准南四棵树凹陷沉积古环境与物源研究——来自侏罗系—下白垩统元素地球化学的指示

朱明，施辉，袁波，冯兴强，吴林，唐雪颖，张浩，庞志超

1.新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000

2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081

3.新疆油田分公司勘探开发研究院地球物理研究所，乌鲁木齐 830013

0 引言

准噶尔盆地西南缘四棵树凹陷高泉背斜高探1井获得油气勘探重大突破，预示该凹陷油气资源量极为可观。该凹陷的油气勘探历程起步于1937年发现的独山子新近系油田，自2000 年发现卡因迪克古近系和侏罗系油藏后，油气勘探一直未取得实质性突破，陷入低谷阶段；2008 年，勘探部署重点自新生界转向下组合（白垩系区域性盖层以下），相继钻探了西湖1井（2010年）、独山1井（2012年）等重点风险探井，均见到良好油气显示；2019年在高泉构造高点部署的高探1井于白垩系清水河组（K1q）获日产千吨的高产试油结果，标志油气勘探进入一个全新的阶段[1-3]。

迄今，四棵树凹陷下部油气成藏组合的研究程度还较低，很多基础地质问题亟待解决。侏罗纪—早白垩世沉积古环境演化是当前倍受关注的问题之一，古环境演化的认识程度直接影响了对层序、沉积和储层演化的理解，决定了该地区未来油气勘探方向与滚动部署思路。前人已经从研究区及周边侏罗系—白垩系地层岩性[4-6]、古生物组合[7-8]、元素地球化学[9]等方面开展过气候、氧化—还原条件（Eh）、物源等沉积古环境的恢复工作，但由于测试样品数量有限（连续性较差）、室内测试分析周期长和非定量化判断等原因，还未在沉积古环境特征及演化上形成全面、明确和统一的结论。如早白垩世气候“干冷”[9]和“湿热”[4]的分歧、中侏罗世的“温湿”古气候判断结果[9]与全球侏罗纪海水古温度变化趋势[10]存在差异、侏罗纪短周期气候变化、古气候和古构造对氧化—还原条件的影响程度等，这些问题仍然悬而未决。

利用沉积岩或沉积物所含元素及同位素迁移、聚集与分布规律来判定和恢复沉积环境是沉积学定量研究的重要手段[11]。近年来，便携式（手持式）X射线荧光光谱仪（XRF）被广泛应用于环境、矿产、油气等地质学研究领域；相对于实验室元素或矿物的测试，该仪器具备快速、无损、高分辨率、经济等优点[12]，国内外众多学者凭借便携式XRF仪器快速地获得大量岩石样品的元素地球化学信息，据此分析岩石矿物组成并恢复古沉积环境，取得了良好的实际应用效果[12-16]。

本文针对四棵树凹陷油气勘探所面临的关键基础地质问题，利用便携式XRF 仪重点测试了北天山山前塞力克提沟和扎伊尔山山前吐孜阿克内沟（又名图孜阿克内沟或吐孜沟）两条野外剖面侏罗系—下白垩统细粒沉积及细粒夹层的元素丰度，结合关键钻孔岩心的重矿物资料，重建了侏罗纪—早白垩世的沉积古环境，包括古气候、古盐度、古氧化—还原条件（Eh）和古物源演化历史，厘清了四者之间的关系，为该地区相关层段的层序地层及沉积体系划分和储层预测提供了必要的科学依据。

1 地质概况

四棵树凹陷位于准噶尔盆地南缘西端，隶属于北天山山前冲断带，是盆地西北缘与南缘构造体系的交会区（图1a）。凹陷整体呈NWW—SEE走向，北部紧邻车排子凸起缓坡区，东部为霍玛吐背斜带，南部与北天山体系依林黑比尔根山相接，勘探面积约为6 300 km2（图1b）。

