王岚, 李文厚, 刘群, 王大兴, 张盟勃, 白斌. (2023). 鄂尔多斯盆地延长组长7黑色页岩岩相分类与沉积环境恢复* [J]. 古地理学报, 25(3): 598-613.
WANG Lan, LI Wenhou, LIU Qun, WANG Daxing, ZHANG Mengbo, BAI Bin. (2023). Lithofacies characteristics and sedimentary environment of Chang 7 black shale in the Yanchang Formation,Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(3): 598-613.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.03.047
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鄂尔多斯盆地延长组长7黑色页岩岩相分类与沉积环境恢复*
王岚1, 李文厚2, 刘群3, 王大兴4, 张盟勃4, 白斌1
1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2 西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西西安 710069
3 南京晓庄学院环境科学学院,江苏南京 211171
4 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710018

第一作者简介 王岚,女,1981年生,中国石油勘探开发研究院高级工程师,主要从事沉积学、石油地质研究。E-mail: wl2008@petroChina.com.cn。

收稿日期:2022-04-11 修回日期:2022-11-09
基金资助:*中国石油天然气股份有限公司科技管理部前瞻性、基础性课题(编号: 2021DJ1801)和中国石油集团公司重大专项“长庆油田5000万吨持续高效稳产关键技术研究与应用”课题3(编号: 2016E-0503)联合资助
摘要

鄂尔多斯盆地延长组长7黑色页岩分布面积广、厚度大、有机质含量高,具有广阔的页岩油勘探前景。在大量岩心、薄片和地化数据分析的基础上,对长7黑色页岩的岩相类型、地质特征与分布规律进行剖析,利用微量元素指标对其形成期古环境和页岩成因机制进行研究。按照“有机质丰度—岩矿组成—沉积构造”分类标准,将长7划分出3类岩相,其中长73底部发育极富有机质纹层状页岩,向长72过渡为富有机质纹层状黏土/粉砂质页岩,长71发育贫有机质块状粉砂质泥岩。自长73到长71,随着湖盆萎缩和三角洲推进,黏土矿物、有机质和黄铁矿含量以及纹层发育程度逐渐降低。亚热带温暖潮湿气候和长期稳定的深水湖泊环境为藻类大规模发育创造了条件。微量元素研究表明,长73极富有机质页岩形成于湖盆生产力极高、水体缺氧甚至硫化的强还原环境,因受火山活动和湖底热液的影响而富含胶磷矿和Ni、Cu、Mo等营养元素,是国内罕见的富铀页岩。结合古地貌、气候、水文条件综合分析,认为长7黑色页岩的成因机制为强烈构造运动下火山活动、热液活动叠加拗陷湖盆的水体分层模式。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 长7油层组; 富有机质页岩; 岩相; 沉积环境; 成因模式
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)03-0598-16
Lithofacies characteristics and sedimentary environment of Chang 7 black shale in the Yanchang Formation,Ordos Basin
WANG Lan1, LI Wenhou2, LIU Qun3, WANG Daxing4, ZHANG Mengbo4, BAI Bin1
1 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing 100083,China
2 Department of Geology/State Key Laboratory of Continental Dynamics,Northwest University,Xi'an 710069,China
3 School of Environmental Science,Nanjing Xiaozhuang University,Nanjing 211171,China
4 Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi'an 710018,China

About the first author WANG Lan,born in 1981,is a senior engineer of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development. She is mainly engaged in sedimentology,petroleum geology. E-mail: wl2008@petroChina.com.cn.

Fund:Co-funded by the research project of PetroChina Co.,Ltd.(No. 2021DJ1801) and topic 3 of “research and application of key technologies for sustainable,efficient and stable production of 50 million tons in Changqing Oilfield”,a major project of China National Petroleum Corporation(No. 2016E-0503)
Abstract

Chang 7 black shale of the Yanchang Formation,Ordos Basin,has a wide distribution area,large thickness and high organic matter content,which has a broad shale oil exploration prospect. Based on the analysis of a large number of core,thin section and geochemical data,the lithofacies types,geological characteristics and distribution laws of Chang 7 black shale are analyzed,and the palaeoenvironment and shale genetic mechanism during its formation period are studied by using trace element indicators. According to the classification standard of “organic matter abundance-rock mineral composition-sedimentary structure”,Chang 7 is divided into three types of lithofacies,in which the bottom of Chang 73 is developed with very rich organic matter laminated shale,and Chang 72 is transformed into organic matter rich laminated clay/silty shale,and Chang 71 is developed with poor organic matter massive silty mudstone. From Chong 73 to Chang 71,as the lake basin shrinks and the delta advances,the content of clay minerals,organic matter and pyrite and the development of laminae gradually decrease. The subtropical warm and humid climate and long-term stable deep-water lake environment create conditions for the large-scale development of algae. The trace element study shows that Chang 73 extremely rich organic shale was formed in a strong reducing environment with extremely high productivity in the lake basin,oxygen deficiency and even sulfurization in the water body,and was affected by volcanic activity and lake bottom hydrothermal solution. Therefore,it is rich in collophanite,Ni,Cu,Mo and other nutrients,and is a rare uranium rich shale in China. Based on the comprehensive analysis of palaeogeomorphology,climate and hydrological conditions,it is considered that the genetic mechanism of the Chang 7 black shale is the water stratification model of the depressed lake basin under the strong tectonic movement of volcanic and hydrothermal activities.

