桂中鹿寨地区鹿寨组下段地球化学特征及有机质富集因素

罗宏谓,侯明才,刘 宇,周倩玉,吴超伟,余 威

(油气藏地质及开发工程国家重点实验(成都理工大学)，成都 610059)

随着北美海相地层页岩气的勘探开发取得重大突破，近年来，页岩气勘探开发成为全球非常规油气资源勘探的新突破点[1]。据调查，中国页岩气资源量大，居于世界第一位[2]。目前中国页岩气勘探开发处于起步阶段，仅在四川盆地及周缘地区取得重大突破，多口井实现工业高产[3]。现已查明桂中拗陷上古生界页岩气资源量约12.34×1012m3 [4]，其盆地发育特点、泥页岩沉积特征与美国典型页岩气盆地相似，是中国南方未来海相页岩气勘探接替区之一[5]。

桂中拗陷发育有中下泥盆统、下石炭统和下二叠统等多套泥页岩，具有埋藏深度浅、沉积厚度大、有机碳含量高、有机质类型好和有机质成熟度高等特征[6]。前人对桂中拗陷下石炭统鹿寨组泥页岩沉积环境[7-9]、有机地球化学特征[10]、储层特征[6]、油气保存条件[11-12]及成藏模式[13]等已开展部分研究工作。鹿寨组为明显的两段式沉积，下段为台间盆地相沉积，上段为斜坡相沉积[7]。鹿寨组下段泥页岩有机碳质量分数(wTOC)为2.01%～15.67%，为优质烃源岩；泥页岩的有机质类型主体为Ⅱ型；泥页岩的Ro值为1.72%～2.78%，处于过成熟阶段：具有页岩气勘探开发的巨大潜力[10]。桂中拗陷东部鹿寨一带下石炭统具有较好的韧性，物性较好，封闭性较好，是较可靠的自生储盖层[6,11-12]。目前针对鹿寨组下段泥岩有机质富集机制研究较少，其控制因素尚不明确。本文选取鹿寨县寨沙镇寨沙剖面鹿寨组下段泥岩为研究对象，利用主元素和痕量元素地球化学特征分析古气候、古氧化-还原及古生产力条件，并结合TOC含量垂向变化，以期揭示控制鹿寨组下段泥岩有机质富集的因素，为优质烃源岩评价以及页岩气勘探开发提供理论依据。

1 区域地质背景

桂中拗陷作为滇黔桂含油气盆地东北部的一个次级构造单元，同时发育有特提斯(NW向)与滨太平洋(NE向)两大构造域典型构造线特征，具有明显的构造带转换与叠加特征[12]。据近年来区域地质与区域地球物理、地球化学资料研究成果分析，桂中拗陷跨越了扬子陆块与华南活动带两大构造单元，北与江南隆起相接，东以龙胜—永福断裂与大瑶山隆起、桂林拗陷相接，南以凭祥—大黎断裂与大瑶山隆起相接，西以南丹—都安断裂与罗甸断陷、南盘江拗陷相接[14-15]。桂中拗陷总体格局为“四凹三凸一斜坡”，即环江浅凹、宜山断拗、洪渡浅凹、象州浅凹、马山断凸、罗城低凸起、柳江低凸起以及柳城斜坡(图1)。

桂中拗陷自早泥盆世开始，沿钦州—防城一线自南向北出现板内张裂活动，使桂中地区下沉为盆地；尤其是早泥盆世晚期到早石炭世的板内扩张，形成了台盆相间的格局；早石炭世早期，桂中拗陷区继承了晚泥盆世的古地理格局[16]。早泥盆世-中三叠世，桂中拗陷构造活动相对稳定，泥盆系、石炭系以及下二叠统相对发育，为一套海侵体系域的泥灰岩、泥岩和陆源碎屑岩，晚三叠世印支运动结束了该地区海相沉积。晚侏罗世之后，桂中拗陷地层遭受强烈的构造作用，形成如今的地貌[11,17]。

研究剖面位于桂中拗陷东部象州浅凹鹿寨县寨沙镇(图1)，剖面地层露头出露良好。该地区鹿寨组为连续沉积。鹿寨组下伏地层为上泥盆统五指山组，其岩性主要为灰—浅灰色薄层瘤状灰岩、硅质灰岩，两者整合接触。鹿寨组下段为台间盆地相沉积，岩性为碳质泥岩、泥岩、粉砂质泥岩；上段为斜坡相沉积，岩性主要为亮晶灰岩、泥岩、粉砂质泥岩及石英砂岩[11]。鹿寨组下段实测地层厚度为84.58 m，划分1个Ⅲ级层序，最大海泛面位于剖面25 m处，沉积灰黑色碳质泥岩；海侵体系域(TST,0～25 m)岩性主要为灰黑色薄层碳质泥岩夹灰色、灰黄色薄层泥岩；高水位体系域(HST，25～84.58 m)岩性主要为灰褐色薄层泥岩、灰黑色薄—中层碳质泥岩夹粉砂质泥岩(图2)。

