玛湖凹陷风城组碱湖烃源岩发育的构造背景和形成环境

张元元，李威，唐文斌

准噶尔盆地是中国西北地区大型叠合型含油气盆地[1]，玛湖凹陷下二叠统风城组湖相优质烃源岩[2-4]是准噶尔盆地西北缘百里油区形成的重要物质基础。世界范围内报道的碱湖优质烃源岩主要集中在新生界，埋深不超过1 500 m，比如美国始新统绿河页岩，土耳其安纳托利亚中新统古尔组页岩以及中国泌阳凹陷的核桃园组暗色泥岩[5-8]。基于沉积学、岩石矿物学、有机地化特征、生烃特征等，风城组被认为是中国至今发现的最古老的碱湖沉积，是湖相优质烃源岩的一种重要类型[2-3]，总体处于咸（碱）化湖盆沉积环境。玛湖凹陷下二叠统风城组也是准噶尔盆地致密油规模分布区[2]，与吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组、沙帐—石树沟凹陷二叠系平地泉组及博格达山前芦草沟组相比，生烃特征存在巨大差异，具有油多气少、转化率高、连续生烃和油质轻的特点。风城组除了发育典型的白云质岩沉积，还出现特征性碱类矿物和火山矿物，这对生烃起延滞和催化作用，使得烃源岩生油窗拉长[4]。这些碱类矿物的形成与咸（碱）化湖盆的温度、pH值和CO2的分压有关[9]，涉及到古气候、沉积及构造等多方面。因此，关于碱湖烃源岩的研究，具有重要的油气地质意义。

玛湖凹陷下二叠统风城组这套特殊碱湖烃源岩形成的构造背景和沉积环境具有独特性，是值得深入探索的科学问题。本文结合区域背景，研究准噶尔盆地西北缘二叠纪的构造环境，并结合下二叠统沉积、岩石矿物学特点，对特征性碱类矿物进行详细解剖，进一步明确风城组的岩相古地理条件，以期对碱湖烃源岩的研究和勘探提供依据。

1 玛湖凹陷区域地质特征

准噶尔盆地是中国重要的大型含油气盆地之一，位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木3大板块交汇部位。玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘（图1），与乌尔禾—夏子街断裂带（简称乌夏断裂带）以及克拉玛依—百口泉断裂带（简称克百断裂带）相邻，西南侧与中拐凸起相接，东南侧与达巴松凸起和夏盐凸起毗邻，东北侧为石英滩凸起和英西凹陷，是盆地油气富集程度最高的生烃凹陷。多年的研究和勘探表明，准噶尔盆地西北缘发育于加依尔山和哈拉阿拉特山山前的以红浅—车排子断裂带（简称红车断裂带）、克百断裂带和乌夏断裂带为代表的构造带，是影响和控制油气成藏的关键要素之一，已形成了国内外著名的百里油区[2，10-11]。

玛湖凹陷地层发育比较全，自下而上包括石炭系（C），下二叠统佳木河组（P1j）、风城组（P1f），中二叠统夏子街组（P2x）、下乌尔禾组（P2w），下三叠统百口泉组（T1b），中三叠统克拉玛依组（T2k），上三叠统白碱滩组（T3b），下侏罗统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s），中侏罗统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t），白垩系（K）及新生界。普遍缺失上二叠统，并且二叠系与三叠系、三叠系与侏罗系、侏罗系与白垩系之间为区域性不整合。玛湖凹陷发育佳木河组、风城组、下乌尔禾组和石炭系4套有效烃源岩，其中以风城组烃源岩为主[3-4]。风城组烃源岩被认为是全球最古老的碱湖优质烃源岩，主要形成于半干旱条件下，季节性潮湿环境与干旱环境相交替[12]。

