准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组古盐度恢复

准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组古盐度恢复
黄云飞;张昌民;朱锐;易雪斐;瞿建华;唐勇
【摘要】准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组为一套扇三角洲沉积体系,以粗碎屑沉积为主,夹少量的泥岩.为了恢复百口泉组沉积时期水体的古盐度,并与上二叠统乌尔禾组、中三叠统克拉玛依组的古盐度对比,对上述3个组岩心中的泥岩样品开展了全岩黏土矿物分析和微量元素测试,采用硼元素法、锶钡比、硼镓比等方法恢复百口泉组沉积时期水体的古盐度.结果表明,泥岩样品中黏土矿物以伊蒙混层为主,适合用科奇公式恢复古盐度.玛湖凹陷乌尔禾组、百口泉组一段、百口泉组二段、百口泉组三段和克拉玛依组的平均古盐度分别为7.0‰,5.0‰,7.2‰,8.9‰和
8.4‰,反映当时水体为淡水—微咸水环境;黄羊泉扇与夏子街扇百口泉组表现出不同的古盐度变化趋势,黄羊泉扇的古盐度值较低,而夏子街扇的古盐度值相对较高,可能与所选井位的古沉积环境有关.此外,锶钡比和硼镓比也指示玛湖凹陷晚二叠世—中三叠世水体为淡水—微咸水环境.%The Lower Triassic Baikouquan formation in the Mahu sag,Junggar basin is a set of sedimentary system of fan delta,which is dominated by coarse detrital deposits with a small amount of mudstones.In order to restore the paleosalinities of the water body during the deposition of the Baikouquan formation,and compared with those of the Upper Permian Wuerhe formation and Middle Triassic Kelamayi formation,whole rock tests of clay minerals and trace elements are carried out for the mudstone samples in the cores obtained from the above three formations.The methods such as Boron element,Sr/Ba ratio and B/Ga ratio are used to restore the water paleosalinities during the deposition of the Baikouquan formation.The results show that the clay
minerals in the sample are dominated by illite/montmorillonite mixing layer,so Coach formula is suitable to be adopted to restore the paleosalinities.The average paleosalinities of the Upper Permian Wuerhe formation,T1b1,T1b2,T1b3 and Middle Triassic Kelamayi formation are
7.0‰,5.0‰,7.2‰,8.9‰ and 8.4‰,respectively,indicating that the water at that time was fresh water-brackish water environment.The Baikouquan formation in Huangyangquan fan and Xiazijie fan exhibits different paleosalinity variation trend,relatively low paleosalinity of Huangyangquan fan and relatively high paleosalinity of Xiazijie fan may be related to the palaeosedimentary environment of the selected well locations.In addition,both Sr/Ba ratio and B/Ga ratio indicate a fresh water-brackish water environment in Mahu sag during Late Permian to Middle Triassic.【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2017(038)003
【总页数】7页(P269-275)
【关键词】准噶尔盆地;玛湖凹陷;百口泉组;黏土矿物;微量元素;古盐度;沉积环境【作者】黄云飞;张昌民;朱锐;易雪斐;瞿建华;唐勇
【作者单位】长江大学地球科学学院,武汉430100;长江大学地球科学学院,武汉430100;长江大学地球科学学院,武汉430100;长江大学非常规油气湖北省协同创新中心,武汉430100;中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依834000;中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依834000
【正文语种】中文
【中图分类】TE111.3
玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，是盆地重要的生烃凹陷之一。

2012年以来，油气勘探向斜坡带岩性油气藏扩展，多口井在下三叠统百口泉组获得工业油流，成为当前勘探开发的重点层位。

随着对百口泉组研究的逐步深入，在沉积相与沉积模式[1-4]、储集层特征[5]、储集层控制因素[6-7]、成藏控制因素[8-9]等方面取得了重要进展和突破。

在沉积模式方面，对百口泉组的认识由传统的冲积扇模式[10]，突破到了扇三角洲沉积模式[1，3]。

但是，百口泉组沉积时期水体的古盐度仍然未知，而古盐度是古沉积环境的判别标志之一，对古盐度的恢复有助于判断水体性质、沉积环境等的变迁，可以为沉积模式提供背景信息。

陆相盆地碎屑岩的古盐度恢复方法多采用微量元素法，包括硼元素法、锶钡比、铷钾比、硼镓比等方法。

这些方法在东营盆地[11]、保山盆地[12]、鄂尔多斯盆地[13-16]、塔里木盆地[17-18]、准噶尔盆地[19]、渭河盆地[20]等的古盐度研究中应用广泛，计算出的古盐度有助于判断沉积时期水体的性质、恢复湖平面和湖岸线的变化、恢复沉积相面貌及判别有利储集层。

