Natural Gas Geoscience >

2023 , Vol. 34 >Issue 2: 181 - 193

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.12.001

Geochemical characteristics and sedimentary environment of mudshale in Shan2 3 sub-member of Shanxi Formation， eastern margin of Ordos Basin

  • Lei ZHANG , 1, 2 ,
  • Peihua ZHAO 2 ,
  • Wei HOU 1, 2 ,
  • Shuxin LI 1, 2 ,
  • Xingtao LI 1, 2 ,
  • Chenjun WU 3 ,
  • Qin ZHANG , 4 ,
  • Yufeng XIAO 4 ,
  • Wen LIU 4 ,
  • Dan LIU 4 ,
  • Congjun FENG 5 ,
  • Zhen QIU 4
Expand
  • 1. Zhonglian CBM State Engineering Research Center Co. ，Ltd. ，Beijing 100095，China
  • 2. PetroChina Coalbed Methane Company，Beijing 100028，China
  • 3. Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment （Yangtze University），Wuhan 430100，China
  • 4. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China
  • 5. State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi’an 710069，China

Received date: 2022-08-19

  Revised date: 2022-11-27

  Online published: 2023-03-06

Supported by

The Institute-level Project of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development(2021yjcq02)

the Prospective Basic Projects of CNPC during the 14th Five-Year Plan(2021DJ2001)

Fold

Abstract

The study of Carboniferous-Permian marine continental transitional facies shale gas in Ordos Basin mainly focuses on the second member of Shanxi Formation， and Shan2 3 sub-member is the most abundant layer of organic matter in the second member of Shanxi Formation. Based on the observation and sampling analysis of Chengjiazhuang section in Liulin County， through the organic carbon content， whole rock mineral composition， combined with the analysis and test data of major and trace elements， the paleoclimate， water environment， paleoproductivity and their relationships with the development of organic-rich shale in Shan2 3 sub-member of Shanxi Formation in the eastern margin of Ordos Basin were studied. The results show that quartz and clay minerals are absolutely dominant in Shan2 3 shale， and the average TOC is 2.04%. The analytical results of Sr， Sr/Ba and δ18O content show that the sedimentary environment of Shan2 3 shale experienced the change from saline water to brackish water and then to freshwater from bottom to top. The discrimination of Ceanom， Ni/Co and V/（V+Ni） shows that Shan2 3 shale was deposited under an oxygen deficient anoxic reduction environment； CaO/Al2O3*MgO and CIA indexes show that the temperature gradually decreases from bottom to top and the weathering degree weakens during the deposition period； The contents of V/Ni， Mn/Ti and δ13C isotopes indicate that the depth of the sedimentary water in the Shan2 3 sub-member increases first and then gradually becomes shallow. The change trend of P/Al and biological Ba in Shan2 3 sub-member is consistent， which shows that it increases first and then decreases from bottom to top. The enrichment of organic matter in Shan2 3 sub-member is mainly affected by water redox conditions and terrestrial debris input.

Key words： Element geochemical characteristics; Mudshale; Shanxi Formation; Sedimentary environment; Ordos Basin

Cite this article

Lei ZHANG , Peihua ZHAO , Wei HOU , Shuxin LI , Xingtao LI , Chenjun WU , Qin ZHANG , Yufeng XIAO , Wen LIU , Dan LIU , Congjun FENG , Zhen QIU . Geochemical characteristics and sedimentary environment of mudshale in Shan2 3 sub-member of Shanxi Formation， eastern margin of Ordos Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2023 , 34(2) : 181 -193 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.12.001

