山東東部白堊系萊陽(yáng)群沉積地層與有機(jī)質(zhì)特征

周瑤琪,辜洋建,周騰飛,岳會(huì)雯,李曼潔,尹興城,梁 釗, 曹夢(mèng)春,董詩(shī)繪

[1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580; 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與 探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071; 3.深地資源勘查理論與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 青島 266580; 4.德國(guó)波茨坦地學(xué)研究中心,德國(guó) 波茨坦 D-14473]

山東東部地區(qū)(圖1)位于華北地區(qū)東部,大地構(gòu)造位置上屬于蘇魯造山帶中段,位于華北與揚(yáng)子克拉通的結(jié)合部分。區(qū)內(nèi)發(fā)育兩個(gè)晚中生代盆地,分別為膠萊盆地和山東東部近海裂陷盆地[1-2]。

靈山島(圖2)位于山東東部近海地區(qū)黃海海域內(nèi),海拔513.6 m,是中國(guó)北方第一高島,總面積約7.66 km2。欒光忠等[3]研究認(rèn)為靈山島為擠壓掀斜型島嶼,主要由NWW-SEE向構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用,巖層傾斜,形成巖層傾斜的單面山型海島。呂洪波等[4]在靈山島發(fā)現(xiàn)早白堊世復(fù)理石沉積及滑塌褶皺層,此后,眾多學(xué)者對(duì)靈山島的軟沉積物變形構(gòu)造[1,4-11]、沉積相[12]、有機(jī)地球化學(xué)[13]、水下非構(gòu)造裂縫[14],地層時(shí)代[1,15-16]、沉積環(huán)境及構(gòu)造特征[1,3-4,7,16-23]等進(jìn)行了大量的研究及討論。此外,前人通過(guò)對(duì)滑塌褶皺、軟布丁構(gòu)造、不對(duì)稱(chēng)負(fù)載構(gòu)造等軟沉積物變形構(gòu)造的分析認(rèn)為,濁積巖沉積時(shí),存在一個(gè)SE高,NW低的古斜坡,水體東南淺西北深,重力流來(lái)自SE方向[1,4]。

嶗山埡口-八仙墩(圖3)位于青島市區(qū)以東約40 km沿海處,西鄰嶗山,東臨黃海,付永濤等[24]和吳拓宇等[25]對(duì)青島埡口至八仙墩剖面沉積巖的研究發(fā)現(xiàn),該套層系是活動(dòng)大陸邊緣的海相濁積巖,且存在水體深淺交替變化的特征,推測(cè)其為南黃海盆地上奧陶統(tǒng)在盆地邊緣的露頭,且形成于揚(yáng)子板塊向華北板塊俯沖過(guò)程期間或者是其后揚(yáng)子板塊陸殼上部蓋層向華北板塊仰沖就位過(guò)程中;王俊等[26]對(duì)八仙墩地區(qū)發(fā)育的濁積巖的變質(zhì)石英砂巖進(jìn)行碎屑鋯石測(cè)年,認(rèn)為其沉積年齡上限為晚中生代。付永濤等[24]、趙廣濤等[27]發(fā)現(xiàn)嶗山堿性花崗巖侵入此套地層中,因此判定該套地層形成時(shí)代早于堿性花崗巖。而周瑤琪等[1]對(duì)此套地層中的凝灰質(zhì)鋁土巖層的測(cè)年后發(fā)現(xiàn),其與靈山島流紋巖測(cè)得的時(shí)代相當(dāng),認(rèn)為此剖面的該層以下的地層屬萊陽(yáng)群。

圖1 山東東部地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)Fig.1 Structural diagram of eastern Shandong Province(modified from reference[2])

1 盆地分布與沉積地層特征

1.1 盆地分布特征

1.1.1 膠萊盆地

膠萊盆地為晚中生代陸相殘留盆地,河湖相及沖積相沉積,位于郯廬斷裂帶以東,屬魯東隆起區(qū)中部,東北部延伸入黃海以千里巖斷裂和千里巖隆起相連,下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群在地表出露并超覆在蘇魯造山帶之上[28-30]。西部與郯廬斷裂帶相連,郯廬斷裂帶控制著盆地西部邊界,由數(shù)個(gè)地塹和地壘構(gòu)造組成。南部則與膠南隆起相鄰,以五蓮-榮城斷裂為界,北部的膠北隆起與其成接觸關(guān)系。山東東部地區(qū)在白堊紀(jì)共經(jīng)歷了萊陽(yáng)期、青山期和王氏期3次伸展時(shí)期,在膠萊盆地對(duì)應(yīng)形成了上白堊統(tǒng)王氏群、青山群和下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群3套沉積序列[31-32]。根據(jù)盆地殘留的構(gòu)造特征,膠萊盆地主要分為7個(gè)構(gòu)造單元,分別為：牟平-即墨斷裂帶、海陽(yáng)凹陷、萊陽(yáng)凹陷、大野頭凸起、高密凹陷、柴溝地壘和諸城凹陷(圖1)。其中,高密凹陷可以劃分為夏格莊洼陷、平度洼陷、李黨家-馬山凸起、高密洼陷等相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)造單元[32]。

