延安南部延长组长9段顶部页岩古沉积环境恢复及意义

李晓路，杜永慧，陈义国，李广涛，吴 凤，王 超，李红进，杜克锋

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安 710065)

0 引言

随着致密油藏勘探开发技术的广泛推广，延安南部地区长8段致密油藏勘探陆续获得突破，目前已发现的致密油地质储量超过1×108t，促使该地区成为延长油田现实的资源接替区。长9段顶部发育的黑色页岩具有较强的生烃能力和排烃能力，是延长组一套重要烃源岩[1]。前人的研究表明，长9段顶部的页岩与长8段的原油具有亲缘性，同时其发育规模及分布对长8段致密油的富集具有一定的控制作用[2-5]。鉴于长9烃源岩对该地区致密油成藏的重要影响，开展长9段顶部页岩古沉积环境的研究非常必要。该研究利用岩心以及野外露头的页岩样品的元素分析测试结果，进行元素地球化学特征、古气候、古氧化还原条件、古盐度、古水深以及古湖泊生产力等方面的分析，明确延安南部长9段顶部的页岩的形成条件及发育模式，有助于评价研究区优质烃源岩的发育区，进一步扩大长8致密油的勘探规模，同时促进延长组湖盆沉积演化的认识。

1 地质概况

延安南部地区处于鄂尔多斯盆地陕北斜坡的东南部，三叠系延长组时期以湖泊三角洲沉积为主[6]。长9晚期湖盆快速沉降，迅速扩张，延安南部的甘泉—富县地区长9段顶部发育了一套富有机质页岩，岩性主要为黑色、灰黑色页岩及粉砂质泥岩，厚度约为5～25 m。研究区北部页岩发育厚度较大，向南部减薄，直罗—富县一带厚仅为5～10 m。延安南部长9段顶部页岩展布图及地层特征如图1所示。根据研究区内页岩地球化学分析测试结果显示，长9段顶部页岩的有机碳含量较高，生烃潜力大，TOC均值为5.1%，(S1+S2)平均为6.7 mg/g，可达优质烃源岩级别[7]。

图1 延安南部长9段顶部页岩展布图及地层特征图Fig.1 Distribution map and stratigraphic characteristics of shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

2 样品采集与分析

该研究进行了野外剖面和岩心取样，共采集8个岩心样品和3个新鲜岩石样品。主量元素和微量元素测试均由西北大学大陆动力学国家重点实验室测试完成，分析仪分别为XRF荧光光谱仪(ZSX PrimusIII+)和电感耦合等离子体质谱仪(Agilent7900)，流程遵照GB/T 14506.28—2010《硅酸盐岩石化学分析方法》第28部分对16个主次成分量测定，遵照标准GB/T 14506.28—2010《硅酸盐岩石化学分析方法》第30部分对40个元素量测定。

3 分析测试结果

3.1 主量元素特征

延安南部长9段顶部页岩主量元素含量见表1。分析结果表明：SiO2含量较高，为54.75%～70.07%，平均值为63.96%；Al2O3含量次之，为11.98%～15.84%，平均值为13.77%；TFe2O3含量为2.70%～7.29%，平均值为5.10%；MgO含量为1.54%～4.49%，平均值为2.26%；Na2O含量为2.14%～4.41%，平均值3.25%；CaO含量为1.10%～6.32%，平均值为2.95%；K2O含量为1.19%～3.52%，平均值为2.56%；其他氧化物(MnO和TiO2)含量小于1%，烧失量为1.77%～9.14%，平均值为5.09%。分析结果与上地壳均值(UCC)[8]对比，TFe2O3，P2O5和MnO相对富集，其余元素相对亏损。TFe2O3和P2O5相对富集较高，表明长9段顶部页岩沉积时期无机盐类含量较高。

表1 延安南部长9段顶部页岩主量元素含量Table 1 Contents of major elements in shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

3.2 微量元素特征

延安南部长9段顶部页岩微量元素含量见表2。测试结果表明：长9段顶部页岩中不同类型微量元素含量差异较大。Sr含量为50.33×10-6～374.37×10-6，平均值为178.01×10-6；V含量为31.65×10-6～105.51×10-6，平均值为75.59×10-6；Rb含量为39.60×10-6～247.15×10-6，平均值为102.18×10-6；Ba含量为227.66×10-6～875.46×10-6，平均值为575.76×10-6；Ni含量为12.65×10-6～34.97×10-6，平均值为22.57×10-6；Co含量为10.34×10-6～19.35×10-6，平均值为14.44×10-6。通过与上地壳元素平均值对比，Rb，U和Th较为富集，Co和Ba与上地壳元素平均值相当，其他元素如Sc和Cr等表现为相对亏损。

