鄂尔多斯盆地东缘晚古生代泥岩地球化学特征及有机质富集机理

杨晋东，于振锋，郭旭，赵瑞熙

（山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司，山西 晋城 048000）

煤层气作为中国非常规天然气的重要组成部分，其开发具有降低煤矿瓦斯含量、利于安全生产，助力双碳目标实现和补充清洁能源等多种价值。最新统计［1］显示，中国煤层气资源量为30.05×1012m3，而1000～2000m 埋深范围内的煤层气资源量为18.87×1012m3，占总资源量的62.8%，反映了深部煤层气是中国煤层气产业大规模发展的重要资源基础。近年来随着煤层气产业技术发展及中浅部资源逐渐枯竭，深部煤层气开发势在必行。鄂尔多斯盆地作为中国第二大含油气盆地，上古生界煤系地层发育，众多层位含气，在中深部煤层气勘探方面具有较大潜力，仅鄂尔多斯盆地东缘1500m 以浅煤层气资源量就达到9×1012m3［2］。但目前盆地东缘深部煤层气的沉积环境、构造特征和水动力条件仍缺乏深入研究，多因素综合控制下的深部煤层气运移、富集和成藏特征及地质控因尚不明确，导致深部煤层气井产量偏低，开采效果不佳。

鄂尔多斯盆地石西地区是该盆地东缘煤系气勘探开发的新区域，位于晋西挠褶带内，石炭—二叠系煤系地层主要发育于三角洲平原和前缘相带，显示良好的烃源岩发育条件［3］。魏若飞等［4］通过石西区块煤系地层储层特征和构造发育特征分析，对该区煤系气资源及有利区进行了初步评价。康宇博［5］和刘超等［6］基于地球化学实验对研究区天然气伴生氦气成因及气水分布特征进行了研究，表明石西区块具备良好的非常规天然气及伴生资源开发潜力。但前人对煤系地层沉积环境方面的研究很少，有机质富集特征及其控因尚不明确，不利于后续深部煤系气富集成藏特征及地质控因、开发潜力评价及甜点区优选等工作。

本文基于前人研究成果和现存问题，采集石西区块探井岩心样品，通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、扫描电镜(SEM)、X 射线荧光光谱仪(XRF)和同位素质谱仪开展主微量元素、黏土矿物、总有机碳含量和干酪根碳同位素等分析工作，通过元素地球化学特征分析，为揭示研究区晚古生代沉积时期古环境及构造演化特征提供更多的证据支撑，同时结合有机碳含量与干酪根碳同位素值，为进一步揭示有机质富集与沉积环境的关系提供佐证，为区内煤系气的勘探开发奠定地质基础。

1 区域地质背景

石西地区位于鄂尔多斯盆地东缘河东煤田，该煤田东以离石大断裂与山西地块相邻，北端与东西向的呼和断裂及其北部的东西向阴山隆起带相邻，南端以汾渭地堑系为界与东西向秦岭褶皱带相连［7］。河东煤田总体呈现为南北长约400km，东西宽30～60km 的狭长条带状，岩层总体走向呈南北向，向西缓倾斜。石西区块奥陶系顶面为一总体倾向北西的单斜构造，区域内部构造稳定，断裂不发育，从地震解释资料来看，仅在区块中部和东界附近有少数断层发育(图1)。

图1 研究区地质背景(a)、采样点位(b)及地层柱状图(c)Fig. 1 Geological background (a), sampling site (b) and stratigraphic column (c) maps of the study area.

石西地区的地层区划隶属华北地层区鄂尔多斯地层分区正宁—佳县地层小区(图1)。该区域地层由老到新发育有古生界、中生界和新生界，下古生界地层出露于河东煤田东部边缘，上古生界含煤地层主要出露于离石煤盆地及临县－柳林一带［8］。研究区主要发育地层包括上石炭统本溪组，下二叠统山西组、太原组，中二叠统上石盒子组、下石盒子组。本溪组岩性以灰质黏土岩和砂质泥岩为主，含薄层灰岩；太原组和山西组主要为煤、泥岩和砂质泥岩；石盒子组以砂岩、砂质泥岩为主。华北板块的抬升导致中奥陶世至早石炭世地层缺失，本溪组与中奥陶世上马家沟组存在不整合接触［9］。

2 样品测试和质量控制

2.1 样品采集和测试

在河东煤田石西地区非常规气井SX-01、SX-02、SX-03、SX-04、SX-05、SX-06 和SX-07 岩心中选取26 块泥岩样品。取样地点、取样位置、样品编号如图1b 和表1 所示。

表1 石西地区泥岩样品主量元素、有机碳含量及碳同位素值Table 1 Concentrations of major elements, TOC value and δ13C (PDB) of mudstone samples in Shixi area.

