湖相紋層狀細粒巖特征、成因模式及其頁巖油意義
——以三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系蘆草溝組為例

柳波，呂延防，孟元林，李新寧，郭小波，馬強，趙萬春

（1.東北石油大學(xué)“非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)”省部共建國家重點實驗室培育基地；2.黑龍江省高等學(xué)?！皵嗔炎冃?、封閉性及與流體運移”科技創(chuàng)新團隊；3.中國石油吐哈油田公司；4.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院）

湖相紋層狀細粒巖特征、成因模式及其頁巖油意義
——以三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系蘆草溝組為例

柳波1,2，呂延防1，孟元林1，李新寧3，郭小波4，馬強3，趙萬春1

（1.東北石油大學(xué)“非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)”省部共建國家重點實驗室培育基地；2.黑龍江省高等學(xué)?！皵嗔炎冃巍⒎忾]性及與流體運移”科技創(chuàng)新團隊；3.中國石油吐哈油田公司；4.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院）

以三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系蘆草溝組為例，通過高分辨率巖心圖像掃描、常規(guī)薄片、掃描電鏡、能譜分析等巖石學(xué)研究方法，結(jié)合微量元素、生物標(biāo)志化合物等地球化學(xué)指標(biāo)，對湖相富有機質(zhì)紋層狀細粒巖的巖石學(xué)特征、沉積成因進行了研究，并分析了其頁巖油氣/致密油氣勘探意義。研究結(jié)果表明，紋層具有硅質(zhì)碎屑富集層、碳酸鹽富集層、凝灰質(zhì)富集層及有機質(zhì)富集層4種類型，通過組合可以形成3種層偶類型。有機質(zhì)呈紋層狀富集或分散狀分布于碳酸鹽紋層及凝灰質(zhì)紋層中。缺少陸源碎屑供給的封閉鹽湖沉積體系，形成了分層的古湖泊水體，加之湖底的熱水活動和季風(fēng)性氣候共同控制了有機質(zhì)的富集保存及湖相多元紋層狀細粒巖的形成。由于該類細粒巖有機質(zhì)豐度高，具有較好的生烴潛力，碳酸鹽紋層微孔及紋層間微裂縫發(fā)育，使其具有豐富的儲集空間類型，且脆性礦物含量高而易于后期壓裂改造，具備形成頁巖油氣/致密油氣的有利條件，勘探意義重大。圖9參33

紋層狀細粒巖；紋層組合；有機質(zhì)富集方式；巖石學(xué)特征；成因模式；頁巖油氣；致密油氣

1 紋層狀富有機質(zhì)細粒巖的概念及特征

由粒徑小于62 μm的黏土級和粉砂級沉積物組成的沉積巖稱為細粒巖[1]，細粒物質(zhì)并不局限于黏土礦物，還包括粉砂、碳酸鹽、有機質(zhì)等[2]。紋層是指沉積物或沉積巖中可分辨的最小或最薄原始沉積層，包括

湖泊紋泥[3]、海相紋泥[4]等多種類型。近年來，越來越多的石油地質(zhì)工作者認識到，發(fā)育深、淺色相間水平紋層的泥頁巖由于有機質(zhì)富集，往往比有機質(zhì)呈分散狀態(tài)賦存的烴源巖生烴潛力更好[5]，如中國渤海灣盆地東營凹陷古近系沙河街組沙三段下部富有機質(zhì)紋層頁巖生烴潛力較好，而沙三段中部有機質(zhì)分布較為分散的塊狀泥巖生排烴潛力有限[6]。當(dāng)滿足一定地質(zhì)條件時，這些具有生烴能力的紋層狀泥頁巖還可形成具有工業(yè)價值的油頁巖，如美國阿拉斯加州侏羅系發(fā)育主要由海相藻類構(gòu)成的紋層狀塔斯曼型油頁巖[7]；前蘇聯(lián)愛沙尼亞波羅的盆地奧陶系由黏球形藻構(gòu)成的紋層狀庫克型油頁巖[7]；中國河北下花園新元古界青白口系由紅藻堆積而成的黑色紋層狀油頁巖，有機碳含量21.41%～22.91%，含油率5.29%～10.57%[8]；渤海灣盆地東營凹陷沙河街組由藻類有機質(zhì)紋層及黏土、碳酸鹽礦物紋層為主的油頁巖，有機碳含量為2%～8%[9]。其共同特征主要為：①紋層厚度多在毫米級以下，紋層類型多樣，常見陸源碎屑、晶屑、凝灰質(zhì)、有機質(zhì)紋層；②富有機質(zhì)紋層與貧有機質(zhì)紋層交互出現(xiàn)，TOC值在不同紋層間可差10～30倍[10]；③深色有機質(zhì)紋層在熒光顯微鏡下發(fā)強黃色熒光，夾在弱熒光的泥質(zhì)紋層、粉砂質(zhì)紋層和碳酸鹽礦物紋層中。本文以三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系蘆草溝組為例（見圖1），通過高分辨率巖心圖像掃描、薄片觀察、陰極發(fā)光、掃描電鏡與能譜分析，對紋層狀細粒巖進行了系統(tǒng)的巖石學(xué)研究，以揭示其沉積成因及頁巖油氣/致密油氣勘探意義。

