Geothermal field in Tongzhou District of Beijing and its influencing factors
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摘要:
在收集整理大量地热井温度资料的基础上，系统分析了北京通州地区现今地温场特征，划分了地热异常区，并进一步估算了1000~3000 m埋深处的地层温度。研究表明，研究区现今地温梯度为1.34~3.12℃/100 m，平均值为1.88℃/100 m。大地热流值分布范围为47.1~75.9 mW/m2，平均值为63.2 mW/m2，其热流状态较好。在垂向上，研究区1000 m埋深处整体温度均超30℃，2000 m时高温异常区温度超60℃，3000 m时高温异常区温度超80℃。根据深部地层温度估算，在研究区的南部及东南部具有2处高温异常区，地温场分布形态与区域内主要断裂走向基本一致，主要受区域地质构造控制，岩石性质为地温场分布的重要影响因素。
Abstract:Based on a large number of geothermal well temperature data, the distribution of the current geothermal field in Tongzhou District of Beijing is systematically analyzed, the geothermal anomaly area is divided, and the formation temperature at the depth of 1000~3000 m is further estimated. The results show that the current geothermal gradient ranges from 1.34 ℃/100 m to 3.12 ℃/100 m with an average of 1.88 ℃/100 m. Terrestrial heat flow values range from 47.1 mW/m2 to 75.9 mW/m2 with an average of 63.2 mW/m2. Vertically, the estimated temperature in the study area is over 30 ℃ at depth of 1000 m, the temperature of the high temperature abnormal area is over 60 ℃ at 2000 m, and over 80 ℃ at 3000 m. According to the estimation of deep formation temperature, there exist two high temperature anomaly areas in its south and southeast. Controlled by regional geological structure, the distribution pattern of geothermal field is basically consistent with the strike of regional main faults. In addition, the lithology is also one of the important influencing factors.
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准噶尔盆地是晚石炭世—新近纪发育在中国西北部的大型陆内叠合盆地，是中国第二大内陆盆地[1-3]。盆地内中生代沉积地层记录完整，其中中侏罗统西山窑组、头屯河组分别是重要的含煤、含铀岩系，上侏罗统齐古组、喀拉扎组为氧化红层。砂岩型铀矿作为新型能源矿产，近年受到广大地质学者的关注，随着铀矿勘查程度的深入，发现准噶尔盆地的煤田、油气钻井中常伴随铀异常，且砂岩型铀矿成矿过程中，地表水系起着连接造山带铀源和沉积盆地的纽带作用[4]。古气候决定了赋矿岩系沉积时的氧化、还原性质，对沉积期后地层中铀的淋滤、迁移及沉淀具有重要影响[5]，因此研究喀木斯特地区中—上侏罗统古气候和古沉积环境对揭示铀成矿过程具有重要意义。水体及沉积物中的微量、稀土元素不仅与本身的化学性质有关，而且还受到沉积介质物理化学条件及古气候条件的影响[6-7]，因此沉积物中的稀土、微量元素既可以反映古环境、古气候的变迁，还可以指示古沉积环境的氧化还原状态[8-14]。
本次选取准噶尔盆地东缘喀木斯特地区煤田钻孔ZKU05，对中—晚侏罗世西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组不同层位的泥岩等细碎屑岩进行取样分析。通过分析细碎屑岩稀土、微量元素在垂向上的变化，恢复古水体、重建古气候的变迁过程，探讨区域构造运动与古沉积环境的关系，对研究古水体条件、古气候条件在准东地区铀成矿过程中的作用具有指示意义。
1. 区域地质背景
准噶尔盆地位于阿尔泰山以南，天山以北，整体呈北窄南宽的不规则三角形，位于哈萨克斯坦板块、塔里木板块和西伯利亚板块的交汇部位，受控于古亚洲洋和周边造山带的演化[15-17]。盆地整体向西倾斜，南部地势稍低于北部，东西长约700 km。南北宽约320 km，面积约13×105 km2。研究区位于准噶尔盆地东缘喀木斯特地区(图 1)，区内岩浆活动较发育，主要出露于研究区东南部。晚古生代地层多分布于研究区边缘，中—新生代地层主要分布于研究区中部，第四系大面积出露，主要为湖积、风成堆积物等(图 1)。
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图 1 研究区地质简图(a)及构造位置(b，据参考文献[17] 修改)1—第四系湖积物；2—古近系-第四系风成堆积砂；3—古近系-第四系湖积物；4—新近系索泉组；5—中-上侏罗统石树沟群；6—中侏罗统西山窑组；7—下侏罗统三工河组：8—下侏罗统八道湾组；9—下石炭统卡姆斯特下亚组：10—中泥盆统平顶山组下亚组：11—蚀变超基性岩：12—斑状黑云花岗岩：13—已验证工业铀矿孔：14—潜在工业孔Figure 1. Geological map(a) and tectonic division(b) of the study area准东喀木斯特地区ZKU05钻井中—上侏罗统岩性组合及沉积相特征见图 2。西山窑组以灰白色砂岩、泥岩、泥质粉砂岩互层为主，是主要的含煤地层。西山窑组为湖泊三角洲相沉积，顶部煤层及炭质泥岩为三角洲平原沉积，沉积水体较稳定，大量植被繁殖，聚煤作用强烈，下部为厚层灰色细砂岩，为三角洲前缘沉积。头屯河组主体以一套红、绿色交替的河流相碎屑沉积为主，上段为灰色—灰绿色与紫红色、褐红色砂泥岩互层组成，以中细砂岩为主，底部的辫状河道砂体为研究区砂岩型铀矿的主要赋矿层位，以黄褐色中细砂岩为主，局部含炭屑(图 2)。齐古组主要为棕红色、紫红色细碎屑岩组成的稳定氧化红层，整体以泛滥平原相沉积为主。喀拉扎组为河流相沉积，岩性以灰色碎屑岩为主，局部见膏盐层。喀拉扎组与下伏齐古组呈角度不整合接触，上侏罗统与上覆古近系也为角度不整合接触[18]。
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图 2 准噶尔盆地东缘喀木斯特地区ZKU05钻井岩性综合柱状图1—灰色砾岩；2—黄色砾岩；3—砖红色含砾砂岩：4—土黄色砂岩；5—灰色砂岩：6—灰绿色砂岩：7—砖红色砂岩；8—灰色粉砂岩；9—褐红色粉砂岩：10—土黄色泥粉砂岩：11—紫红色泥质粉砂岩：12—砖红色泥质粉砂岩：13—紫色泥质粉砂岩：14—灰绿色泥质粉砂岩：15—灰色泥岩：16—深棕色泥岩：17—砖红色泥岩：18—深灰色泥岩：19—煤：20—铀矿化Figure 2. The column of ZKU05 drilling lithology in Kamuste area, eastern margin of the Junggar Basin2. 样品采集及测试方法
样品采自准噶尔盆地东缘喀木斯特地区ZKU05井(图 1)，自西山窑组至喀拉扎组顶部系统采集33件样品，其中西山窑组5件，头屯河组13件，齐古组7件，喀拉扎组8件，采样位置见图 3。样品分析测试由中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。首先将样品研磨成200目全岩粉末，主量元素采用X衍射荧光光谱(XRF)分析，检测方法依据为《硅酸盐岩石化学分析方法第14部分：氧化亚铁量测定》(GB/T14506.14—2010)、《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主要成分量测定》(GB/T14506.28—2010)，实验温度20~25℃，相对湿度30%。主量元素使用X-射线荧光光谱仪(XRF-1500)法测试，FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法，分析精度优于2%。微量、稀土元素采用美国X seriesⅡ型号ICP-MS等离子体质谱仪进行测定，分析精度优于5%。
