鄂爾多斯盆地東緣晚古生代泥巖地球化學特征及有機質富集機理

楊晉東，于振鋒，郭旭，趙瑞熙

（山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司，山西 晉城 048000）

煤層氣作為中國非常規天然氣的重要組成部分，其開發具有降低煤礦瓦斯含量、利于安全生產，助力雙碳目標實現和補充清潔能源等多種價值。最新統計［1］顯示，中國煤層氣資源量為30.05×1012m3，而1000～2000m 埋深范圍內的煤層氣資源量為18.87×1012m3，占總資源量的62.8%，反映了深部煤層氣是中國煤層氣產業大規模發展的重要資源基礎。近年來隨著煤層氣產業技術發展及中淺部資源逐漸枯竭，深部煤層氣開發勢在必行。鄂爾多斯盆地作為中國第二大含油氣盆地，上古生界煤系地層發育，眾多層位含氣，在中深部煤層氣勘探方面具有較大潛力，僅鄂爾多斯盆地東緣1500m 以淺煤層氣資源量就達到9×1012m3［2］。但目前盆地東緣深部煤層氣的沉積環境、構造特征和水動力條件仍缺乏深入研究，多因素綜合控制下的深部煤層氣運移、富集和成藏特征及地質控因尚不明確，導致深部煤層氣井產量偏低，開采效果不佳。

鄂爾多斯盆地石西地區是該盆地東緣煤系氣勘探開發的新區域，位于晉西撓褶帶內，石炭—二疊系煤系地層主要發育于三角洲平原和前緣相帶，顯示良好的烴源巖發育條件［3］。魏若飛等［4］通過石西區塊煤系地層儲層特征和構造發育特征分析，對該區煤系氣資源及有利區進行了初步評價?？涤畈?］和劉超等［6］基于地球化學實驗對研究區天然氣伴生氦氣成因及氣水分布特征進行了研究，表明石西區塊具備良好的非常規天然氣及伴生資源開發潛力。但前人對煤系地層沉積環境方面的研究很少，有機質富集特征及其控因尚不明確，不利于后續深部煤系氣富集成藏特征及地質控因、開發潛力評價及甜點區優選等工作。

本文基于前人研究成果和現存問題，采集石西區塊探井巖心樣品，通過電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)、掃描電鏡(SEM)、X 射線熒光光譜儀(XRF)和同位素質譜儀開展主微量元素、黏土礦物、總有機碳含量和干酪根碳同位素等分析工作，通過元素地球化學特征分析，為揭示研究區晚古生代沉積時期古環境及構造演化特征提供更多的證據支撐，同時結合有機碳含量與干酪根碳同位素值，為進一步揭示有機質富集與沉積環境的關系提供佐證，為區內煤系氣的勘探開發奠定地質基礎。

1 區域地質背景

石西地區位于鄂爾多斯盆地東緣河東煤田，該煤田東以離石大斷裂與山西地塊相鄰，北端與東西向的呼和斷裂及其北部的東西向陰山隆起帶相鄰，南端以汾渭地塹系為界與東西向秦嶺褶皺帶相連［7］。河東煤田總體呈現為南北長約400km，東西寬30～60km 的狹長條帶狀，巖層總體走向呈南北向，向西緩傾斜。石西區塊奧陶系頂面為一總體傾向北西的單斜構造，區域內部構造穩定，斷裂不發育，從地震解釋資料來看，僅在區塊中部和東界附近有少數斷層發育(圖1)。

圖1 研究區地質背景(a)、采樣點位(b)及地層柱狀圖(c)Fig. 1 Geological background (a), sampling site (b) and stratigraphic column (c) maps of the study area.

石西地區的地層區劃隸屬華北地層區鄂爾多斯地層分區正寧—佳縣地層小區(圖1)。該區域地層由老到新發育有古生界、中生界和新生界，下古生界地層出露于河東煤田東部邊緣，上古生界含煤地層主要出露于離石煤盆地及臨縣－柳林一帶［8］。研究區主要發育地層包括上石炭統本溪組，下二疊統山西組、太原組，中二疊統上石盒子組、下石盒子組。本溪組巖性以灰質黏土巖和砂質泥巖為主，含薄層灰巖；太原組和山西組主要為煤、泥巖和砂質泥巖；石盒子組以砂巖、砂質泥巖為主。華北板塊的抬升導致中奧陶世至早石炭世地層缺失，本溪組與中奧陶世上馬家溝組存在不整合接觸［9］。

2 樣品測試和質量控制

2.1 樣品采集和測試

在河東煤田石西地區非常規氣井SX-01、SX-02、SX-03、SX-04、SX-05、SX-06 和SX-07 巖心中選取26 塊泥巖樣品。取樣地點、取樣位置、樣品編號如圖1b 和表1 所示。

表1 石西地區泥巖樣品主量元素、有機碳含量及碳同位素值Table 1 Concentrations of major elements, TOC value and δ13C (PDB) of mudstone samples in Shixi area.

