准噶尔盆地南缘下侏罗统三工河组地球化学、沉积环境及源区特征分析

朱钘　刘云华　高晓峰　夏明哲　查显峰　罗居德

摘   要：准噶尔盆地南缘是重要的油气勘探地区，也是研究盆地构造属性、沉积环境演化的重要区域。南缘下侏罗统三工河组由上部主体浅青灰色-灰绿色长石岩屑砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和下部土黄色长石岩屑砂岩、含砾粗砂岩、砾岩组成，对上部样品进行岩石学、岩相学和地球化学研究显示：样品化学蚀变指数（CIA）为77.57，反映物源区经历中等风化作用；碎屑物质磨圆和分选较差，表明沉积物搬运距离短，成分成熟度低；Cu/Zn、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co及U/Th值指示古沉积环境为富氧的氧化环境-贫氧过渡环境；Sr/Cu、Al2O3/MgO值指示温暖湿润的气候特征；Li，Sr，Sr/Ba，Th/U值指示淡水环境；综合岩相学特征认为，其上部主体为浅湖亚相沉积，下部为辫状河三角洲平原亚相沉积。样品中含流纹岩岩屑，La/Th-Hf、La/Sc-Co/Th和Ni-TiO2判别图指示三工河组源岩主要来自于上地壳长英质火山岩；出现少量安山岩岩屑和Th/Co、Th/Cr比值显示源岩有少量中-基性岩。通过样品与不同构造背景杂砂岩成分对比、Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10判别图显示物源区应为大陆岛弧构造背景。

关键词：准噶尔盆地南缘；三工河组；地球化学；沉积环境；构造背景

准噶尔盆地南缘下侏罗统分为八道湾组和三工河组，属同一沉积旋回。八道湾组为南缘主要烃源岩层位之一[1-3]，三工河组同样具有油气成藏条件[4，5]，具较好的油气藏勘探前景。三工河组广泛分布于准噶尔盆地大部分区域。前人研究结果表明，不同区域沉积特征存在一定差异[4-13]。前人对南缘和临近中央凹陷三工河组的研究主要围绕着沉积特征[6-8]、砂体结构和水动力条件[9-13]，认为区域内沉积水体水动力条件自早期辫状河三角洲相到晚期湖泊相逐渐减弱[14-15]，早期发育有河道强、弱冲刷叠置砂体组合等多种砂体组合样式[10]。这些研究为后续对三工河组沉积相横向变化对比研究提供了详实资料。

近期在南缘三工河组已有探明石油地质储量[5]，但该区不是以往油气勘探的重点范围，对该区域相关的研究较少。前期研究大多采用较传统的研究方法，新兴测试方法正待开展，特别是针对三工河组的元素地球化学分析较少，沉积环境和沉积碎屑源区特征研究较薄弱，从而制约南缘资源勘探进展。

本文在前人研究基础上，通过野外实测剖面、岩相学、元素地球化学方法，对准噶尔盆地南缘三工河组沉积环境及物源特征进行了分析，为南缘盆地构造属性、沉积环境演化和准噶尔盆地与北天山之间的盆山耦合关系研究提供了依据，对南缘油气勘探开发有一定意义。

1  地质背景

研究区位于准噶尔盆地南缘，北天山山前冲断带东部（圖1-a），属北天山褶皱造山带，处于准噶尔地块和塔里木板块之间的缝合带上[16-21]，行政区域隶属新疆维吾尔自治区昌吉州。准噶尔盆地共经历6期演化阶段[20]，形成了准噶尔盆地南缘复杂的构造格局。三工河组分布于研究区南部，呈NW向带状分布于一复式向斜的南翼，向北缓倾，其中发育褶皱同期的NW向和NE向2组断层，由剖面PM6控制（图1-b），三工河组位于第6-32层，总厚度330.4 m，其剖面岩性变化特征见图2。

2  岩石学特征

三工河组岩石主要呈浅青灰-灰绿色（图3-a），下部有部分层为土黄色（图3-b），岩性为中细粒岩屑长石砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及少量含砾粗砂岩、砾岩。沉积构造主要为层理，如板状交错层理、斜层理、水平层理等（图3-g-i）。陆源碎屑主要由石英、长石和岩屑端元组成，磨圆通常较差，以棱角状、次棱角为主，分选一般，中细粒为主，粒度为0.05～0.5 mm；石英端元以单晶石英为主，还含有多晶石英、硅质岩；长石端元以斜长石为主，还含钾长石；岩屑端元包括流纹岩、安山岩、粘土岩、千枚岩等，少见叶片状、弯曲状黑云母及白云母。填隙物主要由粘土质杂基及硅质、铁质、钙质胶结物组成，属颗粒支撑，孔隙式胶结；粘土质杂基呈填隙式分布；硅质重结晶为微粒状石英或石英次生加大边；铁质呈微粒状，相对聚集，线纹状分布；钙质主要为方解石。岩石中还含有少量草绿-黄绿色海绿石（图3-c-f）。

