鄂爾多斯盆地中部湖相有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境特征

隨著頁(yè)巖油氣的規(guī)模性開(kāi)發(fā)，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的古沉積環(huán)境得到業(yè)界的普遍關(guān)注。針對(duì)海相頁(yè)巖，目前已經(jīng)形成了一批可靠的元素及化合物判識(shí)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了海相頁(yè)巖物源輸入條件、古沉積水體的咸度、水體的氧含量、古氣候特征、古生產(chǎn)力強(qiáng)弱等的恢復(fù)［1-2］。在此基礎(chǔ)上，元素化學(xué)逐漸被引入湖相頁(yè)巖的沉積環(huán)境研究。但是，湖相頁(yè)巖由于受湖泊水體、河流輸入等條件的影響，對(duì)其沉積環(huán)境的恢復(fù)與揭示相對(duì)滯后。

當(dāng)前，能量色散X射線熒光技術(shù)是揭示湖相頁(yè)巖沉積環(huán)境的有效方法之一。但是，在采用能量色散X射線熒光技術(shù)的測(cè)試過(guò)程中，普遍采用一種能量配置進(jìn)行測(cè)試。事實(shí)上，由于主要元素和微量元素存在巨大的含量差異，采用相同的能量配置會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的圖譜壓制現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法獲得準(zhǔn)確的元素含量。此外，基于一種能量配置的測(cè)試，其獲得的元素?cái)?shù)量較少，導(dǎo)致無(wú)法全面利用元素來(lái)刻畫(huà)古沉積環(huán)境。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部，構(gòu)造區(qū)劃隸屬于伊陜斜坡構(gòu)造帶，行政區(qū)劃隸屬于吳起—安塞—甘泉地區(qū)（圖1）。由于研究區(qū)靠近長(zhǎng)7段（三疊系延長(zhǎng)組7段）古湖盆的邊緣，普遍認(rèn)為研究區(qū)泥頁(yè)巖的發(fā)育程度不高，烴源巖品質(zhì)中等［3-5］。在最近5年的勘探實(shí)踐中，安塞周邊長(zhǎng)7段泥頁(yè)巖層系中不斷發(fā)現(xiàn)油氣顯示。其中，D212井（日產(chǎn)量大于1.0 t）、D207井（日產(chǎn)量大于2.0 t）等5口井獲得工業(yè)油流?；陂L(zhǎng)7段頁(yè)巖的烴源巖評(píng)價(jià)亦認(rèn)為，研究區(qū)頁(yè)巖的非均質(zhì)性強(qiáng)，生烴能力差異大，但整體有機(jī)質(zhì)豐度較高，具備生烴能力［6-7］。

圖1

圖1   鄂爾多斯盆地中部區(qū)域位置及地層發(fā)育情況

a.鄂爾多斯盆地構(gòu)造位置； b.研究區(qū)地層柱狀圖

Fig.1   Structural location of the central Ordos Basin with stratigraphic column of the study area

鄂爾多斯盆地中部，長(zhǎng)7段頁(yè)巖的厚度較薄，普遍小于20 m。巖心識(shí)別發(fā)現(xiàn)，該套頁(yè)巖的巖性不純，多夾雜砂質(zhì)紋層，砂質(zhì)紋層的厚度普遍不足1 mm至數(shù)毫米，在巖心上表現(xiàn)出明暗相間的顏色特征（圖2）。研究區(qū)為何能沉積富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖、控制有機(jī)質(zhì)發(fā)育的沉積環(huán)境有何特征、有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)來(lái)源及其貢獻(xiàn)等尚缺乏探索?；诖耍_(kāi)展了有機(jī)碳、主要元素、微量元素的地球化學(xué)測(cè)試。在分析主要元素、微量元素等地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)7段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的沉積水體、氧化還原狀態(tài)和生產(chǎn)力等古沉積環(huán)境進(jìn)行了恢復(fù)，建立了有機(jī)質(zhì)來(lái)源的數(shù)學(xué)模型并分析了有機(jī)質(zhì)的供給特征。

