阿布塔图尔高原上白垩统黑色页岩的源岩评价：对埃及西部沙漠南部未开发烃类资源的启示

《Journal of African Earth Sciences》：Source rock evaluation of the Upper Cretaceous black shales in the Abu Tartur Plateau: implications for untapped hydrocarbon resources in south Western Desert, Egypt

　　

摘要 埃及西部沙漠南部的上白垩统黑色页岩被广泛认可，但作为非常规烃源岩目标仍知之甚少。本文结合 Rock-Eval 热解、总有机碳 (TOC)、总硫及主微量元素地球化学，利用配对井样和出露样品，评估了阿布塔图尔高原卡普敦阶–马斯特里赫特阶的杜维组和达赫拉组。杜维组显示出急剧的保存梯度：未风化的井段保留了中等至良好的源岩潜力，总有机碳 (TOC) 为 0.57–2.07 wt%，S2 高达 4.52 mg HC/g 岩石；而出露的等效岩层因表生氧化而严重耗尽，总有机碳 (TOC) 大多 <0.5 wt%，S2 <0.2 mg HC/g 岩石。高的化学风化指数和可热解碳数据表明，杜维相的 III–IV 型干酪根特征代表了在氧化条件下保存的原始难溶陆源有机质，同时伴随地源有机质组分的严重氧化降解。达赫拉页岩在研究的出露层中有机质贫乏，总有机碳 (TOC) <0.5 wt%，且由于不稳定有机质的近乎完全损失和矿物基质效应，Tmax 值不可靠。古氧化还原指标，包括 V/Cr <2、V/(V + Cr) <0.6 和 Ni/Co <5，表明沉积环境主要为氧化至弱氧化，而非持续缺氧。因此，杜维组中较高的硫含量归因于局部早期成岩硫酸盐还原，而异常的 Cr 富集主要记录来自含 Cr 的富粘土或铁镁质来源的碎屑输入。这些结果表明，沉积后氧化作用对阿布塔图尔黑色页岩的表观有机质质量、干酪根类型和成熟度特征起着首要控制作用。风化的出露层严重低估了原始源岩潜力；因此，目前只有微弱改变的地下杜维组层段代表未来西部沙漠南部非常规资源评估的可信目标。

引言 黑色页岩是细粒、富含有机质的沉积岩，通常在底层水缺氧条件下堆积 (Tyson, 1995; Bauer et al., 2012; Ngia et al., 2025)。它们的沉积受气候、海洋学和沉积因素的复杂相互作用控制，这些因素共同影响有机质的数量和保存 (Tyson, 1995; Rimmer, 2004; Wang et al., 2019; Cai et al., 2022)。由于沉积期间环境参数的固有变异性，黑色页岩表现出显著的成分异质性 (e.g., Cullers, 1995; Piper and Calvert, 2009)。这种变异性反映了风化强度、碎屑输入、生物生产力和早期成岩过程的变化 (Chen et al., 2015; Jiang et al., 2015)。页岩中有机质的积累和富集受三个主要变量控制：(i) 初级生产力，它设定了输送到海床的有机质的数量和质量 (Pedersen and Calvert, 1990)；(ii) 沉积和埋藏速率，它控制沉积有机质的氧暴露时间；(iii) 底层水氧化，它调节再矿化、生物扰动和早期成岩途径 (Mohialdeen and Hakimi, 2016; Ding et al., 2023)。缺氧/弱缺氧对有机质保存至关重要，因为它控制了水体下层和表层沉积物中的好氧分解 (Tyson, 1995; Wang et al., 2019)。在硫化条件下，快速硫化产生难溶、富含硫的大分子并促进黄铁矿形成，两者都进一步保护有机质免受降解。然而，仅靠缺氧不足以在没有充足有机质供应的情况下产生高总有机碳 (TOC)。此外，地表风化可以氧化有机质，导致总有机碳 (TOC) 和氢指数 (HI) 值大幅降低，这可能导致对原始烃源潜能的低估 (Petsch et al., 2000; Marynowski et al., 2011; Leila and Moscariello, 2017; Leila et al., 2018)。此外，氧化或风化移除了干酪根中的氢并增加了氧，导致 Rock-Eval 参数 S1 和 S2 减少以及 S3 值增加 (Durand and Monin, 1980; Peters, 1986; Yasser et al., 2024)。因此，出露层与井样之间的对比分析对于区分同沉积富集过程与沉积后改造至关重要，从而确保更可靠的古环境重建。北非的黑色页岩沉积序列提供了一个合适的天然实验室，用于探索控制有机质富集和保存的各种因素。沿着北非边缘，包括埃及，黑色页岩广泛分布在不同层序间隔 (e.g. 石炭系、侏罗系、白垩系、古新世和始新世; Temraz, 2005; Baioumy and Ismael, 2010; El-Shafeiy et al., 2014; Abou El-Anwar et al., 2020)。这些黑色页岩的沉积环境跨越了陆相到全海相环境 (Temraz, 2005; Baioumy and Ismael, 2010)。在埃及，Quseir 杂色页岩、杜维组、达赫拉页岩和 Esna 页岩的上白垩统–古近系下部黑色页岩构成了潜在的非常规资源的主要单元 (Temraz, 2005; El-Kammar, 2017)。先前的研究主要集中在 Quseir–Safaga 地区和尼罗河谷，他们记录了控制上白垩统黑色页岩序列异质性和资源潜力的侧向相变、有机质富集模式和成岩覆盖 (e.g. Mustafa and Ghaly, 1964; Robison and Troger, 1983; Khaled et al., 1987; El-Kammar et al., 1990; Holail et al., 1995; Ibrahim et al., 2011; El-Kammar, 2015; El-Shafeiy et al., 2016; Baioumy and Lehmann, 2017; El-Kammar, 2017; Fathy et al., 2018; Abou El-Anwar et al., 2022; Abu-Ali et al., 2022; Fathy et al., 2023, 2024)。相比之下，埃及西部沙漠杜维和达赫拉黑色页岩的古环境演化、 bulk- and trace-element 地球化学、有机质属性和热成熟度仍相对探索不足 (e.g., Baioumy and Ismael, 2010; Abu El-Ezz et al., 2012; El-Shafeiy et al., 2014; El Nady and Hammad, 2015; El-Shafeiy et al., 2016; El-Kammar, 2017; Baioumy and Farouk, 2022)。尽管早期工作主要集中在东部沙漠出露层——特别是在 Quseir–Safaga 地区，但尚未在埃及西部沙漠的阿布塔图尔高原开展结合出露和地下数据集的综合地球化学和有机岩石学研究。为了填补这一空白，本研究整合了地表 (出露) 和地下 (井) 数据集以：(i) 使用风化指数 (CIA) 和化学风化指数 (CIW) 评估化学风化强度及其对岩石基质的影响；(ii) 通过氧化还原敏感元素指标重建杜维和达赫拉页岩的古沉积环境；(iii) 评估氧化还原动态对有机质富集的影响；(iv) 量化源岩属性，包括有机质丰富度、干酪根类型和热成熟度，以完善这些黑色页岩的层序和地球化学框架。

