風化作用對高演化黑色巖系有機質(zhì)影響因素分析
——以塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組為例

陶國亮, 申寶劍, 騰格爾, 仰云峰, 徐二社, 潘安陽

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所, 江蘇 無錫　214151)

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風化作用對高演化黑色巖系有機質(zhì)影響因素分析
——以塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組為例

陶國亮, 申寶劍, 騰格爾, 仰云峰, 徐二社, 潘安陽

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所, 江蘇 無錫214151)

摘要：通過對塔里木盆地柯坪地區(qū)東二溝剖面下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組不同風化程度巖石樣品的有機地球化學、掃描電鏡和能譜分析，探討了風化作用對巖石有機質(zhì)特征的影響。結(jié)果表明：風化作用越強，有機碳豐度越低、生烴潛力越差，黑色頁巖樣品中的有機碳和氯仿瀝青“A”含量的最大風化丟失量在95%以上，硅質(zhì)巖風化丟失量小于50%。氣候、暴露地表時間等因素是巖石發(fā)生風化作用的主要外部因素；礦物組成和有機質(zhì)賦存方式是影響風化程度的重要內(nèi)部因素，有機質(zhì)以游離態(tài)形式賦存在高演化頁巖中更易發(fā)生化學風化而丟失。因此，不能僅根據(jù)野外剖面烴源巖樣品現(xiàn)今地化特征來進行烴源巖評價和油氣資源量評價，而應考慮風化作用的影響。

關(guān)鍵詞：風化作用；黑色頁巖；硅質(zhì)巖；有機質(zhì)賦存方式；塔里木盆地

風化作用是地表或近地表的巖石或礦物與大氣、水及生物接觸過程中產(chǎn)生的各種物理、化學變化。由于構(gòu)造抬升作用而暴露地表或近地表的烴源巖遭受風化作用后會產(chǎn)生一定的變化，這種作用不僅影響烴源巖的物理結(jié)構(gòu)、化學組成，而且影響烴源巖生油能力評價。自Clayton等對黑色頁巖中有機質(zhì)的風化特征等進行研究以來[1]，有關(guān)黑色頁巖受化學風化作用影響的研究日益受到諸多研究者關(guān)注[2-7]，重點集中在風化作用與巖石礦物元素組成之間的變化方面，同時一些學者也探討了風化過程中有機質(zhì)及碳同位素的變化特征[8-12]。國內(nèi)一些學者自80年代起開始關(guān)注風化作用對烴源巖的有機地球化學特征和生烴潛力的影響[13-17]，但至今國內(nèi)外很少有關(guān)于黑色頁巖受風化作用的影響因素的研究。

塔里木盆地寒武系烴源巖是臺盆區(qū)海相油氣的重要來源[18-23]，由于該層位在臺盆區(qū)內(nèi)埋藏深度大，鉆遇井有限。前人對該地區(qū)烴源巖地球化學特征和盆地內(nèi)資源量的評價主要基于柯坪地區(qū)和庫魯克塔克地區(qū)下寒武統(tǒng)烴源巖露頭的分析，然而由于風化作用，烴源巖露頭中C、H、S等元素遭受不同程度流失，相關(guān)評價指標失真。針對以上問題，本次研究采集了柯坪地區(qū)野外露頭黑色頁巖和硅質(zhì)巖樣品，通過地球化學、有機巖石學，結(jié)合掃描電鏡、能譜等先進的分析技術(shù)，探討風化作用對有機質(zhì)特征的影響，從而為該地區(qū)資源評價提供可靠的依據(jù)。

1樣品采集與實驗分析

本次樣品采集的東二溝剖面位于阿克蘇西南約80 km的玉爾吐斯山，沿314國道西行至1 038～1 039 km之間，下公路向西行進5 km左右處。東二溝剖面的玉爾吐斯組底部為灰黑色含磷結(jié)核硅質(zhì)巖、黑色—灰色薄層硅質(zhì)巖，中部為黑色碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖夾層，上部為深灰色—灰白色薄層微晶白云巖。采集的樣品位于剖面底部的一個礦洞內(nèi)，總厚度為9.6 m。洞內(nèi)樣品比較新鮮，基本沒有經(jīng)歷風化作用，而沿洞內(nèi)向外同一層位的樣品受風化作用逐漸增強，顏色逐漸變淺，最終為土黃色。采集樣品的巖性主要包括黑色頁巖和硅質(zhì)巖，其中風化后的黑色頁巖呈土黃色，硅質(zhì)巖以條帶狀夾在泥頁巖中間。東二溝剖面同一層位橫向黑色頁巖樣品編號為：DEG-d-1～DEG-d-6，其中1-4號樣風化嚴重，5號樣半風化，6號樣為洞內(nèi)未風化樣品；DEG-d-1’～DEG-d-5’是緊連下層的硅質(zhì)條帶樣品；洞內(nèi)縱向硅質(zhì)頁巖樣品號為：DEG-Z-1～DEG-Z-11，其中1-9號為未風化樣，10號為半風化樣，11號為風化樣(圖1，表1)。

