準(zhǔn)南四棵樹(shù)凹陷沉積古環(huán)境與物源研究
——來(lái)自侏羅系—下白堊統(tǒng)元素地球化學(xué)的指示

朱明，施輝，袁波，馮興強(qiáng)，吳林，唐雪穎，張浩，龐志超

1.新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

3.新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院地球物理研究所，烏魯木齊 830013

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地西南緣四棵樹(shù)凹陷高泉背斜高探1井獲得油氣勘探重大突破，預(yù)示該凹陷油氣資源量極為可觀。該凹陷的油氣勘探歷程起步于1937年發(fā)現(xiàn)的獨(dú)山子新近系油田，自2000 年發(fā)現(xiàn)卡因迪克古近系和侏羅系油藏后，油氣勘探一直未取得實(shí)質(zhì)性突破，陷入低谷階段；2008 年，勘探部署重點(diǎn)自新生界轉(zhuǎn)向下組合（白堊系區(qū)域性蓋層以下），相繼鉆探了西湖1井（2010年）、獨(dú)山1井（2012年）等重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井，均見(jiàn)到良好油氣顯示；2019年在高泉構(gòu)造高點(diǎn)部署的高探1井于白堊系清水河組（K1q）獲日產(chǎn)千噸的高產(chǎn)試油結(jié)果，標(biāo)志油氣勘探進(jìn)入一個(gè)全新的階段[1-3]。

迄今，四棵樹(shù)凹陷下部油氣成藏組合的研究程度還較低，很多基礎(chǔ)地質(zhì)問(wèn)題亟待解決。侏羅紀(jì)—早白堊世沉積古環(huán)境演化是當(dāng)前倍受關(guān)注的問(wèn)題之一，古環(huán)境演化的認(rèn)識(shí)程度直接影響了對(duì)層序、沉積和儲(chǔ)層演化的理解，決定了該地區(qū)未來(lái)油氣勘探方向與滾動(dòng)部署思路。前人已經(jīng)從研究區(qū)及周邊侏羅系—白堊系地層巖性[4-6]、古生物組合[7-8]、元素地球化學(xué)[9]等方面開(kāi)展過(guò)氣候、氧化—還原條件（Eh）、物源等沉積古環(huán)境的恢復(fù)工作，但由于測(cè)試樣品數(shù)量有限（連續(xù)性較差）、室內(nèi)測(cè)試分析周期長(zhǎng)和非定量化判斷等原因，還未在沉積古環(huán)境特征及演化上形成全面、明確和統(tǒng)一的結(jié)論。如早白堊世氣候“干冷”[9]和“濕熱”[4]的分歧、中侏羅世的“溫濕”古氣候判斷結(jié)果[9]與全球侏羅紀(jì)海水古溫度變化趨勢(shì)[10]存在差異、侏羅紀(jì)短周期氣候變化、古氣候和古構(gòu)造對(duì)氧化—還原條件的影響程度等，這些問(wèn)題仍然懸而未決。

利用沉積巖或沉積物所含元素及同位素遷移、聚集與分布規(guī)律來(lái)判定和恢復(fù)沉積環(huán)境是沉積學(xué)定量研究的重要手段[11]。近年來(lái)，便攜式（手持式）X射線熒光光譜儀（XRF）被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、礦產(chǎn)、油氣等地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域；相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室元素或礦物的測(cè)試，該儀器具備快速、無(wú)損、高分辨率、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[12]，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者憑借便攜式XRF儀器快速地獲得大量巖石樣品的元素地球化學(xué)信息，據(jù)此分析巖石礦物組成并恢復(fù)古沉積環(huán)境，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果[12-16]。

本文針對(duì)四棵樹(shù)凹陷油氣勘探所面臨的關(guān)鍵基礎(chǔ)地質(zhì)問(wèn)題，利用便攜式XRF 儀重點(diǎn)測(cè)試了北天山山前塞力克提溝和扎伊爾山山前吐孜阿克內(nèi)溝（又名圖孜阿克內(nèi)溝或吐孜溝）兩條野外剖面侏羅系—下白堊統(tǒng)細(xì)粒沉積及細(xì)粒夾層的元素豐度，結(jié)合關(guān)鍵鉆孔巖心的重礦物資料，重建了侏羅紀(jì)—早白堊世的沉積古環(huán)境，包括古氣候、古鹽度、古氧化—還原條件（Eh）和古物源演化歷史，厘清了四者之間的關(guān)系，為該地區(qū)相關(guān)層段的層序地層及沉積體系劃分和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供了必要的科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

四棵樹(shù)凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣西端，隸屬于北天山山前沖斷帶，是盆地西北緣與南緣構(gòu)造體系的交會(huì)區(qū)（圖1a）。凹陷整體呈NWW—SEE走向，北部緊鄰車(chē)排子凸起緩坡區(qū)，東部為霍瑪吐背斜帶，南部與北天山體系依林黑比爾根山相接，勘探面積約為6 300 km2（圖1b）。