圖2

圖2   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖巖心特征

a.純頁(yè)巖在水中滲氣，W336井，埋深1 954.68 m，巖心照片； b.純頁(yè)巖在水中滲氣，D214井，埋深1 172.72m，巖心照片； c.含砂質(zhì)紋層頁(yè)巖，F(xiàn)134井，埋深1 544.68 m，巖心照片； d.含砂質(zhì)紋層頁(yè)巖，D1199井，埋深1 365.19 m，巖心照片； e.純頁(yè)巖裂縫滲油，D214井，埋深1 170.46 m，巖心照片； f.頁(yè)巖中植物碎屑遺跡，D19井，埋深1 369.91 m，巖心照片； g.頁(yè)巖中可見(jiàn)生物擾動(dòng)現(xiàn)象（有蟲(chóng)孔遺跡）及陸源腐殖有機(jī)質(zhì)，YY1井，埋深135 6.26 m，鑄體薄片，單偏光； h.頁(yè)巖中含魚(yú)骨（魚(yú)鱗）化石，YCCV1245井，埋深1 562.63 m，鑄體薄片，單偏光； i.頁(yè)巖中含孢子體化石，YCCV1245井，埋深1 555.60 m，鑄體薄片，單偏光

Fig.2   Core characteristics of Chang 7 shale， central Ordos Basin

研究區(qū)頁(yè)巖總有機(jī)碳（TOC）含量的數(shù)值范圍為0.87 %～10.81 %，平均為4.47 %。從21個(gè)頁(yè)巖樣品的TOC分布來(lái)看，TOC<2 %的樣品僅有4個(gè)；2 %<TOC<4 %的樣品僅有5個(gè)；TOC>4 %的樣品達(dá)到12個(gè)（圖3）。由此可見(jiàn)，研究區(qū)的高TOC特征與TOC>4 %的樣品比例大息息相關(guān)。

圖3

圖3   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖總有機(jī)碳含量與Ba元素含量關(guān)系

Fig.3   TOC vs.Ba content for Chang 7 shale， central Ordos Basin

研究區(qū)頁(yè)巖，氧碳原子比（O/C）數(shù)值范圍為0.08 ~0.19，平均為0.14；氫碳原子比（H/C）數(shù)值范圍為0.81 ~1.88，平均數(shù)值1.39。在有機(jī)質(zhì)類型判別圖版上，樣品涵蓋了Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。其中，Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)的數(shù)量最多，Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)數(shù)量占樣品總數(shù)的43 %；其次為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)和Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)；Ⅲ型有機(jī)質(zhì)較少，只有1個(gè)樣品（圖4）。

圖4

圖4   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型分布

Fig.4   Organic matter types of Chang 7 shale， central Ordos Basin

2 元素測(cè)量

能量色散X射線熒光技術(shù)的缺點(diǎn)是分辨率低且存在顯著的檢測(cè)限。然而，近10年來(lái)，薄窗檢測(cè)器、微型X射線管、微型準(zhǔn)直器、脈沖電路以及信號(hào)處理得到全面發(fā)展，能量色散X射線熒光技術(shù)已經(jīng)成熟有效。值得注意的是，主要元素和微量元素對(duì)能量信號(hào)的敏感度不一樣，因而在測(cè)試過(guò)程中需要有針對(duì)性的選擇能量配置。

本次對(duì)元素的測(cè)量采用配備銠X射線管的能量色散X射線熒光分析儀（Bruker TRACER Ⅲ-Ⅴ ED-XRF）。采用同一方法針對(duì)主要元素和微量元素開(kāi)展測(cè)量，即將樣品打磨為平整切面，將測(cè)量?jī)x豎直放置（使得射線豎直向上發(fā)射），將樣品置于測(cè)量?jī)x上（射線發(fā)射口照射樣品切面）。測(cè)量過(guò)程中，保證樣品的平整切面完全緊貼于儀器的測(cè)量面，若兩者非徹底接觸則導(dǎo)致X射線信號(hào)衰減而產(chǎn)生誤差。每個(gè)樣品需分別在高能量條件和低能量條件下測(cè)量。高能量條件測(cè)量的元素包括鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎵（Ga）、砷（As）、鉛（Pb）、釷（Th）、銣（Rb）、鈾（U）、鍶（Sr）、釔（Y）、鋯（Zr）、鈮（Nb）和鉬（Mo）；低能量條件測(cè)量的元素包括鈉（Na）、鎂（Mg）、鋁（Al）、硅（Si）、磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鈦（Ti）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鋇（Ba）、釩（V）、鉻（Cr）。

