhì)，造成湖水微生物和藻類繁盛，引起湖盆缺氧有關，造成魚類大量死亡。取心中發(fā)育較多的黃鐵礦(見圖4(k)～(l))，也證明當時的沉積環(huán)境為還原環(huán)境，因此深湖和半深湖區(qū)的還原環(huán)境為魚化石的完整保存提供了條件。

根據(jù)對魚化石的產(chǎn)狀及其圍巖的沉積環(huán)境分析，推測魚類死亡以后通過2種方式埋藏形成化石。井深5041.80～5042.50m地層的魚化石保存完好，其圍巖為粉砂質(zhì)紋層夾暗色泥質(zhì)條帶，無明顯層理，魚化石多產(chǎn)于粉砂巖頂面和泥巖底面之間，表明魚類死亡于粉砂巖沉積之后泥巖沉積之前，這類化石可能是魚類死亡后其尸體垂直落入半深湖到深湖區(qū)，后期逐漸被泥質(zhì)沉積掩埋形成。井深5042.50～5042.97m魚化石層數(shù)較多，但化石出露不全，完整性較差，化石有輕微穿越紋層現(xiàn)象，表明被埋藏時魚類遺骸與湖底沉積物并不平行，可能是被異重流搬運到半深湖或深湖區(qū)快速沉積埋藏的。

綜合以上分析，認為金龍53井魚化石的形成經(jīng)過了以下4個階段：

1)魚類生活階段。在正常的條件下，湖泊水體鹽度適中，氧氣供給合適，水體微生物種群數(shù)量適當，總體水化學條件和營養(yǎng)條件能滿足魚類生活需求，魚群按照一定的習性在不同深度的水域生活覓食，采食湖泊水體中各中養(yǎng)分(見圖9(a))。

注：(a)氣候濕潤，植被發(fā)育，水體鹽度適中，魚類在不同深度水域生活；(b)氣候半干旱-干旱，火山作用強烈，只發(fā)育小型植被，沉積物中含有大量的火山灰，湖泊水體局部增溫或湖泊水體缺氧，導致魚類死亡，垂直落入湖底；(c)氣候干旱，只發(fā)育小型植被，湖泊含鹽度高，造成魚類死亡，垂直落入湖底；(d)湖底為還原環(huán)境，魚類尸體一定程度保存完好，被細粒沉積物掩埋；(e)陣發(fā)性的濁流將魚類尸體埋藏；(f)氣候濕潤，植被發(fā)育，水體鹽度適中，魚類在不同深度水域生活。圖9 瑪湖凹陷金龍53井魚化石的形成過程Fig.9 Formation process of fish fossils from Well Jinlong 53 in Mahu Depression

2)死亡垂落階段?，敽枷荻B紀火山作用頻繁，火山噴發(fā)將熔巖和火山凝灰直接排放到湖泊中，可能導致湖泊水化學成分驟變，導致魚類中毒死亡(見圖9(b))，風城組二段沉積時期，氣候處于半干旱到干旱時期，湖泊含鹽度和嗜鹽細菌等微生物增加，造成魚類中毒死亡。魚類死亡后被異重流帶入深水區(qū)，或者垂直落入湖底(見圖9(c))。

3)埋藏保存階段。當湖底缺乏沉積物供給時，落入湖底的魚類遺骸長時間暴露的湖底表面，由于湖泊水體為還原環(huán)境條件，抑制了魚類尸體的腐爛和分解。同時，湖泊異重流有可能將魚類尸體卷入沉積物中掩埋(見圖9(d))。水質(zhì)和水動力周期性變化，導致魚類周期性死亡，造成在多個層位發(fā)現(xiàn)魚化石(見圖9(e))。

4)石化成巖階段。魚類遺骸被埋藏后進入石化成巖階段，目前對這一過程研究較少，俆雅玲認為魚體死亡后堆積在缺氧的海底，微細菌迅速在體表面織成一層薄的生物膜，魚體腐爛產(chǎn)生的CO2氣體和海水中的硫酸鹽還原形成碳酸鈣沉淀，產(chǎn)生的H2S氣體與離子結合形成黃鐵礦(見圖9(f))，即魚化石結核[11]。

4 結論

1)金龍53井風城組二段發(fā)現(xiàn)多層魚化石。根據(jù)巖心中發(fā)現(xiàn)的魚化石的完整程度、魚化石的產(chǎn)狀特點，推測魚化石的埋藏有2種埋藏方式:一種為魚類尸體是由水流搬運到半深湖或深湖區(qū)快速埋藏，另一種為魚類尸體落入深水區(qū)被逐漸埋藏。

2)通過對巖心的巖性、顏色、礦物成分、沉積構造類型、沉積構造序列進行厘米級精細描述，認為該取心段主要發(fā)育異重流以及淺湖到半深湖細粒沉積，魚化石埋藏區(qū)為半深湖到深湖環(huán)境。

3)火山噴發(fā)和蒸發(fā)作用造成堿湖水化學性質(zhì)驟變和缺氧可能是魚類群體死亡的重要原因。金龍53井魚化石的形成經(jīng)歷了魚類生活階段、死亡垂落階段、埋藏保存階段和石化成巖階段等4個階段，最后形成化石。