汪梦诗, 张志杰, 周川闽, 袁选俊, 林敏捷, 刘银河, 成大伟. (2018)准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组碱湖岩石特征与成因* [J]. 古地理学报, 20(1): 147-162
Wang Meng-Shi, Zhang Zhi-Jie, Zhou Chuan-Min, Yuan Xuan-Jun, Lin Min-Jie, Liu Yin-He, Cheng Da-Wei. (2018)Lithological characteristics and origin of alkaline lacustrine of the Lower Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(1): 147-162.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.01.010
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准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组碱湖岩石特征与成因*
汪梦诗1, 张志杰1,2, 周川闽1,2, 袁选俊1,2, 林敏捷1, 刘银河1,2, 成大伟1,2
1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2 中国石油天然气集团公司油气储集层重点实验室,北京 100083
通讯作者简介 张志杰,女,1977年生,博士,中国石油勘探开发研究院实验中心高级地质师,主要从事石油地质学与沉积储集层研究。E-mail: zhzhijie@petroChina.com.cn。

第一作者简介 汪梦诗,女,1992年生,硕士研究生,主要从事沉积储集层研究。E-mail: 2451881878@qq.com。

收稿日期:2017-07-10
基金资助:*国家油气重大专项(编号: 2017ZX05001)和中国石油科技项目(编号: 2016B-0302-01)联合资助
摘要

风城组作为准噶尔盆地下二叠统优质烃源岩,一直是盆地油气勘探的重点。但因其埋藏深、岩性复杂、全球可对比研究实例少,也一直是研究的难点。文中以精细的岩性研究为基础,利用岩心描述、薄片观察、 SEM、 X衍射、 TOC含量测定、包裹体测温及地化分析等手段,深入分析玛湖凹陷风城组碱性矿物特征和地质背景,探讨了碱湖成因与形成过程,得出: ( 1)风城组岩石可细分为 5种主要类型,其中碱性岩为碱湖标志性岩类,富硅硼纳石岩类与火山喷发或热液作用相关;( 2)风城组存在 5种主要的岩石组合类型,从近源区至湖区依次为: 河流—冲积平原发育的组合类型 Ⅴ、滨浅湖环境发育的组合类型 Ⅲ与类型 Ⅳ、深湖—半深湖环境发育的组合类型 Ⅰ与类型 Ⅱ,其中类型 Ⅰ与类型 Ⅲ为碱湖特有岩石组合,含优质烃源岩;( 3)碱湖形成主要受火山活动和气候控制,前者为碱湖形成提供了 Na+溶质,后者促进了淡水湖咸化,最终演化成碱湖。

关键词: 准噶尔盆地; 下二叠统风城组; 碱湖; 岩石类型; 岩石组合; 成因分析
中图分类号:P588.21 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)01-0147-16
Lithological characteristics and origin of alkaline lacustrine of the Lower Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin
Wang Meng-Shi1, Zhang Zhi-Jie1,2, Zhou Chuan-Min1,2, Yuan Xuan-Jun1,2, Lin Min-Jie1, Liu Yin-He1,2, Cheng Da-Wei1,2
1 Research Institute of Petroleum Exploration & Development,PetroChina,Beijing 100083;
2 CNPC Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir,Beijing 100083
About the corresponding author Zhang Zhi-Jie,born in 1977,is a senior geologist in Research Institute of Petroleum Exploration & Development,PetroChina. She is mainly engaged in researches of petroleum geology,sedimentology and reservoir geology. E-mail: zhzhijie@petroChina.com.cn.

About the first author Wang Meng-Shi,born in 1992,is a master degree candidate. She is mainly engaged in researches of sedimentology and reservoir geology. E-mail: 2451881878@qq.com.

Fund:Co-funded by the Major National Oil and Gas Special Projects(No.2017ZX05001)and CNPC Science and Technology Project(No.2016B-0302-01)
Abstract

