准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组碱湖古沉积背景

秦志军，陈丽华，李玉文，王婷婷，曹　剑（.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依84000；.中国石油勘探开发研究院杭州分院，杭州00；.南京大学地球科学与工程学院，南京00）



准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组碱湖古沉积背景

秦志军1，陈丽华1，李玉文2，王婷婷3，曹剑3
（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000；2.中国石油勘探开发研究院杭州分院，杭州310023；3.南京大学地球科学与工程学院，南京210023）

摘要：准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组发育全球最古老的碱湖优质烃源岩，但其古沉积背景尚未得到系统剖析，限制了对风城组发育模式与成烃演化的认识。通过岩石学与地球化学相结合的方法，研究了古沉积的地貌、气候、水深、盐度和水温等特征，结果表明，玛湖凹陷在风城组沉积期总体属于闭塞型湖泊，古地貌表现为西陡东缓的不对称箕状凹陷，凹陷中分布有大小不等的湖湾；风城组沉积期碱湖形成的气候条件为半干旱，蒸发量大于补给量，并且季节性的潮湿环境与干旱环境相交替；古水深总体较浅，发育深色细粒的烃源岩；古水体为高盐度水介质，风城组二段盐度最高，指示风城组二段沉积时期碱湖最发育；古水温较高，相当于暖相—偏暖相。

关键词：准噶尔盆地；玛湖凹陷；风城组；碱湖；古沉积环境；古水深；古水体盐度；古水温

准噶尔盆地玛湖凹陷是一个富烃凹陷[1]，其下二叠统风城组发育了一套碱湖优质烃源岩[2]，前人对这套地层的研究主要侧重于岩石学和有机地球化学，认为风城组岩石矿物组成复杂，属于一类较特殊的白云质岩，有机质含量高，属于优质烃源岩[2-5]。

古沉积背景研究包括古地貌、古水深、古气候、古水体盐度和古水温等方面，然而准噶尔盆地玛湖凹陷风城组的古沉积背景尚未得到系统剖析，仅在一些文献中有对沉积环境的初步概述，总体认识是咸水湖，但证据并不很充分，且不系统[1，3-5]。本文主要通过岩石学和地球化学相结合的方法，研究古沉积的地貌、气候、水深、盐度和水温等特征，为碱湖形成与生烃、成藏研究提供基础资料。

1　盆地类型与古地貌

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，其斜坡区地层发育比较全，自下而上包括石炭系，下二叠统佳木河组、风城组，中二叠统夏子街组、下乌尔禾组，下三叠统百口泉组，中三叠统克拉玛依组，上三叠统白碱滩组，下侏罗统八道湾组、三工河组，中侏罗统西山窑组、头屯河组及白垩系。其中，二叠系与三叠系、三叠系与侏罗系、侏罗系与白垩系之间为区域性不整合。根据岩性和电性特征，玛湖凹陷风城组自下而上可划分为风城组一段（P1f1）、风城组二段（P1f2）和风城组三段（P1f3）。风城组一段岩性主要为白云质粉砂岩和泥质粉砂岩，风城组二段岩性主要为石膏质粉砂岩与盐质泥岩互层，风城组三段岩性主要为泥质白云岩和白云质泥岩。

玛湖凹陷风城组厚度800～1 800 m，总体表现为西厚东薄，呈楔状分布（图1），从地层厚度来看，其沉积时的地貌特征可能为西陡东缓的不对称箕状凹陷，反映出前陆盆地的特征[6]。其层序及建造特征主要受幕式逆冲挠曲构造运动的控制，存在3种同沉积构造坡折：逆冲断裂挠曲坡折、逆断裂坡折和隐伏断裂挠曲坡折[7]。在风城组沉积早期，存在数个火山群，主要为爆发式喷发形成的层状火山，表现在玛湖凹陷有数个火山高地，凹陷中发育大小不等的湖湾，这为碱湖（闭塞型湖泊）的发育提供了宏观的构造—火山作用背景。

