鄂尔多斯盆地西北部奥陶系乌拉里克组海相页岩古环境重建与有机质富集机制

《Journal of Marine Science and Engineering》：Paleoenvironmental Reconstruction and Organic-Matter Enrichment Mechanisms of Marine Shale from the Ordovician Wulalike Formation, Northwestern Ordos Basin

　　

鄂尔多斯盆地西北部奥陶系乌拉里克组海相页岩是中国北方页岩气勘探的重要目标。该页岩热演化程度为成熟至局部高成熟，总体具有较低的总有机碳（TOC）含量和含气量。因此，有机质富集的古环境控制因素以及识别有利勘探区间的标准仍不明确。本研究将LY1井和NBY1井新获得的数据与七口代表性井（LY1、NBY1、QT9、ZP1、YT1、HT1和L105）的汇编数据相结合。利用有机地球化学、生物标志化合物、主量元素和微量元素、稀土元素及矿物学数据，重建了古水深、底水氧化还原条件、水体局限程度、古气候、古盐度和古生产力。结果表明，从吴三段相对较深、通风较弱、还原性较强的环境，向上过渡为吴一段较浅、循环较好、氧化性较强的环境。吴三段记录了最强的底水还原和水体局限程度、最大的营养物质可用性和古生产力，以及最有利的保存条件。吴二段记录了中等条件，而吴一段则沉积于相对浅水、氧化—贫氧的环境中。有机质主要来源于海相藻类、浮游植物和疑源类，陆源输入有限，硅质主要为生物成因。有机质富集受初级生产力、还原性保存条件、快速埋藏以及碳酸盐和陆源物质稀释的共同控制。吴三段下部和吴二段中部被确定为最有利的页岩气勘探区间。这些发现阐明了古海洋演化与有机质聚集之间的耦合关系，并为鄂尔多斯盆地西北部乌拉里克组页岩气甜点预测提供了地质依据。

鄂尔多斯盆地西缘奥陶系乌拉里克组海相页岩古环境演化与有机质富集机制研究解读

一、研究背景与科学问题

鄂尔多斯盆地是中国最重要的含油气盆地之一，其中西部和西北缘的奥陶系海相地层近年来在非常规油气勘探领域日益受到关注。中—晚奥陶世乌拉里克组为一套横向分布广泛的海相页岩地层，已在多口井中获得商业气流。然而，鄂尔多斯盆地西北部的页岩气勘探仍处于早期阶段。乌拉里克组页岩具有有机质丰度相对较低、埋藏深、常压、高硅质含量和明显脆性等特征，这使其区别于四川盆地龙马溪组等典型海相页岩气储层。

以往对乌拉里克组的研究主要集中于沉积相演化、岩相古地理和区域页岩气潜力等方面。在西北缘，特别是贺兰山海槽体系内，古环境演化与有机质富集之间的耦合关系仍未得到充分约束。该组自下而上划分为吴三段、吴二段和吴一段，各段在岩性、有机质丰度和地球化学指标上存在显著差异。因此，亟需开展段尺度的评价，以阐明有机质富集的层序非均质性，为该区页岩气有利区段预测提供完善的地质依据。

二、研究内容与主要结论

研究人员开展了系统的古环境重建工作，通过整合新分析数据与区域汇编数据，对研究区乌拉里克组沉积期古水深、底水氧化还原条件、水体局限程度、古气候、古盐度和古生产力等参数进行了定量—半定量恢复。

研究得出以下主要认识：乌拉里克组沉积环境记录了从吴三段至吴一段向上变浅、底水循环增强、还原性减弱的环境演化趋势。吴三段沉积时期具有相对较大的古水深、较强的底水还原条件和水体局限程度，为有机质保存提供了最有利的条件；吴二段为过渡阶段；吴一段则形成于相对浅水、以氧化—贫氧为主且水体局限程度较弱的环境。有机质来源稳定，以海相藻类、浮游生物、疑源类等低等水生生物为主，陆源输入有限，硅质组分主要为生物成因，且古生产力从吴三段至吴一段逐渐降低。有机质富集是生物生产力、保存条件、沉积速率和矿物稀释作用等多因素耦合的结果，其中保存效率起主导控制作用，碳酸盐和陆源输入通过矿物稀释作用显著降低了实测TOC值。吴三段下部和吴二段中部具有最佳的生产力与保存条件组合，是最有利的页岩气勘探区间。该研究成果阐明了古海洋演化与有机质聚集的耦合关系，为鄂尔多斯盆地西北部乌拉里克组页岩气甜点预测提供了地质依据。论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。

三、主要技术方法

本研究样品来自鄂尔多斯盆地西缘宁夏北段LY1井（17块）和NBY1井（3块），共20块新分析岩心样品，另汇编了QT9、ZP1、L105等7口井公开发表的36组数据，总计56块样品记录。实验室分析均在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成。采用碳硫分析仪测定总有机碳（TOC）；利用显微镜光度计系统测定镜质体反射率（Ro）；采用气相色谱—质谱联用（GC-MS）技术分析生物标志化合物；利用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定主量元素，结合酸溶法和偏硼酸锂熔融法分别测定稀土元素和微量元素；通过偏光显微镜开展薄片鉴定与有机岩石学观察。基于上述数据，综合运用稀土元素（La/Yb）_N比值、Co-La法、氧化还原敏感元素指标（U/Th、V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)）、Mo-TOC关系、Mo_EF-U_EF富集系数、A-CN-K三元图、Sr/Cu比值、Rb/K比值、Ca/(Ca+Fe)、伽马蜡烷指数（GI）、C₂₇-C₂₈-C₂₉规则甾烷三元图、Pr/nC₁₇-Ph/nC₁₈交会图以及Al-Fe-Mn、Si-Al、氢源—热液等硅质成因判别图解进行古环境重建与有机质来源判识。

