准噶尔盆地南缘芦草沟组页岩地球化学特征及沉积环境分析——以准页3井为例

陈 健，庄新国，吴 超，刘晓峰，周继兵

(1.广东煤炭地质局，广州 510000；2.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；3.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第九地质大队，乌鲁木齐 830000)

准噶尔盆地南缘芦草沟组页岩地球化学特征及沉积环境分析
——以准页3井为例

陈 健1，庄新国2，吴 超3，刘晓峰2，周继兵3

(1.广东煤炭地质局，广州 510000；2.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；3.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第九地质大队，乌鲁木齐 830000)

通过对准页3井中芦草沟组页岩样品测试数据进行分析，探讨了页岩样品的地球化学特征及垂向变化规律，进一步阐述了其沉积环境指示意义及变化特征。结果表明准页3井芦草沟组页岩中Al和K偏低，Na、Ca和Fe偏高，P 元素明显富集，整体属于较为干旱的环境；Sr/ Ba与B参数特征说明芦草沟组整体处于半咸水-咸水沉积环境，垂向上盐度含量不断增大；Fe2+/Fe3+、V/V+Ni、V/Cr、LREE/HREE、δCe和δEu参数特征表明芦草沟组整体为酸化弱还原环境下近源沉积，而下段为贫氧环境，中上段为厌氧环境，且受北天山陆源碎屑和火山灰间歇性影响，为有机质的输入和保存提供了较为有利的条件。

芦草沟组；地球化学；沉积环境；准噶尔盆地

准噶尔盆地南缘二叠系芦草沟组形成于稳定的内陆湖泊环境，黑色页岩广泛发育，是新疆页岩气勘探的一个重要烃源岩层。前人对芦草沟组的研究也多集中在博格达山北麓大黄山及吉木萨尔一带，而对乌鲁木齐周边的芦草沟组页岩研究尚浅，本次研究将对乌鲁木齐红雁池地区准页3井芦草沟组页岩进行地球化学特征分析并阐述其沉积环境指示意义及垂向变化特征，为开发页岩气提供科学依据和详实资料的一项重要基础工作。

1 地质概况

博格达山前断裂带位于博格达山与准噶尔盆地的结合部位，被阜康断裂带(乌鲁木齐地区阜康断裂带为隐伏断裂)和博格达山北缘断裂(三工河断裂)限定，其间为妖魔山断裂带，总体呈“两向一背”的构造格局[1]。准页3井位于博格达山前断裂带东段乌鲁木齐红雁池地区，在构造上位于乌鲁木齐向斜南翼。(图1)。

在早二叠世晚期，准噶尔古板块与塔里木古板块碰撞造山，海槽逐渐开始闭合，中二叠世准噶尔盆地南缘开始进入河流-湖泊相沉积，盆地经历了逐渐扩大变深为统一湖盆，最后又萎缩的过程，芦草沟组正是准噶尔湖泊面积最大时沉积形成的[2-3]。

准页3井芦草沟组岩性下段主要为碳酸盐岩与泥页岩互层，中段为灰黑色泥页岩夹薄层碳酸盐岩，上段碳酸盐夹层变多，顶部碳酸盐岩夹层多被钙质粉细砂岩取代。地层中含大量的叶肢介、介形虫、双壳类、鱼类以及植物等化石。微细水平层理、水平或波状纹层发育，黑色页岩与灰岩或白云岩交互频繁，为盐度较高的弱还原环境下的半深湖-深湖相沉积[4-6]。

F2-妖魔山断裂； F6-博格达山北缘断裂带(三工河断裂)；F7-博格达山南缘断裂带；F8-七道湾断裂； A3-妖魔山背斜；A4-七道湾背斜； A10-柳树沟背斜。S5-乌鲁木齐向斜；S6-七道湾向斜图1 准南重点远景区构造纲要图Figure 1 Structural outline map of southern Junggar key prospect area

