天然气地球科学, 2022, 33(6): 1001-1012 doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.009

天然气地球化学

鄂尔多斯盆地东部本溪组一段泥页岩元素地球化学特征

以山西临县招贤剖面和M115井为例

崔晨光,1, 张辉2, 刘文香2, 李仕芳3, 刘燕2, 宋换新,1, 吴陈君1, 文志刚1

1.长江大学资源与环境学院，油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100

2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018

3.中国石油长庆油田分公司第十采油厂，甘肃 庆阳 745100

Element geochemical characteristics of shale in the First Member of Benxi Formation in eastern Ordos Basin： Take Zhaoxian section and Well M115 in Linxian County， Shanxi as examples

CUI Chenguang,1, ZHANG Hui2, LIU Wenxiang2, LI Shifang3, LIU Yan2, SONG Huanxin,1, WU Chenjun1, WEN Zhigang1

1.Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology of Ministry of Education，College of Resources and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China

2.China Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi 'an 710018，China

3.No. 10 Oil Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company，Qingyang 745100，China

通讯作者: 宋换新（1980-），男，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事油气地球化学、油气成藏与分布研究.E-mail：shx@yangtzeu.edu.cn.

收稿日期: 2021-09-14   修回日期: 2021-12-11   网络出版日期: 2022-01-05

基金资助: 中国石油长庆油田分公司科研项目“鄂尔多斯盆地中东部本溪组泥页岩地质特征及有利目标评价”.  技2020-151

Received: 2021-09-14   Revised: 2021-12-11   Online: 2022-01-05

作者简介 About authors

崔晨光（1996-），男，山东淄博人，硕士研究生，主要从事地球化学研究.E-mail：987750549@qq.com. , E-mail：987750549@qq.com

摘要

石炭系本溪组页岩是鄂尔多斯盆地中东部上古生界页岩气勘探的重要目标层段。在对其代表性野外剖面、钻井岩心系统观测及采样分析的基础上，利用主量、微量元素分析资料，结合全岩矿物组成、有机碳含量、有机显微组分等测试资料，对鄂尔多斯盆地东部本溪组一段（本1段）海陆过渡相泥页岩沉积期古气候、水体环境及与其富有机质泥页岩发育关系进行研究。结果表明：研究区本1段泥页岩主要为黏土质页岩和硅质页岩，矿物组成中石英和黏土矿物占绝对优势；CIA、Sr/Cu、C值参数表明本1段沉积期主要表现为炎热潮湿古气候特征；Sr含量、Sr/Ba、Ba/Ga等参数指示本1段上亚段和下亚段沉积水体盐度分别为咸水、咸水—半咸水，表明该段沉积晚期水体盐度相对较高；V/（V+Ni）、Ceanom、Th/U等参数表明本1段沉积期水体以缺氧—贫氧环境为主。炎热潮湿的古气候、偏咸化和缺氧—贫氧的沉积水体环境等较好的有机质保存条件，是本1段，特别是其上亚段富有机质泥页岩发育的有利因素。优质页岩发育为研究区页岩气勘探提供了良好的基础。

关键词： 元素地球化学 ; 富有机质页岩 ; 本溪组 ; 沉积环境 ; 古气候 ; 鄂尔多斯盆地

Abstract

The Carboniferous Benxi Formation shale is an important target interval for shale gas exploration in the Upper Paleozoic in the central and eastern Ordos Basin. On the basis of its representative field profile， drilling core system observation and sampling analysis， using the analyticaldata of major and trace elements， combined with the test data of the whole rock mineral composition， organic carbon content， organic microscopic composition， and so on， the palaeoclimate， water environment and the relationship with the development of organic-rich mud shale during the sedimentary period of the First Member of Benxi Formation in the eastern Ordos Basin are studied. The results show that the shale in the First Member of Benxi Formation of the study area is mainly clayey shale and siliceous shale， and quartz and clay minerals are absolutely dominant in the mineral composition； the CIA， Sr/Cu， and C value parameters indicate that the sedimentary period of the first member is mainly hot characteristics of wet paleoclimate； Sr content， Sr/Ba， Ba/Ga and other parameters indicate that the salinity of the sedimentary water in the upper and lower sub-members of the member is saline water， saline water-brass water， respectively，indicating that the water body salt in the late depositional period of this member was at relatively high degree；V/（V+Ni），Ceanom，Th/U and other parameters indicate that the water body in this sedimentary period was dominated by anoxic-poor oxygen environment. The hot and humid paleo-climate， the saline anoxic-poor sedimentary water environment and other good organic matter preservation conditions are favorable factors for the development of organic-rich shale in this section， especially the upper subsection. The development of high-quality shale provides a good foundation for shale gas exploration in the study area.

Keywords： Element geochemistry ; Organic-rich shale ; Benxi Formation ; Sedimentary environment ; Paleoclimate ; Ordos Basin.

PDF (5655KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

崔晨光, 张辉, 刘文香, 李仕芳, 刘燕, 宋换新, 吴陈君, 文志刚. 鄂尔多斯盆地东部本溪组一段泥页岩元素地球化学特征. 天然气地球科学[J], 2022, 33(6): 1001-1012 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.009

CUI Chenguang, ZHANG Hui, LIU Wenxiang, LI Shifang, LIU Yan, SONG Huanxin, WU Chenjun, WEN Zhigang. Element geochemical characteristics of shale in the First Member of Benxi Formation in eastern Ordos Basin： Take Zhaoxian section and Well M115 in Linxian County， Shanxi as examples. Natural Gas Geoscience[J], 2022, 33(6): 1001-1012 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.009

