鄂爾多斯盆地東緣大寧–吉縣地區(qū)山西組亞段海陸過渡相頁巖巖相與沉積環(huán)境變化

孫 越，蔣裕強(qiáng)，熊先鉞，李星濤，李樹新，邱 振，孫雄偉

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油非常規(guī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)層評價(jià)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

我國發(fā)育海相頁巖、陸相頁巖和海陸過渡相頁巖3 種類型的富有機(jī)質(zhì)頁巖[1]。受北美頁巖氣革命成功的啟示，我國已在海相頁巖中取得重大突破，在四川盆地及周緣相繼建成威遠(yuǎn)、長寧、焦石壩等萬億立方米級(jí)儲(chǔ)量規(guī)模的大型頁巖氣區(qū)[1]。隨著地質(zhì)理論和勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，以鄂爾多斯盆地二疊系山西組為代表的海陸過渡相頁巖，逐漸成為我國未來非常規(guī)油氣勘探的重點(diǎn)對象，具有累計(jì)厚度大、分布面積廣、資源潛力大的特點(diǎn)[1-2]。鄂爾多斯盆地東南部延川地區(qū)二疊系山西組頁巖段3 口水平井壓裂測試產(chǎn)量(2.0～5.3)×104m3/d，大寧–吉縣地區(qū)5 口直井山西組頁巖段壓裂測試均獲得工業(yè)氣流，最高無阻流量大于1.0×104m3/d[2]。以上鉆探結(jié)果展示了海陸過渡相頁巖氣良好的含氣性和開發(fā)前景。

但相比海相頁巖，海陸過渡相頁巖巖相類型更為復(fù)雜，沉積環(huán)境變化頻繁，極大地制約了配套理論與評價(jià)系統(tǒng)的建立。對于控制鄂爾多斯盆地山西組海陸過渡相頁巖形成的沉積環(huán)境研究，前人大多從多個(gè)地層單元進(jìn)行大尺度分析[3-5]，并且存在諸多爭議，形成了濱岸–湖泊–三角洲[2]、三角洲–湖泊[5]、三角洲–陸棚–濱岸–湖泊[6]、三角洲–曲流河[7-8]、曲流河三角洲[9-10]等多種沉積環(huán)境演化認(rèn)識(shí)。然而，鄂爾多斯盆地二疊系山西組平均總有機(jī)碳含量(TOC)最高的富有機(jī)質(zhì)頁巖段集中在亞段[2]，大尺度分析不能滿足精細(xì)評價(jià)的需要，高TOC 頁巖段的針對性研究較匱乏。基于巖石組構(gòu)、沉積結(jié)構(gòu)、礦物組成、水動(dòng)力強(qiáng)弱等要素，前人對海相頁巖巖相類型劃分、沉積環(huán)境恢復(fù)方面已取得諸多成果[11-12]，結(jié)果表明海相頁巖內(nèi)部層理、紋層、沉積構(gòu)造等類型多樣，受控于多種沉積環(huán)境，表現(xiàn)出沉積過程在不同尺度下的快速變化。相比之下，陸表海背景下的海陸過渡相沉積環(huán)境空間變化更為頻繁，巖相類型、組合更為多樣，非均質(zhì)性更強(qiáng)[5-7]。因此，本次筆者以鄂爾多斯盆地東緣大寧–吉縣區(qū)塊亞段為研究對象，通過典型露頭分析、巖心觀察描述、鏡下薄片鑒定，結(jié)合全巖–黏土衍射、TOC 及元素地球化學(xué)測試等手段，劃分頁巖巖相類型，并分析不同沉積環(huán)境下古鹽度和氧化還原條件，建立相應(yīng)沉積模式，以期為下一步勘探評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，地跨山西、陜西兩省，位于大寧縣和吉縣(圖1a)。作為鄂爾多斯盆地的一部分，本區(qū)晚石炭世?中二疊世經(jīng)歷了海相沉積為主的陸表海相、海陸過渡相以及河流相碎屑巖沉積為主的古地理演化過程，期間發(fā)生多次海侵事件[5]。區(qū)內(nèi)下二疊統(tǒng)山西組與下伏下二疊統(tǒng)太原組和上覆中二疊統(tǒng)下石盒子組均呈整合接觸[13]，下伏太原組頂部巖性為泥晶生物碎屑灰?guī)r，生物碎屑類型以?類、棘皮和腕足為主，個(gè)體大小正常，表明沉積水體為鹽度正常的清澈海水，屬于典型的淺海陸棚相開闊碳酸鹽巖臺(tái)地沉積環(huán)境，而上覆下石盒子組底部巖性以中砂巖為主，屬于陸相辮狀河沉積體系[14]，作為海陸轉(zhuǎn)換關(guān)鍵時(shí)期下沉積形成的典型地層，山西組沉積相變速度快、巖性組合復(fù)雜(圖1b)。根據(jù)巖性和沉積旋回等特征，山西組可劃分為下部的山2 段與上部的山1 段，山2 段自下而上又可細(xì)分為亞段[5]。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)

