Natural Gas Geoscience >

2022 , Vol. 33 >Issue 10: 1571 - 1584

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.04.002

Analysis of sedimentary paleoenvironment of Middle and Upper Permian in southern Jimsar， Junggar Basin： Evidence from biomarkers and elemental geochemistry of mudstone

  • Bingbing LIU , 1, 2 ,
  • Dongzheng MA 3 ,
  • Zhen QIN 1, 2 ,
  • Tianhai WANG 1, 2 ,
  • Jun LIU 1, 2 ,
  • Huifei TAO , 1, 4
Expand
  • 1. Northwest Institute of Eco⁃Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
  • 3. Gansu Earthquake Agency，Lanzhou 730000，China
  • 4. Key Laboratory of Petroleum Resources，Gansu Province，Lanzhou 730000，China

Received date: 2022-01-04

  Revised date: 2022-04-02

  Online published: 2022-09-28

Supported by

The Natural Science Foundation of Gansu Province, China(18JR3RA396)

the Project of Youth Innovation Promotion Association of CAS(2016068)

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Abstract

The mudstone developed in Middle and Upper Permian in the southern Jimsar area of the Junggar Basin is thick and widely distributed， with high organic matter content and rich oil and gas resources. In this study， we carried out biomarker and elemental geochemical analysis on mudstone samples from the Middle Permian Lucaogou Formation and Upper Permian Wutonggou Formation in the southern Jimsar area. On this basis， we studied the redox conditions， paleo-salinity and paleoclimate characteristics of the Middle Permian Lucaogou Formation and Upper Permian Wutonggou Formation mudstone in the southern Jimsar area. The results show that： （1） The Middle Permian Lucaogou Formation was in a weak reducing environment， the sources of organic matter are mainly lower aquatic organisms， submerged plants， and prokaryotes. The middle section of the Lucaogou Formation may be mixed with a small amount of higher plants. The Upper Permian Wutonggou Formation was in a weak oxidation and weak reducing environment， the sources of organic matter are mainly lower aquatic organisms， submerged plants， and prokaryotes， possibly mixed with a small amount of higher plants. Compared with Lucaogou Formation， Wutonggou Formation seems to have more submerged plants， sphagnum， and prokaryotes. （2） During the depositional period of the Middle Permian Lucaogou Formation， it was a saline-brackish water environment， which was dominated by dry and hot paleoclimate conditions. However， during the depositional period of the Wutonggou Formation in the Upper Permian， it was a weak salinity-fresh water environment， which was dominated by warm and humid paleoclimate conditions. （3） From the Middle Permian to the Late Permian， the salinity of lake basin in the study area decreased， the paleoclimate changed from dry and hot to warm and humid. The sources of organic matter are mainly lower aquatic organisms， submerged plants， and prokaryotes.

Key words： Junggar Basin; Permian; Paleoclimate; Biomarker; Element geochemistry

Cite this article

Bingbing LIU , Dongzheng MA , Zhen QIN , Tianhai WANG , Jun LIU , Huifei TAO . Analysis of sedimentary paleoenvironment of Middle and Upper Permian in southern Jimsar， Junggar Basin： Evidence from biomarkers and elemental geochemistry of mudstone[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(10) : 1571 -1584 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.04.002

0 引言

准噶尔盆地东南缘吉木萨尔南部二叠系含有丰富的油气资源，该区中二叠统芦草沟组和上二叠统梧桐沟组烃源岩厚度大、分布广泛，是重要的烃源岩层系之一［1-3］。随着油气勘探和研究的深入，已在准噶尔盆地东南缘博格达山前吉木萨尔凹陷等地区二叠系芦草沟组和梧桐沟组发现致密油和页岩油气的规模分布区［4-6］。目前，对于准噶尔盆地东南缘二叠系，前人的研究［7-11］主要集中在芦草沟组和梧桐沟组沉积储层特征、烃源岩评价和沉积地层演化等方面，而芦草沟组和梧桐沟组沉积古环境演化研究较为薄弱。前人对准噶尔盆地南缘中晚二叠世沉积古环境认识仍然存在争议，主要的观点有：①准噶尔盆地南缘阜康地区芦草沟组暗色泥岩反映高盐度水体、干热的古气候、缺氧的古沉积环境［11-12］；蒋中发等［10］认为芦草沟组下段为干旱气候、上段为温暖湿润气候，而张明明［13］认为芦草沟组下段为温暖湿润气候、上段为干旱气候；前人主张芦草沟组为缺氧还原环境［12，14-18］，而蒋中发等［10］、张明明［13］认为芦草沟组上段为弱氧化环境。②准噶尔盆地东南缘吉木萨尔地区梧桐沟组主要发育辫状河三角洲和滨浅湖沉积体系［19-22］；梧桐沟组沉积古环境研究非常薄弱，马东正等［8］、史燕青等［11］认为该组处于半干旱气候、弱氧化—弱还原环境［8］，有机质类型主要来源于高等植物［23］。鉴于以准噶尔盆地东南缘二叠系沉积古环境研究存在的一些争议，亟需对该区的中晚二叠世沉积古环境作进一步研究。
沉积盆地中的沉积物特征与同时期的沉积环境及气候条件密切相关，特定的沉积环境及气候条件在一定程度上影响了沉积物的特征，沉积环境及气候条件的变化会引起沉积物元素丰度、分布以及沉积物中有机质来源及类型的变化［24］。目前在运用地球化学方法研究泥页岩古沉积环境及古气候方面，比较常用的方法有：有机地球化学生物标志化合物、主微量元素地球化学、稀土元素地球化学以及同位素地球化学［24-27］。生物标志化合物可用于沉积环境氧化还原状态分析［28-32］，元素地球化学参数如Sr/Ba、Sr/Cu、V/（V+Ni）、V/Cr等对古沉积环境及古气候有重要指示意义［33-36］，稀土元素如La、Ce、Eu、Gd等及同位素δ13C、δ18O、δ34S、87Sr/86Sr等被用作沉积环境方面的研究［25，27，37］。
本文对准噶尔盆地东南缘吉木萨尔南部中、上二叠统泥页岩进行有机地球化学和元素地球化学研究，利用生物标志化合物和微量元素古环境分析指标，分析研究区中、上二叠统泥页岩沉积古环境，以期为该区二叠系页岩油气勘探提供有益的指导。