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图 3 准噶尔盆地东缘西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组细碎屑岩样品采样位置和微量元素比值判别图1—灰色砾岩; 2—黄色砾岩; 3—含斜层理土黄色砂岩; 4—含斜层理灰色砂岩; 5—含波状层理灰色砂岩; 6—含斜层理灰绿色砂岩; 7—砖红色砂岩; 8—灰色粉砂岩; 9—褐红色粉砂岩; 10—土黄色泥粉砂岩; 11—紫红色泥质粉砂岩; 12—砖红色泥质粉砂岩; 13—灰绿色泥质粉砂岩; 14—灰色泥岩; 15—深棕色泥岩; 16—砖红色泥岩; 17—深灰色泥岩; 18—煤; 19—采样位置Figure 3. Sampling location and geochemical indicates of trace elements ratios of microclastic rocks from the Xishanyao、Toutunhe、Qigu and Kalazha Formations in the eastern margin of Junggar Basin3. 测试结果
3.1 古盐度判别
B含量：B常用来指示古盐度。一般海相环境下的B含量在80×10-6~125×10-6之间，而淡水环境的B含量小于60×10-6[19-20]。研究区西山窑组细碎屑岩的B含量介于21.90×10-6~47.40×10-6之间，平均为33.60×10-6(n=6)(图 3；表 1)；头屯河组细碎屑岩B含量介于21.20×10-6~41.10×10-6之间，平均为31.72×10-6(n=13)；齐古组细碎屑岩B含量介于10.30×10-6~43.80×10-6之间，平均为27.94×10-6 (n=7)；喀拉扎组细碎屑岩B含量介于24.20×10-6~ 63.10×10-6之间，平均为45.81×10-6(n=8)。以上B含量数据反映，西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组古沉积水体环境均为淡水环境。
表 1 准噶尔盆地东缘西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组细碎屑岩微量元素分析结果Table 1. Trace elements contents of microclastic rocks from the Xishanyao, Toutunhe, Qigu and Kalazha Formations in the eastern margin of Junggar Basin层位 样品顺序 样号 Cu Pb Zn Cr Ni Co Cd Li Rb Cs Sr Ba V Sc B Ga U Th 校正B含量 相当B含量 Sr/Ba B/Ga U/Th V/(V+Ni) V/Cr Ni/Co Sr/Cu 喀拉扎组 1 05-258.5 37.20 21.10 74.10 46.10 29.40 12.80 0.03 52.90 85.40 9.17 310.00 473.00 94.70 13.60 40.10 21.80 2.73 11.50 113.62 89.62 0.66 1.84 0.24 0.76 2.05 2.30 8.33 2 05-276 10.60 12.30 27.10 19.10 14.90 4.63 0.05 15.90 76.40 2.90 215.00 439.00 41.30 7.79 50.20 16.10 2.27 5.10 142.71 112.44 0.49 3.12 0.45 0.73 2.16 3.22 20.28 3 05-300 22.80 13.90 57.00 44.60 38.90 11.90 0.07 44.50 80.40 6.31 502.00 498.00 71.30 11.80 42.20 20.70 2.54 9.78 125.42 97.38 1.01 2.04 0.26 0.65 1.60 3.27 22.02 4 05-312 31.30 21.70 77.70 40.50 30.00 10.70 0.16 38.90 114.00 9.16 347.00 411.00 76.80 13.70 33.80 20.90 3.39 11.50 83.03 69.11 0.84 1.62 0.29 0.72 1.90 2.80 11.09 5 05-324 31.60 14.80 72.20 44.70 28.40 10.10 0.13 32.70 146.00 11.70 179.00 405.00 83.80 14.30 63.10 21.00 2.10 8.27 105.17 108.95 0.44 3.00 0.25 0.75 1.87 2.81 5.66 6 05-337 8.60 20.60 65.00 21.40 7.56 3.18 0.10 14.40 37.20 2.41 1600.00 262.00 45.60 5.44 24.20 16.90 5.06 14.40 180.44 117.49 6.11 1.43 0.35 0.86 2.13 2.38 186.05 7 05-344 25.80 23.00 65.10 42.10 23.60 11.80 0.10 28.10 132.00 9.46 229.00 440.00 79.80 11.70 57.70 21.20 5.89 11.00 100.09 100.69 0.52 2.72 0.54 0.77 1.90 2.00 8.88 8 05-359 12.30 11.20 49.70 33.10 20.40 8.35 0.09 29.10 94.90 4.42 344.00 455.00 72.40 11.90 55.20 19.10 3.56 6.15 132.54 111.38 0.76 2.89 0.58 0.78 2.19 2.44 27.97 齐古组 9 05-373 8.04 15.40 77.60 48.40 8.34 2.69 0.04 15.80 35.00 2.64 1580.00 1200.00 43.00 5.18 23.80 37.40 8.63 15.50 200.30 128.85 1.32 0.64 0.56 0.84 0.89 3.10 196.52 10 05-402 28.60 18.90 75.80 52.40 31.40 13.80 0.07 44.80 96.50 8.22 287.00 445.00 91.80 13.80 36.40 22.00 2.20 10.70 93.76 76.56 0.64 1.65 0.21 0.75 1.75 2.28 10.03 11 05-430 39.50 22.20 83.50 46.40 31.80 15.20 0.12 38.20 94.20 9.28 257.00 342.00 96.50 13.20 30.40 20.20 2.18 11.40 84.17 66.92 0.75 1.50 0.19 0.75 2.08 2.09 6.51 12 05-448 18.40 19.00 58.10 35.60 22.10 9.64 0.04 33.00 73.10 5.25 358.00 457.00 56.80 10.10 23.40 20.80 4.85 10.90 77.39 58.20 0.78 1.13 0.44 0.72 1.60 2.29 19.46 13 05-468 42.10 20.40 83.10 55.60 44.40 19.30 0.14 55.70 116.00 10.70 251.00 453.00 107.00 14.80 43.80 23.00 3.26 10.90 86.78 80.21 0.55 1.90 0.30 0.71 1.92 2.30 5.96 14 05-477.3 37.30 16.00 73.10 52.90 31.70 13.80 0.08 44.60 104.00 9.86 104.00 231.00 91.90 