對采集樣品分別進行了有機碳含量測定、氯仿瀝青“A”抽提與計量、族組分分離與定量、巖石熱解、有機巖石學、掃描電鏡+能譜等分析。其中，有機碳含量通過 LECO CS-400 碳硫測定儀進行測定；氯仿瀝青“A”含量通過索氏抽提法，利用氯仿溶劑進行抽提獲得；族組分采用層析柱法進行分離、定量；巖石熱解數(shù)據(jù)通過Rock-Eval 6型巖石熱解評價儀進行測定；掃描電子顯微鏡與能譜儀組合后，可以進行微觀結(jié)構(gòu)和準確的成分分析。

2風化作用對有機質(zhì)特征影響

2.1有機碳含量

風化作用對黑色頁巖有機碳的影響較大，由洞內(nèi)向外，風化作用逐漸增強，同一層位有機碳的含量逐漸降低，相差最大達到近130倍；而風化作用對同一層位硅質(zhì)巖有機碳影響相對不大，相差不到2倍(表1，圖2)。

圖1　塔里木盆地東二溝剖面樣品采集情況

除個別樣品外，洞內(nèi)縱向剖面樣品有機碳含量變化特征為(圖3)：越向下，有機碳含量越高，洞內(nèi)未風化有機碳平均值為9.67%，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖。

2.2黑色頁巖生烴潛力

通常巖石熱解(S1+S2)數(shù)據(jù)代表烴源巖生烴潛力，從表1和圖3可以看出，由于該地區(qū)烴源巖處于高過成熟階段，有機碳主要以殘?zhí)紴橹?，烴源巖樣品總體生烴潛力相對不高，但是風化對硅質(zhì)和泥質(zhì)烴源巖生烴潛力影響較大，風化樣品幾乎沒有生烴潛力，而洞內(nèi)未風化的樣品則具有一定的生烴潛力。

2.3可溶有機質(zhì)

國內(nèi)外已有的關(guān)于風化作用對烴源巖有機質(zhì)的影響方面的研究表明，海相高成熟度有機質(zhì)比陸相有機質(zhì)更容易風化[24-25]，有機質(zhì)中的固定碳含量越高，相對更穩(wěn)定[26-27]，而對于可溶有機質(zhì)(如氯仿瀝青“A”)的氧化，可能形成不溶的大分子量的非烴組分。

有機碳與氯仿瀝青“A”具有正相關(guān)性，有機碳越高氯仿瀝青“A”含量越高，且隨著風化作用的加強，有機碳和氯仿瀝青“A”同時降低(表2)。族組分主要以芳香烴和非烴為主，說明在風化的過程中，有機質(zhì)的可溶以及輕質(zhì)組分更容易流失[9]。另外，碳同位素分析結(jié)果表明，風化作用越強，碳同位素越偏重。

表1　塔里木盆地東二溝剖面玉爾吐斯組樣品熱解和有機碳分析數(shù)據(jù)

