Geochemical characteristics of Wusu mud volca-noes in Xinjiang and their mud sources
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摘要:
泥火山是地质流体活动的结果，喷发需具备泥浆源、泥浆运移通道和水补给3个条件。对乌苏泥火山8个喷口泥浆进行岩石地球化学分析，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，轻、重稀土元素平均比值为6.81，泥浆中富集大离子亲石元素Ba、Rb等，高场强元素Nb、Ta强烈亏损，Th弱亏损，（La/Yb）N值为5.47，Ce/La值为2.22，球粒陨石标准异常值δEu显示中等负异常（0.760~0.805）；Sr/Ba值为0.33~1.01（平均值0.60），表明源岩为陆相沉积且古盐度较低，Ce/La（2.22）、Ceanom（-0.007）、V/（V+Ni）（0.78）值均指示源岩形成于还原环境。稀土、微量元素分析及地层对比分析表明，乌苏泥火山源岩来自于下侏罗统八道湾组、三工河组，为河流沼泽相-半深湖相含煤地层代表的弱还原-还原沉积环境，源岩的最大埋藏深度为7~8km。泥火山源岩的研究为指示油页岩、烃类物质的位置提供了证据。
Abstract:The mud volcano results from magmatic eruption formed by geological fluid activity. The formation of mud volcano re-quires three conditions, i.e., mud source, mud migration channel and water supply. Geochemical data of 8 samples from Wusu mud volcanoes are characterized by enrichment of LREEs relative to HREEs. Chondrite standard abnormal δEu values are 0.760~0.805, (La/Yb)N is 5.47, and Ce/La is 2.22. The mud is enriched in large ion stone elements (LILE) such as Ba and Rb, whereas the high field strength elements (HFSE) Nb, Ta are strongly depleted. Sr/Ba ratios (0.33~1.01) suggest a lower paleo-salinity, Ce/La (2.22), Ceanom (-0.007), and V/(V+Ni) (0.78) ratios indicate that the source rocks were formed in a reducing environment. REE and trace el-ements analyse show that the source rocks of Wusu mud volcanoes were derived from lower Jurassic Dadaowan Formation and San-gonghe Formation, suggesting a river swamp-semi-deep lake sedimentary facies of coal-bearing strata which represent a kind of weak reducing environment. The mud volcano geochemical data and stratigraphic section of Wusu imply that the maximum depth of mud source strata is about 7~8km.
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Keywords:
- mud volcano /
- geochemistry, Jurassic /
- shale /
- source rock strata /
- reducing environment /
- Wusu, Xinjiang
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准南前陆冲断带是准噶尔盆地一级构造单元，又称北天山山前冲断带，其与新生代晚期天山隆升造山后的大规模陆内逆冲推覆有关，是准南再生前陆盆地后缘逆冲断层形成的构造楔带[1-8]。受新近纪以来强烈的冲断构造变形作用影响，准南前陆冲断带具有自南向北扩展的新生代逆冲挤压构造，发育台阶状逆断层及各类断层相关褶皱、双重构造、突发构造、三角带构造、披覆构造、叠瓦逆冲构造等，具有东西分段、南北分排的特征[9-13]。乌苏泥火山地处准噶尔南缘四棵树煤矿，该区自古生代以来可划分为周缘前陆盆地阶段（P）、陆内坳陷阶段（T—E1）、再生前陆盆地阶段（N—Q）3个阶段，分别代表晚海西、印支—燕山运动和喜马拉雅运动对准噶尔盆地的控制和影响[14-18]。准噶尔构造的多旋回在盆地中造成多期活动、类型多样的构造组合，深层次古生界基底发生压扭性堑垒构造，浅层次中生界为重力作用形成的薄皮滑褶构造[19-20]。喜山期天山剧烈隆起，向北褶皱逆冲，山前四棵树坳陷向北挤压，形成一系列盖层滑脱褶皱，燕山期形成的断裂重新活动，为泥火山形成和运移的基础[21-23]。新生代以来，由印-藏碰撞远程效应产生的持续挤压改造了天山地区的构造格局，在天山两侧发育近东西走向的冲断褶皱带[12，24-26]。白杨沟四棵树泥火山处于天山山前坳陷带托斯台背斜轴部，呈东西向分布，与托斯台背斜轴部走向一致，并与天山山脉走向基本相同[27]。独山子泥火山发育在独山子背斜轴部，被东西向延伸的断裂切割向南倾斜，在背斜轴部发育数条正断层和张性断裂带[28-29]。
