鹿邑凹陷太原組-山西組泥巖元素地球化學特征及對沉積環境的指示

常海亮， 張宏偉， 杜春彥， 祝朝輝， 段超， 侯雪剛

(河南省自然資源科學研究院， 鄭州 450053)

繼中國南方海相頁巖氣勘探取得重大突破后，南華北地區上古生界山西組和太原組海陸過渡相煤系地層因具有較好的烴源巖條件而成為頁巖氣勘探和研究的重點[1-11]。2014年以來先后實施了尉參1井、通許1井、ZXY1井、MY1井、ZDY2井、LY1井等多口非常規天然氣探井。其中MY1井山西組和太原組壓裂后日產1 256 m3頁巖氣，ZDY2井太原組壓裂后日產3 614 m3頁巖氣，為南華北頁巖氣商業開發帶來曙光[2,4]。

鹿邑凹陷山西組和太原組煤系地層保存完整，油氣勘探與研究工作始于20世紀60年代，由于常規油氣未能取得重大突破，近20年來勘探工作止步不前。2021年7月完鉆的以頁巖氣調查為目的而實施的LY1井于山西組和太原組地層中均鉆遇了厚度大于50 m的暗色泥巖，泥巖總有機碳含量(total organic carbon，TOC)普遍大于1%，山西組泥巖最大含氣量達2.34 m3/t，太原組泥巖最大含氣量達5.42 m3/t，局部含煤線的泥巖含氣量高達13.59 m3/t，顯示很好的頁巖氣勘探前景。研究表明，沉積環境及其變化是控制烴源巖的成因、分布及有機質類型的主要因素，甚至對儲層孔隙結構及儲集空間類型產生重要影響，因此，沉積環境分析作為頁巖氣基礎地質研究的重要內容，已成為不爭的事實[12-15]。然而，以往關于鹿邑凹陷的研究工作主要集中在常規含油氣系統、成藏條件、熱演化與生烴模式等方面，例如王宗禮等[11,16]指出該地區具有良好的烴源巖基礎和油氣保存條件，但砂巖物性較差，屬斷塊型圈閉，具備二次生烴條件；周麗[17]對烴源巖進行分類評價后指出鹿邑凹陷為烴源巖發育有利地區之一；劉建等[18]認為鹿邑凹陷主要生烴期為早-中三疊世，印支-燕山期生烴停滯，喜山期以生氣為主，并建立了生烴模式。由于前人研究的側重點不同，關于沉積環境的報道極少且概略，僅見少數學者從區域研究的角度對沉積相類型予以劃分或闡述，但觀點不統一。例如，周麗[17]認為太原組經歷了濱海瀉湖沼澤相、開闊海灣相、海灣瀉湖沼澤相和淺海相沉積，山西組經歷潮坪相和三角洲相沉積；宋慧波等[19]認為太原組為開闊臺地-潮坪-瀉湖相沉積；李楊等[20]認為太原組和山西組下部為潮坪-瀉湖相沉積，山西組上部為三角洲沉積等。這些研究中均未對太原組和山西組沉積期古氣候條件、古水深、古鹽度、古氧化還原條件等進行詳細討論，是造成認識存在區別的主要原因之一。鑒于LY1井海陸過渡相頁巖氣出現較好的苗頭與薄弱的研究現狀之間的矛盾以及沉積環境研究在頁巖氣基礎地質工作中的重要性，認為有必要對該地區太原組和山西組的沉積環境特征予以進一步探討。

