鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长7段富有机质页岩中藻类化石的发现及地质意义

袁伟，柳广弟，袁红旗

1)东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆，163318；
2)中国石油大学(北京)地球科学学院，北京，102249

内容提要: 鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长7段富有机质页岩是该盆地中生界含油系统的主力烃源岩，其有机质丰度高，类型好，具有巨大的生烃潜力。该套烃源岩中有机质的富集很大程度上取决于长7期的高古生产力及其提供的充足的有机质。长7期藻类勃发的存在已被多数学者所接受，但是目前还缺乏直观、有力的证据。笔者等通过薄片和扫描电镜观察、能谱分析，在长7段的脉状黄铁矿附近和碳酸盐结核中发现了属种单一、分布丰度高的藻类化石，它们呈现出近似球状的轮廓，在中部分布着一条裂缝。这些藻类化石的发现具有重要的地质意义，它为长7期的藻类勃发提供了很好的证据，也为该时期热液活动的重要作用提供了有力的支撑。

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长7段泥页岩的有机质丰度高、类型好、生烃潜力巨大，是该盆地中生界含油系统的主力烃源岩(杨华和张文正，2005；
张文正等，2008, 2015；
邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
袁伟等，2019)。前人研究表明，长7沉积期的有机质富集主要受高湖泊古生产力的控制(邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
王磊，2015；
Zhang Wenzheng et al., 2017；
袁伟，2018；
袁伟等，2019；

Yuan Wei et al., 2020)。长7沉积期构造活动强烈，火山、热液活动频发，这为湖泊水体输送了大量的营养物质(如P、Fe、Cu、Zn等元素)，从而促进了生物(主要是藻类)的勃发，提高了湖泊的初始生产力(张文正等，2009，2010；
邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
王磊，2015；
Zhang Wenzheng et al., 2017；
袁伟，2018；
袁伟等，2019；
Yuan Wei et al., 2020)。从近期发表的文献来看，多数学者已接受和认可了鄂尔多斯盆地长7沉积期存在生物勃发的现象(张文正等，2009，2010；
邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
王磊，2015；
Zhang Wenzheng et al., 2017；
袁伟，2018；
袁伟等，2019；
Yuan Wei et al., 2020)。刘传联等(2001)总结归纳了藻类勃发的特点，认为：①藻类勃发是单属种生长，具有排它性，单属种可以通过遮盖光线、排泄有毒物质或因具有极高的生长速率而抑制其他浮游藻类的生长；
②藻类勃发具有季节性，其直接后果是在沉积物中形成藻类或无定形有机质纹层。从延长组长7段富有机质页岩的薄片来看，其富含大量的有机质纹层(邱欣卫，2011；
袁伟等，2019；
Yuan Wei et al., 2020)，说明长7沉积期确实存在藻类勃发的可能性。由于长7沉积期偏氧化的底水条件(Yuan Wei et al., 2017; Chen Ruiqian et al., 2019, 2020)，落入湖底的藻类被降解破坏，有机质主要以无定形的形式存在。因此，到目前为止，几乎没有在长7段富有机质页岩中发现大量藻类化石的报道。笔者等通过53块样品的薄片和扫描电镜观察、能谱分析，在长7段富有机质页岩中发现了数量较多、品种单一、保存较好的藻类化石，这为该时期存在藻类勃发提供了直观、有力的证据，加深了对长7段有机质富集机理的理解。

