准噶尔盆地玛湖凹陷风城组烃源岩沉积古环境

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷构造背景及采样位置（据文献［3］修改）

Fig.1 Tectonic setting and sampling location of Mahu Sag in Junggar Basin（modified by Ref.［3］）

图2

图2 玛湖凹陷风城组沉积模式（据文献［1］修改）

Fig.2 Sedimentary model of Fengcheng Formation in Mahu Sag（modified from Ref.［1］）

玛湖凹陷二叠系风城组划分为3段，自下而上依次为风城组一段（P₁f₁，简称风一段）、风城组二段（P₁f₂，简称风二段）和风城组三段（P₁f₃，简称风三段）。总体西北厚、东南薄，因此风城组各段也呈现自西北向东南减薄的趋势。其中风一段（P₁f₁）厚度为0~412 m，风二段（P₁f₂）厚度为0~326 m，风三段（P₁f₃）厚度为0~850 m^［4］。而玛页1井岩性柱状图（图3）所示，风一段厚度超过100 m，岩性主要为灰色到深灰色较为粗粒的岩石，具体主要包括砂砾岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、玄武岩和安山岩，岩性在测井数据中主要表现出相对较低的密度（DEN）、电阻率（RI和RT）以及自然伽马（GR）值。风二段厚度约为220 m，主要岩性为深灰色到褐灰色泥质岩和粉砂岩，在测井数据中主要表现为相对较高的密度（DEN）、电阻率（RI和RT）以及自然伽马（GR）值。风三段在玛页1井中未能见顶，其岩性与风二段类似，但是整体上泥质含量变多，在风三段的底部主要表现为灰色到深灰色的泥页岩，在测井数据上也与风二段类似（图3）。

图3

图3 玛页1井风城组岩性柱、测井数据以及沉积环境

Fig.3 Lithologic columns， logging data and sedimentary environment of Fengcheng Formation in Well Maye1

2 样品及实验

本文对准噶尔盆地玛湖凹陷玛页1井风一段至风三段（深度为4 580~4 930 m）进行岩心采样，共采集样品25件，同时对风南14井、克81井、克207井、玛湖28井等进行岩心和薄片观察。总有机碳含量根据行业标准《JJG 395—97》采用CS-902系列高频红外碳硫分析仪进行测试，选用标准物质来自土壤GBW—07434和钢铁标样YSBC 28210—2011。主量元素用顺序式波长色散型X射线衍射荧光光谱仪，以国家标准《GB/T 14506.28—93》为依据，分析误差小于1%。微量元素和稀土元素用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），以标准样品中的各元素的浓度建立标准曲线，分析误差小于2%。本文选择全球平均大陆上地壳（UCC）^［11］和北美页岩（NASC）^［12］元素丰度为参照分析样品中元素含量特征，对稀土元素进行球粒陨石标准化处理。

3 实验结果

3.1　主量元素

风城组玛页1井烃源岩样品的主元素含量见表1所示。表1中从下到上依次为来自风一段到风三段的地层样品，风二段样品中主量元素含量相对稳定，在所有样品中SiO₂含量达到42.20%~59.84%，平均值为49.73%；MnO含量最低，平均值仅为0.09%；但Na₂O含量存在显著差异。风一段样品中Na₂O含量为0.38%~5.12%，平均值为2.37%；风二段样品中Na₂O含量为1.10%~4.99%，平均值为3.08%；风三段样品中Na₂O含量为1.08%~5.07%，平均值为2.43%；风二段样品中Na₂O含量高可能与风二段烃源岩含碱性矿物较多有关。

表1 玛湖凹陷下二叠统玛页1井风城组不同深度烃源岩主量元素分析结果 (%)

Table 1 Major element analysis results of different depth source rocks of Fengcheng Formation of Lower Permian in Well Maye 1， Mahu Sag

