泌陽凹陷核桃園組三段富有機質(zhì)泥頁巖形成環(huán)境及發(fā)育模式

譚昭昭，王偉明，李文浩，盧雙舫，何濤華，程澤虎

1.中國石油大學(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東青島 266580 2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580

0 引言

在全球碳循環(huán)中，有機碳主要保存在沉積有機質(zhì)中[1]。影響有機質(zhì)富集的因素有很多，主要包括古生產(chǎn)力，有機質(zhì)保存條件，陸源碎屑輸入，沉積速率，古氣候及和海(湖)平面升降[2-4]。20世紀80年代以來，關于有機質(zhì)富集存在兩種學派，其中Calvert[5]和Pedersenetal.[6]等認為海相沉積體系中水體的生物產(chǎn)率是控制海相烴源巖發(fā)育的最重要的因素，而不是還原環(huán)境控制了沉積物中有機質(zhì)的分布與發(fā)育，但是Demaisoetal.[7]和Tysonetal.[8-9]強調(diào)烴源巖形成的主控因素是水體的缺氧環(huán)境，而與生物產(chǎn)率無關。目前，越來越多的人認為有機質(zhì)富集受多因素控制，如Stowetal.[10]認為有機質(zhì)富集的控制因素為有機質(zhì)供給、地層水缺氧、有機質(zhì)快速埋藏等；陳踐發(fā)等[11]認為海相烴源巖的形成受到古氣候條件、古生產(chǎn)力、氧化還原環(huán)境和沉積速率影響，其中古生產(chǎn)力和氧化還原環(huán)境為主控因素；張寶民等[12]認為海洋高生產(chǎn)力是根本，缺氧還原是關鍵，低沉積速率是基礎，前者強調(diào)的是生烴母質(zhì)生物的生存、繁衍環(huán)境，后兩者強調(diào)的是生烴母質(zhì)的保存條件，三者缺一不可；Lietal.[13-14]認為南海北部海相烴源巖的形成受控于古氣候條件、古生產(chǎn)力和氧化還原環(huán)境及陸源高等植物輸入量，其中前兩者為主要控制因素。

由于湖泊水體范圍較小，其沉積環(huán)境要比海洋的沉積環(huán)境變化更為頻繁，具體表現(xiàn)為水體鹽度，pH值，湖泊生產(chǎn)力以及陸源碎屑物質(zhì)的輸入變化顯著[15-16]。Carrolletal.[17]認為坳陷型盆地中有效烴源巖規(guī)模和生烴能力受坳陷幅度和湖平面變化的影響，湖盆鼎盛發(fā)育期所對應的高位體系域發(fā)育期越長，優(yōu)質(zhì)烴源巖越發(fā)育。Goncalves[16]和 Harrisetal.[18]認為在湖盆晚坳陷階段陸源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入使得初級生產(chǎn)力得到了提高。對于沉積介質(zhì)環(huán)境，張文正等[19-20]通過巖石學和元素地球化學分析后，認為長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育于淡水—微咸水沉積環(huán)境的半深湖—深湖亞相。

泌陽凹陷古近系核桃園組三段發(fā)育一套富有機質(zhì)的湖相泥頁巖，是該區(qū)主要的生油與儲集巖段。前人主要側重于泥頁巖有機質(zhì)豐度、類型和成熟度，儲集空間類型，物性特征以及可采性等方面的研究[21-25]，但是對于核桃園組三段沉積時期頻繁的湖泊沉積環(huán)境變化導致的湖相泥頁巖強烈的非均質(zhì)性認識不足，尤其是對于富有機質(zhì)泥頁巖形成環(huán)境及發(fā)育模式研究相對薄弱，因此研究該套湖相烴源巖的形成環(huán)境，有助于進一步認識泌陽凹陷核桃園組三段富有機質(zhì)泥頁巖的分布和形成機制，為頁巖油勘探開發(fā)提供參考意見。

