玛湖凹陷下二叠统风城组以暗色细粒—极细粒沉积物为主，为准噶尔盆地最重要的烃源岩层之一^[1⁃3]，也是致密油、页岩油勘探的现实领域之一^[4]。1983年，从风城组岩石地层单位正式命名起，就有文献讨论风城组的沉积环境与沉积相。由于资料占有程度、研究侧重点不同，对风城组沉积环境的认识差异较大，归纳起来主要有4种，分别是湖泊相^[1⁃2]、海湾潟湖相^[3⁃4]、残留海相和海陆过渡相。目前最主流认识为高盐度湖泊环境^[5⁃6]，但对风城组高盐度湖泊的形成机制仍存在较大争议，主要体现在对盐类矿物的来源认识不同，即盐类矿物的形成与气候变化相关的蒸发作用有关，还是由火山活动过程中来自地球深部的热卤水形成^[7]；其次，对盐类矿物是深水还是浅水成因，以及如何理解与蒸发盐互层的暗色细粒岩石的沉积环境，仍存在争议^[8⁃10]。本文在梳理和总结国内外现代典型碱湖沉积特征的基础上，通过现代碱湖沉积与玛湖凹陷风城组岩性、沉积组合进行对比，探讨了玛湖凹陷下二叠统风城组碱湖沉积环境，以期为准噶尔盆地致密油、页岩油勘探提供地质依据。

玛湖凹陷位于新疆维吾尔自治区北部的准噶尔盆地西北部，西北方向与克百断裂带、乌夏断裂带相邻，西南接中拐凸起，东南与达巴松—夏盐凸起相邻，东部连接英西凹陷（图1），基本表现为东南倾的平缓单斜，面积约5 000 km²。风城组为玛湖凹陷最主要的烃源岩层之一，厚度50~400 m不等，自下而上可分为3个段，分别为风城组一段、二段和三段（图1）。风城组一段火山岩及火山碎屑岩沉积较发育；二段和三段以湖相细粒沉积物为主，总体为咸水、盐湖环境，古气候呈现干热与湿热交替变化，发育大量碱类矿物，碱类蒸发盐岩最大厚度超过200 m，分布面积约300 km²，可能是国内目前已知时代最古老的碳酸盐型盐湖（碱湖）和大型天然碱矿床。

图  1  玛湖凹陷构造位置及风城组地层综合柱状图

Figure 1.  Structural location map and synthetic column of Fengcheng Formation in the Mahu Depression

碱湖为碳酸盐型盐湖，现代碱湖中的盐矿物种类很多，现已发现二十余种，常见的主要碱类矿物组合为：单斜钠钙石（碳钠钙石、斜钠钙石）［Na₂CO₃·CaCO₃·5H₂O］、斜方钠钙石（钙水碱）［Na₂CO₃·CaCO₃·2H₂O］、碳酸钠钙石［Na₂CO₃·2CaCO₃］、天然碱［Na₂CO₃·NaHCO₃］、泡碱［Na₂CO₃·10H₂O］、水碱［Na₂CO₃·H₂O］、重碳酸钠盐［NaHCO₃］、碳氢钠石［Na₅H₃（CO₃）₄］、硅硼钠石［NaBSi₃O₈］、氯碳钠镁石［MgCO₃·Na₂CO₃·NaCl］和碳钠镁石［NaMg（CO₃）₂］等。碱类矿物夹层中方解石、白云石较发育，菱镁矿和菱铁矿也较常见，同时常见数量不等的石膏、石盐和芒硝等。湖水的温度不同，可能出现不同类型的矿物，如泡碱在寒冷的湖水中结晶，而水碱一般在温暖的湖水中晶出，含水矿物成岩压实过程中，温度相对较高，可能发生脱水作用而形成新的矿物；如碳酸钠钙石，在一定成岩条件下，由单斜钠钙石转化而来。

