陕西铜川地区延长组长7油页岩无机地球化学特征及古环境恢复

乔世海，李玉宏，郭 望，张云鹏，王 勇

(1.中国地质科学院，北京 100037；2.中国地质大学(北京)，北京 100037；3.中国地质调查局 西安地质调查中心，西安 710054；4.山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司，山东 滕州 277500)

油页岩是指含油率大于3.5%、发热量一般不小于4.18 MJ/kg的高灰分固体可燃有机沉积岩，低温干馏可获得页岩油。鄂尔多斯盆地南部是我国油页岩资源最丰富的地区之一，其中三叠系延长组是盆地内最具资源潜力的油页岩产出层位[1]。该油页岩具有厚度较大、油页岩段集中、分布稳定、含油率高、为厚层中品级油页岩的特征；估算分布面积为1.08×104km2，预测远景资源量为3 866×108t，干馏页岩油远景资源量为179×108t，具有形成大型—特大型油页岩产地的资源潜力[2-3]。

鄂尔多斯盆地延长组长7油页岩主要形成于深湖相、半深湖—浅湖相环境，是古构造、古气候、古沉积环境共同影响下形成的[4]。本文通过对样品元素地球化学的分析，获得了丰富的沉积环境和各种地质作用，如热液活动、火山喷发活动等方面的信息，研究了样品发育环境、形成机制以及分布规律，旨为该区页岩油的开发提供参考。

1 研究区长7沉积背景

研究区位于鄂尔多斯盆地东南部，早二叠世前以海相沉积为主，进入早二叠世，海水逐渐由东、西、南三面退出；至早三叠世中、晚期，受内蒙兴安地槽褶皱回返和抬升、盆地西缘“古陆架”活动加剧、秦祁海槽完全关闭的影响，鄂尔多斯形成北高、西高、中间低向东开口的内陆盆地，开始了大型内陆沉积盆地阶段。上三叠统延长组长7沉积期，鄂尔多斯盆地发生了延长组沉积以来的最大湖泛，深湖区范围明显扩大。其中，长73湖盆达到鼎盛，深湖区范围最大，东北部达吴起—甘泉—富县—洛川一线，西南部达镇原—径川—长武—旬邑一线，从长73—长72—长71，深湖线逐渐向深湖区收缩[5](图1)。

2 样品采集与分析方法

针对陕西南部铜川地区延长组烃源岩发育特征，重点对何2井、何3井长7段油页岩进行了样品采集和研究。共采集油页岩样品45块，对这些样品进行了详细的微量元素和稀土元素含量分析。地球化学样品的加工及测试均在西安地质调查中心实验测试中心完成。主要实验仪器为全谱直读等离子体光谱仪ICP和等离子体质谱仪ICP-MS。

3 岩石化学组成特征

长7油页岩的微量元素测试结果显示，Mo的含量为80×10-6，V为176×10-6，Cu为119×10-6，U为40×10-6(均为平均含量)。相比于中国东部页岩中各种微量元素的平均含量(图2)，铜川油页岩中强烈富集Mo和U，比较富集Cu、Pb、Cd、W、Sr、V和Tl；其中，相比于中国东部页岩中的元素克拉克值，Mo含量约为其93倍，U含量则为其13倍，其余元素含量均与其相似。大部分样品的U/Th>1，表明本区长7沉积期可能存在湖底热液活动；元素V/Ni均大于1，反映其沉积环境主要为厌氧环境。

利用稀土元素分析结果绘制了研究区油页岩与球粒陨石、北美页岩标准化配分模式(图3)。研究区油页岩中的稀土总量(REE)范围为(106.14～203.78)×10-6，平均为153.33×10-6，相对于北美页岩的含量(200.21×10-6)较低，反映了有机质快速堆积、陆源细碎屑补给速度慢的半深湖—深湖相沉积特征。LREE/HREE的值为2.61～4.37(北美页岩为7.5)，(La/Yb)N为6.76～13.23；稀土元素球粒陨石标准化图解具有稀土分布模式曲线向右倾的特点，这些特征共同标志着轻稀土元素相对富集型。δEu为0.40～1.01，大于1.0的样品1个，具较明显的负异常。所有油页岩分析样品的稀土元素分布模式图解一致性非常好，较好地反映了稳定的物源和沉积环境。

