Natural Gas Geoscience >

2025 , Vol. 36 >Issue 10: 1884 - 1899

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.04.010

Enrichment of organic matter in mudstone and shale in the Chang 7 Member of Yanchang Formation in Longdong area， Ordos Basin： A case study of Well UA87

  • Shuning KANG , 1, 2, 3 ,
  • Mingyi YANG 4 ,
  • Yijun WANG 5 ,
  • Kang AN 6 ,
  • Junlin CHEN 1, 2 ,
  • Youwei DUAN 1, 2, 3 ,
  • Shan ZHANG 1, 2, 3 ,
  • Shutong LI , 1, 2
Expand
  • 1. Northwest Institute of Eco⁃Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
  • 2. Key Laboratory of Petroleum Resources Exploration and Evaluation，Gansu Province，Lanzhou 730000，China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
  • 4. Exploration Department of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China
  • 5. Longdong Oil and Gas Development Company，PetroChina Changqing Oilfield Company，Qingyang 745000，China
  • 6. No. 3 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Yinchuan 750006，China

Received date: 2025-02-21

  Revised date: 2025-03-18

  Online published: 2025-04-18

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(41772142)

the Provincial Key Research and Development（RD） Plan-Industrial Projects of Gansu Province,China(23YFGM0002)

the Science and Technology Program of Gansu Province, China(22JRSRA045)

Fold

Abstract

In order to explore the enrichment law of organic matter in the dark mudstone and shale of seventh member of Yanchang Formation （Chang 7 Member） in Longdong area of Ordos Basin， this study selected the mudstone and shale samples of Well UA87 in the sedimentary center of Chang 7 Member in Longdong area. Through the identification indexes of main and trace elements， the sedimentary environment evolution characteristics of Chang 7 Member were clarified， the coupling relationship between organic matter enrichment and paleo-sedimentary environment evolution was clarified， and the organic matter enrichment model was established. The results show that the TOC content of the Chang 7 Member is 0.55%-21.03%， with an average of 5.82%. Among them， the organic matter of the Chang 73 sub-member is the most abundant， and the average TOC is 9.76%. The paleosalinity index Sr/Ba （0.16-1.02， mean 0.34） indicates a freshwater environment overall， with brackish to saline sediments in some areas. The paleo-redox environment indicators U/Th （0.20-5.69， mean 1.98） and V/Cr （1.04-8.64， mean 2.58） indicate that the Chang 7 Member is generally in an anoxic environment. Combined with the Cross-plot of MoEF vs. UEF， the Chang 73， Chang 72， and Chang 71 sub-members are in a euinxic， anoxic， and suboxic environment， respectively， and the degree of reduction is decreasing. Ti/Al indicates that the deposition rates of the Chang 73 to Chang 71 sub-members are generally increasing， and the paleoproductivity indicators Zn/Ti， Cu/Ti， and Ni/Ti have similar trends， and the Chang 73 sub-member is generally high. The paleoclimate indicators Sr/Cu （0.51-11.85， mean 3.37） and CIA （60.97-80.37， mean 74.33） indicate that the Chang 7 Member is generally in a warm and humid environment. Combined with the average values of C values （1.30， 0.74 and 0.64， respectively） in the three sub-members of Chang 73 to Chang 71 from bottom to top， it indicates that the climate has changed from humid to semi-humid. The change trend of WIP indicates that the chemical weathering intensity from bottom to top is generally weakened and the degree of dryness is increased. Comprehensiving indicators of each sedimentary environment， the environmental evolution of Chang 7 Member has experienced four stages of I-IV， among which stage I and stage III are conducive to the large-scale enrichment of organic matter.

Key words： Shale oil; Organic matter enrichment; Sedimentation environment evolution; The seventh member of Yanchang Formation; Ordos Basin

Cite this article

Shuning KANG , Mingyi YANG , Yijun WANG , Kang AN , Junlin CHEN , Youwei DUAN , Shan ZHANG , Shutong LI . Enrichment of organic matter in mudstone and shale in the Chang 7 Member of Yanchang Formation in Longdong area， Ordos Basin： A case study of Well UA87[J]. Natural Gas Geoscience, 2025 , 36(10) : 1884 -1899 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.04.010

