Natural Gas Geoscience >

2025 , Vol. 36 >Issue 4: 734 - 748

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.08.013

Microscopic characteristics and enrichment mechanisms of organic matter in the second member of Funing Formation shale in the Gaoyou Sag， Subei Basin， China

  • Ya ZHAO , 1, 2 ,
  • Taohua HE , 1, 2 ,
  • Qianghao ZENG 1, 2 ,
  • Zhigang WEN 1 ,
  • Juan TENG 1 ,
  • Yongfeng QIU 3 ,
  • Daxin XIAO 1 ,
  • Jiayi HE 1 ,
  • Kaiwen XUE 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources （Yangtze University），Ministry of Education，Wuhan 430100，China
  • 2. College of Resources and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China
  • 3. JOECO Research Institute of Exploration and Development，Yangzhou 225009，China

Received date: 2024-06-07

  Revised date: 2024-08-22

  Online published: 2024-10-09

Supported by

The Open Fund of Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources （Yangtze University）, Ministry of Education(K202307)

the National Natural Science Foundation of China(42272160)

Fold

Abstract

The shale in the second member of Funing Formation （E1 f 2） from the Gaoyou Sag， Subei Basin has demonstrated significant industrial oil and gas production. The composition and enrichment of organic matter （OM） in the shale play a crucial role in hydrocarbon generation， highlighting the importance of studying its OM characteristics and enrichment mechanisms. This study investigates Well H1 in the Gaoyou Sag， employing organic petrology， X-ray diffraction （XRD）， and organic-inorganic geochemical analyses to systematically investigate the microscopic characteristics of OM， depositional environment， and the main controlling factors of OM enrichment in the E1 f 2 shale， and ultimately reveal its enrichment model. The results show that： （1） The E1 f 2 shale can be classified into three types：Felsic shale， hybrid shale， and calcareous shale， with significant differences in microscopic components. The hybrid shale exhibits a wide range of alginite content （40%-95%） with an average of 72.94%， forming laminar algal with a thickness of over 30 μm and a length of up to 200 μm； （2） The E1 f 2 shale was primarily deposited in an arid climate and high-salinity， anoxic environment， with OM mainly derived from low-level aquatic organisms， predominantly Type I and Type II1 kerogen， reaching the peak oil generation stage of maturity， which is favorable for shale oil formation； （3）The OM enrichment in the E1 f 2 shale is mainly controlled by paleoproductivity and paleosalinity， with preservation conditions having a relatively minor influence. This study provides essential insights for further shale oil exploration and development within OM-lean shale in the Gaoyou Sag， as well as similar areas.

Key words： Maceral; Depositional conditions; Subei Basin; Enrichment mechanisms of organic matter; Paleoproductivity

Cite this article

Ya ZHAO , Taohua HE , Qianghao ZENG , Zhigang WEN , Juan TENG , Yongfeng QIU , Daxin XIAO , Jiayi HE , Kaiwen XUE . Microscopic characteristics and enrichment mechanisms of organic matter in the second member of Funing Formation shale in the Gaoyou Sag， Subei Basin， China[J]. Natural Gas Geoscience, 2025 , 36(4) : 734 -748 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.08.013