13.20 27.50 15.90 3.22 10.50 67.75 56.32 0.45 1.73 0.31 0.74 1.74 2.30 2.79 15 05-497 6.46 18.60 26.80 14.40 4.90 2.36 0.04 8.78 28.60 1.84 2090.00 2200.00 27.00 4.69 10.30 55.60 5.66 16.00 75.47 49.24 0.95 0.19 0.35 0.85 1.88 2.08 323.53 头屯河组上段 16 05-498 37.00 17.40 76.10 66.00 34.60 14.30 0.03 41.30 146.00 8.95 206.00 368.00 97.20 14.90 41.10 20.00 2.05 9.21 73.70 72.46 0.56 2.06 0.22 0.74 1.47 2.42 5.57 17 05-527 23.80 15.40 75.30 61.20 28.80 13.40 0.01 44.00 102.00 7.24 265.00 371.00 95.50 13.90 30.90 20.50 7.34 11.70 77.02 63.72 0.71 1.51 0.63 0.77 1.56 2.15 11.13 18 05-529 13.10 11.90 49.70 59.10 23.20 13.20 0.03 31.00 69.20 2.63 349.00 475.00 66.70 11.10 27.80 19.20 2.88 5.66 81.48 63.55 0.73 1.45 0.51 0.74 1.13 1.76 26.64 19 05-544 23.30 14.90 69.50 50.40 30.50 13.50 0.01 55.00 116.00 8.64 219.00 487.00 83.30 12.50 40.90 22.00 3.07 8.55 95.51 81.24 0.45 1.86 0.36 0.73 1.65 2.26 9.40 20 05-563 12.90 13.00 43.00 32.80 20.70 12.00 0.09 29.40 70.20 2.80 300.00 482.00 56.90 10.20 32.60 19.20 1.94 5.67 96.89 75.23 0.62 1.70 0.34 0.73 1.73 1.73 23.26 头屯河组下段 21 05-574 48.70 10.90 65.20 185.00 196.00 16.90 0.03 47.30 41.20 4.40 76.30 156.00 236.00 19.20 35.90 18.60 4.48 4.38 229.44 152.11 0.49 1.93 1.02 0.55 1.28 11.60 1.57 22 05-580 40.80 21.40 98.40 65.80 40.90 16.40 0.03 36.20 106.00 10.60 191.00 363.00 106.00 13.80 38.50 21.70 2.10 11.70 104.55 83.70 0.53 1.77 0.18 0.72 1.61 2.49 4.68 23 05-592 23.50 15.90 58.80 60.40 25.30 11.10 0.03 28.00 76.80 4.72 270.00 465.00 77.00 11.70 28.70 20.60 2.25 9.43 81.86 64.42 0.58 1.39 0.24 0.75 1.27 2.28 11.49 24 05-603 12.00 12.20 50.80 67.20 31.50 12.90 0.01 21.40 72.10 2.69 282.00 445.00 154.00 10.90 23.60 19.10 2.36 5.94 69.65 54.20 0.63 1.24 0.40 0.83 2.29 2.44 23.50 25 05-609.8 11.40 9.42 41.00 32.80 20.80 12.10 0.06 21.60 69.80 2.48 262.00 494.00 98.50 10.20 21.20 19.00 1.64 4.77 62.57 48.69 0.53 1.12 0.34 0.83 3.00 1.72 22.98 26 05-617.8 22.20 18.50 57.20 39.20 27.40 19.20 0.14 26.30 78.10 13.90 227.00 408.00 433.00 12.20 34.20 19.80 5.52 5.74 110.53 83.67 0.56 1.73 0.96 0.94 11.05 1.43 10.23 27 05-622.9 15.30 12.40 47.90 52.40 26.70 14.60 0.15 24.70 62.80 2.09 56.70 305.00 86.90 8.44 32.60 15.60 1.74 5.77 126.53 91.39 0.19 2.09 0.30 0.76 1.66 1.83 3.71 28 05-626 16.40 11.10 48.70 70.70 25.60 15.50 0.36 17.70 74.90 2.17 241.00 426.00 84.50 10.40 24.40 17.80 16.70 5.47 74.34 57.27 0.57 1.37 3.05 0.77 1.20 1.65 14.70 西山窑组 29 05-631 31.80 16.20 52.90 56.40 25.70 7.02 0.07 38.30 58.70 5.02 150.00 281.00 95.00 10.30 36.20 19.80 5.17 14.10 156.99 110.74 0.53 1.83 0.37 0.79 1.68 3.66 4.72 30 05-649 23.70 19.90 25.60 54.40 21.80 13.80 0.09 2.72 40.20 2.06 46.20 107.00 80.60 2.33 34.80 10.60 3.42 9.28 284.42 183.48 0.43 3.28 0.37 0.79 1.48 1.58 1.95 31 05-663 41.40 20.10 170.00 103.00 12.00 6.44 0.16 4.98 83.00 4.64 109.00 896.00 142.00 9.94 47.40 31.30 3.49 12.10 158.62 118.90 0.12 1.51 0.29 0.92 1.38 1.86 2.63 32 05-669.2 11.50 13.40 54.60 52.20 21.30 9.23 0.05 15.70 74.70 2.42 143.00 419.00 72.50 9.28 27.70 18.60 1.70 5.84 80.63 63.03 0.34 1.49 0.29 0.77 1.39 2.31 12.43 33 05-677 13.80 11.30 45.30 44.60 23.20 12.80 0.05 24.50 66.10 2.33 233.00 429.00 78.10 11.30 21.90 18.80 1.45 4.97 68.44 52.32 0.54 1.16 0.29 0.77 1.75 1.81 16.88 注：微量元素含量为10-6；校正B含量=8.5×[B测定值(10-6)/K2O%]；相当B=11.8×校正B/1.70×[11.8-K2O(%)] 相当B含量：相当B含量需要在校正B含量的基础上计算得出，校正B含量=8.5×[B测定值(10-6)/K2O%]；相当B=11.8×校正B/1.7×(11.8- K2O%)[19-20]；相当B含量大于400×10-6时, 古海水为超盐度环境，300×10-6~400×10-6时为正常海水环境，200×10-6~300×10-6时为半咸水环境，小于200×10-6时则是低盐度环境的沉积产物。研究区西山窑组细碎屑岩相当B含量介于52.32×10-6~183.48×10-6之间, 平均为105.69×10-6(n=6)；头屯河组细碎屑岩相当B含量介于48.69×10-6~152.11× 10-6之间, 平均为76.28×10-6(n=13)；齐古组细碎屑岩相当B含量介于49.24×10-6~128.85×10-6之间, 平均为73.76×10-6(n=7)；喀拉扎组细碎屑岩相当B含量介于69.11×10-6~112.44×10-6之间, 平均为100.88×10-6(n=8)。研究区样品相当B含量均小于200×10-6(图 3；表 1)，再次证明西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组沉积水体为淡水。
