準(zhǔn)噶爾盆地南緣永進(jìn)地區(qū)齊古組陸相紅層成因及地質(zhì)意義

李志鵬，楊明林，田振磊

（1.中石化股份公司勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257000；2.中石化新疆新春石油開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，新疆 烏蘇 833300）

準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)為勝利油田發(fā)現(xiàn)的深層低孔低滲油藏，產(chǎn)油層系為埋深5500～6280 m的侏羅系齊古組（該套地層先前被認(rèn)為是西山窯組）及白堊系清水河組，其中齊古組為當(dāng)前主力含油層段[1]。近幾年，永進(jìn)地區(qū)齊古組成為專家、學(xué)者們重要的研究對(duì)象，研究重點(diǎn)主要集中在層序地層、沉積體系、儲(chǔ)層特征、成巖作用、油氣成藏及儲(chǔ)層控制因素等方面[2-6]，對(duì)齊古組紅層研究較少，少數(shù)學(xué)者對(duì)該套紅層進(jìn)行了成因分析，焦養(yǎng)泉等對(duì)該套紅層進(jìn)行顯微薄片觀察[7]，發(fā)現(xiàn)碎屑顆粒的點(diǎn)接觸或線接觸處缺少赤鐵礦，褐色蝕變更多存在于粒間孔隙中，認(rèn)為紅層屬非同沉積期的氧化產(chǎn)物；丁咸寶等利用微量元素特征、化學(xué)蝕變指數(shù)及粘土礦物含量[8]，認(rèn)為該套紅層為半干早-半潮濕氣候條件下陸上-濱湖環(huán)境的沉積產(chǎn)物，屬正常沉積巖石，受后期風(fēng)化作用較小。

針對(duì)準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)齊古組紅層成因研究的爭(zhēng)議與不足，本文以國(guó)內(nèi)外前人陸相紅層研究成果為基礎(chǔ)，以永進(jìn)地區(qū)齊古組泥巖全巖測(cè)試、掃描電鏡鏡下特征及巖心特征為依據(jù)，探討該地區(qū)紅層成因及地質(zhì)意義，以期為該區(qū)的油氣勘查提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地地處我國(guó)新疆北部，平面形狀上呈南寬北窄，東西寬700 km，南北長(zhǎng)370 km，總面積13×104km2，四周為褶皺山脈，東北部為青格里底山和克拉美麗山，南面為天山和博格達(dá)山，西北部為扎伊爾山和哈拉阿拉特山，北面為阿爾加提山（圖1），為古生代晚期以來(lái)形成的大型疊合富油氣盆地，侏羅系是其重要產(chǎn)油層系[3，6]

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location map of the study area（據(jù)參考文獻(xiàn)[3]修改）1.逆斷層；2.壓扭斷層；3.盆地邊界；4.永進(jìn)地區(qū)；5.天山北緣中段；6.剖面位置及井位；7.井/剖面連線

永進(jìn)地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，構(gòu)造位置處于中央坳陷昌吉凹陷西段，車莫古隆起南翼（圖1）。車莫古隆起在晚侏羅世劇烈抬升，使得永進(jìn)地區(qū)侏羅系遭受大范圍剝蝕，剝蝕厚度達(dá)700 m，后期白堊系直接覆蓋于古隆起之上，形成白堊系與侏羅系之間的區(qū)域不整合面[2,9-11]。永進(jìn)地區(qū)地層發(fā)育較齊全，石炭—第四系均有發(fā)育。受車莫古隆起影響，區(qū)內(nèi)上侏羅統(tǒng)喀拉扎組被剝蝕，殘留下侏羅統(tǒng)八道灣組和三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組及上侏羅統(tǒng)齊古組[2]，本次研究層系為齊古組。永進(jìn)地區(qū)齊古組上部主要發(fā)育一套厚25～35 m的紫紅色泥巖，夾灰、紫紅色粉砂巖，下部灰綠色砂巖較發(fā)育，夾紫紅色泥巖。

2 測(cè)試方法

在永進(jìn)地區(qū)永1-1 井、永1-3 井和永12 井等共采集6 件樣品用于全巖測(cè)試。首先用去離子水沖洗，去除表面灰塵，然后自然晾干12 h，之后用瑪瑙缽粉碎至200目以下。將樣品粉末置于儀器樣品模具內(nèi)，之后用背壓法將粉末垂直均勻壓緊成型，最后把向下的一面作為測(cè)試面。X射線掃描使用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku Ultima IV 進(jìn)行，掃描范圍5°～80°，掃描速度4°/min，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 5163-2018），測(cè)試在成都南達(dá)微構(gòu)質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)有限公司完成。掃描電鏡依據(jù)SY/T 5162—2014《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》，使用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Nova Nano SEM450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。