将采集的泥岩样品进行分类编号，装入样品袋送至江苏地质矿产设计研究院测试中心进行分析实验，包括矿物组成、主微量元素、有机碳含量和干酪根碳同位素测试分析。具体分析方法如下。

(1)样品矿物组成分析方法及流程，依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法》(SY/T 5163－2010)。分析仪器为D/MAX2000型X 射线衍射仪，其中非黏土矿物含量的测定采用K值法，黏土矿物含量测定采用水悬浮液分离法。

(2)样品主量元素分析方法及流程，依据《硅酸盐岩石化学分析方法 第11 部分：氧化钾和氧化钠量测定》(GB/T 14506.11—2010)、《硅酸盐岩石化学分析方法 第10 部分：氧化锰量测定》(GB/T 14506.10—2010)。分析仪器为X 射线荧光光谱仪(Axiosmax，检测温度为23℃，湿度为38%，其中Fe2O3为全铁含量。

(3)样品微量元素分析方法及流程，依据《矿物岩石分析 第四版》第2 部分和第6 部分微量元素的测定。分析仪器为Nex ION300D 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，检测温度为22.4 ℃，湿度为35.7℃。

(4)样品有机碳含量测试方法及流程，依据《沉积岩中总有机碳的测定法》(GB/T 19145—2003)。首先用稀盐酸去除样品中无机碳，在高温氧气流中燃烧，使总有机碳转化为二氧化碳，最后采用CS580A C/S 分光测色仪测定样品中有机碳含量。

(5)样品干酪根碳同位素值测定，依据《地质样品有机地球化学分析方法 第2 部分 有机质稳定碳同位素测定同位素质谱法》(GB/T 18340.2—2010)。将样品在元素分析仪中分解燃烧并氧化，转化为二氧化碳，再将纯化后的二氧化碳收集到样品管中，送入ThermoFisher MAT253 稳定同位素比值质谱仪测得结果，碳同位素测定工作标准采用国际标准PDB。

2.2 测试数据质量控制

本研究样品为煤层气勘探开发井所取岩心样品，采用分析国家一级标准物质(GWB) 的方法对分析方法准确度进行检验。插入国家一级标准物质比例为4.3%，元素准确度合格率达100%，插入密码样品比例6.14%，实验精密度合格率大于90%，即分析方法准确度和精密度满足规范要求。本文所有实验数据均经江苏地质矿产设计研究院测试中心专家进行质量控制及验收，各项质量指标均达到有关规范要求，实验数据质量可靠。

3 实验测试结果

3.1 地球化学特征

3.1.1 主量元素

泥岩样品主量元素含量及有机质特征参数列于表1，主量元素氧化物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O 组成。其中SiO2含量最高，为48.86%～79.36%，均值58.46%；Al2O3含量介于8.77%～28.56%，均值21.98%，呈现砂质泥岩特征。其他主量元素平均含量由高到低依次为：TFe2O3(全铁)、K2O、MgO、TiO2、Na2O、CaO 和MnO，各主量元素特征如下：TFe2O3含量为0.51%～13.03%，均值3.67%；K2O 含量介于0.56%～5.37%，均值2.48%；MgO 含量为0.23%～1.51%，均值0.94%；TiO2含量为0.62%～1.53%，均值0.85%；Na2O 含量为0.11%～0.76%，均值0.38%；CaO 含量为0.11%～1.06%，均值0.35%；MnO 含量最低，均值仅为0.03%。