將采集的泥巖樣品進行分類編號，裝入樣品袋送至江蘇地質礦產設計研究院測試中心進行分析實驗，包括礦物組成、主微量元素、有機碳含量和干酪根碳同位素測試分析。具體分析方法如下。

(1)樣品礦物組成分析方法及流程，依據《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 射線衍射分析方法》(SY/T 5163－2010)。分析儀器為D/MAX2000型X 射線衍射儀，其中非黏土礦物含量的測定采用K值法，黏土礦物含量測定采用水懸浮液分離法。

(2)樣品主量元素分析方法及流程，依據《硅酸鹽巖石化學分析方法 第11 部分：氧化鉀和氧化鈉量測定》(GB/T 14506.11—2010)、《硅酸鹽巖石化學分析方法 第10 部分：氧化錳量測定》(GB/T 14506.10—2010)。分析儀器為X 射線熒光光譜儀(Axiosmax，檢測溫度為23℃，濕度為38%，其中Fe2O3為全鐵含量。

(3)樣品微量元素分析方法及流程，依據《礦物巖石分析 第四版》第2 部分和第6 部分微量元素的測定。分析儀器為Nex ION300D 電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)，檢測溫度為22.4 ℃，濕度為35.7℃。

(4)樣品有機碳含量測試方法及流程，依據《沉積巖中總有機碳的測定法》(GB/T 19145—2003)。首先用稀鹽酸去除樣品中無機碳，在高溫氧氣流中燃燒，使總有機碳轉化為二氧化碳，最后采用CS580A C/S 分光測色儀測定樣品中有機碳含量。

(5)樣品干酪根碳同位素值測定，依據《地質樣品有機地球化學分析方法 第2 部分 有機質穩定碳同位素測定同位素質譜法》(GB/T 18340.2—2010)。將樣品在元素分析儀中分解燃燒并氧化，轉化為二氧化碳，再將純化后的二氧化碳收集到樣品管中，送入ThermoFisher MAT253 穩定同位素比值質譜儀測得結果，碳同位素測定工作標準采用國際標準PDB。

2.2 測試數據質量控制

本研究樣品為煤層氣勘探開發井所取巖心樣品，采用分析國家一級標準物質(GWB) 的方法對分析方法準確度進行檢驗。插入國家一級標準物質比例為4.3%，元素準確度合格率達100%，插入密碼樣品比例6.14%，實驗精密度合格率大于90%，即分析方法準確度和精密度滿足規范要求。本文所有實驗數據均經江蘇地質礦產設計研究院測試中心專家進行質量控制及驗收，各項質量指標均達到有關規范要求，實驗數據質量可靠。

3 實驗測試結果

3.1 地球化學特征

3.1.1 主量元素

泥巖樣品主量元素含量及有機質特征參數列于表1，主量元素氧化物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O 組成。其中SiO2含量最高，為48.86%～79.36%，均值58.46%；Al2O3含量介于8.77%～28.56%，均值21.98%，呈現砂質泥巖特征。其他主量元素平均含量由高到低依次為：TFe2O3(全鐵)、K2O、MgO、TiO2、Na2O、CaO 和MnO，各主量元素特征如下：TFe2O3含量為0.51%～13.03%，均值3.67%；K2O 含量介于0.56%～5.37%，均值2.48%；MgO 含量為0.23%～1.51%，均值0.94%；TiO2含量為0.62%～1.53%，均值0.85%；Na2O 含量為0.11%～0.76%，均值0.38%；CaO 含量為0.11%～1.06%，均值0.35%；MnO 含量最低，均值僅為0.03%。

