陸相黑色頁巖沉積環(huán)境及有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制
——以鄂爾多斯盆地長7 段為例

劉翰林，鄒才能，邱振，尹帥，楊智，吳松濤，張國生，陳艷鵬，馬鋒，李士祥，張巖

1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065

3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安 710018

0 引言

世界油氣工業(yè)正在持續(xù)向非常規(guī)油氣推進(jìn)，頁巖油已逐步成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。中國陸相盆地頁巖油資源量遠(yuǎn)大于常規(guī)石油，其中重點(diǎn)盆地頁巖層系發(fā)育石油富集區(qū)帶33 個(gè)，資源規(guī)模約110×108t[2]?！笆濉保?016—2020 年）期間，中國加大陸相頁巖油的基礎(chǔ)研究、勘探開發(fā)、產(chǎn)能建設(shè)力度等，在鄂爾多斯盆地延長組黑色頁巖層系（長7段）中發(fā)現(xiàn)了我國首個(gè)10億噸級頁巖油大油田——慶城油田，累計(jì)提交探明地質(zhì)儲量達(dá)11.53×108t[3-4]。諸多勘探實(shí)踐表明，中高成熟度的厚層陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，如松遼盆地白堊系青山口組、四川盆地侏羅系涼高山組、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組、渤海灣盆地古近系沙河街組等，均具備頁巖油勘探開發(fā)的潛力，這是因?yàn)橐?guī)模富集的有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)轫搸r油大量生成與聚集提供物質(zhì)基礎(chǔ)[1,5]。鄂爾多斯盆地廣覆式分布的長7 段頁巖層系普遍發(fā)育異常高有機(jī)質(zhì)頁巖[6]，平均總有機(jī)碳（TOC）含量可達(dá)11.02%，最高可達(dá)35.80%[6-7]，明顯高于中國其他地區(qū)陸相頁巖，如松遼盆地古龍頁巖油田的青山口組頁巖（TOC 含量介于1.81%～2.74%）[8]、四川盆地涼高山組頁巖（TOC 含量介于0.51%～3.03%）[9]、濟(jì)陽坳陷古近系頁巖（TOC含量介于1%～4%）[10]等。鄂爾多斯盆地長7 段這一特征以及頁巖油的規(guī)模發(fā)育均與其沉積背景密切相關(guān)。一方面是因?yàn)殚L7 沉積時(shí)期為中三疊世拉丁階晚期，鄂爾多斯盆地在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)滅絕事件（Permian-Triassic Mass Extinction，PTME）之后發(fā)育了全球首個(gè)具備復(fù)雜湖泊生態(tài)系統(tǒng)的深湖環(huán)境[11]，這為水體中有機(jī)質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)與保存提供了有利條件；另一方面，長7段沉積期，鄂爾多斯盆地及周緣發(fā)生一系列區(qū)域地質(zhì)事件，包括水體貧氧—缺氧、重力流、火山噴發(fā)、地震、湖平面升降等[3-4,6]，在不同程度上促進(jìn)了長7 段異常高有機(jī)質(zhì)規(guī)模富集或優(yōu)質(zhì)儲層規(guī)模發(fā)育，該層系頁巖油甜點(diǎn)段的形成與分布是這些事件耦合沉積的結(jié)果[12]。前人已對該層系的沉積環(huán)境及有機(jī)質(zhì)富集主控因素開展了大量研究[2,6,13-17]，但針對其三個(gè)亞段（長73、長72和長71）的對比研究及有機(jī)質(zhì)富集的驅(qū)動(dòng)機(jī)制探討相對較少。因此，筆者在前人研究基礎(chǔ)上，選取盆內(nèi)5 口代表性鉆井的長7 段頁巖層系（圖1），針對各亞段開展巖石學(xué)、古生物學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)、元素地球化學(xué)等對比分析，以此探討陸相黑色頁巖的沉積環(huán)境及其有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制，以期為陸相頁巖油高效勘探開發(fā)提供重要理論支撐。

圖1 鄂爾多斯盆地延長組 7 段頁巖分布特征及采樣位置（a）全球古地理圖（～240 Ma，中三疊世）（修改自http://www.scotese.com）；（b）長7段沉積期古地貌剖面及采樣井位分布（據(jù)文獻(xiàn)[2]修改）；（c）鄂爾多斯盆地延長組7段沉積相分布圖（據(jù)文獻(xiàn)[18]修改）；（d）采樣井巖性變化及樣品分布Fig.1 Sedimentary facies zone characteristics and sampling location distribution of the Chang 7 member,Yanchang Formation,Ordos Basin

1 沉積背景及樣品信息

1.1 沉積背景

鄂爾多斯盆地位于我國中西部，橫跨陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古和山西五省，面積約25×104km2。盆地周緣被眾多山系包圍，構(gòu)造平緩，普遍發(fā)育千米距離內(nèi)起伏度低于10 m的小幅度鼻狀隆起。延長組自下而上發(fā)育10 個(gè)層段（油層組），是在持續(xù)坳陷和穩(wěn)定沉降過程中形成的一套陸源碎屑巖沉積體系，記錄了湖盆形成、發(fā)展和消亡的全過程。長7 沉積期，湖盆以半深湖—深湖環(huán)境為主，烴源巖平面分布范圍可達(dá)5.6×104km2[13-14]。結(jié)合沉積旋回及巖性組合變化，長7 段自上而下被劃分為三個(gè)亞段：長71、長72、長73亞段，長73亞段對應(yīng)湖盆的最大湖泛期，主要發(fā)育暗色泥巖、黑色頁巖，局部夾雜薄層粉—細(xì)砂巖和凝灰?guī)r。

1.2 井位分布及樣品

前人運(yùn)用印模法與沉積學(xué)方法相結(jié)合，較精確地恢復(fù)并劃分了長7段的古地貌單元[2]。本研究充分考慮并借鑒湖盆古地貌形態(tài)和沉積環(huán)境，選取5口鉆井（M53、L254、B522、Z40 和W336）長7 段頁巖作為研究對象（圖1）。其中M53井位于鎮(zhèn)原地區(qū)，沉積環(huán)境為淺湖相，靠近盆地西南部較陡窄的坡折帶，屬于湖盆古緩坡次級古地貌單元，共采樣18 塊；W336 井位于吳起地區(qū)，沉積環(huán)境為半深湖相，緊鄰盆地東北部的緩坡帶，共采樣54 塊。L254 井、B522 井和Z40井均屬于深湖相沉積，主要分布于湖盆古坳陷的中部位置，分別采樣49 塊、30 塊和53 塊。總體來看，5口采樣井覆蓋湖盆長、短軸方向不同沉積相帶和古地貌單元，共采樣頁巖樣品205塊。

2 長7段巖石學(xué)與地球化學(xué)特征

2.1 巖石學(xué)特征

長7段頁巖層系主要為深灰—灰黑色頁巖、灰黑色—淺灰色泥巖、灰黑色—灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、少量淺灰色細(xì)砂巖夾層和頻繁互層的凝灰?guī)r夾層。其中，頁巖水平層理發(fā)育，見大量紡錘狀、順層分布的膠磷礦結(jié)核（圖2a），偶見保存較完整的魚類化石（圖2b）、方解石脈（圖2c）和黃鐵礦層。其中，方解石脈厚度一般為0.5～1 cm，呈纖柱狀集合體形態(tài)，普遍被有機(jī)質(zhì)浸染而較污濁；層狀黃鐵礦較少見，而帶狀和透鏡狀黃鐵礦（圖2d）較常見，肉眼不可見明顯的黃鐵礦晶型，它們主要形成于后期成巖環(huán)境，可能指示了局部地區(qū)的湖底熱水活動(dòng)。炭化植物碎片（圖2e）和蟲孔構(gòu)造主要發(fā)育在泥巖和粉砂質(zhì)泥巖中。長7段條帶狀凝灰?guī)r層非常發(fā)育（圖2f），指示了較頻繁的火山活動(dòng)；震積巖的軟變形構(gòu)造特征是記錄古地震活動(dòng)的載體，長7段的“液化砂巖脈體”（圖2g）、“砂球構(gòu)造”均記錄古地震作用。長7段頁巖不僅有機(jī)質(zhì)含量高，紋層結(jié)構(gòu)極其發(fā)育，主要表現(xiàn)為不等厚且橫向分布不穩(wěn)定的淺褐色黏土紋層（單偏光下）、透明硅質(zhì)紋層（單偏光下）及黑色富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)紋層相互間頻繁互層，層間可以觀察到魚骨碎片（圖2h）、瓣鰓類化石（圖2i）、磷酸鹽化后的球形化石（圖2j）、金藻休眠孢囊化石（圖2k）以及草莓狀黃鐵礦（圖2l）等。長7 段豐富的、不同營養(yǎng)級的化石，指示較為復(fù)雜的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)[11-14]。

