鹿邑凹陷太原组-山西组泥岩元素地球化学特征及对沉积环境的指示

2022-10-13常海亮张宏伟杜春彦祝朝辉段超侯雪刚

科学技术与工程 2022年25期

常海亮，张宏伟，杜春彦，祝朝辉，段超，侯雪刚

(河南省自然资源科学研究院，郑州 450053)

继中国南方海相页岩气勘探取得重大突破后，南华北地区上古生界山西组和太原组海陆过渡相煤系地层因具有较好的烃源岩条件而成为页岩气勘探和研究的重点[1-11]。2014年以来先后实施了尉参1井、通许1井、ZXY1井、MY1井、ZDY2井、LY1井等多口非常规天然气探井。其中MY1井山西组和太原组压裂后日产1 256 m3页岩气，ZDY2井太原组压裂后日产3 614 m3页岩气，为南华北页岩气商业开发带来曙光[2,4]。

鹿邑凹陷山西组和太原组煤系地层保存完整，油气勘探与研究工作始于20世纪60年代，由于常规油气未能取得重大突破，近20年来勘探工作止步不前。2021年7月完钻的以页岩气调查为目的而实施的LY1井于山西组和太原组地层中均钻遇了厚度大于50 m的暗色泥岩，泥岩总有机碳含量(total organic carbon，TOC)普遍大于1%，山西组泥岩最大含气量达2.34 m3/t，太原组泥岩最大含气量达5.42 m3/t，局部含煤线的泥岩含气量高达13.59 m3/t，显示很好的页岩气勘探前景。研究表明，沉积环境及其变化是控制烃源岩的成因、分布及有机质类型的主要因素，甚至对储层孔隙结构及储集空间类型产生重要影响，因此，沉积环境分析作为页岩气基础地质研究的重要内容，已成为不争的事实[12-15]。然而，以往关于鹿邑凹陷的研究工作主要集中在常规含油气系统、成藏条件、热演化与生烃模式等方面，例如王宗礼等[11,16]指出该地区具有良好的烃源岩基础和油气保存条件，但砂岩物性较差，属断块型圈闭，具备二次生烃条件；周丽[17]对烃源岩进行分类评价后指出鹿邑凹陷为烃源岩发育有利地区之一；刘建等[18]认为鹿邑凹陷主要生烃期为早-中三叠世，印支-燕山期生烃停滞，喜山期以生气为主，并建立了生烃模式。由于前人研究的侧重点不同，关于沉积环境的报道极少且概略，仅见少数学者从区域研究的角度对沉积相类型予以划分或阐述，但观点不统一。例如，周丽[17]认为太原组经历了滨海泻湖沼泽相、开阔海湾相、海湾泻湖沼泽相和浅海相沉积，山西组经历潮坪相和三角洲相沉积；宋慧波等[19]认为太原组为开阔台地-潮坪-泻湖相沉积；李杨等[20]认为太原组和山西组下部为潮坪-泻湖相沉积，山西组上部为三角洲沉积等。这些研究中均未对太原组和山西组沉积期古气候条件、古水深、古盐度、古氧化还原条件等进行详细讨论，是造成认识存在区别的主要原因之一。鉴于LY1井海陆过渡相页岩气出现较好的苗头与薄弱的研究现状之间的矛盾以及沉积环境研究在页岩气基础地质工作中的重要性，认为有必要对该地区太原组和山西组的沉积环境特征予以进一步探讨。

