準噶爾盆地南緣下侏羅統三工河組地球化學、沉積環境及源區特征分析

朱钘　劉云華　高曉峰　夏明哲　查顯峰　羅居德

摘? ?要：準噶爾盆地南緣是重要的油氣勘探地區，也是研究盆地構造屬性、沉積環境演化的重要區域。南緣下侏羅統三工河組由上部主體淺青灰色-灰綠色長石巖屑砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖和下部土黃色長石巖屑砂巖、含礫粗砂巖、礫巖組成，對上部樣品進行巖石學、巖相學和地球化學研究顯示：樣品化學蝕變指數（CIA）為77.57，反映物源區經歷中等風化作用；碎屑物質磨圓和分選較差，表明沉積物搬運距離短，成分成熟度低；Cu/Zn、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co及U/Th值指示古沉積環境為富氧的氧化環境-貧氧過渡環境；Sr/Cu、Al2O3/MgO值指示溫暖濕潤的氣候特征；Li，Sr，Sr/Ba，Th/U值指示淡水環境；綜合巖相學特征認為，其上部主體為淺湖亞相沉積，下部為辮狀河三角洲平原亞相沉積。樣品中含流紋巖巖屑，La/Th-Hf、La/Sc-Co/Th和Ni-TiO2判別圖指示三工河組源巖主要來自于上地殼長英質火山巖；出現少量安山巖巖屑和Th/Co、Th/Cr比值顯示源巖有少量中-基性巖。通過樣品與不同構造背景雜砂巖成分對比、Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10判別圖顯示物源區應為大陸島弧構造背景。

關鍵詞：準噶爾盆地南緣；三工河組；地球化學；沉積環境；構造背景

準噶爾盆地南緣下侏羅統分為八道灣組和三工河組，屬同一沉積旋回。八道灣組為南緣主要烴源巖層位之一[1-3]，三工河組同樣具有油氣成藏條件[4，5]，具較好的油氣藏勘探前景。三工河組廣泛分布于準噶爾盆地大部分區域。前人研究結果表明，不同區域沉積特征存在一定差異[4-13]。前人對南緣和臨近中央凹陷三工河組的研究主要圍繞著沉積特征[6-8]、砂體結構和水動力條件[9-13]，認為區域內沉積水體水動力條件自早期辮狀河三角洲相到晚期湖泊相逐漸減弱[14-15]，早期發育有河道強、弱沖刷疊置砂體組合等多種砂體組合樣式[10]。這些研究為后續對三工河組沉積相橫向變化對比研究提供了詳實資料。

近期在南緣三工河組已有探明石油地質儲量[5]，但該區不是以往油氣勘探的重點范圍，對該區域相關的研究較少。前期研究大多采用較傳統的研究方法，新興測試方法正待開展，特別是針對三工河組的元素地球化學分析較少，沉積環境和沉積碎屑源區特征研究較薄弱，從而制約南緣資源勘探進展。

本文在前人研究基礎上，通過野外實測剖面、巖相學、元素地球化學方法，對準噶爾盆地南緣三工河組沉積環境及物源特征進行了分析，為南緣盆地構造屬性、沉積環境演化和準噶爾盆地與北天山之間的盆山耦合關系研究提供了依據，對南緣油氣勘探開發有一定意義。

1? 地質背景

研究區位于準噶爾盆地南緣，北天山山前沖斷帶東部（圖1-a），屬北天山褶皺造山帶，處于準噶爾地塊和塔里木板塊之間的縫合帶上[16-21]，行政區域隸屬新疆維吾爾自治區昌吉州。準噶爾盆地共經歷6期演化階段[20]，形成了準噶爾盆地南緣復雜的構造格局。三工河組分布于研究區南部，呈NW向帶狀分布于一復式向斜的南翼，向北緩傾，其中發育褶皺同期的NW向和NE向2組斷層，由剖面PM6控制（圖1-b），三工河組位于第6-32層，總厚度330.4 m，其剖面巖性變化特征見圖2。

2? 巖石學特征

三工河組巖石主要呈淺青灰-灰綠色（圖3-a），下部有部分層為土黃色（圖3-b），巖性為中細粒巖屑長石砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及少量含礫粗砂巖、礫巖。沉積構造主要為層理，如板狀交錯層理、斜層理、水平層理等（圖3-g-i）。陸源碎屑主要由石英、長石和巖屑端元組成，磨圓通常較差，以棱角狀、次棱角為主，分選一般，中細粒為主，粒度為0.05～0.5 mm；石英端元以單晶石英為主，還含有多晶石英、硅質巖；長石端元以斜長石為主，還含鉀長石；巖屑端元包括流紋巖、安山巖、粘土巖、千枚巖等，少見葉片狀、彎曲狀黑云母及白云母。填隙物主要由粘土質雜基及硅質、鐵質、鈣質膠結物組成，屬顆粒支撐，孔隙式膠結；粘土質雜基呈填隙式分布；硅質重結晶為微粒狀石英或石英次生加大邊；鐵質呈微粒狀，相對聚集，線紋狀分布；鈣質主要為方解石。巖石中還含有少量草綠-黃綠色海綠石（圖3-c-f）。