1 地质背景

准噶尔盆地是自二叠纪以来形成的大型陆内叠合盆地，晚古生代为准噶尔盆地构造演化重要时期［38-41］。晚石炭世—二叠纪为其周缘前陆盆地阶段，早在晚石炭世准噶尔地体西北缘、东北缘以及南缘就已经开始了板块接触和碰撞。二叠纪早期准噶尔盆地西北缘和东北缘前陆盆地开始形成，早二叠世晚期风城期盆地南缘和塔里木板块强烈碰撞形成天山造山带标志着准噶尔盆地已真正成形，晚二叠世周缘造山作用减弱并已形成多个沉积中心和构造凸起，二叠纪末期准噶尔盆地整体处于较为平坦的坳陷沉积状态。准噶尔盆地二叠系总体上为向上变粗的沉积序列，沉积相环境由海相向陆相转变［42-44］，中晚二叠世准噶尔盆地东南缘古纬度在北纬40°左右［43］。
研究区位于准噶尔盆地东南缘吉木萨尔南部、东天山博格达造山带以北地区，构造位置处于北天山山前冲断带（图1），研究区中上二叠统由老到新依次为：中二叠统芦草沟组（P2 lc）和上二叠统梧桐沟组（P3 wt）。芦草沟组岩性以灰黑色油页岩、白云岩为主，夹部分粉砂岩，见脊椎动物鱼类化石，厚度约为250 m，整体上为湖相沉积。芦草沟组顶部与上覆梧桐沟组呈角度不整合接触（图2），芦草沟组底部与下伏三叠系烧房沟组砂岩呈逆冲断层不整合接触，下伏烧房沟组紫红色砂岩蚀变明显、破碎严重［45］。梧桐沟组以砂岩夹灰黑色含碳泥岩为主，见植物化石，厚度约为150 m，整体上为三角洲相沉积。梧桐沟组顶部与上覆三叠系韭菜园子组块状砂岩呈角度不整合接触，下伏地层为芦草沟组，梧桐沟组和芦草沟组均发生明显褶皱变形（图2）。
图1 准噶尔盆地构造区划分（a）及研究区地层（b）

Fig. 1 The tectonic unit division of the Junggar Basin（a）and location stratum of the study area（b）

图2 研究区中上二叠统地层柱状简图（a）及地层概况（b）

Fig.2 Stratigraphic column（a） and stratum（b） of Middle-Upper Permian in the study area

2 样品与实验

2.1　样品概述

本文研究样品采自准噶尔盆地东南缘吉木萨尔县以南、大有镇以北的二叠系野外露头剖面（图1），共采集10件新鲜的暗色泥页岩样品（图2），其中中二叠统芦草沟组泥页岩样品7件，上二叠统梧桐沟组泥页岩样品3件。中二叠统芦草沟组7件泥页岩样品自下而上编号为P2 lc-1—P2 lc-7，上二叠统梧桐沟组3件泥页岩样品自下而上编号为P3 wt-1—P3 wt-3。本文对采集的10件泥页岩样品分别进行了有机地球化学生物标志化合物分析和微量元素地球化学分析。