1.1.2 山東東部近海裂陷盆地

山東東部近海裂陷盆地與膠萊盆地同時(shí)期發(fā)育,為一規(guī)模較大的海相盆地,呈凹隆相間的構(gòu)造格局[1],北部以五蓮-煙臺(tái)斷裂為界與膠萊盆地相鄰,西接膠南隆起,東鄰膠萊盆地的海陽(yáng)凹陷,南部為南黃海西北海域,其范圍可能延伸至千里巖隆起和南黃海盆地。

圖2 靈山島地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[7]修改)Fig.2 Geologic sketch map of Lingshan Island(modified from reference[7])

該區(qū)域發(fā)育多條斷裂,北側(cè)為五蓮-煙臺(tái)斷裂,南側(cè)緊鄰千里巖斷裂,西側(cè)為郯廬斷裂帶(圖1)。靈山島和嶗山埡口-八仙墩對(duì)山東東部近海裂陷盆地內(nèi)萊陽(yáng)群地層揭露情況較好,本文對(duì)靈山島和嶗山埡口-八仙墩進(jìn)行分析研究,并重點(diǎn)對(duì)靈山島濁積巖進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)和元素地球化學(xué)分析,同時(shí)結(jié)合膠萊盆地水南段的地層特征、有機(jī)地球化學(xué)與元素地球化學(xué),綜合分析山東東部地區(qū)萊陽(yáng)群沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)特征。

1.2 沉積地層特征

膠萊盆地萊陽(yáng)群整體表現(xiàn)為一套河湖相及沖積扇相沉積,是一個(gè)比較完整的水進(jìn)-水退旋回,地層中泥巖較發(fā)育,碳酸鹽巖含量較少,其地層標(biāo)準(zhǔn)剖面位于瓦屋夼—修家溝一帶。膠萊盆地萊陽(yáng)群可劃分為6個(gè)段,自下而上分別命名為：逍仙莊段、止鳳莊段、馬耳山段、水南段、龍王莊段和曲格莊段[13,33],地層柱狀圖如圖4,整體上,地層上部從上到下粒度逐漸變細(xì),反映水體逐漸變深的過(guò)程,下部地層從上到下粒度逐漸變粗,反映水體逐漸變淺的過(guò)程。其中,水南段是半深湖相、深湖相沉積(圖4),該段的巖性以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主(圖5),含有豐富的動(dòng)植物化石,由于處于弱還原環(huán)境到還原環(huán)境,沉積巖有機(jī)質(zhì)含量高,顏色深,在泥質(zhì)粉砂巖中泥質(zhì)含量高,顆粒較細(xì),母質(zhì)類(lèi)型較好,是該區(qū)主力烴源巖層系[13,33]。研究表明,萊陽(yáng)凹陷和平度-夏格莊凹陷是膠萊盆地源巖發(fā)育最好的區(qū)域,有機(jī)質(zhì)豐度可達(dá)好、較好烴源巖標(biāo)準(zhǔn),類(lèi)型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主,且處于熱演化成熟階段,因此是膠萊盆地油氣勘探的有利區(qū)域[33],水南段發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖較厚,埋深適中,有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度中等,含氣量高,儲(chǔ)層裂隙發(fā)育。

靈山島地層主要發(fā)育下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群濁積巖以及青山群陸源碎屑巖及火山巖、火山碎屑巖層,其中,萊陽(yáng)群主要出露于島北側(cè)的背來(lái)石剖面、西北側(cè)的船廠(chǎng)剖面、西南側(cè)的燈塔剖面、千層崖剖面以及東南側(cè)的釣魚(yú)臺(tái)剖面,這些剖面對(duì)山東東部近海地區(qū)下白堊統(tǒng)有較完整的沉積記錄[9],靈山島萊陽(yáng)群地層柱狀圖如圖6—圖8所示。整體上,地層主要由砂巖和泥巖互層組成,粒度由上到下逐漸變細(xì),反映水體逐漸變深的過(guò)程,如圖8所示,但由于靈山的露頭有限,只揭露萊陽(yáng)群地層上部,而下部地層未見(jiàn)底。

船廠(chǎng)剖面厚約12 m,發(fā)育灰色細(xì)砂巖與灰黑色泥巖韻律性互層,地層厚度變化較大,粒序?qū)永戆l(fā)育不明顯。剖面發(fā)育拉伸線(xiàn)理、溝模、槽模、荷重模、軟布丁構(gòu)造、負(fù)載-球枕構(gòu)造、同沉積斷層等沉積構(gòu)造。其發(fā)育一層巨型滑塌褶皺和豐富的軟沉積物變形構(gòu)造[23]。燈塔剖面厚約8 m,發(fā)育有多個(gè)極薄層/薄層的細(xì)砂巖-粉砂巖/泥巖的沉積旋回,局部夾中/厚層細(xì)砂巖,剖面底部砂泥巖單層厚度較薄,頂部較厚,整體表現(xiàn)為“層薄粒度細(xì)”的特點(diǎn)。剖面發(fā)育重荷模、軟雙重構(gòu)造、液化底劈、負(fù)載及火焰狀構(gòu)造、液化角礫巖、泄水構(gòu)造、同沉積斷層等沉積構(gòu)造。千層崖剖面厚約20 m。發(fā)育灰黃色砂巖層和灰黑色細(xì)粒沉積物。地層的單層厚度與粒度較燈塔剖面都明顯變厚,通常表現(xiàn)為侵蝕基底和正粒序?qū)永?。剖面中發(fā)現(xiàn)重荷模、溝模、槽模、液化角礫巖、負(fù)載-火焰狀構(gòu)造、水下非構(gòu)造裂縫等沉積構(gòu)造。