1. 泥火山研究现状及分布概况
泥火山是地质流体活动的结果，在特定的地质、水文条件下形成，其喷发类似岩浆作用[30]。泥火山和火山作用的来源、深度、运动机制及物源补给均不一致，泥火山的喷发强度和规模远小于岩浆火山[31-33]。地质学家通过对海底泥火山地球物理特征研究，提出海底泥火山是地壳深部大套巨厚富含有机质及流体的欠压实泥页岩在区域动力学作用下挤入上覆地层，使上覆岩层弯曲隆起或刺穿上覆地层而形成的一种地质构造[34]，海底泥火山具有低密度、异常高温超压的地质特点；泥火山的喷发产生大量碳氢化合物，与沉积序列深部存在厚层、细粒、软化可塑的沉积物有密切联系。受岩层、地表物质成分和地下水影响，不同泥火山泥浆粘稠度不同，外形也不同。泥火山喷发含油泥浆和气体，含量最多的是烃类物质、CO2、N2、He、Ar[35-36]。
全球陆地有40多个泥火山发育区，海底有20多个发育区，每个发育区有几座到200座不等。迄今为止，地球上发现的泥火山大约有900多座，陆地上现存泥火山有220余座。各地泥火山有不同的喷发周期，喷发物的形态、大小和物质成分也有差别。著名的泥火山群分布在巴库阿塞拜疆、美国黄石公园、罗马尼亚布扎、地中海、墨西哥湾、巴伦支海、波罗的海等地[37]。
中国泥火山群主要分布在新疆、台湾，在青海柴达木盆地边缘、四川盆地内渠江和江苏南部小规模发育。2001年，中国地质学家在新疆发现了规模很大的泥火山群，迄今为止已发现90余个泥火山喷口，其中具代表性的泥火山分布在沙湾县霍尔果斯、独山子油矿、乌苏白杨沟镇四棵树和艾其沟（图 1）。乌苏泥火山群位于天山北缘山前坳陷带，距乌苏市南的白杨沟镇约2.5km, 四棵树泥火山喷口的高度集中在1253~1285m之间，独山子泥火山喷口的高度仅为940m。乌苏地区分布近70余座大小不一的泥火山，泥火山口集中在不到0.5km2的范围内，在区域上呈北东东向线性分布。
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图 1 新疆乌苏地区地质简图和泥火山位置（据参考文献①修改）1—第四纪风成沙丘、风成黄土、砾石沙土；2—第四纪土黄色砂、泥、亚砂土、灰色砾石、砂；3—新近纪红棕色粗砂岩、灰色砂质灰岩、红褐色细砂质砾岩、介壳灰岩；4—古近纪灰绿色页岩夹泥质灰岩、粗砂岩夹细砾岩；5—白垩纪杂色页岩、砂岩、泥岩、粉砂岩互层；6—侏罗纪灰色砂岩、砾岩、泥岩夹砂质页岩、炭质页岩及煤；7—三叠纪红褐色及灰绿色砂岩互层、砂岩及炭质页岩透镜体、煤；8—石炭纪紫红色及灰绿色炭质玄武岩、褐色层状凝灰质砂岩、粉砂岩夹凝灰岩；9—花岗岩体；10—泥火山分布位置Figure 1. Geological sketch map and location of the mud volcanoes in Wusu area, Xinjiang对新疆白杨沟、艾其沟和独山子三地的泥火山考察发现，活动的泥火山多为泥泉和泥潭，喷口呈圆形，干涸的泥火山呈丘状叠起，喷口直径最小为10cm, 最大可达2.3m；泥火山喷发时常伴有咕嘟咕嘟的响声（图 2-a），喷口周围散发着浓郁的汽油味，喷发间隔集中在5~30s之间，翻滚的泥浆溢出在周围形成泥丘（图 2-b），规模较小。从喷发间隔时间看，四棵树泥火山喷发间隔略长，独山子泥火山喷发间隔短而喷发强烈，说明泥火山受运移通道内的压力控制明显。
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图 2 乌苏泥火山野外露头a—泥潭；b—泥丘；c—泥浆温度与空气温度对比Figure 2. The outcrops of mud volcanoes in Wusu area2. 区域地质概况
2.1 研究区构造背景
准噶尔盆地为一挤压型复合含油气盆地，盆地基底南倾，在大地构造上属于欧亚板块，西邻哈萨克板块，东接西伯利亚板块，南边为塔里木板块。准噶尔盆地构造演化复杂，先后经历了海西期、印支期、燕山期、喜马拉雅期等多期次构造运动和沉积旋回，是具备多套油气藏组合的叠合盆地[3-4，21，26]。现普遍认为，准噶尔盆地具双层结构的基底，即早期形成的前寒武纪结晶基底和后期叠加的海西期褶皱基底，石炭系通常被划分为基底构造层[38-41]。盆地分为乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、中央隆起，其中北天山山前坳陷、课夏断阶带、车排子隆起和东部隆起，北天山山前坳陷由四棵树凹陷、昌吉凹陷和山前褶断带组成，沉积厚度大，为油气聚集有利区。研究区位于四棵树凹陷，受海西期等多期次构造运动影响，四棵树凹陷先后经历汇聚型大陆边缘残留海盆地、前陆盆地、压扭盆地、陆内坳陷、再生前陆盆地等多次演化[3，42-44]。