0 引言

近年来，页岩气的勘探、开发成为全球油气行业热点领域之一［1-3］。北美在海相地层中对页岩油气勘探、开发取得了巨大成功，甚至改变了世界能源供给的格局［4-5］。近年来中国在四川盆地及周缘地区早古生代海相地层页岩气勘探同样成效显著，以上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组及下寒武统牛蹄塘组为代表的海相页岩层系中也相继取得突破，表明其具有良好的页岩气资源前景［5-7］。除海相页岩层系外，我国南方扬子地区二叠系和华北地区石炭系—二叠系海陆过渡相含页岩地层同样发育［8］，对其页岩气的研究与勘探也越来越受到重视。

鄂尔多斯盆地上古生界天然气资源丰富，目前已经发现了苏里格、榆林、乌审旗、大牛地等6个大型气田。主力含气层位为下石盒子组（盒3段—盒1段）和山西组（山1段），气藏类型主要为致密砂岩岩性气藏［9］。研究表明［7］，鄂尔多斯盆地上石炭统本溪组页岩有机质丰度和含气量均较高，可能具有良好的页岩气勘探前景。前人对本溪组沉积相［10-12］、地层层序［13-14］、页岩有机地球化学特征［15］、页岩储集特征［15］等方面进行了研究，但目前对本溪组页岩的研究和认识还很薄弱，对其页岩气的勘探也处于探索阶段。在对鄂尔多斯盆地中东部本溪组重点剖面和钻井岩心系统观测的基础上，本文以山西临县招贤剖面及邻近重点取心探井——M115井为例，对本溪组1段（简称本1段，C2b1）页岩进行系统的矿物和元素地球化学研究，揭示其中包含的古气候、古环境意义，及其与富有机质页岩发育的联系，为后期页岩勘探部署及相关研究奠定基础。

1 区域地质概况

临县招贤剖面构造上位于鄂尔多斯盆地东部晋西挠褶带中部，而M115井位于临近的伊陕斜坡东缘［图1（a）］。研究表明，鄂尔多斯盆地自晚石炭世本溪期以来，由于受到盆地中部南北向展布的中央古隆起的分隔，在鄂尔多斯盆地中东部和西部分别发育了沉积特征差异较大的本溪组和羊虎沟组。其中盆地中东部本溪组主体为海陆过渡相沉积，研究普遍认为是浅海泥质陆棚、障壁岛—潮坪—潟湖沉积体系，局部地区沼泽化［12，16］，而盆地偏北部本溪组主要以扇三角洲沉积体系为主［17］。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   研究区位置图及本溪组1段柱状图

（a）研究区位置图（据赵靖舟等［18］修改）； （b）招贤剖面C2b1地层柱状图； （c）M115井C2b1地层柱状图

Fig.1   Location map of the study area and histogram of the First Member of Benxi Formation


由于本溪组是沉积于奥陶系风化壳之上，因此该组具有填平补齐特征［10］。前人以晋祠砂岩为界，将本溪组自下而上划分2段，分别为本2段（C2b2）和本‍1段（C2b1）［17］，其中晋祠砂岩以上的C2b1泥页岩比较发育［图1（b），图1（c）］。C2b1又被其中部的9号煤和西铭砂岩分隔为上下2个亚段，分别为本1段上亚段（C2b1‍上）与本1段下亚段（C2b1‍下）。山西临县招贤剖面C2b1页岩十分发育，具有代表性，中国石油长庆油田研究院称之为“招贤页岩”（图2），也是本文研究的目标剖面。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   临县地区本溪组1段地层及岩性特征

（a）招贤剖面本溪组与太原组界线；（b）招贤剖面C2b1上页岩样品；（c）招贤剖面C2b1上、下亚段界线；（d）招贤剖面C2b1下页岩样品；（e）M115井C2b1上黑色泥岩及植物化石；（f）M115井C2b1下暗色泥岩

Fig.2   Stratigraphic and lithologic characteristics of the First Member of Benxi Formation in Linxian area


2 剖面特征与样品分析

2.1　剖面特征

本文研究对临县招贤地区野外剖面和M115井进行了详细实测。招贤剖面C2b1地层发育完整，地层厚度为38.86 m［图1（b），图2（a）］。其中C2b1上 发育厚层炭质泥页岩［图2（b）］，顶部发育薄层粉砂质泥岩；C2b1下主要发育多层中—厚层黑色泥岩［图2（c），图2（d）］，夹薄层粉砂岩及煤线。而临近的取心井M115井C2b1剖面地层厚度为24.99 m，地层发育特征与招贤剖面有一定的差异。顶部8号煤层厚度较大，相对更发育煤层/煤线。其中C2b1上主要发育厚层炭质泥页岩夹薄层煤线，见大量植物化石［图2（e）］，厚度大；C2b1下主要发育厚层暗色泥岩，地层厚度相对较薄［图2（f）］。

2.2　样品分析

本文研究在临县招贤剖面新鲜采矿露头和新钻探井M115井取心井段采集C2b1泥页岩样品共21件，其中招贤剖面12件，M115井9件，剖面上样品分布见图‍1（b）和图1（c）。对采集到的样品分别进行了总有机碳（TOC）、岩石热解、有机显微组分、岩石矿物X射线衍射、岩石主量和微量元素分析。

TOC分析采用LECO公司CS-230碳硫分析仪，依据标准为《沉积岩中总有机碳的测定》（GB/T 19145—2003）；全岩矿物分析设备为PANalvtical公司XPert3 Power型X射线衍射仪，依据标准为《沉积岩中黏土矿物总量和常见非黏土矿物X射线衍射定量分析方法》（SY/T 6210—1996）；主量元素测试仪器为PANalytical公司Axios PW4400型X射线荧光分析仪，依据标准为《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》（GB/T 14506. 28—2010）；微量元素测试仪器为Perkin Elmer公司ELAN 9000型电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）依据标准为《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》（GB/T 14506.30—2010），所有的分析测试均在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成。

