鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县地区山西组亚段海陆过渡相页岩岩相与沉积环境变化

孙 越，蒋裕强，熊先钺，李星涛，李树新，邱 振，孙雄伟

(1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油非常规重点实验室储层评价实验室，四川 成都 610500；3.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028；4.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

我国发育海相页岩、陆相页岩和海陆过渡相页岩3 种类型的富有机质页岩[1]。受北美页岩气革命成功的启示，我国已在海相页岩中取得重大突破，在四川盆地及周缘相继建成威远、长宁、焦石坝等万亿立方米级储量规模的大型页岩气区[1]。随着地质理论和勘探开发技术的进步，以鄂尔多斯盆地二叠系山西组为代表的海陆过渡相页岩，逐渐成为我国未来非常规油气勘探的重点对象，具有累计厚度大、分布面积广、资源潜力大的特点[1-2]。鄂尔多斯盆地东南部延川地区二叠系山西组页岩段3 口水平井压裂测试产量(2.0～5.3)×104m3/d，大宁–吉县地区5 口直井山西组页岩段压裂测试均获得工业气流，最高无阻流量大于1.0×104m3/d[2]。以上钻探结果展示了海陆过渡相页岩气良好的含气性和开发前景。

但相比海相页岩，海陆过渡相页岩岩相类型更为复杂，沉积环境变化频繁，极大地制约了配套理论与评价系统的建立。对于控制鄂尔多斯盆地山西组海陆过渡相页岩形成的沉积环境研究，前人大多从多个地层单元进行大尺度分析[3-5]，并且存在诸多争议，形成了滨岸–湖泊–三角洲[2]、三角洲–湖泊[5]、三角洲–陆棚–滨岸–湖泊[6]、三角洲–曲流河[7-8]、曲流河三角洲[9-10]等多种沉积环境演化认识。然而，鄂尔多斯盆地二叠系山西组平均总有机碳含量(TOC)最高的富有机质页岩段集中在亚段[2]，大尺度分析不能满足精细评价的需要，高TOC 页岩段的针对性研究较匮乏。基于岩石组构、沉积结构、矿物组成、水动力强弱等要素，前人对海相页岩岩相类型划分、沉积环境恢复方面已取得诸多成果[11-12]，结果表明海相页岩内部层理、纹层、沉积构造等类型多样，受控于多种沉积环境，表现出沉积过程在不同尺度下的快速变化。相比之下，陆表海背景下的海陆过渡相沉积环境空间变化更为频繁，岩相类型、组合更为多样，非均质性更强[5-7]。因此，本次笔者以鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块亚段为研究对象，通过典型露头分析、岩心观察描述、镜下薄片鉴定，结合全岩–黏土衍射、TOC 及元素地球化学测试等手段，划分页岩岩相类型，并分析不同沉积环境下古盐度和氧化还原条件，建立相应沉积模式，以期为下一步勘探评价提供理论依据。

1 地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘，地跨山西、陕西两省，位于大宁县和吉县(图1a)。作为鄂尔多斯盆地的一部分，本区晚石炭世−中二叠世经历了海相沉积为主的陆表海相、海陆过渡相以及河流相碎屑岩沉积为主的古地理演化过程，期间发生多次海侵事件[5]。区内下二叠统山西组与下伏下二叠统太原组和上覆中二叠统下石盒子组均呈整合接触[13]，下伏太原组顶部岩性为泥晶生物碎屑灰岩，生物碎屑类型以䗴类、棘皮和腕足为主，个体大小正常，表明沉积水体为盐度正常的清澈海水，属于典型的浅海陆棚相开阔碳酸盐岩台地沉积环境，而上覆下石盒子组底部岩性以中砂岩为主，属于陆相辫状河沉积体系[14]，作为海陆转换关键时期下沉积形成的典型地层，山西组沉积相变速度快、岩性组合复杂(图1b)。根据岩性和沉积旋回等特征，山西组可划分为下部的山2 段与上部的山1 段，山2 段自下而上又可细分为亚段[5]。

