內蒙古扎魯特旗林西組頁巖沉積環境的地球化學表征

于京都，張金川，毛俊麗，孫 睿

（1.中國地質大學 能源學院，北京100083；2.頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室，北京100083；3.中國石油 遼河油田勘探開發研究院，遼寧 盤錦124010）

內蒙古自治區東南部扎魯特旗地區位于中朝和西伯利亞兩大板塊拼接背景下的佳蒙地塊南緣，以北為二連浩特—賀根山斷裂帶，以南為西拉木倫河斷裂帶，處于松遼盆地、二連盆地和開魯盆地之間。據前人研究成果，扎魯特旗地區上二疊統林西組含有質量較好的泥巖型烴源巖，具有非常規油氣勘探潛力［1，2］。古亞洲洋的關閉對本區二疊系地質演化和油氣生聚產生了深刻影響［3－7］。

徐備等認為，錫林郭勒地塊下泥盆統存在磨拉石沉積，與下伏混雜巖帶為不整合接觸，并含有志留紀時期的富鉀花崗巖（殼源侵入型），表明可能早在晚泥盆世之前，古亞洲洋已關閉，研究區及周緣在晚二疊世已進入陸相沉積演化時期［3］。

石玉若、張炯飛等在研究區以西的蘇尼特左旗南部發現423Ma B.P.前后的富鉀長石花崗巖和460Ma B.P.前后的英云閃長巖［4，5］，對上述觀點從巖漿巖地質學角度提供了一定支持。

李錦秩、和政軍、郭勝哲等認為，林西縣以南雙井子巖體的成分特征及年齡數據表明，古亞洲洋的關閉時間應晚于晚泥盆世，古亞洲洋、西伯利亞板塊、華北板塊之間的削減－俯沖關系很可能持續到了古生代晚期，二疊系為相對較為廣闊的咸水—半咸水覆蓋下的海相或湖相沉積［6－9］。

王荃在西拉木倫河以南地區發現的具有鈣堿性特征的二疊紀火山巖［10］；王玉靜在內蒙古東部和吉林中部地區發現的深水相石炭—二疊紀沉積［11］；黃本宏在內蒙古東部發現晚二疊世之前的安加拉植物群和華夏植物群沿西拉木倫縫合帶一線的地理分區現象［12－14］為這種認識提供了支持。

由于上述觀點不一致，所以對本區上二疊統林西組對應地質時期環境特點的研究具有重要意義。本文從生物標志化合物參數和微量元素參數兩方面展開研究，以期進一步了解本區林西組暗色富有機質泥頁巖形成的古環境特征。研究區位置如圖1所示。

1 生物標志化合物特征

生物標志化合物是研究泥頁巖地層沉積環境的重要方法［17，18］，本文就飽和烴的特征碎片（M/Z為85）進行了色譜檢測，得出與沉積環境有關的分析指標包括：①主峰碳分布；②OEP：飽和烴碳數奇偶優勢；③Pr/Ph：姥鮫烷與植烷之比；④Pr/nC17：姥鮫烷與碳數為17的正構烷烴之比；⑤Ph/nC18：植烷與碳數為18的正構烷烴之比（表1、圖2、表2）。

圖1 研究區地質概況Fig.1 General geological condition of study area

表1 林西組頁巖飽和烴生物標志化合物參數Table 1 Parameters of the saturated hydrocarbon biomarkers of the Linxi Formation shale

圖2 研究區部分樣品飽和烴質量色譜圖Fig.2 Saturated hydrocarbon chromatograms of some samples from study area

表2 飽和烴生物標志化合物參數的地質意義［17－19］Table 2 Geological significance of saturated hydrocarbon biomarker parameters

主峰碳對生烴母質來源具有指示意義，一般而言，高碳數的奇數主峰碳往往對應陸相有機質輸入，相對中—低碳數主峰碳則指示水生生物有機質來源［19］。對研究區21塊林西組富有機質泥頁巖樣品的主峰碳分析表明，主峰碳數分布范圍位于17～23之間，屬中—低主峰碳數分布，表明林西組富有機質頁巖中有機母質來源偏水生生物（表2、圖2、圖3-A、B）。相對較低的主峰碳分布也揭示其具有較高的演化程度。部分色譜峰的峰形也顯示出一定的雙峰特征（L2、L6、B8、T10），其中高碳數奇碳色譜峰的出現（對應的奇碳碳數分別為27、25、27、31），表明林西組泥巖中的沉積有機質中可能混有陸源成分。