The Lower Permian Fengcheng Formation,as favourable source rock in the Junggar Basin,has been the target for petroleum exploration. Due to its deep burial depth,complicated lithology and few global analogs,the evaluation of the petroleum potential of Fengcheng Formation is still at its rudimentary stage. This study discusses the characteristics of alkaline minerals,geological background,origin of alkaline lakes and its forming processes through methods including core description,thin section observation,SEM,X-ray diffraction analysis,TOC content measurements,inclusion temperature test,geochemical analysis, etc. the results suggest: (1)the Fengcheng Formation can be categorized into five rock types,among which,alkaline rock is the most distinguished lithofacies type of alkaline lakes and reedmergnerite is generally related to volcanic eruption or hydrothermal activities;(2)five rock associations are recognized in the Fengcheng Formation. From near-source to lake center,they are type Ⅴ of alluvial-fluvial facies,type Ⅲ and Ⅳ of shallow shoreface to lacustrine facies,respectively;type Ⅰ and Ⅱ of deep-semideep lacustrine facies,respectively. Type Ⅰ and Ⅲ are typical alkaline rock associations with favourable source rock potential;(3)the formation of alkaline lake is primarily controlled by volcanic activities and climate,where the former supply the Na-rich fluids,and the latter salinized the freshwater lake and facilitate the final formation of alkaline lake.

Key words: Junggar Basin; Lower Permian Fengcheng Formation; alkaline lacustrine; rock types; lithology association; genetic analysis

准噶尔盆地发育有6套烃源岩, 在勘探早期主要集中于中浅层。下二叠统风城组因其埋深大, 一直未得到足够的重视。随着勘探的深入, 以风城组为优质烃源岩的勘探层系不断取得新突破(支东明等, 2016), 风城组沉积特征与沉积背景开始引起关注。曹剑等(2015)曾提出风城组为“ 碱湖” 发育模式, 并指出准噶尔盆地风城组可能是全球迄今发现的最古老碱湖优质烃源岩。因此, 明确其岩石特征, 分析其沉积成因序列, 有利于分析碱湖优质烃源岩的沉积背景与发育机制, 进而服务于资源勘查。

碱湖是一类特殊的咸化湖, 又称苏打湖(黄杏珍等, 1999; Daniel et al., 2016)。与常见的咸化湖, 即硫酸盐湖不同, 碱湖典型的特征是水体离子以钠离子和碳酸根离子(含碳酸氢根)为主, 具有较强的碱性, pH值通常大于9(Deocampo and Jones, 2014)。

现代碱湖多分布于特殊的地理环境, 如美国的Soda湖、中国的程海湖、肯尼亚的Magadi湖等。对于古代碱湖沉积研究较少, 主要集中于大绿河盆地始新统绿河组页岩(Desborough, 1978; Roehler, 1992; Grabowski and Bohacs, 1996), 国内对碱湖沉积研究更少(邱荣华等, 2005; 李苗苗等, 2014)。准噶尔盆地风城组碱湖沉积的研究, 近年来才陆续有相关资料报道(秦志军等, 2016; 余宽宏等, 2016a, 2016b)。这些研究更多关注碱性沉积环境的论证及风城组作为优质烃源岩的生烃潜力, 对其中特殊矿物组成及其成因的探讨较少。作者借助岩心描述、薄片观察、SEM、X衍射、TOC含量测定、包裹体测温、地化分析等手段, 结合全球古代及现代碱湖研究调研, 以岩性分析为基础, 用将今论古的方法剖析玛湖凹陷风城组碱湖发育的地质背景, 探讨其成因, 从而为碱湖油气勘探提供沉积依据。

1 地质概况

玛湖凹陷为准噶尔盆地中央坳陷次一级负向构造单元, 与西北缘的乌夏断裂带、克百断裂带相邻, 面积约为5000, km2(图 1-a)。其形成受石炭纪以来3期“ 拗陷— 前陆” 构造旋回控制, 相应发育3套成藏组合, 风城组为下成藏组合最重要的烃源岩(Bian et al., 2010; Pirajno et al., 2011)。风城组形成于后裂谷期与前陆过渡期, 底部风一段主要发育泥岩、灰质泥岩、砂岩、砾质砂岩及凝灰岩等; 中部风二段主要发育云质泥岩、碱性岩、含碱泥岩等; 顶部风三段主要发育泥质云岩和云质泥岩等(图 1-b)。

图 1 准噶尔盆地玛湖凹陷地理位置(a)及风城组岩性剖面图(b)Fig.1 Location of Mahu Sag, Junggar Basin(a)and lithology column of the Fengcheng Formation(b)

风城组是目前所见报道的唯一的古生代碱湖沉积(曹剑等, 2015), 其特征与始新世的大绿河盆地以及全新世沿东非大裂谷分布的一系列碱湖非常相似(Eugster, 1969, 1971)。由于年代较老, 风城组许多沉积特征已在漫长的成岩演化过程中遭受破坏甚至消失, 只有通过深入的古今对比研究, 才能了解其发育机制。