2 样品采集与实验

本次研究首先对研究区内的柳林成家庄剖面、韩城竹园村剖面和乡宁台头剖面进行了野外露头观察，开展了岩性组合、沉积相构造、古生物观察记录。在此基础上，对3 口取心井(A 井、B 井、C 井)(图1a)开展岩心观察、描述，结合100 余个薄片的观察，对山西组亚段海陆过渡相页岩进行岩石组分、结构、生物组成及矿物学分析，并对A 井90 块样品分别进行了全岩和黏土矿物X 衍射分析40 样次、主量和微量元素分析90 样次、TOC 含量分析90 样次。全岩和黏土矿物X 衍射分析由中石油勘探开发研究院完成；主量元素分析采用X 射线荧光光谱仪(XRF)，微量元素分析采用高分辨等离子体质谱仪(ICP-MS)，由中石油勘探开发研究院完成；TOC 含量测试采用CS744-MHPC 碳硫分析仪，由中海油能源发展股份有限公司非常规油气实验中心完成。

图1 研究区位置及地层柱状图(据文献[2,15]修改)Fig.1 The location and stratigraphic column of the study area(modified from reference[2,15])

3 岩相类型及岩石学特征

岩相指沉积岩中所有岩性特征的总和，包括矿物组成、颜色、颗粒大小分布等，对于沉积过程和沉积环境的分析至关重要。通过野外露头观察、岩心描述、薄片鉴定及X 衍射分析，以黏土、碳酸盐和硅质(石英+长石)的矿物含量作为三端元(图2)，按以下步骤进行岩相划分：(1) 黏土质量分数大于等于75%，划分出Ⅰ黏土质页岩相；(2) 依据硅质矿物含量、碳酸盐矿物含量和RQC(硅质含量/碳酸盐矿物含量)3 个参数，再将黏土矿物质量分数小于75%的岩相划分出硅质黏土质页岩相Ⅱ、钙质黏土质页岩相Ⅲ、硅质页岩相Ⅳ、钙质硅质页岩相Ⅴ、硅质钙质页岩相Ⅵ[16-17]。研究区亚段页岩层段主要发育4 类岩相：黏土质页岩相、硅质黏土质页岩相、硅质页岩相、钙质硅质(或硅质钙质)页岩相。此外，本区亚段非页岩岩性包括泥质粉砂岩、泥质细砂岩、煤层、细砂岩、中砂岩、石灰岩。

图2 山西组亚段海陆过渡相页岩岩相划分三角图[17]Fig.2 Triangles of lithofacies division of transitional facies shale in Shanxi Formation Submember[17]

3.1 硅质页岩相

硅质页岩相在岩心上呈浅灰色，可见暗色富有机质纹层(图3a)，内部植物碎屑发育(图3b)，硅质矿物含量高，一般大于45%(表1)，其中石英主要为粉砂级陆源碎屑石英，分选好，磨圆差，未见海绵骨针、放射虫等海相生物碎屑(图3b)。硅质页岩相有机质质量分数分布范围较大，介于0.3%～9.9%，平均值2.2%，有机质主要呈长条状赋存在石英颗粒间(图3c)。

图3 研究区山西组亚段硅质页岩相与硅质黏土质页岩相特征Fig.3 The characteristics of siliceous and siliceous-argillaceous shale lithofacies in Shanxi Formation Sub-member of the study area

3.2 硅质黏土质页岩相

硅质黏土质页岩相在区内山西组纵向上各部位均有分布，岩心和镜下观察均可见水平层理(图3d−图3f)、韵律性(图3g)和透镜状层理(图3h)发育。石英质量分数相对硅质页岩相高，介于33%～46%，平均38%，主要由陆源粉砂岩构成，黏土质量分数较高，介于53%～65%，平均59%(表1)。薄片上可见亮色微弱的粉砂质纹层与暗色含有机质泥质纹层相间，陆源碎屑颗粒主要由石英构成，不含长石，粉砂呈连续纹层状产出，分选较差，磨圆中等，呈次棱角状(图3f)。硅质黏土质页岩相TOC 含量在纵向上具有规律性，但总体来看硅质黏土质页岩相TOC 质量分数相对低，一般介于0.24%～2.28%，平均值1.27%。

3.3 钙质硅质(或硅质钙质)页岩相

钙质硅质(或硅质钙质)页岩相是本区山西组山23亚段测试产气层段的主要岩相类型，在本区平面上分布稳定，野外露头和岩心上均呈黑色(图4a)，岩石样品染手，未见植物碎屑(图4b)。钙质含量较高，介于12%～44%，平均值26%，其中方解石质量分数平均值21%，白云石平均值5%。石英质量分数在4 种页岩岩相中最高，介于21%～63%，平均值达44%(表1)。石英呈微晶、不定形结构，表现出似球粒结构(图4c)，似球状石英可能为成岩早期硅质充填藻类的囊孢，后期经压实形成[18-19]。可见海绵骨针、介形虫等海相生物碎屑，陆源碎屑石英在钙质硅质(或硅质钙质)页岩相中含量相对少，明显区别于硅质黏土质页岩相，发育钙质纹层，且页理极发育(图4d)。钙质硅质(或硅质钙质)页岩相的TOC 质量分数高，一般介于1.52%～10.91%，平均值可达4.37%。