层位	序号	深度/m	TOC	K₂O	CaO	Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	P₂O₅	Fe₂O₃	MnO	TiO₂	LOI	CIA	ICV
P₁f₃	1	4 582	2.55	2.57	9.49	1.08	3.05	10.68	53.30	0.09	4.63	0.07	0.53	10.54	0.45	2.00
	2	4 590	0.61	2.76	7.61	5.07	1.86	13.48	54.89	0.26	4.51	0.10	0.56	7.22	0.47	1.66
	3	4 601	0.22	5.65	4.67	2.79	4.28	11.00	57.34	0.08	4.32	0.09	0.48	7.75	0.46	2.02
	4	4 611	0.34	8.02	4.32	1.90	4.26	12.02	55.16	0.05	4.05	0.07	0.37	6.96	0.46	1.91
	5	4 618	0.61	2.52	8.72	1.32	9.78	4.93	52.95	0.02	2.51	0.06	0.21	15.13	0.28	5.08
	平均值		0.87	4.30	6.96	2.43	4.65	10.42	54.73	0.10	4.00	0.08	0.43	9.52	0.42	2.53
P₁f₂	6	4 627	0.17	4.02	4.49	4.33	4.78	12.08	55.11	0.07	5.82	0.11	0.60	7.71	0.48	1.99
	7	4 647	0.13	5.46	1.64	4.99	2.27	14.56	59.84	0.09	5.80	0.08	0.46	4.21	0.55	1.42
	8	4 660	1.01	2.81	10.05	3.03	7.54	8.07	46.86	0.08	3.60	0.09	0.45	15.09	0.34	3.41
	9	4 680	0.36	4.78	2.75	4.91	3.77	13.26	56.25	0.07	6.84	0.12	0.66	6.56	0.52	1.79
	10	4 690	0.28	3.42	8.21	3.18	7.23	8.74	50.94	0.03	3.23	0.11	0.31	12.36	0.37	2.93
	11	4 710	1.06	2.75	11.95	4.19	5.12	8.79	42.20	0.11	4.84	0.11	0.37	14.32	0.32	3.32
	12	4 720	0.98	3.07	9.79	2.26	9.97	6.71	44.97	0.02	3.57	0.08	0.51	15.97	0.31	4.35
	13	4 740	1.44	4.02	6.60	2.66	8.93	8.96	49.51	0.02	4.02	0.07	0.47	12.84	0.40	2.98
	14	4 760	0.96	4.81	7.51	1.54	6.17	7.71	54.67	0.03	2.91	0.07	0.28	11.92	0.36	3.01
	15	4 770	1.07	3.87	10.50	3.28	5.13	9.89	46.41	0.08	4.18	0.09	0.42	12.48	0.36	2.77
	16	4 790	0.54	1.93	13.25	1.52	9.56	4.44	43.98	0.02	2.28	0.07	0.19	20.24	0.21	6.47
	17	4 800	0.47	4.78	10.70	1.10	8.56	6.71	46.05	0.03	3.13	0.07	0.28	16.22	0.29	4.25
	平均值		0.71	3.81	8.12	3.08	6.59	9.16	49.73	0.05	4.19	0.09	0.42	12.49	0.37	3.22
P₁f₁	18	4 820	0.20	4.54	7.21	2.06	4.18	13.18	52.58	0.08	5.95	0.10	0.60	8.05	0.49	1.86
	19	4 830	0.59	4.77	9.83	2.40	7.59	9.17	45.48	0.06	3.37	0.08	0.30	14.06	0.35	3.08
	20	4 840	1.11	7.40	5.84	1.04	4.99	9.76	56.99	0.02	2.33	0.07	0.15	9.47	0.41	2.23
	21	4 852	0.86	9.99	8.31	0.38	3.98	11.42	43.33	0.02	3.92	0.10	2.99	9.03	0.38	2.59
	22	4 862	0.86	3.06	10.25	0.90	8.77	4.78	51.77	0.03	2.25	0.08	0.23	16.10	0.25	5.33
	23	4 870	0.07	1.50	8.08	5.12	6.75	14.46	45.22	0.34	9.40	0.18	1.85	6.31	0.50	2.26
	24	4 880	0.69	7.46	5.09	2.89	1.64	12.86	57.59	0.06	4.34	0.10	0.49	4.17	0.45	1.70
	25	4 910	1.82	5.69	5.53	4.14	2.62	12.98	53.84	0.08	4.07	0.31	0.44	8.00	0.46	1.73
	平均值		0.78	5.55	7.52	2.37	5.07	11.08	50.85	0.09	4.45	0.13	0.88	9.40	0.41	2.60
上地壳^［11］			—	1.88	6.40	3.20	4.40	15.80	49.50	0.20	6.60	0.14	0.70	—	—	—
北美页岩^［12］			—	3.24	3.11	1.30	2.44	15.40	58.10	0.17	4.02	0.12	0.65	—	—	—

注：CIA=Al₂O₃/(Al₂O₃+Na₂O+CaO+K₂O) ×100；ICV=(Fe₂O₃+Na₂O+K₂O+CaO+MgO+TiO₂)/Al₂O₃^[13];LOI:=烧失量

3.2　微量元素

玛页1井样品中含量较高的微量元素是Ba，其含量为84~802 μg/g，平均值为303 μg/g。大部分微量元素含量在风城组各段地层中相对稳定，但Cu、Sr和Ba元素却有明显变化，Cu含量在风二段中平均含量为28.5 μg/g，高于风一段（25.5 μg/g）和风三段（22.3 μg/g）；Sr含量在风二段有异常高值6 029 μg/g；Ba含量在风二段中平均含量为346 μg/g，高于风一段（304 μg/g）和风三段（210 μg/g）（表2）。

表2 玛湖凹陷下二叠统玛页1井风城组不同深度源岩微量元素分析结果 (10^-6)

Table 2 Analysis results of trace elements in different depth source rocks of Lower Permian Fengcheng Formation in Well Maye1, Mahu Sag