沉積巖中元素的分散、聚集往往受古氣候、物源性質、古水體化學條件的影響，是整個沉積演化過程的真實記錄，通過對沉積巖中元素分布規律的探討，有助于了解沉積環境及其變化特征，因此，沉積地球化學研究成為沉積環境分析的重要手段，并在海相、海陸過渡相及陸相沉積環境分析中得到廣泛應用，如黃梓桑等[13]研究指出蜀南地區五峰組和龍馬溪組下部為缺氧的靜水沉積，上部為氧化環境，海平面變化影響有機質的富集； Rimmer[21]認為阿巴拉契亞盆地中部泥盆紀黑色頁巖主要形成于震蕩的缺氧沉積環境；馬小敏[22]分析認為黃縣盆地古近系煤層的沉積環境為濕潤古氣候還原條件下的陸相淡水環境，間歇受到海水影響；王善博等[23]研究認為塔然高勒地區侏羅系直羅組沉積期古氣候經歷干旱—濕潤—干旱的轉變，古水體為富氧的淡水-半咸水環境，原巖為前寒武紀變質巖；黃光輝等[24]研究指出巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段沉積期古氣候、古鹽度和氧化還原條件變化顯著；司錦等[25]分析認為鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組沉積期為溫暖潮濕氣候，水體為氧化到還原的過渡階段，總體表現為濱淺海-三角洲復合沉積環境。現首次在鹿邑凹陷采用沉積地球化學分析的方法，以LY1井為例，通過對泥巖樣品進行元素地球化學分析，探討其垂向變化規律，結合巖石學特征，分析太原組和山西組沉積期古氣候、古水深、古鹽度、古氧化還原條件等特征及對有機質富集和保存的影響。以期對鹿邑凹陷上古生界沉積格局的恢復及非常規天然氣勘探與評價具有重要的理論和實際意義。

1 地質背景

圖1 研究區位置及構造圖Fig.1 The location and structure of research area

鹿邑凹陷大地構造位置上位于南華北盆地周口坳陷北部凹陷帶的東端，北以磚樓斷裂為界，與太康隆起相鄰，南部以鄲亳斷裂、新站社斷裂為界，與鄲城凸起相鄰，西為西華斜坡和遜母口凹陷，整體呈近東西向展布。區內斷層發育，多形成于喜山期，且以NW和NE向為主，如圖1所示。晚石炭世至早二疊世，區域上接受了一套陸表海背景下的海陸過渡相煤系地層沉積。其中，太原組上部巖性為灰色生屑灰巖、灰色微晶灰巖夾深灰色、灰黑色泥巖及灰色細砂巖；中部為灰黑色泥巖夾深灰色、灰色灰巖、細砂巖；下部為深灰色灰巖夾灰黑色泥巖、粉砂質泥巖，與下伏本溪組不整合接觸。山西組上部巖性為灰色、深灰色、灰黑色泥巖、粉砂質泥巖夾灰色細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖，下部為灰黑色泥巖夾粉砂質泥巖、粉砂巖和煤層，與太原組之間為連續沉積。

2 樣品采集與分析

研究共完成泥巖元素分析18 件，其中太原組8 件、山西組10 件；樣品檢測由中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所完成，檢測依據《耐火材料X射線熒光光譜法化學分析 熔鑄玻璃片法》(GB/T 21114—2019)、《硅酸鹽巖石化學分析方法 第29部分：稀土等22個元素量測定》(GB/T 14506.29—2010)、《硅酸鹽巖石化學分析方法 第30部分：44個元素量測定》(GB/T 14506.30—2010)執行，滿足研究需要。

3 測試結果

3.1 主量元素

LY1井泥巖樣品主量元素測試結果如表1所示。

表1 LY1井太原組-山西組泥巖主量元素組成及特征參數

山西組和太原組泥巖主量元素全巖氧化物均以SiO2和Al2O3為主，其中太原組SiO2含量介于35.34%～61.70%，平均52.92%，Al2O3含量介于15.46%～22.98%，平均18.76%；山西組SiO2含量介于52.88%～64.59%，平均59.66%，Al2O3含量介于14.87%～24.64%，平均21.19%，均略高于太原組。太原組和山西組中SiO2含量均低于上地殼平均值，而Al2O3含量均高于上地殼平均值。次要成分以TFe2O3、K2O、MgO為主，其中太原組泥巖TFe2O3含量介于1.42%～10.24%，平均6.63%，K2O含量介于1.14%～4.10%，平均2.31%，MgO含量介于0.46%～1.87%，平均1.16%，山西組泥巖TFe2O3含量介于1.3%～9.41%，平均4.96%，K2O含量介于1.62%～3.16%，平均2.11%，MgO含量介于0.41%～1.81%，平均0.94%，二層位間差別不明顯，但均略低于上地殼平均值。