0 引言

页岩油和页岩气已成为可有效开发的非常规石油天然气资源，且资源潜力巨大，是未来重要的接替能源［1］。自前寒武纪到新近纪中国陆域地区发育了多套富有机质页岩，其分别形成于海相、海陆过渡相和陆相三大沉积环境［2］。近年来中国在四川盆地率先实现页岩气的商业开发，以重庆涪陵焦石坝为代表的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩气开采取得巨大成功。经过多年的勘探开发实践，针对海相页岩沉积与分布特征、构造演化特征、构造样式及保存特征、页岩气成藏—富集条件等科学问题形成了较为成熟的认识［1，3-5］。
统计资料显示，中国已发现的常规天然气储量中，有50%以上储量的气源岩为海陆过渡相页岩［6］，海陆过渡相泥页岩主要分布于鄂尔多斯盆地、沁水盆地及南华北盆地的上石炭统本溪组—下二叠统太原组、山西组，南方扬子地区上二叠统龙潭组［7］，以及四川盆地三叠系须家河组［8-9］。鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系主要发育本溪组、太原组和山西组3套海陆过渡相页岩，是页岩气有利勘探层系。针对山西组沉积相、页岩有机地球化学特征、页岩储集特征等方面已开展了相应研究［10-12］，但是对于有利层段分布的研究和认识还很薄弱，制约了规模化的勘探开发。因此本文以鄂尔多斯盆地东缘山2 3亚段泥页岩为研究对象，进行了系统的矿物和元素地球化学分析，揭示沉积期的古气候、古环境特征及其与富有机质页岩发育的联系。通过对页岩沉积环境及特征的研究，有助于加深对页岩储层发育和油气赋存的沉积、成岩条件的认识，为后期页岩气的勘探及相关研究奠定理论基础，对认识鄂尔多斯海陆过渡相页岩含气潜力也具有重大意义。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，面积为25×104 km2，据现今构造形态可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环向斜及西缘逆冲断裂构造带共6个二级构造单元，是一个古生代地台及台缘坳陷与中新生代台内坳陷叠合的大型多旋回克拉通盆地［13-15］。研究区位于鄂尔多斯盆地东缘（图1），呈狭长弧形带状，研究区构造较为简单，二叠系山西组与下伏太原组和上覆下石盒子组均呈整合接触［图1（a）］，山西组下部发育北岔沟砂岩，下石盒子组底部发育骆驼脖子砂岩。下二叠统山西组沉积期，受海西构造运动影响，华北地台整体抬升，海水从东西两侧逐渐退出盆地，为陆表海背景下的海陆过渡相沉积［10，16］。根据岩性和沉积旋回等特征，研究区内山西组分为山2段和山1段，其中山2段页岩厚度大、夹层少而薄，自上而下又可分为山2 1亚段、山2 2亚段和山2 3亚段［17］［图1（b）］。在柳林成家庄剖面太原组、山西组、下石盒子组均齐全发育，相应地层分界线标志层发育明显。在太原组发育大量腕足化石，反映为陆表海环境，在山西组山2段发育黑色泥页岩，夹煤层，里面含有海相化石和大量植物碎屑，反映为海陆过渡相环境，而山1段则以砂岩为主，夹有泥岩夹层和煤层，反映沉积环境从山2段到山1段水体进一步变浅，开始以陆相环境为主体，这与整个鄂尔多斯盆地东缘的沉积环境演化具有一致性，因此认为柳林县成家庄剖面地层发育特征可以反映鄂尔多斯盆地东缘的环境特征，且柳林成家庄剖面山2 3亚段页岩十分发育，沉积连续性较好，具备成为目标剖面的条件。
图1 研究区地理位置（a）及地层柱状示意图（b）（据参考文献［10］修改）

Fig. 1 Geographical location （a） and stratigraphic column （b） of the study area （modified from Ref.［10］）

2 样品采集与样品分析

柳林县成家庄剖面山2 3亚段地层发育完整，地层厚度为13.66 m，剖面底部发育太原组生物碎屑灰岩，厚度约为1.3 m；向上与之相接的为山2 3亚段底部的钙质泥岩，厚度约为0.5 m；再向上则为灰黄色泥岩夹菱铁矿大结核，厚度约为0.6 m，其底部为一层黄色未知夹层，厚度约为0.3 m，泥岩含大量菱铁质结核，结核沿走向呈层状分布，长约为0.02~0.1 m，宽为0.01~0.03 m；接着向上是总厚度约为2 m的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和灰色泥岩互层，并含介壳化石；再向上为大段的黑色泥页岩，厚度大约为8 m，顶部可见山西组北岔沟砂岩，厚度约为0.6 m （图2）。
图2 柳林县成家庄野外实测剖面

Fig.2 Field section of Chengjiazhuang， Liulin County

在柳林县成家庄剖面采集样品50件，采集样品包括黑色页岩、灰黑色页岩、灰色泥岩、黄色泥岩夹层、钙质泥岩、粉砂质泥岩、生物碎屑灰岩以及炭质泥岩样。首先对采集样品进行薄片磨制和鉴定，并配套开展总有机碳（TOC）、岩石矿物X射线衍射、岩石主量元素和微量元素等分析测试。利用CS-230型碳硫测定仪测定TOC，检测依据为《沉积岩中总有机碳的测定》（GB/T19145—2003），分析精度为±0.5%。镜质体反射率（R O）采用显微分光光度计CRAIC508PV和显微镜DM4P测试，测试流程遵从《沉积岩中镜质体反射率测定方法》（SY/T5124—2012）。选取其中38块样品进行全岩矿物组成分析，全岩矿物组成是由日本理学D/max-rA12KW旋转阳极X射线衍射仪定量分析［依据《沉积岩中黏土矿物总量和常见非粘土矿物X射线衍射定量分析方法》（SY/T 6210—1996）］。TOC、R O和岩石矿物X射线衍射分析均在国家能源页岩气研发（实验）中心完成。选取31块样品（CJZ-01—CJZ-31）在核工业北京地质研究院进行主量、微量元素分析。主量元素分析采用X射线荧光光谱仪，测试仪器为Axios PW4400/40。微量元素是将页岩样品溶解后在电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）仪器中进行测试，测试精度优于5%。碳、氧同位素分析采用全岩McCrea（1950）正磷酸法，在25 ℃真空条件下反应24 h，纯化并收集生成的CO2气体，送Finnigan-MAT252气体质谱仪检测其无机碳、氧同位素组成，测试实验流程参考WANG等［18］，该实验在长江大学地球化学实验室完成。