Key words: Ordos Basin; Chang 7 interval; organic rich shale; lithofacies; sedimentary environment; genetic model

黑色页岩属于细粒沉积岩的一种, Tyson(2001)将其定义为形成于缺氧—含氧底水环境中的暗色细粒沉积岩, 具有独特的沉积特征以及地球化学特征。在沉积岩石学中, 页岩原指具有页理或层理构造、易破裂的“纹层状黏土岩” , 其最主要特征是黏土—粉砂级粒径、易剥蚀及纹层构造。从油气勘探的角度, 广义的黑色页岩是包含了页岩层系内的碳酸盐岩、粉砂岩、凝灰岩等多种岩性的集合体, 是一个由不同类型、不同成因细粒沉积物组成的复杂地层, 也可称之为页岩层系(郭英海等, 2021)。沉积物搬运机制和沉积环境控制着页岩的形成, 围绕黑色页岩的沉积作用和沉积模式的研究层出不穷。Stow等(2001)指出, 影响黑色页岩形成的深海沉积作用类型包括远洋沉积、半远洋沉积、半浊流沉积、平流沉积、超重流、碎屑流、滑坡和崩塌等, 这些过程沉积速率差别很大, 从1 cm/ka到50 m/ka不等。有机质的富集机制也是页岩研究热点, 其中有机质的生产、保存和稀释3个方面是控制有机质丰度的基本要素。地学界围绕“高生产力” 和“高沉积速率” 谁是影响有机质富集的最重要因素开展过激烈探讨(Tyson et al., 1991; Calvert et al., 1993)。总之, 与其他粗粒沉积相类型相比, 黑色页岩研究起步晚、难度大, 需结合沉积储层学、地球化学、古生物等多学科综合分析; 陆相湖盆又具备独特的地质特征, 不能完全套用海相页岩成因模式, 值得深入探索和研究。

中国含油气盆地发育10余套富有机质页岩及煤系, 已在松辽、渤海湾、准噶尔等多个盆地陆相页岩层系中不同程度地获得了工业油流, 展现了页岩油勘探的前景(许琳等, 2019; 赵贤正等, 2019; 孙龙德等, 2021)。鄂尔多斯盆地作为中国油气资源极为丰富的大型拗陷盆地, 长7黑色页岩层系具备分布面积广、厚度大、有机质丰度高和生烃强度大的特点, 初步估算其页岩油可采储量达(10~15)×108t(杨华等, 2013; 李树同等, 2021)。国内最大页岩油田(庆城油田)的发现, 展现了长7油层组良好的页岩油开发潜力, 值得深入探索。前人对长7黑色页岩的地质地化特征与成藏机理方面做了大量工作(张文正等, 2008; 杨华等, 2013; 付金华等, 2020), 但对页岩的岩相划分、沉积过程、沉积演化与成因机制等方面研究相对不足, 特别是古气候、古生产力、古氧化还原环境对富有机质页岩的控制作用亟待深入探讨。作者拟综合运用岩心描述、薄片观察、扫描电镜分析及元素地球化学分析等手段, 对长 7黑色页岩的岩石学特征及有机地球化学、元素地球化学指标进行分析, 主要目的是描述页岩的岩相类型及其地质地化特征, 对其沉积环境、沉积过程与成因机制展开深入剖析, 以期预测长7优质页岩的分布, 为页岩油勘探中甜点段选取提供理论依据, 为陆相湖盆细粒沉积学提供研究实例。

1 区域地质背景

鄂尔多斯地块处于华北克拉通西部, 其东、西介于太行山与贺兰山之间, 南、北介于秦岭与阴山山脉之间, 面积达到25×104 km2, 是一个早期稳定沉降、后期拗陷中心经历迁移的大型叠合沉积盆地。其基底为吕梁运动期(约1800 Ma)南、北微陆块拼合固结而成的克拉通地块(何登发等, 2021)。根据地层发育特征及基底顶面的构造形态, 可将鄂尔多斯盆地划分为西缘冲断带、伊陕斜坡、晋西挠褶带、渭北隆起和伊盟隆起等构造单元(图1)。晚三叠世, 华北陆块与扬子陆块碰撞拼接, 受秦岭造山活动的影响, 在华北陆块西南部的鄂尔多斯地区形成了大型陆相湖盆。延长组自下而上划分为长10至长1共10个油层组, 记录了鄂尔多斯古湖盆从发生到消亡的全过程(郭艳琴等, 2019)。其中长7期经历了晚三叠世最大的一次湖泛事件, 强烈的构造活动使得盆地基底快速沉降, 发生快速湖侵, 形成大范围的深水沉积, 湖区面积超过10×104 km2, 全区发育分布稳定的黑色页岩层系, 以“张家滩页岩” 最为著名(杨仁超等, 2017)。大量钻井统计结果表明, 长7湖相页岩平面上呈北西—南东向展布, 与半深湖—深湖相带吻合, 厚度介于10~130 m之间, 厚度大于10 m的页岩分布范围可达3×104 km2(张文正等, 2015)。

图1 鄂尔多斯盆地构造分区和长7黑色页岩厚度等值线图Fig.1 Structural division of Ordos Basin and black shale thick ness of the Chang 7 interval of Yanchang Formation

长7油层组由下到上发育3个层段, 长73底部油页岩表现出高伽马、高电阻率、高声波时差的“三高” 特征, 长72到长71发育深水重力流沉积, 为深湖泥岩夹多期碎屑流、浊流砂体(图2)。长7页岩岩性为黑色、深灰色油页岩(图3-a, 3-b, 3-c)、暗色泥岩, 夹薄层粉砂、细砂岩、凝灰岩(图3-d), 页理发育。偶见介形虫及炭屑(图3-f, 3-g)、鱼化石(图3-e)、星点状黄铁矿( 3-h)。发育大量软沉积物变形(图3-i, 3-l)、沟模、槽模等深水沉积构造(图3-j, 3-k), 深湖—半深湖相沉积特征明显。