區(qū)域構(gòu)造背景資料表明[17-21]，晚石炭世（約310～300 Ma）古準(zhǔn)噶爾地體周緣洋盆完成閉合，碰撞造山活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)生洋—陸構(gòu)造格局轉(zhuǎn)換，四棵樹(shù)凹陷地區(qū)位于西準(zhǔn)噶爾殘留洋殼最南端；自晚石炭世起，四棵樹(shù)凹陷分別經(jīng)歷了匯聚型陸緣殘留海盆地（～C2）、陸內(nèi)斷陷盆地（P～T）、陸內(nèi)坳陷盆地（J～K）和再生前陸盆地（E～Q）共4個(gè)構(gòu)造演化階段。陸內(nèi)斷陷階段，凹陷南部古天山進(jìn)入后碰撞演化階段，在伸展環(huán)境下形成一系列裂谷盆地，充填火山巖、火山碎屑巖等裂谷型層序；凹陷北部的西準(zhǔn)噶爾弧發(fā)生一系列火山活動(dòng)和隆升作用，形成扎伊爾山及其前鋒車(chē)排子凸起，凹陷的盆山格局基本形成。陸內(nèi)坳陷階段是斷陷期隆坳格局的繼承性發(fā)展，古天山夷平作用明顯，古天山山前各裂谷盆地被“填平補(bǔ)齊”，至白堊紀(jì)整個(gè)準(zhǔn)噶爾盆地連接為統(tǒng)一湖盆，凹陷沉積中心發(fā)生北東向遷移。再生前陸盆地階段發(fā)育新生代逆沖構(gòu)造，山前帶發(fā)育疊瓦狀斷層和褶皺。

研究區(qū)中生界受盆地西北緣右旋壓扭體系的影響，主要發(fā)育NW—SE 走向的艾卡、高泉和南緣3 條走滑斷裂，形成艾卡和高泉兩條雁列式背斜構(gòu)造帶（圖1b）。艾卡構(gòu)造帶自西向東依次發(fā)育卡西、卡因迪克、卡東、西湖和獨(dú)山子背斜，而高泉構(gòu)造帶自西向東分別發(fā)育高泉北背斜、高泉背斜、高泉東斷鼻、烏木克斷鼻、托斯臺(tái)斷鼻和地表背斜群[2]。

準(zhǔn)南緣油氣勘探層系根據(jù)白堊系吐谷魯群泥巖層、古近系安集海河組及塔西河組（膏）泥巖層這兩套區(qū)域性蓋層可劃分為上、中、下共三個(gè)油氣成藏組合（圖1c）。本次研究的目的層段為下部成藏組合，包括下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）及三工河組（J1s）、中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）及頭屯河組（J2t）、上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q）及喀拉扎組（J3k）和下白堊統(tǒng)清水河組（K1q）。

2 樣品與方法

本次研究中沉積古環(huán)境分析巖石樣品來(lái)自于凹陷最南端及北天山山前的塞力克提溝（起點(diǎn)為84.469 560°E，44.129 836°N；終點(diǎn)為84.449 115°E，44.163 612°N）和凹陷北端西部隆起帶扎伊爾山前的吐孜阿克內(nèi)溝（84.776 173°E，45.651 728°N；終點(diǎn)為84.837 627° E，45.532 327° N）這兩條出露中生界較為完整的野外剖面（位置見(jiàn)圖1b），共計(jì)樣品405塊。采樣時(shí)所有樣品均取自新鮮露頭的細(xì)粒沉積（包括泥巖、頁(yè)巖、粉—細(xì)砂質(zhì)泥頁(yè)巖或泥質(zhì)粉—細(xì)砂巖）或砂巖及礫巖層內(nèi)細(xì)粒沉積夾層，盡可能避免風(fēng)化作用及粗粒物質(zhì)過(guò)多的影響。挑選的巖石樣品首先經(jīng)過(guò)24 h 的干燥處理后，研磨成200 目粒級(jí)并稱(chēng)重50 g 粉末放入XRF 樣品杯（型號(hào)Premier SC-4331，內(nèi)徑26 mm），采用島津公司生產(chǎn)的邁拉膜（型號(hào)202-86501-56，直徑70 mm）封口樣品杯。

X 射線熒光光譜儀利用X 射線硅漂移SDD 檢測(cè)器探測(cè)試樣中被測(cè)元素所發(fā)出各種能量的特征X射線，根據(jù)檢測(cè)器輸出信號(hào)的能量大小和強(qiáng)度定性和定量分析被測(cè)樣品的元素[22]。本次研究采用了Thermo Scientific 公司研發(fā)的手持X射線礦石元素分析儀，型號(hào)為Niton Xl3t-950；該儀器采用Ag 靶材，最大激發(fā)電壓為50 kV，最大功率2 W，探測(cè)范圍25 mm2，可測(cè)試Mg 至U 等在內(nèi)的40 余種主微量元素。其中，土壤模式主要測(cè)試豐度小于1%的元素，顯示單位為μg/g，測(cè)試時(shí)間約為70～90 s，而礦石模式則主要測(cè)試豐度大于1%的元素，顯示單位為%，測(cè)試時(shí)間一般大于120 s。

重礦物分離及鑒定的25塊巖石樣品來(lái)源于鉆井Ai-2井和Che-10井的巖心（位置見(jiàn)圖1c）。該批樣品首先進(jìn)行粒度篩析，分離出0.063～0.05 mm的混合粒級(jí)，經(jīng)洗油、酸泡、沖洗、烘樣等處理程序后分離出重礦物，利用偏光顯微鏡（型號(hào)為蔡司Axio Scope A1）鑒定巖石重礦物類(lèi)型及含量，鑒定方法參照國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 6336—1997 沉積巖重礦物分離與鑒定方法》。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造分區(qū)（a）、四棵樹(shù)凹陷構(gòu)造綱要圖（b）和侏羅系—新近系巖性及生儲(chǔ)蓋組合（c）Fig.1 Tectonic division map (a) of the Junggar Basin, tectonic outline map (b) of the Sikeshu Sag and Jurassic-Neogene lithology and source-reservoir-seal systems (c)