区域构造背景资料表明[17-21]，晚石炭世（约310～300 Ma）古准噶尔地体周缘洋盆完成闭合，碰撞造山活动强烈，发生洋—陆构造格局转换，四棵树凹陷地区位于西准噶尔残留洋壳最南端；自晚石炭世起，四棵树凹陷分别经历了汇聚型陆缘残留海盆地（～C2）、陆内断陷盆地（P～T）、陆内坳陷盆地（J～K）和再生前陆盆地（E～Q）共4个构造演化阶段。陆内断陷阶段，凹陷南部古天山进入后碰撞演化阶段，在伸展环境下形成一系列裂谷盆地，充填火山岩、火山碎屑岩等裂谷型层序；凹陷北部的西准噶尔弧发生一系列火山活动和隆升作用，形成扎伊尔山及其前锋车排子凸起，凹陷的盆山格局基本形成。陆内坳陷阶段是断陷期隆坳格局的继承性发展，古天山夷平作用明显，古天山山前各裂谷盆地被“填平补齐”，至白垩纪整个准噶尔盆地连接为统一湖盆，凹陷沉积中心发生北东向迁移。再生前陆盆地阶段发育新生代逆冲构造，山前带发育叠瓦状断层和褶皱。

研究区中生界受盆地西北缘右旋压扭体系的影响，主要发育NW—SE 走向的艾卡、高泉和南缘3 条走滑断裂，形成艾卡和高泉两条雁列式背斜构造带（图1b）。艾卡构造带自西向东依次发育卡西、卡因迪克、卡东、西湖和独山子背斜，而高泉构造带自西向东分别发育高泉北背斜、高泉背斜、高泉东断鼻、乌木克断鼻、托斯台断鼻和地表背斜群[2]。

准南缘油气勘探层系根据白垩系吐谷鲁群泥岩层、古近系安集海河组及塔西河组（膏）泥岩层这两套区域性盖层可划分为上、中、下共三个油气成藏组合（图1c）。本次研究的目的层段为下部成藏组合，包括下侏罗统八道湾组（J1b）及三工河组（J1s）、中侏罗统西山窑组（J2x）及头屯河组（J2t）、上侏罗统齐古组（J3q）及喀拉扎组（J3k）和下白垩统清水河组（K1q）。

2 样品与方法

本次研究中沉积古环境分析岩石样品来自于凹陷最南端及北天山山前的塞力克提沟（起点为84.469 560°E，44.129 836°N；终点为84.449 115°E，44.163 612°N）和凹陷北端西部隆起带扎伊尔山前的吐孜阿克内沟（84.776 173°E，45.651 728°N；终点为84.837 627° E，45.532 327° N）这两条出露中生界较为完整的野外剖面（位置见图1b），共计样品405块。采样时所有样品均取自新鲜露头的细粒沉积（包括泥岩、页岩、粉—细砂质泥页岩或泥质粉—细砂岩）或砂岩及砾岩层内细粒沉积夹层，尽可能避免风化作用及粗粒物质过多的影响。挑选的岩石样品首先经过24 h 的干燥处理后，研磨成200 目粒级并称重50 g 粉末放入XRF 样品杯（型号Premier SC-4331，内径26 mm），采用岛津公司生产的迈拉膜（型号202-86501-56，直径70 mm）封口样品杯。

X 射线荧光光谱仪利用X 射线硅漂移SDD 检测器探测试样中被测元素所发出各种能量的特征X射线，根据检测器输出信号的能量大小和强度定性和定量分析被测样品的元素[22]。本次研究采用了Thermo Scientific 公司研发的手持X射线矿石元素分析仪，型号为Niton Xl3t-950；该仪器采用Ag 靶材，最大激发电压为50 kV，最大功率2 W，探测范围25 mm2，可测试Mg 至U 等在内的40 余种主微量元素。其中，土壤模式主要测试丰度小于1%的元素，显示单位为μg/g，测试时间约为70～90 s，而矿石模式则主要测试丰度大于1%的元素，显示单位为%，测试时间一般大于120 s。

重矿物分离及鉴定的25块岩石样品来源于钻井Ai-2井和Che-10井的岩心（位置见图1c）。该批样品首先进行粒度筛析，分离出0.063～0.05 mm的混合粒级，经洗油、酸泡、冲洗、烘样等处理程序后分离出重矿物，利用偏光显微镜（型号为蔡司Axio Scope A1）鉴定岩石重矿物类型及含量，鉴定方法参照国内石油天然气行业标准《SY/T 6336—1997 沉积岩重矿物分离与鉴定方法》。

图1 准噶尔盆地构造分区（a）、四棵树凹陷构造纲要图（b）和侏罗系—新近系岩性及生储盖组合（c）Fig.1 Tectonic division map (a) of the Junggar Basin, tectonic outline map (b) of the Sikeshu Sag and Jurassic-Neogene lithology and source-reservoir-seal systems (c)