低能量條件即真空條件下，電壓15 kV、電流23 μA狀態(tài)，有效照射時(shí)間60 s。高能量條件即采用增加Al-Ti-Cu過(guò)濾器，電壓40 kV、電流11.6 μA狀態(tài)，有效照射時(shí)間60 s。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)設(shè)置電壓為一恒定數(shù)值電壓時(shí)、不同測(cè)量?jī)x器由于硬件配置的差異會(huì)導(dǎo)致其設(shè)定電流出現(xiàn)一定的偏差。因此，在進(jìn)行波普校正或者數(shù)據(jù)分析前，需要對(duì)儀器進(jìn)行合理優(yōu)化。本次實(shí)驗(yàn)中，儀器射線束的界面面積為3 mm × 4 mm（直徑），為了使得照射點(diǎn)能夠最大限度地反映樣品的真實(shí)情況，在進(jìn)行每個(gè)照射點(diǎn)測(cè)量時(shí)，可對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量或者選擇均質(zhì)性較好的部位進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于Bru?ker TRACER Ⅲ-Ⅴ ED-XRF儀器，低能譜的計(jì)數(shù)率應(yīng)該低于13 000原始計(jì)數(shù)/s（本次設(shè)置為12 000原始計(jì)數(shù)/s），高能譜的計(jì)數(shù)率可設(shè)置于1 500～2 000原始計(jì)數(shù)/s（本次設(shè)置為1 700原始計(jì)數(shù)/s）。測(cè)量完成后，利用儀器自帶的Bruker AXS校正軟件可進(jìn)行能譜分析。

對(duì)21個(gè)頁(yè)巖樣品開(kāi)展了主要元素和微量元素的測(cè)試工作。不同樣品中的元素含量存在較大差異，但As，Mo，U，Sr和Ba 5種元素的相對(duì)含量明顯較高。其中，As的數(shù)值范圍為（5.93～50.25）×10-6，平均數(shù)值為16.88 × 10-6；Mo的數(shù)值范圍為（0.19～7.03） × 10-6，平均數(shù)值為2.75 × 10-6；U的數(shù)值范圍為（2.09～17.54） × 10-6，平均數(shù)值為7.57 × 10-6；Sr的數(shù)值范圍為（303.15～508.52） × 10-6，平均數(shù)值為391.40 × 10-6；Ba的數(shù)值范圍為（636.97～4 775.12） × 10-6，平均數(shù)值為1 622.07 × 10-6（表1）。

表1   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖元素含量數(shù)值

Table 1  Statistics of measured elements in Chang 7 shale， central Ordos Basin

3 微量元素富集特征

沉積物中，微量元素的虧損程度或富集程度是判別沉積環(huán)境的可靠指標(biāo)。當(dāng)前最普遍的方法是以太古宙澳大利亞平均頁(yè)巖（PAAS）的元素含量作為參考標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為了消除元素來(lái)源差異對(duì)參考結(jié)果的影響，普遍采用Al標(biāo)準(zhǔn)化的元素富集系數(shù)EF（enrichment factors）對(duì)沉積物中的元素進(jìn)行表征［8］（表2）。計(jì)算公式如下：

XEF=(X/Al)樣品/(X/Al)PAAS${\mathrm{X}}_{\mathrm{E}\mathrm{F}}={(\mathrm{X}/\mathrm{A}\mathrm{l})}_{\mathrm{樣}\mathrm{品}}/{(\mathrm{X}/\mathrm{A}\mathrm{l})}_{\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{A}\mathrm{S}}$（1）

式中：X與Al分別代表樣品中元素X與元素Al的含量，%。樣品采用PAAS（后太古宙澳大利亞頁(yè)巖）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

表2   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖微量元素的富集因子（EF）范圍

Table 2  Enrichment factors of trace elements in Chang 7 shale， central Ordos Basin