3 結(jié)果

3.1 野外露頭巖性特征及變化

3.1.1 塞力克提溝剖面

塞力克提溝位于托斯臺(tái)斷鼻構(gòu)造帶西南部（圖1b）。下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）總厚度約為46 m，底部為一套灰黃—灰白色砂礫巖（圖2a），發(fā)育大型楔狀或板狀交錯(cuò)層，層理面含植物碎片，巖性向上遞變?yōu)楹[粗砂巖、中—細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，組成一個(gè)較為完整的河道“二元結(jié)構(gòu)”。巖性整體上表現(xiàn)為向上變細(xì)的“正旋回”，由多期河道疊置而成（圖3）。

圖2 北天山山前塞力克提溝剖面野外照片F(xiàn)ig.2 Photos of the Sailiketigou outcrop in front of the North Tianshan Mountain

三工河組（J1s）與J1b呈整合接觸，總厚度約為71 m，整體表現(xiàn)為一套向上變細(xì)復(fù)變粗的巖性序列（圖3）。底部發(fā)育分選和磨圓均較差、雜基含量較高的灰綠色中—細(xì)礫巖，具塊狀層理、遞變層理，可見(jiàn)砂球構(gòu)造，植物碎屑相對(duì)不發(fā)育；砂礫巖層之上是灰白—深灰色中—細(xì)砂巖層，見(jiàn)中—小型楔狀交錯(cuò)層理和波狀層理，含鐵質(zhì)條帶及結(jié)核。中部是深灰色—灰色中—厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖夾薄層狀粉—細(xì)砂巖，水平層理發(fā)育（圖2b）；頂部沉積物粒度逐漸變粗，巖性為薄—中層狀細(xì)—中砂巖，見(jiàn)波狀層理和斜層理，分選、磨圓均較好，雜基含量低（圖2c）。

中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）厚約79 m，主要發(fā)育一套中—厚層狀灰黃色—灰色細(xì)礫巖、含礫中—粗砂巖夾灰黑色泥巖及煤層的巖性組合（圖2d）。頭屯河組（J2t）厚達(dá)84 m，巖性分為上、下兩段，下段為灰黃色和灰褐色砂巖的間互層，夾灰黑色泥巖或劣質(zhì)薄煤層，上巖性段顏色整體偏灰褐色（圖2e），粒度變粗。

下白堊統(tǒng)清水河組（K1q）厚約50 m（未見(jiàn)頂），與下伏J2t地層呈角度不整合接觸，底部發(fā)育一套肉紅色底礫巖（圖2f），向上遞變?yōu)槿饧t色中—細(xì)砂巖和紅色泥頁(yè)夾層，見(jiàn)平行層理和小型楔狀交錯(cuò)層理，呈現(xiàn)較為明顯的正旋回序列（圖3）。

3.1.2 吐孜阿克內(nèi)溝剖面

吐孜阿克內(nèi)溝位于盆地西北緣克拉瑪依市西北方向約8 km處（圖1b）。該露頭J1b總厚度約為47 m，整體表現(xiàn)出“正旋回”演化巖性組合序列。底部的灰白—灰黃色底礫巖夾含礫粗砂巖，見(jiàn)大型槽狀交錯(cuò)層理和植物根莖化石（圖4a）。中部發(fā)育多套河道沉積，單期河道底部滯留沉積以細(xì)礫巖和含礫粗砂巖為主，削蝕面較明顯，向上遞變?yōu)楹蹱罱诲e(cuò)、楔狀/板狀交錯(cuò)層理的中—粗砂巖，河道頂部為灰色—深灰色細(xì)—粉砂巖夾薄煤層（圖4b、圖5）。

圖3 塞力克提溝剖面J～K1q 元素地球化學(xué)剖面圖Fig.3 Element geochemical section of the J-K1q, Sailiketigou outcrop

該露頭J1s厚約為39 m，主體雖然為一套灰綠、灰黃色泥質(zhì)粉—細(xì)砂巖和深灰色泥巖的巖性（圖4c），但整體表現(xiàn)為向上變細(xì)復(fù)變粗的巖性變化序列（圖5）。J2x厚度約36 m，底部為一套灰綠—灰白色砂礫巖，向上遞變至灰色砂巖和灰黃色細(xì)—粉砂巖，平行層理發(fā)育；中部為灰—黃色礫巖、砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖組合，也呈現(xiàn)典型“二元結(jié)構(gòu)”的特征；頂部發(fā)育灰白—灰黃色中—粗砂巖與劣質(zhì)薄煤層，楔狀交錯(cuò)層和平行層理發(fā)育（圖4d、圖5）。

J2t總厚度約20 m，底部發(fā)育一套褐色礫巖與J2x相區(qū)別，主體為褐色、灰綠色、灰黃色、紫色等雜色砂巖和泥巖互層（圖4e、圖5）。上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q）厚約19 m，表現(xiàn)為灰色礫巖沖刷下伏J2t，向上遞變至大型槽狀交錯(cuò)層理的粗砂巖、板狀交錯(cuò)層理的中砂巖、平行層理的中—細(xì)砂巖和水平層理的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖（圖5）。