文献［21］采用便携式X射线荧光光谱分析测试仪对百口泉组岩心样品进行元素含量测试，认为当时的沉积环境是温暖潮湿、淡水—微咸水、水体分层不强的弱氧化环境，但是粗碎屑岩通常无法保存原始的沉积环境信息，其研究结果值得商榷。

因此，本文以岩心中的泥岩样品为研究对象，通过微量元素法恢复百口泉组沉积时期水体的古盐度，判断当时水体的性质，验证沉积古地貌，为百口泉组扇三角洲沉积体系的研究提供依据。

石炭纪—二叠纪，哈萨克板块、西伯利亚板块与塔里木板块碰撞，形成了准噶尔盆地3个主要的前陆盆地[22-23]。

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘前陆盆地，自
下而上发育二叠系佳木河组（P1j）、风城组（P1f）、夏子街组（P2x）、下乌尔禾组（P2w）、上乌尔禾组（P3w），三叠系百口泉组（T1b）、克拉玛依组
（T2k）、白碱滩组（T3b）。

其中，百口泉组自下而上又可划分为百口泉组一段（T1b1）、百口泉组二段（T1b2）和百口泉组三段（T1b3）。

百口泉组沉积时
期是推覆运动相对稳定时期，也是拗陷盆地开始形成时期[1]。

高分辨率层序地层
研究表明，玛湖凹陷百口泉组包括1个三级层序、3个四级层序以及十几个五级层序[24]。

玛湖凹陷百口泉组以近源粗粒碎屑岩沉积为主，最初被认为是干旱—半干旱环境
下的山口冲积扇沉积[10]。

随着对玛湖凹陷百口泉组研究的不断深入，认识到其为平缓斜坡背景下的浅水扇三角洲沉积体系[1，3]。

玛湖凹陷中分布有6大扇体，分别是夏子街扇、黄羊泉扇、克拉玛依扇、中拐扇、盐北扇和夏盐扇（图1），扇体形态多样、规模不等、物源不同，且在空间上相互叠置[1]。

百口泉组继承了二叠
纪的构造格局和古地貌特征，持续隆升的老山提供了充足的物源，山口及扇体间的高地等则控制了扇体的形态及展布。

百口泉组含钛铁矿、绿帘石等20多种重矿物，总体上以不稳定重矿物为主，不同的重矿物组合可以代表不同的物源，玛湖凹陷可识别出6个分支物源，对应于6大扇体[25-26]。

从沉积环境来说，百口泉组泥岩样品的饱和烃气相色谱Pr/Ph分析指示弱氧化—还原环境的滨岸或浅水沉积[1]。

2.1 研究样品和仪器
玛湖凹陷百口泉组为一套粗碎屑岩沉积体系，粗碎屑岩中夹少量泥岩、粉砂岩，而泥岩、粉砂岩能够较好地保存沉积时期的古环境信息，因此，本研究选择钻井岩心的泥岩样品为研究对象。

从玛湖凹陷黄羊泉扇体和夏子街扇体多口钻井岩心（图1）中选取了27个样品，其中乌尔禾组5个样品、百口泉组16个样品、克拉玛依组
6个样品（表1），乌尔禾组和克拉玛依组样品可作为百口泉组古环境分析的参照物。

下三叠统样品除3号、4号和5号样品外，其他样品的沉积相类型主要为扇
三角洲平原河道间微相，上、下地层的砾岩主要为扇三角洲平原辫状河道微相；玛18井的3号、4号和5号样品属于扇三角洲前缘分流间湾微相，上、下地层的砾
岩为扇三角洲前缘水下分流河道微相（图2）。

所有泥岩样品的分析测试均在河北省任丘市杰创石油科技有限公司完成，黏土矿物和全岩分析采用D8 Discover型
X射线衍射仪测量，而硼、锶、钡和镓等微量元素含量则采用X-Series 2等离子
体质谱仪测量。