本次研究首先對研究區(qū)內(nèi)的柳林成家莊剖面、韓城竹園村剖面和鄉(xiāng)寧臺(tái)頭剖面進(jìn)行了野外露頭觀察，開展了巖性組合、沉積相構(gòu)造、古生物觀察記錄。在此基礎(chǔ)上，對3 口取心井(A 井、B 井、C 井)(圖1a)開展巖心觀察、描述，結(jié)合100 余個(gè)薄片的觀察，對山西組亞段海陸過渡相頁巖進(jìn)行巖石組分、結(jié)構(gòu)、生物組成及礦物學(xué)分析，并對A 井90 塊樣品分別進(jìn)行了全巖和黏土礦物X 衍射分析40 樣次、主量和微量元素分析90 樣次、TOC 含量分析90 樣次。全巖和黏土礦物X 衍射分析由中石油勘探開發(fā)研究院完成；主量元素分析采用X 射線熒光光譜儀(XRF)，微量元素分析采用高分辨等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)，由中石油勘探開發(fā)研究院完成；TOC 含量測試采用CS744-MHPC 碳硫分析儀，由中海油能源發(fā)展股份有限公司非常規(guī)油氣實(shí)驗(yàn)中心完成。

圖1 研究區(qū)位置及地層柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[2,15]修改)Fig.1 The location and stratigraphic column of the study area(modified from reference[2,15])

3 巖相類型及巖石學(xué)特征

巖相指沉積巖中所有巖性特征的總和，包括礦物組成、顏色、顆粒大小分布等，對于沉積過程和沉積環(huán)境的分析至關(guān)重要。通過野外露頭觀察、巖心描述、薄片鑒定及X 衍射分析，以黏土、碳酸鹽和硅質(zhì)(石英+長石)的礦物含量作為三端元(圖2)，按以下步驟進(jìn)行巖相劃分：(1) 黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于75%，劃分出Ⅰ黏土質(zhì)頁巖相；(2) 依據(jù)硅質(zhì)礦物含量、碳酸鹽礦物含量和RQC(硅質(zhì)含量/碳酸鹽礦物含量)3 個(gè)參數(shù)，再將黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于75%的巖相劃分出硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相Ⅱ、鈣質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相Ⅲ、硅質(zhì)頁巖相Ⅳ、鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖相Ⅴ、硅質(zhì)鈣質(zhì)頁巖相Ⅵ[16-17]。研究區(qū)亞段頁巖層段主要發(fā)育4 類巖相：黏土質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)頁巖相、鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相。此外，本區(qū)亞段非頁巖巖性包括泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、煤層、細(xì)砂巖、中砂巖、石灰?guī)r。

圖2 山西組亞段海陸過渡相頁巖巖相劃分三角圖[17]Fig.2 Triangles of lithofacies division of transitional facies shale in Shanxi Formation Submember[17]

3.1 硅質(zhì)頁巖相

硅質(zhì)頁巖相在巖心上呈淺灰色，可見暗色富有機(jī)質(zhì)紋層(圖3a)，內(nèi)部植物碎屑發(fā)育(圖3b)，硅質(zhì)礦物含量高，一般大于45%(表1)，其中石英主要為粉砂級(jí)陸源碎屑石英，分選好，磨圓差，未見海綿骨針、放射蟲等海相生物碎屑(圖3b)。硅質(zhì)頁巖相有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布范圍較大，介于0.3%～9.9%，平均值2.2%，有機(jī)質(zhì)主要呈長條狀賦存在石英顆粒間(圖3c)。