圖2 鄂爾多斯盆地延長組 7 段頁巖巖石學(xué)特征（a）膠磷礦結(jié)核及沿其內(nèi)緣生長的自生晶粒重晶石，Z40 井，長73亞段，1 473.5 m，單偏光；（b）方鱗片結(jié)構(gòu)保存完整的三疊鱈魚化石，W336 井，長71亞段，1 957.0 m；（c）方解石脈體，W336井，長73亞段，2 063.0 m；（d）脈狀黃鐵礦，B522井，長73亞段，1 950.7 m；（e）碳化植物碎屑和垂直蟲孔構(gòu)造，M53井，長72亞段，2 780.4 m；（f）凝灰?guī)r薄夾層，W336井，長73亞段，2 063.3 m，單偏光；（g）小型液化砂巖脈，Z40井，長73亞段，1 447.0 m，單偏光；（h）由魚骨碎屑組成的透鏡體，W336井，長71亞段，1 957.0 m，單偏光；（i）瓣鰓類化石聚集體，B522井，長73亞段，1 961.0 m，背散射電子；（j）富有機(jī)質(zhì)紋層中的磷酸鹽化藻類體囊果化石，Z40井，長73亞段，1 468.9 m，單偏光；（k）富有機(jī)質(zhì)紋層中的金藻休眠孢囊化石，L254井，長72亞段，2 541.0 m，二次電子；（l）豐富的草莓狀黃鐵礦順有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育，Z40井，長73亞段，1 457.0 m，背散射電子[16]Fig.2 Macropetrological characteristics of shale in the Chang 7 member of the Yanchang Formation,Ordos Basin

2.2 總有機(jī)碳和總硫特征

長7 段總有機(jī)碳（Total Organic Carbon,TOC）和總硫（Total Sulfur,TS）含量變化范圍較大，分別為0.30%～32.25%（平均值為7.30%）和0.01%～18.84%（平均值為3.79%）。比較湖盆不同沉積環(huán)境TOC 和TS 含量變化發(fā)現(xiàn)：從湖盆邊部（M53 井）向緩坡帶（W336 井）、湖盆坳陷區(qū)（L254 井）和湖底古脊/古溝道（Z40井、B522井）過渡，水體逐漸加深。伴隨水體深度加大（從M53井到B522井），TOC和TS均呈現(xiàn)增大趨勢（圖3a，b）。其中位于湖盆邊緣古緩坡地帶M53 井，TOC 和TS 含量最低，平均值僅為2.72%和0.22%；而位于湖盆中部古坳陷地帶B522 井，TOC 和TS 含量最高，平均值分別高達(dá)7.30%和3.79%。長7段TOC 含量（平均值為7.30%）是現(xiàn)代淡水環(huán)境中TOC含量（平均值為3.79%）的2倍，TS含量更是高達(dá)近26倍。

圖3 鄂爾多斯盆地延長組 7 段各亞段總有機(jī)碳含量（TOC）與總硫含量（TS）特征W336長73小層數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[6]，M53、L254、Z40的TOC數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[18]；（a）不同水體環(huán)境與長7段頁巖中TOC含量差異；（b）不同水體環(huán)境與長7段TS含量差異；（c）鄂爾多斯盆地延長組7段TOC、TS含量關(guān)系圖（硫化海洋、海洋環(huán)境、淡水環(huán)境數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[19]）Fig.3 Characteristics of total organic carbon (TOC) and total sulfur (TS) contents in each segment of the Chang 7 member,Yanchang Formation,Ordos Basin

長7 段樣品的TOC 和TS 含量具有較好的相關(guān)性，表現(xiàn)為樣品TOC 越高，TS 也隨之增大（圖3c）。前人基于現(xiàn)代沉積物環(huán)境研究[17,19-20]，將TOC和TS含量協(xié)變關(guān)系圖劃分為四個(gè)沉積區(qū)域，分別是硫化靜海沉積環(huán)境、正常海洋沉積環(huán)境、海水—淡水過渡沉積環(huán)境和淡水沉積環(huán)境。長71及長72亞段主要集中在區(qū)域I 范圍內(nèi)，樣品有機(jī)質(zhì)含量整體小于6%，數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中分布在淡水沉積環(huán)境，少量樣品分布在海水—淡水過渡沉積環(huán)境；長73亞段在區(qū)域I及區(qū)域II均有大量分布，其中，區(qū)域II有機(jī)質(zhì)含量整體大于6%，屬于異常高有機(jī)質(zhì)樣品。區(qū)域II數(shù)據(jù)點(diǎn)集中分布在正常海水環(huán)境及硫化靜海環(huán)境范圍，表明長73亞段異常高有機(jī)質(zhì)富集段發(fā)生了一定程度咸化。

2.3 元素地球化學(xué)特征

受物源、沉積環(huán)境及物理化學(xué)條件影響，沉積物的元素地球化學(xué)特征存在顯著差異。采用AxiosmAX 順序式波長色散型X 射線熒光光譜儀和ELEMENT XR 等離子體質(zhì)譜儀對延長組長7 段的217塊頁巖樣品進(jìn)行了主量元素和微量元素的測試。

2.3.1 主量元素

頁巖富含Si、Al 元素。海相頁巖（如牛蹄塘、龍馬溪、Barnett頁巖[21]）硅質(zhì)來源包括生物成因（如放射蟲骨骼）、次生成因（黏土成巖轉(zhuǎn)化）及陸源碎屑輸入。長7 段頁巖，除陸源碎屑及生物成因硅源外，火山噴發(fā)及熱液活動(dòng)也可形成無機(jī)化學(xué)成因硅。該類硅形成條件要求較為苛刻，要求湖底水體SiO2濃度達(dá)到160×10-6，長7 段古湖盆盆底具備無機(jī)硅形成的條件。張文正等[22]研究表明，長7段紋層狀凝灰?guī)r在湖盆東南部銅川市何家坊露頭及湖盆南部的正8、正5 井中紋層狀凝灰?guī)r極為發(fā)育，向北則逐漸降低，推測主火山口位于湖盆南部與秦嶺造山帶相鄰的位置。李森等[23]發(fā)現(xiàn)銅川瑤頁1 井長7 段有機(jī)質(zhì)豐度與黃鐵礦含量具有強(qiáng)正相關(guān)性，預(yù)示古水體可能有較高的硫酸鹽濃度，推測或與火山噴發(fā)、熱液活動(dòng)等有關(guān)。尤繼元[24]在長7 段頁巖中發(fā)現(xiàn)了熱液通道及煙囪殘片，來自幔源及深部地殼的噴積巖單礦物具有高U、Pb、As、Sr、Mo 值及Ti、Ta 負(fù)異常的原位地球化學(xué)屬性，表明深湖區(qū)湖底熱液活動(dòng)參與了富有機(jī)質(zhì)頁巖的形成過程。賀聰?shù)萚25]發(fā)現(xiàn)在長7 段超細(xì)粒沉積中發(fā)育薄層凝灰?guī)r與自生鈉長石充填、白鐵礦—黃鐵礦—硬石膏的共生組合，這些都是湖底熱液活動(dòng)相關(guān)的沉積記錄。整體來看，長7 段厚層凝灰?guī)r均位于南部深湖區(qū)，這些區(qū)域火山及熱液活動(dòng)強(qiáng)烈。上述報(bào)道支撐湖底存在噴發(fā)火山物質(zhì)，這些物質(zhì)易被水解，發(fā)生蒙脫石化，進(jìn)而釋放大量Si 元素。長7各亞段MgO、CaO及P2O5三個(gè)主量元素氧化物的百分含量具有較大差異（圖4a）；其中，MgO、CaO 相對百分含量的差異與長7 各亞段碳酸鹽或膏巖礦物含量不同有關(guān)，P2O5的差異與正磷酸鹽形態(tài)的富磷礦物含量相關(guān)。長73相比其他亞段具有更高的P2O5含量，代表其含有更多的磷灰質(zhì)組分或富含營養(yǎng)物質(zhì)。Khanet al.[26]的研究表明，頁巖中P2O5易于在原生孔隙、次生溶孔、脈體中發(fā)生交代、淋濾及風(fēng)化，造成P2O5含量與其他主量元素氧化物含量之間均無相關(guān)性。但是，P2O5含量與有機(jī)質(zhì)富集具有一定關(guān)聯(lián)，例如，Woodford頁巖中磷酸鹽濃度通常較低，但在該套頁巖上部，TOC高值段的磷酸鹽含量陡然上升，磷酸鹽組分含量與Mo或U無關(guān)，其受P2O5含量控制。