在燈塔剖面和千層崖剖面中,濁積巖序列都由表現(xiàn)出向上變厚和向上變粗的單元構(gòu)成的層序組成。這些層序與Mutti等[34]在1978年提出的“砂巖朵葉體”相似,這種“砂巖朵葉體”由1 m左右的砂巖組合構(gòu)成,形成于外扇沉積環(huán)境。燈塔剖面的砂巖層和泥巖層較千層崖薄,表明燈塔剖面的沉積環(huán)境更靠近盆地。

圖3 嶗山埡口-八仙墩地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)Fig.3 Geologic sketch map of Laoshan Yakou-Baxiandun areas(modified from reference[8])a. 嶗山埡口-八仙墩地質(zhì)簡(jiǎn)圖;b. 嶗山埡口-八仙墩地層剖面圖

嶗山埡口-八仙墩(圖3,圖7,圖8)發(fā)育一套淺變質(zhì)碎屑巖地層,厚度可達(dá)2 km,以灰綠色砂巖與泥巖的薄互層為主,夾有礫巖、粉砂巖、硅質(zhì)巖、凝灰?guī)r,地層柱狀圖如圖7和圖8,整體上,地層上部從上到下粒度逐漸變粗,反映水體逐漸變淺的過(guò)程,下部地層從上到下粒度逐漸變細(xì),反映水體逐漸變深的過(guò)程。從NW到SE方向,地層年齡逐漸增大,粒度也隨之變大,地層傾向?yàn)镾E和SW方向,傾角為10°～45°,只在與花崗巖接觸帶附近發(fā)生變質(zhì)作用,其余巖層基本保留了各種原生沉積構(gòu)造,發(fā)育底模構(gòu)造、同沉積變形、水平層理、粒序?qū)永淼萚20,28]。Wang J等[28]研究認(rèn)為八仙墩NW方向具夾層礫巖的近岸海相砂巖和SE方向具同沉積滑塌褶皺和交錯(cuò)層理的半深海濁積巖,表明了沉積環(huán)境從深海到淺海的持續(xù)變化。Wu T等[35]研究認(rèn)為八仙墩主要由粉砂巖、砂巖和泥巖組成,其沉積地層主要由深湖相斜坡和湖盆的深水碎屑和濁流沉積物組成,并推斷該沉積巖屬于早期白堊紀(jì)深水湖相沉積序列,此外,通過(guò)對(duì)比八仙墩地層與萊陽(yáng)群在構(gòu)造背景、沉積時(shí)代和沉積物源上的相似之處,推斷八仙墩是膠萊盆地早萊陽(yáng)期的沉積中心之一。

綜上(圖5),山東東部近海裂陷盆地內(nèi)靈山島主要發(fā)育深水重力流沉積,包括砂質(zhì)滑塌沉積、碎屑流、濁積沉積、混合事件沉積等,整體上呈現(xiàn)一套水體向上變淺的巖性序列,嶗山埡口-八仙墩主要發(fā)育一套淺變質(zhì)碎屑巖,整體為海相濁積巖相沉積;而膠萊盆地主要發(fā)育一套淺水陸相沉積,包括河流相、沖積扇相、三角洲相與深湖-半深湖相的巖性組合序列,二者在沉積相與沉積環(huán)境上有著明顯差異。

圖4 膠萊盆地萊陽(yáng)群地層綜合柱狀圖Fig.4 Stratigraphic column of the Laiyang Group in Jiaolai Basin

圖5 膠萊盆地水南段黑色粉砂巖Fig.5 Black siltstones from the Shuinan section of Jiaolai Basina.水南段黑色粉砂巖野外照片;b.水南段黑色粉砂巖樣品

2 海相深水沉積特征

2.1 海相沉積

對(duì)靈山島粉砂巖樣品進(jìn)行元素地球化學(xué)研究[23]發(fā)現(xiàn),靈山島萊陽(yáng)群粉砂巖的SiO2含量較高(33.07%～55.56%),平均為50.12%;Al2O3含量介于8.81%～15.62%。SiO2/Al2O3可作為指示碎屑巖成熟度的重要標(biāo)志,Roser等[36]認(rèn)為成熟的沉積巖的SiO2/Al2O3值大于5,所測(cè)樣品的SiO2/Al2O3值為3.36～4.27,平均3.71,因此,靈山島粉砂巖屬未成熟。SiO2含量較低,平均為51.78%,Fe2O3含量較高,平均為5.73%,Na2O平均含量為2.74%,K2O平均含量為2.79%;Ceanom值為-0.08～-0.01,平均為-0.03(>-0.1),指示其沉積時(shí)水體呈還原環(huán)境;B 含量為(103～199)×10-6,平均含量為149×10-6,均大于100×10-6,表明海相環(huán)境;B/Ga值為4.52～11.08,平均為6.93,為海相環(huán)境(>4.5);100 MgO/Al2O3值為46.43～35.99,平均27.14,為海相環(huán)境(>10);CaO/(Fe+CaO)值為0.25～0.65,平均0.53,絕大多數(shù)值均大于0.5,為中高鹽度咸水環(huán)境;Th/U值為1.92～6.90,平均2.83,為海相沉積(<7);V/(V+Ni)值為0.51～0.84,平均0.71,表明還原環(huán)境(>0.46);Fe2+/Fe3+值為1.37～5.97,平均2.53,表明還原環(huán)境(>1);以上均表明靈山島粉砂巖沉積環(huán)境為海相還原環(huán)境[23]。

