准南阜康地区中二叠统芦草沟组暗色泥岩地球化学特征及意义

史美超 雷国明 梁斌 白洪海

摘  要：准南阜康地区中二叠统芦草沟组暗色泥页岩厚度大、分布广，其沉积环境对评价页岩油气资源潜力具有重要意义。以芦草沟组暗色泥岩为研究对象，通过地球化学分析，选用对沉积环境指示较敏感的代表性元素，分析其含量特征及比值与沉积环境之间的对应关系，进而探讨芦草沟组沉积期湖盆的古盐度、古气候及氧化还原条件等沉积环境特征。通过Sr/Ba、B/Ga、B、Sr、Fe/Mn、Sr/Cu、&U、Th/U和V/（V+Ni）等地化指标分析认为，阜康地区中二叠统芦草沟组暗色泥岩是高盐度、干热、缺氧环境下的产物。古盐度、古气候和氧化还原条件的变化趋势显示，准南阜康地区芦草沟组所代表的湖盆处于不断扩张的状态，具备良好的页岩油气资源潜力。

关键词：准南阜康地区;芦草沟组;古盐度;古气候;氧化-还原条件

准噶尔盆地南缘二叠系芦草沟组是集烃源岩、储层、盖层三位一体的重要层系，既是常规油气的勘探目标，又是页岩气、页岩油、致密油藏等非常规油气重点勘探目标[1-2]。近年来，新疆地矿局在准南阜康地区X2井芦草沟组泥页岩段压裂后成功点火，显示了极好的页岩气勘探潜力。前人针对准南阜康地区二叠系芦草沟组开展过一些工作，或借助地表调查、地震、钻测井等资料建立了层序格架[3-5]，或通过岩性岩相组合、沉积构造等大致分析了芦草沟组沉积环境[6-9]，亦或通过白云岩成因、古生物分析探讨了芦草沟组沉积期的古盐度和古气候特征[10-12]，但运用泥页岩地球化学特征恢复芦草沟组沉积环境，评价页岩气勘探潜力工作较弱。本文以准南阜康地区二叠系芦草沟组钻井岩心泥页岩主量元素和微量元素测试结果为基础，结合区域地质背景，选用对沉积环境反应较敏感的元素，探讨研究区二叠系芦草沟组中的元素含量、比值与沉积环境之间的关系，以评价芦草沟组各层段页岩气勘探潜力。

1  区域地质概况

研究区位于准噶尔盆地南缘冲断带东段，准南冲断带东段自南向北划分为柴窝堡凹陷、博格达山隆起和阜康断裂带。研究区位于阜康断裂带以西乌鲁木齐-米东一带，出露地层自下而上为下二叠统石人沟组、塔什库拉组、中二叠统乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组、红雁池组、上二叠统泉子街组、梧桐沟组，部分三叠系、侏罗系和中更新统—全新统的冲洪积层（图1）。

2  芦草沟组沉积特征

本文重点研究对象为中二叠统芦草沟组，自下而上分为下、中、上三段（图2）[7]。下段岩性为灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、白云质泥岩、白云岩，水平层理发育，顺层分布星点状黄铁矿，为扇三角洲平原-浅湖亚相;中段岩性为灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂状泥岩夹薄层状细砂岩，小型槽状交错层理、包卷层理发育，为扇三角洲前缘-前扇三角洲亚相沉积;上段岩性为灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹白云岩、灰岩薄层，水平层理发育，见团块状黄铁矿，富含为鱼类、介形虫和植物茎干等化石，为半深湖-深湖亚相沉积（图3）。

3  样品采集与测试分析

本次用于分析的样品来自研究区施工的2口钻井，对芦草沟组中暗色泥页岩自上而下连续采样，采集时有效避开破碎带、方解石脉等，单个样品重量不小于500 g，共计38件岩心样，对其进行了主量元素和微量元素测试分析。Sr，Ba，M，Fe元素采用XRF射线荧光光谱测定，测试过程：将试样用105℃高温烘干后，用工业硼酸镶边，压制成样品直径为32 mm的圆片，根据不同元素的含量范围及波长范围，分别采用经验系数法、靶线散射内标法、散射背景内标法、峰背比法进行基体校正和校准。B元素采用发射光谱法测定，测试过程：称取试料和缓冲剂置于5 mL瓷坩埚中，研磨1 min将试料与缓冲剂混匀，装入碳电极中压紧，加两滴乙醇溶液，待试料将溶液吸收后，于红外灯下干燥45 min。按照摄谱仪工作条件进行摄谱，光电直读光谱仪同时采集多元素发射信号及背景数据，进行光谱测定。钒和钍、铀分别采用电感耦合等离子体发射光谱和质谱法，样品经酸分解制成溶液，用电感耦合等离子体发射光谱仪、质谱仪测定。样品分析结果见表1，2。

