湖相泥巖、頁巖的沉積環(huán)境和特征對比
——以鄂爾多斯盆地延長組7段為例

劉 群,袁選俊,林森虎,郭 浩,成大偉(.阿伯丁大學(xué)，英國AB4UE； .中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 0008；.中國石油 南方石油勘探開發(fā)公司，?？?海南 57000)

近年來，隨著非常規(guī)油氣的蓬勃發(fā)展，作為自生自儲的泥質(zhì)巖受到了大家的廣泛關(guān)注[1-5]。泥質(zhì)巖是指由含量大于50%的粒徑小于0.003 9 mm的顆粒組成的巖石[6]。根據(jù)是否具有頁理的特征，泥質(zhì)巖可分為泥巖和頁巖兩大類：頁巖是有頁理的泥質(zhì)巖，泥巖是沒有頁理的泥質(zhì)巖[6]。湖相泥質(zhì)巖層段巖相變化快且非均質(zhì)性強[7-10]，表明了泥巖和頁巖沉積受沉積環(huán)境影響大，二者在巖石組分和地球化學(xué)指標等各方面存在顯著差異。海相泥巖和頁巖交互沉積：頁巖成層性好，主要形成于缺氧環(huán)境，有機質(zhì)含量高；泥巖沉積時水體含氧量更高，受生物擾動影響大，有機質(zhì)含量較低[11]。富有機質(zhì)頁巖的沉積機理和成因機制目前仍存在爭議[12-21]。以Pederson和Calvert[22](1990)為代表的學(xué)者認為高生產(chǎn)率是富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)富集的主要原因，而以Demaison 和 Moore[23](1980)等認為閉塞的缺氧環(huán)境是富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)富集的必要條件。研究泥巖和頁巖特征的差異，找出差異指標，可以明確泥巖和頁巖的成因機制，幫助建立預(yù)測富有機質(zhì)頁巖的有利因素。

鄂爾多斯盆地延長組7段(長7段)發(fā)育一套沉積厚度為100～150 m[24]的非均質(zhì)性強的泥質(zhì)巖層段。本文旨在通過分析長7段典型剖面的垂向巖性演化特征以及對比研究泥巖和頁巖的巖石組分、地化指標、微量元素等方面的區(qū)別，揭示泥巖、頁巖的形成與沉積環(huán)境的關(guān)系，探討區(qū)分泥巖和頁巖在石油地質(zhì)學(xué)上的意義和富有機質(zhì)頁巖的形成機制。

1 地質(zhì)背景及樣品選擇

1.1 地質(zhì)背景

晚三疊世時期，華北陸塊和揚子板塊相撞，受秦嶺造山活動影響，在華北陸塊的西南部形成了大型陸相湖盆[25]。鄂爾多斯盆地中生界的延長組則記錄了整個湖盆的初始、發(fā)展到消亡的全過程。根據(jù)巖性、電性和含油性，將延長組自上而下分為10段(長1段—長10段)[26]，其中長7段沉積期是三疊紀湖盆發(fā)育的鼎盛時期，湖盆面積超過了5×104km2，深湖區(qū)水深可達150 m[27]，發(fā)育了大范圍的泥巖、頁巖和重力流砂體。長7段沉積厚度100～150 m[28]，自下而上可分為3個小層(圖1)：長73主要為黑色油頁巖，長72以暗色泥巖為主，夾薄層粉-細砂巖，長71發(fā)育暗色泥巖和中-薄層細砂巖。

1.2 樣品、剖面選擇及研究方法

該文選取了湖盆中心的2口長7段連續(xù)取心井進行重點解剖 (圖2，鹽66井和環(huán)317井)。鹽66井的垂向剖面反映了從長73到長71，由深湖相演化到前三角洲相；環(huán)317井的垂向剖面則反映了從長73到長72，由深湖相演化到深湖濁流相。針對鹽66井和環(huán)317井兩口連續(xù)取心井，建立了以巖心-薄片觀察、X-衍射、地球化學(xué)測試和有機碳測井定量計算為主的垂向剖面，旨在揭示長7段泥巖和頁巖的垂向分布規(guī)律與沉積相帶的關(guān)系，以推測泥巖和頁巖平面分布特征。

