渤海灣盆地渤南洼陷沙河街組三段下亞段巖相特征及有機(jī)質(zhì)富集成因

王雨菡，丁偉銘，劉 璇，魏 韌，董 琳

(北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100083)

中國頁巖油氣分布范圍廣，在揚(yáng)子、華北、塔里木地區(qū)，松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地、柴達(dá)木盆地中-新生界以及渤海灣盆地的古生界中都有發(fā)育[1]。其中渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷頁巖油氣資源豐富，沙河街組四段、沙河街組三段和沙河街組一段都是較好的儲油層。沙河街組三段(沙三)下亞段由于盆地劇烈沉降，湖盆發(fā)育廣泛，陸源物質(zhì)輸入較多，沉積了面積廣、厚度大并含碎屑組分的碳酸鹽巖，蘊(yùn)含著大量頁巖油，是最有利的勘探區(qū)之一[2]。

前人對于渤南洼陷碳酸鹽巖進(jìn)行了大量的研究，將渤南洼陷沙三下亞段分為14個層組，并且根據(jù)孔隙度和含油飽和度等確認(rèn)12下層組和13上層組為頁巖油重點(diǎn)產(chǎn)出層位[2-4]。前人的研究主要集中在對優(yōu)質(zhì)儲層儲集物性的探究上，而對優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成過程和機(jī)理研究較少，這在一定程度上制約著勘探開發(fā)的進(jìn)一步進(jìn)行。古生產(chǎn)力與氧化還原條件直接控制著有機(jī)物的產(chǎn)生以及再礦化的過程，油氣的產(chǎn)生(生烴過程)以及埋藏、保存過程與沉積、成巖環(huán)境也有著密不可分的聯(lián)系[5-7]。因此，完善上述的基礎(chǔ)沉積學(xué)及關(guān)于古環(huán)境、古氣候的研究，將對尋找有機(jī)質(zhì)富集層位有著重要的意義。

本次研究對區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)井L69井進(jìn)行現(xiàn)場巖心觀察、高密度精細(xì)取心及薄片鑒定，細(xì)致描述L69井巖相，從地球化學(xué)角度，運(yùn)用主微量元素測試、無機(jī)碳、氧同位素測試、有機(jī)碳同位素、有機(jī)氮同位素測試，反演沙三下亞段沉積的氧化還原環(huán)境，并結(jié)合有機(jī)、無機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)，探討了有機(jī)質(zhì)聚集和賦存的機(jī)理。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況及樣品

渤南洼陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷中部的一個三級構(gòu)造單元(圖1)，是渤海灣盆地中-新生代裂谷盆地的一部分，面積約600 km2。渤南洼陷的形成主要受燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動影響，燕山運(yùn)動形成了羅西斷層、孤西斷層等北西-南東向斷層，喜馬拉雅運(yùn)動形成了義東斷層、義南斷層、孤北斷層等北東-南西向斷層，并對早期斷層進(jìn)行改造，形成了現(xiàn)今凹凸相間的構(gòu)造格局。渤南洼陷北以埕南斷層與埕東凸起相接，南以緩坡過渡到陳家莊凸起，西以義東斷層與義和莊凸起相接，東以孤西斷層與孤島凸起相接，是一個北陡南緩的箕狀斷陷盆地[8]。

圖1 沾化凹陷渤南洼陷構(gòu)造位置 [3]Fig.1 The location of Bonan Sag in Zhanhua Depression[3]

渤海灣盆地在古近紀(jì)經(jīng)歷了斷陷初始期、發(fā)育期、鼎盛期和萎縮期，依次發(fā)育了孔店組、沙河街組和東營組。在新近紀(jì)盆地從斷陷期進(jìn)入拗陷期，發(fā)育館陶組和明化鎮(zhèn)組，在第四紀(jì)發(fā)育平原組。其中沙河街組可分為4段，從下向上依次為沙河街組四段、沙河街組三段、沙河街組二段和沙河街組一段。沙河街組三段下亞段是在湖盆斷陷鼎盛期沉積的暗色泥巖和碳酸鹽巖互層的沉積地層，分布廣、厚度大，是渤南洼陷頁巖油氣最有利的儲層，是本文研究的目標(biāo)層位。L69井是渤南洼陷沙三下亞段的重點(diǎn)取心井，在2 911.0～3 140.7m進(jìn)行了全井段取心，完整記錄了沙三下亞段的沉積。本項(xiàng)研究對L69井進(jìn)行密集取樣，采集樣品171塊，開展了巖心描述和薄片鑒定等系統(tǒng)沉積學(xué)工作，并進(jìn)行了主微量元素、有機(jī)碳、氮同位素及無機(jī)碳氧同位素測試等地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.2 巖性和礦物成分