3 结果分析与讨论

3.1　矿物组成与有机质丰度

3.1.1　岩性与矿物组成

根据矿物组成对招贤剖面和M115井C2b1泥页岩进行岩石类型划分［19］，结果表明：C2b1大部分样品为黏土质页岩和硅质页岩，个别为混合质页岩（图3）。招贤剖面C2b1‍上样品以硅质页岩为主；C2b1下样品以黏土质页岩为主。M115井C2b1样品以黏土质页岩为主。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   本溪组1段泥页岩岩相划分方案（底图据李卓等［19］修改）

Fig.3   Divisioning scheme of shale lithofacies in the First Member of Benxi Formation（the base map is modified according to LI，et al.［19］）


全岩矿物分析表明，招贤剖面和M115井本溪组C2b1泥页岩样品中矿物组成以石英和黏土矿物为主，两者含量分别为95.80%、92.40%，部分样品含少量的黄铁矿、斜长石、菱铁矿及钾长石等（图4）。整体来看，招贤剖面黏土和石英含量相对稳定，且石英含量整体相对较高（平均为53.00%），而黏土含量整体相对较低（平均为42.80%）；而M115井石英和黏土矿物含量波动相对频繁，且黏土矿物含量相对较高（平均为59.40%），而石英含量相对较低（平均为33.00%）。两者含量的差异，可能说明招贤剖面C2b1泥页岩主要发育于开阔海湾环境，而M115井C2b1泥页岩主要发育于陆地物源影响更加明显的滨岸沼泽—潟湖环境。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   本溪组1段全岩矿物含量分布

Fig.4   Whole rock mineral content distribution of the First Member of Benxi Formation


脆性矿物主要包括石英、长石、方解石及白云石等，研究区C2b1样品脆性矿物以石英为主。招贤剖面C2b1上和C2b1下脆性矿物含量均值分别为59.10%、54.40%；M115井C2b1上和C2b1下脆性矿物含量均值分别为41.30%、39.00%。相对四川盆地五峰组—龙马溪组海相页岩而言［20］，其脆性矿物和黏土矿物含量分别为66.62%、29.79%，研究区C2b1泥页岩中黏土矿物含量相对较高，以石英为主的脆性矿物含量相对较低，表明与深水陆棚海相富有机质泥页岩相比，研究区海陆过渡相的C2b1泥页岩受到陆源物源影响更加明显［21］。

3.1.2　泥页岩有机质丰度

有机质丰度直接影响到泥页岩的生气量和含气量，TOC含量大于2.00%是页岩气有利区重要评价指标之一［4］。招贤剖面C2b1上、C2b1下样品TOC均值分别为3.73%、1.54%；M115井C2b1上、C2b1下泥页岩样品TOC均值分别为2.30%、1.07%（图‍1，表1）。整体看来，招贤剖面和M115井C2b1上泥页岩样品有机质丰度整体上要高于C2b1下样品，C2b1上主要为富有机质页岩，C2b1下主要为含有机质页岩。

表1   本溪组1段元素含量分析测试结果

Table 1  Test results of element content analysis in the First Member of Benxi Formation

编号层位SiO2/%Al2O3/%微量元素/10-6Sr/BaBa/GaV/ （V+Ni）CeanomTh/UCIASr/CuC值P/TiTOC/%
SrVNiBaCuMoGaTh
Z-S12招贤剖面C2b1‍上57.3924.23217.2695.9312.88169.3213.410.4731.0420.571.285.450.88-0.034.9491.3016.200.730.112.93
Z-S1159.4624.01222.6396.249.14190.318.330.4531.4820.381.176.050.91-0.054.8691.0626.730.310.092.29
Z-S1056.2721.29193.2591.8152.91148.5319.830.6226.8815.741.305.530.63-0.023.8291.749.752.540.162.25
Z-S948.1017.11298.5581.2226.90202.8712.720.9424.3417.161.478.340.75-0.044.5490.0023.471.120.161.62
Z-S858.0522.77270.0294.0422.58167.8322.610.5031.1020.401.615.400.81-0.064.9891.4211.940.790.132.98
Z-S759.0224.14222.9096.2352.34187.3623.380.4929.4118.601.196.370.65-0.043.3891.389.530.360.172.03
Z-S655.5621.66339.2668.7811.143648.0714.870.5733.6517.440.09108.420.86-0.073.2190.1722.820.350.1412
Z-S5招贤剖面C2b1下57.9820.47149.25134.3957.61289.2328.040.4327.7717.820.5210.420.70-0.054.5483.525.321.380.101.97
Z-S461.5522.31184.10167.1310.49336.6612.910.7232.7622.250.5510.280.94-0.023.4482.6314.260.240.081.74
Z-S358.5423.75201.47175.5026.01357.1423.020.2334.3921.800.5610.380.87-0.024.4083.808.750.410.081.66
Z-S264.6121.00180.2989.5114.48132.4920.090.3228.2814.481.364.680.87-0.044.5792.178.971.280.141.26
Z-S147.0535.7734.1499.3234.3945.504.281.3136.746.220.751.240.74-0.031.1599.017.802.600.021.09
M-S9M115井C2b1‍上50.4832.69270.8293.7511.29108.4714.170.3943.3620.752.502.500.89-0.024.9797.0619.121.080.071.01
M-S847.7517.98403.32168.8226.85250.1117.992.9026.8614.461.619.310.86-0.031.9886.9722.422.041.561.44
M-S760.2324.4588.54199.4522.68281.225.480.4233.8917.940.318.300.90-0.043.4488.683.470.220.081.42
M-S646.0328.06354.52207.4986.45188.5781.311.0236.8421.351.885.120.71-0.012.2693.744.361.610.155.33
M-S5M115井C2b1‍下58.4020.39203.99133.6522.37318.8926.610.3528.3717.540.6411.240.86-0.054.4985.607.671.150.122.57
M-S464.2220.0675.27202.8628.4351.1422.160.1933.0420.280.2110.630.88-0.033.5683.653.400.150.090.83
M-S353.5329.62339.09144.7455.25190.2433.650.4834.0834.661.785.580.720.003.4693.1910.080.580.120.81
M-S247.6334.55138.0994.6221.5691.155.671.4848.488.731.511.880.81-0.180.6997.4924.351.150.030.46
M-S149.9334.11221.73108.8839.27180.154.70.3241.7220.071.234.320.73-0.043.4994.8547.180.130.030.67