表2 延安南部长9段顶部页岩微量元素含量Table 2 Contents of Trace elements in shale at the top of Chang9 Member in southern Yan’an

4 沉积古环境分析

沉积物中地球化学元素具有相对的稳定性，在古环境分析中应用广泛，已在多个盆地取得较好的成果和认识[9-12]。利用元素地球化学的测试结果，对延安南部地区长9段顶部页岩沉积时期的古气候、古氧化还原条件、古盐度和古水深进行分析，并对古湖泊的初级生产力进行半定量计算。

4.1 古气候

古气候是判断沉积环境的重要指标。该文依据样品中的CaO和MgO等常量元素分析结果，运用CaO/(MgO·Al2O3)值的方法，对比前人对延长组古气候研究成果，分析长9段顶部页岩沉积时期的古气候特征。沉积物中的CaO/(MgO·Al2O3)值可以较为灵敏反映湖泊内生碳酸钙的含量，进而根据其高低值来指示气候的温暖和寒冷[13]。延安南部长9段顶部页岩古沉积环境分析参数见表3。长9段顶部页岩样品的CaO/(MgO·Al2O3)为0.046～0.337，平均值为0.116。前人研究得出的长7段CaO/(MgO·Al2O3)平均值为0.112，长6—长1段平均值为0.148[9]，通过对比，长9段顶部页岩沉积时期的气温与长7段沉积时期相接近，但低于长6—长1段沉积时期，整体为温暖、湿润的气候特征。

表3 延安南部长9段顶部页岩古沉积环境分析参数表Table 3 Analysis parameters of paleo-sedimentary environment of shale at the top of Chang9Member in southern Yan’an

4.2 古氧化还原条件

微量元素中V/(V+Ni)及δU等参数常用于判断水体的氧化还原环境[12,14-15]。V/(V+Ni)>0.77为缺氧、极贫氧环境，0.60～0.77 为贫氧、次富氧环境，小于0.6 为富氧环境[16]。δU>1为缺氧环境，δU<1为正常水体环境[17-18]。研究区样品的V/(V+Ni)为0.66～0.87，平均值为0.75，对比前人确定的V/(V+Ni)的区间值，本次的样品点位于缺氧环境和贫氧环境2个区间，说明取样范围内氧化条件存在差异，但是整体为贫氧环境。同时，样品δU为0.55～1.09，平均值为0.85，仅有部分样品为缺氧环境。综合表明研究区长9段顶部页岩沉积时期的氧化还原条件整体为弱还原环境。

4.3 古盐度条件

Sr含量和Sr/Ba比值可用来判别水体的古盐度[19]。前人研究设定泥页岩中Sr含量为100×10-6～300×10-6的为淡水环境，300×10-6～800×10-6为半咸水环境，大于800×10-6为咸水环境[20]；Sr/Ba比值大于1为海相，0.5～1.0为半咸水相，小于0.5为微咸水或淡水环境[21]。根据测试结果，长9段顶部页岩的Sr含量为50.00×10-6～374.37×10-6，平均值为178.01×10-6，大部分样品测试值小于300×10-6，表明样品沉积期为淡水环境。同时，样品的Sr/Ba比值为0.07～0.62，平均值为0.34，整体小于0.5(见表3)，也表明样品沉积期为微咸水或淡水环境。综合上述2项指标，判定研究区长9段顶部页岩沉积期为淡水-微咸水的水体性质。

4.4 古水深条件

鄂尔多斯湖盆长9晚期湖泛规模小，水体整体较浅，局部水体较深[22]。根据研究区长9段顶部页岩发育厚度以及在页岩中发现的叶肢介化石(如图1所示)，初步认为研究区长9段顶部页岩沉积水体为浅湖-半深湖，但缺乏定量的研究。周瑶琪等提出利用Co含量计算沉积时期沉积物的沉积速率，进而估算沉积环境古水深的方法[23]，其计算公式如下：

