川東北—鄂西地區(qū)下震旦統(tǒng)陡山沱組烴源巖特征及形成環(huán)境

張道亮，楊帥杰，王偉鋒，付小東，張建勇，李文正

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油天然氣股份有限公司 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023)

陡山沱組是我國新元古界震旦系最為重要的烴源巖層系之一。露頭剖面和相關(guān)鉆井揭示，四川盆地周緣發(fā)育陡山沱組厚度較大的黑色泥頁巖沉積[1-2]，宜昌地區(qū)秭地1、鄂陽頁1井等鉆井也相繼發(fā)現(xiàn)陡山沱組頁巖有良好的含氣性顯示[3-4]，因此深化陡山沱組烴源巖分布和地化特征研究顯得尤為重要。

前人對(duì)陡山沱組地層、巖相古地理、沉積環(huán)境等方面開展了一定的研究[5-11]，認(rèn)為陡山沱組在川東北城口地區(qū)和鄂西地區(qū)沉積厚度大，地層具有四分性，巖性多為白云巖、暗色泥頁巖及粉砂巖，其中烴源巖主要發(fā)育在二段和四段。對(duì)陡山沱組頁巖沉積環(huán)境的分析表明，宜昌地區(qū)陡二段頁巖形成于氣候劇烈變動(dòng)的臺(tái)地內(nèi)部，下部頁巖形成于氧化環(huán)境，上部頁巖形成于還原環(huán)境[5]；鄂西地區(qū)陡山沱組黑色頁巖發(fā)育在臺(tái)內(nèi)盆地，陡二段頁巖為貧氧—缺氧環(huán)境，陡四段頁巖為缺氧環(huán)境[6]。但對(duì)于川東北地區(qū)該套烴源巖的平面分布特征及形成環(huán)境的研究相對(duì)比較薄弱。上揚(yáng)子北緣陡山沱組沉積過程為水體加深的海侵序列，鎮(zhèn)巴—城口地區(qū)陡山沱組總體形成于濱?！懪锃h(huán)境[7]，發(fā)育潮坪相、斜坡相、陸棚相等沉積體系，黑色頁巖形成于淺?！肷詈－h(huán)境[8]。針對(duì)上述問題，筆者對(duì)川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組典型剖面進(jìn)行踏勘和系統(tǒng)采樣，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析烴源巖有機(jī)地化、主、微量元素及相關(guān)比值的變化特征，明確不同地區(qū)陡山沱組烴源巖特征和平面展布，探討不同地區(qū)烴源巖的形成環(huán)境及其差異性，以期為川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組古地理重建和油氣勘探提供依據(jù)。

1 樣品采集與分析

研究區(qū)位于中上揚(yáng)子北緣，主體位置在城口—宜昌一帶；構(gòu)造位置上處于四川盆地北部城巴斷裂帶內(nèi)和中揚(yáng)子區(qū)黃陵背斜東南部。區(qū)內(nèi)震旦系地層沿鎮(zhèn)巴—城口—鎮(zhèn)坪一帶和神農(nóng)架隆起及黃陵背斜周緣出露(圖1)[7]。樣品主要采自于川東北城口符家溝、陳家灣、五宋村和鄂西宜昌花雞坡、芝麻坪等剖面，巖性為黑色泥頁巖、碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)泥巖等，主要進(jìn)行了有機(jī)碳含量、主微量元素、成烴生物、干酪根顯微組分和成熟度分析測(cè)試。

樣品測(cè)試工作由北京通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，有機(jī)碳含量測(cè)試采用美國力可CS230碳硫分析儀，執(zhí)行GB/T19145—2003標(biāo)準(zhǔn)；主量元素測(cè)試采用XRF設(shè)備，執(zhí)行GB/T 21114—2007標(biāo)準(zhǔn)；微量元素測(cè)試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，執(zhí)行GB/T 14506.30—2010標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 川東北—鄂西地質(zhì)簡圖據(jù)文獻(xiàn)[7]修改。