圖4 鄂爾多斯盆地延長組7 段各亞段頁巖主量元素氧化物（a）及微量元素（b）含量對比Fig.4 Comparison of major element oxide (a) and trace element (b) contents in shale from the Chang 7 member of the Yanchang Formation,Ordos Basin

2.3.2 微量元素

微量元素的分餾特征、豐度及其變化記錄了重要的水體環(huán)境信息。長7段頁巖中V、Cu、U、Mo等微量元素含量較高，而Ni、Sr、Th 等微量元素含量則較低（圖4b），與前人結(jié)果一致[27]。陸源碎屑組分會對沉積物中自生組分產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響對沉積環(huán)境的判識。統(tǒng)一選取Al 元素來扣除陸源影響，同時(shí)以澳大利亞后太古宙平均頁巖（PAAS）作為參照對象：XEF=（X/Al）sample/（X/Al）PAAS，式中（X/Al）sample代表測試元素比值，（X/Al）PAAS代表澳大利亞后太古宙平均頁巖中相同元素的比值[28-29]。在富集系數(shù)研究中，當(dāng)XEF＜1時(shí)表示虧損，XEF＞3為富集，XEF＞10則屬于中度到強(qiáng)烈的富集。對比不同微量元素富集系數(shù)發(fā)現(xiàn)，Mo 與U 元素強(qiáng)烈富集，其次為Cu 及V。較高的V、Cu、Mo代表長7 段頁巖高的初級生產(chǎn)力，湖泊中營養(yǎng)物質(zhì)豐富；對氧化—還原敏感的V、U元素及參與硫化物形成的Mo元素的富集都指示長7段頁巖形成于相對貧氧的環(huán)境；此外，Co、Cr、Ni 元素富集系數(shù)均小于1。Ni 通常由硫化物控制，主要富集于黃鐵礦。進(jìn)而，Ni的富集被歸納為三類模式：生物過程、有機(jī)質(zhì)再活化、熱液活動(dòng)。有機(jī)質(zhì)再活化通常表現(xiàn)為Ni的含量在有機(jī)質(zhì)中呈現(xiàn)出垂直層理面上的梯度漸變特征，因此，Ni元素的富集與TOC含量相關(guān)。長7頁巖中Ni的相對虧損代表一種相對貧硫的環(huán)境。Co、Cr 元素的相對虧損特征與北美Woodford 頁巖類似，中值含量與平均值接近，均低于1[30]。Co、Cr 元素通常都對水體的氧化還原敏感，Cr的富集與碎屑組分含量相關(guān)，而Co元素向沉積物中的富集則與有機(jī)質(zhì)沉積過程相關(guān)。對比長7 不同亞段頁巖中的微量元素發(fā)現(xiàn)（圖4b），長73亞段的Mo、U、Cu元素的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值均要高于長72亞段和長71亞段，長73亞段具有更高的初級生產(chǎn)力。

2.3.3 稀土元素

稀土元素在風(fēng)化和成巖過程中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是古環(huán)境及物源評價(jià)的重要指標(biāo)。通過比較陰山巖漿巖、秦嶺巖漿巖、盆地西南部基底和南部基底稀土元素配分區(qū)間發(fā)現(xiàn)，長7段頁巖沉積期可能受到北部陰山和盆地南部秦嶺—大別山物源的共同影響。LREE/HREE 平均值為8.90，(La/Yb)N均值為10.05，整體上高于平均球粒隕石，表現(xiàn)出輕稀土相對富集、重稀土相對虧損的趨勢，與前人研究結(jié)果一致[31]。長7段整體呈“右傾型”（圖5），其中La-Eu 段明顯右傾，Gd-Lu段元素較為平坦，說明輕稀土元素之間分餾程度高，而重稀土元素間分餾程度較低。此外，長7 段頁巖普遍Eu負(fù)異常。Eu的富集采用δEu指標(biāo)表示：δEu=EuN/（SmN×GdN）1/2，其中，N表示球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化；當(dāng)δEu值高于1.05指示正異常，而低于0.95代表負(fù)異常。來自深部巖漿活動(dòng)發(fā)生物質(zhì)置換的組分常表現(xiàn)為負(fù)異常，且Eu負(fù)異常還與硫化物的存在有一定關(guān)聯(lián)；而陸源物質(zhì)所形成的表層沉積物及變質(zhì)巖中則通常表現(xiàn)為正異常。黃上華[31]的研究表明，鹽池地區(qū)長71到長73亞段頁巖δEu 平均值從0.75 逐漸降低到0.63；對比本研究，長71到長73亞段δEu平均值從0.70逐漸降低到0.64，很顯然，長73亞段Eu負(fù)異常最為顯著，這與其母巖中含有大量火山物質(zhì)相關(guān)。比較長7不同亞段發(fā)現(xiàn)，配分模式中輕稀土部分重合，而重稀土部分具有明顯區(qū)別（圖5）。此外，長73亞段相較于長72和長71亞段重稀土微富集。重稀土元素往往與沉積物中磷酸鹽礦物和鋯石密切相關(guān)。長73亞段重稀土特征與其P2O5含量較高相一致，同時(shí)該現(xiàn)象與長73亞段頁巖中有機(jī)質(zhì)對重稀土元素吸附有關(guān)。

圖5 鄂爾多斯盆地延長組7 段各亞段頁巖稀土元素配分模式圖[30-31]Fig.5 Distribution mode of rare earth elements in each segment of the Chang 7 member from the Yanchang Formation,Ordos Basin[30-31]

3 富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積構(gòu)造背景判識

構(gòu)造背景與母巖類型、風(fēng)化與古氣候條件、陸源碎屑輸入情況以及盆內(nèi)水體的物理、化學(xué)（如鹽度）及生物條件等因素綜合控制了沉積環(huán)境差異，進(jìn)而可對頁巖有機(jī)質(zhì)富集和油氣成藏起到重要影響。

3.1 構(gòu)造背景與母巖類型

中—晚三疊世，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了板塊碰撞、地殼縮短及伸展過程，沉積中心有向南逐漸遷移的趨勢。盆地內(nèi)中—晚三疊世物源由再循環(huán)造山帶物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵傺h(huán)造山帶和弧巖漿物質(zhì)的混合物[32]。Xuet al.[33]的研究表明，早三疊世在鄂爾多斯盆地東南部沉積了大量秦嶺造山帶碎屑物質(zhì)，物源在三疊紀(jì)由秦嶺造山帶向華北克拉通北部轉(zhuǎn)移。重建的古地理結(jié)果顯示，長7 段時(shí)期，秦嶺造山帶西部和西南部均為接受沉積的低洼區(qū)[33]。大量研究均顯示，長7 段存在多物源，包括北部陰山古陸和西北緣阿拉善古陸、南部的祁連—秦嶺古陸及西南的隴西古陸。此外，羅順社等[34]根據(jù)長7 段古水流波痕、干涉波痕、古水流方向特征認(rèn)為其還存在東部物源。王若谷等[35]研究發(fā)現(xiàn)長7 段母巖以上地殼長英質(zhì)巖石為主，并含有較高長石含量的中—基性巖漿巖如安山巖、堿性玄武巖，且母巖中太古代古老地層物質(zhì)的比重極大。