圖1 三塘湖盆地構(gòu)造略圖及研究區(qū)位置

2 湖相紋層狀細粒巖巖石學(xué)特征

湖相細粒巖巖相多變、礦物成分復(fù)雜、非均質(zhì)性強，往往形成于水動力較弱的湖灣淺湖或半深湖—深湖亞相。紋層是細粒巖的基本組成單位，在特定沉積環(huán)境演化與氣候變遷條件下，由粉砂、碳酸鹽、有機質(zhì)等分別以紋層狀富集。不同礦物組成的紋層相互組合、交替旋回變換，形成湖相紋層狀細粒巖。多數(shù)紋層厚度在0.01～0.50 mm，這些紋層在顏色、礦物組成、粒度、結(jié)構(gòu)和成因等方面均不相同（見圖2）。

2.1 紋層基本類型

硅質(zhì)碎屑富集層：色暗，插入石膏試板，反射色級別明顯提高，紋層厚15～50 μm，富含粉砂級長石、石英及少量黏土礦物，含少量鐵白云石、黃鐵礦等礦物，大多數(shù)富有機質(zhì)（見圖3a）。黏土礦物以伊利石為主（占80%），分布較連續(xù)并具定向性。黃鐵礦呈草莓狀分布在層狀黏土礦物中，晶形完好，表明其沉積環(huán)境的還原性較強。

碳酸鹽富集層：色亮，插入石膏試板，反射色不變，紋層較厚，一般為80～300 μm，由細粒微晶方解石、白云石組成（小于30 μm），部分為鐵白云石（茜素紅與鐵氫化鉀混合染色為綠藍色），晶間可見少量有機質(zhì)（見圖3b）。碳酸鹽晶粒晶形較差，形態(tài)多為半自形，部分因重結(jié)晶作用而呈粗晶狀，表明白云石形成于一種低能、安靜、溫暖的環(huán)境中。鐵白云石一般呈粗晶狀，可見其交代方解石、方沸石。

凝灰質(zhì)富集層：色暗，紋層厚10～40 μm，主要為粉砂級長石晶屑和玻屑（見圖3c），可見有機質(zhì)，偏光

顯微鏡下經(jīng)垂直（010）晶帶最大消光角法測定，這些長石晶屑的斜長石號碼An（鈣長石含量）為30～72，斜長石類型主要為中長石，其次為拉長石（見圖3d），其成因為火山噴發(fā)形成的中基性凝灰。晶屑棱角分明、磨圓度差，但沉積區(qū)周邊并無近距離火山噴發(fā)，加之晶屑凝灰質(zhì)紋層間隔出現(xiàn)，推測可能反映了不同風(fēng)向的季風(fēng)攜帶的物質(zhì)[11]，凝灰質(zhì)紋層間的碳酸鹽化學(xué)沉積紋層則反映了季風(fēng)停歇期的靜水低能環(huán)境。

