古環(huán)境與有機(jī)質(zhì)富集控制因素研究
——以鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組為例

李 森 ，朱如凱 ，2，3，崔景偉 ，2，3，柳 涵

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.國(guó)家能源致密油氣研發(fā)中心，北京100083；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

0 引言

元素地球化學(xué)在研究細(xì)粒沉積巖沉積環(huán)境中起到了十分重要的作用。利用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）、原子吸收光譜（AAS）等實(shí)驗(yàn)方法獲得巖石樣品中的元素組成與豐度是目前普遍采取的技術(shù)手段，但在實(shí)際研究中很難獲得大量樣品的元素組分和豐度數(shù)據(jù)。PXRF（Portable X-ray Fluorescence）便攜式X射線熒光光譜儀具有快速、無(wú)損、價(jià)格低廉等特點(diǎn)［1-2］，并且Clark等［3］對(duì)PXRF和原子吸收光譜的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果具有較高的相關(guān)性。國(guó)內(nèi)學(xué)者［4-6］成功運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)獲取了大量巖石樣品的元素組成和豐度數(shù)據(jù)。Spencer等［7］通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)快速獲取主量元素信息，并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的氧化物、硫化物的含量，從而對(duì)非常規(guī)油氣勘探中頁(yè)巖層系的“甜點(diǎn)段”進(jìn)行了識(shí)別。

眾多學(xué)者［8-17］通過(guò)有機(jī)地球化學(xué)、元素地球化學(xué)、生物化石等方法對(duì)鄂爾多斯盆地彬縣、環(huán)縣、姬塬、西峰、富縣、定邊、華池等地區(qū)的長(zhǎng)7油層組的沉積環(huán)境開展了大量的研究，認(rèn)為長(zhǎng)7油層組沉積時(shí)期水體生產(chǎn)力較高，以淡水、缺氧的環(huán)境為主；但也有學(xué)者認(rèn)為水體的鹽度存在波動(dòng)，水體鹽度應(yīng)該為淡水—微咸水。近年來(lái)，針對(duì)銅川地區(qū)長(zhǎng)7油層組沉積環(huán)境也有較多研究［18-20］，有的學(xué)者根據(jù)相當(dāng)硼含量計(jì)算認(rèn)為湖盆為淡水環(huán)境，不存在海侵，而有學(xué)者發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)7油層組頁(yè)巖有較高的硫含量，并存在海相疑源類化石，認(rèn)為湖盆受海侵影響，水體咸化?？傊?，長(zhǎng)7油層組的沉積環(huán)境還存在許多爭(zhēng)議。

利用PXRF測(cè)試手段，借助元素地球化學(xué)指標(biāo)分析該地區(qū)的沉積環(huán)境演化，結(jié)合有機(jī)質(zhì)特征，以期揭示該區(qū)沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)富集控制因素。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組沉積記錄了一個(gè)完整陸相湖盆的演化過(guò)程。從長(zhǎng)10與長(zhǎng)9油層組的湖盆初始沉降開始，到長(zhǎng)7沉積時(shí)期湖盆擴(kuò)張至鼎盛時(shí)期，再到三疊紀(jì)末湖盆萎縮、消亡，形成了1 000余米厚的碎屑巖建造。下部以河流—三角洲相沉積為主；中部發(fā)育三角洲—湖泊相沉積；上部過(guò)渡為河流相沉積。其中，長(zhǎng)7油層組沉積時(shí)期，也是盆地南緣秦嶺造山最活躍的時(shí)期［20］，北秦嶺的逆沖推覆作用造成湖盆快速擴(kuò)張［22］，水體加深，形成了鄂爾多斯盆地內(nèi)廣泛分布、有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主的優(yōu)質(zhì)烴源巖［23-24］，其為盆地中生界最重要的生油層系［25］（圖1）。