0 引言

我国油气供给形势严峻，对外依存度逐年升高［1］。然而，我国陆上湖相盆地蕴藏着丰富的页岩油资源，其页岩油地质资源量为204×108 t［2］，是我国油气增储上产的重要战略接替领域［3-4］。页岩中的有机质作为页岩油生成的物质基础，直接影响着烃源岩的生烃潜力，其富集机制的研究对于预测优质烃源岩分布及降低勘探风险至关重要。在我国，湖相盆地贡献了约85%以上的油气储量，是页岩油勘探开发的关键区域［5］。不同于相对稳定的海洋环境，湖泊系统的沉积空间有限，且其沉积环境和水深变化更为频繁复杂，这导致湖相盆地中的有机质含量表现出明显的非均质性。因此，我国页岩油研究不仅需要借鉴国外经验，还应聚焦湖相页岩油的独特性，深入探究湖相有机质富集机制。
有机质的富集是涉及生物、物理、化学变化的复杂地质过程，涵盖了有机质的生成、降解、保存与稀释，受多种因素影响。针对湖相盆地，前人［6-7］将有机质富集主控因素划分为以初级生产力为主导的“生产力模式”和以底水缺氧环境为主导的“保存条件模式”，此外，也有学者强调沉积速率在有机质富集中起到关键作用［8-9］，同时，区域性重大地质事件如火山活动、地震活动、湖底热液活动及浊流沉积等也显著影响着有机质的大规模富集［10］，即有机质的富集并非由单一因素主导，而是多种因素协同作用的结果。
鄂尔多斯盆地作为我国第二大沉积盆地，其油气产量约占我国油气总产量的1/3，其延长组7段（简称长7段）页岩油资源展现出巨大的勘探潜力［3］。长7段的有机质富集情况尤为复杂，TOC值在垂向上变化显著，范围从低于1%至超过25%不等［11］。同时，在长7段沉积期，古沉积环境和古气候经历了剧烈变化，并伴有频繁的火山活动，这些因素共同揭示了其有机质的富集受到多种复杂机制的驱动。因此，长7段不仅作为我国一个重要的页岩油勘探区域，也是探究湖相盆地有机质富集机制的多样性和复杂性的理想切入点。通过对这一区域的研究，不仅能为鄂尔多斯地区长7段优质烃源岩及甜点区的有效预测提供实际指导，而且可以更好地理解大型陆相生油湖盆中有机质富集与古沉积环境、古气候之间耦合关系。综上，本文研究选取鄂尔多斯盆地长7段沉积中心UA87井30块岩心样品，通过TOC含量、主微量元素分析测试，在重建长7段沉积期古环境的基础上，厘清其有机质富集的主控因素，阐明有机质富集与古环境演化的耦合关系，最终建立长7段有机质富集模式。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地经历了6个复杂的构造—沉积演化阶段，中生代广泛发育河流、三角洲及湖泊沉积［12］。中晚三叠世，鄂尔多斯盆地位于特提斯洋北缘内陆，华北区块的西南边缘［12-13］，印支运动扬子板块与华北板块碰撞、秦岭造山带的形成促使鄂尔多斯盆地转变为内陆凹陷湖盆，发育延长组［14］。延长组自下而上划分为长10段—长1段共10个油层组，其中长8段和长7段沉积—构造格局发生重大变化，长7段底部凝灰岩作为长8段和长7段分界线［15］，长8段和长7段的地层界限还被认定为卡尼阶底界［16］，长8段沉积于干旱环境的拉丁期而长7段沉积于温暖潮湿环境的卡尼期。长7期湖盆的扩张使其整体处于欠补偿状态，且古特提斯洋残留湿润气候或卡尼期梅雨事件带来的降雨及河流汇入可能促使湖泊进入鼎盛阶段［13］。长7段发育一套深湖—半深湖沉积，主要为因缺氧事件形成的暗色富有机质泥页岩与浊流事件形成的深水重力流砂体，以及火山事件形成的凝灰质岩层［10］。长7段由下至上划分为长73、长72、长71共3个亚段，长73亚段沉积期为最大湖泛期，湖盆面积超过10×104 km2，半深湖—深湖覆盖面积可达6.5×104 km2［17］，深水区水深可达150 m［18］。

2 样品及方法

2.1　样品

本文研究选取了位于鄂尔多斯盆地陇东地区湖泊沉积中心的UA87井（井位如图1所示），采集了长7段30块不受重力流影响的、具有块状及水平层理的暗色泥页岩（部分为凝灰质泥页岩）岩心样品（图2），取样深度为1 919.70~2 037.78 m，样品信息如表1所示。本文研究针对UA87井不同深度的30块样品进行总有机碳含量（TOC）、主微量元素测试分析。样品的分析测试均在中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心进行。
图1 鄂尔多斯盆地地质背景

Fig.1 Geological background of Ordos Basin

图2 UA87井长7段岩心照片

（a）块状泥岩，UA87井，长71亚段，1 929.90 m；（b）块状泥岩，UA87井，长71亚段，1 955.53 m；（c）凝灰质泥岩，UA87井，长72亚段，1 962.68 m；（d）块状泥岩，UA87井，长72亚段，1 996.40 m；（e）页岩，UA87井，长73亚段，2 005.10 m；（f）页岩，UA87井，长73亚段，2 011.80 m

Fig.2 Core photos of the Chang 7 Member in Well UA87

表1 UA87井样品信息

Table 1 Samples information for Well UA87

样品编号 层位 深度/m 岩性
UA87-01 长71亚段 1 919.90 泥岩
UA87-02 长71亚段 1 923.43 泥岩
UA87-03 长71亚段 1 929.90 泥岩
UA87-04 长71亚段 1 935.23 泥岩
UA87-05 长71亚段 1 940.57 泥岩
UA87-06 长71亚段 1 950.20 泥岩
UA87-07 长71亚段 1 953.53 泥岩
UA87-08 长72亚段 1 955.65 泥岩
UA87-09 长72亚段 1 960.13 泥岩
UA87-10 长72亚段 1 962.68 凝灰质泥岩
UA87-11 长72亚段 1 968.90 页岩
UA87-12 长72亚段 1 970.10 泥岩
UA87-13 长72亚段 1 980.21 泥岩
UA87-14 长72亚段 1 992.88 页岩
UA87-15 长72亚段 1 996.40 泥岩
UA87-16 长72亚段 1 999.70 凝灰质页岩
UA87-17 长72亚段 2 002.30 凝灰质页岩
UA87-18 长73亚段 2 003.38 页岩
UA87-19 长73亚段 2 004.90 凝灰质页岩
UA87-20 长73亚段 2 005.10 页岩
UA87-21 长73亚段 2 005.83 凝灰质页岩
UA87-22 长73亚段 2 008.40 页岩
UA87-23 长73亚段 2 009.18 页岩
UA87-24 长73亚段 2 010.00 页岩
UA87-25 长73亚段 2 011.00 页岩
UA87-26 长73亚段 2 011.80 页岩
UA87-27 长73亚段 2 014.38 页岩
UA87-28 长73亚段 2 015.78 页岩
UA87-29 长73亚段 2 028.68 页岩
UA87-30 长73亚段 2 033.68 凝灰质页岩