圖2 馬朗凹陷蘆草溝組湖相紋層狀細粒巖高分辨率巖心掃描及顯微圖像

有機質(zhì)富集層：色暗，紋層厚6～35 μm，有機質(zhì)以無定形腐泥組為主，多數(shù)結(jié)構(gòu)不可辨別，可見樹脂體充填結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體胞腔，部分有機質(zhì)在鏡下可見藻類絲網(wǎng)狀體，紋理構(gòu)造清晰，具較強的淺綠色—黃色熒光，是一種極好的生油母質(zhì)[12]（見圖3e、3f）。有機質(zhì)富集層發(fā)育表明原始沉積環(huán)境具有高生物生產(chǎn)力、靜水缺氧的特征[13-15]。

2.2 主要細粒巖類型與紋層組合

不同類型的沉積紋層可單獨形成紋層狀細粒巖，雖然礦物成分單一，巖心及鏡下仍可辨別沉積紋層，而不是均勻的塊狀構(gòu)造，在熒光照射下，一元結(jié)構(gòu)紋層巖的熒光也呈明暗相間的特征，明紋層發(fā)暗綠色熒光，暗紋層發(fā)暗黃色熒光，總體熒光強度較弱。研究區(qū)蘆草溝組細粒巖沉積大多為白云石紋層和其他紋層形成的毫米級沉積層偶，按照紋層的組合關(guān)系，可進一步細分為3種類型（見圖4、圖5）：Ⅰ類層偶：由有機質(zhì)/硅質(zhì)碎屑富集層和碳酸鹽紋層組成黑白相間的雙紋結(jié)構(gòu)，或與有機質(zhì)紋層組成三元結(jié)構(gòu)紋層組合；Ⅱ類層偶：由凝灰質(zhì)紋層和碳酸鹽紋層組成黑白相間的雙紋結(jié)構(gòu)，或與有機質(zhì)紋層組成三元結(jié)構(gòu)紋層組合；Ⅲ類層偶：由硅質(zhì)碎屑紋層、碳酸鹽紋層及凝灰質(zhì)紋層組成三元紋層結(jié)構(gòu)，或與有機質(zhì)紋層組成四元結(jié)構(gòu)紋層組合。這些具多元紋層結(jié)構(gòu)的細粒巖，尤其是當(dāng)沉積層偶構(gòu)成中發(fā)育有機質(zhì)紋層時，熒光強度明顯增強。

2.3 有機質(zhì)富集方式

有機質(zhì)主要以紋層的方式相對富集，部分有機質(zhì)存在于硅質(zhì)碎屑紋層及凝灰質(zhì)紋層中，少量有機質(zhì)存在于碳酸鹽紋層。以有機質(zhì)為主的暗色紋層TOC值可達8.7%，而以淺色碳酸鹽為主的紋層TOC值則低至0.03%。

從馬朗凹陷蘆草溝組泥質(zhì)巖有機質(zhì)顯微組分鏡下鑒定可知，蘆草溝組二段泥質(zhì)巖顯微組分包括結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組、無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組、樹脂體和無定形組（礦物瀝青基質(zhì)），無定形組含量最為豐富，占30%～60%。無定形組和樹脂體熒光特征明顯，為黃綠色熒光，表明烴源巖熱演化程度不高，多處于低成熟階段或臨界成熟階段。鏡質(zhì)組基本不發(fā)熒光。熒光特征明顯的無定形組和樹脂體多為富氫顯微組分，表明蘆草溝組二段泥質(zhì)巖有機質(zhì)類型以偏腐泥型為主，是水生浮游生物在滯水盆地條件下（澙湖、湖泊等）堆積的有機淤泥，是良好的生烴母質(zhì)。馬朗凹陷西南部發(fā)現(xiàn)大量藻灰?guī)r，藻類主要為Collenia。

3 湖相紋層狀細粒巖沉積成因

碳酸鹽與陸源碎屑的混合沉積分布廣泛，沉積模式復(fù)雜，Mount于1985年首次明確提出“混合沉積物”（mixed sediments）這一概念[16]，將其定義為陸源碎屑（大于10%）與碳酸鹽顆粒及灰泥（大于25%）混生在一起的一類沉積巖。廣義的混積巖包括兩大類：①碳酸鹽巖與陸源碎屑巖高頻率交互產(chǎn)出；②巖石中碳酸鹽組分與陸源碎屑組分混合產(chǎn)出。狹義的混積巖指的是后者[17]。研究區(qū)紋層狀細粒巖沉積屬于前者，這類混積巖廣泛見于陸相混合沉積體系[18]，可以從古生物、微量元素及生物標(biāo)志化合物等方面來揭示其原始沉積環(huán)境。