3 结果

3.1 野外露头岩性特征及变化

3.1.1 塞力克提沟剖面

塞力克提沟位于托斯台断鼻构造带西南部（图1b）。下侏罗统八道湾组（J1b）总厚度约为46 m，底部为一套灰黄—灰白色砂砾岩（图2a），发育大型楔状或板状交错层，层理面含植物碎片，岩性向上递变为含砾粗砂岩、中—细砂岩和泥质粉砂岩，组成一个较为完整的河道“二元结构”。岩性整体上表现为向上变细的“正旋回”，由多期河道叠置而成（图3）。

图2 北天山山前塞力克提沟剖面野外照片Fig.2 Photos of the Sailiketigou outcrop in front of the North Tianshan Mountain

三工河组（J1s）与J1b呈整合接触，总厚度约为71 m，整体表现为一套向上变细复变粗的岩性序列（图3）。底部发育分选和磨圆均较差、杂基含量较高的灰绿色中—细砾岩，具块状层理、递变层理，可见砂球构造，植物碎屑相对不发育；砂砾岩层之上是灰白—深灰色中—细砂岩层，见中—小型楔状交错层理和波状层理，含铁质条带及结核。中部是深灰色—灰色中—厚层状粉砂质泥岩、页岩夹薄层状粉—细砂岩，水平层理发育（图2b）；顶部沉积物粒度逐渐变粗，岩性为薄—中层状细—中砂岩，见波状层理和斜层理，分选、磨圆均较好，杂基含量低（图2c）。

中侏罗统西山窑组（J2x）厚约79 m，主要发育一套中—厚层状灰黄色—灰色细砾岩、含砾中—粗砂岩夹灰黑色泥岩及煤层的岩性组合（图2d）。头屯河组（J2t）厚达84 m，岩性分为上、下两段，下段为灰黄色和灰褐色砂岩的间互层，夹灰黑色泥岩或劣质薄煤层，上岩性段颜色整体偏灰褐色（图2e），粒度变粗。

下白垩统清水河组（K1q）厚约50 m（未见顶），与下伏J2t地层呈角度不整合接触，底部发育一套肉红色底砾岩（图2f），向上递变为肉红色中—细砂岩和红色泥页夹层，见平行层理和小型楔状交错层理，呈现较为明显的正旋回序列（图3）。

3.1.2 吐孜阿克内沟剖面

吐孜阿克内沟位于盆地西北缘克拉玛依市西北方向约8 km处（图1b）。该露头J1b总厚度约为47 m，整体表现出“正旋回”演化岩性组合序列。底部的灰白—灰黄色底砾岩夹含砾粗砂岩，见大型槽状交错层理和植物根茎化石（图4a）。中部发育多套河道沉积，单期河道底部滞留沉积以细砾岩和含砾粗砂岩为主，削蚀面较明显，向上递变为含槽状交错、楔状/板状交错层理的中—粗砂岩，河道顶部为灰色—深灰色细—粉砂岩夹薄煤层（图4b、图5）。

图3 塞力克提沟剖面J～K1q 元素地球化学剖面图Fig.3 Element geochemical section of the J-K1q, Sailiketigou outcrop

该露头J1s厚约为39 m，主体虽然为一套灰绿、灰黄色泥质粉—细砂岩和深灰色泥岩的岩性（图4c），但整体表现为向上变细复变粗的岩性变化序列（图5）。J2x厚度约36 m，底部为一套灰绿—灰白色砂砾岩，向上递变至灰色砂岩和灰黄色细—粉砂岩，平行层理发育；中部为灰—黄色砾岩、砂岩夹粉砂质泥岩组合，也呈现典型“二元结构”的特征；顶部发育灰白—灰黄色中—粗砂岩与劣质薄煤层，楔状交错层和平行层理发育（图4d、图5）。

J2t总厚度约20 m，底部发育一套褐色砾岩与J2x相区别，主体为褐色、灰绿色、灰黄色、紫色等杂色砂岩和泥岩互层（图4e、图5）。上侏罗统齐古组（J3q）厚约19 m，表现为灰色砾岩冲刷下伏J2t，向上递变至大型槽状交错层理的粗砂岩、板状交错层理的中砂岩、平行层理的中—细砂岩和水平层理的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩（图5）。