图2 鄂尔多斯盆地Z70井延长组长7油层组岩性柱状图Fig.2 Histogram of the Chang 7 interval of Yanchang Formation of Well Z70 in Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地长7黑色页岩典型沉积构造
a—长7页岩岩心全貌, 泥页岩与粉砂岩、泥质粉砂岩形成薄互层, L231井, 深度2088.5~2091.6 m; b—黑色页岩, L231井, 深度2052.5 m; c—黑色油页岩, 层面见分散黄铁矿, B522井, 深度1947.10 m; d—褐红色凝灰岩, 厚度约3 cm, N33井, 深度1687 m; e—鱼类化石, 可见鱼尾鱼鳍, B269井, 深度1871.1 m; f—褐红色凝灰岩薄夹层与层面分散状分布的黑色炭屑, N33井, 1676.4 m; g—黑色炭屑, 可见碳化植物纤维, N59井, 深度1472.3 m; h—黑色页岩层面上分散状黄铁矿与黄铁矿团块, L231井, 深度2485.7 m; i—页岩中的变形构造—泥岩撕裂屑, L231井, 深度2059.9 m; j—槽模构造(顶面), B269井, 深度1932.58 m; k—槽模构造(底面), B269井, 深度1932.58 m; l—肠状构造, L231井, 深度2026.4 mFig.3 Typical sedimentary structure of the Chang 7 black shale in Ordos Basin

为开展长7页岩岩相和沉积环境的研究, 在全区优选重点井12口, 采集样品200余块, 系统观察薄片212块次, 统计微量元素、有机碳数据600余块次, 开展了页岩微观特征研究和有机、无机地化分析。

2 黑色页岩岩相分类与特征
2.1 岩相分类方案

页岩岩相对于沉积过程和沉积环境的研究至关重要, 是页岩油勘探选区的重要参照指标(赵建华等, 2016)。页岩岩相是不同沉积环境中页岩颜色、矿物成分、组构、构造等特征的总体表现。Potter等(1980)细化了页岩岩相的分类标准, 指出颜色、矿物成分、生物类型、原生和成岩构造均可作为岩相划分的指标。海相、陆相沉积环境复杂多样, 形成的黑色页岩岩性差异大, 分类方案众多。较常用的方案是以页岩的矿物成分和结构类型为分类标准, 再利用有机质含量加以约束。例如蒋裕强等(2016)将四川盆地龙马溪组海相页岩划分为11类岩相, 其中5种为富有机质岩相, 包括富有机质硅质页岩、富有机质碳酸质—硅质页岩等。柳波等(2018)按照“有机质丰度—岩石沉积构造—矿物组成” 分类标准, 将松辽盆地青一段划分出7类岩相, 其中中等有机质含量纹层状长英质泥岩是有利岩相。长7黑色页岩富放射性铀元素, 测井资料反映灵敏, 可通过大量钻录井资料在无钻井地区实现TOC反演, 建议把TOC作为岩相划分的重要指标之一, 使划分方案的应用性、实际操作性更强, 可在测井资料覆盖的地区全面开展。此外, 通过200余片薄片观察统计发现, 有机质含量与页岩的矿物岩石学特征、沉积构造具有较强的相关性, 即有机质含量越高, 黏土矿物含量越高, 纹层越发育。有机质含量低, 黏土含量相对降低, 页岩纹层发育程度弱, 多呈层状、块状。因此以TOC指标为关键指标, 结合矿物岩石学特征、沉积构造等开展岩相划分, 是较为实用的划分方案。

全区200余块泥页岩样品统计, TOC分布在4%~6%区间的最多, 占比35.7%; 其次是6%~8%区间, 占比17.6%(图4)。这表明长7页岩的有机碳含量普遍较高且分布区间广, 从2%~16%均有一定比重, 除了2%这个常见的划分标准(秦建中等, 2009), 还应将2%~16%的高值区做进一步分级。对比发现, TOC大于6%的极富有机质页岩, 有机质纹层和黄铁矿极为发育, 富集铀元素(平均50×106)和S2-(平均8.2%), 稀土元素含量较低(平均148×106)。TOC介于2%~6%之间的富有机质页岩, 有机质纹层和黄铁矿发育程度降低, 铀元素(平均7.2×106)和S2-(平均1.36%)含量降低, 稀土元素含量增高(平均221×106)(张文正, 2015)。此外, H317井含油性评价图版显示TOC与S1具有较好的相关性, 当TOC值介于2%~6%之间时, 游离烃值S1小于3 mg/g, TOC值大于6%的样品S1值多数大于3 mg/g(图5)。由此可见, 有机质丰度差异造成黑色页岩的矿物组成、纹层结构、元素地球化学特征以及含油性的差异很大, 建议以TOC值2%和6%为界, 再结合页岩结构构造与岩矿组成, 划分出极富有机质纹层状黏土质页岩、富有机质层状黏土质/粉砂质页岩与贫有机质块状粉砂质泥岩。该划分标准可体现页岩油的有机碳含量, 进而关联含油性, 兼顾了页岩成分组成与沉积构造, 又可实现空间预测, 对于页岩油甜点段优选具有指导意义。

图4 鄂尔多斯盆地长7黑色页岩有机碳含量统计直方图Fig.4 Statistical histogram of organic carbon content in the Chang 7 black shale in Ordos Basin

