張艷妮，李榮西，席勝利，姚涇利，黃何鑫，趙幫勝，吳小力，楊玲

(1.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安，710054；2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安，710018；3.陜西省地質(zhì)調(diào)查實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安，710068)

頁巖氣是頁巖中的有機(jī)質(zhì)通過生物成因和/或熱成因過程生成的一種非常規(guī)天然氣資源，頁巖既是烴源巖又是儲(chǔ)層和蓋層[1]。中國南方四川盆地晚奧陶世五峰組—早志留世龍馬溪組頁巖氣已大規(guī)模開發(fā)，開辟了我國頁巖氣商業(yè)性開發(fā)的先河。我國北方鄂爾多斯盆地西緣發(fā)育一套厚度較大的中晚奧陶世海相頁巖，這套頁巖與四川盆地下古生界頁巖相比具有較大差異，發(fā)育藻類體和多種硅質(zhì)生物，頁巖硅質(zhì)礦物含量較高但有機(jī)質(zhì)豐度卻低，一直以來不被重視。長慶油田近年來在鄂爾多斯盆地西緣的多口探井在烏拉力克組獲得低產(chǎn)氣流，其中忠平1 井和忠4 井分別獲得6.42×104m3/d和4×104m3/d 的工業(yè)氣流[2-3]，盆地西緣頁巖氣勘探取得突破性進(jìn)展，表明這套頁巖雖然有機(jī)質(zhì)豐度低，但可以生烴，是一套有效的海相烴源巖。已有研究表明頁巖氣富集高產(chǎn)受沉積環(huán)境、儲(chǔ)層發(fā)育程度、保存條件及地層壓力等因素控制[1-2]。目前這套頁巖研究程度較低，僅集中在沉積相，儲(chǔ)層特征及生烴潛力方面[2-4]，關(guān)于其沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)形成條件及TOC 低的原因一直沒有研究。有機(jī)質(zhì)不僅是油氣生成與成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且也是頁巖中吸附氣的重要載體，其形成取決于生烴母質(zhì)的生存環(huán)境和保存條件，只有恢復(fù)頁巖發(fā)育時(shí)的沉積環(huán)境才能明確有機(jī)質(zhì)的富集機(jī)制。同時(shí)，分析頁巖沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)形成機(jī)理，對預(yù)測頁巖氣橫向“甜點(diǎn)區(qū)”和縱向“甜點(diǎn)段”的分布有一定指導(dǎo)意義。

有機(jī)質(zhì)富集是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，影響頁巖有機(jī)質(zhì)富集的因素總結(jié)起來分為兩大類：古生產(chǎn)力因素，包括熱液流體、火山作用、碎屑(營養(yǎng))物質(zhì)的供給、古氣候等；保存條件因素，包括氧化還原條件、古鹽度等。一直以來存在兩種觀點(diǎn)之爭，有的學(xué)者認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的富集主要受烴源巖形成時(shí)初級生產(chǎn)力的控制[5]，還有學(xué)者認(rèn)為保存條件才是影響有機(jī)質(zhì)富集的主控因素[6]。由于有機(jī)質(zhì)富集所涉及的因素較多，過程復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)的形成和保存都不是單一因素造成的，因此，需要從多角度重建烴源巖發(fā)育時(shí)的沉積環(huán)境。

本文作者以鄂爾多斯盆地西緣兩口典型鉆井烏拉力克組頁巖巖心為研究對象，在巖相學(xué)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用有機(jī)地球化學(xué)和沉積地球化學(xué)方法，通過恢復(fù)烏拉力克組頁巖的沉積環(huán)境，探討有機(jī)質(zhì)形成與古環(huán)境之間關(guān)系，揭示該套頁巖的有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制問題，以期對查明研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布及預(yù)測頁巖氣有利勘探區(qū)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