2.2　实验方法

样品前处理、有机地球化学生物标志化合物和微量元素地球化学分析测试均在中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心分析测试部完成，具体实验分析如下。
首先，取泥页岩岩石样品，清除表面杂质，将岩石样品在碳化钨锅中粉碎至200目粉末状，随后将粉末状样品在烘箱中烘干去除水分备用。
有机地球化学生物标志化合物分析测试，采用索氏抽提法对粉末样品进行抽提72 h，并进行组分分离，将饱和烃组分通过气相色谱—质谱联用仪（GC-MS）进行饱和烃分析测试。有机地球化学生物标志化合物分析测试依据为《气相色谱—质谱法测定沉积物和原油中生物标志化合物》（GB/T 18606—2017），分析仪器为美国安捷伦公司的Agilent 6890N-5973N气相色谱质谱联用仪，色谱柱型号为Agilent J&W HP-5ms，全扫描方式GCMS。
微量元素采用酸溶法进行分析测试，称取烘干后的粉末样品50.00 mg放入聚四氟乙烯瓶中，用氢氟酸和硝酸进行样品溶解，电热板上蒸发赶尽氢氟酸，再用硝酸密封溶解，稀释后用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）内标法上机测定。微量元素分析测试所需的标准样品来自于国家质量监督检验检疫总局批准的岩石成分分析标准物质（GSR1-6、GSR13-15）。微量元素分析测试依据为《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》（GB/T 14506.30—2010），分析仪器为英国Nu instruments公司的Attom ES高分辨电感耦合等离子体质谱仪（HR-ICP-MS），分析误差小于2%。

3 实验结果

3.1　生物标志化合物特征

生物标志化合物因具有化学稳定、分子特异性、广泛存在于沉积物中且能够被检测到，能够传递沉积有机质的“遗传”信息，广泛被用于沉积古环境、沉积母质来源和类型、油气源对比以及油气运移与保存等研究［31-32，46］。在沉积古环境与沉积母源输入研究中，常用的饱和烃生物标志化合物有正构烷烃、异戊二烯类烷烃、甾烷和萜烷［47］。
在进行饱和烃气相色谱质谱分析前，对样品进行了有机质抽提和组分分离（表1），氯仿沥青“A”和总烃含量表明芦草沟组泥页岩整体要稍优于梧桐沟组，族组分整体表现出非烃>饱和烃≈沥青质>芳香烃的特点。图3为芦草沟组（P2 lc）和梧桐沟组（P3 wt）的泥页岩样品的饱和烃总离子流图，中二叠统芦草沟组泥页岩样品P2 lc-3、P2 lc-4、P2 lc-5、P2 lc-6具有相似的总离子流分布曲线，P2 lc-5、P2 lc-6、P3 wt-1色谱基线具有轻微的“驼峰”，指示芦草沟组和梧桐沟组部分泥页岩可能受到轻微的生物降解作用。梧桐沟组泥页岩样品P3 wt-2、P3 wt-3具有相似的总离子流分布曲线，且未见明显的生物降解作用。中、上二叠统自下而上从芦草沟组P2 lc-1到梧桐沟组P3 wt-3饱和烃气相色谱总离子流分布以中分子量碳数（nC15—nC21）为主，中二叠统芦草沟组上段和下段呈“单峰”型，芦草沟组中段和上二叠统梧桐沟组呈“双峰”型分布。中、上二叠统泥页岩碳优势指数CPI值在1.12~1.38之间，正构烷烃轻重比ΣnC21 －/ΣnC22 +值在0.74~2.50之间，P aq［（nC23+nC25）/（nC23+nC25+nC29+nC31）］ 值在0.78~0.97之间，姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）值在0.64~1.21之间，Pr/nC17值在0.14~0.24之间，Ph/nC18值在0.17~0.31之间，见表2。
表1 研究区芦草沟组和梧桐沟组泥页岩有机质特征

Table 1 Characteristics of organic matter in mud shale of Lucaogou and Wutonggou formations in the study area

样品编号

氯仿沥青“A”

（EOM）/%

 总烃（HC）/10-6 族组分/%
饱和烃 芳香烃 非烃 沥青质
P3 wt-3 0.12 273.16 21.58 2.17 58.60 17.65
P3 wt-2 0.14 178.97 7.94 5.04 57.04 29.98
P3 wt-1 0.05 78.70 9.79 7.12 60.09 23.00
P2 lc-7 0.13 445.92 26.87 7.60 51.99 13.54
P2 lc-6 0.11 605.51 54.33 2.15 5.81 37.71
P2 lc-5 0.06 178.18 21.60 8.41 59.88 10.11
P2 lc-4 0.13 196.35 11.50 4.18 59.58 24.73
P2 lc-3 0.13 195.68 10.38 4.16 64.43 21.02
P2 lc-2 0.37 1 081.42 26.16 2.85 61.10 9.89
P2 lc-1 0.18 624.95 28.82 5.05 57.22 8.91
图3 研究区芦草沟组和梧桐沟组泥页岩饱和烃GC-MS总离子流分布特征

Fig. 3 GC-MS distribution characteristics of total ion current in saturated hydrocarbon of mud shale of Lucaogou and Wutonggou formations