0 引言

中国陆相盆地页岩油资源量丰富，近年来中国页岩油勘探开发已在准噶尔、三塘湖、鄂尔多斯、松辽、苏北、渤海湾等盆地取得了重要勘探进展，页岩油气展现出巨大的勘探开发前景［1-7］。与海相页岩不同，中国陆相含油盆地分割性强，后期构造活动期次多，发育多种页岩类型，相带变化快，岩性复杂，页岩油赋存方式多样［7-9］，因此加强各类陆相盆地页岩油富集机理、分布规律对页岩油的勘探开发具有重要意义。而烃源岩中有机质的类型和富集对页岩油的生产具有重要的控制作用，了解烃源岩层系中有机质富集规律对促进页岩油资源的有效勘探开发具有重要意义［7-9］。
陆相富有机质页岩形成的沉积环境多样，有机质的富集受多种因素共同控制，是有机质来源和有机质保存条件共同作用的结果［7，10-12］。研究表明，水体古盐度和氧化还原条件控制着沉积有机质的保存，咸水环境下水体具有分层特征，水体底层呈现缺氧还原有利于有机质的保存；此外，陆源碎屑输入也同样控制有机质的保存［12-14］。水体中原始生产力是富有机质沉积的关键因素，古气候条件和水体盐度都影响着湖泊古生产力，高的原始生产力更有利于富有机质的富集［15-16］。此外，适当的沉积速率也是有机质保存和富集的重要因素［10，14，16］。
苏北盆地是中国最大的中—新生代含油气盆地，高邮凹陷是苏北盆地主要含油凹陷之一，页岩油资源量达7.54×108 t，古近系阜宁组是其主力烃源岩层系，资源潜力大，具有有利的页岩油成藏条件［17-20］。不同于中国其他陆相盆地，苏北盆地古近系阜二段页岩有机质丰度较低（平均TOC值为1.5%，但其中I亚段和II亚段页岩TOC值相对较高，平均值分别为2.25%和2.02%［20］），按照页岩油分级评价标准则归属于“低效—无效资源”［21-22］，不具备页岩油开采价值。然而，高邮凹陷阜二段页岩却取得了较好的工业油气流：多口页岩油井累积产量超7×104 t，其中HY3HF井、HY5HF井和H2CHF井累产过1×104 t这可能与阜二段页岩里特殊的有机质组成和有机质富集有关，也预示着低丰度页岩同样具有可观的勘探潜力。前人［17-20，23-25］对苏北盆地阜二段的研究主要集中在页岩沉积环境、成藏条件、有机质赋存、储层评价等。研究表明，阜二段页岩主要为深湖—半深湖沉积，水体整体处于强还原环境；岩性以混积岩为主，分布范围较广，厚度较大；有机质丰度大多<1.5%，主要处于低熟—成熟阶段（镜质体反射率为0.8%~0.9%），显微组分以腐泥组和镜质组为主；页岩储集性能相对较好，脆性及压裂改造条件较好。
高邮凹陷阜二段页岩取得了较好的工业油气流，其烃源岩中有机质组成与富集起到了关键作用。因此，本文以苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩为研究对象，通过TOC、岩石热解、XRD、有机岩石学、元素地球化学及饱和烃GC-MS等分析手段系统研究高邮凹陷阜二段页岩有机质显微特征、沉积环境和有机质富集主控因素，建立有机质富集模式，以期为页岩油勘探开发提供理论支撑。

1 地质背景

苏北盆地是一个大型白垩纪—新近纪断陷盆地，是中国东南部最大的中、新生代盆地，面积为3.8×104 km2［25-29］。它位于苏北—南黄海盆地陆上部分，其南北分别以苏南隆起和鲁苏古陆为界，西至郯庐断裂，东与南黄海盆地相接［图1（a）］［2］。从构造上看，苏北盆地主要分为建湖隆起、东台坳陷、盐阜坳陷3个构造单元［17-18］。研究区是苏北盆地沉降最大的一个凹陷，面积约为2.67×103 km2，中、新生代沉积厚度为7 km［30］，位于东台坳陷中部，构造格局在南北向呈南部断裂带、中部深凹带、北部斜坡带的特征，断裂系统以北东向、北北东向、东南向为基本展布方向，具有南断北超、南深北浅、南陡北缓的箕状结构［30］。研究区地层自上白垩统至第四系分为：白垩系泰州组（K2 t）、古近系阜宁组（E1 f）、古近系戴南组（E1 d）、古近系三垛组（E1 s）、新近系盐城组（N2 y）和第四系东台组［2，28-30］。古近系阜宁组是研究区的主要勘探层系，资源潜力大，具有有利的页岩油成藏条件，自上而下依次分为：阜宁组一段（E1 f 1）、阜宁组二段（E1 f 2）、阜宁组三段（E1 f 3）和阜宁组四段（E1 f 4）4个层段［7］。本文研究层系为阜宁组二段，其沉积环境为半深湖—深湖，岩性以灰黑色泥页岩为主，局部层段发育油页岩和纹层状碳酸盐岩夹层［图1（b）］，具有形成、聚集页岩油和气的条件，是苏北盆地主要的烃源岩层系［19-20，23-25］。研究对象H1井位于高邮凹陷深凹—内坡带花庄地区，根据岩性、电性特征，自上而下分为Ⅰ—Ⅴ亚段［图1（b）］，是江苏油田第一口页岩油专探井，其峰值日产油29.7 t，油气显示丰富［26-27］。
图1 苏北盆地地质构造图［2，29］ （a）和H1井阜二段岩性柱状图（b）

Fig.1 The geologic element division map for the Gaoyou Sag， Subei Basin （a）［2，29］ and the lithological column of the Well H1 from the E1 f 2 in the Gaoyou Sag （b）

2 样品与实验方法

本文研究所涉及的富有机质页岩样品取自高邮凹陷H1井，取样深度为3 400~3 712 m，共74块岩心和153个岩屑样品。对所有样品分别进行了TOC、热解、XRD、主微量元素等测试分析，部分典型样品进行了有机岩石学和饱和烃GC-MS分析。

