內(nèi)蒙古東北部林西組碳酸鹽巖結(jié)核的成因及油氣地質(zhì)意義

歐莉華, 伊海生, 夏國(guó)清, 錢(qián)利軍, 邱余波, 張 超

(油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

內(nèi)蒙古東北部林西組碳酸鹽巖結(jié)核的成因及油氣地質(zhì)意義

歐莉華, 伊海生, 夏國(guó)清, 錢(qián)利軍, 邱余波, 張 超

(油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗哈日根臺(tái)蘇木地區(qū)上二疊統(tǒng)林西組深水外陸棚灰黑色泥頁(yè)巖沉積中發(fā)育大量的碳酸鹽巖結(jié)核。這些結(jié)核呈透鏡狀、結(jié)核狀及丘狀，在產(chǎn)狀上與現(xiàn)代海底發(fā)育的及古代的冷泉碳酸鹽巖極為相似。通過(guò)對(duì)碳酸鹽巖結(jié)核的微觀組構(gòu)、物質(zhì)成分和碳同位素特征的研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖結(jié)核中發(fā)育較多的氣孔構(gòu)造、生物化石及草莓狀黃鐵礦；碳、氧同位素結(jié)果顯示碳酸鹽巖結(jié)核的碳同位素存在明顯的負(fù)偏，表明其中有有機(jī)來(lái)源的碳。這些特征與現(xiàn)代海底由于天然氣滲漏形成的冷泉碳酸鹽巖特征一致，因而推測(cè)研究區(qū)發(fā)育的碳酸鹽巖結(jié)核為古代海底天然氣滲漏形成的冷泉碳酸鹽巖。這表明在林西組沉積時(shí)期，海底存在天然氣水合物，可能與海底早期沉積的灰黑色泥頁(yè)巖中甲烷的釋放有關(guān)。烴源巖潛力分析也表明，研究區(qū)大量發(fā)育的灰黑色泥頁(yè)巖具有一定的生烴潛力，林西組具有較好的油氣勘探前景；但是由于地層時(shí)代較老，成巖作用及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，現(xiàn)今的勘探難度較大。

內(nèi)蒙古東北部；林西組；碳酸鹽巖結(jié)核；碳同位素

1 區(qū)域地質(zhì)背景及野外剖面特征

林西組包括了大興安嶺地層分區(qū)和西烏珠穆沁旗地層分區(qū)，是內(nèi)蒙古晚二疊世主要的巖石地層單位，巖性以砂泥質(zhì)板巖和砂巖、頁(yè)巖為主，其中有雜砂巖、泥灰?guī)r夾層，為一套巨厚的海相—海陸交互相沉積巖[4,5]。大興安嶺地層分區(qū)以淡黃色粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖和砂巖為主，局部地區(qū)夾中酸性火山巖；西烏珠穆沁旗地層分區(qū)以灰黑色、灰黃色泥質(zhì)板巖、砂礫巖、粉細(xì)砂巖、砂巖及泥灰?guī)r為主[6]。林西組由其建組剖面位于林西縣東北部的官地而得名，該剖面主要由一套黑色板巖、粉砂巖、砂巖組成。在不同地區(qū)林西組被稱為索倫組、包爾敖包組和陶海營(yíng)子組等[6,7]。

內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗—林西地區(qū)的林西組發(fā)育良好，巖性相對(duì)穩(wěn)定，主要為一套細(xì)碎屑巖沉積，黑色泥頁(yè)巖含量較高，巖石變質(zhì)作用較弱。本次研究發(fā)現(xiàn)的碳酸鹽巖結(jié)核位于西烏珠穆沁旗哈日根臺(tái)蘇木南部的塔賓廟林場(chǎng)剖面(圖1)。剖面整體為一套陸棚相沉積，可劃分為深水外陸棚、中陸棚和淺水內(nèi)陸棚3個(gè)亞相。剖面下部主要為一套深水外陸棚亞相與中陸棚亞相的交互沉積(圖2)。外陸棚亞相的巖性主要為深灰色至灰黑色中薄層狀粉砂質(zhì)泥巖及泥頁(yè)巖，夾黃灰色細(xì)砂巖和灰?guī)r透鏡體，泥頁(yè)巖呈鱗片狀，水平層理發(fā)育，顏色深，有機(jī)質(zhì)含量高，巖石中可見(jiàn)細(xì)小的植物葉片化石，可能為藻類生物。中陸棚亞相為灰-深灰色粉-細(xì)砂巖與泥巖的互層沉積，多為中薄層狀，局部夾顏色較淺的中厚層砂礫巖。碳酸鹽巖結(jié)核發(fā)育于外陸棚沉積中，野外產(chǎn)狀有透鏡狀、結(jié)核狀和丘狀，風(fēng)化面呈黃褐色、土黃色，新鮮面呈灰色、深灰色，泥微晶結(jié)構(gòu)；結(jié)核大小變化很大，其長(zhǎng)軸長(zhǎng)十幾厘米至數(shù)米，孤立存在或排列成線狀(圖2)。碳酸鹽巖結(jié)核順層分布，與灰黑色泥頁(yè)巖圍巖之間界限清楚；結(jié)核生長(zhǎng)處，泥頁(yè)巖層理發(fā)生彎曲變形。