位于華北克拉通西部的鄂爾多斯盆地是我國第二大含油氣盆地，多層系多類型的油、氣、煤和鈾礦等多種能源礦產(chǎn)資源十分豐富，是我國目前最大的能源生產(chǎn)基地之一。鄂爾多斯盆地西緣位于華北克拉通與阿拉善地塊、賀蘭山-六盤山構(gòu)造帶結(jié)合部位，研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北部，呈南北向展布(圖1)，面積約6×104km2。本區(qū)經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造演化過程[7]，早奧陶世之前，作為鄂爾多斯盆地一部分與華北地塊沉積和構(gòu)造演化特征基本一致。早奧陶世早期開始，伴隨著鄂爾多斯盆地與華北地塊沉積演化出現(xiàn)的明顯分異，在沉積環(huán)境、地層發(fā)育及巖性等方面存在差異[8]。中晚奧陶世，鄂爾多斯盆地內(nèi)部構(gòu)造沉積差異演化更加顯著，鄂爾多斯盆地本部開始隆升，結(jié)束了早古生代沉積，而盆地西緣和南緣大幅沉降，形成L形的邊緣海，沉積了一套厚度較大的中晚奧陶世深水相泥頁巖。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造簡圖Fig.1 Simplified structural map of the Ordos Basin

盆地西緣發(fā)育的這套頁巖(西緣中北段稱為烏拉力克組，對應(yīng)于西緣南段的平?jīng)鼋M下段)作為潛在烴源巖，一直以來都是研究的重點(diǎn)。該頁巖在盆地西緣厚度從東到西逐漸增大，20～120 m不等，埋深較大，一般為1 500～4 700 m，整體呈現(xiàn)北深南淺的特征。野外露頭僅見于盆地西緣北段烏海桌子山剖面、南緣平?jīng)鲢y洞官莊剖面及平?jīng)鰯嗔岩晕鲄^(qū)域。頁巖整體具有“三高四低一深”的特點(diǎn)[2]，即高成熟度、高脆性、高滲透率、低豐度、低含氣量、低孔隙度、低壓及埋深大。目前勘探結(jié)果認(rèn)為，盆地西緣中北段為頁巖氣勘探有利區(qū)，而南段熱演化程度低，僅為頁巖氣勘探遠(yuǎn)景區(qū)?？v向上有利烴源巖主要分布在烏拉力克組底部的20～30 m。關(guān)于這套頁巖的沉積相略有爭議，從東到西依次為斜坡—陸棚—盆地及海槽等幾種認(rèn)識(shí)[4,9-10]，無論如何，整體上鄂爾多斯盆地西緣從東到西水體逐漸變深，沉積相從斜坡區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為深水沉積區(qū)。

研究區(qū)奧陶系自下而上發(fā)育下奧陶統(tǒng)三道坎組、中奧陶統(tǒng)桌子山組和克里摩里組，中上奧陶統(tǒng)烏拉力克組和上奧陶統(tǒng)拉什仲組。三道坎組以灰白色白云巖為主，含少量灰?guī)r；桌子山組為淺灰色厚層泥灰?guī)r；克里摩里組主要為深灰色厚層泥灰?guī)r夾薄層泥晶灰?guī)r和蟲孔灰?guī)r；烏拉力克組以深灰色、灰黑色含筆石泥頁巖為主，部分層位發(fā)育灰?guī)r夾層；拉什仲組由一套厚度為10～20 m的石灰?guī)r夾頁巖組成。

2 樣品采集及測試方法

本次研究采集了鄂爾多斯盆地西緣中上奧陶統(tǒng)烏拉力克組斜坡相兩口鉆井巖心的頁巖樣品(圖2)，由于之前研究普遍指出烏拉力克組產(chǎn)氣層位于該組的底部[2,9]，因此，本次采樣集中于烏拉力克組中下部，開展巖石總有機(jī)碳(TOC)分析、全巖和黏土礦物含量分析、有機(jī)顯微組分和瀝青反射率測定以及主量、微量及稀土元素分析。

圖2 烏拉力克組頁巖采樣柱狀圖(右上角圖引自文獻(xiàn)[4])Fig.2 Distribution of the Wulalike samples on lithologic columns(the figure on the upper right is quoted from Ref.[4])