图5 H317井典型样品页岩油含油性评价(据刘全有等, 2022; 有修改)Fig.5 Typical sample shale oil oil-bearing evaluation of Well H317 (modified from Liu et al., 2022)

2.2 岩相类型特征

2.2.1 极富有机质纹层状黏土质页岩 极富有机质纹层状黏土质页岩的特点是高TOC值, 富含有机质纹层和黄铁矿, 是中国乃至世界较为罕见的富铀页岩, 主要分布在长73油层组中下部。岩心呈黑色、灰黑色、灰褐色, 见贝壳状断口和因生烃增压产生的裂缝簇(图6-a), 页理极为发育(图6-b), 偶见鱼类化石(图6-c)。TOC介于6%~30%之间, 中位数为10%, 已达油页岩级别。岩性为黏土质页岩, 黏土矿物含量介于39%~61%之间, 平均51.3%; 长石与石英含量介于25%~41%之间, 平均33.6%; 碳酸盐矿物含量极低, 平均2.2%。黏土矿物主要为伊蒙混层、伊利石和少量绿泥石、高岭石, 在成岩过程中随着压实作用加强, 表现出平行排列的特征, 因而纹层结构非常发育, 岩心上表现为页理构造。有机质常常富集在黏土矿物之间, 连续或断续顺层分布。不透光的黏土矿物、有机质纹层与长石、石英纹层组成明暗相间的水平或微波状纹层组合(图6-d, 6-e, 6-f), 也称“二元结构” 。黄铁矿含量平均13.2%, 部分样品达到21%, 形态多为莓球状集合体, 顺层分布(图6-g, 6-h)或填充生物腔体(6-i), 直径为3~20 μ m。

图6 鄂尔多斯盆地长7极富有机质纹层状黏土质页岩岩石学特征
a—极富有机质纹层状页岩, 见生烃增压形成的裂缝簇, TOC=19.3%, B522井, 深度1959.82 m; b—极富有机质纹层状页岩, 页理发育, TOC=6.2%, H269井, 深度2527.7 m; c—极富有机质纹层状页岩, 见黄铁矿充填鱼化石, TOC=11.9%, H269井, 深度2532 m; d—页岩二元纹层(黏土矿物、有机质与长英质组成), 见星点状黄铁矿, TOC=13%, H317井, 深度2477.2 m; e—页岩微波状纹层, 纹层厚度0.1~0.3 mm, TOC=11.4%, Z233井, 深度1789 m; f—页岩微波状纹层, 有机质纹层与长英质纹层组成互层, TOC=7.99%, Z269井, 深度2196.7 m; g—莓球状黄铁矿顺层富集, 箭头为纹层走向, TOC=16.3%, L231井, 深度2113 m; h—莓球状黄铁充填生物体空腔, L147井, TOC=10.6%, 深度2426 m; i—黄铁矿顺层分布, 见条带状胶磷矿, py: 黄铁矿, co: 胶磷矿, TOC=16.3%, L231井, 深度2113 mFig.6 Petrological characteristics of the Chang 7 organic rich layered clayey shale in Ordos Basin

该类页岩纹层发育(厚度小于0.3 cm), 沉积物粒度细小, 表明沉积水动力弱, 主要沉积作用为悬浮沉积。悬浮沉积物中黏土矿物、粉砂颗粒的来源为三角洲和重力流带入湖盆中央的细粒悬浮沉积物, 亦有少量季风带来的细砂颗粒。黏土矿物沉积速率小, 但其独特的晶格结构易作为载体将有机质吸附于表面, 形成粒度较大的凝絮颗粒, 加速沉积到湖底(裴宇等, 2022), 对现代泥质沉积物粒度分析表明, 粒度小于10 μ m的颗粒均以絮凝的方式沉积(Curran et al., 2004)。

2.2.2 富有机质层状黏土/粉砂质页岩 富有机质层状黏土/粉砂质页岩呈灰黑色、深灰色, 页理不发育, 层面常富集炭屑, 岩心纵向剖面见微型波状、透镜状纹层(图7-a, 7-b)。岩性为黏土质页岩、粉砂质页岩互层, TOC介于2%~6%之间, 中位数4%。与极富有机质纹层状黏土质页岩相比, 黏土矿物含量并没有明显降低, 平均51.27%; 长石与石英含量增高, 平均40.7%; 黄铁矿含量明显降低, 平均3.3%; 碳酸盐矿物含量平均4.3%。纹层发育程度中等, 多为水平纹层, 纹层厚度介于0.3~2 mm之间, 见微型粒序层理和冲刷充填构造(图7-c, 7-e)。发育粉砂与有机质纹层形成的微型沙纹交错层理(图7-d), 表明沉积期存在一定的水动力条件。

图7 鄂尔多斯盆地长7富有机质层状黏土/粉砂质页岩岩石学特征
a—灰黑色富有机质层状页岩, 层面见少量炭屑, TOC=3.3%, 里231井, 深度2086.3 m; b—灰黑色富有机质层状页岩, 见波状纹层, TOC=5.08%, N113, 深度1948.9 m; c—富有机质层状页岩中发育水平纹层, 向上有机质纹层增多, 见分散细砂岩级石英颗粒, TOC=4.1%, L231井, 深度2071.6 m; d—有机质薄纹层与长英质纹层组成的沙纹层理, TOC=5.08%, N113, 深度1948.9 m; e—富有机质层状页岩中发育水平纹层, 纹层厚度约2 mm, 见粒序层理和底部冲刷结构, TOC=3.4%, 里231井, 深度2094 mFig.7 Petrological characteristics of the Chang 7 organic rich layered clayey/silty sand shale in Ordos Basin

