川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

王純豪，韓 超，韓 梅3，鐘文健

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.海洋礦產(chǎn)資源實(shí)驗(yàn)室 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071； 3. 山東科技大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，山東 青島 266590)

近年來，我國海相油氣勘探在鄂爾多斯盆地東部、四川盆地西部及塔里木盆地中部等地區(qū)取得了重大突破[1]，引起了人們對低有機(jī)質(zhì)豐度、高熱演化程度的海相碳酸鹽巖的關(guān)注，其能否作為有效烴源巖成為我國深層海相碳酸鹽巖層系油氣勘探的一個關(guān)鍵問題。Jarvie[2]系統(tǒng)分析了樣品在熱演化過程中有機(jī)碳含量的變化，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)類型好的樣品到達(dá)高熱演化階段后，其有機(jī)碳含量最高可降低80%；霍志鵬等[3]通過對塔中地區(qū)低豐度碳酸鹽巖評價，認(rèn)為過成熟階段有效烴源巖的有機(jī)碳含量下限值為0.15%。因此，對于高熱演化程度、低有機(jī)質(zhì)豐度的碳酸鹽巖，不可否認(rèn)其對油氣藏的貢獻(xiàn)。

川西坳陷海相層系因埋藏深且經(jīng)歷多期構(gòu)造活動的改造[4]，地質(zhì)條件復(fù)雜，使得該地區(qū)海相層系油氣勘探程度較低，制約著對該地區(qū)海相層系烴源巖資源潛力的認(rèn)識。隨著川西地區(qū)多口鉆井在雷口坡組陸續(xù)獲得高產(chǎn)工業(yè)性氣流，說明川西坳陷海相層系具有良好的油氣勘探潛力，但也存在明顯的源、藏不匹配問題[1]，四川盆地碳酸鹽巖層系油氣勘探探明的油氣儲量甚至超過了評價的油氣資源量，研究區(qū)深埋藏的高豐度海相烴源巖分布有限，不能合理解釋已探明的大量油氣。

前人對川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖有機(jī)地球化學(xué)特征及沉積相等方面做了大量的工作，取得了一系列研究成果。孫騰蛟等[4]認(rèn)為四川盆地海相碳酸鹽巖層系相比其他幾大含油氣盆地，具有發(fā)育時間久、厚度大、層系多的特點(diǎn)；王彥青等[5]認(rèn)為雷口坡組碳酸鹽巖熱演化程度高(Ro>2.0%)，有機(jī)質(zhì)豐度整體較低，有機(jī)碳含量大于0.2%的樣品不足20%，小部分樣品有機(jī)碳含量大于0.5%可作為優(yōu)質(zhì)烴源巖；楊克明[6]認(rèn)為雷口坡組碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)類型好，具有較高的生烴轉(zhuǎn)化率，且樣品中的有機(jī)酸鹽具有較強(qiáng)的生烴能力；孫春燕等[7]認(rèn)為雷口坡組發(fā)育碳酸鹽巖臺地相沉積體系，主要包含臺內(nèi)灘、局限潮坪、潟湖等亞相。

雷口坡組高熱演化程度、低有機(jī)質(zhì)豐度的碳酸鹽巖能否作為有效烴源巖，針對這一問題，謝剛平[8]通過對比天然氣地球化學(xué)特征及天然氣運(yùn)移條件認(rèn)為，雷口坡組天然氣來源除其他層系烴源巖外，還有部分來自雷口坡組碳酸鹽巖。本研究從碳酸鹽巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境等方面對雷口坡組碳酸鹽巖進(jìn)行綜合評價，探討其作為有效烴源巖的可能性，以期為研究區(qū)下一步油氣勘探提供參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊西緣的龍泉山前陸隆起帶與龍門山?jīng)_斷帶之間，地理位置大致處于綿竹-新場-豐谷以南、大邑-成都以北的地區(qū)，包括5個構(gòu)造區(qū)帶：安縣-鴨子河-大邑?cái)囫迬А㈣麂枷?、孝?豐谷構(gòu)造帶、成都凹陷、知新場-龍寶梁構(gòu)造帶[9](圖1)。中三疊世雷口坡期，四川盆地古構(gòu)造活動強(qiáng)烈，隨著康滇古陸、龍門山島鏈相對下沉，以及江南古陸相對抬升并不斷向西北方向推進(jìn)，造成龍門山與江南古陸之間相對擠壓，以致形成開江、瀘州古隆起，同時天井山古隆起再次隆升[10]。自此，西高東低的古地理格局得以改變，地形整體呈東高西低、南高北低的特征。