2.2　方法

TOC含量测定采用CS-902C碳硫分析仪，依照国家标准《沉积岩中总有机碳的测定》（GB/T 19145—2003）执行，样品前处理步骤为：首先采用碳化钨研磨机将样品破碎至200目，并将200 mg岩石粉末置于过量10%稀HCl中加热24 h充分去除样品中的碳酸盐，再用去离子水洗涤样品粉末至中性，待样品粉末晾干后置于55 ℃烘箱中干燥12 h，最后将样品上机测试。
主量元素测定采用PANalytical Axios X射线荧光光谱仪（XRF），测试前使烘干（105 ℃）的样品粉末在30 吨的压力下压制样品片，依照国家标准《硅酸盐岩石化学分析方法》（GB/T 14506.28—2010）进行，误差小于1%。电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS，仪器型号：Nu Attom）被用来测定微量元素及稀土元素，分析精度优于5%。试验方法参考国家标准《硅酸盐岩化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》（GB/T14506.30—2010）。

3 结果

3.1　 TOC含量

本文研究分析测试了鄂尔多斯盆地陇东地区UA87井30件长7段泥页岩样品的TOC含量（图3），含量为0.55%~21.03%，平均值为5.82%。其中长71亚段TOC含量分布范围为0.55%~7.55%，平均值为2.50%，具备形成页岩油气有利远景区所需的最低TOC含量要求；长72亚段TOC含量分布范围为0.72%~8.76%，平均值为3.03%，长73亚段TOC含量分布范围为3.83%~21.13%，平均值为9.76%，属异常高有机质富集段。
图3 陇东地区长7段TOC含量分布

Fig.3 TOC content distribution of the Chang 7 Member in Longdong area

3.2　元素地球化学特征

本文研究主量元素含量如表2所示。暗色泥页岩中主量元素含量依次为SiO2、Al2O3、TFe2O3。其中SiO2含量介于30.74%~80.44%之间（平均值为56.28%），长71至长73亚段中SiO2平均值依次为55.83%、59.39%、54.12%。Al2O3含量介于9.37%~17.56%之间（平均值为16.05%），长71至长73亚段中Al2O3平均值依次为17.08%、17.34%、16.05%。TFe2O3含量介于1.02%~14.48%之间（平均值为6.55%），长71至长73亚段中TFe2O3平均值依次为5.72%、5.54%、7.76%。3种氧化物含量总和介于57.59%~94.01%之间，而长7段CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2平均含量依次为1.84%、1.38%、3.30%、0.66%、5.87%。
表2 陇东地区长7段主量元素含量数据

Table 2 Data table of major elements content of the Chang 7 Member in Longdong area

样品编号 其他/% SiO2/% Al2O3/% TFe2O3/% CaO/% MgO/% K2O/% Na2O/% TiO2/%
UA87-01 10.75 57.43 17.56 5.46 1.99 1.33 3.70 0.61 0.78
UA87-02 9.52 59.36 16.99 5.17 2.41 1.45 3.58 0.69 0.71
UA87-03 9.52 61.20 15.57 4.77 2.91 1.39 3.12 0.55 0.64
UA87-04 14.05 45.29 16.79 5.17 8.06 5.66 3.34 0.56 1.12
UA87-05 8.72 54.33 19.38 5.20 3.23 3.62 4.10 0.52 0.87
UA87-06 7.81 56.89 16.80 6.40 3.29 3.81 3.52 0.58 0.77
UA87-07 11.16 56.31 16.47 7.90 0.59 0.88 3.29 0.68 0.54
UA87-08 5.90 62.39 18.85 5.58 0.82 0.94 2.47 0.72 0.42
UA87-09 6.94 58.35 18.85 5.59 2.01 3.20 3.61 0.56 0.79
UA87-10 9.30 58.67 17.92 6.32 0.96 1.18 3.51 0.62 0.68
UA87-11 12.26 55.29 16.35 7.84 0.88 1.01 2.95 0.84 0.54
UA87-12 11.73 55.37 15.60 7.69 1.85 1.18 3.38 0.68 0.59
UA87-13 12.09 51.13 20.21 4.91 2.67 2.63 4.61 0.72 0.95
UA87-14 9.73 59.30 16.63 4.85 2.71 1.36 3.91 0.53 0.70
UA87-15 9.27 57.51 19.40 5.06 1.54 1.29 4.26 0.71 0.87
UA87-16 1.01 80.44 12.55 1.02 0.62 0.42 3.02 0.55 0.16
UA87-17 11.60 55.44 17.00 6.55 2.07 1.23 3.86 0.64 0.70
UA87-18 13.00 52.28 15.49 9.40 0.85 0.86 3.26 0.87 0.50
UA87-19 11.31 55.23 16.44 7.55 0.93 0.89 3.92 0.80 0.54
UA87-20 15.12 49.30 14.58 9.97 1.26 0.60 3.18 0.76 0.46
UA87-21 13.49 56.10 14.54 6.12 1.37 0.70 4.11 0.73 0.52
UA87-22 13.43 55.22 15.68 6.44 0.48 0.63 4.46 0.57 0.54
UA87-23 2.68 70.60 18.61 2.53 0.81 0.67 2.46 0.62 0.26
UA87-24 16.00 51.29 14.18 8.84 0.82 0.73 2.96 0.60 0.49
UA87-25 16.73 52.81 12.58 7.13 2.50 0.86 2.93 0.57 0.50
UA87-26 10.90 63.51 11.58 6.80 0.93 0.62 2.08 0.54 0.34
UA87-27 27.05 33.74 9.37 14.48 2.18 0.36 1.61 0.46 0.33
UA87-28 10.75 60.49 16.09 4.96 0.69 0.41 2.87 0.86 0.25
UA87-29 19.47 45.77 12.29 11.75 1.75 0.50 1.63 0.80 0.66
UA87-30 12.30 57.26 17.04 4.94 1.89 0.98 3.18 0.88 0.39
本文研究所使用的微量元素有Sr、Ba、V、Cr、Mo、U、Th、Cu、Zn、Ni，微量元素的含量如表3所示。Sr、Ba、Cu、Zn及氧化还原敏感元素Mo、U变化趋势较为一致，其含量平均值在长71—长73亚段依次升高，其余微量元素含量变化规律各异。
表3 陇东地区长7段微量元素含量数据 (10-6)