表2 研究区芦草沟组和梧桐沟组泥页岩生物标志化合物特征参数

Table 2 Biomarker characteristic parameters in mud shale of Lucaogou and Wutonggou formations in the study area

样品

编号

 主峰碳 CPI ΣnC21 －/ΣnC22 + P aq Pr/Ph Pr/nC17 Ph/nC18 规则甾烷/17α（H）-藿烷 C27规则甾烷/∑甾烷 C28规则甾烷/∑甾烷 C29规则甾烷/∑甾烷 规则甾烷C27/C29ααα20R 伽马蜡烷/C30藿烷 孕甾烷/C27规则甾烷
P3 wt-3 21 1.38 1.88 0.97 1.14 0.20 0.18 0.12 0.24 0.32 0.44 0.57 0.03 0.33
P3 wt-2 17 1.32 2.10 0.94 1.21 0.19 0.17 0.12 0.22 0.35 0.43 0.54 0.06 0.34
P3 wt-1 18 1.23 1.40 0.83 1.16 0.22 0.20 0.96 0.19 0.37 0.44 0.45 0.19 0.88
P2 lc-7 16 1.14 1.20 0.78 0.70 0.20 0.31 0.17 0.20 0.24 0.56 0.24 0.18 0.29
P2 lc-6 16 1.20 1.69 0.87 0.76 0.19 0.21 0.87 0.08 0.39 0.53 0.08 0.25 0.90
P2 lc-5 16 1.27 1.47 0.90 0.74 0.18 0.23 0.35 0.13 0.23 0.64 0.32 0.29 1.18
P2 lc-4 16 1.12 2.37 0.79 1.00 0.24 0.25 0.21 0.11 0.41 0.48 0.17 0.26 0.87
P2 lc-3 16 1.18 2.50 0.82 0.64 0.14 0.24 0.14 0.12 0.40 0.48 0.19 0.19 1.03
P2 lc-2 21 1.24 1.34 0.87 0.69 0.15 0.23 0.21 0.17 0.42 0.41 0.47 0.32 0.23
P2 lc-1 23 1.16 0.74 0.82 0.68 0.21 0.30 0.19 0.15 0.40 0.45 0.40 0.32 0.15
P3 wt平均值 1.31 1.79 0.91 1.17 0.20 0.18 0.40 0.22 0.35 0.44 0.52 0.09 0.52
P2 lc平均值 1.19 1.62 0.84 0.74 0.19 0.25 0.31 0.14 0.36 0.51 0.27 0.26 0.66
萜烷和甾烷系列生物标志化合物在指示有机质成熟度、沉积母质来源和沉积水咸化程度有重要意义，萜烷系列生物标志化合物常通过m/z=191被检测到，常用m/z=217检测甾烷系列生物标志化合物［32，47］。研究区芦草沟组和梧桐沟组泥页岩萜烷（m/z=191）和甾烷（m/z=217）质量色谱图见图4，萜烷（m/z=191）质量色谱中以C21三环萜烷和C30藿烷为主峰，甾烷（m/z=217）质量色谱图中以孕甾烷和规则甾烷为主。规则甾烷/17α（H）-藿烷值在0.12~0.96之间，整体上芦草沟甾烷/藿烷值较梧桐沟组高；C27规则甾烷在0.08~0.24之间，C28规则甾烷在0.23~0.42之间，C29规则甾烷在0.41~0.64之间，整体上规则甾烷C29>C28>C27，芦草沟组和梧桐沟组规则甾烷分布相差不大。伽马蜡烷/C30藿烷值在0.03~0.32之间，梧桐沟组伽马蜡烷/C30藿烷值明显低于芦草沟组；孕甾烷/C27规则甾烷值在0.15~1.18之间，芦草沟组孕甾烷/C27规则甾烷值整体大于梧桐沟组且孕甾烷占优势（表2）。
图4 芦草沟组和梧桐沟组萜烷（m/z=191）、甾烷（m/z=217）质量色谱

Fig. 4 Mass chromatograms of terpenes（m/z=191）and steranes（m/z=217）from Lucaogou and Wutonggou formations

3.2　微量元素地球化学特征

沉积岩中的某些特征元素常常与其沉积时湖盆水体的沉积古环境和气候密切相关。反映湖盆水体环境氧化还原状态的元素指标有：V/Cr、Ni/Co、V/（V+Ni）、U/Th、δU、Cu/Zn等［48-49］，与古气候相关的参数有：Sr/Cu、Rb/Sr等［13，50-52］，Li、Sr、Ni、Ga、Sr/Ba等常用来指示水体的盐度［53］，见表3。V/Cr、Ni/Co、V/（V+Ni）、U/Th、δU值越大则指示还原条件强，Cu/Zn值越大则氧化条件越强［54］。Sr/Cu值大于5.0则指示干热的气候条件，Sr/Cu值在1.3~5.0之间则指示温暖湿润的古气候条件［51］；温暖湿润环境下Rb/Sr值大，干旱环境Rb/Sr值小［13］。咸水环境下Li、Sr、Ni、Sr/Ba值较大，而Ga较不易富集。
表3 古环境元素参数判别指标