3? 實驗目的、方法及測試結果

3.1? 實驗目的及方法

沉積物地球化學特征可用于物源及沉積背景分析。除氣候、地形、搬運距離和成巖作用，物源區母巖性質和構造背景也會影響碎屑巖組分。因此，利用碎屑巖化學成分可判斷源巖特征，分析源區沉積環境、大地構造背景和構造演化等。本文選用新疆昌吉地區PM6剖面三工河組泥巖樣品6件，在長安大學成礦作用及其動力學實驗室進行泥巖地球化學分析和泥巖礦物類型測定。

3.2? 主量元素實驗結果

三工河組泥巖鈣含量極少（表1），鎂、鈉、鉀、磷含量較少，鈦、鐵含量較多，硅、鋁、錳含量與北美頁巖相近（圖4-a）[22]。巖石XRD測試顯示其主要礦物組成為伊蒙混層、伊利石、高嶺土、斜長石、正長石、石英，以粘土礦物為主，結晶程度較低。

3.3? 微量和稀土元素實驗結果

三工河組泥巖中Sc，Cs，Hf等元素相對富集，而Cr，Co，Ni，Rb，Sr，Th等元素相對虧損（表2，圖4-b）。REE總量為49.50×10-6～188.34×10-6，平均136.23×10-6，總體低于北美頁巖[22]，LREE總量為38.37×10-6～164.79×10-6，平均116.75×10-6，HREE總量為11.14×10-6～23.54×10-6，平均19.48×10-6，LREE/HREE為3.44～7.09，平均5.78，顯示輕稀土富集特征；LaN/YbN為2.52～8.10，平均5.75，表明輕重稀土分餾明顯（表3）。輕稀土元素呈明顯右傾特征（圖4-c），說明樣品輕稀土元素分餾程度高；而重稀土元素趨于平坦，說明樣品重稀土元素分餾程度較低，重稀土富集程度較低。

4? 討論

三工河組樣品CIA值為73.93～83.64，平均77.57（表2），整體上為中等化學風化程度，代表溫暖濕潤的氣候[23]。樣品Al2O3含量與ΣREE顯示較強的負相關性（r=-0.681），說明化學風化作用導致稀土元素虧損。但Al2O3含量與（La/Yb）N（r=-0.112），CIA值與（La/Yb）N（r=0.007）均顯示弱相關性，表明風化作用未對稀土元素分餾作用產生影響[24]。此外TiO2雖與ΣREE有一定相關（r=0.581），但P2O5與ΣREE和（La/Yb）N均顯示弱相關性（r=0.209；r=-0.065），說明水動力分選可能造成了部分元素的富集，但對元素分餾幾乎沒有影響。

沉積巖中大多數微量元素的比率不受沉積過程的影響[25]，雖然成巖作用可能導致微量元素細微分布變化，但來自大多數微量元素的古環境和源區特征不會被成巖過程所掩蓋[26-29]。因此這些穩定元素可作為物源區的合理解釋，成巖作用在物源特征分析過程中的影響可忽略不計。

4.1? 沉積相與沉積環境

結合野外沉積巖特征認為，三工河組上部主體為淺湖亞相沉積，下部為辮狀河三角洲平原亞相沉積。下部土黃色細砂巖、含礫粗砂巖、細礫巖處于河流流水和湖水的交匯部位，主要受到河流水動力作用，形成了規模較小的辮狀河三角洲沉積地層，而后隨著湖進發育，湖水上漲[30]，被后續青灰-灰綠色湖泊相巖屑長石砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖所覆蓋（圖2）。

元素地球化學在沉積物中具相對穩定的特征，可較好地指示古沉積環境[31]，能夠較系統的還原古時剝蝕、搬運、沉積成巖的古環境特征。

三工河組顏色主要為淺青灰-灰綠色，下部少部分為土黃色，反映其整體上為弱還原-弱氧化環境。泥巖樣品微量元素Cu/Zn值為0.29～0.78，平均0.42；V/Cr值為1.42～1.81，平均1.67；V/（V+Ni）值為0.68～0.84，平均0.77；Ni/Co值為1.96～2.93，平均2.55；U/Th值為0.35～0.40，平均0.36。綜上，研究區三工河組總體形成于富氧的氧化環境-貧氧過渡環境之間[32-36]。