1 地質(zhì)背景

泌陽凹陷位于河南省南部，為南襄盆地的一個次級構造單元，是個中新生代的小型斷陷盆地，盆地可以劃分為四個構造帶：南部陡坡構造帶、東部斷裂構造帶、中央深凹陷帶和北部緩坡構造帶(圖1)。前人研究認為，泌陽凹陷核桃園組泥頁巖具備較好的陸相頁巖油形成條件[24-25]，其湖相泥頁巖平面上主要分布在深凹區(qū)，縱向上主要發(fā)育在古近系核桃園組核二段—核三段[25]，該地層沉積時期湖盆經(jīng)歷了頻繁的水體鹽度變化，核三段上部、核二段下部發(fā)育天然堿礦，水體鹽度相對較大[26-27]。核桃園組三段可細分為Ⅰ～Ⅷ共8個油組，厚度達1 100～1 700 m，巖性主要為灰色泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖、頁巖以及粉砂巖[26]，其中2、3油組巖性以泥頁巖和泥質(zhì)白云巖為主，局部夾少量粉砂巖，泥頁巖段賦存的生物化石種類多、數(shù)量豐富，具有較高的有機碳含量，是頁巖油有利的生油和聚集層段[22]。本次研究取芯樣品來自于泌94井和泌頁HF1井核三段，兩口井均位于中部凹陷帶(圖1)，屬于半深湖—深湖沉積亞相。由于核三段沉積時期水體沉積環(huán)境不斷發(fā)生變化，湖盆內(nèi)泥頁巖有機質(zhì)的富集在縱向上存在著較大的非均質(zhì)性，尤其是總有機碳含量。本文以核桃園組三段2油組和3油組為例，重點探討了兩油組泥頁巖層地球化學特征及形成環(huán)境，以期揭示湖盆內(nèi)富有機質(zhì)泥頁巖形成的主控因素及其發(fā)育模式，為揭示泥頁巖縱向非均質(zhì)性提供理論依據(jù)。

2 樣品與實驗分析

本次研究的30個泥頁巖樣品來源于泌94井的核桃園組三段2油組(16個)和泌頁HF1井核桃園組三段3油組(14個)，兩口井均位于中部凹陷帶，屬于半深湖—深湖沉積亞相。樣品設計了四個實驗，分別為Rock-Eval(實驗樣品數(shù)30個)，GC-MS(實驗樣品數(shù)13個)，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，實驗樣品數(shù)21個)以及X熒光光譜(XRF，實驗樣品數(shù)21個)分析。Rock-Eval，GC-MS實驗由大慶油田研究院完成，ICP-MS和XRF則在南京大學內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成，其中XRF儀器采用Thermal 9900型X熒光光譜儀，ICP-MS儀器采用德國耶拿公司的Aurora M90。

圖1 南襄盆地泌陽凹陷構造單元Fig.1 Tectonic units of Biyang sag, Nanxiang Basin

3 結果與討論

3.1 富有機質(zhì)泥頁巖地球化學特征

Rock-Eval分析被普遍用于區(qū)分有機質(zhì)類型和評價生烴潛力。核桃園組三段2油組泥頁巖氫指數(shù)分布在28.81～818.23 mg HC/g TOC，有機質(zhì)類型從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布(圖2)；而3油組泥頁巖氫指數(shù)主要分布在318.12～931.25 mg HC/g TOC，有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主(圖2)，其中水生生物貢獻占主導。核桃園組三段2油組TOC含量分布在0.22%～3.58%，平均值為1.93%(圖3)，但是3油組TOC分布在1.8%～5.09%，平均值為3.37%(圖3)。整體來看，3油組泥頁巖有機質(zhì)更為富集，且有機質(zhì)類型更好。

圖2 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖IH-Tmax交會圖Fig.2 Variation of hydrogen index as a function of Tmaxfor shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

圖3 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖TOC分布圖Fig.3 TOC distribution of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

3.2 富有機質(zhì)泥頁巖形成環(huán)境

3.2.1 古水深

古水深分析對于古環(huán)境重建和盆地演化研究具有重要意義。近些年來對現(xiàn)代沉積物元素地球化學的研究發(fā)現(xiàn)，元素的聚集和分散與水盆深度具有一定的相關性。這一性質(zhì)主要是元素在沉積過程中所發(fā)生的機械分異作用、化學分異作用和生物化學分異作用的結果。例如，金屬元素含量比Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)被廣泛用于古水深研究，它們的比值隨著水體的增加而呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢[28-29]。研究區(qū)3油組泥頁巖Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)平均值分別為23.01和1.30，而2油組泥頁巖Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)則呈現(xiàn)相對高值，平均值分別為61.09和1.83(表1)，這表明3油組沉積時期，湖盆古水深相對較深，而2油組沉積時期，湖盆古水深相對變淺。