K1q厚约31 m（未见顶），与下伏J3q呈角度不整合接触，除底部发育灰黄色砾岩层外，主体为厚层状灰绿色中—细砂岩夹灰红色粉砂质泥岩的岩性组合，发育板/楔状交错层理和平行层理，砂岩内可见丰富的铁质结核（图4f、图5）。

图4 扎伊尔山前吐孜阿克内沟剖面野外照片Fig.4 Photos of the Tuziakeneigou outcrop in front of the Zaire Mountain

3.2 元素地球化学

3.2.1 沉积古环境元素指标

本文研究所涉及的古环境信息主要包括古气候、古盐度、古水体氧化还原状态和古物源等。根据前人在沉积古环境元素地球化学的研究认识[23]，一些元素含量或元素含量比值的变化能够灵敏地反映沉积物的原生古环境变化。

古气候方面，P、K、Fe、Zn、Ti、Al、Sr、Nb、Ta、Th等元素含量以及Sr/Cu、Sr/Ba、Sr/Ca、Fe/Mn 等元素含量比值均是反映气候效应的典型指标[24-25]。炎热和干燥气候的蒸发作用强烈，水体盐度急剧增高，水介质碱性增强；一方面，高盐度引起大量低等生物的死亡，而P 元素又是生命物质的重要组成元素，因此沉积物中P 元素相对富集；另一方面，碱性增强导致Na、Ca、Mg、Cu、Sr、Mn 等元素大量析出沉积在水底。潮湿气候条件下，沉积物中Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn、Co等元素含量相对增大。Sr/Cu、Sr/Ca、Sr/Ba 等元素含量比值越高，Al/Mg、Fe/Mn 等元素含量比值越低，指示古气候偏干热，反之则指示温湿气候[24-25]。

据研究[26-28]，沉积物中B、Sr、Ba、Ga、V等元素的丰度与古盐度有关。一般而言，淡水环境下B元素质量分数多小于60 μg/g、V 元素丰度为110～113 μg/g，海相环境下B质量分数分布于80～125 μg/g之间，V元素丰度小于86 μg/g。由于BaSO4在水中的溶解度相对小于SrSO4的溶解度，Sr元素的迁移能力大于Ba元素，Sr/Ba 比值可以间接地恢复沉积水体古盐度；淡水沉积物中Sr/Ba值小于1，海相沉积物中Sr/Ba值大于1，0.6～1之间的Sr/Ba值通常指示半咸水环境。

图5 吐孜阿克内沟剖面J～K1q 元素地球化学剖面图Fig.5 Element geochemical section of J-K1q, Tuziakeneigou outcrop

直接或间接反映沉积物氧化还原条件的元素较多[29-31]。Cr、U、V 等高价态离子在缺氧脱硝酸环境下被还原并富集，而Ni、Cu、Co、Zn、Cd 和Mo 则主要富集于硫酸盐还原的环境。P 元素的沉淀与古生产力和缺氧环境有关，Mn元素在黏土和碳酸盐矿物中较富集，指示亚氧化还境的存在。亚氧化、缺氧（还原）条件下，V/Cr、Ni/Co、U/Th、V/（V+Ni）元素比值分别大于4.25、7.0、1.25 和0.84，而小于2.5、3.5.0.75 和0.84反映氧化环境。

陆源碎屑母岩中一些化学元素在风化、剥蚀、搬运等外生过程中并不会发生分馏或者只发生微小的分馏，可以作为沉积源岩的判定参数，这些元素中最重要的是稀有、高场强和过渡金属元素等[32]。另外，Cl、Ti、Zr等元素也能反映沉积物母源的部分性质[33]。高Cl 元素含量一般指示火山岩物质来源或蒸发环境，玻璃质火山灰（如凝灰岩）是富Cl 沉积物的重要母岩之一[34]；Ti元素在沉积物中的丰度与细粒沉积和黏土矿物有关，广泛存在于金红石、钛铁矿等重矿物中；Zr元素与沉积物中锆石丰度有关，而锆石一般较常见于酸性岩浆岩之中。

