准东地区二叠系芦草沟组发育期古环境特点恢复的地球化学记录

李　锋，杜小弟，徐银波，杨园园 ，周钰杰

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；2.振华石油控股有限公司；3.中国地质大学(北京)能源学院)

准东地区二叠系芦草沟组发育期古环境特点恢复的地球化学记录

李锋1，杜小弟1，徐银波1，杨园园2，周钰杰3

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；2.振华石油控股有限公司；3.中国地质大学(北京)能源学院)

摘要：油页岩的地球化学指标可以有效地反映古沉积环境。以准噶尔盆地东部隆起区吉木萨尔凹陷新近完成的JZK1井钻遇的二叠系芦草沟组为研究对象，通过沉积学和地球化学分析，认为芦草沟组发育时期，沉积环境主体为半深湖相-深湖相，Fe2+/Fe3+值平均为1.46，最高达2.35，Mn/Fe值0.01～0.11，相当硼含量小于200×10-6的样品占近半数，Sr/Ba小于1的样品数为76%，稀土总量丰度较低，且轻稀土元素相对富集，δEu值具明显负异常，δCe基本无异常。说明芦草沟组沉积时期以淡水还原环境为主，间或与海连通，形成短时期的咸水-半咸水环境，有利于有机质保存，具备大规模烃源岩发育地质条件。

关键词：准噶尔盆地；二叠系；芦草沟组；油页岩；古环境；地球化学

近年来，油页岩作为一种非常规能源，引起广泛关注。沉积岩所含元素的丰度与分布不仅受源岩区的影响，也受到沉积成岩过程中环境流体性质改造[1]。油页岩是一种典型的富含有机质的细粒沉积岩，其多数元素稳定，即使丰度略有差异，其相关元素比值和分布形式仍保持相对稳定[2]，因此，油页岩的地化参数可以有效指示其沉积成岩时的古环境特征[3-4]。

在我国西北地区，二叠系芦草沟组是准噶尔盆地及三塘湖盆地重要的区域性烃源岩层系之一[5-6]，当前对三塘湖盆地芦草沟组组的研究较为深入。本文拟依据准噶尔盆地东部吉木萨尔凹陷JZK1井岩心地球化学分析测试数据，从沉积环境、氧化还原条件、古盐度、酸碱度等方面对二叠系芦草沟组的古环境特点进行恢复和再造，对准噶尔盆地芦草沟组优质烃源岩的成因、空间展布特征和致密油的勘探具有重要意义。

1区域地质背景

准东地区中二叠统芦草沟组野外出露主要位于博格达山前带，西起乌鲁木齐市雅玛里克山，东至奇台的白杨沟，可见出露于妖魔山、井井子沟、天池、三工河、大黄山、东大龙口、石长沟等剖面。结合区域钻井揭示及地震资料，芦草沟组平面展布断续延伸约136 km，宽度2～10 km，发育面积大约为2×104km2(图1)。

作为本文重点研究的JZK1井，位于吉木萨尔县城西部。该井揭示芦草沟组总厚度519.4 m，主要层位为芦草沟组三段和二段，钻遇岩石类型有中砂质细砂岩、细砂岩、细砂质粉砂岩、粉砂岩、白云质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、白云质泥岩及油页岩等。芦草沟组发育时期，主体为半深湖相-深湖相，仅在顶部和底部发育扇三角洲相(表1)。顶部沉积厚度 29 m，为扇三角洲亚相，由水下分流河道微相和河道间湾微相互层构成；底部沉积厚度49.4 m，发育扇三角洲亚相，由前缘席状砂夹河口坝微相组成；中部沉积厚度441 m，由半深湖相-深湖微相夹浊积岩微相构成，其中，浊积岩夹层共6层，厚度3～40 m，累计厚度80 m，为油的主要赋存层位。

表1　JZK1井芦草沟组发育沉积相类型

图1　准东地区中二叠统芦草沟组平面展布范围

2油页岩样品采集及实验分析

JZK1井中油页岩主要发育于芦草沟组二段的深湖-半深湖相层段，呈不等厚层状重复性出现。本次研究，取油页岩岩心样品10 g，用10%盐酸浸泡预处理，恒温烘干，破碎研磨至200目备用。常量元素分析采用熔片法X-射线荧光光谱(XRF)，微量元素和稀土元素的测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析完成。本次测量油页岩样品常量元素分析4件，微量元素分析37件，稀土元素分析8件，相应分析结果见表2、表3和表5。