3.2.2 氧化還原環(huán)境

有機質(zhì)在還原環(huán)境下能夠較好地聚集并保存下來[7]。Pr/Ph是判斷氧化還原環(huán)境的重要參數(shù)[30]。2油組和3油組泥頁巖都具有較低的Pr/Ph值，分布在0.36～0.86(表2、圖4a)，表明湖盆底部水體均具有較強的還原性。通常V/(V+Ni)的比值也可以用來指示水體氧化強度，其比值大于0.54為缺氧環(huán)境，小于0.54為富氧環(huán)境[31]。V/(V+Ni)比值表明2油組和3油組水體環(huán)境都處于缺氧環(huán)境之下(圖5a、表1)。Ce異常與氧化還原環(huán)境有很好的對應關系，Ceanom>-0.1表示Ce富集，反映水體缺氧的還原環(huán)境；而Ceanom<-0.1表示Ce虧損，反映水體氧化環(huán)境[32-33]。2油組和3油組一共21個樣品，其Ceanom均大于-0.1(表1)，表明湖盆底部水體處于還原環(huán)境，有利于沉積有機質(zhì)的保存。

3.2.3 水體鹽度

水體鹽度是富有機質(zhì)形成的一個重要因素，高鹽度的水體能夠使底層水形成一個缺氧環(huán)境[34]，有利于有機質(zhì)的保存，但是同時超咸水環(huán)境不易于湖泊生物的生存與繁殖。伽馬蠟烷普遍被用于揭示有機質(zhì)的沉積環(huán)境，高的伽馬蠟烷常常與高鹽度和水體分層有關[30,35-36]。研究區(qū)具有相對較高的伽馬蠟烷(圖6)，伽馬蠟烷指數(shù)(伽馬蠟烷/C30藿烷)分布在0.22～1.31，平均值0.61(表2)，說明核桃園組三段沉積時期水體具有相對較高的鹽度。但是對比2油組與3油組，不難發(fā)現(xiàn)湖泊水體鹽度變化較大，2油組泥巖伽馬蠟烷指數(shù)分布在0.52～1.31，平均值為0.93，3油組頁巖伽馬蠟烷指數(shù)分布在0.22～0.71，平均值為0.34，明顯低于2油組(圖4b)，表明2油組沉積時期湖泊水體處于分層較好的超咸水環(huán)境，而3油組沉積時期則處于微咸水—半咸水環(huán)境。Sr與Ba因其在不同沉積環(huán)境中地球化學行為的差異而被廣泛應用于古鹽度指示[37]，Sr/Ba比值越高，鹽度越高，反之越低[38]。核桃園組三段2油組泥巖Sr/Ba平均值為1.43明顯高于3油組頁巖(平均值0.77)(圖5b)，進一步證實2油組沉積時期水體屬于超咸水環(huán)境，而3油組沉積時期水體處于半咸水—微咸水環(huán)境。盡管超咸水環(huán)境有利于有機質(zhì)的保存，但是也抑制了藻類等水生生物的生長，隨著Sr/Ba值的增加，泥頁巖TOC值卻逐漸降低(圖7a)。因此2油組沉積時期高鹽度的水體環(huán)境降低了湖泊生產(chǎn)力。

表1 泌陽凹陷核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖常微量元素參數(shù)表

注：Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]，CeN、LaN和NdN為球粒隕石標準化值。

表2 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖生物標志物參數(shù)表

注：Ga/C30H=伽馬蠟烷/C30藿烷；S/H=甾烷/藿烷；4MSI=4-甲基甾烷/C29甾烷。

圖4 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖生物標志化合物參數(shù)分布圖Fig.4 Biomarker parameters distribution of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

圖5 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖常微量元素參數(shù)分布圖Fig.5 Major and trace element parameters distribution of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