层位	序号	深度/m	Li	Sc	Cr	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Sr	Mo	V	Cd	Ba	Pb	Th	U
P₁f₃	1	4 582	90	6.10	49.9	15.7	63.8	46.4	29.5	16.4	269	231	172	0.23	431	21.08	3.78	2.58
	2	4 590	28	10.59	44.3	11.9	47.4	34.1	56.3	18.2	307	2.9	133	0.06	189	9.93	6.64	2.91
	3	4 601	203	8.03	37.6	8.3	25.6	12.1	27.4	10.4	266	33.4	104	0.10	185	11.58	2.54	1.90
	4	4 611	176	1.85	29.1	8.2	21.0	9.8	26.4	13.0	425	63.2	83	0.05	138	5.41	0.39	1.31
	5	4 618	518	0.28	34.7	5.9	23.4	8.9	11.4	5.4	387	13.6	63	0.04	107	7.91	0.11	0.91
	平均值		203	5.37	39.1	10.0	36.2	22.3	30.2	12.7	331	68.9	111	0.10	210	11.18	2.69	1.92
P₁f₂	6	4 627	181	15.81	52.5	13.0	51.1	16.5	46.5	15.0	213	5.9	96	0.09	223	11.84	3.72	1.16
	7	4 647	102	7.24	40.1	10.9	38.6	13.6	24.3	19.1	265	2.6	68	0.08	427	11.58	4.52	1.10
	8	4 660	447	7.41	34.0	7.5	20.9	37.3	45.8	12.0	6 029	19.1	102	0.08	724	11.32	4.39	3.17
	9	4 680	199	8.15	50.8	14.9	61.1	43.6	100.2	21.8	199	2.5	110	0.09	248	11.18	3.02	1.38
	10	4 690	428	2.96	29.8	5.1	21.5	7.7	19.0	15.0	545	31.7	91	0.06	159	8.59	1.11	1.96
	11	4 710	37	19.03	44.6	10.3	29.8	53.9	49.5	8.8	697	27.4	124	0.14	802	14.00	5.38	3.69
	12	4 720	763	7.69	34.3	9.6	24.2	30.4	59.3	14.6	718	36.4	114	0.13	185	11.46	0.84	3.21
	13	4 740	742	7.14	32.6	9.1	21.0	32.9	56.6	16.6	381	9.7	111	0.10	194	13.05	1.17	2.34
	14	4 760	406	4.59	26.9	6.2	17.7	25.8	39.1	14.6	616	19.5	88	0.07	261	9.03	1.20	2.61
	15	4 770	84	11.01	46.2	8.6	25.6	43.3	47.4	17.1	629	41.4	97	0.09	394	11.14	2.07	1.97
	16	4 790	192	4.78	27.3	4.9	16.3	15.1	32.1	3.7	1 238	13.6	91	0.05	270	5.48	1.43	2.17
	17	4 800	503	1.42	41.8	6.4	22.9	22.0	31.6	10.6	939	47.9	117	0.08	263	6.69	1.19	2.08
	平均值		340	8.10	38.4	8.9	29.2	28.5	45.9	14.1	1 039	21.5	101	0.09	346	10.45	2.50	2.24
P₁f₁	18	4 820	108	11.40	104.6	16.6	98.3	45.9	71.4	19.7	276	7.5	82	0.08	399	10.87	1.62	0.88
	19	4 830	249	4.74	40.9	7.5	25.3	23.1	32.9	16.5	580	17.4	82	0.06	203	7.04	1.92	1.87
	20	4 840	226	4.31	15.4	3.7	16.1	11.5	17.8	15.7	462	9.5	47	0.05	84	8.12	0.57	3.61
	21	4 852	40	6.82	45.0	9.5	22.7	24.5	54.6	13.8	2 433	8.7	60	0.05	800	5.15	1.72	2.95
	22	4 862	230	2.83	21.2	5.2	18.0	24.6	25.2	4.1	545	4.2	89	0.09	91	7.30	1.37	3.29
	23	4 870	33	21.06	169.4	35.2	48.0	34.5	90.3	19.2	390	0.6	240	0.05	409	1.59	0.40	0.27
	24	4 880	27	8.82	157.1	7.5	43.9	18.4	52.0	22.7	255	3.1	65	0.07	123	7.40	2.31	0.49
	25	4 910	7	12.17	156.4	10.4	48.1	21.4	46.4	20.6	253	2.6	74	0.28	327	10.38	4.29	5.38
	平均值		115	9.02	88.8	11.9	40.1	25.5	48.8	16.5	649	6.7	92	0.09	304	7.23	1.77	2.34
上地壳^［11］			—	22	119	25	51	24	73	16	325	—	131	—	390	12.60	5.60	1.40
北美页岩^［12］			—	—	100	19	68	—	80	—	300	—	130	—	580	20.00	12.00	3.70

3.3　稀土元素

玛页1井各段样品中稀土元素分析结果见表3，稀土元素总量（∑REE）介于24.1~236.1 μg/g之间，平均含量为88 μg/g，低于北美页岩∑REE的平均值（173 μg/g）^［11-12］。轻稀土元素（LREE）指从La到Eu各稀土元素，重稀土元素（HREE）指从Gd到Lu各稀土元素，∑LREE/∑HREE值大小反映LREE、HREE的分异程度，值大表明LREE富集，HREE亏损^［14］。玛页1井风城组样品∑LREE含量为20.4~205.3 μg/g，∑HREE含量为2.6~93.1 μg/g，∑LREE/∑HREE值为1.1~11.1，平均值为6.35，LREE明显富集，远高于球粒陨石的标准值（1.79），略低于北美页岩的标准值（7.50）。（Ce/Yb）_N值表示稀土元素在球粒陨石标准化图解中的斜率^［14］。风城组各段样品的（Ce/Yb）_N值变化范围为0.69~12.44，平均值为5.02，表现为LREE右倾，表明LREE、HREE分异。（Gd/Yb）_N值为0.80~3.22，表明HREE段相对平缓，分异不明显。玛页1井各段样品δEu_S值为0.38~1.40，平均值为0.98；δEu_N 值为0.29~1.05，相对于球粒陨石无明显分异；δCe_S值为0.73~0.96，均值为0.87，δCe_N值为0.75~1.03，均值为0.89，Ce无异常。

表3 玛湖凹陷下二叠统玛页1井风城组不同深度烃源岩稀土元素分析结果

Table 3 REE analysis results of different depth source rocks of Lower Permian Fengcheng Formation in Well Maye1, Mahu Sag