2 結(jié)核的顯微特征

在顯微鏡下對(duì)采自剖面的碳酸鹽巖結(jié)核進(jìn)行了觀察。碳酸鹽巖結(jié)核主要由泥微晶碳酸鹽礦物組成，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上，含較多的黏土礦物，同時(shí)含有一定的泥級(jí)和粉砂級(jí)碎屑石英顆粒。鏡下可見(jiàn)較多的氣孔狀構(gòu)造，近圓形或橢圓形(圖3-A,B)，氣孔直徑在0.5～6 mm之間，內(nèi)部被黃鐵礦不完全充填；同時(shí)可見(jiàn)較多的球形化石(圖3-C,D)，少數(shù)發(fā)育內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖3-D)，直徑約0.5～2 mm。掃描電鏡下觀察可見(jiàn)方解石、菱鐵礦、石英及黏土礦物。方解石呈自形-半自形晶，自形晶菱面體直徑在10 μm左右；大部分方解石以膠結(jié)物的形式存在，多呈半自形晶。菱鐵礦呈菱面體形態(tài)，晶形好，直徑在10 μm左右。石英主要為陸源碎屑石英，粉砂級(jí)大小。同時(shí)見(jiàn)較多晶形良好的微米級(jí)草莓狀黃鐵礦集合體(圖3-E)和具清楚生物結(jié)構(gòu)的化石(圖3-F)。

圖1 研究區(qū)地層分布與野外剖面位置圖

圖2 塔賓廟林場(chǎng)剖面柱狀圖及碳酸鹽巖結(jié)核野外照片

3 結(jié)核的碳、氧同位素特征

選取剖面中新鮮的碳酸鹽巖結(jié)核樣品進(jìn)行了穩(wěn)定碳、氧同位素測(cè)試。樣品經(jīng)清洗晾干后，粉碎至200目左右，裝入速封口袋備用。碳、氧同位測(cè)試在中國(guó)石化西南石油局完成。測(cè)試方法為磷酸法，取30～50 mg粉末樣品于110℃烘干后與100% H3PO4在恒溫水塔中平衡反應(yīng)，收集反應(yīng)生成的CO2于MAT251同位素質(zhì)譜儀中進(jìn)行碳、氧同位素測(cè)定，分析精度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))<0.1‰,δ13C和δ18O數(shù)據(jù)均相對(duì)于PDB標(biāo)準(zhǔn)給出，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

結(jié)果顯示剖面中碳酸鹽巖結(jié)核的碳同位素值為-10.42‰～-4.71‰， 氧同位素為-17.55‰～-19.43‰,二者均存在明顯的負(fù)偏移。由于氧同位素容易受成巖作用影響，不宜作為沉積環(huán)境判斷的指標(biāo)；但碳同位素受成巖作用影響較小，可以用于判斷沉積物的形成環(huán)境。剖面中碳酸鹽巖的碳同位素具明顯的負(fù)偏，與正常海相碳酸鹽巖碳同位素值在0‰上下存在明顯的不同。

表1 碳酸鹽巖結(jié)核穩(wěn)定碳、氧同位素測(cè)試結(jié)果

圖3 碳酸鹽巖結(jié)核鏡下特征

4 討 論

4.1 碳酸鹽巖結(jié)核的形成環(huán)境

(1)

(2)

2HS-+2Fe2+→2FeS2+H2

(3)

由于碳酸鹽巖中的碳主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)的碳，其碳同位素繼承了有機(jī)質(zhì)的碳同位素，從而表現(xiàn)出明顯的δ13C虧損；同時(shí)，可能有部分海水來(lái)源的碳，導(dǎo)致碳酸鹽巖的碳同位變化較大，但仍以負(fù)值為主。當(dāng)海底存在大面積的缺氧環(huán)境時(shí)，硫酸鹽還原細(xì)菌大量發(fā)育，不斷將有機(jī)質(zhì)氧化，可沉積大量的碳酸鹽巖。