3.1 紋層狀細粒巖的古生物特征

前人對三塘湖盆地蘆草溝組古生物的研究表明[19]，

本區(qū)具有豐富的海相標(biāo)志化石、過渡相化石及陸相淡水湖泊化石，但從北天山褶皺系海陸變遷來看，晚二疊世已不具備形成與廣海相鄰的澙湖沉積條件，海相遺跡應(yīng)為大規(guī)模海退時殘留于本區(qū)海水形成的產(chǎn)物。蘆草溝組海相古生物化石主要有多毛類和軟舌螺，多毛類以簇管蟲Acerrotrupa為主，可見與藻類共生。過渡化石以介形蟲和藻類為主，分布非常普遍。其中，介形蟲以Tomiella、Darwinula、Iniella和Kemerouiana 4個屬為主，藻類主要為Collenia。陸相化石主要為吐魯番古鱈魚類，植物碎屑少見（見圖6）。

圖3 馬朗凹陷蘆草溝組不同類型紋層典型薄片照片

圖4 馬朗凹陷蘆草溝組主要紋層組合類型顯微特征及微區(qū)礦物成分

圖5 馬朗凹陷蘆草溝組湖相紋層狀細粒巖全尺寸巖心切面照片

圖6 馬朗凹陷蘆草溝組細粒巖古生物化石特征

3.2 紋層狀細粒巖的地球化學(xué)特征

微量元素：全巖等離子質(zhì)譜分析結(jié)果表明，紋層巖V/(V+Ni)（元素釩含量與釩和鎳總量之比）值均大于0.78，反映水體分層強及底層水體中出現(xiàn)富含H2S的厭氧環(huán)境；B/Ga（元素硼與鎵含量之比）值及Mg/Ca值均較高，反映水體鹽度較高。此外，Mn、V、Ba和Sr等微量元素含量與TOC值具正相關(guān)關(guān)系，這些微量營養(yǎng)素的富集指示高生物生產(chǎn)力[14]，反映出生物勃發(fā)與沉積作用對微量元素富集的顯著影響[15]。

生物標(biāo)志化合物：類異戊二烯烴能提供有關(guān)烴源巖沉積環(huán)境方面的重要信息（見圖7），紋層狀細粒巖Pr/Ph值為0.15～0.42，Pr/nC17值與Ph/nC18值分別為0.22～0.38、0.25～0.58，為半咸水—咸水湖相沉積。規(guī)則甾烷ααα20RC27甾烷、ααα20RC28甾烷、ααα20RC29甾烷峰型呈“/”型，ααα20RC29甾烷豐度高，但該區(qū)有機質(zhì)不可能源自高等植物，有機質(zhì)輸入應(yīng)以藻類為主，并可能是藍綠藻[20]。藿烷類（五環(huán)萜烷）豐度高，三環(huán)萜烷豐度低，表明其沉積時有細菌等微生物輸入。同時，γ-蠟烷豐度較高，反映水體鹽度較高，多為半咸水環(huán)境。此外，抽提物中β-胡蘿卜烷含量豐富，說明當(dāng)時沉積環(huán)境為還原—強還原環(huán)境，這與低Pr/Ph值的特點相符。

3.3 不同紋層類型分布特征及沉積模式

基于巖心觀察的統(tǒng)計結(jié)果表明，紋層結(jié)構(gòu)受原始沉積環(huán)境的湖岸線曲折性及坡度控制（見圖8）。當(dāng)水體較淺時形成淺水充氧環(huán)境，主要發(fā)育碳酸鹽（以云質(zhì)為主）富集層；隨著水體逐漸加深，紋層結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，形成碳酸鹽（灰質(zhì)、云質(zhì)皆有）富集層與有機質(zhì)、硅質(zhì)碎屑富集層的沉積層偶，巖石顏色深淺不一，暗色紋層有機質(zhì)含量高，生成的烴類富含γ-蠟烷；水體較深時，主要發(fā)育有機質(zhì)、泥級顆粒硅質(zhì)碎屑富集層。隨季風(fēng)空落至古湖泊的火山塵則以凝灰質(zhì)富集層的方式與其他類型紋層形成更為復(fù)雜的層偶類型。