渤南洼陷沙三下亞段主要發(fā)育碳酸鹽巖，礦物成分主要為方解石、粘土礦物和石英，含少量長石、白云石、黃鐵礦。方解石主要是泥晶方解石，次為亮晶方解石，亮晶方解石表現(xiàn)為針狀和塊狀兩種晶型，粘土礦物主要為伊-蒙混層和伊利石，也有少量高嶺石及綠泥石，常與泥晶方解石混合。石英及長石形狀不規(guī)則且分選磨圓較差。黃鐵礦主要以分散狀分布在粘土和泥晶方解石上，偶見小團(tuán)塊及分散在粘土紋層上的黃鐵礦紋層。有機(jī)質(zhì)呈分散狀、紋層狀分布在粘土上，類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主[8]，指示浮游藻類和細(xì)菌是有機(jī)質(zhì)的主要來源。

1.3 巖相分類

L69井巖心樣品均呈深灰色且發(fā)育致密，宏觀可見塊狀、微弱紋層狀和紋層狀構(gòu)造，鏡下可觀察到塊狀、透鏡狀及紋層狀構(gòu)造。通過系統(tǒng)的沉積學(xué)研究，鑒定出如下巖相：塊狀泥晶灰?guī)r、透鏡狀泥晶灰?guī)r、紋層狀泥晶灰?guī)r、紋層狀亮晶灰?guī)r、塊狀微亮晶灰?guī)r、塊狀泥晶白云巖、紋層狀泥晶白云巖，以及極少量的砂巖和生物碎屑灰?guī)r，其中前4種占比例最大，詳細(xì)特征如下文所述。

1) 塊狀泥晶灰?guī)r

塊狀泥晶灰?guī)r占巖心樣品的57%，主要發(fā)育在埋深2 910～3 020 m。 碳酸鹽含量平均為55.4%，以泥晶方解石為主，有極少量白云石化。粘土礦物與泥晶方解石混合，其余陸源碎屑分散狀分布，以石英為主，其次為長石，有機(jī)質(zhì)分散狀分布，介形蟲碎片廣泛分布，密度最高達(dá)5個/mm2，粗細(xì)不一，長度約100～1 000 μm，部分保存完好，部分殘缺(圖2a—c)。

2) 透鏡狀泥晶灰?guī)r

透鏡狀泥晶灰?guī)r占巖心樣品的17%，主要發(fā)育在埋深3 000～3 040 m及3 070～3 130 m。巖心樣品呈微弱紋層狀，碳酸鹽含量平均為64.1%，主要是泥晶方解石，有極少量白云石化。泥晶方解石呈規(guī)則橢圓形透鏡狀產(chǎn)出，長軸長100～500 μm，短軸長30～100 μm，同一區(qū)域的透鏡體大小和形態(tài)相近，長短軸比為2 ∶1～6 ∶1，密度低的1～10個/mm2。陸源碎屑分散狀分布，以石英為主，伴有長石，有機(jī)質(zhì)分散狀分布，介形蟲碎片比塊狀泥晶灰?guī)r中的少(圖2d—f)。

3) 紋層狀泥晶灰?guī)r

紋層狀泥晶灰?guī)r占巖心樣品的12%，主要發(fā)育在埋深3 055～3 130 m。碳酸鹽含量平均為71.1%，巖心樣品紋層發(fā)育，鏡下可觀察到泥晶方解石紋層、粘土紋層和有機(jī)質(zhì)紋層等，紋層厚度為0.1～0.5 mm，幾乎無介形蟲(圖2g—i)。

4) 紋層狀亮晶灰?guī)r

紋層狀亮晶灰?guī)r占巖心樣品的4%，主要發(fā)育在埋深3 040～3 090 m。碳酸鹽含量平均為70.8%，主要是亮晶方解石，顆粒大小在20～120 μm。巖心樣品紋層非常發(fā)育，鏡下可見亮晶方解石紋層、粘土紋層和有機(jī)質(zhì)紋層。紋層以水平為主，未見波狀和楔狀紋層，幾乎無介形蟲(圖2j—l)。紋層狀亮晶灰?guī)r與其他3種巖相有顯著不同，其孔隙度高、滲透性好，是L69井最有利的儲集層[2-4]。