圖2　塔里木盆地東二溝剖面橫向有機碳含量和生烴變化特征

圖3　塔里木盆地東二溝剖面縱向有機碳含量和生烴潛力變化特征

樣號巖性w(TOC)/%氯仿瀝青“A”/10-6組分/%飽和烴芳香烴非烴瀝青質(zhì)δ13CPDB/‰氯仿瀝青“A”飽和烴芳香烴非烴瀝青質(zhì)DEG-d-1土黃色泥頁巖0.0822.76-27.7-28.5-27.3-27.5-27.7DEG-d-1'硅質(zhì)條帶0.5816.20-28.3-29.3-27.5-28.4-28.1DEG-d-4'硅質(zhì)條帶1.1720.66-27.7-29.1-27.3-28.0-29.1DEG-Z-2硅質(zhì)頁巖10.45240.768.9421.9550.837.48-31.4-30.3-31.9-31.8-31.6DEG-Z-5硅質(zhì)頁巖13.49783.208.2752.7517.8110.35-32.3-30.8-32.7-31.6-32.6DEG-Z-6硅質(zhì)頁巖5.2862.21-31.1-30.8-29.6-30.8-30.7DEG-Z-8硅質(zhì)頁巖9.0173.33-31.0-28.2-30.6-30.2-31.2DEG-Z-11硅質(zhì)頁巖2.7322.12-27.9-27.6-27.3-27.3-28.1

3有機質(zhì)風化的影響因素分析

3.1自然因素

自然因素主要包括陽光、風、水及暴露時間等，在其他條件相同時，暴露時間的長短是影響風化最主要的因素[28]，暴露時間越長，風化作用越強，有機質(zhì)的損失越大(表1，圖2)。黑色頁巖中有機質(zhì)風化一般不是物理風化，而是典型的以化學風化為主的地球化學過程[29]。通?；瘜W風化主要有氧化、溶解和水解作用3種類型，柯坪地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，日照充足，年均降水量為73.8 mm，年蒸發(fā)量2 864.8 mm，蒸發(fā)量為降雨量的40倍以上，地表水系不發(fā)育，因此溶解和水解不是該地區(qū)主要的化學風化作用類型。

3.2巖性

前人眾多研究表明黑色頁巖主要形成于生物大爆發(fā)和缺氧環(huán)境[30-33]，高的海洋生產(chǎn)力和還原環(huán)境為海相有機質(zhì)的保存創(chuàng)造了有利的條件，有機質(zhì)的風化蝕耗主要受巖石性質(zhì)的控制，砂巖、泥巖中的有機質(zhì)風化損失最大，其次是泥灰?guī)r、灰?guī)r、硅質(zhì)巖[13]。本文中亦出現(xiàn)相似規(guī)律，其中黑色頁巖在風化過程中有機碳流失較大，有機碳含量最高和最低之間相差130多倍，這可能是由于干燥炎熱的氣候使得氧化作用容易進行，礦物中的低價碳元素與大氣中的游離氧化合變?yōu)楦邇r元素的作用。有機質(zhì)風化的方式主要有2種：一是有機質(zhì)的自身發(fā)酵，生成甲烷并釋放CO2而被氧化分解[34]，具體反應公式為：

2CH2O → CO2+ CH4

其中，甲烷又可進一步被氧化產(chǎn)生CO2。二是硫化物礦物氧化分解產(chǎn)生強酸性水溶液和過渡價態(tài)金屬使有機質(zhì)分解[29]：

因日照的條件不一樣，磷礦洞內(nèi)陽光照射不到，沿洞口向外，陽光照射逐漸增強，而且黑色頁巖孔隙性、滲透性相對硅質(zhì)巖要大，與大氣接觸的比表面大，氧化程度較強，有機質(zhì)風化作用也強。相對而言，礦物組成簡單的硅質(zhì)巖抗風化能力強[35]，氧化程度較低，有機質(zhì)風化損失量相對較小。

3.3有機質(zhì)賦存方式

掃描電鏡可以在不破壞原樣的情況下，以極高的放大倍數(shù)觀察鑒定樣品的超顯微特征，通過能譜還可以對微區(qū)化學成分開展定性及半定量分析，這2種分析手段的結(jié)合則能夠?qū)搸r中有機碳的賦存方式等進行最直觀的研究。對東二溝剖面富有機質(zhì)巖石樣品的掃描電鏡結(jié)合能譜分析可見(圖4)，巖石中0.1～5 μm泥級的石英顆粒占了很大的比例，含量一般大于50%，主要為隱晶質(zhì)硅質(zhì)和半自形石英晶體，其次為白云石、石膏和黃鐵礦，黏土含量相對較少。有機質(zhì)賦存形式主要有5種類型：(1)與隱晶質(zhì)硅質(zhì)共生；(2)微縫隙中充填的塊狀有機質(zhì)；(3)條帶狀有機質(zhì)；(4)孔洞中充填的塊狀有機質(zhì)；(5)與硅質(zhì)、微晶泥質(zhì)共生。而風化后的樣品的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果表明，其中有機質(zhì)消失殆盡，僅剩下石英微晶和近球形含鈣質(zhì)(圖5a)、磷質(zhì)的硅質(zhì)顆粒(圖5b)。