与华北板块上地壳常量元素数据［10］相比，石西地区石炭—二叠系泥质岩样品呈现Al2O3和TiO2显著富集，TFe2O3、K2O 和P2O5轻度富集，以及SiO2、MgO、Na2O、CaO 和MnO 亏损的特征。Al2O3/SiO2值介于0.11～0.58(均值0.37，高于上地壳0.23)，表明石西地区样品黏土矿物含量较高。在风化过程中，活跃碱元素(K、Ca、Na 和Mg)容易淋滤流失［11］，由此推测研究区泥质岩样品MgO、Na2O、CaO 的亏损可能是整个成岩过程中风化作用的结果。另外泥质岩中主量元素间的特定比值能够反映沉积岩的矿物组成情况，样品Al2O3/(CaO+K2O)值为3.88～28.96(均值8.87)，指示石西地区二叠系泥质岩样品矿物组成中以高岭石等不稳定组分为主［12］。

3.1.2 微量元素

微量元素的富集亏损是特定地质条件的产物，对评价古沉积环境、示踪矿产资源意义重大。微量元素根据其化学性质可分为：大离子亲石元素Rb、Sr、Cs、Ba 和Tl，高场强元素Nb、Ta、Zr 和Hf，过渡族元素Sc、V、Cr、Co、Ni 和Cu，以及稀土元素(REE+Y)。根据石西地区样品微量元素(表2)及稀土元素(表3)测试结果，进一步统计发现(图2a)，研究区岩心样品SX-01、SX-02、SX-03、SX-04、SX-05、SX-06 和SX-07 井的微量元素变化趋势及变化范围基本一致，除Mo 和Tl 元素外，其他元素含量均大于1.0μg/g。

表2 石西地区晚古生代泥岩样品微量元素含量Table 2 Trace element contents of late Paleozoic mudstone samples in Shixi area.

表3 石西地区晚古生代泥岩样品稀土元素含量及特征值Table 3 REY contents and characteristic parameters of late Paleozoic mudstone samples in Shixi area.

图2 研究区样品微量元素均值对比柱状图(a)、稀土元素(b)和微量元素(c)UCC 标准化配分图Fig. 2 Comparison bar chart of trace element mean value (a), UCC-normalized pattern of rare earth elements (b) and trace elements(c) of samples in study area.

与其他标准化岩石(例如球粒陨石［13］，后太古代澳大利亚页岩PAAS［14］)相比，华北大陆上地壳(UCC)与研究区具有相似的碎屑物源和岩石地球化学演化过程，因此本文以UCC 中微量元素平均值［10］作为石西地区样品微量元素标准化的背景值，分别作出稀土元素和其他微量元素的分配模式图。由图2c 可知，相对于华北上地壳微量元素平均值，鄂尔多斯盆地东缘石西地区的微量元素表现出不同程度的富集与亏损，即Li、Cs 元素显著富集，Sr 元素轻微亏损，Zn 和Ba 元素显著亏损的特征。

整体上，石西地区晚古生代泥岩样品稀土元素高度富集及含量差异较大，稀土(REEs+Y)总含量介于108.10～1287.99μg/g(均值475.4μg/g)，高于华北大陆上地壳UCC(174.074μg/g)和澳大利亚后太古代页岩PAAS(211.78μg/g)，与临近研究区的临县地区(均值283.88μg/g)相比［15］，石西地区在整个鄂尔多斯盆地东缘更加富集稀土元素，表明该区陆源输送较强。LREY 含量为79.54 ～1116.67μg/g( 均值395.38μg/g)，其中(La/Sm)N值为0.67 ～1.66(均值0.99)，指示轻稀土元素之间分馏程度较弱；HREY 含量为28.55 ～194.28μg/g(均值80.02μg/g)，(Gd/Yb)N值介于0.69～2.54(均值1.0)，表明重稀土之间较弱的分馏。LREY/HREY(L/H)、(La/Yb)N通常用于判断轻、重稀土元素之间的分异程度，样品LREY/HREY、(La/Yb)N值分别为2.20～9.52(均值4.7)、0.51～2.04(均值0.96)，结合稀土元素分配模式图(图2b)，均表明研究区泥质岩样品轻、重稀土元素之间分异程度不明显，分配图呈平坦型。

