鄂爾多斯盆地東緣S區(qū)海陸過渡相頁巖古環(huán)境研究

葉 輝，牟蜚聲，張洋洋，尹相東

（西南石油大學 地球科學與技術(shù)學院，四川成都 610500）

北美海相頁巖氣的成功極大推動了全球非常規(guī)油氣勘探的進程，也堅定了各國、各油氣公司開展頁巖氣革命的信心。中國頁巖氣勘探首先在四川盆地早古生代海相頁巖取得突破，獲得了石油工業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為油氣地質(zhì)研究的熱點。除海相頁巖氣外，我國還發(fā)育晚古生代的海陸過渡相頁巖和中新生代的陸相頁巖。其中，海陸過渡相頁巖是我國重要的頁巖氣勘探領(lǐng)域。過渡相頁巖分布廣泛，資源潛力巨大，約占中國頁巖氣資源量的四分之一。過渡相頁巖氣勘探雖起步較晚，但仍具有較大潛力。目前在鄂爾多斯盆地西北部、東南部、湖南湘中漣源盆地和四川盆地川東地區(qū)取得了較好壓裂測試效果，測試產(chǎn)量為（0.23~5.3）×104m3/d，初步展現(xiàn)了勘探成效。

但與海相頁巖相比，海陸過渡相頁巖雖然分布廣泛，但頁巖規(guī)模相對較小、多巖性互層頻繁、單層厚度小，累計厚度大。過渡相頁巖有機質(zhì)豐度較高，有機質(zhì)類型以腐殖型和混合型為主。由于過渡相頁巖沉積于海陸交互環(huán)境，平面上相變較快，有機質(zhì)富集機理較為復雜，古環(huán)境及控碳作用研究相對較少。本文主要以鄂爾多斯盆地東緣S區(qū)上古生界石炭系和二疊系頁巖為研究對象，采用泥頁巖主微量元素測試方法，應用無機地球化學理論方法，對海陸過渡相頁巖古環(huán)境開展研究，初步分析了古氣候、古鹽度和古氧化還原條件，為頁巖有機質(zhì)富集機制和頁巖分布預測提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

S區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，位于晉西撓褶帶北部，地形呈東高西低，面積為3 000km2左右（圖1）[1]。華北板塊自晚石炭世后開始下沉，發(fā)育上古生界海陸過渡環(huán)境地層。其中，泥頁巖主要發(fā)育層段為上石炭紀本溪組及下二疊統(tǒng)的太原組和山西組。前人研究表明，鄂爾多斯盆地東緣沉積環(huán)境經(jīng)歷了從本溪組沉積時期的海洋環(huán)境到太原組、山西組沉積時期海陸過渡環(huán)境的轉(zhuǎn)變，最后到上覆石盒子組和石千峰組變?yōu)殛懴喹h(huán)境。本次研究的14個泥頁巖樣品來自下二疊統(tǒng)的太原組和山西組兩套海陸過渡環(huán)境沉積的地層。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造綱要及工區(qū)位置圖

2 海陸過渡相頁巖古環(huán)境研究

2.1 古氣候

元素比值Sr/Cu指示古氣候具有很好效果，當Sr/Cu為1~10時，氣候溫暖濕潤；當Sr/Cu>10時，氣候干燥炎熱[2]。本次研究14個樣品的Sr/Cu為1.28~8.1，平均值為4.67，表明S區(qū)太原組和山西組沉積時期氣候溫暖濕潤。太原組和山西組的平均Sr/Cu為5.2和4.45，二者差別不大。有學者認為Rb/Sr也可反映古氣候，高值指示濕潤氣候，低值指示干燥氣候[3]。太原組和山西組的平均Rb/Sr為3.87和5.93，二者差距也較小。這兩個指標都說明兩套地層沉積時期古氣候條件較為相似，都有利生物繁盛，為有機質(zhì)的富集奠定了環(huán)境基礎(chǔ)。

2.2 古鹽度

Zn/Co、Mo/Co和Sr/Ba等是良好的古鹽度指標，水體古鹽度是判斷海相、陸相及過渡相的重要依據(jù)之一[2]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，Zn/Co比值為0.9~24.45，海相環(huán)境該指標大于1 000，由此判斷S區(qū)山西組和太原組沉積并非真正的海洋環(huán)境。Sr/Ba比值為0.2~0.36，Sr/Ba>1指示海相，所以兩套地層為非海相沉積。從Sr-Ba圖版看，并結(jié)合前人對兩套地層沉積背景和沉積相特征研究，判斷S區(qū)山西組和太原組沉積環(huán)境為海陸過渡相和陸相，如圖2所示。

圖2 鄂爾多斯盆地東部S區(qū)太原組和山西組樣品Sr-Ba關(guān)系圖

2.3 古氧化還原條件

沉積水介質(zhì)的氧化還原性是影響有機質(zhì)富集的重要因素之一。大量研究表明，沉積水體的還原性最有利于有機質(zhì)的保存。因而，研究泥巖沉積環(huán)境的氧化還原性對于研究有機質(zhì)富集機理和分布具有重要意義。

