鄂尔多斯盆地中部湖相有机质沉积环境特征

随着页岩油气的规模性开发，富有机质页岩的古沉积环境得到业界的普遍关注。针对海相页岩，目前已经形成了一批可靠的元素及化合物判识指标，实现了海相页岩物源输入条件、古沉积水体的咸度、水体的氧含量、古气候特征、古生产力强弱等的恢复［1-2］。在此基础上，元素化学逐渐被引入湖相页岩的沉积环境研究。但是，湖相页岩由于受湖泊水体、河流输入等条件的影响，对其沉积环境的恢复与揭示相对滞后。

当前，能量色散X射线荧光技术是揭示湖相页岩沉积环境的有效方法之一。但是，在采用能量色散X射线荧光技术的测试过程中，普遍采用一种能量配置进行测试。事实上，由于主要元素和微量元素存在巨大的含量差异，采用相同的能量配置会导致严重的图谱压制现象，进而导致无法获得准确的元素含量。此外，基于一种能量配置的测试，其获得的元素数量较少，导致无法全面利用元素来刻画古沉积环境。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯盆地中部，构造区划隶属于伊陕斜坡构造带，行政区划隶属于吴起—安塞—甘泉地区（图1）。由于研究区靠近长7段（三叠系延长组7段）古湖盆的边缘，普遍认为研究区泥页岩的发育程度不高，烃源岩品质中等［3-5］。在最近5年的勘探实践中，安塞周边长7段泥页岩层系中不断发现油气显示。其中，D212井（日产量大于1.0 t）、D207井（日产量大于2.0 t）等5口井获得工业油流。基于长7段页岩的烃源岩评价亦认为，研究区页岩的非均质性强，生烃能力差异大，但整体有机质丰度较高，具备生烃能力［6-7］。

图1

图1   鄂尔多斯盆地中部区域位置及地层发育情况

a.鄂尔多斯盆地构造位置； b.研究区地层柱状图

Fig.1   Structural location of the central Ordos Basin with stratigraphic column of the study area

鄂尔多斯盆地中部，长7段页岩的厚度较薄，普遍小于20 m。岩心识别发现，该套页岩的岩性不纯，多夹杂砂质纹层，砂质纹层的厚度普遍不足1 mm至数毫米，在岩心上表现出明暗相间的颜色特征（图2）。研究区为何能沉积富有机质页岩、控制有机质发育的沉积环境有何特征、有机质的物质来源及其贡献等尚缺乏探索。基于此，开展了有机碳、主要元素、微量元素的地球化学测试。在分析主要元素、微量元素等地球化学特征的基础上，对长7段页岩有机质的沉积水体、氧化还原状态和生产力等古沉积环境进行了恢复，建立了有机质来源的数学模型并分析了有机质的供给特征。

图2

图2   鄂尔多斯盆地中部长7段页岩岩心特征

a.纯页岩在水中渗气，W336井，埋深1 954.68 m，岩心照片； b.纯页岩在水中渗气，D214井，埋深1 172.72m，岩心照片； c.含砂质纹层页岩，F134井，埋深1 544.68 m，岩心照片； d.含砂质纹层页岩，D1199井，埋深1 365.19 m，岩心照片； e.纯页岩裂缝渗油，D214井，埋深1 170.46 m，岩心照片； f.页岩中植物碎屑遗迹，D19井，埋深1 369.91 m，岩心照片； g.页岩中可见生物扰动现象（有虫孔遗迹）及陆源腐殖有机质，YY1井，埋深135 6.26 m，铸体薄片，单偏光； h.页岩中含鱼骨（鱼鳞）化石，YCCV1245井，埋深1 562.63 m，铸体薄片，单偏光； i.页岩中含孢子体化石，YCCV1245井，埋深1 555.60 m，铸体薄片，单偏光

Fig.2   Core characteristics of Chang 7 shale， central Ordos Basin

研究区页岩总有机碳（TOC）含量的数值范围为0.87 %～10.81 %，平均为4.47 %。从21个页岩样品的TOC分布来看，TOC<2 %的样品仅有4个；2 %<TOC<4 %的样品仅有5个；TOC>4 %的样品达到12个（图3）。由此可见，研究区的高TOC特征与TOC>4 %的样品比例大息息相关。