3.2.4 古生產(chǎn)力

汪品先等[39]指出無論湖底是否缺氧，只要湖水表面存在較高的生產(chǎn)力，湖底就能形成優(yōu)質(zhì)烴源巖，而藻類勃發(fā)是造成高生物生產(chǎn)力的過程之一[40]。甾烷參數(shù)能夠很好解釋海洋和湖泊體系的初級生產(chǎn)力[40-42]，4-甲基甾烷主要來源于藻類[43]，而甲藻普遍被認為是它們的先質(zhì)[43-44]，核桃園組三段3油組頁巖含有高的4-甲基甾烷，而2油組基本不含4-甲基甾烷(圖6)，4MSI值(4-甲基甾烷/ΣC29甾烷)差異明顯，3油組頁巖4MSI值明顯高于2油組泥巖(圖4c)，表明3油組頁巖甲藻對湖泊古生產(chǎn)力的貢獻更大。此外，甾烷與藿烷的相對含量可以反映藻類和高等植物以及細菌對有機質(zhì)的貢獻，高的甾烷類/藿烷類化合物比值指示有機質(zhì)主要來源于浮游生物和底棲藻類等真核生物，低的甾烷類/霍烷類化合物比值與細菌等原核生物有關[45]。3油組頁巖S/H(甾烷/藿烷)平均值為0.86，明顯高于2油組(平均值為0.33)(圖4d)，表明3油組沉積時期湖泊浮游生物更為繁盛，2油組低的S/H值可能與細菌對其有機質(zhì)貢獻有關，因為2油組沉積時期湖泊水體鹽度較大，而高鹽度湖泊中主要的生物是親鹽型的古細菌和藻類。

湖泊含有豐富的營養(yǎng)元素是其具有較高生產(chǎn)力的前提，湖侵作用帶來的大量營養(yǎng)物質(zhì)有利于水生生物的繁盛。磷含量和Al/Ti比值被廣泛用于研究古生產(chǎn)力的指標[14,46]。核桃園組三段3油組頁巖P含量和Al/Ti平均值分別為0.18%和25.83，而2油組泥巖為0.09%和22.87(表1)，相比于2油組，3油組沉積時期高的P元素含量及高的Al/Ti比值(圖5c，d)指示湖泊高度富營養(yǎng)化，導致藻類數(shù)量增多及藻類型的變化(圖8)。隨著Al/Ti比值的增大，泥頁巖TOC逐漸增大(圖7b)。因此核桃園組三段3油組沉積時期高的湖泊生產(chǎn)力是泥頁巖有機質(zhì)富集的主控因素。

圖6 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖飽和烴質(zhì)量色譜圖Fig.6 Mass chromatograms of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

圖7 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖常微量元素參數(shù)與TOC關系圖Fig.7 Relationship of major and trace elements between TOC for shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

3.2.5 陸源有機質(zhì)的輸入

生物標志化合物是指示有機母質(zhì)生源的良好指標，通常，來源于陸源高等植物的正構烷烴主峰碳在nC25～nC35之間；來源于藻類等水生生物的正構烷烴主峰碳在nC17～nC23之間[47]。同樣，規(guī)則甾烷C27～C29也可以用來判斷有機質(zhì)母質(zhì)類型，高含量的規(guī)則甾烷C27表明有機質(zhì)中藻類占優(yōu)勢，而高含量的C29指示高的陸源高等植物輸入[48]。2油組主峰碳以高碳數(shù)為主，且為后峰型或雙峰型，C29占明顯優(yōu)勢；而3油組則以低碳數(shù)為主，前峰型，C27與C29相對均衡(圖6)。表明2油組沉積時期陸源有機質(zhì)貢獻比3油組大。

3.2.6 陸源碎屑的稀釋作用

源區(qū)陸源碎屑物質(zhì)的輸入對于有機質(zhì)的富集起到很重要的作用，主要是因為陸源碎屑輸入的同時帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，使得藻類大量繁殖，但過多的陸源碎屑物質(zhì)輸入會對生產(chǎn)力造成一定的稀釋作用[14,21]。通常，可以利用元素的遷移和沉積分異原理進行陸源碎屑物質(zhì)輸入程度的定性研究。元素鈦(Ti)主要集中在黏土礦物中，需通過水流的搬運才能入湖，因而可以用來指示陸源碎屑物質(zhì)的輸入程度[38]。一般而言，Ti元素含量越高，陸源碎屑物質(zhì)輸入越多[3]。核桃園組三段2油組Ti元素含量(0.28%～0.55%，平均值0.35%，表1)高于3油組(0.19%～0.37%，平均值0.24%)，說明2油組沉積時期陸源碎屑物質(zhì)的輸入量相對較高，對湖泊生產(chǎn)力稀釋作用更強，從而使有機質(zhì)富集程度降低。