K1q厚約31 m（未見(jiàn)頂），與下伏J3q呈角度不整合接觸，除底部發(fā)育灰黃色礫巖層外，主體為厚層狀灰綠色中—細(xì)砂巖夾灰紅色粉砂質(zhì)泥巖的巖性組合，發(fā)育板/楔狀交錯(cuò)層理和平行層理，砂巖內(nèi)可見(jiàn)豐富的鐵質(zhì)結(jié)核（圖4f、圖5）。

圖4 扎伊爾山前吐孜阿克內(nèi)溝剖面野外照片F(xiàn)ig.4 Photos of the Tuziakeneigou outcrop in front of the Zaire Mountain

3.2 元素地球化學(xué)

3.2.1 沉積古環(huán)境元素指標(biāo)

本文研究所涉及的古環(huán)境信息主要包括古氣候、古鹽度、古水體氧化還原狀態(tài)和古物源等。根據(jù)前人在沉積古環(huán)境元素地球化學(xué)的研究認(rèn)識(shí)[23]，一些元素含量或元素含量比值的變化能夠靈敏地反映沉積物的原生古環(huán)境變化。

古氣候方面，P、K、Fe、Zn、Ti、Al、Sr、Nb、Ta、Th等元素含量以及Sr/Cu、Sr/Ba、Sr/Ca、Fe/Mn 等元素含量比值均是反映氣候效應(yīng)的典型指標(biāo)[24-25]。炎熱和干燥氣候的蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，水體鹽度急劇增高，水介質(zhì)堿性增強(qiáng)；一方面，高鹽度引起大量低等生物的死亡，而P 元素又是生命物質(zhì)的重要組成元素，因此沉積物中P 元素相對(duì)富集；另一方面，堿性增強(qiáng)導(dǎo)致Na、Ca、Mg、Cu、Sr、Mn 等元素大量析出沉積在水底。潮濕氣候條件下，沉積物中Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn、Co等元素含量相對(duì)增大。Sr/Cu、Sr/Ca、Sr/Ba 等元素含量比值越高，Al/Mg、Fe/Mn 等元素含量比值越低，指示古氣候偏干熱，反之則指示溫濕氣候[24-25]。

據(jù)研究[26-28]，沉積物中B、Sr、Ba、Ga、V等元素的豐度與古鹽度有關(guān)。一般而言，淡水環(huán)境下B元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)多小于60 μg/g、V 元素豐度為110～113 μg/g，海相環(huán)境下B質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布于80～125 μg/g之間，V元素豐度小于86 μg/g。由于BaSO4在水中的溶解度相對(duì)小于SrSO4的溶解度，Sr元素的遷移能力大于Ba元素，Sr/Ba 比值可以間接地恢復(fù)沉積水體古鹽度；淡水沉積物中Sr/Ba值小于1，海相沉積物中Sr/Ba值大于1，0.6～1之間的Sr/Ba值通常指示半咸水環(huán)境。

圖5 吐孜阿克內(nèi)溝剖面J～K1q 元素地球化學(xué)剖面圖Fig.5 Element geochemical section of J-K1q, Tuziakeneigou outcrop

直接或間接反映沉積物氧化還原條件的元素較多[29-31]。Cr、U、V 等高價(jià)態(tài)離子在缺氧脫硝酸環(huán)境下被還原并富集，而Ni、Cu、Co、Zn、Cd 和Mo 則主要富集于硫酸鹽還原的環(huán)境。P 元素的沉淀與古生產(chǎn)力和缺氧環(huán)境有關(guān)，Mn元素在黏土和碳酸鹽礦物中較富集，指示亞氧化還境的存在。亞氧化、缺氧（還原）條件下，V/Cr、Ni/Co、U/Th、V/（V+Ni）元素比值分別大于4.25、7.0、1.25 和0.84，而小于2.5、3.5.0.75 和0.84反映氧化環(huán)境。

陸源碎屑母巖中一些化學(xué)元素在風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)等外生過(guò)程中并不會(huì)發(fā)生分餾或者只發(fā)生微小的分餾，可以作為沉積源巖的判定參數(shù)，這些元素中最重要的是稀有、高場(chǎng)強(qiáng)和過(guò)渡金屬元素等[32]。另外，Cl、Ti、Zr等元素也能反映沉積物母源的部分性質(zhì)[33]。高Cl 元素含量一般指示火山巖物質(zhì)來(lái)源或蒸發(fā)環(huán)境，玻璃質(zhì)火山灰（如凝灰?guī)r）是富Cl 沉積物的重要母巖之一[34]；Ti元素在沉積物中的豐度與細(xì)粒沉積和黏土礦物有關(guān)，廣泛存在于金紅石、鈦鐵礦等重礦物中；Zr元素與沉積物中鋯石豐度有關(guān)，而鋯石一般較常見(jiàn)于酸性巖漿巖之中。

3.2.2 元素指標(biāo)結(jié)果

（1）塞力克提溝剖面

北天山山前塞力克提溝J1b～K1q巖石樣品Ca、Sr元素含量和Fe/Mn比值變化曲線大致可劃分成3段：下侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)K1q段（圖3）。Ca、Sr元素含量的變化基本保持一致，下侏羅統(tǒng)Ca、Sr元素含量在中—低值范圍內(nèi)變化，中侏羅統(tǒng)整體為低值（J2x底局部樣品處于中值范圍），下白堊統(tǒng)K1q巖石樣品在較高值內(nèi)變化。Fe/Mn 比值的變化趨勢(shì)大致與Ca、Sr元素含量變化趨勢(shì)相反（表1）。