三工河組下部少量土黃色沉積巖反映較干旱氣候，上部主體淺青灰-灰綠色沉積巖則指示溫暖濕潤的古氣候特征。樣品中Sr/Cu值為1.80～3.15，平均2.33，均小于10；SiO2/Al2O3值為2.74～3.62，平均3.12；Al2O3/MgO值為10.1～17.28，平均12.1，比值較大。以上值和巖相學特征均反映研究區三工河組主要沉積時期為溫暖濕潤的氣候特征[37-40]。

古鹽度研究可作為地質歷史時期海陸演化的一個重要指示。樣品中Li含量為27.00×10-6～48.67×10-6，平均37.67×10-6；Sr含量為79.29×10-6～122.55×10-6，平均96.45×10-6；Sr/Ba值為0.15～0.23，平均0.18；Th/U值為2.50～3.26，平均2.81。以上元素及比值均反映三工河組沉積時處于淡水環境[41-45]。

準南早—中侏羅世天山夷平作用顯著，湖盆擴張，該時期與三工河組屬同一沉積旋回的下部八道灣組和上部西山窯組含煤層，顯示沼澤特征。但三工河組不含煤層，且在準噶爾盆地內分布范圍最大，既三工河組沉積時期盆地范圍最大，指示溫暖潮濕的氣候環境。晚三疊世—早侏羅世時期，受晚印支隆升運動的影響，盆地內廣泛發育沖積扇-河流相礫巖夾砂泥巖[46]，從八道灣組沉積末期至三工河組沉積早期，沉積相由濱淺湖相轉變為辮狀河三角洲相。而后，盆地經歷了多次大規模湖侵[47]，隨著水體加深，水動力減弱，沉積相又向湖泊相轉變。整體來看三工河組沉積期氣候溫暖濕潤[46]，沉積水體為淡水環境，沉積相的轉變也印證了準噶爾盆地發育的多次湖侵。

4.2? 物源及源區巖石類型

研究區三工河組砂巖巖屑成分有流紋巖、安山巖、粘土巖、千枚巖等。流紋巖和安山巖組分反映其源區物質可能為上地殼的中酸性火山巖，與同一沉積旋回的八道灣組相一致，應為同一物源區。此外，三工河組碎屑組分磨圓和分選較差，反映了較短的搬運距離。通過前人對準噶爾盆地構造演化、相鄰地區沉積巖沉積特征和物源分析的研究，認為三工河組物源區也同樣來自天山地區[48]。研究區八道灣組樣品的碎屑鋯石U-Pb年齡主要在（280～370） Ma和（410～470） Ma之間，與天山地區中酸性偉晶巖年齡（280～480） Ma相吻合[49-51]。前人研究發現，準噶爾盆地南緣早侏羅世沉積范圍延伸至后峽地區[47]，沉積在北天山之上，說明該時期北天山尚未隆起，給盆地提供物源可能性較小。因此結合研究區三工河組巖石學特征、砂巖碎屑組分和碎屑鋯石年代學特征，認為三工河組源區主要為中天山，部分來源于南天山。

三工河組泥巖樣品中δEu為0.70～0.75，平均0.71（表2），具明顯負異常，Eu負異常通常存在于中酸性火成巖和長英質變質巖中，指示源區以上大陸地殼為主[52]。樣品Th/Co值為0.35～0.67，平均0.43，在0.03～1.07之間；Th/Cr值為0.059～0.094，平均0.083，小于0.31，但遠大于0.005。樣品的Th/Co和Th/Cr比值反映三工河組物源應為大陸上地殼[53-56]，但其中有一定的中-基性源巖，與其含有安山巖巖屑的特征一致。

從圖中可看出（圖5-a），三工河組樣品數據點落入安山巖與長英質火山巖附近；從圖中可看出（圖5-b），樣品落入上地殼長英質物源區附近；在Ni-TiO2圖解中明顯有別于鎂鐵質區域，更接近于長英質區域（圖5-c）[57]。因此，認為研究區三工河組源巖應以上地殼長英質巖石為主，可能含有少量中-基性組分，物源區主要為中天山地區。