注：化学蚀变指数表达式：CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100，式中各量均为摩尔数，CaO*表示为硅酸盐矿物中的CaO含量。当CaO的摩尔数小于Na2O的摩尔数时，CaO*可取CaO的摩尔数；当CaO的摩尔数大于Na2O的摩尔数时，CaO*可取Na2O的摩尔数。C值公式：C=∑（Fe + Mn + Cr + Ni + V + Co）/∑（Ca + Mg + Sr + Ba + K + Na）［22⁃24］

新窗口打开| 下载CSV


3.2　古气候

古气候能够影响主微量元素的相对富集程度，因此利用CIA、Sr/Cu、C值等参数可以表征地层发育期的古气候特征［22］。

通常情况下，CIA值为60~80指示温暖湿润气候下的中等风化，80~100指示炎热潮湿气候下的强烈风化，小于60指示寒冷干燥气候下的未风化。招贤剖面C2b1样品CIA值分布范围为82.63~99.01（图5）；M115井C2b1上样品CIA值分布范围为83.65~97.49（图6）。研究区C2b1泥页岩CIA值总体稳定，样品CIA值皆大于80，表明该时期研究区主要为炎热潮湿气候。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   招贤剖面本溪组1段元素地球化学指标垂向变化

Fig. 5   Vertical variation of element geochemical indexes in the First Member of Benxi Formation in Zhaoxian section


图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   M115井本溪组1段元素地球化学指标垂向变化

Fig. 6   Vertical variation of element geochemical indexes in the First Member of Benxi Formation of Well M115


研究表明，当Sr/Cu值越高，往往表明气候越炎热，反之则越寒冷‍［23］。招贤剖面C2b1上、C2b1下泥页岩样品Sr/Cu值分布范围分别为9.53~26.73、5.32~14.26，表明C2b1‍沉积期整体属于炎热气候，且C2b1上沉积期气候更加炎热。M115井C2b1‍上、C2b1下泥页岩样品Sr/Cu值分布范围分别为3.47~22.42、3.40~47.18，个别数据虽然有一定波动，但整体趋势与招贤剖面一致。

古气候指数“C值”为喜湿型元素总丰度与喜干型元素总丰度比值，被用来判识古气候的干湿程度［24］。研究表明，样品的C值越高，表明该时期的古气候越潮湿，反之则表明偏干旱气候。招贤剖面C2b1上、C2b1下泥页岩样品C值分布范围分别为0.31~2.54、0.24~2.60。M115井C2b1‍上、C2b1下泥页岩样品C值分布范围分别为0.22~2.04、0.13~1.15。C值反映总体趋势与Sr/Cu值相似，即C2b1‍沉积期整体属于潮湿气候，C2b1沉积晚期气候更加炎热潮湿。

由此可见，C2b1样品CIA、Sr/Cu和C值变化特征均表明，研究区C2b1沉积期整体属于炎热潮湿气候，且C2b1沉积晚期相对早期更加炎热潮湿，整体古气候特征有利于富有机质泥页岩的发育。

3.3　古沉积水体环境
3.3.1　水体盐度

沉积水体盐度是反映古水体环境与有机质保存条件的重要指标之一，常用的微量元素判别指标有Sr含量、Sr/Ba和Ba/Ga等［25］。

研究表明，Sr含量大于160×10-6、Sr/Ba值大于1.0指示沉积水体为咸水环境；Sr含量小于90×10-6、Sr/Ba值小于0.5为淡水环境；介于二者之间为半咸水环境［26］。

招贤剖面C2b1上泥页岩样品Sr含量和Sr/Ba值分布范围分别为（193.25~339.26）×10-6、1.17~1.61（Z-S6样品Ba含量远高于其他样品，计算表明可能主要受到生源Ba的影响［27］，没有统计在内），整体表明C2b1‍上沉积水体主要为咸水环境；C2b1下泥页岩样品Sr含量和Sr/Ba值分布范围分别为（34.14~201.47）×10-6、0.52~1.36，C2b1‍下样品相应参数值明显低于C2b1‍上样品，C2b1‍下为咸水—半咸水环境沉积（图5），由此可见，招贤剖面C2b1上泥页岩沉积水体盐度整体较C2b1下沉积水体盐度高。

M115井C2b1上泥页岩样品Sr含量和Sr/Ba值分布范围分别为（88.54~403.32）‍×10-6、0.31~2.50；C2b1下泥页岩样品Sr含量和Sr/Ba值分布范围分别为（75.27~339.09）×10-6、0.21~1.78，整体变化趋势与招贤剖面类似，同样表明C2b1上沉积水体盐度相对更高（图6）。个别样品参数值有一定波动，可能表明过渡相环境受到陆源淡水注入的影响。