Table 3 Data table of trace elements content of the Chang 7 Member in Longdong area

样品编号 Sr Ba V Cr Mo U Th Zn Cu Ni
UA87-01 80.14 475.77 128.62 89.42 6.17 6.76 14.39 77.77 54.45 49.63
UA87-02 156.73 734.48 112.00 82.94 0.96 4.92 24.85 82.33 35.65 30.87
UA87-03 146.10 526.85 74.81 53.76 2.35 5.79 26.34 56.42 27.11 23.87
UA87-04 156.78 572.35 121.34 84.29 0.76 4.98 23.96 62.67 44.01 33.46
UA87-05 104.19 508.68 145.32 89.64 1.64 5.54 22.58 90.80 47.86 41.64
UA87-06 105.99 401.61 113.08 77.63 1.96 4.08 18.54 85.59 40.33 34.34
UA87-07 76.19 465.66 157.83 75.69 62.98 14.15 5.11 86.29 148.57 43.90
UA87-08 264.62 704.25 55.82 23.40 19.49 19.82 25.06 80.40 47.26 15.78
UA87-09 74.60 272.73 130.92 89.08 1.13 4.21 9.04 83.14 41.80 39.14
UA87-10 142.16 639.83 122.78 75.21 10.02 9.87 20.49 98.88 46.24 35.25
UA87-11 85.37 499.21 174.77 61.53 97.47 35.94 4.92 109.61 154.57 45.75
UA87-12 156.34 685.26 121.12 75.01 34.39 21.17 25.08 104.98 71.73 43.13
UA87-13 191.39 854.89 122.89 84.43 1.81 6.34 25.43 97.76 46.66 49.16
UA87-14 123.84 526.68 104.73 64.76 4.99 7.85 23.79 84.06 42.66 31.87
UA87-15 163.98 815.66 134.72 128.99 1.65 6.51 27.84 93.77 47.50 93.53
UA87-16 72.03 813.32 10.15 6.13 0.95 5.51 8.94 47.12 6.08 2.74
UA87-17 114.54 379.46 109.14 66.76 6.27 7.11 14.12 89.00 39.97 29.75
UA87-18 162.79 515.58 159.78 63.26 72.28 58.10 21.24 98.98 119.47 46.76
UA87-19 183.29 557.25 144.75 65.28 42.71 24.42 24.11 97.44 104.13 45.80
UA87-20 260.54 503.81 137.96 51.42 50.24 39.43 18.59 92.63 83.92 32.29
UA87-21 275.06 369.75 208.44 46.43 110.77 74.17 19.53 103.51 117.46 39.54
UA87-22 169.15 571.92 164.49 53.99 58.86 58.34 20.17 94.80 78.71 36.32
UA87-23 118.70 472.64 35.27 8.68 9.72 6.30 8.90 39.94 16.83 6.53
UA87-24 208.64 566.44 152.52 59.77 70.81 74.02 21.43 106.49 92.92 44.50
UA87-25 545.35 536.67 128.62 47.87 52.11 54.88 18.69 90.33 77.87 33.07
UA87-26 196.48 547.12 86.82 29.10 36.66 34.14 14.58 61.09 60.34 25.26
UA87-27 537.63 737.73 261.05 30.22 193.45 144.88 11.64 111.10 234.49 44.05
UA87-28 227.03 1 443.86 104.52 18.65 49.96 44.78 19.70 90.63 77.72 20.79
UA87-29 463.11 600.63 198.20 32.00 44.12 85.94 15.11 106.95 200.08 52.48
UA87-30 308.61 695.48 91.41 61.07 8.65 16.34 20.37 83.93 62.79 52.49
常见的古环境判识指标包括古盐度、古氧化还原条件、沉积速率、古生产力及古气候5个方面。Sr/Ba是评价古盐度的可靠指标，古氧化还原条件判别可通过V/Cr、MoEF、UEF及U/Th判别，Ti/Al被用于评价沉积速率大小，Zn/Ti、Cu/Ti、Ni/Ti通常用于恢复古生产力，C值、Sr/Cu、CIA、WIP等被用于恢复古气候特征。陇东地区长7段古环境判识指标数据表如表4所示。
表4 陇东地区长7段元素指标数据

Table 4 Data table of elemental indicators of the Chang 7 Member in Longdong area