2 样品采集及测试

本文对准页3井的芦草沟组组岩心进行了仔细观察，系统采集了具有代表性的富有机质页岩样品，经过筛选一些典型样品后进行常、微量元素分析。样品测试在新疆维吾尔自治区矿产试验研究所岩矿检测室完成。常量元素分析使用X荧光光谱仪测试，微量元素测试使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，重复样分析结果吻合，样品分析具有较高精度。测试结果如表1。

3 测试结果分析讨论

3.1 常量元素组成特征

对某地区和某一层位的元素地球化学特征进行研究时，通常要将研究区岩石的元素组成与相应的岩石类型的元素的平均含量相比较，通过比较可以确定该地区富集的元素和分散的元素，有助于对岩石的形成环境进行分析[7]。

将准页3井芦草沟组页岩的常量元素平均含量与北美(NASC)页岩[4]对比发现(图2)：其中Si、Mg、Ti和Mn元素与标准页岩中的含量差不多；Na、Ca和Fe值都高于标准页岩含量，P 元素的含量却远远大于标准页岩克拉克值，富集比较明显；而Al和K含量则低于标准页岩中的含量。苗建宇[8]认为在干燥气候条件下，由于大气降水减少，地表水份大量蒸发，盆地水介质的碱性增强，Ca和Na等被大量析出沉积在水底。吴绍组[2]认为芦草沟组沉积时期准噶尔盆地受到干旱炎热气流影响显示间歇性干旱气候的特征。从芦草沟组页岩元素中较为富集Ca和Na而贫Al和K可以分析芦草沟组沉积时期的古气候较为炎热干燥，这与芦草沟组岩性特征中富集碳酸盐岩夹层相对应。

针对P元素的富集前人也分析了原因：李婧婧[4]等在研究博格达山北麓芦草沟组油页岩的地球化学特征时认为P主要来自周围火山喷发带来的火山灰，王东营[6]等认为大黄山一带芦草沟组暗色泥岩中P富集主要由于水体盐度分层后高盐度水体导致的低等生物的灭亡。吴绍祖[2]认为中二叠世准噶尔盆地周缘火山活动频繁，所以针对准页3井的P元素的富集可能跟火山作用关系更大，火山作用同时带来了大量的Fe元素。同时研究区西段受到南天山构造抬升陆源补给影响较大，影响了元素浓度平衡[3]。

图2 准页3井芦草沟组页岩常量元素含量与标准页岩常量元素含量之比Figure 2 Well ZY3 ratio of Lucaogou Formation shale constant element content to standard shale constant element content

表2 Fe2+/ Fe3+与沉积环境对应关系表(参考文献引自文献 [9])

铁在盆地沉积中的规律性十分明显，随着沉积水体pH的值的不断增大，Eh的降低，铁矿物能够呈不同的相态分布，从而形成不同价态的化合物，因而可用来反映沉积环境的氧化还原性(表2)[9]。准页3井芦草沟组页岩Fe2+/ Fe3+含量主要在0.49～0.98，平均为0.84，处于弱氧化的环境，在垂向上呈弱氧化与弱还原不断交替的趋势(图3)。

3.2 微量元素组成特征

3.2.1 Sr/ Ba与B及其对古盐度指示意义

锶与钡的化学性质非常相似，但与锶相比钡的化合物溶解度更低。在早期低盐度的沉积物中一般较为富集钡而贫锶，到了晚期高盐度的沉积物中则富集锶而贫钡，因此可根据Sr/ Ba值来确定古盐度。经研究发现淡水沉积物中Sr/ Ba值小于1，咸水沉积物中Sr/ Ba值大于1，Sr/ Ba值为 0.5～1.0为半咸水相[10-12]。