图1 研究区区域构造背景及位置图Fig.1 Regional geological background and location of the study area

2 样品及测试方法

本次研究共采集寨沙剖面野外露头样品16件，分析测试均在四川省科源工程技术中心完成，包括有机碳含量、X射线衍射分析、主元素和痕量元素测试分析。所有样品测试前均去掉表面风化层，尽量减小风化作用的影响以保证测试结果的准确性。总有机碳含量测试采用《沉积岩中总有机碳的测定》(GB/T19145-2003)方法，在Leco CS-400碳硫分析仪上完成。首先将样品粉碎至200目，用稀盐酸除去岩样中的碳酸盐，烘干后，将除去碳酸盐的岩样在高温(1 200℃)氧气流中燃烧，将得到的CO2经红外检测器确定总有机碳的含量。X射线衍射分析在荷兰帕纳科X’Pert Powder X射线衍射仪上完成。首先取1～2 g样品粉碎至直径<40 μm，将测试样品的X射线衍射图与标准X射线谱图比对，对全岩矿物含量进行定量评估。对样品中黏土矿物部分，采用沉降-离心方法分别提取直径<10 μm和<2 μm的样品用于黏土矿物含量测定。实验方法参照国家标准《沉积岩中粘土矿物和常见非粘土矿物X衍射分析方法》 (SY/T 5163-2010)。主元素测试在岛津XRF-1800波长扫描X射线荧光光谱仪上完成。痕量元素含量利用Agilent 7500a ICP-MS分析完成。其中痕量元素测试方法如下：①称取50 mg 200目岩石粉末于Teflon溶样器中；②在Teflon溶样器中将样品与HF+HNO3混合，于195℃条件下消解48 h；③在120℃条件下蒸干除Si后的样品，用2%稀硝酸溶液稀释2 000倍，定容于干净的聚酯瓶。

图2 寨沙剖面鹿寨组下段地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the lower section of Luzhai Formation in Zhaisha cross section

3 地球化学特征

3.1 矿物组成

全岩X射线衍射测试分析结果显示鹿寨组下段样品主要矿物成分为石英及黏土矿物。石英的质量分数为70%～96%，平均为84%，下部的石英含量略高于中上部；黏土矿物的质量分数为4%～27%，平均为14%。部分样品中含有少量长石、方解石、重晶石 (表1)。黏土矿物主要为伊利石，少量绿泥石以及伊蒙混层，3种矿物平均相对质量分数为别为92.75%、3.6%及3.7%(表1)。矿物成分及含量表明，鹿寨组下段泥岩以脆性矿物为主，易在人工水力压裂下产生裂缝，有利于页岩气开采。

3.2 有机碳含量

有机质丰度对页岩气资源具有重要影响和指示意义，其含量决定泥页岩的吸附能力，因此有机碳含量是评价烃源岩及生烃潜力最为关键的参数之一[18-19]。目前具有商业开发价值的优质泥页岩的有机质质量分数最低标准一般>2.0%[20]。鹿寨组下段泥岩有机碳质量分数为0.2%～4.54%，平均为2.32%(表2)，显示其达到了优质泥岩的标准。鹿寨组下段有机碳含量自下而上呈现先增大后减小的趋势(图3)。

表1 鹿寨组下段X射线衍射分析结果Table 1 X-ray diffraction analysis of the lower section of Luzhai Formation

表2 鹿寨组下段有机碳及主元素含量(w/%)Table 2 Total organic contents and major elemental components of the lower section of Luzhai Formation

3.3 主元素、痕量元素

研究区鹿寨组下段主元素分析测试结果显示SiO2质量分数为73.22%～95.63%，平均为84.44%。Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O、CaO含量依次降低，平均质量分数分别为9.50%、2.72%、1.95%、0.49%、0.15%及0.12%(表2)。鹿寨组下段痕量元素测试分析结果见表3。