3.2.2 元素指标结果

（1）塞力克提沟剖面

北天山山前塞力克提沟J1b～K1q岩石样品Ca、Sr元素含量和Fe/Mn比值变化曲线大致可划分成3段：下侏罗统、中侏罗统和下白垩统K1q段（图3）。Ca、Sr元素含量的变化基本保持一致，下侏罗统Ca、Sr元素含量在中—低值范围内变化，中侏罗统整体为低值（J2x底局部样品处于中值范围），下白垩统K1q岩石样品在较高值内变化。Fe/Mn 比值的变化趋势大致与Ca、Sr元素含量变化趋势相反（表1）。

Sr/Ba、Ca/（Ca+Fe）比值变化趋势相一致，与V 元素含量变化趋势相反，同样反映出3 段式变化：下侏罗统、中侏罗统和下白垩统K1q段（图3）。下侏罗统Sr/Ba 和Ca/（Ca+Fe）比值在低—中值段内变化，中侏罗统主要为低值（J2x底局部样品处于中值范围），而K1q段整体为高值范围（表1）。

P、Zn 和Mn 元素含量的变化趋势与以上元素存在较大差异，J1b至J1s中部元素含量逐渐增大，而J1s中部至K1q元素含量逐渐减小，呈“两段式”变化（图3）。Cl、Zr元素均反映出区别于P、Zn和Mn元素相区别的“两段式”变化（图3），即K1q岩石样品Cl和Zr元素含量明显高于侏罗系，Ti元素含量变化趋势与Cl、Zr元素变化恰好相反（表1）。

（2）吐孜阿克内沟剖面

扎伊尔山前吐孜阿克内沟J～K1q岩石样品Sr、K元素含量和Fe/Mn比值变化曲线也可划分为3段：下侏罗统、中侏罗统和下白垩统K1q段（图5）。下侏罗统Sr、K 元素含量在中值范围内变化，中侏罗统整体为低值（J2x底局部样品处于中值范围），下白垩统K1q段表现出高值特征（表1、图5）。Fe/Mn 比值变化趋势与之正好相反（图5）。

Sr/Ba、Ca/（Ca+Fe）比值变化趋势相一致，下白垩统K1q段的比值明显高于侏罗系，而中侏罗统的数值相对略低于下侏罗统。V 元素含量曲线的变化趋势与之相反（图5）。

P、Mn 和Co 元素含量曲线显示：J1b至J1s中部元素含量逐渐增大，而J1s中部至K1q元素含量逐渐减小。Cl、Ti、Zr 元素含量的变化并未表现出塞力克提沟下白垩统K1q段明显区别于侏罗系的显著特征（图5）。

3.3 重矿物

根据凹陷内Ai-2 井的22 块重矿物测试结果（表2、图6a），下侏罗统重矿物组分主要为钛铁矿和白钛石，其次为褐铁矿、锆石、电气石、尖晶石等，中—上侏罗统重矿物中锆石所占比重显著增加，K1q的重矿物中除较为常见的钛铁矿外，锆石和绿帘石的含量相对高于侏罗系。一般而言，白钛石、钛铁矿等较常出现在铁镁质岩浆岩和片麻岩、云母片岩、角闪岩等一些变质岩中，绿帘石和尖晶石在变质岩中分布很广，锆石在中—酸性岩浆岩中较富集[35]；结合前人对北天山和扎伊尔山物源体系的研究成果[36]，Ai-2井下侏罗统、中—上侏罗统和下白垩统K1q重矿物组合分别反映出基—中性岩浆岩、中—基性岩浆岩和中—基性岩浆岩混合少量变质岩的陆源碎屑源区母岩类型。

凹陷北部Che-10 井28 块岩石样品重矿物数据显示（表3、图6b）：下侏罗统重矿物组合以白钛石、钛铁矿和锆石为主，褐铁矿和尖晶石为辅，符合基—中性岩浆岩类型的母岩来源。中—上侏罗统重矿物中锆石的含量相对升高，锆石、白钛石、钛铁矿、褐铁矿重矿物组分居多，石榴石、电气石、磁铁矿居次，属于中—基性岩浆岩母岩类型。下白垩统K1q的重矿物中白钛石含量减小，尖晶石、绿帘石的含量相对增大，反映变质岩混合中—基性岩浆岩的母岩特征。

Che-10 井目的层段岩心重矿物数据显示其与Ai-2 井相应层段重矿物组成结构存在较大差异，Che-10 井侏罗系—下白垩统K1q的含钛矿物以白钛石为主，与Ai-2 井岩心样品含钛重矿物为钛铁矿的特征相区别。

