川西北地區(qū)茅口組上部黑色巖系的層位、沉積環(huán)境及生烴潛力評(píng)價(jià)

胡朝偉，胡 廣，張璽華，陳 聰，彭翰霖，高兆龍，廖志偉，龐 謙，游 杰

(1. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；2. 西南石油大學(xué) 中國石油碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沉積與成藏分室，成都 610500；3. 中國石油 西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041；4. 重慶大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院 煤礦災(zāi)害動(dòng)態(tài)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組是油氣勘探開發(fā)的重要層系之一，勘探歷史始于20世紀(jì)50年代[1]。當(dāng)前，川西雙探1、川中南充1、磨溪31X1等井在二疊系茅口組獲得了高產(chǎn)工業(yè)氣流[2-3]，使得茅口組逐漸成為四川盆地油氣勘探新熱點(diǎn)。

前人研究表明上揚(yáng)子臺(tái)地北緣中二疊世可能發(fā)育相對(duì)深水的廣元—巴中拉張槽[4]。臺(tái)地內(nèi)發(fā)育的拉張槽對(duì)區(qū)域油氣資源分布有重要的影響[5-7]，一方面是海槽深水區(qū)可能發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，另外一方面是海槽兩側(cè)一般發(fā)育臺(tái)緣相儲(chǔ)層，較好的源儲(chǔ)配置使得海槽一直是油氣勘探的重點(diǎn)。例如四川盆地綿陽—長(zhǎng)寧拉張槽內(nèi)部沉積了一套巨厚的下寒武統(tǒng)烴源巖，而拉張槽邊緣發(fā)育優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層[7]，中國石油在高石梯—磨溪地區(qū)獲得了萬億級(jí)的地質(zhì)儲(chǔ)量，顯示出巨大的勘探潛力[8-9]；再如四川盆地二疊紀(jì)的開江—梁平海槽，槽內(nèi)沉積以大隆組深水泥巖為主的烴源巖，臺(tái)緣帶生物礁為良好的儲(chǔ)層，探明儲(chǔ)量高達(dá)2 976×108m3 [6-7, 10]。由此可見，臺(tái)內(nèi)或臺(tái)地邊緣拉張槽對(duì)油氣勘探意義重大。

前期針對(duì)川西北中二疊世海槽的研究主要側(cè)重于海槽范圍的初步刻畫，但對(duì)海槽內(nèi)部發(fā)育的黑色巖系生烴潛力還未展開系統(tǒng)研究。由于烴源巖生烴潛力直接制約油氣田的形成及分布，在油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)工作中意義重大[6-7, 9, 11-12]，因此，明確海槽內(nèi)部黑色巖系的生烴潛力顯得尤為重要。

位于廣元—巴中拉張槽內(nèi)的西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部發(fā)育一套厚23.8 m的富有機(jī)質(zhì)黑色巖系，巖性以灰黑色泥灰?guī)r、頁巖、硅質(zhì)巖為主。通過野外產(chǎn)狀初步判斷該黑色巖系歸屬于茅口組，可能為潛在的烴源巖。本文對(duì)該剖面進(jìn)行系統(tǒng)的牙形石生物地層、有機(jī)巖石學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)分析，確定其層位歸屬，明確其沉積環(huán)境和生烴潛力，為川西地區(qū)的油氣勘探?jīng)Q策提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及剖面介紹