四棵树凹陷构造面貌复杂，印支晚期—燕山早期为凹陷初始形成阶段，该时期构造运动强，沉降幅度大，形成了凹陷的主体沉降格局；燕山中期—喜马拉雅早期表现为沉降停止和缓慢沉降交替进行，构造运动较弱；喜马拉雅中晚期该区域又经历了剧烈沉降阶段，受印度板块和欧亚板块碰撞影响，区域构造运动强烈，发育独山子、卡因迪克等一系列走滑构造系，奠定了现今的构造格局。四棵树凹陷发育基底深部断裂和浅部的滑脱型断裂，断裂深度可延伸到石炭系中，不同期次构造运动造成的褶皱带变形程度差异很大，整体而言，靠近山前造山带的高泉地区断裂数量多、断距大、变形程度强；远离造山带的卡因迪克等地断裂少。学者们[15，45-47]对四棵树凹陷提出了多种次级构造单元，如卡因迪克背斜、西湖背斜、高泉背斜、独山子背斜和独南背斜等，卡因迪克背斜位于四棵树凹陷北斜坡的构造转折端，受喜马拉雅运动影响较小，背斜隆起幅度小，其余背斜受喜马拉雅运动的影响较大，形成较高的隆起。
2.2 研究区沉积特征
四棵树凹陷区在石炭纪时期与准噶尔盆地同属一体，石炭系组成了四棵树凹陷区的基底地层。区内地层由老到新分别为石炭系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系，总厚度可达15km, 二叠系缺失（图 3）。受构造运动影响，区内发育多处沉积不整合接触，具有代表性的有中石炭统八晋沟组（C2b）与上石炭统沙大王组（C3s）、沙大王组（C3s）与中下三叠统（T1+2）、中下侏罗统头屯河组（J1+2t）与上侏罗统齐古组（J3q）、齐古组与下白垩统吐谷鲁群（K1t），以及吐谷鲁群与古近系（E1+2）之间的角度不整合接触。
区域最老地层为下石炭统安集海河组，为深色凝灰岩、灰色粉砂岩，厚度较大。四棵树凹陷在三叠纪接受沉积，沉积厚度很薄，约400m, 中下三叠统为山麓辫状水流沉积；上统下部主要为较深水广湖沉积，上部以滨湖沼泽和三角洲相沉积为主。侏罗系沉积分布广泛，厚度较大，与下伏地层呈明显的角度不整合关系，主要发育八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）和齐古组（J3q）5套地层，中下统为河流沼泽相、湖泊沼泽交替的含煤建造，该套煤系是四棵树凹陷最主要的烃源岩层；上统沉积厚度小，以砂质页岩、红色泥岩组成的红色建造为主。区内白垩系沉积厚度很薄，仅有下白垩统吐谷鲁群出现，为稳定的构造活动阶段，以浅水湖泊相为主。古近纪受印度板块向欧亚板块俯冲碰撞，四棵树凹陷逐渐成为该时期的沉积中心，为较稳定的浅湖-深湖相泥质沉积。新近系沉积厚度较大，以浅水湖泊相和河流相为主，在泥火山发育的四棵树沟地区为泛滥平原相泥岩地层。在准噶尔盆地沉积过程中，发育一系列烃源岩层，分布于不同的凹陷中，其中，石炭系烃源岩、侏罗系烃源岩和古近系烃源岩为勘探和研究的重点区域。
3. 样品采集与分析
选择冬天（1月份）进行样品采集，乌苏及其周边地区基本被积雪覆盖。泥火山发育区积雪融化，泥浆上涌形成灰黑色泥丘或泥潭，外部为穹状薄层冰盖，泥火山喷口泥浆的温度为1~5℃，远高于空气温度（-8~-12℃）（图 2-c）。用小烧杯及药勺在泥火山喷口采集粘稠状固液浑浊体或固体泥样，为防止污染，所有样品均在干净密封袋内保存。样品测试前，在65℃条件下烘干成固体并研磨至200目试样。样品测试在广州澳实矿物实验室完成，采用ME-MS681（ME-MS61和ME-MS81的合成）和ME-XRF06方法分析。
ME-MS61（电感耦合等离子体发射光谱测定超痕量元素）：检测仪器为等离子体发射光谱与等离子体质谱(ICP -AES & ICP-MS)；试样用高氯酸（HClO4）、硝酸（HNO3）、氢氟酸（HF）、盐酸（HCl）消解，蒸至近干后的样品用稀盐酸溶解定容，再用等离子体发射光谱与等离子体质谱进行分析，元素之间的光谱干扰得到矫正后，即是最后分析结果。
ME-MS81（超低含量检测）：检测仪器为电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）；将试样加入到偏硼酸锂（LiBO2）/四硼酸锂（Li2B4O7）熔剂中，混合均匀，在1025℃以上的熔炉中熔化，待熔液冷却后用硝酸、盐酸和氢氟酸定容，再用等离子体质谱仪分析。该方法主要针对稀土元素，本文检测的17个稀土元素数据可靠；低含量的难熔元素，如Ba、Cr、Nb、Rb、Sn、Ta、W、Zr等也较可靠。而常见的金属元素，特别是以硫化物存在时，采用ME-MS681（ME-MS61和ME-MS81的合成）法检测。
乌苏泥火山中稀土元素检测数据及分析结果见表 1。8个泥火山样品的稀土元素总量（ΣREE）较低，整体变化较小，介于130.29×10-6~183.83×10-6之间，平均值为159×10-6。所测样品的ΣREE几乎全部低于PAAS（澳大利亚后太古宙平均页岩），与UCC（全球平均大陆上地壳成分）相近，这可能与泥火山样品中含有少量的CaO有关（WS-08、WD-02、WT-C、WT-N四个样品中的CaO含量分别为0.54%、4.49%、1.26%、1.21%，平均值为1.88%）。整体而言，WT系列样品稀土元素总量较高，WD系列样品稀土元素总量较低，基本与所测CaO含量呈负相关。ΣLREE/ΣHREE值为6.42~7.23，平均值为6.84；(La/Yb)N值为4.60~6.00，平均值为5.47，显示轻、重稀土元素分馏中等，Yb含量较高（2.59×10-6~3.91×10-6）。这2个指标可较好地反映轻、重稀土元素分异的状况，即样品显示轻稀土元素富集、重稀土元素亏损，为判断物质来源提供依据。