四、研究结果

1. 古水深与沉积速率方面，利用稀土元素分馏特征和Co-La法估算，研究区古水深变化范围为6.08至63.31 m，平均22.58 m，吴一段、吴二段、吴三段平均值分别为7.42 m、11.23 m和33.93 m，指示从吴三段至吴一段的相对变浅趋势。（La/Yb）_N值分析表明沉积速率从下至上逐渐增大。

2. 氧化还原环境与水体局限方面，氧化还原敏感元素指标表明乌拉里克组总体处于氧化—贫氧的沉积环境，吴一段对应氧化—贫氧条件，吴二段显示更缺氧的条件，吴三段最接近贫氧—厌氧环境。Mo/TOC和Mo_EF-U_EF关系图显示从吴一段至吴三段水体局限程度逐渐增强，吴三段具有最高的微量元素富集程度。与邻区及四川盆地对比，乌拉里克组属于中等局限程度的海相体系。

3. 古气候与古盐度方面，A-CN-K三元图和Sr/Cu-C值判别图解表明，从吴三段至吴一段表现为由相对湿润向相对干旱的气候演化趋势，化学风化程度逐渐减弱。Rb/K-Ca/(Ca+Fe)和Pr/Ph-G/C₃₀H判别图解指示吴三段为半咸水—咸水环境，吴一段为淡水—低盐度环境，盐度自下而上递减，水体分层强度随之减弱。

4. 上升流活动与古生产力方面，Co×Mn-Al判别图解显示吴三段更靠近开阔海—上升流区，吴一段更靠近局限海区。区域对比表明，桌子山—上海庙地区P/Ti值相对较高，指示较强的上升流和较丰富的营养物质供应，但整体古生产力水平低于四川盆地龙马溪组、筇竹寺组和吴家坪组。

5. 有机质来源方面，C₂₇-C₂₈-C₂₉规则甾烷三元图显示样品主要落入浮游藻类贡献区，以C₂₇相对富集为特征；Pr/nC₁₇-Ph/nC₁₈交会图表明有机质类型以II型海相有机质为主；GC-MS谱图显示清晰的C₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷峰；镜下观察识别出藻类、疑源类和海相生物残体。硅质成因判别图解表明硅质组分以生物成因为主，热液和陆源贡献有限。

6. TOC与古环境参数的相关性分析方面，TOC与U/Th（r=0.886）、Ni/Co（r=0.864）、V/Cr（r=0.798）、V/(V+Ni)（r=0.595）呈正相关，与P/Ti（r=0.761）和生物硅（Sibio；r=0.693）呈正相关，与Ca/(Ca+Fe)（r=0.778）呈正相关，与Rb/K（r=-0.827）、Sr/Cu（r=-0.874）、(La/Yb)_N（r=-0.723）和灰分含量（r=-0.754）呈负相关。这表明还原性保存条件对有机质富集起主导作用，生产力和生物硅输入提供物质基础，快速沉积促进保存，而矿物稀释作用则产生负面影响。

五、讨论与结论

讨论部分重点分析了低TOC值的控制因素。研究表明，乌拉里克组页岩实测TOC值较低并非意味着原始有机质输入不足。通过与四川盆地城口地区下龙马溪组进行对比校正，利用TOC_eq等效有机碳评价框架，计算获得的相对等效TOC值普遍高于实测值，吴一段、吴二段、吴三段平均TOC_eq值分别为1.59%、2.29%和3.14%，表明原始有机质聚集潜力被低估。低TOC值主要由三方面因素共同导致：一是保存条件总体较弱，底水以氧化—贫氧为主，缺乏持续强还原水体；二是碳酸盐含量增加稀释了有机碳浓度；三是陆源碎屑输入产生了额外稀释效应。基于坡度—海槽过渡带的区域构造背景和晚奥陶世全球海平面变化框架，研究人员提出了乌拉里克组有机质富集演化模型，认为有机质富集受生产力、保存条件、沉积速率和矿物稀释的耦合控制，其中保存效率是主控因素。

研究结论可归纳为以下几点：（1）乌拉里克组从吴三段至吴一段记录了水深逐渐变浅、底水循环增强、还原性减弱的沉积环境演化序列，吴三段具有最强底水还原和水体局限程度，是最有利的有机质保存单元；（2）有机质来源稳定，以海相低等水生生物为主，硅质主要为生物成因，古生产力自下而上递减；（3）有机质富集受生产力、保存条件、沉积速率和矿物稀释多重因素控制，保存效率为主导因素，碳酸盐和陆源输入通过稀释作用显著影响实测TOC值；（4）吴三段具有最佳的生产力与保存条件组合，有机质聚集潜力最大，吴二段次之，吴一段最弱；（5）未来应加强NBY1井及西缘更多井的高分辨率采样，进一步验证和完善有机质富集模型，同时持续校正TOC_eq半定量评价框架。