准噶尔盆地南缘芦草沟组碳质细粒沉积岩地球化学特征及地质背景

王正和， 周继兵， 余 谦， 张应利， 郑 曦

( 1. 中国地质调查局 成都地质调查中心，四川 成都 610083； 2. 新疆地质矿产勘查开发局 第九地质大队，新疆 乌鲁木齐 830009； 3. 中国地质科学院 矿产资源研究所，北京 100037 )

0 引言

新疆准噶尔盆地南缘(准南)上二叠统芦草沟组发育巨厚的富有机质细粒沉积岩，是盆地最重要的烃源岩，具有很大的非常规油气(致密油、油页岩、页岩气)勘探潜力。有关准南芦草沟组沉积古气候、氧化—还原环境、岩石地球化学分类、源岩风化程度等方面的研究较少。根据芦草沟组上部沉积物以黑色为主，含黄铁矿晶体，吴绍祖等推断其沉积于滞流的还原环境，认为芦草沟组发育的厚层油页岩、藻球粒灰岩和两栖类Urumchia化石指示芦草沟组沉积于炎热气候条件[1]。该研究主要依据宏观证据给出定性推论，并无量化数据进一步支撑。Zhang Mingming等利用地球化学方法，研究芦草沟组岩石分类及源岩风化程度，其研究样品仅限于天池的三工河剖面[2]，认为岩石分类以页岩为主，没有探讨自下而上源岩风化程度的变化。彭雪峰等利用地球化学方法研究芦草沟组，认为其油页岩形成于温湿—干热气候，沉积于弱还原—还原环境[3]，没有探讨整个芦草沟组碳质细粒沉积岩的沉积古气候及氧化—还原环境。笔者对整个博格达北缘西段(三工河天池至乌鲁木齐一带)芦草沟组自下而上的碳质细粒沉积岩进行采样，在分析测试基础上，探讨准南芦草沟组地球化学演化特征，以及源岩风化程度、沉积古气候与氧化—还原环境。

1 地质概况

准噶尔盆地位于天山山脉与阿尔泰山脉之间，是一个大型的多类型复合叠加的含油气盆地[4]，经历多阶段不同性质的构造演化与变革，地质条件复杂[5-7]。地壳结构分为3 个构造层：前寒武系结晶地壳层、古生界褶皱基底层和二叠纪至今的沉积盖层[8]。准噶尔盆地具有褶皱基底和结晶基底的“双层基底”。前寒武纪结晶基底和周缘海槽沉积寒武系—石炭系海相、海陆交互相，经过海西期周缘海槽褶皱形成盆地褶皱基底，并在其上接受二叠纪至今的盖层沉积。

上二叠统芦草沟组沉积一套厚度大于500 m且富含有机质的细粒沉积岩。芦草沟组为温暖气候条件下的湖相沉积[1,9]。王正和等认为芦草沟组主要为扇三角洲—湖泊相沉积，且博格达北缘西段芦草沟组露头岩性岩相组合特征具有明显的三分性，可划分为上、中、下段[10]。下段岩性主要为碳质泥岩与薄层状粉砂岩形成多个向上变粗、粉砂质质量分数逐渐变高的沉积旋回；中段岩性主要为单层厚度较大的粉砂岩与碳质泥岩互层；上段岩性主要为碳质泥页岩夹碳酸盐岩夹层，其中碳质泥页岩连续厚度最大，最厚可达700 m。准南芦草沟组主要出露于博格达山北缘山前带(见图1)。

图1 研究区采样位置及综合柱状图Fig.1 Sampling position and the synthesis column map of the study area

2 样品描述和测试方法

2.1 样品描述

样品采自准噶尔盆地南缘博格达山北缘西段芦草沟组中的碳质细粒沉积岩。为使样品具有代表性，24件样品采自平面上不同位置的上、中、下段。其中，上段样品为11件，中段样品为6件，下段样品为7件。样品露头上新鲜断面多呈灰黑色(见图2(a-c))，且有机碳TOC质量分数较高，在单偏光显微镜下可见有机质(见图2(d-e))。样品的TOC质量分数为3.28%～22.81%，均值为10.21%。由于TOC质量分数较高，样品测试结果中烧失量也较高。