层位	序号	深度 /m	∑REE	∑LREE	∑HREE	∑LREE/ ∑HREE	（La/Yb）_N	（Ce/Yb）_N	（Gd/Yb）_N	δEu_S	δEu_N	δCe_S	δCe_N	Ce_anom
P₁f₃	1	4 582	84.4	67.6	16.8	4.0	3.41	2.19	0.90	0.84	0.62	0.79	0.83	-0.10
	2	4 590	236.1	205.3	30.8	6.7	5.82	5.19	1.82	0.91	0.66	0.86	0.95	-0.02
	3	4 601	83.8	73.5	10.3	7.1	7.62	5.21	1.50	1.10	0.81	0.86	0.89	-0.07
	4	4 611	24.1	20.4	3.7	5.5	4.36	2.91	0.97	1.13	0.83	0.82	0.86	-0.09
	5	4 618	31.4	28.7	2.6	10.9	10.96	6.00	0.98	1.00	0.72	0.75	0.77	-0.14
	平均值		91.9	79.1	12.8	6.9	6.43	4.30	1.23	0.99	0.73	0.82	0.86	-0.09
P₁f₂	6	4 627	102.7	89.0	13.8	6.5	6.08	3.93	1.16	0.95	0.70	0.81	0.84	-0.09
	7	4 647	97.0	88.0	9.0	9.7	13.12	7.18	1.74	1.06	0.77	0.73	0.75	-0.15
	8	4 660	86.8	69.0	17.8	3.9	3.08	2.77	1.02	1.00	0.75	0.95	1.03	0.01
	9	4 680	81.0	68.7	12.3	5.6	5.56	4.74	1.75	0.95	0.70	0.95	1.02	0.00
	10	4 690	50.0	42.1	7.9	5.3	5.26	3.11	1.06	0.91	0.67	0.77	0.80	-0.13
	11	4 710	128.3	101.7	26.7	3.8	5.86	5.13	3.22	0.95	0.72	0.90	0.98	-0.02
	12	4 720	62.7	54.1	8.6	6.3	4.92	3.79	0.86	0.91	0.67	0.93	0.98	-0.02
	13	4 740	38.5	32.8	5.7	5.8	4.89	3.73	0.84	0.99	0.73	0.96	1.00	-0.02
	14	4 760	79.3	72.8	6.6	11.1	11.44	8.65	1.56	1.01	0.73	0.92	0.97	-0.03
	15	4 770	86.2	74.6	11.6	6.4	7.04	5.35	1.77	1.03	0.76	0.87	0.93	-0.05
	16	4 790	53.2	46.2	7.0	6.6	6.78	5.64	1.74	0.99	0.73	0.93	1.00	-0.01
	17	4 800	94.9	86.2	8.7	9.9	10.14	8.67	2.05	1.04	0.74	0.91	0.98	-0.01
	平均值		80.1	68.8	11.3	6.7	7.02	5.22	1.56	0.98	0.72	0.88	0.94	-0.04
P₁f₁	18	4 820	80.6	70.1	10.5	6.7	5.98	4.93	1.40	1.11	0.82	0.93	0.99	-0.01
	19	4 830	60.2	53.2	7.0	7.6	7.87	6.46	2.06	0.99	0.72	0.88	0.95	-0.04
	20	4 840	31.8	28.5	3.3	8.6	7.96	6.85	1.66	0.98	0.71	0.95	1.02	0.01
	21	4 852	116.4	106.1	10.3	10.3	15.17	12.44	3.09	1.12	0.82	0.91	0.98	-0.02
	22	4 862	78.4	61.3	17.1	3.6	3.31	2.85	1.53	0.86	0.64	0.91	0.98	-0.01
	23	4 870	85.5	63.4	22.1	2.9	1.88	1.95	1.50	1.40	1.05	0.89	1.00	0.00
	24	4 880	127.6	110.4	17.2	6.4	7.52	5.57	1.84	0.80	0.59	0.82	0.88	-0.06
	25	4 910	194.6	101.4	93.1	1.1	0.86	0.69	0.80	0.38	0.29	0.87	0.93	-0.05
	平均值		96.9	74.3	22.6	5.9	6.32	5.22	1.74	0.96	0.70	0.89	0.97	-0.02

4 讨论

4.1　风城组沉积岩相特征与沉积环境

通过观察玛湖凹陷风城组薄片，发现风城组碱性矿物表现为它形颗粒或呈显微脉状，可能反映了碱性矿物的后期热液成因（图4）。其中碱性矿物主要呈现浅黄色到白色，偶见纤维状或者条带状，主要包括了天然碱（Na₂CO₃·NaHCO₃）、碳氢钠石［Na₅H₃（CO₃）₄］、碳酸钠钙石［Ca₂Na₂（CO₃）₃］、硅硼钠石（Na₃［BSi₃O₄］）等，主要分布于风二段^{［2-4，8］}。本文发现的碱性矿物为进一步证实玛湖凹陷在风城组沉积时期属于碱湖沉积这一观点提供了有力的证据。现有钻井资料显示，越靠近玛湖凹陷的中间位置，碱性矿物越发育，并且厚度相对变大。因此，可推测玛湖凹陷的中部可能为碱性矿物最为富集的区域。

图4

图4 玛湖凹陷下二叠统风城组含碱类矿物微观形态

（a）风南14-P₁f₃（4 033.51 m）；（b）克81-P₁f（3 891.20 m）；（c）玛页1井（4 814.42 m）；（d）金龙48-P₁f（4 895 m）；（e）克207-P₁f₂（4 858.70 m）；（f）玛湖28-P₁f₂（4 937 m）

Fig.4 Micromorphology of alkali minerals in Fengcheng Formation of Lower Permian in Mahu Sag

基于沉积学特征，对风城组进行了初步的岩相以及沉积环境划分。以玛页1井为例，根据岩石的成因和来源，在风城组岩心中总共识别出了6种岩相类型（表4）。

表4 玛页1井风志在志在城组岩石类型划分

Table 4 Classification of rock types of Fengcheng Formation in Well Maye1

序号	岩石类型	包含的岩性	主要分布层位
1	火山岩类	安山岩、玄武岩	风一段、风二段底部
2	火山碎屑岩类	熔结凝灰岩、凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩、凝灰质砂砾岩	风一段、风三段
3	白云质岩类	白云质粗砂岩、白云质细砂岩、白云质粉砂岩、泥质白云岩	风二段
4	硅质岩类	燧石条带、燧石结核	风二段顶部和风三段底部
5	陆源碎屑岩类	泥质细砂岩、泥岩、灰质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩	风三段
6	变质泥岩类	浅变质泥岩	风一段、风三段