表 1 乌苏地区泥火山泥样稀土元素质量分数Table 1. Content of REE of mud volcano samples in Wusu area10-6 元素 WS-02 WS-03 WS-05 WS-08 WD01 WD02 WT-C WT-N 均值 La 32.90 30.90 29.20 29.70 26.70 25.00 30.70 30.30 29.43 Ce 76.10 70.20 64.10 64.30 53.70 53.10 71.40 70.20 65.39 Pr 8.37 7.52 7.27 6.92 6.25 5.89 8.22 8.17 7.33 Nd 33.50 29.50 28.40 26.70 24.50 23.60 33.40 33.50 29.14 Sm 7.46 6.23 6.20 5.94 4.86 4.91 7.32 7.16 6.26 Eu 1.53 1.36 1.29 1.25 0.98 1.06 1.61 1.54 1.33 Gd 6.27 5.75 5.32 5.30 4.44 4.49 6.35 6.27 5.52 Tb 1.05 0.91 0.86 0.81 0.71 0.74 1.04 0.95 0.88 Dy 6.63 5.59 4.87 5.01 4.31 4.64 6.23 6.16 5.43 Ho 1.33 1.08 0.98 1.05 0.90 0.91 1.29 1.30 1.11 Er 3.80 3.42 3.08 3.10 2.56 2.55 3.72 3.83 3.26 Tm 0.57 0.52 0.42 0.45 0.39 0.41 0.55 0.53 0.48 Yb 3.75 3.30 2.89 3.00 2.64 2.59 3.82 3.91 3.24 Lu 0.57 0.47 0.46 0.46 0.40 0.40 0.58 0.55 0.49 Ce/La 2.31 2.27 2.20 2.16 2.01 2.12 2.33 2.32 2.22 ΣREE 183.83 166.75 155.34 153.99 133.34 130.29 176.23 174.37 159.27 ΣLREE 159.86 145.71 136.46 134.81 116.99 113.56 152.65 150.87 138.86 ΣHREE 23.97 21.04 18.88 19.18 16.35 16.73 23.58 23.50 20.40 ΣLREE/ΣHREE 6.67 6.93 7.23 7.03 7.16 6.79 6.47 6.42 6.81 (La/Yb)N 5.21 5.56 6.00 5.88 6.00 5.73 4.77 4.60 5.47 δEu 0.76 0.76 0.77 0.76 0.72 0.77 0.81 0.78 0.77 Ceanom 0.008 0.009 －0.008 －0.004 －0.038 －0.019 0.001 －0.004 -0.007 注：LaN表示样品所测定的La含量与北美页岩NASC标准化后的值，YbN计算方法相似；ΣLREE/ ΣHREE为轻、重稀土元素比值；δEu=EuN/(SmN*GdN)1/2；Ceanom =lg[3CeN/(2LaN+NdN)] 对样品进行球粒陨石标准化处理，得到其稀土元素配分模式图（图 4）。各样品稀土元素曲线基本重合，整体向右倾斜，表现为左高右低的趋势，轻稀土元素配分曲线较陡，表明轻稀土元素分异中等，重稀土元素配分曲线平坦，表明重稀土元素分异较弱，没有明显的异常。球粒陨石标准异常值（δEu）显示中等的负异常（0.72~0.81，平均值为0.77），高于PAAS（0.65）及UCC值（0.71），这种稀土元素分布特征指示泥火山泥浆的源岩来自上地壳。各样品稀土元素配分模式与澳大利亚后太古宙页岩PAAS相似，稀土元素含量略低，可能指示泥浆源岩形成时水动力较弱，水系较稳定[48-50]。
在不同自然环境下，不同元素的迁移能力及富集特征不同，对构造环境有较好的指示作用[51]。在沉积物风化、沉积过程中，主量元素的组分会有较大变化，而微量元素如La、Ce、Ni等具有较弱的迁移能力，在风化、再沉积过程中往往会从母岩中转入新的沉积物。泥火山的泥浆由于地下沉积物受构造作用碎裂，沿断裂带运移到地表，微量元素含量除受元素本身的物理化学性质限制外，还与古气候、源岩所处的环境等密切相关。因此，针对泥火山样品中一些对古环境有指示意义的微量元素进行分配规律、含量、比值等分析，对于反演其源岩形成时的地质环境、构造背景等有重要意义[52-53]。泥火山泥浆微量元素含量如表 2所示。
表 2 乌苏地区泥火山泥样微量元素分析结果Table 2. Content of trace elements of mud volcano samples in Wusu area10-6 元素 WS-02 WS-03 WS-05 WS-08 WD-01 WD-02 WT-C WT-N 平均值 Ba 610.00 510.00 480.00 510.00 530.00 440.00 580.00 600.00 532.50 Be 2.44 2.32 2.30 2.03 2.14 2.04 2.32 2.40 2.25 Bi 0.45 0.39 0.43 0.33 0.57 0.47 0.43 0.46 0.44 Cd 0.19 0.13 0.10 0.13 0.12 0.08 0.18 0.20 0.14 Co 17.80 15.20 13.60 12.50 13.30 13.10 18.00 18.00 15.19 Cr 66.00 63.00 60.00 54.00 69.00 61.00 65.00 65.00 62.88 Cs 6.44 7.51 8.28 7.26 8.70 7.64 5.58 6.27 7.21 Cu 49.50 42.00 