圖1 瑤頁(yè)1井位置及巖心Fig.1 Location of well Yaoye1 and coreanalysis

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

為獲取長(zhǎng)7油層組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的元素信息，弄清長(zhǎng)7油層組沉積期古環(huán)境演化，以銅川地區(qū)瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組約60 m（井深250～190 m）的巖心為解剖對(duì)象。在對(duì)瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組巖心觀察的基礎(chǔ)上，利用切割機(jī)將柱狀巖心一分為二，以便使用PXRF對(duì)巖心進(jìn)行掃描。本次元素掃描所采用的儀器是Thermo Sciencetific公司研發(fā)的NITON XL 2800手持式X射線礦石元素分析儀。該設(shè)備能夠測(cè)試 Si，Al，Ba，F(xiàn)e，Sr，Ca，Zr，Rb，S，P 等近30種元素。該型號(hào)的分析儀在巖心的元素掃描中可以選擇2種模式：銅鋅模式和土壤模式。這2種模式可以分別測(cè)試主量元素和微量元素。每一次測(cè)試結(jié)果都會(huì)包括上述元素的測(cè)量值及其誤差。根據(jù)上述元素的測(cè)量絕對(duì)值和誤差值，得到每次測(cè)試上述元素的相對(duì)誤差。本文選取部分相對(duì)誤差<10%的元素進(jìn)行沉積環(huán)境分析。

測(cè)試前對(duì)巖心表面進(jìn)行擦拭處理，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)試過(guò)程中將儀器的探測(cè)端口與巖心表面緊貼，摁下儀器開關(guān)直至單次測(cè)試結(jié)束。利用上述設(shè)備和操作流程對(duì)瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組約60 m巖心的元素含量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試密度根據(jù)巖性的變化做出相應(yīng)變化，共測(cè)試278組數(shù)據(jù)。

表1 瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征Table 1 Characteristics of organic-rich shale of Chang 7 oil reservoir in well Yaoye 1

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的有機(jī)地球化學(xué)分析在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究中心完成。將巖心塊樣粉碎為0.075 mm的粉末用于熱解與有機(jī)碳測(cè)定。熱解分析執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 18602—2012，使用ROCK-EVAL6型熱解儀在常溫常壓下完成。有機(jī)碳分析執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 19145—2003，使用LECO CS-230型碳硫分析儀，300℃恒溫3 min分析S1，在300～800℃以25℃/min的升溫速率程序升溫分析S2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組38塊巖心樣品開展了熱解、有機(jī)碳的測(cè)試分析（表1），并根據(jù)氫指數(shù)（ⅠH）與最高熱解溫度（Tmax）的關(guān)系劃分長(zhǎng)7油層組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的類型（圖2）。根據(jù)獲取元素相對(duì)誤差，選擇 Sr/Ba，Sr/Ca，Ba（bio），DOPT指標(biāo)，分別對(duì)長(zhǎng) 7油層組沉積期的水體鹽度、古生產(chǎn)力、水體氧化還原程度進(jìn)行分析。并綜合各項(xiàng)指標(biāo)和富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征，探討沉積環(huán)境對(duì)長(zhǎng)7油層組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集的控制作用。

圖2 瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型Fig.2 Organic matter typeof Chang 7 in Yaoye1 well

3.1 古鹽度

3.1.1 Sr/Ba

Sr/Ba是常用的定性恢復(fù)古鹽度的方法之一，該指標(biāo)根據(jù)Sr元素和Ba元素的硫酸鹽溶度積不同，即Ba元素更易形成沉淀為原理。當(dāng)水體鹽度增加時(shí)，Ba元素會(huì)首先以硫酸鋇的形式發(fā)生沉淀，使得水體中Sr元素趨于富集，只有在鹽度增加到一定程度之后，鍶元素才會(huì)發(fā)生沉淀，所以該比值與鹽度有較好的相關(guān)性。一般認(rèn)為，當(dāng)w（Sr）/w（Ba）≥ 1 時(shí)為海相沉積，<1 時(shí)為陸相沉積［26］；w（Sr）/w（Ba）在 <1時(shí)，可以細(xì)分為半咸水相（0.5≤w（Sr）/w（Ba）<1）和微咸水相（w（Sr）/w（Ba）<0.5）［28］。有學(xué)者利用該方法成功對(duì)渤海灣盆地［24］、鄂爾多斯盆地［4，9］等大型湖盆進(jìn)行了古鹽度評(píng)價(jià)。根據(jù)瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組PXRF高密度測(cè)量得到的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，w（Sr）/w（Ba）為 0.09～1.56，平均值為 0.28，除2個(gè)異常點(diǎn)外，均<1，指示長(zhǎng)7沉積時(shí)期為典型的陸相湖盆。w（Sr）/w（Ba）≤ 0.5的樣品個(gè)數(shù)占比為94.6%，指示水體微咸。并且在縱向上，水體鹽度由下至上呈逐漸變淡的趨勢(shì)，在210 m處有小幅度上升，但并沒(méi)有明顯變化（圖3）。