Degens、Keith等[13]提出利用沉积物中硼元素测试值校正计算后的“相当硼”指标判别海水和湖水的盐度，其划分范围为：相当硼含量在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。亚当斯根据实际资料得出计算水体的盐度公式：

y= 0.0977x-7.043

(1)

y为水体的盐度(‰)，x代表相当硼(×10-6)。

再根据表3水体盐度对照表判断芦草沟组沉积时的水体环境。

准页3井样品中的古盐度环境指标分析表明(图3)，Sr/ Ba值主要集中分布在0.46～1.0、1.0～1.32，其中只有三个样品的数据大于1，属于湖相半咸水环境。依据B元素含量计算的古盐度主要分布在5.43‰～91.5‰，依据表4水体盐度的划分标准，属于半咸水-咸水-盐水环境。垂向上，随着覆水深度加深，盐度分层作用使底层水盐度加大，从而芦草沟组自下而上盐度含量增大。

表3 水体盐度对照表(参考文献引自文献[13])

图3 准页3井常、微量元素及比值垂向分布特征Figure 3 Well ZY3 constant element, trace element and specific value vertical distribution features

3.2.2 V/(V+Ni)与V/Cr及其对古氧相指示意义

古氧相是指反映地层形成时沉积环境水体中，特别是底层水体中溶氧量特征及其变化的各种岩石、生物和地球化学特征等的综合，是沉积相的重要组成部分。Jones等[14]指出微量元素比值(U/Th，V/Ni，Ni/C等)在沉积环境的判别上取得良好的效果。

在Jones等[14]的判别标准基础之上，本文选取V/(V+Ni)和V/Cr比值对芦草沟组古氧相进行了分析研究(表4)。

图3展示了准页3井芦草沟组样品中微量元素所计算的古氧相指标和所确定古氧相及其垂向变化。微量元素V/(V+Ni)比值在0.58～0.85，平均为0.71，显示贫氧-厌氧的沉积环境。V/Cr比值在1.21～5.30，平均为2.21，显示为贫氧-厌氧的沉积环境。芦草沟组总体处于厌氧环境，而上段为完全厌氧环境，下段为贫氧-厌氧环境，这可能与芦草沟组沉积早期，水体相对较浅，水体受到扰动有关，随着水体的逐渐加深，芦草沟组则完全处于厌氧环境的沉积状态。但是准页3井古氧相指标浮动变化较大，说明准页3井一带受到周缘物源的影响，水体有一定的动荡性。

表4 缺氧环境与富氧环境的地球化学特征与辨别指标(据文献[14]修改)

3.3 稀土元素组成特征

3.3.1 LREE特征

轻稀土与重稀土的比值(LREE/HREE)大小反应稀土元素的分异程度。在同一类型地质体中，比值越大，表明轻稀土元素的富集程度越高，重稀土元素亏损越严重。陆源物质搬运过程中，轻稀土元素易被细粒沉积物吸附，愈靠近物源区轻稀土元素相对富集[15-18]。同时鲁洪波，姜在兴[19]认为在碱性-碳酸介质中，重稀土的溶解度大，酸性介质中先沉淀LREE，后沉淀HREE，LREE元素相对富集。

而准页3井LREE/HREE比值大多在2.26～3.17，平均为2.56。从页岩球粒陨石标准化稀土分布模式图(图4)，可以更直观的看出，分布曲线整体向右倾斜，La-Eu曲线陡峭，Dy-Y曲线平缓，总体显示芦草沟组页岩具轻稀土元素相对富集的特征，表现为近源沉积，说明准页3井受陆源影响较大。在垂向上，LREE/HREE比值呈现低幅度的增减交替变化，反应酸性水介质的间歇性变化。

3.3.2 Ce异常

δCe 反应稀土元素Ce 异常价态变化，Ce在自然界中多呈+3价的状态，但在氧化条件较好、弱碱性或碱性沉积环境中，Ce3+容易变成 Ce4+。即δCe亏损程度越大，说明沉积还原程度越强。因而，对于沉积物中的 Ce 来说，当δCe<0.95时，指示缺氧还原环境；δCe>1.05指示氧化环境[15-16]。

准页3井样品中δCe 值分布在 0.76～1.02(表1)，平均值为 0.91，显示为弱的负异常，说明芦草沟组页岩的形成环境为弱还原性环境。因为芦草沟组弱还原环境变化幅度较小，所以在垂向上δCe变化规律不明显(图3)。