4 讨论

4.1 沉积环境

4.1.1 古气候

根据塞力克提沟（图3）和吐孜阿克内沟（图5）两条J～K1q剖面的XFR测试结果，凹陷及周边在早侏罗世为相对温暖—潮湿的古气候，中—晚侏罗世平均温度相对下降但湿度小幅升高，早白垩世古气候偏干旱，温度显著上升，表现出“三段式”变化趋势。侏罗纪气候整体偏潮湿，但存在季节性潮湿—干旱的短暂气候变换，如J1b晚期、J1s中期和J2x早期均出现过短周期的温度上升和湿度下降。

本文对四棵树凹陷J～K1q古气候演化的认识与全球侏罗纪氧（δ18O）同位素对比反映气候变化的结果基本相一致。据前人研究结果[37]，准噶尔盆地自二叠纪至侏罗纪位于地球北纬约60°的相对高纬度位置，富煤层和阔叶植物群落说明该段时间总体为温暖且潮湿的古气候。全球侏罗系海洋沉积物同位素（δ18O）[10]和大气CO2浓度纪录[38]均表明侏罗纪是地质历史上典型的“温室”时期之一，缺乏大规模冰川痕迹，平均温度比现今高5 ℃～10 ℃，海水温度高于现今约8 ℃；侏罗纪时期气候也发生过强烈的起伏波动，如中侏罗世平均气温相对于早侏罗世气温有所下降，晚侏罗世的平均气温随CO2浓度的增大而上升，以及季节性气候转换、短暂的海水温度上升及区域性小冰室期等现象[39-40]。通过元素地球化学恢复的四棵树凹陷J～K1q古气候演化特征与全球古温度模型具有高度的重合性，说明凹陷目的层段沉积物元素能够相对精确地反映古气候的变化。

表1 塞力克提沟与吐孜阿克内沟剖面J～qK1q沉积古环境元素指标值统计表Table 1 Element indicators for the J～K1q sedimentary paleoenvironment of the Sailiketigou and Tuziakeneigou sections

表2 四棵树凹陷Ai-2井J～K1q重矿物组合及母岩特征Table 2 The heavy mineral assemblages and source rocks of J-K1q, well Ai-2

图6 四棵树凹陷Ai-2 井（a）和Che-10 井（b）J～K1q 重矿物组合Fig.6 The heavy mineral content charts of the J-K1q samples from wells Ai-2 (a) and Che-10 (b)

表3 四棵树凹陷Che-10井J～K1q重矿物组合及母岩特征Table 3 The heavy mineral assemblages and source rocks of J-K1q, well Che-10

4.1.2 古盐度

塞力克提沟（图3）和吐孜阿克内沟（图5）J～K1q剖面反映古盐度的Sr/Ba 比值均小于1，绝大部分数值小于0.6，说明四棵树凹陷在J～K1q沉积时古水体一直为淡水环境；配合V 元素和Ca/（Ca+Fe）比值综合判断四棵树凹陷沉积古水体的盐度在J1b早期、J1s中期和J2x早期出现了短暂、小幅的升高，在早白垩世达到最大化，总体呈现出“侏罗纪淡水环境、早白垩世轻微咸化”的“两段式”变化趋势特征。

与古气候变化的对比发现：研究区J～K1q沉积古水体盐度与古气候基本保持同步变化，说明古气候对水体古盐度的影响作用较为显著。K1q的古气候偏干热，温度相对高于侏罗纪，其沉积古水体的盐度在蒸发量上升和降雨量下降的双重作用影响下而增大；另外，中—晚侏罗世的古气候相对潮湿，沉积古水体的盐度相对较低。

4.1.3 古氧化—还原条件（Eh）

两个剖面反映古Eh 的元素指标数据显示（图3,5），研究区J1s沉积古水体还原性总体强于其他时期，J3q的沉积水体氧化条件相对最强，其他层段氧化—还原条件处于两者之间。这说明J1s时期四棵树凹陷沉积水体相对较深，该组富有机质泥页岩段（处于J1s中部）应该对应了侏罗系层序地层的最大湖泛面。