注：表中數(shù)據(jù)為最小值～最大值（平均值）。

對(duì)微量元素富集因子的歸類表明，樣品分布于4個(gè)富集區(qū)間（圖5）。18個(gè)微量元素中，有5個(gè)元素處于一般虧損區(qū)，8個(gè)元素處于微弱富集區(qū)。一般認(rèn)為，一般虧損區(qū)間與微弱富集區(qū)間代表了無(wú)富集表現(xiàn)。有13個(gè)元素?zé)o富集表現(xiàn)，其元素?cái)?shù)量占元素總數(shù)的72.22 %；Mo，U，Sr和Ba 4個(gè)元素為一般富集，該區(qū)間元素?cái)?shù)量占元素總數(shù)的22.22 %；僅有As元素為非常富集。

圖5

圖5   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖微量元素富集程度對(duì)比

1.嚴(yán)重虧損區(qū)； 2.一般虧損區(qū)； 3.微弱富集區(qū)； 4.一般富集區(qū)； 5.富集區(qū)； 6.非常富集區(qū)

Fig.5   Enrichment comparison of trace elements in Chang 7 shale， central Ordos Basin

4 沉積環(huán)境特征

基于微量元素的絕對(duì)、相對(duì)含量指標(biāo)來(lái)重建古沉積環(huán)境與沉積過(guò)程是非常有效的手段，且該方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展［9］。在水體鹽度、古氣候、古生產(chǎn)力、水體氧化狀態(tài)等沉積環(huán)境判識(shí)上已經(jīng)非常有效［9-11］。

4.1 水體鹽度特征

沉積物在沉積期所處的水體鹽度即古鹽度。由于古鹽度對(duì)水體的分層具有重要影響，它對(duì)沉積物的氧化-還原作用與過(guò)程具有間接的控制作用［12］。微量元素中，Ba和Sr的化學(xué)性質(zhì)相似，但兩者的含量比值會(huì)隨鹽度的增大而增大。Sr/Ba<0.5指示淡水，Sr/Ba介于0.5～1.0指示半咸水，Sr/Ba>1指示咸水［12-14］。研究區(qū)頁(yè)巖的Sr/Ba數(shù)值范圍為0.08～0.72，均值為0.30（圖6）。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)7段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)總體形成于淡水環(huán)境。此外，通過(guò)Ca和Fe含量的相對(duì)比值也可判斷古鹽度。Ca/（Ca+Fe）<0.4指示淡水，0.4<Ca/（Ca+Fe）<0.8指示半咸水，Ca/（Ca+Fe）>0.8指示咸水［12-14］。研究區(qū)Ca/（Ca+Fe）數(shù)值范圍為0.12～0.52，平均數(shù)值為0.29。表明長(zhǎng)7段頁(yè)巖的古沉積環(huán)境為淡水水體環(huán)境。

圖6

圖6   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖Sr/Ba與Ca/（Ca+Fe）的關(guān)系

Fig.6   Sr/Ba vs.Ca/（Ca+Fe） of Chang 7 shale， central Ordos Basin

4.2 水體含氧特征

V和Ni的化學(xué)性質(zhì)相似，但V在相對(duì)氧化的水體中更容易富集，而Ni在相對(duì)還原的水體中更容易富集［13-16］。因此，可以利用含量比V/（V+Ni）來(lái)識(shí)別水體的氧化還原狀態(tài)。V/（V+Ni）<0.46指示氧化環(huán)境；0.46<V/（V+Ni）<0.57指示貧氧環(huán)境；0.57<V/（V+Ni）<0.83指示缺氧環(huán)境；V/（V+Ni）>0.83指示靜水的閉塞環(huán)境［13-16］。長(zhǎng)7段頁(yè)巖的V/（V+Ni）數(shù)值為0.37～0.73，平均數(shù)值為0.58，表明沉積期的水體為貧氧-缺氧環(huán)境（圖7）。此外，As元素主要伴生于黃鐵礦的礦物結(jié)構(gòu)中，高含量的As元素是黃鐵礦富存的佐證。長(zhǎng)7段頁(yè)巖的As元素含量高，一定程度上表明長(zhǎng)7段頁(yè)巖的古水體環(huán)境為偏還原的環(huán)境。