圖3 研究區(qū)山西組亞段硅質(zhì)頁巖相與硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相特征Fig.3 The characteristics of siliceous and siliceous-argillaceous shale lithofacies in Shanxi Formation Sub-member of the study area

3.2 硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相

硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相在區(qū)內(nèi)山西組縱向上各部位均有分布，巖心和鏡下觀察均可見水平層理(圖3d?圖3f)、韻律性(圖3g)和透鏡狀層理(圖3h)發(fā)育。石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對硅質(zhì)頁巖相高，介于33%～46%，平均38%，主要由陸源粉砂巖構(gòu)成，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，介于53%～65%，平均59%(表1)。薄片上可見亮色微弱的粉砂質(zhì)紋層與暗色含有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)紋層相間，陸源碎屑顆粒主要由石英構(gòu)成，不含長石，粉砂呈連續(xù)紋層狀產(chǎn)出，分選較差，磨圓中等，呈次棱角狀(圖3f)。硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相TOC 含量在縱向上具有規(guī)律性，但總體來看硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對低，一般介于0.24%～2.28%，平均值1.27%。

3.3 鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相

鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相是本區(qū)山西組山23亞段測試產(chǎn)氣層段的主要巖相類型，在本區(qū)平面上分布穩(wěn)定，野外露頭和巖心上均呈黑色(圖4a)，巖石樣品染手，未見植物碎屑(圖4b)。鈣質(zhì)含量較高，介于12%～44%，平均值26%，其中方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值21%，白云石平均值5%。石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4 種頁巖巖相中最高，介于21%～63%，平均值達(dá)44%(表1)。石英呈微晶、不定形結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出似球粒結(jié)構(gòu)(圖4c)，似球狀石英可能為成巖早期硅質(zhì)充填藻類的囊孢，后期經(jīng)壓實(shí)形成[18-19]?？梢姾＞d骨針、介形蟲等海相生物碎屑，陸源碎屑石英在鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相中含量相對少，明顯區(qū)別于硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相，發(fā)育鈣質(zhì)紋層，且頁理極發(fā)育(圖4d)。鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相的TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，一般介于1.52%～10.91%，平均值可達(dá)4.37%。

圖4 研究區(qū)山西組亞段鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相與黏土質(zhì)頁巖相特征Fig.4 The characteristics of calcareous-siliceous(or siliceous-calcareous) and argillaceous shale lithofacies in Shanxi Formation Sub-member of the study area

3.4 黏土質(zhì)頁巖相

表1 研究區(qū)A 井山西組山2 3 亞段海陸過渡相頁巖不同巖相礦物含量Table 1 Clay minerals and “corrected boron” of different lithofacies in the marine-continental transitional shale of Sub-member of Shanxi Formation of well A in the study area

表1 研究區(qū)A 井山西組山2 3 亞段海陸過渡相頁巖不同巖相礦物含量Table 1 Clay minerals and “corrected boron” of different lithofacies in the marine-continental transitional shale of Sub-member of Shanxi Formation of well A in the study area

注：I為伊利石；S為蒙皂石；I/S為伊/蒙混層黏土；K為高嶺石；Ch為綠泥石；I/S列數(shù)據(jù)如17(10)表示伊蒙混層。

4 沉積環(huán)境和沉積模式

Galloway 于20 世紀(jì)90 年代明確限定了沉積體系(Depositional System)的概念[20]，指的是在沉積環(huán)境和沉積作用過程方面具有成因聯(lián)系的三維巖相組合體。沉積體系研究通常是在盆地邊緣露頭剖面和盆內(nèi)鉆井巖心觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際鉆井資料，基于統(tǒng)一的地層劃分方案，對研究區(qū)內(nèi)單剖面和單井進(jìn)行詳細(xì)的沉積微相、亞相、相研究，揭示在不同沉積時(shí)間內(nèi)的沉積體系類型及變化。有學(xué)者認(rèn)為，鄂爾多斯盆地東部地區(qū)的山西組早期，由北至南為沖積–三角洲–海岸體系[21]，也有學(xué)者提出山西組早期為沖積–三角洲–湖泊體系[2]，同時(shí)學(xué)者認(rèn)為山西組屬于三角洲–湖泊體系[22]。

