鄂尔多斯盆地三叠系长7段黑色页岩形成环境及其对页岩油富集段的控制作用

张斌，毛治国，张忠义，袁懿琳，陈小亮，石雨昕，刘广林，邵晓州

（1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，西安 710021；3. 中国地质大学（北京），北京 100083）

0 引言

鄂尔多斯盆地三叠系延长组 7段（后文简称长 7段）发育优质湖相黑色页岩，其有机质丰度极高，TOC值一般在5%以上，最高大于30%，成熟度适中，生成大量石油，不仅是鄂尔多斯盆地常规石油的主要来源，支撑了鄂尔多斯盆地快速增储上产，而且还含有丰富的页岩油资源，受到国内外学者的高度关注[1-5]。为了明确这套黑色页岩的发育环境和页岩油有利勘探开发层段，2018年在中晚三叠世湖盆西北缘钻探了一口延长组7段—9段全取心井（冯75井），并对这套黑色页岩的岩石学和有机地球化学特征进行了系统分析。

有机碳同位素组成分析发现，长 7段深度为2 753～2 777 m的井段存在一个明显的同位素组成“负漂移”现象。关于有机碳同位素组成负漂移，前人已经开展大量研究，认为主要有两种成因[6-11]：一是与有机质来源有关，二是与有机质沉积环境有关。胡修棉等[6]认为，有机碳同位素组成出现明显漂移被认为与极热事件有关，而极热事件通常都是由火山活动引起的。其中负向漂移指示火山活动发生在陆地，而正向漂移则指示火山活动发生在海洋。如果火山活动发生在陆地，喷发伴随着大量CO2、CH4和H2S等气体的释放，形成缺氧环境，大量轻有机碳同位素组成的气体进入大气-海洋系统，从而形成了有机碳同位素组成的负向漂移。当火山活动发生在深海环境，则由于释放的热量和营养物质直接进入海洋系统，海洋初级生产力增强，并形成海底缺氧环境，有机质大规模埋藏，碳无法返回大气-海洋系统，有机碳同位素组成正向漂移。两种不同的机制导致的生态效应不同，从而影响生物的繁盛程度和有机质的保存，进而影响烃源岩的发育和生烃潜力评价[6-9]。由此可见，有机碳同位素组成漂移可作为火山活动的重要标志，而火山活动对烃源岩中有机质的富集具有重要的促进作用[10-15]。

前人针对鄂尔多斯盆地三叠系湖相烃源岩的研究，主要从火山活动提供营养物质来论述了其对有机质富集的重要影响[10-11]，但对火山活动引发的气候变化、沉积水体氧化-还原环境、有机质的埋存及页岩油的富集方面的研究相对较少。本研究以冯75井为例，通过对长 7段无机元素、生物标志化合物和碳同位素组成等高密度分析，揭示这套黑色页岩形成的气候条件及水体氧化还原环境、有机质保存和富集机理，确定生烃母质来源及生油气特性，进而为页岩油富集层段选取提供科学依据。

1 样品与实验

冯75井位于鄂尔多斯盆地中晚三叠世湖盆西北缘（见图1），岩心长度约350 m。根据鄂尔多斯盆地地层划分方案，将2 663～2 778 m井段连续黑色页岩段确定为长7段，其中黑色页岩占比超过95%，含少量灰色泥岩、泥质粉砂岩薄夹层和凝灰岩。通过与邻井对比，将长7段进一步划分出长71、长72和长73共3个亚段（见图1c）。

图1 冯75井位置及三叠系延长组长7段岩性柱状图

为了研究长 7段黑色页岩有机质丰度及类型，对该井段进行了高密度采样，115 m井段共采集样品304块，开展岩石热解、有机碳扫描，从而获取黑色页岩基本地球化学信息。在此基础上，遴选73块样品进行精细有机地球化学分析，分析项目包括有机碳同位素组成、生物标志化合物等。分析测试均按照相关国家和行业标准进行，在中国石油天然气集团有限公司油气地球化学重点实验室完成。此外，304块样品的常量元素和微量元素分析测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。

