華北北部洪水莊組有機(jī)巖石學(xué)

秦 婧，鐘寧寧，齊 雯，張彥起，羅情勇

（中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

華北北部洪水莊組有機(jī)巖石學(xué)

秦 婧，鐘寧寧，齊 雯，張彥起，羅情勇

（中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

華北北部薊縣系洪水莊組是我國(guó)華北地區(qū)中、新元古界有機(jī)質(zhì)相對(duì)富集的地層，其有機(jī)碳含量高值可達(dá)13%～20%。其巖性旋回特征表明，洪水莊組頁巖形成時(shí)期水體滯留，水平循環(huán)較弱；同時(shí)，有機(jī)碳、硫含量特征表明，洪水莊組為好的烴源巖，具有較大的生烴潛量。華北北部洪水莊組有機(jī)顯微組分特征研究結(jié)果表明，由于中、新元古界生物類型單一，洪水莊組有機(jī)顯微組分構(gòu)成簡(jiǎn)單，以大量藻類體和腐泥質(zhì)碎屑為主，藻類體數(shù)量上的爆發(fā)為富有機(jī)質(zhì)沉積的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；頁巖中類鏡質(zhì)體的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了類鏡質(zhì)組屬菌藻類成因的觀點(diǎn)，這對(duì)于尋找前泥盆紀(jì)海相地層有機(jī)質(zhì)熱演化參數(shù)具有重要意義。頁巖裂隙中含大量油珠，表明洪水莊組菌藻類生源的有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了有效的生、排烴過程。形成于14億年前的洪水莊組應(yīng)為迄今為止我國(guó)已知最古老的、并經(jīng)歷有效排烴的富有機(jī)質(zhì)沉積。

有機(jī)碳；類鏡質(zhì)組；海相鏡質(zhì)組；顯微組分；洪水莊組；中元古界；華北北部

近年來，已有學(xué)者對(duì)黑色頁巖進(jìn)行了廣泛的研究，取得了不少成果[1～8]。我國(guó)南方廣泛分布有下寒武統(tǒng)黑色巖系，其中的黑色頁巖均形成于缺氧環(huán)境，并受到上升洋流和熱水沉積的影響[3，4]，迄今為止的研究多集中于微量元素特征和沉積相變化特征的研究，對(duì)于黑色頁巖進(jìn)行的有機(jī)巖石學(xué)研究非常少見。最新的下馬嶺組底砂巖中輝長(zhǎng)輝綠巖侵入巖體的鋯石年齡確定為1 327 Ma，因此洪水莊組的年齡應(yīng)早于1 400 Ma①鐘寧寧.燕山地區(qū)中-新元古界有機(jī)質(zhì)熱演化史與油氣成藏史.中國(guó)石油化工股份有限公司海相前瞻性研究項(xiàng)目（YPH-08-028）成果報(bào)告，2010。在世界范圍內(nèi)，澳大利亞、加拿大都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此時(shí)期黑色頁巖的分布[9]，但如此古老地層中發(fā)現(xiàn)豐富的油氣顯示尚屬首次。因此，對(duì)洪水莊組沉積特征及有機(jī)巖石學(xué)特征的研究對(duì)于古沉積環(huán)境的恢復(fù)及古板塊位置的確定具有重要的地質(zhì)意義。

華北北部地區(qū)主要包括河北省、北京市和遼寧省西部，其構(gòu)造分區(qū)包括宣龍、京西、冀東、冀北、遼西坳陷和密懷、山海關(guān)隆起。本文的主要研究區(qū)域位于冀北坳陷寬城地區(qū)。華北北部中、新元古界地層包括串嶺溝組、洪水莊組和下馬嶺組黑色頁巖3套黑色層系，其中不乏富有機(jī)質(zhì)沉積。令人矚目的是，在華北北部冀北坳陷的霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組地層中發(fā)現(xiàn)大量油苗（瀝青）（圖1），構(gòu)成規(guī)模巨大的古油藏遺存。這些油苗（瀝青）與3套黑色層系的關(guān)系以及古油藏的源巖，多年來為石油地質(zhì)學(xué)家及地球化學(xué)家所關(guān)注[10，11]。前人對(duì)華北北部下馬嶺組頁巖的研究較多，而對(duì)洪水莊組頁巖，尤其是其有機(jī)巖石學(xué)特征則關(guān)注較少[1，12]。因此，本文對(duì)華北北部冀北坳陷冀淺1井（圖1）洪水莊組巖心進(jìn)行了系統(tǒng)的有機(jī)碳含量、硫含量及有機(jī)顯微組分研究，旨在探討該區(qū)洪水莊組富有機(jī)質(zhì)層段（黑色頁巖段）的生源類型、顯微組分特征及生烴潛力。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the location of the study area