2 风城组主要岩石类型及成因分析

玛湖凹陷风城组岩性极其复杂, 可见碎屑岩、碳酸盐岩以及与火山作用相关的熔岩和火山碎屑岩, 可能还有泉(钙)华等。常见矿物包括斜长石、白云石、菱铁矿、碳钠镁石、硅硼钠石及微晶石英等(表 1), 在岩心观察基础之上, 利用偏光显微镜、扫描电镜、阴极发光、能谱分析等方法, 从风城组中识别出5种主要岩石类型。

表 1 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组全岩X衍射分析结果 Table1 Rock analysis by X-ray diffraction of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin
2.1 火山碎屑岩— 沉火山碎屑岩

准噶尔盆地西北缘物源区广泛分布有石炭纪至早二叠世的岩浆岩(孙国强等, 2011), 包括侵入岩、火山岩和火山碎屑岩。盆地内钻井也揭示风城组含有大套熔岩、火山碎屑岩和沉火山碎屑岩。FN1井岩心可见大段的火山碎屑岩或沉火山碎屑岩, 常见棱角状砾石杂乱分布, 具模糊的正粒序结构, 为杂基支撑, 基质为凝灰质(图 2-a), 可能为火山碎屑流或降落型火山碎屑沉积。显微镜下可见砂岩和粉砂岩中含大量火山岩岩屑(图 2-b, 2-c)。其中, 安山岩、粗面岩、玄武岩和辉绿岩等约占6%, 以粗面— 安山岩岩屑和玄武— 安山岩岩屑(图 2-d, 2-e)最为常见。此外, 一些半深湖— 深湖相富有机质页岩中还可见保存完好的火山灰夹层, 厚度通常在2, mm左右(图 2-f)。

图 2 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组火山碎屑岩— 沉火山碎屑岩岩性特征
a— 富含火山碎屑的岩心样品, FN1井, 4448, m; b— 凝灰岩, 正交偏光, F26井, 3299, m; c— 凝灰质砂岩, 正交偏光, FN1井, 4182, m; d— 玄武— 安山岩岩屑, 浅紫色颗粒为橄榄石, 正交偏光, FN1井, 4443, m; e— 粗面— 安山岩岩屑, 正交偏光, FN1井, 4445, m; f— 火山灰夹层, 正交偏光, FN1井, 4338, mFig.2 Lithological characteristics of pyroclastic and volcaniclastic sediments of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

常量元素数据统计表明, 风城组火山岩偏碱性(图 3), 11块凝灰岩中有8块为碱性岩。风城组中这种偏碱性的凝灰岩与现代东非大裂谷Natron湖(Daniel et al., 2016)及美国西部始新统绿河组(Eugster, 1971)火山岩非常相似, 说明碱性火山岩可能为碱湖的形成提供了物质来源。

图 3 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组火山岩类型Fig.3 Volcanic rock types of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

2.2 白云岩及云质岩

钻井揭示玛湖凹陷风城组普遍含白云石, 白云岩、泥质云岩、云质泥岩和云质粉砂岩等普遍发育。白云岩可呈条带状、纹层状、斑状、透镜状和分散状分布。岩心可见褐黄色薄层状、条带状和纹层状白云岩(图 4-a)。显微镜下可见泥粉晶和中细晶白云石。前者广泛分布于泥页岩、砂岩和粉砂岩中, 阴极发光下呈分散状分布(图 4-b)。后者可呈聚集状或孤立状分布于粉砂岩和砂岩中, 单偏光下可见雾心亮边结构(图 4-c, 4-e), 用茜素红+铁氰化钾混合液染色可见白云石部分含铁, 并有少量被方解石交代(图 4-h); 扫描电镜下可见铁白云石构成白云石最外一层环带(图 4-g); 阴极发光下可见多期环带(铁白云石环带不发光; 图 4-d, 4-f)。

图 4 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组白云岩及云质岩岩性特征
a— 岩心中条带状、斑状白云岩, F26井, 3298, m; b— 纹层状云质泥岩, 阴极发光, 可见分散状橙红色泥微晶白云石, FN1井, 4361, m; c— 斑状白云石, 单偏光, FN1井, 4360, m; d— c照片阴极发光, 可见多期白云石环带, 铁白云石环带不发光; e— 细晶白云岩, 晶间浅色充填物为硅硼钠石, 暗色为残余岩屑, 单偏光, FN1井, 4125, m; f— e照片阴极发光, 可见白云石环带结构, 铁白云石不发光, 硅硼钠石发暗色光; g— 灰色白云石普遍具浅色铁白云石环带, 深色为充填粒间和交代颗粒的硅硼钠石, 扫描电镜, FN1井, 4361, m; h— 方解石 交代白云石, 单偏光, FN1井, 4237, mFig.4 Lithological characteristics of dolomite and dolomitic rocks of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

