塔里木盆地西南坳陷中侏罗统杨叶组湖相页岩有机岩相划分与古环境重建

《Applied Sciences》：Organic Lithofacies Classification and Paleoenvironment of Lacustrine Shales in the Middle Jurassic Yangye Formation, Southwestern Tarim Depression

　　

专业术语翻译（摘要部分） 作为陆相页岩油气勘探的关键前瞻性战略区域，塔里木盆地西南坳陷中侏罗统杨叶组发育厚层高总有机碳（TOC）湖相页岩，然而由于勘探程度较低，其精确的岩相架构与沉积演化尚未得到清晰界定。基于岩心观察、薄片鉴定、X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）、总有机碳（TOC）及元素分析，研究人员将九种页岩岩相划分为四大类型。地球化学数据揭示了各岩相截然不同的沉积环境。纹层状-层状富有机质泥质页岩形成于最大湖侵期温暖湿润的淡水深湖强还原环境；层状-块状富有机质长英质页岩发育于受幕式陆源输入影响的相对浅水淡水湖泊环境；层状-块状中有机质长英质页岩形成于沉积物稀释作用明显的稳定半湿润淡水半深湖环境；纹层状-层状富有机质白云石-方解石混合页岩主要堆积于干旱、蒸发封闭、高盐度且水体分层强烈的湖泊环境。纵向上，研究区经历了泥质页岩、长英质页岩和白云石-方解石混合页岩三个演化阶段。TOC > 1.5%的岩相富含有机质，为油气生成提供了基础物质。该研究为研究区储层评价与有利区优选提供了参考。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

近年来，北美页岩气勘探开发的成功深刻改变了全球能源格局，引发了全球对页岩研究的广泛关注。中国陆相盆地页岩油勘探开发也取得了重大突破，松辽盆地、渤海湾盆地和苏北盆地页岩层系均已实现稳定工业油流。这些勘探开发实践不仅推动了陆相页岩油勘探技术的进步，也为揭示陆相盆地页岩油富集与保存机制提供了前所未有的机遇。

陆相页岩岩相类型的精确识别与划分是评价页岩气勘探开发潜力的核心基础。矿物组成、沉积构造和有机质含量三个核心参数已被国内外学者广泛应用于页岩岩相分类研究。然而，陆相页岩岩相识别与分类仍存在分类指标复杂、分类原则不规范、混合岩岩相方案适用性差等问题，难以精确指导相关研究与勘探开发的应用需求。不同岩相与沉积环境之间的关系研究也相对薄弱。湖盆的强非均质性导致缺乏能够很好应用于页岩油气勘探开发的理想沉积模型，相关基础研究工作亟待深入。

塔里木盆地西南坳陷作为中国油气资源的重要战略接替区，已发现柯克亚、阿克莫木等一系列油气显示，表明其具有良好的油气勘探前景。然而受自然环境和经济条件影响，该区整体勘探开发程度尤其是侏罗系相对较低。基于此，研究人员以塔里木盆地西南坳陷侏罗系杨叶组三段（J₂y³）页岩为研究对象，通过XRD全岩矿物分析、X射线荧光（XRF）扫描、TOC测试等方法，从“矿物组成—沉积构造—有机质特征”三维视角开展岩相特征与沉积环境研究，旨在建立岩相体系并阐明各岩相的沉积环境，为陆相页岩油气岩相控储规律研究和有利目标优选提供科学依据。

二、研究内容与主要结论

研究人员以塔里木盆地西南坳陷西昆仑山前赛拉因单斜构造带TNY1井为研究对象，该井对杨叶组三段实现了全段连续取心。通过岩心观察、薄片鉴定、XRD、XRF、TOC及主微量元素分析，识别出九种页岩岩相类型，并将其归纳为四大类群。地球化学指标（化学蚀变指数CIA、Sr/Ba比值、V/(V+Ni)比值、Rb/Zr比值、Ti/Al比值等）清晰地区分了各类岩相的沉积环境：纹层状-层状富有机质泥质页岩形成于最大湖侵期温暖湿润的淡水深湖强还原环境；层状-块状富有机质长英质页岩形成于受幕式陆源输入影响的较浅淡水湖环境；层状-块状中有机质长英质页岩堆积于稳定的半湿润淡水半深湖环境；纹层状-层状富有机质白云石-方解石混合页岩则主要沉积于干旱、蒸发封闭、高盐度且水体分层强烈的湖泊环境。纵向上，研究区经历了泥质页岩、长英质页岩和白云石-方解石混合页岩三个演化阶段，对应温暖湿润深湖、干湿交替波动湖和干旱封闭盐湖三种沉积模式。TOC > 1.5%的岩相富含有机质，为油气生成提供了物质基础。该研究为研究区储层评价与勘探有利区优选提供了重要参考。