玛湖凹陷风城组也发育大量碳酸盐类矿物，与现代碱湖基本一致，主要有碳钠钙石、碳酸钠石、苏打石和硅硼钠石，偶见石盐和石膏。碳钠钙石和苏打石（图2a，b）一般为灰白色、浅灰色或灰色，薄层—厚层，常见少量硅硼钠石、氯碳钠镁石（图2c）与其伴生，岩层较厚的矿物一般结晶粗大，具有粗晶结构、块状构造。碳钠钙石岩层通常与云质岩类或火山碎屑岩呈不等厚互层，大颗粒的苏打石或碳钠钙石矿物中常包裹方解石、白云石或长石类矿物，为较晚结晶产物。碳酸钠钙石见于含碱层段的各种岩性中，分布范围广泛，在整个含碱段剖面中均可见到，成因比较复杂，在120 ℃下难以合成。根据其成分、产状分析，该矿物的形成可能与浓度较高的碱卤水有关，也可能为由早期的单斜钠钙石等矿物在埋藏之后转变而形成的，后者在现代碱湖中相当普遍^[11]；碳酸钠石主要分布于云质泥岩中，为快速生长、快速堆积的产物；硅硼钠石在风城组也比较常见，多数条带状或透镜状夹于灰黑色—灰色云化凝灰岩中，条带宽1~20 mm^[12]，局部呈互层状产出，或呈稀疏的条带夹于含云泥岩中；盐类矿物主要发育在凹陷中心，在风城1井—风南5井—艾克1井一线以南，最大厚度超过200 m，面积约300 km²。垂向上，盐类矿物一般成层分布，与云质泥岩、云质凝灰质泥岩等暗色细粒沉积物呈不等厚互层，在纵向上主要分布于风一段的上部和风二段。

图  2  风城组碱矿物基本特征

Figure 2.  Basic characteristics of alkaline minerals in Fengcheng Formation

风城组的碱类矿物与现代碱湖基本一致，表明玛湖凹陷在风城组沉积时为一碱湖，可能是国内最古老的碱湖和大型天然碱矿床。

碱湖在不同的发育阶段，与蒸发作用相关的化学沉积形成的矿物的类型与含量不同，因此，自生化学沉积矿物的种类与含量可作为沉积组合和演化阶段划分的良好标志。研究表明，世界上大多数碱湖和重要碱矿床具相似的特征，其演化阶段大致相同，通常发育类似的沉积组合，一般可分为如下几个阶段和相应的沉积组合（图3）：

图  3  风南7井沉积组合与演化综合柱状图

Figure 3.  Comprehensive histogram of sedimentary combination and evolution of well Fengnan 7

（1） 成碱预备阶段：此时湖水盐度较低，沉积物中以陆源碎屑为主，内源沉积通常不发育，其沉积组合称为淡水及较低盐度沉积组合，此阶段一般为湖盆发育期，大致相当于风一段的下部和风三段的中上部沉积期，水体较深，为半深湖环境，除发育粉砂岩、泥质岩类等细粒岩石外，火山岩在该组合中相对较发育，但基本不含自生化学沉积矿物（图4a）。

图  4  风城组不同类型沉积组合基本特征

Figure 4.  Basic characteristics of sedimentary assemblages in Fengcheng Formation

（2） 初成碱阶段：湖水盐度逐渐增加，内源沉积产物主要为碳酸盐类，含量逐渐增多，前期以方解石沉积为主，后期白云石较发育。该阶段大致相当于玛湖凹陷风城组一段的上部和风城组三段的下部沉积期，水体逐渐变浅，由半深湖向浅湖环境过渡，主要发育泥质白云岩、云质泥岩、凝灰质云岩、云质凝灰岩、云质粉砂岩等，其出现标志为具季节性纹层的深灰色或黑色泥页岩^[13]（图4b），代表深水沉积，表示湖水已浓缩至方解石饱和阶段，进一步浓缩，白云石和碱类矿物可能会逐渐碱化。