综合薄片、阴极发光和扫描电镜分析认为: 泥微晶白云石由早期沉淀的方解石、高镁方解石、文石和原白云石在同生期或浅埋藏期发生白云石化(或由原白云石有序转化)形成, 主要受碱湖湖水的Mg2+/Ca2+比控制, 高Mg2+/Ca2+湖水可直接沉淀原生白云石, 或渗入湖底沉积物中使早期沉淀的方解石、高镁方解石和文石发生白云石化; 中细晶白云石由早期方解石为主的质点在埋藏期发生白云石化和(含铁白云石)环带胶结形成; 去白云石化可能因成岩期热液(或深部循环水)带来富Ca2+流体对白云石改造形成(Domagalski and Eugster, 1990; Deocampo and Jones, 2014)。

2.3 碱性岩及含盐岩

碱性岩是碱湖最具特征的岩类, 包括钠碳酸盐岩、钠钙碳酸盐岩和钠镁碳酸盐等。美国西部始新统绿河组已发现的碱性岩包括: 苏打石、天然碱等(Eugster, 1971)。岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜能谱和XRD分析表明(图 5), 玛湖凹陷风城组碱性岩既有层状原生的, 也有斑状、条带状次生的。

图 5 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组碱性岩及含盐岩岩性特征
a— 岩心中共生的碳氢钠石和天然碱, FN5井, 4066, m; b— a的XRD谱图; c— 碳酸钠钙石、碳氢钠石及硅硼钠石共生, 正交偏光+λ , FN5井, 4066, m; d— 天然碱和硅硼钠石共生, 正交偏光+λ , FN5井, 4066, m; e— 碳酸钠钙石、氯碳钠镁石及硅硼钠石共生, 氯碳钠镁石交代碳酸钠钙石和硅硼钠石, 正交偏光+λ , FN5井, 4066, m; f— 碳酸钠钙石、氯碳钠镁石及硅硼钠石共生, 扫描电镜, F26井, 3302, m; g— 碳酸钠钙石、碳氢钠石、硅硼钠石及丝硅镁石共生, 扫描电镜, FN5井, 4066, m; h— 菱水碳铁镁石与氯碳钠镁石共生, 后者因茜素红+铁 氰化钾混合液染色呈浅粉色, 单偏光, F26井, 3302, mFig.5 Lithological characteristics of alkaline rocks and saliferous rocks of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

原生层状碱性岩在岩心上呈浅黄、浅灰白色(图 5-a), 在纵向上与深色块状含盐— 盐质粉砂岩和泥岩交替分布, 主要成分为天然碱、碳氢钠石和碳酸钠钙石(图 5-a, 5-b, 5-c, 5-d), 其中, 天然碱呈束状、纤状(图 5-a, 5-d), 碳氢钠石呈板片状(图 5-a, 5-c), 碳酸钠钙石呈等轴状(图 5-c), 各矿物间有不同程度的交代现象(图 5-c, 5-d)。可能受钻井取心数量限制, 层状碱性岩仅见于FN5井(心长约8, m), 其他多以薄层或纹层状产出(F26井), 但FN5-FC1-F7井区录井资料和测井相分析均可见累计厚度达上百米的层段内有大量的层状碱性岩分布。根据风城组硅硼钠石中包裹体冰点计算得到当时水体平均盐度为19.22%NaCl, 达到了卤水盐度(表 2), 表明风城组碱性岩的形成可能与周期性的干旱有关, 受轨道周期引起的温带干旱— 半干旱气候旋回控制。

表 2 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组硅硼钠石包裹体均一温度、冰点测量及盐度计算 Table2 Inclusion temperature and freezing point test of reedmergnerite and its salinity measurements of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

次生碱性岩多呈斑状或条带状分布, 常见者包括天然碱、碳酸钠钙石、碳氢钠石、碳钠镁石、氯碳钠镁石, 偶见磷钠镁石、丝硅镁石和菱水碳铁镁石等(图 5-e, 5-f, 5-g, 5-h)。此类岩石多形成于成岩期, 或由同生期沉积遭受强烈的成岩改造形成, 不同矿物的形成和分布受温度、压力、含水量和CO2分压等因素控制。微观分析常见天然碱、碳氢钠石、碳酸钠钙石共生, 并可见明显生成顺序, 即硅硼钠石→ 天然碱→ 碳酸钠钙石→ 氯碳钠镁石(图 5-c, 5-d, 5-e, 5-f, 5-g, 5-h)。一些盐类吸收水分后, 甚至沉淀出其他盐类, 这可能也是在微观条件下观察到石盐和芒硝等盐类的原因。