沉积岩中元素的分散、聚集往往受古气候、物源性质、古水体化学条件的影响，是整个沉积演化过程的真实记录，通过对沉积岩中元素分布规律的探讨，有助于了解沉积环境及其变化特征，因此，沉积地球化学研究成为沉积环境分析的重要手段，并在海相、海陆过渡相及陆相沉积环境分析中得到广泛应用，如黄梓桑等[13]研究指出蜀南地区五峰组和龙马溪组下部为缺氧的静水沉积，上部为氧化环境，海平面变化影响有机质的富集； Rimmer[21]认为阿巴拉契亚盆地中部泥盆纪黑色页岩主要形成于震荡的缺氧沉积环境；马小敏[22]分析认为黄县盆地古近系煤层的沉积环境为湿润古气候还原条件下的陆相淡水环境，间歇受到海水影响；王善博等[23]研究认为塔然高勒地区侏罗系直罗组沉积期古气候经历干旱—湿润—干旱的转变，古水体为富氧的淡水-半咸水环境，原岩为前寒武纪变质岩；黄光辉等[24]研究指出巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段沉积期古气候、古盐度和氧化还原条件变化显著；司锦等[25]分析认为鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组沉积期为温暖潮湿气候，水体为氧化到还原的过渡阶段，总体表现为滨浅海-三角洲复合沉积环境。现首次在鹿邑凹陷采用沉积地球化学分析的方法，以LY1井为例，通过对泥岩样品进行元素地球化学分析，探讨其垂向变化规律，结合岩石学特征，分析太原组和山西组沉积期古气候、古水深、古盐度、古氧化还原条件等特征及对有机质富集和保存的影响。以期对鹿邑凹陷上古生界沉积格局的恢复及非常规天然气勘探与评价具有重要的理论和实际意义。

1 地质背景

图1 研究区位置及构造图Fig.1 The location and structure of research area

鹿邑凹陷大地构造位置上位于南华北盆地周口坳陷北部凹陷带的东端，北以砖楼断裂为界，与太康隆起相邻，南部以郸亳断裂、新站社断裂为界，与郸城凸起相邻，西为西华斜坡和逊母口凹陷，整体呈近东西向展布。区内断层发育，多形成于喜山期，且以NW和NE向为主，如图1所示。晚石炭世至早二叠世，区域上接受了一套陆表海背景下的海陆过渡相煤系地层沉积。其中，太原组上部岩性为灰色生屑灰岩、灰色微晶灰岩夹深灰色、灰黑色泥岩及灰色细砂岩；中部为灰黑色泥岩夹深灰色、灰色灰岩、细砂岩；下部为深灰色灰岩夹灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，与下伏本溪组不整合接触。山西组上部岩性为灰色、深灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹灰色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩，下部为灰黑色泥岩夹粉砂质泥岩、粉砂岩和煤层，与太原组之间为连续沉积。

2 样品采集与分析

研究共完成泥岩元素分析18 件，其中太原组8 件、山西组10 件；样品检测由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所完成，检测依据《耐火材料X射线荧光光谱法化学分析熔铸玻璃片法》(GB/T 21114—2019)、《硅酸盐岩石化学分析方法第29部分：稀土等22个元素量测定》(GB/T 14506.29—2010)、《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》(GB/T 14506.30—2010)执行，满足研究需要。

3 测试结果

3.1 主量元素

LY1井泥岩样品主量元素测试结果如表1所示。

表1 LY1井太原组-山西组泥岩主量元素组成及特征参数

山西组和太原组泥岩主量元素全岩氧化物均以SiO2和Al2O3为主，其中太原组SiO2含量介于35.34%～61.70%，平均52.92%，Al2O3含量介于15.46%～22.98%，平均18.76%；山西组SiO2含量介于52.88%～64.59%，平均59.66%，Al2O3含量介于14.87%～24.64%，平均21.19%，均略高于太原组。太原组和山西组中SiO2含量均低于上地壳平均值，而Al2O3含量均高于上地壳平均值。次要成分以TFe2O3、K2O、MgO为主，其中太原组泥岩TFe2O3含量介于1.42%～10.24%，平均6.63%，K2O含量介于1.14%～4.10%，平均2.31%，MgO含量介于0.46%～1.87%，平均1.16%，山西组泥岩TFe2O3含量介于1.3%～9.41%，平均4.96%，K2O含量介于1.62%～3.16%，平均2.11%，MgO含量介于0.41%～1.81%，平均0.94%，二层位间差别不明显，但均略低于上地壳平均值。

