吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组烃源岩沉积古环境

蒋中发，丁修建，王忠泉，赵辛楣

（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.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

0 引言

前人从多角度对吉木萨尔凹陷芦草沟组沉积古环境进行了分析，总的来讲，元素以及同位素数据表明其为咸化还原沉积，生物标志物数据表明其为咸化还原—半咸水半还原沉积，目前还没有结合生物标志物参数和元素参数、有机结合无机综合分析古沉积环境演化的研究。笔者利用生物标志化合物、主量元素以及微量元素等地球化学数据，从有机和无机等2 个角度出发，从多个古沉积环境关键参数入手重建吉木萨尔凹陷芦草沟组沉积期的古环境，并揭示其演化规律，以期对页岩有机质富集规律的研究和页岩油勘探提供指导。

1 地质概况

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部，北部以吉木萨尔断裂为界，西部以老庄湾断裂、西地断裂为界，南部以三台断裂为界，东接古西凸起，总体呈“东高西低”的单斜形态，面积达1 278 km2（图1）。芦草沟组黑灰色泥岩与白云质岩互层段见良好油气显示，2011 年，吉25 井芦二段试油获日产18.25 t的工业油流，标志着芦草沟组页岩油的发现［2］。在之后的直井、水平井生产试验中，共获得工业油流15 口井20 层，证实了芦草沟组10 亿t 级的巨大勘探潜力［2］。

图1 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷区域构造位置Fig.1 Tectonic location of Jimsar Sag，Junggar Basin

研究区探井自上而下钻遇第四系（Q）至石炭系（C），其中第四系、新近系（N）、古近系（E）在浅层发育；白垩系发育吐谷鲁群（K1tg）；侏罗系发育齐古组（J3q）、西山窑组（J2x）、三工河组（J1s）、八道湾组（J1b）；三叠系发育克拉玛依组（T2k）、烧房沟组（T1s）、韭菜园子组（T1j）；二叠系发育梧桐沟组（P3wt）、芦草沟组（P2l）、将军庙组（P2j）；石炭系发育巴塔玛依内山组（C2b）。

吉木萨尔凹陷芦草沟组为一套陆相咸化湖盆沉积，沉积相包括三角洲前缘、砂质浅滩、云坪、半深湖和深湖等，主要发育由陆源碎屑、火山碎屑和碳酸盐矿物构成的陆相混积岩，与金湖凹陷阜二段类似［13-14］。在地层上可进一步划分为芦一段和芦二段，其中吉174 井芦草沟组一段深度为3 204～3 358 m，芦二段深度为3 109～3 204 m，分别发育孔渗相对较高的“下甜点段”和“上甜点段”，为页岩油主力产层［6，15］。

2 地球化学特征

研究主要采用生物标志物以及元素分析等手段，共收集吉174 井60 块烃源岩生物标志物样品数据，饱和烃色谱实验采用型号为6890 N 气相色谱仪测试，检测标准为SY/T 5779—2008，色谱-质谱检测设备型号为MS220-0251 色谱/质谱连用仪，检测标准为GB/T 18606—2001。挑选27 块烃源岩样品进行元素分析，检测仪器为AB104 L，Axios-Max波长色散X 射线荧光光谱仪，检测依据为GB/T 14506.14—2010 和GB/T 14506.28—2010。

2.1 生物标志物特征

吉木萨尔凹陷芦一段与芦二段烃源岩在生物标志物特征上呈现出一定的差异。芦一段烃源岩以吉174 井3 309.40 m 样品点为代表，在吉174 井中主要为3 240～3 325 m 井段，正构烷烃主峰碳以nC17为主，Pr 与Ph 含量相当，且明显高于正构烷烃，w（Pr）/w（nC17）主要为0.30～2.29，w（Ph）/w（nC18）主要为0.30～3.84，w（Pr）/w（Ph）主要为0.67～1.47，β胡萝卜烷较为富集，w（β胡萝卜烷）/w（nCmax）主要为0.11～6.14（图2）。m/z 191 谱图中以C30藿烷为主峰，w（伽马蜡烷）/w（C30藿烷）主要为0.17～0.39，C19三环萜烷与C24四环萜烷含量偏低，w（C24四环萜烷）/w（C26三环萜烷）主要为0.57～9.01，在m/z 217谱图中以规则甾烷为优势，ααα-C29规则甾烷（20 R）为主峰，C27，C28，C29规则甾烷含量为“上升型”。