2.4 富有机质泥页岩

富有机质泥页岩是风城组最重要的岩石类型之一, 也是准噶尔盆地西北缘最重要的烃源岩之一, 据统计由其组成的烃源岩分布面积达8000, km2, 厚度为50~400, m。与二叠系另2套烃源岩层佳木河组和乌尔河组相比, 风城组烃源岩品质明显较好(图 6)。该类岩石可进一步划分为富有机质云质泥页岩和富有机质灰质泥页岩两类, 其中富有机质灰质泥页岩烃源岩质量更优。

图 6 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组及佳木河组、乌尔禾组烃源岩质量对比(部分数据据曹剑等, 2015)Fig.6 Comparison of source rock quality of the Fengcheng Formation, Jiamuhe Formation and Wuerhe Formation in Mahu Sag, Junggar Basin(some data from Cao et al., 2015)

富有机质云质泥页岩岩心呈浅灰色, 纹层不同程度发育, 常见浅色含云粉砂纹层或薄层, 与泥质纹层交互(图 7-a, 7-b)。含云粉砂纹层在显微镜下可见复杂的粒序结构和丰富的陆生植物碎片, 在扫描电镜下可见溶蚀或蚀变残余的长石碎屑和自生的白云石与石英(图 7-c)。泥质纹层在阴极发光下可见大量分散分布的泥微晶白云石(图 4-b), 在扫描电镜下可见片状黏土、有机质条带和分散状或顺纹层分布的黄铁矿。

图 7 准噶尔盆地玛湖凹陷FN1井风城组富有机质泥页岩岩性特征
a— 富有机质云质泥页岩岩心, 4362, m; b— 粉砂— 泥质纹层, 含深色片状陆源植物碎屑, 单偏光, 4362, m; c— 粉砂岩纹层中的长石碎屑、白云石和石英晶粒, 扫描电镜, 4362, m; d— 富有机质灰质泥页岩岩心, 4363, m; e— 方解石纹层(因茜素红+铁氰化钾混合液染色呈浅红色, 未染色者为白云石)和发育细纹层的富有机质基质, 单偏光, 4363, m; f— 片状黏土矿物、有机质条带及 分散状和沿纹层分布的黄铁矿, 扫描电镜, 4363, mFig.7 Lithological characteristics of organic-rich shale of the Fengcheng Formation in Well FN1 in Mahu Sag, Junggar Basin

综合推测该类岩石沉积于洪水影响显著的滨浅湖环境。频繁的(季节性)洪水不同程度影响湖水分层, 导致湖底氧化— 还原环境交替变化, 不利于有机质保存, 总有机碳偏差, 通常在1%左右。这也是该类岩石生物标志化合物具有高胡萝卜烷和较高的Pr/Ph比的原因(Horsfield et al., 1994)。该岩石中白云石主要由高Mg2+/Ca2+湖水在较好的渗滤条件下交代早期泥微晶方解石、高镁方解石或文石形成。

富有机质灰质泥页岩岩心呈深灰色, 纹层较发育, 见灰白色方解石纹层与泥质纹层交互(图 7-d), 少见洪水影响形成的浅色含云粉砂纹层, 偶见浅灰色火山灰纹层(图 2-f)。该岩石在显微镜下可见细粒基质中有规则状方解石纹层分布(图 7-e), 不同程度发生塑性变形, 且周围有机质纹层也有明显弯曲变形(图 7-e), 表明方解石纹层形成于同沉积期。此外, 方解石纹层发生不同程度白云石化, 表明有成岩改造影响。在扫描电镜下可见泥质纹层中有片状黏土矿物、条带状有机质及呈分散状或顺层聚集分布的黄铁矿晶粒(图 7-f)。

综合判断该类岩石沉积于洪水影响较弱的半深湖— 深湖区, 湖水分层且稳定, 湖底为还原环境, 有机质保存较好, 总有机碳通常在1.6%左右。该岩石中方解石纹层由湖水中直接沉淀出的泥微晶方解石、高镁方解石和少量文石构成, 并在准同生期发生塑性变形, 局部因高Mg2+/Ca2+值湖水渗滤发生不同程度的白云石化, 包括方解石纹层的部分白云石化和基质中泥晶方解石的完全白云石化(图 4-b)。