對(duì)靈山島頁(yè)巖樣品進(jìn)行微量元素地球化學(xué)研究[37]發(fā)現(xiàn),樣品中B元素含量為(82.734～174.672)×10-6,而海相沉積中B元素含量一般為(80～125)×10-6,古鹽度(Sp)通過(guò)Adamas公式(Sp=0.097 7 B-7.043)計(jì)算,為1.040‰～10.022‰,屬咸水環(huán)境;Sr濃度高,為(229.197～408.056)×10-6,表明海相沉積(>160×10-6);V濃度為(78.165～115.089)×10-6,介于海相沉積(86×10-6)和陸相沉積(>110×10-6);B/Ga值為4.347～7.732,為海相沉積(>4.2);Sr/Ba值為0.296～0.709,大多高于0.35,表明海相沉積(>0.35);Rb/Sr值為0.299～0.663,也可推斷出海相沉積以及潮濕的古氣候;Cu/Zn值為0.235～0.390,表明弱還原環(huán)境;V/(V+Ni)值為0.724～0.800,表明弱還原環(huán)境;以上均表明靈山島頁(yè)巖為海相還原環(huán)境[37]。

2.2 深水沉積

靈山島發(fā)育多套重力流沉積組合,主要為塊體的整體滑動(dòng)、連續(xù)的滑塌變形、砂質(zhì)碎屑流、濁流沉積,在靈山島發(fā)現(xiàn)黑色頁(yè)巖、異重巖、濁積巖、碎屑巖和滑塌巖等5種巖相以及5個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回[19,38]。靈山島萊陽(yáng)群地層自下而上依次發(fā)育(半深海-深海)滑塌濁積巖相—濁積巖辮狀水道相—濁積巖相—沖積扇相(圖6)。濁積巖主要分布在燈塔和千層崖剖面,通常為砂巖與粉砂巖及泥巖的互層,細(xì)粒濁積巖占大多數(shù)且都是毫米級(jí)的水平薄層,這些細(xì)粒異地沉積物無(wú)法從懸浮沉降的原始沉積物中區(qū)分出來(lái)。溝模和槽模常見(jiàn)于砂質(zhì)濁積巖的下層層面上,局部濁積巖以滑塌形式再沉積,滑塌體大小不一,發(fā)育很多軟沉積變形構(gòu)造。

圖6 靈山島萊陽(yáng)群柱地層綜合狀圖Fig.6 Stratigraphic column of the Laiyang Group in Lingshan Island

圖7 嶗山埡口-八仙墩萊陽(yáng)群地層綜合柱狀圖Fig.7 Stratigraphic column of the Laiyang Group in Laoshan Yakou-Baxiandun areas

深水環(huán)境地質(zhì)特征復(fù)雜,深水泥沙重力流在海相和湖相環(huán)境中形成厚層的粗碎砂巖及細(xì)粒沉積物,具有“觸發(fā)-運(yùn)輸-沉積”的綜合過(guò)程,形成混合事件層(HEBs)[39-40]。HEBs指在單一的泥沙重力流事件中混合的深水重力流沉積,包括濁度流、泥石流和少量的過(guò)渡流。靈山島發(fā)育3種混合型事件層(HEBs)、碎屑巖和濁積巖[39]。HEB1是在粘性泥石流的基礎(chǔ)上由顆粒重排形成的,基底為塊狀砂巖,其上被泥質(zhì)砂巖覆蓋;HEB2基底為正粒序砂巖,其上為泥質(zhì)粉砂巖,頂部被粉砂巖覆蓋;HEB3由低密度濁流減速后沉積形成,基底為塊狀砂巖,其上被泥質(zhì)砂巖覆蓋,上部單元為含植物碎屑和稀有泥質(zhì)碎屑的泥石流沉積;泥沙重力流演化過(guò)程為從近端泥石流演變?yōu)闈岫攘?在遠(yuǎn)端泥石流演變?yōu)闈岫攘?濁流轉(zhuǎn)化為泥石流的結(jié)果形成了HEBs(圖9)。HEB1發(fā)育位置相對(duì)近緣,HEB2為上游段孔隙率高、滲透率高的砂巖沉積,由高密度濁度流沉積形成,而HEB3的發(fā)育表明潛在的烴源巖的分布[39]。

3 樣品采集與測(cè)試方法

為研究山東東部近海裂陷盆地萊陽(yáng)群沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)特征,采集靈山島粉砂巖樣品13塊進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析,選取9塊樣品進(jìn)行元素地球化學(xué)分析,取樣層位如圖6。

有機(jī)碳測(cè)定和氯仿瀝青“A”測(cè)定在中國(guó)石化華東分公司實(shí)驗(yàn)研究中心完成,有機(jī)碳測(cè)定根據(jù)SY/T 5735—1995《沉積巖中有機(jī)碳的測(cè)定》完成,將測(cè)試樣品磨碎至小于0.2 mm,稱(chēng)取試樣約1.00 g,放入盛有過(guò)量稀鹽酸的容器中,放入60～70 ℃的水浴鍋中恒溫加熱、溶樣2 h以上,直到反應(yīng)完成。用蒸餾水將溶樣后的樣品洗凈并進(jìn)行干燥,最后用碳硫測(cè)定儀測(cè)定殘余有機(jī)碳的含量。氯仿瀝青“A”的抽提則是根據(jù)SY/T 5118—2005《巖石中氯仿瀝青的測(cè)定》完成,在樣品進(jìn)行干燥并粉碎后,放在裝有脫硫銅片和氯仿的容量瓶中,進(jìn)行72 h以上的抽提,直至抽提液熒光減弱至熒光3級(jí)以下。濃縮抽提物后,在小于或等于40 ℃的溫度下,恒重后得到氯仿瀝青“A”的質(zhì)量。