（3） 强成碱阶段：蒸发盐类矿物大量出现，以碱类矿物沉积为主，为含碱层段发育期（图4c），一般形成于高位体系域晚期或湖退期，大致相当于风城组二段沉积期，水体较浅，为浅湖沉积环境，岩石类型为含云质硅硼钠石质碳钠钙石岩、灰色碳钠钙石岩、灰色苏打石岩、硅硼钠石质岩、含硅硼钠石云化粉砂岩及深灰色碳钠钙石质云泥岩，大部分为化学沉积产物，盐度相对最高，其碳同位素δ ¹³C‰（VPDB）整体为正值，分布范围2‰~6‰，表明主要为蒸发作用形成，氧同位素δ ¹⁸O‰（VPDB）以偏负为主，分布范围为-10.54‰~2.77‰，变化较大，显示其成岩及后期改造较强^[14]，Z值为129.29~140.78，表明为咸水沉积。风城组烃源岩中β⁃胡萝卜烷含量较高，富含伽马蜡烷^[2]。较高的β⁃胡萝卜烷存在于还原或高盐度环境。表明风城组二段沉积期，玛湖凹陷为还原环境，盐度较高，菌类非常丰富，湖水水体可能有分层现象。

（4） 弱成碱阶段或演化终止阶段：再次开始湖侵，湖水逐渐变深，沉积环境也逐渐由浅湖向半深湖环境转化，湖水逐渐淡化，湖水盐度逐渐降低，此时碱类矿物逐步消失，顺序大致与组合2相反，代表再次湖进的开始，或碱湖演化的结束。该阶段大致相当于风城组三段的下部和上部沉积期，自生蒸发盐类矿物逐步消失（图4d），白云石和云质岩较发育。该阶段矿物形成序列与强成碱阶段相反。

上述分析表明：玛湖凹陷风城组与现代碱湖或碱矿演化过程相近，发育类似的自生矿物和沉积组合，为一大型碱湖盆地，在不同的演化阶段，随着湖平面升降变化，碱类碳酸盐含量也随之改变。

碱湖是碳酸盐型盐湖，其演化和发展都详细纪录了周围环境的变化信息^[15]。从中国现代盐湖水化学类型分布来看，柴达木—塔里木盆地为第四纪干燥中心，向外规律性变化，大致可分为3个带：1）氯化物—硫酸盐带或含硝酸盐型硫酸镁亚型带，2）含氯化物硫酸镁亚型带或硫酸钠亚带，3）碳酸盐型和硫酸钠亚型带或高盐度碳酸盐带、低矿化度碳酸盐带。碳酸盐型盐湖位于中国盐湖区的最外缘，分布于半干旱的沙漠—草原地区，是现代碱湖分布区，此规律与中国盐湖带中不同亚区成盐地质历史和古今气候差异性相一致^[16]。从干旱向较湿润的转变方向上，生物量逐渐增加，生物地球化学作用逐渐增强（这影响到水中 H O C 3 - 的含量），植物对不同阳离子的吸收强度发生改变是极其重要的因素^[17]，上述变化是众多表生地球化学作用综合的结果。图5是风城组自生沉积物中δ ¹³C_PDB和δ ¹⁸O_PDB分布规律^[18]，在以δ ¹⁸O_PDB为横坐标、δ ¹³C_PDB为纵坐标、0为原点的坐标系中，δ ¹³C_PDB基本为正值，δ ¹⁸O_PDB正负均有，其投点大多落在第Ⅰ、Ⅱ象限，与现今最大的碱湖纳特龙—马加迪湖及美国大盐湖的区域分布一致，表明风城组沉积期，气候环境与东非的纳特龙—马加迪湖、美国大盐湖相近，为封闭—半封闭型湖泊。

图  5  风城组碳氧同位素分布（据文献[18]修改）

Figure 5.  Distribution of carbon and oxygen isotopes in Fengcheng Formation (modified from reference [18])