样品Ba/Ga值高低同样可以表征沉积水体盐度的变化。研究表明，Ba/Ga值越高，表明沉积水体盐度相对较低，反之则表明水体盐度相对较高［28］。招贤剖面C2b1上、C2b1下样品Ba/Ga值分布范围分别为5.40~8.34、1.24~10.42。M115井C2b1‍上、C2b1‍下样品Ba/Ga值分布范围分别为2.50~9.31、1.88~11.24。从Ba/Ga值分布可以看出（图5，图6），整体而言，研究区C2b1上样品整体较C2b1下样品Ba/Ga值略低，同样表明C2b1上泥页岩沉积水体盐度整体较C2b1下泥页岩高。

由此可见，Sr含量、Sr/Ba值、Ba/Ga值和Ba—Sr交会图（图7）均表明，研究区C2b1沉积早期主体属于咸水—半咸水环境，而C2b1沉积晚期水体盐度相对较高，主要属于咸水环境。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   本溪组1段Ba—Sr交会图

Fig.7   Ba-Sr intersection diagram of the First Member of Benxi Formation


3.3.2　氧化还原性

微量元素参数同样可以表征沉积环境的氧化还原性，常用参数包括V/（V+Ni）、Ceanom、Th/U等值可以判别古沉积水体的氧化—还原性特征［29］。

V和Ni等微量金属元素对氧化还原环境具有示踪作用［28］，V/（V+Ni）值大于0.84为水体分层的厌氧环境，小于0.60为水体分层弱的富氧环境，介于二者之间为水体分层不强的贫氧环境［26，29］。招贤剖面C2b1泥页岩样品V/（V+Ni）值分布范围为0.63~0.94（图5），M115井C2b1泥页岩样品V/（V+Ni）值分布范围为0.71~0.90，皆表明沉积期整体为缺氧—贫氧的水体环境（图6）。

Ceanom常用来判别古水体的氧化—还原性［26］，Ceanom大于0，表明水体为氧化环境，小于0则为还原环境‍［29］。招贤剖面和M115井C2b1泥页岩样品Ceanom值分布范围分别为-0.07~-0.02和-0.18~0.00，两者参数值均很低，表明研究区C2b1泥页岩沉积期主要为缺氧环境。

Th元素是一种化学性质稳定的元素，而U元素易在还原环境的水体中富集，因此Th/U值可以表征古水体氧化还原性［30］。当Th/U值小于2为缺氧环境，而Th/U值大于8为氧化环境。招贤剖面和M115井C2b1泥页岩样品Th/U值分布范围分别为1.15~4.98、0.69~4.97，同样表明M115井C2b1沉积水体整体为贫氧环境。

由此可见，V/（V+Ni）、Ceanom、Th/U值和V（V+Ni）—Th/U交会图（图8）均表明，研究区招贤剖面与M115井C2b1沉积期水体整体处于缺氧—贫氧环境，有利于有机质的保存和富有机质泥页岩的发育。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   本溪组1段V/（V+Ni）—Th/U交会图

Fig.8   Intersection diagram of V/（V+Ni）-Th/U in the First Member of Benxi Formation


3.4　水体古生产力

古生产力是地质历史时期沉积水体中的有机质生产能力，在海相开阔水域中，沉积水体中各类生物自身生产的有机质是泥页岩中有机质的重要来源，水体有机质的古生产力与富有机质页岩发育关系密切［31］。P、Mo等元素是海相浮游生物生长发育的重要营养元素，其含量的高低及相关参数（常用的如P/Ti）是评价水体古生产力水平的重要指标［32］。

研究表明，研究区招贤剖面和M115井C2b1样品的Mo含量均值分别为0.12和0.25，P/Ti均值分别为0.59和0.64，相对而言均较低［33-34］；且Mo、P含量、P/Ti与样品TOC值之间没有明显的相关性，表明沉积水体的古生产力水平不是研究区本溪组富有机质泥页岩的主要控制因素之一。

前人研究表明，鄂尔多斯盆地东南部本溪组沉积期主要为浅海泥质陆棚、障壁岛—潟湖及潮坪沉积［12，14］。岩性岩相组合表明，研究区本溪组沉积整体受到陆源物源控制明显。研究区本溪组煤层和煤线发育［图9（a）］，特别是在M115井岩心样品中见到大量高等植物化石［图9（b）］，均表明，陆源高等植物来源有机质可能是研究区本溪组泥页岩中有机质的主要来源。

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   本溪组本1段有机显微组分及岩心特征

（a）M115井本1上亚段8号煤层样品照片；（b）M115井本1上亚段泥岩见植物化石；（c）招贤剖面显微组分荧光见藻类体；（d）M115井显微组分反射光照片

Fig.9   Organic maceral and core characteristics of the First Member of Benxi Formation


研究区招贤剖面和M115井C2b1样品有机显微组分研究表明，有机显微组分观测到大量的镜质体组分，主要为结构镜质体，还有少量的丝质体［图9（c）］，为典型的陆源高等植物有机质来源［35］。在招贤剖面C2b1上的样品中，可观测到部分藻类体显微组分，主要为结构藻类体，约占有机显微组分的15%~20%，表明其有机质组成中有部分海相水生藻类的贡献‍［35］。

4 富有机质泥页岩发育影响因素分析

富有机质泥页岩的形成是有机质逐渐富集的结果，任何影响有机质生产、保存和埋藏的因素都会影响泥页岩的形成［33］。综合前人研究表明，古气候和构造环境所控制的古生产力、有机质保存条件和有机质稀释作用是控制富有机质泥页岩的主要因素［36］。