图1　玛湖凹陷风城组厚度分布

2　古气候

碱（盐）湖沉积是特定自然地理和地质环境的产物，在其发展的各个阶段都详尽地保存了周围环境变化的信息，包括一般湖沼相所缺乏的咸化阶段的资料，因而具有湖泊环境变化记录的全息性[8]。通过对比古代与现代碱湖，发现其普遍形成于半干旱（沙漠—草原过渡地段，蒸发量大于补给量）而不是极干旱（沙漠）条件下，季节性的潮湿与干旱环境相交替[8]。

玛湖凹陷风城组发育有大量的碱性蒸发岩矿物，主要有碳钠钙石、硅硼钠石、天然碱、苏打石、氯碳钠镁石、碳钠镁石，偶见石盐、石膏、自生钠长石和方沸石，反映出典型的碱湖特征[2]。在碱性矿物最为发育的风城组二段，碱性矿物层常与暗色泥岩、深灰色白云质泥岩组成厚度不等的韵律，其中，碱性矿物层对应于相对干旱时期，而暗色泥岩和深灰色白云质泥岩对应于相对湿润时期。除了风城组二段外，这种特征在风城组一段下部和风城组三段上部也可以见到。风城组的沉积组合特征表明，风城组沉积期的古气候可能以干旱为主，伴随有交替出现的相对湿润气候，特征矿物也反映了当时气温较高的古气候特征[8]。

此外，植物化石也是研究古气候的重要依据。风城组的具肋双气囊花粉和肋纹花粉的孢粉组合反映风城组沉积时期总体属于干旱炎热环境[9]。

沉积物的碳氧同位素也可以反映古气候，风城组碳酸盐岩的δ13CPDB和δ18OPDB与现代全球典型碱湖，包括纳特龙—马加迪湖、图尔卡纳湖和美国大盐湖的数据相比较，有部分重叠，表明玛湖凹陷风城组沉积环境与其类似，属于半干旱碱湖沉积[10]。此外，有很多样品的δ18OPDB明显偏负，反映了火山热流体的作用，这与现代大型碱湖多处于火山作用区的情况可以类比[10]。

图2　玛湖凹陷风城组碱湖沉积物和现代全球典型碱湖沉积物碳氧同位素分布

3　古水深

玛湖凹陷风城组主要为暗色细粒沉积，在不少层段常见水平纹层构造，为白云质泥岩，岩石中常见细粒星点状黄铁矿分布，依据传统地质理论，可认为是深湖相停滞静水沉积。但实际情况可能并不完全如此，暗色细粒沉积通常指示相对静止的水体和还原环境，但与水深并无必然联系。绝大部分现代碱湖均为浅湖，即便在洪水期，水深一般也仅数米[8]。据此，笔者认为，能形成暗色细粒沉积物，甚至烃源岩的环境并不一定都是深水，证据有以下5点。

（1）风一段沉积期火山群发育火山群分布区为地貌高地，沉积水体可能相对较浅。在风城组一段沉积时期发育数个火山群，火山岩岩相以爆发相为主，溢流相分布局限，且为喷发与溢流之间过渡性的喷溢相，尤其是爆发相中占优势的热碎屑流亚相是火山喷发的重要特征，主要岩石类型为熔结凝灰岩，发育在紧邻玛湖凹陷北东部的乌尔禾—夏子街地区。熔结凝灰岩大部分为水上沉积，所以在火山群分布区（乌尔禾—夏子街地区）及其周缘（玛湖凹陷）不大可能是深水沉积。

（2）风城组各段均见有粗碎屑岩除玛湖凹陷西部边缘外，其他地区常见砂岩或砂砾岩分布，如风南1井—风南4井一带的风城组一段和风城组三段主体为泥岩，夹有不等粒砂岩；艾克1井风城组三段为泥岩夹含砾砂岩，风城组二段见角砾岩，角砾主要为含碳钠钙石白云质泥岩。这些相对粗碎屑岩的大量发现指示区域不是深水沉积。