2 陡山沱組烴源巖分布特征

陡山沱組是繼南沱組冰期后發(fā)生大規(guī)模海侵沉積的第一套地層，自下而上可以分為4個(gè)巖性段，其中暗色泥頁巖主要發(fā)育在陡二段和陡四段[5，12]。通過收集露頭資料及前人研究成果[1，3，9，13-14]，結(jié)合剖面實(shí)測(cè)對(duì)陡山沱組泥頁巖厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并編制烴源巖厚度分布圖。其中鎮(zhèn)巴小洋壩剖面陡山沱組泥頁巖厚88 m(圖2a)；紫陽紫黃剖面陡山沱組泥巖厚96 m[1]；城口一帶泥頁巖厚度大，明月剖面陡山沱組黑色頁巖厚度可達(dá)230 m[13]，符家溝剖面陡山沱組未見到頂界面，暗色泥頁巖縱向厚度可達(dá)250 m；樟樹坪地區(qū)陡山沱組泥頁巖厚度較薄，總體為0～20 m[14]；宜昌花雞坡剖面陡山沱組巖性以白云巖和黑色碳質(zhì)泥頁巖為主，烴源巖累計(jì)厚度約50 m(圖2b)；秭地1井、秭地2井、鄂陽頁1井等鉆遇陡山沱組頁巖厚度在100～150m；鶴峰白果坪一帶陡山沱組泥頁巖厚度較大。平面上，由于受到漢南古陸和川東古隆起的控制，川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組烴源巖存在多個(gè)厚度中心，其中鎮(zhèn)巴—城口一帶烴源巖厚度最大，為100～250 m；鄂西宜昌—長陽地區(qū)烴源巖厚度在50～150 m。川東古隆起地區(qū)五探1井陡山沱組主要為粉砂巖，不發(fā)育烴源巖，樓探1井尚未鉆穿陡山沱組，但地震剖面顯示古隆起兩側(cè)陡山沱組地層厚度大，因此推測(cè)在古隆起兩側(cè)烴源巖厚度為20～100 m(圖2a)。

圖2 川東北—鄂西陡山沱組烴源巖厚度等值線(a)及地層剖面對(duì)比(b)

3 烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征

川東北—鄂西地區(qū)7個(gè)野外剖面94個(gè)烴源巖樣品地球化學(xué)分析測(cè)試表明，陡山沱組有機(jī)碳含量較高，但不同地區(qū)存在一定差異(表1)。陡山沱組烴源巖總有機(jī)碳含量分布在0.21%～10.40%，平均為2.04%，有30%的樣品總有機(jī)碳含量在2%以上，達(dá)到優(yōu)質(zhì)烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)(總有機(jī)碳含量超過2%)。其中符家溝剖面陡山沱組烴源巖總有機(jī)碳含量分布在0.21%～6.14%，平均為1.67%；陳家灣剖面總有機(jī)碳含量為1.24%～10.40%，平均為4.73%；五宋村剖面總有機(jī)碳含量為0.30%～5.56%，平均為2.23%。鄂西地區(qū)烴源巖有機(jī)碳含量高，除了一個(gè)樣品有機(jī)碳含量為0.86%外，其余樣品總有機(jī)碳含量均大于1.0%，有接近40%的樣品達(dá)到優(yōu)質(zhì)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。陡山沱組成烴生物類型多樣，發(fā)育浮游藻(藍(lán)藻)、球狀甲藻、底棲褐藻、疑源類等多種生物微相(圖3a-c)，以底棲藻類無定形體和固體瀝青為主。裂縫與粒間孔隙中大量充填的固體瀝青表明，在地質(zhì)歷史時(shí)期其經(jīng)歷了大量生油并有部分液態(tài)烴滯留在烴源層內(nèi)。根據(jù)干酪根顯微組分分析和鏡下鑒定，陡山沱組有機(jī)顯微組分主要為腐泥組，含量為62%～90%，干酪根碳同位素在-37.93‰～-28.67‰，平均為-31.83‰(表1)，表明干酪根類型主要為Ⅰ-Ⅱ1型，具有較高的生烴潛力。烴源巖等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)在2.39%～3.50%，處于過成熟熱演化生氣階段。

表1 川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征

圖3 川東北—鄂西陡山沱組烴源巖成烴生物及顯微組分鏡下鑒定結(jié)果

4 烴源巖形成環(huán)境

4.1 陡山沱組沉積背景

川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組沉積期具有明顯的兩隆兩坳古地理格局，在盆地西北部和北部分別存在漢南古陸和開江古陸，因而缺少陡山沱組沉積[15]。城口和鶴峰地區(qū)發(fā)育邊緣凹陷，沉積厚度大，尤其是城口高觀地區(qū)最大可達(dá)1 843.6 m，湘鄂西地區(qū)陡山沱組厚度一般為100～200 m[10]。從地層剖面對(duì)比(圖2b)可以看出，自鎮(zhèn)巴向城口地區(qū)陡山沱組明顯加厚，泥頁巖厚度大且比較穩(wěn)定，其間有少量的白云巖及硅質(zhì)白云巖，主要為深水陸棚沉積。向東至巫溪康家坪、樟樹坪一帶，地層厚度減薄，主體巖性為白云巖，僅在底部發(fā)育數(shù)十米的泥頁巖，表明沉積水體較淺。宜昌—鶴峰一帶，陡山沱組地層變厚，巖性以碳質(zhì)泥頁巖和泥質(zhì)白云巖、白云巖為主，處于較深水的臺(tái)內(nèi)盆地環(huán)境。此次研究主要利用微量元素及其比值，分析陡山沱組烴源巖形成時(shí)的水動(dòng)力、古鹽度、氧化還原條件等沉積環(huán)境因素。

