熱液活動對東二溝剖面玉爾吐斯組烴源巖形成的影響

儲呈林　陳強路　張　博　史　政　姜海健　楊　鑫

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所　江蘇無錫　214126；2. Tyumen State Oil and Gas University Tyumen 625003)

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熱液活動對東二溝剖面玉爾吐斯組烴源巖形成的影響

儲呈林1陳強路1張博2史政1姜海健1楊鑫1

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所江蘇無錫214126；2. Tyumen State Oil and Gas University Tyumen 625003)

研究熱液活動是否會破壞烴源巖的形成。對塔里木盆地東二溝剖面玉爾吐斯組進(jìn)行地球化學(xué)分析，利用δEu、Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值研究熱液活動，Al/Ti比值替代古生產(chǎn)力，V/Cr、V/(V+Ni)和Ni/Co比值代表氧化還原環(huán)境，進(jìn)而探討熱液活動與古生產(chǎn)力、氧化還原條件以及有機質(zhì)含量之間的關(guān)系。玉爾吐斯組沉積時古生產(chǎn)力水平較低，為貧氧—厭氧環(huán)境，下部具有較強的熱液活動，中上部熱液活動較弱。下部的熱液活動雖然促進(jìn)了古生產(chǎn)力的提高，但TOC含量整體較低，為0.01%～3.58%，平均值為0.64%；中上部熱液活動較弱，古生產(chǎn)力水平較低，TOC含量卻較高，為0.06%～12.19%，平均值為8.95%，是較好的烴源巖層。巖石薄片顯示，與熱液活動相關(guān)的硅質(zhì)巖中含有大量的藻類。研究結(jié)果表明，較強的熱液活動會帶來大量的富硅流體，稀釋沉積物中的有機質(zhì)，對烴源巖的形成起破壞作用。

熱液活動烴源巖玉爾吐斯組塔里木盆地

0　引言

海底熱液活動于1977年首次在加拉帕戈斯群島被發(fā)現(xiàn)，其主要出現(xiàn)在大洋中脊、弧后盆地和島弧三種構(gòu)造環(huán)境中[1-2]。海底熱液富含有各種金屬元素，如Fe，Zn，Cu，Cd，Mn等，越來越多的金屬礦床被發(fā)現(xiàn)與熱液活動相關(guān)[3-5]。海底熱液活動除帶來大量金屬元素外，同樣能促進(jìn)熱液活動區(qū)生物群落的發(fā)育?，F(xiàn)代海底熱液研究表明，熱液活動區(qū)生物繁盛，生物產(chǎn)量與熱液活動強度呈正比，熱液活動能促進(jìn)沉積物中有機質(zhì)的富集[6]。Hanetal.[7]研究中國南方下寒武統(tǒng)牛蹄塘組發(fā)現(xiàn)，受熱液活動影響的黑色頁巖，金屬元素富集，有機碳含量為2.55%～11.5%，平均值為7.73%，而未受熱液活動影響的黑色頁巖有機碳為1.80%～4.26%，平均值位3.67%。

目前熱液活動與烴源巖關(guān)系的研究主要集中在熱液活動有利于促進(jìn)生物群落的發(fā)育和還原環(huán)境的形成兩大方面[8-11]，而熱液活動強度差異性及其產(chǎn)物對烴源巖形成的影響研究的較少。前人研究認(rèn)為塔里木盆地下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組為良好的烴源巖層，且形成過程中受到海底熱液的影響[12-13]。本文利用地球化學(xué)指標(biāo)對塔里木盆地東二溝剖面玉爾吐斯組的沉積環(huán)境進(jìn)行了恢復(fù)和判別，分析有機碳和沉積環(huán)境的關(guān)系，探討不同強度熱液活動及其產(chǎn)物對烴源巖發(fā)育的影響。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

震旦紀(jì)早期，塔里木陸塊已經(jīng)固結(jié)為增生的大陸地殼，形成具有前震旦系基底的盆地；震旦紀(jì)末，塔里木陸塊一度整體抬升，震旦紀(jì)地層遭受風(fēng)化剝蝕[14]。此后，早寒武世的冰川消融和缺氧事件，導(dǎo)致海平面快速上升，形成最大海泛并轉(zhuǎn)為陸表海，沉積了早古生代第一套海相烴源巖[15]，在柯坪、阿克蘇地區(qū)為玉爾吐斯組。

塔里木盆地東二溝剖面位于阿克蘇市西南約50 km的青松石料廠北側(cè)，地理位置為40°54′19.59″ N，79°51′10.05″ E，地層發(fā)育良好(圖1)。該剖面出露的玉爾吐斯組與下伏震旦系奇格布拉克組平行不整合接觸，與上覆下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組整合接觸，底部為含磷硅質(zhì)巖夾薄層黑色泥巖，向上硅質(zhì)巖層逐漸增多；中部以黑色泥巖和頁巖為主，夾有少量硅質(zhì)巖；上部由瘤狀白云巖夾泥巖逐漸過渡為肖爾布拉克組深灰色厚層塊狀白云巖。

