齐古断褶带头屯河组—清水河组地球化学特征及古环境

2022-09-20王亚如张昌民冀冬升朱锐付文俊王泽宇刘家乐

新疆石油地质 2022年5期

王亚如，张昌民，冀冬升，朱锐，付文俊，王泽宇，刘家乐

（1.长江大学地球科学学院，武汉 430100；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，乌鲁木齐 830013）

准噶尔盆地南缘是中国较早开始油气勘探的地区之一[1]，也是当前盆地天然气勘探的重点区域。前人将盆地南缘划分为上部、中部和下部三套成藏组合[2]，早期在中—上部成藏组合发现了独山子、玛河等一批高效油气田，2019年高探1井在下白垩统清水河组获得高产油气流，表明南缘下部成藏组合发育优质储集层[3]。但长期以来，对南缘下部成藏组合的研究集中在西段和东段[4-11]，对中段的研究相对较少。根据野外露头及钻井资料，准噶尔盆地南缘侏罗系储集层以发育高角度构造裂缝为主，其次是成岩缝和异常高压缝[11]；在南缘中段，由早侏罗世的远源河流和三角洲沉积，逐渐演变为晚侏罗世—早白垩世的近源冲积扇[8-9]、扇三角洲等沉积[12]，发育多套砂岩储集层[13]。然而，前人的研究主要关注沉积体系展布和储集层微观特征，对古沉积环境的定量分析不足，影响了对中段头屯河组—清水河组沉积环境和砂体成因及其展布的综合分析，制约了该区的油气勘探。

沉积岩中的部分元素对沉积水体的变化有着较高的敏感性，是进行古环境和古气候分析的重要依据[14]。利用V、Cr、Ni、Co、Cu、Zn、U、Mo等对氧化—还原条件敏感的元素[15-16]，可以判断沉积时的氧化—还原条件；利用Li、Sr、Ni等元素[17]，Sr/Ba[18-19]、Rb/K[20]、Fe/Mn[21]和B含量[20，22]，能够恢复古沉积水体盐度。采用Sr/Ca、V/Cr、Zr/Al[23]、Co含量等指标[16，24-26]，可估算古沉积水深。P、Mn 元素[27]及Sr/Cu[28]、Rb/Sr[21]、CaO/（MgO×Al2O3）[20]和Mg/Ca[29]，是研究古气候的常用指标。因此，对沉积岩进行地球化学分析，能更好地对沉积环境进行定量评估。

本文选择准噶尔盆地南缘南安集海河、红沟及雀儿沟剖面，采集侏罗系头屯河组、齐古组、喀拉扎组和白垩系清水河组的岩石样品，利用X 射线荧光光谱仪进行元素地球化学分析，确定研究区头屯河组—清水河组的氧化—还原条件、古盐度、古水深、古气候等沉积环境特征，以期对准噶尔盆地南缘沉积环境有进一步的认识，为研究区油气勘探提供借鉴。

1 地质背景

齐古断褶带位于准噶尔盆地南缘冲断带中段南部，东接阜康断裂带，南邻天山山脉，西连四棵树凹陷，北接霍玛吐背斜带，沿天山北麓呈东西向长条状分布（图1）。研究区地层发育石炭系—第四系，前人研究并划分出上部、中部和下部3 个油气成藏组合[2]，上部组合位于中新统沙湾组—塔西河组，中部组合位于上白垩统东沟组—古近系安集海河组，下部组合位于下侏罗统八道湾组—下白垩统连木沁组。勘探早期在上部组合发现了独山子等油气田，在中部组合发现了玛河、呼图壁等油气田，下部组合由于地层埋藏较深，构造复杂，储集层发育较差，一直没有重大油气发现。

选取准噶尔盆地南缘中部的3 条剖面，自西向东分别为南安集海河剖面、红沟剖面和雀儿沟剖面，各剖面北部分别发育安集海背斜、玛纳斯背斜和齐古背斜。剖面发育头屯河组、齐古组、喀拉扎组和清水河组。在南安集海河剖面，头屯河组以灰绿色、浅灰色砂岩为主，可见砂岩与泥岩、灰绿色与紫红色之间频繁互层，主要为浅水三角洲和滩坝沉积。齐古组在3条剖面皆有出露，发育紫红色、砖红色及红褐色泥岩、粉砂岩和砂岩，砂岩发育槽状交错层理及板状交错层理的中细砂岩，含少量钙质结核，为干旱环境下的河流—泛滥平原沉积。喀拉扎组发育于红沟剖面和雀儿沟剖面，为一套粗粒冲积扇沉积，以厚层砾岩、砂砾岩和砂岩为主，主要发育块状层理、粒序层理、韵律层理、低角度交错层理及平行层理。清水河组在3 条剖面皆有出露，底砾岩发育，主体为灰色、砖红色、灰黄色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩等，发育有包卷构造、软沉积物变形等沉积构造，为湖泊、滨浅湖沉积（图2）。