Table 3 Judging indexes of element parameters related to paleoenvironment

氧化还原条件 V/Cr Ni/Co V/（V+Ni） U/Th δU Cu/Zn
缺氧还原 >4.25 >7.0 >0.84 >1.25 >1 <0.21
弱氧化弱还原 2.0~4.25 5.0~7.0 0.60~0.84 1.25~0.75 ~1 0.21~0.63
富氧氧化 <2 <5.0 <0.6 <0.75 <1 >0.63
古盐度 Li/（μg/g） Sr/（μg/g） Ni/（μg/g） Ga/（μg/g） Sr/Ba 古气候 Sr/Cu Rb/Sr
咸水 >150 800~1 000 > 40 <8 >1.0 温暖湿润 1.3~5.0 大
半咸水 90~150 500~800 25~40 8~17 0.6~1.0 干热 >5.0 小
淡水 <90 100~500 20~25 >17 <0.6
研究区中二叠统芦草沟组和上二叠统梧桐沟组泥页岩反映沉积环境及气候特征的元素地球化学特征参数见表4和图5。中、上二叠统泥页岩样品的氧化还原指标V/Cr值在1.80~2.81之间，Ni/Co值在2.21~5.53之间，V/（V+Ni）值在0.69~0.83之间，U/Th值在0.28~0.85之间，δU值在0.92~1.44之间，Cu/Zn值在0.36~0.93之间。样品的沉积水体古盐度指标：元素Li含量在20.81~96.92 μg/g之间，Sr含量在87.18~632.96 μg/g之间，Ni含量在15.11~43.41 μg/g之间，Ga含量在9.01~17.60 μg/g之间，Sr/Ba值在0.31~2.25之间。样品的古气候指标Sr/Cu值在2.5~24.19之间，Rb/Sr值在0.08~0.68之间。
表4 研究区芦草沟组和梧桐沟组泥页岩元素地球化学特征参数

Table 4 Geochemical characteristics parameters of elements in mud shale of Lucaogou and Wutonggou formations in the study area

地层 样品编号 V/Cr Ni/Co V/（V+Ni） U/Th δU Cu/Zn Li/（μg/g） Sr/（μg/g） Ni/（μg/g） Ga/（μg/g） Sr/Ba Sr/Cu Rb/Sr
P3 wt-3 2.81 4.60 0.72 0.58 1.27 0.68 20.81 170.56 28.42 10.19 0.61 5.96 0.34
梧桐沟组 P3 wt-2 2.25 5.53 0.78 0.45 1.15 0.55 39.51 129.50 28.08 14.88 0.74 4.18 0.39
P3 wt-1 2.51 2.81 0.75 0.85 1.44 0.67 36.91 443.87 22.28 9.27 1.67 13.28 0.12
P2 lc-7 1.97 4.08 0.69 0.28 0.92 0.36 27.37 87.18 43.41 17.60 0.31 2.50 0.68
P2 lc-6 2.46 2.21 0.81 0.69 1.35 0.77 40.90 476.18 15.88 9.01 1.57 14.52 0.12
P2 lc-5 1.88 2.82 0.74 0.31 0.97 0.87 32.12 477.93 16.65 9.29 2.25 22.29 0.09
芦草沟组 P2 lc-4 2.31 3.48 0.74 0.34 1.00 0.93 96.92 565.34 22.90 10.77 1.45 16.00 0.09
P2 lc-3 2.32 2.86 0.83 0.42 1.12 0.83 24.08 632.96 15.11 11.68 1.87 24.19 0.08
P2 lc-2 2.67 3.88 0.75 0.54 1.24 0.58 55.46 415.94 24.81 10.31 1.50 13.85 0.16
P2 lc-1 1.80 3.70 0.75 0.35 1.03 0.54 29.85 325.61 24.83 13.34 0.99 9.91 0.18
平均值 P3 wt 3.05 4.10 0.75 0.60 1.29 0.63 32.41 247.97 26.26 11.45 1.03 7.99 0.22
P2 lc 3.07 3.36 0.75 0.40 1.09 0.62 43.82 425.88 23.37 11.71 1.40 13.97 0.13
图5 研究区芦草沟组和梧桐沟组泥页岩微量元素地球化学特征

Fig.5 Geochemical characteristics of trace elements in the mud shale of Lucaogou and Wutonggou formations