1 樣品采集與分析

洪水莊組樣品的采樣位置位于華北北部冀北坳陷寬城化皮北杖子村冀淺1井。樣品共34個(gè)，采樣密度為樣品間隔真厚度2.5～3.0 m，其中中部黑色頁巖段采樣密度較大。所有樣品的分析均在中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，有機(jī)碳、硫含量分析用LECO CS-230硫碳測(cè)定儀完成，顯微組分觀察分析在德國(guó)LEICA DMRXP偏反光顯微鏡下綜合運(yùn)用干物鏡透光、反光、熒光和油浸物鏡反光、熒光完成。

2 地層與沉積特征

燕山裂陷槽的產(chǎn)生和發(fā)展控制著華北地區(qū)中、新元古界的構(gòu)造格局。燕山裂陷槽從產(chǎn)生至消亡可分為3個(gè)階段：早期發(fā)生階段（1 800～1 600 Ma）、中期發(fā)展階段（1 600～1 400 Ma）和晚期消亡階段（1 400～1 300 Ma）[13，14]。洪水莊組處于燕山裂陷槽晚期的消亡階段初期。華北北部洪水莊組沉積范圍不大，相比霧迷山期，發(fā)生了很大變化。目前資料表明，在大城—高陽一線以南，缺失洪水莊組、鐵嶺組沉積，這是由于霧迷山組沉積后期床子嶺運(yùn)動(dòng)造成區(qū)域性抬升，使洪水莊期和鐵嶺期沉積范圍縮小所致[15，16]。洪水莊期在華北北部發(fā)育有兩個(gè)沉降中心，分別位于薊縣-興隆和寬城地區(qū)，沉積厚度為0～170 m：薊縣厚131 m，十三陵地區(qū)厚101 m。其他地區(qū)厚度一般為0～100 m，厚度具有向北西、南東兩側(cè)臺(tái)階狀變薄的趨勢(shì)（圖2）。

圖2 華北北部洪水莊組地層等厚圖Fig.2 IsoPach maP of the Hongshuizhuang Formation in northern North China

綜合洪水莊組主要斷裂走向與水下隆起分布特征[17]，洪水莊組地層展布方向與主要斷裂走向一致，沉積中心的分布明顯受水下隆起影響，隆起兩側(cè)的沉積厚度相對(duì)較大。因此，洪水莊期海域閉塞以及水下隆起的阻隔使水體滯留，水平循環(huán)很弱[18]。根據(jù)柳永清[13]對(duì)燕山裂陷槽的旋回層序劃分，洪水莊期基底沉降和進(jìn)一步的海侵，形成自高于莊期（中期）以來的又一期較為深水和低速的沉積層序，此構(gòu)造期旋回時(shí)限偏長(zhǎng)，更說明了緩慢、低速的沉積特點(diǎn)。

洪水莊組有機(jī)質(zhì)富集層段位于該組中、下部，厚度較大；巖性主要為硅質(zhì)頁巖，占總厚度的71.2%；巖心經(jīng)高溫烘烤后頁理清晰可見，局部零星稠油浸染，為低能環(huán)境的沉積物，代表了洪水莊期的水體最深時(shí)期——MFS（最大洪泛面）時(shí)期，也反映了洪水莊期研究區(qū)的缺氧環(huán)境[19，20]。有機(jī)質(zhì)富集層段下部為海侵體系域（TST），最下部由潮下帶旋回準(zhǔn)層序組成，其下部單元為薄層泥晶硅質(zhì)灰?guī)r和中厚層白云質(zhì)灰?guī)r，中部為灰色頁巖和中厚-薄層泥晶灰?guī)r，上部為碳質(zhì)頁巖。黑色頁巖之上向上逐漸變?yōu)轫搸r夾頁狀含粉沙質(zhì)白云巖，頂部開始發(fā)育泥晶白云巖，巖心心體中裂縫空洞較發(fā)育，并可見稠油和固體瀝青充填，反映中部到上部水體變淺的過程，沉積環(huán)境由潮下帶變?yōu)槌遍g帶。其中，黑色頁巖段以巖性均一、厚度較大、TOC（有機(jī)碳含量）值很高為主要特征（圖3）。