1.1 地質(zhì)背景

西北鄉(xiāng)剖面位于上揚(yáng)子臺(tái)地北緣四川省廣元市西北部(圖1a)，西鄰龍門山造山帶，北接米倉山構(gòu)造帶，東為大巴山推覆構(gòu)造帶(圖1b)[13]。加里東晚期四川盆地形成大隆大坳的格局，總體呈現(xiàn)出西南高東北低特征[14]，石炭紀(jì)后期的云南運(yùn)動(dòng)對(duì)于大隆大坳的格局進(jìn)行填平補(bǔ)齊，形成了準(zhǔn)平原基底[15]。二疊紀(jì)開始后，古特提斯洋的打開使研究區(qū)經(jīng)受一次大規(guī)模的海侵，上揚(yáng)子臺(tái)地除北側(cè)大巴山古陸、西北側(cè)龍門山古陸、西側(cè)康滇古陸和東側(cè)江南古陸呈島鏈或孤島露出水面以外全被淹沒，二疊紀(jì)早期廣泛的海侵使下二疊統(tǒng)覆蓋在石炭系、志留系等不同時(shí)代地層的不整合面之上[1]。棲霞期，海侵規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，區(qū)域上棲霞組巖性為黑色灰?guī)r和生屑灰?guī)r。中二疊世茅口期繼承了棲霞期海侵的地貌，整體為碳酸鹽臺(tái)地相沉積，全區(qū)主要為石灰?guī)r。茅口晚期，由于受到東吳運(yùn)動(dòng)的抬升作用影響，碳酸鹽巖臺(tái)地部分裸露于海面之上，茅口組頂部在全區(qū)廣泛遭受剝蝕，茅口組地層厚度呈現(xiàn)出由東南向西北變薄的趨勢(shì)[1, 14, 16-17]。

1.2 剖面介紹

西北鄉(xiāng)剖面出露的茅口組總厚度為175 m，自下而上共分為3段(圖1c)。茅一段層厚65 m，巖性由底部的黑灰色生屑灰?guī)r、深灰色含生屑、砂屑灰?guī)r逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤把燮ぁ矍颉被規(guī)r。茅二段總厚度為86.2 m，主要巖性為灰黑色泥晶砂屑、生屑灰?guī)r。茅三段發(fā)育一套總厚度為23.8 m的黑色巖系。該套茅三段黑色巖系與下伏茅二段碳酸鹽巖巖性差異明顯，其下部主要為中薄層灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r、黑色硅質(zhì)巖、黑色頁巖互層；上部為中薄層黑色硅質(zhì)巖、黑色頁巖互層(圖1c，d；圖2a)?？傮w上，該套黑色巖系與中下?lián)P子地區(qū)茅口組等時(shí)異相的孤峰組較為相似[18]。

圖1 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面地理位置、區(qū)域構(gòu)造背景及地層柱狀圖 據(jù)文獻(xiàn)[13]修改。Fig.1 Geographic location, regional tectonic setting and stratigraphy of Xibeixiang section, NW Sichuan

西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部黑色巖系出露完整，頂?shù)捉缑媲逦?，與下伏的茅二段為平行不整合接觸。茅二段頂部發(fā)育有大量溶溝(圖2b，c)，鏡下可見溶溝內(nèi)部發(fā)育自形程度較好的中晶方解石以及含有少量溶蝕殘余顆粒，顆粒形態(tài)不規(guī)則，邊緣呈明顯港灣狀(圖2d)。該套黑色巖系與上覆王坡頁巖整合接觸(圖2e)。該剖面王坡頁巖總厚度0.45 m，巖性為黃—灰黑色極薄層泥頁巖，含大量火山灰(圖2f)。鏡下可見直徑為100 μm的橢圓狀火山玻璃(圖2g)。該層黃灰色含火山灰頁巖與前人發(fā)現(xiàn)的茅口組灰?guī)r與吳家坪組灰?guī)r之間的王坡頁巖巖性一致[19]。近年來，上揚(yáng)子臺(tái)地北緣眾多地區(qū)均有王坡頁巖的相關(guān)報(bào)道(例如廣元、漢中)，被認(rèn)為是瓜德魯普統(tǒng)與樂平統(tǒng)界線[20-22]。