TOC、礦物含量分析、顯微組分和瀝青反射率測定在長江大學(xué)石油天然氣資源技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。TOC分析使用Leco CS-400碳硫分析儀測量CO2體積以估算TOC含量。使用PW1730型X 射線衍射儀對樣品進(jìn)行礦物含量分析，利用Origin 8.5 軟件，根據(jù)衍射圖對礦物類型及其含量進(jìn)行鑒定和定量分析。利用頁巖特制的巖石光片，應(yīng)用Leica DM4500 顯微鏡(50 倍物鏡)在油浸反射光下對頁巖中有機(jī)顯微組分進(jìn)行鑒定，并在Leica DM4500P 偏光顯微鏡上搭載MPS200 熒光光度計(jì)，進(jìn)行瀝青反射率測試。

頁巖樣品主量、微量及稀土元素測試在長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。主量元素分析使用日本島津Lab Center XRF-1800型X射線熒光光譜儀測試，微量及稀土元素使用美國熱電X-7型電感耦合等離子質(zhì)譜儀測試，主量、微量及稀土元素測試的數(shù)據(jù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3%。

3 頁巖巖相特征

3.1 礦物組成

烏拉力克組頁巖礦物主要以石英和黏土為主，其次為碳酸鹽巖礦物(表1和圖3)，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，在26.7%～62.0%之間，平均為47.5%。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6%～36.0%，平均為24.9%，主要由伊蒙混層和伊利石組成。鐵白云石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.9%，方解石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%。黃鐵礦平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%，其余礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于2%(表1和圖3)。

圖3 烏拉力克組頁巖礦物組成及黏土礦物組成Fig.3 Mineral and clay compositions of the Wulalike shale samples

3.2 巖相類型

頁巖巖相的劃分分案有多種，本文以巖石礦物組成劃分巖相類型，依據(jù)石英+長石+黃鐵礦、黏土礦物和碳酸鹽巖礦物三端元含量圖解法建立分類模版[11]。在三角圖中，以端元礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的50%為界限，共劃分出4大類巖相類型，分別為硅質(zhì)頁巖相、鈣質(zhì)頁巖相、泥質(zhì)頁巖相和混合頁巖相(圖4)。研究區(qū)所采樣品屬于硅質(zhì)頁巖相和混合頁巖相(表1和圖4)。

圖4 頁巖巖相類型判別圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.4 Ternary diagram of shale lithofacies types

表1 烏拉力克組頁巖樣品礦物成分分析結(jié)果Table 1 XRD mineralogy results of the Wulalike Formation shale samples

1) 硅質(zhì)頁巖。該類巖石的石英+長石+黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%，黏土礦物和碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%，巖性以黑色—灰黑色生物硅質(zhì)頁巖為主，含少量碎屑硅質(zhì)頁巖，巖層面可見較多筆石化石，筆石形態(tài)完整(圖5(a))，黃鐵礦呈不規(guī)則星點(diǎn)狀分布在巖層面(圖5(b))，發(fā)育硅質(zhì)條帶(圖5(c))，顯微鏡下可以識(shí)別出多種不同形態(tài)的硅質(zhì)生物，含量最多的為藻類(圖5(d))，其直徑為100～200 μm，放射蟲(圖5(e))和海綿骨針(圖5(f))含量略少。

2) 混合頁巖。該類巖石的石英+長石+黃鐵礦、黏土礦物和碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于50%，但碳酸鹽巖和黏土礦物含量明顯較高，石英主要以陸源碎屑成因?yàn)橹?，生物成因硅質(zhì)較少見，碎屑石英呈次棱角狀，分選性差，以細(xì)粉砂漂浮狀分布在黏土礦物中(圖5(g))。巖石中脈體除黃鐵礦外，還有方解石脈(圖5(h))。手標(biāo)本和顯微鏡下均可見鈣質(zhì)紋層構(gòu)造或水平層理(圖5(i))，指示了低能靜水的沉積環(huán)境。

圖5 烏拉力克組頁巖巖相學(xué)特征Fig.5 Petrographic characteristics of the Wulalike shale

4 地球化學(xué)特征

4.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

1) 有機(jī)質(zhì)豐度。有機(jī)質(zhì)豐度是頁巖氣評價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo)，它作為頁巖生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定了頁巖的生烴強(qiáng)度。研究區(qū)樣品TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體偏低，介于0.37%～1.54%之間，平均值為0.85%(表2)。席勝利等[2]研究發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地西緣忠平1 井烏拉力克組頁巖TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均僅為0.49%。