地质背景 阿布塔图尔高原位于埃及西部沙漠，位于开罗西南约 650 公里，哈尔加绿洲以西约 50 公里，东临哈尔加绿洲，西临达赫拉绿洲 (图 1)。高原面积约为 1,200 平方公里，延伸至北纬 25°15′ 至 25°45′ 和东经 29°30′ 至 30°10′ 之间 (图 1)，海拔范围约为海平面以上 550 至 560 米 (Wassef, 1977)。在白垩纪晚期，

样品 岩石样品通过两次在阿布塔图尔高原的野外考察从研究的白垩纪–古近系下部序列中收集 (图 1)。出露层段进行了系统测量、记录并详细描述 (图 2)。从东到西，这些层段包括：El Marwaha El Sharkia (N 25°25′34.8″, E 30°05′10.6″)、El Zayat Road (N 25°22′11.7″, E 29°59′55.2″)、El Zayat (N 25°19′21.3″, E 29°58′37.5″) 和 Qulu' El Sabayia (N 25°21′52.7″, E 29°43′40.8″) (图 1)。总共

有机质丰富度和总硫含量 杜维和达赫拉页岩样品的总有机碳含量在出露和井样之间变化显著 (表 1)。杜维出露和井样品的总有机碳 (TOC) 值范围分别为 0.06 至 3.21 wt% (平均 0.64 wt%) 和 0.57 至 2.07 wt% (平均 1.1 wt%)。相比之下，达赫拉页岩样品显示总有机碳 (TOC) 值在 0.05 至 0.44 wt% 之间 (平均 0.28 wt%)，典型地代表了其贫乏的有机质含量。

Rock-Eval 热解表明自由烃普遍较低

有机特征和风化影响 在杜维组中，大多数出露样品的总有机碳 (TOC) 值低于 0.5 wt% (表 1)，表明源岩潜力差 (Peters, 1986; Peters and Cassa, 1994)。相比之下，从活跃开采挖掘中回收的相对新鲜的样品显示出中等的总有机碳 (TOC) 含量 0.5–1.0 wt%，符合中等有机质丰富度。最高的总有机碳 (TOC) 值出现在井样中，其中几个层段达到了中等至良好的源岩质量 (图 3A)。这种系统的地表–地下

结论 • 阿布塔图尔高原的卡普敦阶–马斯特里赫特阶杜维和达赫拉黑色页岩记录了原始沉积有机相与次生氧化覆盖之间的显著脱耦，从根本上使北非特提斯边缘的源岩潜力复杂化。• 杜维组仅在未风化的井样中保留了中等至局部良好的生烃潜力，其中总有机碳 (TOC) 和 Rock-Eval S2 值保持地质意义。相比之下，地表等效层是

CRediT 作者贡献声明 Mahmoud Leila: 写作 – 综述与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，监督，形式分析，概念化。Ahmed El Shawaf: 写作 – 综述与编辑，写作 – 原稿撰写，软件，形式分析，数据管理，概念化。Tarek Anan: 写作 – 综述与编辑，可视化，验证，监督，软件，方法论，概念化。Christopher Vane: 写作 – 综述与编辑，写作 – 原稿撰写，软件，项目管理，

未引用参考文献 Nicaise, 1980; Marynowski et al.,; Robison and Tr?ger, 1983; 来自埃及的沉积物，.

利益声明 作者没有需要披露的利益冲突。

数据可用性声明 本研究中使用的和/或分析的数据集可根据合理请求从通讯作者处获得。

资助 本研究由埃及曼苏拉大学研究生研究和研究部门及文化关系资助 (项目编号 MU-SCI-23-36)。

竞争利益声明 作者声明他们没有需要披露的利益冲突。

致谢 本项目由埃及曼苏拉大学研究生研究和研究部门及文化关系 (MU-SCI-23-36) 全额资助。Rock-Eval 分析由 BGS 有机地球化学设施 (项目 NE4699S) 资助，数据经英国地质调查局执行董事许可发布。作者感谢曼苏拉大学的 Omar El-Issawi 在野外工作期间的帮助。此外，作者向 MisrAhmed El Shawaf|Mahmoud Leila|Waleed Sh. El Diasty|Ghaleb Issa|Ahmed Khairy|Christopher Vane|Tarek Anan 埃及曼苏拉大学科学学院地质系，曼苏拉 35516, 埃及 表达真诚的感激之情