3.3.3 Eu异常

δEu是指稀土元素Eu异常价态变化情况。在酸性介质中或强还原条件下，Eu3+容易被还原为 Eu2+，而与其他三价稀土元素发生分离，因此δEu出现负异常可以作为酸性还原环境的标志。一般情况下，我们认为δEu>1.05 为正异常，δEu<0.95 为负异常[15-16]。

准页3井样品中δEu 值分布在 0.58～0.73，平均值为 0.65(表1)，显示为明显的负异常，反应了沉积时生物物质耗氧腐化，造成环境酸化还原。

图4 准页3井芦草沟组页岩稀土元素球粒陨石标准化模式图Figure 4 Well ZY3 Lucaogou Formation shale REE chondrite standardization model

4 结论

(1)芦草沟组地层富含白云岩夹层，常量中Na、Ca元素偏高，说明芦草沟组沉积时期气候较为干旱炎热，水体偏碱性；较为富集的P和Fe也表明水体具一定的富营养化，且受周缘火山爆发和北天山陆源供给影响较大。

(2)Sr/ Ba与B参数特征说明芦草沟组整体处于半咸水-咸水环境，随着覆水加深，盐度分层作用使底层水盐度加大，从而芦草沟组自下而上盐度增大。

(3)Fe2+/ Fe3+、V/(V+Ni)、V/Cr、LREE/HREE、δCe和δEu参数特征表明芦草沟组整体为酸化弱还原环境下近源沉积，而下段为贫氧环境，中上段为厌氧环境；但是在垂向上古氧相指标参数浮动变化较大，说明准页3井一带受北天山陆源间歇性影响，水体环境有一定的波动性。

综上所述，准页3井芦草沟组富有机质页岩的沉积介质环境显著特征是具一定水动力的半咸水状态下弱还原-氧化环境，加上不断加深的水体、周缘火山爆发以及北天山陆源供给为有机质的输入和保存提供了优质的条件。

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GeochemicalFeaturesandSedimentaryEnvironmentAnalysisofLucaogouFormationShaleinSouthernJunggarBasin——ACaseStudyofWellZY3

Chen Jian1, Zhuang Xinguo2, Wu Chao3, Liu Xiaofeng2and Zhou Jibing3

(1.Guangdong Bureau of Coal Geological Exploration, Guangzhou, Guangdong 510000;2.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, CUGW, Wuhan, Hubei 430074;3.The Ninth Geological Team, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration, Exploitation, Urumqi, Xinjiang 830000)

Through analysis of Lucaogou Formation shale samples from the well ZY3, has discussed shale samples geochemical features and vertical variation pattern; and then further expounded its sedimentary environmental indicative significance and variation features. The result has shown that the elements Al and K on the low side in well ZY3 Lucaogou Formation shale, Na, Ca and Fe on the high side and P obviously enriched; indicated a rather arid environment as a whole. The Sr/Ba and B parametric features indicated brackish water to salt water sedimentary environment as a whole; from bottom to top the salinity continuously increasing. The Fe2+/Fe3+, V/V+Ni, V/Cr, LREE/HREE,δCe andδEu parametric features indicated Lucaogou Formation is a kind of proximal sedimentation under acidification weak reduction environment as a whole, while lower member under oxygen poor environment, middle and upper members under anaerobic environment. Because of intermittent impacts from the northern Tianshan Mts. terrigenous clasts and volcanic ash have provided rather favorable condition for organic matter entering into and preservation.

Lucaogou Formation; geochemistry; sedimentary environment; Junggar Basin

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.06

1674-1803(2017)08-0032-07

新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目《新疆准噶尔盆地南缘重点远景区页岩气调查评价》的下属专题《准噶尔盆地南缘重点远景区页岩气成藏条件及资源潜力研究》。

陈健(1987—)，男，硕士研究生，主要从事地球化学研究。

2017-05-28

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责任编辑：宋博辇