2) 有機(jī)質(zhì)類型。烏拉力克組頁巖有機(jī)質(zhì)組分以腐泥組、固體瀝青和筆石碎屑?xì)埰瑸橹?表3)，腐泥組主要包括層狀藻類體、結(jié)構(gòu)藻類體和瀝青質(zhì)體，有機(jī)質(zhì)類型為I型。

3) 有機(jī)質(zhì)成熟度。鏡質(zhì)體反射率(Ro)是評估有機(jī)質(zhì)成熟度的重要指標(biāo)，由于下古生界烴源巖中缺少鏡質(zhì)組，因此，本文利用瀝青反射率(Rb)轉(zhuǎn)化為等效鏡質(zhì)體反射率(Requ)來評價(jià)有機(jī)質(zhì)成熟度，換算公式為Requ=0.618×Rb+0.400[12]，研究區(qū)頁巖的Requ為1.18%～1.53%，平均為1.42%(表3)，表明熱演化進(jìn)入高成熟階段。

表2 頁巖樣品的TOC及氧化物分析結(jié)果Table 2 Results of TOC and major oxide in shale samples

表3 頁巖樣品的有機(jī)顯微組分及Rb分析結(jié)果Table 3 Microscopic constituents of organic matter and Rb of shale samples

4.2 沉積地球化學(xué)特征

1) 主量元素。頁巖中主量元素以氧化物的形式呈現(xiàn)，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，從48.34% 到78.55%，平均值為62.33%，其次為Al2O3和CaO，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.86%～12.64%(平均值為9.62%)和2.11%～16.07%(平均值為7.21%)，其余氧化物含量均低于5%(表2)。由于本文研究對象為頁巖，因此，元素含量分析均與澳大利亞后太古宙頁巖(PAAS)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化對比，若比值大于1，表明該元素富集，若比值小于1，表明該元素虧損。經(jīng)PAAS標(biāo)準(zhǔn)化后[13]，SiO2，MgO和K2O既不虧損也不富集，CaO 強(qiáng)烈富集，結(jié)合巖石礦物成分分析認(rèn)為，礦物中碳酸鈣含量較高。TiO2，Al2O3，TFe2O3和MnO 均略微虧損(圖6(a))，Ti 和Al 元素抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，一般來自于陸源物質(zhì)[13]，Al2O3和TiO2的虧損，表明研究區(qū)陸源物質(zhì)輸入較少。

2) 微量元素。選擇的微量元素含量見表4，經(jīng)PAAS 標(biāo)準(zhǔn)化后[13]，只有Mo 強(qiáng)烈富集，其余元素V，Zr，Ba，Cr，Co，Ni 和Sc 均處于虧損狀態(tài)，其中Zr，Ba和Cr較強(qiáng)烈虧損(圖6(b))。

表4 頁巖微量元素和部分稀土元素分析結(jié)果Table 4 Results of trace elements and partial rare earth elements of shale samples

圖6 頁巖樣品主量元素標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖和微量元素標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖Fig.6 Major elements distribution pattern and trace elements distribution pattern of shale samples

5 討論

5.1 熱液及火山活動(dòng)

地下高溫?zé)嵋毫黧w可攜帶來自幔源和深部地殼的鎂鐵巖/超鎂鐵巖中的鐵錳等金屬元素，使浮游植物大量繁盛，同時(shí)容易從地下熱流體中淋濾出Eu2+，使巖石具有明顯的正Eu異常。YAMAMOTO[14]提出可以用Al-Mn-Fe三元圖判斷硅酸鹽礦物是否受到熱液影響。所有樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于非熱液區(qū)(圖7)，表明未受到熱液影響。一般稀土元素的δw(Eu)＞1也可指示熱液流體活動(dòng)[15]。所有樣品的δw(Eu)均小于1(表5)，這也表明樣品未受到熱液影響。