3.2 微量元素

LY1井泥岩样品微量元素测试结果如表2所示。与上地壳相比，太原组泥岩样品中Li中等富集，V、Cr、Co、Ni、Zn、Mo、Cs、Th、U弱富集，Rb、Sr、Nb、Ba中等亏损，如图2所示。山西组泥岩样品中Li、V、Cr、Co、Ni、Ga、Y、Cs、Hf、Pb呈弱富集，Rb、Ba呈弱亏损，Sr呈中等亏损，如图3所示。

图2 太原组泥岩微量元素蛛网图Fig.2 Spider diagram of trace element of mudstone in Taiyuan Formation

图3 山西组泥岩微量元素蛛网图Fig.3 Spider diagram of trace element of mudstone in Shanxi Formation

3.3 稀土元素

稀土元素分析结果如表2所示，太原组泥岩样品稀土元素总含量∑REE介于119.04～364.34 μg/g，平均252.82 μg/g，普遍高于上陆壳平均值；轻稀土元素总量与重稀土元素总量的比值LREE/HREE介于9.2～23.75，平均值为12.47；单元素轻重稀土元素比值LaN/YbN介于1.34～4.42，平均值为2，轻重稀土分异中等-较强。北美页岩标北美页岩标准化配分曲线整体呈平坦状，个别样品呈右倾型，如图5所示。

准化配分曲线呈平坦状，如图4所示。山西组泥岩样品∑REE介于212.45～468.72 μg/g，平均339.20 μg/g，明显高于上陆壳平均值(146.37 μg/g)，LREE/HREE介于7.62～14.5，平均值为10.06，LaN/YbN介于1.28～3，平均值为1.71，轻重稀土分异中等。

图4 太原组泥岩稀土元素配分模式图Fig.4 REE patterns of the mudstone in Taiyuan Formation

图5 山西组泥岩稀土元素配分模式图Fig.5 REE patterns of the mudstone in Shanxi Formation

4 讨论

4.1 古气候

4.1.1 化学蚀变指数法

古气候条件是影响母岩风化强度的关键因素之一，化学蚀变指数(chemical index of alteration，CIA)是反映古气候特征的重要参数，应用广泛[28-31]，该指数越大，反映化学蚀变越强，往往指示湿润的古气候环境。8件太原组泥岩样品CIA介于70.82～92.74，平均值为82.58，均远大于上陆壳均值(56.93)；10件山西组泥岩样品CIA介于77.12～91.07，平均值为86.68。在CIA-w(Al2O3)-w(CaO+Na2O)-w(K2O)图解上，样品主要落在强化学蚀变区，其次为中等化学蚀变区，如图6所示。反映太原组和山西组沉积期具有温暖、湿润的古气候背景。

w为质量分数图6 太原组、山西组泥岩CIA-w(Al2O3)-w(CaO+Na2O)-w(K2O) 三角图Fig.6 CIA-ACNK diagram of mudstone in Taiyuan Formation and Shanxi Formation

4.1.2 SiO2/Al2O3比值法

SiO2/Al2O3可用来反映Si通过化学淋溶搬运的变化情况，当SiO2/Al2O3值>4时，反映岩石中SiO2运移极少，指示以干燥气候条件下的物理风化为主，反之，当SiO2/Al2O3值<4时，SiO2已大量迁移，指示以湿润气候环境下的化学风化为主[32-33]。太原组泥岩样品SiO2/Al2O3值介于1.19～3.78，平均值为2.70，山西组泥岩样品SiO2/Al2O3值介于2.26～4.21，平均值为2.88；18件样品中仅山西组1件样品的SiO2/Al2O3值略大于4，垂向上，二者差异不明显，如图7所示。整体反映湿润的古气候背景下，母岩经历了较强烈的化学风化。