圖8 靈山島、嶗山埡口-八仙墩與膠萊盆地萊陽(yáng)群地層綜合柱狀圖對(duì)比Fig.8 Comparison of the stratigraphic columns of the Laiyang Group in Lingshan Island,Laoshan Yakou-Baxiandun areas with that in Jiaolai Basin

圖9 靈山島深水沉積物重力流演化規(guī)律(據(jù)文獻(xiàn)[39]修改)Fig.9 Evolution patterns of deep water gravity flow depositsin Lingshan Island(modified from reference[39])a.泥石流運(yùn)動(dòng)及高密度濁度流侵蝕;b.顆粒重排于基底的泥石流沉積及與泥石流相關(guān)的高密度濁流沉積,由上傾泥質(zhì)基底侵蝕引起; c.沉積的低密度濁流和泥石流造成的低密度濁流減速。

4 分析測(cè)試結(jié)果

4.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)定結(jié)果如圖10。有機(jī)碳含量(TOC)最低約為0.4%,最高約為2.4%,平均值約為1.1%。好烴源巖、中等烴源巖、差烴源巖和非烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)分別為1.0%,0.6%～1.0%及0.4%～0.6%。靈山島樣品的TOC含量分布如圖11,由圖11可知,共有20塊達(dá)到烴源巖標(biāo)準(zhǔn),其中17塊達(dá)到好和中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn),占比達(dá)到81%,3塊達(dá)到差烴源巖標(biāo)準(zhǔn),占比達(dá)到14%。

靈山島樣品的氯仿瀝青“A”含量極低,為0.002 2%～0.004 6%,平均值為0.003 4%;而樣品的生烴潛量(S1+S2)為0.13～0.36 mg/g,平均值為0.24 mg/g。熱演化程度和露頭風(fēng)化的影響可能是導(dǎo)致氯仿瀝青“A”含量極低的重要原因。靈山島樣品熱演化程度高,通過(guò)干酪根熱解形成的可溶有機(jī)質(zhì)含量少,大部分成為不溶于有機(jī)溶劑的氣態(tài)烴和瀝青而散失,且露頭樣品長(zhǎng)期遭受野外風(fēng)化使得其中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生改變或損失。

圖10 靈山島樣品總有機(jī)碳含量(TOC)Fig.10 TOC of samples from Lingshan Island

圖11 靈山島地區(qū)樣品總有機(jī)碳含量(TOC) 分布直方圖Fig.11 Histogram of TOC of the samples from Lingshan Island

結(jié)合前人對(duì)膠萊盆地水南段烴源巖有機(jī)碳的測(cè)試結(jié)果,膠萊盆地水南段樣品TOC含量較高,TOC含量平均大于0.5%,整體可達(dá)好、中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。水南段井下樣品共190塊,有87塊達(dá)到好和中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn),占比達(dá)到46%,有28塊達(dá)到差烴源巖,占比達(dá)到15%,水南段露頭樣品共169塊,有69塊達(dá)到好和中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn),占比達(dá)到41%,有20塊達(dá)到差烴源巖,占比達(dá)到12%[33,41],水南段井下樣品有機(jī)碳含量普遍高于露頭樣品有機(jī)碳含量,井下樣品達(dá)到中等烴源巖和好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)的巖樣比例高于水南段露頭巖樣,露頭樣品中非烴源巖的比例高于井下樣品非烴源巖比例。

膠萊盆地水南段烴源巖氯仿瀝青“A”含量為0.014 3%～0.056 8%,平均值為0.035 5%,井下樣品共61塊,有33塊達(dá)到好和中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn),占比達(dá)到54%,有26塊達(dá)到差烴源巖,占比達(dá)到43%,水南段露頭樣品共39塊,有14塊達(dá)到好和中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn),占比達(dá)到36%,有19塊達(dá)到差烴源巖,占比達(dá)到49%,水南段樣品的生烴潛量(S1+S2)為0.38～1.71 mg/g,平均值為2.55 mg/g[33,41-42]。達(dá)到烴源巖標(biāo)準(zhǔn)的井下樣品為97%,由于露頭樣品長(zhǎng)期遭受野外風(fēng)化,達(dá)到烴源巖標(biāo)準(zhǔn)較井下樣品低,為85%。膠萊盆地水南段生烴潛量(S1+S2)也顯示有機(jī)質(zhì)豐度較高,井下樣品的生烴潛量要大于露頭樣品的生烴潛量,大部分沉積巖具有較好的潛在生油能力,有利于油氣的生成。巖石熱解分析表明樣品生烴潛量較小,與豐度指標(biāo)相比生烴潛量明顯偏低,可能是受風(fēng)化和成熟度影響。雖然達(dá)到好和較好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)的樣品數(shù)量明顯低于用有機(jī)碳作為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量,這是地表風(fēng)化作用以及成熟度影響的結(jié)果,但總體表明水南段有潛在的烴源巖發(fā)育[13,33,41]。