2 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

本次研究主要包括牙形石生物地層、巖石學(xué)(普通薄片、成烴生物、鏡質(zhì)體反射率)以及地球化學(xué)分析(表1)，樣品分布見圖1d。

牙形石樣品分布于黑色巖系中部及上部，主要巖性為黑色硅質(zhì)巖以及黑色頁巖。分離方法和鑒定標(biāo)準(zhǔn)參考前人研究方法[23-24]。

成烴生物樣品碎至直徑0.5 cm，使用5 %的稀鹽酸溶液除去碳酸鹽，每隔2～3 h攪拌一次，直至固體顆粒完全消失，蒸餾水洗至中性。用HF溶解二氧化硅，每隔2～3 h攪拌一次，24 h后使用蒸餾水洗至中性，再用150μm孔徑的濾網(wǎng)和75μm孔徑的尼龍布過濾不溶性殘?jiān)玫匠蔁N生物樣品；鏡質(zhì)體反射率(Ro)使用裝有藍(lán)紫色光源的Nikon顯微鏡在室內(nèi)常溫下進(jìn)行，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為《沉積巖中鏡質(zhì)組反射率測(cè)定方法：SY/T 5124—1995》。

表1 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)茅口組上部黑色巖系樣品及分析測(cè)試項(xiàng)目

注：編號(hào)XBX-YR樣品為茅二段頂部疑是發(fā)育巖溶的碳酸鹽巖；編號(hào)XBX-WP樣品為王坡頁巖。

圖2 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面茅口組 上部黑色巖系野外及鏡下特征

a.黑色巖系野外露頭照片；b.茅二段頂部發(fā)育有溶溝，黑色巖系與下伏茅二段巖性差異明顯，呈平行不整合接觸；c.茅二段頂部發(fā)育大量溶溝(圖b紅框位置)；d.溶溝內(nèi)顆粒方解石，自形程度好，方解石顆粒間含少量港灣狀溶蝕殘余物質(zhì)，黃色箭頭指示(單偏光)；e.黑色巖系與上覆王坡頁巖整合接觸；f.王坡頁巖含大量火山灰；g.王坡頁巖鏡下呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，圓球狀火山玻璃周圍環(huán)繞層狀玻璃質(zhì)(單偏光)

Fig.2 Field occurrences and microscopic characteristics of black rocks in upper Maokou Formation, Xibeixiang section, NW Sichuan

總有機(jī)碳(TOC)測(cè)定前將樣品研磨至100目左右，用5%(體積分?jǐn)?shù))的稀鹽酸處理24 h，離心、烘干，然后利用CS-230碳硫儀分析，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為《沉積巖中總有機(jī)碳的測(cè)定：GB/T 19145—2003》，測(cè)定環(huán)境為常溫常壓。巖石熱解在Rock-Eval VI型熱解儀中完成，分析方法及標(biāo)準(zhǔn)參照《巖石熱解分析：GB/T 18602—2012》。得到參數(shù)包括最大熱解峰溫(Tmax)、游離烴(S1)、裂解烴(S2)以及表示有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成CO2的S3。氯仿瀝青“A”測(cè)定前將樣品研磨至120目，用二氯甲烷與甲醇的混合溶劑(93∶7)索氏抽提72 h，獲得氯仿瀝青“A”，詳細(xì)處理過程參照《巖石中氯仿瀝青的測(cè)定：SY/T 5118—2005》。索氏抽提物過硅膠+氧化鋁(2∶1)層析柱，將分離出的飽和烴進(jìn)行氣相色譜(GC)和氣相色譜—質(zhì)譜(GC-MS)分析。GC分析在HP-6890氣相色譜儀上完成，GC-MS分析在Agilent 5973N色質(zhì)儀上完成，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和分析方法詳見《氣相色譜—質(zhì)譜法測(cè)定沉積物和原油中生物標(biāo)志物：GT/T 18606—2001》。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 巖石學(xué)特征

本套黑色巖系主要為灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖及薄層頁巖(圖3a，b)。其中黑色泥灰?guī)r單層厚度5～20 cm(圖3a，b)，鏡下觀察泥質(zhì)含量約為40%，方解石含量約為60%。方解石顆粒自形程度較差，多為半自形—他形(圖3c)。頁巖為深黑色，單層厚度1～10 cm(圖3a，b)，見少量充填裂縫的方解石脈體(圖3d)。硅質(zhì)巖單層厚度10～20cm(圖3a，b)，鏡下可見大量定向排列的放射蟲，放射蟲呈圓形、橢圓形，直徑為20～100μm，形態(tài)較為單一，分異度低，外部無瘤狀、刺狀等放射性結(jié)構(gòu)(圖3e，f)。