样品编号 Sr/Ba V/Cr MoEF UEF U/Th

（Ti/Al）

/10-4

（Zn/Ti）

/10-2

（Cu/Ti）

/10-2

 （Ni/Ti）/10-2 C值 Sr/Cu CIA WIP
UA87-01 0.17 1.44 6.64 2.35 0.47 500.32 1.67 1.17 1.07 0.67 1.47 74.55 45.68
UA87-02 0.21 1.35 1.07 1.77 0.20 474.96 1.93 0.83 0.72 0.60 4.40 73.43 46.92
UA87-03 0.28 1.39 2.85 2.27 0.22 468.72 1.46 0.70 0.62 0.57 5.39 74.98 42.80
UA87-04 0.27 1.44 0.86 1.81 0.21 757.20 0.93 0.65 0.50 0.30 3.56 75.42 69.73
UA87-05 0.20 1.62 1.60 1.74 0.25 509.28 1.74 0.92 0.80 0.44 2.18 75.97 57.76
UA87-06 0.26 1.46 2.21 1.48 0.22 519.48 1.85 0.87 0.74 0.57 2.63 74.65 54.09
UA87-07 0.16 2.09 72.26 5.24 2.77 369.35 2.68 4.62 1.36 1.32 0.51 76.09 38.09
UA87-08 0.38 2.39 19.54 6.41 0.79 254.40 3.17 1.86 0.62 1.02 5.60 80.37 32.26
UA87-09 0.27 1.47 1.13 1.36 0.47 477.47 1.75 0.88 0.82 0.58 1.78 76.65 49.75
UA87-10 0.22 1.63 10.56 3.36 0.48 428.98 2.43 1.14 0.87 0.92 3.07 75.45 41.20
UA87-11 0.17 2.84 112.64 13.40 7.30 376.48 3.36 4.74 1.40 1.27 0.55 75.34 37.75
UA87-12 0.23 1.61 41.67 8.27 0.84 425.63 2.99 2.04 1.23 1.00 2.18 72.60 42.92
UA87-13 0.22 1.46 1.69 1.91 0.25 532.36 1.72 0.82 0.86 0.44 4.10 73.30 59.84
UA87-14 0.24 1.62 5.67 2.88 0.33 479.42 1.99 1.01 0.76 0.53 2.90 73.58 48.75
UA87-15 0.20 1.04 1.61 2.05 0.23 507.65 1.80 0.91 1.79 0.60 3.45 73.61 50.21
UA87-16 0.09 1.65 1.43 2.68 0.62 141.19 5.03 0.65 0.29 0.20 11.85 71.24 33.40
UA87-17 0.30 1.63 6.97 2.55 0.50 464.54 2.13 0.96 0.71 0.78 2.87 73.03 47.35
UA87-18 0.32 2.53 88.15 22.86 2.74 363.66 3.32 4.01 1.57 1.46 1.36 72.32 40.22
UA87-19 0.33 2.22 49.10 9.05 1.01 375.39 2.98 3.19 1.40 1.04 1.76 70.82 45.48
UA87-20 0.74 4.49 143.52 31.00 3.80 354.39 3.78 4.29 1.45 1.56 2.34 74.56 38.82
UA87-21 0.52 2.68 65.30 16.53 2.12 401.41 3.00 2.72 1.05 0.80 3.10 67.96 47.03
UA87-22 0.30 3.05 70.93 22.68 2.89 389.85 2.93 2.43 1.12 0.93 2.15 72.08 46.03
UA87-23 0.25 4.06 9.87 2.06 0.71 155.90 2.60 1.10 0.43 0.51 7.05 79.86 30.48
UA87-24 0.37 2.55 94.37 31.82 3.45 394.77 3.59 3.14 1.50 1.56 2.25 74.67 34.69
UA87-25 1.02 2.69 78.25 26.58 2.94 450.59 3.01 2.60 1.10 0.97 7.00 71.43 38.84
UA87-26 0.36 2.98 59.80 17.97 2.34 333.20 2.99 2.95 1.24 1.50 3.26 74.17 26.73
UA87-27 0.73 8.64 390.06 94.24 12.45 400.58 5.59 11.80 2.22 2.85 2.29 77.76 24.52
UA87-28 0.16 5.60 58.69 16.97 2.27 174.96 6.08 5.22 1.40 0.89 2.92 76.14 35.21
UA87-29 0.77 6.19 67.82 42.62 5.69 363.94 4.52 8.45 2.22 2.30 2.31 75.01 27.01
UA87-30 0.44 1.50 9.59 5.84 0.80 438.38 2.12 1.59 1.33 0.66 4.91 72.91 42.61

注： M o E F = ( M o / A l ) 样品 / ( M o / A l ) P A A S; U E F = ( U / A l ) 样品 / ( U / A l ) P A A S

C I A = m o l a r [ A l 2 O 3 / ( A l 2 O 3 + N a 2 O + K 2 O + C a O * ) ] , 其中 C a O * = m i n ( C a O – 10 / 3 × P 2 O 5 , N a 2 O )

W I P = m o l a r [ ( 2   N a 2 O / 0.35 ) + ( M g O / 0.9 ) + ( 2   K 2 O / 0.25 ) + ( C a O / 0.7 ) ]
C 值 = ∑ ( F e + M n + C r + N i + V + C o ) / ∑ ( C a + M g + S r + B a + K + N a )

4 讨论

4.1　沉积环境演化

4.1.1　古盐度

水体盐度既决定生物物种的类型及丰度，同时也是湖水水体分层的重要影响因素。Sr、Ba化学性质相似，其溶解度在不同沉积环境中存在差异。随着矿化度（即盐度）的增加，以重碳酸盐形式呈游离态的Sr、Ba离子地球化学行为产生分异［19-20］，迁移能力更弱的Ba更易从水体析出形成BaSO4沉淀，当盐度持续增加，SrSO4逐渐沉淀。故Sr/Ba与水体盐度紧密相关，可作为判断古盐度的重要指标。前人［21-23］研究表明，Sr/Ba1指示咸水沉积，0.6Sr/Ba1指示半咸水沉积，Sr/Ba0.6指示淡水沉积。研究区长7段泥页岩的Sr/Ba值介于0.09~1.02之间，平均值为0.34，图4（a）显示长7段整体为淡水环境，部分样品Sr/Ba值超过0.6达到1.02，局部表现为半咸水—咸水的性质。通过比较长7各亚段Sr/Ba值研究古盐度纵向变化规律［图4（a）］可以发现，长71亚段Sr/Ba值分布范围在0.16~0.28之间，平均值为0.22，属于淡水沉积；长72亚段与长71亚段基本保持一致；而长73亚段Sr/Ba值在0.25~1.02之间，平均值为0.48，4件样品Sr/Ba 0.6，属于半咸水环境。整体来看，长73至长71亚段盐度逐渐减小，长72至长71亚段盐度相对稳定。
图4 陇东地区长7段沉积环境演化特征