與華北板塊上地殼常量元素數據［10］相比，石西地區石炭—二疊系泥質巖樣品呈現Al2O3和TiO2顯著富集，TFe2O3、K2O 和P2O5輕度富集，以及SiO2、MgO、Na2O、CaO 和MnO 虧損的特征。Al2O3/SiO2值介于0.11～0.58(均值0.37，高于上地殼0.23)，表明石西地區樣品黏土礦物含量較高。在風化過程中，活躍堿元素(K、Ca、Na 和Mg)容易淋濾流失［11］，由此推測研究區泥質巖樣品MgO、Na2O、CaO 的虧損可能是整個成巖過程中風化作用的結果。另外泥質巖中主量元素間的特定比值能夠反映沉積巖的礦物組成情況，樣品Al2O3/(CaO+K2O)值為3.88～28.96(均值8.87)，指示石西地區二疊系泥質巖樣品礦物組成中以高嶺石等不穩定組分為主［12］。

3.1.2 微量元素

微量元素的富集虧損是特定地質條件的產物，對評價古沉積環境、示蹤礦產資源意義重大。微量元素根據其化學性質可分為：大離子親石元素Rb、Sr、Cs、Ba 和Tl，高場強元素Nb、Ta、Zr 和Hf，過渡族元素Sc、V、Cr、Co、Ni 和Cu，以及稀土元素(REE+Y)。根據石西地區樣品微量元素(表2)及稀土元素(表3)測試結果，進一步統計發現(圖2a)，研究區巖心樣品SX-01、SX-02、SX-03、SX-04、SX-05、SX-06 和SX-07 井的微量元素變化趨勢及變化范圍基本一致，除Mo 和Tl 元素外，其他元素含量均大于1.0μg/g。

表2 石西地區晚古生代泥巖樣品微量元素含量Table 2 Trace element contents of late Paleozoic mudstone samples in Shixi area.

表3 石西地區晚古生代泥巖樣品稀土元素含量及特征值Table 3 REY contents and characteristic parameters of late Paleozoic mudstone samples in Shixi area.

圖2 研究區樣品微量元素均值對比柱狀圖(a)、稀土元素(b)和微量元素(c)UCC 標準化配分圖Fig. 2 Comparison bar chart of trace element mean value (a), UCC-normalized pattern of rare earth elements (b) and trace elements(c) of samples in study area.

與其他標準化巖石(例如球粒隕石［13］，后太古代澳大利亞頁巖PAAS［14］)相比，華北大陸上地殼(UCC)與研究區具有相似的碎屑物源和巖石地球化學演化過程，因此本文以UCC 中微量元素平均值［10］作為石西地區樣品微量元素標準化的背景值，分別作出稀土元素和其他微量元素的分配模式圖。由圖2c 可知，相對于華北上地殼微量元素平均值，鄂爾多斯盆地東緣石西地區的微量元素表現出不同程度的富集與虧損，即Li、Cs 元素顯著富集，Sr 元素輕微虧損，Zn 和Ba 元素顯著虧損的特征。

整體上，石西地區晚古生代泥巖樣品稀土元素高度富集及含量差異較大，稀土(REEs+Y)總含量介于108.10～1287.99μg/g(均值475.4μg/g)，高于華北大陸上地殼UCC(174.074μg/g)和澳大利亞后太古代頁巖PAAS(211.78μg/g)，與臨近研究區的臨縣地區(均值283.88μg/g)相比［15］，石西地區在整個鄂爾多斯盆地東緣更加富集稀土元素，表明該區陸源輸送較強。LREY 含量為79.54 ～1116.67μg/g( 均值395.38μg/g)，其中(La/Sm)N值為0.67 ～1.66(均值0.99)，指示輕稀土元素之間分餾程度較弱；HREY 含量為28.55 ～194.28μg/g(均值80.02μg/g)，(Gd/Yb)N值介于0.69～2.54(均值1.0)，表明重稀土之間較弱的分餾。LREY/HREY(L/H)、(La/Yb)N通常用于判斷輕、重稀土元素之間的分異程度，樣品LREY/HREY、(La/Yb)N值分別為2.20～9.52(均值4.7)、0.51～2.04(均值0.96)，結合稀土元素分配模式圖(圖2b)，均表明研究區泥質巖樣品輕、重稀土元素之間分異程度不明顯，分配圖呈平坦型。