由于受到古陸與眾多古隆起的影響，川西坳陷逐漸形成半封閉的陸表海環(huán)境，發(fā)育多套以碳酸鹽巖-膏鹽巖為主的沉積旋回[11]。雷口坡組可劃分為四個巖性段[12]，除雷四段頂面受印支運(yùn)動的影響遭受侵蝕外，總體保留較完整(圖2)。

研究區(qū)西部主要為臺地邊緣沉積，中東部主要為局限-蒸發(fā)臺地沉積[5](圖3)。其中，大邑-綿竹-江油一線發(fā)育臺緣灘亞相，主要巖性為生物碎屑白云巖、藻白云巖、泥晶白云巖等；綿陽-成都一線發(fā)育潮坪亞相，主要巖性為泥粉晶白云巖、膏質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖等。碳酸鹽巖層系厚約150～550 m[4]，一般為350～550 m，大邑-都江堰一帶厚度較大?？傮w上，川西坳陷中段較厚，南段次之，北段較薄(圖4)。

2 樣品采集與測試方法

實(shí)驗(yàn)樣品來自龍深1井、羊深1井和鴨深1井巖心樣品，有機(jī)地球化學(xué)分析由任丘市邦達(dá)新技術(shù)有限公司完成，主、微量元素含量分析由武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。有機(jī)碳含量測定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 19145—2003，測試儀器為Leco碳硫測定儀；有機(jī)顯微組分與瀝青反射率測定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)分別為SY/T 5125—1996、SY/T 5124—1995，測試儀器為Axio Scope Al顯微光度計(jì)；微量元素含量測定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 14506.30—2010，測試儀器為Agilent 7700e質(zhì)譜儀；主量元素含量測定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 14506.28—2010，測試儀器為ZSXPrimusⅡ光譜儀。

3 碳酸鹽巖有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

采用干酪根顯微組分類型判別法對川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行表征。通過顯微觀察統(tǒng)計(jì)樣品中不同顯微組分的百分含量，依據(jù)類型指數(shù)TI的大小區(qū)分干酪根類型，Ⅰ型干酪根TI值大于80，Ⅱ1型干酪根TI值為40～80，Ⅱ2型干酪根TI值為0～40，Ⅲ型干酪根TI值小于0[13]。

分析結(jié)果如表1所示，除個別樣品未檢測到有機(jī)質(zhì)外，其余樣品的有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅰ型。綜合前人研究成果認(rèn)為研究區(qū)雷口坡組碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型[4,6,8]，有機(jī)質(zhì)類型好，生烴轉(zhuǎn)化率高。

3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

川西坳陷中段雷口坡組樣品演化程度高、缺少鏡質(zhì)體，但往往賦存固態(tài)瀝青。依據(jù)巖石中瀝青反射率與鏡質(zhì)體反射率之間的關(guān)系，本研究通過測試樣品的瀝青反射率(Rb)，并將其轉(zhuǎn)化成等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)來判斷有機(jī)質(zhì)的成熟度[14]。測試結(jié)果如表2所示，有效測試樣品中等效鏡質(zhì)體反射率均大于2.0%。結(jié)合前人研究成果認(rèn)為研究區(qū)雷口坡組碳酸鹽巖熱演化程度較高[4,6,8]，處于過成熟階段。

圖2 四川盆地中三疊統(tǒng)雷口坡組巖性 特征綜合柱狀圖[12]Fig. 2 Synthetical lithology histogram of gas fields of the Middle Triassic Leikoupo Formation in Sichuan Basin

圖3 研究區(qū)雷口坡組沉積相展布圖[5]Fig. 3 Sedimentary facies distribution of Leikoupo Formation in the study area

圖4 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖厚度圖[4]Fig. 4 Thickness map of Leikoupo Formation carbonate rocks in the central western Sichuan Depression