3.2 有機(jī)巖石學(xué)特征

3.2.1 成烴生物

西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部黑色巖系中成烴生物類型主要為底棲藻以及少量浮游藻。

底棲藻為本套黑色巖系的主要成烴生物類型。鏡下底棲藻碎片呈不規(guī)則網(wǎng)格狀，網(wǎng)孔大小介于10～50 μm(圖4a)；部分樣品可見保存較好的囊果以及分散的橢圓狀果孢子(圖4b，c)。囊果是底棲藻的雌性繁殖器，也是重要的識(shí)別標(biāo)志，內(nèi)部可見分散的球形果孢子。

該套黑色巖系中見到的浮游藻為以單細(xì)胞藻類為主。體型相對(duì)較大，直徑10～20 μm。形態(tài)多樣，有瘤面橢球狀、光面橢球狀等?？傮w邊緣平整，內(nèi)部無典型結(jié)構(gòu)(圖4d)。

3.2.2 鏡質(zhì)體反射率

根據(jù)樣品鏡質(zhì)體數(shù)量，單件樣品測(cè)試點(diǎn)數(shù)為16～30個(gè)(樣品XBX-12除外)，具體測(cè)試結(jié)果見表2。Ro范圍為0.80%～1.40%，均值1.16%(表2)。其中，樣品XBX-12測(cè)試點(diǎn)數(shù)較少，可能存在一定誤差。

3.3 牙形石特征

本套黑色巖系自下而上共識(shí)別出3種典型牙形石(圖5)，特征如下：

Jinogondolellaprexuanhanensis，產(chǎn)出于黑色巖系中下部的灰黑色泥灰?guī)r樣品。主要特點(diǎn)為齒臺(tái)狹長(zhǎng)，彎曲度中等，前端和后部均勻收縮變窄。齒臺(tái)后端窄圓，近脊溝較深，齒脊具有14～18個(gè)小齒，在齒臺(tái)中后部較融合，小齒向前略微變高，且在前端變得更加分離。

Jinogondolellaxuanhanensis，產(chǎn)出于黑色巖系中部的黑色頁巖樣品。其主要特點(diǎn)為齒臺(tái)窄長(zhǎng)，中等程度彎曲，最大寬度位于后端1/3處，自此處齒臺(tái)向后部逐漸收縮變窄，齒脊由18～20個(gè)小齒組成，中部部分小齒融合，齒臺(tái)側(cè)邊緣上卷，主齒較小。

圖3 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部黑色巖系巖石學(xué)特征

a.黑色巖系層厚薄，成層性、接觸關(guān)系好；b. 黑色泥頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖互層；c.泥質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)含量高，方解石自形程度差(單偏光)；d.黑色頁巖，基本全為泥質(zhì)，含少量裂縫，被方解石充填(單偏光)；e，f.硅質(zhì)巖中含大量定向排列的放射蟲，黃色箭頭所指(單偏光、正交偏光)

Fig.3 Petrologic characteristics of black rocks in upper Maokou Formation, Xibeixiang section, NW Sichuan

圖4 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面黑色巖系成烴生物顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrographic photos of hydrocarbon-forming organisms in black rocks in upper Maokou Formation, Xibeixiang section, NW Sichuan

Clarkinapostbitterihongshuiensis，產(chǎn)出于黑色巖系頂部的黑色頁巖樣品。其主要特點(diǎn)為主齒比細(xì)齒略大，細(xì)齒幾乎全部融合，前齒片比齒脊和細(xì)齒高，齒臺(tái)后部較寬，在前部突然變窄、變低，側(cè)部輕微拱曲。

