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邓庚辛,April 14, 2022
鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，总面积约37万平方公里，是我国第二大沉积盆地，其天然气、煤层气和煤炭三种资源探明储量均居全国首位，石油资源居全国第四位，是我国重要的能源基地。在中晚三叠纪时期，勉略洋壳向秦岭板块下俯冲导致秦岭造山带隆升并伴随强烈的火山活动。这一俯冲作用同时影响了位于秦岭造山带北部的鄂尔多斯盆地，盆地构造格局、沉积环境发生极大变化。盆地西南部出现陡坡地形，强烈凹陷，盆地开始全面进入了典型的陆内盆地发展期，此时，湖盆面积和水体深度都达到鼎盛。正是在该时期，鄂尔多斯盆地发育了二叠-三叠纪生物大灭绝后全球最早且最广泛的湖相富有机质烃源岩层系，其有机质含量异常高，TOC含量最高可达30%以上，在我国陆相盆地中十分特殊。这一层系内同时发育大量页岩油资源，是我国第一个百万吨整装页岩油示范区。因此，制约鄂尔多斯盆地该层系中有机质高度富集的形成机理和控制因素是进一步探究页岩油成烃过程的重要基础，对于陆相页岩油气地质理论的发展具有重要意义。
有机质富集是生物与环境相互作用、协同演化的结果，反映地球生态系统初级生产力繁盛到有机质埋藏再到长期保存3个关键阶段的地质生物过程。目前关于鄂尔多斯盆地富有机质层系形成机理的研究主要形成了两种观点，即：“生产力论”和“保存论”。其中，前者强调极高的生产力和由其引发的水体缺氧是富有机质沉积的主要条件，后者则强调富有机质沉积是水体缺氧的结果，缺氧的沉积环境是富集的有机质得以保存的重要因素。由此可见，明确鄂尔多斯湖盆该时期的生产力和氧化还原水平是解决上述科学问题的关键。另外，国内外主要富有机质页岩层系普遍伴生火山灰层，作为影响生物种群演化和环境变迁的一种潜在地质营力，火山活动对富有机质形成起到怎样的作用也是上述争论的焦点之一。
镉（Cd）是位于元素周期表第五周期ⅡB族的过渡族金属元素，是一种亲硫的多价态（+2，0，-2）元素，其地球化学行为与Zn类似。Cd共有八个稳定同位素，目前Cd同位素体系已经被用于示踪Pb-Zn矿床的成矿物质来源、太阳系演化历史以及环境污染来源等方面的研究。由于Cd是一种生物营养元素，已经有研究利用Cd同位素来制约古海洋生产力的水平。同时，价态变化导致的Cd同位素分馏应该可以为我们提供有关环境氧化还原条件的信息。
在本项工作中，殷皓铭同学对来自鄂尔多斯盆地延长组长73亚段页岩层系的黑色页岩钻孔样品进行了微量元素和Cd同位素测试。长7段页岩层系是目前受到重点研究的层位，发育多套岩性组合，主体以大段泥页岩夹砂岩为主，同时以夹多层凝灰岩为其重要特征。这些火山凝灰岩指示着地质历史时期的火山活动，可能有助于盆地内部各种矿物形成与富集。而其中长73亚段更是全盆地主力优质烃源层，同时也是凝灰岩最发育的层段，大面积分布了以黑色页岩和暗色泥岩为主的优质烃源岩。而这长73亚段主力发育的黑色页岩属于优质湖相黑色页岩, 其有机质丰度极高, TOC值一般在5%以上, 最高大于30%, 成熟度适中, 生成大量石油, 不仅是鄂尔多斯盆地常规石油的主要来源, 支撑了鄂尔多斯盆地快速增储上产, 而且还含有丰富的页岩油资源, 受到国内外学者的高度关注。
初步的测试结果显示样品的Cd含量与TOC之间具有很好的正相关关系，Cd同位素组成与剔除碎屑贡献的Cd含量之间显示较好的负相关关系（其中一个样品性质特殊）。在整个钻孔剖面上，有机质控制着大部分元素含量的变化。结合前人已有的数据，该工作目前主要取得了以下认识：
（1） 多项指标指示该富有机质页岩层系的形成环境应该长期闭塞的硫化盆地。样品的Th/U比在0-2之间，V/(V+Ni)＞0.6，均指示相对缺氧的条件。TOC与Mo、U、V含量之间显示良好的相关性，也表明缺氧的底水环境在富有机质油页岩沉积过程中应该发挥了重要作用。样品的U、Mo富集系数以及Cd/Mo＜0.1进一步说明样品的沉积环境 应该具有水文受限的硫化特征；
（2） 样品的TOC与P/Ti比之间显示良好的负相关，指示样品的高TOC含量应该也得到了较高的原生古生产力的贡献；
（3） 与已报道的同类型样品的Cd同位素数据相比，本次研究的样品具有整体更低的Cd含量和更重的Cd同位素组成。由于目前还不清楚样品沉积过程中Cd主要受哪一相的控制，只能根据已有的Cd同位素分馏机理对结果进行初步解释。如果Cd主要受硫化物控制的话，这样的重Cd同位素组成可能反映了浮游植物对Cd的有效吸收，指示当时维持的较高的生产力。而如果Cd主要受有机质控制，这样的结果则可能说明环境养分受限，高生产力导致表层Cd被完全吸收，有机质Cd同位素组成与底水同位素组成类似。总之，样品的Cd同位素组成应该反映了该时期盆地内的高生产力和高养分利用情况。
目前工作的整体进展还比较有限，后续需要进一步完善数据内容。有两个问题需要着重解决，一是火山活动对样品Cd同位素组成的影响没有得到充分制约，二是上述讨论中使用的很多元素指标是前人研究海相环境样品时建立的，是否适用于本次样品所代表的湖相环境也需要进行适当的评估。
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