3.2 有机碳特征

有机碳（TOC）含量是指单位质量岩石中有机质的碳含量，对评价烃源岩中有机质丰度和生烃潜力具有重要意义。而烃源岩中干酪根的碳同位素特征被广泛应用于研究烃源岩类型和沉积环境。泥岩的δ13C(PDB)值介于-25.5‰～-23.4‰，均值-24‰(表1)。有机质中干酪根类型是影响干酪根碳同位素组成的主要因素，腐泥型干酪根相对富集12C，而腐植型干酪根相对富集13C，一般腐植型干酪根δ13C(PDB)值介于-26‰～-20‰［16］，并以-24.5‰为界，进而划分为含腐泥腐植型和标准腐植型干酪根。整个鄂尔多斯盆地东缘在石炭—二叠纪以海陆过渡相为主，大多数泥岩样品干酪根类型为标准腐植型，源岩主要来自高等陆源植物供给，与前人研究结果［17］一致。其中，SX-01 井中下石盒子组底部样品δ13C(PDB)值(SX-01-10 和SX-01-11 分别为-25‰、-25.5 ‰)表现出含腐泥腐植型的特征[δ13C(PDB)＜-24.5‰]，这可能与研究区沉积环境的水平变化特征有关。在华北地台隆升过程中，海水从鄂尔多斯盆地边缘退去，导致沉积环境从海相向陆相演化［18］。然而，受构造运动的影响，石西地区西北缘沉积环境的演化表现出滞后性，导致下石盒子组底部的有机质记录了海相特征。

研究区泥质烃源岩TOC 含量介于0.09%～5.97%，平均含量1.89%。从地层垂向来看，泥岩中TOC 含量变化范围较大(表1)，山西组和太原组含煤地层泥岩样品TOC 含量显著高于石盒子组。鄂尔多斯盆地东南部上古生界暗色泥岩TOC 含量均值为2.4%，略低于研究区山西组、太原组有机碳含量(均值2.87%)［17］。

3.3 黏土矿物特征

黏土矿物主要包括伊利石、绿泥石、蒙脱石和高岭石，通常伊利石和绿泥石属于干冷气候条件下的物理风化成因，蒙脱石是温湿气候条件的产物，而高岭石的形成指示炎热潮湿环境，因此通过黏土矿物相对含量可以有效地揭示气候环境特征［19-20］。研究区样品黏土矿物包括高岭石、绿泥石、伊利石和伊/蒙间层(表4)，其中伊利石含量介于15%～57%(均值28.54%)，伊/蒙间层含量介于2%～50%(均值26.85%)，而高岭石含量介于14%～76%(均值39.27%)，绿泥石含量相对较低(含量为5%～24%，均值10.7%)，且仅在部分样品中检出。上述实验结果表明，研究区晚古生代泥质岩黏土矿物中以高岭石和伊利石为主。另外扫描电镜观察发现样品发育有大量具有陆源碎屑成因特征的黏土矿物，主要是高岭石和伊利石，在扫描电镜下高岭石呈现书页状，弯曲明显，略具定向排列，晶形破坏显著(图3 中a～d)。伊利石呈叶片状充填于粒间孔隙内，片状微晶将孔隙分割，晶体边缘不平直，形状不规则，呈现剥蚀搬运特征(图3e)。

表4 石西地区泥岩样品黏土矿物组成Table 4 Clay minerals composition of mudstone samples in Shixi area.

图3 石西地区泥岩样品黏土矿物显微特征Fig. 3 Microscopic characteristics of clay minerals of mudstone samples in Shixi area.

4 讨论

4.1 沉积环境与有机质富集的关系

4.1.1 氧化还原环境

泥质烃源岩有机质富集影响因素众多，主要包括生物碎屑的供应、古气候、盐度、古生产力和氧化还原环境等［19-22］。本文从地球化学的角度分析研究区沉积环境特征，以揭示古沉积环境对烃源岩的形成和有机质富集的控制作用。

水体的氧化还原性对有机质的富集具有重大影响，缺氧环境下有机质的有限降解更有利于有机质的保存，而沉积水体的氧化还原性同样会影响各类化学元素在水体中的溶解、分异与沉淀，并记录在沉积岩体中。据此，可根据沉积岩中元素的富集和亏损情况来恢复古氧化还原环境［23-24］。研究表明，泥质岩中氧化还原敏感元素(简称RSEs，主要为Mo、V、U 和Ni)陆源输入占比很小［25］，RSEs 的富集主要由沉积水体环境控制。在氧化或次氧化条件下，Mo、U 和V 以高价态溶解于水体中；而在缺氧或硫化条件下，Mo、U 和V 呈现低价态，形成低溶解度的化合物，易被泥质岩中有机质吸收，或通过铁锰氧化还原循环聚集在沉积物中［26］，导致沉积物中元素富集。本文以RSEs 的富集因子(Enrichment Factor)进行量化，元素富集系数XEF的计算公式为：