3 结果分析与讨论

3.1　矿物组成与有机质丰度

3.1.1　矿物组成

X射线衍射测试结果显示，山2 3亚段页岩矿物组分主要包括石英和黏土矿物（图3），少量方解石、白云石、长石和黄铁矿等，山西组山2 3优质页岩段的石英含量为17.5%~69.79%（平均为46.28%），黏土矿物含量为11.82%~67.41%（平均为44.06%），以石英、长石、碳酸盐矿物作为主要脆性矿物，其含量为33.77%~87.77%（平均为54.66%），碳酸盐矿物含量除个别样品含量较高外，总体较少，平均为6.23%。样品中见黄铁矿、菱铁矿等自生矿物，含量一般小于5%。
图3 鄂尔多斯盆地东缘山西组山2 3亚段页岩矿物含量三角图

Fig.3 Triangular plot of shale mineral content in Shan2 3 sub-member of Shanxi Formation， eastern Ordos Basin

矿物脆性指数可以用来表征页岩储集层可压裂能力，一般采用石英、碳酸盐等矿物含量之和与石英、碳酸盐、黏土等矿物含量之和相除来计算［10］。山西组山2 3亚段优质页岩段的矿物脆性指数为17.5%~71.5%，平均为48.1%。脆性矿物含量高，则容易压裂改造，才能在压裂过程中形成油气运移通道，有利于后续开发开采。

3.1.2　有机质丰度与成熟度

有机质丰度是评价烃源岩的基础指标，页岩气评价中也以总有机碳含量作为重要评价指标［12］。据统计分析，鄂尔多斯盆地山西组山2 3亚段泥页岩TOC最小为0.48%，最大为4.46%，平均为2.04%，其中TOC>1%的占80%，TOC在1%~4%之间的占62%（图4）。张金川等［19］认为，泥页岩TOC达到0.5%便可以作为产气页岩的下限，而较为有利的产气页岩TOC应大于2.0%。根据TOC指标分析，鄂尔多斯盆地山西组山2 3亚段泥页岩属于TOC较高的泥页岩。样品的成熟度R O值分布在0.83%~1.16%之间，均值为0.98%，处于成熟阶段（表2）。
图4 鄂尔多斯盆地山西组山2 3亚段TOC频率分布

Fig.4 TOC distribution frequency of Shan2 3 sub-member of Shanxi Formation，Ordos Basin