2 地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

對L69井采集的171個樣品進(jìn)行了主微量元素、無機(jī)碳、氧同位素及有機(jī)碳、氮同位素測試，實(shí)驗(yàn)方法介紹如下。

1) 主微量元素

全巖樣品粉碎至200目左右，加入足量醋酸-醋酸銨溶液，搖勻靜置48 h，離心，取上清液稀釋后測試碳酸鹽組分元素含量。并將不溶的沉淀物洗過4遍去離子水后，烘干稱量碎屑組分質(zhì)量，移入PFA溶樣罐，依次加入濃HF和濃HNO3，加熱12 h后蒸干，再加入濃HNO3，加熱12 h后蒸干，仍有未溶解的加入濃HCl和濃HNO3，加熱12 h后蒸干，再加入1 mL 1N HCl，1 mL 1N HNO3，3 mL去離子水，配置成待測液，離心稀釋后上機(jī)測試碎屑組分元素含量。測試方法采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜分析法(ICP-OES)，在北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。

圖2 渤南洼陷L69井巖心樣品薄片照片F(xiàn)ig.2 Photographs showing the thin sections of core samples from Well L69,Bonan Saga.塊狀泥晶灰?guī)r巖心，埋深2 993 m；b.塊狀泥晶灰?guī)r(單偏光)，埋深2 969.5 m；c.塊狀泥晶灰?guī)r中的介形蟲碎片(單偏光)，埋深2 963.0 m；d.透鏡狀泥晶灰?guī)r巖心，埋深3 019 m；e.透鏡狀泥晶灰?guī)r，泥晶透鏡體排列整齊(單偏光)，埋深3 023.7 m；f.透鏡狀泥晶灰?guī)r，泥晶透鏡體排列整齊成條帶(單偏光)，埋深3 062.4 m；g.紋層狀泥晶灰?guī)r巖心，埋深3 099 m；h.紋層狀泥晶灰?guī)r，方解石紋層-粘土紋層-分散狀有機(jī)質(zhì)(單偏光)，埋深3 084.0 m；i.紋層狀泥晶灰?guī)r，方解石紋層-粘土分散-有機(jī)質(zhì)紋層(單偏光)，埋深3 126.8 m；j.紋層狀亮晶灰?guī)r巖心，埋深3 061 m；k.紋層狀亮晶灰?guī)r，針狀亮晶方解石紋層-粘土紋層(單偏光)，埋深3 062.8 m；l.紋層狀亮晶灰?guī)r，塊狀亮晶方解石紋層-有 機(jī)質(zhì)紋層(單偏光)，埋深3 087.3 m

2) 無機(jī)碳、氧同位素

取大于0.2 g樣品于小離心管中，送往美國路易斯安那州立大學(xué)地質(zhì)系地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3) 有機(jī)碳、氮同位素

將粉末樣品放入50 mL試管，加入20 mL 3N HCl，搖勻靜置48 h，離心，倒掉上清液，將未溶解的部分用去離子水洗至pH大于5，蒸干，此時(shí)得到碎屑組分。將部分沉淀放入PFA溶樣罐，依次加入4 mL濃HCl和6 mL濃HF，加熱4 h后，離心，倒掉上清液，加入10 mL濃HCl，蒸干，用去離子水洗至pH大于5，蒸干，此時(shí)得到干酪根組分，將兩部分蒸干后的粉末準(zhǔn)備燃燒測試，在美國路易斯安那州立大學(xué)地質(zhì)系地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。

2.2 成巖作用

在利用地化指標(biāo)分析沉積水體環(huán)境和有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制之前，需要先排除后期成巖作用對數(shù)據(jù)的影響。無機(jī)碳、氧同位素的相關(guān)性可以指示成巖作用，當(dāng)無機(jī)碳、氧同位素成正相關(guān)時(shí)，指示后期成巖作用強(qiáng)烈，所測的地化數(shù)據(jù)無法用于古環(huán)境恢復(fù)[9]。L69井巖心無機(jī)碳氧同位素相關(guān)性很差(圖3a)，這說明后期成巖改造作用較為微弱。