式中：XEF代表元素X 的富集系数；UCC 为华北大陆上地壳标准值。

结果表明，MoEF值各层位差异较大，山西组和太原组Mo 富集系数介于0.59～1.59(均值1.09)，石盒子组泥岩Mo 含量偏低，MoEF均值为0.53，可能与石盒子组泥岩有机质含量较低、吸附性较弱有关［26］。当研究区样品有机碳含量大于1% 时，TOC 值分别与U、Mo、Ni 和V 含量相关性显著(图4 中a，b，c，d)，且样品中RSEs 元素普遍富集；上石盒子组和下石盒子组大多数泥岩样品有机碳含量小于1%，且与RSEs 元素无明显相关性，表明了水体的氧化还原性并非是有机质富集的主控因素。

图4 泥岩样品元素与有机碳含量相关性散点图Fig. 4 Bivariate plots for TOC and element content in mudstone samples.

另外V/(V+Ni) 值和Ce/La 值也常用于判别水体氧化还原环境［27］，V/(V+Ni) 的高值(＞0.84)通常指示水体分层明显且底层出现H2S 的厌氧环境，其低值(＜0.46)指示富氧沉积环境，介于两者之间属于贫氧环境［28］。石西地区泥质岩样品V/(V+Ni)值为0.61～0.89(均值0.75)，且各层位分异不明显(石盒子组均值0.79，山西组均值0.74，太原组均值0.78)，表明晚古生代沉积时期底层水体中等分层［29］；Ce/La 值大于2 代表还原环境，该值小于1.5 代表富氧环境，介于1.5～2 之间指示贫氧环境。研究区样品Ce/La 值介于1.55～2.3 之间(均值为1.93)。综合V/(V+Ni)和Ce/La 指标，表明研究区石炭—二叠系沉积时期整体属于水体含氧量较低的贫氧环境。鄂尔多斯盆地东缘哈尔乌素、临县晚古生代沉积岩RSEs 元素地化特征与石西地区相似［29］，且由太原组、山西组至石盒子组元素富集系数显著降低，进一步证实整个盆地东缘在石炭—二叠系的海退趋势。

4.1.2 古气候特征

Ca、Na 和K 等不稳定元素在地表风化过程中会优选从岩石中去除，使得Al 和Ti 等移动性较小的元素相对富集，据此通过这些元素组合反映化学风化作用的强弱。因此Nesbitt 等［11］和Panahi 等［30］提出了CIA 指数，用于判断沉积物源区地表岩石风化程度和沉积时期的气候环境特征，计算公式为：

式中：n代表氧化物摩尔分数，CaO∗指硅酸盐中的CaO，不包括碳酸盐、磷酸盐中的CaO∗含量。CaO∗的摩尔分数依据以下公式计算［31］：

若CaO′≤Na2O，n(CaO∗)=n(CaO′); 若CaO′＞Na2O ，n(CaO∗)=n(Na2O)测试。

考虑到要去除钾交代作用的影响［32］，CIA 计算式中的K2O 为校正后的K2O 值，由于本文主量、微量元素均使用UCC 作为标准化参照物质，故利用UCC 中的K2O/Na2O 比值和样品中测得的Na2O 含量对K2O 含量进行校正，即：

基于上述公式，得到研究区样品校正后的CIA值(图5)。石盒子组样品CIA 值为90.77～94.57(均值92.92)； 山西组CIA 值为86.88 ～96.29( 均值93.49)；太原组CIA 值为91.75～97.6(均值95.22)。当CIA 值分别介于50～65、65～85 和85～100 时，反映物源区分别具有寒冷干燥、温暖湿润和炎热潮湿的环境特征［11，33］。据此，认为物源区母岩受到炎热潮湿条件下的强烈风化作用。

图5 石西地区山西组、太原组(a)和石盒子组(b)有机质富集模式Fig. 5 The organic matter enrichment model of Shanxi Formation, Taiyuan Formation (a) and Shihezi Formation (b) in Shixi area.