2011年3月，我国第十二个五年（2011-2015年）规划纲要强调：“面对日趋强化的资源环境约束，必须增强危机意识，树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点，健全激励与约束机制，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力，提高生态文明水平。”

芦二段烃源岩以吉174 井3 155.32 m 样品为代表，正构烷烃主峰碳以nC21和nC23为主，Pr，Ph 与正构烷烃相当，w（Pr）/w（nC17）主要为0.14～2.50，w（Ph）/w（nC18）主要为0.08～2.43，w（Pr）/w（Ph）主要为1.01～2.10，β胡萝卜烷含量较低，w（β胡萝卜烷）/w（nCmax）主要为0～1.58（图3、表1）。C19三环萜烷与C24四环萜烷富集，w（C24四环萜烷）/w（C26三环萜烷）主要为1.02～11.75，伽马蜡烷含量较低，w（伽马蜡烷）/w（C30藿烷）主要为0.09～0.36，m/z 217 谱图中以规则甾烷为优势，C27，C28，C29规则甾烷含量为“上升型”。

图3 吉木萨尔凹陷芦二段烃源岩典型生物标志物谱图Fig.3 Typical biomarker spectrum of source rocks of the second member of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

生物标志物含量的不同指示芦一段和芦二段在沉积环境、母质来源以及生物降解方面可能存在差异。正构烷烃主峰碳是指示有机质输入最为直观的参数，芦草沟组正构烷烃主峰碳主要为nC17，nC21和nC23，指示有机质输入以低等水生生物为主，C28规则甾烷和C29规则甾烷的优势在这里指示硅藻和蓝绿藻大量存在，该特征与同样为低等水生生物输入的准噶尔盆地西北缘二叠系风城组烃源岩相同，与藻类输入为主的鄂尔多斯盆地三叠系长7油层组烃源岩表现为C29规则甾烷优势相似［16-17］。从饱和烃色谱图上看，正构烷烃保存相对完整，且在m/z 177 谱图上未见到降-25 藿烷系列，指示未遭受明显生物降解。芦一段烃源岩类异戊二烯烃以及β胡萝卜烷含量高于正构烷烃的现象可能是由于特殊生油母质导致的，同时期西北缘风南地区风城组烃源岩同样呈现出该特征［18］。本文选取Pr/Ph，Pr/nC17，Ph/nC18，β胡萝卜烷/nCmax，伽马蜡烷/C30藿烷，C24四环萜烷/C26三环萜烷这些具备古沉积环境意义的参数进行分析（参见表1）。

2.2 主量、微量元素特征

将吉174 井芦草沟组烃源岩主量、微量元素平均值同澳大利亚后太古代页岩平均值（PAAS）［19］作比较，吉174 井芦草沟组烃源岩明显富集MgO，CaO，Na2O 和Sr（图4），MgO 和CaO 富集的原因可能是研究区芦草沟组白云石［化学式为CaMg（CO3）2］含量较高，Na2O 富集的原因可能是研究区芦草沟组富含斜长石［化学式为Na（AlSi3O8）-Ca（Al2Si2O8），平均质量分数为23.96%］的火山灰输入较高导致的。同时该烃源岩还呈现出了SiO2，Al2O3和TiO2亏损的特征。

图4 吉174 井芦草沟组主量、微量元素含量平均值同澳大利亚后太古代页岩平均值比值Fig.4 Mean values of major and trace elements of Lucaogou Formation in well J174 and the mean values of Post-Archean Australia shales

吉174 井芦草沟组烃源岩样品点的主量元素、微量元素在芦一段和芦二段之间呈现出一定的差异，芦一段相对富集Mg，Ca，FeO，V 和Sr，芦二段相对富集Al，Fe2O3和Th（表2）。

表2 吉174 井芦一段、芦二段主量、微量元素含量Table 2 Major and trace element content of the first and second members of Lucaogou Formation in well J174

3 古氧相

Pr/Ph，Pr/nC17和Ph/nC18均是判断烃源岩沉积环境氧化还原性应用较为广泛的生物标志物参数，β胡萝卜烷是典型湖相烃源岩生物标志物，V/（V+Ni），δU 和Fe2+/Fe3+均为古氧相评价的有效参数，综合上述参数对吉木萨尔凹陷芦一段和芦二段沉积期古氧相进行评价。