圖7

圖7   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖Th/U與V/（V+Ni）的關(guān)系

Fig.7   Th/U vs.V/（V+Ni） of Chang 7 shale， central Ordos Basin

一般而言，較低的Th/U含量比數(shù)值（0～2）指示缺氧環(huán)境［17］。Wignall和Twitchett還提出利用綜合參數(shù)δU來(lái)判斷缺氧環(huán)境，計(jì)算公式為δU=U/［1/2（U+Th/3）］；δU>1代表缺氧環(huán)境，δU<1代表氧化環(huán)境［18］。研究區(qū)Th/U的數(shù)值范圍為0.86～7.19，平均數(shù)值為2.38。盡管Th/U的平均數(shù)值落入偏氧化的數(shù)值范圍，但從樣品分布來(lái)看，21個(gè)樣品中有15個(gè)樣品的Th/U數(shù)值小于2。研究區(qū)δU的數(shù)值范圍為0.59～1.55，平均數(shù)值為1.19。因此，Th/U和δU綜合表明，研究區(qū)整體屬于偏缺氧的環(huán)境。

4.3 氣候特征

氣候條件直接影響了陸源沉積物的輸送過(guò)程，進(jìn)而對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集產(chǎn)生影響。因此，可以利用元素含量對(duì)古氣候條件進(jìn)行重建。在潮濕氣候中，水體中的V，Cr，Sr，Co，Ni和Mn等元素會(huì)相對(duì)富集；在干旱氣候中，水體中則容易發(fā)生含鹽礦物沉淀（例如Mg，K，Ca，Sr，Na，Ba）。上述兩類元素含量的比率被稱為氣候指數(shù)數(shù)值，即C數(shù)值=∑(Fe+Mn+Cr+Ni+V+Co)$C_{\mathrm{數(shù)}\mathrm{值}}=\sum (\mathrm{F}\mathrm{e}+\mathrm{M}\mathrm{n}+\mathrm{C}\mathrm{r}+\mathrm{N}\mathrm{i}+\mathrm{V}+\mathrm{C}\mathrm{o})$/∑(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)$\sum (\mathrm{C}\mathrm{a}+\mathrm{M}\mathrm{g}+\mathrm{S}\mathrm{r}+\mathrm{B}\mathrm{a}+\mathrm{K}+\mathrm{N}\mathrm{a})$，C數(shù)值是當(dāng)前非常有效的古氣候表征指標(biāo)。干旱、半干旱、半干旱-半潮濕、半潮濕、潮濕環(huán)境的C數(shù)值分別為0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0［19-20］。研究區(qū)頁(yè)巖C數(shù)值的范圍為0.49～1.18，均值為0.77，指示研究區(qū)頁(yè)巖沉積于偏潮濕的環(huán)境（圖8）。

圖8

圖8   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖C數(shù)值與Sr/Cu的關(guān)系

Fig.8   Cvalue vs. Sr/Cu of Chang 7 shale， central Ordos Basin

Sr/Cu含量比率也是判斷古氣候的重要指標(biāo)。一般情況下，高的Sr/Cu比率，即Sr/Cu比率大于10.0指示干熱氣候，而Sr/Cu比介于1.0～10.0指示暖濕氣候［21］。長(zhǎng)7段頁(yè)巖的Sr/Cu數(shù)值范圍為5.85～22.73，平均數(shù)值為10.03。但是從數(shù)據(jù)分布看，21個(gè)樣品中有13個(gè)樣品的Sr/Cu數(shù)值小于10.00，表明研究區(qū)整體上為偏溫暖潮濕的氣候。