元素地球化学综合研究表明，招贤剖面和M115井C2b1沉积期主体属于炎热、潮湿的气候特征，且C2b1上沉积期气候更加炎热、潮湿，有利于有机质的大量形成和富有机质泥页岩的发育；C2b1沉积期沉积水体主体属于咸水、咸水—半咸水和缺氧—贫氧水体环境，且C2b1上沉积期沉积水体有机质保存条件相对更好，同样有利于富有机质泥页岩的发育。C2b1上泥页岩样品相对C2b1下泥页岩样品具有整体高的TOC均值，与古气候、水体保存条件等相关主量、微量元素地球化学指标的分布特征基本相符，同样表明研究区富有机质泥页岩主要受到这些因素的控制。

本溪期沉积水体的古生产力不是研究区富有机质泥页岩发育的主要影响因素。本溪组发育的浅海泥质陆棚、障壁岛—潟湖环境及潮坪沉积的过渡相体系，整体受到陆源物源影响明显。招贤剖面和M115井岩性岩相、有机显微组分特征等均表明，陆源高等植物来源有机质是本溪组富有机质泥页岩的主要有机质来源，而受水体古生产力水平控制的原地水生藻类的供给比例较低。

由此可见，鄂尔多斯盆地相对稳定的区域构造环境，C2b1沉积期整体炎热、潮湿的古气候，以及研究区海陆过渡相沉积水体良好的保存条件和陆源有机质的大量供给，共同控制了研究区C2b1，特别是C2b1上高丰度富有机质泥页岩的发育。

5 结论

（1）研究区C2b1泥页岩岩石类型以黏土质页岩和硅质页岩为主，矿物组成以石英、黏土矿物为主，含少量长石、黄铁矿、菱铁矿及碳酸盐矿物；招贤剖面泥页岩石英矿物占据优势，主要发育于开阔海湾，M115井泥页岩以黏土矿物为主，主要发育于滨岸沼泽环境；C2b1上TOC含量较高，为富有机质页岩，C2b1下TOC含量较低，为含有机质页岩。

（2）样品CIA、Sr/Cu、C值等指标分析表明，研究区C2b1沉积期主体属于炎热、潮湿的气候环境，且C2b1沉积晚期古气候相对更为炎热、潮湿；样品P、Mo及P/Ti等参数分析表明，C2b1沉积期水体古生产力水平较低，古生产力可能不是研究区C2b1有机质富集的关键因素，招贤剖面与M115井C2b1有机显微组分镜质体占70%以上，以镜质组为主，陆源高等植物来源有机质可能是研究区本溪组烃源岩中有机质的主要来源。

（3）样品Sr、Sr/Ba、Ba/Ga等指标研究表明，研究区C2b1上沉积期水体以咸水环境为主，C2b1下沉积期以咸水—半咸水环境为主；V/（V+Ni）、Ceanom、Th/U等参数分析表明，招贤剖面与M115井古氧化还原性具有一致性，C2b1沉积水体以缺氧—贫氧环境为主，且该段晚期有机质保存条件相对更好，整体沉积水体环境有利于有机质的保存。

（4）分析认为研究区C2b1沉积期炎热、潮湿的古气候，海陆过渡相古沉积水体较高的盐度和偏还原性的水体环境及克拉通盆地相对稳定的区域构造环境，是研究区C2b1富有机质泥页岩发育的主控因素。

参考文献

邹才能，陶士振，侯连华，等.非常规油气地质［M］.第2版.北京：地质出版社，2013．

[本文引用: 1]

ZOU C N， TAO S Z， HOU L H， et al. Unconventional Petroleum Geology［M］. 2nd Ed. Beijing： Geological Publishing House，2013.

[本文引用: 1]

贾承造，张永峰，赵霞.中国天然气工业发展前景与挑战［J］.天然气工业，2014，34（2）：8-18.

JIA C Z， ZHANG Y F， ZHAO X. Prospects and challenges to natural gas industry development in China［J］. Natural Gas Industry，2014， 34（2）：8-18.

LAW B E， CURTIS J B.Introduction to unconventional petroleum systems［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1851-1852.

[本文引用: 1]

聂海宽，唐玄，边瑞康.页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测［J］.石油学报，2009，30（4）：484-491.

[本文引用: 2]

NIE H K， TANG X， BIAN R K. Controlling factors for shale gas accumulation and prediction of potential development area in shale gas reservoir of South China［J］. Acta Petrolei Sinica，2009，30（4）：484-491.

[本文引用: 2]

戴金星，董大忠，倪云燕，等.中国页岩气地质和地球化学研究的若干问题［J］.天然气地球科学，2020，31（6）：745-760.

[本文引用: 2]

DAI J X， DONG D Z， NI Y Y， et al. Some essential geological and geochemical issues about shale gas research in China［J］.Natural Gas Geoscience，2020，31（6）：745-760.

[本文引用: 2]

郭彤楼，刘若冰.复杂构造区高演化程度海相页岩气勘探突破的启示——以四川盆地东部盆缘JY1井为例［J］.天然气地球科学，2013，24（4）：643-651.

GUO T L， LIU R B. Inspiration from the breakthrough of marine shale gas exploration in complex structural area with high evolution degree： A case study of Well JY1 in the eastern margin of Sichuan Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2013，24（4）： 643-651.

王社教，李登华，李建忠，等.鄂尔多斯盆地页岩气勘探潜力分析［J］.天然气工业，2011，31（12）：40-46，125-126.

[本文引用: 2]

WANG S J， LI D H， LI J Z， et al. Exploration potential of shale gas in the Ordos Basin［J］. Natural Gas Industry，2011，31（12）：40-46，125-126.

[本文引用: 2]

张吉振，李贤庆，王元，等.海陆过渡相煤系页岩气成藏条件及储层特征——以四川盆地南部龙潭组为例［J］.煤炭学报，2015，40（8）：1871-1878.

[本文引用: 1]

ZHANG J Z， LI X Q， WANG Y， et al. Accumulation conditions and reservoir characteristics of marine terrigenous facies coal measures shale gas from Longtan Formation in South Sichuan Basin［J］. Journal of China Coal Society，2015，40（8）：1871-1878.