綜上所述,山東東部近海裂陷盆地內(nèi)靈山島樣品總體達(dá)到中等-好烴源巖標(biāo)準(zhǔn),膠萊盆地水南段生烴潛量較好,達(dá)到中等-好烴源巖標(biāo)準(zhǔn),且靈山島達(dá)到中等-好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)的樣品比例較膠萊盆地水南段高。

4.2 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

通過(guò)熱解分析對(duì)靈山島樣品有機(jī)質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行測(cè)定,氫指數(shù)低于120 mg/g為腐殖型(Ⅲ型),靈山島樣品的氫指數(shù)(HI)最低值為6 mg/g,最高值為47 mg/g,為腐殖型(Ⅲ型)。全巖顯微組分分析表明,該套地層中有機(jī)顯微組分含量約占全巖的0.5%～1.2%,以無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組、鏡屑體和貧氫次生組分等來(lái)源于高等植物的組分為主,其中貧氫次生組分極其微小,多小于1 μm,幾乎不見(jiàn)殼質(zhì)組分、腐泥組分及富氫次生組分,因此測(cè)得的HI值極低。老虎嘴剖面的類(lèi)型指數(shù)為-61.8%,為腐殖型(Ⅲ型)。釣魚(yú)臺(tái)剖面類(lèi)型指數(shù)為83%,為腐泥型(Ⅰ型)。洋礁洞、船廠(chǎng)、千層崖剖面類(lèi)型指數(shù)大于90%,為腐泥型(Ⅰ型)。其中船廠(chǎng)剖面類(lèi)型指數(shù)為97.1%,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型最好。燈塔剖面的測(cè)試樣品類(lèi)型指數(shù)差距大,分別為86.4%和-28.6%,為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖型(Ⅲ型)。故靈山島有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖型(Ⅲ型)。

露頭觀(guān)察發(fā)現(xiàn)了大量的肉眼可見(jiàn)的植物碎屑,但顯微組分中角質(zhì)體普遍缺失。由于大多數(shù)的植物葉片的上部和下部表皮都覆蓋有角質(zhì)層,因而對(duì)角質(zhì)體的缺失作出如下兩種假設(shè)[43]：①角質(zhì)體在搬運(yùn)過(guò)程中受到砂粒磨損而從葉片上脫離;②成巖過(guò)程中對(duì)角質(zhì)體的損耗。但由于角質(zhì)體物理性質(zhì)穩(wěn)定,對(duì)酸有較強(qiáng)的化學(xué)抵抗性,在成巖過(guò)程中或成巖后作用中,鏡質(zhì)體優(yōu)先被酸溶蝕,從而使得角質(zhì)層選擇性保存。在現(xiàn)代Mahakam三角洲沉積中也發(fā)現(xiàn)了由于砂質(zhì)顆粒而造成樹(shù)葉的部分角質(zhì)體被移除的現(xiàn)象[44]。因此,長(zhǎng)距離搬運(yùn)過(guò)程中的顆粒之間,尤其是砂質(zhì)顆粒對(duì)葉片角質(zhì)組的磨損作用可能造成了角質(zhì)體顯微組分的缺失。

結(jié)合前人對(duì)膠萊盆地水南段顯微組分測(cè)試發(fā)現(xiàn),水南段干酪根分為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖腐泥型(Ⅱ1型),其中以腐泥型(Ⅰ型)為主。干酪根顯微組分特征反映了水南段有機(jī)質(zhì)來(lái)源復(fù)雜,既有低等生物,也有高等植物,藻類(lèi)等水生生物都是烴源巖中有機(jī)質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者,高等植物尤其是其富氫組分對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的影響很小,干酪根元素分析取自于萊陽(yáng)凹陷的樣品有機(jī)質(zhì)類(lèi)型幾乎全為Ⅲ型。氯仿瀝青“A”組成顯示高烷烴含量和非烴含量,但是具有含量較低的瀝青質(zhì),還含有較高的飽和烴/芳香烴的值,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以腐泥型為主,還包括腐殖腐泥型。

綜合各項(xiàng)指標(biāo)可知,靈山島樣品為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖型(Ⅲ型),以腐泥型(Ⅰ型)為主,膠萊盆地水南段樣品主要為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖腐泥型(Ⅱ1型),屬于從腐泥型向腐殖型過(guò)渡的類(lèi)型。

4.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

對(duì)靈山島樣品的熱解峰溫進(jìn)行測(cè)定,Tmax值為458～540 ℃,平均491 ℃,Ts/(Tm+Ts)值均大于0.4,C29ααα-20S/(20S+20R)為0.26～0.46,而C29ββ/(αα+ββ)為0.38～0.58,鏡質(zhì)體反射率Ro為1.04%～3.62%,說(shuō)明此區(qū)域樣品已經(jīng)處于高成熟到過(guò)成熟階段。而隨著熱演化成熟度增高,熱解生成的可溶有機(jī)質(zhì)含量減小且不斷排出,因此,熱演化成熟度增高對(duì)靈山島濁積巖生烴潛量及氯仿瀝青“A”的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生了較大影響,而對(duì)殘余有機(jī)質(zhì)TOC的測(cè)定結(jié)果影響卻極小[45]。同時(shí),野外露頭樣品長(zhǎng)期遭受風(fēng)化也會(huì)使得生烴潛量(S1+S2)及氯仿瀝青“A”等指標(biāo)顯著下降。因此,根據(jù)(S1+S2)值及氯仿瀝青“A”含量對(duì)靈山島濁積巖的生烴潛量進(jìn)行判斷并不可靠,而靈山島濁積巖的普遍較高的有機(jī)碳含量表明該區(qū)域的有機(jī)質(zhì)豐度較高,具有一定的生氣潛力。