2.5 富硅硼钠石岩类

该类岩石以富含硅硼钠石为特征, 硅硼钠石是玛湖凹陷风城组常见矿物类型之一, 在岩心上呈条带状、斑状和角砾状(图 8-a, 图7-b), 在显微镜下可见较好的晶形, 如楔状、菱板状或花状(图 8-c, 8-d, 8-e)。其分布极广泛, 既可与碱性矿物共生(图 5), 也可与方解石和白云石共生(图 4-e, 4-g), 还可呈胶结物充填于砂岩、粉砂岩和泥页岩(图 8-d, 8-e), 或与其中的微晶石英共生(图 8-f)。

图 8 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组富硅硼钠石岩类岩性特征
a— 硅硼钠石呈条带状分布, FN1井, 4230, m; b— 角砾状硅硼钠石, FN1井, 4070, m; c— 呈楔状及菱板状孤立分布的硅硼钠石, 单偏光, FN3井, 4230, m; d— 硅硼钠石晶体相互交织, 正交偏光, FN1井, 4230, m; e— 呈放射状的硅硼钠石晶体, 正交偏光, FN1井, 4192, m; f— 硅硼钠石与微晶石英共生, 扫描电镜, F26井, 3298, mFig.8 Lithological characteristics of reedmergnerite-rich rocks of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

通常认为硅硼钠石的形成与热液有关(Wunder et al., 2013), 风城组中的硅硼钠石实测包裹体均一温度较高, 最高为154, ℃, 110, ℃以上占到了24%(表2, 图 9)。据邱楠生(2001)研究, 准噶尔盆地西北部4300, m地层以内正常埋深地温不会超过110, ℃, 所以推测硅硼钠石形成与早二叠世活跃的热液密切相关。结合风城组大量发育的自生钠长石类矿物(李荣西等, 2012)及分布广泛的微晶石英(陈登辉等, 2010), 说明风城组热液作用活跃, 从而促进碱湖的形成。但岩心观察可见硅硼钠石有水流搬运迹象, 显微镜下可见硅硼钠石充填粒间, 说明硅硼钠石的形成可能既有同生期的、也有成岩期的, 有热液影响的、也有特殊催化作用形成的。综合分析推测硅硼钠石最早形成于准同生期, 早于碳氢钠石与碳酸钠钙石, 最晚与铁白云石同期或略晚(图 4-g)。

图 9 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组硅硼钠石包裹体均一温度Fig.9 Inclusion temperature of reedmergnerite of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

3 风城组碱湖环境岩石组合

玛湖凹陷风城组主要发育火山碎屑岩— 沉火山碎屑岩(以下简称A)、白云岩及云质岩(以下简称B)、富有机质泥页岩(以下简称C)、碱性岩及含盐岩(以下简称D)、富硅硼钠石岩类(以下简称E)。岩心观察、钻录井资料揭示A岩石受火山口控制, 广泛发育于玛湖凹陷风一段底部, 河流— 冲积平原主要发育凝灰质砂砾岩、火山岩, 在湖盆区以凝灰质砂泥岩为主; B岩石主要受水体高Mg2+/Ca2+值控制, 多沉积于滨浅湖, 层位以风一段上部及风三段为主; C岩石分布于半深湖— 深湖等低能环境, 多与B岩石交互沉积, 常夹E岩石夹层; D岩石沉积于湖盆中心, 如FN7、FN5井风二段上部; E岩石在断裂带附近(图 1-a)广泛发育, 如距乌夏断裂带较近的FN5、FN7、F26井等, 距断裂带较远的FN4井等(图 1-a)未发育E岩石。但因水流搬运, 在距离断裂带较远的FN1井(图 1-a)也可见搬运再沉积的E岩石, E岩石或以薄层出现于B岩石、C岩石及D岩石中, 或以厚层下伏于D岩石或C岩石之下。

受沉积时物源、沉积环境及湖盆演化过程控制, 从物源区到湖盆中心常见5类由上述5种岩石组成的岩石组合, 如图 10所示: 类型Ⅰ 为A— C— B— D; 类型Ⅱ 为A— E— C— B— E— D; 类型Ⅲ 为A— C与B互层; 类型Ⅳ 为A— E— C与B互层— E; 类型Ⅴ 为凝灰质砂砾岩— 凝灰质砂岩。远离物源、水动力较弱的深湖— 半深湖区, 以类型Ⅰ 、类型Ⅱ 类型为主; 靠近火山发育的滨浅湖区, 主要发育类型Ⅲ 和类型Ⅳ ; 越靠近物源区的河流— 冲积平原, 则见以A为主的类型Ⅴ , 向上岩石粒度明显变细, 钻井资料表明基本没有B岩石和C岩石沉积。其中类型Ⅱ 与类型Ⅳ 毗邻断裂带, 因深部热液的影响, 在C岩石或D岩石底部发育E岩石。