3.1　XRD矿物学分析

采用Rigaku X射线衍射仪对样品进行矿物组合分析，根据衍射峰出峰的位置和面积来判断相应矿物的含量。分析方法见文献［10］。

3.2　总有机碳与岩石热解

TOC与岩石热解在长江大学油气地球化学与环境湖北省重点实验室完成。TOC测试参考国家标准《沉积岩中总有机碳的测定》（GB/T 19145—2022），在LECO CS-600碳硫分析仪上进行。使用Rock-Eval 6岩石热解仪，参考国家标准（岩石热解分析）（GB/T18602—2012），在非等温条件下，通过开放式热解系统进行岩石热解分析。

3.3　有机岩石学分析

有机岩石学分析在长江大学油气地球化学与环境湖北省重点实验室完成。将页岩样品粉碎至20目，根据标准煤岩学程序［31］，将碎屑制成全岩光片。使用连接到Leica DFC 310 FX数码相机的Leica DM4500P光学显微镜，记录显微组分的岩相特征，包括产状、颜色、反射率、形态、结果以及荧光性等。

3.4　饱和烃GC-MS分析

将页岩样品粉碎至100目，以二氯甲烷作为溶剂进行索氏抽提。以正己烷沉淀沥青质，采用硅胶/氧化铝柱色层法把脱沥青组分分离成饱和烃、芳烃和非烃，对饱和烃馏分进行GC-MS分析。使用仪器为Agilent 6890/5975色谱—质谱联用仪，具体饱和烃的GC-MS分析条件见文献［32］。

3.5　主微量元素分析

采用ZSX Primus Ⅱ型全自动X射线荧光光谱仪（XRF）对样品进行主量元素分析，具体方法参考国家标准《硅酸盐岩石化学分析方法》（GB/T 14506.28—2010、GB/T14506.34—2019）。采用Agilent 7700e 900电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）对样品进行微量元素分析，具体方法参考国家标准《硅酸盐岩石化学分析方法》（GB/T14506.30—2010）。

4 结果与讨论

4.1　页岩类型划分

对研究区阜二段H1井的227个样品进行XRD矿物组成分析，测试结果表明：高邮凹陷阜二段页岩主要矿物组成为石英长石，相对含量为4.7%~78.0%，平均含量为43.06%；其次为黏土矿物，相对含量为1.7%~47.4%，平均含量为28.48%；碳酸盐矿物方解石较发育，平均含量为12.73%，白云石次之，平均含量为10.77%。根据其矿物组成，将研究区阜二段页岩分为3类页岩：灰云质页岩、长英质页岩和混积岩（图2）。整体来看，研究区阜二段页岩以混积岩为主，其中深度3 404~3 477 m层段为厚层混积岩与长英质页岩互层，深度3 477~3 486 m层段发育大段混积岩，深度3 486~3 536 m层段长英质页岩发育，深度3 538~3 659 m层段混积岩发育中间夹有一套2 m厚的长英质页岩，3 659~3 711 m层段长英质页岩与混积岩互层中间偶见灰云质页岩［图1（b）］。
图2 高邮凹陷阜二段矿物组成三角图和岩性划分

Fig. 2 Triangle diagram of mineral composition and lithological classification in the E1 f 2 of Gaoyou Sag

4.2　有机质显微特征

4.2.1　显微组分组成

烃源岩中分散有机质的显微组分的含量和组成特征，不仅可以直观反映烃源岩中有机质来源、种类和形态，还可以反映有机质的类型、热演化程度，预测有机质丰度、生烃潜力以及油气产物类型［33-35］。
藻类体是烃源岩主要生油母质之一［33-36］，高邮凹陷阜二段页岩显微组分主要以藻类体为主，其含量分布在35~95%之间，平均值为69.56%，以分散或群体聚集形式分布在页岩中，在油浸反射光下一般难以与周围的页岩基质分开，荧光下发亮黄色荧光［图3］。阜二段页岩中藻类体主要以层状藻为主，分布形式主要为分散的、呈细薄层状的薄壁藻类体，与矿物密切互层，一些层状藻与结构藻共生［图3（c）—图3（f）］，荧光较弱，生油潜力较弱［34，37］；还有一些层状藻成层聚集发育形成藻纹层，油浸反射光下呈黑色条带与周边基质区分［图3（e）］，荧光下可见发褐黄色的密集层状藻纹层［图3（f）］，厚度大于30 μm，长度可达200 μm，生油潜力较强，与结构藻类体相近［37］。阜二段页岩同时发育结构藻，呈纺锤状、透镜状分布在页岩基质中，油浸反射光下呈琥珀色，荧光下可见明显的细胞结构［图3（g）—图3（h）］，同时Tasmanites藻大量存在［图3（a）—图3（b）］，含油量高，荧光强度较高，生油能力极强［34］。
图3 高邮凹陷阜二段页岩中藻类体照片