3 測(cè)試結(jié)果

永進(jìn)地區(qū)齊古組泥巖樣品礦物含量見(jiàn)表1。綠色泥巖樣品（Y1、Y4、Y5）中礦物主要以石英、鈉長(zhǎng)石和白云母為主，石英含量11.8%～27.4%（平均21.9%），鈉長(zhǎng)石含量23.3%～34.7%（平均28.7%），白云母含量12.4%～32.3%（平均24.5%），均不含赤鐵礦，其中Y1號(hào)綠色樣品中含有鉀長(zhǎng)石，含量15.8%（表1，2）；紅色泥巖樣品（Y2、Y3、Y6）中礦物主要以石英、鈉長(zhǎng)石和白云母為主，石英含量14.8%～31.8%（平均24.8%），鈉長(zhǎng)石含量14.9%～31.6%（平均24.0%），白云母含量20.9%～33.3%（平均26.0%），均含有赤鐵礦，赤鐵礦含量1.8%～4.8%（平均3.0%），其中Y3 和Y6 號(hào)樣品含有鉀長(zhǎng)石，含量分別為14.6%、8.5%（表1，圖2）。

表1 永進(jìn)地區(qū)齊古組泥巖礦物含量表Table 1 Mineral content of mudstone of Qigu Formation in Yongjin area單位：%

圖2 永進(jìn)地區(qū)齊古組泥巖的X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction patterns of mudstone of Qigu Formation in Yongjin areaa——Y1，永進(jìn)1-1井5842.2 m，綠色泥巖；b——Y2，永進(jìn)1-3井5968.7m，紅色泥巖；c——Y5，永進(jìn)1-3井6024.7m，綠色泥巖；d——Y6，永進(jìn)12井5778.9m，紅色泥巖

4 討論

4.1 古環(huán)境古氣候背景

關(guān)于準(zhǔn)南中—晚侏羅世古環(huán)境前人進(jìn)行了大量研究。丁咸寶等利用粘土礦物、微量元素和化學(xué)蝕變指數(shù)重建了準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)西山窯組（目前認(rèn)為齊古組）沉積期古環(huán)境[8]，認(rèn)為西山窯組沉積中晚期，氣候相對(duì)干旱，氧化作用較強(qiáng)。孢粉、沉積體系、古生物證據(jù)顯示，準(zhǔn)南頭屯河期氣候轉(zhuǎn)為干旱，至齊古晚期向半干旱-半潮濕氣候轉(zhuǎn)變[12]；房亞男等分析了準(zhǔn)南早—中侏羅世淺水三角洲相模式的轉(zhuǎn)變[13]，指出西山窯期氣候溫干偏濕潤(rùn)，屬早侏羅世溫暖潮濕氣候到晚侏羅世干旱氣候的過(guò)渡；關(guān)旭同等分析準(zhǔn)南上侏羅統(tǒng)10 條野外露頭剖面沉積序列[14]，認(rèn)為當(dāng)時(shí)北天山構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，氣候干旱。王亞如等利用對(duì)沉積環(huán)境較為敏感的釩（V）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等元素及比值重建了準(zhǔn)南晚侏羅世古環(huán)境[15]，反映出炎熱干旱的古氣候，水體深度波動(dòng)較大，整體上處于氧化環(huán)境。

本次研究對(duì)準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)齊古組泥巖進(jìn)行掃描電鏡觀察，泥巖中粘土礦物以片狀伊利石和伊蒙混層為主，常見(jiàn)于顆粒表面（圖3）。同時(shí)，對(duì)樣品粘土礦物大致做了估算，伊利石和伊蒙混層相對(duì)占比分別為55%和45%，粘土礦物組合呈高伊利石、較高伊蒙混層含量、少綠泥石和蒙脫石，缺失高嶺石的分布特點(diǎn)（圖3）。前人研究認(rèn)為，粘土礦物組合類型及含量變化對(duì)古氣候具重要指示意義[16]，高嶺石是弱酸性、溫暖潮濕環(huán)境指示礦物，伊利石的存在指示礦物曾經(jīng)歷了炎熱干燥環(huán)境下的弱堿性、弱化學(xué)風(fēng)化作用[17]。因此，本文認(rèn)為準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)齊古組沉積期為炎熱干旱的氧化環(huán)境，與前人研究結(jié)果一致。