图 10 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组碱湖岩石组合类型示意图Fig.10 Lithology association in the alkaline lake of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

这样的岩石组合类型与碱湖水体、古环境变化密切相关(Eugster, 1970)。碱湖形成早期火山物质溶解, 形成富碱水体, 故A岩石常位于纵向剖面底部。气候逐渐干旱使水体浓缩分层, 有利于有机质保存, 导致A岩石之后常发育C岩石。水体进一步浓缩, 钙镁离子过饱和, 按照化学分异顺序, 方解石、白云石等常见碳酸盐先析出, 从而在C岩石之后形成B岩石。同时由于有机质中细菌的还原作用生成大量气体, 这些气体能够改变沉积物的层理形成网格状结构; 大量藻类堆积腐烂形成疏松的构造, 碳酸盐矿物得以在此大面积发育(Daniel et al., 2016), 造成B岩石与C岩石交替出现。常见碳酸盐析出之后, 水体pH值达到最高, 湖水CO2分压增高, 促进天然碱等的沉淀, 形成D岩石(Eugster, 1969; Eugster and Hardie, 1975), 该岩石是在水体CO2浓度、碱度达到一定值时才能析出, 浅湖区一般难以具备这样的条件。故风城组可见一般碱湖(Desborough, 1978)普遍发育的岩石组合类型Ⅰ 与类型Ⅲ 。

E岩石与火山热液作用密切相关, 通常发育于火山口或断裂附近, 最常出现在C岩石或D岩石之前, 形成岩石组合类型Ⅱ 与类型Ⅳ 。一方面是由于深部热液在上涌过程中会发生水岩反应, 为湖盆带入碱性成分, 促进碱性岩的析出; 另一方面, 热液的注入为水体提供高矿化度流体、N、P等重要养料、热量以及大量过渡金属元素(催化剂), 加速了有机质生烃(金强和翟庆龙, 2003; 高福红等, 2009; 李红等, 2017)。

4 风城组碱湖成因探讨

对现代碱湖研究表明, 碱湖形成需要特定的构造、气候以及地化等条件。首先碱湖需要一个相对封闭的汇水盆地, 其蒸发量必须大于地表或地下补给的水体。其次, 碱湖要有充足的溶质来源, 包括地表径流、地下水以及热液(林培贤等, 2017)在注入湖盆过程中与土壤、基岩或围岩发生水岩反应带来溶质。再者, 碱湖通常与火山活动区相邻(Herná ndez et al., 2015; Pecoraino and Alessandro, 2015)。

系统的区域构造背景和古气候分析表明, 玛湖凹陷风城组沉积期间具备形成碱湖的条件。

4.1 构造背景

古生代形成的西准噶尔褶皱带奠定了盆地西北缘的盆山格局, 从而控制了二叠纪乃至现今盆地的水系分布。早二叠世后造山伸展期, 达尔布特断裂带等开始活动, 加之俯冲板块的拆沉作用造成区域岩石圈拉张减薄诱发的岩浆活动, 以及较高的大地热流值和古地温, 都促进了热液活动, 加速了下渗地表水的循环对流。当富含火山气体(主要为CO2)的热液和深部循环的地表水流经岩浆岩时会发生水岩反应, 为风城组沉积提供水体补给和必要的溶质来源。

4.2 气候背景

在早二叠世早期随着冈瓦纳大陆冰期基本结束, 加之全球性活跃的火山活动, 全球气候逐渐变暖。受此大背景和周缘强烈的火山喷发作用影响, 准噶尔地体也出现了转暖的趋势(吴绍祖, 1996)。据李永安等(1999)对古地磁研究得出, 早二叠世准噶尔盆地西北缘位于北纬40° 左右, 气候总体属于温带干旱— 半干旱气候带。这种气候叠加地球轨道驱动斜率的变化会出现热辐射区(ITCZ)的变化形成干旱— 半干旱气候周期变化, 从而形成碱性岩、富有机质泥岩互层。这种气候背景与现今的东非大裂谷极其相似, 正是碱湖发育的最佳气候环境。