Sr/Ba、Ca/（Ca+Fe）比值變化趨勢(shì)相一致，與V 元素含量變化趨勢(shì)相反，同樣反映出3 段式變化：下侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)K1q段（圖3）。下侏羅統(tǒng)Sr/Ba 和Ca/（Ca+Fe）比值在低—中值段內(nèi)變化，中侏羅統(tǒng)主要為低值（J2x底局部樣品處于中值范圍），而K1q段整體為高值范圍（表1）。

P、Zn 和Mn 元素含量的變化趨勢(shì)與以上元素存在較大差異，J1b至J1s中部元素含量逐漸增大，而J1s中部至K1q元素含量逐漸減小，呈“兩段式”變化（圖3）。Cl、Zr元素均反映出區(qū)別于P、Zn和Mn元素相區(qū)別的“兩段式”變化（圖3），即K1q巖石樣品Cl和Zr元素含量明顯高于侏羅系，Ti元素含量變化趨勢(shì)與Cl、Zr元素變化恰好相反（表1）。

（2）吐孜阿克內(nèi)溝剖面

扎伊爾山前吐孜阿克內(nèi)溝J～K1q巖石樣品Sr、K元素含量和Fe/Mn比值變化曲線也可劃分為3段：下侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)K1q段（圖5）。下侏羅統(tǒng)Sr、K 元素含量在中值范圍內(nèi)變化，中侏羅統(tǒng)整體為低值（J2x底局部樣品處于中值范圍），下白堊統(tǒng)K1q段表現(xiàn)出高值特征（表1、圖5）。Fe/Mn 比值變化趨勢(shì)與之正好相反（圖5）。

Sr/Ba、Ca/（Ca+Fe）比值變化趨勢(shì)相一致，下白堊統(tǒng)K1q段的比值明顯高于侏羅系，而中侏羅統(tǒng)的數(shù)值相對(duì)略低于下侏羅統(tǒng)。V 元素含量曲線的變化趨勢(shì)與之相反（圖5）。

P、Mn 和Co 元素含量曲線顯示：J1b至J1s中部元素含量逐漸增大，而J1s中部至K1q元素含量逐漸減小。Cl、Ti、Zr 元素含量的變化并未表現(xiàn)出塞力克提溝下白堊統(tǒng)K1q段明顯區(qū)別于侏羅系的顯著特征（圖5）。

3.3 重礦物

根據(jù)凹陷內(nèi)Ai-2 井的22 塊重礦物測(cè)試結(jié)果（表2、圖6a），下侏羅統(tǒng)重礦物組分主要為鈦鐵礦和白鈦石，其次為褐鐵礦、鋯石、電氣石、尖晶石等，中—上侏羅統(tǒng)重礦物中鋯石所占比重顯著增加，K1q的重礦物中除較為常見(jiàn)的鈦鐵礦外，鋯石和綠簾石的含量相對(duì)高于侏羅系。一般而言，白鈦石、鈦鐵礦等較常出現(xiàn)在鐵鎂質(zhì)巖漿巖和片麻巖、云母片巖、角閃巖等一些變質(zhì)巖中，綠簾石和尖晶石在變質(zhì)巖中分布很廣，鋯石在中—酸性巖漿巖中較富集[35]；結(jié)合前人對(duì)北天山和扎伊爾山物源體系的研究成果[36]，Ai-2井下侏羅統(tǒng)、中—上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)K1q重礦物組合分別反映出基—中性巖漿巖、中—基性巖漿巖和中—基性巖漿巖混合少量變質(zhì)巖的陸源碎屑源區(qū)母巖類(lèi)型。

凹陷北部Che-10 井28 塊巖石樣品重礦物數(shù)據(jù)顯示（表3、圖6b）：下侏羅統(tǒng)重礦物組合以白鈦石、鈦鐵礦和鋯石為主，褐鐵礦和尖晶石為輔，符合基—中性巖漿巖類(lèi)型的母巖來(lái)源。中—上侏羅統(tǒng)重礦物中鋯石的含量相對(duì)升高，鋯石、白鈦石、鈦鐵礦、褐鐵礦重礦物組分居多，石榴石、電氣石、磁鐵礦居次，屬于中—基性巖漿巖母巖類(lèi)型。下白堊統(tǒng)K1q的重礦物中白鈦石含量減小，尖晶石、綠簾石的含量相對(duì)增大，反映變質(zhì)巖混合中—基性巖漿巖的母巖特征。

Che-10 井目的層段巖心重礦物數(shù)據(jù)顯示其與Ai-2 井相應(yīng)層段重礦物組成結(jié)構(gòu)存在較大差異，Che-10 井侏羅系—下白堊統(tǒng)K1q的含鈦礦物以白鈦石為主，與Ai-2 井巖心樣品含鈦重礦物為鈦鐵礦的特征相區(qū)別。

4 討論

4.1 沉積環(huán)境

4.1.1 古氣候

根據(jù)塞力克提溝（圖3）和吐孜阿克內(nèi)溝（圖5）兩條J～K1q剖面的XFR測(cè)試結(jié)果，凹陷及周邊在早侏羅世為相對(duì)溫暖—潮濕的古氣候，中—晚侏羅世平均溫度相對(duì)下降但濕度小幅升高，早白堊世古氣候偏干旱，溫度顯著上升，表現(xiàn)出“三段式”變化趨勢(shì)。侏羅紀(jì)氣候整體偏潮濕，但存在季節(jié)性潮濕—干旱的短暫氣候變換，如J1b晚期、J1s中期和J2x早期均出現(xiàn)過(guò)短周期的溫度上升和濕度下降。

