鄂爾多斯盆地延長組7段有機質富集主控因素

袁 偉,柳廣弟,徐黎明,牛小兵

[1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249； 2.東北石油大學 地球科學學院,黑龍江 大慶 163318；3.中國石油 長慶油田分公司,陜西 西安 710021]

鄂爾多斯盆地延長組7段(長7段)富有機質頁巖是該盆地中生代含油系統(tǒng)中最重要的烴源巖,為延長組、甚至上部延安組的油氣聚集提供了充足的油源。這套富有機質頁巖含有大量的有機質,其總有機碳(TOC)含量一般為6%～14%,最高可達30%以上[1],這在國內外的湖相盆地中是非常少見的。這種有機質含量異常高的情況可能與長7段頁巖形成時期特殊的地質背景和沉積環(huán)境有關。富有機質頁巖的形成本質是有機質在沉積物中的富集,這一過程受多種因素的綜合影響。前人的研究表明有機質供給、保存和沉積速率是有機質富集的主要控制因素[2-10]。鄂爾多斯盆地中沉積的有機質基本上屬于盆內自生的低等水生植物,陸源輸入很少,因此其有機質供給主要與湖泊的初級生產(chǎn)力有關。有機質的保存主要與湖盆底水的氧化還原條件有關,一般還原程度越強,越有利于有機質的保存[3-4]。而沉積速率對有機質富集的影響則較為復雜,既可以促進有機質富集,也可以對沉積物中的有機質起稀釋作用[4,11]。古生產(chǎn)力的大小、氧化還原程度的強弱及沉積速率的大小又受到古構造、古氣候、古沉積環(huán)境和事件作用的影響。因此,古構造、古氣候、古沉積環(huán)境和事件作用是控制鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖形成的根本性因素。本文將對這些因素逐個進行分析,探討它們是如何影響有機質供給、有機質保存和沉積速率,并進而控制富有機質頁巖形成的。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺的西部,是一個多旋回沉積型克拉通類含油氣盆地,也是中國第二大沉積盆地,具有巨大的資源潛力[12-13]。在中生代之前,鄂爾多斯盆地屬于華北克拉通的一部分,到三疊世晚期,鄂爾多斯盆地從淺海沉積過渡為陸相淡水湖泊沉積[13-15]。上三疊統(tǒng)延長組發(fā)育一套河流-三角洲-湖泊的陸源碎屑沉積體系[16],總厚度約為1 000～1 300 m[17]。根據(jù)標志層、沉積旋回、巖性組合,延長組從下到上可以劃分為10個油層組(長10—長1),其中長7油層組(長7段)是富有機質頁巖發(fā)育的主要層段,也是本次研究的對象。長7段主要由粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、油頁巖及凝灰?guī)r(火山灰蝕變物)夾層構成,總厚度約為80～120 m。長7段富有機質頁巖主要分布在陜北斜坡東南部和天環(huán)坳陷南部(圖1),其分布面積超過105km2[17]。

2 有機質富集主控因素

2.1 古構造

鄂爾多斯盆地在晚三疊世的構造活動主要受印支運動的控制。在長7沉積期的初始階段,盆地南緣的秦嶺山脈在印支運動的作用下快速隆升,而盆地內的東南部則迅速下陷。近年來,許多研究表明延長組長8到長7沉積期之間存在著構造突變,并認為這種構造的變化是對印支運動Ⅰ幕的響應[18-19],構造突變主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 湖盆底型變化

長8段沉積之前湖盆寬緩,并不存在陡坡,長7段沉積初期湖盆才開始變陡,形成南陡北緩的沉積格局[20]。

2) 沉積環(huán)境變化

長8段沉積期主要發(fā)育河流-三角洲沉積,而長7段沉積期的湖泊面積急劇擴大(為最大湖泛期),水體變深,主要發(fā)育湖相泥質沉積[21]。

3) 巖性變化

長8段的巖性為灰綠色、灰色細砂巖夾暗色泥巖、粉砂巖,而長7段的巖性主要為暗色泥巖、油頁巖夾粉、細砂巖、薄層凝灰?guī)r[22]。長8段砂巖中的巖屑、石英、長石的含量基本相等,且不含白云石碎屑,而長7段砂巖中的巖屑、石英、長石的含量差異較大,并普遍含有白云石碎屑,說明其物源變化較大,沒有繼承性[注]賀靜.《巖石薄片分析技術及應用》學術講座,2017.。