注：依据演化特征可分为4个阶段，Ⅰ、Ⅲ阶段标记为紫色区域，是异常高有机质富集段

Fig.4 Evolution characteristics of sedimentary environment of the Chang 7 Member in Longdong area

4.1.2　古氧化还原条件

水体氧化还原环境是有机质保存的关键因素。氧化还原环境常被细分为氧化（oxic，含氧浓度2.0 mL/L）、贫氧（suboxic，含氧浓度为0.2~2.0 mL/L）、缺氧（anoxic，含氧浓度为0~0.2 mL/L）、硫化（euinxic，含氧浓度为0 mL/L）4个状态［24］。微量元素的赋存状态受水体氧化还原环境调控，尤其是氧化还原敏感元素，如Mo、U、V、Cr等［25-27］。其中，V/Cr可作为底水氧化还原程度的有效判识指标［27-28］。V/Cr2指示氧化环境，2V/Cr4.25指示缺氧环境，V/Cr4.25指示硫化环境［29］。研究区长73、长72、长71亚段V/Cr值依次介于1.50~8.64（平均值为3.78）、1.04~2.84（平均值为1.73）、1.35~2.08（平均值为1.54）之间［图4（b）］，指示长73亚段缺氧程度最高。在氧化条件下，Mo以稳定的钼酸盐（MnO4 2-）形式存在于水体中并随铁锰的氧化物及氢氧化物共同迁移，在HS-参与下，钼酸盐（MnO4 2-）转变为硫代钼酸盐（ M o O n S 4 - n 2 -），与铁的化合物及有机质共同沉积［28，30］。U在氧化水体中以UO2（CO3）3 4-存在，还原条件下还原为UO2、U3O7、U3O8，U4+易被有机质吸附并随之沉淀［28，31］。因此可通过Mo、U丰度来判断底水氧化还原状态，为降低陆源输入的影响，通常采用元素富集系数MoEF、UEF来指示Mo、U的富集程度，MoEF、UEF10说明Mo、U处于富集状态，指示缺氧—硫化环境［24］。如图4（c）所示，钼富集系数（MoEF）纵向曲线指示长73亚段整体处于缺氧—硫化环境，长72亚段处于氧化—贫氧环境，长72亚段顶部及长71亚段底部处于缺氧—硫化环境，长71亚段处于氧化—贫氧环境。铀富集系数（UEF）纵向曲线指示长73亚段整体处于缺氧—硫化环境，向上过渡为缺氧程度减弱［图4（d）］。贫氧环境下，U优先富集，而在硫化环境，U被还原成易溶性离子迁移至水体中，利于Mo的富集。于是可用MoEF—UEF协变模式判别氧化还原状态［25］。MoEF—UEF的协变关系图指示了长73、长72、长71亚段总体分别处于硫化、缺氧、贫氧环境，长73至长71亚段缺氧程度递减（图5）。Th常赋存于黏土颗粒中，其化学性质较为稳定，氧化还原状态变化对Th的影响也相对有限，相反，U对于氧化还原条件较为敏感，故U/Th常被用于判断底水氧化还原状态［28，32］。通常，U/Th0.75、0.75U/Th 1.25、U/Th 1.25分别指示贫氧、缺氧、硫化环境［32］。研究区长73亚段U/Th值介于0.71~12.45之间（平均值为3.32）指示硫化环境，长72亚段介于0.23~7.30之间（平均值为1.18）指示缺氧环境，长71亚段介于0.20~2.77之间（平均值为0.62）指示贫氧环境。如图4（e）所示，U/Th值在长73、长72亚段顶部及长71亚段底部缺氧程度较高，指示硫化环境。综上所述，在UA87井纵向沉积序列中，MoEF、UEF、V/Cr及U/Th的变化趋势相似，相互验证地指示了研究区沉积序列中长73亚段缺氧程度呈现波动变化，整体缺氧程度较高，处于缺氧—硫化环境，长72亚段沉积期缺氧程度减弱，整体较富氧，处于氧化—贫氧环境，过渡至长72亚段顶部和长71底部缺氧程度增加，处于硫化环境，随后的沉积中长71亚段逐渐过渡为氧化—贫氧环境［图4（b）—图4（e）］。
图5 陇东地区长7段古氧化还原条件判识（MoEF—UEF交会）

Fig.5 Diagram for determination of paleo-redox environments of the Chang 7 Member in Longdong area （Cross-plot of MoEF vs. UEF）

4.1.3　沉积速率

沉积物中的Ti、Al通常与陆源碎屑输入有关，虽然Ti与Al皆可存在于黏土矿物中，但Ti亦见于较大粒径的重矿物之中［33］。一般而言，沉积速率的增加会伴随着更大尺寸碎屑矿物的供给增强。因此，随着沉积速率的提升，Ti/Al值也随之增大［34］。研究区沉积序列中，长73亚段Ti/Al值呈波动变化，长72亚段，长71亚段Ti/Al值均高于长73亚段，指示了长73亚段陆源输入最少，沉积速率最低，长72亚段、长71亚段沉积速率整体较高，长72亚段顶部和长71亚段底部沉积速率较低［图4（f）］。整体来看，长73亚段沉积速率较低，向长72亚段过渡沉积速率增快，在随后的沉积中长72亚段顶部和长71底部沉积速率减缓，至长71亚段上部沉积速率回升。

4.1.4　古生产力

古生产力是指生物在能量循环过程中固定能量的速率，即地质历史时期单位面积、单位时间内所产生的有机质总量。Zn、Cu、Ni作为浮游生物所必需的营养元素，参与了浮游生物的光合作用、呼吸作用、催化作用［30，34-35］。一般采用Zn/Ti、Cu/Ti、Ni/Ti值既可以消除陆源输入影响，也可以更准确地恢复水体初级生产力。
纵向上，研究区长7段Zn/Ti、Cu/Ti、Ni/Ti值纵向变化规律相似，呈现两次明显的波动升高，分别为长72与长71亚段的过渡位置和长73亚段，尤其是长73亚段各古生产力参数比值明显升高［图4（g）—图4（i），标记为紫色区域］。在研究区长7段古生产力演化中，长73亚段沉积期整体维持高生产力水平，长72亚段沉积期生产力水平降低，长72亚段顶部及长71亚段底部沉积期古生产力短暂恢复较高水平，随后长71中上段沉积期古生产力普遍较低。