通過K2O/Na2O-SiO2交會圖版可以判斷三種主要構(gòu)造類型：從島弧環(huán)境向活動(dòng)大陸邊緣以及被動(dòng)大陸邊緣過渡時(shí)，SiO2含量明顯增加（圖6a）。La、Th、Zr、Co、Sc、REEs 等低活性元素也保留了較好的物源區(qū)母巖地質(zhì)信息不易在沉積成巖過程中發(fā)生遷移。因而，微量元素La-Th-Sc 三端元圖解也常被用來區(qū)分大洋島弧構(gòu)造背景、大陸島弧構(gòu)造背景、活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景和被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景。根據(jù)長7段頁巖主量元素氧化物的物源區(qū)構(gòu)造屬性投點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)（圖6b），絕大多數(shù)樣品均落在了島弧區(qū)域，部分樣品投點(diǎn)在活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，而少量樣品處于被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域。

圖6 長7 段各亞段主量元素（a）及微量元素（b）構(gòu)造屬性判別圖（圖版引自文獻(xiàn)[36]）Fig.6 Identification of construction attributes of each segment of the Chang 7 member based on major (a) and trace element (b) (plate cited from reference [36])

Th/Sc-Zr/Sc被用以判斷沉積物化學(xué)成分變化、物理分選和再旋回作用，通過投點(diǎn)可以看出（圖7a），長7段頁巖只有極少量樣品落入再循環(huán)沉積階段區(qū)域，說明絕大部分樣品并未經(jīng)歷沉積分選與再循環(huán)，且樣品成分投點(diǎn)主要與PAAS和UCC樣品較為重合，這些樣品更靠近安山巖—長英質(zhì)巖石演化線中長英質(zhì)巖石端，說明長7段頁巖主要受到長英質(zhì)母巖的成分控制。La/Th-Hf也常被用于判斷物源母巖類型，從投點(diǎn)結(jié)果來看（圖7b），長7段（長71—長73亞段）頁巖以長英質(zhì)與基性巖混合的物源為主，個(gè)別長73亞段樣品反映為安山巖島弧物源。綜合微量元素和稀土元素證據(jù)表明，長7段頁巖的母巖主要表現(xiàn)為長英質(zhì)物源，并有少量安山巖、花崗巖和堿性玄武巖。中—晚三疊紀(jì)是華北板塊和揚(yáng)子板塊的重要拼合時(shí)期，地殼加厚的同時(shí)，長8—長7沉積期盆地西南部構(gòu)造環(huán)境活躍。伴隨著秦嶺造山帶的形成以及勉略洋向南秦嶺板塊的下俯沖島弧火山形成，西秦嶺以楔狀形式插入祁連地塊。該時(shí)期，北秦嶺—祁連地區(qū)的隆升，為盆地提供了大量碎屑物。因而，東北物源及西南物源對長7 段沉積影響最大。王若谷等[35]研究表明，盆地東北部長7 段砂體骨架碎屑主要組分為長石，其次為（單晶）石英，單晶石英有明顯的波狀消光和硅質(zhì)加大邊，中基性巖屑及云母含量高且基本不含沉積巖巖屑，表明該物源主要為富長石和云母的高級變質(zhì)巖或巖漿巖；重礦物則表現(xiàn)為鋯石與高石榴子石組合，含少量白鈦礦，表明母巖類型主要為花崗巖與變質(zhì)巖組合的雜巖體。對于西南部長7 段砂體，石英含量增高，包含破碎石英、沉積旋回石英及源自花崗巖的多晶石英，此外，長石含量有所降低，沉積巖巖屑相對增高，白云巖巖屑在巖屑總量中的占比超過30%，且含有大量淺變質(zhì)巖巖屑、石英巖巖屑（兩者占比約20%）及噴發(fā)巖巖屑（約15%）。該特征表明西南部物源的母巖為碳酸鹽巖、淺變質(zhì)巖巖系及火山巖物質(zhì)的組合。整體上，長7段頁巖母源物質(zhì)主要由巖漿島弧物質(zhì)輸送（圖6b，c），這與二疊紀(jì)—早三疊紀(jì)被動(dòng)大陸邊緣向活動(dòng)大陸邊緣轉(zhuǎn)化的構(gòu)造背景有著顯著區(qū)別。

圖7 鄂爾多斯盆地延長組7 段各亞段頁巖源巖屬性判別（a）Zr/Sc與Th/Sc之間的關(guān)系，圖版引自文獻(xiàn)[37]；（b）Hf與La/Th之間的關(guān)系，圖版引自文獻(xiàn)[38]Fig.7 Identification of shale source rock properties in each segment of the Chang 7 member of the Yanchang Formation,Ordos Basin(a) relationship between Zr/Sc and Th/Sc,plate cited from reference [37];(b) relationship between Hf and La/T,plate cited from reference [38]

3.2 古氣候條件

3.2.1 古氣候指標(biāo)

基于孢粉學(xué)原理，對41 塊頁巖樣品進(jìn)行了化石孢粉與巖石分離。結(jié)果顯示，在33 件樣品中均發(fā)現(xiàn)孢粉化石，尤其是真蕨綱紫萁科（紫萁孢Osmundacidites，托第蕨孢Todisporites）和石松綱肋木科（離層單縫孢Aratrisporites），這幾類孢子通常廣泛分布于亞熱帶、暖溫帶、北溫帶潮濕地區(qū)；并且，還觀察到很多反映濕生和中濕生環(huán)境的桫欏科孢子（桫欏孢Cyathidites）。相較于蕨類植物，裸子植物通常生長于北半球溫帶、寒帶地區(qū)以及亞熱帶的高山地區(qū)；此外，本次孢粉化石的觀察并沒有大量發(fā)現(xiàn)干旱環(huán)境的掌鱗杉科孢粉化石，但觀察到松科植物（單/雙束松粉Abietineae/Pinuspollenites）孢子化石，這類植物主要分布在北半球中高緯度帶，但其在長7段數(shù)量相對較少，僅占苔蘚、蕨類植物孢子以及裸子植物花粉的1.3%。

化學(xué)蝕變指數(shù)（Chemical Index of Alteration，CIA）被廣泛用于古氣候特征的恢復(fù)。溫暖且濕潤的氣候條件下，風(fēng)化較強(qiáng)，K、Na、Ca元素相對于Al元素過量散失，CIA 值較高，反之寒冷且干旱的氣候條件下，CIA 值較低。大量統(tǒng)計(jì)表明，CIA 在微弱化學(xué)風(fēng)化作用（50～60）、中等風(fēng)化作用（60～80）和強(qiáng)風(fēng)化作用下（80～100）的數(shù)值明顯不同，還有研究指出上述氣候變化所對應(yīng)的CIA 指數(shù)的閾值范圍分別為 50～65、65～85、85～100。相對較高CIA 值代表了較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化程度，而相對較低的CIA 值則代表了偏弱的化學(xué)風(fēng)化作用。

為了避免成巖演化階段中鉀交代作用帶入的鉀元素干擾CIA 計(jì)算，CIAcorr被提出來對所有測試樣品的CIA值進(jìn)行矯正。長7段頁巖樣品矯正后的CIAcorr介于64.69～98.72，平均值為78.00，整體上，CIAcorr值指示中等—強(qiáng)風(fēng)化作用，反映了源區(qū)氣候特征為暖濕型—濕熱型氣候條件。利用A-CN-K（Al2O3-CaO*+Na2O-K2O）三端元圖解比較長7 不同亞段樣品可以發(fā)現(xiàn)（圖8），不同亞段頁巖樣品的投點(diǎn)均較為集中，反映了相對穩(wěn)定的風(fēng)化作用，樣品整體表現(xiàn)為中等化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。可見，長7 段沉積時(shí)期，鄂爾多斯盆地氣候整體呈現(xiàn)出潤濕、多雨氣候。

圖8 長7 段各亞段A-CN-K 三端元圖（圖版引自文獻(xiàn)[39]）Fig.8 A-CN-K three-terminal tuple diagram for each segment of the Chang 7 member (plate cited reference [39])