此外，還可以利用有機(jī)碳、氮同位素以及總有機(jī)碳含量(TOC)和總有機(jī)氮含量(TON)的相關(guān)性來探討巖性對成巖作用的影響。成巖作用會優(yōu)先消耗富13C的有機(jī)質(zhì)而保存富12C的有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致碳同位素發(fā)生負(fù)漂[10]；另外，有機(jī)質(zhì)的逸散也會使TOC和TON降低。為了探討4種巖相(塊狀泥晶灰?guī)r、透鏡狀泥晶灰?guī)r、紋層狀泥晶灰?guī)r和紋層狀亮晶灰?guī)r)的形成是否主要受控于成巖作用的影響，按巖相分組并關(guān)注不同巖相的樣品中TOC與TON的分布，以及干酪根有機(jī)碳、氮同位素的變化趨勢(圖3b，c)。如圖3所示，4種巖相樣品中全巖的TOC和TON無明顯分區(qū)，且干酪根有機(jī)碳、氮同位素?zé)o明顯分區(qū)，說明成巖作用可能并不是導(dǎo)致不同巖相產(chǎn)出的主要影響因素。同時(shí)，與上文碳酸鹽碳、氧同位素投圖(圖3a)得到的結(jié)論類似，成巖改造作用微弱，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得的地球化學(xué)元素可能可以較好地反映沉積時(shí)的原始環(huán)境。

2.3 陸源碎屑來源討論

4種主要的巖相類型的巖性特征和沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造差異很大，其中不容忽視的一點(diǎn)是陸源碎屑的影響，因?yàn)殛懺此樾荚?類巖相的混積碳酸鹽巖中含量在30%～45%。通常不同類型的碎屑組分中Al/K和Al/Mg比值會有所不同，本研究將通過對L69井巖心碎屑組分的地球化學(xué)元素進(jìn)行分析，根據(jù)測得的主微量元素計(jì)算碎屑組分中Na2O,MgO,Al2O3,K2O,CaO等礦物的百分比，來探討陸源碎屑的來源問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)碎屑組分中Al2O3和MgO,Al2O3和K2O之間存在很好的正相關(guān)關(guān)系(圖4)，且Al/K和Al/Mg比值一直穩(wěn)定，說明在所研究的層位中，碎屑組分的成分是均一的，這一現(xiàn)象表明該沉積時(shí)段碎屑組分的來源可能是恒定且單一的，沉積過程主要受到湖水水體本身環(huán)境的影響，這也為之后探討碳酸鹽組分形成的沉積環(huán)境提供了有利的前提條件。

圖3 渤南洼陷L69井巖心樣品成巖作用分析Fig.3 Analysis of diagenesis of core samples from Well L69,Bonan Saga.無機(jī)碳同位素vs.氧同位素；b. TOC vs. TON；c.干酪根有機(jī)碳同位素vs.有機(jī)氮同位素

圖4 渤南洼陷L69井巖心碎屑組分中Mg，Al和K的關(guān)系Fig.4 The relationship of Mg,Al and K content in clastic components of core samples from Well L69,Bonan Saga.碎屑組分中Al2O3和MgO含量呈正相關(guān)；b.碎屑組分中Al2O3和K2O含量呈正相關(guān)

2.4 氧化還原環(huán)境

湖盆初始生產(chǎn)力主要由浮游植物提供，TOC和TON可以指示初始生產(chǎn)力的大小[5]。一般來說，初始生產(chǎn)力越高，則沉積物中TOC和TON值也越高。TOC和TON值在埋深2 910～2 930，2 950～2 990和3 020～3 060 m處呈顯著高值，且全井段從深到淺呈增大趨勢，可能說明這3處初始生產(chǎn)力較高。但特別要指出的是，有機(jī)質(zhì)在生烴過程中會被消耗，部分有機(jī)質(zhì)隨著孔隙、裂縫等通道遷移，導(dǎo)致TOC和TON可能并不能完全準(zhǔn)確指示湖盆初始生產(chǎn)力的大小，只具有一定的參考意義。

圖5 渤南洼陷L69井古環(huán)境地球化學(xué)元素綜合圖Fig.5 A composite geochemical graph showing the paleoenvironment from Well L69 of Bonan Sag

有機(jī)碳同位素也常用于恢復(fù)初始生產(chǎn)力[5-6,18-19]。植物光合作用優(yōu)先利用富12C的CO2，使生產(chǎn)的有機(jī)物也富12C，隨著富12C的CO2減少，植物開始利用富13C的CO2，使生產(chǎn)的有機(jī)物中碳同位素也變重。因此光合作用是影響有機(jī)碳同位素最主要的因素，光合作用越強(qiáng)，有機(jī)碳同位素越重。但同時(shí)光合作用的植物類型、甲烷的生成、深部斷裂等因素也會影響碳同位素的富集[20-21]，生烴作用中甲烷優(yōu)先富集12C，使湖水中富集13C，會導(dǎo)致沉積物中的13C含量增大，因此有機(jī)碳同位素需要結(jié)合與生物作用密切相關(guān)且不受生烴作用影響的指標(biāo)來共同恢復(fù)初始生產(chǎn)力。全巖和干酪根的有機(jī)碳同位素在埋深2950～2980m和3000～3070m處呈顯著正漂，這可能說明該處初始生產(chǎn)力較高，但由于生烴作用也是有機(jī)碳同位素分餾的重要因素，需要結(jié)合其他不受生物作用影響的指標(biāo)來精確判斷初始生產(chǎn)力。

