李曉路，杜永慧，陳義國，李廣濤，吳 鳳，王 超，李紅進，杜克鋒

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710065)

0 引言

隨著致密油藏勘探開發(fā)技術的廣泛推廣，延安南部地區(qū)長8段致密油藏勘探陸續(xù)獲得突破，目前已發(fā)現(xiàn)的致密油地質儲量超過1×108t，促使該地區(qū)成為延長油田現(xiàn)實的資源接替區(qū)。長9段頂部發(fā)育的黑色頁巖具有較強的生烴能力和排烴能力，是延長組一套重要烴源巖[1]。前人的研究表明，長9段頂部的頁巖與長8段的原油具有親緣性，同時其發(fā)育規(guī)模及分布對長8段致密油的富集具有一定的控制作用[2-5]。鑒于長9烴源巖對該地區(qū)致密油成藏的重要影響，開展長9段頂部頁巖古沉積環(huán)境的研究非常必要。該研究利用巖心以及野外露頭的頁巖樣品的元素分析測試結果，進行元素地球化學特征、古氣候、古氧化還原條件、古鹽度、古水深以及古湖泊生產(chǎn)力等方面的分析，明確延安南部長9段頂部的頁巖的形成條件及發(fā)育模式，有助于評價研究區(qū)優(yōu)質烴源巖的發(fā)育區(qū)，進一步擴大長8致密油的勘探規(guī)模，同時促進延長組湖盆沉積演化的認識。

1 地質概況

延安南部地區(qū)處于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東南部，三疊系延長組時期以湖泊三角洲沉積為主[6]。長9晚期湖盆快速沉降，迅速擴張，延安南部的甘泉—富縣地區(qū)長9段頂部發(fā)育了一套富有機質頁巖，巖性主要為黑色、灰黑色頁巖及粉砂質泥巖，厚度約為5～25 m。研究區(qū)北部頁巖發(fā)育厚度較大，向南部減薄，直羅—富縣一帶厚僅為5～10 m。延安南部長9段頂部頁巖展布圖及地層特征如圖1所示。根據(jù)研究區(qū)內頁巖地球化學分析測試結果顯示，長9段頂部頁巖的有機碳含量較高，生烴潛力大，TOC均值為5.1%，(S1+S2)平均為6.7 mg/g，可達優(yōu)質烴源巖級別[7]。

圖1 延安南部長9段頂部頁巖展布圖及地層特征圖Fig.1 Distribution map and stratigraphic characteristics of shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

2 樣品采集與分析

該研究進行了野外剖面和巖心取樣，共采集8個巖心樣品和3個新鮮巖石樣品。主量元素和微量元素測試均由西北大學大陸動力學國家重點實驗室測試完成，分析儀分別為XRF熒光光譜儀(ZSX PrimusIII+)和電感耦合等離子體質譜儀(Agilent7900)，流程遵照GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法》第28部分對16個主次成分量測定，遵照標準GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法》第30部分對40個元素量測定。

3 分析測試結果

3.1 主量元素特征

延安南部長9段頂部頁巖主量元素含量見表1。分析結果表明：SiO2含量較高，為54.75%～70.07%，平均值為63.96%；Al2O3含量次之，為11.98%～15.84%，平均值為13.77%；TFe2O3含量為2.70%～7.29%，平均值為5.10%；MgO含量為1.54%～4.49%，平均值為2.26%；Na2O含量為2.14%～4.41%，平均值3.25%；CaO含量為1.10%～6.32%，平均值為2.95%；K2O含量為1.19%～3.52%，平均值為2.56%；其他氧化物(MnO和TiO2)含量小于1%，燒失量為1.77%～9.14%，平均值為5.09%。分析結果與上地殼均值(UCC)[8]對比，TFe2O3，P2O5和MnO相對富集，其余元素相對虧損。TFe2O3和P2O5相對富集較高，表明長9段頂部頁巖沉積時期無機鹽類含量較高。

表1 延安南部長9段頂部頁巖主量元素含量Table 1 Contents of major elements in shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

3.2 微量元素特征

延安南部長9段頂部頁巖微量元素含量見表2。測試結果表明：長9段頂部頁巖中不同類型微量元素含量差異較大。Sr含量為50.33×10-6～374.37×10-6，平均值為178.01×10-6；V含量為31.65×10-6～105.51×10-6，平均值為75.59×10-6；Rb含量為39.60×10-6～247.15×10-6，平均值為102.18×10-6；Ba含量為227.66×10-6～875.46×10-6，平均值為575.76×10-6；Ni含量為12.65×10-6～34.97×10-6，平均值為22.57×10-6；Co含量為10.34×10-6～19.35×10-6，平均值為14.44×10-6。通過與上地殼元素平均值對比，Rb，U和Th較為富集，Co和Ba與上地殼元素平均值相當，其他元素如Sc和Cr等表現(xiàn)為相對虧損。