3.2 有機碳特征

有機碳（TOC）含量是指單位質量巖石中有機質的碳含量，對評價烴源巖中有機質豐度和生烴潛力具有重要意義。而烴源巖中干酪根的碳同位素特征被廣泛應用于研究烴源巖類型和沉積環境。泥巖的δ13C(PDB)值介于-25.5‰～-23.4‰，均值-24‰(表1)。有機質中干酪根類型是影響干酪根碳同位素組成的主要因素，腐泥型干酪根相對富集12C，而腐植型干酪根相對富集13C，一般腐植型干酪根δ13C(PDB)值介于-26‰～-20‰［16］，并以-24.5‰為界，進而劃分為含腐泥腐植型和標準腐植型干酪根。整個鄂爾多斯盆地東緣在石炭—二疊紀以海陸過渡相為主，大多數泥巖樣品干酪根類型為標準腐植型，源巖主要來自高等陸源植物供給，與前人研究結果［17］一致。其中，SX-01 井中下石盒子組底部樣品δ13C(PDB)值(SX-01-10 和SX-01-11 分別為-25‰、-25.5 ‰)表現出含腐泥腐植型的特征[δ13C(PDB)＜-24.5‰]，這可能與研究區沉積環境的水平變化特征有關。在華北地臺隆升過程中，海水從鄂爾多斯盆地邊緣退去，導致沉積環境從海相向陸相演化［18］。然而，受構造運動的影響，石西地區西北緣沉積環境的演化表現出滯后性，導致下石盒子組底部的有機質記錄了海相特征。

研究區泥質烴源巖TOC 含量介于0.09%～5.97%，平均含量1.89%。從地層垂向來看，泥巖中TOC 含量變化范圍較大(表1)，山西組和太原組含煤地層泥巖樣品TOC 含量顯著高于石盒子組。鄂爾多斯盆地東南部上古生界暗色泥巖TOC 含量均值為2.4%，略低于研究區山西組、太原組有機碳含量(均值2.87%)［17］。

3.3 黏土礦物特征

黏土礦物主要包括伊利石、綠泥石、蒙脫石和高嶺石，通常伊利石和綠泥石屬于干冷氣候條件下的物理風化成因，蒙脫石是溫濕氣候條件的產物，而高嶺石的形成指示炎熱潮濕環境，因此通過黏土礦物相對含量可以有效地揭示氣候環境特征［19-20］。研究區樣品黏土礦物包括高嶺石、綠泥石、伊利石和伊/蒙間層(表4)，其中伊利石含量介于15%～57%(均值28.54%)，伊/蒙間層含量介于2%～50%(均值26.85%)，而高嶺石含量介于14%～76%(均值39.27%)，綠泥石含量相對較低(含量為5%～24%，均值10.7%)，且僅在部分樣品中檢出。上述實驗結果表明，研究區晚古生代泥質巖黏土礦物中以高嶺石和伊利石為主。另外掃描電鏡觀察發現樣品發育有大量具有陸源碎屑成因特征的黏土礦物，主要是高嶺石和伊利石，在掃描電鏡下高嶺石呈現書頁狀，彎曲明顯，略具定向排列，晶形破壞顯著(圖3 中a～d)。伊利石呈葉片狀充填于粒間孔隙內，片狀微晶將孔隙分割，晶體邊緣不平直，形狀不規則，呈現剝蝕搬運特征(圖3e)。

表4 石西地區泥巖樣品黏土礦物組成Table 4 Clay minerals composition of mudstone samples in Shixi area.

圖3 石西地區泥巖樣品黏土礦物顯微特征Fig. 3 Microscopic characteristics of clay minerals of mudstone samples in Shixi area.

4 討論

4.1 沉積環境與有機質富集的關系

4.1.1 氧化還原環境

泥質烴源巖有機質富集影響因素眾多，主要包括生物碎屑的供應、古氣候、鹽度、古生產力和氧化還原環境等［19-22］。本文從地球化學的角度分析研究區沉積環境特征，以揭示古沉積環境對烴源巖的形成和有機質富集的控制作用。

水體的氧化還原性對有機質的富集具有重大影響，缺氧環境下有機質的有限降解更有利于有機質的保存，而沉積水體的氧化還原性同樣會影響各類化學元素在水體中的溶解、分異與沉淀，并記錄在沉積巖體中。據此，可根據沉積巖中元素的富集和虧損情況來恢復古氧化還原環境［23-24］。研究表明，泥質巖中氧化還原敏感元素(簡稱RSEs，主要為Mo、V、U 和Ni)陸源輸入占比很?。?5］，RSEs 的富集主要由沉積水體環境控制。在氧化或次氧化條件下，Mo、U 和V 以高價態溶解于水體中；而在缺氧或硫化條件下，Mo、U 和V 呈現低價態，形成低溶解度的化合物，易被泥質巖中有機質吸收，或通過鐵錳氧化還原循環聚集在沉積物中［26］，導致沉積物中元素富集。本文以RSEs 的富集因子(Enrichment Factor)進行量化，元素富集系數XEF的計算公式為：