表5 烏拉力克組頁巖地球化學(xué)指標(biāo)分布表Table 5 Geochemical indexes of the Wulalike samples

圖7 Al-Mn-Fe三角圖法(底圖據(jù)文獻(xiàn)[14])Fig.7 Al-Mn-Fe ternary plot(the base plot is taken from Ref.[14])

我國含油氣盆地在主力烴源巖發(fā)育期間，大多伴隨火山活動(dòng)，火山灰里含有多種生物生長所需元素，飄入水體中的火山灰，具有施肥或加營養(yǎng)作用，使水體中的微生物在短期內(nèi)勃發(fā)生長。研究區(qū)2口鉆井烏拉力克組全井段取樣未見火山物質(zhì)，而在位于鄂爾多斯盆地西北緣盆地相的桌子山野外露頭剖面烏拉力克組頂部見一層厚度為2～5 cm 的凝灰?guī)r層[16]，已有研究表明該套火山物質(zhì)來自于鄂爾多斯盆地西南緣的北祁連或北秦嶺海，且凝灰?guī)r分布范圍和厚度從鄂爾多斯盆地西南向向北東向逐漸減弱[16]，火山作用可能只影響到盆地西緣靠近邊緣的盆地相沉積，未波及到盆地西緣相對靠內(nèi)側(cè)的斜坡相，或者研究區(qū)即使受到火山作用，其影響也很小。

5.2 古氣候

古氣候?qū)Τ练e環(huán)境具有重要影響，也對于烴源巖的形成有重要意義?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA(chemical index of alteration)作為判斷巖石化學(xué)風(fēng)化程度的指標(biāo)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于反映古氣候，其表達(dá)式通常為[17]

式中：ICIA為化學(xué)蝕變指數(shù)；w(CaO*)為硅酸鹽中的w(CaO)，不包括碳酸鹽和磷酸鹽等礦物中的鈣，w(CaO*)的計(jì)算方法為：若w(CaO)-w(P2O5)×10/3小于w(Na2O)，則w(CaO*)等于w(CaO)；反之，w(CaO*)等于w(Na2O)。當(dāng)CIA 為50～60，60～80 和80～100 時(shí)表明沉積物經(jīng)歷了較弱、中等和強(qiáng)烈程度的化學(xué)風(fēng)化，分別代表寒冷干燥、溫暖濕潤和炎熱潮濕的古氣候[18]。

研究區(qū)烏拉力克組頁巖樣品的CIA 在56.84 到74.15，平均值為66.34(表5)，大部分樣品的CIA落在溫暖濕潤區(qū)(圖8)，B 井CIA 從烏拉力克組底部向上有略微減小的趨勢，但這種變化很微弱，而C井的CIA 縱向分布很穩(wěn)定(圖9)，說明烏拉力克組沉積期氣候穩(wěn)定，總體以溫暖濕潤為主。

圖8 烏拉力克組頁巖古氣候判別圖Fig.8 Paleoclimate discrimination diagrams of the Wulalike samples

5.3 古生產(chǎn)力

生產(chǎn)力是指海洋通過同化作用產(chǎn)生有機(jī)物的能力，是海洋最重要的功能之一。海洋中浮游藻類是初級生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者，而大多數(shù)藻類生物具有硅質(zhì)骨骼，因此，常用生物硅含量作為古生產(chǎn)力的替代指標(biāo)之一。硅質(zhì)礦物成因按來源分一般有熱液、生物及陸源碎屑3種，前面分析表明烏拉力克組頁巖未受到熱液影響，因?yàn)檎J(rèn)為其硅質(zhì)礦物成因?yàn)樯锕韬完懺垂琛＠肏OLDAWAY等[19]提出的計(jì)算過量硅含量的方法(即從總的硅質(zhì)礦物中減去陸源碎屑硅，此處過量硅即為生物成因硅)，計(jì)算公式為