4.1.3 Sr/Cu比值法

微量元素的富集往往受古气候的影响，其中喜干元素Sr与喜湿元素Cu比值常被用来判别古气候，当Sr/Cu值<10时，指示温湿气候，Sr/Cu值>10时，指示干热气候[33-34]。太原组泥岩样品Sr/Cu值介于2.74～55.47，平均值为13.79，山西组泥岩样品Sr/Cu值介于1.07～11.69，平均值为5.28，其中1件太原组样品表现出较高的Sr/Cu值(55.47)，其余样品中仅极少数略高于10，自下而上，Sr/Cu值呈震荡式降低的趋势，如图7所示。整体反映温暖湿润的古气候环境。

图7 LY1井沉积环境地球化学参数垂向变化特征Fig.7 Vertical variation characteristics of geochemical parameters of sedimentary environment in LY1 well

4.2 古氧化还原条件

过渡金属元素V、Cr、Co、Ni等对沉积环境的氧化还原条件具有较强敏感性而被广泛应用[35-38]。在氧化条件下，这些元素容易迁移，而在还原条件下容易沉淀，一般采用V/(V+Ni)值、V/Cr值和Ni/Co值来判别沉积环境的氧化还原性：氧化条件下，V/(V+Ni)值<0.6，V/Cr值<2，Ni/Co值<5；弱氧化-弱还原环境下，V/(V+Ni)值介于0.6～0.84，V/Cr值介于2～4.5，Ni/Co值介于5～7；还原环境下，V/(V+Ni)值>0.84，一般介于0.84～0.89，V/Cr值>4.5，Ni/Co值>7[21]。

太原组泥岩样品V/(V+Ni)值介于0.66～0.86，平均值为0.78，V/Cr值介于1.07～2.65，平均值为1.79；Ni/Co值介于1.32～3.46，平均值为2.18，反映弱氧化-弱还原为主的沉积环境。山西组泥岩样品V/(V+Ni)值介于0.65～0.85，平均值为0.76，V/Cr值介于1.46～2.6，平均值为1.86，Ni/Co值介于1.27～3.34，平均值为1.93，反映山西组沉积水体偏氧化的特征，局部为弱氧化-弱还原沉积环境。

此外，Cu/Zn值的高低也常被用以反映沉积环境的氧化还原性[39]。富氧环境下，Cu/Zn值>0.63，弱氧化环境下，Cu/Zn值介于0.50～0.63，弱氧化-弱还原环境下，Cu/Zn值介于0.38～0.50，弱还原环境下，Cu/Zn值介于0.21～0.38，厌氧环境下Cu/Zn值<0.21。太原组泥岩样品Cu/Zn值介于0.12～0.40，平均值为0.21，以还原-弱还原沉积环境为主；山西组泥岩样品Cu/Zn值介于0.08～1.41，平均值为0.35，自下而上，Cu/Zn值呈微弱的增加趋势，如图7所示，反映整体以还原-弱还原沉积环境为主，局部为氧化环境。

不同的地球化学参数所反映同一层位沉积环境的氧化还原性存在一定差异，但垂向上，各参数呈现一定的变化规律，从太原组沉积期至山西组沉积期，沉积水体的还原性逐渐减弱，氧化性逐渐增强。结合地层岩性及含有物特征，如太原组和山西组下部泥岩多以灰黑色、深灰色为主[图8(a)、图8(b)]，其次为黑色，太原组泥岩中常可见较多的黄铁矿[图8(a)]，局部呈纹层状产出等现象，山西组下部发育生物扰动构造[图8(c)]，黄铁矿含量较低[图8(b)]，至山西组上部为灰色、浅灰色[图8(d)]，偶见黄铁矿等。综合认为，太原组和山西组下部沉积期水体以还原-弱还原环境为主，山西组上部则以弱氧化-弱还原环境为主，水体的氧化、还原性具有频繁交替的特征。