图4 研究区山西组亚段钙质硅质(或硅质钙质)页岩相与黏土质页岩相特征Fig.4 The characteristics of calcareous-siliceous(or siliceous-calcareous) and argillaceous shale lithofacies in Shanxi Formation Sub-member of the study area

3.4 黏土质页岩相

表1 研究区A 井山西组山2 3 亚段海陆过渡相页岩不同岩相矿物含量Table 1 Clay minerals and “corrected boron” of different lithofacies in the marine-continental transitional shale of Sub-member of Shanxi Formation of well A in the study area

表1 研究区A 井山西组山2 3 亚段海陆过渡相页岩不同岩相矿物含量Table 1 Clay minerals and “corrected boron” of different lithofacies in the marine-continental transitional shale of Sub-member of Shanxi Formation of well A in the study area

注：I为伊利石；S为蒙皂石；I/S为伊/蒙混层黏土；K为高岭石；Ch为绿泥石；I/S列数据如17(10)表示伊蒙混层。

4 沉积环境和沉积模式

Galloway 于20 世纪90 年代明确限定了沉积体系(Depositional System)的概念[20]，指的是在沉积环境和沉积作用过程方面具有成因联系的三维岩相组合体。沉积体系研究通常是在盆地边缘露头剖面和盆内钻井岩心观察的基础上，结合实际钻井资料，基于统一的地层划分方案，对研究区内单剖面和单井进行详细的沉积微相、亚相、相研究，揭示在不同沉积时间内的沉积体系类型及变化。有学者认为，鄂尔多斯盆地东部地区的山西组早期，由北至南为冲积–三角洲–海岸体系[21]，也有学者提出山西组早期为冲积–三角洲–湖泊体系[2]，同时学者认为山西组属于三角洲–湖泊体系[22]。

4.1 岩性组合及古生物特征

4.2 古盐度特征

B 元素对于盐度的反应比较敏感，常用以反映沉积水体的盐度[23]。Couch 公式实现了利用B 元素和黏土矿物成分[24]，排除非黏土矿物影响，计算沉积水体古盐度，被认为是判断沉积水体盐度的最直观指标[5,25]。考虑到伊利石、蒙脱石和高岭石对硼元素的吸附作用会影响Couch 公式计算结果，本次研究首先对样品中的硼含量进行校正：

然后，利用Couch 公式计算古盐度：

图5 研究区A 井山西组 亚段沉积相与地球化学指标Fig.5 Histogram of sedimentary facies and geochemical proxies evolution in Shanxi Formation Sub-member of well A in the study area

依据古盐度大于35‰为超咸水，25‰～35‰为咸水，10‰～25‰为半咸水，小于10‰为微咸水–淡水的划分标准[27-28]，区内亚段下部的TOC 高值段对应的沉积水体为半咸水，水体盐度甚至接近龙马溪组沉积期海水，受淡水影响较弱。进入亚段上部，水体盐度仍属于半咸水，但最大值明显降低，淡水影响增强，而亚段和亚段古盐度进一步减小[5]，已演化为微咸水–淡水，水体古盐度与陆相辫状河形成的下石盒子组近似，表明亚段沉积结束后，海水的影响已极为微弱，河流和湖泊等陆相沉积水体占据主导地位。Sr/Ba 比值在山西组亚段介于0.33～2.60，平均值0.47，明显低于太原组(1.80～16.20，平均值10.35)[5]，其中钙质硅质(或硅质钙质)页岩相和黏土质页岩相组成的高TOC 段呈明显“凸起”，接近太原组生屑灰岩，进一步证明海源流体主导了沉积水体的构成。