4.2 水動(dòng)力條件

水動(dòng)力條件能夠反映水深、浪基面等相關(guān)信息，有機(jī)質(zhì)往往在水動(dòng)力弱的低能條件下沉淀[16]。Zr是典型的親陸惰性元素，其含量與沉積巖粒度呈正相關(guān)；Rb常賦存于海水中的黏土、云母等細(xì)粒礦物中，在低能環(huán)境中沉淀。因此巖石中的Zr/Rb值可用來定量表征水動(dòng)力變化特征，值越大，反映水動(dòng)力越強(qiáng)[17]。

從表2可以看出，符家溝剖面烴源巖Zr/Rb值變化不大，在1.06～3.60之間，平均值為1.99，反映自南沱紀(jì)冰期結(jié)束后海平面迅速上升，城口地區(qū)轉(zhuǎn)為深水陸棚環(huán)境，從而處于水體能量相對(duì)穩(wěn)定、水動(dòng)力較弱的沉積環(huán)境。此外，從縱向來看(圖4)，陡山沱組底部地層主要為厚度較大的砂質(zhì)頁巖，向上逐漸變?yōu)楹谏假|(zhì)頁巖、深灰色泥頁巖，夾有薄層的白云巖、粉砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)含量相對(duì)減少，同時(shí)烴源巖樣品的Zr/Rb值曲線多次波動(dòng)，整體左傾，也表明自下而上水體加深，能量減弱，上部地層沉積時(shí)水體比較穩(wěn)定、能量較低。宜昌花雞坡剖面樣品Zr/Rb值變化較大，在2.40～14.80，平均值為9.33，遠(yuǎn)大于符家溝剖面，同時(shí)烴源巖縱向累計(jì)厚度也小于城口地區(qū)，表明陡山沱組沉積時(shí)期宜昌地區(qū)處于開闊臺(tái)內(nèi)盆地環(huán)境，海水相對(duì)較淺，因此水動(dòng)力較強(qiáng)。

4.3 古鹽度

古鹽度是指示沉積期古地理環(huán)境和古氣候的重要指標(biāo)。微量元素中鍶(Sr)的含量可以定性判斷水體鹽度。在海相咸水中Sr的含量為800～1 000 μg/g，半咸水中為500～800 μg/g；淡水中為100～500 μg/g[18]。Rb/K值也常作為水體鹽度判別的有效參數(shù)。Rb/K大于0.006為正常海相沉積，0.004～0.006為微咸水，河流相沉積物的該比值為0.002 8[19]。

符家溝剖面陡山沱組樣品Sr含量在16.8～297 μg/g，平均為87.58 μg/g，樣品Rb/K值在0.001 8～0.009 0，平均為0.003 9；花雞坡剖面樣品Sr含量在118.6～757.5 μg/g，平均為347.81 μg/g，Rb/K值在0.000 3～0.002 1，平均為0.000 7，均指示川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組烴源巖沉積水體鹽度偏低。從Sr含量來看，符家溝剖面水體鹽度低于花雞坡，但Rb/K值指示符家溝剖面鹽度相對(duì)較大。對(duì)Sr元素富集程度的分析表明，符家溝剖面樣品Sr富集系數(shù)EF(Sr)值為0.2～6.3，平均0.87，大多數(shù)樣品富集系數(shù)小于1；花雞坡剖面EF(Sr)值為1.3～15.8，平均5.7，所有樣品EF(Sr)均大于1，由此推測(cè)造成鹽度判別不一致的原因可能是符家溝剖面Sr元素相對(duì)虧損所致。同時(shí)根據(jù)區(qū)域沉積背景，川東北地區(qū)陡山沱組烴源巖厚度大，處于深水陸棚環(huán)境，宜昌地區(qū)處于臺(tái)內(nèi)盆地環(huán)境，受河流相淡水影響更大，所以綜合認(rèn)為川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組烴源巖形成于低鹽度水體環(huán)境，鄂西地區(qū)鹽度更低。