除了CIA 指標(biāo)，氣候指數(shù)“Cvalue或C”也可以半定量的指示沉積環(huán)境氣候條件，且該指標(biāo)對環(huán)境濕度變化更敏感，計(jì)算公式為：Cvalue=∑（Fe+Mn+Cr+Ni+V+Co）/∑（Ca+Mg+K+Na+Sr+Ba），它主要依靠潮濕氣候型元素（Fe、Mn、Cr、V、Ni 和Co）和干旱氣候型元素（Ca、Mg、K、Na、Sr 和Ba）的遷移及分配特征進(jìn)行識別。Cvalue在判別氣候條件的閾值標(biāo)準(zhǔn)為：0～0.2 為干旱，0.2～0.4 為半干旱，0.4～0.6 為半干旱—半濕潤，0.6～0.8 為半濕潤，＞0.8 則為濕潤[39]，一般數(shù)值越小指示著越干燥的氣候，數(shù)值越大則說明氣候越潮濕。樣品整體Cvalue值介于0.14～3.87，平均值為1.02，凝灰?guī)r附近頁巖的Cvalue值相對較低，表現(xiàn)為干旱及半干旱氣候條件，代表火山作用可能導(dǎo)致相對干旱的氣候。

3.2.2 古氣候變化

根據(jù)長7段頁巖CIAcorr和Cvalue值變化規(guī)律（圖9），整體上氣候處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。CIAcorr所反映的風(fēng)化強(qiáng)度和Cvalue所反映的氣候潤濕性具有較一致的變化趨勢。從湖盆不同位置來看，各井CIAcorr的變化并不大，介于75.86～80.83，代表中等化學(xué)風(fēng)化暖濕型氣候，而5 口井的平均Cvalue介于0.59～1.34，反映半干旱—濕潤氣候條件。長73亞段，位于湖盆邊部M53井CIAcorr和Cvalue值變化均較平穩(wěn)，無顯著突變；而位于湖盆陡坡帶L254井、陡坡中心Z40井、湖盆緩坡帶W336 井的CIAcorr和Cvalue值波動(dòng)較明顯，并在長73亞段的底部或中部存在明顯突變值。長73亞段沉積期整體上CIAcorr介于64.69～98.72，平均值為78.42，Cvalue介于0.15～3.87，平均值為1.06，代表為氣溫整體較高且潮濕及干旱相伴的復(fù)雜氣候。長72亞段各井段的CIAcorr和Cvalue的均值及其分布范圍均有所減小，整體分別介于68.46～81.97 和0.34～2.70，平均值分別為75.74 和0.84，說明長72亞段時(shí)期的溫度和濕度相比長71亞段有所降低。而長71亞段僅L254 井、Z40 井和W336 井有部分或完整巖心記錄，CIAcorr介于72.71～89.98，平均值為79.13，Cvalue介于0.55～2.85，平均值為1.06，因此，較高的Cvalue值表明該時(shí)期溫度和濕度相比長72亞段又有一定程度回升。

圖9 鄂爾多斯盆地延長組7 段頁巖氣候演化特征（W336 井長73 亞段數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[6]）Fig.9 Climate evolution of the Chang 7 member shale from the Yanchang Formation,Ordos Basin (data of Chang 73 sub-member in well W336 was quoted from reference [6])

3.3 陸源碎屑

3.3.1 陸源碎屑通量判別指標(biāo)

沉積物中Al 和Ti 元素分別以鋁硅酸鹽（黏土礦物、長石等）和重礦物形式存在，它們不易受后期成巖作用和風(fēng)化作用的影響，因此Al、Ti以及Ti/Al通常被用來指示陸源物質(zhì)的輸入。長7段頁巖中，Al和Ti呈較好的正相關(guān)關(guān)系（圖10a）。對比發(fā)現(xiàn)，位于湖盆邊部M53 井、湖盆陡坡帶L254 井以及湖盆緩坡帶W336井的Al和Ti平均含量處于較高水平；而位于湖盆中心的B522 井和Z40 井中Al、Ti 平均含量要明顯低于湖盆邊部和斜坡帶。

圖10 鄂爾多斯盆地延長組7 段各亞段頁巖Ti、ICV 與Al 協(xié)變關(guān)系圖（部分?jǐn)?shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[6]）Fig.10 Covariant relationship between Ti,ICV,and Al of shale in each segments of the Chang 7 member of the Yanchang Formation,Ordos Basin (partial data was from reference [6])

3.3.2 成分變異指數(shù)

成分變異指數(shù)（Index of Compositional Varia bility，ICV）利用8 種主量元素氧化物百分含量來對巖石成分的分異程度進(jìn)行表征：ICV=（Fe2O3+K2O*+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2）/Al2O3。該式中，K2O*和CaO*分別代表校正后的K2O 值以及硅酸鹽中的CaO 值。成分變異指數(shù)ICV 通常被用來衡量沉積物之間的再循環(huán)[40]，其與化學(xué)蝕變指數(shù)CIA一同用來判別巖石成分成熟度以及風(fēng)化程度。一般，ICV＞1表明黏土礦物少量，指示了構(gòu)造活動(dòng)引發(fā)的首次沉積；而ICV＜1則說明黏土礦物大量賦存于沉積物，往往指示了再沉積作用[40]。ICV＞1 的頁巖通常發(fā)育在相對活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下，屬于初次旋回沉積，沉積物受到的后生作用影響較小；而ICV＜1 的頁巖通常指示沉積物經(jīng)歷了再循環(huán)沉積過程，其構(gòu)造背景屬于相對穩(wěn)定的克拉通環(huán)境。長7 段頁巖的成分變異指數(shù)ICV 介于0.30～2.43，平均值為1.09，ICV 數(shù)據(jù)的主要介于0.7～1.5，以1為臨界值波動(dòng)。

陸源碎屑輸入指標(biāo)Al含量與成分變異指數(shù)ICV之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖10b）。盆地處于穩(wěn)定克拉通背景，絕大多數(shù)ICV數(shù)據(jù)值都低于1（圖10b），這些數(shù)據(jù)具有高Al元素含量，指示高陸源碎屑輸入量[41]；此外表明，一直持續(xù)進(jìn)行的陸源碎屑輸入過程主要發(fā)生于相對穩(wěn)定或低活躍構(gòu)造背景。該類情況下，高的陸源碎屑輸入量受氣候影響顯著，根據(jù)前人研究[40-41]，溫暖潮濕的氣候下，風(fēng)化作用強(qiáng)度大，從而導(dǎo)致高陸源碎屑輸入量。此外，部分具有較高ICV 值的數(shù)據(jù)點(diǎn)具有低Al 元素含量，這種情況則代表低陸源碎屑輸入量。所研究5 口井中，除了東北部的W336井外，其余井ICV值均與CIA值為正相關(guān)關(guān)系，構(gòu)造活躍期氣溫持續(xù)上升（高溫）；而W336井ICV與CIA值則具有一定負(fù)相關(guān)性。

3.3.3 陸源碎屑輸送變化

通過分析可以還原出，在長7 段構(gòu)造活動(dòng)活躍期，強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)及火山噴發(fā)會釋放大量氣溶膠及二氧化碳，二氧化碳是溫室氣體，因此會導(dǎo)致氣溫升高（CIA值升高）。此時(shí)，盆地處于炎熱干旱的氣候條件下，陸源碎屑輸入量大幅減少，加上火山灰?guī)淼呢S富營養(yǎng)元素，間接促進(jìn)了淺層生物的勃發(fā)，并在局部長7 段頁巖中形成大量碳酸鹽結(jié)核。值得注意的是，長7 段碳酸鹽僅以結(jié)核的形式存在，碳酸鹽巖與陸源碎屑之間是相斥的，大量發(fā)育的碳酸鹽結(jié)核表明長73亞段異常高有機(jī)質(zhì)形成時(shí)期陸源碎屑輸入水平較低。很顯然，強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)及火山噴發(fā)是誘發(fā)這一現(xiàn)象的重要“導(dǎo)火索”。中三疊統(tǒng)末期（長7 期）全球具有高的陸源碎屑輸入通量背景，對陸相異常高有機(jī)質(zhì)富集不利。此時(shí)，盆地南部秦嶺造山帶構(gòu)造活動(dòng)及火山噴發(fā)引起深部物質(zhì)與圈層物質(zhì)循環(huán)及深部碳向地表輸送，可能對形成炎熱干旱氣候有一定影響，有效降低了陸源碎屑輸入量并促進(jìn)浮游生物繁盛，提高了初級生產(chǎn)力。