本文對(duì)四棵樹(shù)凹陷J～K1q古氣候演化的認(rèn)識(shí)與全球侏羅紀(jì)氧（δ18O）同位素對(duì)比反映氣候變化的結(jié)果基本相一致。據(jù)前人研究結(jié)果[37]，準(zhǔn)噶爾盆地自二疊紀(jì)至侏羅紀(jì)位于地球北緯約60°的相對(duì)高緯度位置，富煤層和闊葉植物群落說(shuō)明該段時(shí)間總體為溫暖且潮濕的古氣候。全球侏羅系海洋沉積物同位素（δ18O）[10]和大氣CO2濃度紀(jì)錄[38]均表明侏羅紀(jì)是地質(zhì)歷史上典型的“溫室”時(shí)期之一，缺乏大規(guī)模冰川痕跡，平均溫度比現(xiàn)今高5 ℃～10 ℃，海水溫度高于現(xiàn)今約8 ℃；侏羅紀(jì)時(shí)期氣候也發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的起伏波動(dòng)，如中侏羅世平均氣溫相對(duì)于早侏羅世氣溫有所下降，晚侏羅世的平均氣溫隨CO2濃度的增大而上升，以及季節(jié)性氣候轉(zhuǎn)換、短暫的海水溫度上升及區(qū)域性小冰室期等現(xiàn)象[39-40]。通過(guò)元素地球化學(xué)恢復(fù)的四棵樹(shù)凹陷J～K1q古氣候演化特征與全球古溫度模型具有高度的重合性，說(shuō)明凹陷目的層段沉積物元素能夠相對(duì)精確地反映古氣候的變化。

表1 塞力克提溝與吐孜阿克內(nèi)溝剖面J～qK1q沉積古環(huán)境元素指標(biāo)值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Element indicators for the J～K1q sedimentary paleoenvironment of the Sailiketigou and Tuziakeneigou sections

表2 四棵樹(shù)凹陷Ai-2井J～K1q重礦物組合及母巖特征Table 2 The heavy mineral assemblages and source rocks of J-K1q, well Ai-2

圖6 四棵樹(shù)凹陷Ai-2 井（a）和Che-10 井（b）J～K1q 重礦物組合Fig.6 The heavy mineral content charts of the J-K1q samples from wells Ai-2 (a) and Che-10 (b)

表3 四棵樹(shù)凹陷Che-10井J～K1q重礦物組合及母巖特征Table 3 The heavy mineral assemblages and source rocks of J-K1q, well Che-10

4.1.2 古鹽度

塞力克提溝（圖3）和吐孜阿克內(nèi)溝（圖5）J～K1q剖面反映古鹽度的Sr/Ba 比值均小于1，絕大部分?jǐn)?shù)值小于0.6，說(shuō)明四棵樹(shù)凹陷在J～K1q沉積時(shí)古水體一直為淡水環(huán)境；配合V 元素和Ca/（Ca+Fe）比值綜合判斷四棵樹(shù)凹陷沉積古水體的鹽度在J1b早期、J1s中期和J2x早期出現(xiàn)了短暫、小幅的升高，在早白堊世達(dá)到最大化，總體呈現(xiàn)出“侏羅紀(jì)淡水環(huán)境、早白堊世輕微咸化”的“兩段式”變化趨勢(shì)特征。

與古氣候變化的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)J～K1q沉積古水體鹽度與古氣候基本保持同步變化，說(shuō)明古氣候?qū)λw古鹽度的影響作用較為顯著。K1q的古氣候偏干熱，溫度相對(duì)高于侏羅紀(jì)，其沉積古水體的鹽度在蒸發(fā)量上升和降雨量下降的雙重作用影響下而增大；另外，中—晚侏羅世的古氣候相對(duì)潮濕，沉積古水體的鹽度相對(duì)較低。

4.1.3 古氧化—還原條件（Eh）

兩個(gè)剖面反映古Eh 的元素指標(biāo)數(shù)據(jù)顯示（圖3,5），研究區(qū)J1s沉積古水體還原性總體強(qiáng)于其他時(shí)期，J3q的沉積水體氧化條件相對(duì)最強(qiáng)，其他層段氧化—還原條件處于兩者之間。這說(shuō)明J1s時(shí)期四棵樹(shù)凹陷沉積水體相對(duì)較深，該組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段（處于J1s中部）應(yīng)該對(duì)應(yīng)了侏羅系層序地層的最大湖泛面。

4.2 沉積物源

四棵樹(shù)凹陷在侏羅紀(jì)時(shí)期一直存在南部北天山和北部扎伊爾山兩個(gè)主要潛在碎屑物質(zhì)供給區(qū)[36]。據(jù)研究[5,41]，中—新生代期間天山造山帶的隆升具有“多期次、南早北晚、西早東晚”的特征，與研究區(qū)毗鄰的北天山西段主要受晚印支運(yùn)動(dòng)的影響，隆升于220～180 Ma（T3～J1）。西準(zhǔn)噶爾扎伊爾山體系在侏羅紀(jì)的隆升活動(dòng)相對(duì)較平靜，早白堊世（145～120 Ma）時(shí)期受到羌塘—拉薩板塊碰撞的影響而發(fā)生快速隆升活動(dòng)與夷平作用[18]。