3.3 富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育模式

在核桃園組三段3油組沉積時期，湖盆整體處于湖侵體系域，相對低的Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)值表明湖泊水體較深，水體處于微咸水—半咸水環(huán)境(伽馬蠟烷指數(shù)分布為0.22～0.71，Sr/Ba<1)，水體分層穩(wěn)定，Pr/Ph<1，Ceanom>-0.1，V/(V+Ni)平均值為0.70，均指示湖泊底部水體處于缺氧的還原環(huán)境(圖9A)，有利于有機質(zhì)的保存。高的P含量和Al/Ti值說明湖泊具有較高的生產(chǎn)力，生物標志化合物上具有高含量的4-甲基甾烷和高的甾烷/藿烷值，表明湖泊浮游生物極其繁盛(圖9A)，該時期湖泊高生產(chǎn)力是有機質(zhì)富集的主控因素。

在核桃園組三段2油組沉積時期，湖盆整體處于湖退體系域，湖泊水體蒸發(fā)強烈且沉降速率較低，使得湖盆水體鹽度較大(高的伽馬蠟烷指數(shù)和高的Sr/Ba值)，分層明顯，限制水體循環(huán)，形成缺氧環(huán)境(Pr/Ph<1，Ceanom>-0.1，V/(V+Ni)平均值為0.75)，分層水體和缺氧環(huán)境有利于有機質(zhì)的保存，但是高鹽度水體環(huán)境在一定程度上抑制了藻類的生長，降低了湖泊生物產(chǎn)率(圖9B)。與3油組相比，2油組泥頁巖沉積時期相對較低含量P和Al/Ti值表明湖泊具有中等生產(chǎn)力(圖9B)。此外生物標志化合物上具有低的甾烷/藿烷值，湖泊浮游生物不發(fā)育。從陸源有機質(zhì)的貢獻來看，核桃園組三段2油組正構烷烴主峰碳以高碳數(shù)為主，多為后峰型或雙峰型，規(guī)則甾烷C29占明顯優(yōu)勢，說明其陸源有機質(zhì)的貢獻相對較大。高含量的陸源碎屑物質(zhì)輸入(高含量的Ti，平均值為0.35%)在一定程度上稀釋了湖泊生產(chǎn)力，不利于有機質(zhì)的富集(圖9B)。

圖8 H80，2 431.89 m，泌頁HF1井3油組頁巖反射熒光顯微照片F(xiàn)ig.8 Maceral photographs of shale at 2 431.89 m (H80, Biye HF1 Well) from 3 beds in the third member of Hetaoyuan Formation

圖9 泌陽凹陷核桃園組三段2油組與3油組富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育模式A. 3油組富有機質(zhì)頁巖發(fā)育模式；B. 2油組富有機質(zhì)泥巖發(fā)育模式Fig.9 Deposition models for rich-organic shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

4 結論

(1) 核桃園組三段2油組泥頁巖有機質(zhì)類型從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布，TOC平均值為1.93%；而3油組泥頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，TOC平均值為3.37%。整體來看，3油組泥頁巖有機質(zhì)更為富集，且有機質(zhì)類型更好。

(2) 核桃園組三段2、3油組沉積時期水體處于超咸水—微咸水環(huán)境，水體分層穩(wěn)定，但是從3油組到2油組沉積時期，湖泊水體深度逐漸變淺，水體由微咸水向超咸水轉化。整體上，湖泊處于缺氧的還原環(huán)境，有利于有機質(zhì)的保存。

(3) 3油組沉積時期湖泊高的生產(chǎn)力是有機質(zhì)富集的主要控制因素，而2油組沉積時期湖泊具有中等生產(chǎn)力，一定的陸源有機質(zhì)的輸入為該時期富有機質(zhì)泥頁巖的形成提供了條件。