（a）Tasmanites照片（油浸反射光）；（b）Tasmanites照片（荧光）；（c）层状藻和结构藻照片（油浸反射光）；（d）层状藻和结构藻（荧光）；

（e）藻纹层照片（油浸反射光）；（f）藻纹层照片（荧光）；（g）结构藻照片（油浸反射光）；（h）结构藻照片（荧光）

Fig.3 Microscopic photos of alginite in the shale for the E1 f 2 in Gaoyou Sag

固体沥青是生油型有机质在热演化过程中转化而来的次生有机质，其结构、形态都不同于原生有机质［33-34，38-39］。高邮凹陷阜二段页岩中固体沥青组分含量不高，油浸反射光下呈灰色、黑色，不显荧光［图4（a）—图4（b）］，含量分布在2%~35%之间，平均值为13.16%。高邮凹陷阜二段页岩中镜质体来源于高等植物，由植物的木质纤维组织经凝胶化而形成［36，39］，呈破碎颗粒状、块状、条带状分布在页岩颗粒间，油浸反射光下呈灰白色［图4（c）—图4（d）］，没有荧光反应。镜质体反射率能很好地反映有机质成熟度［24-25］，经测定，研究区阜二段页岩镜质体反射率（R O）分布在0.81%~0.89%之间。高邮凹陷阜二段页岩中惰质体来源于陆生高等植物，基本无生烃能力［36-39］，以分散颗粒状分布在页岩基质中，油浸反射光下呈亮白色［图4（e）—图4（f）］，主要为不具细胞结构的惰质碎屑体［图4（e）］和保留部分细胞结构的半丝质体［图4（f）—图4（g）］，偶见细胞结构保留较好的丝质体［图4（h）］。高邮凹陷阜二段页岩镜质体和惰质体含量均较低，分别分布在1%~40%和3%~20%之间，平均值为10.96%和7.30%。
图4 高邮凹陷阜二段页岩中固体沥青、镜质体和惰质体照片，油浸反射光

（a）、（b）固体沥青照片（油浸反射光）；（c）、（d）镜质体照片（油浸反射光）；（e）惰质碎屑体照片（油浸反射光）；

（f）、（g）半丝质体照片（油浸反射光）；（h）丝质体照片（油浸反射光）

Fig.4 Microscopic photos of solid bitumen， vitrinite and inertinite in the shale for the E1 f 2 in Gaoyou Sag

4.2.2　显微组分垂向分布特征

高邮凹陷阜二段页岩针对不同深度和不同岩性共采集了27个样品在光学显微镜下进行有机岩石学分析。根据显微组分垂向分布特征（图5），发现不同岩性页岩显微组分组成有一定差异，不同深度发育的相同岩性的页岩显微组分组成也有一定差异。阜二段Ⅱ亚段页岩主要以长英质页岩和混积岩互层为主，藻类体最为富集，平均含量为81.5%，且藻类体荧光强度较高，高产油Tasmanites藻发育［图3（a）—图3（b）］；Ⅲ亚段混积岩藻类体富集，平均含量为75%，高产油结构藻较为发育［图3（g）—图3（h）］；Ⅳ亚段厚层混积岩夹长英质页岩，藻类体较为富集，平均含量为79.71，含量变化较大（60%~95%），且高产油藻纹层［图3（e）—图3（f）］发育；V亚段整体藻类体含量变化较大（35%~90%），含量相对较低，平均为62.13%，不同岩性显微组分组成不同：灰云质页岩镜质体和固体沥青含量略高，而藻类体含量相对略低；混积岩藻类体较长英质页岩较为富集，平均含量为66.71%，长英质页岩较混积岩镜质体含量相对较高，平均含量为17%，固体沥青和惰质体含量相差不大。
图5 苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩显微组分组成分布

Fig.5 Macerals composition diagram in the shale for the E1 f 2 in Gaoyou Sag， Subei Basin