4.2.1 北天山物源區(qū)

北天山山前塞力克提溝剖面Cl與Zr元素自下侏羅統(tǒng)至下白堊統(tǒng)K1q 具有逐漸增大的變化趨勢(shì)，K1q的Cl 與Zr 元素含量顯著高于侏羅系（表1、圖3）。Ti元素含量與Cl與Zr元素的變化趨勢(shì)相反，K1q的Ti元素豐度整體低于侏羅系。

碎屑巖沉積物Cl 元素的富集通常與蒸發(fā)環(huán)境（蒸發(fā)巖）或火山巖（如凝灰?guī)r）母巖有關(guān)[34]，雖然研究區(qū)在K1q沉積期間溫度有所上升，但吐孜阿克內(nèi)溝剖面K1q沉積物中Cl 元素含量并未出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象（圖5），說(shuō)明塞力克提溝剖面K1q的Cl含量升高與蒸發(fā)環(huán)境無(wú)關(guān)，而是凝灰?guī)r母巖組分的增加所致。塞力克提溝剖面Zr元素含量的變化與鋯石組分具有一定聯(lián)系。凹陷內(nèi)Ai-2井下侏羅統(tǒng)重礦物組分中鋯石含量相對(duì)較低，自中侏羅統(tǒng)開(kāi)始鋯石組分逐漸增大，平均值在下白堊統(tǒng)K1q達(dá)到最高值（表1、圖6a），該變化趨勢(shì)與塞力克提溝剖面Zr元素變化特征基本一致，說(shuō)明Zr 元素的富集與鋯石組分密切相關(guān)。與此同時(shí)也說(shuō)明北天山山前塞力克提溝與Ai-2井附近區(qū)域在J～K1q期間主要受北天山物源區(qū)的影響。

塞力克提溝剖面J1b～K1q沉積物中Ti元素含量變化與鈦鐵礦、白鈦石等含鈦重礦物組分相關(guān)。侏羅系的Ti 元素明顯比下白堊統(tǒng)K1q更富集，同時(shí)，下侏羅統(tǒng)沉積物中Ti 元素含量略高于中—上侏羅統(tǒng)（圖3），這與Ai-2 井巖心樣品重礦物測(cè)試數(shù)據(jù)所反映的含鈦礦物豐度變化高度吻合（圖6a），說(shuō)明北天山物源區(qū)自早侏羅世以后向凹陷供給陸源碎屑物質(zhì)的母巖中基性巖漿巖的組分逐漸減少。

4.2.2 扎伊爾山物源區(qū)

扎伊爾山山前吐孜阿克內(nèi)溝J1b～K1q指示古物源的元素指標(biāo)（Cl、Ti 和Zr）并無(wú)明顯變化（圖5），但相對(duì)毗鄰扎伊爾山的Che-10井巖心樣品中含鈦重礦物類(lèi)型（白鈦石為主）與北天山主供源體系（Ai-2井，鈦鐵礦為主）相差較大；此外，Che-10 井自J1b至K1q鈦鐵礦及鋯石含量逐漸減小，說(shuō)明北天山物源區(qū)對(duì)Che-10 井附近區(qū)域的影響減弱，扎伊爾山物源區(qū)的影響則變強(qiáng)，這與扎伊爾山的隆升時(shí)序相匹配。

K1q沉積時(shí)期，凹陷內(nèi)Ai-2 井（表2）和凹陷邊緣北部Che-10井（表3）沉積物中均匯入綠簾石、尖晶石等反映變質(zhì)巖類(lèi)型母巖來(lái)源的重礦物，但Che-10 井的變質(zhì)巖母巖匯入程度更高，反映研究區(qū)在J/K之交發(fā)生的大規(guī)模物源轉(zhuǎn)換極有可能來(lái)自于扎伊爾山的快速隆起和夷平作用，為凹陷提供了相當(dāng)數(shù)量的變質(zhì)巖碎屑組分，并影響了凹陷內(nèi)較為廣泛的地區(qū)。

4.3 古環(huán)境與物源演化

四棵樹(shù)凹陷在J1b沉積期主體為溫暖—潮濕的古氣候，晚期短暫出現(xiàn)過(guò)溫度上升、濕度下降的季節(jié)性氣候變化。以淡水為主的古水體，水深相對(duì)較淺，晚期水體逐漸加深，從弱氧化轉(zhuǎn)變成弱還原條件。南部的北天山物源區(qū)主要出露基—中性巖漿的母巖（重礦物中鈦鐵礦的含量高），風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物直接供給了凹陷大部分地區(qū)的陸源碎屑物質(zhì)來(lái)源，而北部扎伊爾山物源區(qū)主要供給白鈦石含量較高的基—中性巖漿巖母巖，影響范圍有限。

J1s時(shí)期，研究區(qū)古水深達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)了侏羅系—下白堊統(tǒng)K1q的最大湖泛期，還原條件最強(qiáng)，水體的鹽度較J1b時(shí)期略有下降，處于烴源巖層發(fā)育的鼎盛期。該時(shí)期古氣候仍維持溫暖—潮濕的整體格局，相對(duì)湖平面最大化時(shí)期（對(duì)應(yīng)J1s中部）氣候出現(xiàn)過(guò)短暫的溫度上升、濕度下降的季節(jié)性變化，晚期溫度回降、濕度回升，水體向弱還原條件過(guò)渡。凹陷內(nèi)大部分區(qū)域沉積的碎屑物質(zhì)主要來(lái)源于北天山物源區(qū)的基—中性巖漿巖母巖，扎伊爾山物源區(qū)的影響范圍依然有限。