2 结果与讨论

2.1 有机质丰度及类型

冯75井长7段烃源岩指示有机质丰度的关键参数TOC和S2、TOC和（S1+S2）均呈现很好的正相关关系，即有机碳含量越高，生烃潜量越大（见图 2）。304块样品TOC值为0.76%～9.42%，平均值为4.63%，属优质烃源岩。但比湖盆中心长 7段油页岩要低一些，后者TOC值最高可大于30%[10-12]。（S1+S2）值为2.84～39.75 mg/g，平均值为 17.39 mg/g。比较而言，长 73亚段有机质丰度最优，TOC值平均为 5.40%；其次是长72亚段，TOC值平均为4.55%；长71亚段略低，TOC值平均为3.55%。

图2 冯75井长7段有机质丰度关系图

在相近成熟度条件下，HI可反映有机质类型。冯75井长7段HI值总体在250～400 mg/g，且长73亚段烃源岩的HI值最大，长 72亚段的HI值次之，长 71亚段烃源岩的HI值最小（见图3），指示鄂尔多斯盆地长7段湖相烃源岩有机质类型以Ⅱ1型为主，而与同样形成于淡水湖盆的松辽盆地白垩系青山口组烃源岩有所差异，后者多以Ⅰ型有机质为主[16]。冯75井长7段Tmax值约为440 ℃，HI值约为300 mg/g，绝大多数样品落在Ⅱ1型有机质范围内，少数长71亚段样品落在了Ⅱ2型有机质范围内，个别长73亚段样品落在Ⅰ型有机质范围内（见图3a）。

图3 冯75井长7段有机质类型交会图

长73亚段和长 72亚段烃源岩的OI值极低，绝大多数样品低于 10 mg/g，远低于国内外其他盆地烃源岩，甚至低于一般烃源岩交会图版左边界线，长71亚段的OI值则大部分落在Ⅱ1型有机质范围内（见图3b）。过低的OI值与当时极度贫氧的沉积环境有关。

纵向上看，长7段自下而上有机质丰度逐渐降低，类型逐渐变差，与有机质保存环境有关。代表水体含氧程度的OI值自下而上逐渐增高（见图 4）。长 73亚段TOC值和HI值最高，平均值分别为 5.70%和 345 mg/g，而OI值最低，平均值仅为6 mg/g；长72亚段TOC值和HI值有所降低，OI值增高，OI平均值达到11 mg/g；而长 71亚段OI值明显增高，最高可达 93 mg/g，平均值为29 mg/g，对应的TOC值和HI值则进一步减少至 3.55%和 269 mg/g，反映沉积水体中的氧含量大幅增加，有机质保存条件逐渐变差。在长73亚段中部2 755～2 758 m井段出现TOC值和HI值显著降低、OI值升高的层段，主要原因是本段出现了岩性变化，由黑色页岩变为泥质粉砂岩夹层。

图4 冯75井长7段黑色页岩岩石热解参数综合柱状图

无机元素分析结果可以指示有机质沉积时的水体环境。P、Ba等与生物生长相关的营养元素总体呈现自下而上逐渐增高的趋势，表明营养物质自下而上逐渐增多，长73亚段局部出现营养元素的富集层段。指示水体氧化-还原环境的 U、Mo等元素则呈现自下而上逐渐降低的趋势，表明水中含氧量向上逐渐增高；相对而言底部含氧量更低、有机质保存条件更优越（见图5）。结合图4岩石热解参数综合柱状图可以看出，有机质的保存条件对形成高有机质丰度烃源岩更重要。

图5 冯75井长7段部分无机元素纵向分布柱状图

元素交会图指示水体的缺氧程度[17-19]。长73亚段缺氧程度更强一些，总体处于厌氧—贫氧环境。其次是长72亚段，多数处于贫氧环境，少数处于厌氧环境。而长71亚段则整体处于贫氧环境（见图6）。反映黑色页岩沉积过程中水体的还原程度自下而上逐渐减弱，与图4岩石热解OI值反映的结果一致。