表1 山西组山2 3亚段元素含量分析测试结果

Table 1 Major and trace elements of Shan2 3 sub-member, Shanxi Formation

样品 编号 岩性 主量元素含量/% 微量元素含量/10-6
MnO P2O5 Al2O3 CaO Na2O K2O Sr Ba Th U La Ce Nd V Ni
CJZ-31 黑色页岩 0.006 0.057 20.09 0.119 0.045 3.38 66.15 350.2 9.766 2.576 37.23 77.560 26.910 88.4 8.458
CJZ-30 黑色页岩 0.008 0.069 19.36 0.125 0.037 3.04 66.4 172.6 8.696 2.717 31.25 65.140 26.030 62.66 9.773
CJZ-29 黑色页岩 0.011 0.092 19.11 0.064 0.043 3.01 96.98 182.2 9.335 1.927 36.11 72.410 26.330 69.49 16.83
CJZ-28 黑色页岩 0.151 0.098 15.61 0.049 0.209 2.45 39.73 143.8 6.09 1.488 21.03 47.040 20.620 54.24 64.12
CJZ-27 黑色页岩 0.460 0.114 16.84 0.107 0.225 2.64 56.59 248.6 7.901 1.923 27.84 58.850 22.530 54.4 28.54
CJZ-26 黑色页岩 0.404 0.116 17.56 0.123 0.241 2.79 59 191.5 7.961 1.521 29.44 60.780 22.700 51.25 25.33
CJZ-25 黑色页岩 0.128 0.120 18.09 0.246 0.240 2.87 56.82 194.5 7.896 1.592 29.19 60.430 23.500 55.77 21.91
CJZ-24 黑色页岩 0.057 0.138 18.24 0.174 0.277 2.84 61.31 164.6 8.468 1.63 29.25 60.670 23.450 59.48 16.61
CJZ-23 黑色页岩 0.107 0.142 17.82 0.152 0.186 2.82 73.4 170.7 8.016 1.619 30.43 63.120 24.250 68.21 22.42
CJZ-22 黑色页岩 0.064 0.139 18.67 0.114 0.258 3.01 76.12 160.3 7.914 1.766 28.73 58.820 22.580 62.36 19.33
CJZ-21 黑色页岩 0.091 0.128 17.46 0.078 0.269 2.97 95.42 183.4 8.311 2.018 30.83 62.250 22.750 70.62 26.76
CJZ-20 灰黑色页岩 0.040 0.145 16.28 0.062 0.186 2.97 195.8 222.7 7.344 1.725 28.64 60.950 24.920 63.57 18.49
CJZ-19 黑色页岩 0.007 0.076 14.62 0.089 0.051 3.09 119.9 210.3 7.827 2.98 33 67.540 26.300 108.6 6.311
CJZ-18 黑色页岩 0.006 0.056 11.65 0.047 0.051 2.44 97.68 184 4.819 1.664 22.15 42.530 14.210 49.43 5.829
CJZ-17 黑色页岩 0.007 0.084 10.89 0.091 0.049 2.43 198.6 347 6.296 1.677 23.93 47.530 18.840 47.35 5.7
CJZ-16 黑色页岩 0.007 0.041 10.90 0.060 0.042 2.41 84.9 183.7 4.754 1.325 23.32 45.340 16.300 42.03 5.166
CJZ-15 黑色页岩 0.008 0.096 9.69 0.22 0.046 2.18 134.5 209 5.849 1.724 22.91 43.500 15.860 40.44 5.857
CJZ-14 炭质泥岩 0.009 0.057 1.60 3.37 0.260 0.116 967.3 438.4 3.737 5.657 9.833 27.130 22.280 78.05 136.8
CJZ-13 黑色页岩 0.010 0.048 11.06 0.025 0.383 1.32 109.3 805.1 5.674 1.358 18.7 39.470 15.460 48.15 9.482
CJZ-12 黑色页岩 0.008 0.179 14.21 0.044 0.325 2.05 252.4 148.7 7.052 1.818 27.49 56.840 22.280 75.3 10.15
CJZ-11 黑色页岩 0.110 1.10 10.02 1.89 0.050 1.41 441.2 112.3 4.652 2.689 30.06 76.010 44.010 73.59 49.4
CJZ-10 钙质泥岩 0.158 0.039 6.32 10.64 0.049 1.02 355.8 123 3.363 0.826 12.15 22.530 8.422 47.24 32.01
CJZ-09 黑灰色泥岩 0.109 0.722 8.59 10.38 0.052 1.45 385.4 242.7 4.887 1.87 23.44 49.120 22.380 62.57 32.39
CJZ-08 灰色泥岩 0.158 0.039 6.32 10.64 0.049 1.02 355.8 123 3.363 0.826 12.15 22.530 8.422 47.24 32.01
CJZ-07 粉砂质泥岩 0.109 0.722 8.59 10.38 0.052 1.45 385.4 242.7 4.887 1.87 23.44 49.120 22.380 62.57 32.39
CJZ-06 灰色泥岩 0.142 0.074 11.51 7.60 0.334 1.68 230.4 285.5 5.543 1.558 18.91 35.400 14.900 64.22 40.95
CJZ-05 黄色泥岩夹层 0.122 0.059 10.84 9.91 0.387 1.59 271.8 191 4.955 1.321 17.29 32.660 12.510 60.24 28.64
CJZ-04 灰黄色泥岩 0.054 0.065 13.94 7.99 0.219 1.92 173.4 92.39 6.327 1.779 20.69 38.730 13.880 54.46 22.67
CJZ-03 灰黄色泥岩 0.243 0.060 17.29 12.10 0.220 2.02 231.2 352.1 8.975 2.111 20.59 39.390 14.240 57.36 33.22
CJZ-02 黄色泥岩夹层 0.081 0.068 13.33 11.02 0.186 1.84 282 123.2 6.292 1.685 21.95 40.170 15.730 73.62 24.84
CJZ-01 钙质泥岩 0.119 0.059 13.35 10.70 0.196 1.82 263 146.1 6.04 1.612 20.47 37.340 15.260 66.11 30.67
表2 山西组山2 3亚段元素计算结果

Table 2 Element calculation results of Shan2 3 sub-member of the Shanxi Formation