4.1 巖性組合及古生物特征

4.2 古鹽度特征

B 元素對于鹽度的反應(yīng)比較敏感，常用以反映沉積水體的鹽度[23]。Couch 公式實(shí)現(xiàn)了利用B 元素和黏土礦物成分[24]，排除非黏土礦物影響，計(jì)算沉積水體古鹽度，被認(rèn)為是判斷沉積水體鹽度的最直觀指標(biāo)[5,25]?？紤]到伊利石、蒙脫石和高嶺石對硼元素的吸附作用會(huì)影響Couch 公式計(jì)算結(jié)果，本次研究首先對樣品中的硼含量進(jìn)行校正：

然后，利用Couch 公式計(jì)算古鹽度：

圖5 研究區(qū)A 井山西組 亞段沉積相與地球化學(xué)指標(biāo)Fig.5 Histogram of sedimentary facies and geochemical proxies evolution in Shanxi Formation Sub-member of well A in the study area

依據(jù)古鹽度大于35‰為超咸水，25‰～35‰為咸水，10‰～25‰為半咸水，小于10‰為微咸水–淡水的劃分標(biāo)準(zhǔn)[27-28]，區(qū)內(nèi)亞段下部的TOC 高值段對應(yīng)的沉積水體為半咸水，水體鹽度甚至接近龍馬溪組沉積期海水，受淡水影響較弱。進(jìn)入亞段上部，水體鹽度仍屬于半咸水，但最大值明顯降低，淡水影響增強(qiáng)，而亞段和亞段古鹽度進(jìn)一步減小[5]，已演化為微咸水–淡水，水體古鹽度與陸相辮狀河形成的下石盒子組近似，表明亞段沉積結(jié)束后，海水的影響已極為微弱，河流和湖泊等陸相沉積水體占據(jù)主導(dǎo)地位。Sr/Ba 比值在山西組亞段介于0.33～2.60，平均值0.47，明顯低于太原組(1.80～16.20，平均值10.35)[5]，其中鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相和黏土質(zhì)頁巖相組成的高TOC 段呈明顯“凸起”，接近太原組生屑灰?guī)r，進(jìn)一步證明海源流體主導(dǎo)了沉積水體的構(gòu)成。

4.3 氧化還原條件

U、V、Mo、Ni 等微量元素具有氧化還原敏感性，尤其對缺氧的還原環(huán)境表現(xiàn)出強(qiáng)親和性[29-30]，并且來源單一，沉積和埋藏后不易發(fā)生遷移，這些元素與其他敏感元素的含量比是指示沉積水體氧化還原環(huán)境的理想指標(biāo)。本次研究采用U/Th、Ni/V、Ni/Co 參數(shù)來反映亞段沉積期水體的氧化還原環(huán)境(圖5)，基于Mo/TOC 值評估亞段沉積水體的局限程度[31-32]。根據(jù)Mo-TOC 交會(huì)圖(圖6)，相比于太原組生屑灰?guī)r所代表的開放環(huán)境下的碳酸鹽巖臺(tái)地，山西組亞段下部總體處于局限環(huán)境，水體偏還原環(huán)境，而亞段上部總體處于輕度局限環(huán)境，水體向弱氧化環(huán)境演變，推測是海平面下降趨勢伴隨陸相淡水主導(dǎo)地位的加強(qiáng)，使沉積環(huán)境總體上從局限環(huán)境向開放環(huán)境演化。結(jié)合頁巖巖相劃分結(jié)果可以看出，亞段上部的黏土質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相表現(xiàn)為Mo 富集和TOC 較低的特征，Mo 與TOC 呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出輕度–中等局限的淺水沉積環(huán)境[28-29]；相較而言，亞段下部的鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)頁巖相等具有高TOC、貧Mo 的特點(diǎn)(圖6)。當(dāng)陸上有氧風(fēng)化強(qiáng)烈，而海洋硫化水體范圍小的時(shí)候，則海水中的Mo濃度會(huì)相對較高[33]，因而推測本區(qū)受山西組早期海侵的影響，陸上有氧風(fēng)化程度減弱，亞段下部在局限深水環(huán)境下，形成高TOC 頁巖段，此時(shí)海水硫化范圍是山西組沉積期內(nèi)最大的；而伴隨反復(fù)的海侵–海退，亞段上部在總體海退的趨勢下，陸上有氧風(fēng)化逐漸增強(qiáng)，而海洋硫化水體范圍逐漸減小。