3.2 微量元素

LY1井泥巖樣品微量元素測試結果如表2所示。與上地殼相比，太原組泥巖樣品中Li中等富集，V、Cr、Co、Ni、Zn、Mo、Cs、Th、U弱富集，Rb、Sr、Nb、Ba中等虧損，如圖2所示。山西組泥巖樣品中Li、V、Cr、Co、Ni、Ga、Y、Cs、Hf、Pb呈弱富集，Rb、Ba呈弱虧損，Sr呈中等虧損，如圖3所示。

圖2 太原組泥巖微量元素蛛網圖Fig.2 Spider diagram of trace element of mudstone in Taiyuan Formation

圖3 山西組泥巖微量元素蛛網圖Fig.3 Spider diagram of trace element of mudstone in Shanxi Formation

3.3 稀土元素

稀土元素分析結果如表2所示，太原組泥巖樣品稀土元素總含量∑REE介于119.04～364.34 μg/g，平均252.82 μg/g，普遍高于上陸殼平均值；輕稀土元素總量與重稀土元素總量的比值LREE/HREE介于9.2～23.75，平均值為12.47；單元素輕重稀土元素比值LaN/YbN介于1.34～4.42，平均值為2，輕重稀土分異中等-較強。北美頁巖標北美頁巖標準化配分曲線整體呈平坦狀，個別樣品呈右傾型，如圖5所示。

準化配分曲線呈平坦狀，如圖4所示。山西組泥巖樣品∑REE介于212.45～468.72 μg/g，平均339.20 μg/g，明顯高于上陸殼平均值(146.37 μg/g)，LREE/HREE介于7.62～14.5，平均值為10.06，LaN/YbN介于1.28～3，平均值為1.71，輕重稀土分異中等。

圖4 太原組泥巖稀土元素配分模式圖Fig.4 REE patterns of the mudstone in Taiyuan Formation

圖5 山西組泥巖稀土元素配分模式圖Fig.5 REE patterns of the mudstone in Shanxi Formation

4 討論

4.1 古氣候

4.1.1 化學蝕變指數法

古氣候條件是影響母巖風化強度的關鍵因素之一，化學蝕變指數(chemical index of alteration，CIA)是反映古氣候特征的重要參數，應用廣泛[28-31]，該指數越大，反映化學蝕變越強，往往指示濕潤的古氣候環境。8件太原組泥巖樣品CIA介于70.82～92.74，平均值為82.58，均遠大于上陸殼均值(56.93)；10件山西組泥巖樣品CIA介于77.12～91.07，平均值為86.68。在CIA-w(Al2O3)-w(CaO+Na2O)-w(K2O)圖解上，樣品主要落在強化學蝕變區，其次為中等化學蝕變區，如圖6所示。反映太原組和山西組沉積期具有溫暖、濕潤的古氣候背景。

w為質量分數圖6 太原組、山西組泥巖CIA-w(Al2O3)-w(CaO+Na2O)-w(K2O) 三角圖Fig.6 CIA-ACNK diagram of mudstone in Taiyuan Formation and Shanxi Formation

4.1.2 SiO2/Al2O3比值法

SiO2/Al2O3可用來反映Si通過化學淋溶搬運的變化情況，當SiO2/Al2O3值>4時，反映巖石中SiO2運移極少，指示以干燥氣候條件下的物理風化為主，反之，當SiO2/Al2O3值<4時，SiO2已大量遷移，指示以濕潤氣候環境下的化學風化為主[32-33]。太原組泥巖樣品SiO2/Al2O3值介于1.19～3.78，平均值為2.70，山西組泥巖樣品SiO2/Al2O3值介于2.26～4.21，平均值為2.88；18件樣品中僅山西組1件樣品的SiO2/Al2O3值略大于4，垂向上，二者差異不明顯，如圖7所示。整體反映濕潤的古氣候背景下，母巖經歷了較強烈的化學風化。

4.1.3 Sr/Cu比值法

微量元素的富集往往受古氣候的影響，其中喜干元素Sr與喜濕元素Cu比值常被用來判別古氣候，當Sr/Cu值<10時，指示溫濕氣候，Sr/Cu值>10時，指示干熱氣候[33-34]。太原組泥巖樣品Sr/Cu值介于2.74～55.47，平均值為13.79，山西組泥巖樣品Sr/Cu值介于1.07～11.69，平均值為5.28，其中1件太原組樣品表現出較高的Sr/Cu值(55.47)，其余樣品中僅極少數略高于10，自下而上，Sr/Cu值呈震蕩式降低的趨勢，如圖7所示。整體反映溫暖濕潤的古氣候環境。