样品

编号

 岩性 Sr/Ba

δ18O

/‰

 Ni/Co Ceanom V/（V+Ni） V/Ni Mn/Ti

δ13C

/‰

CaO/

（Al2O3+MgO）

 CIA P/Al Babio

TOC

/%

R O

/%
CJZ-31 黑色页岩 0.19 -14.8 8.29 0.006 0.913 10.452 226.53 -3.2 0.005 7 85.27 0.002 350.12 2.19 0.93
CJZ-30 黑色页岩 0.38 -15.3 4.34 -0.010 0.865 6.412 153.67 -6.5 0.006 3 86.14 0.003 172.52 1.59 1.01
CJZ-29 黑色页岩 0.53 -15.6 2.98 -0.011 0.805 4.129 109.76 -3.4 0.003 2 86.07 0.004 182.12 1.45 0.92
CJZ-28 黑色页岩 0.28 -14.3 2.02 -0.001 0.458 0.846 6.80 4.5 0.003 0 85.21 0.005 143.74 1.18 0.95
CJZ-27 黑色页岩 0.23 -15.8 1.55 -0.001 0.656 1.906 2.41 -5.8 0.006 1 85.01 0.006 248.53 1.24 0.91
CJZ-26 黑色页岩 0.31 -15.6 2.54 -0.005 0.669 2.023 2.56 -1.8 0.006 7 84.76 0.005 191.43 1.07 0.83
CJZ-25 黑色页岩 0.29 -15.0 2.60 -0.009 0.718 2.545 8.48 -0.5 0.012 9 84.36 0.005 194.43 0.48 0.86
CJZ-24 黑色页岩 0.37 -14.7 2.35 -0.008 0.782 3.581 19.68 -0.9 0.009 1 84.73 0.006 164.53 1.16 0.87
CJZ-23 黑色页岩 0.43 -14.7 2.87 -0.007 0.753 3.042 9.65 3.6 0.008 1 84.93 0.007 170.63 1.37 0.91
CJZ-22 黑色页岩 0.47 -14.5 2.45 -0.011 0.763 3.226 15.59 -0.3 0.005 8 84.65 0.006 160.22 1.88 0.85
CJZ-21 黑色页岩 0.52 -14.6 2.74 -0.010 0.725 2.639 11.24 0.4 0.004 3 84.03 0.006 183.33 1.53 1.02
CJZ-20 灰黑色页岩 0.88 -14.1 3.33 -0.007 0.775 3.438 21.16 1.8 0.003 6 83.51 0.007 222.63 1.26 1.03
CJZ-19 黑色页岩 0.57 -14.2 10.52 -0.013 0.945 17.208 116.76 0.4 0.005 8 82.07 0.004 210.24 2.01 0.97
CJZ-18 黑色页岩 0.53 -14.1 11.90 -0.016 0.895 8.480 103.09 -0.2 0.003 8 82.12 0.004 183.95 4.46 0.92
CJZ-17 黑色页岩 0.57 -12.5 10.75 -0.024 0.893 8.307 85.25 0.4 0.007 9 81.14 0.006 346.96 3.36 0.98
CJZ-16 黑色页岩 0.46 -13.8 8.25 -0.020 0.891 8.136 86.83 0.3 0.005 2 81.40 0.003 183.66 3.32 1.04
CJZ-15 黑色页岩 0.64 -12.6 8.29 -0.029 0.873 6.905 70.97 -0.1 0.020 8 80.97 0.008 208.96 2.46 1.07
CJZ-14 炭质泥岩 2.21 -14.7 7.71 -0.063 0.363 0.571 20.90 0.2 1.227 2 71.616 0.029 438.39 39.3 0.89
CJZ-13 黑色页岩 0.14 -14.2 9.67 -0.004 0.835 5.078 69.39 0.4 0.002 2 86.51 0.004 805.05 0.57 1.07
CJZ-12 黑色页岩 1.70 -12.8 4.70 -0.011 0.881 7.419 84.69 0.2 0.003 0 85.45 0.010 148.64 0.64 1.16
CJZ-11 黑色页岩 3.93 -12.4 4.06 -0.012 0.598 1.490 3.55 -0.8 0.179 0 86.87 0.091 112.26 0.5 1.14
CJZ-10 钙质泥岩 2.89 -13.5 5.55 -0.040 0.596 1.476 1.97 -0.6 1.420 2 84.94 0.005 122.97 1.3 1.11
CJZ-09 灰黑色泥岩 1.59 -12.8 4.10 -0.026 0.659 1.932 4.08 0.6 1.110 6 84.65 0.069 242.66 0.45 1.08
CJZ-08 灰色泥岩 0.81 -11.9 4.19 -0.050 0.611 1.568 4.19 0.4 0.609 7 83.03 0.005 122.97 0.5 0.93
CJZ-07 粉砂质泥岩 1.42 -11.3 7.11 -0.036 0.678 2.103 4.44 1 0.833 3 82.07 0.069 242.66 0.51 1.01
CJZ-06 灰色泥岩 1.88 -10.8 3.42 -0.032 0.706 2.402 11.06 0.1 0.529 5 85.51 0.005 285.45 0.54 0.92
CJZ-05 黄色泥岩夹层 0.66 -10.5 6.03 -0.026 0.633 1.727 2.64 0.5 0.654 6 87.53 0.004 190.96 0.15 0.95
CJZ-04 灰黄色泥岩 2.29 -11.6 4.98 -0.049 0.748 2.964 8.64 0.4 0.770 2 85.75 0.004 92.33 0.38 0.91
CJZ-03 灰黄色泥岩 1.80 -11.8 3.61 -0.055 0.683 2.156 5.46 0.5 0.747 6 85.81 0.003 352.03 0.44 0.83
CJZ-02 黄色泥岩夹层 1.60 -9.5 4.96 -0.011 0.654 1.888 6.24 2.4 0.577 5 86.78 0.004 123.15 0.24 0.86
CJZ-01 钙质泥岩 1.28 -10.7 12.09 -0.017 0.614 1.591 5.50 -0.2 0.380 7 85.97 0.004 146.05 0.31 0.87

3.2　地球化学参数恢复古环境

地层中微量元素的分布、分配和迁移［20］与沉积岩形成环境密切相关，由于部分元素性质稳定，赋存状态受后续成岩作用影响较小。因此，可以通过此类元素含量及相关比值来判断和恢复沉积环境。为进一步研究鄂尔多斯盆地东部柳林地区山西组山2 3亚段页岩地层特征，对泥页岩部分样品进行元素分析测试，通过元素比值法对研究区目的层段的古环境进行恢复（相关元素及比值见表1、表2）。