表2 延安南部長9段頂部頁巖微量元素含量Table 2 Contents of Trace elements in shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

4 沉積古環(huán)境分析

沉積物中地球化學元素具有相對的穩(wěn)定性，在古環(huán)境分析中應用廣泛，已在多個盆地取得較好的成果和認識[9-12]。利用元素地球化學的測試結果，對延安南部地區(qū)長9段頂部頁巖沉積時期的古氣候、古氧化還原條件、古鹽度和古水深進行分析，并對古湖泊的初級生產(chǎn)力進行半定量計算。

4.1 古氣候

古氣候是判斷沉積環(huán)境的重要指標。該文依據(jù)樣品中的CaO和MgO等常量元素分析結果，運用CaO/(MgO·Al2O3)值的方法，對比前人對延長組古氣候研究成果，分析長9段頂部頁巖沉積時期的古氣候特征。沉積物中的CaO/(MgO·Al2O3)值可以較為靈敏反映湖泊內生碳酸鈣的含量，進而根據(jù)其高低值來指示氣候的溫暖和寒冷[13]。延安南部長9段頂部頁巖古沉積環(huán)境分析參數(shù)見表3。長9段頂部頁巖樣品的CaO/(MgO·Al2O3)為0.046～0.337，平均值為0.116。前人研究得出的長7段CaO/(MgO·Al2O3)平均值為0.112，長6—長1段平均值為0.148[9]，通過對比，長9段頂部頁巖沉積時期的氣溫與長7段沉積時期相接近，但低于長6—長1段沉積時期，整體為溫暖、濕潤的氣候特征。

表3 延安南部長9段頂部頁巖古沉積環(huán)境分析參數(shù)表Table 3 Analysis parameters of paleo-sedimentary environment of shale at the top of Chang9Member in southern Yan’an

4.2 古氧化還原條件

微量元素中V/(V+Ni)及δU等參數(shù)常用于判斷水體的氧化還原環(huán)境[12,14-15]。V/(V+Ni)>0.77為缺氧、極貧氧環(huán)境，0.60～0.77 為貧氧、次富氧環(huán)境，小于0.6 為富氧環(huán)境[16]。δU>1為缺氧環(huán)境，δU<1為正常水體環(huán)境[17-18]。研究區(qū)樣品的V/(V+Ni)為0.66～0.87，平均值為0.75，對比前人確定的V/(V+Ni)的區(qū)間值，本次的樣品點位于缺氧環(huán)境和貧氧環(huán)境2個區(qū)間，說明取樣范圍內氧化條件存在差異，但是整體為貧氧環(huán)境。同時，樣品δU為0.55～1.09，平均值為0.85，僅有部分樣品為缺氧環(huán)境。綜合表明研究區(qū)長9段頂部頁巖沉積時期的氧化還原條件整體為弱還原環(huán)境。

4.3 古鹽度條件

Sr含量和Sr/Ba比值可用來判別水體的古鹽度[19]。前人研究設定泥頁巖中Sr含量為100×10-6～300×10-6的為淡水環(huán)境，300×10-6～800×10-6為半咸水環(huán)境，大于800×10-6為咸水環(huán)境[20]；Sr/Ba比值大于1為海相，0.5～1.0為半咸水相，小于0.5為微咸水或淡水環(huán)境[21]。根據(jù)測試結果，長9段頂部頁巖的Sr含量為50.00×10-6～374.37×10-6，平均值為178.01×10-6，大部分樣品測試值小于300×10-6，表明樣品沉積期為淡水環(huán)境。同時，樣品的Sr/Ba比值為0.07～0.62，平均值為0.34，整體小于0.5(見表3)，也表明樣品沉積期為微咸水或淡水環(huán)境。綜合上述2項指標，判定研究區(qū)長9段頂部頁巖沉積期為淡水-微咸水的水體性質。

4.4 古水深條件

鄂爾多斯湖盆長9晚期湖泛規(guī)模小，水體整體較淺，局部水體較深[22]。根據(jù)研究區(qū)長9段頂部頁巖發(fā)育厚度以及在頁巖中發(fā)現(xiàn)的葉肢介化石(如圖1所示)，初步認為研究區(qū)長9段頂部頁巖沉積水體為淺湖-半深湖，但缺乏定量的研究。周瑤琪等提出利用Co含量計算沉積時期沉積物的沉積速率，進而估算沉積環(huán)境古水深的方法[23]，其計算公式如下：

Vs=Vo×NCo/(SCo-t×TCo)

(1)

(2)