4.4 生產(chǎn)力特征

在一定的地質(zhì)歷史階段，古生物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的有機(jī)體數(shù)量稱為古生產(chǎn)力。古生產(chǎn)力具有初級(jí)生產(chǎn)力和次級(jí)生產(chǎn)力兩種表現(xiàn)形式。高TOC指示研究區(qū)具有較高的古生產(chǎn)力水平。由于Ba元素主要以硫酸鋇形式沉積于水體中，它往往與陸源物質(zhì)的輸入具有直接關(guān)系。陸源物質(zhì)的輸入量越多，硫酸鋇含量也越高，古生產(chǎn)力往往越強(qiáng)［15-16］。因此，Ba元素也是判斷古生產(chǎn)力的常用指標(biāo)。Ba含量與TOC含量的正相關(guān)關(guān)系也表明，研究區(qū)的Ba含量能反映古生產(chǎn)力的高低（圖3）。長(zhǎng)7段頁(yè)巖的Ba含量數(shù)值范圍為（636.98～4 775.12） × 10-6，平均數(shù)值為1 622.07 × 10-6，指示了偏高的古生產(chǎn)力水平。P主要來(lái)源于水生生物如魚(yú)類的骨骼、牙齒等，它是反映初級(jí)生產(chǎn)力大小的有效指標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)用中，為了消除自生礦物或者沉積有機(jī)質(zhì)對(duì)P的稀釋作用，往往采用P/Ti含量比率判斷初級(jí)生產(chǎn)力［15-16，22］。長(zhǎng)7段頁(yè)巖的P含量數(shù)值范圍為0.03 %～0.13 %，均值為0.06 %。P/Ti數(shù)值范圍為0.38 %～1.15 %，均值為0.56 %。研究區(qū)Ｐ含量數(shù)值以及P/Ti數(shù)值均不偏高，表明水體的初級(jí)生產(chǎn)力并不高。Ba與P含量的不一致很可能表明，盡管水體的初級(jí)生產(chǎn)力不高，但外來(lái)有機(jī)質(zhì)的輸入對(duì)整體生產(chǎn)力具有較大的貢獻(xiàn)。

4.5 水體封閉性特征

對(duì)于湖泊水體，水體的封閉性越強(qiáng)，氧化還原敏感元素越容易富集。長(zhǎng)7段頁(yè)巖的氧化還原敏感元素僅僅表現(xiàn)出輕微富集。例如，Zn，Co和Y等元素整體上處于微弱富集區(qū)域；U和Mo元素整體上處于一般富集區(qū)（圖5）。水體封閉性還可以利用UEF/MoEF的比率進(jìn)行識(shí)別［9，23］。21個(gè)樣品中，有7個(gè)樣品的UEF數(shù)值以及MoEF數(shù)值均小于1，在經(jīng)典判別圖版上無(wú)法顯示，該類樣品數(shù)占樣品總數(shù)的33.3 %。在UEF/MoEF交匯圖上，9個(gè)樣品的UEF及MoEF數(shù)值范圍為0.3～1.0 SW（SW代表海水中的富集系數(shù)），4個(gè)樣品的UEF及MoEF數(shù)值范圍為0.1～0.3 SW（圖9）。整體而言，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)主要形成于一般-中等的封閉性水體環(huán)境中。值得注意的是，上述數(shù)值的變化范圍較大，推測(cè)這可能與湖泊水體的頻繁震蕩有關(guān)；由于湖泊水體存在水體原生有機(jī)質(zhì)與外來(lái)輸入有機(jī)質(zhì)，上述差異還可能與樣品有機(jī)質(zhì)的來(lái)源相關(guān)。

圖9

圖9   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖UEF與MoEF的關(guān)系

Fig.9   UEF vs.MoEF of Chang 7 shale， central Ordos Basin

4.6 陸源供給特征

除了處于極端濕熱等特殊環(huán)境外，Al2O3和TiO2非常穩(wěn)定。在湖相泥頁(yè)巖中，Al完全能指示粘土礦物的含量，而TiO2完全能指示原始鐵鎂礦物如黑云母、閃石、輝石和橄欖石的含量［9，24-25］。在地質(zhì)演化過(guò)程中，由于原始鐵鎂礦物容易向粘土礦物轉(zhuǎn)變，因此，可以利用TiO2的含量變化來(lái)表征母巖向粘土礦物的轉(zhuǎn)化?？紤]到石英、方解石或其他非粘土礦物的稀釋作用，泥頁(yè)巖TiO2和Al2O3含量會(huì)發(fā)生改變，因而可以利用兩者的比率來(lái)判別物源的多樣性。研究區(qū)Ti/Al含量比數(shù)值極其穩(wěn)定，Ti/Al比率小于0.1且無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，表明沉積期的陸源物質(zhì)供給相對(duì)穩(wěn)定。