4.1.5　古气候

不同沉积环境元素的迁移能力与富集能力存在差异［36］。Fe、Mn、Cr、V、Co、Ni和Cu等元素于潮湿气候中易于富集，属喜湿性微量元素；而喜干性微量元素，如Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等在相对的干旱环境中明显有利于富集［36-37］。前人提出古气候指数C值可作为重建古气候变化的重要指标，C值对湿度变化敏感，当其0.2，0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8、0.8分别指示干旱、半干旱、半湿润—半干旱、半湿润、湿润的气候特征［38］。研究区古气候指标C值介于0.20~2.84之间，平均值为0.96，整体为湿润环境，长73、长72、长71亚段C值平均值分别为1.31、0.74、0.64，指示了相较于长71与长72亚段，长73亚段明显更为温暖湿润［图4（j）］。同理，Sr/Cu被广泛运用于古气候判别，Sr/Cu值在判别气候特征的阈值标准为：1.3~5指示温暖潮湿气候特征，5~10指示半潮湿半干旱气候特征，10指示干旱气候特征［30，37］。长7段Sr/Cu值分布范围在0.51~11.85之间，整体具有温暖潮湿的古气候特征［图4（k）］。主量元素氧化物常被用来表征化学风化作用的强度进而反映气候特征，通常，湿润的气候条件伴随着较高强度的化学风化。如化学蚀变指数（CIA）［39］、帕克风化指数（WIP）。Al2O3主要来源于风化产物陆源碎屑的输入，而干旱条件下，CaO、K2O、Na2O含量增高。因此CIA高值指示强风化作用，WIP与CIA相反［40］。将CIA指标细分，50~60、60~80、80~100分别指示了微弱化学风化作用、中等化学风化作用和强风化作用［40-45］。长7段CIA值介于60.97~80.37之间，代表了温暖湿润气候条件下的中等强度风化作用［图4（l）］。纵向上，WIP曲线与CIA曲线总体呈镜像变化趋势［图4（m）］，指示长73亚段、长72亚段顶部及长71亚段底部化学风化作用强度整体较强，湿润程度较强，与古气候条件相对应。长73亚段古气候特征整体温暖湿润，向长72亚段过渡气候趋于半干旱—干旱，长72亚段顶部及长71亚段底部沉积期气候特征恢复温暖湿润，随后过渡为半湿润至半湿润—半干旱气候。

4.2　有机质富集机制

4.2.1　有机质富集主控因素

目前，更多观点认为有机质的富集是表层水初级生产力、有机质保存条件（氧化还原条件）及沉积速率3个因素综合作用的结果［6-9］。通常而言，在较高的初级生产力、较低的降解速率以及适宜的陆源碎屑沉积速率条件下更有利于有机质的富集。气候变化与盐度变化则可能通过调控这些基本控制因素，间接影响有机质的富集。
氧化还原条件是影响有机质富集的关键因素，当水体为氧化环境时有机质被大量降解，相反，缺氧—硫化环境有利于有机质的保存［26］。长7段沉积期，表征古氧化还原条件的指标V/Cr、MoEF、UEF及U/Th与TOC含量存在明显的相协同变化，位于长73亚段、长72亚段顶部及长71亚段底部的高生产力层段，V/Cr、MoEF、UEF及U/Th显示高值，处于缺氧—硫化环境［图4（b）—图4（e）中标记为紫色区域］。表明缺氧—硫化环境对于研究区长7段有机质的富集具有明显的促进作用。选取V/Cr、MoEF、UEF及U/Th水体氧化还原指标与TOC进行线性拟合，结果显示TOC与4个指标皆具有显著正相关性［n=30，p（α）0.01，r=0.64；n=30，p（α）0.01，r=0.80；n=30，p（α）0.01，r=0.77；n=30，p（α）0.01，r=0.75］，进一步揭示有机质富集与底水缺氧—硫化环境密切相关。
沉积速率对有机质富集的影响呈现出复杂的非线性关系。在低于稀释阈值的沉积速率下，较高的沉积速率有助于将更多有机质输送至沉积物中。然而，大量陆源碎屑输入会稀释沉积物中的有机质含量，从而抑制有机质的富集［9］。为探讨沉积速率及陆源输入对有机质富集的影响，用TOC与沉积速率指标Ti/Al值做交会图，图6表明TOC含量与沉积速率不具备显著的负相关性关系［n=30，p（α）0.05，r=-0.23］，指示了沉积速率对于研究区有机质富集影响不大。
图6 陇东地区长7段有机质富集控制因素相关性分析

Fig.6 Diagram analyzing the correlation of organic matter enrichment control factors of the Chang 7 Member in Longdong area

温暖潮湿的古气候增强了风化强度和陆源输入，将更多营养元素带入湖泊，显著提升了初级生产力，促进了藻类的繁盛。如图7所示，一方面，古生产力指标Cu/Ti、Ni/Ti与C值呈显著正相关［n=30，p（α）0.01，r=0.92；n=30，p（α）0.01，r=0.82］；另一方面降雨及地表径流的增加迫使湖平面上升，底水缺氧程度增加有利于有机质的保存，古气候指标C值与古氧化还原条件指标UEF、U/Th具有显著的正相关性［n=30，p（α）0.01，r=0.87；n=30，p（α）0.01，r=0.89］（图7）。因此，温暖潮湿的古气候通过提高了古生产力及降低了底水的缺氧程度，间接影响了有机质的富集。
图7 陇东地区长7段有机质富集影响因素相关性分析