式中：H為最大古水深，m；Vs為樣品沉積時的沉積速率；Vo為正常湖泊中沉積物的沉積速率，150～300 m/Ma；SCo為樣品中Co的豐度；NCo為正常湖泊沉積物中Co的豐度，20×10-6；TCo為物源中Co豐度，4.68×10-6；t為物源對樣品的Co的貢獻值，使用樣品中的La與陸源碎屑中La(38.9×10-6)的比值代替。

通過上述方法估算所得(見表3)，長9段頂部頁巖沉積時期最大古水深為20.6～58.3 m。雖然研究區(qū)大部分樣品點估算的最大古水深數(shù)值大于20 m，但是依然存在少量樣品點計算結果偏小的情況，整體可認為研究區(qū)長9段頂部頁巖沉積期為淺湖-半深湖環(huán)境。

4.5 古湖泊生產(chǎn)力

古湖泊生產(chǎn)力是判斷古湖泊沉積物是否具備生烴潛力的依據(jù)[24]。為了分析長9段頂部頁巖沉積時期的古環(huán)境以及生烴潛力，根據(jù)劉慧民等推導出來的半定量估算古生產(chǎn)力的公式[25]計算如下：

式中：R為古生產(chǎn)力，g/m2a；C為總有機碳含量，%；Vs為沉積速率，cm/ka；ρs為沉積物密度，g/m3。

研究區(qū)巖心樣品有機碳含量C的平均值為5.1%，孔隙度φ平均值為0.79%[26]；密度采用研究區(qū)長9段頂部頁巖測井結果，為2.4 g/m3，沉積速率利用Co推算的數(shù)值；估算得到研究區(qū)長9段頂部頁巖沉積期的古湖泊生產(chǎn)力為963.1～1 251.4 g/m2a(見表3)，表明該時期古湖泊生產(chǎn)力較高，為富營養(yǎng)型湖泊。

5 古環(huán)境恢復的地質意義

長9晚期湖盆快速沉降，迅速擴張，為延長組湖盆初期沉降階段，湖盆的發(fā)育范圍及水深均小于長7期[1]。文中利用延安南部地區(qū)樣品Co估算得出的古水深數(shù)值也證實了上述觀點，同時還發(fā)現(xiàn)長9段頂部頁巖沉積時期水體深度變化大，局部可能存在淺水環(huán)境。V/(V+Ni)和δU等參數(shù)計算結果顯示，樣品沉積時期的水體環(huán)境為弱還原性，有機質的保存條件一般。然而運用CaO/(MgO·Al2O3)比值的方法表明該時期為溫暖濕潤的氣候特征，生物繁盛，雨水充沛，適宜藻類等低等生物的生長，同時測試結果顯示無機營養(yǎng)鹽含量較高，推測為沉積時期周圍火山活動所致，大量的火山灰不僅為藻類等低等生物的生長提供營養(yǎng)物質，同時也為有機質的保存提供有利條件[22]。

長9段頂部頁巖的發(fā)育主要受氣候、水深以及火山的影響。良好的氣候以及火山活動利于形成較高的古湖泊生產(chǎn)力，有機質快速沉積，形成相對缺氧的環(huán)境，彌補了沉積時期水體還原性弱的不利條件，同時淺湖-半深湖的水體深度是有機質大量堆積的區(qū)域。在淺湖區(qū)域，陸源有機質輸入較多，水體氧氣含量高，但在藻類大量死亡的時期，水體為弱還原性，主要發(fā)育有機質含量較低的深灰色泥巖以及形成薄層的黑色頁巖，巖心中可見高等植物碎片、葉肢介等生物化石。在半深湖區(qū)域，陸源有機質較少，藻類等低等生物在該區(qū)域大量堆積，水體還原性強，有機質保存條件較好，主要發(fā)育黑色頁巖，有機質含量高，厚度大，同時也是優(yōu)質烴源巖主要分布區(qū)域。

長9段晚期的沉積環(huán)境的變化為有機質頁巖的發(fā)育提供了必要條件，同時也為后期三角洲砂體的堆積提供了可容納空間。長8段下部的三角洲前緣砂體直接沉積在長9段頂部頁巖上，大量致密砂巖與烴源巖緊鄰，為長8段致密油成藏奠定了基礎。

6 結論

1)延安南部長9段頂部頁巖沉積期為溫暖、濕潤的氣候，與長7段氣候相近，沉積水體為淡水-微咸水水體，整體為弱還原性。估算得出古湖泊的最大水深為20.6～58.3 m，為淺湖-半深湖，且具備較高的古湖泊生產(chǎn)力，為富營養(yǎng)型湖泊。

2)長9段頂部頁巖的發(fā)育主要受氣候、水深以及火山的影響，在半深湖區(qū)域發(fā)育較厚的有機質頁巖，形成了優(yōu)質的烴源巖，為延安南部長8段致密油成藏奠定了基礎。