湖相與海相碳酸鹽巖烴源巖生烴條件對比

田春桃，馬素萍，楊 燕，孟 軍，夏燕青

(1.中科院甘肅省油氣資源研究重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.中科院油氣資源研究重點實驗室，甘肅蘭州730000;3.中國科學院大學，北京100049;4.中國石油青海油田馬仙采油廠，甘肅敦煌736202)

我國以陸相油氣田為主，陸相生油理論的發(fā)展是我國石油地質(zhì)學的特色［1］。自20世紀60年代陸相生油理論得到肯定以來，油氣生成理論進入了陸相成油論和海相成油論并存發(fā)展的階段［2］。國內(nèi)外油氣勘探實例表明，湖相碳酸鹽巖在一定條件下可作為一類陸相湖泊烴源巖。近年來，在我國泌陽凹陷和柴達木盆地西部等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了工業(yè)油氣流，表明湖相碳酸鹽巖具有巨大的油氣潛力，極具經(jīng)濟價值［3］。

國內(nèi)外特別是我國對湖相碳酸鹽巖烴源巖的研究由來已久。黃第藩(1987)對柴達木盆地西部古近系湖相碳酸鹽巖地層的生油巖特征作了專門討論［4］，1991年，李任偉等［5］把東濮凹陷的湖相碳酸鹽巖單獨列為一類生油巖，并首次提出了湖相碳酸鹽巖生油巖的概念。之后，許多學者(Harris，2000;Freytet和Verrecchia，2002;Zhu 等，2004;Wang 等，2010;王英華等，1993;黃杏珍等，1999，2001;邵宏舜等，2002;夏青松等，2003;陳建軍等，2005;王廣利等，2007;孫鈺等，2008;馬素萍等，2011;涂建琪等，2012)［6－19］對湖相碳酸鹽巖生油巖的有機地球化學特征、生烴特征、形成條件等方面進行了大量卓有成效的研究工作，取得了重要的科學成果，不僅豐富了陸相生油的地球化學理論，而且拓展了油氣勘探的新領(lǐng)域。盡管如此，與海相碳酸鹽巖烴源巖的研究相比，前者的研究仍顯得薄弱。作為不同沉積環(huán)境下形成的相同巖性的兩類有著重要意義的烴源巖，對比它們之間的生烴條件，對于湖相碳酸鹽巖烴源巖的研究具有重要的借鑒意義。

1 海相和湖相碳酸鹽巖烴源巖分布

國外海相碳酸鹽巖烴源巖主要發(fā)育在中、新生代地層，在空間上更是遍布于許多地區(qū)，如西加拿大的泥盆系、阿基斯坦盆地和中東的侏羅系、美國南佛羅里達盆地下白堊統(tǒng)、哥倫比亞上白堊統(tǒng)Laluna組、西西里盆地中新統(tǒng)等［20］。相比于國外，我國的海相碳酸鹽巖發(fā)育時代老，烴源巖以古生界地層為主，如我國中西部的四川、鄂爾多斯、塔里木盆地，另外在南方、西藏地區(qū)還發(fā)育有中生代海相碳酸鹽巖烴源巖，在華北發(fā)育有元古宙海相碳酸鹽巖烴源巖［21－23］。

而湖相碳酸鹽巖烴源巖的發(fā)育，無論是國內(nèi)還是國外，大都集中在中、新生代，如美國尤因塔盆地中部的古近系綠河組，我國東濮凹陷古近系沙河街組、泌陽凹陷古近系核桃園組、柴達木盆地西部古近系和酒西盆地下白堊統(tǒng)下溝組及赤金堡組等地區(qū)，都不同程度的發(fā)育了典型的湖相碳酸鹽巖烴源巖。