4) 強烈構造活動

長7段富有機質頁巖中存在許多的震積巖(圖2a—c)和廣泛分布的薄層或紋層狀凝灰?guī)r(圖2d,e),并且也發(fā)現(xiàn)了許多熱液存在的證據(jù)(如脈狀黃鐵礦)(圖2f)。這些事件沉積現(xiàn)象反映了長7段沉積期火山和熱液活動等事件作用頻發(fā),而火山和熱液活動往往是強烈構造活動最直接的體現(xiàn)。

鄂爾多斯盆地長8段與長7段沉積期之間強烈的構造活動一方面使得湖盆快速沉降,水體深度增加,湖盆面積擴大,增大了湖盆的可容空間，另一方面強烈的構造活動所誘發(fā)的火山、地震活動通過火山灰沉積物和湖底熱液向湖盆水體提供了大量生物生長所需的營養(yǎng)物質,可以促使生物的勃發(fā),提高湖泊的初始生產(chǎn)力。因此,構造活動對鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖的形成有巨大的影響。

2.2 古氣候

2.2.1 古緯度

傅強等[23]通過古地磁分析,恢復了鄂爾多斯盆地晚三疊世延長期的古緯度,認為鄂爾多斯盆地延長組沉積時期湖盆的古緯度為北緯31.03°,比現(xiàn)在所處的緯度(35.1°)偏南4°多,相當于現(xiàn)在長江沿線一帶的位置,因此,其溫度與濕度均相對較高。

2.2.2 孢粉分析

Ji[24]通過對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長8-長7段的孢粉分析和植物群特征的研究,認為晚三疊世長8-長7段沉積期為持續(xù)溫暖潮濕的古氣候。王磊[25]也對鄂爾多斯盆地南部區(qū)域長7段的露頭和巖心樣品進行了孢粉分析,其孢粉組合特征也表明,長7段富有機質頁巖沉積期為熱帶-亞熱帶溫暖潮濕的古氣候。從以上兩個地區(qū)的孢粉分析結果來看,其古氣候特征顯示出很好的相似性,這可能與盆地當時所處的古緯度有關。由此可以推測,鄂爾多斯盆地在長7沉積期可能都處于熱帶-亞熱帶溫暖潮濕的古氣候條件之下。

2.2.3 氣候指數(shù)

從元素上來說,在潮濕氣候條件下,沉積物(巖)中Fe,Mn,Cr,V,Ni和Co等元素含量較高,而在干燥氣候條件下,由于水分的蒸發(fā),水介質的堿性增強,Ca,Mg,K,Na,Sr和Ba被大量析出形成各種鹽類沉積在水底,所以它們的含量相對較高[26]。趙增義[26]利用這兩類元素的比值定義了氣候指數(shù)“C”值:

建立了劃分標準(表1),并以此來對古氣候進行恢復。

利用鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖樣品的元素分析數(shù)據(jù),計算了氣候指數(shù)“C”值,并結合TOC含量數(shù)據(jù),繪制了兩者之間的關系圖(圖3)。從圖中可以看出,研究區(qū)大部分樣品的氣候指數(shù)值大于0.8,屬于潮濕的氣候條件；少部分樣品的氣候指數(shù)值介于0.6～0.8,屬于半潮濕的氣候條件；只有極個別樣品的氣候指數(shù)值小于0.6。圖3表明鄂爾多斯盆地長7沉積期整體屬于潮濕的氣候條件。而且氣候指數(shù)“C”值與TOC含量呈正相關關系,說明氣候條件越潮濕,越有利于富有機質頁巖的形成。

綜上可知,鄂爾多斯盆地晚三疊世長7段沉積期具有溫暖潮濕的古氣候條件,其一方面可以提供充足的光照,另一方面可以維持水體表層的溫度,這些都有利于水生生物的生長和繁盛,提高湖泊的初級生產(chǎn)力。

表1 氣候條件劃分標準[26]Table 1 Standards for climate classification[26]

圖3 鄂爾多斯盆地長7段氣候指數(shù)(C)與TOC含量的關系Fig.3 The relationship of climate proxy “C”and TOC content of Chang 7 member in the Ordos Basin(圖中紅色虛線分別表示C=0.6和C=0.8)