Sr/Ba值：一般来说，Sr/Ba值小于1为淡水介质，大于1为咸水介质[21]。研究区除样品05-300、05-337、05-373的Sr/Ba值分别为1.01、6.11、1.32外，其余30件细碎屑岩样品的Sr/Ba值均小于1(介于0.12~0.95之间，平均0.57)(表 1)，反映古水体介质整体为淡水环境。从Sr/Ba值曲线(图 3)可以看出，喀拉扎组古水体盐度突然增高，然后迅速回落，其原因可能为水体蒸发量剧增，水体迅速减少。另外，在喀拉扎组局部发现膏盐层，推测晚侏罗世喀拉扎组出现气温明显升高，局地干旱的现象。由于喀拉扎组为陆内河流相沉积，排除咸水注入盆地的可能。
3.2 古沉积水体介质的氧化还原性
氧化还原敏感微量元素U、Th、Co、V、Ni、Cr、Cu、Fe含量及比值能够判别古沉积水体介质的氧化还原性[22-23]。其中U、V、Cr、Co元素在沉积环境中表现为还原条件下不溶，氧化条件下易溶，成岩过程中不易发生迁移，保留了原始沉积记录[24]。U/Th、V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)比值被认为是判断氧化-还原环境最可靠的参数(图 3；表 1)。
研究区西山窑组U/Th值介于0.29~0.37之间, 平均0.32(n=5)；头屯河组U/Th值介于0.18~3.05之间, 平均0.66(n=13)；齐古组U/Th值介于0.19~0.56之间, 平均0.34(n=7)；喀拉扎组U/Th值介于0.24~0.58之间，平均0.37(n=8)(表 1)。结合图 3认为，西山窑组、齐古组、喀拉扎组的U/Th值较集中，指示沉积水体均为富氧水体。头屯河组底部样品05-626的U/Th值突增，表明该层位古水体含氧程度发生突变。头屯河组辫状河道砂体为该区铀矿的主要赋矿层位，推测含铀富氧水对头屯河组底部细碎屑岩的U/Th值影响较大。
V/(V+Ni)值判别沉积物沉积时底层水体分层强弱效果较好[26-27]，高于0.84指示分层强，0.6~0.84之间指示分层中等，0.4~0.6之间指示分层弱。研究区西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组的V/(V+N)值均介于0.55~0.94之间，集中于0.65~0.86之间(n=30)(表 1)，表明研究区中—晚侏罗世沉积时底层水体主要为中等分层。
V/Cr、Ni/Co值可判别古水体氧化还原环境[28]。研究区样品的V/Cr值、Ni/Co值(1.43~3.66)反映，西山窑组、头屯河组、齐古组和喀拉扎组沉积时均为富氧环境，而05-617.8的V/Cr值(11.05)和05-574的Ni/Co值(11.60)略高(表 1)。由于头屯河组下部为辫状河道沉积，水动力较强，内部卷入西山窑组炭屑，推测V/Cr、Ni/Co异常值为受还原性较强的炭屑所致。
Fe2+、Fe3+：Fe离子的价态变化，表明其对氧化还原反应灵敏。一般认为，Fe2+/Fe3+＞＞1为还原环境，Fe2+/Fe3+＞1为弱还原环境，Fe2+/Fe3+=1为中性环境，Fe2+/Fe3+＜1为弱氧化环境，Fe2+/Fe3+＜＜1为氧化环境。然而，Fe2+/Fe3+指标受到煤、石油等还原物质的影响，使Fe3+还原成Fe2+。研究区喀拉扎组Fe2+/Fe3+值介于0.05~0.58之间, 平均0.18(n=8)；齐古组Fe2+/Fe3+值介于0.03~0.33之间, 平均0.13(n=7)；头屯河组除铀矿层位样品Fe2+/Fe3+=5.30，其余介于0.04~0.56之间, 平均0.35(n=12)；西山窑组Fe2+/Fe3+值介于1.92~7.93之间, 平均3.88(n=5)(表 2；图 3)。表明喀拉扎组、齐古组和头屯河组上段表现出原生的强氧化沉积，其中齐古组和头屯河组上段为红层沉积，而西山窑组沉积后的聚煤作用形成了区域性原生还原层，头屯河组底部赋铀层位同样具有原生还原性质。
表 2 准噶尔盆地东缘西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组细碎屑岩主量元素分析结果Table 2. Major elements contents of microclastic rocks from the Xishanyao, Toutunhe, Qigu and Kalazha Formations in the eastern margin of Junggar Basin层位 样品顺序 送样号 岩性 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 烧失量 总计 Fe2+/Fe3+ Mg/Ca Al2O3/MgO FeO/MnO CIA ICV F1 F2 喀拉扎组 1 05-258.5 土黄色泥岩 60.72 0.78 15.52 5.39 0.47 0.10 3.04 1.49 2.18 3.00 0.16 7.10 99.95 0.10 2.86 10.42 4.95 59.81 1.40 0.53 0.09 2 05-276 土灰色中细砂岩 76.67 0.42 10.86 1.80 0.43 0.06 0.81 1.02 2.48 2.99 0.09 2.33 99.95 0.27 1.11 10.65 7.68 48.78 1.19 -0.57 -0.30 3 05-300 灰白色细砂岩 64.60 0.66 14.72 4.24 0.34 0.06 2.11 1.74 3.04 2.86 0.29 5.31 99.97 0.09 1.70 8.46 5.67 52.90 1.37 -0.43 0.48 4 05-312 灰白色泥岩 61.86 0.77 15.34 4.97 1.02 0.10 2.24 1.37 2.34 3.46 0.16 6.27 99.90 0.23 2.29 11.20 10.63 57.25 1.30 0.68 0.56 5 05-324 砖红色泥岩 63.31 0.68 15.45 6.29 0.30 0.08 1.79 0.71 2.21 5.10 0.13 3.90 99.95 0.05 3.53 21.76 3.61 54.68 1.29 -0.65 -0.23 6 05-337 白色粉砂岩 67.98 0.26 12.64 1.72 0.81 0.07 1.16 2.20 2.74 1.14 0.08 9.10 99.90 0.52 0.74 5.75 10.95 55.21 1.12 0.67 2.37 7 05-344 砖红色粉砂岩 64.69 0.68 14.75 4.69 0.23 0.10 1.87 1.25 2.27 4.90 0.16 4.39 99.98 0.05 2.09 11.80 2.30 53.57 1.35 0.03 -0.42 8 05-359 灰白色中细砂岩 69.10 0.59 13.46 3.54 0.30 0.06 1.17 1.71 3.13 3.54 0.14 3.24 99.98 0.09 0.96 7.87 5.00 48.77 1.34 -1.22 -0.28 齐古组 9 05-373 白色粉砂质泥岩 67.11 0.26 13.20 1.93 0.57 0.11 1.57 2.07 2.72 1.01 0.04 9.34 99.93 0.33 1.06 6.38 5.18 56.78 1.13 1.65 3.16 10 05-402 砖红色泥岩 62.89 0.80 15.62 5.49 0.50 0.09 2.12 1.23 2.71 3.30 0.16 5.04 99.95 0.10 2.41 12.70 5.32 55.55 1.29 0.35 0.66 11 05-430 砖红色泥岩 60.05 0.73 16.35 7.33 0.48 0.07 2.39 1.27 2.21 3.07 0.15 5.86 99.96 0.07 2.63 12.87 6.67 60.66 1.28 0.59 1.15 12 05-448 灰白色粉砂岩 65.78 0.56 15.44 4.27 0.19 0.09 1.87 1.50 3.04 2.57 0.13 4.55 99.99 0.05 1.75 10.29 2.21 54.69 1.21 -0.16 1.11 13 05-468 砖红色泥岩 60.62 0.86 16.84 7.07 0.26 0.10 2.00 1.02 2.33 4.29 0.27 4.31 99.97 0.04 2.75 16.51 2.60 57.75 1.25 0.95 1.12 14 05-477.3 