表1 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)類型分析

表2 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖等效鏡質(zhì)體反射率

3.3 有機(jī)質(zhì)豐度

選取龍深1井、鴨深1井和羊深1井的11件碳酸鹽巖樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量測定，結(jié)果如圖5所示，有機(jī)碳含量為0.02%～0.19%，有機(jī)質(zhì)豐度較低。前人[5-6]對研究區(qū)雷口坡組大量碳酸鹽巖樣品分析表明，若以0.2%作為過成熟階段海相烴源巖有機(jī)碳含量的下限值，測試樣品有機(jī)碳含量大于0.2%的比例約占25%，絕大部分樣品有機(jī)碳含量未達(dá)到有效烴源巖有機(jī)碳含量的下限值。分析認(rèn)為這與烴源巖類型、熱演化程度相關(guān)，雷口坡組實(shí)測樣品有機(jī)碳含量表示的是烴源巖中剩余有機(jī)碳的含量，有機(jī)質(zhì)在漫長的演化過程中持續(xù)地生烴和排烴作用，才導(dǎo)致烴源巖中有機(jī)碳的含量不斷降低。前人[2-3]通過自然演化剖面和熱模擬試驗(yàn)分析表明碳酸鹽巖有機(jī)碳含量隨熱演化程度的加深而不斷減少，有機(jī)質(zhì)類型越好，有機(jī)碳含量下降幅度也越大，最大下降幅度約60～80%。霍志鵬等[3]認(rèn)為有效烴源巖的生烴潛力隨熱演化程度的加深呈先增加后減小的特征，隨著烴源巖生烴量的增加，當(dāng)滿足烴源巖最大殘留烴量時開始向外排烴，稱這個臨界點(diǎn)為排烴門限。低豐度的碳酸鹽巖初始生烴量相對較少，到達(dá)排烴門限也相對較晚，取排烴量為零時的有機(jī)碳含量為有效烴源巖有機(jī)碳含量下限值，并通過繪制演化剖面得出過成熟階段有效烴源巖的有機(jī)碳含量下限值為 0.15%。

圖5 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖TOC值Fig. 5 TOC content of Leikoupo Formation carbonate rocks in the central western Sichuan Depression

孫敏卓等[15]通過紅外光譜法、氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用和熱重/差熱等技術(shù)證實(shí)碳酸鹽巖中普遍存在有機(jī)酸鹽。碳酸鹽巖中有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中生成的有機(jī)酸與堿性礦物發(fā)生反應(yīng)生成有機(jī)酸鹽，有機(jī)酸鹽熱穩(wěn)定性高，具有很高的生烴轉(zhuǎn)化率，可作為重要的再生烴源[1,16]。傳統(tǒng)的有機(jī)碳測定方法往往忽略了有機(jī)酸鹽這一烴源，測定時不僅除去了樣品中的無機(jī)碳，還造成大量的有機(jī)酸鹽流失，以致所測的有機(jī)碳含量偏低。泥質(zhì)烴源巖中富含的有機(jī)酸鹽含量較低，測定時有機(jī)酸鹽的流失對其有機(jī)碳含量影響很小，但對于低有機(jī)質(zhì)豐度的碳酸鹽巖而言，流失的有機(jī)酸鹽所含的有機(jī)碳在總有機(jī)碳中占有較大比例，測定時對其有機(jī)碳含量值影響較大。

劉文匯等[1]利用新方法和傳統(tǒng)方法對國內(nèi)外不同盆地的海相層系碳酸鹽巖樣品的有機(jī)碳含量進(jìn)行了測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，有機(jī)碳測定新方法所測得的樣品有機(jī)碳含量相比傳統(tǒng)方法有了大幅提高，不少樣品有機(jī)碳含量值超過0.2%。因此，有機(jī)質(zhì)類型好的過成熟碳酸鹽巖在一定條件下?lián)碛休^高的生烴潛力，有望成為有效或優(yōu)質(zhì)烴源。

表3 不同方法測得的塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖TOC值[1]

4 主、微量元素特征及其沉積環(huán)境指示意義

4.1 古生產(chǎn)力

研究表明只有生源Ba與古生產(chǎn)力相關(guān)，因此在反演古生產(chǎn)力時要扣除陸源Ba含量的影響，建立生源Ba與古生產(chǎn)力的關(guān)系，本研究利用Ti從樣品的總Ba中扣除陸源部分得出生源Ba含量，具體公式[17]如下：

Babio=Batotal-Titotal×(Ba/Ti)PAAS，

式中，Batotal為樣品中總Ba，Titotal為樣品中總Ti，(Ba/Ti)PAAS為陸源Ba/Ti比值，取自晚太古代澳大利亞頁巖中的兩元素比值，(Ba/Ti)PAAS≈0.108 3，Babio為生源Ba。