圖7 馬朗凹陷蘆草溝組細粒巖生物標(biāo)志化合物特征

圖8 馬朗凹陷蘆草溝組紋層狀細粒巖沉積模式圖

3.4 有機質(zhì)富集機理

藻類勃發(fā)是湖泊中紋層狀有機質(zhì)高度富集的普遍成因。馬朗凹陷二疊系蘆草溝組有機質(zhì)富集機理也與藻類勃發(fā)有關(guān)，主要證據(jù)如下。

①有機質(zhì)主要來源于藻類。有機質(zhì)紋層在顯微鏡下多呈無定形，為不規(guī)則的微粒、凝塊或絮團，在背散射電鏡下呈紋層狀和條帶狀，生物標(biāo)志物分析表明，大多數(shù)無定形體是浮游植物形成的，為浮游藻類生物降解作用的結(jié)果。

②烴源巖中細粒方解石紋層是生物誘發(fā)的碳酸鹽沉積。湖泊中，藻類的大量繁殖加強了水體的光合作用，大量消耗表層水中的CO2，使CaCO3飽和而沉淀下來[21]，形成碳酸鹽紋層。

③有機質(zhì)富集成層、單種分布，且與其他紋層組成韻律性沉積。藻類勃發(fā)具有季節(jié)性和周期性，并常常直接形成紋層沉積，而藻類葉綠素的大量合成，導(dǎo)致CO2大量減少，引起咸化湖pH值升高，導(dǎo)致碳酸鹽礦物的沉淀和白云石紋層的形成，與硅質(zhì)碎屑紋層形成層偶。

④凝灰質(zhì)紋層沉積為湖泊古生物生產(chǎn)力即藻類和細菌的大量繁殖提供了營養(yǎng)物質(zhì)。在火山噴發(fā)期間，蘆草溝組火山灰中的中基性斜長石屬于架狀鋁硅酸鹽礦物，富含F(xiàn)e、Mg元素，中基性火山灰落入湖中時，必將引起藻類物質(zhì)的大量繁殖，甚至勃發(fā)[22]。再加上火山灰的粒度細（屬于火山塵），比表面較大，所以其吸附力強，可以大量吸附溶解狀和顆粒有機質(zhì)，形成具有一定有機質(zhì)含量的凝灰質(zhì)紋層沉積。

3.5 湖相紋層狀細粒巖沉積成因

關(guān)于紋泥沉積模式的研究，國外已有100多年歷史[23]。在成因上，除最先開始研究的冰水湖紋泥以外，還包括湖泊紋泥、海相紋泥等多種類型。相較而言，非冰川成因的正常湖泊紋泥和紋層頁巖比較常見。對古湖泊紋泥和紋層頁巖形成的水體條件目前比較一致的觀點是：溫度和季風(fēng)等氣候因素是沉積物紋層形成的最主要因素，生物尤其是浮游生物的季節(jié)性勃發(fā)、化學(xué)和生物化學(xué)作用以及機械沉積作用是沉積物紋層的主要形成機理[24]。分層的水體最有利于紋層的形成[25]，湖水的分層可以造成底部水體嚴重缺氧，使底棲動物難以生存，從而避免紋理遭受破壞。分層的湖水一般對有機質(zhì)的保存也相當(dāng)有利，即使在短期季節(jié)形成的湖水分層，有機碳含量也可達1.4%～4.0%[26]。根據(jù)前文所述，研究區(qū)湖相紋層細粒巖沉積主要受控于以下幾方面。