4 讨论

4.1　泥页岩母质类型

饱和烃的正构烷烃分布特征能够反映母质类型，当生油母质以低等水生生物为主时，其饱和烃分布曲线呈“前单峰型”，主峰碳以低碳数为主，高碳数部分少；当生油母质以高等植物为主时，其饱和烃分布曲线呈“后单峰型”，主峰碳以高碳数为主，高碳数部分多，且具有明显的奇碳数优势；当生油母质混合有低等水生生物和高等植物时，其饱和烃分布呈“双峰型”。有研究表明沉水、挺水/漂浮大型水生植物是中分子碳数（nC21、nC23、nC25）正构烷烃的重要来源［55-56］，利用参数P aq［（nC23+nC25）/（nC23+nC25+nC29+nC31）］值可以反映沉、浮、挺水等大型水生植物的贡献［57］，P aq<0.1对应陆生植物，P aq在0.1~0.4之间对应挺水植物，P aq在0.4~1之间对应沉水植物；另外，nC23/nC29和nC23/nC31值反映泥炭藓相对其他高等植物丰度，较低的nC23/nC29和nC23/nC31值反映泥炭藓相对丰度低［58-59］。中二叠统芦草沟组泥页岩饱和烃整体上以中低分子碳数为主，P aq值在0.78~0.90之间（均值为0.84），nC23/nC29值在2.60~5.60之间（均值为4.08），nC23/nC31值在5.33~121.20之间（均值为27.13）；芦草沟组下段和上段碳数呈“前单峰型”分布以中低碳数为主，P aq、nC23/nC29和nC23/nC31值高于芦草沟组中段；芦草沟组中段碳数呈明显的“双峰型”分布以偏低碳数和部分高碳数为主，P aq、nC23/nC29和nC23/nC31值低于芦草沟组上段和下段；结合正构烷烃碳数分布、P aq、nC23/nC29和nC23/nC31值，反映了芦草沟组整体上以沉水生植物和低等水生生物为主，芦草沟组中段可能混有少量高等植物。上二叠统梧桐沟组泥页岩饱和烃以中低碳数和少部分高碳数为主，P aq值在0.83~0.97之间（均值为0.91），nC23/nC29值在2.70~29.02之间（均值为14.25），nC23/nC31值在55.01~148.36之间（均值为105.31），P aq、nC23/nC29和nC23/nC31值整体上高于芦草沟组，反映了梧桐沟组可能有较多的沉水植物和低等水生生物以及少部分高等植物输入。
规则甾烷/17α（H）-藿烷可以定性评价真核生物与原核生物的输入，规则甾烷主要来自真核生物（主要是藻类和高等植物），17α（H）-藿烷主要来自原核生物（主要是细菌）［55-56］。一般情况下，高比值（≥1）规则甾烷/17α（H）-藿烷反映真核生物输入相对较为丰富，低的规则甾烷/17α（H）-藿烷值则反映原核生物输入相对较为丰富［60］。上二叠统梧桐沟组规则甾烷/17α（H）-藿烷值为0.12~0.96（均值为0.40），中二叠统芦草沟组规则甾烷/17α（H）-藿烷比值为0.14~0.87（均值为0.31），这说明上二叠统梧桐沟组和中二叠统芦草沟组原核生物活动性相对较强、原核生源输入相对较多，指示原核生物是沉积有机质来源的重要组成部分。
C27、C28、C29规则甾烷的相对含量可以反映母质来源，C27甾烷通常来源于低等水生生物和藻类，C28可能与浮游植物群（如湖藻）有关，C29甾烷可以来源于藻类和高等植物［61］。ααα20R型C27—C28—C29规则甾烷含量分布显示，芦草沟组下段呈现“C27<C29<C28”的特征，芦草沟组上段呈现“C27<C28<C29”的特征，梧桐沟组呈现“C27<C28≈C29”的特征；芦草沟组C27/C29ααα20R值在0.08~0.47之间［62］（均值为0.33），梧桐沟组C27/C29ααα20R值在0.45~0.57之间（均值为0.55），反映了芦草沟组可能有少部分高等植物输入。C27—C28—C29规则甾烷相对比例在描述不同环境生源输入有重要应用［56］，芦草沟组和梧桐沟组泥页岩甾烷三元图见图6。芦草沟组C27、C28、C29规则甾烷相对比例均值分别为0.14、0.36、0.51，梧桐沟组C27、C28、C29规则甾烷相对比例均值分别为0.22、0.35、0.44，显示出芦草沟组和梧桐沟组C29规则甾烷相对优势、C27规则甾烷相对劣势，因C29规则甾烷相对含量并不是很高，因此可能反映了芦草沟组和梧桐沟组有少部分的高等植物来源，这与饱和烃离子流分布图中芦草沟组具有少部分高碳数的特征相吻合。规则甾烷三元图显示出芦草沟组和梧桐沟组可能具有湖泊—陆生—河口或海湾的有机质来源。芦草沟组C27甾烷相对含量低于梧桐沟组，C29甾烷相对含量高于梧桐沟组，可能反映了芦草沟组也具有少部分高等植物生源输入。
图6 规则甾烷与有机质来源关系［61］