4.3 氧化还原条件

U、V、Mo、Ni 等微量元素具有氧化还原敏感性，尤其对缺氧的还原环境表现出强亲和性[29-30]，并且来源单一，沉积和埋藏后不易发生迁移，这些元素与其他敏感元素的含量比是指示沉积水体氧化还原环境的理想指标。本次研究采用U/Th、Ni/V、Ni/Co 参数来反映亚段沉积期水体的氧化还原环境(图5)，基于Mo/TOC 值评估亚段沉积水体的局限程度[31-32]。根据Mo-TOC 交会图(图6)，相比于太原组生屑灰岩所代表的开放环境下的碳酸盐岩台地，山西组亚段下部总体处于局限环境，水体偏还原环境，而亚段上部总体处于轻度局限环境，水体向弱氧化环境演变，推测是海平面下降趋势伴随陆相淡水主导地位的加强，使沉积环境总体上从局限环境向开放环境演化。结合页岩岩相划分结果可以看出，亚段上部的黏土质页岩相、硅质黏土质页岩相表现为Mo 富集和TOC 较低的特征，Mo 与TOC 呈现出较好的正相关关系，表现出轻度–中等局限的浅水沉积环境[28-29]；相较而言，亚段下部的钙质硅质页岩相、硅质页岩相等具有高TOC、贫Mo 的特点(图6)。当陆上有氧风化强烈，而海洋硫化水体范围小的时候，则海水中的Mo浓度会相对较高[33]，因而推测本区受山西组早期海侵的影响，陆上有氧风化程度减弱，亚段下部在局限深水环境下，形成高TOC 页岩段，此时海水硫化范围是山西组沉积期内最大的；而伴随反复的海侵–海退，亚段上部在总体海退的趋势下，陆上有氧风化逐渐增强，而海洋硫化水体范围逐渐减小。

图6 研究区山西组亚段总有机碳含量与Mo 含量关系Fig.6 Cross-plot of TOC VS Mo content in Shanxi Formation Shan23 Sub-member of the study area

4.4 沉积模式

作为华北地块次级单元鄂尔多斯盆地的重要组成部分，本区晚古生代同样经历了巨大的海陆沉积环境变迁。在太原组–山西组沉积期，区内始终受陆表海背景的控制，其平缓的地形坡度易形成范围宽广的浅水区域，微小的海水动荡就能致使全区大范围的频繁暴露与淹没[34-35]。早二叠世早期的太原组沉积初期，随着华北地台的持续沉降，海水从SE 方向逐渐侵入研究区，到了太原组沉积晚期，区内中部的广大地区迅速演化为陆棚沉积体系，发育碳酸盐岩台地沉积环境，而靠近物源的南部和北部则发育三角洲沉积环境(图7)，保德、乡宁等靠近台地的地区则属于潮坪环境[3-4]。进入山西组沉积期，随着海水持续侵入，海平面继续上升，亚段沉积期继承了太原组地形坡度平缓的沉积格局(图7)，研究区快速演化为海湾环境，沉积环境由氧化转为还原，有利于有机质保存，发育富有机质钙质硅质(或硅质钙质)页岩相。而后随着华北地块整体抬升，研究区海水开始逐渐退出，但岩石学特征、硼元素法所计算的古盐度、Sr/Ba、Ni/V 等不同地球化学分析结果表明，亚段上部沉积过程中，仍多次受到海水影响，但自下而上古盐度和Sr/Ba 比值具有明显降低的变化趋势，水体盐度逐渐接近下石盒子组[5]，表明受海水影响的规模与范围愈来愈弱，直到最终消失，沉积环境逐渐趋向于氧化。在此期间，全区演化为障壁沉积体系，硅质黏土质页岩相、黏土质页岩相主要发育在潟湖沉积环境中(图7)，由于沉积环境趋于氧化，加之相对较快的沉积速率，使得有机质的保存条件相较该亚段下部页岩明显变差。

图7 研究区太原组沉积晚期–山西组亚段沉积期沉积模式Fig.7 Schematic diagram of sedimentary model of late stage of Taiyuan Formation-Shanxi Formation Sub-member of the study area

5 结论

a.根据矿物组成、沉积构造和生物组成的特征，鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县地区山西组亚段海陆过渡相页岩可划分出4 种岩相类型，分别为硅质页岩相、硅质黏土质页岩相、钙质硅质(或硅质钙质)页岩相、黏土质页岩相。高TOC 页岩段发育在该亚段下部的硅质黏土质页岩相、钙质硅质(或硅质钙质)页岩相、黏土质页岩相中，其中钙质硅质(或硅质钙质)页岩相具有高TOC、高脆性矿物含量、低黏土含量的特点，是相对优质的富有机质页岩岩相。