齊古斷褶帶頭屯河組—清水河組地球化學(xué)特征及古環(huán)境

王亞如，張昌民，冀冬升，朱銳，付文俊，王澤宇，劉家樂

（1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100；2.中國石油 新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830013）

準噶爾盆地南緣是中國較早開始油氣勘探的地區(qū)之一[1]，也是當前盆地天然氣勘探的重點區(qū)域。前人將盆地南緣劃分為上部、中部和下部三套成藏組合[2]，早期在中—上部成藏組合發(fā)現(xiàn)了獨山子、瑪河等一批高效油氣田，2019年高探1井在下白堊統(tǒng)清水河組獲得高產(chǎn)油氣流，表明南緣下部成藏組合發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲集層[3]。但長期以來，對南緣下部成藏組合的研究集中在西段和東段[4-11]，對中段的研究相對較少。根據(jù)野外露頭及鉆井資料，準噶爾盆地南緣侏羅系儲集層以發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫為主，其次是成巖縫和異常高壓縫[11]；在南緣中段，由早侏羅世的遠源河流和三角洲沉積，逐漸演變?yōu)橥碣_世—早白堊世的近源沖積扇[8-9]、扇三角洲等沉積[12]，發(fā)育多套砂巖儲集層[13]。然而，前人的研究主要關(guān)注沉積體系展布和儲集層微觀特征，對古沉積環(huán)境的定量分析不足，影響了對中段頭屯河組—清水河組沉積環(huán)境和砂體成因及其展布的綜合分析，制約了該區(qū)的油氣勘探。

沉積巖中的部分元素對沉積水體的變化有著較高的敏感性，是進行古環(huán)境和古氣候分析的重要依據(jù)[14]。利用V、Cr、Ni、Co、Cu、Zn、U、Mo等對氧化—還原條件敏感的元素[15-16]，可以判斷沉積時的氧化—還原條件；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]，能夠恢復(fù)古沉積水體鹽度。采用Sr/Ca、V/Cr、Zr/Al[23]、Co含量等指標[16，24-26]，可估算古沉積水深。P、Mn 元素[27]及Sr/Cu[28]、Rb/Sr[21]、CaO/（MgO×Al2O3）[20]和Mg/Ca[29]，是研究古氣候的常用指標。因此，對沉積巖進行地球化學(xué)分析，能更好地對沉積環(huán)境進行定量評估。

本文選擇準噶爾盆地南緣南安集海河、紅溝及雀兒溝剖面，采集侏羅系頭屯河組、齊古組、喀拉扎組和白堊系清水河組的巖石樣品，利用X 射線熒光光譜儀進行元素地球化學(xué)分析，確定研究區(qū)頭屯河組—清水河組的氧化—還原條件、古鹽度、古水深、古氣候等沉積環(huán)境特征，以期對準噶爾盆地南緣沉積環(huán)境有進一步的認識，為研究區(qū)油氣勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

齊古斷褶帶位于準噶爾盆地南緣沖斷帶中段南部，東接阜康斷裂帶，南鄰天山山脈，西連四棵樹凹陷，北接霍瑪吐背斜帶，沿天山北麓呈東西向長條狀分布（圖1）。研究區(qū)地層發(fā)育石炭系—第四系，前人研究并劃分出上部、中部和下部3 個油氣成藏組合[2]，上部組合位于中新統(tǒng)沙灣組—塔西河組，中部組合位于上白堊統(tǒng)東溝組—古近系安集海河組，下部組合位于下侏羅統(tǒng)八道灣組—下白堊統(tǒng)連木沁組。勘探早期在上部組合發(fā)現(xiàn)了獨山子等油氣田，在中部組合發(fā)現(xiàn)了瑪河、呼圖壁等油氣田，下部組合由于地層埋藏較深，構(gòu)造復(fù)雜，儲集層發(fā)育較差，一直沒有重大油氣發(fā)現(xiàn)。