元素含量及比值可以有效地反映古生产力以及古沉积环境条件[21-23]。古气候指数C、化学蚀变指数CIA以及Sr/Cu比值可有效判别古气候条件[24-25]。鹿寨组下段古气候指数C、CIA以及Sr/Cu比值分别为0.26～2.38、76.29～87.47、0.09～0.69。V/(V+Ni)、V/Cr以及Ni/Co比值是古氧化-还原条件的有效判别指标[26]。鹿寨组下段古氧化-还原指标V/(V+Ni)、V/Cr及Ni/Co比值分别为0.36～0.99、2.23～9.9、2.3～26.26。Ba、Ni及Cu元素含量可作为古生产力替代指标[22]。鹿寨组下段古生产力指标Ba、Ni以及Cu的质量分数分别为(231.32～4 128.26)×10-6、(4.86～52.48)×10-6、(79.99～620.27)×10-6(表3)。

4 讨 论

4.1 古气候条件

气候条件对沉积环境的氧化-还原、酸碱性及古盐度等具有一定影响，在构造运动稳定时期，是解释沉积环境不可或缺的指标之一[29]。沉积物中主元素、痕量元素含量受古气候影响，不同气候条件下元素的富集程度存在差异[30]。常用的指示古气候的指标包括古气候指数C、化学蚀变指数CIA、Sr/Cu、Fe/Mn、Fe/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3比值以及Sr、Cu元素的含量等[30]，其中古气候指数C、化学蚀变指数CIA及Sr/Cu比值是最广泛使用的古气候指标。潮湿的气候条件下Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素常常富集；而干旱条件下，水分蒸发，水体碱性增强，Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素较富集[24]。古气候指数C值计算如下

(1)

研究表明，0

化学蚀变指数(CIA)常被用来作为评价气候和风化作用强度的指标[32-33]，采用如下公式计算

CIA=100×Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O)

(2)

式中各氧化物的含量皆为摩尔分数。由于精确测定和扣除钙质沉积物中碳酸岩衍生的CaO较为困难，因此本文计算CIA指数时舍去原公式分母中CaO含量[33]。鹿寨组下段CIA值显示自下而上具有先减小后增大的趋势(图3)。研究表明，0.8≤CIA<1指示热和潮湿的热带气候，源区化学蚀变作用强；0.7≤CIA<0.8指示温带气候，源区化学蚀变作用中等；CIA<0.7指示寒冷和干旱的气候，源区化学蚀变作用弱[34]。鹿寨组下段CIA值为0.76～0.87，平均为0.80，属于半潮湿—潮湿的气候条件(图4-A)，中等—强的化学蚀变作用。

研究表明，Sr与Cu的比值对古气候具有较好的指示意义，Sr/Cu<10指示潮湿环境，Sr/Cu≥10指示干旱环境[35]。研究区鹿寨组下段富有机质泥岩样品Sr/Cu比值为0.1～0.78，平均为0.31，属于潮湿的气候条件(图4-B)。

图4 鹿寨组下段古气候分析判断图Fig.4 Discrimination diagram of paleoclimate for the lower section of Luzhai Formation

综上所述，3种古气候指标指示鹿寨组下段沉积期为半潮湿—潮湿气候，化学蚀变作用中等—强。

4.2 古氧化-还原条件

沉积水体的氧化-还原条件对生物的演化、有机质的保存有非常重要的作用[29]。痕量元素如V、Ni、U及Mo等对氧化-还原变化非常敏感[36]，在还原环境中易在沉积物中富集，因此通过它们的富集程度或相对比值可以判断沉积水体的氧化-还原条件[26]。其中V/(V+Ni)、V/Cr及Ni/Co比值为判断氧化-还原条件的常用指标[37]。

J.R.Hatch等[37]研究美国宾夕法尼亚上统海相黑色页岩地球化学特征时，发现V/(V+Ni)比值与黑色页岩中黄铁矿的矿化度(DOP)存在较好的正相关性，因此认为V/(V+Ni)比值能够较好地反映沉积水体的氧化-还原条件。研究表明：V/(V+Ni)比值<0.46指示氧化环境,[0.46,0.57)指示贫氧环境,[0.57,0.83)指示缺氧环境,[0.83,1)指示硫化环境[38]。鹿寨组下段V/(V+Ni)比值为0.36～0.99，除样品LZ-20落在氧化环境内，其余均落在缺氧—硫化环境(图5-A)，指示鹿寨组下段沉积时期水体整体为还原环境。

图5 鹿寨组下段古氧化-还原条件分析判别图Fig.5 Discrimination diagram of ancient redox for the lower section of Luzhai Formation