表2　芦草沟组油页岩Fe2+/Fe3+比值

(大黄山数据来自王东营等, 2008[11])

3结果与讨论

3.1常量元素与古沉积环境

铁元素在海盆中沉积具有明显的规律性，随着pH值的增大，Eh的降低，铁的化合价态由Fe3+相应过渡为Fe2+[7]，因而Fe2+/Fe3+常用来划分氧化还原相。一般认为，Fe2+/Fe3+>1为还原环境，Fe2+/Fe3+等于1为中性环境，Fe2+/Fe3+<1为氧化环境[8]。

吉木萨尔油页岩样品取自于JZK1井深部，其Fe2+/Fe3+比值平均为1.46，最高达2.35(表2)，油页岩中主要含铁矿物为黄铁矿和铁白云岩，应比较准确代表弱还原环境或还原环境。与大黄山剖面采集的10个油页岩样品的分析结果(表2)对比发现，由于地表氧化作用，黄铁矿氧化为褐铁矿或黄钾铁矿，即受Fe2+被氧化成Fe3+的影响，Fe2+/Fe3+比值明显降低，说明该比值在实际应用中具有一定的局限性。

搬运过程中，沉积物中所含Fe2+易被氧化转变为Fe3+，以Fe(OH)3的形式沉淀，所以铁元素的化合物在近岸滨海地区富集。而锰元素却能在离子溶液中比较稳定地存在[9]，可在离海岸较远的盆地中心沉积，因而海相页岩中Mn/Fe值比淡水页岩要高得多[10]。吉木萨尔JZK1井中油页岩Mn/Fe比值范围为0.01～0.11，与大黄山油页岩Mn/Fe比值范围0.02～0.10相似(表3)，均远远小于海相沉积页岩。表明芦草沟组油页岩的沉积环境以淡水环境为主。

表3　芦草沟组油页岩Mn/Fe比值

(大黄山数据来自王东营等，2008[11])

3.2微量元素与古盐度

作为古环境和古气候分析中的一个重要指标,古盐度在恢复沉积时期古地理环境和古气候中具有重要的应用。目前较为广泛应用B元素含量及Sr/Ba比值来判别海相与陆相、氧化与还原、盐度等沉积特征(表4)。

表4　判别海陆环境的微量元素参考指标

海水溶液中硼元素的浓度与盐度呈线性相关，因此，油页岩中硼元素含量可直接反映沉积时的古盐度。相当硼含量是指相当于伊利石中K2O含量为5%时的硼含量。walker[12]认为，相当硼含量与古盐度密切相关，正常海水环境，相当硼含量为(300～400)×10-6，半咸水环境为(200～300)×10-6，小于200×10-6则为淡水沉积。

吉木萨尔南油页岩37件样品中，18件样品硼含量小于200×10-6，7件样品(200～300)×10-6,12件样品大于300×10-6，说明在芦草沟组油页岩沉积环境是淡水主导，但是受到海水一定程度的影响；从大黄山芦草沟组油页岩10个样品硼含量测定结果看，大部分小于200×10-6，仅1个样品在(200～300)×10-6，沉积环境亦受到海水的影响。综合分析认为JZK1井所在的吉木萨尔一带为海退方向，受海水影响较大。

尽管亲石元素Sr和Ba地球化学性质很相似，但在沉积盆地水体中，Sr元素主要从海水中直接沉淀，Ba元素易被黏土及细碎屑沉积物吸附而富集。在海水中形成的沉积物，其Sr的含量高而Ba的含量低，与淡水中形成的沉积物情况相反。一般认为，泥岩中若Sr/Ba比值大于1，则为海水沉积，Sr/Ba比值小于1则属陆相淡水沉积[13]。