图2 芦草沟组碳质细粒沉积岩露头特征及薄片特征Fig.2 The outcrop photograph and the polarizing microscope photograph of the fine-grained sedimentary rocks of Lucaogou formation

2.2 测试方法

样品加工及分析测试在国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心完成。实验仪器为电感耦合等离子体质谱仪和X线荧光光谱仪。根据GB/T 14506.28—1993《硅酸盐岩石化学分析方法X线荧光光谱法》，采用飞利浦PW2400型X线荧光光谱仪测定主量元素，相对偏差小于5%。根据DZ/T 0223—2001《电感耦合等离子体质谱(ICP-MS) 方法通则》，采用Finnigan MAT公司生产的HR-ICP-MS(ElementⅠ) 测定微量元素和稀土元素，分析精度优于3%。24件样品的测试数据见表1。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素

芦草沟组碳质细粒沉积岩的主量元素质量分数变化范围大。碳质细粒沉积岩的SiO2、Al2O3、TiO2质量分数均值由下段往上段升高，Fe2O3T、MgO、Na2O等质量分数均值由下段往上段降低(见表2)。SiO2与Al2O3、K2O质量分数呈较好正相关关系，表明样品的硅质成分主要以黏土矿物形式存在；与CaO、MgO质量分数呈较好负相关关系，表明沉积岩的碳酸盐碎屑和碳酸盐基质是原生而非次生[13-14]。CaO与MgO质量分数呈较好正相关关系，与K2O质量分数呈较好负相关关系(见图3)。Al2O3与CaO、MgO质量分数呈较好负相关关系；与K2O质量分数呈较好正相关关系，表明芦草沟组碳质细粒沉积岩中存在铝黏土矿与碱性长石。

3.2 微量元素

芦草沟组碳质细粒沉积岩的微量元素Ga、Nb、Ta、Rb、Zn、Hf、Be、Pb、Th、Ba等与Al2O3质量分数呈正相关关系，且相关因数r大于0.5(见图4(a))。前5种元素与Al2O3质量分数呈明显正相关关系(见图4(a))，说明Ga、Nb、Ta、Rb、Zn等微量元素与Al2O3共生，易被束缚于黏土矿物晶格。

另外，与澳大利亚后太古代页岩(PAAS)的微量元素质量分数相比[15]，Sr元素在芦草沟组上、中、下段富集，上段和下段比中段Sr元素更显著富集；Hf元素在上段略为富集；其余微量元素在上、中、下段明显亏损(见图4(b))。

表2 芦草沟组碳质细粒沉积岩主量元素质量分数及相关因数

段SiO2Al2O3Fe2O3TCaOMgOK2ONa2OTiO2上段23.40～70.3452.984.52～14.7610.524.24～7.846.041.48～19.224.850.61～10.612.120.76～3.601.820.93～2.201.470.21～1.900.57中段26.83～56.6450.294.68～11.949.755.46～7.856.870.67～15.774.241.03～8.593.210.82～2.951.851.93～4.583.270.13～0.540.32下段37.41～58.4147.256.88～12.719.285.20～10.136.981.65～9.966.121.26～7.244.440.95～2.661.661.35～5.704.010.07～0.610.30rSiO210.83-0.26-0.80-0.750.640.080.16Al2O31-0.10-0.74-0.660.770.090.15Fe2O3T10.350.500.020.27-0.03CaO10.89-0.57-0.02-0.10MgO1-0.500.26-0.35K2O10.08-0.02Na2O1-0.12TiO21

图3 芦草沟组碳质细粒沉积岩主量元素相关关系Fig.3 The correlations of some major elements of fine-grain carbonaceous sedimentary rocks, Lucaogou formation