式中：XEF代表元素X 的富集系數；UCC 為華北大陸上地殼標準值。

結果表明，MoEF值各層位差異較大，山西組和太原組Mo 富集系數介于0.59～1.59(均值1.09)，石盒子組泥巖Mo 含量偏低，MoEF均值為0.53，可能與石盒子組泥巖有機質含量較低、吸附性較弱有關［26］。當研究區樣品有機碳含量大于1% 時，TOC 值分別與U、Mo、Ni 和V 含量相關性顯著(圖4 中a，b，c，d)，且樣品中RSEs 元素普遍富集；上石盒子組和下石盒子組大多數泥巖樣品有機碳含量小于1%，且與RSEs 元素無明顯相關性，表明了水體的氧化還原性并非是有機質富集的主控因素。

圖4 泥巖樣品元素與有機碳含量相關性散點圖Fig. 4 Bivariate plots for TOC and element content in mudstone samples.

另外V/(V+Ni) 值和Ce/La 值也常用于判別水體氧化還原環境［27］，V/(V+Ni) 的高值(＞0.84)通常指示水體分層明顯且底層出現H2S 的厭氧環境，其低值(＜0.46)指示富氧沉積環境，介于兩者之間屬于貧氧環境［28］。石西地區泥質巖樣品V/(V+Ni)值為0.61～0.89(均值0.75)，且各層位分異不明顯(石盒子組均值0.79，山西組均值0.74，太原組均值0.78)，表明晚古生代沉積時期底層水體中等分層［29］；Ce/La 值大于2 代表還原環境，該值小于1.5 代表富氧環境，介于1.5～2 之間指示貧氧環境。研究區樣品Ce/La 值介于1.55～2.3 之間(均值為1.93)。綜合V/(V+Ni)和Ce/La 指標，表明研究區石炭—二疊系沉積時期整體屬于水體含氧量較低的貧氧環境。鄂爾多斯盆地東緣哈爾烏素、臨縣晚古生代沉積巖RSEs 元素地化特征與石西地區相似［29］，且由太原組、山西組至石盒子組元素富集系數顯著降低，進一步證實整個盆地東緣在石炭—二疊系的海退趨勢。

4.1.2 古氣候特征

Ca、Na 和K 等不穩定元素在地表風化過程中會優選從巖石中去除，使得Al 和Ti 等移動性較小的元素相對富集，據此通過這些元素組合反映化學風化作用的強弱。因此Nesbitt 等［11］和Panahi 等［30］提出了CIA 指數，用于判斷沉積物源區地表巖石風化程度和沉積時期的氣候環境特征，計算公式為：

式中：n代表氧化物摩爾分數，CaO?指硅酸鹽中的CaO，不包括碳酸鹽、磷酸鹽中的CaO?含量。CaO?的摩爾分數依據以下公式計算［31］：

若CaO′≤Na2O，n(CaO?)=n(CaO′); 若CaO′＞Na2O ，n(CaO?)=n(Na2O)測試。

考慮到要去除鉀交代作用的影響［32］，CIA 計算式中的K2O 為校正后的K2O 值，由于本文主量、微量元素均使用UCC 作為標準化參照物質，故利用UCC 中的K2O/Na2O 比值和樣品中測得的Na2O 含量對K2O 含量進行校正，即：

基于上述公式，得到研究區樣品校正后的CIA值(圖5)。石盒子組樣品CIA 值為90.77～94.57(均值92.92)； 山西組CIA 值為86.88 ～96.29( 均值93.49)；太原組CIA 值為91.75～97.6(均值95.22)。當CIA 值分別介于50～65、65～85 和85～100 時，反映物源區分別具有寒冷干燥、溫暖濕潤和炎熱潮濕的環境特征［11，33］。據此，認為物源區母巖受到炎熱潮濕條件下的強烈風化作用。

圖5 石西地區山西組、太原組(a)和石盒子組(b)有機質富集模式Fig. 5 The organic matter enrichment model of Shanxi Formation, Taiyuan Formation (a) and Shihezi Formation (b) in Shixi area.