圖1　塔里木盆地東二溝剖面巖性柱狀圖及位置Fig.1　Map of lithology and location of Dongergou section in Tarim Basin

2　樣品和測試

樣品采自于塔里木盆地東二溝剖面，共16件，其中震旦系奇格布拉克組樣品1件、寒武系玉爾吐斯組樣品13件、肖爾布拉克組樣品2件。殘余總有機碳測試在中石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所實驗中心完成(表1)，儀器為美國LecoCS-200碳硫測定儀，靈敏度為3～5位有效數(shù)字，準(zhǔn)確度：C>0.1%±0.001或0.1%±0.005；C<0.1%±0.000 2或0.1%±0.005。元素化學(xué)分析由中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院完成(表1)，主要元素數(shù)據(jù)用X射線熒光光譜法(XRF)分析，分析誤差小于3%；微量和稀土元素數(shù)據(jù)用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分析，分析誤差小于6%。

3　烴源巖的形成環(huán)境

3.1海底熱液活動的證據(jù)

大洋中脊熱液流體的稀土元素特征已經(jīng)被廣泛研究[16-18]。由于稀土元素在化學(xué)性質(zhì)上的相似性和系統(tǒng)差異，稀土元素常常用來作為海底熱液活動的示蹤劑[19-21]。

東二溝剖面玉爾吐斯組沉積物稀土元素組成見表1，稀土元素組成分析顯示其總稀土(ΣREE)含量較低，為(3.9～117.09)×10-6，平均含量為47.15×10-6。用北美頁巖的稀土元素值標(biāo)準(zhǔn)化后[22]，具有明顯的正Eu異常(δEu=0.94～2.11)和負(fù)Ce異常(δCe=0.31～0.63)，輕稀土與重稀土比值較小，標(biāo)準(zhǔn)化曲線近于水平或左傾。Eu的正異常是現(xiàn)代海底熱液流體稀土元素組成的重要標(biāo)志[19, 23-25]，表明東二溝玉爾吐斯組沉積時有海底熱液的參與(圖2)。

沉積物中Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值同樣可以作為判別海底熱液的標(biāo)志，當(dāng)Fe/Ti>20或(Fe +Mn)/Ti>20±5，沉積物認(rèn)為是熱液沉積[26]。東二溝剖面玉爾吐斯組沉積中Fe/Ti比值為7.98～287.76，平均值為49.27，(Fe+Mn)/Ti比值為9.31～320.11，平均值為53.82(表1)，同樣表明玉爾吐斯組沉積時有海底熱液的參與。以δEu、Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值反應(yīng)熱液活動強弱，縱向上玉爾吐斯組熱液活動具有由弱到強再減弱的特征，熱液活動主要集中在玉爾吐斯組的中下部，上部熱液活動不明顯或較弱(圖3)。

3.2古海洋生產(chǎn)力

海洋生產(chǎn)力反映了生物通過同化作用生產(chǎn)或積累有機物的能力[27]。對于古海洋而言，古海洋生產(chǎn)力的直接測定是不可能的。古海洋生產(chǎn)力的研究常用生物沉積物、化學(xué)元素、古生物等指標(biāo)來替代[28]。隨著現(xiàn)代分析測試技術(shù)的進(jìn)步及其分析精度的提高，地球化學(xué)指標(biāo)在古海洋研究中的作用日益突出，常用來反應(yīng)古生產(chǎn)力的地球化學(xué)指標(biāo)包括Al、Al/Ti、P、Ba、Ba/Ti等[29-31]。

表1　塔里木盆地東二溝剖面樣品元素數(shù)據(jù)

注：TOC、Al2O3、TFe2O3單位為%，其余元素單位為μg/g。

圖2　東二溝剖面玉爾吐斯組稀土元素配分模式Fig.2　REE pattern of Yuertusi Formation at Dongergou section

圖3　東二溝剖面玉爾吐斯組熱液活動的地球化學(xué)特征Fig.3　Geochemical characteristics of hydrothermal activities of Yuertusi Formation at Dongergou section