鄂尔多斯盆地位于华北地台的西部，是我国第二大沉积盆地，油气资源非常丰富(邱欣卫，2011；
熊林芳，2015)。鄂尔多斯盆地晚三叠世的构造演化主要受印支运动的控制，在该时期，盆地南缘的秦岭急剧隆升，导致盆地内部快速下沉，从而引起了延长组内部构造和环境的突变(Yuan Wei et al., 2017, 2020)。近几年来，学者们在长7段沉积物中发现了许多沉积现象，如震积岩、凝灰岩夹层和一些与热液流体有关的特征矿物(包括脉状黄铁矿、脉状碳酸盐岩、白铁矿、石膏和锰结核等)(夏青松和田景春，2007；
夏青松等，2007；
李元昊等，2008；
邓秀芹等，2009；
陈安清等，2011；
杨华和邓秀芹，2013)。这些沉积现象很好的反映了该时期强烈的构造活动，并且有学者把它们看作是对印支运动I幕的响应(邓秀芹等，2009)。

鄂尔多斯盆地在晚三叠世延长组为陆相淡水湖泊沉积，发育一套河流—三角洲—湖泊的陆源碎屑沉积体系，总厚度约为1000～1300 m(图1)(Qiu Xinwei et al., 2015)。根据标志层、沉积旋回、岩性组合，延长组从下到上可以划分为10个油层组(长10到长1)，其中长7油层组是富有机质页岩发育的主要层段，总厚度约为80～120 m(Qiu Xinwei et al., 2015；
Yuan Wei et al., 2017)。延长组长7段富有机质页岩主要分布在伊陕斜坡西南部和天环坳陷南部(图2)，其分布面积超过105km2(Qiu Xinwei et al., 2015)。长7段富有机质页岩的TOC含量高，主要分布范围为6%～14%，最高可达30%～40%，有机质主要来源于湖泊自生的水生生物，类型主要为I型和II1型，氢指数的分布为150～600 mg/g，表明这套烃源岩具有非常高的生油气能力(杨华和张文正，2005；
张文正等，2008，2015；
邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
袁伟等，2019)。

图1 鄂尔多斯盆地上三叠统延长组沉积演化综合柱状图(据Qiu Xinwei et al., 2015)

图2 鄂尔多斯盆地地理位置及构造单元划分(据袁伟等，2019)

笔者等研究的样品取自长庆油田西峰岩心库，样品层位均为延长组长7段。取样井11口，共计采集样品53块。其中发现有藻类化石的样品只有2块，分别位于盐56井(2990.90 m)和新36井(2188.58 m)(图3)。

图3 鄂尔多斯盆地盐56井(a)、新36井(b)综合柱状图及含化石样品(c)和(d)

笔者等研究所采取的分析方法包括薄片观察、扫描电镜观察和能谱分析。薄片的制备和观察在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室进行。薄片观察使用的仪器是Leica DM4500P光学显微镜，并用其附带的拍照设备进行拍照。扫描电镜观察和能谱分析在中国石油大学(北京)能源材料微结构实验室进行。扫描电镜观察的样品首先需要进行磨平、抛光、镀金等预处理，之后再放入Quanta 200F场发射扫描电镜进行观察，并用其附带的能谱分析仪对观测到的藻类化石的不同组成部分进行元素成分和含量的分析。

3.1 藻类化石的分布与特征

鄂尔多斯盆地延长组长7段富有机质页岩中藻类化石的发现具有一定的偶然性，其分布也具有特殊性。由于长7沉积期偏氧化的底水环境(Yuan Wei et al., 2017；
Chen Ruiqian et al., 2019, 2020)，藻类死亡之后的遗体在进入沉积物埋藏保存之前，遭到了很大程度的降解破坏，所以很难有完整的藻类化石保存下来。研究区所发现的藻类化石，基本都赋存在黄铁矿和碳酸盐结核中。正是由于同沉积期或成岩作用早期发生的黄铁矿化和碳酸盐结核的形成，才使得这些藻类化石避免了降解破坏，从而得以保存下来。

