延安南部延長(zhǎng)組長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖古沉積環(huán)境恢復(fù)及意義

李曉路，杜永慧，陳義國(guó)，李廣濤，吳 鳳，王 超，李紅進(jìn)，杜克鋒

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710065)

0 引言

隨著致密油藏勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的廣泛推廣，延安南部地區(qū)長(zhǎng)8段致密油藏勘探陸續(xù)獲得突破，目前已發(fā)現(xiàn)的致密油地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)1×108t，促使該地區(qū)成為延長(zhǎng)油田現(xiàn)實(shí)的資源接替區(qū)。長(zhǎng)9段頂部發(fā)育的黑色頁(yè)巖具有較強(qiáng)的生烴能力和排烴能力，是延長(zhǎng)組一套重要烴源巖[1]。前人的研究表明，長(zhǎng)9段頂部的頁(yè)巖與長(zhǎng)8段的原油具有親緣性，同時(shí)其發(fā)育規(guī)模及分布對(duì)長(zhǎng)8段致密油的富集具有一定的控制作用[2-5]。鑒于長(zhǎng)9烴源巖對(duì)該地區(qū)致密油成藏的重要影響，開(kāi)展長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖古沉積環(huán)境的研究非常必要。該研究利用巖心以及野外露頭的頁(yè)巖樣品的元素分析測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行元素地球化學(xué)特征、古氣候、古氧化還原條件、古鹽度、古水深以及古湖泊生產(chǎn)力等方面的分析，明確延安南部長(zhǎng)9段頂部的頁(yè)巖的形成條件及發(fā)育模式，有助于評(píng)價(jià)研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育區(qū)，進(jìn)一步擴(kuò)大長(zhǎng)8致密油的勘探規(guī)模，同時(shí)促進(jìn)延長(zhǎng)組湖盆沉積演化的認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)概況

延安南部地區(qū)處于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東南部，三疊系延長(zhǎng)組時(shí)期以湖泊三角洲沉積為主[6]。長(zhǎng)9晚期湖盆快速沉降，迅速擴(kuò)張，延安南部的甘泉—富縣地區(qū)長(zhǎng)9段頂部發(fā)育了一套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，巖性主要為黑色、灰黑色頁(yè)巖及粉砂質(zhì)泥巖，厚度約為5～25 m。研究區(qū)北部頁(yè)巖發(fā)育厚度較大，向南部減薄，直羅—富縣一帶厚僅為5～10 m。延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖展布圖及地層特征如圖1所示。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)頁(yè)巖地球化學(xué)分析測(cè)試結(jié)果顯示，長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖的有機(jī)碳含量較高，生烴潛力大，TOC均值為5.1%，(S1+S2)平均為6.7 mg/g，可達(dá)優(yōu)質(zhì)烴源巖級(jí)別[7]。

圖1 延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖展布圖及地層特征圖Fig.1 Distribution map and stratigraphic characteristics of shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

2 樣品采集與分析

該研究進(jìn)行了野外剖面和巖心取樣，共采集8個(gè)巖心樣品和3個(gè)新鮮巖石樣品。主量元素和微量元素測(cè)試均由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成，分析儀分別為XRF熒光光譜儀(ZSX PrimusIII+)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent7900)，流程遵照GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》第28部分對(duì)16個(gè)主次成分量測(cè)定，遵照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》第30部分對(duì)40個(gè)元素量測(cè)定。

3 分析測(cè)試結(jié)果

3.1 主量元素特征

延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖主量元素含量見(jiàn)表1。分析結(jié)果表明：SiO2含量較高，為54.75%～70.07%，平均值為63.96%；Al2O3含量次之，為11.98%～15.84%，平均值為13.77%；TFe2O3含量為2.70%～7.29%，平均值為5.10%；MgO含量為1.54%～4.49%，平均值為2.26%；Na2O含量為2.14%～4.41%，平均值3.25%；CaO含量為1.10%～6.32%，平均值為2.95%；K2O含量為1.19%～3.52%，平均值為2.56%；其他氧化物(MnO和TiO2)含量小于1%，燒失量為1.77%～9.14%，平均值為5.09%。分析結(jié)果與上地殼均值(UCC)[8]對(duì)比，TFe2O3，P2O5和MnO相對(duì)富集，其余元素相對(duì)虧損。TFe2O3和P2O5相對(duì)富集較高，表明長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期無(wú)機(jī)鹽類含量較高。

表1 延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖主量元素含量Table 1 Contents of major elements in shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

3.2 微量元素特征

延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖微量元素含量見(jiàn)表2。測(cè)試結(jié)果表明：長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖中不同類型微量元素含量差異較大。Sr含量為50.33×10-6～374.37×10-6，平均值為178.01×10-6；V含量為31.65×10-6～105.51×10-6，平均值為75.59×10-6；Rb含量為39.60×10-6～247.15×10-6，平均值為102.18×10-6；Ba含量為227.66×10-6～875.46×10-6，平均值為575.76×10-6；Ni含量為12.65×10-6～34.97×10-6，平均值為22.57×10-6；Co含量為10.34×10-6～19.35×10-6，平均值為14.44×10-6。通過(guò)與上地殼元素平均值對(duì)比，Rb，U和Th較為富集，Co和Ba與上地殼元素平均值相當(dāng)，其他元素如Sc和Cr等表現(xiàn)為相對(duì)虧損。