36.70 35.30 36.10 33.50 49.80 49.90 41.60 Ga 22.90 21.00 20.70 20.10 18.70 18.10 22.20 22.30 20.75 Hf 5.00 5.10 4.70 5.30 3.80 3.80 4.90 4.90 4.69 In 0.08 0.09 0.07 0.07 0.07 0.07 0.09 0.09 0.08 Li 54.80 51.10 50.10 47.10 54.30 47.60 55.10 55.00 51.89 Mo 0.94 0.94 0.88 0.83 1.32 1.18 0.97 0.96 1.00 Nb 9.60 10.40 10.60 10.20 11.20 10.50 9.70 9.50 10.21 Ni 44.40 37.20 33.90 28.80 40.30 35.70 44.30 45.20 38.73 Pb 20.70 18.50 19.90 16.90 34.20 17.70 19.90 20.40 21.03 Rb 89.20 95.50 94.60 96.70 108.00 105.00 86.90 85.90 95.23 Re < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 0.00 0.00 Sb 1.26 1.20 1.14 1.52 1.20 1.09 1.25 1.27 1.24 Sc 21.40 17.90 16.20 15.40 14.20 13.90 19.50 21.40 17.49 Sr 201.00 286.00 468.00 181.00 534.00 372.00 202.00 204.00 306.00 Ta 0.70 0.80 0.80 0.70 0.80 0.80 0.60 0.60 0.73 Th 10.50 11.10 11.70 10.60 10.30 10.30 7.90 9.40 10.23 Tl 0.40 0.48 0.52 0.39 0.67 0.59 0.41 0.44 0.49 U 2.82 3.05 3.08 3.27 3.52 3.54 2.88 2.81 3.12 V 177.00 147.00 130.00 117.00 109.00 105.00 169.00 169.00 140.38 W 1.80 1.90 1.90 1.80 2.50 2.30 1.70 1.80 1.96 Y 35.80 30.30 26.90 28.00 23.70 24.30 34.20 34.40 29.70 Zn 105.00 99.00 94.00 87.00 89.00 79.00 105.00 104.00 95.25 Zr 198.00 191.00 184.00 209.00 147.00 152.00 196.00 192.00 183.63 Th/Sc 0.49 0.62 0.72 0.69 0.73 0.74 0.41 0.44 0.60 Zr/Sc 9.25 10.67 11.36 13.57 10.35 10.94 10.05 8.97 10.65 Rb/Sr 0.44 0.33 0.20 0.53 0.20 0.28 0.43 0.42 0.36 Sr/Ba 0.33 0.56 0.98 0.35 1.01 0.85 0.35 0.34 0.60 V/Cr 2.68 2.33 2.17 2.17 1.58 1.72 2.60 2.60 2.23 V/Y 4.94 4.85 4.83 4.18 4.60 4.32 4.94 4.91 4.73 V/(V+Ni) 0.80 0.80 0.79 0.80 0.73 0.75 0.79 0.79 0.78 4. 源岩属性及沉积环境分析
4.1 古盐度分析
古盐度是反映沉积环境的重要标志，对于分析古地理格局有重要意义。目前，通常用Sr、Ba、Ga、Ru、B、K等元素及其比值来判断海相和陆相环境，并测定古盐度、分析古气候[54-55]。Sr含量在陆相（淡水）中为0.1‰~0.3‰，在海相（咸水）中含量为0.8‰~1‰，本文所测样品中Sr含量为202×10-6~534×10-6，平均含量为306×10-6，指示淡水环境；Ba含量较高（平均值为532.50×10-6），刘刚等[53]、黄静等[55]等指出，Sr/Ba值与古盐度具有明显的正相关，可作为判断沉积物古盐度的灵敏标志，海相沉积物中Sr/Ba值大于1，陆相（淡水）沉积物中Sr/Ba值小于1，当比值介于0.6~1.0时为海陆过渡相（半咸水相，彭海艳等[54]采用0.5~0.8界定），小于0.6时为陆相（微咸水相），本次研究所测样品的Sr/Ba值在0.33~1.01之间，平均值为0.60。Sr含量及Sr/Ba值均表明，源岩为陆相沉积且沉积时盐度较低。
4.2 源岩沉积时的氧化还原性
利用微量元素判断沉积环境的氧化还原性已被广泛使用，判别方法主要有δU、Th/U比值法、V/(V+Ni)比值法、Ce/La比值法、铈异常（Ceanom）法、V/Cr比值法、Ni/Co比值法等。本文主要采用Ce/La、铈异常（Ceanom）、V/(V+Ni)比值法进行判别[54-56]。
由于Ce的4f亚层结构，Ce3+常被氧化成Ce4+并形成CeO2，与其他三价稀土元素分离，因而在氧化环境下表现为Ce亏损，还原环境下富集，在不同沉积环境下的含量差别较大，可根据其表现的正负异常对形成环境的氧化还原性进行判别。在一定的pH条件下，Ce在缺氧的情况下浓度会增高，当处于氧化环境时，浓度会降低；以往研究中，多采用Ce/La值代替Ce异常，Ce/La值小于1.5代表富氧环境，1.5~1.8为贫氧环境，大于2.0表示还原环境[57]。样品中Ce平均含量为65.39×10-6，La平均含量为25.43×10-6，Ce/La值为2.01~2.33，平均值为2.22，8个样品的Ce/La值均大于2.0，指示泥浆源岩形成于还原环境。