[本文引用: 1]

周进松，王念喜，赵谦平，等.鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层特征及控制因素分析［J］.石油天然气学报，2014，36（2）：27-33，5.

[本文引用: 1]

ZHOU J S， WANG N X， ZHAO Q P， et al. Analysis on controlling factors and sandstone reservoir characteristics of the Upper Paleozoic in Ordos Basin［J］. Journal of Oil and Gas Te-chnology， 2014，36（2）：27-33，5.

[本文引用: 1]

郭英海，刘焕杰.鄂尔多斯地区晚古生代的海侵［J］.中国矿业大学学报，1999，28（2）：28-31.

[本文引用: 2]

GUO Y H， LIU H J. Transgression of Late Paleozoic Era in Ordos area［J］. Journal of China University of Mining & Technology，1999，28（2）：28-31.

[本文引用: 2]

冯娟萍，欧阳征健，陈全红，等.鄂尔多斯盆地及周缘地区上石炭统沉积特征［J］.古地理学报，2021，23（1）：53-64.

FENG J P，OUYANG Z J， CHEN Q H， et al. Sedimentary characteristics of the Upper Carboniferous in Ordos Basin and it’s adjacent areas［J］. Journal of Paleontology， 2021， 23（1）： 53-64.

林进，李云，何剑.鄂尔多斯延长探区本溪组物源及沉积体系分析［J］.中国地质，2013，40（5）：1542-1551.

[本文引用: 3]

LIN J， LI Y， HE J. An analysis of the source and the sedimentary system of the Carboniferous Benxi Formation in Yanchang area of Ordos Basin［J］. Geology in China，2013，40（5）：1542-1551.

[本文引用: 3]

刘桂珍，高伟，尉加盛，等.混积层系沉积、层序特征——以鄂尔多斯盆地高桥地区本溪组为例［J］.天然气地球科学，2021，32（3）：382-392.

[本文引用: 1]

LIU G Z， GAO W， WEI J S， et al. Sedimentary sequence characteristics of mixed stratigraphy： A case study of Benxi Formation in Gaoqiao area， Ordos Basin［J］. Natural Gas Geoscience， 201，32（3）：382-392.

[本文引用: 1]

于兴河，王香增，王念喜，等.鄂尔多斯盆地东南部上古生界层序地层格架及含气砂体沉积演化特征［J］.古地理学报，2017，19（6）：935-954.

[本文引用: 2]

YU X H， WANG X Z， WANG N X， et al. Sequence stratigraphic framework and sedimentary evolution characteristics of gas-bearing sandbody in the Upper Paleozoic in Southeastern Ordos Basin［J］.Journal of Palaeogeography，2017，19（6）：935-954.

[本文引用: 2]

闫德宇，黄文辉，李昂，等.鄂尔多斯盆地上古生界海陆过渡相页岩气聚集条件及有利区预测［J］.东北石油大学学报，2013，37（5）：1-9，62，127.

[本文引用: 2]

YAN D Y， HUANG W H， LI A， et al. Preliminary analysis of marine-continental transitional shale gas accumulation conditions and favorable areas in the Upper Paleozoic Ordos Basin［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2013， 37（5）： 1-9，62，127.

[本文引用: 2]

刘新昕. 鄂尔多斯盆地东部石炭系本溪组沉积环境研究［D］.成都：成都理工大学，2019.

[本文引用: 1]

LIU X X. Study on the Sedimentary Environment of the Upper Carboniferous Benxi Formation of Eastern Ordos Basin，China［D］. Chengdu：Chengdu University of Technology，2019.

[本文引用: 1]

陈全红，李可永，张道锋，等.鄂尔多斯盆地本溪组—太原组扇三角洲沉积与油气聚集的关系［J］.中国地质，2010，37（2）：421-429.

[本文引用: 2]

CHEN Q H， LI K Y， ZHANG D F， et al. The relationship between fan delta and hydrocarbon accumulation in Benxi-Taiyuan Formation， Ordos Basin［J］. Geology in China，2010，37（2）：421-429.

[本文引用: 2]

赵靖舟，王力，孙兵华，等.鄂尔多斯盆地东部构造演化对上古生界大气田形成的控制作用［J］.天然气地球科学，2010，21（6）：875-881.

[本文引用: 1]

ZHAO J Z， WANG L， SUN B H， et al. Geochemical characteristics and geochemical characteristics of the Upper Paleozoic Gas Field in Ordos Basin［J］. Natural Gas Geoscience， 2010，21（6）：875-881.

[本文引用: 1]

李卓，姜振学，唐相路，等. 渝东南下志留统龙马溪组页岩岩相特征及其对孔隙结构的控制［J］. 地球科学，2017，42（7）：1116-1123.

[本文引用: 3]

LI Z， JIANG Z X， TANG X L， et al. Lithofacies characteristics and its effect on pore structure of the marine shale in the Lower Silurian Longmaxi，Southeastern Chongqing［J］.Earth Sci-ence， 2017，42（7）：1116-1123.

[本文引用: 3]

毕赫，姜振学，李鹏，等.渝东南地区黔江凹陷五峰组——龙马溪组页岩储层特征及其对含气量的影响［J］.天然气地球科学，2014，25（8）：1275-1283.

[本文引用: 1]

BI H， JIANG Z X， LI P， et al. Shale reservoir characteristics and its influence on gas content of Wufeng-Longmaxi Formation in the Southeastern Chongqing［J］.Natural Gas Geoscien-ce， 2014，25（8）：1275-1283.

[本文引用: 1]

吴陈君，张明峰，马万云，等.渝东南牛蹄塘组页岩有机质特征及沉积环境研究［J］.天然气地球科学，2014，25（8）：1267-1274.