4.2 沉积物源

四棵树凹陷在侏罗纪时期一直存在南部北天山和北部扎伊尔山两个主要潜在碎屑物质供给区[36]。据研究[5,41]，中—新生代期间天山造山带的隆升具有“多期次、南早北晚、西早东晚”的特征，与研究区毗邻的北天山西段主要受晚印支运动的影响，隆升于220～180 Ma（T3～J1）。西准噶尔扎伊尔山体系在侏罗纪的隆升活动相对较平静，早白垩世（145～120 Ma）时期受到羌塘—拉萨板块碰撞的影响而发生快速隆升活动与夷平作用[18]。

4.2.1 北天山物源区

北天山山前塞力克提沟剖面Cl与Zr元素自下侏罗统至下白垩统K1q 具有逐渐增大的变化趋势，K1q的Cl 与Zr 元素含量显著高于侏罗系（表1、图3）。Ti元素含量与Cl与Zr元素的变化趋势相反，K1q的Ti元素丰度整体低于侏罗系。

碎屑岩沉积物Cl 元素的富集通常与蒸发环境（蒸发岩）或火山岩（如凝灰岩）母岩有关[34]，虽然研究区在K1q沉积期间温度有所上升，但吐孜阿克内沟剖面K1q沉积物中Cl 元素含量并未出现明显增大的现象（图5），说明塞力克提沟剖面K1q的Cl含量升高与蒸发环境无关，而是凝灰岩母岩组分的增加所致。塞力克提沟剖面Zr元素含量的变化与锆石组分具有一定联系。凹陷内Ai-2井下侏罗统重矿物组分中锆石含量相对较低，自中侏罗统开始锆石组分逐渐增大，平均值在下白垩统K1q达到最高值（表1、图6a），该变化趋势与塞力克提沟剖面Zr元素变化特征基本一致，说明Zr 元素的富集与锆石组分密切相关。与此同时也说明北天山山前塞力克提沟与Ai-2井附近区域在J～K1q期间主要受北天山物源区的影响。

塞力克提沟剖面J1b～K1q沉积物中Ti元素含量变化与钛铁矿、白钛石等含钛重矿物组分相关。侏罗系的Ti 元素明显比下白垩统K1q更富集，同时，下侏罗统沉积物中Ti 元素含量略高于中—上侏罗统（图3），这与Ai-2 井岩心样品重矿物测试数据所反映的含钛矿物丰度变化高度吻合（图6a），说明北天山物源区自早侏罗世以后向凹陷供给陆源碎屑物质的母岩中基性岩浆岩的组分逐渐减少。

4.2.2 扎伊尔山物源区

扎伊尔山山前吐孜阿克内沟J1b～K1q指示古物源的元素指标（Cl、Ti 和Zr）并无明显变化（图5），但相对毗邻扎伊尔山的Che-10井岩心样品中含钛重矿物类型（白钛石为主）与北天山主供源体系（Ai-2井，钛铁矿为主）相差较大；此外，Che-10 井自J1b至K1q钛铁矿及锆石含量逐渐减小，说明北天山物源区对Che-10 井附近区域的影响减弱，扎伊尔山物源区的影响则变强，这与扎伊尔山的隆升时序相匹配。

K1q沉积时期，凹陷内Ai-2 井（表2）和凹陷边缘北部Che-10井（表3）沉积物中均汇入绿帘石、尖晶石等反映变质岩类型母岩来源的重矿物，但Che-10 井的变质岩母岩汇入程度更高，反映研究区在J/K之交发生的大规模物源转换极有可能来自于扎伊尔山的快速隆起和夷平作用，为凹陷提供了相当数量的变质岩碎屑组分，并影响了凹陷内较为广泛的地区。

4.3 古环境与物源演化

四棵树凹陷在J1b沉积期主体为温暖—潮湿的古气候，晚期短暂出现过温度上升、湿度下降的季节性气候变化。以淡水为主的古水体，水深相对较浅，晚期水体逐渐加深，从弱氧化转变成弱还原条件。南部的北天山物源区主要出露基—中性岩浆的母岩（重矿物中钛铁矿的含量高），风化剥蚀的产物直接供给了凹陷大部分地区的陆源碎屑物质来源，而北部扎伊尔山物源区主要供给白钛石含量较高的基—中性岩浆岩母岩，影响范围有限。

