中元古代崔庄组页岩地球化学特征与有机质富集机制：来自华北克拉通鄂尔多斯盆地的启示

《ACS Omega》：Geochemical Characteristics and Organic Matter Enrichment of Mesoproterozoic Shales: Insights from the Cuizhuang Formation, Ordos Basin, North China Craton

本文首次对鄂尔多斯盆地PT1井4735米以下中元古代崔庄组页岩岩心样品开展系统的地球化学分析，结合JT1井及永吉剖面同期样品，重建了崔庄组页岩的古沉积环境、形成机制及沉积模式。研究表明，崔庄组页岩总有机碳（TOC）含量为0.04%–1.47%（平均0.49%），底部水体氧化还原指标V/(V+Ni)比值为0.63–0.87（平均0.77），V/Al比值为7.6–21.6（平均12.4），均指示缺氧环境；还原性环境与陆源碎屑输入是崔庄组暗色页岩有机质富集的主控因素。通过与华北板块北缘元古代潜在烃源岩对比，发现有利保存条件是元古代烃源岩发育的关键控制因素。本成果为全球前寒武纪高成熟度烃源岩评价提供了理论依据与对比标尺。

　　

引言

中元古代是地球演化史上关键的“枯燥十亿年”阶段，但近年研究发现其环境与生物演化复杂性远超既往认知。鄂尔多斯盆地崔庄组暗色页岩作为该盆地最古老的富有机质层段，是深部油气勘探的潜在烃源岩。由于深部钻探样品稀缺，其沉积环境与有机质富集机制的系统研究一直受限。

地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西南缘，中元古代哥伦比亚超大陆裂解背景下发育广泛裂陷槽，沉积了崔庄组等暗色页岩。PT1井揭示的崔庄组碎屑岩系以泥岩为主，夹泥质白云岩、泥质砂岩等，为深部烃源岩研究提供了未受风化影响的珍贵样品。

研究方法

研究对PT1井36件崔庄组页岩样品开展总有机碳（TOC）、有机碳同位素（δ¹³C_org）、X射线衍射（XRD）矿物组成及主量-微量元素分析。TOC测定采用盐酸去除无机碳后经碳硫分析仪与EA-IRMS联用完成；XRD使用Ultima IV衍射仪扫描3°–50° 2θ范围；元素含量通过XRF与ICP-MS技术获取。

结果

矿物学特征

崔庄组页岩以石英（29.2%–85.3%）和黏土矿物（11.3%–44.7%）为主，含少量长石、碳酸盐矿物及赤铁矿（仅见于红色页岩）。岩相分类显示暗色页岩多为富黏土硅质页岩，灰色页岩因碳酸盐矿物含量高而分布较广。

TOC与δ¹³C_org

崔庄组页岩TOC含量为0.02%–1.47%（平均0.34%），其中PT1井暗色页岩下部TOC较高（最高1.47%），为潜在烃源岩段。δ¹³C_org值介于–32.4‰至–26.1‰，符合元古代低等藻菌类生物主导的碳同位素特征。

主量与微量元素

SiO₂相对富集，K₂O显著富集；暗色页岩中V、Cr、Ni等元素富集，Ba、Mo相对亏损。稀土元素总量∑REE为130.12–287.95 ppm，配分曲线右倾，轻稀土富集，（La/Yb）_N为6.37–17.48，显示明显分异。

讨论

古环境重建

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  构造背景与物源：Al₂O₃-TFe₂O₃-TiO₂及K₂O/Na₂O-SiO₂判别图显示崔庄组形成于被动大陆边缘环境，物源为混合型。
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  古气候与风化：化学蚀变指数（CIA）为61.96–70.27（平均65.71），指示温暖湿润条件下的中等化学风化强度；C值（0.22–1.17）反映半干旱-半湿润气候。
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  氧化还原条件：V/(V+Ni)比值0.63–0.87（平均0.77）及V/Al高值（7.6–21.6）一致指向底部水体缺氧环境，且盆地南部还原性更强。
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  古生产力与陆源输入：生物钡（Ba_bio）与有机磷（P_org）含量较低（均值分别为342.84 ppm、294.20 ppm），反映元古代低等生物生产力水平；Ti/Al比值在暗色页岩段升高，说明陆源输入驱动有机质富集。

与华北克拉通元古代烃源岩对比

崔庄组页岩TOC（0.49%）低于下马岭组（6.04%）和洪水庄组（2.47%），其较低的古生产力（Ba_bio、P_org均值分别为270.0 ppm、201.8 ppm）和中等还原条件（V/Al平均12.4）共同限制了有机质富集。TOC与V/Al显著正相关（R²= 0.72），证实还原环境是元古代烃源岩有机质保存的主控因素。

沉积模式与富集机制

综合提出崔庄组页岩“被动陆缘-半封闭海湾”沉积模型：裂陷槽内火山活动提供营养盐，中等风化强度释放磷、铁等营养元素，缺氧底部水体抑制有机质降解，陆源碎屑输入携带吸附有机质，共同促进暗色页岩发育。

结论

1. 1.
   崔庄组页岩形成于半干旱-半湿润气候下的缺氧环境，盆地南部还原性更强；古生产力水平整体较低但空间分异明显。
2. 2.
   高生产力（如下马岭组）与强还原条件共同促进有机质富集；崔庄组受较低生产力和还原条件限制，TOC偏低。
3. 3.
   有机碳含量与氧化还原指标及陆源输入显著相关，还原环境与陆源碎屑输入是崔庄组暗色页岩有机质富集的主控因素。