選取準噶爾盆地南緣中部的3 條剖面，自西向東分別為南安集海河剖面、紅溝剖面和雀兒溝剖面，各剖面北部分別發(fā)育安集海背斜、瑪納斯背斜和齊古背斜。剖面發(fā)育頭屯河組、齊古組、喀拉扎組和清水河組。在南安集海河剖面，頭屯河組以灰綠色、淺灰色砂巖為主，可見砂巖與泥巖、灰綠色與紫紅色之間頻繁互層，主要為淺水三角洲和灘壩沉積。齊古組在3條剖面皆有出露，發(fā)育紫紅色、磚紅色及紅褐色泥巖、粉砂巖和砂巖，砂巖發(fā)育槽狀交錯層理及板狀交錯層理的中細砂巖，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，為干旱環(huán)境下的河流—泛濫平原沉積。喀拉扎組發(fā)育于紅溝剖面和雀兒溝剖面，為一套粗粒沖積扇沉積，以厚層礫巖、砂礫巖和砂巖為主，主要發(fā)育塊狀層理、粒序?qū)永?、韻律層理、低角度交錯層理及平行層理。清水河組在3 條剖面皆有出露，底礫巖發(fā)育，主體為灰色、磚紅色、灰黃色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖等，發(fā)育有包卷構(gòu)造、軟沉積物變形等沉積構(gòu)造，為湖泊、濱淺湖沉積（圖2）。

2 樣品采集與測試

選取野外露頭剖面23 件樣品（圖2），其中頭屯河組12件，齊古組4件，喀拉扎組3件，清水河組4件，巖性包括泥巖、粉砂巖、碳酸鹽巖和鈣質(zhì)結(jié)核。室內(nèi)使用S8 TIGER 型X 射線熒光光譜儀進行主量元素和微量元素分析，遵照JB/T 12962.2—2016《能量色散X 射線熒光光譜儀第2 部分：元素分析儀》進行測試，步驟如下：①將樣品粉碎至粒徑小于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卻至室溫；②稱取0.1 g樣品置于微波消解罐中，加入2 mL的HF、2 mL 的HCl 和6 mL 的HNO3，反應(yīng)20 min 后，按照微波消解程序，升溫至185 ℃，消解45 min；③轉(zhuǎn)移至趕酸器中，于160 ℃下趕酸90 min，轉(zhuǎn)移至50 mL的塑料定量管中定容，靜置12 h后，取上部清液待測；④用內(nèi)標法直接測定，通過標準曲線校正，計算出微量元素含量（表1）。以上測試均在武漢康普頓石油地質(zhì)檢測有限公司完成。

3 沉積環(huán)境分析

3.1 氧化—還原條件

沉積環(huán)境中含氧量對不同微量元素富集程度有一定影響，尤其是對氧化—還原條件較為敏感的V、Cr、Co、Sc、La、Ni、Cu、Th、U、Zn等微量元素[15，21]。V、Cr、Ni和Co元素易在還原環(huán)境中富集，V 的沉積速率更高；Ni、Cr 和Co 常以離子的形式存在于氧化環(huán)境中，Co 比Ni優(yōu)先活化[17]，Cu/Zn、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co 和V/Sc 可以較好地指示沉積水體的氧化—還原條件（表2）。

表2 準噶爾盆地南緣頭屯河組—清水河組氧化—還原條件分析數(shù)據(jù)Table 2.Analysis of oxidation-reduction conditions of Toutunhe formation-Qingshuihe formation in the southern margin of Junggar basin

（1）Cu/Zn 本次研究所采樣品的Cu/Zn 為3.13～17.81，總體差異較大，平均為7.35，遠大于0.63 的氧化環(huán)境指標下限，具有明顯的氧化環(huán)境特點（表2）。其中，頭屯河組Cu/Zn 為3.13～8.52，平均為5.74；齊古組為5.06～11.37，平均為7.84；喀拉扎組為6.13～8.24，平均為7.13；清水河組為6.53～17.81，平均為11.87。以上數(shù)據(jù)反映所研究層段均為氧化環(huán)境，從頭屯河組到清水河組氧化程度逐漸增高（圖3）。

（2）V/Cr 研究區(qū)樣品V/Cr 為1.00～2.15，平均為1.40，整體差異較小，其中，僅齊古組1 個樣品V/Cr 大于2.00，為2.15，其余樣品均小于2.00 的氧化環(huán)境指標上限，具有明顯的氧化環(huán)境特點。頭屯河組V/Cr為1.22～1.88，平均為1.57；齊古組為1.00～2.15，平均為1.29；喀拉扎組V/Cr 為1.00，平均為1.00；清水河組V/Cr為1.00～1.90，平均為1.29。以上數(shù)據(jù)反映研究區(qū)頭屯河組—清水河組樣品絕大多數(shù)來自氧化環(huán)境，極個別樣品來自弱氧化—弱還原環(huán)境，且氧化程度由頭屯河組至喀拉扎組逐漸增大，清水河組氧化程度相對降低（圖3）。