三、主要技术方法

研究人员共采集TNY1井J₂y³段79块岩心样品，取心深度50~1170 m。主要技术方法包括：（1）X射线荧光（XRF）扫描，对全段以1 m间隔进行测试，分析20余种主微量元素含量，并基于Brumsack模型计算相对矿物比例用于三元图解投图；（2）X射线衍射（XRD）全岩矿物分析，测定矿物组成与含量；（3）总有机碳（TOC）分析，依据中国石油天然气行业标准GB/T19145-2003执行；（4）主量元素采用X射线荧光光谱仪测定，微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定。所有分析均在中国北京铀矿地质研究院及中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成。

四、研究结果

4.1 矿物学特征。 XRD分析表明，研究区样品矿物组成以长英质矿物（石英和长石）、黏土矿物和碳酸盐矿物（方解石和白云石）为主，含少量菱铁矿和黄铁矿。黏土矿物含量12.5%~58.5%，石英含量11.8%~62.5%，长石（主要为斜长石）平均含量5.59%。纵向上，黏土和长英质矿物含量向上逐渐降低；菱铁矿在约700 m以深显著升高，向上逐渐减少；方解石和白云石几乎集中于上部（0~280 m），450 m以浅碳酸盐含量持续升高并在第三单元达到最大值。

4.2 TOC特征。 依据沉积旋回特征和TOC含量，研究层段自下而上划分为三个单元。TOC含量介于0.13%~5.8%之间：第一单元（870~1170 m）平均1.52%，第二单元（280~870 m）平均1.98%为最高，第三单元（0~280 m）平均1.92%。参照SY/T 5735-2019标准，TOC < 0.5%为低有机质，0.5%~1.5%为中有机质，> 1.5%为高有机质。

4.3 沉积构造特征。 岩心和薄片观察显示六种主要沉积构造类型：块状构造多见于深湖和强水动力浅湖，由洪水或重力流快速堆积或强水流湍动底水形成；水平层理是深湖-半深湖的典型构造，在低能静水条件下形成；波状层理主要发育于浅湖砂质页岩，由浅湖波浪振荡作用形成；透镜状层理发育于滨浅湖过渡带，受季节性湖水位波动或湖侵控制；粒序层理发育于深湖斜坡，正粒序由重力流作用形成，反粒序由单一洪水事件形成；滑塌变形构造出现在深湖斜坡和湖盆边缘，由构造活动、快速水下沉积和强烈水动力扰动共同触发。

4.4 主微量元素特征。 主量元素组成受矿物组分控制，SiO₂含量40.4%~69.5%，Al₂O₃含量7.4%~19.2%，CaO含量0.14%~16.3%差异极大，主要赋存于白云石-方解石混合页岩岩相中。微量元素呈现规律性分带：V/(V+Ni)比值集中于0.59~0.78，绝大多数样品超过0.65，指示底水持续处于缺氧至硫化状态；Sr/Ba比值从底部混合页岩的0.62~1.14急剧下降至中上部的0.14~0.24，与古盐度淡化及碳酸盐沉积退缩完全耦合。

4.5 岩相划分。 基于TOC测试和XRD分析结果，采用有机质含量与矿物组成相结合的岩相分类命名方案，将湖相页岩理论划分为十二种基本岩相类型。实际研究层段发育九种页岩岩相，包括5种高有机质页岩和4种中有机质页岩。主要优势岩相包括：高有机质长英质泥页岩（LF1，平均TOC 2.07%）、中有机质长英质泥页岩（LF2，平均TOC 1.0%）、高有机质泥质长英页岩（LF3，平均TOC 2.78%）和高有机质泥质-长英质混合页岩（LF8，平均TOC 2.13%）。