4.4 氧化還原條件

氧化還原條件是有機(jī)質(zhì)是否能被保存下來的關(guān)鍵因素。前人對(duì)氧化還原指標(biāo)進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為Th、U、V、Ni、Cr、Mo等元素對(duì)氧化還原環(huán)境較為敏感，常用其比值進(jìn)行氧化還原環(huán)境的判別[20]。一般說來，參與判別的相關(guān)元素應(yīng)為自生類型，但是由于沉積巖中微量元素還來源于陸源碎屑，因此需要對(duì)氧化還原敏感元素含量和Al或Ti做相關(guān)性分析，選擇兩者相關(guān)程度較低的元素進(jìn)行古環(huán)境判別[21-22]。

符家溝剖面樣品氧化還原敏感元素中Cr與Al的相關(guān)性強(qiáng)，V、U、Mo、Ni等元素與Al的相關(guān)性弱，相關(guān)系數(shù)小于0.5。花雞坡剖面烴源巖樣品中Ni、Co、Cu等元素與Al的相關(guān)性強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)大于0.8，Mo、U與Al的相關(guān)系數(shù)小于0.5，相關(guān)程度弱。因此，在選擇V、U、Mo等元素進(jìn)行氧化還原環(huán)境判斷時(shí)，仍然具有一定的可靠性。

4.4.1 氧化還原敏感元素富集程度

由于沉積巖或沉積物中氧化還原敏感元素的富集程度受沉積水體氧化還原環(huán)境的控制，因此可以利用其富集程度來指示古水體的氧化還原性質(zhì)[23]。由于Al元素不受成巖作用影響，且比較穩(wěn)定，因此常被用作元素富集系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)[24]，各氧化還原敏感元素的富集系數(shù)常用EF(X)=(X/Al)樣品/(X/Al)PAAS來計(jì)算，當(dāng)EF(X)>1時(shí)，表明X元素相對(duì)富集，反之則相對(duì)虧損。

表2 川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組地球化學(xué)元素參數(shù)分布特征

符家溝剖面烴源巖氧化還原敏感元素富集系數(shù)大小順序?yàn)镋F(Mo)>EF(V)>EF(U)>EF(Cu)>EF(Cr)>EF(Ni)，其中Mo、V、U、Cu元素富集系數(shù)平均值大于1，Mo元素富集系數(shù)平均值最大，為9.42；Cr、Ni等元素富集系數(shù)平均值小于1(表2)，表現(xiàn)出相對(duì)虧損?；u坡剖面烴源巖樣品氧化還原敏感元素富集系數(shù)大小順序?yàn)镋F(Mo)>EF(Cr)>EF(U)>EF(V)>EF(Cu)>EF(Ni)，各元素富集系數(shù)均大于1(表2)。2個(gè)剖面樣品都表現(xiàn)出V、U相對(duì)于Cu、Ni明顯富集的特點(diǎn)，表明陡山沱組烴源巖在沉積時(shí)整體處于水體缺氧環(huán)境[23]。從縱向剖面可以看出，符家溝剖面地層下部Mo、V、Cu、Ni、Co等元素呈現(xiàn)出相對(duì)虧損的波谷形態(tài)，中上部地層出現(xiàn)多個(gè)富集高峰，而鄂西花雞坡剖面氧化還原敏感元素變化相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)符家溝剖面陡山沱組稀土元素的分析，樣品∑LREE/∑HREE均值為5.56，δEu范圍在1.07～3.48，均值為1.61，具有輕稀土富集和明顯Eu正異常特征。同時(shí)結(jié)合城口地區(qū)陡山沱組黑色巖系樣品大部分落在了(Cu+Co+Ni)-∑REE和U-Th熱液特征判別圖熱水沉積區(qū)的研究結(jié)果[25]，推測(cè)符家溝剖面多個(gè)元素富集高峰的出現(xiàn)可能與深部熱液作用有關(guān)。

圖4 川東北—鄂西陡山沱組地層元素地球化學(xué)綜合柱狀圖

4.4.2 氧化還原敏感元素比值

除了氧化還原敏感元素富集程度可以指示水體的氧化還原性質(zhì)外，相關(guān)微量元素的比值,如Th/U、V/(V+Ni)、δU等，也常用來判斷氧化還原環(huán)境。Th/U在0～2為缺氧環(huán)境，大于2為氧化環(huán)境，在強(qiáng)氧化環(huán)境中可高達(dá)8[26]；V/(V+Ni)在0.46以下為氧化環(huán)境，0.46～0.60為貧氧環(huán)境，0.60～0.84為缺氧環(huán)境，大于0.84為硫化缺氧環(huán)境[27]；同時(shí)也有學(xué)者提出了δU[δU=2U/(U+Th/3)]可以作為氧化還原環(huán)境判別指標(biāo)，認(rèn)為δU小于1為正常海水環(huán)境，δU大于1為缺氧環(huán)境[28]。此外，Mo-U共變是近年來古海洋氧化還原判別的新指標(biāo)，Mo和U在缺氧或硫化環(huán)境中往往被還原為低價(jià)態(tài)而被沉積物捕獲，因此EF(Mo)/EF(U)比值可以指示古環(huán)境。在氧化條件下，EF(Mo)/EF(U)比值小于現(xiàn)代海水EF(Mo)/EF(U)比值的0.3倍，在還原環(huán)境中其比值接近或超過現(xiàn)代海洋的EF(Mo)/EF(U)比值[29]。