火山岩类主要包括安山岩和玄武岩，在玛页1井岩心中，火山岩类表现为深灰色到黑色气孔状或杏仁状玄武岩，主要分布于风一段，玄武岩颜色普遍为黑色到墨绿色［图5（b）］，具有斑状结构、间隐—间粒结构，块状构造、杏仁构造［图5（a）］等；而安山岩外观常呈黑色和斑状［图5（d）］，镜下具有交织结构［图5（c）］，也可以含有气孔构造、杏仁构造。这类岩石都为火山成因，为风城组源岩之一，对应的湖泊环境可能相对较深。

图5

图5 玛湖凹陷下二叠统风城组火山岩类

（a）、（b）火山岩类的宏观岩心照片，来自玛页1井；（c）夏87-c井，P₁f₁，4 483.5 m，安山岩，正交偏光；（d）金龙48井，P₁f，4 993 m，安山岩，正交偏光；（e）克81井，P₁f，3 892.80 m，玄武岩，显示碱性矿物，正交偏光；（f）克81井，P₁f，3 891.20 m，安山岩，显示碱性矿物，正交偏光

Fig.5 Volcanic rocks of Fengcheng Formation of Lower Permian in Mahu Sag

火山碎屑岩类主要包括熔结凝灰岩、凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩和凝灰质砂砾岩等。玛湖凹陷风城组火山碎屑岩类主要偏沉积岩类，沉积环境可能靠近火山，主要分布于风一段，代表一种近源沉积，即水体环境可能相对较浅。本文对于白云岩类研究多侧重于成因解释，通过岩心和薄片观察（图6），一方面，发现白云石普遍发育“雾心亮边”等交代残余结构［图6（c），图6（e），图6（g）］，同时在硅化的白云岩中还发现一定的溶蚀现象［图6（e），图6（f）］，为白云岩的热液蚀变成因提供了地质证据；另一方面，在白云质泥岩［图6（g），图6（h）］中，白云岩颗粒非常细小，为半自形和它形结构，并且多为层状分布，偶尔在白云质泥岩中还可见纹层结构，因此，这些沉积证据在一定程度上也支持了白云岩的沉积成因。本文认为玛湖凹陷大部分白云质岩类主要为沉积成因、准同生白云石化成因，部分白云质岩类在后期成岩过程中也可能遭受到了埋藏白云石化或热液白云石化等多种后期成岩作用。因此，风城组白云质岩类在一定程度上可以反映沉积环境的变化。白云质岩类的形成环境一般较浅，比如潮坪环境、斜坡区水陆过渡环境等。在岩相的分布上，白云质岩类大量分布于风二段，风二段顶部白云质岩层有稍微变多的趋势，说明风二段顶部可能存在着湖平面变深。

图6

图6 玛湖凹陷下二叠统风城组白云质岩类特征

（a）、（b）白云质岩类的宏观岩心照片，玛页1井；（c）风南14井，P₁f₃，4 171.87 m，泥质白云岩，单偏光；（d）风南14井，P₁f₃，4 171.87 m，泥质白云岩，正交偏光；（e）风南14井，P₁f₃，4 170.1 m，硅化白云质泥岩，单偏光；（f）风南14井，P₁f₃，4 170.1 m，硅化白云质泥岩，正交偏光；（g）克207井，P₁f₂，4 753.20 m，白云质泥岩，单偏光；（h）风南1井，P₁f，4 096.44 m，白云质泥岩，正交偏光

Fig.6 Dolomitic rocks of Fengcheng Formation of Lower Permian in Mahu Sag

硅质岩类在风城组主要表现为灰色到黑色的燧石条带和燧石结核（图7），玛页1井的燧石条带以夹层状为主，存在于白云质泥岩或粉砂质泥岩中，燧石条带和燧石结核与围岩的界线清晰，其中大部分结核状燧石为燧石条带后期的物理断裂所形成。燧石条带在风二段顶部和风三段底部分布较多，说明湖平面在该时期可能相对较深。玛湖凹陷风城组陆源碎屑岩类主要包括了泥岩、灰质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩以及泥质细砂岩等。碎屑岩的粒度变化以及沉积构造变化等均可以作为很好的环境指标。一般而言，碎屑岩的粒度越粗，代表搬运水动力越强，对应的沉积环境也就越浅，当然，严格的沉积环境分析应结合多种指标进行共同分析。在玛页1井中发现了部分弱变质的泥岩，这种泥岩的出现说明岩石很可能受到了后期变质作用的影响，而较弱的变质现象对整体沉积环境的分析影响不大。

图7

图7 玛湖凹陷下二叠统风城组硅质岩类特征

（a）、（b）硅质岩类的宏观岩心照片，玛页1井；（c）风南14井，P₁f₃，4 109.98 m，硅化含白云质泥岩，正交偏光

Fig.7 Characteristics of siliceous rocks in Fengcheng Formation of Lower Permian in Mahu Sag

这六大类岩石以碎屑岩为主，基本构成了风城组的所有岩石类型。火山岩类和火山碎屑岩类主要分布于风一段以及风三段底部，其余岩石类型在各个层段均有分布，但是从风二段到风三段底部，岩石的泥质含量以及白云质含量向上有变多的趋势，这一点同时也反映在了测井曲线上，说明湖水从风二段向上有变深的趋势。在风一段底部，沉积构造可见大量冲刷面，往上风二段和风三段发育较多的水平纹层，在风三段出现大量黄铁矿，从侧面验证了湖水经历了变深—变浅—变深的结论。从风一段底部到风一段顶部，GR值和DEN值都经历了降低和升高的过程，说明当时很可能发生了湖平面的降低和升高。到了风二段，湖平面总体变化不是很剧烈，但湖平面依然在缓慢的升高，导致风二段顶部泥质含量升高，到风二段顶部，湖平面可能短期内又有所降低，所以至风二段与风三段界限，粉砂含量有短暂的增多，GR值出现了局部的下降，并且出现燧石条带，但湖平面在风三段底部又紧接着升高。