4.6 岩相发育与沉积环境。 依据沉积构造形态将构造分为块状（单层厚度>5 cm）、层状（1~5 cm）和纹层状（<1 cm）三种类型。采用地球化学方法从古气候、古盐度、古水深、氧化还原条件和陆源输入五个方面重建各岩相的古环境特征。纹层状-层状高有机质泥质页岩相CIA值83~87为全剖面最高，指示温暖湿润气候下的强烈化学风化；平均Sr/Ba比约0.16，指示典型淡水环境；Rb/Zr比值平均0.89，反映高湖平面和深湖沉积特征；V/(V+Ni)平均约0.70，指示底水持续处于缺氧-次氧化条件。层状-块状高有机质长英质页岩相CIA值波动强烈（62~84），Ti/Al比值平均0.0454为各岩相中最高，指示增强的粗粒陆源输入和幕式沉积。层状-块状中有机质长英质页岩相平均CIA约82.1，Ti/Al平均0.0463代表最强陆源碎屑供给，但无明显幕式粗粒输入增强信号，整体处于相对更氧化的水体条件。纹层状-层状高有机质白云石-方解石混合页岩相上部层段CIA平均约60，Sr/Ba比值0.58~1.58，指示干旱寒冷气候下弱化学风化、强烈蒸发导致湖水达到碳酸盐饱和；V/(V+Ni)持续偏高（0.70~0.76），指示更强的水体分层和还原性。

4.7 沉积模式。 研究区整体属于陆相湖盆深水富有机质页岩沉积体系，可划分为三个演化阶段：泥质页岩阶段（880~1170 m）以纹层状-层状富有机质泥质页岩相为主，沉积环境逐渐稳定，湖水位持续升高，气候温暖湿润，湖平面达到全井段最高；长英质页岩阶段（330~880 m）以层状-块状富有机质长英质页岩相和层状-块状中有机质长英质页岩相为主，气候由持续湿润转变为暖湿与干旱频繁交替，季节性降水反复触发湖平面波动和陆源供给强度显著变化；白云石-方解石混合页岩阶段（0~330 m）以纹层状-层状富有机质碳酸盐混合页岩相为主，气候干旱、蒸发大于降水，湖盆封闭性增强、湖平面相对较低，水体分层显著、底水氧化程度明显降低，最终形成纹层状富有机质碳酸盐质页岩。

五、结论与展望

研究人员基于岩心观察、薄片鉴定、XRD、XRF、元素地球化学和TOC测试，对塔里木盆地西南坳陷中侏罗统杨叶组三段陆相页岩开展系统研究，得出以下结论：（1）TNY1井J₂y³段识别出九种页岩岩相，依据矿物组成、沉积构造和TOC含量归纳为四大类型：纹层状-层状高有机质泥质页岩（以LF3为主，平均TOC 2.78%）、层状-块状高有机质长英质页岩（以LF1为主，平均TOC 2.07%）、层状-块状中有机质长英质页岩（以LF2为主，平均TOC 1.00%）和纹层状-层状高有机质白云石-方解石混合页岩（以LF5和LF8为主，平均TOC分别为2.29%和2.13%）。（2）地球化学指标清晰区分了四类岩相的沉积环境：纹层状-层状高有机质泥质页岩形成于最大湖侵期温暖湿润淡水深湖强还原环境；层状-块状高有机质长英质页岩形成于幕式陆源输入影响下较浅但持续还原的淡水湖环境；层状-块状中有机质长英质页岩堆积于稳定的半湿润淡水半深湖环境并受持续沉积物稀释；纹层状-层状高有机质白云石-方解石混合页岩主要沉积于干旱蒸发封闭湖泊环境，盐度高且水体分层强烈，间夹幕式暖湿淡水深湖层段。（3）建立了泥质页岩、长英质页岩和白云石-方解石混合页岩三种沉积模式，分别对应温暖湿润深湖、干湿交替波动湖和干旱封闭盐湖半深湖环境。各岩相的发育与分布受古气候、湖平面、陆源供给和水体氧化还原条件共同控制。

此外，基于研究局限和区域勘探需求，研究人员提出三个未来研究方向：一是整合低温氮吸附、场发射扫描电镜和高压压汞实验，对九种页岩岩相开展微观孔隙-裂缝结构定量精细表征，阐明不同岩相对页岩储层品质的约束机制；二是利用孢粉组合和有机碳同位素等高分辨率古气候指标定量重建长期古气候演化，阐明周期性气候波动调控有机质富集的内在耦合机制；三是针对研究区广泛发育的特色白云石-方解石混合页岩，系统分析其完整成岩演化过程，对比研究不同岩相生烃、滞留和排烃的差异模式。