3.1 Pr/Ph 与β 胡萝卜烷/nCmax

无环类异戊二烯烃与正构烷烃可通过饱和烃色谱测定含量，应用比较广泛的包括姥鲛烷（Pr）与植烷（Ph）。它们主要来源于光合作用叶绿素a 以及细菌当中叶绿素a 和叶绿素b 的植基侧链，在还原条件下形成Ph，在氧化环境下形成Pr［20-21］。由于Pr 与Ph 的成因与氧化还原性有关，Pr/Ph 可作为烃源岩沉积期氧化还原性指标，卢双舫等［21］和山鑫杰等［22］均认为形成于偏氧化环境下的烃源岩w（Pr）/w（Ph）大于2，形成于半氧化—半还原环境下的烃源岩w（Pr）/w（Ph）为1～2，在还原环境下形成的烃源岩w（Pr）/w（Ph）小于1。如图5 所示，吉174 井芦草沟组一段w（Pr）/w（Ph）主要为0.67～1.47，平均为1.04，31 个数据点中有13 个小于1，反映其沉积期总体处于偏还原环境；芦二段w（Pr）/w（Ph）主要为1.01～2.10，平均为1.34，仅有1 个样品点大于2，指示半氧化—半还原环境（图5）。

图5 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源β 胡萝卜烷/nCmax-Pr/Ph 交会图Fig.5 Crossplot of β-carotene/nCmax and Pr/Ph of source rocks of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

β胡萝卜烷为一种高碳数的四萜类饱和烃，来源于β胡萝卜烯，在还原环境下得以保存，通常指示咸化分层湖相沉积，用β胡萝卜烷/nCmax来表征其丰度［20，23］。吉174 井芦一段总体富集β胡萝卜烷，w（β胡萝卜烷）/w（nCmax）主要为0～6.14，平均为1.11，31 个样品点有14 个大于1，而芦二段w（β胡萝卜烷）/w（nCmax）主要为0～1.58，平均为0.33，29个样品点仅有2 个大于1，说明吉木萨尔凹陷芦一段较芦二段缺氧程度和咸化程度均更高（图5）。

3.2 Pr/nC17 和Ph/nC18

Shanmugan［24］提出的利用Pr/nC17和Ph/nC18来评价烃源岩沉积环境的图版得到了广泛的应用，吉174 井芦一段数据点在该图版中主要位于海相藻类、还原环境区域，指示其沉积期处于还原环境；芦二段3 个样品点处于氧化区域，20 个样品点处于半氧化—半还原区域，6 个样品点处于还原区域，指示其部分层段沉积期处于还原环境，总体处于半氧化—半还原环境（图6）。

图6 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18交会图（据文献［24］修改）Fig.6 Crossplot of Pr/nC17 and Ph/nC18of source rocks of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

3.3 V/（V+Ni），δU 和Fe2+/Fe3+

V 元素与U 元素在氧化水体中分别以V5+和U6+溶解形式存在，在还原水体中会分别被还原成V3+和U4+沉淀，对水体氧化还原性变化较敏感，通常用V/（V+Ni）和δU［δU=2 U/（U+Th/3）］来表征其丰度，w（V）/［w（V）+w（Ni）］大于0.45、δU 大于1 指示贫氧、厌氧环境［25-30］。在氧化环境中Fe2+遇到O2会被氧化成Fe（OH）3沉淀下来，一般用Fe2+/Fe3+来表征沉积物沉积时水体的还原性，x（Fe2+）/x（Fe3+）大于1 表征贫氧、厌氧环境［28］。可采用上述3 个元素指标来评价芦一段和芦二段的古氧相。

吉174 井芦草沟组V，U 以及Fe2+含量总体较高，其中芦二段w（V）/［w（V）+w（Ni）］主要为0.6～0.8，平均为0.74，δU 主要为1.0～1.4，平均为1.21；x（Fe2+）/x（Fe3+）主要为0～4，平均为2.33，总体表现为贫氧沉积；相对而言芦一段w（V）/［w（V）+w（Ni）］主要为0.7～0.9，平均为0.79，δU 主要为1.2～1.4，平均为1.28，x（Fe2+）/x（Fe3+）主要为0～2 或大于6，平均为3.60，相比之下更为富集V，U 以及Fe2+，总体表现为贫氧-厌氧沉积（图7）。