3.3 稀土元素

(1)芦草沟组碳质细粒沉积岩的稀土元素与Al2O3质量分数呈正相关关系，相关因数分别为：轻稀土元素(La(0.81)、Ce(0.79)、Pr(0.79)、Nd(0.76)、Sm(0.75)、Eu(0.74))，重稀土元素(Gd(0.72)、Dy(0.69)、Tb(0.69)、Ho(0.67)、Er(0.67)、Y(0.66)、Tm(0.65)、Yb(0.62)、Lu(0.60))。Al2O3与轻稀土元素质量分数的相关因数高于重稀土元素的。

(2)芦草沟组碳质细粒沉积岩的稀土元素分析结果见表3。由表3可以看出，芦草沟组各段稀土元素总量(∑REE)存在较大差异，上段∑REE均值最大，中段的最小。各段轻、重稀土元素分异明显，中段∑LREE/∑HREE均值最大，上段的最小。以PAAS标准化后，各段 (La/Yb)NPAAS均值小于1，且自下段往上段均值逐渐降低。总体上，芦草沟组各段碳质细粒沉积岩的轻、重稀土元素分馏程度弱于PAAS的。

表3 芦草沟组碳质细粒沉积岩稀土元素分析

(3)将芦草沟组各段样品的各稀土元素均值与PAAS相比，轻稀土元素明显亏损，上段重稀土元素与PAAS大致相当，但Tm呈正异常；中段与下段重稀土元素均值相当，与PAAS相比呈现亏损(见图4(b))。

(4)芦草沟组各段碳质细粒沉积岩的稀土元素与PAAS的相比，Ce呈弱负异常， Eu在下段与中段呈弱负异常，在上段呈明显正异常，且比PAAS的略富集(见图4(b)、图5(a))。与球粒陨石的稀土元素[16]相比，各段碳质细粒沉积岩样品呈Eu强负异常及Ce弱负异常；中段有一个样品的Tm、Yb和Lu明显正异常，下段有一个样品的Yb和Lu明显负异常 (见图5(b))。总体上，芦草沟组碳质细粒沉积岩REE标准化配分型式一致，上段、中段与下段的物源岩石类型一致。

图4 芦草沟组碳质细粒沉积岩微量元素与稀土元素特征Fig.4 The trace elements and rare earth elements characteristics of the fine-grained carbonaceous sedimentary rocks of Lucaogou formation

图5 芦草沟组碳质细粒沉积岩稀土元素标准化模式

(5)以球粒陨石标准化后， 各段(La/Yb)Nchondrite及(Gd/Yb)Nchondrite均值大于1，且自下段往上段逐渐降低。 (La/Yb)Nchondrite均值为2.40，(Gd/Yb)Nchondrite均值为2.57，热液具有明显的LREE富集[17-18]。芦草沟组上段发育一层厚度约为20 cm斑脱岩，沉积时期伴随岩浆活动。芦草沟组REE除受物源贡献外，还有岩浆活动产生的热液贡献。

4 地质背景

4.1 岩石地球化学分类

芦草沟组碳质细粒沉积岩矿物组分差异较大，黏土质量分数为2%～56%，石英质量分数为10%～63%，多数含有钾长石、斜长石，且铁白云石较为发育(见表4)。采用主量元素分析陆源砂岩与页岩分类的方法[19]，对芦草沟组碳质细粒沉积岩进行分类，样品投点比较集中，主要分散在页岩、铁质页岩、铁质砂岩及杂砂岩4个区域，芦草沟组碳质细粒沉积岩岩石类型复杂多样，以地球化学分类方法难以区分沉积岩类型(见图6)。样品普遍含有铁方解石、铁白云石或菱铁矿，导致较多样品投点落在铁质页岩或铁质砂岩区域。

表4 芦草沟组碳质细粒沉积岩矿物组分质量分数

4.2 源岩风化程度

化学蚀变指数(CIA)可以表征和反映源岩的化学风化程度[20]。芦草沟组下段CIA为34～55，中段CIA为38～60，上段CIA为39～72。根据风化程度的划分标准[21]，芦草沟组下段源岩遭受弱化学风化，中段源岩逐渐变为低化学风化，上段源岩过渡为中等化学风化，即自下段至上段，源岩遭受化学风化作用逐渐增强。由下段至上段，化学风化趋势近于平行A-CN一侧，说明源岩在化学风化过程中无钾交代作用或弱钾交代作用(见图7)。