2 玛湖凹陷构造背景分析

2.1 玛湖凹陷的基底

从大地构造背景来讲，玛湖凹陷所在的西准噶尔地区位于非常独特的位置。整个新疆北部向西部延伸，就是宏伟的哈萨克斯坦山弯构造，准噶尔地块夹持于哈萨克斯坦山弯构造的最东段，地块以西的西准噶尔地区则是山弯构造的最内部区域。这一结论也和西准噶尔地区的区域地质特征相符。在西准噶尔地区的达拉布特—白碱滩区域，发育一套主体为石炭系，由海相复理石到滨浅海相再到陆相沉积，从而构成水体向上变浅的沉积层序。在石炭系的底部，新识别并厘定出形成于泥盆纪末期（约364×106a）的熔积岩(peperite)层系，由具有类似洋岛玄武岩性质的玄武质熔岩和海相沉积岩相互作用产生，是一种标志着残余洋盆的洋壳组分。这套熔积岩层系连同上覆的石炭系构成一个稳定的沉积层序，是西准噶尔地区泥盆纪末期保留的残余洋盆在石炭纪的充填层序[13-14]。残余洋盆的充填一直持续到晚石炭世，区域上广泛发育的峰期活动年龄为310×106a的花岗岩体的侵入，标志着西准噶尔地区残余洋盆的闭合[15-16]。而玛湖凹陷正是在西准噶尔地区这样一个古生代残余洋盆基底上发育的。

2.2 玛湖凹陷的形成

以出现大量的后碰撞花岗岩和中基性岩墙群为标志，西准噶尔地区乃至整个北疆地区均进入造山后的伸展松弛阶段。对西准噶尔地区古生界花岗岩和岩墙群的大量地质年代学研究显示，花岗岩年龄为318×106—276×106a，而岩墙群的年龄为 265×106—255×106a[15,17-18]，说明西准噶尔地区的造山后伸展背景持续到晚二叠世。这一造山后的伸展过程表现在准噶尔盆地西北缘，就是形成玛湖凹陷、昌吉凹陷等一系列由正断层控制的伸展断陷，沉积了准噶尔盆地西北缘下二叠统主力生油岩系（图2），同时伴随着大量的基性火山活动。

2.3 玛湖凹陷的构造反转

三叠系继承了二叠系的沉积范围并有所扩大，其中上三叠统白碱滩组在克拉玛依西北山麓一带和铁厂沟岩体西侧阿克塔木一带有出露，并直接不整合覆盖在上石炭统花岗岩和石炭系之上。这意味着在准噶尔盆地西北缘晚二叠世到晚三叠世之间存在一起显著的构造运动，使古生代晚期侵位的花岗岩和石炭系基底抬升并剥蚀，然后被上三叠统不整合覆盖。这期构造事件造成准噶尔盆地克百断裂带和乌夏断裂带的发育，卷入二叠系和中—下三叠统，最终被上三叠统和侏罗系不整合覆盖（图2）[10-11，19]。克百断裂带和乌夏断裂带的形成造成玛湖凹陷西部的构造反转并限定了玛湖凹陷的西部边界，构造带活动形成的构造圈闭，连同玛湖凹陷内部的生油岩系，共同构成准噶尔盆地西北缘油气成藏的重要要素。有学者通过古地磁和地质年代学研究发现，自晚二叠世到三叠纪，准噶尔地块和西准噶尔地区相对于成吉斯弧发生了大幅度的逆时针旋转[20]。这一事件是西准噶尔—哈萨克斯坦地区在二叠纪末期发生的一次显著的陆内变形，在准噶尔盆地西北缘表现为克百断裂带和乌夏断裂带的诱发和玛湖凹陷的构造反转。

3 玛湖凹陷碱湖形成环境

3.1 风城组沉积特点

玛湖凹陷风城组厚度800～1 800 m，总体表现为西厚东薄，自下而上可划分为3段：风一段（P1f1）主要为深灰色—灰色泥岩、凝灰质泥岩夹白云质砂岩、白云岩、凝灰质白云岩、泥质白云岩和凝灰岩，火山活动相对强烈，火山碎屑岩发育；风二段（P1f2）发育白云质砂岩、灰色泥岩夹泥质白云岩，并且发育大量碱类矿物，以层状的碱类矿物与暗色的白云质泥岩组成厚度不等的韵律为主要特征；风三段（P1f3）发育灰绿色泥岩、泥质白云岩与白云质泥岩。