Fe/Mn、Sr/Cu 和Mg/Ca 等元素比值常用于沉積區古氣候條件的恢復。Mn 元素一般在水體中以Mn2+存在，當環境蒸發作用增強，Mn2+飽和濃度降低而沉淀，使得Mn 在巖石中富集，而Fe 元素在水體中易以膠體形式沉淀，因此Fe/Mn 的高值和低值分別指示溫濕和干熱氣候［34］；Sr/Cu 值也是研究古氣候的重要參數，當Sr/Cu 值介于1.3～10 表示溫濕氣候，該值大于10 指示干熱氣候［34］；另外在非堿層中，若鈉離子和硫酸根離子不參與沉淀，由于Mg2+和Ca2+的溶解度差異，Mg/Ca 高值指示干旱炎熱氣候，而低值指示溫暖潮濕的環境［35］。石西地區樣品Fe/Mn 值、Sr/Cu 值和Mg/Ca 值如圖5a 所示，Sr/Cu值和Mg/Ca 值分別介于3.16～24.89(均值7.43)和0.34～7.98(均值2.91)，另外樣品Fe/Mn值為21.35455～545.72(均值202.25)，均表明石西地區在晚古生代以溫濕氣候為主。

古氣候變化對沉積巖有機質生產能力有顯著影響，溫濕環境下會加速大氣水循環，促使母巖風化后的陸源碎屑、地表徑流和營養物向水體中的輸入量增大，導致沉積水體中生物和有機質產率增大，干旱氣候則相反［36-37］。樣品CIA 值表明，物源區在晚古生代以炎熱潮濕氣候為主，Fe/Mn、Sr/Cu 等地化指標指示石西地區整體上表現出溫暖潮濕的氣候特征。但TOC 值與Sr/Cu 值、Fe/Mn 值和Mg/Ca 值相關性很弱(圖4 中e，f，g)，這表明在晚古生代研究區雖整體上處于有利于烴源巖發育的溫濕氣候條件下，但氣候條件其并非是石西地區石炭—二疊系煤系烴源巖有機質富集的主控因素。

4.1.3 陸源碎屑的影響

陸源碎屑的輸入會對泥質巖中有機質的富集產生多方面影響，如直接作為稀釋劑降低沉積巖中有機質含量，或攜帶陸源有機質輸入增加沉積巖有機質豐度，還可通過影響沉積速率進而對沉積物中有機質產生保護或破壞作用［38-39］。Al 和Ti 作為陸殼的主要組分且性質穩定，常用于評價沉積巖中陸源碎屑的混染程度［39］。Al 主要以黏土礦物、長石等鋁硅酸鹽形式進入沉積物中，而Ti 則主要賦存于重礦物中。研究表明，黏土礦物對有機質具有較強的吸附作用［40］，當陸源碎屑中黏土礦物含量增加時，其裹挾的陸源有機質及沉積時吸附的有機質會隨之增加。Ti/Al 值可以有效地指示陸源碎屑對有機質富集的影響［39］，研究區樣品Ti/Al 值分布范圍較為集中，石盒子組Ti/Al 值為0.034 ～0.052(均值0.042，剔除樣品SX-01-10 的異常高值0.2)，山西組Ti/Al 值為0.035 ～0.057(均值0.042)，太原組樣品Ti/Al 均值為0.041，表明從太原組至石盒子組沉積時期，陸源碎屑輸入變化小。此外前文提及，當TOC值大于1 時，Al 和TOC 之間存在呈顯著的正相關(圖4h)，但Ti 和TOC 之間沒有相關性(圖4i)，這表明黏土礦物對研究區晚古生代泥巖中有機質的富集有顯著影響。

前文3.3 章節說明，研究區泥巖樣品中的黏土礦物在鏡下呈現晶形顯著破壞、遭受剝蝕搬運的特征，表明樣品中黏土礦物主要來自陸源碎屑，非自生成因。受物源區氣候環境控制，陸源碎屑攜帶大量黏土礦物進入沉積區后，利于有機質的富集。泥巖中的有機質和黏土礦物在沉積過程中可能形成有機質-黏土復合體，復合體受外部應力和內部顆粒擠壓力影響可產生大量次生孔隙和黏土保護層，提升泥巖烴類儲集能力［41］。

4.2 有機質富集模式

有機質總體可以歸納為兩種富集機制，即“生產力模式型”和“保存模式型”［42］。生產力模式型主要強調表層水古生產力和陸源有機質供給對有機質輸入量的影響，而保存模式型是指水體氧化還原條件、沉積速率和古水深等因素對沉積物中有機質的保存作用。