结合以上沉积学的分析，笔者认为风城组沉积环境为相对低能高盐滨浅湖—半深湖环境，与前人的研究结果基本一致^{［8-10，15］}。

4.2　风城组元素地球化学特征与沉积环境

对采集的玛页1井样品测试数据进行有效性分析，样品测试结果有效可靠是恢复古沉积环境的基础，成岩期后的蚀变作用会影响根据测试数据判断沉积环境的准确性^［16］。因此，在系统分析前需对测试数据进行有效性分析，大量研究表明，在后期成岩作用的影响下，易造成沉积物中Sr流失和Mn富集，一般认为Mn/Sr值小于10，表明样品未遭受强烈蚀变^［17］。对风城组所取的25个样品的Mn/Sr值进行统计，最大值为9.47，最小值为0.12，平均值为1.72，表明样品受后期成岩作用影响较小，能够保持原有特征，分析结果具有代表性。运用对沉积环境反映敏感的元素参数，对风城组样品进行古水深、古氧化还原环境、古气候、古盐度和热液沉积等环境指标恢复，明确风城组烃源岩发育的沉积环境（表5）。

表5 玛湖凹陷风城组岩石元素分析计算

Table 5 Analysis and calculation of rock elements in Fengcheng Formation, Mahu Sag

层位	参数	古水深		古氧化还原环境		古气候		古盐度
层位	参数	（Mn/Fe）×100	M值	Th/U	V/（V+Ni）	气候指数C	Sr/Cu	Ni/（μg/g）	Li/（μg/g）
P₁f₃	最大值	2.65	198.38	2.29	0.8	0.37	43.52	63.8	517.68
	最小值	1.67	13.8	0.12	0.73	0.13	5.79	21.03	28.35
	平均值	2.27	74.89	1.04	0.76	0.25	27.43	34.27	253.12
P₁f₂	最大值	10.07	235.41	4.11	0.85	1.2	161.8	72.75	1 128.61
	最小值	1.5	4.13	0.14	0.62	0.1	4.56	3.2	2.9
	平均值	2.86	87.52	1.14	0.77	0.29	39.74	26.06	294.86
P₁f₁	最大值	8.44	183.47	4.73	0.83	0.61	99.29	98	705
	最小值	1.46	12.75	0.16	0.46	0.11	6.01	11	7
	平均值	3.15	62.74	1.11	0.73	0.24	34.98	35	194

注：M值为（MgO/Al₂O₃）×100

4.2.1　古水深

元素地球化学研究表明，沉积物在沉积过程中某些元素发生规律性的分散和聚集，与机械分异作用、化学分异作用和生物分异作用有关，一些元素的参数比值对于古水深有较好的指示意义^［18］。沉积物中Mn和Al的含量具有随水深增加而增加的规律，而Fe和Mg的含量具有随水深增加而减少的规律，（Mn/Fe）×100值随着水深的增加而增加，因此采用（Mn/Fe）×100值来表征水深变化^［19］。从风一段至风三段，各段（Mn/Fe）×100平均值分别为3.15、2.86、2.27，总体上表明古水深在各段演化进程中呈周期性变化，总体逐渐降低。风一段沉积早期水体较深，晚期水体深；风二段沉积早期水体变浅，但晚期加深到较深；风三段沉积期水体逐渐变浅（图8）。古水深指标的变化与TOC变化、古气候指标变化基本一致。

图8

图8 风城组古环境地球化学参数纵向变化图

Fig.8 Longitudinal variation of paleoenvironmental geochemical parameters in Fengcheng Formation

4.2.2　古氧化还原环境

部分微量元素的溶解程度受到氧化还原条件的控制，如U、V、Cr、Ni、Co、Mo等元素表现为在氧化条件下易溶，而在贫氧的还原条件下易富集，因此上述元素含量或比值可作为氧化还原条件的判别指标^［20］。Th和U在还原条件下化学性质相似，但在氧化条件下差异明显，U在强还原状态下容易富集，不溶于水，在氧化状态下易溶于水。前人在泥质岩的古氧化还原环境研究中，通过比较认为U/Th、V/Cr、Ni/Co和V/（V+Ni）值为最可靠的参数，总结出一套用于判断沉积物沉积时底层水体氧化—还原环境的微量元素比值判别指标。

通常将V/（V+Ni）、Th/U、V/Cr、Ni/Co值作为判断氧化还原环境条件的指标^［21］。在水体分层明显的厌氧强还原环境下，通常表现为V/（V+Ni）>0.84、Ni/Co>7.00、V/Cr>4.25；在水体分层不强的贫氧亚还原环境下，V/（V+Ni）值为0.60~0.84、5.00<Ni/Co<7.00、2.00<V/Cr<4.25；在富氧环境下，V/（V+Ni）<0.60、Ni/Co<5.00、V/Cr<2.00，Th/U值在氧化环境下达到8，还原环境下为0~2^［20-22］（表5）。

风城组各段样品中U/Th、V/（V+Ni）值相关性较好（图8），根据上述指标参数，风一段古氧化还原环境经历了早期氧化、还原（水体分层一般）、弱氧化（水体分层弱），风一段的富氧变化，可能与火山活动有关；风二段古氧化还原环境演化过程总体为还原（水体分层好），但晚期波动大，为弱氧化—弱还原（水体分层一般），这种氧化还原环境波动可能为断裂处热液活动造成；风三段为弱氧化—弱还原（水体分层一般），可能与火山作用有关。