2 兩類碳酸鹽巖烴源巖生烴條件對比

2.1 沉積環(huán)境

2.1.1 沉積相

海相碳酸鹽巖盆地良好的烴源巖往往發(fā)育在海侵體系域形成時期。海侵體系域形成期間，海平面快速上升，盆地中某些地區(qū)處于缺氧和貧氧環(huán)境中，而且沉積速率很低，海相碳酸鹽巖烴源巖就發(fā)育于這樣低能環(huán)境的沉積相——開闊海臺地相、局限海臺地相、生物泥丘相、廣海陸棚相、淺海斜坡相等［24－25］。李大成［26］認為在海相碳酸鹽巖烴源巖的沉積環(huán)境中，陸架內(nèi)盆地最為重要，其次為陸架環(huán)境。陳踐發(fā)等［27］認為欠補償淺水－深水盆地、臺緣斜坡、半閉塞－閉塞欠補償海灣和蒸發(fā)泄湖等環(huán)境為高有機質(zhì)豐度海相碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育的最有力的沉積環(huán)境。另外生物礁對尋找海相碳酸鹽巖烴源巖具有指示意義，一般在臺地邊緣、臺地內(nèi)凹陷緩坡等均有生物礁丘分布，而且生物礁丘間洼地也可發(fā)育烴源巖［28］。

湖泊是一個復(fù)雜多變的動力系統(tǒng)，湖相碳酸鹽巖烴源巖的發(fā)育更明顯地受古氣候、古水動力條件和古水介質(zhì)性質(zhì)等因素的控制［16］。一般認為，湖相碳酸鹽巖發(fā)育于構(gòu)造活動相對穩(wěn)定、湖盆水體持續(xù)擴張的階段，而且大多形成于溫熱的氣候條件下［29］。而湖相碳酸鹽巖烴源巖主要發(fā)育在半深湖－深湖相，位于浪基面之下，水體較深，能量弱，靠湖流使上下湖水得以緩慢交換，氧氣和光線不充足，生物不發(fā)育［13］。李紅等［30］認為白云巖形成時的沉積環(huán)境具有鹽度高、水體安靜、強還原湖泊的特征，并認為沉積于封閉深洼及半封閉灣的靜水環(huán)境有利于湖相碳酸鹽巖烴源巖的發(fā)育。

2.1.2 水介質(zhì)條件

海相碳酸鹽巖烴源巖的形成環(huán)境大多以還原、咸水、弱堿性和弱水動力條件為主要特征［31］。高有機質(zhì)豐度海相碳酸鹽巖的形成往往同時受到了多種地質(zhì)因素的控制，劉光鼎(2011)闡述了海相烴源巖大量堆積的兩大有利條件(豐富的生產(chǎn)力和還原性保存條件)，認為海水的深層缺氧有利于烴源巖的保存［32］，在此基礎(chǔ)上，王清晨(2011)提出了“缺氧控源”的論點。可見水介質(zhì)條件對于海相碳酸鹽巖烴源巖的發(fā)育起著極其重要的作用。

原生的湖相碳酸鹽巖沉積基本上都是化學沉積的產(chǎn)物，按其沉積時的水介質(zhì)條件可分為硬水湖的沉積產(chǎn)物和鹵水湖的沉積產(chǎn)物。而具有生油能力的湖相碳酸鹽巖沉積多形成于鹵水湖中，如東濮凹陷古近系沙河街組和泌陽凹陷古近系核桃園組等［4］。鹽湖中的碳酸鹽巖形成于氣溫高、蒸發(fā)作用強的常年咸水湖、季節(jié)性鹽湖、鹽湖邊緣的風化殼和含鹽泥坪中［16］。有利于厚度大、分布穩(wěn)定的湖相白云巖形成的沉積水體的水化學類型應(yīng)為碳酸鹽型，古水介質(zhì)應(yīng)為偏堿性，pH值大于 9［11］。

2.2 巖石類型

海相碳酸鹽巖烴源巖主要是暗色石灰?guī)r及白云巖類和它們與粘土礦物形成的各種過渡類型巖石，其碳酸鹽含量一般大于20%，例如灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、灰質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)頁巖或鈣質(zhì)泥巖和含鈣頁巖等［2，33］。黃籍中等［24］認為泥質(zhì)泥晶灰?guī)r，生物泥－粒泥巖－泥粒巖微相，應(yīng)該是碳酸鹽巖烴源巖的主要巖類。梁狄剛等［34］認為富含生物席(藻席、線葉植物席等)，且一般都含泥質(zhì)，在30% ～50%以上，發(fā)育于深水陸棚相的海相碳酸鹽巖可成為烴源巖。