宋健等[58]、黄静等[55]根据Ce的变价特征，采用Ceanom判别沉积物的氧化还原环境，Ce异常计算公式为Ceanom=lg[3Cen/(2Lan+Ndn)]（Cen表示样品所测定的Ce含量与北美页岩NASC标准化后的值，Lan、Ndn的计算方法与Cen相似）。当Ceanom大于-0.1时，表明沉积水体环境为缺氧、还原的环境，当Ceanom小于-0.1时，代表富氧环境（氧化环境）。运用上述公式对样品Ceanom计算显示，-0.038＜Ceanom＜0.017，平均值为-0.007，独山子2个样品的Ceanom异常值较低且变化幅度较大，分别为-0.038和-0.019，其余样品的Ceanom值变化幅度很小，所测数据的Ceanom异常值均大于-0.1，反映还原的沉积环境。
V、Fe、Ni等元素与还原介质密切相关，还原性越强含量越高，因此V/(V+Ni)值可以反映氧化还原性。黄喜峰等[57]研究认为，高V/(V+Ni)值指示水体分层，底层水体通常形成厌氧环境，V/(V+Ni)＞0.54指示还原环境，0.46＜V/(V+Ni)＜0.54为中等值，指示不强烈的厌氧环境，V/(V+Ni)＜0.46代表弱的贫氧环境；宋健等[58]将V/(V+Ni)值与0.46对比，小于0.46为氧化环境，大于0.46代表还原环境。本次所测泥火山样品的V/(V+Ni)值介于0.73~0.80之间，平均值为0.78，各样品的V/(V+Ni)值变化幅度小，均反映还原环境，与Ce/La值、Ceanom异常值指示的结果一致。
5. 泥火山泥浆来源及深度讨论
泥火山泥浆的来源对研究泥火山存在的构造背景、泥火山与岩浆火山的区别、泥火山发育的深度等问题至关重要。王道等[31]、范卫平等[59]研究认为，泥火山物质不是来自地壳以下的高温高压岩浆，而是来自不太深处（通常数千米）的低温泥砂质岩石、地下水和天然气，厚层质纯的泥页岩层为泥浆形成的必要条件。对新疆白杨沟四棵树、艾其沟、独山子三地泥火山泥浆元素地球化学研究发现，泥火山泥浆中含有非常丰富的稀土元素和稀散元素。通过泥浆所含元素对比发现，各喷口泥火山所含的物质成分、含量基本一致，指示该地区泥火山的发育具有同源性，并受相同的地质背景和构造控制。
稀土元素分布特征指示，泥火山泥浆的源岩来自上地壳，且各样品稀土元素配分模式与澳大利亚后太古宙页岩PAAS相似，稀土元素含量略低，可能指示泥浆源岩形成时水动力较弱，水系较稳定；所采样品微量元素配分曲线与页岩曲线基本重合，与其他类型沉积物差别较大。对样品进行微量元素地球化学特征分析，Sr含量及Sr/Ba值均表明，源岩为陆相沉积且沉积时盐度较低。判断沉积物氧化还原性的3个参数Ce/La、Ceanom、V/(V+Ni)值分别为2.01×10-6＜Ce/La＜2.33×10-6（平均值2.22×10-6），-0.038＜Ceanom＜0.017（平均值-0.007），0.73＜V/(V+Ni)＜0.80（平均值0.78），均表明源岩沉积环境为还原环境。Milkov等[24]提出，泥火山的成因与油气藏的形成和破坏密切相关，油气藏形成所产生的超高压膨胀效应是导致泥火山沿断裂通道运移并伴生天然气的重要原因。野外观察发现，泥火山表面喷发物为致密的粘稠状灰黑色、棕褐色液体，液体表面有大量具浓烈汽油味的气泡不断冒出，为该观点提供了佐证。
刘洪军等[60]、陈建平等[61]认为，四棵树凹陷发育以中下侏罗统泥页岩、煤层和古近系黑色泥岩为主的多套烃源岩；况军等[62]对四棵树凹陷油气生成研究认为，托斯台地区油源来自侏罗系煤系，通过凹陷中的TTI热演化剖面研究发现，凹陷内有效烃源岩的埋藏深度为7000m；杨晓芳等[63]对北天山泥火山成因机制研究认为，托斯台背斜、独山子背斜主要地层为侏罗系、白垩系和古近系，并提出北天山独山子、霍尔果斯、四棵树等地的泥火山是同源的。
四棵树、独山子、艾其沟泥火山处于托斯台及独山子背斜上，石炭纪以来经历了海西期、印支期、燕山期、喜山期多期次构造运动，形成复杂的挤压褶皱和以基底深部断裂和浅部滑脱断裂为主的多期断裂活动。受晚石炭世—二叠纪造山运动影响，石炭纪形成的张性正断层逆冲反转，这些断裂在白垩纪构造挤压过程中刺穿侏罗纪、白垩纪地层；喜马拉雅中晚期，受印度板块和欧亚板块剧烈碰撞影响，天山隆升产生的挤压力剧烈改造和破坏山前坳陷带，北天山山前强烈的挤压作用切割了中、新生代地层，形成一系列走滑构造体系[64]。新近纪以来，在印度板块的推挤作用下，近造山带基底断裂继续活动并穿断至地表。区内独山子断裂形成于早、中更新世之间，地表倾角为40°~60°，向下逐渐变缓，断距加大，主断裂在8~9km深的侏罗纪下部煤系地层中变为水平滑脱面，滑脱面上发育多个断坡，或出露地表，或隐伏地下，断坡下部倾角为20°，上部可达60°[65-66]。结合本文对四棵树、独山子、艾其沟泥火山稀土、微量元素的研究，推测源岩发育于下侏罗统八道湾组、三工河组，泥页岩厚度可达700m, 泥火山泥浆源岩的最大深度和中下侏罗统油气藏烃源岩的深度大致相当，埋藏深度为7~8km。托斯台、独山子背斜轴部产生许多次级断裂，与下部断坡相互连通、错断，形成高效断裂输导体系，为泥火山及油气运移提供通道，使该构造带大多见地表油苗[64，67]。由于天山北缘中新生代碎屑岩沉积地层地势较高，地下水因地势高低形成一定的水压差，强烈的构造活动使中生代能干性较弱的岩层发生破碎、泥化或溶解，地下深部的高压水携带极细粉状或溶解的浆状页岩物质、油气藏物质组成的泥浆不断向上部地层侵入和充注，或沿断裂带向上运移，最终喷出地表形成泥火山。后期受天山水补给，水压差保持相对稳定，从而使乌苏四棵树泥火山不断喷发。