图3

图3   鄂尔多斯盆地中部长7段页岩总有机碳含量与Ba元素含量关系

Fig.3   TOC vs.Ba content for Chang 7 shale， central Ordos Basin

研究区页岩，氧碳原子比（O/C）数值范围为0.08 ~0.19，平均为0.14；氢碳原子比（H/C）数值范围为0.81 ~1.88，平均数值1.39。在有机质类型判别图版上，样品涵盖了Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型有机质。其中，Ⅱ1型有机质的数量最多，Ⅱ1型有机质数量占样品总数的43 %；其次为Ⅰ型有机质和Ⅱ2型有机质；Ⅲ型有机质较少，只有1个样品（图4）。

图4

图4   鄂尔多斯盆地中部长7段页岩有机质类型分布

Fig.4   Organic matter types of Chang 7 shale， central Ordos Basin

2 元素测量

能量色散X射线荧光技术的缺点是分辨率低且存在显著的检测限。然而，近10年来，薄窗检测器、微型X射线管、微型准直器、脉冲电路以及信号处理得到全面发展，能量色散X射线荧光技术已经成熟有效。值得注意的是，主要元素和微量元素对能量信号的敏感度不一样，因而在测试过程中需要有针对性的选择能量配置。

本次对元素的测量采用配备铑X射线管的能量色散X射线荧光分析仪（Bruker TRACER Ⅲ-Ⅴ ED-XRF）。采用同一方法针对主要元素和微量元素开展测量，即将样品打磨为平整切面，将测量仪竖直放置（使得射线竖直向上发射），将样品置于测量仪上（射线发射口照射样品切面）。测量过程中，保证样品的平整切面完全紧贴于仪器的测量面，若两者非彻底接触则导致X射线信号衰减而产生误差。每个样品需分别在高能量条件和低能量条件下测量。高能量条件测量的元素包括钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、镓（Ga）、砷（As）、铅（Pb）、钍（Th）、铷（Rb）、铀（U）、锶（Sr）、钇（Y）、锆（Zr）、铌（Nb）和钼（Mo）；低能量条件测量的元素包括钠（Na）、镁（Mg）、铝（Al）、硅（Si）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、钛（Ti）、锰（Mn）、铁（Fe）、钡（Ba）、钒（V）、铬（Cr）。

低能量条件即真空条件下，电压15 kV、电流23 μA状态，有效照射时间60 s。高能量条件即采用增加Al-Ti-Cu过滤器，电压40 kV、电流11.6 μA状态，有效照射时间60 s。在实验过程中，当设置电压为一恒定数值电压时、不同测量仪器由于硬件配置的差异会导致其设定电流出现一定的偏差。因此，在进行波普校正或者数据分析前，需要对仪器进行合理优化。本次实验中，仪器射线束的界面面积为3 mm × 4 mm（直径），为了使得照射点能够最大限度地反映样品的真实情况，在进行每个照射点测量时，可对同一点进行多次测量或者选择均质性较好的部位进行测量。对于Bru⁃ker TRACER Ⅲ-Ⅴ ED-XRF仪器，低能谱的计数率应该低于13 000原始计数/s（本次设置为12 000原始计数/s），高能谱的计数率可设置于1 500～2 000原始计数/s（本次设置为1 700原始计数/s）。测量完成后，利用仪器自带的Bruker AXS校正软件可进行能谱分析。

对21个页岩样品开展了主要元素和微量元素的测试工作。不同样品中的元素含量存在较大差异，但As，Mo，U，Sr和Ba 5种元素的相对含量明显较高。其中，As的数值范围为（5.93～50.25）×10-6，平均数值为16.88 × 10-6；Mo的数值范围为（0.19～7.03） × 10-6，平均数值为2.75 × 10-6；U的数值范围为（2.09～17.54） × 10-6，平均数值为7.57 × 10-6；Sr的数值范围为（303.15～508.52） × 10-6，平均数值为391.40 × 10-6；Ba的数值范围为（636.97～4 775.12） × 10-6，平均数值为1 622.07 × 10-6（表1）。

表1   鄂尔多斯盆地中部长7段页岩元素含量数值

Table 1  Statistics of measured elements in Chang 7 shale， central Ordos Basin