2.3 古沉積環(huán)境

2.3.1 古鹽度

鍶(Sr)、鋇(Ba)、硼(B)和鎵(Ga)等微量元素在不同鹽度水體中的溶解度相差很大,因此它們可以用來判斷水體的鹽度[25]。Sr在咸水中的含量一般為(800～1 000)×10-6,在淡水中的含量為(100～300)×10-6；而Sr/Ba比值大于1為咸水,在0.6～1為半咸水,小于0.6為淡水環(huán)境[25]。B在咸水中的含量一般大于100×10-6,在半咸水中的含量為(60～100)×10-6,在淡水中的含量小于60×10-6；而B/Ga比值大于3.3為咸水,小于3.3為淡水環(huán)境[25]。

通過對鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖的微量元素分析(表2)得知,延長組長71、長72和長73小層的Sr平均值分別為269.6×10-6，193.5×10-6和236.6×10-6,Sr/Ba的平均值分別為0.35，0.28和0.38；B平均值分別為65.3×10-6，14.0×10-6和46.1×10-6,B/Ga的平均值分別為2.84，0.64和2.72。結合上述的判斷標準,可以判斷鄂爾多斯盆地長7段沉積過程中湖盆水體為淡水環(huán)境。

表2 鄂爾多斯盆地長7段古鹽度參數(shù)Table 2 Paleo-salinity parameters of Chang 7 member in the Ordos Basin

2.3.2 氧化還原環(huán)境

前人利用不同的方法對鄂爾多斯盆地長7段沉積期的沉積環(huán)境進行了研究,但是其結果是相互矛盾的:有機地化指標(如Pr/Ph值、伽馬蠟烷含量)表明湖盆底水是氧化的[27],而微量元素指標(如V/(V+Ni),U/Th,V/Sc)則反映出缺氧環(huán)境的特征[25,27-28]。由于沉積物中的微量元素含量受陸源碎屑、初級生產(chǎn)力、有機質來源和早期成巖作用等多種因素和機理的控制,因此,根據(jù)微量元素指標來判斷氧化還原條件有可能是不可靠的[29]。對于鄂爾多斯盆地長7沉積期來說,其構造活動強烈,火山、熱液活動頻發(fā)[20,28],致使該時期的微量元素來源非常復雜,所以微量元素指標在長7期可能并不適用。此外,微量元素指標很難判斷氧化還原界面的位置是在沉積物中還是在水體之中[29]。因此,筆者在之前的研究中,利用草莓狀黃鐵礦的平均直徑(圖4)、有機碳含量與磷(P)含量的摩爾比值(CTOC∶P)及黃鐵礦礦化度(DOP)對鄂爾多斯盆地長7沉積期的底水環(huán)境進行了判識,其結果表明長7期的底水主要為氧化-亞氧化、并伴有間歇性還原的環(huán)境[30]。張文正等[31]的最新研究成果也表明鄂爾多斯長7期的底水環(huán)境是氧化的，并且氧化-還原界面可能與沉積物-水界面一致。

2.3.3 古水深

對鄂爾多斯盆地長7段沉積期的古水深,已有一些學者進行了研究。陳全紅[32]通過對大量沉積構造及介形蟲的統(tǒng)計分析,推測長7段湖盆鼎盛時期的最大水深可達60 m。

圖4 草莓狀黃鐵礦的平均直徑和標準偏差交匯圖[30]Fig.4 Crossplot showing the mean diameter and the diameter standard deviation of the framboidalpyrite[30]

邱欣衛(wèi)[28]根據(jù)長7段油頁巖的U/Th值,對長7段沉積期的古水深進行了恢復,并認為湖盆的水體深度為60～100 m。但是這一研究結果的可靠性仍值得商榷,因為其古水深計算方法的主要兩點假設之一(即隨水體深度的增加,還原環(huán)境增強,古水深與 U/Th 值呈線性正相關關系),筆者認為是不成立的。因為對于鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖來說,其U元素主要賦存于膠磷礦中[33-34],而膠磷礦又往往是在氧化的底水環(huán)境下富集而成[30]。因此,U元素在氧化的底水條件下也可以發(fā)生聚集,U/Th值與還原強度(或古水深)并不是呈線性相關的。而且由于長7期的火山、熱液活動提供了豐富的U源,致使長7段富有機質頁巖中的U具有異常高值的特征[27],那么根據(jù)U/Th 值所計算的古水深也可能會偏大。