2 样品采集与测试

选取野外露头剖面23 件样品（图2），其中头屯河组12件，齐古组4件，喀拉扎组3件，清水河组4件，岩性包括泥岩、粉砂岩、碳酸盐岩和钙质结核。室内使用S8 TIGER 型X 射线荧光光谱仪进行主量元素和微量元素分析，遵照JB/T 12962.2—2016《能量色散X 射线荧光光谱仪第2 部分：元素分析仪》进行测试，步骤如下：①将样品粉碎至粒径小于75 μm，置于烘箱中在105 ℃下烘干2～3 h，取出后置于干燥器中冷却至室温；②称取0.1 g样品置于微波消解罐中，加入2 mL的HF、2 mL 的HCl 和6 mL 的HNO3，反应20 min 后，按照微波消解程序，升温至185 ℃，消解45 min；③转移至赶酸器中，于160 ℃下赶酸90 min，转移至50 mL的塑料定量管中定容，静置12 h后，取上部清液待测；④用内标法直接测定，通过标准曲线校正，计算出微量元素含量（表1）。以上测试均在武汉康普顿石油地质检测有限公司完成。

3 沉积环境分析

3.1 氧化—还原条件

沉积环境中含氧量对不同微量元素富集程度有一定影响，尤其是对氧化—还原条件较为敏感的V、Cr、Co、Sc、La、Ni、Cu、Th、U、Zn等微量元素[15，21]。V、Cr、Ni和Co元素易在还原环境中富集，V 的沉积速率更高；Ni、Cr 和Co 常以离子的形式存在于氧化环境中，Co 比Ni优先活化[17]，Cu/Zn、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co 和V/Sc 可以较好地指示沉积水体的氧化—还原条件（表2）。

表2 准噶尔盆地南缘头屯河组—清水河组氧化—还原条件分析数据Table 2.Analysis of oxidation-reduction conditions of Toutunhe formation-Qingshuihe formation in the southern margin of Junggar basin

（1）Cu/Zn 本次研究所采样品的Cu/Zn 为3.13～17.81，总体差异较大，平均为7.35，远大于0.63 的氧化环境指标下限，具有明显的氧化环境特点（表2）。其中，头屯河组Cu/Zn 为3.13～8.52，平均为5.74；齐古组为5.06～11.37，平均为7.84；喀拉扎组为6.13～8.24，平均为7.13；清水河组为6.53～17.81，平均为11.87。以上数据反映所研究层段均为氧化环境，从头屯河组到清水河组氧化程度逐渐增高（图3）。

（2）V/Cr 研究区样品V/Cr 为1.00～2.15，平均为1.40，整体差异较小，其中，仅齐古组1 个样品V/Cr 大于2.00，为2.15，其余样品均小于2.00 的氧化环境指标上限，具有明显的氧化环境特点。头屯河组V/Cr为1.22～1.88，平均为1.57；齐古组为1.00～2.15，平均为1.29；喀拉扎组V/Cr 为1.00，平均为1.00；清水河组V/Cr为1.00～1.90，平均为1.29。以上数据反映研究区头屯河组—清水河组样品绝大多数来自氧化环境，极个别样品来自弱氧化—弱还原环境，且氧化程度由头屯河组至喀拉扎组逐渐增大，清水河组氧化程度相对降低（图3）。

（3）V/Sc 据前人研究V/Sc 小于9 指示氧化环境[30]。研究区所采样品V/Sc 为1.11～13.59，平均为6.28，头屯河组为3.11～8.91，平均为6.70；齐古组为4.72～5.63，平均为5.17；喀拉扎组为5.28～6.94，平均为5.98；清水河组为1.11～13.59，平均为6.32。研究区只有清水河组1 个样品的V/Sc 大于9，为13.59，处于弱还原环境，其余样品V/Sc 均小于9，表明头屯河组—清水河组整体为氧化环境，局部出现短暂的弱还原环境（图3）。

（4）Ni/Co 样品Ni/Co 为1.43～5.42，平均为2.46，整体差异较小，仅清水河组1 个样品的Ni/Co 大于5，处于弱氧化—弱还原环境，其余样品Ni/Co 均小于氧化环境指标，表明研究区为氧化环境（表2）。其中，头屯河组Ni/Co 为1.43～2.83，平均为2.07；齐古组为2.18～2.74，平均为2.39；喀拉扎组为2.46～2.88，平均为2.66；清水河组为2.26～5.42，平均为3.89。因此，头屯河组—清水河组整体为氧化环境，极个别样品处于弱氧化—弱还原环境（图3）。