圖3 林西組黑色頁巖飽和烴生物標志化合物指標統計Fig.3 Statistics of the saturated hydrocarbon biomarker parameters from the Linxi Formation shale

奇偶優勢指數（OEP）可用于判斷有機母質來源及演化過程中所處的成巖環境和早期熱演化程度。對研究區林西組富有機質頁巖樣品的OEP指數的計算表明，OEP指數值域總體較低（絕大部分數據＜1.2），集中于1.0左右，除去個別數據點外，總體呈現近奇偶平衡特點。結合飽和烴色譜峰分布特點，揭示出研究區在晚二疊世時期具有水生生物繁茂，可能伴隨陸源有機碎屑注入，后期成巖環境偏還原性，源巖有機質演化程度可能較高的特征（表2、圖2、圖3-C、圖3-D）。

Pr/nC17為反映有機母質來源和成熟度指標的參數。研究區林西組富有機質頁巖樣品Pr/nC17平均為1.39，一定程度上表現出陸源有機質注入特點；Ph/nC18可作為有機母質演化中主要催化礦物和所處早期成巖環境的指標，該值平均為1.62，表現為黏土礦物催化下，早期成巖環境偏氧化性特征（表2）。另一方面，隨著降解程度的增加，Pr/nC17和 Ph/nC18之比也相應變大［19］；較高參數值可能預示林西組富有機質頁巖在演化早期歷經了一定程度的生物降解作用（表2、圖2）。

對已經進入成熟演化階段的富有機質頁巖而言，Pr/Ph可以用于描述古環境和有機質來源。本研究區該參數值較低，平均為0.34，為還原性的海洋沉積環境。成巖環境總體偏還原性（植烷優勢），表現出碳酸鹽礦物催化的特點。值得注意的是，Pr/Ph、Pr/nC17與 Ph/nC18在對研究區樣品的評價標準應用上應考慮到姥鮫烷（Pr）和植烷（Ph）的抗生物降解性強于正十七烷（nC17）和正十八烷（nC18），在研究區古環境評價上Pr/Ph的代表性和可靠性可能相應更好（表2、圖2、圖3-E、圖3-F）。

應用成熟的研究圖版［18］，對樣品的多因素分析表明，本研究區林西組頁巖有機母質表現為半咸水—咸水成因（圖4-A），揭示出有機母質應以Ⅱ型（混合型）為主，形成和演化環境總體偏還原性；沉積水體具有一定咸度，且具水生生物與陸源有機質混合輸入的特點（圖4-B）。

2 微量元素特征

微量元素分析是研究沉積環境中水體含鹽度的重要方法［20－22］，主要包括了對硼、鍶、鋇、鎵等元素的分析。本文此處原始數據來源于文獻［15］（研究區具重合性）和［16］。

根據C.T.Walker等發表的論文［23，24］，對研究區林西組頁巖樣品微量元素數據進行再分析確有必要。

根據C.T.Walker提出的理論模型［23，24］，不同種類的黏土礦物對硼元素的吸附能力不同，以伊利石最強。而巖石有機母質會對母巖中K2O含量產生“稀釋效應”，形成伊利石組分內K2O的富集；因此Walker建議對硼元素含量和K2O含量進行校正后，再應用理論圖版求取“相當硼含量”（伊利石中K2O的質量分數為5%時對應的硼含量）來對古鹽度進行評價［24］（圖5）。

圖4 Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18分析圖Fig.4 Analytical graphics in Pr/Ph，Pr/nC17，Ph/nC18

校正公式［23，24］為

校正硼含量：

伊利石K2O含量：

根據式（1）和（2），相當硼含量的理論求取公式為（圖5）

圖5 林西組頁巖相當硼含量修正圖版Fig.5 Cross plot between adjusted boron and percent of K2O pure illite of the Linxi Formation shale

其中：wBe為相當硼含量（質量分數）計算值（10－6）；wBc為校正硼含量（質量分數）計算值（10－6）；wK2O為 K2O 含量（質量分數）校正值（%）。

根據圖5，露頭和巖心樣品的相當硼含量相對聚斂于圖版的不同區域，形成該現象的原因可能為露頭樣品在風化淋濾作用下，抗風化能力較強且富鉀的伊利石相對富集，而硼含量則因被搬運等因素相應較低。因此，應根據巖心實測數據對露頭樣品中的硼元素及其他微量元素指標進行校正（表3），校正公式為