圖3 瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組地球化學(xué)剖面Fig.3 Geochemical profileof Chang 7 of Yaoye1 well

3.1.2 Sr/Ca

Chivas等［29］研究發(fā)現(xiàn)，湖泊中介形類生物殼體中的Sr/Ca與湖盆水體的Sr/Ca具有正相關(guān)性［29］，而湖盆水體的Sr/Ca與水體鹽度又具有線性關(guān)系［30］。沈吉等［31］根據(jù)此關(guān)系，對(duì)介形類生物進(jìn)行元素分析，從而推斷湖盆水體鹽度的變化?，庬?yè)1井長(zhǎng)7油層組Sr/Ca的縱向變化趨勢(shì)與Sr/Ba基本一致，由下至上比值逐漸減小，指示水體逐漸淡化。沈吉等［31］基于對(duì)內(nèi)蒙古岱海鹽度研究結(jié)果建立的Sr/Ca與水體鹽度的公式［31］為

式中：S為鹽度，g/L。

參考式（1）定量計(jì)算了長(zhǎng)7油層組沉積時(shí)期的古鹽度值。鹽度值<10 g/L的樣品數(shù)占比為94.3%，指示微咸水—淡水環(huán)境，這與Sr/Ba得到的結(jié)論相吻合（圖 3）。

3.2 古生產(chǎn)力

Tribocillard等［32］認(rèn)為表層水體中自生重晶石的生成與生物作用相關(guān)，但具體作用過(guò)程并不確定。Dehirs等［33］認(rèn)為可能與浮游生物的分解有關(guān)，浮游生物生長(zhǎng)過(guò)程中主動(dòng)或被動(dòng)的吸收Ba元素；浮游生物分解，導(dǎo)致水體中Ba元素過(guò)飽和，并與SO4

2-結(jié)合形成沉淀，被沉積物所記錄。所以地層中Ba元素的豐度一定程度上可以反映沉積期的古生產(chǎn)力。Ba元素與水體表層生產(chǎn)力、有機(jī)質(zhì)富集具有正相關(guān)性已經(jīng)得到證實(shí)［34］，并被廣泛應(yīng)用于古生產(chǎn)力評(píng)價(jià)［35-36］。由于湖盆環(huán)境多受到陸源碎屑供給的影響，所以利用過(guò)剩Ba（僅來(lái)源于生物作用的鋇）作為古生產(chǎn)力評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中：w(B abio)和w(Al)分別為所測(cè)樣品Ba和Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w(Ba)/w(Alaluminosilicate)參考澳大利亞頁(yè)巖（PAAS）中2種元素的比值，為0.007 7。

根據(jù)計(jì)算得到的過(guò)剩Ba含量，可以發(fā)現(xiàn)，瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組從250 m井深沉積期開始，古生產(chǎn)力快速上升，在240 m井深沉積期處達(dá)到最高值，隨后開始下降至220 m井深沉積期。220～190 m井段沉積期古生產(chǎn)力趨于平穩(wěn)，沒(méi)有明顯變化。總體上長(zhǎng)7油層組沉積期的古生產(chǎn)力呈下降的趨勢(shì)（圖3）。