表2 延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖微量元素含量Table 2 Contents of Trace elements in shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

4 沉積古環(huán)境分析

沉積物中地球化學(xué)元素具有相對(duì)的穩(wěn)定性，在古環(huán)境分析中應(yīng)用廣泛，已在多個(gè)盆地取得較好的成果和認(rèn)識(shí)[9-12]。利用元素地球化學(xué)的測(cè)試結(jié)果，對(duì)延安南部地區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期的古氣候、古氧化還原條件、古鹽度和古水深進(jìn)行分析，并對(duì)古湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行半定量計(jì)算。

4.1 古氣候

古氣候是判斷沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。該文依據(jù)樣品中的CaO和MgO等常量元素分析結(jié)果，運(yùn)用CaO/(MgO·Al2O3)值的方法，對(duì)比前人對(duì)延長(zhǎng)組古氣候研究成果，分析長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期的古氣候特征。沉積物中的CaO/(MgO·Al2O3)值可以較為靈敏反映湖泊內(nèi)生碳酸鈣的含量，進(jìn)而根據(jù)其高低值來(lái)指示氣候的溫暖和寒冷[13]。延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖古沉積環(huán)境分析參數(shù)見(jiàn)表3。長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖樣品的CaO/(MgO·Al2O3)為0.046～0.337，平均值為0.116。前人研究得出的長(zhǎng)7段CaO/(MgO·Al2O3)平均值為0.112，長(zhǎng)6—長(zhǎng)1段平均值為0.148[9]，通過(guò)對(duì)比，長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期的氣溫與長(zhǎng)7段沉積時(shí)期相接近，但低于長(zhǎng)6—長(zhǎng)1段沉積時(shí)期，整體為溫暖、濕潤(rùn)的氣候特征。

表3 延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖古沉積環(huán)境分析參數(shù)表Table 3 Analysis parameters of paleo-sedimentary environment of shale at the top of Chang9Member in southern Yan’an

4.2 古氧化還原條件

微量元素中V/(V+Ni)及δU等參數(shù)常用于判斷水體的氧化還原環(huán)境[12,14-15]。V/(V+Ni)>0.77為缺氧、極貧氧環(huán)境，0.60～0.77 為貧氧、次富氧環(huán)境，小于0.6 為富氧環(huán)境[16]。δU>1為缺氧環(huán)境，δU<1為正常水體環(huán)境[17-18]。研究區(qū)樣品的V/(V+Ni)為0.66～0.87，平均值為0.75，對(duì)比前人確定的V/(V+Ni)的區(qū)間值，本次的樣品點(diǎn)位于缺氧環(huán)境和貧氧環(huán)境2個(gè)區(qū)間，說(shuō)明取樣范圍內(nèi)氧化條件存在差異，但是整體為貧氧環(huán)境。同時(shí)，樣品δU為0.55～1.09，平均值為0.85，僅有部分樣品為缺氧環(huán)境。綜合表明研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期的氧化還原條件整體為弱還原環(huán)境。

4.3 古鹽度條件

Sr含量和Sr/Ba比值可用來(lái)判別水體的古鹽度[19]。前人研究設(shè)定泥頁(yè)巖中Sr含量為100×10-6～300×10-6的為淡水環(huán)境，300×10-6～800×10-6為半咸水環(huán)境，大于800×10-6為咸水環(huán)境[20]；Sr/Ba比值大于1為海相，0.5～1.0為半咸水相，小于0.5為微咸水或淡水環(huán)境[21]。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖的Sr含量為50.00×10-6～374.37×10-6，平均值為178.01×10-6，大部分樣品測(cè)試值小于300×10-6，表明樣品沉積期為淡水環(huán)境。同時(shí)，樣品的Sr/Ba比值為0.07～0.62，平均值為0.34，整體小于0.5(見(jiàn)表3)，也表明樣品沉積期為微咸水或淡水環(huán)境。綜合上述2項(xiàng)指標(biāo)，判定研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積期為淡水-微咸水的水體性質(zhì)。

4.4 古水深條件

鄂爾多斯湖盆長(zhǎng)9晚期湖泛規(guī)模小，水體整體較淺，局部水體較深[22]。根據(jù)研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖發(fā)育厚度以及在頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)的葉肢介化石(如圖1所示)，初步認(rèn)為研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積水體為淺湖-半深湖，但缺乏定量的研究。周瑤琪等提出利用Co含量計(jì)算沉積時(shí)期沉積物的沉積速率，進(jìn)而估算沉積環(huán)境古水深的方法[23]，其計(jì)算公式如下：

Vs=Vo×NCo/(SCo-t×TCo)

(1)

(2)

