鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，是我國第二大沉積盆地。盆地內發育有面積（8–10）×104 km2的連續型致密大油區，預估地質資源量為（35–40）×108噸，是我國油氣資源最豐富的盆地之一。盆地內中三疊統銅川組的黑色頁巖，含有豐富的有機質（TOC含量最高可達30%–40%），并保存了豐富的植物、介形類、昆蟲、魚、魚糞等化石。該套黑色巖系廣泛分布在鄂爾多斯盆地南部，是重要的潛在主力烴源巖。然而迄今為止，關于銅川組油頁巖沉積環境條件仍未開展系統性研究。
鑒于此，中國科學院南京地質古生物研究所博士研究生趙向東，在王偉（女）副研究員的指導下，與中石油長慶油田解古巍工程師和中石油勘探院潘松圻工程師等人合作，經過系統的野外樣品采集和室內實驗室數據分析，采用巖石礦物學和地球化學相結合的分析手段，分析了鄂爾多斯盆地霸王莊露頭剖面銅川組油頁巖的沉積環境。分析結果對銅川組油頁巖的形成與保存環境恢復提供了重要依據，相關研究成果已于近期發表于國際期刊《地質學雜志》（Geological Journal）上。
本研究仔細觀察了巖石薄片中有機質的賦存形式和沉積型黃鐵礦的晶型特征，系統統計了巖石標本中草莓狀黃鐵礦的粒徑分布范圍；并在巖石薄片觀察基礎上，利用高分辨率設備分析了油頁巖中的總有機碳（TOC）和黃鐵礦含量、有機碳同位素（δ13Corg）和黃鐵礦硫同位素（δ34Spy）組成特征。
本研究還發現銅川組油頁巖中TOC含量平均值高達23 ± 9%，指示了當時湖泊沉積具有非常高的生產力，以及伴隨而來的大量的有機質埋藏。其TOC含量不僅高于上覆延長組（鄂爾多斯盆地主力烴源巖）油頁巖的TOC含量（6%–14%），也高于一些世界級優質烴源巖的TOC含量，如北非和阿拉伯半島的早志留世海相油頁巖（TOC最高值為10.5%）。這一結果進一步指示了銅川組油頁巖較高的生油潛力。
油頁巖中有機碳同位素（δ13Corg）特征表現為值域較窄，平均值為29.1 ± 0.7‰，表明沉積期碳循環穩定且持續，碳源主要為湖泊中浮游光合植物。同時，地層中發育大量夾層火山灰，說明該時期火山活動頻繁，火山噴發帶來的鐵、磷、硅等營養元素進入水體后可以迅速釋放并成為浮游光合植物的可利用元素，進而提高了湖泊中的初級生產力。
銅川組油頁巖中黃鐵礦晶體以草莓狀黃鐵礦形態為主，平均粒徑和值域分布范圍均較大（7.0 ± 1.7 μm 至14.3 ± 6.8 μm），表明油頁巖沉積過程中底層水為含氧-次氧化狀態。黃鐵礦含量平均值高達7 ± 3%，指示該時期的硫酸根氧化還原界面較淺，接近水-巖交互界面，以保持湖水中硫酸鹽可以暢通擴散至孔隙水中的開放環境，從而形成高含量的以草莓狀黃鐵礦為主的沉積型黃鐵礦。
銅川組油頁巖黃鐵礦硫同位素（δ34Spy）值相對較高且變化較小（4.1‰至4.9‰），可能是由于較高沉積速率等因素導致了硫同位素無法達到最大分餾（Δ34S < 40‰）。且相對穩定的δ34Spy值也從側面證實了該套油頁巖沉積時期水體中較淺的硫酸根氧化還原界面。
總體而言，銅川組油頁巖沉積在含氧-次氧化的湖泊底層水條件下；較淺的氧化還原界面結合較高的沉積速率和較高的初級生產力可能在銅川組油頁巖的形成和沉積保存中起到了關鍵作用。同時，較淺的氧化還原界面也有利于沉積物中化石的保存。
本項研究在進行基礎科學問題探討的同時，也為油氣資源勘探提供了新的見解。相關研究工作得到中國科學院、國家自然科學基金委和中國石油天然氣股份有限公司的資助。
論文信息： Zhao, X., Wang, W.*, Xie, G., Pan, S., Jarzembowski, E. A., & Zheng, D. (2021). Depositional environment of Middle Triassic organic-rich shales in the Ordos Basin, Northwest China. Geological Journal, 1–12. https://doi.org/10.1002/gj.4215
圖1：研究剖面柱狀圖與野外露頭照片
圖2 霸王莊剖面油頁巖標本的巖石礦物學研究
圖3 霸王莊剖面的地球化學數據分析綜合曲線