准南与柴窝堡凹陷芦草沟组页岩地球化学特征对比与古环境恢复

张逊，庄新国，涂其军，徐仕琪，张娅（.中国地质大学（武汉）构造油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

准南与柴窝堡凹陷芦草沟组页岩地球化学特征对比与古环境恢复

张逊1，庄新国1，涂其军2，徐仕琪2，张娅1
（1.中国地质大学（武汉）构造油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；2.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

在野外露头实测、系统采样基础上，结合地球化学分析测试资料，着重讨论了准噶尔盆地南缘二叠系芦草沟组主量元素、微量元素及稀土元素等地球化学特征，在此基础上恢复了研究区二叠系芦草沟组沉积时的古环境，对比了准南与柴窝堡凹陷芦草沟组沉积的差异性。结果表明，柴窝堡凹陷芦草沟组常量元素中Ca,K,Mg和Na相对富集，P相对较少，微量元素比值V/(V+Ni)及V/Cr均低于准南，轻稀土元素相对富集。准南与柴窝堡凹陷芦草沟组优质烃源岩主要发育于生产力较高、水体缺氧的还原环境，但相对于柴窝堡凹陷芦草沟组，准南芦草沟组页岩形成于生产力更高、水体更深且更缺氧的古环境，该环境更有利于总有机碳的形成与保存。

准南；芦草沟组；页岩；地球化学；古环境

准噶尔盆地南缘及其南部柴窝堡凹陷芦草沟组页岩作为我国陆相盆地页岩气勘探的新目标，受到了广泛关注。但对准南地区和柴窝堡凹陷的研究仅局限于层序地层划分、储层地质研究、地层综合划分与对比、盆地结构分析及油气成藏特征等方面[1-4]，对研究区芦草沟组页岩地球化学特征定量指示沉积环境的研究相对较少。目前，利用地球化学定量化指标进行沉积环境精确指示与标定已成为国内外页岩油气勘探领域的新方向[5-7]。本文通过对研究区典型露头剖面27个样品的测试分析，研究了芦草沟组页岩的地球化学特征及其沉积环境，并对准南与柴窝堡凹陷两个地区的差异性进行对比与探讨。

1　区域地质概况

研究区准噶尔盆地南缘是指乌鲁木齐-米泉断裂以东的博格达山地区，被阜康断裂带和博格达山北缘断裂（三工河断裂）限定，其间为雅玛里克山断裂带，总体呈“两向一背”的构造格局，自南向北依次为北天山推覆构造系统、柴窝堡凹陷、博格达山和阜康凹陷，其中，阜康断裂带主要由向南倾的古牧地北断裂和东段阜康断裂组成。柴窝堡凹陷构造位置处于博格达构造带与中天山伊连哈比尔尕构造带之间，是一个在下石炭统褶皱基底上发育起来的小型山间叠合凹陷。本文的准南是不包括柴窝堡凹陷在内的地区(图1)。准南及柴窝堡凹陷经历多期构造变形叠加改造，在前寒武纪结晶基底上发育一套以泥盆纪岩浆岩为主的早古生代褶皱基底，在其之上，主要发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系，其中，二叠系芦草沟组沉积了一套以黑色页岩为特征的细碎屑沉积物[8-10]。

2　样品采集与处理

本次研究实测了6个具代表性的露头剖面，其中，准南4个，柴窝堡凹陷2个。在芦草沟组采集27块页岩样品，对这些样品进行详细的有机碳含量、常量及微量、稀土元素含量分析。有机碳含量测试仪器为LECO CS230碳硫分析仪，主量元素采用化学滴定法，微量、稀土元素含量采用GBC OptiMass 9500 ICP-TOF-MS电感耦合等离子体质谱仪测量，均由新疆维吾尔自治区地质调查院实验中心测试完成。

3　常量元素特征

研究某地区和某层位元素地球化学特征时，通常将研究区岩石的元素组成与相应岩石类型元素的平均含量相比，进而确定该地区富集和分散的元素，以此分析研究区地质背景，包括区域构造背景，源区母岩成分，古地理及古气候。

图1　研究区构造单元划分及剖面位置图Fig.1 Geological units division map and profile position in study area