洪水莊組黑色頁巖段，TOC值范圍一般為0.19%～8.51%，全區(qū)最高值可達(dá)13%～20%。在剖面中，TOC值大于2.0%的巖層累計(jì)厚度在25 m以上，占黑色頁巖段厚度的62%，約占洪水莊組總厚度的25%。同時(shí)，洪水莊組整段巖心都可見固體瀝青及滲出的油苗。巖性特征與地表剖面非常一致：上部薄層泥質(zhì)云巖段貧有機(jī)質(zhì)，TOC均值為0.16%；下部黑色頁巖段富含有機(jī)質(zhì)，TOC均值為4.19%，最高達(dá)8.51%，HI（氫指數(shù)）均值達(dá)到261 mg/g。硫含量范圍為0.03%～3.29%。黑色泥巖段的硫含量較高，且與有機(jī)碳含量有很好的正相關(guān)關(guān)系。底部泥巖與白云巖互層段，由于巖性均一程度差，硫、碳含量的變化較大（圖4）。

圖3 冀北地區(qū)冀淺1井洪水莊組綜合柱狀圖①鐘寧寧.燕山地區(qū)中-新元古界有機(jī)質(zhì)熱演化史與油氣成藏史.中國(guó)石油化工股份有限公司海相前瞻性研究項(xiàng)目（YPH-08-028）成果報(bào)告，2010Fig.3 Generalized columnar section of the Hongshuizhuang Formation in well Jiqian-1 in northern Hebei Province①

華北中、上元古界烴源巖的有機(jī)碳含量和其生油潛量有明顯正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)碳含量越高，其生油潛量越大，生油潛力也越大[21]。洪水莊組整體有機(jī)質(zhì)含量豐富，尤其黑色頁巖段以高有機(jī)碳含量為主要特征，說明洪水莊組為很好的烴源巖。同時(shí)，洪水莊組有豐富的油苗、瀝青產(chǎn)出，很可能經(jīng)歷過有效生烴，它對(duì)于本區(qū)古油藏有直接生烴貢獻(xiàn)。

值得注意的是，在巖性均一的黑色頁巖段，上部和下部有機(jī)碳和硫含量較中部高。喬秀夫等[17]對(duì)燕山裂陷槽的古地震記錄的研究表明，在洪水莊-鐵嶺時(shí)期存在火山噴氣作用，動(dòng)力學(xué)特征上是一個(gè)斷裂-火成活動(dòng)-地震頻繁、深部物質(zhì)活躍、有用元素沿?cái)嗔焉仙臉?gòu)造帶，火成活動(dòng)及熱噴氣作用必然會(huì)對(duì)水體環(huán)境和有機(jī)質(zhì)沉積、生物群落等有很大影響[19，22]。并且，前文中洪水莊組地層分布受斷裂控制明顯，因此此時(shí)期的硫、碳含量的變化可能與斷裂的幕式活動(dòng)性有關(guān)。

3 洪水莊組顯微組分特征

華北北部洪水莊組顯微組分組成的主要特征是生源簡(jiǎn)單，以腐泥組碎屑和藻類體為主。這是由于洪水莊組地層形成于14億年前，此時(shí)期古海洋中的生物以菌藻類低等生物為主，生物種類單一。這些古老有機(jī)質(zhì)富集雖然年代非常久遠(yuǎn)，但其顯微組分的光性特征與近代海洋沉積物中的非常相似，并且仍可見到大量的熒光現(xiàn)象。最值得注意的是，在黑色頁巖段發(fā)現(xiàn)了大量光性特征與鏡質(zhì)體相似的原生類鏡質(zhì)體（海相鏡質(zhì)體）。

洪水莊組黑色頁巖的原生顯微組分包括殼質(zhì)組、腐泥組和類鏡質(zhì)組。殼質(zhì)組組成比較簡(jiǎn)單，主要為殼屑體，含量在5%～15%，透射光和反射光下輪廓不清楚，熒光下可見分散的、發(fā)黃色熒光的細(xì)小顆粒狀、小棒狀或纖維狀碎屑，粒度大小約2～5μm，全部鑲嵌在礦物瀝青基質(zhì)中（圖5h）。洪水莊組頁巖中的殼屑體的來源主要是藻類體，在顯微鏡下可發(fā)現(xiàn)明顯的藻類降解痕跡。