Fe/Mn、Sr/Cu 和Mg/Ca 等元素比值常用于沉积区古气候条件的恢复。Mn 元素一般在水体中以Mn2+存在，当环境蒸发作用增强，Mn2+饱和浓度降低而沉淀，使得Mn 在岩石中富集，而Fe 元素在水体中易以胶体形式沉淀，因此Fe/Mn 的高值和低值分别指示温湿和干热气候［34］；Sr/Cu 值也是研究古气候的重要参数，当Sr/Cu 值介于1.3～10 表示温湿气候，该值大于10 指示干热气候［34］；另外在非碱层中，若钠离子和硫酸根离子不参与沉淀，由于Mg2+和Ca2+的溶解度差异，Mg/Ca 高值指示干旱炎热气候，而低值指示温暖潮湿的环境［35］。石西地区样品Fe/Mn 值、Sr/Cu 值和Mg/Ca 值如图5a 所示，Sr/Cu值和Mg/Ca 值分别介于3.16～24.89(均值7.43)和0.34～7.98(均值2.91)，另外样品Fe/Mn值为21.35455～545.72(均值202.25)，均表明石西地区在晚古生代以温湿气候为主。

古气候变化对沉积岩有机质生产能力有显著影响，温湿环境下会加速大气水循环，促使母岩风化后的陆源碎屑、地表径流和营养物向水体中的输入量增大，导致沉积水体中生物和有机质产率增大，干旱气候则相反［36-37］。样品CIA 值表明，物源区在晚古生代以炎热潮湿气候为主，Fe/Mn、Sr/Cu 等地化指标指示石西地区整体上表现出温暖潮湿的气候特征。但TOC 值与Sr/Cu 值、Fe/Mn 值和Mg/Ca 值相关性很弱(图4 中e，f，g)，这表明在晚古生代研究区虽整体上处于有利于烃源岩发育的温湿气候条件下，但气候条件其并非是石西地区石炭—二叠系煤系烃源岩有机质富集的主控因素。

4.1.3 陆源碎屑的影响

陆源碎屑的输入会对泥质岩中有机质的富集产生多方面影响，如直接作为稀释剂降低沉积岩中有机质含量，或携带陆源有机质输入增加沉积岩有机质丰度，还可通过影响沉积速率进而对沉积物中有机质产生保护或破坏作用［38-39］。Al 和Ti 作为陆壳的主要组分且性质稳定，常用于评价沉积岩中陆源碎屑的混染程度［39］。Al 主要以黏土矿物、长石等铝硅酸盐形式进入沉积物中，而Ti 则主要赋存于重矿物中。研究表明，黏土矿物对有机质具有较强的吸附作用［40］，当陆源碎屑中黏土矿物含量增加时，其裹挟的陆源有机质及沉积时吸附的有机质会随之增加。Ti/Al 值可以有效地指示陆源碎屑对有机质富集的影响［39］，研究区样品Ti/Al 值分布范围较为集中，石盒子组Ti/Al 值为0.034 ～0.052(均值0.042，剔除样品SX-01-10 的异常高值0.2)，山西组Ti/Al 值为0.035 ～0.057(均值0.042)，太原组样品Ti/Al 均值为0.041，表明从太原组至石盒子组沉积时期，陆源碎屑输入变化小。此外前文提及，当TOC值大于1 时，Al 和TOC 之间存在呈显著的正相关(图4h)，但Ti 和TOC 之间没有相关性(图4i)，这表明黏土矿物对研究区晚古生代泥岩中有机质的富集有显著影响。

前文3.3 章节说明，研究区泥岩样品中的黏土矿物在镜下呈现晶形显著破坏、遭受剥蚀搬运的特征，表明样品中黏土矿物主要来自陆源碎屑，非自生成因。受物源区气候环境控制，陆源碎屑携带大量黏土矿物进入沉积区后，利于有机质的富集。泥岩中的有机质和黏土矿物在沉积过程中可能形成有机质-黏土复合体，复合体受外部应力和内部颗粒挤压力影响可产生大量次生孔隙和黏土保护层，提升泥岩烃类储集能力［41］。

4.2 有机质富集模式

有机质总体可以归纳为两种富集机制，即“生产力模式型”和“保存模式型”［42］。生产力模式型主要强调表层水古生产力和陆源有机质供给对有机质输入量的影响，而保存模式型是指水体氧化还原条件、沉积速率和古水深等因素对沉积物中有机质的保存作用。