圖1 鄂爾多斯盆地延長組7段里57井巖性柱狀示意圖Fig.1 Stratigraphic column of the Chang 7 Member from Well Li 57,Yanchang Formation,Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地延長組7段沉積相和樣品點分布Fig.2 Sedimentary facies and sample point distribution of the Chang 7 Member in the Yanchang Formation,Ordos Basin a.長73沉積相；b.長72沉積相;c.長71沉積相

同時對湖盆中心的11口長7段連續(xù)取心井進行觀察取樣 (圖2)。本次研究分別采集了覆蓋全盆的長73到長71的62塊泥質(zhì)巖樣品 (圖2) ，對其進行了薄片鑒定和X-衍射全巖礦物分析，在顯微鏡下確定巖性后(肉眼難以區(qū)分)，分別進行巖石熱解和微量元素等分析。

2 長7段泥巖、頁巖沉積特征對比

2.1 垂向演化特征

鹽66井位于研究區(qū)西北部定邊地區(qū)，連續(xù)取心長度達75 m，取心層位包括長8段頂部與長7段(圖3)。長73底部沉積了一套高伽馬、高電阻率、有機質(zhì)含量極高(平均含量為10%)的黑色頁巖。長73過渡到長72時，西北部三角洲生長，該地區(qū)處于前三角洲—半深湖相帶，以灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖頁巖互層為主，該相帶形成的泥巖有機碳含量明顯較低，一般小于2%(圖3)。長72中上段，沉積環(huán)境變的相對安靜，沉積了一套10 m左右的有機質(zhì)含量較高的頁巖；長72過渡至長71，水體變淺，沉積了一套30 m左右的灰黑色塊狀泥巖，總體解釋為半深湖環(huán)境。

環(huán)317井位于研究區(qū)中部環(huán)縣地區(qū)，連續(xù)取心長度達55 m，取心層位包括長73和長72(圖4)。長73底部沉積了一套有機質(zhì)含量平均值大于10%的頁巖(圖4)，在薄片下觀察，主要為透鏡體層理頁巖，即有機質(zhì)-粘土透鏡體定向分布(圖4)。長73上部受外來濁流影響，以泥巖沉積為主、夾薄層粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖；長72以塊狀泥巖沉積為主。 長73底部頁巖的黃鐵礦含量較高，可達12%，而長72泥巖黃鐵礦含量相對較低，部分層段含量最高可達5% (圖4)。另外，泥巖的石英含量高于頁巖，粘土礦物含量則相對偏低。

通過典型剖面分析可以看出，泥巖和頁巖的沉積受沉積相帶控制，長7段頁巖主要發(fā)育在長73底部，主要發(fā)育于湖盆中心。而長7段泥巖多發(fā)育在三角洲前緣，深湖-濁積巖相和半深湖相。

2.2 巖石組分特征

2.2.1 組構(gòu)特征對比

長7段泥巖中比較常見的層理構(gòu)造有遞變層理(圖5a)、塊狀層理(圖5b)、斷續(xù)狀層理(圖5c)以及波浪擾動層理(圖5d)；頁巖中常見的層理有長英-粘土與有機質(zhì)互層的“二元結(jié)構(gòu)” (圖5e)、似波狀層理(圖5f)和透鏡狀粘土集合體層理(圖5g，h)。

圖4 鄂爾多斯盆地環(huán)317井延長組7段組構(gòu)特征綜合分析Fig.4 Comprehensive analysis of the fabric feature of the Chang 7 Member from Well Huan 317,Yanchang Formation,Ordos Basin

通過泥巖、頁巖組構(gòu)特征對比，可以看出，泥巖多發(fā)育于前三角洲、半深湖和深湖-重力流發(fā)育相帶，陸源碎屑多，受湖流、濁流等影響更大。前三角洲環(huán)境形成的泥巖，受三角洲物源和水動力影響，泥巖中粉砂質(zhì)含量較高，有機質(zhì)被生物分解。在深湖-重力流發(fā)育的泥巖，濁流的快速沉積會有助于有機質(zhì)的快速埋藏。頁巖主要形成于相對封閉的深湖或湖灣環(huán)境，陸源碎屑物質(zhì)供給不足， 沉積速率低，底棲生物不發(fā)育，水體分層、季節(jié)性的水體循環(huán)是其“長英-有機質(zhì)”紋層形成的主要原因。長73頁巖中透鏡狀有機質(zhì)-粘土復(fù)合體(藻類雪)的出現(xiàn)，反映當(dāng)時湖盆極高的生產(chǎn)力。