此外,從鄂爾多斯盆地長7富有機質頁巖的薄片中發(fā)現(xiàn)了許多瓣鰓類化石(圖5)。這些化石殼體個體較小,殼體差異大,呈長橢圓形、橢圓形、近卵形、斜三角形和近菱形等,并且在長71-長73小層均有分布。瓣鰓類化石通常指示開闊的淺湖(深度10～35 m)環(huán)境[35],這說明鄂爾多斯盆地長7段沉積期的水體深度可能不會太深。并且從湖盆底水的氧化還原條件來看,長7段沉積期主要為氧化-亞氧化的底水環(huán)境,其可能的成因之一就是水體深度偏淺。而至于水體深度具體的定量評價,目前尚無法確定。

綜上所述,淡水的環(huán)境限制了非淡水生物的生長,而只適合淡水的藻類、魚類和瓣鰓類等生物的生長。由于水體深度偏淺等原因,湖泊的底水環(huán)境以氧化-亞氧化為主,這種環(huán)境會增加沉積有機質的消耗,不利于有機質的保存。

2.4 事件作用

2.4.1 火山活動

鄂爾多斯盆地長7期的火山活動向湖盆中輸送了大量的火山灰沉積物。根據(jù)鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖樣品、凝灰?guī)r樣品及長8段頁巖樣品的元素分析數(shù)據(jù),結合收集的公開發(fā)表且與研究區(qū)凝灰?guī)r性質相似的中酸性新鮮火山灰的成分數(shù)據(jù)[11],對他們中的P和Fe含量進行了對比分析(表3)。統(tǒng)計結果表明,長7段富有機質頁巖的P2O5和TFe含量分別為0.08%～6.24%,2.97%～19.15%,平均值分別為0.40%和8.00%。與北美頁巖(P2O5和TFe含量的平均值分別為0.13%和5.66%[36])和長8段頁巖(P2O5和TFe含量的平均值分別為0.08%和4.62%)相比,長7段富有機質頁巖具有高P2O5和TFe含量的特征。然而,長7段凝灰?guī)r的P2O5和TFe含量分別為0.02%～0.36%,0.77%～8.28%,平均值分別為0.08%和1.76%,它比新鮮火山灰的P2O5和TFe含量(平均值分別為0.27%和5.60%)明顯低很多。

表3 鄂爾多斯盆地凝灰?guī)r、頁巖與新鮮火山灰、北美頁巖主量元素均值對比Table 3 Comparison of mean content of major elements in tuffs and shales of Ordos Basin with those in fresh volcanic ash and North American shales

一些新鮮火山灰的溶解實驗表明,當火山灰進入水中之后,能夠快速(分鐘級)釋放大量的P,Fe和其他各種離子[37-39]。由此可知,火山灰的P和Fe含量會在沉積過程中出現(xiàn)損失。這些P2O5和TFe含量的數(shù)據(jù)表明,當火山灰沉積時,P和Fe元素從火山灰中轉移到了湖盆水體之中,并通過生物地球化學循環(huán)保存到了之后形成的富有機質頁巖中。因此,造成了長7段凝灰?guī)r中P和Fe含量低而富有機質頁巖中P和Fe含量高的現(xiàn)象。并且長7段富有機質頁巖的TOC含量與P2O5和TFe含量具有正相關關系(圖6)。這表明長7期火山活動提供的火山灰沉積物可能控制了P2O5和TFe含量的分布,從而進一步影響了富有機質頁巖的形成。

2.4.2 湖底熱液活動

對于鄂爾多斯盆地延長組,尤其是長7段的湖底熱液活動,已經(jīng)有許多學者關注并進行了相關研究,發(fā)現(xiàn)了大量證實熱液活動的礦物巖石學證據(jù)、主微量元素和同位素地球化學證據(jù),并在此基礎上探索了湖底熱液活動與長7段富有機質頁巖形成的關系[20,28,40-42]。

圖6 鄂爾多斯盆地長7富有機質頁巖TOC含量與P2O5(a)和TFe(b)含量關系Fig.6 Correlation of TOC contents with P2O5(a)and TFe(b)contents of the Chang 7 organic-rich shales,Ordos Basin