6. 结论
（1）泥火山泥浆的源岩来自上地壳，各样品稀土元素配分模式与澳大利亚后太古宙页岩PAAS相似，稀土元素含量略低，推测泥浆源岩形成时水动力较弱，水系较稳定；Sr含量为202×10-6~534×10-6，Sr/Ba值在0.33~1.01之间，反映源岩为陆相沉积且沉积时盐度较低。
（2）Ce/La（2.22）、Ceanom（-0.007）、V/(V + Ni)（0.78）值反映源岩形成时的弱还原-还原沉积环境。结合稀土元素分布特征、泥火山喷口油气渗漏、托斯台地区烃源岩埋藏深度及区内构造演化、断裂穿透深度等信息，与乌苏地区地层剖面对比，推测乌苏泥火山源岩发育于下侏罗统八道湾组、三工河组，源岩的最大埋藏深度为7~8km, 滑脱构造、断坡及次级断裂形成高效的疏导体系，为泥火山的运移提供通道。
致谢: 感谢评审专家指导并提出宝贵的修改意见，野外踏勘中得到天山草原站工作人员的帮助，在此一并致谢。 -
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图 1 新疆乌苏地区地质简图和泥火山位置（据参考文献①修改）
1—第四纪风成沙丘、风成黄土、砾石沙土；2—第四纪土黄色砂、泥、亚砂土、灰色砾石、砂；3—新近纪红棕色粗砂岩、灰色砂质灰岩、红褐色细砂质砾岩、介壳灰岩；4—古近纪灰绿色页岩夹泥质灰岩、粗砂岩夹细砾岩；5—白垩纪杂色页岩、砂岩、泥岩、粉砂岩互层；6—侏罗纪灰色砂岩、砾岩、泥岩夹砂质页岩、炭质页岩及煤；7—三叠纪红褐色及灰绿色砂岩互层、砂岩及炭质页岩透镜体、煤；8—石炭纪紫红色及灰绿色炭质玄武岩、褐色层状凝灰质砂岩、粉砂岩夹凝灰岩；9—花岗岩体；10—泥火山分布位置
Figure 1. Geological sketch map and location of the mud volcanoes in Wusu area, Xinjiang
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图 2 乌苏泥火山野外露头
a—泥潭；b—泥丘；c—泥浆温度与空气温度对比
Figure 2. The outcrops of mud volcanoes in Wusu area
表 1 乌苏地区泥火山泥样稀土元素质量分数
Table 1 Content of REE of mud volcano samples in Wusu area
10-6 元素 WS-02 WS-03 WS-05 WS-08 WD01 WD02 WT-C WT-N 均值 La 32.90 30.90 29.20 29.70 26.70 25.00 30.70 30.30 29.43 Ce 76.10 70.20 64.10 64.30 53.70 53.10 71.40 70.20 65.39 Pr 8.37 7.52 7.27 6.92 6.25 5.89 8.22 8.17 7.33 Nd 33.50 29.50 28.40 26.70 24.50 23.60 33.40 33.50 29.14 Sm 7.46 6.23 6.20 5.94 4.86 4.91 7.32 7.16 6.26 Eu 1.53 1.36 1.29 1.25 0.98 1.06 1.61 1.54 1.33 Gd 6.27 5.75 5.32 5.30 4.44 4.49 6.35 6.27 5.52 Tb 1.05 0.91 0.86 0.81 0.71 0.74 1.04 0.95 0.88 Dy 6.63 5.59 4.87 5.01 4.31 4.64 6.23 6.16 5.43 Ho 1.33 1.08 0.98 1.05 0.90 0.91 1.29 1.30 1.11 Er 3.80 3.42 3.08 3.10 2.56 2.55 3.72 3.83 3.26 Tm 0.57 0.52 0.42 0.45 0.39 0.41 0.55 0.53 0.48 Yb 3.75 3.30 2.89 3.00 2.64 2.59 3.82 3.91 3.24 Lu 0.57 0.47 0.46 0.46 0.40 0.40 0.58 0.55 0.49 Ce/La 2.31 2.27 2.20 2.16 2.01 2.12 2.33 2.32 2.22 ΣREE 183.83 166.75 155.34 153.99 133.34 130.29 176.23 174.37 159.27 ΣLREE 159.86 145.71 136.46 134.81 116.99 113.56 152.65 150.87 138.86 ΣHREE 23.97 21.04 18.88 19.18 16.35 16.73 23.58 23.50 20.40 ΣLREE/ΣHREE 6.67 6.93 7.23 7.03 7.16 6.79 6.47 6.42 6.81 (La/Yb)N 5.21 5.56 6.00 5.88 6.00 5.73 4.77 4.60 5.47 δEu 0.76 0.76 0.77 0.76 0.72 0.77 0.81 0.78 0.77 Ceanom 0.008 0.009 －0.008 －0.004 －0.038 －0.019 0.001 －0.004 -0.007 注：LaN表示样品所测定的La含量与北美页岩NASC标准化后的值，YbN计算方法相似；ΣLREE/ ΣHREE为轻、重稀土元素比值；δEu=EuN/(SmN*GdN)1/2；Ceanom =lg[3CeN/(2LaN+NdN)] 