湖相與海相相比，一般面積小，四周近鄰古隆起，地形反差大，陸源碎屑物質(zhì)經(jīng)過短距離搬運直接進入深水湖盆，呈現(xiàn)出多物源、近物源、粗碎屑和相變快的沉積特點［2］。受沉積特征的影響，湖相碳酸鹽巖的巖性更為復(fù)雜多變，它由湖相泥巖與湖相碳酸鹽巖組成互層甚至是紋層狀沉積，水平層理發(fā)育，非均質(zhì)性明顯［35］。例如，我國柴達木盆地西部古近系湖相碳酸鹽巖烴源巖是由泥巖、灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、云質(zhì)泥巖及泥質(zhì)白云巖和石膏、鹽巖等各種巖石組成的互層沉積;而泌陽凹陷古近系核桃園組湖相碳酸鹽巖沉積卻以白云巖沉積為主，灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r沉積較少，整體上為一套暗色泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖夾薄層粉、細砂巖的淺湖相沉積［4］。程克明等［36］認為湖相碳酸鹽巖生烴與其藻紋層(或有機質(zhì)紋層)的分布密切相關(guān)，因為源巖中有機質(zhì)紋層的發(fā)育常常伴隨其高有機質(zhì)豐度和高生烴潛力的出現(xiàn)而出現(xiàn)。

可見，無論是海相還是湖相，碳酸鹽巖烴源巖幾乎都是不純的，都含有一定量的泥質(zhì)成分。但碳酸鹽巖中泥質(zhì)與有機質(zhì)豐度、排烴能力是否相關(guān)仍存在爭論，碳酸鹽巖中泥質(zhì)的作用仍有待進一步研究［37］。

2.3 有機地球化學特征

2.3.1 沉積有機質(zhì)

1)成烴母質(zhì)及有機質(zhì)類型

普遍認為海相烴源巖的生烴母質(zhì)以菌藻類為主，海相碳酸鹽巖的有機質(zhì)多屬于偏腐泥型，干酪根類型為Ⅰ－Ⅱ1型，多以Ⅱ1型干酪根為主。如鄂爾多斯盆地中部地區(qū)下古生界碳酸鹽巖有機質(zhì)類型基本上為Ⅰ型和Ⅱ型，表現(xiàn)出腐泥型母質(zhì)特征，其原始生源主要是菌藻類和水生浮游生物［38］。

湖相碳酸鹽巖的干酪根類型一般也為Ⅰ型或Ⅱ型。如泌陽凹陷，豐富的藻類體和陸源有機質(zhì)經(jīng)細菌改造而“腐泥化”成Ⅰ型和Ⅱ型，其碳酸鹽巖烴源巖中干酪根的O/C原子比值非常低，絕大部分都在0.05以下，H/C原子比值的變化范圍為0.66～1.12，在范式坐標圖上干酪根類型的點群基本都落在Ⅰ型干酪根演化線的左側(cè)［39］。另外，王廣利等［15］在研究濟陽坳陷渤南洼陷沙河街組下部湖相碳酸鹽巖時發(fā)現(xiàn)，該區(qū)湖相碳酸鹽巖烴源巖中發(fā)育了一些特有的、或在泥質(zhì)巖中含量很低的、與微生物活動有關(guān)的萜類化合物，并且樣品中具有極低的甾烷/藿烷值(為0.10～0.28)，這表明微生物是研究區(qū)湖相碳酸鹽巖極其重要的生源，與以溝鞭藻、顆石藻等為主要生烴母質(zhì)的咸化湖泊下形成的沙四段頁巖和泥巖大不相同。