單一元素受沉積速率等因素的影響較大，而通過元素比值可以抵消沉積速率等變化的影響[31]，且Al和Ti元素受成巖作用的影響較小，因此本文采用Al/Ti 的比值來做為反應(yīng)古海洋生產(chǎn)力的指標(biāo)。由于Al/Ti比值受陸源物質(zhì)的影響較大，僅在受陸源物質(zhì)含量較小的情況下適用[30]。Krycetal.[32]在太平洋和南極半島的研究表明，陸源物質(zhì)小于3%～5%時，Al/Ti可以作為替代古生產(chǎn)力的指標(biāo)。Yarinciketal.[33]在研究卡里亞科盆地時同樣指出Al/Ti作為古產(chǎn)力指標(biāo)時，陸源物質(zhì)必須小于5%。根據(jù)Ti/TiPAAS計算陸源物質(zhì)含量[34]，東二溝剖面除3個樣品陸源物質(zhì)含量超過5%外，其余樣品的陸源物質(zhì)含量都小于5%，平均值為4.66%，總體陸源物質(zhì)的含量較少。因此可以用Al/Ti來作為反應(yīng)古生產(chǎn)力的指標(biāo)。

圖4　東二溝剖面玉爾吐斯組古生產(chǎn)力的地球化學(xué)特征Fig.4　Geochemical characteristics paleoproductivity of Yuertusi Formation at Dongergou section

從東二溝剖面玉爾吐斯組Al/Ti隨深度變化的曲線可以看出，Al/Ti比值變化的范圍不大，主要分布在12.8～31.12之間，平均值為21.08。玉爾吐斯組下部的Al/Ti比值較大，平均值為25.28，大于上部的16.88，反應(yīng)了玉爾吐斯組沉積早期，古生產(chǎn)力水平較高。總體看來，由下往上，玉爾吐斯組古生產(chǎn)力水平逐漸下降(圖4)。

3.3保存條件

保存條件是沉積物中有機質(zhì)能否富集的關(guān)鍵因素之一。一般來說，缺氧環(huán)境有利于有機質(zhì)的富集和保存，是優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的重要條件之一。由于Cr、U、V、Ni等微量元素對沉積水體中的氧化還原條件比較敏感，且在成巖過程中幾乎不發(fā)生遷移，反應(yīng)了沉積時的原始條件，所以它們是用來恢復(fù)水體氧化還原條件的理想指標(biāo)[35]。本文采用V/Cr、V/(V+Ni)和Ni/Co作為氧化還原條件的替代指標(biāo)。地球化學(xué)家認(rèn)為:常氧環(huán)境V/Cr<2.00、V/(V+Ni)<0.46、Ni/Co<5.00；貧氧環(huán)境2.004.25、V/(V+Ni)> 0.6、Ni/Co>7.00[35-36]。

從圖5中可知，東二溝剖面玉爾吐斯組V/Cr比值主要介于2～4之間，表明玉爾吐斯組沉積時為貧氧的沉積環(huán)境，V/(V+Ni)比值大于0.46，主要分布在0.6附近，表現(xiàn)為貧氧—厭氧的特征。與V/Cr和V/(V+Ni)比值不同，Ni/Co比值大多數(shù)表現(xiàn)為厭氧的特征，這可能是由于成巖作用使Co元素再活化，造成Co元素減少而引起的[37]，但Ni/Co縱向上的變化規(guī)律與V/Cr和V/(V+Ni)相同。因此，東二溝剖面玉爾吐斯組沉積時為貧氧—厭氧的水體環(huán)境(圖5)。

圖5　東二溝剖面玉爾吐斯組氧化還原的地球化學(xué)特征Fig.5　Geochemical characteristics of paleoredox of Yuertusi Formation at Dongergou section

4　熱液活動對烴源巖發(fā)育的影響

以δEu反應(yīng)熱液活動，Al/Ti比值表示古生產(chǎn)力水平，V/Cr和V/(V+ Ni)比值代表氧化還原環(huán)境，結(jié)合TOC值，研究了熱液活動對東二溝剖面玉爾吐斯組烴源巖發(fā)育的影響(圖6)。

東二溝剖面玉爾吐斯組Al/Ti比值變化的范圍不大，下部Al/Ti比值分布在19.7～31.12之間，平均值為25.28，上部Al/Ti值為12.8～21.33，平均值為16.88，下部的古生產(chǎn)力高于上部。根據(jù)δEu縱向上的變化，玉爾吐斯組沉積時的熱液活動主要集中在下部。因此玉爾吐斯組下部較高的古生產(chǎn)力水平可能與熱液活動有關(guān)，在熱液活動較強時，古生產(chǎn)力同樣存在一個明顯的突變(圖6)，這可能與熱液活動時帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。雖然玉爾吐斯組下部古生產(chǎn)力水平較高，處于貧氧—厭氧的沉積環(huán)境，但其TOC含量卻比較低，7個樣品中TOC含量為0.01%～3.58%，平均值為0.64%，但其中僅有DE-6和DE-7兩個樣品TOC含量大于0.5%，整體上烴源巖并不發(fā)育。雖然玉爾吐斯組中上部的古生產(chǎn)力水平較低、保存條件與下部相似，但熱液活動較弱(圖6)，其TOC含量反而較高，6個樣品中TOC含量為0.06%～12.19%，平均值為8.95%，僅有DE-16一個樣品TOC含量<0.5%，是烴源巖的發(fā)育層段。