从世界最主要的碱湖和碱矿床分布来看，碱湖和碱矿床主要发育在沙漠和绿洲的过渡带，为半干旱的气候环境。国内外的碱湖均为闭流型湖泊，最典型的为东非裂谷中的湖泊群，在埃塞俄比亚、肯尼亚和坦桑尼亚的东非裂谷内分布着约20个湖盆，有的为淡水湖，有的为碱湖^[19]。畅流型湖泊一般为淡水湖，如肯尼亚的奈瓦夏湖（Lake Naivasha），为东非裂谷中著名的淡水湖之一，面积约160 km²，湖面依降雨量的不同而变化，平均水深6 m，最深20 m，海拔1 900 m，是东非裂谷海拔最高的湖。由季节性河流或泉水补给的闭流型湖泊为碱湖，最著名的为马加迪湖（Lake Magadi）和纳特龙湖（Lake Natron）。这些湖泊的基岩为火山岩，湖水中的阴离子大部分为重碳酸根和碳酸根，卤水浓缩后有很强的碱性。马加迪湖（Lake Magadi）位于赤道以南^[19]，湖区面积164 km²，中心部分南北长约26 km，东西宽约4 km，海拔605 m，是裂谷中海拔最低的湖泊，平均年降雨量500 mm，有一半的雨量集中在3—5月份，气温范围为29 ℃~41 ℃，年蒸发量为3 500 mm，蒸发量远大于降雨量，盆地的周围分布着许多常年流水的碱性泉，没有常年流水河注入，主要由一个含盐度较高的地下热水层供水，泉水温度最大可达86 ℃，泉水中可溶的固体的浓度为6~35 g/kg，温度和浓度不稳定，而Na/Cl比值却非常稳定，克分子比是3.21^[19]。类似的比值还可用于从西部边缘流入裂谷的许多淡水河。蒸发和沉淀使马加迪湖变成了世界第二大苏打湖，东非裂谷内只有马加迪湖有层状蒸发盐类沉积，干旱季节，80%的湖面被半固体状的苏打覆盖，雨季时由于湖区汇水，卤水会被稀释并上升淹没过碱壳，深达1 m，所以雨季时湖区面积远大于旱季。马加迪湖与纳特龙湖同在一个宽阔的汇水盆地中，周围有盖莱（Gelai）火山、伦盖（Lengai）火山和凯里马斯（Kerimasi）火山，盆地汇水淋沥富含Na₂CO₃的火山熔岩和火山灰，渗入地下含水层并被地热加热，然后从湖区地层孔隙以碱性热泉水的形式不断涌入湖中。据推测，马加迪湖与纳特龙湖原来属于一个湖，后来由于构造运动，分别形成了纳特龙湖和地势相对要低30 m的马加迪湖^[20]。

通过对比古代和现代碱湖可以看出，碱湖形成于半干旱气候环境，通常为蒸发量大于补给量的沙漠—草原。风城组二段沉积期，碱矿或盐矿常与暗色泥岩、云质泥岩组成厚度不等的韵律，与干旱期形成的含碱层相对应；而暗色泥岩、云质泥岩形成于相对湿润期。风一段下部和风三段上部也发育气候相对湿润期的沉积物。上述沉积组合特征表明，风城组古气候可能以干旱环境为主，期间伴随着的相对湿润气候出现。郑绵平等^[16]把对气温敏感的盐类矿物划分为3种类型：1）冷相盐类矿物；2）暖相盐类矿物；3）广温相盐类矿物。风城组主要为暖相和广温相矿物，基本不含冷相盐类矿物，表明风城组沉积期，水体温度较高，可能相当于暖相—偏暖相环境，碳氢钠石和碳钠镁石等典型的高温矿物的出现，反映了当时气温相对较高，为半干旱的气候环境。