3.1常量元素总体特征

与页岩的克拉克值相比，研究区页岩中大部分常量元素与北美平均页岩非常接近[11]。其中，Si，Fe，Mg与页岩中的含量相当；Na和Ca都高于页岩中的含量，P含量远大于页岩克拉克值，富集较明显，其余几种元素含量则低于普通页岩含量。对比准南和柴窝堡凹陷可知（表1），柴窝堡凹陷的常量元素Ca，K，Mg和Na相对富集，P相对较少，说明离物源较近，覆水较浅，水体环境呈弱还原性。

表1　芦草沟组页岩常量元素含量Table 1 Macroelements content in shale of Lucaogou formation　单位：%

3.2 P元素特征

P是控制初级生产力关键的营养元素，P的变化在很大程度上影响初级生产力的大小[12-14]。研究区芦草沟组页岩P元素富集，平均值为0.44%，大于普通页岩的0.17%。P元素的大量富集为水中生物提供了较好的营养环境，有利于水体中藻类生物的生长，为后期烃源岩的形成提供了大量母质。在深水环境中，由于藻类的生长不能完全依靠自己的光合作用，此时水体中繁茂的生物会消耗大量氧气，使水体极度缺氧形成还原环境，使沉积物中有机质得到最大程度的保存。柴窝堡凹陷芦草沟组页岩的P含量平均0.27%，准南芦草沟组页岩P含量平均0.47%，说明准南芦草沟组沉积时期生物生产力较高，主要为缺氧的沉积环境，而柴窝堡凹陷芦草沟组沉积时期水动力相对较强，生产力相对较低。

4　微量元素特征

4.1 Sr/Ba，B元素特征

Sr/Ba值是指示沉积水体中古盐度的良好指标，淡水沉积物中Sr/Ba值小于1，咸水沉积物中的Sr/Ba值大于1，Sr/Ba值为0.5~1.0，为半咸水环境。B是一种易溶元素，自然界水体中硼的含量是盐度的线性函数[15]。Degens and Keith提出利用沉积物中硼元素测试值校正计算后的“相当硼”指标来判别海水和湖水盐度，划分范围为：“相当硼”含量300×10-6~400×10-6为正常海相沉积，200×10-6~ 300×10-6为半咸水沉积，小于200×10-6为淡水沉积[16]。亚当斯据实际资料得出计算水体盐度的公式：

y=0.097 7x−7.043

y为水体盐度（‰），x为相当硼（10-6）。淡水盐度范围约0~0.5‰，半咸水盐度范围为0.5‰~35‰，咸水盐度范围为35‰~60‰，盐水盐度一般大于60‰。

此次研究中，采用27个样品中Sr，Ba与B元素含量进行分析可知（表2），Sr/Ba比值中有8个样品比值为0~0.5，12个样品比值为0.5~1.0，7个样品比值为1.0~1.5，属淡水-半咸水-咸水环境。据B元素分析得出，27个样品中21个样品古盐度值分布在1.7‰~35‰之间，6个样品古盐度值在36‰~44.49‰之间，属半咸水-咸水环境。因此，由Sr/Ba及古盐度值可知，研究区主要为半咸水环境。

表2　芦草沟组页岩微量元素地球化学分析结果Table 2 Geochemistry analysisi result of microelement in shale of Lucaogou formation

对比准南和柴窝堡凹陷样品分析结果可知，准南Sr/Ba值为0.73，盐度28.23‰，而柴窝堡Sr/Ba值为0.98，盐度23.07‰，说明准南水体盐度相对较高；柴窝堡凹陷Sr/Ba值较高，说明水体环境仍受残余海水影响。

4.2 V，Ni，Cr元素特征

古氧相分析可证明地层形成环境究竟是氧化条件还是还原条件[17]。一般通过对岩石、矿物、古生物及古生态、微量元素、稀土元素、稳定同位素、有机地球化学等相关指标测试分析进行古氧相的研究。其中，以矿物、古生物及古生态、微量元素、稀土元素等方法应用最多。Hatch、Jones等通过研究北美、北欧黑色页岩地球化学特征，提出微量元素比值（V/(V+Ni)，V/Cr，Ni/Co等）可作为古氧化还原条件的判识标志，并确定出相应标准（表3）[18,19]。

本文选取V/(V+Ni)、V/Cr比值对芦草沟组古氧相进行分析。研究区芦草沟组V/(V+Ni)值主要分布于0.62~0.92，指示沉积时期主要为贫氧-厌氧的沉积环境。V/Cr值主要分布于2.00~4.25，指示贫氧环境。因此，研究区芦草沟组页岩主要沉积于贫氧环境。