白25井—白22井—百泉1井—风城1井—夏76井剖面位于玛湖凹陷西斜坡，二叠系发育齐全，但是均未钻穿佳木河组（图3）。克百断裂带附近佳木河组顶部是一套火山岩，乌夏断裂带附近则是一套由正常碎屑岩和火山岩组成的混积地层。基于夏76井的钻井和岩心资料，岩性为深灰色泥岩、凝灰质泥岩，绿灰色、灰色、灰褐色砂砾岩，深灰色凝灰质砂岩，沉积构造可见水平层理，佳木河组正常碎屑岩发育湖相和扇三角洲沉积。风城组碱湖沉积和粗碎屑扇三角洲沉积的界线在百泉1井附近，百泉1井由底部的碱湖沉积序列突变为扇三角洲的砂砾岩堆积，并且砂砾岩堆积厚度较大，风城组火山活动仍然较发育，表明可能与克百断裂带持续的伸展断裂活动有关，构造活动创造了足够大的可容纳空间供砂砾岩充填。地层厚度显示沉积中心位于乌尔禾和夏子街地区。乌尔禾地区以稳定的碱湖沉积为特征，受构造活动影响小，风城组顶部碳酸盐岩不发育，可能与风城组沉积晚期的淡水注入有关。与风城组相比，夏子街组火山活动不发育，主要为扇三角洲和湖泊相。夏子街组砂砾岩层的沉积厚度和砂砾岩层/地层厚度在克百断裂带附近具有减小的趋势，而在乌夏断裂带附近有增加的趋势，表明在夏子街组沉积期，沉积中心可能由玛湖凹陷西南部向东北部迁移。乌尔禾组整体上继承了夏子街组的沉积格局，砂砾岩层的沉积厚度和砂砾岩层/地层厚度具有持续减小的趋势，并且沉积范围扩大，玛湖凹陷可能进入了拗陷阶段。

图3 玛湖凹陷过白25井—白22井—百泉1井—风城1井—夏76井二叠系沉积相剖面（剖面位置见图1）

基于前人认识，结合岩心观察和录井测井资料，确认风城组为一套扇三角洲—湖相沉积体系（图4）。加依尔山和哈拉阿拉特山前的钻井资料显示，砂砾岩分选、磨圆较差，杂乱排列，泥质充填，具有冲积扇的沉积特征。基于达探1井和盐探1井的岩心资料，玛湖凹陷东斜坡也有碳酸盐矿物沉积，玛湖15井揭示乌尔禾地区的碱湖沉积延伸至玛湖凹陷的西南部，扩大了碱湖沉积的范围。

3.2 风城组碱类矿物特征

玛湖凹陷的碱湖沉积区别于常见的盐湖（硫酸盐湖）沉积，发育碱类矿物，硫酸盐矿物不发育，其中碳酸盐矿物的含量及种类占了绝对优势。含碱类矿物层宏观形态上主要表现为浅色层和暗色层不等厚互层，根据互层方式、形态、层厚以及碱类矿物不同，可具体呈现溶蚀晶洞状、斑点状、云朵状、（薄）纹层状以及白色纯碱等类型（图5）。暗色层主要为凝灰质以及白云质泥岩等组分。

玛湖凹陷风城组中发育大量的典型碱类矿物，主要有硅硼钠石、氯碳酸钠镁石、碳酸钠钙石、水硅硼钠石、碳镁钠石、碳氢钠石和苏打石等，还有丝硅镁石、淡钡钛石等特殊矿物（图6），偶见骸晶状石盐。硅硼钠石和水硅硼钠石含量较高，出现在不同形态的含碱类矿物层中；碳酸钠钙石主要出现在溶蚀晶洞状以及斑点状的含碱类矿物层中；氯碳酸钠镁石一般分布在硅硼钠石周围，表面蚀变现象严重；碳镁钠石含量较少，出现在纹层状含碱类矿物层；碳氢钠石与苏打石普遍呈纯碱层出现，并且相伴而生。