如前文所述，研究區石盒子組沉積環境呈現氣候溫暖濕潤和缺氧條件，利于有機質的保存，但該組樣品有機碳含量較低(TOC 值介于0.09%～2.75%，均值0.72%)；山西組和太原組泥巖有機碳含量較高(TOC 均值為2.87%)，同時TOC 值與RSEs 元素和Al 值呈顯著正相關，與表征氣候的元素相關性較差，表明山西組和太原組泥巖中有機質的富集主要受陸源碎屑中黏土礦物含量及氧化還原條件的影響。

干酪根碳同位素顯示，研究區太原組、山西組和石盒子組泥質巖中干酪根類型均為Ⅲ型，母質主要來源于高等植物［43］。山西組和太原組沉積時期，石西地區發育前三角洲亞相［29］，水體深度大，具有明顯的分層現象。底層水體中含氧量低，處于靜水低能、還原環境中，有利于有機質、陸源細碎屑沉積，協同沉積的黏土礦物同時增加了沉積體對有機質的吸附能力，使沉積物中有機質含量增加(圖5a)。受板塊俯沖作用的影響，石盒子組沉積時期繼承了鄂爾多斯盆地東緣晚古生代的海退趨勢［9，29］，由淺海陸棚相過渡為海陸過渡相(以三角洲前緣沉積環境為主)，水體深度小于浪基面深度，屬于動水、高能環境，有機質不易富集保存，導致沉積巖中有機碳含量降低(圖5b)。

5 結論

通過對鄂爾多斯盆地石西地區探井巖心樣品的主微量元素、有機碳含量和碳同位素等地球化學實驗數據分析，為該區晚古生代沉積環境演化提供了佐證，揭示了泥質烴源巖有機質富集的主控因素。晚古生代山西組、太原組和石盒子組泥質烴源巖Sr/Cu、Mg/Ca 和Fe/Mn 值呈現溫濕氣候特征，RSEs元素指示沉積水體為貧氧環境。樣品CIA 值整體偏高，介于85～100 區間，且主量元素氧化物Al2O3顯著富集，顯示泥巖中黏土礦物含量較高。TOC 值與Sr/Cu、Fe/Mn 等氣候指標相關性很弱。當TOC 值小于1 時，其與RSEs 元素無明顯相關性；當TOC 值大于1 時，其與Al 和RSEs 元素均呈顯著正相關，表明有機質的富集主要受氧化還原條件和陸源碎屑中黏土礦物的控制。

本研究查明了石西地區晚古生代煤系地層泥質烴源巖有機質特征及其富集機理，豐富了該區非常規天然氣成藏理論地質基礎，并為煤層氣、致密砂巖氣有利區、有利層位優選提供了一定理論依據。但由于研究區含氣層位較多，在厘清烴源巖發育特征的基礎上，下一步需結合區內氣體運聚特征及地質條件綜合分析，為石西區塊煤系氣高效開發提供有力支撐。

Geochemical Characteristics and Organic Matter Enrichment Mechanism in Late Paleozoic Mudstone, Eastern Margin of Ordos Basin

YANG Jindong，YU Zhenfeng，GUO Xu，ZHAO Ruixi
（Shanxi Lanyan Coalbed Methane Engineering Research Co., Ltd., Jincheng 048000, China）

HIGHLIGHTS

(1) The mudstone is characterized by enrichment of main element Al2O3and TiO2, the CIA value ranges from 85 to 100, and clay minerals present non-authigene characteristics with SEM, indicating high clay mineral content of terrigenous detrital.

(2) The Sr/Cu and Mg/Ca values of the sample are low, and Fe/Mn value is relatively high, V/(V+Ni) and Ce/La values are between sulfurized and oxygen rich environments, indicating warm-humid and reduction environment.

(3) When the TOC value is more than 1, it is significantly positively correlated with Al and redox sensitive elements(RSEs), indicating that the enrichment of organic matter is controlled by the redox conditions and the composition of terrestrial debris.