圖3 永進(jìn)地區(qū)齊古組泥巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of mudstone from Qigu Formation in Yongjin areaa——永進(jìn)1-1井5814.2 m，片狀伊利石，伊蒙混層等粘土礦物充填在顆粒表面；b——永進(jìn)1-1井5832.7 m，片狀伊利石與粒表伊蒙混層；c——永進(jìn)1-3井5968.7 m，片狀伊利石，顆粒表面發(fā)育伊蒙混層；d——永進(jìn)1-3井6005.1 m，片狀伊利石與伊蒙混層粘土礦物

4.2 紅層成因探討

紅層是一種分布非常普遍的巖層，它的形成受氣候、環(huán)境、成巖作用等多種因素控制。關(guān)于紅層的成因前人進(jìn)行了大量討論，一直存在爭(zhēng)議問(wèn)題[18]。Sheldon對(duì)意大利撒丁島上二疊統(tǒng)Verrucano Sardo組紅層成因進(jìn)行討論[19]，排除受干旱的沙漠氣候和極端性季風(fēng)影響，認(rèn)為紅層的形成與沉積物來(lái)源和具有良好排水系統(tǒng)有關(guān)；Zhang et al.對(duì)四川盆地下白堊統(tǒng)滄溪組和白龍組紅層巖心進(jìn)行孢粉學(xué)研究[20]，發(fā)現(xiàn)其孢粉植物群以Classopollis花粉為主導(dǎo)，反映了紅層形成于炎熱干燥的古氣候；Perri＆Ohta 對(duì)地中海地區(qū)阿爾卑斯山附近中三疊—下侏羅統(tǒng)陸相紅層進(jìn)行主微量元素和礦物學(xué)分析[21]，發(fā)現(xiàn)其元素濃度相對(duì)于大陸上地殼均為負(fù)值且高嶺石含量較高，認(rèn)為紅層可能形成于熱帶雨林氣候；陳曉林等探討了松遼盆地上白堊統(tǒng)姚家組紅色砂巖成因[22]，發(fā)現(xiàn)紅層中黃鐵礦呈殘留狀分布，具有明顯遭受后期氧化作用的特征，認(rèn)為姚家組紅層的形成與后生氧化作用有關(guān)。綜上所述，陸相紅層成因主要有炎熱干旱或炎熱潮濕的氧化環(huán)境、物源風(fēng)化產(chǎn)物的繼承色及成巖后改造[19-21,23-24]。準(zhǔn)南周圍缺乏形成大規(guī)模紅層物源區(qū)[25-27]，因此永進(jìn)地區(qū)齊古組巖層紅色并非物源風(fēng)化產(chǎn)物的繼承色。研究認(rèn)為永進(jìn)地區(qū)齊古組紅層具有炎熱干旱古環(huán)境下的沉積暴露氧化、成巖后含氧水改造等兩種成因。

4.2.1 沉積暴露氧化成因

齊古組沉積期，車-莫古隆起被剝蝕殆盡，形成溝谷-殘丘地貌[9,28]，但仍處于隆升階段，呈低幅度背斜，此時(shí)準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)具有低緩坡特征[29-30]，發(fā)育淺水三角洲沉積。本次研究發(fā)現(xiàn)，永進(jìn)地區(qū)齊古組下部存在灰色砂巖夾紅色泥巖的現(xiàn)象（圖4-b），可能是由于湖水面頻繁升降加之河道遷移頻繁，水下支流間灣沉積的泥質(zhì)沉積物頻繁暴露地表，在炎熱干旱的古環(huán)境下接受氧化，形成灰色河道砂夾紅色間灣泥的現(xiàn)象。同時(shí)，可見(jiàn)灰色砂巖夾紅色砂巖現(xiàn)象（圖4-c），是由于廢棄河道上部砂巖暴露地表接受氧化，隨后湖平面上升繼續(xù)接受灰色砂質(zhì)沉積（圖4-a）。因此，認(rèn)為炎熱干旱氣候條件下形成的氧化條件導(dǎo)致永進(jìn)地區(qū)齊古組下部紅層的形成，即沉積物在同生階段暴露地表，氧化成紅色，此時(shí)巖層的紅色為自生色。

圖4 永進(jìn)地區(qū)暴露氧化紅層發(fā)育模式圖（a）、永進(jìn)1井綜合柱狀圖（b）和永進(jìn)302井綜合柱狀圖（c）Fig.4 Development model map of exposed oxidized red beds in Yongjin area(a);comprehensive log diagram of Yongijin 1 well(b);comprehensive log diagram of Yongjin 302well(c)