式中：w(Sitotal)表示沉積物樣品中的硅，w(Alsample)表示沉積物樣品中的鋁，[w(Si)/w(Al)]PAAS表示PAAS 中的w(Si)/w(Al)，采用WEDEPOHL[13]中的值，為3.11。用上述方法計(jì)算出樣品的生物SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為28.39%(表5)，低于四川盆地龍馬溪組頁巖的生物SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均值為45.51%[20])，表明烏拉力克組沉積期海水古生產(chǎn)力相對較低。在2口井中，硅質(zhì)頁巖層段中生物硅含量明顯比混合頁巖層中的高(圖9)，這與顯微鏡下觀察的結(jié)果一致，只是在B 井4 244～4 265 m 中，該段硅質(zhì)頁巖中生物硅含量出現(xiàn)略微波動(dòng)，認(rèn)為可能與該段的保存條件有關(guān)。

圖9 烏拉力克組古環(huán)境指標(biāo)縱向分布圖Fig.9 Vertical distribution graph of paleoenvironmental indicators of the Wulalike Formation

海洋中的BaSO4顆粒以自生為主，常形成于生產(chǎn)力較高的淺水區(qū)，且穩(wěn)定性強(qiáng)難分解，常用w(Ba)/w(Al)反映古生產(chǎn)力的高低[21]。美國加利福尼亞州中部(CCAL)的巖心樣品中w(Ba)/w(Al)為100～120，被認(rèn)為是在高古生產(chǎn)力條件下沉積的[21]。研究區(qū)烏拉力克組頁巖的w(Ba)/w(Al)介于44.09～61.69，平均值為51.01，明顯低于CCAL 地區(qū)巖心樣品的w(Ba)/w(Al)，表明研究區(qū)古生產(chǎn)力較低(表5)，與前面生物SiO2的計(jì)算結(jié)果一致。

5.4 氧化還原條件

某些微量元素的富集程度明顯受控于特定的氧化還原環(huán)境，因此這些元素富集程度可以判斷沉積環(huán)境的氧化還原條件。釩(V)屬于氧化還原敏感元素，容易向還原性的水體中遷移，相比之下，鉻(Cr)、鈧(Sc)和鈷(Co)比V 穩(wěn)定得多，屬于氧化還原弱敏感至不敏感元素，因此，常用這些元素的比值判別沉積物的氧化還原條件。一般來說，當(dāng)w(V)/w(Cr)＜2，代表常氧環(huán)境；當(dāng)2＜w(V)/w(Cr)＜4.25時(shí)，代表貧氧環(huán)境；而當(dāng)w(V)/w(Cr)＞4.25時(shí)，則代表厭氧的水體環(huán)境[22](表6)。w(V)/w(Sc)＜10，代表氧化環(huán)境，w(V)/w(Sc)＞10 代表還原環(huán)境[22](表6)。鎳(Ni)元素最初來源葉綠素，主要存在于生物體內(nèi)，當(dāng)生物死亡降解后，Ni 被釋放出來，通常在硫酸鹽還原環(huán)境下被黃鐵礦捕獲而固定在沉積物中[23]。當(dāng)w(Ni)/w(Co)＜2.5時(shí)，為常氧環(huán)境；當(dāng)2.5＜w(Ni)/w(Co)＜5 時(shí)，為貧氧環(huán)境；當(dāng)w(Ni)/w(Co)＞5時(shí)，為準(zhǔn)厭氧-厭氧硫化環(huán)境[23](表6)。

研究區(qū)烏拉力克組頁巖w(V)/w(Cr)為1.31～5.43，平均為2.12，表明貧氧的沉積環(huán)境。w(V)/w(Sc)為7.94～24.80，平均為12.70，代表還原環(huán)境。w(Ni)/w(Co)為1.63～4.93，平均為3.16，表示貧氧環(huán)境。在C井中，烏拉力克組硅質(zhì)頁巖的w(V)/w(Cr)和w(V)/w(Sc)明顯比上部的混合頁巖的大(圖9)，偏厭氧環(huán)境，該段頁巖TOC 明顯較高，說明保存條件對有機(jī)質(zhì)積累有一定影響。而在B 井的4 244～4 265 m段，w(V)/w(Cr)和w(V)/w(Sc)出現(xiàn)略微波動(dòng)(圖9)，但整體仍為貧氧環(huán)境。結(jié)合以上分析認(rèn)為烏拉力克組頁巖沉積于貧氧環(huán)境。