[本文引用: 1]

WU C J， ZHANG M F， MA W Y， et al. Organic matter characteristics and sedimentary environment of the Lower Cambrian Niutitang shale in Southeastern Chonqing［J］. Natural Gas Geoscience， 2014，25（8）： 1277-1274.

[本文引用: 1]

陈德潜，陈刚.实用稀土元素地球化学［M］.北京：冶金工业出版社，1990.

[本文引用: 2]

CHEN D Q， CHEN G. Practical Geochemistry of Rare Earth Elements［M］. Beijing： Metallurgical Industry Press，1990.

[本文引用: 2]

王随继，黄杏珍，妥进才，等.泌阳凹陷核桃园组微量元素演化特征及其古气候意义［J］.沉积学报，1997，12（1）：66-71.

[本文引用: 1]

WANG S J， HUANG X Z， TUO J C， et al. Evolutional characteristics and their paleoclimate significance of trace elements in the Hetaoyuan Formation， Biyang Depression［J］. Acta Sedimentologica Sinica，1997，12（1）：66-71.

[本文引用: 1]

刘刚，周东升.微量元素分析在判别沉积环境中的应用——以江汉盆地潜江组为例［J］.石油实验地质，2007，29（3）：307-310，314.

[本文引用: 2]

LIU G， ZHOU D S. Application of microelements analysis in identifying sedimentary environment-Taking Qianjiang Formation in the Jianghan Basin as an example［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2007，29（3）：307-310，314.

[本文引用: 2]

杨季华，罗重光，杜胜江，等. 高黏土含量沉积岩古环境指标适用性讨论［J］. 矿物学报，2020，40（6）：723-733.

[本文引用: 1]

YANG J H， LUO C G， DU S J， et al. Discussion on the applicability of paleoenvironmental index for sedimentary rocks with high clay content［J］.Acta Mineralogica Sinica，2020，40（6）：723-733.

[本文引用: 1]

王旭影，姜在兴.苏北东台坳陷古新统阜宁组三段微量、稀土元素地球化学特征及其地质意义［J］.地质论评，2021，67（2）：355-366.

[本文引用: 3]

WANG X Y， JIANG Z X. Geochemical characteristics of trace and rare earth elements in the 3rd member of paleocene Funing Formation in Dongtai Depression，north Jiangsu Basin，and their geological significance［J］.Geological Review，2021，67（2）：355-366.

[本文引用: 3]

丁江辉，张金川，石刚，等.宣城地区龙潭组页岩沉积环境与有机质富集［J］.沉积学报，2021，39（2）：324-340.

[本文引用: 1]

DING J H， ZHANG J C， SHI G， et al. Sedimentary environment and organic matter accumulation for the Longtan Formation shale in Xuancheng area［J］. Acta Sedimentologica Sinica， 2021，39（2）：324-340.

[本文引用: 1]

苗耀，桑树勋，林会喜，等. 渤海湾盆地石炭—二叠系微量元素特征及其指相意义［J］. 沉积与特提斯地质，2007，29（4）：27-32.

[本文引用: 2]

MIAO Y， SANG S X， LIN H X， et al. Trace elements signatures of the Carboniferous-Permian deposits in the Bohai Gulf Basin and their facies significance［J］.Sedimentary Geology and Tethyan Geology，2007，29（4）：27-32.

[本文引用: 2]

JONES B J，MANNING A C. Comparison of ceochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones［J］.Chemical Geology，1994，111：111-129.

[本文引用: 3]

ELDERFIELD H， GREAVES M J. The rare earth elements in seawater［J］. Nature， 1982， 296（5854）： 214-219.

[本文引用: 1]

张水昌，张宝民，边立曾，等.中国海相烃源岩发育控制因素［J］.地学前缘，2005，12（3）：39-48.

[本文引用: 1]

ZHANG S C， ZHANG B M， BIAN L Z， et al. Development constraints of marine source rocks in China［J］. Earth Science Frontiers，2005，12（3）：39-48.

[本文引用: 1]

ALGEO T J， KUWAHARA K， SANO H， et al. Spatial variation in sediment fluxes， redox conditions， and productivity in the Permian-Triassic Panthalassic Ocean［J］.Palaeogeography， Palaeoclimatology Palaeoecology，2011，308（1-2）：65-83.

[本文引用: 1]

TRIBOVILLARD N， ALGEO T J， BAUDIN F， et al. Analysis of marine environmental conditions based on molybdenum-uranium covariation—Applications to Mesozoic paleoceanography［J］. Chemical Geology，2012：46-58.

[本文引用: 2]

TAYLOR S R，MCLENNAN S M. The Continental Crust：Its Composition and Evolution［M］.Oxford：Blackwell Scientific Publications， 1985.

[本文引用: 1]

李苗春，丁海，焦堃，等.湘西三岔地区牛蹄塘组黑色岩系有机岩石学特征［J］.天然气地球科学，2012，23（6）：1077-1089.

[本文引用: 2]

LI M C， DING H， JIAO K， et al. Organic petrology of Niutitang Formation， in Sancha， Western Hunan Province，China［J］. Natural Gas Geoscience，2012，23（6）：1077-1089.

[本文引用: 2]

KATZ B J. Lacustrine basin hydrocarbon exploration-current thoughts［J］.Journal of Paleolimnology，2001，26（2）：161-179.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

陇ICP备2021001824号-7　 甘公网安备 62010202000678号
版权所有 © 《天然气地球科学》编辑部
地址：甘肃省兰州市天水中路8号　
邮编：730000　
电话：(0931)8277790　
E-mail：geogas@lzb.ac.cn
总访问量 　 今日访问 　 在线人数
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司