4  测试结果及变化特征

4.1  Sr/Ba值、B/Ga值和相当硼

测试结果显示，研究区芦草沟组泥岩Sr/Ba值为0.42～3.46、B/Ga值为1.11～21.33、相当硼（相当硼=5%×B/K2O）为49.28×10-6～847.36×10-6（表3）。其中，下段Sr/Ba值为0.41～3.46，平均1.16，B/Ga值为4.13～15.70，平均11.90，相当硼为155.51×10-6～847.36×10-6，平均482.13×10-6;中段Sr/Ba值为0.71～2.15，平均1.61，B/Ga值为5.43～10.26，平均8.49，相当硼为276.09×10-6～376.69×10-6，平均344.91×10-6;上段Sr/Ba值为0.42～1.99，平均0.81，B/Ga值为1.11～8.95，平均4.85，相当硼为49.28×10-6～329.67×10-6，平均193×10-6。从层段上看，芦草沟组自下段至上段泥岩中Sr/Ba值先增大后减小，B/Ga值和相当硼含量逐渐变小。

4.2  Sr元素、Fe/Mn值、Sr/Cu值

研究区芦草沟组泥岩Sr含量为168×10-6～611×10-6、Fe/Mn值为18.8～297.5、Sr/Cu值为3.33～23.90（表3）。其中，下段Sr含量为208×10-6～611×10-6，平均383×10-6、Fe/Mn值為47.64～121.50，平均76.78、Sr/Cu值为3.56～23.90，平均8.41;中段Sr含量为269×10-6～402×10-6，平均329×10-6、Fe/Mn值为61.79～201.55，平均108.02、Sr/Cu值为5.18～12.08，平均8.44;上段Sr含量为168×10-6～480×10-6，平均297×10-6、Fe/Mn值为18.84～297.48，平均114.18、Sr/Cu值为3.33～13.82，平均6.85。从层段上看，芦草沟组自下段至上段泥岩中Sr含量逐渐减小，Fe/Mn值逐渐增加，Sr/Cu值先减小后增大。

4.3  &U、Th/U值及V/（V+Ni）值

研究区芦草沟组泥岩&U值为0.47～1.45、Th/U值为1.13～9.86、V/（V+Ni）值为0.52～0.85（表3）。其中，下段&U值为0.79～1.35，平均1.01，Th/U值为1.44～4.61，平均3.16，V/（V+Ni）比值为0.62～0.74，平均0.70;中段&U值为0.47～1.26，平均0.91，Th/U值为1.77～9.86，平均4.74，V/（V+Ni）比值为0.52～0.69，平均0.60;上段&U值为0.64～1.45，平均1.06，Th/U值为1.13～6.34，平均2.98，V/（V+Ni）比值为0.59～0.85，平均0.69。从层段上看，芦草沟组自下段至上段泥岩中&U和V/（V+Ni）值先减小后增大，Th/U值先增大后减小。

5  沉积环境讨论分析

5.1  古盐度

古盐度分析最有代表性的参数是Sr/Ba，B/Ga和相当硼。Sr/Ba值可作为古盐度判别的灵敏标志，是依据溶液中锶的迁移能力及硫酸盐化合物的溶度积远大于钡的地球化学性质[13]。Sr/Ba值随远离海（湖）岸而增大，可定性反映古盐度，进行沉积环境的古盐度恢复。一般来说，沉积物中Sr/Ba值在1～0.6为半咸水相，小于0.6为微咸水相，而盐湖（海相）沉积物中的Sr/Ba值大于1[13-14]。B/Ga和Sr/Ba的變化相似，一般沉积物中B/Ga值大致以3.3为界，大于3.3则水体逐渐咸化，小于3.3则水体逐渐淡化，且受区域沉积背景影响[15]。相当硼含量是指K2O含量为5%的硼的含量，相当硼含量与古盐度密切相关，正常咸水环境相当硼含量为300×10-6～400×10-6，半咸水环境为200×10-6～300×10-6，小于200×10-6为淡水沉积[16-17]。研究区Sr/Ba，B/Ga和相当硼含量分析表明（表3，图4，5），阜康地区中二叠统芦草沟组泥岩为半咸水-咸水环境的产物，中、下段为咸水环境，不利于狭盐性生物的生存，上段为半咸水环境，盐度降低，出现了介形虫、鱼类等狭盐性生物，反映了从早期到晚期古盐度逐渐降低，湖盆扩展的演化过程。