图8 LY1井岩心照片Fig.8 Core photo of LY1 well

4.3 古盐度

4.3.1 微量元素含量法

沉积环境的盐度对沉积岩中Li、Ni、Ga、Sr的含量有较明显的控制作用，这几种元素含量常被用来判别古沉积环境的盐度[34-35]，一般在盐水(海相)沉积环境下Li含量高于150 μg/g，Ni含量高于40 μg/g，Ga含量低于8 μg/g，Sr含量介于800～1 000 μg/g，而在淡水(陆相)沉积环境下，Li含量低于90 μg/g，Ni含量介于20～25 μg/g，Ga含量高于17 μg/g，Sr含量介于100～500 μg/g[40]。太原组泥岩样品Li含量介于26.8～209 μg/g，平均103.86 μg/g，Ni含量介于10.6～77.6 μg/g，平均33.61 μg/g，Ga含量介于20～27.4 μg/g，平均22.5 μg/g，Sr含量介于41.4～487 μg/g，平均205.89 μg/g；山西组泥岩样品Li含量介于16.9～144 μg/g，平均66.04 μg/g，Ni含量介于15.3～52 μg/g，平均31.39 μg/g，Ga含量介于23.1～33.5 μg/g，平均26.68 μg/g，Sr含量介于59.8～222 μg/g，平均126.06 μg/g；自下而上，Li的含量呈先增加、再震荡式降低的趋势，Ni含量呈震荡式分布特征，Ga含量呈震荡式增加的趋势，Sr含量呈震荡式降低的趋势，如图7所示，微量元素含量的变化特征反映太原组和山西组属半咸水-淡水沉积环境，且盐度自下而上呈震荡式降低的趋势。

4.3.2 比值法

(1)Sr/Ba比值法。由于Sr、Ba对沉积水体古盐度具有较强的敏感性，Sr/Ba值常被用来作为判断沉积环境古盐度的重要指标，当Sr/Ba值>1.0时，为海水沉积，介于0.5～1.0时，为半咸水沉积，Sr/Ba<0.5时，为淡水沉积。但Sr的含量往往受样品中碳酸盐矿物含量的影响，X衍射分析结果显示，本次研究泥岩样品中碳酸盐矿物(方解石+白云石)含量普遍低于1%，对Sr含量的影响可以忽略。LY1井太原组泥岩Sr/Ba值介于0.53～2.51，平均值为1.09，整体反映咸水-半咸水沉积环境；山西组泥岩Sr/Ba值介于0.16～0.99，平均值为0.39，整体反映半咸水-淡水沉积环境。自下而上，Sr/Ba值表现出震荡式变小的趋势，如图7所示，反映水体逐渐变浅，淡水间歇式注入的特点。

(2)TOC/TS(全硫)比值法。通常咸水中硫酸盐浓度要高于淡水，更有利于黄铁矿形成，进而表现出较低的TOC/TS值。因此，TOC/TS值也可以作为水体古盐度的良好指示剂[38]，研究指出TOC/TS值在2.8左右为咸水环境，TOC/TS值≫2.8指示淡水环境[41]。67件太原组泥岩样品的TOC/TS值介于0.07～68.94，平均值为4.95；82件山西组泥岩样品的TOC/TS值介于0.82～102.5，平均值为10.84，自下而上，在太原组-山西组下部，该比值震荡式加大，山西组上部则迅速加大，如图7所示，反映淡水由间歇注入向持续注入的转变。

4.4 古水深

沉积岩的颜色、岩性、结构构造、生物遗迹等的发育情况受古水深影响明显，是反映古水深的良好标志。当沉积水体较深时，水体含氧量低，还原性增强，泥岩颜色以深色为主，沉积构造以反映低能水动力环境为主的水平层理等为主，随着水体变浅，颜色逐渐变浅，反映较强水动力条件的沉积构造如交错层理、波痕及冲刷侵蚀现象常可见及。太原组泥岩颜色以深灰色、灰黑色为主，发育水平层理和黄铁矿纹层，整体反映一种水动力条件较弱、还原性较强的沉积环境，沉积水体往往较深。山西组下部泥岩与太原组特征较为相似，而山西组上部泥岩则以灰色、浅灰色为主，砂岩中发育较多交错层理，整体反映水动力较强，偏氧化的浅水沉积环境。