图6 冯75井长7段黑色页岩无机元素交会图（氧化-还原边界据文献[17]）

2.2 有机质来源与沉积气候-水体环境

生物标志化合物是指示有机质来源与沉积环境的重要手段。总体来看，长 7段黑色页岩岩石抽提物表现为淡水湖相沉积特征。萜烷方面，三环萜烷（tricyclic terpane，简称TT）远低于五环三萜烷，C19TT、C20TT、C21TT和C23TT含量依次升高，Ts大于Tm、C29Ts和C30重排藿烷含量中等，伽马蜡烷含量极低，C34和C35藿烷含量低。甾烷方面，重排甾烷含量高，C27甾烷含量最高，其次是 C29甾烷，C28甾烷最低。以上特征指示有机质主要来自于湖相水生生物，同时含有少量陆源生物的贡献。此外，ββ构型甾烷含量远高于αα构型甾烷、20S构型甾烷含量与 20R构型甾烷含量基本相当（见图 7），表明有机质成熟度较高，达到生油高峰演化阶段[20]。

图7 冯75井长7段黑色页岩典型生物标志化合物图谱

不同层段生物标志化合物存在一定差异。纵向上，生物标志化合物表现出规律性变化趋势。Pr（姥鲛烷）和Ph（植烷）最主要的来源是光合作用中叶绿素a以及紫硫细菌中细菌叶绿素a和b的植基侧链[21]，还原或缺氧的环境有利于植基侧链的断裂形成植醇，最后形成植烷，而氧化条件则促进植醇优先形成姥鲛烷，因此姥植比是反映有机质形成环境的重要参数。当姥植比大于 3时，主要反映有机质形成于氧化或弱氧化的陆相环境；而当姥植比小于 1时，则反映有机质形成于典型的还原环境[20]。长7段黑色页岩姥植比不高，均小于1，指示长7段黑色页岩中的有机质形成于强还原环境。但是，比较而言，长73亚段黑色页岩姥植比明显高于长72亚段和长71亚段，长73亚段则呈现自下而上先增高后降低的趋势（见图 8）。姥植比指示的有机质形成环境与前文所述水体严重缺氧的沉积环境并不一致，表明有机质不完全是水生生物形成的，少量有机质来自于陆源高等植物，经过了一定的搬运过程在强还原的水体环境中聚集而成。

其他生物标志化合物也指示长73亚段具有相对较多的陆源有机质输入。三环萜烷通常被用来作为有机质来源的重要指示化合物[22-23]。前人在库车坳陷陆相烃源岩的研究中发现，水生生物为主的有机质，三环萜烷含量相对较低，且碳数越低，含量越少；而陆源高等植物来源的有机质，则含有较高的三环萜烷，且易出现碳数越低含量越高的特征[24-25]。在冯75井长7段的生物标志化合物，整体表现为 C19TT、C20TT、C21TT、C23TT含量依次增高的趋势，反映有机质主要来自湖相水生生物，但是C19TT与C23TT的比值自下而上呈现逐渐降低趋势，指示长 73亚段具有相对偏多的陆源有机质输入（见图8）。

图8 冯75井指示陆源有机质输入的生物标志化合物参数纵向分布柱状图

C24四环萜烷（tetracyclic terpane，简称C24TeT）通常用于指示碳酸盐岩和蒸发岩的沉积环境，在澳大利亚陆相原油中也发现丰富的C24TeT[20,26]。鄂尔多斯盆地长8段以陆源有机质为主的烃源岩中也存在丰富的C24TeT，C24TeT含量远高于其出峰附近的 C26TT，二者的比值均在2以上，部分样品超过10。因此，C24TeT与 C26TT的比值可作为陆源有机质输入的指标，长 7段黑色页岩中该比值的分布范围在0.7～1.9，表明陆源有机质输入总体较少。长73亚段呈现先增大后减小的趋势，显著增高的层段与姥植比、C19TT与C23TT比值增高的层段基本一致（见图8）。

