内蒙古扎鲁特旗林西组页岩沉积环境的地球化学表征

于京都，张金川，毛俊丽，孙 睿

（1.中国地质大学 能源学院，北京100083；2.页岩气勘查与评价国土资源部重点实验室，北京100083；3.中国石油 辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦124010）

内蒙古自治区东南部扎鲁特旗地区位于中朝和西伯利亚两大板块拼接背景下的佳蒙地块南缘，以北为二连浩特—贺根山断裂带，以南为西拉木伦河断裂带，处于松辽盆地、二连盆地和开鲁盆地之间。据前人研究成果，扎鲁特旗地区上二叠统林西组含有质量较好的泥岩型烃源岩，具有非常规油气勘探潜力［1，2］。古亚洲洋的关闭对本区二叠系地质演化和油气生聚产生了深刻影响［3－7］。

徐备等认为，锡林郭勒地块下泥盆统存在磨拉石沉积，与下伏混杂岩带为不整合接触，并含有志留纪时期的富钾花岗岩（壳源侵入型），表明可能早在晚泥盆世之前，古亚洲洋已关闭，研究区及周缘在晚二叠世已进入陆相沉积演化时期［3］。

石玉若、张炯飞等在研究区以西的苏尼特左旗南部发现423Ma B.P.前后的富钾长石花岗岩和460Ma B.P.前后的英云闪长岩［4，5］，对上述观点从岩浆岩地质学角度提供了一定支持。

李锦秩、和政军、郭胜哲等认为，林西县以南双井子岩体的成分特征及年龄数据表明，古亚洲洋的关闭时间应晚于晚泥盆世，古亚洲洋、西伯利亚板块、华北板块之间的削减－俯冲关系很可能持续到了古生代晚期，二叠系为相对较为广阔的咸水—半咸水覆盖下的海相或湖相沉积［6－9］。

王荃在西拉木伦河以南地区发现的具有钙碱性特征的二叠纪火山岩［10］；王玉静在内蒙古东部和吉林中部地区发现的深水相石炭—二叠纪沉积［11］；黄本宏在内蒙古东部发现晚二叠世之前的安加拉植物群和华夏植物群沿西拉木伦缝合带一线的地理分区现象［12－14］为这种认识提供了支持。

由于上述观点不一致，所以对本区上二叠统林西组对应地质时期环境特点的研究具有重要意义。本文从生物标志化合物参数和微量元素参数两方面展开研究，以期进一步了解本区林西组暗色富有机质泥页岩形成的古环境特征。研究区位置如图1所示。

1 生物标志化合物特征

生物标志化合物是研究泥页岩地层沉积环境的重要方法［17，18］，本文就饱和烃的特征碎片（M/Z为85）进行了色谱检测，得出与沉积环境有关的分析指标包括：①主峰碳分布；②OEP：饱和烃碳数奇偶优势；③Pr/Ph：姥鲛烷与植烷之比；④Pr/nC17：姥鲛烷与碳数为17的正构烷烃之比；⑤Ph/nC18：植烷与碳数为18的正构烷烃之比（表1、图2、表2）。

图1 研究区地质概况Fig.1 General geological condition of study area

表1 林西组页岩饱和烃生物标志化合物参数Table 1 Parameters of the saturated hydrocarbon biomarkers of the Linxi Formation shale

图2 研究区部分样品饱和烃质量色谱图Fig.2 Saturated hydrocarbon chromatograms of some samples from study area

表2 饱和烃生物标志化合物参数的地质意义［17－19］Table 2 Geological significance of saturated hydrocarbon biomarker parameters

主峰碳对生烃母质来源具有指示意义，一般而言，高碳数的奇数主峰碳往往对应陆相有机质输入，相对中—低碳数主峰碳则指示水生生物有机质来源［19］。对研究区21块林西组富有机质泥页岩样品的主峰碳分析表明，主峰碳数分布范围位于17～23之间，属中—低主峰碳数分布，表明林西组富有机质页岩中有机母质来源偏水生生物（表2、图2、图3-A、B）。相对较低的主峰碳分布也揭示其具有较高的演化程度。部分色谱峰的峰形也显示出一定的双峰特征（L2、L6、B8、T10），其中高碳数奇碳色谱峰的出现（对应的奇碳碳数分别为27、25、27、31），表明林西组泥岩中的沉积有机质中可能混有陆源成分。