2.2 研究方法
众多前人的实验证明，黏土矿物会吸收和固定溶液中的硼元素，当硼元素被黏土矿物吸收固定后，不会因后期水体化学条件变化而发生迁移[27-29]，因此，岩石样
品的硼元素可以代表原始的水体中的硼元素水平。

利用硼元素定量计算水体古盐度的理论基础在于：黏土矿物吸收和固定硼的含量与水体中硼含量有关，而水体中硼含量与盐度呈线性关系。

二者结合起来即是佛伦德奇吸收方程[27-29]：
式中B——样品中吸收的硼含量，10-6；
S——古盐度，‰；
C1，C2——常数。

在佛伦德奇吸收方程的基础上建立了常用的科奇公式[29]和亚当斯公式[30]，其中，亚当斯公式仅适用于以伊利石为主的泥岩样品，而科奇公式则适用于具有复杂黏土矿物成分的泥岩样品。

中国鄂尔多斯盆地的古盐度研究也证实了这一点，科奇公式适用的盐度范围更广，更适用于黏土矿物组成复杂的陆相地层[13-14]。

从表1中可知，玛湖凹陷所有的样品在矿物组成上均以黏土矿物（平均含量
53.4%）和石英（平均含量33.8%）为主，仅含少量斜长石、钾长石、赤铁矿等
矿物。

黏土矿物类型较为复杂，伊利石、绿泥石、高岭石、伊蒙混层均存在，且以伊蒙混层为主，伊利石、绿泥石、高岭石含量少，在不同样品中含量有所差异。

复杂的黏土矿物组成使得本研究选用科奇公式[29]来定量化计算古盐度：
式中Bc——校正的硼含量，10-6；
xi，xm，xk——样品中实测的伊利石、蒙脱石和高岭石的质量分数，%.
（3）式中的系数代表各类黏土矿物对硼元素的吸收程度，系数越大，吸收程度越高。

此外，硼镓比和锶钡比也常被用于定性判别古盐度，硼元素比镓元素的迁移能力强，镓元素在迁移时即可沉淀，而硼元素只有在水体蒸发时才会沉淀，硼镓比值会随着盐度的增加而增大；锶元素比钡元素的迁移能力强，在水体中均以重碳酸盐的形式出现，随着盐度的升高，钡元素首先以硫酸钡的形式沉淀，水体中的锶元素相对钡元素更为富集，而锶元素只有在盐度继续增加到一定程度时才会以硫酸锶的形式沉淀，沉积物中的锶钡比值与古盐度呈明显的正相关关系。

因此，硼镓比和锶钡比被认为是指示古盐度较好的指标[13-14]。

一般来说，盐度大于35‰为超咸水，25‰～35‰为咸水，10‰～25‰为半咸水，小于10‰为淡水—微咸水[17]。

由表1可知，玛湖凹陷上二叠统—中三叠统泥岩样品硼含量恢复的古盐度为2.9‰～14.5‰，多小于10.0‰，指示水体多为淡水—微咸水，仅少数样品指示半咸水环境。

总体来看，玛湖凹陷乌尔禾组的古盐度为5.8‰～7.8‰，平均为7.0‰；百口泉组一段的平均古盐度降到5.0‰，范围为2.9‰～7.8‰；百口泉组二段的平均古盐度又升高到7.2‰，范围为3.8‰～9.6‰；百口泉组三段的平均古盐度继续升高至8.9‰，最大值可达13.8‰；克拉玛依组的古盐度稍降低，平均为8.4‰，最大值为14.5‰（表1）。

黄羊泉扇乌尔禾组的平均古盐度为7.0‰，百口泉组一段的平均古盐度降低至
4.0‰，百口泉组二段的平均古盐度稍升高至
5.1‰，百口泉组三段的平均古盐度又降低至3.6‰，而克拉玛依组平均古盐度又升高至
6.9‰，这反映乌尔禾组和克拉玛依组沉积时期水体盐度较高，而百口泉组沉积时期水体盐度显著降低，且稍有
波动。

夏子街扇与黄羊泉扇相比，表现出明显不同的古盐度分布范围与演化趋势，乌尔禾组的平均古盐度同样为7.0‰，但百口泉组和克拉玛依组平均古盐度显著升高，百口泉组一段、二段和三段的平均古盐度分别为7.8‰，9.2‰和10.2‰，克拉玛依组的平均古盐度为9.2‰（表2，图3），这指示夏子街扇乌尔禾组—百口泉组沉积时期水体盐度较高，并呈递增趋势，至克拉玛依组沉积时期水体盐度稍有降低。