（3）风城组各段均发育有蒸发岩风城组二段、风城组一段的顶部和风城组三段的底部，发育有大量碱性蒸发岩，岩层厚度变化较大，从几毫米至几米，一般层厚数厘米，与深灰色富含星点状黄铁矿的含白云石泥岩、白云质凝灰岩、白云质粉砂岩、粉砂质泥岩等互层，呈韵律出现。盐类矿物结晶粗大，为浅水快速结晶产物（图3）。

图3　玛湖凹陷风城组中的蒸发岩

（4）频繁出现鸟眼构造鸟眼构造是浅水沉积的指征性沉积构造[11]。玛湖凹陷风城组二段及相对盐度较高的层段，大量发育鸟眼构造，其类型很多，有孤立型、蠕虫状、条纹状和不规则状等类型，其中，又以孤立型和蠕虫状相对发育（图4）。对于孤立型鸟眼构造，一般认为是由沉积物中有机质分解产生的气体聚集而成；而蠕虫状鸟眼构造是干燥成因的一种水平收缩孔，一般发生在横向上结合力强，垂向上结合力弱的沉积物中，二者都反映了浅水的沉积环境[11]。此外，在不同的相区和层段，鸟眼构造的充填物不同，主要有碳钠钙石、硅硼钠石、白云石或方解石等，也反映了浅水的流体成岩环境。

图4　玛湖凹陷风城组中的鸟眼构造

（5）微生物诱发沉积构造通常不是深水沉积微生物成因构造是由微生物作用导致的原生沉积构造，一般形成于海相环境中的潮间带和潮上带，或者湖相环境中的浅水带[12]。微生物成因构造在风城组普遍发育，如风南5井和风南3井风城组二段含碱层段的夹层（图5），常与鸟眼构造伴生，反映为浅水沉积。

4　古水体盐度

古水体盐度指沉积水体介质中所有可溶盐的质量分数，是指示地质历史时期沉积环境变化的一个重要参数。笔者采取矿物学和地球化学相结合的方法，对风城组沉积时期的古水体盐度进行了研究。

4.1自生蒸发岩矿物

玛湖凹陷风城组蒸发岩矿物在垂向上主要发育于风城组二段，在风城组三段下部和风城组一段上部也有少量分布；平面上在玛湖凹陷的中心地带发育丰富，面积大于300 km2，厚达数百米。蒸发岩矿物的存在表明风城组沉积时的水体介质盐度很高，为盐湖沉积。

4.2硼元素含量

黏土中的硼元素含量可以指示其形成时水介质的古水体盐度。玛湖凹陷风城组泥岩中的硼含量为43×10-6～325×10-6，平均220×10-6[13]，远大于一般海相泥岩的硼含量100×10-6[14]。此外，由于风城组岩石中的黏土矿物含量很低，而硼元素主要被黏土矿物吸附，所以风城组沉积时的古水体盐度可能比目前硼含量所反映的盐度还要高。

风城组硼含量较高的另一个表现是自生碱性蒸发岩矿物硅硼钠石的普遍出现，硅硼钠石是风城组的常见自生矿物，特别在风城组二段，显示当时湖水中具有很高的硼含量，且主要以硅硼钠石自生矿物的形式存在，指示高盐度水介质特征。

图5　玛湖凹陷风城组微生物诱发沉积构造

4.3锶元素含量

沉积物中的锶元素含量可指示沉积水体的盐度，通常认为古代白云岩中的锶元素含量一般不超过200×10-6，如埋藏白云岩的锶含量为60×10-6～170×10-6，混合带白云岩的锶含量通常为70×10-6～250×10-6[15]，但与蒸发岩相关的超盐水白云岩锶含量较高，可达550×10-6.玛湖凹陷风城组白云质岩类中的锶含量较高（平均447×10-6），说明形成环境可能以咸水为主，与咸水湖环境（蒸发岩）沉积有关[15]。