①封閉的鹽湖沉積體系：蘆草溝組沉積期為三塘湖盆地二疊紀最大湖侵時期，微量元素富集與生物標(biāo)志物特征皆反映古水體鹽度較高，現(xiàn)今殘余地層未見陸源碎屑供給，湖盆整體較為封閉，水下隆起區(qū)為清水碳酸鹽亮晶粉屑—砂屑云巖構(gòu)成的云坪相。

②古湖泊的分層結(jié)構(gòu)：紋層的形成與湖水分層密切相關(guān)。紋層巖中底棲生物化石缺乏、有大量保存完好的魚類化石、豐富的黃鐵礦顆粒、陸源碎屑物質(zhì)缺少以及地球化學(xué)分析顯示較高的有機碳含量和生物標(biāo)志化合物的組合特征等都充分證實紋層巖形成時湖泊底層水具備缺氧的強還原條件，而這個條件的出現(xiàn)則是相應(yīng)時期內(nèi)湖水分層的結(jié)果。

③湖底的熱水活動：湖底熱水活動會顯著改變水體溫度、氧化-還原性及化學(xué)成分等沉積條件，從而影

響水體中生物的生長速度和有機質(zhì)的保存。研究區(qū)紋層巖中發(fā)現(xiàn)了硅質(zhì)巖、泥晶和粉晶狀鐵白云石紋層沉積等可能與湖底熱水活動有關(guān)的現(xiàn)象，并伴生方沸石、硬石膏、黃鐵礦等多種熱液礦物[27]。

④季風(fēng)性氣候：凝灰質(zhì)紋層中星散分布長石晶屑和玻屑，而在盆地周邊未見同期大量活動的火山，火山灰應(yīng)該經(jīng)歷了較遠距離的搬運，但長石顆粒呈棱角狀、磨圓度差，周期性分布在富有機質(zhì)紋層、硅質(zhì)碎屑紋層與碳酸鹽紋層之間，說明凝灰質(zhì)紋層的形成與季風(fēng)性氣候有關(guān)。在季風(fēng)停歇期，靜水環(huán)境下的沉積以微晶碳酸鹽化學(xué)紋層沉積為主。

綜上所述，缺少陸源供給的封閉鹽湖形成了分層的水體，火山噴發(fā)的氣體和火山灰等細粒物質(zhì)隨季風(fēng)飄落入水中后，一方面形成了凝灰質(zhì)紋層沉積，另外一方面吸附于火山灰表面的鋁硅酸性鹽同時被溶解，大量的營養(yǎng)元素和微量金屬元素同時釋放，加之湖底的熱水活動，使藻類浮游生物和細菌大量繁殖，其間接受極少量的陸源泥質(zhì)懸浮物沉積形成硅質(zhì)碎屑紋層沉積。藻類勃發(fā)快速毒化了湖泊中的生態(tài)環(huán)境，引起湖中生物的大量死亡，湖底的強還原環(huán)境使之得以保存，形成了富有機質(zhì)紋層沉積。同時由于浮游植物的光合作用消耗表層水體中大量的CO2，誘發(fā)白云石等碳酸鹽巖礦物的沉淀，在偏堿性水體的還原環(huán)境下，由于硫酸鹽還原菌的作用，可使水體中SO42?還原生成H2S，并與Fe2+結(jié)合形成黃鐵礦，導(dǎo)致湖水中SO42?含量大大降低，形成了以粉晶白云石為主的碳酸鹽紋層沉積。于是，馬朗凹陷蘆草溝組發(fā)育了特有的紋層構(gòu)造（見圖8）。

4 湖相紋層狀細粒巖的頁巖油氣/致密油氣意義

4.1 高有機質(zhì)豐度

富有機質(zhì)紋層發(fā)育狀況在很大程度上決定了紋層狀細粒巖生烴能力的大小，研究區(qū)湖相紋層狀細粒巖總體為極好的烴源巖，TOC值為0.5%～18.2%，大多數(shù)樣品TOC值為1%～8%，多數(shù)樣品生烴潛量（S1+S2）大于4 mg/g，氯仿瀝青“A”含量大于0.1%，但非均質(zhì)性較強，巖石中有機質(zhì)紋層分布與其生烴潛量正相關(guān)。