圖6 研究區(qū)山西組亞段總有機(jī)碳含量與Mo 含量關(guān)系Fig.6 Cross-plot of TOC VS Mo content in Shanxi Formation Shan23 Sub-member of the study area

4.4 沉積模式

作為華北地塊次級(jí)單元鄂爾多斯盆地的重要組成部分，本區(qū)晚古生代同樣經(jīng)歷了巨大的海陸沉積環(huán)境變遷。在太原組–山西組沉積期，區(qū)內(nèi)始終受陸表海背景的控制，其平緩的地形坡度易形成范圍寬廣的淺水區(qū)域，微小的海水動(dòng)蕩就能致使全區(qū)大范圍的頻繁暴露與淹沒[34-35]。早二疊世早期的太原組沉積初期，隨著華北地臺(tái)的持續(xù)沉降，海水從SE 方向逐漸侵入研究區(qū)，到了太原組沉積晚期，區(qū)內(nèi)中部的廣大地區(qū)迅速演化為陸棚沉積體系，發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地沉積環(huán)境，而靠近物源的南部和北部則發(fā)育三角洲沉積環(huán)境(圖7)，保德、鄉(xiāng)寧等靠近臺(tái)地的地區(qū)則屬于潮坪環(huán)境[3-4]。進(jìn)入山西組沉積期，隨著海水持續(xù)侵入，海平面繼續(xù)上升，亞段沉積期繼承了太原組地形坡度平緩的沉積格局(圖7)，研究區(qū)快速演化為海灣環(huán)境，沉積環(huán)境由氧化轉(zhuǎn)為還原，有利于有機(jī)質(zhì)保存，發(fā)育富有機(jī)質(zhì)鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相。而后隨著華北地塊整體抬升，研究區(qū)海水開始逐漸退出，但巖石學(xué)特征、硼元素法所計(jì)算的古鹽度、Sr/Ba、Ni/V 等不同地球化學(xué)分析結(jié)果表明，亞段上部沉積過程中，仍多次受到海水影響，但自下而上古鹽度和Sr/Ba 比值具有明顯降低的變化趨勢，水體鹽度逐漸接近下石盒子組[5]，表明受海水影響的規(guī)模與范圍愈來愈弱，直到最終消失，沉積環(huán)境逐漸趨向于氧化。在此期間，全區(qū)演化為障壁沉積體系，硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相主要發(fā)育在潟湖沉積環(huán)境中(圖7)，由于沉積環(huán)境趨于氧化，加之相對較快的沉積速率，使得有機(jī)質(zhì)的保存條件相較該亞段下部頁巖明顯變差。

圖7 研究區(qū)太原組沉積晚期–山西組亞段沉積期沉積模式Fig.7 Schematic diagram of sedimentary model of late stage of Taiyuan Formation-Shanxi Formation Sub-member of the study area

5 結(jié)論

a.根據(jù)礦物組成、沉積構(gòu)造和生物組成的特征，鄂爾多斯盆地東緣大寧–吉縣地區(qū)山西組亞段海陸過渡相頁巖可劃分出4 種巖相類型，分別為硅質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相、鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相。高TOC 頁巖段發(fā)育在該亞段下部的硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相、鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相中，其中鈣質(zhì)硅質(zhì)(或硅質(zhì)鈣質(zhì))頁巖相具有高TOC、高脆性礦物含量、低黏土含量的特點(diǎn)，是相對優(yōu)質(zhì)的富有機(jī)質(zhì)頁巖巖相。