Ni和V在还原环境中容易被有机物吸附，Cr和Co浓度被认为是陆源碎屑含量的函数，受氧化-还原条件的影响较小[39]。B.Jones等[40]将Ni/Co和V/Cr比值与黄铁矿的矿化度对比后提出Ni/Co和V/Cr比值对氧化-还原条件具有较好的指示意义。因此Ni/Co以及V/Cr比值常被用来指示水体氧化-还原条件[41]。Ni/Co比值<5指示氧化环境，=5～7指示贫氧环境，>7指示缺氧环境[31,40]。鹿寨组下段Ni/Co比值为2.3～26.26，平均值为12.62，除样品LZ-22落在氧化区域外，其余样品都落在贫氧—缺氧环境中(图5-B)，指示鹿寨组下段沉积时期水体主要为贫氧—缺氧环境。V/Cr比值<2.00指示氧化环境，=2.00～4.25指示贫氧环境,>4.25指示缺氧环境[42]。鹿寨组下段样品V/Cr比值为2.23～9.90，均大于2.00，平均值为4.92，主要落在贫氧—缺氧的环境中(图5-C)，同样指示鹿寨组下段沉积时期水体为贫氧—缺氧环境。因此，鹿寨组下段沉积时期整体以还原环境为主。

4.3 古生产力条件

Cu和Ni元素在氧化水体中分别以金属配位体、可溶性碳酸镍(NiCO3)形式存在，两者络合物形态易与有机质结合而加速沉淀，从而在沉积物中富集，因此Cu和Ni元素可作为古生产力指标[45]。本文采用Cu和Ni元素富集因子(EFX)来判断古生产力条件，富集因子计算公式如下

EFX=(X/Al)样品/(X/Al)平均页岩

(3)

X为样品中标准化的元素，EFX>1指示元素X相对于平均页岩富集，EFX<1指示元素X相对于平均页岩亏损[22,46]。计算表明鹿寨组下段EFCu平均值为11.34，EFNi平均值为1.49，均相对于平均页岩富集。其中EFCu>10，指示鹿寨组下段沉积时期具有中等初级生产力水平。

综合3种常见的古生产力指标，认为鹿寨组下段沉积期具有中等初级生产力水平。

4.4 有机质富集因素

有机质富集受古生产力、保存条件、沉积速率及陆源稀释等多种因素影响。目前关于有机质富集机制主要有“古生产力”和“保存条件”2种模式[47]。古生产力模式强调高的初级生产力能够提高有机质通量，有机质消耗水柱中大量氧气，进而导致水体变为缺氧的环境，能提升有机质保存；保存条件模式认为有机质富集与特殊的盆地构型有关(如局限盆地)，不依赖于古生产力(有机质通量)。如前所述，虽然鹿寨组下段富有机质泥岩沉积期同时具有中等生产力水平及贫氧—缺氧的水体条件，然而相关性图显示，TOC与古氧化-还原指标间具有更明显的相关性(图6，图7)。因此，本文认为，鹿寨组下段泥岩中高有机质含量可能更受控于古海洋氧化-还原状态。

图6 鹿寨组下段古生产力指标与TOC相关性图Fig.6 Correlation diagram of paleo-productivity index and TOC for the lower section of Luzhai Formation

图7 鹿寨组下段古氧化-还原指标与TOC关系Fig.7 Correlation diagram of ancient redox index and TOC for the lower section of Luzhai Formation

综上所述，鹿寨组下段沉积期古气候条件为半潮湿—潮湿环境，源区化学蚀变作用中等—强。虽然鹿寨组下段沉积期海洋具有中等古生产力条件，且陆源输入对TOC具有一定稀释作用(图8)，但贫氧—缺氧的环境能有效抑制有机质的分解，最终导致大量有机质保存在鹿寨组下段泥岩中。因此，贫氧—缺氧的环境是有机质富集的主控因素。

图8 鹿寨组下段陆源输入指标与TOC关系Fig.8 Correlation diagram of input index and TOC for the lower section of Luzhai Formation

5 结 论

a.鹿寨组下段有机碳质量分数为0.2%～4.54%，平均为2.32%，达到了富有机质泥岩的标准；矿物组成以石英为主，石英的质量分数为70%～96%，平均为84%；脆性矿物含量高，岩层易在人工压裂下产生裂缝，有利于页岩气开采。

b.古气候指标：古气候指数C、CIA以及Sr/Cu比值显示鹿寨组下段沉积于半潮湿—潮湿环境；古氧化-还原指标：V/(V+Ni)、Ni/Co以及V/Cr显示沉积期水体具有贫氧—缺氧的氧化-还原特征；古生产力指标：Ba、Cu及Ni元素显示鹿寨组下段沉积时期具有中等的初级生产力水平。

c.鹿寨组下段沉积期虽然具有中等初级生产力条件，但是TOC与氧化-还原指标间更好的相关性表明TOC与氧化-还原条件关系更为密切，贫氧—缺氧的保存条件是该地区有机质富集的主控因素。