（3）V/Sc 據(jù)前人研究V/Sc 小于9 指示氧化環(huán)境[30]。研究區(qū)所采樣品V/Sc 為1.11～13.59，平均為6.28，頭屯河組為3.11～8.91，平均為6.70；齊古組為4.72～5.63，平均為5.17；喀拉扎組為5.28～6.94，平均為5.98；清水河組為1.11～13.59，平均為6.32。研究區(qū)只有清水河組1 個樣品的V/Sc 大于9，為13.59，處于弱還原環(huán)境，其余樣品V/Sc 均小于9，表明頭屯河組—清水河組整體為氧化環(huán)境，局部出現(xiàn)短暫的弱還原環(huán)境（圖3）。

（4）Ni/Co 樣品Ni/Co 為1.43～5.42，平均為2.46，整體差異較小，僅清水河組1 個樣品的Ni/Co 大于5，處于弱氧化—弱還原環(huán)境，其余樣品Ni/Co 均小于氧化環(huán)境指標，表明研究區(qū)為氧化環(huán)境（表2）。其中，頭屯河組Ni/Co 為1.43～2.83，平均為2.07；齊古組為2.18～2.74，平均為2.39；喀拉扎組為2.46～2.88，平均為2.66；清水河組為2.26～5.42，平均為3.89。因此，頭屯河組—清水河組整體為氧化環(huán)境，極個別樣品處于弱氧化—弱還原環(huán)境（圖3）。

綜上所述，喀拉扎組及頭屯河組全部樣品、齊古組和清水河組大部分樣品的指標指示氧化環(huán)境，極個別樣品處于弱氧化—弱還原環(huán)境?；谝陨细黜椃治鼋Y(jié)果，結(jié)合剖面沉積相特征，認為準噶爾盆地南緣中部頭屯河組—清水河組沉積時期以氧化環(huán)境為主，個別時期內(nèi)出現(xiàn)短暫的弱氧化—弱還原環(huán)境。此結(jié)論與文獻［9］的曲流河相、沖積扇相、湖水改造沖積扇相和濱淺湖亞相的環(huán)境觀點一致。

3.2 古鹽度

（1）古鹽度敏感元素 古鹽度有助于判斷沉積時期水體的性質(zhì)。Ga、Sr、Ni等微量元素對沉積水體的鹽度變化十分敏感[16]，本文選取Ga 和Sr 元素進行古鹽度判別。研究區(qū)樣品的Ga含量為1.20～25.80 μg/g，Sr含量為110.00～1 862.80 μg/g，平均含量分別為16.63 μg/g和300.13 μg/g，處于淡水環(huán)境指標范圍內(nèi)[16]。其中，頭屯河組Ga含量為10.50～25.80 μg/g，平均為18.18 μg/g，Sr 含量為140.30～268.40 μg/g，平均為204.65 μg/g，表明頭屯河組為淡水環(huán)境。齊古組Ga 含量為14.00～20.40 μg/g，Sr含量為110.00～634.50 μg/g，樣品數(shù)值差異較大，極個別樣品Ga和Sr含量處于半咸水環(huán)境，平均分別為17.85 μg/g 和331.75 μg/g，表明齊古組主體為淡水環(huán)境，極個別樣品沉積于半咸水環(huán)境?？M樣品的Ga含量為15.00～19.90 μg/g，平均為17.90 μg/g；Sr 含量為127.60～182.90 μg/g，平均為149.77 μg/g，表明喀拉扎組沉積于淡水環(huán)境。清水河組樣品的Ga 含量為1.20～23.30 μg/g，Sr含量為122.80～1 862.80 μg/g，樣品間差異較大，表明該組沉積于咸水與淡水交替的環(huán)境。綜上，研究區(qū)頭屯河組—喀拉扎組沉積期主要為淡水環(huán)境，局部可能出現(xiàn)短暫的半咸水環(huán)境，清水河組沉積期為咸水與淡水交替環(huán)境（圖4a、圖4b）。