3.3 水體氧化還原程度

Raiswell等［37］提出利用黃鐵礦礦化度（黃鐵礦中的鐵含量/活性鐵含量）衡量水體的氧化還原程度，該指標(biāo)已成功應(yīng)用于陸相和海相水體的含氧量評(píng)價(jià)［21，38］。在還原水體中，微生物的硫酸鹽還原反應(yīng)將有機(jī)質(zhì)代謝，SO42-被還原成H2S，并與含鐵碎屑物質(zhì)形成黃鐵礦。在還原條件下，H2S的生成不會(huì)受到生物擾動(dòng)等氧化作用的影響，使得更多的含鐵碎屑物質(zhì)能與H2S形成黃鐵礦。還原程度越高，H2S含量越高，DOPT也隨之升高。本次研究并未直接測(cè)定黃鐵礦、活性鐵含量。所以借用Rimmer等［38］的近似公式DOPT，并用總硫含量代替黃鐵礦中硫的含量。根據(jù)Raiswell等［37］數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的DOP與水體氧化還原程度之間的關(guān)系（表2），對(duì)長(zhǎng)7油層組沉積水體氧化還原程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 DOP T沉積環(huán)境判別指標(biāo)Table2 Sedimentary environment indicator of DOP T

整體上，瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7油層組DOPT呈先上升后下降的趨勢(shì)，指示含氧量有先降低后上升的趨勢(shì)。由下至上，在250～240 m井段，DOPT均值為0.36，普遍低于0.42，只在243 m處上下出現(xiàn)短暫缺氧環(huán)境。在240～230 m井段，DOPT均值為為0.76，但水體的含氧量變化較大，氧化環(huán)境與還原環(huán)境交替出現(xiàn)。在230～220 m井段，DOPT均值為2.22，反映水體還原程度較高，處于比較穩(wěn)定的缺氧狀態(tài)。在220～210 m井段，DOPT逐漸下降，含氧量呈上升趨勢(shì)。在井深210 m，DOPT低于0.42，水體處于氧化環(huán)境。

4 討論

4.1 長(zhǎng)7油層組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)縱向特征

根據(jù)38個(gè)樣品分析結(jié)果（參見(jiàn)表1），長(zhǎng)7油層組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.44%～26.90%，平均值為7.64%。頁(yè)巖的豐度差異較大，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。在長(zhǎng)7油層組底部250 m處，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，平均為1%。隨后有機(jī)質(zhì)豐度逐漸上升，在234～220 m為有機(jī)質(zhì)富集段，TOC平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.2%，最大值為26.9%。在220～190 m井段，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降至1%以下。根據(jù)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的巖石熱解參數(shù)，對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖3）。在縱向上，有機(jī)質(zhì)類型也有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，Ⅱ1，Ⅱ2，Ⅲ型干酪根均有發(fā)育，250～241 m井段的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖以Ⅲ型干酪根為主；241～220 m井段的干酪根類型最好，氫指數(shù)最高，為Ⅱ1型干酪根。在220～190 m井段，干酪根類型逐漸變差，多以Ⅱ2型和Ⅲ干酪根為主。根據(jù)本次烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)類型，可以將長(zhǎng)7油層組的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分為3類。優(yōu)質(zhì)烴源巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5%，干酪根類型以Ⅱ1型為主；好烴源巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%，干酪根類型以Ⅱ1型為主；一般烴源巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%，干酪根類型以Ⅱ2，Ⅲ型為主。由此可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育于238～220 m井段，該段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型較好，有機(jī)質(zhì)豐度高。好烴源巖主要發(fā)育于241～238 m井段，有機(jī)質(zhì)類型好，但有機(jī)質(zhì)豐度一般。一般烴源巖主要發(fā)育于250～241 m井段和220～190 m井段，有機(jī)質(zhì)類型、豐度均較一般。

4.2 長(zhǎng)7油層組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集控制因素

在 250～241 m 井段（圖 3），Sr/Ca，Sr/Ba，DOPT元素指標(biāo)指示水體淡化、富氧，并不有利于有機(jī)質(zhì)的保存，并且古生產(chǎn)力指標(biāo)Baboi顯示該階段的古生產(chǎn)力偏低。導(dǎo)致長(zhǎng)7沉積期并不利于有機(jī)質(zhì)的富集，從而形成類型一般，豐度較低的烴源巖。