图3 林西组黑色页岩饱和烃生物标志化合物指标统计Fig.3 Statistics of the saturated hydrocarbon biomarker parameters from the Linxi Formation shale

奇偶优势指数（OEP）可用于判断有机母质来源及演化过程中所处的成岩环境和早期热演化程度。对研究区林西组富有机质页岩样品的OEP指数的计算表明，OEP指数值域总体较低（绝大部分数据＜1.2），集中于1.0左右，除去个别数据点外，总体呈现近奇偶平衡特点。结合饱和烃色谱峰分布特点，揭示出研究区在晚二叠世时期具有水生生物繁茂，可能伴随陆源有机碎屑注入，后期成岩环境偏还原性，源岩有机质演化程度可能较高的特征（表2、图2、图3-C、图3-D）。

Pr/nC17为反映有机母质来源和成熟度指标的参数。研究区林西组富有机质页岩样品Pr/nC17平均为1.39，一定程度上表现出陆源有机质注入特点；Ph/nC18可作为有机母质演化中主要催化矿物和所处早期成岩环境的指标，该值平均为1.62，表现为黏土矿物催化下，早期成岩环境偏氧化性特征（表2）。另一方面，随着降解程度的增加，Pr/nC17和 Ph/nC18之比也相应变大［19］；较高参数值可能预示林西组富有机质页岩在演化早期历经了一定程度的生物降解作用（表2、图2）。

对已经进入成熟演化阶段的富有机质页岩而言，Pr/Ph可以用于描述古环境和有机质来源。本研究区该参数值较低，平均为0.34，为还原性的海洋沉积环境。成岩环境总体偏还原性（植烷优势），表现出碳酸盐矿物催化的特点。值得注意的是，Pr/Ph、Pr/nC17与 Ph/nC18在对研究区样品的评价标准应用上应考虑到姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）的抗生物降解性强于正十七烷（nC17）和正十八烷（nC18），在研究区古环境评价上Pr/Ph的代表性和可靠性可能相应更好（表2、图2、图3-E、图3-F）。

应用成熟的研究图版［18］，对样品的多因素分析表明，本研究区林西组页岩有机母质表现为半咸水—咸水成因（图4-A），揭示出有机母质应以Ⅱ型（混合型）为主，形成和演化环境总体偏还原性；沉积水体具有一定咸度，且具水生生物与陆源有机质混合输入的特点（图4-B）。

2 微量元素特征

微量元素分析是研究沉积环境中水体含盐度的重要方法［20－22］，主要包括了对硼、锶、钡、镓等元素的分析。本文此处原始数据来源于文献［15］（研究区具重合性）和［16］。

根据C.T.Walker等发表的论文［23，24］，对研究区林西组页岩样品微量元素数据进行再分析确有必要。

根据C.T.Walker提出的理论模型［23，24］，不同种类的黏土矿物对硼元素的吸附能力不同，以伊利石最强。而岩石有机母质会对母岩中K2O含量产生“稀释效应”，形成伊利石组分内K2O的富集；因此Walker建议对硼元素含量和K2O含量进行校正后，再应用理论图版求取“相当硼含量”（伊利石中K2O的质量分数为5%时对应的硼含量）来对古盐度进行评价［24］（图5）。

图4 Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18分析图Fig.4 Analytical graphics in Pr/Ph，Pr/nC17，Ph/nC18

校正公式［23，24］为

校正硼含量：

伊利石K2O含量：

根据式（1）和（2），相当硼含量的理论求取公式为（图5）

图5 林西组页岩相当硼含量修正图版Fig.5 Cross plot between adjusted boron and percent of K2O pure illite of the Linxi Formation shale

其中：wBe为相当硼含量（质量分数）计算值（10－6）；wBc为校正硼含量（质量分数）计算值（10－6）；wK2O为 K2O 含量（质量分数）校正值（%）。

根据图5，露头和岩心样品的相当硼含量相对聚敛于图版的不同区域，形成该现象的原因可能为露头样品在风化淋滤作用下，抗风化能力较强且富钾的伊利石相对富集，而硼含量则因被搬运等因素相应较低。因此，应根据岩心实测数据对露头样品中的硼元素及其他微量元素指标进行校正（表3），校正公式为