3  实验目的、方法及测试结果

3.1  实验目的及方法

沉积物地球化学特征可用于物源及沉积背景分析。除气候、地形、搬运距离和成岩作用，物源区母岩性质和构造背景也会影响碎屑岩组分。因此，利用碎屑岩化学成分可判断源岩特征，分析源区沉积环境、大地构造背景和构造演化等。本文选用新疆昌吉地区PM6剖面三工河组泥岩样品6件，在长安大学成矿作用及其动力学实验室进行泥岩地球化学分析和泥岩矿物类型测定。

3.2  主量元素实验结果

三工河组泥岩钙含量极少（表1），镁、钠、钾、磷含量较少，钛、铁含量较多，硅、铝、锰含量与北美页岩相近（图4-a）[22]。岩石XRD测试显示其主要矿物组成为伊蒙混层、伊利石、高岭土、斜长石、正长石、石英，以粘土矿物为主，结晶程度较低。

3.3  微量和稀土元素实验结果

三工河组泥岩中Sc，Cs，Hf等元素相对富集，而Cr，Co，Ni，Rb，Sr，Th等元素相对亏损（表2，图4-b）。REE总量为49.50×10-6～188.34×10-6，平均136.23×10-6，总体低于北美页岩[22]，LREE总量为38.37×10-6～164.79×10-6，平均116.75×10-6，HREE总量为11.14×10-6～23.54×10-6，平均19.48×10-6，LREE/HREE为3.44～7.09，平均5.78，显示轻稀土富集特征；LaN/YbN为2.52～8.10，平均5.75，表明轻重稀土分馏明显（表3）。轻稀土元素呈明显右倾特征（图4-c），说明样品轻稀土元素分馏程度高；而重稀土元素趋于平坦，说明样品重稀土元素分馏程度较低，重稀土富集程度较低。

4  讨论

三工河组样品CIA值为73.93～83.64，平均77.57（表2），整体上为中等化学风化程度，代表温暖湿润的气候[23]。样品Al2O3含量与ΣREE显示较强的负相关性（r=-0.681），说明化学风化作用导致稀土元素亏损。但Al2O3含量与（La/Yb）N（r=-0.112），CIA值与（La/Yb）N（r=0.007）均显示弱相关性，表明风化作用未对稀土元素分馏作用产生影响[24]。此外TiO2虽与ΣREE有一定相关（r=0.581），但P2O5与ΣREE和（La/Yb）N均显示弱相关性（r=0.209；r=-0.065），说明水动力分选可能造成了部分元素的富集，但对元素分馏几乎没有影响。

沉积岩中大多数微量元素的比率不受沉积过程的影响[25]，虽然成岩作用可能导致微量元素细微分布变化，但来自大多数微量元素的古环境和源区特征不会被成岩过程所掩盖[26-29]。因此这些稳定元素可作为物源区的合理解释，成岩作用在物源特征分析过程中的影响可忽略不计。

4.1  沉积相与沉积环境

结合野外沉积岩特征认为，三工河组上部主体为浅湖亚相沉积，下部为辫状河三角洲平原亚相沉积。下部土黄色细砂岩、含砾粗砂岩、细砾岩处于河流流水和湖水的交汇部位，主要受到河流水动力作用，形成了规模较小的辫状河三角洲沉积地层，而后随着湖进发育，湖水上涨[30]，被后续青灰-灰绿色湖泊相岩屑长石砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩所覆盖（图2）。

元素地球化学在沉积物中具相对稳定的特征，可较好地指示古沉积环境[31]，能够较系统的还原古时剥蚀、搬运、沉积成岩的古环境特征。

三工河组颜色主要为浅青灰-灰绿色，下部少部分为土黄色，反映其整体上为弱还原-弱氧化环境。泥岩样品微量元素Cu/Zn值为0.29～0.78，平均0.42；V/Cr值为1.42～1.81，平均1.67；V/（V+Ni）值为0.68～0.84，平均0.77；Ni/Co值为1.96～2.93，平均2.55；U/Th值为0.35～0.40，平均0.36。综上，研究区三工河组总体形成于富氧的氧化环境-贫氧过渡环境之间[32-36]。

三工河组下部少量土黄色沉积岩反映较干旱气候，上部主体浅青灰-灰绿色沉积岩则指示温暖湿润的古气候特征。样品中Sr/Cu值为1.80～3.15，平均2.33，均小于10；SiO2/Al2O3值为2.74～3.62，平均3.12；Al2O3/MgO值为10.1～17.28，平均12.1，比值较大。以上值和岩相学特征均反映研究区三工河组主要沉积时期为温暖湿润的气候特征[37-40]。

古盐度研究可作为地质历史时期海陆演化的一个重要指示。样品中Li含量为27.00×10-6～48.67×10-6，平均37.67×10-6；Sr含量为79.29×10-6～122.55×10-6，平均96.45×10-6；Sr/Ba值为0.15～0.23，平均0.18；Th/U值为2.50～3.26，平均2.81。以上元素及比值均反映三工河组沉积时处于淡水环境[41-45]。