5.2  古气候

在研究沉积盆地古气候时，沉积岩中的微量元素含量及有关比值是十分有用的化学参数之一[18]。前人认为，Sr的高含量可能是干旱炎热气候条件下湖水浓缩沉淀的结果[19]。Mn在湖水中常以Mn2+稳定存在，只有当湖水强烈蒸发使Mn2+浓度饱和时，才会大量沉淀，并在岩石中显示高值。Fe在湖水中易以Fe（OH）3胶体快速沉淀，因此，沉积物中Fe/Mn比的高值对应温湿气候，低值对应干热气候。通常，Sr/Cu比介于1.3～5.0之间指示温湿气候，而大于5.0则指示干热气候[20]。Sr含量，Fe/Mn值和Sr/Cu值分析表明，阜康地区中二叠统芦草沟组泥岩是干热环境下的产物，早期气候条件干热，水体蒸发量大，盐度增高，形成了厚层状碱性白云岩，晚期气候逐渐转向温湿，水体蒸发量减小，湖盆扩展，盐度降低，微生物生存环境得以改善，从而形成巨厚的富有机质暗色泥岩，体现了从早期到晚期，气候由干热逐渐转向温湿，与古盐度表现的结果一致。

5.3  氧化还原条件

Th和U在还原环境下地球化学性质相似，在氧化状态下差别很大[21]。在表生环境下，Th只有+4一种价态，且不易溶解，而U则不一样。在氧化的环境下，U一般为+6价，它以铀酰基的形式与碳酸根离子结合形成UO2（CO3）34，并在现代海水中稳定存在。在类似于Fe3+至Fe2+转变的还原条件下，U+6被还原为U+4价，并多以沥青铀矿（UO2，U3O8）或表现活性很大的羟基络合物的形式沉淀和富集在沉积物中[22]。U在强还原环境下为+4价，不溶于水，导致它在沉积物中富集。基于这两种元素的地球化学差异性质，常利用&U法和Th/U比值法来判断沉积环境的氧化还原状态。&U法关系如下：&U=U/[0.5×（Th/3+U）]，&U>1为缺氧还原环境，&U<1则说明正常的水体环境[23]。Th/U值在0～2之间指示缺氧环境，在强氧化环境下这个比值可达8[24]。前人研究认为，V和Ni同属过渡族的亲铁、亲硫元素，它们在缺氧和氧化条件下具有明显不同的行为。国外知名学者Hatch等、Jones等通过研究世界典型盆地不同层系黑色泥页岩中过渡金属元素（如V，Ni，Cr等）[25-26]，以反映有机质沉积时所处的氧化还原环境，建立了相应的氧化还原环境微量元素识别定量指标，这己被国内外学者广泛认可并采用[27-29]。因此，V/（V+Ni）比值可反映水体的氧化还原环境[30-31]。元素V/（V+Ni）高比值（>0.84）反映水体分层及底层水体中出现H2S的厌氧环境;中等比值（0.6～0.84）为水体分层不强的厌氧环境;低比值（0.46～0.60）时为水体分层弱的贫氧环境[32]。&U值，/Th/U值和V/（V+Ni）值分析表明，阜康地区中二叠统芦草沟组泥岩为缺氧环境的产物，中、下段发育小型槽状交错层理、包卷层理，顺层分布星点状黄铁矿，为水体分层弱的贫氧环境，上段发育水平层理，见团块状黄铁矿，为水体分层不强的厌氧环境，揭示了从早期到晚期水体由分层弱的贫氧环境向水体分层不强的厌氧环境转变（表3，图4，5）。

6  结论

（1） 阜康地区中二叠统芦草沟组泥岩为半咸水-咸水环境的产物，从早期到晚期古盐度逐渐降低，反映了湖盆扩展的过程。

（2） 阜康地区中二叠统芦草沟组泥岩为干热气候环境的产物，从早期到晚期古气候由干旱逐渐转向温湿，与沉积环境古盐度的变化具有良好的对应关系。

（3） 阜康地区中二叠统芦草沟组泥岩为缺氧环境的产物，水体由分层弱的贫氧环境向分层不强的厌氧环境转变。

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