图4 玛湖凹陷风城组沉积相分布（据文献［21］修改）

图5 玛湖凹陷风城组含碱类矿物层岩心标本宏观形态

3.3 碱湖沉积的成因探讨

碱类矿物的普遍发育，表征了风城组的碱湖沉积特点，指示玛湖凹陷碱（咸）化程度高[12]。碱（咸）化成因主要为蒸发成因和热液成因。文献［22］提出风城组中的碳酸盐矿物平面分布具有“牛眼”特征，蒸发浓缩是直接的成盐诱导因素。热液成因认为碱类矿物物质组分主要来源于深部热液，比如热液喷流含盐火山-沉积建造模式及热水沉积模式等[23-24]。

碳酸钠钙石的人工合成实验最早由Bradley和Eugster[25]完成，形成的温度不低于50℃[26]。碳氢钠石较天然碱和重碳钠盐更易溶于水，最初发现于美国的绿河盆地，1987年在河南省泌阳凹陷发现，实验数据揭示出碳氢钠石的稳定温度在69.5～191.5℃[27-28]。温度条件在地表碱性蒸发盐湖环境中是无法达到的，这表明在现代盐湖中很难形成碳酸钠钙石和碳氢钠石。因此，可以推测含碱类矿物层中碳酸钠钙石不是蒸发成因。形成硅硼钠石和水硅硼钠石必需的硼在上地壳中的丰度极低，属于活性及挥发性很强的岩浆射气元素，常形成易挥发、易熔和易溶的络合物而迁移富集[24]。富硼矿物中硼的来源往往与热泉水或火山作用有关，如产在美国加里福尼亚州克瑞麦硼矿[29]，泌阳凹陷古近纪含碱岩系油页岩中的水硅硼钠石[30]等。硅硼钠石在自然界中比较罕见，常出现在岩浆演化后期的富钠伟晶岩中，高温高压实验揭示出钠长石中的铝可以被硼替代形成硅硼钠石（450～750℃，0.2～3.0 GPa），并且低温时矿物晶格趋于有序排列[31]。在无水环境中，硅硼钠石可在较高的温度和压力下保持稳定状态，而在有水的环境中，硅硼钠石则可以在相对较低的温度和压力条件下保存[32]。含碱类矿物层大量硅硼钠石的形成很可能与热液活动有关，而非蒸发沉积形成，即形成硅硼钠石所需的硅和硼可能主要直接来自于深源的碱性热卤水。

图6 玛湖凹陷风城组典型碱类矿物显微照片

根据文献［33］对研究区古地温梯度的研究可知，研究区在早二叠世构造运动及火山喷发活动频繁（与岩浆及热液活动有关古地温梯度高达4～8℃/hm），形成了下二叠统佳木河组火山岩及火山碎屑岩和风城组的火山碎屑岩沉积，可以为含碱类矿物层提供钠、镁、硼和钙等元素。同时，准噶尔盆地西北缘深大断裂及次级断层的发育，可以为热液流体运移的良好通道[24]。因此，玛湖凹陷风城组碱湖烃源岩形成于受深部热液作用影响的高盐度闭塞性湖泊环境，其中特征性碱类矿物和火山矿物优化烃源岩的作用机理仍需进一步研究。

4 结论

（1）玛湖凹陷下二叠统风城组碱湖烃源岩形成于造山后伸展背景下，并且在晚二叠世—三叠纪期间发生构造反转，是油气成藏的关键时期。

（2）玛湖凹陷风城组发育特征性碱类矿物，硅硼钠石、氯碳酸钠镁石、碳酸钠钙石、水硅硼钠石、碳镁钠石、碳氢钠石和苏打石等，表征了风城组的碱湖沉积特点。

（3）玛湖凹陷风城组整体上表现为一套扇三角洲—湖相沉积体系，其中碱湖沉积并非蒸发成因，而与热液活动有关。

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