该类岩相纹层厚度较大, 沉积物粒度相对粗, 有机质纹层减少, 微波状层理构造发育, 表明其沉积环境具有一定的水动力, 不属于完全静水环境。微型的冲刷面及沙纹交错层理均为牵引流改造的产物, 由位于湖盆底部的低密度浊流作用形成。低密度浊流虽然增加了陆源有机质输入, 同时搅动底水破坏其缺氧环境, 因而有机质保存条件受到破坏, 其有机碳含量低于极富有机质纹层状黏土质页岩。

2.2.3 贫有机质块状粉砂质泥岩 贫有机质块状粉砂质泥岩呈灰色、灰白色, 块状结构(图8-a, 8-b)。岩性以粉砂质泥岩为主, TOC小于2%。与上述2种页岩相比, 黏土矿物含量明显降低, 平均41.9%; 长石与石英含量平均41.3%; 碳酸盐矿物含量明显增加, 平均13.8%; 黄铁矿含量只有1.4%, 菱铁矿含量4.8%。镜下观察无纹层结构, 为均一块状, 见分散的撕裂状炭屑(图8-c, 8-d), 发育生物扰动构造(图8-e)。

图8 鄂尔多斯盆地长7贫有机质块状粉砂质泥岩岩石学特征
a—灰色贫有机质块状泥岩, TOC=0.45%, L231井, 深度2031.2 m; b—灰色贫有机质块状泥岩, TOC=0.56%, H269井, 深度2510.4 m; c—贫有机质块状泥岩中见分散状有机质, TOC=1.3%, H317井, 深度2458.8 m; d—灰色贫有机质块状泥岩中发育均质块状结构, TOC=0.9%, L231井, 深度2061.3 m; e—灰色贫有机质块状泥岩中发育生物扰动构造, TOC=0.9%, L231井, 深度2663.32 mFig.8 Petrological characteristics of the Chang 7 organic poor massive silty mudstone in Ordos Basin

该岩相粉砂含量高, 常见粉砂岩透镜体或粉砂岩条带, 表明沉积环境离河口较近, 沉积机理为高能态悬浮沉降。受三角洲水下分流河道和重力流的扰动, 有机质遭到稀释, 并在有氧界面遭受生物扰动, 所以有机质含量均小于2%。

2.3 三类岩相的纵向分布

受到沉积环境的影响, 3类岩相自下而上逐渐过渡。以H317井为例, 极富有机质纹层状黏土质页岩主要分布在长73中下部, 厚度约18 m, 有机碳含量极高, 平均11.3%, 最高达到16.8%(图9), 代表了无陆源碎屑注入的安静缺氧的水体环境。

图9 鄂尔多斯盆地H317井长7三类岩相与TOC、岩矿特征综合柱状图Fig.9 Vertical distribution characteristics of the Chang 7 three types lithofacies of Well H317 in Ordos Basin

富有机质层状黏土/粉砂质页岩分布在长73中上部和长72下部, 厚度约20 m, 岩性为黏土质泥岩和粉砂质泥岩互层, 夹有厚度小于1 m的薄层细砂岩; 有机碳含量中到高, 平均3.5%, 最高5.72%; 代表水动力有所增强、陆源碎屑物质开始注入的非安静水体。贫有机质块状粉砂质泥岩分布在长72上部和长71, 厚度约20 m, 岩性以粉砂质泥岩为主, 夹2层细砂岩条带。3类页岩的岩矿组成也有明细的变化, 从极富有机质页岩到贫有机质页岩, 黏土矿物逐渐减少, 石英、长石、碳酸盐矿物组分逐渐增多, 而黄铁矿含量急剧减少, 表明水动力逐渐增强, 静滞缺氧的水体环境遭到破坏。从长73到长71, 随着湖盆萎缩、水体变浅、可容空间减小, 重力流沉积砂体逐渐向湖盆中部推进, 长73亚段砂地比大于30%的砂带占比9.1%, 而长71亚段砂地比大于30%的砂带占34.8%(付金华等, 2020)。伴随着陆源碎屑物质注入增强, 页岩的岩性从黏土质页岩向粉砂质页岩转变, 粉砂、细砂岩薄条带逐渐增多, 有机质保存条件变差, 有机碳含量相应降低。

3 黑色页岩的沉积环境

黑色页岩组成可分为无机组成和有机组成。无机组成中长英质成分和黏土矿物等陆源碎屑物质占主体, 受控于沉积期的水动力环境。有机组成包含浮游生物、细菌等来源的有机质, 其富集程度与古气候、湖盆初级生产力大小、水体的氧化还原条件以及早期的埋藏环境密切相关(张慧芳等, 2016)。只有当湖盆富营养状态、生产力较高且水体具备强还原环境的条件下, 有机质才能大量产生、聚集并保存下来。

3.1 古气候

控制页岩发育的古气候因素主要是温湿条件和降水频率。湿度变大和降雨量增加, 造成风化剥蚀作用加剧, 地表径流为古湖盆输送大量陆源碎屑物质, 其中细粒沉积物是黑色页岩形成的物质基础。温度控制水体化学性质, 包括盐度、含氧率及水体分层等。温热条件下, 湖盆中易形成温跃层, 同时较高温度下氧的溶解度降低, 有利于有机质保存。温湿条件最终反映会在湖盆生产力指标中, 据Katz(1995)统计, 低纬度热带湖泊浮游生物发育, 湖盆生产力高达到2500 gC/m2· a, 而寒带高山湖泊生产力小于100 gC/m2· a。