2)有機質(zhì)的賦存形式

海相碳酸鹽巖烴源巖中有機質(zhì)呈聚集狀態(tài)和分散狀態(tài)存在，其中，分散有機質(zhì)可分為3類:一是吸附有機質(zhì)，主要吸附于礦物巖石表面，主要來源于充填類、無定型類及碎屑類形式賦存的有機質(zhì)，屬于游離瀝青;二是晶包有機質(zhì)，主要包裹于隱晶質(zhì)或細晶質(zhì)礦物內(nèi)，為未運移的原生有機質(zhì)，結(jié)合在碳酸鹽巖鹽酸不溶物中，特別是粘土礦物中的有機質(zhì)，在巖石中以備束縛的晶間結(jié)合型、絮團型和浸染型有機質(zhì)形式存在;三是包體有機質(zhì)，主要產(chǎn)于結(jié)晶礦物的包裹體內(nèi)，具有一定的形態(tài)，屬于運移后的次生有機質(zhì)［40］。

湖相碳酸鹽巖烴源巖中有機質(zhì)的賦存形式與海相碳酸鹽巖無太大差別，只是湖相碳酸鹽巖烴源巖中或許存在更多的無形態(tài)有機質(zhì)(無定形類)，它的形成往往與生物降解作用有關(guān)。例如酒西盆地下白堊統(tǒng)湖相碳酸鹽巖烴源巖中有機質(zhì)的最主要賦存形式就是無定型類，其主要生烴組分為腐泥無定形體和腐殖無定形體等［18］，而海相碳酸鹽巖中很少見腐殖無定形體。

3)有機質(zhì)豐度

沉積環(huán)境、生物來源、有機質(zhì)熱演化以及碳酸鹽巖的成巖作用共同控制著烴源巖的有機質(zhì)豐度。我國海相碳酸鹽巖烴源巖的有機碳含量普遍較低，一般在0.1% ～1.0%之間［26］。不同沉積環(huán)境下，其有機質(zhì)含量具有明顯的差異［38，41］。雖然方解石、白云石吸附有機質(zhì)的能力小于粘土礦物，并且碳酸鹽巖在成巖作用中的有機質(zhì)晶析作用又排除出一部分有機質(zhì)，但海相碳酸鹽巖中有機物質(zhì)基本源于藻類等低等水生生物和菌類，機體富含蛋白質(zhì)及脂肪，因此不能僅憑其現(xiàn)今有機碳含量而低估了他的有效成烴潛力。

由于湖相沉積環(huán)境的分割性和多樣性，湖相碳酸鹽巖烴源巖中有機質(zhì)含量變化很大，其有機質(zhì)豐度的高低可能受到更多因素的影響。柴達木盆地西部古近系湖相碳酸鹽巖烴源巖中有機質(zhì)的含量普遍比較低，其總有機碳含量一般均在0.4%以下，平均值只有0.32%;泌陽凹陷古近系核桃園組湖相碳酸鹽巖烴源巖中有機質(zhì)的含量則比較高，其總有機碳含量一般在0.23% ～3.00%，高的可達 4.87%，平均值達1.82%［39］。湖相碳酸鹽巖烴源巖常見有機質(zhì)紋層結(jié)構(gòu)，烴源巖中藻紋層的發(fā)育程度與烴源巖有機質(zhì)豐度存在正相關(guān)關(guān)系，富含藻紋層的湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)烴源巖有機碳含量一般在2.0%以上［18］。

2.3.2 熱演化作用

我國海相碳酸鹽巖地層以古生界特別是以下古生界為主，時代較老，海相地層經(jīng)受了長期且復(fù)雜的熱力作用，致使海相碳酸鹽巖有機質(zhì)大都進入高－過成熟階段，而未見未成熟烴源巖［42－43］。如鄂爾多斯盆地和四川盆地海相地層中有機質(zhì)演化程度普遍較高，南方地區(qū)更高，均處于高成熟及過成熟階段，海相油氣藏中只見氣藏，不見油藏［26］。目前我國的海相碳酸鹽巖油氣勘探現(xiàn)狀如金之鈞等認為的那樣，“找到了大油田，但油氣源不清楚”，因而，影響了碳酸鹽巖地層油氣勘探和部署［42］。針對高－過成熟烴源巖成熟度參數(shù)的選取，是目前海相碳酸鹽巖烴源巖研究的關(guān)鍵問題之一［44］。