J1s时期，研究区古水深达到最大，对应了侏罗系—下白垩统K1q的最大湖泛期，还原条件最强，水体的盐度较J1b时期略有下降，处于烃源岩层发育的鼎盛期。该时期古气候仍维持温暖—潮湿的整体格局，相对湖平面最大化时期（对应J1s中部）气候出现过短暂的温度上升、湿度下降的季节性变化，晚期温度回降、湿度回升，水体向弱还原条件过渡。凹陷内大部分区域沉积的碎屑物质主要来源于北天山物源区的基—中性岩浆岩母岩，扎伊尔山物源区的影响范围依然有限。

四棵树凹陷在中侏罗世（J2x和J2t）依然是温暖—潮湿的古气候环境，但温度相对早侏罗世有所下降，湿度略有上升。古水体平均深度为侏罗纪最低，整体处于弱还原—弱氧化环境，水体逐渐变浅，氧化性变强。北天山物源区经过早侏罗世的快速隆升及夷平作用[5]，母岩类型从基—中性岩浆岩过渡至中—基性岩浆岩（可能汇入花岗岩侵入体），风化剥蚀后的陆源碎屑物质重矿物组分中锆石含量相对增大，钛铁矿组分占比下降；扎伊尔山物源区的影响仍控制在凹陷的局部范围。中侏罗统沉积物中煤层较发育（图2d，e、图4d），推测该时期构造背景相对稳定，古水深变化差距较小，泛平原化或沼泽化作用较突出，大量植物在弱还原—弱氧化条件古水体中保存而发生煤炭化。

晚侏罗世（主要为J3q）时期，研究区的温度持续下降，古水体持续变浅，盐度相对微弱减小，氧化性持续增强，沉积物氧化色较明显（图3，5）。北天山物源区仍然供给中—基性岩浆岩母岩，但开始混入少量凝灰岩，陆源碎屑物质重矿物中钛铁矿含量进一步减小，锆石组分比例逐渐上升；扎伊尔山物源区的隆升活动开始活跃[18]，其能影响的范围逐渐向南扩展。

早白垩世K1q期是研究区古环境和物源供给的重要转折时期。相对于侏罗纪，K1q的古气候相对干热，沉积水体平均古水深达到J1b～K1q时期最浅水平后逐渐开始缓慢上升，水体经微弱咸化后古盐度缓慢降低，氧化性较强。北天山物源区供给的母岩类型仍以中—酸性岩浆岩为主，但凝灰岩混入程度提高，所影响的范围逐渐向南收缩；扎伊尔山物源区由于快速的隆升活动，混入大量变质岩类型的母岩，所供陆源碎屑物质影响的范围也进一步向南扩展。

5 结论

（1）准噶尔盆地四棵树凹陷在J1b～K1q时期古气候表现为从温湿向干热变化的趋势：虽然J1b晚期、J1s中期和J2x早期均出现过短周期的温度上升和湿度下降的现象，侏罗纪主体仍处于温湿气候；早侏罗世温度相对偏高、湿度偏低，中—晚侏罗世温度下降至最低、湿度增至最大，而K1q时期以干热气候为主。

（2）凹陷的J～K1q沉积古水体总体为淡水环境，盐度变化主要受古气候的影响，早侏罗世相对偏高，中—晚侏罗世相对最低，早白垩世K1q时期沉积水体盐度达到轻微咸化程度。

（3）研究区的J1s沉积古水体相对最深、还原性最强，J1b平均古水深相对较浅，处于弱氧化—弱还原状态，中侏罗世至早白垩世K1q时期平均古水深逐渐变小，从弱还原性向强氧化性递变。

（4）凹陷在侏罗纪主要受南部北天山物源区的影响，早白垩世K1q时期北部的扎伊尔山物源区供源作用逐渐变强；北天山物源区在早侏罗世向凹陷供给以钛铁矿重矿物组分为主的基—中性岩浆岩类型母岩，中—晚侏罗世陆源碎屑物质母岩变成中—基性岩浆岩，重矿物中锆石组分逐渐上升，早白垩世K1q时期在中—基性岩浆岩母岩基础上混入凝灰岩；扎伊尔山物源区在早侏罗世供给以白钛石重矿物组分为主的基—中性岩浆岩类型母岩，中—晚侏罗世陆源碎屑物质母岩变成中—基性岩浆岩，早白垩世K1q时期转换成变质岩混合中—基性岩浆岩的母岩组合。

致谢 两位审稿专家提出了宝贵的修改意见，编辑及时传达了审稿进度，在此表示感谢。