東二溝剖面玉爾吐斯組沉積時，古生產(chǎn)力水平和氧化還原條件比較相似，僅在熱液活動方面存在明顯的差異性，因此熱液活動是造成下部和中上部TOC差異的主要原因。玉爾吐斯組內(nèi)部硅質(zhì)巖的微量和稀土元素特征表明其屬熱水沉積作用形成。露頭剖面下部硅質(zhì)巖大量發(fā)育，中上部硅質(zhì)巖較少也與熱液活動的總體特征相符，因此硅質(zhì)巖是熱液活動的直接物質(zhì)表現(xiàn)。剖面上玉爾吐斯組內(nèi)部的硅質(zhì)巖主要為黑色，厚度穩(wěn)定，與黑色泥巖接觸界線清楚。鏡下薄片觀察顯示，硅質(zhì)巖為深褐色，內(nèi)部含有豐富的有機質(zhì)，以藻類體為主，藻類體以綠藻、底棲紅藻為主(圖7)。因此玉爾吐斯組下部TOC含量較低，可能是由于強烈的熱液活動，帶來大量的富硅流體，在沉積了大套硅質(zhì)巖的同時，稀釋了沉積物中的有機質(zhì)所造成的，也就是說強烈的熱液活動破壞了玉爾吐斯組下部烴源巖的發(fā)育環(huán)境。

圖6　東二溝剖面玉爾吐斯組地球化學(xué)特征參數(shù)及有機碳豐度關(guān)系Fig.6　Geochemical characteristics and TOC of Yuertusi Formation at Dongergou section

5　結(jié)論

δEu、Fe/Ti和(Fe +Mn)/Ti比值研究表明，玉爾吐斯組下部沉積時具有較強的熱液活動，熱液活動帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了生古產(chǎn)力水平的提高，但也帶來了大量的富硅流體，在沉積大套硅質(zhì)巖的同時，對沉積物中富集的有機質(zhì)造成了稀釋，造成TOC含量較低，7個樣品中僅2個樣品TOC含量大于0.5%；而玉爾吐斯組中上部的古生產(chǎn)力水平、保存條件與下部相似，但熱液活動較弱，形成了對有機質(zhì)保存的有利因素，6個樣品的TOC含量平均值為8.95%，是較好的烴源巖層段。綜上所述，熱液流體強烈活動時，帶來的富硅流體會造成沉積物中有機質(zhì)的稀釋，不利于形成有利的烴源巖層段。

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Influence on Formation of Yuertusi Source Rock by Hydrothermal Activities at Dongergou Section, Tarim Basin

CHU ChengLin1CHEN QiangLu1ZHANG Bo2SHI Zheng1JIANG HaiJian1YANG Xin1

(1.Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Research Institute of Petroleum Exploration and Development,SINOPEC, Wuxi, Jiangsu 214126, China;2. Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen 625003, Russia)

Based on geochemical analyses of Yuertusi Formation at Dongergou section of Tarim basin, trace elements and rare earth elements are used to probe paleoenvironmental conditions．Using δEu, Fe/Ti and (Fe+Mn)/Ti ratios for the interpretation of hydrothermal activity, Al/Ti ratios as paleoproductivity proxies and V/Cr, V/(V+Ni) and Ni/Co ratios as paleoredox proxies, the relationship of hydrothermal activity, paleoproductivity, paleoredox and total organic carbon was discussed. The data shows that Yuertusi Formation was deposited under dominantly euxinic conditions with a low paleoproductivity and that the lower part of the section experienced a strong hydrothermal activities. Although the hydrothermal activities improve the paleoproductivity of the lower part, the total organic carbon is low and ranges from 0.01% to 3.58% with an average of 0.64%. The middle-upper part of the section have a weak hydrothermal activities, but the total organic is high and ranges from 0.06% to 12.19% with an average of 8.95%. There are plenty of algal in the thin section of cherts related with hydrothermal activities. The study suggests that strong hydrothermal activities provided a lot of silica-rich fluid, which diluted the organic matter in the sediments and destroyed the formation of high-quality source rocks.

hydrothermal activity; source rock; Yuertusi Formation; Tarim Basin

A

1000-0550(2016)04-0803-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.04.020

2015-07-07； 收修改稿日期： 2015-09-22

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2012CB214801)；中國石化科技部項目(P12004)[Foundation: National Key Basic Research Project (973 Project), No. 2012CB214801; Project of Science and Technology Department of SINOPEC, No. P12004]

儲呈林男1982年出生博士沉積盆地分析E-mail：cclin7101@126.com

TE121.32