4.3　沉积环境

4.3.1　古气候条件

古气候条件往往通过气候带、古大气环流形势的差异来控制沉积作用和沉积物的母源，从而控制烃源岩的发育［40］，常用沉积物中主微量元素的分布、丰度以及丰度比值来表征。
NESBITT等［41］提出的化学蚀变指数CIA已广泛应用到物源区化学风化程度的判断和古气候变化程度的判断中［10-11，42］，其计算公式如下：
C I A = 100 × A l 2 O 3 / ( A l 2 O 3 + C a O * + N a 2 O + K 2 O )
式（1）中：氧化物均以摩尔分数为单位；CaO*仅为硅酸盐组分中的CaO。在运用CIA来判断古气候变化时应注意碳酸盐组分中CaO的影响，对CaO进行校正［10，43-44］，校正公式如下。
CaO*=CaO-(10/3×P2O5)。
研究表明，CIA值越高则古气候条件越湿润；当CIA值在85~100之间时，指示炎热潮湿的古气候条件；当CIA值在70~85之间时，指示温暖潮湿的古气候条件；当CIA值在50~70之间时，指示干旱的古气候条件［10-11，45］。高邮凹陷阜二段页岩的CIA平均值为56.84，绝大多数样品CIA值在50~70之间时（图6），表明这套页岩主要沉积于较干旱的古气候环境。H1井阜二段CIA在纵向上的变化表明，Ⅳ、V亚段页岩在沉积过程中古气候变化频繁，但整体处于较干旱的古气候环境，Ⅲ亚段页岩沉积于半干旱气候，Ⅱ亚段页岩沉积于半干旱—半湿润的古气候环境（图6）。
图6 阜二段页岩TOC和古气候条件、氧化还原条件、古盐度、古生产力的地球化学指标纵向分布

Fig. 6 Vertical distribution of TOC and geochemical indicators for paleoclimatic conditions， redox conditions， paleosalinity， and paleoproductivity in the shale for the E1 f 2 in Gaoyou Sag， Subei Basin

不同古气候条件下的元素富集情况存在明显差异，研究表明Sr元素的富集可以反映干旱炎热的古气候条件；而Cu元素的富集反映温暖湿润的古气候条件，二者的比值常被用来分析古气候特征［46-47］。当Sr/Cu<5时，指示湿润的古气候条件；Sr/Cu>5时，指示干旱的古气候条件［46-48］。研究区阜二段页岩的Sr/Cu值分布在2.76~75.88之间，平均值为20.52，绝大多数样品的Sr/Cu值大于5，只有极少数样品的Sr/Cu值小于5（图6），表明高邮凹陷阜二段这套页岩沉积于干旱的古气候环境。H1井阜二段Sr/Cu值在纵向上的变化表明，底部页岩在沉积过程中干旱气候和半干旱气候频繁变化，且整体处于干旱的古气候环境，古气候条件经历干旱—更干旱—干旱—更干旱—干旱的变化过程（图6）。
同样其他金属元素在不同气候条件下的迁移和能力也具有一定的差异性。一般认为，在湿润的古气候条件下，金属元素Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co较为富集；而在干旱的古气候条件下，金属元素Ca、Mg、K、Sr、Ba、Na由于水分的蒸发，作为盐类矿物的沉淀沉积在水底，在沉积物中相对富集［48-49］。古气候指数“C”值常被用于表征古气候条件［49］，其计算公式如下：
C = Σ F e + M n + C r + V + N i + C o / Σ C a + M g + K + S r + B a + N a
前人研究表明，C值越高，则古气候条件越湿润，当C值小于0.20时，指示干旱的古气候条件；C值在0.20~0.4之间时，指示半干旱的古气候条件；C值在0.40~0.60之间时，指示半干旱—半湿润的古气候条件；C值在0.60~0.80之间时，指示半湿润的古气候条件；C值大于0.80时，指示湿润的古气候条件［10，48-50］。研究区H1井阜二段页岩的C值介于0.07~0.82之间，平均值为0.32，绝大多数样品的C值在0.20~0.40之间，表明高邮凹陷阜二段这套页岩主要沉积于较干旱的古气候环境（图6）。H1井阜二段C值在纵向上的变化表明，V亚段底部页岩发育时古气候条件变化频繁，具体为干旱气候和半干旱气候频繁交互，Ⅳ亚段页岩沉积时，古气候整体处于干旱的古气候环境，Ⅲ亚段页岩沉积于半干旱气候，Ⅱ亚段页岩沉积于半干旱—半湿润的古气候环境（图6）。
综合古气候指标CIA、Sr/Cu和C值，分析了H1井阜二段页岩沉积时期的古气候在纵向上的变化规律为：V亚段底部页岩沉积时期，干旱和半干旱气候频繁交互；Ⅳ亚段页岩沉积于干旱的古气候环境，Ⅲ亚段页岩沉积于半干旱气候，Ⅱ亚段页岩沉积于半干旱—半湿润的古气候环境。