湖相碳酸鹽巖烴源巖在有機質(zhì)的熱演化程度上存在遲緩效應(yīng)。不同的礦物成分對有機質(zhì)的熱演化過程可產(chǎn)生明顯不同的催化效應(yīng)。貴陽地化所根據(jù)模擬實驗結(jié)果，提出催化能力遞減的礦物順序為:鈉蒙脫石—鈣蒙脫石—方解石—高嶺石—微斜長石。由于這種催化能力的差異，造成同一湖盆不同相帶之間的烴源巖在熱演化程度上存在巨大差異。如我國柴達木盆地西部古近系獅子溝鹽湖面積不足1 000 km2，地溫梯度為31℃/km，由湖盆邊緣向湖盆中心，地層中碳酸鹽礦物的含量逐漸增加，有機質(zhì)的門限深度也相應(yīng)的增加，其中獅14井為2 600 m，獅18井為2 880 m，獅20井為3 740 m［4］。

3 生烴模式

關(guān)于海相和陸相碳酸鹽巖油氣生成，就其機制而言并無差別，只是由于沉積環(huán)境及巖石類型、母質(zhì)輸入、成巖作用及排烴條件等的不同，相應(yīng)在油氣性質(zhì)方面也有較大差別。

國內(nèi)外許多研究表明［45－46］，海相碳酸鹽巖具有分段式生烴演化模式，即第一階段為生物聚合物的熱解聚，提供未熟油;第二階段為干酪根的熱降解，提供成熟油;第三階段為包裹有機質(zhì)和束縛有機質(zhì)的釋放，仍然可以提供一定數(shù)量的液態(tài)石油。也有的學者提出四階段的成烴特征，即原始瀝青解聚成烴、干酪根降解成烴、包裹有機質(zhì)釋放成烴和熱裂解氣生成［47］。海相碳酸鹽巖的生烴模式強調(diào)了早期生烴和高過成熟階段有機質(zhì)的釋放或者裂解生烴的重要性，并認為碳酸鹽巖的生烴范圍(尤其是生油范圍)寬于泥質(zhì)烴源巖，其生烴高峰明顯滯后與海相泥質(zhì)烴源巖。

而較之海相，湖相碳酸鹽巖烴源巖的生烴模式研究還相當薄弱。值得注意的是，湖相碳酸鹽巖在成熟階段后期至高成熟階段束縛有機質(zhì)的二次成烴作用不容忽視，它是形成深層油氣資源的一個重要來源。邵宏舜(2002)［12］對泌陽凹陷古近系核桃園組湖相白云巖成烴模式的研究以及王廣利等(2007)［15］對濟陽坳陷沙河街組下部湖相碳酸鹽巖烴源巖的研究都表明，湖相碳酸鹽巖存在早期和晚期兩個成烴高峰期，淺層高峰期形成低(未)熟油，深層高峰期形成常規(guī)的成熟油。

4 研究展望

盡管與泥質(zhì)烴源巖相比，湖相碳酸鹽巖在地質(zhì)歷史中發(fā)育有限，但它仍然是陸相烴源巖中的重要部分?？碧綄嵺`表明，湖相碳酸鹽巖在一定條件下即是生油層又是儲集層，可作為非常規(guī)油氣研究的一個方向。由于湖相環(huán)境相對于海相不穩(wěn)定性更強，湖相碳酸鹽巖烴源巖的形成條件亦受到更多因素的控制。針對高有機質(zhì)豐度湖相碳酸鹽巖烴源巖形成的生物地球化學及沉積學等方面的研究尤其關(guān)鍵。另外，該類烴源巖的生烴機理尚未取得實質(zhì)性的成果，其晚期生烴可否為湖相深層油氣勘探提供充足的烴源仍是個未知數(shù)。

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