(1)赋存在黄铁矿中的藻类化石。对新36井的脉状黄铁矿(图4a)进行薄片观察时，在其边缘发现了许多圆球状的黄铁矿(图4b—d)，直径约为80～100 μm。开始的时候，笔者以为它们是在成岩阶段形成的草莓状黄铁矿(同沉积的草莓状黄铁矿粒径较小，一般小于5.0 ± 1.7 μm，而成岩草莓状黄铁矿粒径较大(Wilkin et al., 1996, 1997；
董杰等，2017))。但是经放大之后观察发现，其内部分布着密集的小黑点(图4d)，之间则被黄铁矿充填，这与草莓状黄铁矿具有明显的区别(草莓状黄铁矿内部为粒度均一的黄铁矿晶体(Wilkin et al., 1996, 1997；
董杰等，2017)。

图4 鄂尔多斯盆地长7段富有机质页岩中脉状黄铁矿的显微特征

通过进一步的扫描电镜观察发现，圆球状黄铁矿中的这些小黑点具有非常相似的形态特征，它们呈现出近似球状的轮廓，在其中部则分布着一条裂缝，其直径变化不大，主要分布范围约为8～10 μm，大小相对均匀(图5)。能谱分析显示，这些小黑点的主要元素是碳，说明其为有机物质，而它们周边的物质则主要是硫和铁，为黄铁矿充填物(图6)。经南京古生物研究所学者的初步鉴定，这些小黑点为藻类化石，但是其具体是哪一属种，目前尚还无法确定。除了新36井之外，在盐56井的一个样品中的黄铁矿中也发现了类似的藻类化石，但是其丰度相对较低(图5a)，而其他样品中则没有发现。

图5 鄂尔多斯盆地长7段富有机质页岩中圆球状黄铁矿的扫描电镜照片

图6 图5(f)中测点的能谱分析

(2)赋存在碳酸盐结核中的藻类化石。除了黄铁矿中的藻类化石之外，鄂尔多斯盆地长7富有机质页岩中的碳酸盐结核也包含了大量的藻类化石。长7段页岩中的碳酸盐结核分为灰岩结核和白云岩结核(图7a、b)，呈透镜状、椭球状或条带状分布，多为顺层发育于围岩之中，未切穿层理，其上下岩层发生弯曲，是成岩早期阶段的产物(董杰等，2017；
马瑶等，2018)。通过镜下观察发现，碳酸盐结核中分布着大量的圆形球粒，这些球粒的大小较为均匀，粒径主要分布范围为10～20 μm，多富集成条带状(图7c—f)。碳酸盐结核中的这些球粒基本都被方解石化或白云石化，但是很多球粒的内部或边缘仍残留着大量的有机质(图7c—f中黑色部分)，说明它们具有生物的成因。董杰等(2017)在研究鄂尔多斯盆地长7富有机质页岩中的碳酸结核时，认为它们的形成与微生物的代谢活动有关，而碳酸盐结核中的方解石和白云石球粒的形成可能是蓝藻细胞方解石化或白云石化的结果。目前笔者等可以基本确定的是，这些球粒的形成与生物密切相关，并且在方解石化或白云石化之后，仍很好的保存着生物的原始轮廓，应为某种生物的化石。根据其分布特征、属种的单一性、地质背景，结合前面黄铁矿中藻类化石的分布特征，笔者认为碳酸盐结核中的这些球粒也是某种藻类的化石，但是从粒径大小来看，其种类应该和黄铁矿中的不同，它们可能是不同时期藻类勃发的产物。

(3)两者的比较。相似点：①赋存在黄铁矿和碳酸盐结核中的藻类化石都具有相近的外形特征，即都表现为球粒状且中部发育有一条裂缝(在图7d—e中可以大致看清楚裂缝)。②赋存在黄铁矿和碳酸盐结核中的藻类化石都表现出大小相对均匀且属种单一的特征。③两者都含有有机质(图6、图7f)。

图7 鄂尔多斯盆地长7富有机质页岩中的碳酸盐结核及藻类化石(据董杰等，2017)