2.2.2 巖石成分特征

長7段泥巖和頁巖的巖石組分以粘土礦物和石英為主(圖6)，且兩種組分含量相差不大，占泥巖中總含量的82.5%，占頁巖總含量的82.7%；其次為長石、碳酸鹽巖以及含鐵化合物等(圖6)。泥巖中菱鐵礦、白云石含量顯著高于頁巖，而頁巖中黃鐵礦含量約為泥巖的11倍(圖6)。

2.3 有機地球化學(xué)特征

長7段泥巖和頁巖的S1指數(shù)與TOC含量正相關(guān)(圖7a)。 長7泥巖TOC含量主要分布于0.6%～4.5%，平均含量為2.1%，S1值分布于0.2～3.2mg/g，平均含量為1.2 mg/g(圖7a)；長7頁巖TOC含量分布于4.2%～17.9%，平均含量為6.6%，S1值主要分布于1.9～6.3 mg/g， 平均含量為3.1mg/g。頁巖中氫指數(shù)(HI)含量相對較高(平均為287×10-3mg/g)，有機質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型(圖7b)；泥巖中氫指數(shù)(HI) 含量相對較低(平均為171×10-3mg/g)，有機質(zhì)類型為Ⅱ1-Ⅱ2型(圖7b)。

圖5 鄂爾多斯盆地延長組7段泥巖和頁巖組構(gòu)特征Fig.5 Fabrics of mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.莊233井，埋深1 961 m，泥巖，遞變層理，向上粒度變細(濁積巖特征)，TOC=2%，單偏光； b. 黃269井，埋深2 513 m，泥巖，塊狀層理，TOC=1%，單偏光；c.環(huán)317井，埋深2 431.8 m，泥巖，斷續(xù)狀層理，TOC=3%，單偏光；d.羅91井，埋深2 475 m，泥巖，TOC=0.26%，單偏光；e. 里231井，埋深2 057.4 m，頁巖，長英-粘土有機質(zhì)的二元結(jié)構(gòu)，TOC=8.6%，單偏光； f.里147井，埋深2 368 m，似波狀層理，有機質(zhì)不連續(xù)分布，TOC=6.5%，單偏光；g.正70井，埋深1 959 m，頁巖，透鏡狀粘土集合體層理，TOC=16%，單偏光；h.黃15井，埋深2 494.2 m，透鏡狀粘土集合體層理， TOC=11%，單偏光

圖6 鄂爾多斯盆地延長組7段泥巖、頁巖礦物組分平均含量百分比對比(樣品數(shù)n=62)Fig.6 Comparison of the average content of constituent minerals between mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basin(Sample n=62)

2.4 主、微量元素特征

2.4.1 主要元素特征

泥巖中Si，Mg，Ti，K等元素含量比頁巖高，頁巖中P和S元素含量比泥巖高。泥巖中K/Al和Ti/Al的值明顯大于頁巖(圖8b)(Ti/Al是用來判別碎屑顆粒大小的指標，Ti/Al值越高，表示粗粒物質(zhì)相對更多)。K/Al值高，與鉀長石含在泥巖中高于頁巖一致。頁巖中P/Al比泥巖高幾倍到幾十倍(圖8b)，說明頁巖沉積時湖泊生產(chǎn)力比泥巖沉積時高。泥巖中Mg和Ca與Al元素呈現(xiàn)出負相關(guān)的趨勢(圖8c，d)，表明方解石和白云石離物源較近。頁巖中Mg與Al呈現(xiàn)正相關(guān)，可能與綠泥石含量隨著粘土礦物含量增加有關(guān)(圖8d)。