5.5 水體深度及受限程度

鄂爾多斯盆地西緣斜坡相位于B與C井之間的E102 井發(fā)現(xiàn)了海綠石(圖10)，它是一種海相水深指相化石，水深在150～500 m的淺海陸架是海綠石最適宜發(fā)育的區(qū)域[24-25]。傅力浦等[26]認(rèn)為，筆石、放射蟲和海綿骨針發(fā)育的生物相帶水深一般在200～600 m之間。結(jié)合研究區(qū)發(fā)育的生物組合及海綠石認(rèn)為，烏拉力克組沉積期為深水環(huán)境(水深為200～500 m)。

圖10 烏拉力克組頁巖中的海綠石Fig.10 Glauconite from the Wulalike shale

盆地水體與開闊海的連通程度對盆地內(nèi)表層水體的營養(yǎng)供應(yīng)具有重要影響。隨著水體局限程度增加，水體之間交換減弱，來自開闊海的還原性元素Mo 補(bǔ)給減少，導(dǎo)致沉積物中w(Mo)/w(TOC)降低，因此，通過w(Mo)/w(TOC)可判斷缺氧水體的受限程度。ALGEO 等[27]研究了黑海，F(xiàn)ramvaren 海灣、Cariaco 盆地和Saanich 水灣4 個(gè)內(nèi)陸盆地的水體環(huán)境，建立了w(Mo)-w(TOC)沉積模式圖以評估缺氧水體的受限程度(圖11)。研究區(qū)樣品投點(diǎn)集中落于強(qiáng)滯留受限環(huán)境附近(圖11)，表明在烏拉力克組沉積時(shí)水體經(jīng)歷了強(qiáng)烈受限條件。

圖11 烏拉力克組頁巖的沉積水體受限程度圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[27])Fig.11 Discrimination diagram of degree of water stagnancy of the Wulalike samples (the base plot is taken from Ref.[27])

5.6 有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制

研究區(qū)烏拉力克組古生產(chǎn)力低，且w(生物SiO2)和w(Ba)/w(Al)與w(TOC)無明顯相關(guān)性(圖12(a)和(b))，但是要特別注意的是，C井中樣品的w(TOC)整體較高，平均為1.16%，并且w(TOC)與w(生物SiO2)具有很高的相關(guān)性(R2=0.68，圖12(c))，說明生產(chǎn)力是控制有機(jī)質(zhì)富集的因素，只是研究區(qū)整體古生產(chǎn)力低，對有機(jī)質(zhì)的富集的貢獻(xiàn)不是很明顯，這也表明低生產(chǎn)力是導(dǎo)致烏拉力克組有機(jī)質(zhì)低的主要原因。

氣候影響物源的風(fēng)化強(qiáng)度，從而影響海水的化學(xué)條件。溫暖濕潤的氣候加速大氣中水汽的循環(huán)，增強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用，導(dǎo)致更多的地表徑流和營養(yǎng)物質(zhì)輸送至海洋，從而增強(qiáng)海洋古生產(chǎn)力。然而研究區(qū)陸源輸入整體偏低，因此烏拉力克組沉積期溫暖濕潤的氣候?qū)铀倌笌r風(fēng)化促進(jìn)陸源輸入影響很微弱，并且樣品的CIA 與w(TOC)無相關(guān)性(圖12(d))，也表明溫暖濕潤的氣候?qū)μ岣邽趵私M古生產(chǎn)力的作用微乎其微。

圖12 有機(jī)質(zhì)輸入因素Fig.12 Parameters of organic matter inputs

氧化還原條件是控制有機(jī)質(zhì)保存的重要因素，良好的保存條件有助于有機(jī)質(zhì)富集。研究區(qū)烏拉力克組沉積期海洋環(huán)境為貧氧，保存條件較好，氧化還原指標(biāo)w(V)/w(Cr)，w(Ni)/w(Co)和w(V)/w(Sc)與w(TOC)的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.32，0.51和0.31(圖13(a)，(b)和(c))，具有較好的相關(guān)性，表明烏拉力克組有機(jī)質(zhì)富集受氧化還原條件控制。