圖5 永進(jìn)地區(qū)齊古組巖心特征Fig.5 Core characteristics of Qigu Formation in Yongjin areaa——永進(jìn)1-3井6020.2 m，含泥礫黃褐色中-粗砂巖；b——永進(jìn)1-1井5824.3 m，紫紅色泥巖；c——永進(jìn)12井5784.5 m，褐紅色中-細(xì)砂巖；d——永進(jìn)1-3井5984.1 m，含泥礫棕褐色中-粗砂巖；e——永進(jìn)1-3井6018.2 m，含泥礫灰色粗砂巖，泥礫具有褐色環(huán)帶鑲邊；f——永進(jìn)1-3井6016.2 m，含泥礫灰色中-細(xì)砂巖，泥礫具有褐色環(huán)帶鑲邊；g——永1-1井5848.8 m，灰白色中-粗砂巖，沿紋層發(fā)育褐紅色條帶；h——永進(jìn)1-3井5845.1 m，灰白色中-粗砂巖，沿紋層發(fā)育褐紅色條帶；i——永進(jìn)10井6072.5 m，淺灰色中-粗砂巖，沿紋層發(fā)育褐紅色條帶和褐色斑點(diǎn)

4.2.2 成巖后含氧水改造成因

侏羅紀(jì)末期準(zhǔn)南湖平面持續(xù)下降加之車莫古隆起已隆升出水面[14,30]，導(dǎo)致準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)侏羅系被抬升，使齊古組埋藏較淺并局部出露。白堊紀(jì)初期處于氣候濕潤(rùn)的氧化環(huán)境，發(fā)生大范圍快速湖侵[12,15,31]，永進(jìn)地區(qū)再次接受沉積，形成齊古組與清水河組之間的沉積間斷。本次研究發(fā)現(xiàn)，永進(jìn)地區(qū)K/J不整合界面以下的齊古組頂部普遍發(fā)育一套紅色砂泥巖沉積，厚度變化不大，平均30 m，呈面狀分布。巖心觀察中發(fā)現(xiàn)該區(qū)齊古組紅色地層顏色較豐富，除紅褐、紫紅色外，還可見(jiàn)黃褐、棕褐色等（圖4-a～d）。紅層下部有大量灰色巖層分布，可視為灰色地層向紅色巖層轉(zhuǎn)變過(guò)程中不同程度的氧化。同時(shí)，在頂部紅層下伏的灰色巖層中發(fā)現(xiàn)一系列過(guò)渡現(xiàn)象，如沿紋層發(fā)育的褐紅色條帶、泥礫的褐色環(huán)帶鑲邊及灰色巖層中的褐色斑點(diǎn)等（圖4-e～i）。說(shuō)明巖層原生色為灰色，遭受富氧流體氧化成紅色，自K/J 不整合界面向下紅色蝕變逐漸減弱，具潛水氧化特點(diǎn)。因此，本文認(rèn)為永進(jìn)地區(qū)齊古組頂部紅層是在沉積期發(fā)育局部紅層的基礎(chǔ)之上再次疊加潛水氧化作用的結(jié)果。局部沉積物在沉積期暴露地表，被氧化成紅色，成巖后富氧流體沿不整合界面滲入，使齊古組頂部泥巖或粉砂巖遭受全面潛水氧化，導(dǎo)致頂部出現(xiàn)呈面狀分布的紅層，此時(shí)紅色為自生色（圖6）。

圖6 永進(jìn)地區(qū)潛水氧化紅層發(fā)育模式圖Fig.6 Pattern of red beds development in shallow water in Yongjin area(modified from JiaoYangquan et al.,2008）（據(jù)參考文獻(xiàn)[7]修改）1.褐紅色地層；2.紫紅色地層；3.灰綠色地層；4.氧化帶；5.地表水下滲；6.富氧水運(yùn)轉(zhuǎn)