其中：A′i為露頭數據校正值；Ai為實測露頭數據；Aj為實測巖心數據；m為巖心樣品數；n為露頭樣品數。

泥頁巖黏土礦物中的絕對硼含量與水體鹽度有關（表4）。硼元素的絕對含量常作為古水體鹽度的標志，根據數據校正結果，絕對硼質量分數的校正后平均值為105.42×10－6，顯示半咸水—咸水特征。統計表明，絕對硼質量分數范圍相對集中于（100～130）×10－6，具有一定的正態分布性（圖6-A、B），應用正態分布公式［式（5）］對75%條件概率下絕對硼質量分數計算值為84.89×10－6，表現為咸水特征（表5）。

表3 林西組泥頁巖微量元素露頭樣品數據校正Table 3 Calibrated data in microelements parameters of the Linxi Formation shale from outcrop

表4 林西組泥頁巖微量元素沉積特征數據Table 4 Characteristics of the microelements from the Linxi Formation shale in sedimentary environments

式中：f（x）為累計概率密度；σ為樣品數據標準差；x為不同條件概率下的預期數據值；Ai’為露頭數據校正值；Aj為實測巖心數據；m為巖心樣品數；n為露頭樣品數。

相當硼含量是對伊利石校正后的“標準硼含量”；相比絕對硼含量，該數據排除了伊利石中K2O含量波動，及有機碳對K2O的“稀釋作用”的影響，具有更高的準確性和靈敏度［22］。研究區林西組相當硼質量分數平均為245.01×10－6，分布范圍相對集中于（220～280）×10－6，具一定的正態分布性（圖6-E、F），70%～75%條件概率下計算值分別為195.54×10－6、206.55×10－6，呈現半咸水特征（表4、表5）。

鍶含量和wSr/wBa也是沉積水體鹽度的評價指標（表4）。前人研究表明，隨著水體礦化度逐漸增高，鋇首先以硫酸鋇形式沉淀，硫酸鍶沉淀只有當水體礦化度達到一定程度后才能產生［25］。林西組頁巖中鍶的平均質量分數為283.07×10－6，相對集中于（200～350）×10－6（圖6-C、D），已接近半咸水標準的下限；wSr/wBa平均為0.60，相對集中于0.4～0.7（圖6-G、H）。75%條件概率下鍶含量和wSr/wBa計算值分別為193.13×10－6、0.48（表5）。總體而言，研究區林西組頁巖樣品的鍶含量和wSr/wBa相對較低，結合wSr/wBa與硼含量、主峰碳分布、OEP數據，呈現出造山隆起過程中逐漸退卻并接受淡水與陸源碎屑補給的中—低鹽度水體特征。

此外，wB/wGa亦可用于古水體環境的定性評價（表4）。林西組頁巖樣品wB/wGa平均為6.14，相對集中于4.5～7.5（圖6-I、J），總體較高，75%條件概率下的計算值為4.8，結合硼、鍶、鋇含量，表現為過渡環境特征（表5）。

雙因素分析表明，林西組頁巖形成時，水體環境總體為具有一定鹽度的海相或半咸水湖相環境，隨著晚海西—印支造山運動程度加劇，在之后的演化過程中陸相沉積才逐漸占據優勢（圖7）。

3 結論

圖6 林西組頁巖微量元素指標（對露頭樣品數據校正后）Fig.6 Statistics of microelements parameters from the Linxi Formation shale

圖7 林西組頁巖微量元素交匯圖（對露頭樣品數據校正后）Fig.7 Cross plots between different microelements parameters

表5 林西組泥頁巖微量元素概率計算Table 5 Calculation of microelements parameters from the Linxi Formation shale under different probabilities

a.扎魯特旗地區上二疊統林西組富有機質頁巖地球化學特征表明，古生代晚期，研究區為陸殼拼貼背景下的殘留海盆或大型半咸水湖盆，來自周緣陸地的淡水和各類碎屑物源充分，具有一定的鹽度，環境類似于今日的黑海和北歐峽灣地區。

b.在晚二疊世，研究區及周緣地區仍為板塊拼合初期的海相沉積環境；華北和西伯利亞兩大板塊陸殼的拼貼時間可能發生于晚石炭世到早二疊世之間。

c.晚二疊世時期，研究區水體總體退卻，在此過程中，易形成安靜的滯留性水體，沉積穩定持續，為形成暗色富有機質泥巖的有利條件。盡管研究區的林西組泥頁巖具有良好的油氣勘探前景和有利條件，但有機質演化和降解的程度偏高成為勘探的重要風險因素，應予以充分考慮。

d.在對研究區目的層沉積環境的研究中，樣品飽和烴生物標志化合物和微量元素特征所揭示的地質信息展現出較好的一致性和互補性，在頁巖油氣勘探工作中值得進一步挖掘其價值。

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