硼镓比与古盐度呈正相关关系，硼镓比小于4.00指示淡水—微咸水沉积，大于7.00则指示海水沉积。

玛湖凹陷泥岩样品的硼镓比为0.55～3.95，反映多数样品为淡水—微咸水沉积，少数样品硼镓比接近4.00，或许已经具备半咸水的特征（表1）。

同时，锶钡比与古盐度也呈正相关关系，锶钡比大于1.00指示海相沉积，0.50～1.00指示半咸水沉积，小于0.50指示淡水—微咸水沉积。

玛湖凹陷泥岩样品的锶钡比为0.15～0.88，多数样品的锶钡比小于0.50，仅2个样品的锶钡比大于0.50，反映多数样品为淡水—微咸水沉积，少数样品为半咸水沉积（表1）。

硼镓比和锶钡比反映出来的定性数据与采用硼含量计算的定量古盐度数据具有一致性。

中国西北地区气候干旱，分布众多咸水湖，其中最大的内陆咸水湖为青海湖，900年以来，其盐度变化范围为10‰～16‰，且其盐度变化与降水量具有直接的关系，降水量增加时盐度降低，降水量减少时盐度升高[31]。

玛湖凹陷百口泉组沉积时期水体的古盐度多小于10‰，为淡水—微咸水沉积，与鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长6段的古盐度有相似性[14]。

考虑到现代淡水湖的盐度一般小于1‰，百口泉组沉积时期的水体为内陆微咸水湖，淡水主要来自大气降水。

这说明百口泉组沉积时期水体的古盐度可能与早三叠世较为温暖、湿润的气候条件有关，注入水量增加，蒸发量相对减少，所以盐度相对降低。

黄羊泉扇和夏子街扇属于玛湖凹陷中相邻的2个扇三角洲沉积体系，其古盐度表
现出不同的演化趋势，这可能与2个扇体中泥岩样品所处的沉积环境不同有关。

对于内陆湖来说，一般靠近河流注入的地方盐度较低，远离河流注入的湖心蒸发作用强，盐度会相应升高，湖泊边缘位置的扇三角洲沉积体系，其古盐度同样受控于淡水注入和蒸发2个因素，扇三角洲平原经常暴露于地表，盐度相对较高。

本研
究所选的泥岩样品多属于扇三角洲平原河道间沉积，仅黄羊泉扇少数样品属于扇三角洲前缘分流间湾沉积（图2），因而，夏子街扇的古盐度相对较高。

同时，夏子街扇为山口陡坡型扇体，坡度较大，而黄羊泉扇为山口缓坡型扇体，坡度较小[1]，因此，夏子街扇的规模较大，可能经常性地冲断黄羊泉扇，在2个扇体相邻的位
置形成类似于“潟湖”的环境或成为水上沉积（图3）。

夏子街扇所选样品的井位位于2个扇体之间，淡水注入较少，蒸发作用非常强，使得古盐度上升，而黄羊
泉扇样品的井位处于扇三角洲向湖泊延伸的方向，且离河道较近，淡水注入充足，注入量远大于蒸发量，使得古盐度相对降低（图3）。

此外，高精度层序地层研究表明，百口泉组由1个三级层序和3个四级层序组成，反映了湖平面的不断上升，可能归因于淡水的大量注入，使得水体的盐度降低，这与黄羊泉扇的古盐度恢复情况较为一致。

（1）采用微量元素硼含量计算的科奇公式对准噶尔盆地玛湖凹陷上二叠统—中三叠统的古盐度进行恢复，其中，乌尔禾组、百口泉组一段、百口泉组二段、百口泉组三段和克拉玛依组的平均古盐度分别为7.0‰，5.0‰，7.2‰，8.9‰和
8.4‰，反映沉积时期水体为淡水—微咸水。

（2）玛湖凹陷泥岩样品的硼镓比和锶钡比指示淡水—微咸水环境，与硼含量计算的古盐度相吻合。

（3）黄羊泉扇与夏子街扇表现出不同的古盐度变化趋势，可能与其所处的古沉积位置有关。

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