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表 2 乌苏地区泥火山泥样微量元素分析结果
Table 2 Content of trace elements of mud volcano samples in Wusu area
10-6 元素 WS-02 WS-03 WS-05 WS-08 WD-01 WD-02 WT-C WT-N 平均值 Ba 610.00 510.00 480.00 510.00 530.00 440.00 580.00 600.00 532.50 Be 2.44 2.32 2.30 2.03 2.14 2.04 2.32 2.40 2.25 Bi 0.45 0.39 0.43 0.33 0.57 0.47 0.43 0.46 0.44 Cd 0.19 0.13 0.10 0.13 0.12 0.08 0.18 0.20 0.14 Co 17.80 15.20 13.60 12.50 13.30 13.10 18.00 18.00 15.19 Cr 66.00 63.00 60.00 54.00 69.00 61.00 65.00 65.00 62.88 Cs 6.44 7.51 8.28 7.26 8.70 7.64 5.58 6.27 7.21 Cu 49.50 42.00 36.70 35.30 36.10 33.50 49.80 49.90 41.60 Ga 22.90 21.00 20.70 20.10 18.70 18.10 22.20 22.30 20.75 Hf 5.00 5.10 4.70 5.30 3.80 3.80 4.90 4.90 4.69 In 0.08 0.09 0.07 0.07 0.07 0.07 0.09 0.09 0.08 Li 54.80 51.10 50.10 47.10 54.30 47.60 55.10 55.00 51.89 Mo 0.94 0.94 0.88 0.83 1.32 1.18 0.97 0.96 1.00 Nb 9.60 10.40 10.60 10.20 11.20 10.50 9.70 9.50 10.21 Ni 44.40 37.20 33.90 28.80 40.30 35.70 44.30 45.20 38.73 Pb 20.70 18.50 19.90 16.90 34.20 17.70 19.90 20.40 21.03 Rb 89.20 95.50 94.60 96.70 108.00 105.00 86.90 85.90 95.23 Re < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 < 0.002 0.00 0.00 Sb 1.26 1.20 1.14 1.52 1.20 1.09 1.25 1.27 1.24 Sc 21.40 17.90 16.20 15.40 14.20 13.90 19.50 21.40 17.49 Sr 201.00 286.00 468.00 181.00 534.00 372.00 202.00 204.00 306.00 Ta 0.70 0.80 0.80 0.70 0.80 0.80 0.60 0.60 0.73 Th 10.50 11.10 11.70 10.60 10.30 10.30 7.90 9.40 10.23 Tl 0.40 0.48 0.52 0.39 0.67 0.59 0.41 0.44 0.49 U 2.82 3.05 3.08 3.27 3.52 3.54 2.88 2.81 3.12 V 177.00 147.00 130.00 117.00 109.00 105.00 169.00 169.00 140.38 W 1.80 1.90 1.90 1.80 2.50 2.30 1.70 1.80 1.96 Y 35.80 30.30 26.90 28.00 23.70 24.30 34.20 34.40 29.70 Zn 105.00 99.00 94.00 87.00 89.00 79.00 105.00 104.00 95.25 Zr 198.00 191.00 184.00 209.00 147.00 152.00 196.00 192.00 183.63 Th/Sc 0.49 0.62 0.72 0.69 0.73 0.74 0.41 0.44 0.60 Zr/Sc 9.25 10.67 11.36 13.57 10.35 10.94 10.05 8.97 10.65 Rb/Sr 0.44 0.33 0.20 0.53 0.20 0.28 0.43 0.42 0.36 Sr/Ba 0.33 0.56 0.98 0.35 1.01 0.85 0.35 0.34 0.60 V/Cr 2.68 2.33 2.17 2.17 1.58 1.72 2.60 2.60 2.23 V/Y 4.94 4.85 4.83 4.18 4.60 4.32 4.94 4.91 4.73 V/(V+Ni) 0.80 0.80 0.79 0.80 0.73 0.75 0.79 0.79 0.78
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