沉积岩中锆(Zr)主要赋存在化学性质稳定的锆石中，以碎屑矿物形式搬运，常沉积于水体较浅区域，铷(Rb)的化学性质活泼，易于迁移，主要赋存在黏土矿物、云母等细粒沉积物中，并沉积于水体较深的低能环境中，因此，Rb/Zr值常被用来判别沉积水体相对深度[28,33]。该比值越大，反映沉积水体越深，陆源碎屑供给不足。太原组样品Rb/Zr比值介于0.04～0.77，平均值为0.38；山西组样品Rb/Zr值介于0.14～0.43，平均值为0.29。自下而上，Rb/Zr值呈震荡式减小，如图7所示，反映水体震荡式变浅，水动力逐渐增强。结合岩心特征，推测太原组、山西组下部沉积水体深度介于15～30 m，山西组上部沉积水体深度小于20 m。自下而上，水体震荡式变浅。

4.5 沉积速率

稀土元素的分异程度是判别沉积速率的重要参数之一[42]，黏土矿物等细粒沉积物是稀土元素吸附的主体，当沉积速率较慢，其在水体中停留时间较长时，REE分异较强，当沉降速率较快时，REE随吸附物快速沉积，其分异程度则较弱。LREE/HREE和LaN/YbN是反映轻重稀土元素分异的重要参数，太原组泥岩样品LREE/HREE值介于9.20～13.75，平均值为11.06，LaN/YbN介于1.34～2.24，平均值为1.70，轻、重稀土分异均中等-较强，山西组泥岩样品LREE/HREE值介于7.62～14.5，平均值为10.06，LaN/YbN介于1.18～3.00，平均值为1.71，轻、重稀土分异均中等-较强。垂向上，太原组沉积速率相对稳定，山西组沉积速率波动幅度较大，且略高于太原组，如图7所示。

4.6 有机质的富集与保存

LY1井岩心中可见大量植物碎屑，是山西组和太原组重要的生烃物质，本次分析结果中除个别样品TOC过小(<0.5%，未达到烃源岩标准)或过高(>6%，达到碳质泥岩标准)外，其余样品表现出w(TOC)与CIA之间存在一定的正相关关系，如图9所示，表明湿润的气候环境有利于植被的生长和有机质的富集。

图9 太原组、山西组泥岩CIA-w(TOC)相关关系图Fig.9 Correlation diagram of TOC-CIA of mudstone in Taiyuan Formation and Shanxi Formation

图10 山西组、太原组泥岩w(TOC)-w(TS)-w(Fe)图解Fig.10 Ternary TOC-TS-Fe diagram of mudstone in Taiyuan Formation and Shanxi Formation

有机质沉积之后的环境对有机质保存和后期热演化生烃具有重要影响。前人开展了大量研究，并编制了w(TOC)-w(TS)(全硫)-w(Fe)(全铁)三角图解用以判别泥岩的有机质保存条件[28,43-44]。图10中，黄铁矿矿化程度(degree of pyritization，DOP)为反映泥岩黄铁矿化程度的指数，其大小与水体含氧量呈负相关。由图10可知，太原组样品位于贫氧和缺氧环境区域内，少数样品位于氧化环境区域内，且远离w(Fe)-w(TOC)线；山西组上部样品主要位于氧化环境区域内，且远离w(Fe)-w(TOC)线，下部样品落入缺氧环境区域内，反映山西组下部与太原组沉积水体以缺氧和贫氧为主，二者沉积环境具有相似性，利于硫化物形成和有机质保存。而山西组上部沉积水体以富氧为主，不利于硫化物形成和有机质保存，进而对后期热演化阶段生烃不利。