4.3.2　古氧化还原条件和古盐度

古水体的氧化还原条件对烃源岩中有机质保存起重要作用，缺氧的水体更有利于有机质的富集［51］。金属元素V、Ni都是判断古氧化还原条件的有效元素，通常采用V/（V+Ni） 值来指示水体氧化还原环境［42-43］，研究表明当V/（V+Ni）<0.45时，指示氧化环境；V/（V+Ni）值分布在0.45~0.6之间时，指示弱氧化环境；V/（V+Ni）值分布在0.6~0.85之间时，指示缺氧环境；V/（V+Ni）>0.85时，指示硫化环境［52-54］。研究区阜二段页岩V/（V+Ni） 值介于0.49~0.83之间，绝大多数样品V/（V+Ni）值大于0.6 （图6），表明高邮凹陷阜二段页岩沉积于缺氧环境。
生物标志物参数Pr/Ph值和类戊二烯烃交会图也可用来判断水体的氧化还原环境［10-11］。研究区阜二段页岩的Pr/Ph值分布在0.09~0.99之间，平均值为0.40，指示还原环境，这与类戊二烯烃交会图所指示的还原环境一致（图7），综合研究区阜二段页岩地球化学指标和生物标志物参数分析，高邮凹陷阜二段页岩沉积于缺氧还原环境。
图7 Pr/nC17与Ph/nC18反映有机质类型、有机质来源以及有机质沉积环境

Fig. 7 Pristane/nC17 vs. Phytane/nC18 reflecting organic matter types， sources and depositional environment

古水体盐度会影响生物的繁殖发育从而对有机质的输入产生影响［10，55］。微量元素比值和生物标志物参数都能有效反映古湖泊水体盐度［10-11，56］。伽马蜡烷通常出现在高盐度的海相和非海相的沉积物中，通常被看作是反映高盐度的指标［57-59］。研究区阜二段页岩的G/C30H值较高，分布在0.04~1.34之间，平均值为0.75，反映研究区阜二段页岩沉积于盐度较高的古水体环境。利用无机元素Sr/Ba值来判断古湖泊水体的盐度，Sr/Ba值越大，古水体盐度越高［10，60］。研究表明，当Sr/Ba值小于0.5时，古盐度为淡水—微咸水；当Sr/Ba值分布在0.5~1之间时，古盐度为半咸水；当Sr/Ba值大于1时，古盐度为咸水［60］。研究区阜二段页岩的Sr/Ba值分布在0.05~9.03之间，平均值为0.97。Sr/Ba值在纵向上的分布表明（图6），高邮凹陷阜二段Ⅳ亚段底部和V亚段页岩盐度振荡，主要沉积于咸水湖泊，Ⅱ亚段—Ⅳ亚段上部页岩沉积于半咸水湖泊，Ⅰ亚段页岩沉积于淡水—微咸水湖泊。

4.3.3　古生产力

湖泊的生产力为有机质富集提供了重要的物质基础，古生产力的大小与湖泊水体营养供给有密切关系，P元素、N元素是生物生长活动所必需的营养元素，它们的富集往往指示较高的古生产力［55，60］。Cu元素常与有机质结合形成有机金属络合物从而被携带进入到沉积物中，Ba的积累率与生物生产力呈正相关。因此P/Al、Ba/Al和Cu/Al值常被用来反映古生产力水平［60-61］。研究区阜二段页岩样品中Ba/Al值分布在（30~881）×10-4之间，平均值为158×10-4，Cu/Al值分布在（1.76~20.6）×10-4之间，平均值为6.05×10-4。研究区阜二段页岩样品的Ba/Al值和Cu/Al值偏低（图6），表明高邮凹陷阜二段页岩沉积时湖泊古生产力水平较低。

4.4　有机地球化学特征

研究区阜二段页岩TOC含量分布在0.24%~3.70%之间，平均值为1.47%，TOC含量整体分布较集中，大多数样品TOC之间分布在0.5%~1.5%之间；S 1值分布在0.01~2.67 mg/g之间，平均值为0.65 mg/g；S 1+S 2值分布在0.33~19.71 mg/g之间，平均值为5.17 mg/g，大多数样品S 1+S 2值分布在0.33~5 mg/g之间；I H值分布在40~587 mg/g之间，平均值为286 mg/g（图8）。根据湖相烃源岩有机质丰度评价标准，高邮凹陷阜二段页岩整体属于中等—较好的烃源岩［62］。
图8 高邮凹陷阜二段页岩岩石热解参数纵向分布

Fig.8 Vertical distribution of pyrolysis parameters of shale in the E1 f 2， Gaoyou Sag