喜干型元素Sr与喜湿型元素Cu的比值可定量表征古气候, Sr/Cu值小于5指示温湿气候, 大于10指示干热气候, 5~10之间为半湿润气候(刘刚和周东升, 2007)。在温暖湿润气候条件下, 大量赋存在岩石中的惰性元素(如Fe、Ti、Mn、Cr、Ni等)被地表径流迁移至湖泊, 而活性组分(如Ca、K、Na等)多以游离态存在。因此气候指数C=(Fe+Mn+Cr+Ni+V+Co)/(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)可用来判别古气候, 其比值越大代表气候越潮湿, 一般小于0.2代表干热气候, 大于0.8代表潮湿气候, 0.2~0.8区间代表半湿润气候(陈敬安等, 1999)。通过长7段65块页岩样品微量元素统计, Sr/Cu值介于1.24~6.72之间, 平均3.46, 气候指数C介于0.68~0.93之间, 平均0.82, 指示了长 7段沉积期主要为温暖湿润的气候特征。

众多学者利用孢粉组合特征与微量元素比值恢复了长7沉积期古气候。张才利等(2011)通过孢粉组合分析, 认为长8至长7沉积期蕨类植物孢子相对含量逐渐减少, 而裸子植物花粉逐渐增多, 佐证了长7沉积期为温暖潮湿古气候条件。吉利明等(2006)研究发现陇东地区长8和长7段孢粉组合分别以 Aratisporites-Punctatisporites 和 Asseretospora-Walchiites 为代表, 反映了长7沉积期为暖湿或湿热气候特征。付金华等(2018)利用CaO/MgO· Al2O3值与贵州红枫湖现今气温进行类比, 可确定长7沉积期为年均古气温大于15 ℃的温带—亚热带气候类型。长期稳定温暖潮湿气候和广阔的深水湖泊环境为水生藻类的大规模发育创造了条件。

3.2 古生产力

湖盆高生产力是有机质富集的重要物质基础。当湖盆生产力过高、有机质输入量极大的时候, 可以抵消氧化环境造成的有机质消耗, 页岩仍保持较高的有机碳含量。例如西非Congo盆地下白垩统大套湖相烃源岩中的Marnes Noire段页岩有机质丰度高达6%, 但地球化学指标指示其沉积环境为不完全的厌氧环境(Harris et al., 2004)。

胶磷矿是湖盆的高生产力的生物指标之一, 当湖盆生产力升高, 藻类和生物磷质壳体内的P元素通过埋藏或细菌分解形式保留下来, 在成岩过程中形成了胶磷矿(袁伟等, 2016)。长73富有机质页岩中富含胶磷矿, 部分页岩样品胶磷矿含量达到5%。胶磷矿在薄片下呈黄棕色或红棕色鲕状, 顺层分布, 与黄铁矿和生物碎屑共生(图10-a, 10-b)。扫描电镜下见块状、鲕状、条带状等多种形态, 由隐晶质或超显微隐晶质的磷灰石微晶组成, 边部由于重结晶作用形成磷灰石晶体(图10-c)。

图10 鄂尔多斯盆地长7页岩中的胶磷矿微观结构特征
a—红棕色鮞状胶磷矿顺层分布, G252井, 深度2569 m; b—红棕色鮞状胶磷矿顺层分布, 其上下页岩纹层挤压变形, Z269井, 深度2190.7 m; c—鮞状胶磷矿顺层分布, 边部由于重结晶作用形成磷灰石晶体, B522井, 深度1960.5 mFig.10 Microstructure characteristics of collophanite in the Chang 7 shale in Ordos Basin

Ni、Cu、Mo等营养元素可以作为有机碳沉降通量和古生产力的指标, 它们易与腐殖酸或黄腐酸形成络合物, 在有机质腐烂分解后进入黄铁矿中保存下来(邓倩等, 2019)。一般来说, 高的Ni、Cu、Mo含量指示高的有机碳输入, 反映了较高的古生产力。长7页岩中的有机碳含量与Ni、Cu、Mo元素具较好的相关性。以L231井为例, 长73底部极富有机质页岩的有机碳高达16.3%, Ni、Cu、Mo值分别达到49 mg/g、84 mg/g和40.5 mg/g的极高值。而2090 m以上的页岩有机碳多小于2%, Ni、Cu、Mo值也相应降低, Ni值均小于35 mg/g, Cu值均小于40 mg/g, Mo值均小于15 mg/g(图11)。极富有机质页岩中营养元素的富集指示了高湖盆生产力, 确保有机质稳定输入。

图11 鄂尔多斯盆地L231井长7黑色页岩古生产力和氧化还原指标纵向分布特征Fig.11 Vertical distribution characteristics of mesopaleozoic productivity and redox index of the Chang 7 shale, Well L231, Ordos Basin

3.3 氧化还原条件

初级生产的有机质到达湖底或海底的比例非常小, 以Michigan湖为例, 浮游生物遗体在温跃层以上被氧化85%, 而到达水体底部的有机质在有生物扰动的地方又会遭受氧化分解, 因此能够生成油气的有机质占比很小(Keast and Eadie, 1984)。水体分层的湖盆底部往往存在氧化—还原界面, 其内部缺氧环境及其之下的厌氧环境可以减缓有机质的降解速率, 有助于有机质的保存, 因而强还原环境是富有机质页岩形成的重要条件之一。