四棵樹(shù)凹陷在中侏羅世（J2x和J2t）依然是溫暖—潮濕的古氣候環(huán)境，但溫度相對(duì)早侏羅世有所下降，濕度略有上升。古水體平均深度為侏羅紀(jì)最低，整體處于弱還原—弱氧化環(huán)境，水體逐漸變淺，氧化性變強(qiáng)。北天山物源區(qū)經(jīng)過(guò)早侏羅世的快速隆升及夷平作用[5]，母巖類(lèi)型從基—中性巖漿巖過(guò)渡至中—基性巖漿巖（可能匯入花崗巖侵入體），風(fēng)化剝蝕后的陸源碎屑物質(zhì)重礦物組分中鋯石含量相對(duì)增大，鈦鐵礦組分占比下降；扎伊爾山物源區(qū)的影響仍控制在凹陷的局部范圍。中侏羅統(tǒng)沉積物中煤層較發(fā)育（圖2d，e、圖4d），推測(cè)該時(shí)期構(gòu)造背景相對(duì)穩(wěn)定，古水深變化差距較小，泛平原化或沼澤化作用較突出，大量植物在弱還原—弱氧化條件古水體中保存而發(fā)生煤炭化。

晚侏羅世（主要為J3q）時(shí)期，研究區(qū)的溫度持續(xù)下降，古水體持續(xù)變淺，鹽度相對(duì)微弱減小，氧化性持續(xù)增強(qiáng)，沉積物氧化色較明顯（圖3，5）。北天山物源區(qū)仍然供給中—基性巖漿巖母巖，但開(kāi)始混入少量凝灰?guī)r，陸源碎屑物質(zhì)重礦物中鈦鐵礦含量進(jìn)一步減小，鋯石組分比例逐漸上升；扎伊爾山物源區(qū)的隆升活動(dòng)開(kāi)始活躍[18]，其能影響的范圍逐漸向南擴(kuò)展。

早白堊世K1q期是研究區(qū)古環(huán)境和物源供給的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。相對(duì)于侏羅紀(jì)，K1q的古氣候相對(duì)干熱，沉積水體平均古水深達(dá)到J1b～K1q時(shí)期最淺水平后逐漸開(kāi)始緩慢上升，水體經(jīng)微弱咸化后古鹽度緩慢降低，氧化性較強(qiáng)。北天山物源區(qū)供給的母巖類(lèi)型仍以中—酸性巖漿巖為主，但凝灰?guī)r混入程度提高，所影響的范圍逐漸向南收縮；扎伊爾山物源區(qū)由于快速的隆升活動(dòng)，混入大量變質(zhì)巖類(lèi)型的母巖，所供陸源碎屑物質(zhì)影響的范圍也進(jìn)一步向南擴(kuò)展。

5 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹(shù)凹陷在J1b～K1q時(shí)期古氣候表現(xiàn)為從溫濕向干熱變化的趨勢(shì)：雖然J1b晚期、J1s中期和J2x早期均出現(xiàn)過(guò)短周期的溫度上升和濕度下降的現(xiàn)象，侏羅紀(jì)主體仍處于溫濕氣候；早侏羅世溫度相對(duì)偏高、濕度偏低，中—晚侏羅世溫度下降至最低、濕度增至最大，而K1q時(shí)期以干熱氣候?yàn)橹鳌?/p>

（2）凹陷的J～K1q沉積古水體總體為淡水環(huán)境，鹽度變化主要受古氣候的影響，早侏羅世相對(duì)偏高，中—晚侏羅世相對(duì)最低，早白堊世K1q時(shí)期沉積水體鹽度達(dá)到輕微咸化程度。

（3）研究區(qū)的J1s沉積古水體相對(duì)最深、還原性最強(qiáng)，J1b平均古水深相對(duì)較淺，處于弱氧化—弱還原狀態(tài)，中侏羅世至早白堊世K1q時(shí)期平均古水深逐漸變小，從弱還原性向強(qiáng)氧化性遞變。

（4）凹陷在侏羅紀(jì)主要受南部北天山物源區(qū)的影響，早白堊世K1q時(shí)期北部的扎伊爾山物源區(qū)供源作用逐漸變強(qiáng)；北天山物源區(qū)在早侏羅世向凹陷供給以鈦鐵礦重礦物組分為主的基—中性巖漿巖類(lèi)型母巖，中—晚侏羅世陸源碎屑物質(zhì)母巖變成中—基性巖漿巖，重礦物中鋯石組分逐漸上升，早白堊世K1q時(shí)期在中—基性巖漿巖母巖基礎(chǔ)上混入凝灰?guī)r；扎伊爾山物源區(qū)在早侏羅世供給以白鈦石重礦物組分為主的基—中性巖漿巖類(lèi)型母巖，中—晚侏羅世陸源碎屑物質(zhì)母巖變成中—基性巖漿巖，早白堊世K1q時(shí)期轉(zhuǎn)換成變質(zhì)巖混合中—基性巖漿巖的母巖組合。

致謝 兩位審稿專(zhuān)家提出了寶貴的修改意見(jiàn)，編輯及時(shí)傳達(dá)了審稿進(jìn)度，在此表示感謝。