砖红色泥岩 63.12 0.79 15.53 6.08 0.17 0.04 2.02 1.10 2.57 3.45 0.20 4.91 99.98 0.03 2.57 14.12 3.95 56.00 1.29 -1.09 -0.02 15 05-497 白色粉砂质泥岩 71.23 0.26 11.72 0.98 0.24 0.10 1.11 1.84 2.58 1.16 0.07 8.70 99.99 0.27 0.84 6.37 2.40 54.59 1.08 1.78 2.15 头屯河组上段 16 05-498 紫色泥岩 64.06 0.80 14.95 4.52 2.11 0.08 2.04 0.80 2.23 4.74 0.19 3.24 99.76 0.52 3.57 18.69 25.73 54.50 1.30 0.01 -0.31 17 05-527 紫红色泥岩 64.63 0.81 15.01 3.92 1.49 0.08 2.26 0.92 2.37 3.41 0.17 4.79 99.86 0.42 3.44 16.32 18.86 56.62 1.24 0.42 0.26 18 05-529 紫灰色细砂岩 68.86 0.57 13.39 3.40 1.04 0.09 1.57 1.30 3.23 2.90 0.17 3.37 99.89 0.34 1.69 10.30 11.56 49.29 1.32 -0.39 0.69 19 05-544 紫红色泥岩 66.73 0.62 14.15 4.62 1.14 0.08 2.02 0.63 2.07 3.64 0.15 4.03 99.88 0.27 4.49 22.46 13.57 56.80 1.23 0.13 0.38 20 05-563 紫灰色细砂岩 70.06 0.48 13.02 3.20 0.98 0.11 1.50 1.08 3.12 2.86 0.15 3.34 99.90 0.34 1.94 12.06 8.91 49.34 1.28 -0.17 0.97 头屯河组下段 21 05-574 红褐色泥岩 44.86 1.15 20.75 20.47 0.68 0.05 0.88 0.25 0.16 1.33 0.06 9.28 99.92 0.04 4.93 83.00 13.08 91.33 0.91 2.59 0.71 22 05-580 灰绿色泥岩 60.56 0.88 16.96 5.18 2.61 0.07 1.98 0.60 1.77 3.13 0.14 5.83 99.71 0.56 4.62 28.27 39.55 64.78 0.99 0.90 1.01 23 05-592 灰绿色细砂岩 63.79 0.78 15.48 3.25 1.41 0.16 1.64 2.05 2.50 2.98 0.20 5.61 99.85 0.48 1.12 7.55 8.81 57.46 1.18 0.52 0.28 24 05-603 灰绿色中细砂岩 68.96 0.67 13.84 3.04 1.03 0.06 1.59 0.63 2.98 2.88 0.16 4.07 99.91 0.38 3.53 21.97 18.73 51.70 1.16 -0.50 0.53 25 05-609.8 紫红色中细砂岩 72.56 0.49 12.73 2.86 0.78 0.08 1.19 0.51 3.06 2.88 0.15 2.64 99.93 0.30 3.27 24.96 9.29 49.11 1.14 -0.76 0.83 26 05-617.8 褐铁矿化泥岩 64.50 0.48 12.33 10.63 0.82 0.23 1.45 0.62 2.38 2.63 0.14 3.72 99.93 0.09 3.27 19.89 3.57 53.57 1.54 -1.56 1.63 27 05-622.9 灰绿色含砾细砂岩 69.84 0.59 13.58 0.90 4.29 0.35 0.82 0.58 0.20 2.19 0.16 6.04 99.54 5.30 1.98 23.41 12.26 81.74 0.53 4.89 -1.25 28 05-626 灰色铀矿化细砂岩 67.92 0.64 13.08 3.09 1.32 0.71 1.32 1.82 2.94 2.79 0.18 4.04 99.85 0.47 1.02 7.19 1.86 50.74 1.33 0.86 1.11 西山窑组 29 05-631 灰色粉砂质泥岩 66.61 0.69 16.25 1.54 3.28 0.13 1.76 0.48 1.43 1.96 0.18 5.33 99.64 2.37 5.13 33.85 25.23 75.06 0.72 2.42 1.20 30 05-649 灰色细砂岩 71.84 0.87 18.52 0.12 0.38 0.01 0.24 0.12 0.04 1.04 0.03 6.76 99.96 3.52 2.80 154.33 42.22 92.87 0.17 5.94 -4.37 31 05-663 灰色粉砂质泥岩 66.89 1.14 20.00 0.15 1.07 0.01 0.54 0.13 0.08 2.54 0.04 7.27 99.87 7.93 5.82 153.85 76.43 85.83 0.30 6.43 -4.22 32 05-669.2 浅灰色细砂岩 73.37 0.57 14.20 0.52 1.71 0.03 0.85 0.31 2.09 2.92 0.12 3.13 99.82 3.65 3.84 45.81 68.40 65.24 0.73 1.17 -0.36 33 05-677 灰绿色细砂岩 71.21 0.55 13.47 1.32 2.28 0.06 1.42 0.76 2.94 2.72 0.16 2.87 99.76 1.92 2.62 17.72 35.63 59.13 1.06 0.87 0.69 注：主量元素含量单位为%；CIA=Al2O3/(Al2O3+ CaO*+Na2O+K2O)；ICV=(Fe2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO+TiO2)/Al2O3；判别函数F=a1x1+a2x2+…+anxn+C, 其中，x1~xn为n个判别变量，a1~an为相应系数，C为常数(据参考文献[25]) 以上分析表明，元素B、Sr/Ba及U/Th、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co组合指示，西山窑组、头屯河组、齐古组和喀拉扎组沉积时的古水体条件均为富氧的淡水环境，喀拉扎组古水体盐度相对偏高；Fe2+/Fe3+值指示西山窑组沉积后成煤阶段形成了区域性的原生还原层，头屯河组底部赋铀层同样为还原层，头屯河组上段、齐古组和喀拉扎组为强氧化环境背景。
3.3 古气候重建
3.3.1 古气候的地球化学判别
Sr/Cu、FeO/MnO、Al2O3/MgO值等对判别古气候具有较好的指示意义(图 3；表 2)。Sr含量和Sr/Cu值对气候具有灵敏的指示，Sr含量高指示干旱气候，Sr含量低指示潮湿的气候。Sr/Cu值介于1.3~5.0之间指示温湿气候，大于5.0指示干旱气候[29]。FeO/MnO、Al2O3/MgO、Mg/Ca值也具有指示意义：沉积物中FeO/MnO的高值对应温湿气候，低值为干热气候；Mg/Ca的高值反映干旱炎热气候[30]。
研究区西山窑组底部的Sr/Cu＞5.0，顶部煤层部分的Sr/Cu＜5.0，说明西山窑组是由干旱气候转变为潮湿气候条件下逐渐成煤的；头屯河组和齐古组的Sr/Cu值波动较大(图 3)，表现出干旱为主的干—湿交替的气候环境；喀拉扎组的Sr/Cu值较大，说明喀拉扎组沉积时为稳定的干旱气候；样品中05-337、05-373、05-497的Sr、Cu含量极高，且Sr/Cu值非常高，表现出极度干旱的气候，野外定名为白色粉砂岩、白色粉砂质泥岩、白色粉砂质泥岩，推测这3个层位为膏盐层。FeO/MnO值虽然变化不强烈(图 3)，但在垂向上的变化与Sr/Cu具有较好的一致性，表现为西山窑组的FeO/MnO值高于头屯河组的FeO/MnO值，齐古组和喀拉扎组的FeO/MnO值最小，进一步说明了西山窑组到喀拉扎组的沉积经历了潮湿到逐渐干旱的气候变化特征。Al2O3/MgO指示了同样的结果。
3.3.2 物源区的古风化作用及对古气候的指示