图1 陕西铜川地区晚三叠世延长期长7沉积相

图2 陕西铜川地区长7油页岩特征元素与中国东部页岩特征元素含量对比AVE表示研究区油页岩特征元素含量平均值；普通页岩和碳质页岩分别表示中国东部页岩特征元素含量平均值

图3 陕西铜川地区长7油页岩稀土元素与球粒陨石及北美页岩标准化配分模式

4 成矿期古环境恢复

4.1 古盐度

4.1.1 Walker法

硼元素对于古盐度反映比较敏感，利用Walker法(又称“相当硼”法)取“相当硼”的值是常用定量判别方法。研究区长7油页岩的“相当硼”值较低，大部分样品低于200×10-6，最低值接近70×10-6(图4)，说明沉积环境以微咸—淡水沉积为主。

4.1.2 锶/钡法(Sr/Ba)

Sr/Ba比值常作为古盐度的判别标志[6-10]，研究区样品的Sr/Ba值为0.17～0.85，其中大于0.6的样品3个，平均0.39(小于0.6)，因此判断长7沉积期水体环境为陆相微咸水—淡水环境。

4.1.3 微量元素Sr含量

Sr值也可以用来判别古盐度，咸水中Sr的含量一般为(800～1 000)×10-6，淡水中为(100～300)×10-6 [11]。长7油页岩样品分析结果表明，Sr含量最大值为446×10-6，最小值74.7×10-6，平均198.28×10-6，因此判断沉积水体为淡水环境。

综上所述，微量元素特征总体反映了研究区沉积水体以微咸—淡水为主。

图4 陕西铜川地区长7油页岩Walker法硼含量及校正硼含量

4.2 湖盆氧化—还原条件

根据前人研究成果[12-13]，微量元素V、Ni等的富集特征对沉积环境的氧化还原条件较敏感，通常认为，还原环境的V/Ni比值大于1，氧化环境的V/Ni比值小于1。长7油页岩样品分析结果显示，V/Ni值最大为20.39，最小为1.64，平均4.50，均大于1，显示长7油页岩形成于厌氧还原环境。

4.3 湖盆水体深度

恢复盆地古水深的常见方法有生态分析法和遗迹化石标志[14]。元素地球化学研究结果表明，元素在沉积分异过程中会因为离岸距离的不同而呈现不同的聚集和分散特征，因此可根据该特征进行判别水体深度[15]。

4.3.1 元素组合法

通常， Cl、Br、Ag、Cd、Mo、Mn、Cu、Co和Ba等元素的富集反映了深水沉积物的特征。NICHOLLS提出[12]，当Mo>5×10-6，Co>40×10-6，Cu>90×10-6，Ba>1000×10-6，Ce>100×10-6，Pr>10×10-6，Nd>50×10-6，Ni>150×10-6，Pb>40×10-6，特别是伴生有含量小于1×10-6的U和含量小于3×10-6的Sn时，其沉积深度可能大于250 m,为半深海环境。

研究区Co含量为15.64×10-6，Cu为75.41×10-6，Ba为515.33×10-6，Ce为69.52×10-6，Pr为8.09×10-6，Nd为29.46×10-6，Ni为32.67×10-6，Pb为35.60×10-6，U为23.11×10-6。与NICHOLLS提出的这些元素的标准值比，研究区这些微量元素的含量明显落在浅水沉积物的元素含量范围内，反映了长7油页岩沉积时的湖盆水介于半深湖—深湖环境。

4.3.2 钴元素定量研究古水深

通过沉积相分析和古生物资料综合判断，可以定性地、半定量地确定古水深。沉积岩中钴元素(Co)的含量可以用来定量计算古水深[16-17]。其计算公式如下：

(1)