4.3? 源區構造背景

板塊運動過程中，構造環境的變化會使不同地質體的地球化學特征存在差異，因此研究巖石的地球化學特征能反映源區的構造背景[58]。研究區三工河組沉積物與不同構造背景下沉積物地球化學特征對比表明，三工河組樣品中ΣREE，LREE/HREE，La/Yb（9.35），（La/Yb）N，δEu，U，Zr，Cr，Ba/Sr（2.05×10-6）等均與大陸島弧環境相似；Nb與活動大陸邊緣特征相似；Y，Nd與被動大陸環境邊緣相似；V，Th/U（2.79×10-6）與大洋島弧環境相似，其余元素值及比值明顯有別于各類構造環境（表2）[59]。

部分微量元素在沉積環境中能穩定存在，可用于區分構造環境。在Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10判別圖上，三工河組樣品數據點絕大部分落入大陸島弧環境及附近（圖5）[60]，微量元素構造判圖顯示源區以大陸島弧環境為主。

綜合樣品微量元素特征及判別圖解認為，三工河組物源區構造背景應為大陸島弧環境。

5? 結論

（1） 準噶爾盆地南緣三工河組主要由上部主體淺湖亞相淺青灰-灰綠色中細粒長石巖屑砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及下部少量辮狀河三角洲平原亞相土黃色長石巖屑砂巖、含礫粗砂巖、礫巖組成，發育多種層理。

（2） 三工河組物源區經中等風化作用，但風化作用未對穩定元素產生影響。古沉積環境以富氧的氧化環境為主，間或有貧氧過渡相，古氣候溫暖濕潤，形成于淡水環境。

（3） 三工河組源巖主要來自于上地殼長英質火山巖，含少量中-基性源巖。物源區構造背景為大陸島弧環境，碎屑沉積物來源主要為中天山。

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Geochemistry， Sedimentary Environment and Source Characteristics of the Lower

Jurassic Sangonghe Formation in the Southern Margin of Junggar Basin

Zhu Xing1， Liu Yunhua1， Gao Xiaofeng2， Xia Mingzhe1， Zha Xianfeng2， Luo Jude1

（1.School of Earth Sciences and Resources，Changan University，Xian，Shaanxi，710054，China;

2.Xi'an Geological Survey Center，China Geological Survey，Xian，Shaanxi，710119，China）

Abstract： The southern margin of the Junggar Basin is an important area for oil and gas exploration. It is also an important area for studying the tectonic attributes of the basin and the evolution of the sedimentary environment. The previous research on the sedimentary environment and the characteristics of the clastic source area of the Sangonghe Formation in the southern margin is partially inadequate， which is not conducive to further exploration and development. The Sangonghe Formation of the Lower Jurassic in the southern margin is composed of the upper main body of light blue-grey to grayish green feldspathic lithic sandstone， silty mudstone， muddy siltstone， and lower soil yellow feldspathic lithic sandstone， pebbly coarse sandstone， and conglomerate. Petrological， petrographic， and geochemical studies on the upper samples show that the chemical alteration index （CIA） of the sample is 77.57， indicating that the source area has undergone moderate weathering; The poor grinding and sorting of detrital materials indicate that the sediment transport distance is short and the compositional maturity is low; Cu/Zn， V/Cr， V/（V+Ni）， Ni/Co， and U/Th values indicate that the paleosedimentary environment is an oxygen rich oxidation environment to a oxygen poor transition environment; Sr/Cu and Al2O3/MgO values indicate warm and humid climate characteristics; Li， Sr， Sr/Ba， Th/U values indicate freshwater environment; Based on the comprehensive petrographic characteristics， it is believed that the upper part is mainly composed of shallow lake subfacies sedimentation， while the lower part is composed of braided river delta plain subfacies sedimentation. The sample contains rhyolite debris， and the discrimination maps of La/Th-Hf， La/Sc Co/Th， and Ni TiO2 indicate that the source rocks of the Sangonghe Formation mainly come from felsic volcanic rocks in the upper crust; The presence of a small amount of andesite debris and Th/Co， Th/Cr ratios indicates a small amount of intermediate basic rocks in the source rock. By comparing the composition of samples with different structural backgrounds of sandstone， Th Co Zr/10， La Th Sc， Th Sc Zr/10 discrimination maps， it is shown that the source area should be a continental island arc tectonic background.

Key words： Southern margin of Junggar Basin; Sangonghe Formation; Geochemistry; Sedimentary environment; Tectonic background

項目資助：新疆昌吉地區K45E001012等六幅1∶5萬區域地質調查（DD20190065）資助

收稿日期：2023-08-07；修訂日期：2023-11-21

第一作者簡介：朱钘（1999-），云南昭通人，長安大學在讀碩士，現從事地球化學方面的研究；E-mail： 1072149050@qq.com

通訊作者：劉云華（1965-），男，博士，研究員，從事地質學教學與研究工作；E-mail： 280056933@qq.com