3.2.1　古盐度

古盐度的恢复方法有计算法［21-24］、元素比值法、沉积磷酸盐法［25］及锶钙法［26］等，本文利用Sr含量及Sr/Ba值对山西组山2 3亚段古盐度进行恢复。

（1）Sr/Ba值法

陈洪德等［27］和文华国等［28］认为，Sr/Ba>0.8为咸水沉积；<0.5为淡水沉积；介于0.5~0.8之间为半咸水沉积。研究区目的层Sr/Ba值介于0.14~3.93之间，分布范围较大。
根据山西组山2 3亚段样品盐度分布范围将目的层分为上下段：山2 3亚段上段（样品编号为CJZ-15—CJZ-31）：该段地层Sr/Ba值为0.19~0.88，均值为0.45。其中，山2 3亚段上段下部样品（CJZ-15—CJZ-20）均值为0.60，为半咸水沉积；山2 3亚段上段上部（CJZ-21—CJZ-31）均值为0.35，指示淡水沉积环境。山2 3亚段上段自下而上总体表现为水体盐度由半咸水沉积过渡为淡水沉积的特征。
山2 3亚段下段（样品编号为CJZ-01—CJZ-14）：Sr/Ba值为0.14~3.93，均值为1.69，整体为咸水沉积；古沉积水体盐度在此阶段发生波动，个别样品展示出淡水沉积与半咸水沉积的特征，说明此沉积期有陆源水体的输入。前人［29-30］认为华北地区晚古生代陆表海沉积具有淡化海水的性质，因此，该段地层在海相沉积的基础上不排除淡化海水影响的可能性。
（2）Sr含量判别法
Sr含量可作为古盐度判别的有效标志，其含量与古盐度呈明显的正相关关系［31-32］。前人研究认为，Sr含量>160×10-6为咸水沉积，<90×10-6为淡水沉积，介于二者之间为半咸水沉积。山2 3亚段下段泥页岩地层Sr含量均值为310.7×10-6，该段地层大部分样品Sr含量>160×10-6，判断为咸水沉积。山2 3亚段上段下部地层水体盐度变化范围较大，为（84.9~198.6）×10-6，整体表现为海陆过渡环境。山2 3亚段上段上部地层水体盐度较为一致，样品均值为65.25×10-6，为淡水沉积环境。
（3）δ18O同位素含量法
δ18O同位素具有随盐度增加而增大的趋势［33-34］。山2 3亚段下段泥岩地层δ18O值为-11.4‰，页岩地层为-13.1‰，炭质泥岩为-14.7‰；山2 3亚段上段页岩地层δ18O值为-14.5‰，整体呈现自下而上古水体盐度降低的趋势（图5）。
图5 山2 3亚段古盐度、古氧化还原性元素地球化学指标垂向变化图

Fig. 5 Vertical variation of geochemical indexes of paleo-salinity and paleo-oxidation-reducing elements in Shan2 3 sub-member

根据Sr含量、Sr/Ba值判定，柳林县成家庄野外剖面山西组山2 3亚段下段古盐度为咸水沉积环境；山2 3亚段由下至上经历了咸水—半咸水—淡水沉积变化（图6）。
图6 Sr/Ba、Sr含量交会图

Fig.6 Intersection diagram between the content of Sr/Ba and Sr

3.2.2　古氧化还原环境

（1）Ceanom判定法。稀土元素中，常用Ce与Eu判别氧化—还原环境。在一定条件下，若水体处于氧化环境，Ce3+会发生氧化而成为难以溶解的Ce4+；若处于还原环境，Ce4+又会被还原为易溶于海水的Ce3+，进而导致Ce3+含量上升。本文采用对数算法（El-derfield）计算Ceanom ［20，35］。当Ceanom>-0.1为缺氧环境，<-0.1为氧化环境。山2 3亚段下段均值为-0.031、山2 3亚段上段下部样品均值为-0.018，山2 3亚段上段上部样品均值为-0.006，显示山2 3亚段主体为缺氧环境，局部存在氧化环境。
（2）Ni/Co值法。JONES等［36］提出Ni/Co值大于7为厌氧环境，在5~7之间为贫氧环境，小于5指示富氧环境。山2 3亚段下段泥页岩样品大多反映氧化环境（3.4~12.1，均值为5.6），山2 3亚段下段页岩样品表现为贫氧—缺氧环境（4.1~9.7，均值为6.1）；山2 3亚段上段底部样品表现为缺氧环境（3.3~11.9，均值为8.8），山2 3亚段上段上部样品表现为氧化环境（1.5~8.3，均值为3.2），山2 3亚段从下至上表现为贫氧—缺氧—氧化环境。
（3）V/(V+Ni)值法。V元素为氧化还原性敏感元素，通常与Ni一起作为古氧化还原性的判别指标。前人［37-38］研究认为，当V/（V+Ni）<0.45为富氧环境，介于0.45~0.60之间为贫氧环境，>0.60为缺氧环境。山2 3亚段下段地层分布于0.363~0.881之间，除1个样品（0.363）显示氧化环境，2个样品（0.596、0.598）显示为贫氧环境外，其余样品均反映地层为缺氧环境。山2 3亚段上段页岩地层V/（V+Ni）均值为0.787，除1个样品（0.458）显示贫氧环境，其余样品均指示缺氧环境。
根据Ceanom、Ni/Co、V/（V+Ni）判别指标（图5），认为山西组山2 3亚段地层整体表现为贫氧—缺氧的沉积环境（图7），局部存在氧化层。
图7 V/（V+Ni）、Ni/Co交会图