在241～238 m井段沉積期（圖3），古生產(chǎn)力較高，有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育。在該段沉積早期（241～240 m井段沉積期），較高的鹽度導(dǎo)致湖盆水體形成鹽度分層，形成短暫的還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存，但陸源碎屑注入指標(biāo)（Si/Al），指示該段有較大量的沉積物注入，對(duì)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生了“稀釋”作用，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)類型雖好，但有機(jī)質(zhì)豐度較低。在該段沉積晚期（240～238 m井段沉積期），陸源注入量減少，但該段水體的含氧量較高，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)豐度較低。從而形成了該段有機(jī)質(zhì)類型較高而豐度較低的好烴源巖。

在238～220 m井段沉積段（圖3），DOPT處于高值段，指示水體缺氧，水體環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存。Fe/Al在該段也處于高值。前人對(duì)該段的研究也有發(fā)現(xiàn)其 Fe 元素含量較高的特點(diǎn)［16，18，40-41］。Fe含量較高一方面說(shuō)明水體還原，硫化環(huán)境形成了大量的黃鐵礦。另外Fe的富集可能與火山灰有關(guān)。巖心觀察中發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)富集的頁(yè)巖層段，發(fā)育毫米—厘米級(jí)厚度的凝灰?guī)r夾層（圖4）?；鹕交医德涞胶柚?，使得Fe，P2O5等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖盆水體，提高了水體的古生產(chǎn)力進(jìn)而導(dǎo)致藻類的勃發(fā)［40-41］，但該段古生產(chǎn)力指標(biāo)Baboi并沒(méi)有顯示高值，這可能與水體硫化有關(guān)。在較強(qiáng)的還原環(huán)境下，硫酸鹽還原細(xì)菌將大量的SO42-代謝，形成 HS-，導(dǎo)致 BaSO4沉淀溶解平衡向溶解方向移動(dòng)，使得Ba元素溶解［42］，從而導(dǎo)致Ba元素的豐度不高，推測(cè)該段的古生產(chǎn)力應(yīng)該處于較高水平。另外，Si/Al指示該段整體物源注入量較小，有利于有機(jī)質(zhì)的富集。僅在228～225 m井段，Si/Al較高指示物源注入量較大，“稀釋”作用導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)豐度稍有下降。在水體強(qiáng)烈還原、古生產(chǎn)力較高的前提下，該段形成了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段，有機(jī)質(zhì)豐度高、類型較好。

圖4 瑤頁(yè)1井長(zhǎng)7頁(yè)巖凝灰?guī)r夾層巖心照片（a）230.33～230.10 m；（b）229.80～229.58 m；（c）228.60～228.30 m；（d）227.30～227.05 m（凝灰?guī)r夾層由黃線標(biāo)識(shí)，圓圈為元素測(cè)試點(diǎn)）Fig.4 Corepicturesof Yaoye1 well to show tuff interlayer of Chang 7 shale

在220～190 m井段（圖4），DOPT指示水體環(huán)境又轉(zhuǎn)變?yōu)閬嗊€原—氧化狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)并不能得到較好的保存；并且陸源碎屑的注入量較大。并且此時(shí)古生產(chǎn)力Baboi元素指示水體的古生產(chǎn)力較低，最終導(dǎo)致該段有機(jī)質(zhì)類型一般，有機(jī)質(zhì)豐度低。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組沉積期水體以淡水—微咸水為主，長(zhǎng)7油層組下部沉積期水體的鹽度相對(duì)較高，并且有向上逐漸變淡的趨勢(shì)。

（2）鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組沉積期水體的古生產(chǎn)力有由底部向上逐漸下降，后保持穩(wěn)定的規(guī)律，但部分層段由于水體還原程度較高，推測(cè)Ba元素在硫化環(huán)境中溶解，導(dǎo)致該段Ba含量有所降低。

（3）鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組沉積早期為富氧水體，之后水體含氧量降低，在230～220 m井段沉積期出現(xiàn)硫化環(huán)境，之后水體又處于氧化狀態(tài)。

（4）縱向上長(zhǎng)7油層組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.62%～26.00%，干酪根類型為Ⅱ1，Ⅱ2，Ⅲ型。在238～220 m井段，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型以II1為主。

（5）較強(qiáng)的還原環(huán)境、較高的古生產(chǎn)力和較少的陸源供給共同促成了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育。此外火山灰對(duì)提高古生產(chǎn)力有積極作用。