湖泊沉积物有机质来源包括内源和外源2种，内源指湖泊内自生的低于水生生物，包括菌类和藻类；外源指被河流和风带入到湖泊的陆生植物［11］。有机质显微组分组成和生物标志物参数都能有效地反映烃源岩有机质来源［10-11，63］。研究区阜二段页岩显微组分组成以藻类体为主，显微镜下可见镜质体（图5），表明研究区阜二段页岩有机质主要来源于藻类体，有部分陆源高等植物的贡献。正构烷烃（nC21+nC22）/（nC28+nC29）、Pr/nC17和Ph/nC18交会图常被用来表征有机质来源［57-58，64-67］。研究区阜二段页岩正构烷烃（nC21+nC22）/（nC28+nC29）值介于0.83~6.09之间，平均值为1.50，绝大多数值大于1.0（图9），这表明低等水生生物对有机质的形成贡献很大，有机质主要来源于低等水生生物。由类异戊二烯烃交会图可知（图7），高邮凹陷阜二段有机质来源主要为低等水生生物，有部分陆源的高等植物贡献，这与正构烷烃（nC21+nC22）/（nC28+nC29）值和有机质显微组分组成所反映的有机质来源一致。
图9 高邮凹陷阜二段页岩中（nC21+nC22）/（nC28+nC29）分布

Fig.9 Distributions of （nC21+nC22）/（nC28+nC29） in the shale of the E1 f 2 in the Gaoyou Sag

不同来源的有机质地球化学特征差别较大，评价有机质类型是必要的［68］。生物标志物参数分析结果表明研究区阜二段页岩有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主（图7，图10），与显微组分观察结果（显微组分组成以藻类体为主）一致（图5），有机质来源主要为低等水生生物（图7，图9）倾向于生油，具有较强的生油能力。
图10 高邮凹陷阜二段页岩有机质类型（规则甾烷三角图）

Fig.10 Organic matter types of shale in the E1 f 2 of Gaoyou Sag （regular sterane triangle diagram）

有机质成熟度表示沉积有机质的热演化程度，只有达到一定成熟度后有机质才开始大量生烃，镜质体反射率是判断有机质成熟度的有效参数［11，62］。研究区阜二段页岩镜质体反射率R O值分布在0.81%~0.89%之间（图11），处于成熟阶段生油高峰期。
图11 高邮凹陷阜二段页岩镜质体反射率（R O） 分布特征

Fig.11 Distribution characteristics of vitrinite reflectance（R O） of shale in the E1 f 2 of Gaoyou Sag

4.5　有机质富集主控因素

在分析阜二段古气候、古盐度、古氧化还原条件和古生产力的基础上，分别构建了其与TOC的对应关系，结果显示古生产力和古盐度均对有机质的富集有一定控制作用（图12）。古气候指标CIA与TOC存在一定的正相关关系［图12（a）］，随着CIA的增大，气候越来越湿润，TOC随之增大，较湿润的古气候条件促进了研究区阜二段页岩有机质的富集。从图12（a）可以观察到，TOC随着干旱程度的增加而减小，干旱的古气候不利于有机质的富集；而图12（b）所示的古气候评价指数C值与TOC的关系又表明，在干旱和半干旱的古气候条件下，相对应的样品的TOC含量较高，这说明古气候条件并不是控制高邮凹陷阜二段页岩有机质富集的主控因素。而图12（a）所示的干旱和半干旱的古气候条件导致的TOC含量较高，可能与干旱的古气候条件导致湖泊水体大量蒸发、盐度增大、水体分层、湖泊水体的富营养化，从而导致藻类勃发，大量有机质沉积埋藏有关［55］。
图12 高邮凹陷阜二段古环境评价指标与TOC的关系

（a）、（b）古气候条件分析；（c）、（d）古盐度分析；（e）氧化还原条件分析；（f）古生产力分析

Fig.12 Intersection diagram of depositional environment and TOC in the E1 f 2 of Gaoyou Sag