熱解法判斷膠萊盆地萊陽(yáng)凹陷水南段的熱解峰溫(Tmax)為 448 ℃,屬于成熟階段,腐殖腐泥型(Ⅱ1類(lèi))。但是熱解分析表明,部分樣品的S2值很小,單從氫指數(shù)指標(biāo)來(lái)看有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅲ型為主,主要是因?yàn)槁额^樣品遭受了長(zhǎng)期的風(fēng)化,尤其是對(duì)于有機(jī)碳含量低的樣品更是如此,為此在研究中應(yīng)該主要選用有機(jī)質(zhì)豐度高的樣品進(jìn)行討論[33,41]。

鏡質(zhì)體反射率目前被認(rèn)為是研究有機(jī)質(zhì)成熟度的最佳參數(shù)之一,一般認(rèn)為,Ro為0.5%時(shí)即進(jìn)入了生油門(mén)限[33]。水南段巖樣的鏡質(zhì)體反射率有很大差別,牟平-即墨斷裂帶地區(qū)的巖樣有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高,鏡質(zhì)體反射率值分別為2.3%，1.92%和1.75%,具有高成熟階段和過(guò)成熟階段的特征。該地區(qū)的熱演化程度高可能和牟平-即墨斷裂帶有比較活躍的構(gòu)造和巖漿活動(dòng)有關(guān),并不是原始的盆地埋藏作用造成的。在萊陽(yáng)凹陷的西北部,如山前店、黃崖底等地區(qū),水南段測(cè)試樣品鏡質(zhì)體反射率值為0.71%～0.86%,達(dá)到成熟階段早期階段的標(biāo)準(zhǔn)[13,41-42]。

靈山島與膠萊盆地有機(jī)地化特征見(jiàn)表1,綜上參數(shù)表明說(shuō)明靈山島樣品為腐殖型(Ⅲ型)和腐殖腐泥型(Ⅱ1型),已經(jīng)處于高成熟到過(guò)成熟階段,靈山島濁積巖可能已經(jīng)完成了生排烴過(guò)程,膠萊盆地水南段樣品主要為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖腐泥型(Ⅱ1型),達(dá)到成熟階段(圖12),且已進(jìn)入生烴門(mén)限,處于熱演化成熟階段。

表1 靈山島與膠萊盆地有機(jī)地化特征對(duì)比Table 1 Comparison of organic geochemical characteristics between Lingshan Island and Jiaolai Basin

圖12 膠萊盆地?zé)嵫莼A段示意圖Fig.12 Schematic diagram showing the thermal evolution stages in Jiaolai Basin

4.4 生物標(biāo)志化合物

靈山島樣品的正構(gòu)烷烴的分布呈單峰型,主峰碳以C22為主,水生生物與陸源生物貢獻(xiàn)比nC21-/nC22+為0.19～0.82,均小于1,僅千層崖剖面樣品大于1,說(shuō)明靈山島濁積巖中有機(jī)質(zhì)既有高等植物的輸入又有低等水生生物的貢獻(xiàn),且陸源有機(jī)質(zhì)輸入相對(duì)較豐富。C27,C28,C29甾烷呈“V”字型分布,同時(shí)結(jié)合靈山島樣品在C27-C28-C29甾烷三角圖投點(diǎn)(圖13)可知,其有機(jī)質(zhì)來(lái)源為混源,且陸源高等植物的貢獻(xiàn)相對(duì)較高。

原油或沉積物中高豐度的奧利烷往往是由于被子植物來(lái)源的有機(jī)質(zhì)的輸入,被子植物在晚白堊世逐漸繁盛,通常也可作為時(shí)代的指示標(biāo)志,但Moldowan等[46]也報(bào)道了大量的奧利烷在早于晚白堊世的地層中出現(xiàn)。萊陽(yáng)群濁積巖沉積時(shí)間早于A(yíng)ptian期,但其中也檢測(cè)出一定含量的奧利烷,其奧利烷指數(shù)為0.04左右,但鑒于早白堊世被子植物并不繁盛,因此,0.04的奧利烷指數(shù)可能仍可作為陸源輸入的標(biāo)志。

結(jié)合上述所討論的正構(gòu)烷烴、甾烷、奧利烷等生標(biāo)指數(shù),并結(jié)合其他的一些生標(biāo)參數(shù),例如,三環(huán)萜烷/17α(H)-C30藿烷平均為0.6左右,規(guī)則甾烷/17α(H)-藿烷比值集中在1.9左右,C26/C25三環(huán)萜烷為0.9～1,可知此套萊陽(yáng)群濁積巖的有機(jī)質(zhì)來(lái)源為陸源高等植物和低等水生生物混源,并顯現(xiàn)出一定的陸源高等植物優(yōu)勢(shì)。

圖13 靈山島樣品C27-C28-C29甾烷三角圖Fig.13 Ternary diagram of sterane C27- C28-C29 of samples from Lingshan Island