Vs=Vo×NCo/(SCo-t×TCo)

(1)

(2)

式中：H为最大古水深，m；Vs为样品沉积时的沉积速率；Vo为正常湖泊中沉积物的沉积速率，150～300 m/Ma；SCo为样品中Co的丰度；NCo为正常湖泊沉积物中Co的丰度，20×10-6；TCo为物源中Co丰度，4.68×10-6；t为物源对样品的Co的贡献值，使用样品中的La与陆源碎屑中La(38.9×10-6)的比值代替。

通过上述方法估算所得(见表3)，长9段顶部页岩沉积时期最大古水深为20.6～58.3 m。虽然研究区大部分样品点估算的最大古水深数值大于20 m，但是依然存在少量样品点计算结果偏小的情况，整体可认为研究区长9段顶部页岩沉积期为浅湖-半深湖环境。

4.5 古湖泊生产力

古湖泊生产力是判断古湖泊沉积物是否具备生烃潜力的依据[24]。为了分析长9段顶部页岩沉积时期的古环境以及生烃潜力，根据刘慧民等推导出来的半定量估算古生产力的公式[25]计算如下：

式中：R为古生产力，g/m2a；C为总有机碳含量，%；Vs为沉积速率，cm/ka；ρs为沉积物密度，g/m3。

研究区岩心样品有机碳含量C的平均值为5.1%，孔隙度φ平均值为0.79%[26]；密度采用研究区长9段顶部页岩测井结果，为2.4 g/m3，沉积速率利用Co推算的数值；估算得到研究区长9段顶部页岩沉积期的古湖泊生产力为963.1～1 251.4 g/m2a(见表3)，表明该时期古湖泊生产力较高，为富营养型湖泊。

5 古环境恢复的地质意义

长9晚期湖盆快速沉降，迅速扩张，为延长组湖盆初期沉降阶段，湖盆的发育范围及水深均小于长7期[1]。文中利用延安南部地区样品Co估算得出的古水深数值也证实了上述观点，同时还发现长9段顶部页岩沉积时期水体深度变化大，局部可能存在浅水环境。V/(V+Ni)和δU等参数计算结果显示，样品沉积时期的水体环境为弱还原性，有机质的保存条件一般。然而运用CaO/(MgO·Al2O3)比值的方法表明该时期为温暖湿润的气候特征，生物繁盛，雨水充沛，适宜藻类等低等生物的生长，同时测试结果显示无机营养盐含量较高，推测为沉积时期周围火山活动所致，大量的火山灰不仅为藻类等低等生物的生长提供营养物质，同时也为有机质的保存提供有利条件[22]。

长9段顶部页岩的发育主要受气候、水深以及火山的影响。良好的气候以及火山活动利于形成较高的古湖泊生产力，有机质快速沉积，形成相对缺氧的环境，弥补了沉积时期水体还原性弱的不利条件，同时浅湖-半深湖的水体深度是有机质大量堆积的区域。在浅湖区域，陆源有机质输入较多，水体氧气含量高，但在藻类大量死亡的时期，水体为弱还原性，主要发育有机质含量较低的深灰色泥岩以及形成薄层的黑色页岩，岩心中可见高等植物碎片、叶肢介等生物化石。在半深湖区域，陆源有机质较少，藻类等低等生物在该区域大量堆积，水体还原性强，有机质保存条件较好，主要发育黑色页岩，有机质含量高，厚度大，同时也是优质烃源岩主要分布区域。

长9段晚期的沉积环境的变化为有机质页岩的发育提供了必要条件，同时也为后期三角洲砂体的堆积提供了可容纳空间。长8段下部的三角洲前缘砂体直接沉积在长9段顶部页岩上，大量致密砂岩与烃源岩紧邻，为长8段致密油成藏奠定了基础。

6 结论

1)延安南部长9段顶部页岩沉积期为温暖、湿润的气候，与长7段气候相近，沉积水体为淡水-微咸水水体，整体为弱还原性。估算得出古湖泊的最大水深为20.6～58.3 m，为浅湖-半深湖，且具备较高的古湖泊生产力，为富营养型湖泊。

2)长9段顶部页岩的发育主要受气候、水深以及火山的影响，在半深湖区域发育较厚的有机质页岩，形成了优质的烃源岩，为延安南部长8段致密油成藏奠定了基础。