4.2.3　古气候

湖泊的古生产力、古氧化还原环境及陆源物质供给均受到古气候的控制，古气候还影响沉积物的元素分布、矿物组成等^［22］。不同气候条件下元素的富集会存在差异，Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Cu、V、Th、Rb等元素在温暖湿润环境容易聚集，而Ca、Mg、Sr、K、Na、Sr、Ta、Mg、B、Zn、Pb等元素在干燥炎热气候下含量较高^［23］。

因此，利用这些指标可以分析相应的古气候条件。通过计算气候指数C可判断古气候：C=∑（Fe+Mn+Ni+Cr+Co+V）/∑（Ca+Mg+K+Sr+Ba），当气候指数C>0.8时，指示温湿气候；当0.6<C≤0.8时，指示半温湿气候；当0.4<C≤0.6时，指示半干旱—半温湿气候；当0.2<C≤0.4时，指示半干旱气候；当C≤0.2时，指示干旱气候^［24］。根据风城组样品的气候指数C值（图8），风一段沉积早期为半干旱—半温湿气候；风二段沉积早期为半干旱气候（短暂的湿润气候，4 780 m），风二段沉积中期为干旱—半干旱气候，风二段沉积晚期在干旱—半湿润气候之间波动（4 680~4 615 m），风三段沉积期为半干旱气候。总体指示沉积时期以半干旱—干旱气候为主。

另外Sr/Cu值通常也可以指示古气候的变化。陆相沉积物中，气候变化敏感元素Sr（喜干型元素）、Cu（喜湿型元素）可以在干旱炎热的特定环境条件下保存、迁移，Cu难以迁移到湖中，其含量显示为低值，而此时Sr得到较好的保存^［25］。通常在温湿气候条件下1.0<Sr/Cu<10.0，干旱气候条件下Sr/Cu>10.0^［23］。根据风城组样品的Sr/Cu值（图8，表5），Sr/Cu<10.0出现在风一段沉积晚期，风二段沉积期出现短暂湿润气候，风三段沉积晚期出现温湿气候，与气候指数C值指标判别一致。

由Sr/Cu值与气候指数C关系图显示，风城组大部分样品点落在（半）干旱气候区，少部分在潮湿气候区，说明沉积时期气候存在不稳定性，干旱、半干旱和温湿气候交替出现，风一段至风三段沉积期，古气候波动性变化，形成以半干旱—潮湿—半干旱—干旱—半湿润半干旱的演化，但整体上以半干旱—干旱气候为主（图8，图9）。

图9

图9 Sr/Cu值与气候指数C关系图

Fig.9 Relationship between Sr/Cu Value and climate index C

4.2.4　古盐度

古盐度的测定方法包括硼法、自生铁矿物法、元素比值法等^［26］。Sr/Ba值或Sr的含量可用来指示古盐度^［27］，元素富集程度受盐度控制，如Ba²⁺迁移能力相对较弱，水体盐度增大时，Ba²⁺以BaSO₄形式先沉淀，而Sr²⁺迁移能力强，只有水体盐度增大到一定程度时才以SrSO₄形式沉淀，因此，Sr/Ba值或Sr的含量对古盐度具有良好的指示性且与古盐度明显呈正相关性。众多学者研究结果表明：Sr/Ba>1或Sr>500 μg/g，指示海相咸水或咸化湖泊沉积；当0.6<Sr/Ba<1或Sr含量为300~500 μg/g时，则指示海陆过渡相半咸水沉积；当Sr/Ba<0.6或Sr<300 μg/g时，则指示陆相淡水沉积^［27］。前人^［28］根据硼（B）、黏土含量定量计算数据表明，风城组整体上为高盐度的咸化湖沉积。

风城组取样点的Sr/Ba值范围为0.61~8.32，平均为2.60，结合样品的Sr含量，推断出风城组各段为半咸水沉积环境、咸水沉积环境交替出现（图8）。其中风一段Sr值介于252~2 433 μg/g之间，平均值为687 μg/g；Sr/Ba值介于0.58~7.26之间，平均值为2.95，深度在4 870 m以下的样品表征为陆相淡水沉积，深度介于4 870~4 800 m之间的Sr含量、Sr/Ba值指示盐度波动较大，该波动持续到风二段沉积早期。从现代碱湖地理位置分布来看，碱湖湖盆流域内广泛分布火山岩，超基性和中基性岩浆岩，尤其是相应喷出岩中的玻璃质，极易遭受风化并发生水解，为湖盆提供丰富的Na⁺，提高水体的盐度^［28］。

元素Ni和Li可在湖盆中长时间保存，是咸化湖盆的指示元素^［29］。一般认为Ni>40 μg/g，Li>150 μg/g代表咸水环境；25 μg/g<Ni<40 μg/g，90 μg/g<Li<150 μg/g为半咸水环境；Ni<25 μg/g，Li<90 μg/g为淡水环境^［30］。

风一段Li值介于7.41~248.90 μg/g之间，平均值为115 μg/g，深度在4 870 m以深的样品表征为陆相淡水沉积，深度介于4 870~4 800 m之间的Li含量指示盐度波动较大，该波动持续到风二段沉积早期，风一段沉积早期为淡水沉积，晚期为淡化、咸化交替沉积。风二段Li值介于36.50~762 μg/g之间，平均值为340 μg/g，风二段沉积早期、晚期盐度偏低，中期盐度相对较高。风三段Li值表征盐度逐渐降低（图8，图10）。