其中：A′i为露头数据校正值；Ai为实测露头数据；Aj为实测岩心数据；m为岩心样品数；n为露头样品数。

泥页岩黏土矿物中的绝对硼含量与水体盐度有关（表4）。硼元素的绝对含量常作为古水体盐度的标志，根据数据校正结果，绝对硼质量分数的校正后平均值为105.42×10－6，显示半咸水—咸水特征。统计表明，绝对硼质量分数范围相对集中于（100～130）×10－6，具有一定的正态分布性（图6-A、B），应用正态分布公式［式（5）］对75%条件概率下绝对硼质量分数计算值为84.89×10－6，表现为咸水特征（表5）。

表3 林西组泥页岩微量元素露头样品数据校正Table 3 Calibrated data in microelements parameters of the Linxi Formation shale from outcrop

表4 林西组泥页岩微量元素沉积特征数据Table 4 Characteristics of the microelements from the Linxi Formation shale in sedimentary environments

式中：f（x）为累计概率密度；σ为样品数据标准差；x为不同条件概率下的预期数据值；Ai’为露头数据校正值；Aj为实测岩心数据；m为岩心样品数；n为露头样品数。

相当硼含量是对伊利石校正后的“标准硼含量”；相比绝对硼含量，该数据排除了伊利石中K2O含量波动，及有机碳对K2O的“稀释作用”的影响，具有更高的准确性和灵敏度［22］。研究区林西组相当硼质量分数平均为245.01×10－6，分布范围相对集中于（220～280）×10－6，具一定的正态分布性（图6-E、F），70%～75%条件概率下计算值分别为195.54×10－6、206.55×10－6，呈现半咸水特征（表4、表5）。

锶含量和wSr/wBa也是沉积水体盐度的评价指标（表4）。前人研究表明，随着水体矿化度逐渐增高，钡首先以硫酸钡形式沉淀，硫酸锶沉淀只有当水体矿化度达到一定程度后才能产生［25］。林西组页岩中锶的平均质量分数为283.07×10－6，相对集中于（200～350）×10－6（图6-C、D），已接近半咸水标准的下限；wSr/wBa平均为0.60，相对集中于0.4～0.7（图6-G、H）。75%条件概率下锶含量和wSr/wBa计算值分别为193.13×10－6、0.48（表5）。总体而言，研究区林西组页岩样品的锶含量和wSr/wBa相对较低，结合wSr/wBa与硼含量、主峰碳分布、OEP数据，呈现出造山隆起过程中逐渐退却并接受淡水与陆源碎屑补给的中—低盐度水体特征。

此外，wB/wGa亦可用于古水体环境的定性评价（表4）。林西组页岩样品wB/wGa平均为6.14，相对集中于4.5～7.5（图6-I、J），总体较高，75%条件概率下的计算值为4.8，结合硼、锶、钡含量，表现为过渡环境特征（表5）。

双因素分析表明，林西组页岩形成时，水体环境总体为具有一定盐度的海相或半咸水湖相环境，随着晚海西—印支造山运动程度加剧，在之后的演化过程中陆相沉积才逐渐占据优势（图7）。

3 结论

图6 林西组页岩微量元素指标（对露头样品数据校正后）Fig.6 Statistics of microelements parameters from the Linxi Formation shale

图7 林西组页岩微量元素交汇图（对露头样品数据校正后）Fig.7 Cross plots between different microelements parameters

表5 林西组泥页岩微量元素概率计算Table 5 Calculation of microelements parameters from the Linxi Formation shale under different probabilities

a.扎鲁特旗地区上二叠统林西组富有机质页岩地球化学特征表明，古生代晚期，研究区为陆壳拼贴背景下的残留海盆或大型半咸水湖盆，来自周缘陆地的淡水和各类碎屑物源充分，具有一定的盐度，环境类似于今日的黑海和北欧峡湾地区。

b.在晚二叠世，研究区及周缘地区仍为板块拼合初期的海相沉积环境；华北和西伯利亚两大板块陆壳的拼贴时间可能发生于晚石炭世到早二叠世之间。

c.晚二叠世时期，研究区水体总体退却，在此过程中，易形成安静的滞留性水体，沉积稳定持续，为形成暗色富有机质泥岩的有利条件。尽管研究区的林西组泥页岩具有良好的油气勘探前景和有利条件，但有机质演化和降解的程度偏高成为勘探的重要风险因素，应予以充分考虑。

d.在对研究区目的层沉积环境的研究中，样品饱和烃生物标志化合物和微量元素特征所揭示的地质信息展现出较好的一致性和互补性，在页岩油气勘探工作中值得进一步挖掘其价值。

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