圖7 LY1井沉積環境地球化學參數垂向變化特征Fig.7 Vertical variation characteristics of geochemical parameters of sedimentary environment in LY1 well

4.2 古氧化還原條件

過渡金屬元素V、Cr、Co、Ni等對沉積環境的氧化還原條件具有較強敏感性而被廣泛應用[35-38]。在氧化條件下，這些元素容易遷移，而在還原條件下容易沉淀，一般采用V/(V+Ni)值、V/Cr值和Ni/Co值來判別沉積環境的氧化還原性：氧化條件下，V/(V+Ni)值<0.6，V/Cr值<2，Ni/Co值<5；弱氧化-弱還原環境下，V/(V+Ni)值介于0.6～0.84，V/Cr值介于2～4.5，Ni/Co值介于5～7；還原環境下，V/(V+Ni)值>0.84，一般介于0.84～0.89，V/Cr值>4.5，Ni/Co值>7[21]。

太原組泥巖樣品V/(V+Ni)值介于0.66～0.86，平均值為0.78，V/Cr值介于1.07～2.65，平均值為1.79；Ni/Co值介于1.32～3.46，平均值為2.18，反映弱氧化-弱還原為主的沉積環境。山西組泥巖樣品V/(V+Ni)值介于0.65～0.85，平均值為0.76，V/Cr值介于1.46～2.6，平均值為1.86，Ni/Co值介于1.27～3.34，平均值為1.93，反映山西組沉積水體偏氧化的特征，局部為弱氧化-弱還原沉積環境。

此外，Cu/Zn值的高低也常被用以反映沉積環境的氧化還原性[39]。富氧環境下，Cu/Zn值>0.63，弱氧化環境下，Cu/Zn值介于0.50～0.63，弱氧化-弱還原環境下，Cu/Zn值介于0.38～0.50，弱還原環境下，Cu/Zn值介于0.21～0.38，厭氧環境下Cu/Zn值<0.21。太原組泥巖樣品Cu/Zn值介于0.12～0.40，平均值為0.21，以還原-弱還原沉積環境為主；山西組泥巖樣品Cu/Zn值介于0.08～1.41，平均值為0.35，自下而上，Cu/Zn值呈微弱的增加趨勢，如圖7所示，反映整體以還原-弱還原沉積環境為主，局部為氧化環境。

不同的地球化學參數所反映同一層位沉積環境的氧化還原性存在一定差異，但垂向上，各參數呈現一定的變化規律，從太原組沉積期至山西組沉積期，沉積水體的還原性逐漸減弱，氧化性逐漸增強。結合地層巖性及含有物特征，如太原組和山西組下部泥巖多以灰黑色、深灰色為主[圖8(a)、圖8(b)]，其次為黑色，太原組泥巖中常可見較多的黃鐵礦[圖8(a)]，局部呈紋層狀產出等現象，山西組下部發育生物擾動構造[圖8(c)]，黃鐵礦含量較低[圖8(b)]，至山西組上部為灰色、淺灰色[圖8(d)]，偶見黃鐵礦等。綜合認為，太原組和山西組下部沉積期水體以還原-弱還原環境為主，山西組上部則以弱氧化-弱還原環境為主，水體的氧化、還原性具有頻繁交替的特征。

