赤铁矿的晶体形态特征（基于硫元素化学种等指标的页岩氧化还原条件判识）

基于硫元素化学种等指标的页岩氧化还原条件判识

——以 N208 井筇竹寺组和龙马溪组为例

张力1,2，马向贤1，马勇1,3，胥旺4，邵媛媛1,2，胡国艺5，郑国东1

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃省油气资源研究重点实验室，兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 1000493.中国石油青海油田公司，甘肃敦煌 736200

4.成都理工大学能源学院，成都 610059

5.中国石油勘探开发研究院，北京 100083

氧化还原条件是控制页岩岩性特征和有机质保存的重要因素之一，可以使用多种地球化学方法对其进行评估，但不同地球化学指标对同一种沉积岩系的氧化还原条件判识结果会出现多解性。为了探讨相关地球化学指标对海相页岩沉积环境氧化还原条件的适用性，对四川盆地长宁地区N208井筇竹寺组和龙马溪组岩心样品进行的总有机碳含量（TOC）、硫元素化学种（图1）和主微量元素含量（图2，3）测试。

图1 N208井筇竹寺组和龙马溪组页岩的硫K边XANES谱

所有样品的吸收谱均以硫酸根相对含量进行归一化处理，即以硫酸根化学种的吸收峰作为固定高度，对硫化物和亚硫酸根等进行处理并计算其相对含量

结果显示：筇竹寺组和龙马溪组底部层段的有机碳含量总体较高，平均值分别为3.73%和3.50%；向上有机碳含量普遍变低，平均值分别为0.41%和1.70%。筇竹寺组页岩的硫元素化学种以还原态硫为主，揭示其沉积水体还原程度高；而龙马溪组页岩的还原态硫含量相对较低，表明其沉积水体的还原性比筇竹寺组弱，为相对的弱还原环境。

图2 N208井筇竹寺组（3 170~3 280 m）和龙马溪组（1 270~1 320 m）微量元素比指标随深度变化图

微量元素指标V/(V Ni)、V/Cr和Ni/Co对筇竹寺组和龙马溪组古沉积水体的氧化还原条件进行判识，其结果出现多解性，尤其是V/(V Ni)和Ni/Co的判识结果相互矛盾（图2）。究其原因，可能是研究样品为富硫页岩，有利于V、Ni和Co等微量元素在沉积物中的富集。U/Th和Uauth能反映氧化还原条件的变化趋势，但区分氧化还原条件的阈值还有待商榷。微量元素富集系数指标VEF、CrEF、CoEF、UEF和MoEF在垂向上的变化趋势不同，其中筇竹寺组和龙马溪组页岩的VEF在垂向上波动范围较大，其富集系数（除了N208-02）都大于1，表明筇竹寺组和龙马溪组页岩整体上处于缺氧的沉积环境。同样，CrEF和CoEF在垂向上的波动范围及变化频率都较大，表明筇竹寺组和龙马溪组页岩的Cr和Co在垂向上的富集程度不一，反映其氧化还原条件变化较大。

然而，VEF、CrEF和CoEF与TOC之间均无明显相关性，可能是在还原条件下，V3 虽然容易被沉积有机质吸附，但是也会以V2O3、V(OH)3，或者替代黏土矿物中的Al3 的方式固定于沉积物中。而Co和Cr均不容易被沉积有机质所吸附，Co更倾向于以硫化物的形式固定于沉积物中，Cr3 主要以替代黏土矿物中的Al3 而固定于沉积物中。筇竹寺组和龙马溪组页岩的UEF和MoEF在垂向上的变化趋势基本一致（图3），UEF和MoEF与TOC之间呈正相关关系（图4），均表现为其底部富集程度高，中上部富集程度变低并趋于稳定，表明筇竹寺组和龙马溪组底部处于还原环境，向上还原程度逐渐降低。

图3 N208井筇竹寺组（3 170~3 280 m）和龙马溪组（1 270~1 320 m）微量元素富集系数随深度变化图

图4 筇竹寺组和龙马溪组页岩的还原态硫含量随剖面变化图（a）及MoEF和TOC之间的变化关系图（b）

微量元素富集系数指标MoEF在判识富有机质海相页岩的氧化还原条件时较为有效，可能是在海水中，Mo固定于沉积物的途径和形式较为单一，不易受到其他环境因素的干扰。值得注意的是，MoEF只能反映氧化还原条件的变化趋势，很难用于区分具体的氧化还原条件。因此，结合硫元素化学种分布特征综合判识筇竹寺组和龙马溪组页岩的氧化还原条件可能更接近于实际。

结合微量元素富集系数构建的S-MoEF-TOC体系判识结果显示：筇竹寺组页岩整体上属于贫硫酸盐的厌氧环境，其底部为厌氧环境，向上还原程度变低；龙马溪组页岩总体为含硫酸盐的厌氧-贫氧环境，向上还原程度变低，表现为贫氧环境。这些分析结果可以为加深认识筇竹寺组和龙马溪组页岩层系的地球化学特征及页岩气资源潜力评价提供新的参考。

论文相关信息

第一作者：张力，中国科学院西北生态环境资源研究院硕士研究生，油气地质，E-mail: zhangli194@mails.ucas.ac.cn

基金资助：国家自然科学基金（41872141）；国家科技重大专项（2016ZX05007001）；国家变革性技术项目（ 2019YFA0708501）

DOI：10.14027/j.issn.1000-0550.2022.002

引用格式：张力,马向贤,马勇,胥旺,邵媛媛,胡国艺,郑国东.基于硫元素化学种等指标的页岩氧化还原条件判识——以 N208 井筇竹寺组和龙马溪组为例[J/OL].沉积学报：1-15[2022-01-29].https://doi.org/10.14027/j.issn.1000-0550.2022.002