研究區(qū)雷口坡組總Ba和生源Ba含量如表4所示，總Ba含量為4.40～94.2 μg/g，均值31.92 μg/g；生源Ba含量4.36～94.16 μg/g，均值31.90 μg/g。從數(shù)據(jù)可以看出，總Ba和生源Ba數(shù)值差別很小，表明樣品中的Ba幾乎全都屬于生物來源，陸源輸入的量很少，為相對開放的低能、弱氧化-還原環(huán)境；雷四段生源Ba數(shù)值波動較大，最高達(dá)94.16 μg/g，最低不足7 μg/g。一般認(rèn)為Babio<1 000 μg/g時，古生產(chǎn)力水平較高；1 000

4.2 古鹽度

對古鹽度進(jìn)行表征通常采用Sr/Ba比值法。一般來說，海相咸水環(huán)境Sr/Ba>1；半咸水環(huán)境0.6

4.3 古氣候

Sr/Cu的比值是判別古氣候的靈敏指標(biāo)，在海相沉積中，1.310，代表炎熱干旱的氣候環(huán)境[20]。川西坳陷中段雷口坡組Sr/Cu比值為30.85～2 410.50，變化幅度較大，均值為326.69，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于炎熱干旱氣候的界限(表4)。其中雷三段Sr/Cu均值最低,約為44.17，雷二、雷四段Sr/Cu均值高于350，表明雷二、雷四段沉積時期處于強(qiáng)干旱蒸發(fā)環(huán)境，與古鹽度分析結(jié)果一致。

表4 川西坳陷中段雷口坡組樣品元素特征

此外，CaO/(MgO×Al2O3)對古氣溫變化也有一定的指示意義[19]，其數(shù)值可以反映古氣溫的高低，值越大，所代表的氣溫相對越高。川西坳陷中段雷口坡組CaO/(MgO×Al2O3)比值(如表4)介于2.15～8.90之間，均值為5.1，表明研究區(qū)雷口坡組古氣溫較高。綜上分析表明，川西坳陷中段雷口坡組沉積時期處于炎熱干旱的氣候中，且雷二、雷四段的炎熱干旱程度高于雷三段。

4.4 氧化還原條件

V/Cr與V/(V+Ni)的值可作為判斷氧化還原環(huán)境的特征指標(biāo)[18，21]，24.25代表厭氧環(huán)境；0.450.6代表厭氧環(huán)境。研究區(qū)雷口坡組V/Cr與V/(V+Ni)比值結(jié)果如表4所示，V/(V+Ni)的值介于0.48～0.93之間，均值為0.75；V/Cr的值介于3.06～22.56之間，均值為9.23，說明除個別樣品處于貧氧環(huán)境外，大部分樣品處于還原環(huán)境。同時，從樣品的干酪根顯微組分中可以看出黃鐵礦普遍發(fā)育，進(jìn)一步表明研究區(qū)雷口坡組的沉積環(huán)境是有利于有機(jī)質(zhì)保存的還原環(huán)境。

5 地質(zhì)意義

5.1 有機(jī)質(zhì)富集與保存條件

研究區(qū)雷口坡期發(fā)生多次規(guī)模較大的海侵-海退旋回，海侵體系域發(fā)育期間，海平面快速上升，使區(qū)域內(nèi)部分地區(qū)處于缺氧或貧氧環(huán)境中，而且沉積速率很低，有利于沉積有機(jī)質(zhì)的富集和保存。無機(jī)地球化學(xué)特征表明研究區(qū)雷口坡組處于炎熱干旱、高鹽度、低能、弱氧化-還原的環(huán)境，炎熱干旱的環(huán)境使海水鹽度較高，咸水環(huán)境對有機(jī)質(zhì)最重要的影響體現(xiàn)在高生物產(chǎn)率及缺氧條件兩方面。高鹽度海水在重力作用下會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，表層水體鹽度較小，底層水體鹽度較大。表層水體與空氣接觸溶解氧含量高，有利于嗜鹽生物的繁衍，特別是嗜鹽藻類具有較高的生物產(chǎn)率；表層水體嗜鹽生物的呼吸作用消耗游離氧氣，使得底層水體形成缺氧環(huán)境，有利于沉積有機(jī)質(zhì)的保存。