圖13 有機(jī)質(zhì)保存因素Fig.13 Parameters of preservation conditions

鄂爾多斯盆地西緣中—晚奧陶世處于中央古隆起西緣的坳陷帶中，雖然此時(shí)盆地西緣已演化為主動(dòng)大陸邊緣，但研究區(qū)緊鄰中央古隆起位于其西側(cè)，遠(yuǎn)離盆地西南緣的北祁連或北秦嶺海，沒有受到地殼深部熱流體影響，烏拉力克組頁巖發(fā)育于殘余邊緣海深水斜坡相沉積中，與沉積于深水陸棚相的五峰組—龍馬溪組高TOC頁巖相比，這兩套頁巖有機(jī)質(zhì)富集都受控于古生產(chǎn)力和保存條件雙重作用，而研究區(qū)烏拉力克組頁巖雖然具有較好的保存條件，但是古生產(chǎn)力低。海洋表層水體的初級生產(chǎn)力主要受控于營養(yǎng)物質(zhì)的輸入量。對比研究發(fā)現(xiàn)，晚奧陶世至早志留世揚(yáng)子板塊周緣發(fā)生多期次的火山活動(dòng)[28]，火山噴發(fā)產(chǎn)生的大量火山灰通過大氣循環(huán)廣泛傳播，落入海水后釋放大量的營養(yǎng)元素，使海洋表層生產(chǎn)力爆發(fā)式增長，盧志賢等[29]研究認(rèn)為多期次、廣泛的火山噴發(fā)是影響四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)濃度高的主要原因，而研究區(qū)在烏拉力克期距離火山噴發(fā)區(qū)遠(yuǎn)，目前尚未發(fā)現(xiàn)受到明顯火山活動(dòng)影響的證據(jù)。另外，研究區(qū)中晚奧陶世雖然距離物源隆起區(qū)近，但由于水體較深，陸源碎屑物質(zhì)輸入少，其帶來的營養(yǎng)元素含量也較少；而且烏拉力克組沉積期水體處于強(qiáng)滯留受限環(huán)境，來自開闊海和海底洋流帶來的營養(yǎng)物質(zhì)也較少，這也限制了表層海水古生產(chǎn)力的提高。烏拉力克期深水閉塞的貧氧環(huán)境促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的保存。古生產(chǎn)力和氧化還原條件共同控制有機(jī)質(zhì)的富集，古生產(chǎn)力整體較低導(dǎo)致頁巖有機(jī)質(zhì)含量低，而造成古生產(chǎn)力低的原因可能是烏拉力克組沉積期缺乏火山活動(dòng)和海底洋流及陸源物質(zhì)輸入少導(dǎo)致海洋表層水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度低所致。

6 結(jié)論

1) 鄂爾多斯盆地西緣斜坡相奧陶系烏拉力克組頁巖礦物組成以石英和黏土為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為47.5%和24.9%，巖相為硅質(zhì)頁巖相和混合頁巖相。

2) 頁巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(平均為0.85%)，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，熱演化達(dá)到高成熟階段(Requ平均為1.42%)，總體生烴潛力較低。

3) 古生產(chǎn)力指標(biāo)w(生物SiO2)和w(Ba)/w(Al)均指示烏拉力克組頁巖發(fā)育期表層海水的古生產(chǎn)力低；CIA指標(biāo)表明古氣候以溫暖濕潤為主；氧化還原指標(biāo)(w(V)/w(Cr)，w(V)/w(Sc)和w(Ni)/w(Co))及巖相學(xué)顯示烏拉力克期為深水的貧氧環(huán)境，且沉積期水體經(jīng)歷了強(qiáng)烈受限條件。

4) 烏拉力克組頁巖有機(jī)質(zhì)富集受控于古生產(chǎn)力和保存條件共同作用，有機(jī)質(zhì)含量低的主要原因是古生產(chǎn)力低，低的古生產(chǎn)力可能是沉積期研究區(qū)距離火山活動(dòng)較遠(yuǎn)、缺乏海底洋流和陸源物質(zhì)輸入較少引起的表層水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度較低所致。