式中：H為最大古水深，m；Vs為樣品沉積時(shí)的沉積速率；Vo為正常湖泊中沉積物的沉積速率，150～300 m/Ma；SCo為樣品中Co的豐度；NCo為正常湖泊沉積物中Co的豐度，20×10-6；TCo為物源中Co豐度，4.68×10-6；t為物源對(duì)樣品的Co的貢獻(xiàn)值，使用樣品中的La與陸源碎屑中La(38.9×10-6)的比值代替。

通過(guò)上述方法估算所得(見(jiàn)表3)，長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期最大古水深為20.6～58.3 m。雖然研究區(qū)大部分樣品點(diǎn)估算的最大古水深數(shù)值大于20 m，但是依然存在少量樣品點(diǎn)計(jì)算結(jié)果偏小的情況，整體可認(rèn)為研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積期為淺湖-半深湖環(huán)境。

4.5 古湖泊生產(chǎn)力

古湖泊生產(chǎn)力是判斷古湖泊沉積物是否具備生烴潛力的依據(jù)[24]。為了分析長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期的古環(huán)境以及生烴潛力，根據(jù)劉慧民等推導(dǎo)出來(lái)的半定量估算古生產(chǎn)力的公式[25]計(jì)算如下：

式中：R為古生產(chǎn)力，g/m2a；C為總有機(jī)碳含量，%；Vs為沉積速率，cm/ka；ρs為沉積物密度，g/m3。

研究區(qū)巖心樣品有機(jī)碳含量C的平均值為5.1%，孔隙度φ平均值為0.79%[26]；密度采用研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖測(cè)井結(jié)果，為2.4 g/m3，沉積速率利用Co推算的數(shù)值；估算得到研究區(qū)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積期的古湖泊生產(chǎn)力為963.1～1 251.4 g/m2a(見(jiàn)表3)，表明該時(shí)期古湖泊生產(chǎn)力較高，為富營(yíng)養(yǎng)型湖泊。

5 古環(huán)境恢復(fù)的地質(zhì)意義

長(zhǎng)9晚期湖盆快速沉降，迅速擴(kuò)張，為延長(zhǎng)組湖盆初期沉降階段，湖盆的發(fā)育范圍及水深均小于長(zhǎng)7期[1]。文中利用延安南部地區(qū)樣品Co估算得出的古水深數(shù)值也證實(shí)了上述觀點(diǎn)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積時(shí)期水體深度變化大，局部可能存在淺水環(huán)境。V/(V+Ni)和δU等參數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，樣品沉積時(shí)期的水體環(huán)境為弱還原性，有機(jī)質(zhì)的保存條件一般。然而運(yùn)用CaO/(MgO·Al2O3)比值的方法表明該時(shí)期為溫暖濕潤(rùn)的氣候特征，生物繁盛，雨水充沛，適宜藻類等低等生物的生長(zhǎng)，同時(shí)測(cè)試結(jié)果顯示無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽含量較高，推測(cè)為沉積時(shí)期周圍火山活動(dòng)所致，大量的火山灰不僅為藻類等低等生物的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也為有機(jī)質(zhì)的保存提供有利條件[22]。

長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖的發(fā)育主要受氣候、水深以及火山的影響。良好的氣候以及火山活動(dòng)利于形成較高的古湖泊生產(chǎn)力，有機(jī)質(zhì)快速沉積，形成相對(duì)缺氧的環(huán)境，彌補(bǔ)了沉積時(shí)期水體還原性弱的不利條件，同時(shí)淺湖-半深湖的水體深度是有機(jī)質(zhì)大量堆積的區(qū)域。在淺湖區(qū)域，陸源有機(jī)質(zhì)輸入較多，水體氧氣含量高，但在藻類大量死亡的時(shí)期，水體為弱還原性，主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)含量較低的深灰色泥巖以及形成薄層的黑色頁(yè)巖，巖心中可見(jiàn)高等植物碎片、葉肢介等生物化石。在半深湖區(qū)域，陸源有機(jī)質(zhì)較少，藻類等低等生物在該區(qū)域大量堆積，水體還原性強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)保存條件較好，主要發(fā)育黑色頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)含量高，厚度大，同時(shí)也是優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布區(qū)域。

長(zhǎng)9段晚期的沉積環(huán)境的變化為有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育提供了必要條件，同時(shí)也為后期三角洲砂體的堆積提供了可容納空間。長(zhǎng)8段下部的三角洲前緣砂體直接沉積在長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖上，大量致密砂巖與烴源巖緊鄰，為長(zhǎng)8段致密油成藏奠定了基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

1)延安南部長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖沉積期為溫暖、濕潤(rùn)的氣候，與長(zhǎng)7段氣候相近，沉積水體為淡水-微咸水水體，整體為弱還原性。估算得出古湖泊的最大水深為20.6～58.3 m，為淺湖-半深湖，且具備較高的古湖泊生產(chǎn)力，為富營(yíng)養(yǎng)型湖泊。

2)長(zhǎng)9段頂部頁(yè)巖的發(fā)育主要受氣候、水深以及火山的影響，在半深湖區(qū)域發(fā)育較厚的有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，形成了優(yōu)質(zhì)的烴源巖，為延安南部長(zhǎng)8段致密油成藏奠定了基礎(chǔ)。