V/(V+Ni)值主要受氧化还原条件控制, 是判断环境的常用指标。该值介于0.84~0.89之间反映底层水体中出现H2S的强还原环境, 介于0.54~0.82之间为水体分层不强烈的中等还原环境, 介于0.46~0.60之间为水体分层弱的贫氧环境(Hatch and Leventhal, 1992)。Th在低温地表环境中是个不易发生迁移的元素, 而U 在还原环境中容易以四价态的形式沉淀下来, 因此U/Th<0.75指示氧化环境, U/Th=0.75~1.25反映还原环境, U/Th>1.25反映强还原环境(Rimmer, 2004)。Cr一般与沉积物中陆源碎屑相结合, 而V多以四价态的形式与有机质结合, 并聚集在还原条件下的沉积物中, 因此V/Cr值也是判断水体氧化还原环境的重要指标, 比值小于2为氧化环境, 2~4.25为中等还原环境, 大于4.25时为强还原环境(Wignall and Twitchett, 1996)。L231井氧化还原指标与有机碳丰度具有较好的相关性, 从长73上部到长71, 有机碳基本小于6%, V/(V+Ni)值介于0.68~0.82之间, 属中等还原环境, U/Th值小于0.75, V/Cr值小于2, 指示了偏氧化环境(图11)。而长73底部的极富有机质页岩(TOC大于6%), V/(V+Ni)值、U/Th值和V/Cr值超过0.82、1.25和4.25的强还原界线。底部样品有机碳达到16.3%, V/(V+Ni)值、U/Th值和V/Cr值分别达到0.84、2.37、4.84极高值, 代表了一种硫化、极端的还原环境, 岩心样品发育大量黄铁矿晶体也佐证这点(图6-g, 6-i)。

综合分析认为长7富有机质页岩形成于温暖潮湿气候下的高生产力湖盆, 且底水具强缺氧、还原的保存条件。元素指标的纵向变化反映出湖盆水体生产力和还原程度由强向弱的转变, 体现湖盆经历快速扩张、 稳定沉降和缓慢回升的演化过程。

4 黑色页岩成因模式

鄂尔多斯盆地长7黑色页岩在古构造、古气候、古地貌、古水文条件综合作用下形成。首先, 广阔的湖域和稳定沉降的构造背景是长7黑色页岩发育的基础。晚三叠世是华北陆块与扬子陆块碰撞拼接、秦岭造山带崛起的构造活动期。强烈的区域构造活动使长7湖盆急剧扩张, 沉积中心位于姬塬—白豹—华池—宜君一线, 形成呈北西—南东向展布的椭圆形深湖坳陷, 大致与秦岭造山带平行(刘池洋等, 2020), 湖盆扩张期面积逾 10×104 km2, 深湖—半深湖区面积5×104 km2。通过延长组长 7段生物标志、遗迹化石、沉积构造和岩性标志判定长 7段沉积期最大水深介于50~70 m之间(张才利等, 2011)。此时地势西南陡, 东北缓, 水体南深北浅, 负向古地貌形态为长7黑色页岩提供了良好的发育场所, 沉积了厚达100 m的黑色页岩。

温暖潮湿的亚热带气候为浮游生物的繁盛和富有机质黑色页岩的形成创造了条件。在温暖潮湿的气候条件下, 河流携带丰富营养元素进入湖盆, 为湖水表层浮游生物勃发提供条件, 造成湖盆初级生产力激升。大量有机质通过凝絮作用与黏土矿物形成胶体团块, 迅速沉降到湖底堆积掩埋。一般来说, 湖盆水体越深, 越容易产生水体分层, 包括温度、密度、盐度分层等。长7沉积期湖盆水体较深, 顶部和底部因温差和水体密度形成分层, 减少了上下水体的对流交换, 造成湖盆底部水流不畅、长期处于缺氧的还原条件, 浮游生物有机质和经过细菌强烈改造的陆源植物有机质得以保存下来。浮游生物勃发进一步加剧氧气消耗, 有机质在极度缺氧甚至硫化的环境中得到较好的保存, 页岩中大量存在的黄铁矿晶体和氧还还原敏感元素佐证了这一点。由此可见, 鄂尔多斯长7页岩的成因模式属于大型深水拗陷湖侵背景下的水体分层模式。