表3　缺氧环境与富氧环境的地球化学特征与判别指标Fig.3 Geological characterisitc and evaluation index of oxygen-deficent environment and low oxygen environment

通过对比准南和柴窝堡凹陷芦草沟组页岩的地球化学指标，准南TOC平均为6.00%、V/(V+Ni)平均为0.76、V/Cr平均为2.75；柴窝堡TOC平均为1.30%、V/(V+Ni)平均为0.71、V/Cr平均为2.07。可见，准南芦草沟组页岩TOC、V/(V+Ni)、V/Cr均大于柴窝堡凹陷芦草沟组页岩，表明准南地区芦草沟组页岩沉积于更缺氧、水体更深的沉积环境。因此，芦草沟组页岩沉积时期，准南地区更利于TOC的富集与保存。

5　稀土元素特征

从稀土元素分析结果可知，研究区页岩稀土元素总量变化较小（表4）。稀土元素总量63.59×10-6~ 216.22×10-6，55.56%的样品稀土总量小于132×10-6，低于我国其它泥岩稀土总量（132×10-6~334×10-6）。可能因为该地区页岩中碳酸盐矿物含量较高，粘土矿物含量低于其它泥页岩，因而对稀土元素吸附量较小。稀土元素总量平均值129.70×10-6，略高于大陆沉积地壳稀土元素含量（117×10-6）。轻稀土含量为39×10-6~155×10-6，平均值92×10-6；重稀土含量为24.5×10-6~68×10-6，平均值37.7×10-6。总体特征为轻稀土含量比重稀土含量高。轻重稀土元素比值大小能反映稀土元素分异程度，在同一类型沉积体中，比值越大，证明轻稀土元素富集程度越高，重稀土元素亏损程度则越高。据前人综合研究表明[20]，陆源物质在搬运过程中，轻稀土元素更易被细粒沉积物吸附，因此，越靠近物源区，轻稀土元素越富集。

表4　研究区芦草沟组页岩稀土元素参数表Table 4 Rare element parameter of Shale in Lucaogou formation

由页岩稀土元素球粒陨石标准化分布模式和轻重稀土元素分馏参数分布曲线可知（图2，3）[21]：稀土元素模式曲线均向右倾，La-Dy曲线陡峭，Er-Y曲线平缓，总体呈轻稀土元素富集特征；本区页岩轻重稀土元素比值约2.5，轻稀土含量明显高于重稀土，表现为近源沉积。（La/Yb）N和（Ce/Yb）N平均值分别为5.86和4.49，均大于1，说明轻重稀土元素的分馏明显。反映轻稀土元素分馏程度的参数（La/Sm）N（均值2.99）普遍高于反映重稀土元素分馏程度的参数（Gd/Yb）N（均值1.35），也指示为近源沉积。从图3可见，这几项参数具较好的一致性，且（La/Yb）N参数对轻、重稀土元素分馏程度的反映更敏锐。对比准南和柴窝堡凹陷（表4），可发现柴窝堡LREE富集程度更显著，说明柴窝堡凹陷离物源更近，轻重稀土分馏较明显。

图2　研究区芦草沟组页岩球粒陨石标准化稀土元素分布模式图Fig.2 Chodrite-normalized REE distribution pattern of shale in Lucaogou fromation

6　结论

(1)柴窝堡凹陷芦草沟组常量元素中Ca，K，Mg和Na相对富集，P相对较少，微量元素对比表明：准南芦草沟组沉积期水体盐度、TOC、V/(V+Ni)及V/Cr均高于柴窝堡凹陷；稀土元素对比发现柴窝堡LREE富集程度更为显著。

图3　研究区芦草沟组页岩轻重稀土元素分馏参数分布曲线Fig.3 LREE and HREE fractionation parameter distribution curve of shale in Lucaogou formation

(2)芦草沟组页岩的古环境为半咸水、缺氧且水体表层生产力较高的沉积环境；但准南芦草沟组页岩相比柴窝堡凹陷形成于远离物源、水体更深、更缺氧且表层水体生产力更高的沉积环境。这种环境导致芦草沟组页岩在准南地区具更好的TOC富集与保存条件，也是TOC含量高于柴窝堡凹陷的主要原因。

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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

张逊（1987-），男，安徽合肥人，2013级中国地质大学（武汉）在读博士研究生，主要从事沉积学与石油地质学研究