2.3 有机碳同位素组成负漂移及沉积水体环境

受古气候条件等因素影响，不同时代、不同沉积环境有机碳同位素组成有一定差异。张大江等[27]对中国陆上大量烃源岩样品有机碳同位素组成分析数据统计发现，有机碳同位素组成整体呈现随着地层时代由老到新逐渐变重的趋势，下寒武统—泥盆系海相地层有机碳同位素组成普遍轻于-29‰，其中震旦系为-31.67‰，寒武系为-29.30‰，奥陶系为-28.90‰。而石炭系—二叠系海陆过渡相以及中新生界陆相地层有机碳同位素组成平均值约为-24‰。但不同时代有机碳同位素组成分布范围较宽，尤其是中新生界陆相地层，该值为-30‰～-20‰，呈现双峰甚至多峰分布形态，与其沉积环境密切相关。

有机碳同位素组成常被用来指示有机质来源和沉积水体环境[27-34]。一般来说，来自水生生物的有机质碳同位素组成偏轻，而陆源高等植物来源的有机质碳同位素组成偏重，如煤系烃源岩碳同位素组成明显重于湖相烃源岩。从大量测试数据来看[28-34]，淡水湖相烃源岩（如松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系、库车坳陷三叠系等）有机碳同位素组成普遍为-31‰～-29‰；塔里木盆地和四川盆地海相烃源岩与湖相烃源岩相近，寒武系烃源岩碳同位素组成要更轻一些，一般约为-32‰；咸水湖相烃源岩（如柴达木盆地古近系和江汉盆地古近系）有机碳同位素组成明显偏重，一般在-26‰～-24‰；煤系烃源岩有机碳同位素组成一般重于-27‰（如鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系、四川盆地三叠系须家河组、西北地区侏罗系等）。

冯75井长7段有机碳同位素组成分布为-30.6‰～-28.4‰，平均值为-29.3‰，表现为典型淡水湖相烃源岩特征。其中，长73亚段存在一个明显的有机碳同位素组成负向漂移趋势，从井深2 777 m的-28.4‰偏移至井深2 753 m的-30.6‰，偏差约为2‰，随后又逐渐正向偏移，至2 730 m的-29.2‰，之后总体保持稳定（见图9）。根据前文生物标志化合物研究结果，长73亚段烃源岩有机质中存在相对偏多的陆源有机质输入，但却表现为更轻的碳同位素组成特征，二者存在矛盾；分析认为，重大地质事件是造成这一矛盾的主要原因。

图9 冯75井干酪根有机碳和氯仿沥青“A”碳同位素组成纵向分布柱状图

重大地质事件不仅记录在海相地层中，陆相湖盆也有重要记录，有机碳同位素组成偏移就是对重要地质事件的直接响应。Xu等[35]发现四川盆地侏罗系自流井组大安寨段存在明显的有机碳同位素组成负向漂移，认为是对早侏罗世Toarcian大洋缺氧事件的响应，与全球火山活动和碳循环密切相关；Jones等[36]发现松辽盆地白垩系青山口组烃源岩有机碳同位素组成正向漂移，是对晚白垩世大洋缺氧事件第三幕 OAE3（Oceanic Anoxic Event 3）的响应。鄂尔多斯盆地冯75井黑色页岩存在有机碳同位素组成漂移，其形成机理与四川盆地侏罗系和松辽盆地白垩系类似，发生在古秦岭地区的火山活动引起的极热和缺氧地质事件是主要原因[37-39]。由于火山活动发生在陆地，火山灰在空气中漂浮进入鄂尔多斯盆地，这种陆上的火山活动造成了有机碳同位素组成负漂移。同位素的负向漂移幅度与火山灰的厚度也是一致的。纵向上，长 7段黑色页岩中存在多套火山灰，主要集中在长73亚段，长72亚段页有少量薄层火山灰，长 71亚段几乎未见火山灰，表明火山强度自下而上逐渐减弱。

由火山活动引起的极热事件对有机质的沉积和保持具有重要的影响。发生在晚三叠世卡尼期的洪积幕（Carnian Pluvial Episode，CPE）事件，就是由于火山活动诱发极热事件，从而产生长时期大规模降雨，地表洪流远高于正常时期[40-43]。长 7段黑色页岩顶、底沉积年龄分别为（241.06±0.12）Ma和（241.558±0.093）Ma[44]，属于中生代 Ladinian期（拉丁期），早于卡尼期洪积幕，其对地层沉积具有类似的影响。冯75井长73亚段细粒沉积中夹杂少量粉砂岩和炭质泥岩，这些都与地表洪流有关。此外，火山活动导致空气中CO2、H2S、CH4等气体含量增多，造成大气浑浊，O2含量降低，形成严重缺氧环境。这一机制可以合理解释前文所提出的矛盾问题，一方面长73亚段沉积时由于极端天气导致相对偏多的陆源有机质输入，另一方面由于保存环境更缺氧，有机质更富氢，使得长73亚段有机质OI值更低，而HI值更高。