Fig.7 Intersection diagram of V/（V+Ni） and Ni/Co

3.2.3　古气候

（1）CaO/Al2O3*MgO计算法。CaO在潮湿温热的环境中易被风化淋滤而导致分解。因此可以通过CaO/Al2O3*MgO来还原鄂尔多斯盆地山西组山2 3亚段泥页岩古气候。前人研究表明，CaO/Al2O3*MgO高值指示温暖时期，低值指示相对寒冷时期［39］。
山2 3亚段下段CaO/Al2O3*MgO值分布范围为0.002~1.42，均值为0.646，且泥岩地层计算值>页岩地层计算值（分别为0.76与0.06）；山2 3亚段上段分布范围为0.003~0.021，均值为0.007。CaO/Al2O3*MgO值显示山西组山2 3亚段整段地层自下而上气温逐渐降低。
（2）CIA指数法。化学蚀变指数也称CIA指数，也是判断古气候的常用指标之一［40］。CIA指数的计算方法为：CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100，式中各化合物含量为摩尔质量，其中CaO*为硅酸盐矿物中的CaO含量。前人提出，CIA<60，指示微弱化学风化作用下的寒冷干旱气候；当CIA=60~80时指示中等风化程度的温暖湿润气候，CIA=80~100时指示炎热潮湿环境中的强烈风化气候［41］。研究目的层CIA指数分布范围较小（71.62~87.53）：山西组山2 3亚段下段、上段CIA指数分别为84.46、83.90，显示了较为炎热潮湿的强烈风化气候。化学蚀变指数自下至上逐渐变小，说明地层湿热性及风化程度逐渐减弱，逐渐向温暖湿润气候过渡。据CaO/Al2O3*MgO、CIA指数判定，山2 3亚段古温度自下而上逐渐降低：由炎热潮湿气候逐渐向温暖湿润气候过渡（图8）。
图8 山2 3亚段古水深、古气候及古生产力元素地球化学指标垂向变化图

Fig.8 Vertical variation of element geochemical indexes of paleo-water depth， paleo-climate and paleo-productivity in Shan2 3 sub-member

3.2.4　古水深

（1）V/Ni值法。V/Ni具有由海至岸、水体由深至浅数值逐渐减小的特征。山2 3亚段下段泥岩地层V/Ni值介于1.46~2.96之间，均值为1.98；页岩地层均值为4.66；炭质泥岩V/Ni值较低，为0.571。山2 3亚段上段页岩地层V/Ni值介于0.85~17.21之间，数值分布范围较大，反映了此阶段水体出现不同程度的波动，该段地层V/Ni均值为5.48。山2 3亚段下段从下至上水体呈逐渐加深的特征，直至山2 3亚段下段顶部炭质泥岩，水体变浅。山2 3亚段上段地层水体深度又逐渐增加，由0.251逐渐增长为5.48（均值）。
（2）Mn/Ti值法。Mn元素通常以稳定的氧化物赋存于沉积岩中，可随水体的波动被搬运至距岸较远的沉积环境；Ti元素化学性质相对活泼，其氧化物搬运距离较近，因此可用Mn/Ti值来反映古水深。随着水体越深，Mn/Ti值越小。山2 3亚段下段泥岩地层均值为5.42，页岩地层Mn/Ti值突增，为52.54，炭质泥岩水体深度较页岩地层有所减小（为20.90），但深度仍比山2 3亚段下段泥岩地层水体深度大；山2 3亚段上段页岩地层均值为61.79。山西组山2 3亚段地层自下而上水体深度呈现先减小后增加，至山2 3亚段顶部再减小的特征。与前人同研究区同一层位太原组进行对比，认为太原组古水深整体高于山2 3亚段，这与前人认为的石炭系—二叠系发生的3次海侵情况相符［33］。
（3）δ13C同位素含量法。δ13C高值往往对应着海平面的上升期，低值对应海平面的下降期［33-34］。根据δ13C同位素结果而言，山2 3亚段下段δ13C值为0.364‰（下部泥岩地层为0.51‰，页岩地层为-0.67‰，炭质泥岩为0.2‰），山2 3亚段上段页岩地层为-0.66‰，自下至上δ13C值反映出水体深度具有先减小后稍有增加的趋势，与V/Ni、Mn/Ti值相关度较高。
通过V/Ni、Mn/Ti值和δ13C同位素并结合前人研究认为，受海退影响，山西组自下而上水体稍有变浅，山2 3亚段底部泥岩段至山2 3亚段下段页岩地层水体深度稍有波动（增加），山2 3亚段上段则水体深度变浅，总体上具有从下至上水体变浅的特征（图8）。