风化蚀变指数(CIA)可以定量地表示物源区的风化程度[31]，CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100, 其中CaO*为校正后的摩尔量(CaO≤Na2O时，采用CaO的值；CaO＞Na2O时，CaO=Na2O)。普遍认为，CIA值在50左右的碎屑沉积岩，其物源区岩石遭受化学风化；CIA值为50~100时，表明源区岩石遭受一定强度的风化；CIA在50~65之间反映寒冷干燥气候下的弱风化；65~85之间反映温暖、湿润气候下的中等风化；85~100之间反映炎热、潮湿的强风化作用[32]。ICV(index chemical variation)指数可以确定沉积物的成分成熟度[33]，值越高，成分成熟度越低。
研究区西山窑组细碎屑岩的CIA指数介于59.13~92.87(n=5)之间，平均75.63，ICV指数介于0.17~1.06(n=5)之间，平均0.60；头屯河组下段细碎屑岩的CIA指数介于50.74~91.33(n=8)之间，平均62.55，ICV指数介于0.53~1.54(n=8)之间，平均1.10，上段细碎屑岩的CIA指数介于49.29~56.80之间(n=5)，平均53.31，ICV指数介于1.23~1.32之间(n=5)，平均1.27；齐古组细碎屑岩的CIA指数介于54.59~60.66之间(n=7)，平均56.58，ICV指数介于1.08~1.29之间(n=7)，平均1.22；喀拉扎组细碎屑岩的CIA指数介于48.77~59.81之间(n=8)，平均53.87，ICV指数介于1.12~1.40之间(n=8)，平均1.30(表 2)。
结合数据分析和图 4-a、b可以看出，西山窑组—喀拉扎组细碎屑岩的CIA及ICV指数从下到上具有明显的变化规律，且CIA与ICV具有较好的对应性。西山窑组煤层顶底板的化学风化程度较高，成分成熟度较高，说明当时处于湿润环境，且碎屑经过了长距离搬运，遭受一定的风化改造；齐古组和喀拉扎组细碎屑岩的CIA、ICV指数均较集中，说明物源区构造稳定；头屯河组下段底部和上段顶部存在2次明显突变，指示物源区存在2次构造活动或古气候变迁。西山窑组过渡到头屯河组，CIA减小后突然增大，然后迅速回落；ICV增大后突然减小，然后迅速回升，反映头屯河组下段底部物源区化学风化作用突然增强，一定程度上指示了头屯河组底部的源区古气候由干旱向潮湿气候突变；头屯河组细碎屑岩的CIA逐渐升高、ICV逐渐减小，齐古组底部的CIA突然减小、ICV突然增大，反映头屯河组-齐古组存在古气候环境突变，推测其由盆地周缘造山带构造活动性突然加强引起。
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图 4 准噶尔盆地东缘西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组ICV、CIA指数值及δCe值垂向变化趋势Figure 4. Variable trend map of ICV, CIA and δCe for the Xishanyao, Toutunhe, Qigu and Kalazha Formations in the eastern margin of Junggar Basin3.3.3 古生物的组合对古气候的约束
古生物组合特征可以反映沉积古气候的变化。西山窑组大量出现拟苏铁杉、南美杉、桫椤科孢、紫萁等，反映中侏罗世早期为热带潮湿气候；中侏罗统头屯河组和上侏罗统齐古组出现了较多的耐旱型裸子植物classopollis属[34]，介形虫化石Darwinula impudica, D. sarytirmenensis，反映头屯河组—齐古组气候发生了明显的变化，即气候由半干旱转化为干旱气候；喀拉扎组出现大量的掌鳞杉科classopollis属耐旱型裸子植物，说明喀拉扎组处于炎热干旱气候。
综上所述，中侏罗世西山窑期—晚侏罗世喀拉扎期古气候经历了温暖潮湿—干湿交替—半干旱—干旱的转变过程。
3.4 沉积物源的地球化学示踪
3.4.1 稀土元素地球化学特征
研究区细碎屑岩样品的稀土元素分析结果见表 3，球粒陨石和北美页岩标准化后的稀土元素配分模式见图 5。西山窑组稀土元素总量(∑REE)介于132.56×10-6~361.11×10-6之间，集中于132.56× 10-6~166.12×10-6之间；头屯河组∑REE介于58.85× 10-6~172.43×10-6之间，集中于117.26×10-6~172.43×10-6之间；齐古组∑REE介于124.46×10-6~174.99×10-6之间；喀拉扎组∑REE介于96.36×10-6~188.62×10-6；表明从西山窑组到喀拉扎组细碎屑岩的稀土元素相对富集。各个层位轻稀土元素总量(∑LREE)值分别在96.00×10-6~333.15×10-6、42.77×10-6~152.50×10-6、111.07×10-6~151.54×10-6、85.06×10-6~162.23×10-6之间，重稀土元素总量(∑HREE)分别在5.87×10-6~27.96×10-6、13.78×10-6~20.77×10-6、13.39×10-6~23.45×10-6、11.30×10-6~26.29×10-6之间，西山窑组到喀拉扎组LREE/HREE值分别在7.23~16.35(平均10.36)、3.18~8.00(平均6.99)、6.46~8.29(平均7.36)、6.12~7.53(平均6.70)之间，(La/Yb)N(球粒陨石)分别集中在7.55~21.22(平均13.19)、2.94~8.71(平均7.44)、6.06~8.36(平均7.68)、5.15~8.15(平均6.84)之间(表 3)，均显示轻、重稀土元素分馏明显，LREE相对富集，HREE相对亏损的特征(图 5)。
表 3 准噶尔盆地东缘西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组细碎屑岩稀土元素分析结果Table 3. Rare earth elements contents of microclastic rocks from the Xishanyao, Toutunhe, Qigu and Kalazha Formations in the eastern margin of Junggar Basin层位 送样号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y ΣREE LREE HREE LREE/HREE 球粒陨石标准化[35] 北美页岩标准化[36] LaN/YbN δEu δCe LaN/YbN δEu δCe 喀拉扎组 05-258.5 27.6 68.9 7.68 30.2 6.25 1.3 5.64 0.98 5.66 1.11 3.29 0.51 3.18 0.5 29.6 162.80 141.93 20.87 6.80 6.23 0.67 1.16 0.82 1.03 1.12 05-276 18.4 38.9 4.77 18.5 3.59 0.9 3.28 0.54 3.05 0.6 1.7 0.25 1.62 0.26 15.5 96.36 85.06 11.30 7.53 8.15 0.80 1.02 1.07 1.23 0.98 05-300 36 63.5 10.1 42.5 8.45 1.78 7.68 1.25 7.01 1.38 3.99 0.6 3.79 0.59 35.4 188.62 162.33 26.29 6.17 6.81 0.68 0.82 0.90 1.04 0.79 05-312 35.3 67.5 8.84 35.3 7.04 1.3 6.32 1.08 6.29 1.23 3.58 0.55 3.58 0.55 32.8 178.46 155.28 23.18 6.70 7.07 0.60 0.94 0.93 0.91 0.91 05-324 28.6 42.9 6.67 26.1 5.37 1.07 4.58 0.82 4.79 1 2.97 0.46 3.01 0.47 26.7 128.81 110.71 18.10 6.12 6.82 0.66 0.76 0.90 1.01 0.74 05-337 28.8 80.4 8.12 31.6 6.78 0.48 6.26 1.14 7.02 1.37 4.06 0.64 4.01 0.62 36.6 181.30 156.18 25.12 6.22 5.15 0.23 1.29 0.68 0.35 1.25 05-344 30.3 54.6 7.78 30.7 6.01 1.13 5.28 0.88 5.06 0.99 2.88 0.46 2.83 0.44 26.7 149.34 130.52 18.82 6.94 7.68 0.61 0.87 1.01 0.94 0.84 05-359 20.9 49.2 5.67 22.1 4.4 0.97 4.03 0.67 3.85 0.76 2.23 0.34 