不同參數(shù)計(jì)算出的同一層位的陸源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)比不同,靈山島樣品的有機(jī)顯微組分主要以來(lái)源于高等植物的組分為主,而幾乎不見(jiàn)低等水生生物的貢獻(xiàn),且氫指數(shù)極低,其表征陸源高等植物對(duì)于有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通過(guò)生物標(biāo)志化合物所作出的判斷。但參數(shù)總體表明陸源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)要高于水生有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)。這可能是由于大部分陸源有機(jī)質(zhì)相對(duì)于海相有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以被微生物所降解;即使對(duì)相同結(jié)構(gòu)的陸相和海相有機(jī)質(zhì),陸源有機(jī)質(zhì)受雜基的選擇性保護(hù)使其相對(duì)難以降解的原因。其內(nèi)在的化學(xué)穩(wěn)定性和物理保護(hù)的結(jié)合使得陸源有機(jī)質(zhì)相對(duì)于海相有機(jī)質(zhì)更易于保存,該保存差異性在其他區(qū)域的濁積巖的顯微組分等有機(jī)地化分析中也被證實(shí)。就深水濁積巖而言,它在形成過(guò)程中本就先行接受了較高比例的混積陸源有機(jī)質(zhì),加之相對(duì)低等水生生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)更強(qiáng)抗降解的能力,因此,其中陸源有機(jī)質(zhì)成分得以更多得以保存下來(lái)顯然可能性更高是事實(shí)。

膠萊盆地萊陽(yáng)群絕大部分樣品C29甾烷的20S/20S+20R和ββ/ββ+αα值都大于0.4,表明烴源巖已經(jīng)進(jìn)入生油門(mén)限。藿烷類(lèi)化合物均以C30藿烷含量最高,大部分樣品的Σ升藿烷/C30藿烷值大于1.0。C31藿烷的22S/22R+22S均已達(dá)到平衡值,C30莫烷/藿烷大部分小于0.2,Tm/Ts均小于1.5,這些都表明烴源巖已經(jīng)達(dá)到了生油門(mén)限。樣品中伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.23～0.93,尤其是水南段含量較高,比我國(guó)東部新生代的淡水湖盆中的值略高,與柴達(dá)木盆地新生代鹽湖接近。這表明萊陽(yáng)凹陷在逍仙莊段沉積期大至為淡水到微咸水湖泊,而水南段沉積期在湖盆中央較深水區(qū)可能具有明顯的水體分層和較高的鹽度。烴源巖樣品中三環(huán)萜烷的碳數(shù)分布為C19～C28,一般以C21或C23為主峰,三環(huán)萜烷/藿烷值為0.15～1.19。通常認(rèn)為三環(huán)萜烷與藻類(lèi)和細(xì)菌生源有關(guān),也有研究指出咸水環(huán)境可能比淡水環(huán)境更可能產(chǎn)生三環(huán)萜類(lèi)化合物[41-42],這都與膠萊盆地源巖的形成條件相符。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)山東東部近海靈山島、嶗山埡口-八仙墩和膠萊盆地典型剖面的沉積特征分析,發(fā)現(xiàn)靈山島、嶗山埡口-八仙墩早白堊世萊陽(yáng)期發(fā)育深水重力流、深水牽引流為主的海相沉積地層,膠萊盆地則同期主要發(fā)育一套河湖相及沖積扇相的陸相沉積地層。

2) 通過(guò)對(duì)靈山島萊陽(yáng)群粉砂巖進(jìn)行元素地球化學(xué)測(cè)試,B/Ga值為5.00～11.86,100 MgO/Al2O3值為15.78～71.62,Th/U值為2.85～4.73,CaO/(Fe+CaO)值為0.51～0.90,V/(V+Ni)值為0.51～0.84,Fe2+/Fe3+值為1.37～5.97,表明靈山島粉砂巖沉積環(huán)境為海相還原環(huán)境。對(duì)靈山島頁(yè)巖樣品進(jìn)行微量元素地球化學(xué)研究,B含量為(82.734～174.672)×10-6,古鹽度為1.040‰～10.022‰,Sr濃度為(229.197～408.056)×10-6,V濃度為(78.165～115.089)×10-6,B/Ga值為4.347～7.732,Sr/Ba值為0.296～0.709,Rb/Sr值為0.299～0.663,Cu/Zn值為0.235～0.390,V/ (V+Ni)值為0.724～0.800,表明靈山島頁(yè)巖為海相還原環(huán)境。

3) 利用有機(jī)地球化學(xué)的測(cè)試分析手段,針對(duì)靈山島21塊沉積巖樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)成熟度及生物標(biāo)志化合物的相關(guān)分析,分析結(jié)果表明,靈山島樣品TOC含量較高,達(dá)到好和中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn),氯仿瀝青“A”含量低,主要受熱演化程度高和野外露頭風(fēng)化的影響,熱解分析測(cè)定靈山島樣品有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為腐殖型(Ⅲ型),全巖顯微組分分析表明,靈山島樣品有機(jī)顯微組分含量約占0.5%～1.2%,以無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組、鏡屑體和貧氫次生組分等來(lái)源于高等植物的組分為主,其中貧氫次生組分極其微小,幾乎不見(jiàn)殼質(zhì)組分、腐泥組分及富氫次生組分,靈山島樣品的熱解峰溫測(cè)定結(jié)果表明樣品已經(jīng)處于高成熟到過(guò)成熟階段。