大量東二溝剖面樣品的掃描電鏡結(jié)合能譜分析結(jié)果表明：黑色頁巖中泥質(zhì)含量相對較低，且成巖作用較強，泥質(zhì)主要以自生伊利石形式存在，由于自生伊利石的結(jié)構(gòu)層間距小，有機質(zhì)難以以吸附形式存在于伊利石中；有機質(zhì)賦存形式主要以游離態(tài)的細粉砂級顆粒與硅質(zhì)、鈣質(zhì)共存，或者以條帶狀、塊狀充填于裂縫或者孔洞中。DEG-d-4掃描電鏡結(jié)果表明：風化過程中細粉砂級有機顆粒由于孔隙裂縫以及層理面等因素,極易與空氣中的氧發(fā)生氧化反應而丟失(圖5)，而留下相對難以風化的礦物骨架。

圖4　塔里木盆地東二溝剖面富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)賦存方式

圖5　塔里木盆地東二溝剖面風化后的頁巖中礦物組成(DEG-d-4)

根據(jù)我國烴源巖的有機質(zhì)豐度評價標準[28]，對本次研究工作采集的塔里木盆地烴源巖樣品進行評價，根據(jù)風化的樣品測得有機碳判識為非烴源巖，而根據(jù)未風化的樣品則為優(yōu)質(zhì)烴源巖。因此，在烴源巖評價中要注意樣品是否風化，如果樣品風化，在利用有機碳進行烴源巖評價和資源評價時需要謹慎考慮。

4結(jié)論

(1)風化作用對黑色頁巖有機質(zhì)豐度影響較大，對海相硅質(zhì)巖影響相對較小，高演化黑色頁巖中可溶有機質(zhì)以芳香烴和非烴為主，風化過程中，有機質(zhì)中輕質(zhì)組分相對容易流失，碳同位素偏重。

(2)東二溝剖面有機質(zhì)主要以細粉砂級的游離態(tài)形式存在，黑色頁巖主要以化學風化為主，暴露地表時間是影響有機質(zhì)流失的主要因素，氧化作用對有機質(zhì)數(shù)量的影響最大。

(3)烴源巖評價中應充分考慮樣品是否具有代表性，風化的樣品不能用來作為烴源巖評價和資源評價的依據(jù)。

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(編輯黃娟)

Weathering effects on high-maturity organic matter in a black rock series:A case study of the Yuertusi Formation in Kalpin area, Tarim Basin

Tao Guoliang, Shen Baojian, Tenger Boltsjin, Yang Yunfeng, Xu Ershe, Pan Anyang

(WuxiInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214151,China)

Abstract:The effects of weathering on organic matter of black shales has been studied using organic geochemistry, scanning electron microscopy and X-ray fluorescence energy spectrum. The black shales were collected from the Lower Cambrian Yuertusi Formation along Dong’ergou section in Kalpin area, Tarim Basin. As weathering increased, organic abundance became much smaller, and hydrocarbon generation potential became poorer. The maximum weathering losses of organic matter and chloroform bitumen “A” were more than 95% in black shales and less than 50% in siliceous rocks, indicating that siliceous rocks were more resistant to weathering. Climate and surface exposure time were the main causes for rock weathering. Mineral composition and organic matter occurrence determined weathering degree. Free organic matter occurring in over-mature shales was easily lost through weathering. In petroleum evaluation, it is important to not only study the present geochemical features of source rocks, but also to considerweathering effects.

Keywords:weathering; black shale; siliceous rock; occurrence of organic matter; Tarim Basin

文章編號：1001-6112(2016)03-0375-07

doi：10.11781/sysydz201603375

收稿日期：2016-01-04；

修訂日期：2016-04-15。

作者簡介：陶國亮(1981—)，男，博士，高級工程師，從事石油地質(zhì)研究。E-mail: taogl.syky@sinopec.com。

基金項目：中石化科技部項目“瀝青質(zhì)分析新方法研究與海相油源判識應用”(P14051)和“海相頁巖超顯微特征及對頁巖氣富集的關(guān)系”(P15097)聯(lián)合資助。

中圖分類號：TE122.1

文獻標識碼：A