综合上述生物标志物、主量元素、微量元素参数，吉木萨尔凹陷芦草沟组沉积期总体处于偏还原环境，其中芦二段沉积期总体处于贫氧环境，芦一段沉积期总体处于贫氧-厌氧环境。

图7 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩V/（V+Ni），δU，Fe2+/Fe3+频率分布Fig.7 Frequency distribution of V/（V+Ni），δU and Fe2+/Fe3+of source rocks of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

4 古盐度与古气候

伽马蜡烷含量在评价烃源岩沉积古盐度中为一核心参数，C24四环萜烷指示陆源有机质和淡水输入，同时Sr 元素在评价沉积物古盐度中应用广泛，Ca/（Ca+Fe）和MgO/Al2O3也是古盐度的良好表征参数，原生碳酸盐岩δ18O 能够较好地反映陆源淡水输入以及古气候的变化，可采用以上参数来综合分析准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组沉积古盐度及古气候。

4.1 伽马蜡烷/C30 藿烷和C24 四环萜烷/C26 三环萜烷

伽马蜡烷是结构与藿烷类似的五环三萜烷，主要来自食菌纤毛虫产生的四膜虫醇，食菌纤毛虫主要生活在水体含氧与缺氧带之间，因此伽马蜡烷的富集通常为分层水体的标志。由于通常情况下分层水体是由水体盐度分层导致的，地质学者通常利用伽马蜡烷的含量来表征沉积盐度的高低，采用最多的参数为伽马蜡烷/C30藿烷［31-32］。C24四环萜烷主要来源于高等植物有机质中，一般在淡水环境中较为富集，其丰度通常用C24四环萜烷/C26三环萜烷来表征［33-34］。

芦一段w（伽马蜡烷）/w（C30藿烷）主要为0.17～0.39，其中10%的数据点低于0.2，64%的数据点分布于0.2～0.3，26%的数据点高于0.3，反映了总体为咸化沉积，咸化时期比芦二段沉积期的咸化时期更长，且咸化程度更高；w（C24四环萜烷）/w（C26三环萜烷）主要为0.57～9.01，其中35% 的数据点低于1，19% 的数据点高于2，指示陆源淡水输入较少，总体偏干旱（图8）。

图8 吉木萨尔凹陷芦草沟组伽马蜡烷/C30藿烷、C24四环萜烷/C26三环萜烷交会图Fig.8 Crossplot of gamma-cerane/C30hopane and C24 tetracyclic terpenes/C26tricyclic terpenes of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

芦二段w（伽马蜡烷）/w（C30藿烷）主要为0.09～0.36，变化较大，反映了其沉积时期水体古盐度存在较大的变化，其中14%的数据点低于0.2，76%的数据点分布于0.2～0.3，10%的数据点高于0.3，反映了其总体为半咸水沉积；w（C24四环萜烷）/w（C26三环萜烷）主要为1.02～11.75，39%的样品点高于2，指示其部分层段有大量淡水输入，气候较为潮湿。

4.2 Sr/Ba，Ca/（Ca+Fe）和MgO/Al2O3

锶元素（Sr）在淡水湖盆中主要以Sr（HCO3）2形式在沉积物中发育，而当湖盆咸化后Sr 能够以硫酸锶的形式析出沉淀，因此Sr 能够较好地反映烃源岩发育时的水体古盐度，通常以Sr/Ba 来表征其丰度，w（Sr）/w（Ba）高于1 指示咸水环境［35-36］。Ca 一般在海相地层中比较富集，Fe 在淡水沉积物中较为富集，Ca/（Ca+Fe）常用于表征沉积物水体的古盐度，x（Ca）/［x（Ca）+x（Fe）］主要为0.60～0.89 的沉积物古盐度介于淡水和海水之间［37-39］。MgO 具有亲海性，Al2O3具有亲陆性，MgO/Al2O3常用于水体古盐度的表征［35，39］。

吉174 井芦草沟组芦二段w（Sr）/w（Ba）主要为0～2，平均为1.29，x（Ca）/［x（Ca）+x（Fe）］主要为0.4～0.8，平均为0.58，w（MgO）/w（Al2O3）主要为0～0.6，平均为0.63，在w（MgO）/w（Al2O3）为0.6～0.8或大于1 的层段也有分布，总体表现为半咸水沉积，局部为淡水沉积或咸化沉积；芦一段w（Sr）/w（Ba）主要为0～3，平均为1.70；x（Ca）/［x（Ca）+x（Fe）］主要为0.4～1.0，平均为0.67；w（MgO）/w（Al2O3）主要为0～0.8和大于1，平均为0.88。Sr，Ca，Mg 元素更为富集，总体表现为陆相咸化沉积，部分层位为淡水沉积或半咸水沉积（图9）。