圖5 冀北坳陷寬域地區(qū)冀淺1井洪水莊組顯微照片F(xiàn)ig.5 MicroscoPic Photos showing the Hongshuizhuang Formation from the well Jiqian-1 in Kuancheng，the northern Hebei DePression

腐泥組主要為藻類體A、藻類體B和無定形腐泥體。藻類體A為結(jié)構(gòu)藻類體殘余，常保存原始的生物結(jié)構(gòu)（圖5a，b）。樣品中藻類體A的含量為5%～15%，藍(lán)光激發(fā)下呈黃色-褐色，以圓形為主，四周可見明顯的不同程度降解的痕跡，為殼屑體和藻類體B的物質(zhì)來源。藻類體B在熒光上與藻類體A相似，但它不保存藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)殘余，而是呈現(xiàn)出線紋狀、線狀或席狀外廓（圖5d，e），中間夾有熒光性不同的有機(jī)質(zhì)條帶，藍(lán)光激發(fā)下呈現(xiàn)黃色-褐色-無熒光，含量為5%～35%。尤其值得注意的是，它是藻類降解產(chǎn)生的無定形物質(zhì)，當(dāng)被分散到礦物基質(zhì)中時(shí)，便成為殼屑體的物質(zhì)來源。無定形腐泥體主要為礦物瀝青基質(zhì)，含量為43%～90%。它是亞微觀尺度的有機(jī)物分散到礦物基質(zhì)中形成的有機(jī)-無機(jī)混合物，在熒光下呈黃褐色，分散在礦物瀝青基質(zhì)中的有機(jī)碎屑以殼屑體為主，粒度范圍在2～8μm之間。

洪水莊組地層形成于14億年前，以海相低等生物為主要生源，缺乏鏡質(zhì)組的生源生物——高等植物，此類有機(jī)質(zhì)在后期演化過程中形成與鏡質(zhì)組光性特征相似的顯微組分，因此稱為類鏡質(zhì)組。類鏡質(zhì)組主要為無結(jié)構(gòu)類鏡質(zhì)體（圖5f）和結(jié)構(gòu)類鏡質(zhì)體。無結(jié)構(gòu)類鏡質(zhì)體顆粒較小的散布在礦物基質(zhì)中、不均勻分布，顆粒較大的輪廓清晰、呈均一團(tuán)塊狀產(chǎn)出；在油浸反射光下呈灰黑-暗灰基調(diào)。結(jié)構(gòu)類鏡質(zhì)組保存較差，可見其環(huán)形外貌以及網(wǎng)狀外貌。類鏡質(zhì)組內(nèi)部或邊緣含有莓狀或細(xì)粒分散狀黃鐵礦，這是類鏡質(zhì)組同生成因的表征之一，由此可確定為類鏡質(zhì)組（海相鏡質(zhì)組）[23]。

國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)海相鏡質(zhì)體的光學(xué)性質(zhì)、成因進(jìn)行了研究[23，24]，華北北部洪水莊組中大量類鏡質(zhì)體的出現(xiàn)驗(yàn)證了類鏡質(zhì)組來源于菌藻類的觀點(diǎn)。那么，類鏡質(zhì)組究竟是由于特殊的菌藻類生源在強(qiáng)還原環(huán)境下經(jīng)強(qiáng)烈菌解作用形成[24]，還是腐泥化作用的結(jié)果[23]，這對(duì)下一步的研究提出了挑戰(zhàn)。由于鏡質(zhì)組反射率在確定有機(jī)質(zhì)成熟度方面有無可比擬的有效性和可靠性，古老地層中類似鏡質(zhì)組的顯微組分經(jīng)常被用作替代鏡質(zhì)組建立成熟度的光學(xué)指標(biāo)[20，23，25]。洪水莊組類鏡質(zhì)體的確定，對(duì)14億年前有機(jī)質(zhì)熱演化剖面及熱史、生烴史的建立具有重要意義。

黑色頁巖中的次生組分很少，主要為滲出瀝青體（圖5g），且只在下部熒光性較強(qiáng)的樣品中出現(xiàn)；藍(lán)光激發(fā)下呈現(xiàn)黃色，充填在裂隙中，含量約為8%～12%。