4.2 較為發(fā)育的儲集空間

由于紋層狀細粒巖特殊的礦物組成及沉積結(jié)構(gòu)，其往往發(fā)育多種類型的儲集空間。

①有機質(zhì)發(fā)育生烴殘留孔。掃描電鏡二次電子成像和背散射電子衍射成像照片中均可見有機質(zhì)孔形狀較規(guī)則，呈凹坑狀、蜂窩狀，大小從幾十納米到幾百納米不等（見圖9a），為有機質(zhì)熱演化過程中形成的生烴殘留孔隙，對烴類是潤濕的[28]，由于有機質(zhì)的非均質(zhì)性，其大小和數(shù)量都有較大變化[29]。

②碳酸鹽紋層發(fā)育微孔。紋層狀細粒巖在地層壓力作用下形成致密層，垂向上構(gòu)成相對封閉體系。鄰近的富有機質(zhì)紋層在轉(zhuǎn)化生烴時釋放出CO2、有機酸等酸性物質(zhì)，降低了孔隙水的pH值，阻止了碳酸鹽膠結(jié)物的形成，即使形成了碳酸鹽膠結(jié)物也很快被溶解[30]，此外，大量生成的烴類無法向外運移，勢必使得巖層壓力升高，較好地保護了儲集層中的孔隙（見圖9b）。實測數(shù)據(jù)表明，雖然細粒巖整體孔隙度小于12%，但碳酸鹽紋層孔隙度約為18.2%（牛122井2 590 m），硅質(zhì)碎屑/凝灰質(zhì)紋層孔隙度約為3.6%，碳酸鹽紋層中有若干直徑約50 μm的大孔隙以及平均直徑約l μm的中孔隙和微孔隙。油氣在碳酸鹽紋層中沒有被吸附和結(jié)合，使得烴類流體在碳酸鹽紋層中的流動要比在泥巖孔隙中快[31]。

③紋層間發(fā)育層間縫。一方面，各類紋層主要由不同力學(xué)性質(zhì)的“泥級”礦物組成，微米級到毫米級二元、三元紋層十分發(fā)育，使巖石內(nèi)“薄弱面”增多，易于在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生層間縫（見圖9c），并連通高角度裂縫及孔隙。另外一方面，在二元紋層結(jié)構(gòu)中，成層性極好的原生碳酸鈣在富Mg2+、CO32－和有機酸的作用下，交代形成大量白云石。在碳酸鈣向白云石轉(zhuǎn)換過程中，碳酸鈣體積收縮增孔，為上、下有機質(zhì)紋層熱演化產(chǎn)物（烴類）聚集提供了場所。

4.3 易于改造的力學(xué)性質(zhì)

巖石脆性與其礦物成分有關(guān)，脆性礦物含量的多少是影響壓裂裂縫發(fā)育程度的主要內(nèi)在因素，間接影響油氣的儲集空間和滲流通道[32]。硅質(zhì)碎屑紋層及碳酸鹽紋層中的石英、方解石、白云石以及黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中生成的自生石英（見圖9d）等增加了紋層狀細粒巖的脆性，是后期儲集層壓裂改造形成裂縫的有利條件。

綜上所述，紋層狀細粒巖形成的沉積環(huán)境中藻類、細菌等生物大量繁殖，有機質(zhì)富集程度高，紋層狀細粒巖本身具備很好的生油氣能力；由于碳酸鹽紋層中不穩(wěn)定礦物的發(fā)育以及層間薄弱面的存在，紋層狀細粒巖中微孔-微裂縫儲集空間發(fā)育，具有較好的儲集條件，可以成為有效儲集層。因此，紋層狀細粒巖既可作為烴源巖，又可作為有效儲集層，形成自生自儲式頁巖油氣/致密油氣的條件非常有利[33]。