2.2 0.34 19.9 117.66 103.24 14.42 7.16 6.81 0.70 1.11 0.90 1.08 1.07 齐古组 05-373 32.1 72 8.53 31.9 6.37 0.64 5.95 1.05 6.4 1.26 3.77 0.59 3.83 0.6 32.6 174.99 151.54 23.45 6.46 6.01 0.32 1.07 0.79 0.49 1.03 05-402 32.1 63 7.98 30.8 6.03 1.22 5.3 0.87 4.96 0.97 2.86 0.44 2.85 0.44 25.8 159.82 141.13 18.69 7.55 8.08 0.66 0.97 1.06 1.01 0.93 05-430 31.8 59.1 6.92 26.8 5.32 1.01 4.81 0.82 4.79 0.96 2.79 0.44 2.8 0.44 25.6 148.80 130.95 17.85 7.34 8.15 0.61 0.98 1.07 0.94 0.95 05-448 25.1 55 6.64 25.1 4.96 0.99 4.19 0.71 3.96 0.75 2.25 0.35 2.23 0.36 19.7 132.59 117.79 14.80 7.96 8.07 0.66 1.04 1.06 1.02 1.01 05-468 34.4 64.6 8.54 34.1 6.58 1.39 5.95 1.01 5.76 1.11 3.28 0.5 3.23 0.5 30.2 170.95 149.61 21.34 7.01 7.64 0.68 0.92 1.00 1.04 0.89 05-477.3 27.3 50.8 6.21 24.5 4.74 1.02 4.2 0.78 4.5 0.92 2.7 0.42 2.64 0.42 24.3 131.15 114.57 16.58 6.91 7.42 0.70 0.96 0.98 1.07 0.93 05-497 26.1 51.6 6.22 21.9 4.17 1.08 3.82 0.58 3.34 0.66 2.06 0.34 2.24 0.35 17.2 124.46 111.07 13.39 8.29 8.36 0.83 0.99 1.10 1.27 0.96 头屯河组上段 05-498 28.9 48.3 7.29 28.4 5.53 1.17 4.92 0.82 4.75 0.94 2.79 0.43 2.73 0.43 24.7 137.40 119.59 17.81 6.71 7.59 0.69 0.82 1.00 1.05 0.79 05-527 28.5 52.1 7.08 27.1 5.25 1.11 4.75 0.81 4.77 0.95 2.79 0.44 2.84 0.46 25.5 138.95 121.14 17.81 6.80 7.20 0.68 0.90 0.95 1.04 0.87 05-529 24.1 48.6 6.15 24.1 4.72 1.11 4.23 0.7 3.99 0.76 2.21 0.34 2.14 0.34 20.1 123.49 108.78 14.71 7.39 8.08 0.76 0.98 1.06 1.17 0.95 05-544 28.2 54.7 6.84 27.1 5.18 1.13 4.61 0.78 4.4 0.87 2.6 0.4 2.52 0.39 23.2 139.72 123.15 16.57 7.43 8.03 0.71 0.97 1.06 1.09 0.93 05-563 22.6 47.2 5.74 22.5 4.44 1 3.94 0.66 3.7 0.72 2.09 0.32 2.03 0.32 19 117.26 103.48 13.78 7.51 7.99 0.73 1.02 1.05 1.12 0.98 头屯河组下段 05-574 12.4 16.9 2.69 10 2.16 0.62 2.36 0.52 3.7 0.82 2.71 0.44 3.03 0.5 18.1 58.85 44.77 14.08 3.18 2.94 0.84 0.72 0.39 1.29 0.69 05-580 30.8 59.1 8.14 31.6 6.34 1.26 5.61 1 5.66 1.11 3.21 0.49 3.2 0.49 28.9 158.01 137.24 20.77 6.61 6.90 0.65 0.92 0.91 0.99 0.89 05-592 32.2 67.9 8.92 35.2 6.83 1.45 6.03 1 5.38 1 2.88 0.43 2.77 0.44 27.1 172.43 152.50 19.93 7.65 8.34 0.69 0.98 1.10 1.06 0.95 05-603 23.6 46.3 6.14 23.9 4.56 1.15 4.12 0.67 3.69 0.72 2.13 0.32 2.17 0.33 18.9 119.80 105.65 14.15 7.47 7.80 0.81 0.94 1.03 1.25 0.91 05-609.8 26 55 6.68 26.5 5.14 1.22 4.6 0.73 4.04 0.76 2.22 0.34 2.14 0.33 20.6 135.70 120.54 15.16 7.95 8.71 0.77 1.02 1.15 1.18 0.99 05-617.8 29 63.7 7.21 28.6 5.61 1.28 5.05 0.85 4.8 0.94 2.72 0.42 2.67 0.42 25.1 153.27 135.40 17.87 7.58 7.79 0.74 1.08 1.02 1.13 1.05 05-622.9 23.7 52.1 6.06 23.7 4.62 1.02 4.3 0.7 4.03 0.8 2.3 0.35 2.26 0.36 20.7 126.30 111.20 15.10 7.36 7.52 0.70 1.07 0.99 1.07 1.03 05-626 22.8 49.1 5.95 23.5 4.75 1.1 4.27 0.73 4.11 0.78 2.23 0.33 2.09 0.32 21 122.06 107.20 14.86 7.21 7.83 0.75 1.03 1.03 1.15 1.00 西山窑组 05-631 36.5 67 8.21 30.2 5.76 1.14 5.06 0.8 4.52 0.87 2.6 0.4 2.64 0.42 23.5 166.12 148.81 17.31 8.60 9.92 0.65 0.95 1.30 0.99 0.92 05-649 21.6 51.4 4.56 15.6 2.48 0.36 2.14 0.29 1.44 0.26 0.78 0.12 0.73 0.11 6.32 101.87 96.00 5.87 16.35 21.22 0.48 1.27 2.79 0.73 1.23 05-663 76.9 156 18.3 66.9 12.4 2.65 10.1 1.57 7.79 1.29 3.42 0.47 2.9 0.42 29.9 361.11 333.15 27.96 11.92 19.02 0.72 1.02 2.50 1.11 0.99 05-669.2 25.8 52.7 6.47 25.6 4.94 1.17 4.49 0.74 4.3 0.87 2.53 0.38 2.45 0.37 22.8 132.81 116.68 16.13 7.23 7.55 0.76 1.00 0.99 1.17 0.97 05-677 25.2 53.8 6.41 25.7 5.02 1.18 4.44 0.72 4.15 0.77 2.3 0.34 2.2 0.33 21 132.56 117.31 15.25 7.69 8.22 0.76 1.04 1.08 1.17 1.00 注：稀土元素含量单位为10-6；δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2；δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2 ![]()
从球粒陨石标准化稀土元素配分曲线可以看出，西山窑组到喀拉扎组的配分曲线均显示右倾分布模式，轻稀土元素段略陡，重稀土元素段较平缓，负Eu异常明显(δEu=0.23~0.84，平均0.67)(图 5)。
