科研进展

鄂尔多斯盆地铜川组油页岩沉积环境研究新进展

2021-07-30

     鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部,是我国第二大沉积盆地。盆地内发育有面积(8–10)×104 km2的连续型致密大油区,预估地质资源量为(35–40)×108吨,是我国油气资源最丰富的盆地之一。盆地内中三叠统铜川组的黑色页岩,含有丰富的有机质(TOC含量最高可达30%–40%),并保存了丰富的植物、介形类、昆虫、鱼、鱼粪等化石。该套黑色岩系广泛分布在鄂尔多斯盆地南部,是重要的潜在主力烃源岩。然而迄今为止,关于铜川组油页岩沉积环境条件仍未开展系统性研究。 

  鉴于此,中国科学院南京地质古生物研究所博士研究生赵向东,在王伟(女)副研究员的指导下,与中石油长庆油田解古巍工程师和中石油勘探院潘松圻工程师等人合作,经过系统的野外样品采集和室内实验室数据分析,采用岩石矿物学和地球化学相结合的分析手段,分析了鄂尔多斯盆地霸王庄露头剖面铜川组油页岩的沉积环境。分析结果对铜川组油页岩的形成与保存环境恢复提供了重要依据,相关研究成果已于近期发表于国际期刊《地质学杂志》(Geological Journal)上。 

  本研究仔细观察了岩石薄片中有机质的赋存形式和沉积型黄铁矿的晶型特征,系统统计了岩石标本中草莓状黄铁矿的粒径分布范围;并在岩石薄片观察基础上,利用高分辨率设备分析了油页岩中的总有机碳(TOC)和黄铁矿含量、有机碳同位素(δ13Corg)和黄铁矿硫同位素(δ34Spy)组成特征。 

  本研究还发现铜川组油页岩中TOC含量平均值高达23 ± 9%,指示了当时湖泊沉积具有非常高的生产力,以及伴随而来的大量的有机质埋藏。其TOC含量不仅高于上覆延长组(鄂尔多斯盆地主力烃源岩)油页岩的TOC含量(6%–14%),也高于一些世界级优质烃源岩的TOC含量,如北非和阿拉伯半岛的早志留世海相油页岩(TOC最高值为10.5%)。这一结果进一步指示了铜川组油页岩较高的生油潜力。 

  油页岩中有机碳同位素(δ13Corg)特征表现为值域较窄,平均值为29.1 ± 0.7‰,表明沉积期碳循环稳定且持续,碳源主要为湖泊中浮游光合植物。同时,地层中发育大量夹层火山灰,说明该时期火山活动频繁,火山喷发带来的铁、磷、硅等营养元素进入水体后可以迅速释放并成为浮游光合植物的可利用元素,进而提高了湖泊中的初级生产力。 

  铜川组油页岩中黄铁矿晶体以草莓状黄铁矿形态为主,平均粒径和值域分布范围均较大(7.0 ± 1.7 μm 至14.3 ± 6.8 μm),表明油页岩沉积过程中底层水为含氧-次氧化状态。黄铁矿含量平均值高达7 ± 3%,指示该时期的硫酸根氧化还原界面较浅,接近水-岩交互界面,以保持湖水中硫酸盐可以畅通扩散至孔隙水中的开放环境,从而形成高含量的以草莓状黄铁矿为主的沉积型黄铁矿。 

  铜川组油页岩黄铁矿硫同位素(δ34Spy)值相对较高且变化较小(4.1‰至4.9‰),可能是由于较高沉积速率等因素导致了硫同位素无法达到最大分馏(Δ34S < 40‰)。且相对稳定的δ34Spy值也从侧面证实了该套油页岩沉积时期水体中较浅的硫酸根氧化还原界面。 

  总体而言,铜川组油页岩沉积在含氧-次氧化的湖泊底层水条件下;较浅的氧化还原界面结合较高的沉积速率和较高的初级生产力可能在铜川组油页岩的形成和沉积保存中起到了关键作用。同时,较浅的氧化还原界面也有利于沉积物中化石的保存。 

  本项研究在进行基础科学问题探讨的同时,也为油气资源勘探提供了新的见解。相关研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和中国石油天然气股份有限公司的资助。 

  论文信息: Zhao, X., Wang, W.*, Xie, G., Pan, S., Jarzembowski, E. A., & Zheng, D. (2021). Depositional environment of Middle Triassic organic-rich shales in the Ordos Basin, Northwest China. Geological Journal, 1–12. https://doi.org/10.1002/gj.4215 

图1:研究剖面柱状图与野外露头照片

图2 霸王庄剖面油页岩标本的岩石矿物学研究

图3 霸王庄剖面的地球化学数据分析综合曲线