碳酸盐岩沉积物会导致Sr元素的富集，样品中较多的碳酸盐矿物可能会导致总体Sr/Ba值的增加［69］。研究区阜二段页岩部分样品碳酸盐矿物偏高，对Sr/Ba值产生一定影响。因此，在分析Sr/Ba与TOC相应关系时，应消除碳酸盐对Sr/Ba的影响。本文在构建Sr/Ba与TOC相应关系时，对受碳酸盐影响较大的样品不加讨论。Sr/Ba和伽马蜡烷指数与TOC的交会图显示，Sr/Ba和伽马蜡烷指数都与TOC存在一定的正相关关系［图12（c）—图12（d）］。从图12（c）可以观察到，随着Sr/Ba值的增大，盐度增大，TOC也随之增大。大量研究表明，许多咸水湖泊具有较高的生产力［55］，咸水湖泊生产力较高可能与生活在咸水环境下的细菌和藻类对环境的适应导致这些细菌、藻类大量发育有关，这些嗜盐细菌、藻类的勃发，导致有机质生产速率加快，促进了有机质的富集［55］。伽马蜡烷是水体分层的标志［57-59］，也是有效表征水体古盐度的指标之一［57-58，64，65］。从图12（d）可以观察到，随着伽马蜡烷指数的增大，盐度增大，水体分层明显，TOC也随之增大。表明高盐度促进了水体的分层，促进了某些藻类和细菌的勃发，提高了古生产力，且水体分层明显导致沉积底水缺氧，保证了沉降的有机质不被大量破坏，有利于有机质的富集。
古生产力指标与TOC成正相关关系［图12（f）］，TOC含量随着Cu/Al值的增大而增大，表明古湖泊的生产力对有机质的富集有一定控制作用，古生产力为有机质的富集提供了物质基础，古生产力越高，越有利于有机质的富集。氧化还原指标V/（V+Ni）表明研究区阜二段页岩整体处于还原条件［图12（e）］，还原环境保证了有机质在沉降过程中不会被大量破坏，沉降的有机质得到了保存，促进了有机质的富集。
综上可知，有机质富集并非由一种或几种古环境因素单独控制，而是由多种古环境因素相互耦合的结果：干旱的古气候条件导致湖泊水体古盐度增大，促进了一些藻类和细菌的勃发，提高了古生产力，有利于有机质的富集；水体分层及缺氧还原的底水环境，有利于有机质的保存，从而促进有机质的富集。整体而言，古盐度和古生产力是有机质富集的主控因素。

4.6　有机质富集模式

高邮凹陷阜二段页岩显微组分组成在垂向上变化较大，这可能与页岩沉积时期沉积环境的改变有关［36］。其中，藻类体和镜质体组成变化可能与沉积环境有关，Ⅱ、Ⅲ亚段页岩沉积时的古气候较湿润，有利于生物的繁殖和发育，陆源输入较少，而Ⅳ、V亚段主要以干旱和半干旱气候为主，陆源输入较高，且水体古盐度较高，在一定程度上不利于水生藻类的繁殖发育，因此阜二段中部页岩中藻类体含量相对较低、镜质体含量相对较高。而固体沥青含量的增加，可能与进入生油高峰期有关。综合以上研究，研究区阜二段页岩整体发育于干旱气候条件下，水体缺氧还原，有机质来源主要为低等水生生物，陆源高等生物贡献较低。有机质富集主要受控于古生产力和古盐度，并且研究区古气候、水体盐度和古生产力之间存在紧密联系。干旱的古气候条件导致湖泊水体大量蒸发，湖面积缩小，湖水营养盐逐渐浓缩，促进了一些藻类和细菌的勃发，提高了古生产力；与此同时，水体盐度逐渐增大，促进了水体分层及缺氧还原底水条件的形成，保障了沉降的有机质不被大量破坏，有利于有机质的保存，促进了研究区阜二段富有机质页岩的形成（图13）。
图13 高邮凹陷阜二段页岩有机质富集模式

Fig.13 Organic matter enrichment pattern diagram of shale in the E1 f 2 of Gaoyou Sag

5 结论

本文以高邮凹陷H1井为研究对象，通过一系列有机—无机分析手段系统性研究了高邮凹陷阜二段页岩有机质显微特征、沉积环境以及有机质富集特征，取得了如下认识：
（1） 高邮凹陷阜二段页岩显微组分组成主要以藻类体为主，由于其生烃演化阶段和沉积环境的差异，其显微组分组成在垂向上存在一定差异。
（2）高邮凹陷阜二段页岩可划分为3类，分别为长英质页岩、混积岩和灰云质页岩，不同类型的显微组分组成有一定差异。其中，长英质页岩高产油结构藻较为发育，荧光强度较高；灰云质页岩藻类体含量相对较低，且荧光强度较弱，显微组分以镜质体为主；混积岩藻类体含量差异较大（40%~95%），平均含量相对较高（72.94 %），层状藻较为发育，一些层状藻聚集形成厚度大于30 μm，长度可达200 μm以上的藻纹层，生烃潜力较高。
（3）高邮凹陷阜二段页岩整体发育于干旱的古气候，沉积于缺氧的还原性水体中，其水体盐度整体较高。有机质来源主要为低等水生生物，陆源高等植物相对贡献较低，有机质类型呈现出Ⅰ—Ⅱ1型，处于成熟阶段的生油高峰期。
（4）古生产力和古盐度是高邮凹陷阜二段页岩有机质富集的主控因素，揭示了其有机质富集机制：干旱的古气候条件导致湖泊水体大量蒸发，湖面积缩小，水体盐度进一步增加，湖水营养盐逐渐浓缩，促进了古生产力的提升。由于水体盐度较高，水体分层显著，水体处于强还原条件，在此条件下较高的古生产力导致了较高的沉积有机质丰度，从而促进了研究区阜二段富有机质页岩的形成。

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