3.2.5　古生产力

水体古生产力的恢复对于评价富有机质泥岩的发育情况具有重要意义。营养物质供应越充足，生物生产力就越高，水体有机碳通量增加的同时，P、Ba、Cu和Zn等营养元素的埋藏量也会增加［42］。但是这些元素作为古生产力指标均具有一定的局限性。例如Cu和Zn元素作为古生产力指标仅适用于硫酸盐还原环境［43］；Ba含量仅在非硫化还原条件，且生产力低到中等条件下适合作为古生产力指标；P作为古生产力指标时，会受到海水氧化还原条件和Fe化合物对P吸附的影响［43］，导致高P含量并不一定指示高古生产力。但P和Babio依旧是当前应用最为广泛的古生产力指标［44］。生物Ba（Babio）的计算参照文献［44］，计算结果表明山2 3亚段下段泥岩Babio值分布在923~352.1之间，均值为192.1，山2 3亚段下段页岩Babio值分布在112.3~805.1 μg/g之间，山2 3亚段上段页岩Babio值分布在143.7~350.1之间，均值为206.9 μg/g。用Al元素对P进行标准化，排除碎屑矿物对有机P的影响，发现P/Al值在山2 3亚段下段泥岩样品中分布在0.003~0.069之间，均值为0.017；P/Al值在山2 3亚段下段页岩分布在0.004~0.09之间，均值为0.035；山2 3亚段上段页岩P/Al值分布在0.002~0.008之间，均值为0.005；总体上P/Al以及Babio在山2 3亚段变化趋势一致，均表现为从下至上先增大再减小的过程。

3.3　有机质富集控制因素

为揭示古气候、古水盐度、古氧化还原条件、古水深和古生产力对有机质富集的影响，采用TOC作为有机质富集的指标，并研究了TOC与这些不同因素的替代指标（如Sr/Ba代表古水盐度；CIA指数代表古气候条件；Ni/Co与V/V+Ni代表水体古氧化还原条件；V/Ni与Mn/Ti代表古水深；P/Al和Babio代表古生产力）进行相关性分析，结果表明TOC与Sr/Ba、P/Al以及Babio没有相关性，与Ni/Co、V/V+Ni、V/Ni以及Mn/Ti呈正相关，与CIA呈负相关，与代表陆源碎屑输入的Al元素和Ti元素呈正相关（图9）。说明水体的氧化还原条件与陆源输入程度是控制山2 3亚段有机质富集的主要控制因素。
图9 山2 3亚段页岩有机质富集主控因素相关性图解

Fig. 9 Correlation diagram of main controlling factors of shale organic matter enrichment in shan2 3 sub-member

Sr/Ba元素比值揭示山2 3亚段沉积环境为海陆过渡相环境，其沉积环境不仅受到海洋环境控制也受到陆源河流输入的双重影响，这其中就包括了海洋水体自身古生产力和陆源碎屑输入的有机质，干酪根碳同位素值显示山2 3亚段的黑色页岩的干酪根类型主要为II2型和III型［45］，说明陆源供应的有机质对山2 3亚段页岩有机质富集具有重要影响作用，而生产力的指标P/Al和Babio主要反映的是古海洋的生产力，并不能反映陆源输入有机质通量，因此导致古生产力指标与TOC之间并没有明显相关性；而不论是陆源输入有机质还是古海洋提供的有机质其保存均会受到氧化还原条件的控制，另外，随着水体的加深，溶解氧含量会逐渐降低，这也是为什么TOC会与反映古水深的指标V/Ni以及Mn/Ti呈正相关的原因。TOC与CIA指数呈负相关，CIA指数反映了古气候条件，其值越低，母岩的风化能力越弱，陆源输入含量就会越少，而山2 3亚段海陆过渡相环境有机质来源大部分为陆源，因此也就导致在低风化能力情况下，TOC降低，而代表陆源输入的Ti元素和Al元素则与TOC呈一定正相关性，也进一步说明了陆源输入有机质的重要性。
作为海陆过渡相环境的山2 3亚段页岩有机质富集与海相龙马溪组有机质富集主控因素存在较大差异，这也导致了山2 3亚段页岩储层特征、有机质孔隙发育能力均与海相页岩存在明显不同，这也值得今后进一步研究，为海陆过渡相页岩气的勘探开发奠定良好的理论基础。

4 结论

研究区山2 3亚段泥页岩矿物组成以石英、黏土矿物为主，脆性指数较高，有利于后期页岩气的开采，TOC平均为2.04%，属于TOC较高的泥页岩。山2 3亚段古水体盐度分别为咸水沉积、半咸水沉积过渡为淡水沉积环境；山2 3亚段泥页岩地层均显示贫氧—缺氧的还原环境，自下而上还原性稍有增强；古气候判别指标显示，山2 3亚段全段为湿热气候，且自下而上气候逐渐变潮湿，风化程度逐渐变小，逐渐向温湿气候过渡；古水深判别指标显示，山2 3亚段水体深度先减小后增加，至山2 3亚段顶部水体深度继续减小；古生产力从下至上表现为先增大再减小的变化趋势。山2 3亚段有机质富集主要受控于水体氧化还原条件和陆源碎屑输入程度。

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