湖相泥岩、页岩的沉积环境和特征对比——以鄂尔多斯盆地延长组7段为例

刘 群,袁选俊,林森虎,郭 浩,成大伟(.阿伯丁大学，英国AB4UE； .中国石油 勘探开发研究院，北京 0008；.中国石油 南方石油勘探开发公司，海口 海南 57000)

近年来，随着非常规油气的蓬勃发展，作为自生自储的泥质岩受到了大家的广泛关注[1-5]。泥质岩是指由含量大于50%的粒径小于0.003 9 mm的颗粒组成的岩石[6]。根据是否具有页理的特征，泥质岩可分为泥岩和页岩两大类：页岩是有页理的泥质岩，泥岩是没有页理的泥质岩[6]。湖相泥质岩层段岩相变化快且非均质性强[7-10]，表明了泥岩和页岩沉积受沉积环境影响大，二者在岩石组分和地球化学指标等各方面存在显著差异。海相泥岩和页岩交互沉积：页岩成层性好，主要形成于缺氧环境，有机质含量高；泥岩沉积时水体含氧量更高，受生物扰动影响大，有机质含量较低[11]。富有机质页岩的沉积机理和成因机制目前仍存在争议[12-21]。以Pederson和Calvert[22](1990)为代表的学者认为高生产率是富有机质页岩中有机质富集的主要原因，而以Demaison 和 Moore[23](1980)等认为闭塞的缺氧环境是富有机质页岩中有机质富集的必要条件。研究泥岩和页岩特征的差异，找出差异指标，可以明确泥岩和页岩的成因机制，帮助建立预测富有机质页岩的有利因素。

鄂尔多斯盆地延长组7段(长7段)发育一套沉积厚度为100～150 m[24]的非均质性强的泥质岩层段。本文旨在通过分析长7段典型剖面的垂向岩性演化特征以及对比研究泥岩和页岩的岩石组分、地化指标、微量元素等方面的区别，揭示泥岩、页岩的形成与沉积环境的关系，探讨区分泥岩和页岩在石油地质学上的意义和富有机质页岩的形成机制。

1 地质背景及样品选择

1.1 地质背景

晚三叠世时期，华北陆块和扬子板块相撞，受秦岭造山活动影响，在华北陆块的西南部形成了大型陆相湖盆[25]。鄂尔多斯盆地中生界的延长组则记录了整个湖盆的初始、发展到消亡的全过程。根据岩性、电性和含油性，将延长组自上而下分为10段(长1段—长10段)[26]，其中长7段沉积期是三叠纪湖盆发育的鼎盛时期，湖盆面积超过了5×104km2，深湖区水深可达150 m[27]，发育了大范围的泥岩、页岩和重力流砂体。长7段沉积厚度100～150 m[28]，自下而上可分为3个小层(图1)：长73主要为黑色油页岩，长72以暗色泥岩为主，夹薄层粉-细砂岩，长71发育暗色泥岩和中-薄层细砂岩。

1.2 样品、剖面选择及研究方法

该文选取了湖盆中心的2口长7段连续取心井进行重点解剖 (图2，盐66井和环317井)。盐66井的垂向剖面反映了从长73到长71，由深湖相演化到前三角洲相；环317井的垂向剖面则反映了从长73到长72，由深湖相演化到深湖浊流相。针对盐66井和环317井两口连续取心井，建立了以岩心-薄片观察、X-衍射、地球化学测试和有机碳测井定量计算为主的垂向剖面，旨在揭示长7段泥岩和页岩的垂向分布规律与沉积相带的关系，以推测泥岩和页岩平面分布特征。

图1 鄂尔多斯盆地延长组7段里57井岩性柱状示意图Fig.1 Stratigraphic column of the Chang 7 Member from Well Li 57,Yanchang Formation,Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地延长组7段沉积相和样品点分布Fig.2 Sedimentary facies and sample point distribution of the Chang 7 Member in the Yanchang Formation,Ordos Basin a.长73沉积相；b.长72沉积相;c.长71沉积相

同时对湖盆中心的11口长7段连续取心井进行观察取样 (图2)。本次研究分别采集了覆盖全盆的长73到长71的62块泥质岩样品 (图2) ，对其进行了薄片鉴定和X-衍射全岩矿物分析，在显微镜下确定岩性后(肉眼难以区分)，分别进行岩石热解和微量元素等分析。

2 长7段泥岩、页岩沉积特征对比

2.1 垂向演化特征

盐66井位于研究区西北部定边地区，连续取心长度达75 m，取心层位包括长8段顶部与长7段(图3)。长73底部沉积了一套高伽马、高电阻率、有机质含量极高(平均含量为10%)的黑色页岩。长73过渡到长72时，西北部三角洲生长，该地区处于前三角洲—半深湖相带，以灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和粉砂岩页岩互层为主，该相带形成的泥岩有机碳含量明显较低，一般小于2%(图3)。长72中上段，沉积环境变的相对安静，沉积了一套10 m左右的有机质含量较高的页岩；长72过渡至长71，水体变浅，沉积了一套30 m左右的灰黑色块状泥岩，总体解释为半深湖环境。