洪水莊組黑色頁巖段顯微組分中藻類體豐富，并大量存在由藻類體降解產(chǎn)生的藻類體B以及無定形腐泥體，說明了有機(jī)質(zhì)中藻類體有較大的生源貢獻(xiàn)；同時(shí)，洪水莊組藻類以球形藻為主，這與其微古植物特征吻合[26，27]。大量的藻類體及降解殘余的出現(xiàn)表明洪水莊期藻類生物在數(shù)量上的爆發(fā)，這為富有機(jī)質(zhì)沉積的形成提供了優(yōu)越的生源條件。上部灰?guī)r中有機(jī)質(zhì)含量雖較少，但明顯可見有機(jī)質(zhì)運(yùn)移痕跡（圖5c）。同時(shí)，在高有機(jī)質(zhì)豐度的頁巖中至今仍有明顯的油珠、油膜和滲出瀝青體產(chǎn)出（圖5i），揭示了洪水莊組巖石在地質(zhì)歷史上的生烴貢獻(xiàn)確實(shí)無疑。

4 結(jié)論

1）華北北部洪水莊組沉積時(shí)期水體滯留，水平循環(huán)較弱，有利于有機(jī)質(zhì)的沉積與保存，形成了厚層的黑色頁巖。洪水莊組有機(jī)碳含量很高，為很好的烴源巖，生油潛力較大。

2）顯微組分分析表明，洪水莊組有機(jī)質(zhì)中藻類體有較大的生源貢獻(xiàn)。藻類生物在數(shù)量上的爆發(fā)，為富有機(jī)質(zhì)沉積的形成提供了優(yōu)越的生源條件。樣品中次生固體瀝青和油珠的存在，說明其曾經(jīng)歷了生、排烴過程。

3）黑色頁巖中類鏡質(zhì)組的出現(xiàn)證實(shí)了其來源于菌藻類的論斷，建立其反射率與鏡質(zhì)體反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)建立14億年來的熱演化史具有重要意義。

4）洪水莊組為14億年前形成的一套富有機(jī)質(zhì)沉積，它與霧迷山組、鐵嶺組、下馬嶺組的儲(chǔ)層構(gòu)成了合理的生-儲(chǔ)-蓋組合關(guān)系。因此，洪水莊組應(yīng)為迄今為止我國(guó)已知最古老的、并經(jīng)歷有效排烴的富有機(jī)質(zhì)沉積。

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（編輯 李 軍）

Organic petrology of the Hongshuizhuang Formation in northern North China

Qin Jing，Zhong Ningning，QiWen，Zhang Yanqi and Luo Qingyong
（State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting of China University of Petroleum，Beijing 100083，China）

The Hongshuizhuang Formation of the Jixian System in northern North China is a tyPical formation relatively rich in organicmatter in the MesoProterozoic and the NeoProterozoic strata.Its TOC can be uP to 13%-20%.Its features of lithologic cycle show that the Hongshuizhuang Formation shale was dePosited in stagnant water body with weak horizontal circulation.And other characteristics such as organic carbon and sulfur content suggest that the formation contains high-quality source rockswith large hydrocarbon-generation Potential.A study of the organic maceral characteristics of the formation indicates that the MesoProterozoic and the NeoProterozoic feature in single biotic formation，and that the organicmaceral comPositions of the Hongshuizhuang Formation are simPle with alginite and saProPelinite debris in Predominance.The raPid increasing of alginite Provide thematerial foundation for organic matter rich dePosits.The discovery of Provitrinite in the shale confirms the view that the Provitrinite is of thallogen origin，Providing an imPortant clue for selecting thermal evolution Parameters for the Pre-Devonian marine strata.The existence of a large number of oil droPlets in the shale cracks show that the organic matter of thallogen origin in the Hongshuizhuang Formation had gone through effective hydrocarbon generation and exPulsion.The Hongshuizhuang Formation with an age over 140 Ma is the oldest organic rich dePosits discovered so far in China that had exPerienced effective hydrocarbon exPulsion.

organic carbon，Provitrinite，marine vitrinite，maceral，Hongshuizhuang Formation，MesoProterozoic，northern North China

TE122.1

A

0253-9985（2010）03-0367-08

2010-03-31。

秦婧（1985—），女，碩士研究生，地球化學(xué)。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）項(xiàng)目（2006CB202300）。