如前文所述，研究区石盒子组沉积环境呈现气候温暖湿润和缺氧条件，利于有机质的保存，但该组样品有机碳含量较低(TOC 值介于0.09%～2.75%，均值0.72%)；山西组和太原组泥岩有机碳含量较高(TOC 均值为2.87%)，同时TOC 值与RSEs 元素和Al 值呈显著正相关，与表征气候的元素相关性较差，表明山西组和太原组泥岩中有机质的富集主要受陆源碎屑中黏土矿物含量及氧化还原条件的影响。

干酪根碳同位素显示，研究区太原组、山西组和石盒子组泥质岩中干酪根类型均为Ⅲ型，母质主要来源于高等植物［43］。山西组和太原组沉积时期，石西地区发育前三角洲亚相［29］，水体深度大，具有明显的分层现象。底层水体中含氧量低，处于静水低能、还原环境中，有利于有机质、陆源细碎屑沉积，协同沉积的黏土矿物同时增加了沉积体对有机质的吸附能力，使沉积物中有机质含量增加(图5a)。受板块俯冲作用的影响，石盒子组沉积时期继承了鄂尔多斯盆地东缘晚古生代的海退趋势［9，29］，由浅海陆棚相过渡为海陆过渡相(以三角洲前缘沉积环境为主)，水体深度小于浪基面深度，属于动水、高能环境，有机质不易富集保存，导致沉积岩中有机碳含量降低(图5b)。

5 结论

通过对鄂尔多斯盆地石西地区探井岩心样品的主微量元素、有机碳含量和碳同位素等地球化学实验数据分析，为该区晚古生代沉积环境演化提供了佐证，揭示了泥质烃源岩有机质富集的主控因素。晚古生代山西组、太原组和石盒子组泥质烃源岩Sr/Cu、Mg/Ca 和Fe/Mn 值呈现温湿气候特征，RSEs元素指示沉积水体为贫氧环境。样品CIA 值整体偏高，介于85～100 区间，且主量元素氧化物Al2O3显著富集，显示泥岩中黏土矿物含量较高。TOC 值与Sr/Cu、Fe/Mn 等气候指标相关性很弱。当TOC 值小于1 时，其与RSEs 元素无明显相关性；当TOC 值大于1 时，其与Al 和RSEs 元素均呈显著正相关，表明有机质的富集主要受氧化还原条件和陆源碎屑中黏土矿物的控制。

本研究查明了石西地区晚古生代煤系地层泥质烃源岩有机质特征及其富集机理，丰富了该区非常规天然气成藏理论地质基础，并为煤层气、致密砂岩气有利区、有利层位优选提供了一定理论依据。但由于研究区含气层位较多，在厘清烃源岩发育特征的基础上，下一步需结合区内气体运聚特征及地质条件综合分析，为石西区块煤系气高效开发提供有力支撑。

Geochemical Characteristics and Organic Matter Enrichment Mechanism in Late Paleozoic Mudstone, Eastern Margin of Ordos Basin

YANG Jindong，YU Zhenfeng，GUO Xu，ZHAO Ruixi
（Shanxi Lanyan Coalbed Methane Engineering Research Co., Ltd., Jincheng 048000, China）

HIGHLIGHTS

(1) The mudstone is characterized by enrichment of main element Al2O3and TiO2, the CIA value ranges from 85 to 100, and clay minerals present non-authigene characteristics with SEM, indicating high clay mineral content of terrigenous detrital.

(2) The Sr/Cu and Mg/Ca values of the sample are low, and Fe/Mn value is relatively high, V/(V+Ni) and Ce/La values are between sulfurized and oxygen rich environments, indicating warm-humid and reduction environment.

(3) When the TOC value is more than 1, it is significantly positively correlated with Al and redox sensitive elements(RSEs), indicating that the enrichment of organic matter is controlled by the redox conditions and the composition of terrestrial debris.