根據(jù)長7段頁巖Al、Ti百分含量變化規(guī)律可以看出（圖11），長73亞段Al和Ti分別介于3.82%～10.84%和0.06%～0.67%，平均值分別為7.73%和0.38%，較長72亞段和長71亞段明顯偏低，這與長73沉積期“面廣水深”的環(huán)境特征相吻合。該時(shí)期為湖盆發(fā)育鼎盛時(shí)期，湖盆水體展布面積大，水深顯著，周緣三角洲砂體并不發(fā)育，陸源輸入量處于相對低的水平（低于長72及長71亞段）。長72及長71亞段沉積期湖盆深湖—半深湖面積逐步減小，豐富的陸源碎屑伴隨西南緣辮狀河三角洲砂體和東北緣曲流河三角洲砂體的發(fā)育推覆入湖。因此，長72及長71亞段陸源碎屑輸入量指標(biāo)Al和Ti的平均含量整體發(fā)生明顯增加。

圖11 鄂爾多斯盆地延長組7 段頁巖陸源碎屑輸入演化特征圖（Z40、W336 長73 小層數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[6]）Fig.11 Evolution of terrigenous detrital input of the Chang 7 member shale from the Yanchang Formation,Ordos Basin (data of Chang 73 sub-member in wells Z40 an W336 was quoted from reference [6])

3.4 古鹽度特征

古鹽度也是古環(huán)境評價(jià)中的重要內(nèi)容，其是地質(zhì)歷史時(shí)期海陸變遷及有機(jī)質(zhì)富集的客觀反映及重要影響因素。

3.4.1 古鹽度判別指標(biāo)

Sr 微量元素在水體中有較強(qiáng)的遷移能力，其豐度及Sr/Ba 比值與古鹽度變化密切相關(guān)[41]。Sr 和Ba在淡水體系中性質(zhì)相似，以可溶性重碳酸鹽形式存在，但隨著水體礦化度的升高，Sr元素的遷移能力及硫酸鹽化合物的溶度積要高于Ba，即Ba優(yōu)先以硫酸鋇形式沉淀析出，而硫酸鍶則會等到水體鹽度持續(xù)升高才會沉淀析出[25-26]。通過Sr/Ba 比值反映水體鹽度有多種閾值劃分方案[42-43]?？紤]到沉積物中Sr、Ba元素的易遷移性以及碳酸鹽礦物對Sr元素在沉積物中的影響，還應(yīng)綜合多指標(biāo)進(jìn)行古鹽度條件判別，如根據(jù)黏土礦物類型在不同鹽度條件下對堿金屬離子（K、Rb、Li、Cs 等）的差異吸附性，前人提出泥頁巖沉積物中的Rb/K2O 值可以對水介質(zhì)的古鹽度進(jìn)行指示[42]。淡水沉積環(huán)境中Rb/K2O＜4，Rb/K2O 介于4～6時(shí)反映微咸水沉積環(huán)境，Rb/K2O＞6 時(shí)則表明水體鹽度環(huán)境偏向咸水。

3.4.2 古鹽度特征分析

前人對長7段湖盆古鹽度進(jìn)行了大量研究表明，長7段頁巖的Sr/Ba值絕大多數(shù)低于0.5，但也有部分樣品Sr/Ba 值可以達(dá)到0.76，而元素B（硼）含量也較低（11.1×10-6～91.9×10-6）[42-48]，指示該時(shí)期為淡水—微咸湖。張才利等[49]利用元素組合法恢復(fù)了長7 段最大古水深為50～120 m，并結(jié)合Sr/Ba、Th/U 比值的變化，認(rèn)為長7 期發(fā)育陸相淡水湖盆，且從長73到長71亞段沉積過程中湖盆鹽度逐漸降低。楊亞南等[50]發(fā)現(xiàn)長7段烴源巖具有低伽馬蠟烷指數(shù)特征，表現(xiàn)為淡水湖盆；而董麗紅等[51]基于生物標(biāo)志物研究認(rèn)為長7期古水體具有微咸水—淡水性質(zhì)。古生物學(xué)也是判斷古水體鹽度的重要方法。前人研究發(fā)現(xiàn)，長7段沉積期，湖盆中生活了類型豐富的魚類，包括軟骨魚類中的楊氏方鮫（Hybodus youngi）、裂齒目的裂齒魚（Perleidus），以及三疊鱈魚（Txiassodus yanchangensis）等淡水魚。本文研究中，也在W336井長71亞段發(fā)現(xiàn)了保存較完整的魚化石，雖然該化石頭部部分缺失，但從紡錘狀的體態(tài)、鱗片、鰭條分叉以及尾柄等特征可以判斷其為三疊鱈魚化石（Txiassodus yanchangensis）（圖2b）。W336井處于緩坡帶，長71亞段連續(xù)分布的黑色頁巖較好地記錄了沉積期水體特征信息，該時(shí)期湖盆水體分布范圍長7段沉積早期水體變淺，但仍為淡水環(huán)境（樣品A41～A54 的Sr/Ba、Rb/K2O 均值分別為0.45和2.61）。整體來看，有關(guān)長7 期古水體鹽度的研究主要集中在古湖盆的南部及東南部區(qū)域，形成了兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為長7 期發(fā)育淡水湖盆，另外一種則認(rèn)為長7期發(fā)育微咸水—淡水湖盆，目前針對長7段各亞段的古鹽度研究還很少。

3.4.3 古鹽度縱向變化規(guī)律

比較長7 各亞段可以發(fā)現(xiàn)（圖12）：長73亞段Sr/Ba 和Rb/K2O 分別介于0.08～0.99 和0.67～7.17，平均值分別為0.42 和3.75，整體呈現(xiàn)為淡水環(huán)境，局部表現(xiàn)為微咸水性質(zhì)。但在L254 井和W336 井長73亞段底部Sr/Ba的突然升高，指示鹽度水平顯著增大。其中，L254 井長73亞段底部（樣品B04～B13）Sr/Ba 值介于0.37～0.99，平均值高達(dá)0.71，W336 井長73亞段底部的Sr/Ba 值介于0.56～0.94，平均值高達(dá)0.76。巖心觀察顯示，在L254 井和W336 井長73亞段底部（2 583.00～2 583.50 m和2 062.00～2 062.04 m）古鹽度突變段發(fā)育多層凝灰?guī)r薄夾層，對應(yīng)了多期火山活動(dòng)。長72亞段各井段的Sr/Ba 和Rb/K2O 變化均較平穩(wěn)，并沒有出現(xiàn)鹽度突變的層段，整體Sr/Ba 和Rb/K2O 分別介于0.18～0.68 和0.80～6.18，平均值分別為0.36和3.30，反映了鹽度較穩(wěn)定的淡水沉積環(huán)境。長71亞段Z40 井Sr/Ba 和Rb/K2O 平均值0.31 和0.67，其分布范圍和變化趨勢與長72亞段具有良好的繼承性，同樣指示了較穩(wěn)定的淡水沉積環(huán)境。因此，從長73到長71亞段，湖盆古鹽度具有逐漸減小的趨勢。但W336 井長71亞段Sr/Ba 和Rb/K2O 值有所增大，Sr/Ba和Rb/K2O 平均值達(dá)0.45 和2.62，雖然整體上依然為淡水環(huán)境，但相較于長72亞段水體鹽度有所上升。

圖12 鄂爾多斯盆地延長組7 段頁巖古鹽度演化特征（Z40、W336 井長73 小層數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[6]）Fig.12 Paleosalinity evolution of the Chang 7 member shale from the Yanchang Formation,Ordos Basin