張文正等[40]認為熱液流體中含有豐富的P,N,Cu,Fe,Mo和Mn等生物所需的營養(yǎng)元素,鄂爾多斯盆地長7期的湖底熱液活動一方面可以向湖盆水體中輸送大量的營養(yǎng)物質,另一方面也可以提高水體的溫度,形成適宜生物生長的古水溫條件。豐富的營養(yǎng)物質和適宜的生長環(huán)境為生物的繁盛(古生產(chǎn)力的提高)提供了有利的條件。

由于富有機質頁巖中的Al/(Al+Fe+Mn) 和 (Fe+Mn)/Ti比值可以反映熱液活動的存在情況[41-42],在典型的熱液沉積中,Al/(Al+Fe+Mn)比值通常小于0.4,而 (Fe+Mn)/Ti比值則要大于15[42]。因此,可以根據(jù)這兩者的數(shù)據(jù)與對應的TOC含量的關系來推斷熱液活動對有機質富集的影響。賀聰?shù)萚41]研究了熱液指標Al/(Al+Fe+Mn)、(Fe+Mn)/Ti與古生產(chǎn)力指標P/Al，P/Ti和氧化還原指標TS(總硫)的關系,發(fā)現(xiàn)熱液指標與古生產(chǎn)力指標、氧化還原指標均具有較好的相關關系,說明湖底熱液活動可能有助于提高湖泊的古生產(chǎn)力和促進底水缺氧環(huán)境的形成。此外,他們還分析了熱液指標Al/(Al+Fe+Mn)、(Fe+Mn)/Ti與富有機質頁巖中TOC含量的關系,發(fā)現(xiàn)它們也表現(xiàn)出較好的相關性,說明熱液活動與富有機質發(fā)育之間具有密切的關系,即湖底熱液活動的存在可以促進頁巖有機質的富集[41]。

2.4.3 事件作用的影響

鄂爾多斯盆地長7沉積期的事件作用主要為火山、湖底熱液活動。火山灰沉積物和湖底熱液流體對長7段富有機質頁巖形成的影響歸結起來主要有以下兩點。

1) 提供營養(yǎng)物質,提高初級生產(chǎn)力

火山灰沉積物在沉降過程中,其吸附的氣體或某些組分會在水體之中發(fā)生溶解,并釋放出大量的營養(yǎng)物質(如P和Fe),從而促進生物的繁盛。而湖底熱液除了其自生所攜帶的營養(yǎng)物質之外,它也可以把湖底之前沉積的富營養(yǎng)組分帶入水體表層,重新被生物所利用。TOC與P，F(xiàn)e含量和熱液指標顯示出良好的相關關系,說明火山灰沉積物和湖底熱液流體的營養(yǎng)作用(或施肥作用)在富有機質頁巖的形成過程中起到了重要的控制作用。

2) 改變湖盆底水的氧化還原條件

在火山噴發(fā)或湖底熱液活動時期,由于它們提供了充足的營養(yǎng)供給,湖泊往往具有極高的初始生產(chǎn)力,從而導致沉入湖底的有機質也相應增加。有機質的降解是一個耗氧的過程,大量有機質的降解造成了底水的缺氧環(huán)境。鄂爾多斯盆地長7沉積期湖盆底水間歇性還原的特征可能就是由間歇性的火山和湖底熱液活動所引起的。

3 結論

1) 鄂爾多斯盆地延長組長7段富有機質頁巖的形成,不是由某一種因素所決定的,而是由古構造、古氣候、古沉積環(huán)境和事件作用等多因素相互耦合、共同影響的。這些因素綜合控制了湖泊有機質的供給和沉積有機質的保存,從而造成了長7段富有機質頁巖的形成。

2) 在長7沉積期,強烈的構造活動一方面導致盆地整體沉降,湖盆面積擴大,從而使得可容空間增大；另一方面誘發(fā)了多期的火山和湖底熱液活動,并通過火山灰沉積物和熱液流體向湖泊中輸送了大量的營養(yǎng)物質。充足的生長空間、豐富的營養(yǎng)物質和適宜的氣候條件使得水生生物異常繁盛(湖泊初始生產(chǎn)力極高),這為富有機質頁巖的形成提供了豐富的物質基礎。盡管長7期氧化-亞氧化的底水環(huán)境會對沉積有機質起到很大的破壞作用,但是在供給量充足的前提下,有機質的降解量遠小于其輸入量,從而使得大量的有機質保存了下來,并造成了有機質在沉積物中的大量富集。