综上所述，喀拉扎组及头屯河组全部样品、齐古组和清水河组大部分样品的指标指示氧化环境，极个别样品处于弱氧化—弱还原环境。基于以上各项分析结果，结合剖面沉积相特征，认为准噶尔盆地南缘中部头屯河组—清水河组沉积时期以氧化环境为主，个别时期内出现短暂的弱氧化—弱还原环境。此结论与文献［9］的曲流河相、冲积扇相、湖水改造冲积扇相和滨浅湖亚相的环境观点一致。

3.2 古盐度

（1）古盐度敏感元素古盐度有助于判断沉积时期水体的性质。Ga、Sr、Ni等微量元素对沉积水体的盐度变化十分敏感[16]，本文选取Ga 和Sr 元素进行古盐度判别。研究区样品的Ga含量为1.20～25.80 μg/g，Sr含量为110.00～1 862.80 μg/g，平均含量分别为16.63 μg/g和300.13 μg/g，处于淡水环境指标范围内[16]。其中，头屯河组Ga含量为10.50～25.80 μg/g，平均为18.18 μg/g，Sr 含量为140.30～268.40 μg/g，平均为204.65 μg/g，表明头屯河组为淡水环境。齐古组Ga 含量为14.00～20.40 μg/g，Sr含量为110.00～634.50 μg/g，样品数值差异较大，极个别样品Ga和Sr含量处于半咸水环境，平均分别为17.85 μg/g 和331.75 μg/g，表明齐古组主体为淡水环境，极个别样品沉积于半咸水环境。喀拉扎组样品的Ga含量为15.00～19.90 μg/g，平均为17.90 μg/g；Sr 含量为127.60～182.90 μg/g，平均为149.77 μg/g，表明喀拉扎组沉积于淡水环境。清水河组样品的Ga 含量为1.20～23.30 μg/g，Sr含量为122.80～1 862.80 μg/g，样品间差异较大，表明该组沉积于咸水与淡水交替的环境。综上，研究区头屯河组—喀拉扎组沉积期主要为淡水环境，局部可能出现短暂的半咸水环境，清水河组沉积期为咸水与淡水交替环境（图4a、图4b）。

（2）Sr/Ba Sr/Ba通常可作为古盐度的判别指标。在淡水环境中Sr 和Ba 不易沉积，并且Sr 的迁移能力更高，当水体盐度增加，Sr 的溶解性高于Ba，Ba 会以BaSO4的形式沉淀，Sr依旧作为离子溶于水中。因此，在咸水环境中Sr相对富集，Sr/Ba与古盐度呈正相关[17，31]。当沉积物的Sr/Ba 大于1.0 时，为咸水沉积；当Sr/Ba 小于0.6时，为淡水沉积，Sr/Ba为0.6～1.0时，为半咸水沉积[32]。研究区样品的Sr/Ba为0.15～20.16，平均为1.51，其中，头屯河组Sr/Ba 为0.15～0.97，平均为0.51；齐古组为0.29～1.53，平均为0.80；喀拉扎组为0.24～0.49，平均为0.35；清水河组为0.27～20.16，平均为6.07。头屯河组和喀拉扎组Sr/Ba 均小于0.6的淡水环境界限，具有明显的淡水环境特点，齐古组及清水河组个别样品沉积于咸水环境[33]。因此，头屯河组—喀拉扎组沉积期主要为淡水环境，可能出现过短暂的半咸水环境，而清水河组则沉积于咸水与淡水交替环境（图4c）。

3.3 古水深

（1）Sr/Cu Ca、Cu与Ba相似，入湖河流中Ca2+和Cu2+的碳酸盐或硫酸盐溶解度相对较小，在深水环境中会先于Sr2+沉淀而析出，故Sr/Cu增大意味着湖泊盐度增大，沉积水体深度减小[34]。研究区样品Sr/Cu为0.08～1.96，平均为0.50。头屯河组沉积期水体深度出现轻微波动，Sr/Cu 总体具减小趋势，水体加深，晚期增大，水体深度减小；齐古组Sr/Cu 增大，指示水体变浅，喀拉扎组样品Sr/Cu增大，水体变浅；清水河组Sr/Cu减小，水体深度增加。头屯河组—清水河组沉积期，水体呈现由深到浅再到深的变化趋势（图4d）。