Sr是活潑的陽(yáng)性金屬元素。水體中的Sr存在陸源、地殼熱液等多種來(lái)源，而生物作用及成巖作用會(huì)對(duì)Sr的富集產(chǎn)生影響。因此。水體沉積物的Sr含量往往具有較大變化。本次測(cè)量中，Sr含量為（303.15～508.52） × 10-6，平均數(shù)值391.40 × 10-6。該數(shù)值與陸源物質(zhì)的鍶含量（世界陸地土壤中含量約300 × 10-6）相近。由此可見(jiàn)，研究區(qū)Sr主要由陸源物質(zhì)進(jìn)行供給，無(wú)明顯的熱液來(lái)源。

5 物質(zhì)來(lái)源特征

5.1 物質(zhì)來(lái)源

陸相有機(jī)質(zhì)的來(lái)源包括河流輸入有機(jī)質(zhì)和水體生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)兩個(gè)方面。在富集途徑上，陸相有機(jī)質(zhì)則可以通過(guò)3種途徑富集：① 湖泊周邊的陸源有機(jī)質(zhì)輸入（以河流為主），如陸源高等植物（圖2f，i）；② 湖泊水體自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)，如水生生物（圖2g，h）；③ 湖泊深部水體涌流帶來(lái)有機(jī)質(zhì)。針對(duì)前兩種來(lái)源途徑的研究較多，但對(duì)第三種來(lái)源途徑的探索極少。

湖泊水體發(fā)生涌流時(shí)，深部水體將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶至淺部水體，淺部水體發(fā)生光合作用而導(dǎo)致生物繁盛，由此增加了水體生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的能力。值得注意的是，水體涌流過(guò)程中，深水沉積中的富集微量元素會(huì)被帶至淺部水體，例如Mo，Ni，Ba，Cr，Zn，V，U，Cu，As和Co等［17］。研究區(qū)微量元素富集因子與典型涌流的元素富集因子進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)僅有Mn和As的含量高于典型涌流的元素含量，即存在顯著富集現(xiàn)象；其他10個(gè)元素?zé)o元素富集現(xiàn)象（圖10）。由此可以推斷，盡管研究區(qū)處于湖泊的邊緣沉積部位，但并沒(méi)有發(fā)生水體涌流過(guò)程，即不存在深部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上涌導(dǎo)致的水體有機(jī)質(zhì)的增加與繁盛。

圖10

圖10   鄂爾多斯盆地中部與典型水體涌流事件的微量元素富集因子對(duì)比（典型數(shù)值據(jù)文獻(xiàn)［17］）

Fig.10   Trace element enrichment factors of central Ordos Basin compared with those of typical upwelling events （typical data from reference［17］）

5.2 定量特征

有機(jī)質(zhì)的類型能大致反映有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。例如，Ⅰ型有機(jī)質(zhì)大多來(lái)源于水體有機(jī)質(zhì)、Ⅲ型有機(jī)質(zhì)大多來(lái)源于陸源輸入、Ⅱ型有機(jī)質(zhì)則是不同來(lái)源的混合組成。事實(shí)上，有機(jī)質(zhì)的類型屬性是漸變的，為此，眾多學(xué)者采用0～100的數(shù)值來(lái)對(duì)有機(jī)質(zhì)的來(lái)源進(jìn)行量化表征［26-30］。為了表征有機(jī)質(zhì)的類型屬性，基于有機(jī)質(zhì)類型圖版，建立了“水體有機(jī)質(zhì)比例”（WOR）參數(shù)來(lái)進(jìn)行表征。水體有機(jī)質(zhì)比例代表水體有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比例。

在確定“水體有機(jī)質(zhì)比例”時(shí)需假定：① H/C最高、O/C最低的有機(jī)質(zhì)完全來(lái)源于水體有機(jī)質(zhì)。也即在H/C和O/C圖版上，位于左上端的包絡(luò)線其有機(jī)質(zhì)完全來(lái)源于水體有機(jī)質(zhì)，此時(shí)的水體有機(jī)質(zhì)比例為100 %；② H/C最低、O/C最高的有機(jī)質(zhì)完全來(lái)源于陸地或其他物源的輸入。也即在H/C和O/C圖版上，位于右下端的包絡(luò)線其有機(jī)質(zhì)完全來(lái)源于外界的輸入，此時(shí)的水體有機(jī)質(zhì)比例為0；③ 其他樣品根據(jù)插值法在圖版上確定（圖4）。