2.4.2 微量元素特征對比

頁巖比泥巖更為富集Cu，Mo，U，Sr和Cd等元素(圖9)。Mo和U與TOC正相關(guān)(圖9a，b)，表明微量元素富集與有機質(zhì)保存有關(guān)。 Cu，Mo，U，Sr和Cd等微量元素在頁巖中的富集，指示了頁巖沉積時更為缺氧。U/Th，V/Cr和V/Sc等常被用來辨識泥質(zhì)巖的沉積環(huán)境[29-30]。頁巖的U/Th值比泥巖高(圖9c)，且U/Th與TOC呈正相關(guān)(圖9d)，說明缺氧環(huán)境有助于有機質(zhì)保存。

2.5 泥巖、頁巖差異特征對比總結(jié)

綜上所述，長7段泥巖和頁巖在以下5個方面存在差異(表1)：分布特征：泥巖和頁巖互補式分布，泥巖主要發(fā)育在三角洲前緣、深湖-濁流相、半深湖相，頁巖主要發(fā)育在深湖相，湖盆中心；有機地球化學(xué)特征：頁巖TOC平均含量為6.6%，是泥巖的3倍，S1值平均含量為3.1 mg/g，是泥巖的2.5倍；巖石成份特征：泥巖中白云石和菱鐵礦含量更高，頁巖中更富集黃鐵礦，平均含量為泥巖的11倍；組構(gòu)特征：泥巖無頁理，有機質(zhì)分散分布，頁巖有頁理，有機質(zhì)順層分布；主微量元素：泥巖Ti/Al和K/Al平均值更高，頁巖中U，Th，Cu，Mo，Sc，Co和Ni等微量元素更為富集。因此，我們可以得出頁巖沉積時水體生產(chǎn)力更高，更為缺氧且水動力條件弱。頁巖中高TOC，高S1，脆性礦物含量高、有機質(zhì)紋層微裂縫發(fā)育等特性，使其成為更為有利的生油層。

3 結(jié)論

1) 泥巖和頁巖在組構(gòu)特征、分布特征、有機地化特征、巖石組分和主微量元素等5個方面存在很大差異。

圖7 鄂爾多斯盆地延長組7段泥巖、頁巖地球化學(xué)特征對比Fig.7 Comparison of geochemical characteristics between mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.S與TOC關(guān)系(n=62)；b.有機質(zhì)類型分布特征(n=62)

圖8 鄂爾多斯盆地延長組7段泥巖、頁巖主量元素特征對比Fig.8 Comparison of main elements in mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.長7段泥巖、頁巖K/Al與Ti/Al關(guān)系(n=62)；b. 長7段泥巖、頁巖P/Al與TOC散點圖(n=62)；c.長7段泥巖、頁巖Ca與Al含量關(guān)系(n=62)；d.長7段泥巖、頁巖Mg與Al含量關(guān)系(n=62)

圖9 鄂爾多斯盆地延長組7段泥巖、頁巖微量元素特征對比Fig.9 Comparison of trace elements in mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.長7段泥巖、頁巖MO含量(10-6) 與TOC關(guān)系(n=62)； b.長7段泥巖、頁巖U含量(10-6)與TOC關(guān)系(n=62)；c.長7段泥巖、頁巖U/Th與V/Cr散點圖；d.長7段泥巖、頁巖U/Th與TOC關(guān)系

表1 鄂爾多斯盆地延長組7段泥巖與頁巖特征差異總結(jié)Table 1 Characteristic differences of mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basin

2) 泥巖和頁巖的發(fā)育受沉積相帶主控。頁巖多發(fā)育于深湖相，泥巖則發(fā)育于三角洲前緣、深湖-濁流相和半深湖相。

3) 富有機質(zhì)頁巖主要形成于高水體生產(chǎn)力的環(huán)境，且水體一般缺氧。長73時水體深度最高，湖泊生產(chǎn)力大，且水體極度缺氧，導(dǎo)致了大面積富有機質(zhì)頁巖的形成。

4) 泥質(zhì)巖層段的非均質(zhì)性強，頁巖的高TOC，高S1，脆性礦物含量高、有機質(zhì)紋層微裂縫發(fā)育等特性，使其成為更為有利的生油層，而泥巖則主要可作蓋層。

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