准南早—中侏罗世天山夷平作用显著，湖盆扩张，该时期与三工河组属同一沉积旋回的下部八道湾组和上部西山窑组含煤层，显示沼泽特征。但三工河组不含煤层，且在准噶尔盆地内分布范围最大，既三工河组沉积时期盆地范围最大，指示温暖潮湿的气候环境。晚三叠世—早侏罗世时期，受晚印支隆升运动的影响，盆地内广泛发育冲积扇-河流相砾岩夹砂泥岩[46]，从八道湾组沉积末期至三工河组沉积早期，沉积相由滨浅湖相转变为辫状河三角洲相。而后，盆地经历了多次大规模湖侵[47]，随着水体加深，水动力减弱，沉积相又向湖泊相转变。整体来看三工河组沉积期气候温暖湿润[46]，沉积水体为淡水环境，沉积相的转变也印证了准噶尔盆地发育的多次湖侵。

4.2  物源及源区岩石类型

研究区三工河组砂岩岩屑成分有流纹岩、安山岩、粘土岩、千枚岩等。流纹岩和安山岩组分反映其源区物质可能为上地壳的中酸性火山岩，与同一沉积旋回的八道湾组相一致，应为同一物源区。此外，三工河组碎屑组分磨圆和分选较差，反映了较短的搬运距离。通过前人对准噶尔盆地构造演化、相邻地区沉积岩沉积特征和物源分析的研究，认为三工河组物源区也同樣来自天山地区[48]。研究区八道湾组样品的碎屑锆石U-Pb年龄主要在（280～370） Ma和（410～470） Ma之间，与天山地区中酸性伟晶岩年龄（280～480） Ma相吻合[49-51]。前人研究发现，准噶尔盆地南缘早侏罗世沉积范围延伸至后峡地区[47]，沉积在北天山之上，说明该时期北天山尚未隆起，给盆地提供物源可能性较小。因此结合研究区三工河组岩石学特征、砂岩碎屑组分和碎屑锆石年代学特征，认为三工河组源区主要为中天山，部分来源于南天山。

三工河组泥岩样品中δEu为0.70～0.75，平均0.71（表2），具明显负异常，Eu负异常通常存在于中酸性火成岩和长英质变质岩中，指示源区以上大陆地壳为主[52]。样品Th/Co值为0.35～0.67，平均0.43，在0.03～1.07之间；Th/Cr值为0.059～0.094，平均0.083，小于0.31，但远大于0.005。样品的Th/Co和Th/Cr比值反映三工河组物源应为大陆上地壳[53-56]，但其中有一定的中-基性源岩，与其含有安山岩岩屑的特征一致。

从图中可看出（图5-a），三工河组样品数据点落入安山岩与长英质火山岩附近；从图中可看出（图5-b），样品落入上地壳长英质物源区附近；在Ni-TiO2图解中明显有别于镁铁质区域，更接近于长英质区域（图5-c）[57]。因此，认为研究区三工河组源岩应以上地壳长英质岩石为主，可能含有少量中-基性组分，物源区主要为中天山地区。

4.3  源区构造背景

板块运动过程中，构造环境的变化会使不同地质体的地球化学特征存在差异，因此研究岩石的地球化学特征能反映源区的构造背景[58]。研究区三工河组沉积物与不同构造背景下沉积物地球化学特征对比表明，三工河组样品中ΣREE，LREE/HREE，La/Yb（9.35），（La/Yb）N，δEu，U，Zr，Cr，Ba/Sr（2.05×10-6）等均与大陆岛弧环境相似；Nb与活动大陆边缘特征相似；Y，Nd与被动大陆环境边缘相似；V，Th/U（2.79×10-6）与大洋岛弧环境相似，其余元素值及比值明显有别于各类构造环境（表2）[59]。

部分微量元素在沉积环境中能稳定存在，可用于区分构造环境。在Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10判别图上，三工河组样品数据点绝大部分落入大陆岛弧环境及附近（图5）[60]，微量元素构造判图显示源区以大陆岛弧环境为主。

综合样品微量元素特征及判别图解认为，三工河组物源区构造背景应为大陆岛弧环境。

5  结论

（1） 准噶尔盆地南缘三工河组主要由上部主体浅湖亚相浅青灰-灰绿色中细粒长石岩屑砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及下部少量辫状河三角洲平原亚相土黄色长石岩屑砂岩、含砾粗砂岩、砾岩组成，发育多种层理。

（2） 三工河组物源区经中等风化作用，但风化作用未对稳定元素产生影响。古沉积环境以富氧的氧化环境为主，间或有贫氧过渡相，古气候温暖湿润，形成于淡水环境。

（3） 三工河组源岩主要来自于上地壳长英质火山岩，含少量中-基性源岩。物源区构造背景为大陆岛弧环境，碎屑沉积物来源主要为中天山。

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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

項目资助：新疆昌吉地区K45E001012等六幅1∶5万区域地质调查（DD20190065）资助

收稿日期：2023-08-07；修订日期：2023-11-21

第一作者简介：朱钘（1999-），云南昭通人，长安大学在读硕士，现从事地球化学方面的研究；E-mail： 1072149050@qq.com

通讯作者：刘云华（1965-），男，博士，研究员，从事地质学教学与研究工作；E-mail： 280056933@qq.com