环317井位于研究区中部环县地区，连续取心长度达55 m，取心层位包括长73和长72(图4)。长73底部沉积了一套有机质含量平均值大于10%的页岩(图4)，在薄片下观察，主要为透镜体层理页岩，即有机质-粘土透镜体定向分布(图4)。长73上部受外来浊流影响，以泥岩沉积为主、夹薄层粉砂岩或泥质粉砂岩；长72以块状泥岩沉积为主。 长73底部页岩的黄铁矿含量较高，可达12%，而长72泥岩黄铁矿含量相对较低，部分层段含量最高可达5% (图4)。另外，泥岩的石英含量高于页岩，粘土矿物含量则相对偏低。

通过典型剖面分析可以看出，泥岩和页岩的沉积受沉积相带控制，长7段页岩主要发育在长73底部，主要发育于湖盆中心。而长7段泥岩多发育在三角洲前缘，深湖-浊积岩相和半深湖相。

2.2 岩石组分特征

2.2.1 组构特征对比

长7段泥岩中比较常见的层理构造有递变层理(图5a)、块状层理(图5b)、断续状层理(图5c)以及波浪扰动层理(图5d)；页岩中常见的层理有长英-粘土与有机质互层的“二元结构” (图5e)、似波状层理(图5f)和透镜状粘土集合体层理(图5g，h)。

图4 鄂尔多斯盆地环317井延长组7段组构特征综合分析Fig.4 Comprehensive analysis of the fabric feature of the Chang 7 Member from Well Huan 317,Yanchang Formation,Ordos Basin

通过泥岩、页岩组构特征对比，可以看出，泥岩多发育于前三角洲、半深湖和深湖-重力流发育相带，陆源碎屑多，受湖流、浊流等影响更大。前三角洲环境形成的泥岩，受三角洲物源和水动力影响，泥岩中粉砂质含量较高，有机质被生物分解。在深湖-重力流发育的泥岩，浊流的快速沉积会有助于有机质的快速埋藏。页岩主要形成于相对封闭的深湖或湖湾环境，陆源碎屑物质供给不足， 沉积速率低，底栖生物不发育，水体分层、季节性的水体循环是其“长英-有机质”纹层形成的主要原因。长73页岩中透镜状有机质-粘土复合体(藻类雪)的出现，反映当时湖盆极高的生产力。

2.2.2 岩石成分特征

长7段泥岩和页岩的岩石组分以粘土矿物和石英为主(图6)，且两种组分含量相差不大，占泥岩中总含量的82.5%，占页岩总含量的82.7%；其次为长石、碳酸盐岩以及含铁化合物等(图6)。泥岩中菱铁矿、白云石含量显著高于页岩，而页岩中黄铁矿含量约为泥岩的11倍(图6)。

2.3 有机地球化学特征

长7段泥岩和页岩的S1指数与TOC含量正相关(图7a)。 长7泥岩TOC含量主要分布于0.6%～4.5%，平均含量为2.1%，S1值分布于0.2～3.2mg/g，平均含量为1.2 mg/g(图7a)；长7页岩TOC含量分布于4.2%～17.9%，平均含量为6.6%，S1值主要分布于1.9～6.3 mg/g， 平均含量为3.1mg/g。页岩中氢指数(HI)含量相对较高(平均为287×10-3mg/g)，有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型(图7b)；泥岩中氢指数(HI) 含量相对较低(平均为171×10-3mg/g)，有机质类型为Ⅱ1-Ⅱ2型(图7b)。

图5 鄂尔多斯盆地延长组7段泥岩和页岩组构特征Fig.5 Fabrics of mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.庄233井，埋深1 961 m，泥岩，递变层理，向上粒度变细(浊积岩特征)，TOC=2%，单偏光； b. 黄269井，埋深2 513 m，泥岩，块状层理，TOC=1%，单偏光；c.环317井，埋深2 431.8 m，泥岩，断续状层理，TOC=3%，单偏光；d.罗91井，埋深2 475 m，泥岩，TOC=0.26%，单偏光；e. 里231井，埋深2 057.4 m，页岩，长英-粘土有机质的二元结构，TOC=8.6%，单偏光； f.里147井，埋深2 368 m，似波状层理，有机质不连续分布，TOC=6.5%，单偏光；g.正70井，埋深1 959 m，页岩，透镜状粘土集合体层理，TOC=16%，单偏光；h.黄15井，埋深2 494.2 m，透镜状粘土集合体层理， TOC=11%，单偏光