在現(xiàn)代海洋中由于海底天然氣滲漏而廣泛發(fā)育冷泉碳酸鹽巖。研究表明在天然氣水合物滲漏過(guò)程中，發(fā)育獨(dú)特的生物群落，由于甲烷氧化細(xì)菌和硫酸鹽還原細(xì)菌的作用，天然氣被氧化生成CO2，與海水中的Ca2+和Fe2+等離子結(jié)合而生成冷泉碳酸鹽巖；同時(shí)硫酸根離子被還原成HS-，與Fe2+結(jié)合生成黃鐵礦[10-14]。冷泉碳酸鹽巖主要表現(xiàn)為泥晶丘、微生物礁、結(jié)核、泥火山、底辟、硬底、煙囪、膠結(jié)物和小脈等產(chǎn)狀[10-17]，野外通常呈透鏡狀、丘狀或結(jié)核狀產(chǎn)出，相互獨(dú)立存在或排列成線狀。冷泉碳酸鹽巖通常以微晶的碳酸鹽礦物為主，最常見(jiàn)的有微晶方解石、微晶文石、微晶白云石等。草莓狀黃鐵礦是冷泉碳酸鹽巖中的標(biāo)志性礦物，單個(gè)草莓狀集合體通常由微米級(jí)的黃鐵礦小球構(gòu)成[10-12,18]。冷泉碳酸鹽巖在地球化學(xué)特征上最重要、最明顯的特征是碳同位素值與正常海相碳酸鹽巖的碳同位素組成有很大的差異。冷泉碳酸鹽巖繼承了生物成因甲烷碳來(lái)源的同位素值，δ13C為-66.7‰～4‰，以負(fù)值為主，常常為很低的負(fù)值[15,17]。古代冷泉碳酸鹽巖具有與現(xiàn)代冷泉碳酸鹽巖相似的特征。

研究區(qū)碳酸鹽巖與冷泉碳酸鹽巖的巖石學(xué)特征一致，野外產(chǎn)狀以透鏡狀、丘狀、結(jié)核狀為主，碳酸鹽巖結(jié)核之間排列呈線狀。鏡下觀察以微晶碳酸鹽巖礦物為主，可見(jiàn)較多的化石及標(biāo)志礦物草莓狀黃鐵礦；且其碳同位素值在-10.42‰～-4.71‰之間，表現(xiàn)為明顯的負(fù)偏：因此推測(cè)這些碳酸鹽巖結(jié)核可能為古代天然氣滲漏過(guò)程中形成的冷泉碳酸鹽巖。在沉積物沉積早期，由于下部天然氣滲漏時(shí)海底發(fā)育了特有的生物群落，因此結(jié)核中存在較多的生物化石。

4.2 油氣地質(zhì)意義

研究區(qū)林西組陸棚相黑色泥頁(yè)巖和泥板巖發(fā)育，厚度大，其中塔賓廟林場(chǎng)剖面黑色巖系累計(jì)厚度就達(dá)440 m以上。這些黑色巖系有機(jī)質(zhì)含量高，可成為較理想的烴源巖。對(duì)采自塔賓廟林場(chǎng)剖面的9件黑色泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行了烴源巖潛力分析，分析結(jié)果如表2所示。

中國(guó)石油天然氣總公司1995年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將中國(guó)陸相含油氣盆地低成熟烴源巖wTOC的下限確定為0.4%[19,20]。魏仙樣等(2011)在研究?jī)?nèi)蒙古石炭系—二疊系烴源巖時(shí)，考慮到烴源巖演化程度較高，而且所采樣品為地表剖面樣品，高熱演化和風(fēng)化作用使TOC 發(fā)生損失，將wTOC下限確定為0.3%[21]。本文沿用魏仙樣等(2011)的觀點(diǎn)，也將wTOC下限確定為0.3%。根據(jù)分析數(shù)據(jù)，研究區(qū)9個(gè)樣品中8個(gè)樣品的wTOC≥0.3%，達(dá)到了有效烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)。wTOC>0.6%的達(dá)到中等烴源巖以上的樣品有4個(gè)，占樣品總數(shù)的44%，表明研究區(qū)黑色泥頁(yè)巖具有較好的生烴潛力。

表2 研究區(qū)黑色泥頁(yè)巖生烴潛力測(cè)試數(shù)據(jù)