碱性湖泊若固体碳酸钠类矿物不发育，通常水深变化较大，最深可达数十米，而具碳酸钠类矿物沉积的碱湖均形成于浅水环境，水深一般小于2 m，随季节交替，许多湖泊还会经历面积和浓度的变化。在东非地区所有苏打湖中，纳特龙湖最深，含有的苏打也最多，湖水深度一般小于10 m，内蒙古碱湖区是国内重要的碱湖分布区，我国现代67%的碱湖集中于该区^[21⁃22]，区内著名碱湖为合同查汗淖和大布苏湖，合同查汗淖雨季湖水深度约1 m左右，旱季小于0.1 m^[17]；大布苏湖丰水期水深1.5 m，枯水期水深0.5 m。表明具碳酸钠类矿物沉积的碱湖均为浅水沉积环境，水深一般小于2 m。另外，典型的天然碱矿床也均被认为是浅水沉积环境的产物，如著名的美国绿河盆地，是世界上规模最大的天然碱矿床，也被认为是浅水沉积^[23⁃24]。泌阳凹陷的含碱层段被认为是浅水沉积^[25⁃27]，其中所夹粉砂岩层计算的沉积水深为1.53 m。

上述分析表明：绝大部分现代碱湖为浅湖，即便在丰水期，水深一般也仅数米。玛湖凹陷风一段上部和风二段的沉积建造中，可见到大量碱性蒸发岩矿物沉积，厚度变化较大，通常数十毫米，与富含星点状黄铁矿的细粒含云质岩呈互层或韵律出现，盐类矿物结晶粗大，为浅水环境快速结晶产物。综合利用地震相和沉积相分析表明，碱矿主要分布于风城1井以南的浅湖环境，受外来物源和火山活动影响较小，水体相对较安静，为碱类矿物的发育创造了条件（图6）。湖底沉积的与碱层互层的暗色细粒沉积一般为丰水期产物，能形成暗色细粒沉积环境不全为深水环境，相对静止水体和还原环境沉积的也可形成暗色细粒沉积，不管其水深多大。另外，风城组在含碱层段及夹层中，频繁出现鸟眼构造，有孤立型、蠕虫状、条纹状和不规则状等类型，在不同相区和层位，鸟眼孔的充填物不同，主要有碳钠钙石、硅硼钠石、白云石或方解石等，蠕虫状鸟眼构造是干燥成因的一种水平收缩孔，一般发生在横向上结合力强、垂向上结合力弱的沉积物中，尽管鸟眼构造具多种成因，但一般都不指示深水沉积环境^[28]。岩层中见有与鸟眼构造伴生的微生物诱发沉积构造，此类构造出现的层段，尽管粒度较细，富含有机质和星点状黄铁矿，但一般形成于海相环境中的潮间带和潮上带，或者湖泊环境中的浅水地带。微生物成因构造在风城组普遍发育，常与鸟眼构造伴生，反映浅水沉积环境。风一段和风三段暗色细粒沉积物厚度较大，碱性矿物夹层较少，为强还原环境下半深湖相静水沉积的产物，为风城组最主要的烃源岩层。

图  6  玛湖凹陷风城组组沉积模式

Figure 6.  Sedimentary model diagram of Fengcheng Formation in the Mahu Depression

综合上述分析表明，玛湖凹陷风城期为一大型闭流型碱湖盆地，形成于半干旱环境，碱性蒸发盐类矿物以及与碱层互层的暗色细粒沉积物可能为浅水环境的沉积产物。该认识将为玛湖凹陷风城组致密油、页岩油勘探提供地质依据。

（1） 玛湖凹陷风城组沉积期为一大型碱湖盆地，其自生矿物、沉积组合与演化阶段与世界大多数现代碱湖和大型碱矿特征可类比。

（2） 玛湖凹陷风城期为一闭流型盆地，与现代东非裂谷的碱湖盆地可对比，形成于半干旱环境。

（3） 玛湖凹陷风城组发育的碱性蒸发盐类矿物一般指示浅水沉积环境，与碱层互层的暗色细粒沉积物不全形成于深水环境。