2.4 黑色页岩形成环境与页岩油富集

除鄂尔多斯盆地长7段外，松辽盆地白垩系青山口组发现多层火山灰，准噶尔盆地和三塘湖盆地二叠系芦草沟组中存在丰富的沉凝灰岩，这说明优质烃源岩的形成在一定程度上与火山活动密切相关。火山活动对有机质的富集主要体现在以下两个方面：①火山喷发形成大量营养物质，对湖中的水生生物具有“施肥”效应，有利于生物繁盛；②生物的繁盛和快速埋藏形成缺氧环境，加上火山灰的快速掩埋，有利于有机质的保存。

页岩含油性分析表明，明显受到火山活动影响较为强烈的层段烃类含量要低于其他层段，无论是岩石热解参数游离烃S1、氯仿沥青“A”，还是 Jarvie[45]和Li等[46]提出的岩石含烃指数（S2抽提前减去S2抽提后再加上S1），但这并非是含烃量的真实结果，因为这一段轻组分含量高，在分析测试过程中挥发而导致含烃量被低估了（见图10）。

图10 冯75井黑色页岩中烃类含量纵向分布柱状图

这一点从岩石中烃类组成可以明显看出来。这里选取全油气相色谱图饱和烃化合物质量比 n C21-22/nC28-29、组参数，分别代表中等相对分子质量与高相对分子质量、低相对分子质量奇数碳与高相对分子质量奇数碳、中相对分子质量奇数碳与高相对分子质量奇数碳正构烷烃质量之比，反映轻质组分或中质组分与重质组分的含量比值。从图11来看，这 3组参数变化趋势几乎完全相同，与有机碳同位素组成漂移趋势具有良好的对应关系，尤其是在有机碳同位素组成最小值附近（2 750～2 754 m井段），轻质组分和中质组分含量要远高于重质组分。这与陆源有机质的输入较多有关，因为陆源有机质更有利于形成轻质烃类组分。由此可见，受缺氧事件影响，形成的烃源岩中含有更高的轻质组分和中质组分，有利于油气的流动，可成为页岩油的重要“甜点”层段。

图11 冯75井正构烷烃轻、中、重组分相对含量纵向分布柱状图

此外，火山活动带来的火山灰，以石英和长石为主，脆性强，有利于工程压裂。前人已经报道了大量相关研究成果[32-33]，在此不再赘述。

3 结论

鄂尔多斯盆地三叠系湖盆西北缘的冯75井长7段岩性以黑色页岩为主，夹少量泥质粉砂岩和凝灰岩。有机质丰度高，以Ⅱ1型有机质为主，处于生油窗。黑色页岩OI值极低，远低于其他湖盆烃源岩，与极度的贫氧沉积环境有关。纵向上，OI值自下而上逐渐增高，反映沉积水体氧含量逐渐增高。

生物标志化合物出现规律性变化，在长73亚段深度为2 753～2 777 m的井段出现明显“拐点”，指示陆源有机质输入增多。但是，在“拐点”附近却出现了有机碳同位素组成负向漂移，与生物标志化合物结果矛盾，古秦岭地区陆上火山活动诱发的极热和缺氧事件是造成这一现象的主要原因。受极热和缺氧事件影响，形成的烃源岩中含有更高的轻质组分和中质组分，有利于油气的流动，可成为页岩油富集的重要“甜点”层段。

符号注释：

HI——氢指数，mg/g；OI——氧指数，mg/g；S1——岩石中的游离烃含量，mg/g；S2——岩石中的热解烃含量，mg/g；Tmax——岩石热解最高峰温度，℃；TOC——总有机碳，%。