現(xiàn)代的石油有機(jī)成因理論認(rèn)為，石油是有機(jī)質(zhì)在一定熱力作用下降解的產(chǎn)物，因此，對(duì)有機(jī)質(zhì)成熟度的判別，成為生油層評(píng)價(jià)的核心問(wèn)題之一。通過(guò)烴源巖的巖石熱解分析所獲得的多項(xiàng)參數(shù)，如最高峰溫(tmax)、氫指數(shù)(HCI)、降解率(D)等，均受烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的影響，能夠反映成熟度的變化。其中tmax值被量化地用于烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的劃分，是公認(rèn)的反映成熟度的重要參數(shù)。通常認(rèn)為：tmax<435 ℃為未成熟階段，tmax介于435～455 ℃為成熟階段，介于455～480 ℃為高成熟階段，tmax>480 ℃為過(guò)成熟階段。研究區(qū)烴源巖tmax在337～545 ℃之間，有2個(gè)樣品的tmax<435 ℃，其他樣品皆>455 ℃，達(dá)到了高成熟至過(guò)成熟階段，處于生油至生氣階段。

研究區(qū)廣泛分布的巨厚深水陸棚沉積的暗色泥頁(yè)巖為烴源巖提供了非常好的巖性基礎(chǔ)，也是非常規(guī)頁(yè)巖氣的主要勘探目標(biāo)。烴源巖潛力分析表明，林西組具備一定常規(guī)生油氣潛力；另外，非常規(guī)頁(yè)巖氣的資源潛力也是十分巨大的，是接替松遼盆地油氣資源的重要遠(yuǎn)景區(qū)。

碳酸鹽巖結(jié)核的發(fā)育表明，在林西組沉積時(shí)，海底已存在天然氣滲漏，這些天然氣可能來(lái)自于早期沉積的黑色泥頁(yè)巖中甲烷的釋放，與成巖早期黑色泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的分解密切相關(guān)。林西組沉積時(shí)的海底環(huán)境，可能類似于現(xiàn)代南海和墨西哥灣，海底存在大量的天然氣水合物，由于天然氣水合物的厭氧氧化而形成了冷泉碳酸鹽巖。由于林西組時(shí)代較老，同時(shí)受成巖作用及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，地層發(fā)生了一定的變質(zhì)作用，導(dǎo)致地層中的油氣不斷喪失，以致其油氣勘探難度較大。

5 結(jié) 論

成都理工大學(xué)博士研究生吳馳華、季長(zhǎng)軍，碩士研究生文軍、鄧然、胡旭、毛玲玲、蔡占虎等一起參與了野外工作，在此向他們表示感謝。

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OriginandpetroleumgeologicalsignificanceofcarbonaterockconcretesinLinxiFormation,northeastofInnerMongolia,China

OU Li-hua, YI Hai-sheng, XIA Guo-qing, QIAN Li-jun, QIU Yu-bo, ZHANG Chao

StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

There develop a number of carbonate concretes in the black mud shale sediments on the deep outer continental shelf of Upper Permian Linxi Formation in the sum area of Harigentai village, Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia. These carbonate concretes show lentoid, concretionary and mound structures in the field, similar to the cold spring carbonate rocks formed on the ancient and modern ocean floor. The micro fabric, matter composition and carbon isotopic characteristics are researched in detail. Microscopic observations show that there are many vesicular structures, organisms and pyrite to aggregate in the carbonate concretes. The stable carbon-oxygen isotopic characteristics show that in the carbon isotope exist negative values, indicating the origin of the organic carbon. These features are similar to that of the cold spring carbonate rocks formed on the modern ocean floor because of natural gas seepage. Therefore, the paper infers that the carbonate concretes in study area are the cold spring carbonate rocks formed on the ancient ocean floor because of natural gas seepage. This suggests that during the deposition of Linxi Formation, there were gas hydrates on the ocean floor, which might be relative to the methane release from the deep grey-black mud shale deposited earlier. A potential analysis about hydrocarbon source rocks also show that the deep grey-black mud shale wide developed in study area have a certain hydrocarbon-generating potential, and the Linxi Formation has a relatively good potential for petroleum exploration. But because of the relatively old strata, and the influences of diagenesis and tectogenesis, the petroleum exploration is rather difficult in present.

northeast Inner Mongolia; Linxi Formation; carbonate concretion; carbon isotope

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.04.12

1671-9727(2013)04-0438-07

2013-03-12

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212010782004)

歐莉華(1982-)，女，博士研究生，沉積學(xué)專業(yè), E-mail:olh886@sina.com。

P588.2

A