（1）V/Cr。有學者提出由于V和Cr元素在氧化還原環(huán)境中含量的變化特征，V/Cr比值經(jīng)常被用來判斷古氧相，V/Cr＞4.25代表缺氧環(huán)境；V/Cr＜2代表沉積環(huán)境的含氧量高，V/Cr處于2~4.25指示過渡環(huán)境，碳酸鹽含量與顆粒粒度會影響V/Cr比值。山西組泥巖V/Cr為2.45~4.31，平均值為3.26；太原組泥巖V/Cr為2.16~3.66，平均值為2.79。該數(shù)據(jù)表明S區(qū)山西組和太原組總體上處于過渡環(huán)境，其中山西組下部泥巖V/Cr值為4.31，處于還原環(huán)境；總體上，山西組還原性相對太原組更強，也很可能太原組樣品點數(shù)較少導致統(tǒng)計不夠全面導致，下面的討論證實了這一點。

（2）Cu/Zn。有學者認為Cu/Zn也可以反映古氧化還原條件[4]。Cu/Zn<0.21指示還原環(huán)境，Cu/Zn>0.63代表氧化環(huán)境，中間數(shù)值代表過渡環(huán)境。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，山西組泥巖Cu/Zn為0.12~0.88，平均值為0.33，大部分樣品小于0.63，指示了還原環(huán)境和過渡環(huán)境；太原組泥巖Cu/Zn為0.08~0.34，平均值為0.17，表明以還原環(huán)境為主，其次是過渡環(huán)境。太原組泥巖比山西組更偏還原環(huán)境。

（3）Ce/La。Ce/La也是氧化還原條件的重要指標之一。一般認為，Ce/La>1.8代表還原環(huán)境，Ce/La<1.5代表氧化環(huán)境，中間數(shù)值代表過渡環(huán)境。統(tǒng)計14個樣品發(fā)現(xiàn)，山西組泥巖Ce/La為1.66~2.18，平均值為1.99；太原組泥巖Ce/La為2.04~2.17，平均值為2.12。由此可見，山西組和太原組泥巖都處于還原環(huán)境，太原組沉積環(huán)境還原性略強。

（4）其他指標。Ni/Co和U/Th也是氧化還原條件的常用指標[5]。一般認為，Ni/Co>7指示還原環(huán)境，Ni/Co<5指示氧化環(huán)境；U/Th>1.25代表還原環(huán)境，U/Th<0.75代表氧化環(huán)境。但實測的14個泥巖樣品Ni/Co和U/Th的數(shù)值范圍分別為1.43~6.04和0.17~1.31，大部分數(shù)值都指示氧化環(huán)境，與前面幾個指標不符。目前一般認為有機質(zhì)主要富集于還原環(huán)境，山西組和太原組泥巖有機質(zhì)含量較高，因而與已有認識矛盾。因此，這兩個參數(shù)定的標準不適合本區(qū)抑或本區(qū)這幾個元素發(fā)生遷移變化。

（5）氧化還原性與有機質(zhì)富集層位關(guān)系。據(jù)前人統(tǒng)計，鄂爾多斯盆地上古生界泥巖TOC含量較高，山西組有機碳含量均值為3.0%，太原組均值為4.1%，本溪組均值為2.7。泥巖樣品中，山西組TOC主要分布區(qū)間為1%~2%，占比34.2%；太原組TOC主要分布區(qū)間為大于3%，占比36%；本溪組TOC小于1%的占38.4，為主要分布區(qū)間。由此可見，太原組有機碳最為富集，其次是山西組，與當前認為太原組沉積環(huán)境還原性比山西組更強的認識一致。但由于山西組泥巖單層及累計厚度遠高于太原組和本溪組，因而海陸過渡相頁巖氣首先在山西組進行勘探并取得較好效果，但太原組也是潛在的頁巖氣有利勘探層系。

3 結(jié)論

依據(jù)泥巖主微量元素數(shù)據(jù)，對鄂爾多斯盆地東部S區(qū)山西組和太原組泥巖古沉積環(huán)境進行了研究，獲得了以下幾點認識：

1）山西組和太原組古氣候條件比較接近，都屬于溫暖濕潤類型，導致了生物繁盛，為有機質(zhì)沉淀和富集打下了基礎(chǔ)。

2）從泥巖Zn/Co和Sr/Ba指標看，山西組合太原組古鹽度很低，屬于非海相沉積；因此S區(qū)沉積環(huán)境自本溪組后進入海陸過渡環(huán)境，并可能以陸相環(huán)境為主。

3）山西組和太原組都處于還原環(huán)境和過渡環(huán)境，其中太原組沉積環(huán)境還原性略強于山西組，太原組泥巖平均TOC也更高。由此可見，強還原環(huán)境更有利于有機質(zhì)富集，在古氣候條件相當?shù)臈l件下，沉積水體還原性強有機質(zhì)更富集。有限樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在鄂爾多斯盆地東緣S區(qū)地質(zhì)條件下，Cu/Zn和Ce/La是最可靠的氧化還原指標，V/Cr次之，Ni/Co和U/Th已有判別標準不能指示氧化還原性。