图6 鄂尔多斯盆地延长组7段泥岩、页岩矿物组分平均含量百分比对比(样品数n=62)Fig.6 Comparison of the average content of constituent minerals between mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basin(Sample n=62)

2.4 主、微量元素特征

2.4.1 主要元素特征

泥岩中Si，Mg，Ti，K等元素含量比页岩高，页岩中P和S元素含量比泥岩高。泥岩中K/Al和Ti/Al的值明显大于页岩(图8b)(Ti/Al是用来判别碎屑颗粒大小的指标，Ti/Al值越高，表示粗粒物质相对更多)。K/Al值高，与钾长石含在泥岩中高于页岩一致。页岩中P/Al比泥岩高几倍到几十倍(图8b)，说明页岩沉积时湖泊生产力比泥岩沉积时高。泥岩中Mg和Ca与Al元素呈现出负相关的趋势(图8c，d)，表明方解石和白云石离物源较近。页岩中Mg与Al呈现正相关，可能与绿泥石含量随着粘土矿物含量增加有关(图8d)。

2.4.2 微量元素特征对比

页岩比泥岩更为富集Cu，Mo，U，Sr和Cd等元素(图9)。Mo和U与TOC正相关(图9a，b)，表明微量元素富集与有机质保存有关。 Cu，Mo，U，Sr和Cd等微量元素在页岩中的富集，指示了页岩沉积时更为缺氧。U/Th，V/Cr和V/Sc等常被用来辨识泥质岩的沉积环境[29-30]。页岩的U/Th值比泥岩高(图9c)，且U/Th与TOC呈正相关(图9d)，说明缺氧环境有助于有机质保存。

2.5 泥岩、页岩差异特征对比总结

综上所述，长7段泥岩和页岩在以下5个方面存在差异(表1)：分布特征：泥岩和页岩互补式分布，泥岩主要发育在三角洲前缘、深湖-浊流相、半深湖相，页岩主要发育在深湖相，湖盆中心；有机地球化学特征：页岩TOC平均含量为6.6%，是泥岩的3倍，S1值平均含量为3.1 mg/g，是泥岩的2.5倍；岩石成份特征：泥岩中白云石和菱铁矿含量更高，页岩中更富集黄铁矿，平均含量为泥岩的11倍；组构特征：泥岩无页理，有机质分散分布，页岩有页理，有机质顺层分布；主微量元素：泥岩Ti/Al和K/Al平均值更高，页岩中U，Th，Cu，Mo，Sc，Co和Ni等微量元素更为富集。因此，我们可以得出页岩沉积时水体生产力更高，更为缺氧且水动力条件弱。页岩中高TOC，高S1，脆性矿物含量高、有机质纹层微裂缝发育等特性，使其成为更为有利的生油层。

3 结论

1) 泥岩和页岩在组构特征、分布特征、有机地化特征、岩石组分和主微量元素等5个方面存在很大差异。

图7 鄂尔多斯盆地延长组7段泥岩、页岩地球化学特征对比Fig.7 Comparison of geochemical characteristics between mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.S与TOC关系(n=62)；b.有机质类型分布特征(n=62)

图8 鄂尔多斯盆地延长组7段泥岩、页岩主量元素特征对比Fig.8 Comparison of main elements in mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.长7段泥岩、页岩K/Al与Ti/Al关系(n=62)；b. 长7段泥岩、页岩P/Al与TOC散点图(n=62)；c.长7段泥岩、页岩Ca与Al含量关系(n=62)；d.长7段泥岩、页岩Mg与Al含量关系(n=62)

图9 鄂尔多斯盆地延长组7段泥岩、页岩微量元素特征对比Fig.9 Comparison of trace elements in mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.长7段泥岩、页岩MO含量(10-6) 与TOC关系(n=62)； b.长7段泥岩、页岩U含量(10-6)与TOC关系(n=62)；c.长7段泥岩、页岩U/Th与V/Cr散点图；d.长7段泥岩、页岩U/Th与TOC关系

表1 鄂尔多斯盆地延长组7段泥岩与页岩特征差异总结Table 1 Characteristic differences of mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basin

2) 泥岩和页岩的发育受沉积相带主控。页岩多发育于深湖相，泥岩则发育于三角洲前缘、深湖-浊流相和半深湖相。

3) 富有机质页岩主要形成于高水体生产力的环境，且水体一般缺氧。长73时水体深度最高，湖泊生产力大，且水体极度缺氧，导致了大面积富有机质页岩的形成。

4) 泥质岩层段的非均质性强，页岩的高TOC，高S1，脆性矿物含量高、有机质纹层微裂缝发育等特性，使其成为更为有利的生油层，而泥岩则主要可作盖层。

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