研究區(qū)微量元素相關(guān)比值變化特征如表2所示，符家溝剖面Th/U值為1.05～3.86，平均為2.31，V/(V+Ni)值為0.70～0.99，平均為0.92，δU值為0.88～1.48，平均為1.15；花雞坡剖面Th/U值為0.43～2.37，平均為1.35，V/(V+Ni)值為0.68～0.87，平均為0.80，δU值在1.12～1.75，平均為1.40。2個(gè)剖面樣品點(diǎn)總體上都落在缺氧—貧氧區(qū)域，個(gè)別樣品表現(xiàn)出弱氧化的特征，其中符家溝剖面落在貧氧區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)更多(圖5a)，表明川東北地區(qū)陡山沱組烴源巖形成于缺氧—貧氧的沉積環(huán)境，鄂西地區(qū)烴源巖發(fā)育在缺氧環(huán)境中。另外從EF(Mo)-EF(U)共變圖(圖5b)中看出，符家溝樣品EF(Mo)/EF(U)比值范圍在1.12～20.01，平均為6.58，大部分樣品都落在EF(Mo)/EF(U)比值為1倍海水等值線和3倍海水等值線之間；花雞坡樣品EF(Mo)/EF(U)比值范圍在0.42～8.20，平均為2.45，大部分樣品落在0.3倍海水等值線和1倍海水等值線之間，個(gè)別樣品落在次氧化—缺氧海水區(qū)域(圖5b)，均表明陡山沱組烴源巖沉積時(shí)為缺氧—貧氧環(huán)境，這與上述其他指標(biāo)分析結(jié)果基本一致。

5 油氣地質(zhì)意義

陡山沱組成烴母質(zhì)來源于低等水生生物，有機(jī)質(zhì)在水體能量較低的缺氧還原環(huán)境中能夠被很好地保存下來，從而形成總有機(jī)碳含量高、有機(jī)質(zhì)類型好、現(xiàn)今熱演化程度高、在川東北—鄂西地區(qū)廣泛分布且厚度較大的優(yōu)質(zhì)烴源巖。該套烴源巖可與生烴凹陷外圍燈影組臺(tái)緣丘灘相儲(chǔ)層形成良好的源儲(chǔ)配置關(guān)系。同時(shí)陡山沱組暗色泥頁巖既是優(yōu)質(zhì)烴源巖，也是良好的頁巖氣儲(chǔ)層段，目前已在宜昌地區(qū)獲得了鉆井含氣性顯示，表現(xiàn)出極大的勘探潛力。因此陡山沱組烴源巖對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)震旦系—寒武系常規(guī)、非常規(guī)天然氣勘探均具有重要地質(zhì)意義，川東北和鄂西地區(qū)是源自陡山沱組天然氣資源勘探的有利方向。

圖5 川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組烴源巖氧化還原對(duì)比分析

6 結(jié)論

(1)川東北—鄂西地區(qū)震旦系陡山沱組烴源巖廣泛發(fā)育，區(qū)域厚度為20～250 m，存在鎮(zhèn)巴—城口和宜昌—五峰2個(gè)厚度中心，根據(jù)鉆井和地震剖面推測(cè)川東古隆起兩側(cè)烴源巖厚度為20～100 m。

(2)陡山沱組烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，總體分布在0.21%～10.40%，平均為2.04%；有機(jī)母質(zhì)來源于低等水生生物，為Ⅰ-Ⅱ1型干酪根；烴源巖現(xiàn)今熱演化程度高，處于過成熟階段，具有良好的生氣潛力。

(3)川東北—鄂西地區(qū)陡山沱組烴源巖形成環(huán)境存在一定差異。川東北地區(qū)陡山沱組烴源巖形成于水動(dòng)力弱、低鹽度、缺氧—貧氧的深水陸棚環(huán)境；鄂西花雞坡剖面陡山沱組烴源巖發(fā)育于水動(dòng)力較強(qiáng)、低鹽度、缺氧的臺(tái)內(nèi)盆地環(huán)境。