研究區(qū)水體有機(jī)質(zhì)比例范圍為0.24～0.93，平均數(shù)值為0.62（圖11）。上述數(shù)值表明，研究區(qū)水體來(lái)源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)略大于陸源輸入有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)。從21個(gè)樣品的數(shù)值分布來(lái)看，以水體有機(jī)質(zhì)為主的樣品（水體有機(jī)質(zhì)比例大于0.55的樣品），其有機(jī)碳含量相對(duì)穩(wěn)定，TOC含量數(shù)值大致集中分布于2.5 %～6.0 %的數(shù)值范圍（圖11）。以陸地輸入有機(jī)質(zhì)為主的樣品（水體有機(jī)質(zhì)比例小于0.55），其有機(jī)碳含量變化極大（圖11）。如前所述，研究區(qū)Ba元素富集，整體古生產(chǎn)力較高；但Ｐ元素不富集，指示水體的初級(jí)生產(chǎn)力并不高，表明外來(lái)有機(jī)質(zhì)的輸入對(duì)整體生產(chǎn)力具有較大貢獻(xiàn)［31-32］。由此可見(jiàn)，淺湖相頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)富集，它們是水體生產(chǎn)力與河流輸入兩者共同作用的結(jié)果。

圖11

圖11   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖水體有機(jī)質(zhì)比例與TOC關(guān)系

Fig.11   Indigenous organic matter ratio vs.TOC， Chang 7 shale， central Ordos Basin

事實(shí)上，陸地物質(zhì)的輸入狀況（如輸入量、輸入速率、物質(zhì)來(lái)源等）復(fù)雜多變，在此背景下形成的沉積有機(jī)質(zhì)會(huì)出現(xiàn)較大的性質(zhì)差異［33-38］。水體來(lái)源有機(jī)質(zhì)由于組成相對(duì)單一，其元素組成與水體有機(jī)質(zhì)比例的相關(guān)性相對(duì)顯著（圖12）。研究區(qū)水體有機(jī)質(zhì)比例越高的樣品，其含氫組分的占比往往越高，具體表現(xiàn)是水體有機(jī)質(zhì)比例隨H/C比的增高而增大。此外，水體有機(jī)質(zhì)比例大于0.8的樣品，其O/C比較低；水體有機(jī)質(zhì)比例小于0.8的樣品，其O/C比無(wú)顯著的變化趨勢(shì)。上述特征進(jìn)一步證實(shí)，水體有機(jī)質(zhì)占比極高的樣品其有機(jī)質(zhì)主體是含氫豐富的水體有機(jī)質(zhì)，而其他樣品的有機(jī)質(zhì)主體則是混合來(lái)源（圖12）。

圖12

圖12   鄂爾多斯盆地中部長(zhǎng)7段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)來(lái)源參數(shù)

a.O/C與有機(jī)質(zhì)比例關(guān)系； b.H/C與有機(jī)質(zhì)比例關(guān)系

Fig.12   Parameters reflecting organic matter origins， Chang 7 shale， central Ordos Basin

6 結(jié)論

1） 在運(yùn)用能量色散X射線熒光技術(shù)時(shí)，針對(duì)主要元素和微量元素可分別采用低能環(huán)境和高能環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，由此可以獲得更多可靠的元素信息。基于C，H和O等元素差異，結(jié)合有機(jī)質(zhì)的類型差異可以定量識(shí)別不同來(lái)源有機(jī)質(zhì)。

2） 長(zhǎng)7段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)形成于偏溫暖潮濕的氣候條件、水體為偏貧氧和缺氧的淡水水體、古生產(chǎn)力較高但初級(jí)生產(chǎn)力不高。相對(duì)于湖泊水體自身形成的有機(jī)質(zhì)而言，水體來(lái)源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)略大于陸源輸入有機(jī)質(zhì)的。