（2）Zr/Al Zr 化学性质稳定，在自然界中以重矿物形式存在，在较浅水域中容易直接沉积[35]，Zr/Al越小，表示水体越深。头屯河组Zr/Al 为21.13～33.09，平均为26.30，指示沉积期水体波动频繁，相对较深水体与相对较浅水体交替；齐古组—喀拉扎组Zr/Al 为22.32～28.67，平均为25.46，表明水体变浅；清水河组沉积时期Zr/Al 变化明显，为0～37.20，平均为20.93，表明水体加深，而且波动较大（图4e）。头屯河组—清水河组沉积水体波动较大，但整体具由深变浅再变深的趋势。

（3）Co 含量利用Co 含量定量计算古水深由吴智平等[24]研究总结，经过多位学者实际应用并获得较好效果[16-17，21，25]，本文采用该方法，计算得到的头屯河组—清水河组沉积时期水体深度为2.05～74.20 m，平均为36.60 m；头屯河组沉积时期水体深度为27.22～74.20 m，平均为51.01 m，水深波动较大，水体较深；齐古组沉积时期水体深度为9.35～32.76 m，平均为20.18 m，水深略有波动，总体沉积水体较浅；喀拉扎组沉积期水体深度不断降低，清水河组为2.05～37.21 m，水体深度增大（图4f）。

综合分析认为，头屯河组—清水河组沉积期水动力条件较强，水体波动较大，但整体呈现由深到浅再到深的变化趋势。

3.4 古气候

（1）P 含量和Mn 含量 P 含量和Mn 含量指示古气候的干湿程度，P 含量和Mn 含量越高，表示沉积期蒸发作用越强，气候越炎热[27]。研究区样品P 含量为10.04～299.08 μg/g，平均为101.18μg/g，Mn含量为27.11～1062.82μg/g，平均为316.84 μg/g。其中，头屯河组P 和Mn 平均含量相对较低，分别为31.22 μg/g和207.74 μg/g，表明头屯河组为温暖湿润气候。齐古组和喀拉扎组P平均含量分别为193.10 μg/g和260.08 μg/g，Mn 分别为433.49 μg/g 和590.80 μg/g，相对均较高，且齐古组—喀拉扎组在不断增大（表1），说明齐古组—喀拉扎组为炎热干旱气候。清水河组P 含量为10.04～299.09μg/g，平均为99.99μg/g，Mn含量为62.75～589.51μg/g，平均为322.06 μg/g，均在逐渐减小（表1），说明清水河组为温暖湿润气候。因此，头屯河组—清水河组沉积期的气候由温暖湿润转变为炎热干旱，再转变为温暖湿润。

（2）Mg/Ca Sr、Cu、Mg、Rb、Ca等元素受古沉积气候的影响，在特定的沉积环境中得以保存，不同环境中喜湿型元素（Cu、Rb）与喜干型元素（Sr、Ca、Mg）含量存在差异，因此，气候敏感型元素之间的比值较好的指示古气候的变化[17，28]。Mg/Ca 高值指示炎热干旱气候，低值指示温暖湿润气候[21，26，29]。头屯河组Mg/Ca为0.06～0.13，平均为0.09，且由下至上逐渐增大，指示该时期由温暖湿润气候逐渐变为半湿润气候；齐古组Mg/Ca 为0.05～1.45，平均为0.95，由下至上明显升高，并且齐古组剖面以暗红色、紫红色沉积为主与Mg/Ca呈炎热干旱气候相对应，指示齐古组由温暖湿润向炎热干旱气候转换；喀拉扎组平均为0.66，指示半干旱气候；清水河组Mg/Ca为0.01～5.52，平均为1.45，Mg/Ca变化较大且突然降低，说明由炎热干旱气候向温暖湿润气候转变。

（3）C值判别易富集于潮湿气候下的Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn 和Co 元素含量之和，与易在干旱气候下富集的Ca、Mg、Na、Cu、Sr、Mn等元素[36]含量之和的比值，即C值，对古气候研究具有指示作用，C值大于0.8时，指示温暖湿润气候，0.4～0.8 指示半湿润—半干旱气候，小于0.4 指示干旱气候。研究区头屯河组C 值为0.67～1.68，平均为0.90，指示该时期半湿润气候与湿润气候交替；齐古组C 值为0.38～0.90，平均为0.59，指示半干旱气候与干旱气候交替，总体偏干旱；喀拉扎组C 值为0.57～0.93，平均为0.75，为半湿润—半干旱气候；清水河组平均为0.39，靠近喀拉扎组附近的样品变化较为剧烈，说明清水河组由干旱环境向湿润环境转变[12]。

综合P 和Mn 元素含量、Mg/Ca 和C 值分析认为，研究区头屯河组—喀拉扎组沉积期，气候由温暖湿润转变为炎热干旱，到清水河组再转变为温暖湿润。