4.3 紅層致色礦物

一般來(lái)說(shuō)，陸相紅層致色礦物是多以赤鐵礦、針鐵礦等為代表的鐵氧化物[32]，即使這些鐵氧化物在巖石中含量極低（低至0.1%），亦可使巖石宏觀顏色變紅[33]。少數(shù)情況下菱錳礦的富集，也能使沉積物呈紅色[34]。本次全巖測(cè)試結(jié)果顯示，樣品中不存在菱錳礦（表1，圖2），排除了菱錳礦為本研究中紅層的主要致色礦物。通常情況下，鉀長(zhǎng)石多呈肉紅或淺紅色，從表1 中可看出，紅色泥巖樣品和綠色泥巖樣品均出現(xiàn)鉀長(zhǎng)石，也排除了鉀長(zhǎng)石為研究區(qū)紅層的主要致色礦物。赤鐵礦僅存在紅色樣品中，因此研究區(qū)齊古組紅層的致色礦物主要為赤鐵礦。紅層中赤鐵礦的鐵離子來(lái)源于盆地周圍山系的酸性火成巖和變質(zhì)火成巖基底的風(fēng)化[35]，研究區(qū)附近山系符合這一巖性特征[36]，遷移出的鐵離子進(jìn)入水系中形成水鐵礦，隨后脫水或老化形成赤鐵礦[37-38]。

4.4 紅層地質(zhì)意義

本次研究對(duì)準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)齊古組鉆井巖心進(jìn)行觀察，并對(duì)天山北緣中段齊古組野外露頭進(jìn)行實(shí)地考察，剖面從東向西依次為：呼圖壁河剖面、石門水庫(kù)剖面、塔西河?xùn)|剖面及瑪納斯紅溝剖面（圖1），各剖面齊古組內(nèi)均可見(jiàn)大量褐紅、紫紅色泥巖或砂巖（圖7）。近SW向的井/剖面連線（圖8，連線位置見(jiàn)圖1）可見(jiàn)準(zhǔn)南永進(jìn)地區(qū)天山北緣中段發(fā)育大量齊古組，大規(guī)模紅層可能是全球氣候循環(huán)和構(gòu)造相互作用的結(jié)果[39-40]。

圖7 天山北緣中段齊古組巖性特征Fig.7 Lithologic characteristics of Qigu Formation in the middle part of north margin of Tianshan Mountainsa——呼圖壁河剖面，齊古組頂部褐紅色泥巖；b——石門水庫(kù)剖面219 m處，紫紅色泥巖夾薄層灰白色細(xì)砂巖；c——塔西河?xùn)|剖面80 m處，紫紅色泥巖；d——瑪納斯紅溝剖面127 m處，紫紅色泥巖夾紫紅色薄層粉砂巖

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地南緣齊古組巖性柱狀對(duì)比圖Fig.8 Lithologic column correlation map of Qigu Formation in southern margin of Junggar Basin1.褐紅色地層；2.紫紅色地層；3.灰綠色地層

晚侏羅世齊古組沉積時(shí)期，準(zhǔn)南整體處于擠壓的構(gòu)造環(huán)境[41]，天山北緣階段性緩慢抬升，在山前地帶以北發(fā)育褶皺和背斜隆起[42-43]，主要發(fā)育曲流河與三角洲沉積[14,30]，氣候趨于炎熱干旱[15,44]，利于形成大面積紅層[45-47]；喀拉扎組沉積期，準(zhǔn)南構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈，造山帶內(nèi)斷層的擠壓沖斷作用不斷增強(qiáng)，下伏地層被掀斜、暴露地表，遭受氧化[42-43,48]。同時(shí)喀拉扎組沉積范圍明顯縮小，在山前形成大規(guī)模斷褶帶[48]，廣泛發(fā)育沖積扇沉積[14]，氣候干旱化和構(gòu)造隆升達(dá)頂峰[42]。構(gòu)造抬升使地層掀斜和暴露，加之干旱的古氣候環(huán)境，利于地表含氧流體下滲改造[42]，形成潛水氧化紅層[7]。白堊—古近紀(jì)準(zhǔn)噶爾盆地整體表現(xiàn)為緩慢微弱沉降，巖性和厚度穩(wěn)定[49-51]。新近紀(jì)以來(lái)受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響，北天山大幅隆升[41,52]，使得侏羅系抬升剝蝕[43]，其中齊古組紅層被抬升至地表，遭受風(fēng)化，現(xiàn)今準(zhǔn)南地表可見(jiàn)齊古組紅層（圖7）。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)泥巖全巖測(cè)試分析、掃描電鏡觀察及巖心特征，認(rèn)為永進(jìn)地區(qū)齊古組下部紅層為沉積暴露氧化成因，頂部紅層是在沉積期發(fā)育局部紅層基礎(chǔ)之上再次疊加潛水氧化作用的結(jié)果，主要致色礦物為赤鐵礦。

（2）永進(jìn)地區(qū)-天山北緣中段齊古組發(fā)育大規(guī)模紅層，可能受控于構(gòu)造和全球氣候循環(huán)的相互作用。