值得注意的是, 鄂尔多斯盆地长7油页岩高达25%的有机碳含量以及高含铀的特征在中国含油气盆地中独树一帜。从东部渤海湾的断陷湖盆到西部准噶尔的前陆盆地, 页岩的富有机质程度均不及鄂尔多斯长7页岩。除去温暖潮湿的亚热带气候和持续下陷的深湖沉积环境, 长7富有机质页岩的形成可能与三叠世盆地强烈的火山和热液活动有关。长7页岩层系中发育丰富的火山凝灰岩, 以灰色、灰黄色、灰白色为主, 呈薄层状产出, 厚度几毫米到数十厘米不等, 横向具有可对比性, 是火山灰降落湖泊的产物, 反映了邻近地区火山喷发活动频繁发生, 通过凝灰岩的锆石年龄测定证实火山活动与优质烃源岩的形成具有良好的耦合关系(陈安清等, 2011; 刘池洋等, 2020)。火山活动引发气温升高与极端天气, 导致洪水频发, 陆源有机质输入量增强, 有机碳同位素组成负向飘移是对这一极端地质事件的直接响应(张斌等, 2021)。火山灰漂落到周边露头区和湖盆, 经过水解作用释放出N、Fe、P等生命营养元素, 对湖盆中水生生物具有“施肥” 效应, 促进藻类勃发, 提高了湖盆初级生产力(张文正等, 2009)。生物的繁育和快速堆积造成缺氧环境, 加上火山灰的快速掩埋, 有利于有机质保存。火山活动在短期喷出大量含硫气体, 最终以酸雨的形式进入水体中, 增强了水体的硫酸根浓度, 有利于强还原环境的保持, 阻止了有机质的分解(李鹏等, 2021)。在强烈的区域构造活动背景下, 基底断裂被激活, 深部物质上涌并产生同沉积期的湖底热水活动。湖底热水中含有丰富的P、N、Cu、Fe、Mo、V 等生命营养元素, 可促进藻类等水生生物的繁殖和快速生长, 从而提高湖泊的初级生产力。此外, 湖底热水提供的 H2S 等气体有助于缺氧环境形成(张文正等, 2010), 含矿热液的输入和溶解氧的消耗使水体分层加剧, 促进底水还原环境的保持。近年来, 湖底热液活动的证据先后被发现, 包括与热流体相关的硅质岩、白铁矿、自生石英以及纹层状含铁碳酸盐等(Yang et al., 2010; Qiu et al., 2015), 并检测出Mo、Cu、U、Mn、Ir等微量元素显著异常(Zhang et al., 2010; 邱欣卫等, 2014)。沉积岩中的常量元素比值也可以反映湖底热水活动的强度, 特别是Fe、Mn元素常在热水中富集, 可以作为热液来源的指标, 典型的热水沉积具有Al/(Al+Fe+Mn)<0.4以及(Fe+Mn)/Ti>15的特征。吉利明等(2021)利用元素含量计算了延长组样品的Al/(Al+Fe+Mn)和(Fe+Mn)/Ti值, 长73部分样品分布达到0.3和30, 落在典型热水沉积区, 表明了热水活动对富有机质页岩的影响。结合前人研究成果, 综合分析长7黑色页岩的成因机制为强烈构造运动下火山、热液活动叠加拗陷湖盆的水体分层模式(图12)。

图12 鄂尔多斯盆地长7黑色页岩成因模式: 火山和热液影响下的水体分层模式Fig.12 Genetic model of the Chang 7 black shale: water stratification model under influence of volcano and hydrothermal in Ordos Basin

在黑色页岩的形成机理中, 有2个最重要环节起到关键作用。一是有机质与黏土矿物通过凝絮作用形成有机黏土复合体, 加快了沉降速率, 减少有机质的损耗。生物体中的溶解有机质和胶体有机质具有溶解性、胶体性、电离性和较大的比表面积, 与黏土矿物具有相似的化学活性。二者通过物理化学作用相互结合, 聚合成较大的颗粒, 形成有机黏土复合体, 对溶解有机质起到了聚集、沉积和保存的作用。二是黏土矿物通过压实作用、脱水作用以及重结晶作用造成矿物质点的定向排列, 从而形成页理结构。随着沉积物脱离水岩界面以及压力增加, 孔隙水、层间水排出, 完全分散或者凝絮状的黏土矿物向强烈定向组构变化, 同时黏土矿物发生矿物间的相互转化, 晶体结晶有序度增加。总之, 黑色页岩的沉积、成岩过程和形成机理比粗粒沉积物更加复杂和具有多解性, 值得深入探讨。

5 结论

1)鄂尔多斯盆地长7黑色页岩有机碳含量与矿物组成和沉积构造具较强相关性, 且TOC大于6%的页岩含油性普遍较高, 因此按照“有机质丰度—岩矿组成—沉积构造” 分类标准, 将长7划分出3类岩相, 其中长73底部发育极富有机质纹层状黏土质页岩, 向长72过渡为富有机质纹层状黏土/粉砂质页岩, 长71发育贫有机质块状粉砂质泥岩。自长73到长71, 随着湖盆萎缩和三角洲推进, 页岩的黏土矿物、有机质和黄铁矿含量以及纹层发育程度逐渐降低。极富有机质纹层状黏土质页岩TOC介于6%~25%之间, 黏土矿物含量高, 黄铁矿含量高, 碳酸盐矿物含量极低, 页理发育; 富有机质纹层状黏土/粉砂质页岩TOC介于2%~6%之间, 长英质含量增高, 黄铁矿含量降低, 纹层发育程度中等; 贫有机质块状粉砂质泥岩TOC小于2%, 黏土矿物含量低, 长石、石英和碳酸盐矿物含量明显增高, 无纹层结构。

2)Sr/Cu值和气候指数C指示长 7沉积期为温暖湿润的气候特征。胶磷矿和Ni、Cu、Mo等营养元素的富集表明长7沉积期湖盆具高生产力, 是富营养湖盆。V/(V+Ni)值、U/Th值和V/Cr值指示长73底部极富有机质纹层状页岩发育在强还原环境。元素指标的纵向变化反映出湖盆水体生产力和还原程度由强向弱的转变, 体现湖盆经历快速扩张、 稳定沉降和缓慢回升的演化过程。

3)亚热带温暖潮湿气候和长期稳定的深水湖泊环境为藻类大规模发育创造了条件。长73极富有机质页岩形成于湖盆生产力极高、水体缺氧甚至硫化的强还原环境, 并受火山活动和湖底热液的影响, 因而富含胶磷矿和Ni、Cu、Mo等营养元素, 是国内罕见的富铀页岩。结合古地貌、气候、水文条件综合分析认为长7黑色页岩的成因机制为强烈构造运动下火山、热液活动叠加拗陷湖盆的水体分层模式。

(责任编辑 郑秀娟)

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