4.3 碱湖演化过程

碱湖水体富含碳酸根和钠离子, 具较强碱性。一般, 淡水湖泊要演化成碱湖至少要经历咸化、常见碳酸盐沉淀、硫酸盐沉淀和钠碳酸盐沉淀等过程。玛湖凹陷风城组沉积时期可能因流域内大量火山岩基岩水解和活跃的火山活动, 使得湖泊中水体富含生命元素, 微生物发育, 湖区水体以强还原环境为主。强还原环境使得S O42-多被还原成H2S并释放到空气中或赋存成黄铁矿, 这也是纹层状泥岩中富含黄铁矿的原因。这样的背景, 造就了风成组较为独特的碱化过程, 其碱化过程可能只有3个主要阶段(图 11)。

图 11 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组湖盆演化过程Fig.11 Evolution process of lake basin of the Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin

1)蒸发咸化。风城组沉积时期流域盆地内大量火山岩的水解和与火山相关的热液为湖盆带来了充足的溶质。该时期, 较高的纬度使得气候偏干旱, 当地球轨道驱动的偏心率与岁差叠加时则可能出现较严重的干旱, 使得湖泊水体浓缩并咸化。

2)常见碳酸盐析出。随着湖盆水体浓缩, 各离子浓度逐渐升高, 泥晶方解石首先析出。随着方解石沉淀和湖水继续浓缩, 湖水中的Mg2+/Ca2+值升高, 低镁方解石、文石和原白云石相继沉淀。从岩心和薄片分析可知, 该阶段玛湖凹陷主要沉积泥晶或微晶方解石、高镁方解石、文石和白云石。其中, 方解石、高镁方解石和文石在渗透性好的基质中极易受高Mg2+/Ca2+值湖水渗滤而发生白云石化, 并加大形成白云石环带结构(图 4-d, 4-f), 在渗透性差的基质中则仅发生部分白云石化(图 7-e), 无明显的白云石环带结构。该阶段由于Ca2+离子的缓冲作用, 湖水始终保持弱碱性(Berger et al., 1993)。

3)钠碳酸盐沉淀。随着干旱气候的持续, 当方解石、文石和原生白云石等的沉淀耗尽Ca2+、Mg2+时, 由于火山活动不断有CO2注入湖水, 湖水中的C O32-不断富集, 以下平衡逐渐右移:

H2O+C O32-⇌OH-+HC O3-

湖水pH值迅速上升, 最高可达11(Fetter, 2000), 碱湖随之形成。同时Na+、C O32﹣和HC O3﹣浓度不断上升, 当达饱和时, 各种碱性岩矿物相继沉淀。如果干旱作用持续时间更长, 钠碳酸盐沉淀之后则出现石盐和钾盐沉积, 因受取心数量限制, 风城组是否有石盐和钾盐沉积不得而知。

玛湖凹陷风城组碱湖沉积受气候控制, 亦即轨道力驱动的气候干— 湿交替控制, 从而在录井和测井中可以厚达百米的碱性岩和泥岩互层。

5 结论

1)准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组岩性复杂, 岩石主要有火山碎屑岩— 沉火山碎屑岩、白云岩及云质岩、碱性岩及含盐岩、富有机质泥页岩和富硅硼钠石等5种岩石类型。其中, 碱性岩及含盐岩为碱湖环境所特有的岩性; 富硅硼纳石岩类证实了火山喷发及热液作用; 富有机质灰质泥页岩是风城组最为重要的烃源岩。

2)从物源区至湖盆中心, 风城组依次发育5种岩石组合类型, 这与碱湖发育过程密切相关。火山碎屑岩— 沉火山碎屑岩总位于岩石组合底部, 越远离物源, 火山碎屑岩含量降低, 沉火山碎屑岩含量增高。页岩与白云岩交替(近物源)或相继(远物源)出现, 构成了风城组优质的烃源岩。碱性岩随后沉淀析出, 主要分布于深湖— 半深湖区。富硅硼钠石岩类分布于深大断裂带附近, 促进了富有机质泥页岩、碱性岩及含盐岩的形成, 常位于两者之下。

3)碱湖发育需要干旱— 半干旱交替的气候、封闭的水文条件、流域内大面积分布的岩浆岩以及充足的CO2来源。风城组沉积时期湖盆具备所有现代碱湖形成的条件, 从而沉积了含碱盐岩。其碱湖形成大致经历了蒸发咸化、常见碳酸盐析出、钠碳酸盐沉淀这3个阶段。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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