（2）Sr/Ba Sr/Ba通?？勺鳛楣披}度的判別指標。在淡水環(huán)境中Sr 和Ba 不易沉積，并且Sr 的遷移能力更高，當水體鹽度增加，Sr 的溶解性高于Ba，Ba 會以BaSO4的形式沉淀，Sr依舊作為離子溶于水中。因此，在咸水環(huán)境中Sr相對富集，Sr/Ba與古鹽度呈正相關(guān)[17，31]。當沉積物的Sr/Ba 大于1.0 時，為咸水沉積；當Sr/Ba 小于0.6時，為淡水沉積，Sr/Ba為0.6～1.0時，為半咸水沉積[32]。研究區(qū)樣品的Sr/Ba為0.15～20.16，平均為1.51，其中，頭屯河組Sr/Ba 為0.15～0.97，平均為0.51；齊古組為0.29～1.53，平均為0.80；喀拉扎組為0.24～0.49，平均為0.35；清水河組為0.27～20.16，平均為6.07。頭屯河組和喀拉扎組Sr/Ba 均小于0.6的淡水環(huán)境界限，具有明顯的淡水環(huán)境特點，齊古組及清水河組個別樣品沉積于咸水環(huán)境[33]。因此，頭屯河組—喀拉扎組沉積期主要為淡水環(huán)境，可能出現(xiàn)過短暫的半咸水環(huán)境，而清水河組則沉積于咸水與淡水交替環(huán)境（圖4c）。

3.3 古水深

（1）Sr/Cu Ca、Cu與Ba相似，入湖河流中Ca2+和Cu2+的碳酸鹽或硫酸鹽溶解度相對較小，在深水環(huán)境中會先于Sr2+沉淀而析出，故Sr/Cu增大意味著湖泊鹽度增大，沉積水體深度減小[34]。研究區(qū)樣品Sr/Cu為0.08～1.96，平均為0.50。頭屯河組沉積期水體深度出現(xiàn)輕微波動，Sr/Cu 總體具減小趨勢，水體加深，晚期增大，水體深度減??；齊古組Sr/Cu 增大，指示水體變淺，喀拉扎組樣品Sr/Cu增大，水體變淺；清水河組Sr/Cu減小，水體深度增加。頭屯河組—清水河組沉積期，水體呈現(xiàn)由深到淺再到深的變化趨勢（圖4d）。

（2）Zr/Al Zr 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在自然界中以重礦物形式存在，在較淺水域中容易直接沉積[35]，Zr/Al越小，表示水體越深。頭屯河組Zr/Al 為21.13～33.09，平均為26.30，指示沉積期水體波動頻繁，相對較深水體與相對較淺水體交替；齊古組—喀拉扎組Zr/Al 為22.32～28.67，平均為25.46，表明水體變淺；清水河組沉積時期Zr/Al 變化明顯，為0～37.20，平均為20.93，表明水體加深，而且波動較大（圖4e）。頭屯河組—清水河組沉積水體波動較大，但整體具由深變淺再變深的趨勢。

（3）Co 含量 利用Co 含量定量計算古水深由吳智平等[24]研究總結(jié)，經(jīng)過多位學(xué)者實際應(yīng)用并獲得較好效果[16-17，21，25]，本文采用該方法，計算得到的頭屯河組—清水河組沉積時期水體深度為2.05～74.20 m，平均為36.60 m；頭屯河組沉積時期水體深度為27.22～74.20 m，平均為51.01 m，水深波動較大，水體較深；齊古組沉積時期水體深度為9.35～32.76 m，平均為20.18 m，水深略有波動，總體沉積水體較淺；喀拉扎組沉積期水體深度不斷降低，清水河組為2.05～37.21 m，水體深度增大（圖4f）。