(2)

式中：Vs为某样品沉积速率；Vo为当时正常湖泊泥岩的沉积速率，取0.15～0.3 mm/a；NCo为正常湖泊沉积物中钴的丰度，为20×10-6；SCo为样品中钴的丰度，为15.64×10-6；t(t为物源Co对样品的贡献值，因为稀土元素在地表岩石中的分布较为稳定，所以t可以通过比值求得)=样品中镧的含量/陆源碎屑岩中镧的平均丰度，为35.33/38.99；TCo为陆源碎屑岩中钴的丰度，为4.68×10-6；h为古水深。

通过上述方法计算，延长组长7段当时古水深范围为40～70 m。

综合上述几种研究方法，认为陕西南部铜川地区长7段油页岩沉积时为半深湖—深湖环境，水体深度约为40～70 m。

4.4 古气候

前人的研究结果显示，古气候环境可以通过Sr/Cu和气候指数C[C=(Fe+Mn+Cr+Ni+V+Co)/(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)]来表现[18]。Sr/Cu值介于1.3～5.0之间时为温湿—半湿润环境，在5.0左右时为半湿润—半干热环境，大于5.0时为半干热—干热环境；气候指数C在0.8～1.0时为温湿环境，0.6～0.8时为半湿润，0.4～0.6时为半湿润—半干热环境，0.2～0.4时为半干热环境，小于0.2时为干热环境。

长7油页岩的Sr/Cu值介于0.68～19.38之间，平均4.28；其气候指数C值为0.84，综合显示该区古气候为温湿—半湿润气候。

4.5 湖底热液活动

沉积物中异常的地球化学元素常被用来作为判别热液沉积存在与否和热液成因的重要标志。

4.5.1 微量元素含量

据已有研究成果表明，P、Cu、Co、Ni、V、Rb等元素的富集，往往与热液流体活动有直接的关系，说明该有机质沉积岩沉积过程中有热液流体的参与[19-21]。此外，化学性质相似的碱金属元素Sr和Ba，其Ba/Sr比值不仅可以判断沉积水体的盐度，而且可以作为衡量热液流体作用的尺度；当Ba/Sr值大于1时，其值越大，越能反映热液流体作用的影响程度[20]。

从主要微量元素分析结果来看，研究区长7油页岩中的Cu、Co、Ni、V、Rb等元素含量相对标准值明显富集(图2)；Ba/Sr值变化于1.18～5.78，平均值2.88，说明沉积时存在湖底热液流体活动。

4.5.2 稀土元素配分模式

前人大量研究表明，热液沉积物的稀土元素具有以下特征：REE总量低，Ce负异常，Eu正异常，HREE有富集的趋势。而正常水成沉积物的特征为：REE含量高，LREE>HREE，Ce常为正异常，Eu负异常不明显，HREE不会发生富集[22-24]。长7油页岩的稀土元素REE总量低，重稀土(HREE)有富集，Ce表现为负异常等，均证明研究区存在热液沉积作用。

将样品稀土元素分析结果投入La/Yb—REE图解中(图5)，样品点大部分落在玄武岩、花岗岩和沉积岩的交会区内，反映了长7油页岩沉积时存在湖底热液影响[25]。湖盆快速扩张期的基底断裂活动是产生湖底热液活动的动力学因素[26]。

5 结论

(1)无机地球化学分析结果表明，陕西铜川地区延长组长7油页岩主要发育于湖相微咸水—淡水、厌氧还原环境。

(2)长7油页岩沉积时主要为深湖—半深湖相，水体最大深度为40～70 m；该时期的温湿—半湿润气候条件使得生物繁茂发育，提供了丰富的沉积有机质。

(3)长7油页岩沉积时，湖底热液活动的存在为生物的繁殖提供了丰富的营养物质和能量，并促进缺氧环境形成，有利于有机质的保存。富集的有机质供应和良好的保存条件，推动了长7优质油页岩的大规模发育。

图5 陕西铜川地区长7油页岩La/Yb—REE图解