4.4典型微量元素参数

沉积物中的某些微量元素含量比值可以指示沉积水体的盐度和氧化还原条件，如当沉积物中的元素质量比mSr/mBa>1，mB/mGa>7，mTh/mU<2，稀土元素Ce异常δCe<1[δCe=mCe/（mPr2/mNd）]，通常可指示咸水（相当海水或咸度更高）和还原的沉积环境，具有碱湖特征。

表1为玛湖凹陷风城组样品的微量元素含量比值，其中mSr/mBa均大于1，平均为2.99；mB/mGa远大于7，平均为52.55；mTh/mU除一个数据大于2外，其他数据均小于2，平均1.17；δCe除一个数据大于1外，其他数据均小于1，平均0.97.这些都反映了碱性的沉积环境。

表1　玛湖凹陷风城组微量元素典型参数比值

4.5碳氧同位素

沉积物碳氧同位素是判断沉积古水体盐度的一个重要指标，淡水灰岩的δ13C多为-15‰～-5‰，而海相灰岩的δ13C则为-5‰～5‰[16].玛湖凹陷风城组79个样品的统计结果显示，δ13C为-1.6‰～7.1‰（图2），显示其沉积水介质不是淡水，而是以具有海水性质的咸水为主。

文献［17］基于对数百个侏罗纪以来海相和淡水灰岩的碳氧同位素测定，提出了一个同位素系数（Z）的经验公式：Z＝2.048（δ13CPDB＋50）＋0.498（δ18OPDB＋50），并认为此系数大于120时为海相灰岩，小于120时为淡水灰岩[17]。如表2，玛湖凹陷风城组79个样品同位素系数的计算结果为120.00～144.98，平均为134.35，说明风城组主要为咸水沉积[18]，并且风城组二段的古水体盐度大于风城组三段和风城组一段，这与自生蒸发岩矿物的分布与含量所揭示的结果一致，反映风城组二段对应于碱湖演化的最高峰。

表2　玛湖凹陷风城组碳氧同位素系数统计

5　古水体温度

古水体温度是沉积水体特征的一个重要参数，一般采用矿物包裹体、特征矿物相似环境对比等方法来进行研究。在碱性盐湖沉积中有些自生矿物具有特定结晶温度，是研究湖盆沉积水体温度的良好指示，碱类矿物的沉积，主要受温度和二氧化碳分压（溶解在溶液中的CO2产生的压力）控制，如天然碱矿物是在溶液中二氧化碳分压和大气中二氧化碳分压大致相等的条件下、温度高于20℃时形成的；泡碱的形成温度一般低于20℃；水碱易在高温和二氧化碳分压较低的条件下形成；重碳酸钠是快速蒸发条件下的结晶矿物[19]，其形成条件是二氧化碳分压一般要高于大气的10倍。

玛湖凹陷风城组含碱层段发育的碳氢钠石和碳钠镁石（图6）就是典型的高温矿物。碳氢钠石（Na2CO3·3NaHCO3）是一种无水碱金属碳酸盐矿物，较天然碱和重碳钠盐更易溶于水，最初发现于美国的绿河盆地，1987年在河南省泌阳凹陷发现[20]。这类矿物的晶体呈板状，无色透明，主要产在重碳钠盐组成的碱矿层中，反映二者形成条件类似。

在古水体温度的指相盐类矿物中，与碱性蒸发岩矿物有关的一般是典型暖相和偏暖相的天然碱层，普遍形成于亚热带—热带和赤道半干旱或干旱区，以及其他干热区[21]。玛湖凹陷风城组的蒸发岩矿物组成主要为暖相和广温相矿物，基本不含冷相盐类矿物。因此，笔者认为风城组沉积时的水体温度可能比较高，相当于暖相—偏暖相环境，这与文献［22］根据碳氧稳定同位素计算的白云质岩形成温度（平均温度为25℃）接近。而文献［23］曾在乌尔禾地区风城组盐类矿物中曾测得包裹体均一温度主峰区间为70～80℃，显示部分蒸发岩矿物为炎热条件快速结晶的产物。

