尼日利亚东北部上贝努埃坳晚白垩世（康尼亚阶–桑托阶）菲卡页岩的来源、构造环境、沉积条件及成岩特征：对其油气潜力的启示

《Journal of African Earth Sciences》：Provenance, Tectonic Settings, Depositional Conditions, and Diagenetic Features of the Late Cretaceous (Coniacian–Santonian) Fika Shale, Upper Benue Trough, Northeastern Nigeria: Implications for Hydrocarbon Potential

尼日利亚Upper Benue Trough地区Fika页岩的成因、沉积环境、矿物组成及成岩演化研究，采用XRD、XRF、SEM及薄片显微镜和TOC分析，揭示了其沉积于半干旱至湿润气候环境，化学风化强烈，矿物以高岭石为主，成岩特征显示低成熟度烃类生成潜力有限，并形成于裂谷相关被动边缘构造环境。

　　

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沙特阿拉伯达兰国王法赫德石油与矿业大学石油工程与地球科学学院综合石油研究中心

摘要

细粒碎屑沉积岩（如页岩和泥岩）在传统的和过渡性的地下能源系统中发挥着关键作用。它们作为烃类源岩、石油系统中的顶部封盖层、二氧化碳封存层以及放射性废物处置的潜在储库。这些岩石在这些作用中的有效性受到来源、古气候和化学风化、矿物组成、纹理特征、机械完整性和成岩历史等因素的强烈影响。位于尼日利亚东北部上贝努埃凹陷的菲卡页岩被认为是一种潜在的烃类源岩和二氧化碳储存封盖层。然而，其来源、古风化特征、矿物组成和成岩演化仍知之甚少。为填补这一知识空白，本研究采用了包括X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）、薄片岩相学和总有机碳（TOC）分析在内的综合多技术方法。来源分析表明，菲卡页岩主要来源于中性火成岩，并在半干旱至湿润的气候条件下沉积。沉积物形成于咸水至海水的浅海环境中，氧化还原条件为氧化到缺氧状态，碎屑输入量低，导致有机物积累和保存较差（平均TOC = 0.2 wt.%）。高岭石的普遍存在以及较高的化学风化指数证实了沉积物在源区经历了强烈的化学风化。利用多维判别函数图进行的构造环境分析表明，沉积作用发生在裂谷相关的被动边缘环境中。成岩特征包括胶结作用、矿物溶解和轻微的机械压实作用，尽管该页岩经历了深埋成岩作用。在锥状方解石结核周围观察到了局部变形，页岩层发生了弯曲。高岭石和蒙脱石部分转化为伊利石，这是深埋环境中的主要成岩粘土。伊利石的少量存在表明热成熟度较低，这与研究中的页岩未生成烃类一致。总体而言，研究结果表明菲卡页岩在氧化条件下沉积，具有有限的烃类生成潜力。

引言

细粒碎屑沉积岩，如页岩和泥岩，是地下地质框架的重要组成部分，在传统和新兴能源系统中都起着关键作用（Petters和Ekweozor，1982；Adegoke等人，2015，2017；Alalade，2016；Jones等人，2025）。这些岩石作为烃类源岩、石油系统中的顶部封盖层（Obaje等人，2004；Adegoke等人，2015，2017）以及二氧化碳封存层（Armitage等人，2010；Williams等人，2014；Parkes等人，2021；Jones等人，2025），同时由于其低渗透性和高吸附能力，也被视为放射性废物处置的潜在宿主岩（Vines和Beard，2012；Norris，2017）。因此，它们在烃类勘探和全球能源转型中具有战略重要性，特别是在通过碳捕获与封存（CCS）缓解气候变化的背景下（Jones等人，2025）。

在地下应用中，封盖层必须通过在含有烃类或注入二氧化碳的储层单元上方形成不透水屏障来有效抑制流体迁移（Armitage等人，2010；Jones等人，2025）。它们的性能与其矿物组成、纹理特征、机械完整性和成岩历史密切相关（Armitage等人，2010；Aljawad等人，2020；Omietimi等人，2022；Abubakar等人，2024；Jones等人，2025）。因此，了解细粒岩石的来源、古气候和化学风化趋势、构造环境、矿物组成、微观纹理特征和成岩过程对于评估其在能源资源开发和地质二氧化碳储存中的适用性至关重要（El-Ghali等人，2024；Bello等人，2025b）。

菲卡页岩是尼日利亚东北部上贝努埃凹陷（图1，图2）及邻近乍得（博尔努）盆地中分布广泛的细粒沉积岩，形成于康尼亚克期-桑托尼亚期（Carter等人，1963；Adegoke等人，2015，2017；Alalade，2016）。它构成了平迪加组的最上层，与主要为砂质的Dumbulwa组、Gulani组和Deba Fulani组呈整合接触（图2A & B）（Obaje，2009；Goro等人，2021）。这种地层关系使菲卡页岩成为潜在的有效封盖层，适用于二氧化碳储存或烃类聚集的封盖。从岩石学上看，该页岩主要由深灰色至蓝黑色的泥岩和页岩组成，偶尔夹有石灰岩和粉砂岩层，表明其形成于能量较低、开阔的海洋至河口沉积环境（Alalade，2016）。