Fig. 6 Relationship between sources of regular steranes and organic matter sources［61］

综合正构烷烃分布特征、P aq、nC23/nC29、nC23/nC31、规则甾烷/17α（H）-藿烷、C27—C28—C29甾烷相对分布、Pr/nC17—Ph/nC18等参数，表明芦草沟组和梧桐沟组母质来源整体以低等水生生物、原核生物（细菌）、沉水植物等输入为主，在某些时期可能混有少部分的高等植物。与芦草沟组相比，梧桐沟组可能有较多的沉水植物、泥炭藓、原核生物。

4.2　氧化还原条件

生物标志化合物参数Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18值是重要的沉积环境氧化还原状态判别参数［63-64］。沉积有机质在缺氧条件下，植基侧链断裂产生植醇，植醇经过脱羟加氢被还原为植烷；在含氧条件下，植醇被氧化为植烷酸，植烷酸脱羧基加氢被还原为姥鲛烷。缺氧条件下姥植比低，低姥植比（Pr/Ph<0.6）反映缺氧还原环境；氧化条件下姥植比高，高姥植比（Pr/Ph>3.0）反映氧化条件下陆源有机质输入［47，65］。芦草沟组Pr/Ph值在0.64~1.0之间，梧桐沟组Pr/Ph值在1.14~1.21之间，表明芦草沟组相比于梧桐沟组处于还原性偏强的沉积环境。Pr/nC17—Ph/nC18关系图可以有效判断母质类型和沉积环境［30，63］。由Pr/nC17—Ph/nC18关系图表明：中二叠统芦草沟组泥页岩氧化还原状态为弱还原—还原环境，沉积有机质类型以II型干酪根为主；上二叠统梧桐沟组泥页岩氧化还原状态为弱氧化—弱还原环境，沉积有机质类型以II型—III型干酪根为主（图7）。
图7 芦草沟组和梧桐沟组泥页岩Pr/nC17—Ph/nC18关系［30］

Fig.7 Pr/nC17-Ph/nC18 relationship diagram of mud shale in Lucaogou and Wutonggou formations［30］

Sc、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Th、U等过渡金属元素的富集，很大程度上受沉积环境内氧化还原条件变化的影响，因此利用这些元素能够反映沉积环境氧化还原状态的情况［66-67］。V、Ni、U、Zn等在还原环境中更易在沉积物中富集，本文选取V/Cr、Ni/Co、V/（V+Ni）、U/Th、δU、Cu/Zn元素地球化学参数对研究区氧化还原条件进行研究。另外，ELDERFIELD等［68］提出Ceanom指数（Ceanom=Lg［3CeN/（2LaN+NdN）］，N为北美页岩标准化），认为Ceanom值小于-0.1为Ce负异常，反映水体氧化环境，大于-0.1为Ce正异常，反映水体还原环境［68］。芦草沟组Ceanom值在-0.031~-0.002之间，梧桐沟组Ceanom值在-0.036~0.007之间，反映了研究区芦草沟组和梧桐沟组均为偏还原的环境。结合V/Cr、Ni/Co、V/（V+Ni）、U/Th、δU、Cu/Zn等指示氧化还原条件的元素地球化学指标表明（表3）：二叠系芦草沟组和梧桐沟组泥页岩整体上处于弱氧化—弱还原的沉积环境，芦草沟组中段部分处于氧化性较强的弱还原环境。
综合上述生物标志化合物参数和元素地球化学参数，认为中二叠统芦草沟组沉积期处于贫氧的弱还原环境，有机质来源整体上以低等水生生物为主，中期混有陆源高等植物输入；上二叠统梧桐沟组泥页岩处于弱氧化—弱还原的环境，有机质来源整体上以低等水生生物为主，混有部分的陆源高等植物来源，前人在准噶尔东南缘的一些工作也印证了本研究［8，10-14］。