3.5 火山活動(dòng)（噴發(fā)）事件對沉積環(huán)境的影響

通過長7段頁巖精細(xì)取樣研究發(fā)現(xiàn)：凝灰?guī)r層之下的頁巖平均有機(jī)質(zhì)含量不足6%，而凝灰?guī)r層之上的頁巖有機(jī)質(zhì)含量可升高到12%；還有研究指出火山活動(dòng)使得湖盆中由藻類、細(xì)菌等多種成烴生物向以藻類單一成烴生物為主的轉(zhuǎn)變，提高了古生產(chǎn)力[15,52]。

在W336井長7段中選取一段長4 cm巖心樣品，通過金剛線切割工藝完成了8 次毫米級取樣。該段巖性整體表現(xiàn)為富有機(jī)質(zhì)頁巖夾單層晶屑蝕變凝灰?guī)r紋層。在凝灰?guī)r沉積前，黑色頁巖紋層發(fā)育，包含了富有機(jī)質(zhì)紋層、斷續(xù)條帶狀黏土紋層以及微晶硅質(zhì)紋層，并可見少量球狀磷酸鹽微體化石（圖13，巖性剖面Ⅳ）。伴隨著火山活動(dòng)的發(fā)生，凝灰?guī)r與黑色頁巖為突變接觸，還可觀察到蝕變凝灰?guī)r層中少量晶屑嵌入頁巖層內(nèi)（圖13，巖性剖面Ⅲ）。在火山噴發(fā)過程中，沉積了12.0 mm 的粒序遞變凝灰?guī)r層，含晶屑蝕變凝灰?guī)r段內(nèi)由底部向上，以長石為主的晶屑和云母等碎屑逐漸減少，而泥化蝕變火山塵含量逐漸增多?；鹕交顒?dòng)末期，凝灰?guī)r特征表現(xiàn)出含少量粉細(xì)砂級晶屑，并與上覆黑色頁巖呈漸變過渡接觸（圖13，巖性剖面Ⅱ）。在火山活動(dòng)結(jié)束后，頁巖中紋層極其發(fā)育，并含有少量星散狀分布的砂級碎屑，紋層間可以觀察到大量膠磷礦結(jié)核、球狀磷酸鹽微體化石（圖13，巖性剖面Ⅰ）。

圖13 鄂爾多斯盆地長7 段中夾凝灰?guī)r的富有機(jī)質(zhì)頁巖元素含量變化及巖石學(xué)特征Fig.13 Change of element content and petrological characteristics of organic-rich shale with tuff in the Chang 7 member,Ordos Basin

從古氣候和陸源碎屑特征參數(shù)來看，火山活動(dòng)結(jié)束后（樣品P1-6～P1-8），CIAcorr和氣候指數(shù)C均發(fā)生顯著升高，平均值高達(dá)86.20 和0.96；陸源碎屑含量（Ti/Al）明顯降低。

從沉積期湖盆水體特征參數(shù)來看，V/Cr 和MoEF可以用于評估沉積期水體氧化還原條件，火山活動(dòng)后，V/Cr和MoEF均發(fā)生升高，說明沉積期水體缺氧程度加劇。這一方面，是因?yàn)楦吖派a(chǎn)力條件下，浮游生物等初級生產(chǎn)者數(shù)量激增，過度消耗水體溶氧量，造成水體環(huán)境向缺氧轉(zhuǎn)變[52]；另一方面，火山噴發(fā)過程中所釋放的酸性氣體，通過大氣循環(huán)形成降雨后，會在一定程度上加劇水體還原性[53]。P、Cu 和Zn 是評價(jià)初級生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，但Cu和Zn作為古生產(chǎn)力指標(biāo)時(shí)，可能受到非硫酸鹽還原環(huán)境的干擾，而P/Ti 可以消除沉積物中自生礦物等對P 絕對含量的稀釋作用[11]。在火山活動(dòng)結(jié)束后，初級生產(chǎn)力參數(shù)發(fā)生顯著升高，P1-6 頁巖樣中P/Ti 為1.48，是凝灰?guī)r中 P/Ti含量（P1-5=0.19）的7.8倍，是火山活動(dòng)前頁巖樣品（P1-4）P/Ti 含量的2.7 倍，火山活動(dòng)顯著提升了湖盆初級生產(chǎn)力水平，且樣品P1-7 和P1-8 中高P/Ti 含量也間接說明火山活動(dòng)對湖盆初級生產(chǎn)力的影響會持續(xù)較長時(shí)間。但值得注意的是，長7 沉積期，伴隨火山活動(dòng)的結(jié)束（樣品P1-6），頁巖中有機(jī)質(zhì)的含量并沒有跟隨P/Ti 的激增而增加，相反TOC 含量僅為6.84%，甚至稍低于火山活動(dòng)之前頁巖中TOC 含量（樣品P1-4）。TOC含量的顯著增加發(fā)生在樣品P1-7和P1-8，TOC 含量大幅升高到19.78%和17.11%。這可能說明火山活動(dòng)對有機(jī)質(zhì)沉積富集的增益效果，在短時(shí)間尺度上略微“遲滯”于火山活動(dòng)所引起的初級生產(chǎn)力水平“爆發(fā)式”增長。

4 有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制

富有機(jī)質(zhì)頁巖作為烴源巖及儲層，其發(fā)育特征、自身品質(zhì)、沉積模式是非常規(guī)油氣系統(tǒng)勘探的基礎(chǔ)[23-24]。自20 世紀(jì)20 年代以來，富有機(jī)質(zhì)頁巖中有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制一直備受關(guān)注。頁巖有機(jī)質(zhì)富集主控因素包括初級生產(chǎn)力、缺氧沉積環(huán)境、沉積速率。三個(gè)因素中，與上升流和/或河流營養(yǎng)物質(zhì)輸入有關(guān)的初級生產(chǎn)力水平是控制有機(jī)質(zhì)富集的主導(dǎo)因素；缺氧及沉積速率則對有機(jī)質(zhì)的保存有重要影響。雖然單一因素也可能引起有機(jī)質(zhì)富集，但優(yōu)質(zhì)頁巖通常是多個(gè)因素或機(jī)制耦合的結(jié)果[12,54-56]。

TOC≥6%的細(xì)粒沉積為異常高有機(jī)質(zhì)沉積[12]，長7 段異常高有機(jī)質(zhì)頁巖的形成具有：高初級生產(chǎn)力（光合作用碳合成速率、火山灰營養(yǎng)元素補(bǔ)給）、周期性水體循環(huán)（早期底水穩(wěn)定“貧氧”、中—晚期底水“氧化—貧氧”狀態(tài)）、低沉積速率（低陸源碎屑輸入水平，火山活動(dòng)及碳循環(huán)驅(qū)動(dòng)）（圖14）。

圖14 鄂爾多斯盆地長7 段不同層段有機(jī)質(zhì)富集沉積模式（據(jù)文獻(xiàn)[33，56]修改；SWI 為沉積物與水體界面）Fig.14 Deposition mode of organic matter of different segment of the Chang 7 member in the Ordos Basin (modified from references [33,56];SWI is the interface between sediment and water)

4.1 初級生產(chǎn)力

初級生產(chǎn)力主要由水體表層浮游生物類型及含量來確定，因此，浮游生物的發(fā)育受陸源營養(yǎng)元素輸入的影響[57-58]。持續(xù)的陸源風(fēng)化營養(yǎng)元素如P、N、Fe、Si、Cu、Zn、Cd、Ni 等的輸入促進(jìn)了光合作用，是高有機(jī)質(zhì)富集的基礎(chǔ)（圖14）。已有報(bào)道揭示了長7期藻類體勃發(fā)，通過有機(jī)質(zhì)壁微化石鑒定，識別出大量藍(lán)藻類、綠藻類、疑源類、金藻休眠孢囊等類別化石[6]。濕熱氣候促進(jìn)了藻類等浮游生物的光合作用，進(jìn)而提升了碳合成速率，初級生產(chǎn)力提高。