Fig.7 Diagram analyzing the correlation of organic matter enrichment influencing factors of the Chang 7 Member in Longdong area

同时盐度也参与了有机质富集过程。长7段淡水—半咸水的环境适合诸多广盐性藻类生长繁殖，前人［45］已从长7段中发现丰富的藻类化石，如蓝藻类、绿藻类，藻类的勃发促进了初级生产力的提高进而有利于有机质的富集［42］；水体盐度往往与底水缺氧程度存在明显的协同变化趋势，古氧化还原条件指标V/Cr、UEF与古盐度指标Sr/Ba交会图结果表明，古盐度与古氧化还原条件指标V/Cr、UEF相关性良好［n=30，p（α）0.01，r=0.52；n=30，p（α）0.01，r=0.67］（图7），古盐度的增加导致水体咸化，促使水体分层显著增强，有利于底水缺氧—硫化环境的形成。
综上所述，研究区有机质富集的主控因素是表层水的高初级生产力、缺氧—硫化环境及较低的沉积速率，同时盐度与气候条件也参与到有机质富集进程之中，初级生产力及水体还原条件均受盐度与气候所调控。适宜的盐度为藻类繁盛提供了基础，温暖潮湿的古气候携带的营养元素也大大提高了初级生产力水平。长73亚段沉积期水体盐度较高，处于半咸水环境，使水体分层明显，底水缺氧程度高于长71、长72亚段沉积期，同时长73亚段沉积期更为温暖湿润的古气候也使其底水更为还原，促使了长73亚段有机质的异常富集。因此，长7段有机质富集是受古气候及古盐度调控下表层水初级生产力、底水的缺氧—硫化环境、较低的沉积速率共同作用的结果。

4.2.2　有机质富集模式

综合上述各元素指标，研究区长7段纵向沉积序列在古盐度、古氧化还原条件及古气候等方面表现出显著变化。结合上述关于有机质富集的控制因素及驱动机制，本文研究将长7段将机质富集模式划分为I—IV共4个阶段，沉积模式如图8所示。
图8 陇东地区长7段有机质富集模式

Fig.8 Patterns of organic matter accumulation of the Chang 7 Member in Longdong area

阶段I：长73亚段发育异常高有机质泥页岩。沉积期内，研究区气候温暖潮湿，大量淡水通过降雨和地表径流注入湖泊，促使湖泊面积扩张，湖平面抬升，促进水体分层，为底水缺氧—硫化环境创造了条件。温暖潮湿气候条件下的中等化学风化作用，促使丰富的营养元素以溶解态形式通过地表径流输入湖泊，大幅提高了初级生产力。同时长73亚段盐度范围广，淡水—半咸水水体环境为诸多广盐性藻类生长繁殖提供了有利条件，水体的咸化驱使水体分层显著，底水缺氧程度增加。丰富的初级生产力促进了水生生物的繁盛和有机质的激增，伴随着水生生物的死亡，激增的有机质降解过程中需要消耗水体大量氧气，缺氧程度进一步增加，有利于有机质的保存。
阶段II：过渡至长72亚段，沉积期内气候湿润程度减少，化学风化强度降低，营养元素汇入减少，湖泊面积缩小，湖平面降低，水体分层减弱，底水从硫化—缺氧环境向贫氧—氧化环境转变。盐度减弱，藻类种类减少，咸化分层减弱，氧化程度增加，有机质降解充分，有机质保存条件变差，有机质被大量氧化分解，TOC含量也随之降低。
阶段III：阶段III与阶段I类似，至长72亚段顶部及长71亚段底部，沉积期内恢复温暖湿润的气候条件，丰富的营养物质有利于藻类的繁盛，同时，更为缺氧的底水环境有利于有机质的保存。
阶段IV：阶段IV与阶段II类似，在长71亚段中部和顶部，TOC含量降低，沉积期内气候干旱程度增加，初级生产力水平降低，底水转变为氧化—贫氧环境，不利于有机质富集。

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地陇东地区长7段纵向沉积环境演化序列中，古盐度（Sr/Ba）指示长73—长71亚段由淡水—半咸水环境逐渐过渡为淡水环境；古氧化还原条件指标（MoEF、UEF、V/Cr、U/Th）指示长73至长71亚段缺氧—硫化环境向上过渡为贫氧—氧化环境的2个旋回；古气候指标（C值、Sr/Cu、CIA、WIP）指示长73亚段温暖湿润的气候特征向上过渡为半干旱—半湿润气候，并在长72亚段顶部与长71亚段底部短暂恢复温暖湿润。
（2）研究区长7段沉积速率（Ti/Al）呈波动变化，其中长73亚段整体较慢，长73亚段、长72亚段顶部与长71亚段底部具有丰富的古生产力（Zn/Ti、Cu/Ti、Ni/Ti），古盐度（Sr/Ba）与古氧化还原条件（U/Th、UEF）呈现显著正相关，长7段C值与古生产力（Zn/Ti、Cu/Ti、Ni/Ti）及古氧化还原条件（MoEF、UEF、V/Cr、U/Th）呈显著正相关，而其与沉积速率指标（Ti/Al）相关性较弱，长7段有机质富集主要受古气候、古盐度、底水氧化还原条件和初级生产力共同控制。
（3）陇东地区长7段TOC含量为0.55%~21.03%，异常高TOC值主要发育在长73亚段以及长72亚段顶部与长71亚段底部，长73亚段至长71亚段总体呈降低趋势。研究区长7段TOC含量变化与沉积环境演化可划分为4个阶段，其中较高盐度、缺氧—硫化环境、高初级生产力和温暖湿润的古气候是Ⅰ、Ⅲ阶段有机质大规模富集的主要控制因素。

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