4.3　古盐度与古气候特征

在高盐咸水环境中，生物标志化合物孕甾烷、升孕甾烷、伽马蜡烷的含量通常比较高［69-70］，孕甾烷/C27规则甾烷、伽马蜡烷/C30藿烷值在一定程度上能够反映沉积水体盐度环境。伽马蜡烷/C30藿烷值（伽马蜡烷指数）范围在0.78~1.45之间为咸化湖相，在0.30~0.82之间为半咸化湖相，在0.08~0.30之间为淡—微咸水湖相［31，71］。中二叠统芦草沟组孕甾烷/C27规则甾烷值在0.15~1.18之间，伽马蜡烷/C30藿烷值在0.18~0.32之间；上二叠统梧桐沟组孕甾烷/C27规则甾烷值在0.33~0.88之间，伽马蜡烷/C30藿烷值在0.03~0.19之间，整体上低于中二叠统芦草沟组。由此可知芦草沟组比梧桐沟组沉积水体相咸化程度较高，芦草沟组处于偏微咸水环境，梧桐沟组处于偏淡水环境。
指示古盐度的元素或元素地球化学参数如Li、Sr、Ni、Ga、Sr/Ba等能够反映沉积环境古水体的盐度，Li、Sr、Ni、Ga、Sr/Ba值越大，指示古水体咸化程度越高［53］。综合表3中Li、Sr、Ni、Ga、Sr/Ba等古盐度指标表明：芦草沟组和梧桐沟组泥页岩沉积水体有一定程度的咸化，中二叠统芦草沟组水体以咸化程度较高的半咸水环境为主，上二叠统梧桐沟组以咸化程度较低的淡水环境为主，芦草沟组至梧桐沟组沉积水体咸化程度呈现明显降低的趋势。
Sr/Cu值对气候变化敏感，广泛被用于古气候分析，Sr/Cu值在1.5~5.0之间为温湿气候，大于5.0指示干热气候［50］。Rb/Sr值在古气候研究中有一定参考价值，温暖湿润的气候下Rb/Sr值大，干热气候下Rb/Sr值小［13］。芦草沟组Sr/Cu值在2.50~24.19之间（均值为14.75），Rb/Sr值在0.08~0.68之间（均值为0.20）；梧桐沟组Sr/Cu值在4.18~13.28之间（均值为7.81），Rb/Sr值在0.12~0.39之间（均值为0.28）。结合芦草沟组和梧桐沟组泥页岩的Sr/Cu和Rb/Sr值变化（图5）表明：中二叠统芦草沟组沉积期为相对干热的古气候环境，而上二叠统梧桐沟组为相对温暖湿润的古气候环境，芦草沟组至梧桐沟组由相对干热的古气候转为相对温暖湿润的古气候。另外，古盐度特征也可能间接地反映古气候条件，芦草沟组水体咸化程度较高和白云岩的出现可能与该时期相对干热的古气候条件相关，而梧桐沟组水体咸化程度较低可能与该时期相对温暖湿润的古气候条件相关。
综合芦草沟组和梧桐沟组泥页岩生物标志化合物参数和元素地球化学参数认为：二叠系芦草沟组和梧桐沟组沉积期古水体呈现一定程度的咸化特征，芦草沟组相比于梧桐沟组沉积水体咸化程度较高；古气候条件中二叠统芦草沟组沉积时期气候相对较为干旱，上二叠统梧桐沟组沉积期气候相对较为湿润［8，10-12］。

4.4　沉积古环境演化

从野外地层中发现中二叠统芦草沟组泥页岩地层中有鱼类化石，梧桐沟组中发现植物化石。结合生物标志化合物特征，显示了芦草沟组和梧桐沟组母质来源整体以低等水生生物、原核生物（细菌）、沉水植物等输入为主，在某些时期可能混有少部分的高等植物；与芦草沟组相比，梧桐沟组可能有较多的沉水植物、泥炭藓、原核生物。从博格达山前北部整体沉积体系演化来看，中二叠世至晚二叠世末，沉积体系由湖泊相演化至前三角洲相沉积［11］，在一定程度上影响了沉积母质来源和沉积古环境，使得中二叠统芦草沟组和上二叠统梧桐沟组泥页岩的生物标志化合物和微量元素地球化学特征发生了变化。结合泥页岩的生物标志化合物和微量元素地球化学沉积古环境相关指标，表明了中二叠世至晚二叠世阶段，整体上研究区为氧化程度有所增加的弱氧化弱还原环境，湖盆水体呈现咸化程度降低，古气候由干热变为温暖湿润的演化趋势。

5 结论

通过对准噶尔盆地东南缘吉木萨尔南部中二叠统芦草沟组和上二叠统梧桐沟组泥页岩进行有机地球化学生物标志化合物和元素地球化学特征综合分析，研究了准噶尔盆地东南缘中上二叠统芦草沟组和梧桐沟组泥页岩沉积水体环境的氧化还原条件、古盐度和古气候特征，取得了如下认识：
（1）中二叠统芦草沟组沉积期处于贫氧的弱还原环境，有机质来源整体上以低等水生生物、沉水植物、原核生物等为主，芦草沟组中段混有少量高等植物输入；上二叠统梧桐沟组沉积期处于弱氧化—弱还原的环境，有机质来源整体上以低等水生生物、沉水植物、原核生物等为主，且混有少量的高等植物，与芦草沟组相比有较多的沉水植物、泥炭藓、原核生物等。
（2）中二叠统芦草沟组沉积期湖盆为咸化—半咸化的水体，以干热的古气候条件为主；而上二叠统梧桐沟组沉积期则为弱咸化—淡水的湖盆水体环境，以温暖湿润的古气候条件为主。
（3）中二叠世至晚二叠世，研究区湖盆水体整体上呈现咸化程度降低，沉积有机质来源以低等水生生物、沉水植物、原核生物等为主，古气候由干热变为温暖湿润的演化趋势。

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