图10

图10 Li与Ni关系特征

Fig.10 Relation characteristics between Li and Ni

综合上述古盐度指标分析，风一段至风三段沉积期对应盐度演化分别是：淡、半咸、咸、半咸、偏淡。风一段沉积早期为淡水沉积，晚期为淡化、咸化交替沉积，可能与周期性的火山作用带入的碱性物质有关。风二段沉积中期盐度相对稳定并持续增大，与干旱气候导致的大量蒸发有关；风二段沉积期为半咸水—咸水沉积交替出现，可能与深大断裂处的热液作用有关，热液为湖盆带来了大量的Na⁺、HCO₃^-、CO₃^2-等离子以及CO₂和水^［31］。在热液的参与下，元素在复杂的化学分异过程中，由于Na⁺、HCO₃^-、CO₃^2-增加，Mg²⁺、Ca²⁺相应减少，从而提高了盐度。风三段沉积期盐度逐渐降低，与气候变湿冷有关。

5 沉积演化模式

根据古环境相关指标研究表明，玛湖凹陷风城组沉积时期主要以半干旱—干旱气候为主，古水深在各段演化进程中呈周期性变化，总体逐渐降低。风一段沉积期古氧化相经历了早期氧化、还原（水体分层一般）、弱氧化（水体分层弱），风一段的富氧变化可能与火山活动有关；风二段沉积期古氧化相演化过程总体为还原（水体分层好），但晚期波动大，为弱氧化—弱还原（水体分层一般），这种氧化相波动可能是断裂处热液活动引起；风三段沉积期为弱氧化—弱还原（水体分层一般），可能与火山作用有关。风一段至风三段沉积期对应盐度演化进程为淡—半咸—咸—半咸—偏淡（图11）。

图11

图11 风城组沉积演化模式

Fig.11 Model diagram of sedimentary evolution of Fengcheng Formation

第一阶段［风一段沉积早期，图11（a）］，半干旱气候，水体较深且淡，弱氧化环境，陆源碎屑物供给少，火山活动强烈，哈拉阿拉特山山麓发育火山碎屑岩，凹陷西部发育玄武岩，东北部发育火山岩、凝灰岩，凹陷中央发育有机质泥岩。

第二阶段［风一段沉积晚期，图11（b）］，水体较早期更深，气候湿润，火山活动减弱，由于前期火山活动的影响，火山物质的累积提高了水体盐度同时为水生生物提供养料，有机质含量高，还原环境，有利于有机质泥岩的沉积。

第三阶段［风二段沉积早中期，图11（c）］，气候干旱，水体变浅、咸，湖盆萎缩，强还原环境，Ca²⁺、Mg²⁺过饱和，优先析出方解石、白云石等，水体分层较好，藻类等生物死亡，碳酸盐矿物大量发育，富有机质泥岩与云质类岩石交替发育。

第四阶段［风二段沉积晚期，图11（d）］，气候为干旱—半干旱，热液作用明显，发育碱性矿物，环境以还原—弱还原为主，水体深度、咸度均波动，这种波动可能是断裂处热液活动引起；热液为湖盆带来了大量的Na⁺、HCO₃^-、CO₃^2-等离子以及CO₂和水。在热液的参与下，元素在复杂的化学分异过程中，由于Na⁺、HCO₃^-、CO₃^2-增加，Mg²⁺、Ca²⁺相应减少，从而提高了盐度，有利于有机质的保存。

第五阶段［风三段沉积期，图11（e）］，气候半湿润—半干旱，火山作用明显，水体逐渐变浅，伴随着湿冷气候水体咸度变淡，总体以弱氧化—弱还原环境为主；沉积速率大，发育凝灰质泥岩，陆源碎屑岩。

风城组的沉积演化第一、第二阶段（风一段沉积期）以蒸发咸化为主；第三、第四阶段（风二段沉积期）在热液作用影响下以钙镁碳酸盐沉积、钠碳酸盐沉积的咸化、碱化为主；第五阶段（风三段沉积期）在火山作用、湿冷气候条件下沉积凝灰质泥岩、陆源碎屑岩，以淡化为主。风城组的沉积受火山活动、古气候的控制，有机质的保存与古水深、古氧相密切相关；干旱气候导致水体大量蒸发，促进咸化，热液作用提供大量营养物质，促进碱湖形成。

6 结论

准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组古水深在各段演化进程中呈周期性变化，总体逐渐降低。风一段沉积早期水体较深，晚期水体浅；风二段沉积期水体变浅，但晚期加深到较深；风三段沉积期水体变浅。对应古盐度演化为淡、半咸、咸、半咸、淡。古水深指标的变化与TOC、古气候指标变化基本一致。古气候演化为半干旱—潮湿—半干旱—干旱—半干旱，但整体以半干旱—干旱气候为主。

风城组沉积时期，湖盆底层水体整体以还原环境为主，以风二段沉积期还原性最强。频繁的火山活动和湖底热液活动对水体的氧化还原条件具有一定的干扰作用，破坏了水体的盐度分层，使得变得其偏向于弱氧化—弱还原。

风城组的沉积演化分为5个阶段，第一阶段和第二阶段（风一段沉积期）以蒸发咸化为主；第三阶段和第四阶段（风二段沉积期）在热液作用影响下以钙镁碳酸盐沉积、钠碳酸盐沉积的咸化、碱化为主；第五阶段（风三段沉积期）在火山作用、湿冷气候条件下沉积凝灰质泥岩、陆源碎屑岩，以淡化为主。风城组的沉积受火山活动、古气候的控制，有机质的保存与古水深、古氧相密切相关；干旱气候导致水体大量蒸发，促进咸化，热液作用提供大量营养物质，促进碱湖形成。

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