北美页岩(NASC)标准化稀土元素配分曲线显示，轻、重稀土元素整体分馏近乎相等，((La/Yb)N值集中于0.39~2.79)；西山窑组δCe值介于0.92~1.23之间(n=5)，平均为1.02(表 3)；头屯河组δCe值介于0.69~1.05之间(n=13)，平均为0.93(表 3)；齐古组δCe值介于0.93~1.03之间(n=7)，平均为0.96(表 3)；喀拉扎组δCe值介于0.74~1.25之间(n=8)，平均为0.96(表 3)。西山窑组δCe无异常或弱正异常，头屯河组到喀拉扎组δCe整体趋向于负异常(图 5)，反映西山窑组煤层段古沉积环境为还原环境，头屯河组到喀拉扎组总体为氧化环境，局部有小幅度氧化-还原变化交替(图 4-c)。
3.4.2 物源区构造背景
稀土、微量元素特征可以反映岩石地球化学特征及源区构造环境[35, 37-38]。运用La-Th-Sc、Th-Sc- Hf/10、Th-Co-Zr/10等图解进行源区构造环境判别[39-41]；利用La/Yb-∑REE图解反映某些岩石大类的成因特征；结合砂-泥岩F1-F2判别图解，可进一步分析源区的性质。
在La-Th-Sc图解和Th-Co-Zr/10图解中，大部分数据点落在大陆岛弧范围，少部分落在大陆边缘范围(图 6-a、c)，说明物源区构造性质以大陆岛弧为主，大陆边缘次之的环境中。泥-砂岩构造背景函数F1-F2判别图解显示，西山窑组—喀拉扎组的物源主要来自长英质火成岩源区，少部分来自中性火成岩源区和铁镁质的中性火成岩源区(图 6-b)。为反映源岩属性特征，本次采用∑REE-La/Yb源岩属性判别图解进行分析(图 6-d)。在该图解中，大部分样品点落入沉积岩区，少部分落入沉积岩与大陆拉斑玄武岩重叠区，并且有1个样品落在花岗岩区。综上所述，西山窑组—喀拉扎组的沉积物源主要来自长英质火成岩源区，少部分来自大陆拉斑玄武岩和花岗岩源区，且源区性质以大陆岛弧构造背景为主，少部分为大陆边缘背景。
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图 6 准噶尔盆地东缘西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组源岩构造背景判别图解a—La-Th-Sc判别图解；b—源区性质函数F1-F2判别图解；c—Th-Co-Zr/10判别图解；d—La/Yb-ΣREE判别图解。P1—镁铁质的和少量中性火成岩源区；P2—主要中性火成岩源区(主要为安山岩)；P3—长英质火成岩源区(大陆边缘弧)；P4—古老的沉积体系或克拉通/再旋回造山带Figure 6. Tectonic setting discrimination diagrams of the Xishanyao, Toutunhe, Qigu and Kalazha Formations in the eastern margin of Junggar Basin研究区碎屑物源的构造判别图解显示，物源主要来源于大陆岛弧构造背景下的长英质火成岩区。早侏罗世，准噶尔盆地东北缘克拉美丽山持续隆升，中—晚侏罗世，克拉美丽山隆升速度变缓，形成了西山窑组的湖泊三角洲和头屯河组-喀拉扎组的河流沉积相[42-43]。通过对板状交错层理和楔状交错层理产状的判断，确定准东地区侏罗纪古水流方向主要为由北向南[44-49]，推测研究区碎屑物源主要来自克拉美丽山长英质火成岩。这一结论还需今后更加深入的研究。
5. 结论
(1) B、Sr/Ba、U/Th、V/V+Ni、Ni/Co、V/Cr组合指示，西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组沉积时的古水体介质为富氧的淡水环境，喀拉扎组古水体盐度略高；Fe2+/Fe3+指示西山窑组与头屯河组底部形成了原生还原层，头屯河组上段与齐古组形成氧化红层；Sr/Cu、FeO/MnO、Al2O3/MgO等比值与古生物的组合共同指示古气候经历了温暖潮湿—干湿交替—半干旱—干旱的转变过程。
(2) CIA、ICV指数反映齐古组和喀拉扎组的物源区构造较稳定，中侏罗世头屯河期，发生2次明显突变，推测准噶尔盆地周缘构造活动增强，古气候发生变迁。
(3) 通过La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10、F1-F2及La/Yb-∑REE判别图解，总结出西山窑组到喀拉扎组主要沉积物源来自长英质火成岩源区，同时有少量的大陆拉斑玄武岩和花岗岩混合，其构造背景以大陆岛弧为主，部分为大陆边缘构造背景。
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图 1 研究区基岩地质构造图
F1—南苑-通县断裂；F2—燕郊断裂；F3—夏垫断裂；F4—牛堡屯断裂；F5—张家湾断裂
Figure 1. Geological map showing structure of the survey area
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图 3 通州地区1000 m深度温度等值线图
Figure 3. Temperature contour at depth of 1000 m in Tongzhou District
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图 4 通州地区2000 m深度温度等值线图
Figure 4. Temperature contour at depth of 2000 m in Tongzhou District
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图 5 通州地区3000 m深度温度等值线图
Figure 5. Temperature contour map at depth of 3000 m in Tongzhou District
表 1 地热井地温梯度计算结果
Table 1 Geothermal gradients of geothermal well
地热井序号 成井深度/m 盖层深度/m 测温井段/m T/℃ G/(℃·100 m-1) G′/(℃·100 m-1) 1 811 0~445 100~800 29 1.95 1.81 2 642 0~473 100~600 28 2.46 3.16 3 1827 203~589 340~1800 43 1.64 2.18 4 2500 864~1418 1000~2417 62.5 2.03 2.16 5 2679 515~1065 1500~2670 56.8 1.62 - 6 2213 583~1108 1500~2210 53.2 1.80 - 7 2203 464~1049 1100~2200 53.8 1.83 - 8 2699 277~729 300~2670 57.1 1.63 1.84 9 2509 680~1225 100~2460 53.1 1.61 2.03 10 2480 439~979 1500~2400 55.34 1.74 4.09 11 2405 470~792 100~2350 45.2 1.34 1.10 12 2400 297~677 100~2400 51.5 1.58 1.24 13 2505 490~1073 100~2500 58.2 1.79 2.61 14 2106 926.5~1005 100~2100 49.89 1.73 2.32 15 2468 302~712 100~2400 57.1 1.82 3.38 16 3203 2404~2740 50~3200 84 2.21 1.66 17 3589 2817~3180 300~3425 89.5 2.22 2.17 18 2800 570~1086 50~2800 63.5 1.79 0.78 19 3001 255~618 100~3000 62.983 1.65 1.83 20 2800 0~478 100~2800 53.98 1.44 1.82 21 2800 - 300~2800 56.74 1.54 - 22 3000 - 286~3000 58.53 1.50 - 23 2204 504~1105 50~2190 53.7 1.84 2.91 24 2106 610~980 100~2100 45.94 1.54 0.46 25 2500 592~842 100~2500 51.4 1.51 0.76 26 3600 - 50~3600 116.4 2.87 - 27 3000 - 50~3000 97.61 2.82 - 28 3332 - 50~3330 116.9 3.12 - 注：T表示井底温度；G表示地热井地温梯度；G′表示盖层段地温梯度 
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