ABSTRACT BACKGROUND:In the past two decades, with the development of CBM technology, the reduction of recoverable resources in shallow coalbed methane and the consumption of unconventional natural gas in China increasing year by year, the development of deep coalbed methane is imperative. The coalbed methane resources in China are about 30.05×1012m3, and the coalbed methane resource within the burial depth range from 1000m to 2000m is about 18.87×1012m3, accounting for 62.8% of the total resources, which reflects that deep coalbed methane is an important resource foundation for the large-scale development of China’s coalbed methane industry. As the second largest petroliferous basin in China, the Ordos basin has great potential for exploration of deep coalbed methane. In the Eastern Ordos Basin, the coalbed methane resource less than 1500m in depth is about 9×1012m3. Although the eastern edge of the Ordos Basin is rich in deep coalbed methane and tight sandstone gas, the enrichment characteristics and controlling factors of organic matter in coal-bearing strata are unclear, which is not conducive to the study on the storage law of resource, evaluation of development potential, and selection of favorable areas.OBJECTIVES:To reveal the organic carbon content and its influencing factors of mudstones in the coal measure strata and guide the efficient development of coal-measure gas in the eastern margin of the Ordos Basin.METHODS:(1) Analytical method: A total of 26 mudstone samples from the Shihezi, Shanxi and Taiyuan Formations were collected in the Shixi area. The content of major and trace elements, organic carbon content and clay mineral characteristics were tested by XRF, ICP-MS and SEM. Carbon isotope of Kerogen was determined by gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (GC-IRMS). The working standard of carbon isotope adopted the international standard PDB. (2) The mode of organic matter enrichment: Based on the experimental results, the Carboniferous—Permian sedimentary environment (including redox conditions, paleoclimate and terrigenous clastic characteristics) was studied with geochemical indicators, then correlation between sedimentary environment and organic matter content was further explored.RESULTS:(1) Organic and elemental geochemical characteristics of muddy source rocks. Compared with the data of major elements in the upper crust of the North China Plate, the Carboniferous—Permian mudstone samples in the study area show significant enrichment of Al2O3and TiO2, and Al2O3/SiO2value ranges from 0.11 to 0.58 (mean value is 0.37), indicating that the sample has a high content of clay minerals. The trace elements are significant enrichment of Li and Cs, slight depletion of Sr, and significant depletion of Zn and Ba. Rare earth elements are highly enriched overall (mean value is 475.4μg/g), and higher than UCC (174.074μg/g) and PAAS (211.78μg/g).The organic carbon content of mudstone samples from the Shanxi and Taiyuan Formations in study area is relatively high (mean value is 2.87%), while the Shihezi Formation is relatively low (mean value is 0.72%).(2) Redox-sensitive elements, mainly including Mo, V, U, Ni, Ce and La, are important indicators for characterizing the oxidation environment of sedimentary water bodies. V/(V+Ni) values range from 0.61 to 0.89(mean value is 0.75), and the differentiation of each layer is not obvious (mean value of Shihezi Formation is 0.79,Shanxi Formation is 0.74, Taiyuan Formation is 0.78), and Ce/La values range from 1.55-2.3 (mean value is 1.93).The above indicators exhibit the characteristics of a poor oxygen environment. The corrected CIA index ranges from 85 to 100, reflecting the strong weathering of parent rock in the source area under a hot-humid environment.Besides, the Sr/Cu and Mg/Ca values of the sample range from 3.16 to 24.89 (mean value is 7.43) and 0.34 to 7.98(mean value is 2.91), respectively. Fe/Mn values range from 21.35455 to 545.72 (mean value is 202.25), indicating a warm and humid climate during the late Paleozoic. The clay mineral content in the terrestrial debris of the sample is relatively high, which consists mainly of kaolinite (mean value is 39.27%) and illite (mean value is 28.54%). (3) The sedimentary period from the Taiyuan Formation to the Shihezi Formation belongs to a warm and humid climate as a whole, and the bottom of the sedimentary water body is in an anoxic environment. There was no significant correlation among climatic indices of Sr/Cu, Mg/Ca, Fe/Mn and TOC values, however, when the TOC value was more than 1, it was significantly positively correlated with Al and redox sensitive elements (RSEs).CONCLUSIONS:The enrichment of organic matter in the argillaceous rock of the Taiyuan Formation and Shanxi Formation is controlled mainly by water redox conditions and terrigenous debris. The Shihezi Formation inherites the regressive trend of the eastern margin of the Ordos Basin in the late Paleozoic, and its sedimentary environment changes from shallow shelf to marine-continental transitional facies, causing a dynamic ambient and high energy circumstance, in which organic matter is not easily enriched and preserved.

KEY WORDS：Ordos Basin；organic matter；enrichment mechanism；Shixi area；inductively coupled plasma-mass spectrometry；scanning electron microscope