樣品生源Ba含量變化范圍為4.36～94.16 μg/g，平均含量較低。生源Ba值的大小與氧化還原環(huán)境相關(guān)，在厭氧-貧氧環(huán)境下，硫酸鹽還原菌將BaSO4中的陰離子還原為硫化氫，使BaSO4發(fā)生溶解，導(dǎo)致生源Ba含量較低。正常富氧環(huán)境下，BaSO4才能得到較好保存，所測的生源Ba值才能真正揭示沉積時期的古生產(chǎn)力水平。因此，認(rèn)為研究區(qū)雷口坡組碳酸鹽巖具有中低等古生產(chǎn)力水平，可以為烴源巖的發(fā)育提供一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

5.2 研究區(qū)碳酸鹽巖作為有效烴源巖的可行性分析

研究區(qū)雷口坡組高熱演化程度、低有機(jī)質(zhì)豐度的碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)類型好，具有較強(qiáng)的生烴能力和較高的生烴轉(zhuǎn)化率，雖然單位體積生排烴量相對較少，但碳酸鹽巖對烴的吸附作用小，具有較高的排烴效率使得殘留烴量也少。應(yīng)用傳統(tǒng)方法測得的研究區(qū)樣品有機(jī)碳含量為0.02%～0.19%，若按照前文提到的有機(jī)碳含量下限值0.15%來討論，所測樣品中部分樣品仍具有生烴潛力。另外，前人對雷口坡組大量碳酸鹽巖樣品分析表明，有機(jī)碳含量大于0.2%的樣品比例約占25%，這些樣品有機(jī)碳含量相對較高，可作為優(yōu)質(zhì)烴源巖。而且研究區(qū)雷口坡組碳酸鹽巖分布范圍廣、厚度大，可以有效彌補(bǔ)單位體積生排烴量較少，以及有機(jī)質(zhì)豐度相對較低的不足，提供可觀的油氣資源。

傳統(tǒng)的有機(jī)碳測定方法不光除去了樣品中的無機(jī)碳，還造成大量的有機(jī)酸鹽流失，以致所測的有機(jī)碳含量偏低。有機(jī)酸鹽不僅有很高的熱穩(wěn)定性，而且還具備很強(qiáng)的生烴能力，可以作為高熱演化階段的再生烴源。結(jié)合表3可以看出，有機(jī)碳測定新方法所測得的樣品有機(jī)碳含量相比傳統(tǒng)方法測得的有機(jī)碳含量有了大幅提高，不少樣品有機(jī)碳含量值超過0.2%。研究區(qū)雷口坡組是碳酸鹽巖與膏鹽巖共生發(fā)育的沉積環(huán)境，有利于有機(jī)酸在堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸鹽。

相比泥質(zhì)烴源巖，雷口坡組碳酸鹽巖進(jìn)入排烴門限需要更大的深度，排烴高峰出現(xiàn)的時間相對較晚，使排出的油氣損耗量降低，有利于晚期成藏。碳酸鹽巖不僅可以生成與排出油氣，還能夠儲集油氣。這一特質(zhì)使得油氣運(yùn)移的距離相對縮短，降低油氣在運(yùn)移過程中的散失量。同時，膏鹽巖層作為蓋層與碳酸鹽巖層共生，可以有效阻止油氣逸散。

綜上分析認(rèn)為，川西坳陷中段高熱演化程度、低有機(jī)質(zhì)豐度的碳酸鹽巖曾發(fā)生過生排烴作用，對油氣藏的形成作出了一定貢獻(xiàn)，不能將其排除在有效烴源巖之外。

6 結(jié)論

1) 生源Ba含量4.36～94.16 μg/g以及樣品中存在的大量碳瀝青，反映了研究區(qū)雷口坡組碳酸鹽巖具有中-低等古生產(chǎn)力水平，可為烴源巖的發(fā)育提供一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2) 根據(jù)0.79

3) 有機(jī)質(zhì)豐度整體偏低，樣品有機(jī)碳含量普遍低于0.2%；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型，有機(jī)質(zhì)成熟度大于2.0%，處于過成熟階段。研究區(qū)雷口坡組碳酸鹽巖具有高生烴轉(zhuǎn)化率、高排烴效率、低殘留烴量的特點(diǎn)，其排出的油氣量對油氣成藏具有一定貢獻(xiàn)，不能將其排除在有效烴源巖之外。