不同点：①两种藻类化石的赋存位置不同，即分别在黄铁矿和碳酸盐结核中。然而，正是由于这些藻类的遗体被黄铁矿化、方解石化或白云石化才避免了后期的氧化降解，从而很好的保存了下来。②两种藻类化石的大小有一些区别，赋存在黄铁矿中的藻类化石要比碳酸盐结核中的小一些，这可能是由于它们生长发育的时期不一样。

3.2 地质意义

鄂尔多斯盆地长7段富有机质页岩中藻类化石的发现，具有重要的地质意义，其主要包括两个方面。

(1)为长7期的藻类勃发提供证据。鄂尔多斯盆地延长组长7段泥页岩中的有机质异常富集，这一现象被多数学者认为是长7期湖泊发生藻类勃发，初始生产力高所导致的结果(张文正等，2009，2010；
邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
王磊，2015；
Zhang Wenzheng et al., 2017：袁伟，2018；
袁伟等，2019；
Yuan Wei et al., 2020)。大量的有机质供给是有机质在沉积物(岩)中富集的物质基础。在供应充足的前提下，即使是长7沉积期存在着偏氧化的底水环境(Yuan Wei et al., 2017；
Chen Ruiqian et al., 2019, 2020)，有机质也不会完成被降解，从而在沉积物(岩)中富集；
并且有机质的降解是一个耗氧的过程，所以大量有机质的输入可以促使底水缺氧环境的形成(Yuan Wei et al., 2020)。因此，长7期的藻类勃发可能是该时期有机质富集的重要控制因素。但是，长7期是否存在藻类勃发，目前还没有较为直接、有力的证据，只是基于长7段泥页岩中的有机质纹层和有机质丰度所做的推测。而保存在黄铁矿和碳酸盐结核中的藻类化石的发现，尤其是这些化石所显示出的属种的单一性、高丰度的分布，为长7期的藻类勃发提供了直观、有力的证据，并证实了之前的推测，这对加深该时期有机质富集机理的理解具有非常重要的意义。

(2)为长7期热液活动的营养作用提供支撑。学者们在研究鄂尔多斯盆地长7期的藻类勃发时，认为其存在着一定的诱发机制。从现代湖泊和海洋中的藻类勃发现象来看，营养元素、光照、温度、盐度和PH值等是其重要的控制因素，而其中水体的富营养化则是其最重要的条件(张慧芳等，2016)。前人研究认为，长7沉积期的火山、热液活动向湖泊水体中输送了大量的营养物质，造成了水体的富营养化，从而促使了藻类的勃发(张文正等，2009，2010；
邱欣卫，2011；
熊林芳，2015；
王磊，2015；
Zhang Wenzheng et al., 2017；
袁伟，2018；
袁伟等，2019；
Yuan Wei et al., 2020)。对于火山、热液活动与古生产力或有机质富集关系的研究，基本都是从主微量元素、同位素、有机质丰度等指标入手，分析它们之间的相关关系，从而探讨火山、热液活动对古生产力或有机质富集的影响。这些研究成果虽然有一定的可信度和说服力，但是不够直观和可靠。本次研究中所发现的藻类化石，其所赋存的矿物(脉状黄铁矿和碳酸盐结核)都与热液活动密切相关。尤其是碳酸盐结核，其形成时期为同沉积期或成岩阶段早期，并且与生物活动密切相关，因此，其中所赋存的大量藻类生物与该时期的热液活动具有很好的相关性。因此，藻类化石的发现可以为长7期热液活动的营养作用起到一定的支撑作用。

(1)在长7段富有机质页岩中的脉状黄铁矿附近和碳酸盐结核中，因黄铁矿化、方解石化和白云石化等作用，藻类化石被完好的保存了下来。这些藻类化石具有属种单一、分布丰度高的特点。

(2)鄂尔多斯盆地延长组长7段富有机质页岩中藻类化石的发现，具有重要的地质意义。它不仅可以为长7期的藻类勃发提供直接、有力的证据，也可以为长7期热液活动的营养作用提供支撑。

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