圖9 馬朗凹陷湖相紋層狀細粒巖微觀儲集空間類型

5 結(jié)論

湖相紋層狀細粒巖發(fā)育硅質(zhì)碎屑富集層、碳酸鹽富集層、凝灰質(zhì)富集層及有機質(zhì)富集層4種紋層類型，并可組合成3種層偶類型。有機質(zhì)以紋層狀富集或以分散狀出現(xiàn)在碳酸鹽紋層和凝灰質(zhì)紋層中。湖相紋層狀細粒巖屬于廣義的“混積巖”，馬朗凹陷發(fā)育的該類型細粒巖古生物化石和生物標(biāo)志化合物表明，其有機質(zhì)來源以藻類為主，碳酸鹽沉積為生物誘發(fā)成因，藻類勃發(fā)的周期性是形成不同紋層層偶的主要原因。封閉的鹽湖沉積體系，形成了分層的古湖泊水體，湖底的熱水活動和季風(fēng)性氣候使得不同類型的紋層交互出現(xiàn)、有機質(zhì)得以保存。紋層狀富有機質(zhì)細粒巖具有高有機質(zhì)豐度，碳酸鹽紋層微孔異常發(fā)育，紋層間易形成層間縫，具有較好的含油性，加之富含石英、碳酸鹽等脆性礦物，是理想的頁巖油氣/致密油氣勘探領(lǐng)域。

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（編輯 黃昌武）

Petrologic characteristics and genetic model of lacustrine lamellar fine-grained rock and its significance for shale oil exploration:A case study of Permian Lucaogou Formation in Malang sag,Santanghu Basin,NW China

Liu Bo1,2,Lü Yanfang1,Meng Yuanlin1,Li Xinning3,Guo Xiaobo4,Ma Qiang3,Zhao Wanchun1
(1.Accumulation and Development of Unconventional Oil and Gas,State Key Laboratory Cultivation Base Jointly-constructed by Heilongjiang Province and the Ministry of Science and Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.“Fault Deformation,Sealing and Fluid Migration” Science and Technology Innovation Team in Colleges and Universities of Heilongjiang,Daqing 163318,China;3.PetroChina Turpan-Hami Oilfield Company,Hami 839009,China;4.School of Earth Sciences and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Taking the Permian Lucaogou Formation in the Malang sag,Santanghu Basin as an example,by using petrological methods such as high resolution core image scanning,conventional thin section,scanning electron microscope and energy spectrum analysis and geochemical tests such as trace elements and biomarker compounds,the petrologic features and sedimentary origin of the lamellar organic rich fine-grained rocks of lake facies were investigated,and its significance for shale oil and tight oil exploration was analyzed.The results of the study show that there are four types of laminae,siliciclastic enrichment laminae,carbonate enrichment laminae,tuffaceous enrichment laminae and organic matter enrichment laminae,which can form three kinds of layer combinations.Organic matter is laminar enrichment or dispersed in the carbonate laminae and tuff laminae.Stratification of ancient lake water was formed in the closed saline lake sedimentary systems with insufficient continental clast supply,and the activity of warm water at the lake bottom and the monsoon climate worked jointly to control enrichment of organic matter and formation of lacustrine lamina fine-grained rocks.This kind of fine-grained rocks have higher potential of hydrocarbon generation due to high abundance of organic matter,are rich in reservoir space due to the existence of micro-pores in carbonate laminae and micro-cracks between the laminae,and suitable for fracturing because of high brittle mineral content.They have favorable conditions for shale oil and tight oil accumulation,and are significant for exploration.

lamellar fine-grained rock;laminae combination;organic matter enrichment mode;petrologic characteristics;genetic model;shale oil and gas;tight oil and gas

國家自然科學(xué)基金“泥頁巖脆塑性主控因素及定量評價研究”（41472125）；國家青年自然科學(xué)基金“湖相紋層泥頁巖有機質(zhì)富集機理及其與頁巖油關(guān)系”（41202101）；黑龍江省青年自然科學(xué)基金“湖相富有機質(zhì)細粒沉積體系頁巖油富集機理與資源潛力”（QC2015043）；黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃（UNPYSCT-2015077）

TE122.2

A

1000-0747(2015)05-0598-10

10.11698/PED.2015.05.06

柳波（1983-），男，山西大同人，博士，東北石油大學(xué)副教授，主要從事油氣成藏地質(zhì)學(xué)、非常規(guī)油氣地質(zhì)等方面的研究工作。地址：黑龍江省大慶市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，郵政編碼：163318。E-mail：liubo6869@163.com

2015-03-26

2015-07-25