在乍得盆地，先前的研究提供了关于菲卡页岩有机地球化学和沉积环境的宝贵见解，证实了其作为源岩的潜力（Adegoke等人，2015，2017；Alalade，2016）。然而，在上贝努埃凹陷，对其来源、矿物组成、地球化学和成岩特征的研究有限，对其完整的地层和经济意义的理解存在重要空白。了解碎屑和碳酸盐沉积岩的矿物学和成岩演化对于确定其作为烃类源岩、储层或封盖层的有效性至关重要（Saner等人，2006；Al-Ramadan等人，2013；Al-Ramadan，2014b，2014a；Koeshidayatullah等人，2016；Alsuwaidi等人，2022；Hussain等人，2022；Koeshidayatullah等人，2022；Alqubalee等人，2023；Salisu等人，2023；Bello等人，2023c；Khan等人，2023；El-Ghali等人，2024；Hussain等人，2024；Butt等人，2024；Bello等人，2025c；Khoshnaw等人，2025；Alfaraj等人，2025；Abdulkarim等人，2026；Bello等人，2026a，2026b）。

本研究旨在利用多种分析技术（包括X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）、薄片岩相学和总有机碳（TOC）分析）来表征上贝努埃凹陷中菲卡页岩的来源、沉积环境、成岩演化和源岩潜力。具体而言，研究旨在确定其来源和构造环境，利用地球化学指标评估古气候、化学风化和沉积成熟度，确定矿物组成和成岩特征，重建沉积条件（如盐度、古生产力和氧化还原状态），并评估该地层的烃类生成潜力。研究结果旨在填补现有知识空白，并支持该地区的持续和未来烃类勘探及二氧化碳储存评估。

地质环境

研究区域位于尼日利亚东北部上贝努埃凹陷的贡戈拉次盆地（GS）内（图1A）。GS是上（或北部）贝努埃凹陷的南北向分支，以厚厚的白垩纪-第三纪沉积物堆积为特征（图2A），具有经济和地层重要性（Genik，1993；Obaje等人，2004；Abubakar等人，2008；Sarki Yandoka等人，2014；Bello等人，2022a，2023a，2024a，2025a）。据信贝努埃凹陷

露头采样

菲卡页岩在尼日利亚东北部贡贝的Pantami溪流段有良好的露头（图1A & B）。在该区域，页岩不整合地覆盖在Yolde组的细粒砂岩之上。尽管研究区域的道路两侧都有Yolde砂岩，但无法直接观察到其与菲卡页岩的接触。沿溪流露头系统收集了30个露头样本（图2B），从Yolde组的底部接触开始

露头观察

在研究区域，菲卡页岩与Yolde组的泥质砂岩呈整合接触。它主要由层状灰色页岩组成，经常夹有薄层粉砂岩（图3A & B）。宏观化石和生物扰动结构通常不存在。单个页岩层的厚度大约在5厘米到15厘米之间。页岩通常被不连续的石灰岩层（图3C）、透镜体（图3C）和锥状方解石结核（CIC）所覆盖

古气候和古风化

菲卡页岩沉积期间的古气候条件可以通过SiO₂与Al₂O₃+Na₂O+K₂O以及CIA与ICV的关系图（图11A）推断出来，大多数样本集中在半干旱范围内，略微向半湿润区域扩散（Abdulfarraj等人，2024；Bello等人，2025a）。这种分布表明沉积物形成和沉积于半干旱至半湿润的气候条件下，特征是降雨量适中且化学变化有限。

结论

通过整合主要元素、微量元素和矿物学数据，研究了尼日利亚东北部上贝努埃凹陷晚白垩世菲卡页岩的古气候、沉积条件、来源、构造环境和烃类意义。地球化学和矿物学证据表明，该页岩形成于半干旱至湿润的古气候条件下，化学风化程度适中，碎屑输入量有限。

CRediT作者贡献声明

阿纳斯·M·萨利苏：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件使用、正式分析。哈利德·阿尔-拉马丹：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源提供、项目管理。穆罕默德·A·伊斯梅尔：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、资源提供、正式分析。阿布巴卡尔·S·迈加里：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督。艾哈迈德·I·哈鲁纳：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督。

未引用参考文献

Grant, 1971.

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

我们确认本出版物不存在已知的利益冲突，也没有任何重要的财务支持可能影响其结果。我们确认手稿已由所有署名作者审阅并批准，且没有其他符合作者资格但未列出的人。我们进一步确认手稿中列出的作者顺序已得到所有人的同意。

致谢

作者感谢国王法赫德石油与矿业大学石油工程与地球科学学院（CPG）通过综合石油研究中心（CIPR）对这项项目（SF24004）的支持。此外，我们非常感谢Louie D. Panoy先生和Habeeb A. Al-Abbas先生在制备薄片方面的协助，同时也感谢Ajibola H. Okoyede先生在SEM分析样品准备方面的帮助。