ABSTRACT BACKGROUND:In the past two decades, with the development of CBM technology, the reduction of recoverable resources in shallow coalbed methane and the consumption of unconventional natural gas in China increasing year by year, the development of deep coalbed methane is imperative. The coalbed methane resources in China are about 30.05×1012m3, and the coalbed methane resource within the burial depth range from 1000m to 2000m is about 18.87×1012m3, accounting for 62.8% of the total resources, which reflects that deep coalbed methane is an important resource foundation for the large-scale development of China’s coalbed methane industry. As the second largest petroliferous basin in China, the Ordos basin has great potential for exploration of deep coalbed methane. In the Eastern Ordos Basin, the coalbed methane resource less than 1500m in depth is about 9×1012m3. Although the eastern edge of the Ordos Basin is rich in deep coalbed methane and tight sandstone gas, the enrichment characteristics and controlling factors of organic matter in coal-bearing strata are unclear, which is not conducive to the study on the storage law of resource, evaluation of development potential, and selection of favorable areas.OBJECTIVES:To reveal the organic carbon content and its influencing factors of mudstones in the coal measure strata and guide the efficient development of coal-measure gas in the eastern margin of the Ordos Basin.METHODS:(1) Analytical method: A total of 26 mudstone samples from the Shihezi, Shanxi and Taiyuan Formations were collected in the Shixi area. The content of major and trace elements, organic carbon content and clay mineral characteristics were tested by XRF, ICP-MS and SEM. Carbon isotope of Kerogen was determined by gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (GC-IRMS). The working standard of carbon isotope adopted the international standard PDB. (2) The mode of organic matter enrichment: Based on the experimental results, the Carboniferous—Permian sedimentary environment (including redox conditions, paleoclimate and terrigenous clastic characteristics) was studied with geochemical indicators, then correlation between sedimentary environment and organic matter content was further explored.RESULTS:(1) Organic and elemental geochemical characteristics of muddy source rocks. Compared with the data of major elements in the upper crust of the North China Plate, the Carboniferous—Permian mudstone samples in the study area show significant enrichment of Al2O3and TiO2, and Al2O3/SiO2value ranges from 0.11 to 0.58 (mean value is 0.37), indicating that the sample has a high content of clay minerals. The trace elements are significant enrichment of Li and Cs, slight depletion of Sr, and significant depletion of Zn and Ba. Rare earth elements are highly enriched overall (mean value is 475.4μg/g), and higher than UCC (174.074μg/g) and PAAS (211.78μg/g).The organic carbon content of mudstone samples from the Shanxi and Taiyuan Formations in study area is relatively high (mean value is 2.87%), while the Shihezi Formation is relatively low (mean value is 0.72%).(2) Redox-sensitive elements, mainly including Mo, V, U, Ni, Ce and La, are important indicators for characterizing the oxidation environment of sedimentary water bodies. V/(V+Ni) values range from 0.61 to 0.89(mean value is 0.75), and the differentiation of each layer is not obvious (mean value of Shihezi Formation is 0.79,Shanxi Formation is 0.74, Taiyuan Formation is 0.78), and Ce/La values range from 1.55-2.3 (mean value is 1.93).The above indicators exhibit the characteristics of a poor oxygen environment. The corrected CIA index ranges from 85 to 100, reflecting the strong weathering of parent rock in the source area under a hot-humid environment.Besides, the Sr/Cu and Mg/Ca values of the sample range from 3.16 to 24.89 (mean value is 7.43) and 0.34 to 7.98(mean value is 2.91), respectively. Fe/Mn values range from 21.35455 to 545.72 (mean value is 202.25), indicating a warm and humid climate during the late Paleozoic. The clay mineral content in the terrestrial debris of the sample is relatively high, which consists mainly of kaolinite (mean value is 39.27%) and illite (mean value is 28.54%). (3) The sedimentary period from the Taiyuan Formation to the Shihezi Formation belongs to a warm and humid climate as a whole, and the bottom of the sedimentary water body is in an anoxic environment. There was no significant correlation among climatic indices of Sr/Cu, Mg/Ca, Fe/Mn and TOC values, however, when the TOC value was more than 1, it was significantly positively correlated with Al and redox sensitive elements (RSEs).CONCLUSIONS:The enrichment of organic matter in the argillaceous rock of the Taiyuan Formation and Shanxi Formation is controlled mainly by water redox conditions and terrigenous debris. The Shihezi Formation inherites the regressive trend of the eastern margin of the Ordos Basin in the late Paleozoic, and its sedimentary environment changes from shallow shelf to marine-continental transitional facies, causing a dynamic ambient and high energy circumstance, in which organic matter is not easily enriched and preserved.

KEY WORDS：Ordos Basin；organic matter；enrichment mechanism；Shixi area；inductively coupled plasma-mass spectrometry；scanning electron microscope