吉木萨尔南油页岩37件样品中，28件样品Sr/Ba小于1，9件样品大于1，说明在芦草沟组油页岩沉积环境以淡水沉积为主，特定时段受到海水的影响；从大黄山芦草沟组油页岩10个样品中9个Sr/Ba比值大都小于1，仅有1个样品的Sr/Ba比值大于1，表明本区沉积环境主要为淡水半深湖-深湖等陆相。与硼元素所指示的沉积环境基本一致。

3.3稀土元素与古环境

基于8件样品的稀土元素分析结果(表5) 及Leed陨石和北美页岩标准化后的稀土配分模式特征(图2A)发现，吉木萨尔油页岩的稀土元素总量介于(81.96～121.62)×10-6，含量偏低，小于北美页岩(表5，图2B)。其可能原因一方面是剥蚀区原岩稀土元素本身绝对含量较低；另一方面受风化、搬运到地表沉积环境的影响。此外，泥岩类烃源岩中钙质含量较高也是稀土元素含量偏低的重要原因[14]。

轻稀土元素(LREE)指从La～Eu各稀土元素，

图2　芦草沟组油页岩稀土元素分配型式A:据Leed球粒陨石标准化，Masuda,1973[16])；B:据北美页岩标准化,Gromet，1984[17])

重稀土元素(HREE)指从Gd～Lu各稀土元素。∑LREE/∑HREE比值大小可反映出轻重稀土元素的分异程度，大比值表明轻稀土元素的富集，而重稀土元素亏损。在陆源物质搬运过程中，因LREE易被细粒沉积物吸附，使得近物源区沉积物中轻稀土元素相对富集。吉木萨尔油页岩LREE/HREE比值的平均值为5.73，较球粒陨石的2.40明显要高。大黄山油页岩LREE/HREE比值为1.98～3.73，具有轻稀土元素富集特征，反映相似意义的(La/Yb)n比值为4.16～9.41，表现为近源陆相沉积。

表5　吉木萨尔油页岩稀土元素分析结果　　　　　　　　　　　10-6

在酸性介质中或强还原条件下，因Eu3+被还原成Eu2+发生再次元素运移，使得沉积物中Eu元素产生负异常。因此，油页岩中δEu的负异常可指示酸性还原环境。吉木萨尔油页岩经球粒陨石标准化后，δEu平均值为0.64，与上地壳平均值0.65相差不大，Eu具有较明显的亏损，大黄山油页岩δEu值0.69～0.81，均呈现负异常，反映出油页岩沉积时，大量生物物质耗氧腐化，导致酸化还原环境。

在碱性介质与高氧化电位的表生作用带，Ce3+易被氧化成Ce4+，生成Ce亏损的岩矿组合。因此，δCe的负异常可指示碱性氧化成岩流体环境。在海水pH、Eh条件下，Ce3+易于氧化成Ce4+，造成海水中Ce亏损明显，而海相沉积物中Ce富集[15]。一般δCe>1.05为正异常，代表氧化环境，δCe<0.95为负异常，指示还原环境。吉木萨尔深部油页岩δCe值0.86～1.00，平均值为0.95，基本无异常，反映弱的还原环境。大黄山地表油页岩样品，除一件为正异常外，其他呈现弱的负异常，显示有海水影响，可能与近地表氧化作用有关。

4结论

中二叠世初期，在博格达山北麓地区形成了陆相深水湖盆，芦草沟组沉积时期，整体为一闭塞滞留的深湖-半深湖环境，形成以粉砂岩-细砂岩为主体的深水沉积夹不等厚浊积岩岩性序列。芦草沟组沉积时期以淡水还原环境为主，间或与海连通，形成短时期的咸水-半咸水环境。此时期气候温暖潮湿，十分有利于水生生物和植物的生长繁殖，有机质十分丰富，形成区域分布广泛的烃源岩层。

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编辑：吴官生

文章编号：1673-8217(2016)02-0012-05

收稿日期：2015-10-28

作者简介：李锋，高级工程师，1969年生，1991年毕业于江汉石油学院，现从事油气基础地质调查与战略选区工作。

基金项目：国土资源部全国油气资源战略选区调查与评价项目(1211302108019)资助。

中图分类号：TE311

文献标识码：A