在長7 期高陸源風(fēng)化營養(yǎng)元素通量背景下，大量陸源營養(yǎng)物質(zhì)磷、氮經(jīng)河流搬運(yùn)作用入湖，在一定程度上能夠刺激初級生產(chǎn)力。此外，間歇性火山噴發(fā)產(chǎn)生大量火山灰，其中富含磷等營養(yǎng)元素，能迅速進(jìn)入湖泊并促進(jìn)藻類的大量繁育，類似“空中施肥”效應(yīng)。如2022 年噴發(fā)的湯加火山[57]，其噴發(fā)后引起附近局部海域出現(xiàn)了大范圍的葉綠素富集，代表浮游生物的繁盛（圖15）。長7段高有機(jī)質(zhì)富集層段發(fā)現(xiàn)大量生物成因的膠磷礦。這代表在沉積初期，古湖泊中磷元素的濃度是非常高的，磷提供了低等浮游生物生長繁育的營養(yǎng)消耗，形成磷質(zhì)殼體或骨骼。磷元素不斷在藻類浮游生物表面吸附、黏結(jié)磷酸鹽不斷參與水體循環(huán)。因而，周期性火山噴發(fā)與高初級生產(chǎn)力密切相關(guān)，長7 段頻繁的火山噴發(fā)活動(dòng)進(jìn)一步提高了湖盆初級生產(chǎn)力。整體來看，長73亞段的初級生產(chǎn)力最高，隨后，受沉積構(gòu)造環(huán)境、陸源碎屑輸入量等因素影響，長72亞段初級生產(chǎn)力大幅降低，而在長71亞段，初級生產(chǎn)力又有所上升。

圖15 湯加火山噴發(fā)引起附近海域葉綠素富集[57]Fig.15 Volcanic eruptions in Tonga caused chlorophyll enrichment in nearby waters[57]

4.2 水體循環(huán)

初級生產(chǎn)力的碳輸入會造成水體中氧消耗及硫化反應(yīng)的發(fā)生，因而缺氧及硫化沉積條件通常可被用來指示異常高有機(jī)質(zhì)富集。有機(jī)質(zhì)富集的空間展布與水體氧化還原環(huán)境條件密切相關(guān)，海相環(huán)境更容易形成利于有機(jī)質(zhì)保存的缺氧環(huán)境。水體中垂向與側(cè)向氧供應(yīng)、有機(jī)質(zhì)分解及氧消耗的動(dòng)態(tài)平衡決定了水體內(nèi)部氧化還原環(huán)境。大量元素地球化學(xué)及黃鐵礦形貌、粒徑相關(guān)研究表明，長7 段異常高有機(jī)質(zhì)富集形成于動(dòng)蕩“貧氧—氧化”及穩(wěn)定“貧氧”兩種條件下[6]。

長7 段早期（長73亞段）湖盆中心主要處于穩(wěn)定“貧氧”環(huán)境。在該條件下，持續(xù)硫化作用造成缺氧水體的分層，氧化還原界面分布于沉積水體。界面之下的還原水體中錳和鐵的氫氧化物被還原釋放鉬酸鹽，元素Mo被釋放到水體中（圖14）。部分鉬酸鹽被還原形成硫代鉬酸根并被絮狀或分散黃鐵礦或者有機(jī)質(zhì)吸附而沉積下來。這類氧化還原敏感元素（包括Ni、Cu、Co、Zn、Cd 等）主要在缺氧環(huán)境中（圖14），尤其是H2S 存在的條件下大量富集。這些親硫元素易于形成硫化物沉淀，且它們通常作為微量營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入浮游生物體，進(jìn)而進(jìn)入沉積物[53-54]。該條件下，高有機(jī)質(zhì)富集通常形成于貧氧帶水體以下的深水湖盆及斜坡帶。

長7 段中—晚期（長72及長71亞段）湖泊底水處于“貧氧—氧化”條件下。在該條件下，氧化還原界面在沉積物—水體界面之下。由于孔隙水中硫化氫缺乏，有機(jī)質(zhì)中Mo 元素的濃度相對偏低[5]。該類條件下的高有機(jī)質(zhì)富集通常形成于貧氧帶附近與湖盆接觸的地帶。

4.3 沉積速率

沉積速率可以控制有機(jī)質(zhì)被氧化或分解的時(shí)間，進(jìn)而控制有機(jī)質(zhì)的富集。沉積速率影響有機(jī)質(zhì)的保存，表層浮游生物及一些高等植物可以轉(zhuǎn)化為大量有機(jī)質(zhì)，但通常只有藻類生物總量的0.4%～6%及高等植物總量的10%～17%能夠被保存下來[5]，這決定了有機(jī)質(zhì)的保存是極為苛刻的。目前普遍認(rèn)為，陸相湖盆頁巖的沉積速率普遍偏低[58]。Liet al.[58]基于Fe、Al含量開展旋回地層學(xué)分析，結(jié)合U-Pb 測年結(jié)果認(rèn)為，鄂爾多斯盆地南部沉積物的沉積速率較低，介于0.5～2.0 cm/kyr。東營凹陷油頁巖的沉積速率僅為1.4 cm/kyr，而前三角洲相泥巖的沉積速率介于7.9～19.6 cm/kyr[59]。Tyson[5]研究表明，沉積速率在5 cm/kyr最利于有機(jī)質(zhì)富集，當(dāng)?shù)陀谠摮练e速率，有機(jī)質(zhì)豐度通常會隨沉積速率的降低而降低。對于長73亞段，在頻繁的構(gòu)造變動(dòng)及火山噴發(fā)條件下，陸源碎屑輸入量相對較低，火山噴發(fā)之后“遲滯期”引起有機(jī)質(zhì)含量的爆發(fā)式增長[5]。長72及長71亞段時(shí)期，湖盆處于較高的陸源碎屑輸入通量背景下，沉積速率較高，有機(jī)質(zhì)的形成規(guī)模有限。因此，長7段富有機(jī)質(zhì)頁巖形成受高初級生產(chǎn)力、周期性水體循環(huán)、低沉積速率的共同影響。三個(gè)因素相互耦合，共同促成了長7段高有機(jī)質(zhì)富集。值得注意的是，火山活動(dòng)在觸發(fā)高初級生產(chǎn)力、沉積速率控制等方面都起到重要作用。以火山活動(dòng)為“主導(dǎo)”的地質(zhì)事件，是中晚三疊世長7段陸相湖盆異常高有機(jī)質(zhì)富集的重要原因。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地長7 段頁巖主量元素氧化物主要為SiO2和Al2O3，平均含量分別為54.75%和15.3%。長7段頁巖母源物質(zhì)大部分主要是由巖漿島弧物質(zhì)輸送，母巖類型主要為長英質(zhì)物源，并有少量安山巖、花崗巖和堿性玄武巖母巖。

（2）化學(xué)蝕變指數(shù)及優(yōu)勢種屬孢子植物化石分析顯示：長7 段沉積期，古湖盆整體呈現(xiàn)出高溫多雨氣候。長7段經(jīng)歷了頻繁的構(gòu)造活動(dòng)，成分變異指數(shù)（ICV）值在臨界值1上下波動(dòng)，較強(qiáng)的構(gòu)造活動(dòng)與南部秦嶺造山帶的擠壓碰撞及火山噴發(fā)相關(guān)。在構(gòu)造平靜期，河流輸入的磷等營養(yǎng)元素的通量較高，維持了有機(jī)質(zhì)初級生產(chǎn)力；在構(gòu)造活躍期，新生火山巖的風(fēng)化及火山灰沉降，為湖盆提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)一步提升了初級生產(chǎn)力。

（3）在火山噴發(fā)之后的“遲滯”期，大量浮游生物繁盛且初級生產(chǎn)力得到不斷提升；此時(shí)，凝灰?guī)r層之上的頁巖有機(jī)質(zhì)含量異常高，因而有機(jī)質(zhì)富集與頻繁火山噴發(fā)相關(guān)。

（4）長7 段內(nèi)有機(jī)質(zhì)富集的控制因素包括初級生產(chǎn)力水平、水體循環(huán)強(qiáng)度及沉積速率，構(gòu)建了長7段有機(jī)質(zhì)富集模式。值得注意的是，火山活動(dòng)能夠引發(fā)一系列連鎖效應(yīng)，包括“遲滯”期初級生產(chǎn)力“爆發(fā)式”增長、水體還原性增強(qiáng)等。

致謝 感謝三位審稿專家提出的寶貴意見，感謝北京大學(xué)趙正福博士后在論文編寫過程中提出的建議，謹(jǐn)致謝忱。