綜合分析認為，頭屯河組—清水河組沉積期水動力條件較強，水體波動較大，但整體呈現(xiàn)由深到淺再到深的變化趨勢。

3.4 古氣候

（1）P 含量和Mn 含量 P 含量和Mn 含量指示古氣候的干濕程度，P 含量和Mn 含量越高，表示沉積期蒸發(fā)作用越強，氣候越炎熱[27]。研究區(qū)樣品P 含量為10.04～299.08 μg/g，平均為101.18μg/g，Mn含量為27.11～1062.82μg/g，平均為316.84 μg/g。其中，頭屯河組P 和Mn 平均含量相對較低，分別為31.22 μg/g和207.74 μg/g，表明頭屯河組為溫暖濕潤氣候。齊古組和喀拉扎組P平均含量分別為193.10 μg/g和260.08 μg/g，Mn 分別為433.49 μg/g 和590.80 μg/g，相對均較高，且齊古組—喀拉扎組在不斷增大（表1），說明齊古組—喀拉扎組為炎熱干旱氣候。清水河組P 含量為10.04～299.09μg/g，平均為99.99μg/g，Mn含量為62.75～589.51μg/g，平均為322.06 μg/g，均在逐漸減?。ū?），說明清水河組為溫暖濕潤氣候。因此，頭屯河組—清水河組沉積期的氣候由溫暖濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊?，再轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏瘽駶櫋?/p>

（2）Mg/Ca Sr、Cu、Mg、Rb、Ca等元素受古沉積氣候的影響，在特定的沉積環(huán)境中得以保存，不同環(huán)境中喜濕型元素（Cu、Rb）與喜干型元素（Sr、Ca、Mg）含量存在差異，因此，氣候敏感型元素之間的比值較好的指示古氣候的變化[17，28]。Mg/Ca 高值指示炎熱干旱氣候，低值指示溫暖濕潤氣候[21，26，29]。頭屯河組Mg/Ca為0.06～0.13，平均為0.09，且由下至上逐漸增大，指示該時期由溫暖濕潤氣候逐漸變?yōu)榘霛駶櫄夂?；齊古組Mg/Ca 為0.05～1.45，平均為0.95，由下至上明顯升高，并且齊古組剖面以暗紅色、紫紅色沉積為主與Mg/Ca呈炎熱干旱氣候相對應(yīng)，指示齊古組由溫暖濕潤向炎熱干旱氣候轉(zhuǎn)換；喀拉扎組平均為0.66，指示半干旱氣候；清水河組Mg/Ca為0.01～5.52，平均為1.45，Mg/Ca變化較大且突然降低，說明由炎熱干旱氣候向溫暖濕潤氣候轉(zhuǎn)變。

（3）C值判別 易富集于潮濕氣候下的Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn 和Co 元素含量之和，與易在干旱氣候下富集的Ca、Mg、Na、Cu、Sr、Mn等元素[36]含量之和的比值，即C值，對古氣候研究具有指示作用，C值大于0.8時，指示溫暖濕潤氣候，0.4～0.8 指示半濕潤—半干旱氣候，小于0.4 指示干旱氣候。研究區(qū)頭屯河組C 值為0.67～1.68，平均為0.90，指示該時期半濕潤氣候與濕潤氣候交替；齊古組C 值為0.38～0.90，平均為0.59，指示半干旱氣候與干旱氣候交替，總體偏干旱；喀拉扎組C 值為0.57～0.93，平均為0.75，為半濕潤—半干旱氣候；清水河組平均為0.39，靠近喀拉扎組附近的樣品變化較為劇烈，說明清水河組由干旱環(huán)境向濕潤環(huán)境轉(zhuǎn)變[12]。

綜合P 和Mn 元素含量、Mg/Ca 和C 值分析認為，研究區(qū)頭屯河組—喀拉扎組沉積期，氣候由溫暖濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊?，到清水河組再轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏瘽駶櫋?/p>

4 結(jié)論

（1）準噶爾盆地南緣齊古斷褶帶頭屯河組—清水河組以氧化環(huán)境為主，局部出現(xiàn)短暫的弱氧化—弱還原環(huán)境。

（2）研究區(qū)頭屯河組—喀拉扎組以淡水環(huán)境為主，個別小層為半咸水環(huán)境沉積；清水河組沉積期為咸水與淡水交替環(huán)境，古鹽度波動較為頻繁。

（3）研究區(qū)頭屯河組—清水河組沉積水體自下而上經(jīng)歷了由深變淺再變深的變化過程，水體深度波動較大，水深為2.05～74.20 m，平均為36.90 m，沉積期水動力較強，計算水深與古湖岸線恢復(fù)研究成果一致。

（4）研究區(qū)頭屯河組—清水河組古氣候由溫暖濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊?，再轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏瘽駶櫋?/p>