6　结　论

（1）通过对准噶尔盆地西北缘玛湖凹陷下二叠统风城组古沉积背景特征的分析，可以明确风城组属于碱湖沉积。在盆地和古地貌背景方面，风城组沉积时期属于前陆盆地的闭塞型湖泊，古地貌表现为西陡东缓的箕状凹陷，为碱湖发育提供了良好的地貌背景。

（2）在古气候背景方面，通过岩石矿物学、古植物化石、碳氧同位素等方面的系统论证，认为玛湖凹陷风城组碱湖沉积形成的气候条件为半干旱，蒸发量大于补给量，季节性的潮湿环境与干旱环境相交替，形成了独特的碱湖白云质泥岩和泥岩的混合沉积。

（3）在古水体深度方面，基于火山群和相对粗碎屑岩的存在，以及蒸发岩、鸟眼构造和微生物诱发沉积构造的频繁出现，认为风城组沉积期的古水体较浅，发育了深色细粒的烃源岩。

（4）在古水体盐度方面，通过系统的地球化学指标参数，包括硼、锶等微量元素和碳氧同位素等，发现风城组沉积时为高盐度水介质，并且风城组二段盐度最高，反映碱湖演化到高峰期。

（5）在古水体温度方面，主要通过指相矿物的精细分析，认为风城组形成于暖相—偏暖相的环境。

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（编辑曹元婷）

Paleo⁃Sedimentary Setting of The Lower Permian Fengcheng Alkali Lake in Mahu Sag, Junggar Basin

QIN Zhijun1, CHE?N Lihua1, LI Yuwen2, WANG Tingting3, CAO Jian3
（1.Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay, Xinjiang 834000, China; 2.Hangzhou Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Hangzhou, Zhejiang 310023, China; 3.School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210023, China）

Abstract：The high⁃quality hydrocarbon source rocks of the world’s most ancient alkali lake are found in the Lower Permian Fengcheng formation of Junggar basin.The understanding of development model and hydrocarbon⁃forming evolution of the Fengcheng formation have been limited due to unsystematic analysis about its paleo⁃sedimentary setting up to now.This paper uses petrological and geochemical methods to study the characteristics of its landform, climate, lake water depth, salinity and water temperature, and the results show that Ma⁃hu sag is a closed lake in the depositional stage of Fengcheng formation as a whole, and its ancient landform appears asymmetric halfgraben⁃like sag with steep slope in the west and gentle slope in the east, and the sizes of lake bays are distributed in it; the climatic condition of the alkali lake formation in this stage is semi⁃arid, characterized by that the evaporation was greater than the recharge, with seasonal humid⁃arid⁃alternate environment; the lake water depth is shallow in general, developing dark fine⁃grained source rocks; the water body is of high⁃salin⁃ity medium, the highest salinity occurs in second member of Fengcheng formation, indicating the alkali lake is most developed in this mem⁃ber; and the paleotemperature of the water body is relatively high, equivalent to warm to partial warm phase.

Keywords：Junggar basin; Mahu sag; Fengcheng formation; alkali lake; paleo⁃sedimentary environment; paleo⁃water depth; paleo⁃water salinity; paleo⁃water temperature

作者简介：秦志军（1973-），男，河南鹿邑人，高级工程师，石油地质，（Tel）0990-6882756（E-mail）qinzj@petrochina.com.cn.

基金项目：中石油科技重大专项（2012E-34-01）

收稿日期：2015-11-11

修订日期：2015-11-19

文章编号：1001-3873（2016）01-0001-06

DOI：10.7657/XJPG20160101

中图分类号：TE111.3

文献标识码：A