图6 芦草沟组碳质细粒沉积岩分类Fig.6 Classification of the fine-grained carbonaceous sedimentary rocks, Lucaogou formation

图7 准南芦草沟组碳质细粒沉积岩A-CN-K图Fig.7 The A-CN-K diagram of carbonaceous fine-grained sedimentary rocks of Lucaogou formation

4.3 古气候

通常，Sr/Cu为1.3～5.0，指示为温湿气候；Sr/Cu大于5.0，指示干热气候[22]。去除显著异常的奇异值，芦草沟组下段w(Sr)/w(Cu)的均值为5.8，中段w(Sr)/w(Cu)的均值为3.1，上段w(Sr)/w(Cu)的均值为4.7。表明芦草沟组沉积早期至晚期，气候由略为干热转变为温湿，与芦草沟组沉积时期为炎热气候的结论有差异[1]。芦草沟组上段沉积厚度大，有机质丰度高，更符合温湿气候条件。

Ba2+、Ca2+的碳酸盐(或硫酸盐)溶解度相对较低，易于沉淀，受气候变化的扰动比较敏感； Sr的盐类溶解度相对较大，受气候变化的扰动相对于Ba2+、Ca2+沉淀滞后。沉积岩的w(Sr)/w(Ba)上升，表明气候转为干旱，水体蒸发大于补给使盐度相对增加；w(Sr)/w(Ba)下降，表明气候转为湿润，水体蒸发小于补给使盐度相对降低；w(Sr)/w(Ba)变化相对较小，表明沉积水体的盐度相对较稳定，大致反映气候的稳定性[23]。准南芦草沟组下段碳质细粒沉积岩的w(Sr)/w(Ba)均值为1.4，标准差为0.9；中段w(Sr)/w(Ba)均值为0.7，标准差为0.6；上段w(Sr)/w(Ba)均值为0.9，标准差为0.8。从沉积早期至晚期，芦草沟组明显转向更为温湿的气候，与w(Sr)/w(Cu)揭示的气候变化特征一致；w(Sr)/w(Ba)的标准差反映沉积中期比沉积早期和晚期的气候相对稳定。

4.4 氧化还原环境

Elderfield H提出Ce异常计算方法。以北美页岩标准化后，当Ceanom>-0.1时，为缺氧还原条件；当Ceanom<-0.1时，为氧化环境[24]。芦草沟组下段碳质细粒沉积岩样品Ceanom为-0.10～-0.04，均值为-0.06；中段Ceanom为-0.09～-0.04，均值为-0.07；上段Ceanom为-0.09～-0. 02，均值为-0.07 。因此，芦草沟组各段碳质细粒沉积岩沉积于缺氧还原条件。

一般认为，w(V)/w(V+Ni)≥0. 46，指示缺氧环境[25]。芦草沟组下段碳质细粒沉积岩的w(V)/w(V+Ni)为0.67～0.79，均值为0.73；中段w(V)/w(V+Ni)为0.63～0.91，均值为0.71；上段w(V)/w(V+Ni)为0.62～0.88，均值为0.76 。表明芦草沟组各段碳质细粒沉积岩沉积于缺氧的还原环境，并且水体分层不强。

5 结论

(1)自下段至上段，准南芦草沟组碳质细粒沉积岩的源岩遭受化学风化作用越来越强，物源的搬运时间越来越长，物源越来越远，与芦草沟组上段中基本不发育粗碎屑层的特征符合。

(2)沉积早期至晚期，芦草沟组气候由略为干热转变为温湿，导致源岩风化程度越来越强，符合芦草沟组自下而上相对湖平面上升的特征。此外，沉积中期比沉积早期和晚期的气候相对更稳定。

(3)芦草沟组各段碳质细粒沉积岩均沉积于缺氧的还原环境，与芦草沟组细粒沉积岩富集有机质、含黄铁矿及含磷块岩反映的还原环境一致。

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