圖8 LY1井巖心照片Fig.8 Core photo of LY1 well

4.3 古鹽度

4.3.1 微量元素含量法

沉積環境的鹽度對沉積巖中Li、Ni、Ga、Sr的含量有較明顯的控制作用，這幾種元素含量常被用來判別古沉積環境的鹽度[34-35]，一般在鹽水(海相)沉積環境下Li含量高于150 μg/g，Ni含量高于40 μg/g，Ga含量低于8 μg/g，Sr含量介于800～1 000 μg/g，而在淡水(陸相)沉積環境下，Li含量低于90 μg/g，Ni含量介于20～25 μg/g，Ga含量高于17 μg/g，Sr含量介于100～500 μg/g[40]。太原組泥巖樣品Li含量介于26.8～209 μg/g，平均103.86 μg/g，Ni含量介于10.6～77.6 μg/g，平均33.61 μg/g，Ga含量介于20～27.4 μg/g，平均22.5 μg/g，Sr含量介于41.4～487 μg/g，平均205.89 μg/g；山西組泥巖樣品Li含量介于16.9～144 μg/g，平均66.04 μg/g，Ni含量介于15.3～52 μg/g，平均31.39 μg/g，Ga含量介于23.1～33.5 μg/g，平均26.68 μg/g，Sr含量介于59.8～222 μg/g，平均126.06 μg/g；自下而上，Li的含量呈先增加、再震蕩式降低的趨勢，Ni含量呈震蕩式分布特征，Ga含量呈震蕩式增加的趨勢，Sr含量呈震蕩式降低的趨勢，如圖7所示，微量元素含量的變化特征反映太原組和山西組屬半咸水-淡水沉積環境，且鹽度自下而上呈震蕩式降低的趨勢。

4.3.2 比值法

(1)Sr/Ba比值法。由于Sr、Ba對沉積水體古鹽度具有較強的敏感性，Sr/Ba值常被用來作為判斷沉積環境古鹽度的重要指標，當Sr/Ba值>1.0時，為海水沉積，介于0.5～1.0時，為半咸水沉積，Sr/Ba<0.5時，為淡水沉積。但Sr的含量往往受樣品中碳酸鹽礦物含量的影響，X衍射分析結果顯示，本次研究泥巖樣品中碳酸鹽礦物(方解石+白云石)含量普遍低于1%，對Sr含量的影響可以忽略。LY1井太原組泥巖Sr/Ba值介于0.53～2.51，平均值為1.09，整體反映咸水-半咸水沉積環境；山西組泥巖Sr/Ba值介于0.16～0.99，平均值為0.39，整體反映半咸水-淡水沉積環境。自下而上，Sr/Ba值表現出震蕩式變小的趨勢，如圖7所示，反映水體逐漸變淺，淡水間歇式注入的特點。

(2)TOC/TS(全硫)比值法。通常咸水中硫酸鹽濃度要高于淡水，更有利于黃鐵礦形成，進而表現出較低的TOC/TS值。因此，TOC/TS值也可以作為水體古鹽度的良好指示劑[38]，研究指出TOC/TS值在2.8左右為咸水環境，TOC/TS值?2.8指示淡水環境[41]。67件太原組泥巖樣品的TOC/TS值介于0.07～68.94，平均值為4.95；82件山西組泥巖樣品的TOC/TS值介于0.82～102.5，平均值為10.84，自下而上，在太原組-山西組下部，該比值震蕩式加大，山西組上部則迅速加大，如圖7所示，反映淡水由間歇注入向持續注入的轉變。

4.4 古水深

沉積巖的顏色、巖性、結構構造、生物遺跡等的發育情況受古水深影響明顯，是反映古水深的良好標志。當沉積水體較深時，水體含氧量低，還原性增強，泥巖顏色以深色為主，沉積構造以反映低能水動力環境為主的水平層理等為主，隨著水體變淺，顏色逐漸變淺，反映較強水動力條件的沉積構造如交錯層理、波痕及沖刷侵蝕現象常可見及。太原組泥巖顏色以深灰色、灰黑色為主，發育水平層理和黃鐵礦紋層，整體反映一種水動力條件較弱、還原性較強的沉積環境，沉積水體往往較深。山西組下部泥巖與太原組特征較為相似，而山西組上部泥巖則以灰色、淺灰色為主，砂巖中發育較多交錯層理，整體反映水動力較強，偏氧化的淺水沉積環境。

沉積巖中鋯(Zr)主要賦存在化學性質穩定的鋯石中，以碎屑礦物形式搬運，常沉積于水體較淺區域，銣(Rb)的化學性質活潑，易于遷移，主要賦存在黏土礦物、云母等細粒沉積物中，并沉積于水體較深的低能環境中，因此，Rb/Zr值常被用來判別沉積水體相對深度[28,33]。該比值越大，反映沉積水體越深，陸源碎屑供給不足。太原組樣品Rb/Zr比值介于0.04～0.77，平均值為0.38；山西組樣品Rb/Zr值介于0.14～0.43，平均值為0.29。自下而上，Rb/Zr值呈震蕩式減小，如圖7所示，反映水體震蕩式變淺，水動力逐漸增強。結合巖心特征，推測太原組、山西組下部沉積水體深度介于15～30 m，山西組上部沉積水體深度小于20 m。自下而上，水體震蕩式變淺。