結(jié)合前述幾種初始生產(chǎn)力的指標(biāo)，在埋深2 910～2 940，2 950～2 990和3 000～3 070 m處呈同步正漂變化，指示這些層段古生產(chǎn)力較高。在埋深3 020～3 070 m處有機(jī)碳同位素值較其他兩種指標(biāo)更高，可能是生烴作用導(dǎo)致的。植物光合作用產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)，在沉降過程中消耗大量氧氣，導(dǎo)致水體內(nèi)部形成還原狀態(tài)，進(jìn)一步有利于有機(jī)質(zhì)的埋藏與保存。綜上所述，湖盆在埋深2 910～2 940，2 950～2 990和3 000～3 070 m處經(jīng)歷了3次初始生產(chǎn)力較高、有機(jī)質(zhì)沉降過程中消耗氧氣導(dǎo)致的還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)得以大量埋藏保存。

圖6 渤南洼陷L69井巖心有機(jī)氮總量與碳酸鹽含量、粘土礦物含量的關(guān)系Fig.6 The relationship of total organic nitrogen(TON) with carbonate content and clay mineral content in core samples from Well L69, Bonan Saga. TON和碳酸鹽含量的關(guān)系；b. TON和全巖中鋁含量的關(guān)系

2.5 有機(jī)質(zhì)富集成因

為了探討L69井樣品有機(jī)質(zhì)的成因，對所有樣品的有機(jī)氮總量和碳酸鹽含量、粘土含量的關(guān)系進(jìn)行分析，用碎屑組分中的Al乘以碎屑含量來代表樣品中粘土的相對含量，可見TON與碳酸鹽含量成較好的負(fù)相關(guān)，與粘土含量成較好的正相關(guān)(圖6)，這說明陸源物質(zhì)的輸入與有機(jī)物的含量有較強(qiáng)的聯(lián)系，其中可能的原因有二： 第一，陸源物質(zhì)的輸入帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了藻類生長,因此產(chǎn)生了大量有機(jī)質(zhì)；第二，大量的有機(jī)質(zhì)全部是由陸源物質(zhì)帶來的，這一點(diǎn)與觀察到的大量湖生藻類化石相悖，前人文章中也有大量關(guān)于湖生藻類的描述[4]，因此第一種假設(shè)的可能性較大。

結(jié)合上述一系列沉積地化研究，對渤南洼陷有機(jī)質(zhì)的富集和保存機(jī)理有如下的推測：均一的陸源物質(zhì)輸入帶來了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了藻類生長，生產(chǎn)力大大提高，大量有機(jī)質(zhì)生成。過量的有機(jī)質(zhì)在沉降過程中不斷消耗水體中的氧氣，導(dǎo)致湖水水體缺氧，進(jìn)而更加有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

3 結(jié)論

1) 根據(jù)巖心和薄片觀察，L69井主要巖相包含塊狀泥晶灰?guī)r、透鏡狀泥晶灰?guī)r、紋層狀泥晶灰?guī)r、紋層狀亮晶灰?guī)r等。

2) 基于沉積學(xué)研究，對碎屑組分有機(jī)氮同位素、干酪根有機(jī)氮同位素進(jìn)行比較。同時(shí)，通過有機(jī)碳同位素和Ba共同還原盆地古生產(chǎn)力，識別出湖盆在2 910～2 940，2 950～2 990及3 000～3 070 m埋深處初始生產(chǎn)力較高且水體或沉積物處于還原環(huán)境，生成的有機(jī)質(zhì)大量保存下來，有成為優(yōu)質(zhì)烴源巖的潛力。

3) 研究區(qū)陸源物質(zhì)來源均一，陸源物質(zhì)的輸入帶來了營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了藻類生長，產(chǎn)生了大量有機(jī)質(zhì)，在有機(jī)質(zhì)沉降過程中不斷消耗氧氣，導(dǎo)致了水體缺氧，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。