图9 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩Sr/Ba，Ca/（Ca+Fe），MgO/Al2O3，碳酸盐岩δ18O 频率分布Fig.9 Frequency distribution of Sr/Ba，Ca/（Ca+Fe），MgO/Al2O3and authigenic carbonate δ18O of source rocks of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

4.3 碳酸盐岩δ18O

原生碳酸盐岩氧同位素能够反映古气候的变化，在气候潮湿期，低氧同位素的陆源淡水输入增多，会导致原生碳酸盐岩δ18O 偏负，反之在干旱的气候条件下较轻的δ16O 蒸发，使湖水δ18O 富集，原生碳酸盐岩δ18O 偏正［5］。统计Wu 等［40］和寇均益［41］共86 个样品点数据，吉174 井芦草沟组芦二段碳酸盐岩δ18O 主要为-10‰～-4‰，平均为-6.21‰，芦一段主要为-7‰～-1‰，平均为-4.55‰，芦一段氧同位素明显偏正，指示芦一段沉积期古气候较为干旱，而芦二段沉积期较为潮湿（图9）。

综合C24四环萜烷/C26三环萜烷、碳酸盐岩δ18O来看，芦一段沉积期气候较为干旱，陆源淡水注入较少，而芦二段沉积期气候总体更加潮湿，陆源淡水注入较多。综合伽马蜡烷/C30藿烷，Sr/Ba，Ca/（Ca+Fe）和MgO/Al2O3来看，在干旱气候下芦一段沉积期蒸发作用较为强烈，湖盆咸化程度较高，水体分层明显，还原性强，总体为咸水沉积，部分时期为半咸水沉积；在较为湿润气候下芦二段沉积期淡水注入多，湖盆总体为半咸水沉积，部分层位为干旱咸化沉积，水体分层弱于芦一段沉积期。

5 古水深

在沉积物搬运过程中Ti 稳定性较差，在浅水环境容易富集，Mn 较为稳定，可以进行长距离的搬运至深水地区，因此MnO/TiO2可以较好地反映沉积过程中古水深的变化［35，42］。吉174 井芦草沟组芦二段w（MnO）/w（TiO2）主要为0.05～0.20，平均为0.18，芦一段w（MnO）/w（TiO2）主要为0.05～0.40，平均为0.24，指示芦一段沉积期古水深更深（图10）。

图10 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩MnO/TiO2频率分布Fig.10 Frequency distribution of MnO/TiO2of source rocks of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

地球化学特征研究表明，芦一段沉积期准噶尔盆地吉木萨尔凹陷水体较深，气候干旱，为贫氧-厌氧环境下的咸水沉积，部分层段为半咸水沉积；芦二段沉积期气候潮湿，陆源淡水注入增多，总体为贫氧环境下的半咸水沉积，部分时期为咸水沉积。现今吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油勘探主要聚焦于“上甜点段”，根据地球化学分析认为，芦一段沉积期还原性更强，有利于富有机质页岩保存，可以考虑将“下甜点段”作为下一步的勘探目标。

6 结论

（1）准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组烃源岩正构烷烃完好，无明显生物降解影响，主峰碳以nC17，nC21和nC23为主，总体富集类异戊二烯烃、β胡萝卜烷和C29规则甾烷，指示其生物来源为较特殊的低等水生生物，元素分析测试表明其总体富集MgO，CaO，Na2O 和Sr。

（2）准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦一段w（Pr）/w（Ph）平均为1.04，富集V，U 和Fe2+，主要为贫氧-厌氧环境；芦二段w（Pr）/w（Ph）平均为1.34，V，U和Fe2+富集程度略低于芦一段，表明芦二段沉积期总体为贫氧环境，部分时期处于富氧或厌氧环境。

（3）准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦一段w（伽马蜡烷）/w（C30藿烷）平均为0.27，富集Sr，Ca 和Mg，碳酸盐岩δ18O 偏正，主要为干旱气候下咸化湖相环境，部分层段为半咸水沉积；芦一段相对富集Fe，Al和C24四环萜烷，碳酸盐岩δ18O 偏负，总体处于较潮湿半咸水环境，部分时段处于干旱咸化环境。

（4）准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦一段相对富集Mn，芦二段相对富集Ti，指示芦一段古水深更深。