4.5 沉積速率

稀土元素的分異程度是判別沉積速率的重要參數之一[42]，黏土礦物等細粒沉積物是稀土元素吸附的主體，當沉積速率較慢，其在水體中停留時間較長時，REE分異較強，當沉降速率較快時，REE隨吸附物快速沉積，其分異程度則較弱。LREE/HREE和LaN/YbN是反映輕重稀土元素分異的重要參數，太原組泥巖樣品LREE/HREE值介于9.20～13.75，平均值為11.06，LaN/YbN介于1.34～2.24，平均值為1.70，輕、重稀土分異均中等-較強，山西組泥巖樣品LREE/HREE值介于7.62～14.5，平均值為10.06，LaN/YbN介于1.18～3.00，平均值為1.71，輕、重稀土分異均中等-較強。垂向上，太原組沉積速率相對穩定，山西組沉積速率波動幅度較大，且略高于太原組，如圖7所示。

4.6 有機質的富集與保存

LY1井巖心中可見大量植物碎屑，是山西組和太原組重要的生烴物質，本次分析結果中除個別樣品TOC過小(<0.5%，未達到烴源巖標準)或過高(>6%，達到碳質泥巖標準)外，其余樣品表現出w(TOC)與CIA之間存在一定的正相關關系，如圖9所示，表明濕潤的氣候環境有利于植被的生長和有機質的富集。

圖9 太原組、山西組泥巖CIA-w(TOC)相關關系圖Fig.9 Correlation diagram of TOC-CIA of mudstone in Taiyuan Formation and Shanxi Formation

圖10 山西組、太原組泥巖w(TOC)-w(TS)-w(Fe)圖解Fig.10 Ternary TOC-TS-Fe diagram of mudstone in Taiyuan Formation and Shanxi Formation

有機質沉積之后的環境對有機質保存和后期熱演化生烴具有重要影響。前人開展了大量研究，并編制了w(TOC)-w(TS)(全硫)-w(Fe)(全鐵)三角圖解用以判別泥巖的有機質保存條件[28,43-44]。圖10中，黃鐵礦礦化程度(degree of pyritization，DOP)為反映泥巖黃鐵礦化程度的指數，其大小與水體含氧量呈負相關。由圖10可知，太原組樣品位于貧氧和缺氧環境區域內，少數樣品位于氧化環境區域內，且遠離w(Fe)-w(TOC)線；山西組上部樣品主要位于氧化環境區域內，且遠離w(Fe)-w(TOC)線，下部樣品落入缺氧環境區域內，反映山西組下部與太原組沉積水體以缺氧和貧氧為主，二者沉積環境具有相似性，利于硫化物形成和有機質保存。而山西組上部沉積水體以富氧為主，不利于硫化物形成和有機質保存，進而對后期熱演化階段生烴不利。

5 結論

通過對鹿邑凹陷LY1井泥巖進行元素地球化學分析，結合巖石學特征，探討了山西組、太原組沉積期古氣候條件、沉積環境的氧化還原性、古水深、古鹽度、沉積速率和有機質保存條件，得出如下結論。

(1)化學蝕變指數(CIA)、SiO2/Al2O3值和微量元素Sr/Cu值顯示太原組、山西組沉積期為溫暖濕潤的古氣候背景，母巖經歷了較強烈的化學風化。

(2)微量元素和巖石學特征分析表明，太原組、山西組沉積期水體以微咸水-淡水為主，自下而上，淡水注入量逐漸增加。太原組水體相對較深，沉積速率相對穩定，且以還原-弱還原條件為主；山西組沉積期水體呈震蕩式變淺，沉積速率變化較大，且下部以還原-弱還原條件為主，上部則以弱氧化-弱還原的過渡環境為主。

(3)受古氣候和古氧化還原條件的影響，太原組、山西組沉積期植被發育，有利于有機質富集，但太原組沉積環境更有利于有機質的保存，其次為山西組下部，山西組上部則對有機質的保存不利。