3.4 地球化學(xué)特征

3.4.1 總有機(jī)碳及氯仿瀝青“A”

總有機(jī)碳(TOC)和氯仿瀝青“A”分析結(jié)果見表3。TOC含量變化范圍為1.04%～32.58%，平均值11.16%。氯仿瀝青“A”范圍為0.03%～1.05%，均值為0.17%。

3.4.2 巖石熱解

15件樣品巖石熱解(Rock-Eval)分析結(jié)果見表3。Tmax分布范圍為440～460 ℃，均值為449 ℃。S1和S2的范圍分別為0.03～1.38 mg/g和0.11～50.91 mg/g，生烴潛量(PG)范圍為0.14～52.29 mg/g，氫指數(shù)(IH)范圍為8.33～158.20 mg/g，氧指數(shù)(IO)范圍為1.52～13.52 mg/g。

圖5 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部黑色巖系牙形石Fig.5 Conodonts from black rocks in upper Maokou Formation, Xibeixiang section, NW Sichuan

表3 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面黑色巖系地球化學(xué)特征

注：PG=S1+S2，PI=S1/(S1+S2)，IH=S2×100/w(TOC)，IO=S3×100/w(TOC)

3.4.3 生物標(biāo)志化合物

12件被測(cè)的黑色巖系樣品中均檢測(cè)到豐富的生物標(biāo)志化合物，包括正構(gòu)烷烴、類異戊二烯類烷烴、萜烷類和甾烷類等。

正構(gòu)烷烴碳數(shù)范圍分布在C14到C34之間，均具有單峰特征(圖6)，主要以nC19為主峰碳，部分主峰碳為nC18、nC20。C21-/C22+范圍為0.83～3.27，均值為1.52， (C21+C22)/(C28+C29)范圍為1.60～5.61，均值為3.37。指示奇偶優(yōu)勢(shì)的參數(shù)OEP值，OEP定義為OEP=[(Ci+6Ci+2+Ci+4)/(4Ci+1+4Ci+3)](-1)i+1，其中i+2表示主峰碳數(shù)[25]。本次研究中OEP范圍0.98～1.18，均值為1.05(表4)。

類異戊二烯類烷烴在所有樣品中均被檢測(cè)到，姥植比(Pr/Ph)變化范圍0.30～0.96，均值為0.54。姥鮫烷與相鄰的正構(gòu)烷烴比值(Pr/nC17)范圍0.09～0.34，均值為0.20，植烷與相鄰的正構(gòu)烷烴比值(Ph/nC18)范圍0.12～0.73，均值為0.30(表4)。

三環(huán)萜烷類和五環(huán)三萜烷類化合物以及四環(huán)萜烷也相當(dāng)豐富(表4，圖6)。三降藿烷的兩個(gè)異構(gòu)體18α-22,29,30三降藿烷(Ts)和17α-22,29,30三降藿烷(Tm)比值Ts/Tm是反映有機(jī)質(zhì)熱演化程度的重要參數(shù)[26]。除樣品XBX-15的Ts/Tm比值高達(dá)8.08外，其余11個(gè)樣品Ts/Tm比值為0.35～1.43，均值為0.78；另一反映熱演化程度的參數(shù)C3122S/(22S+22R)變化范圍為0.44～0.58，均值為0.52。莫烷/藿烷也與有機(jī)質(zhì)成熟度密切相關(guān)，本次研究中比值范圍為0.05～0.39，均值為0.10(表4)。

圖6 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面黑色巖系樣品典型氣相色譜(GC)和色譜—質(zhì)譜(GC-MS)特征Fig.6 GC and GC-MS characteristics of selected samples from black rocks in Xibeixiang section, NW Sichuan

表4 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面黑色巖系有機(jī)地球化學(xué)特征

除樣品XBX-10外，其余樣品均檢測(cè)到大量伽馬蠟烷。伽馬蠟烷指數(shù)(伽馬蠟烷/C30藿烷)變化范圍為0.08～0.33，均值0.20(表4)。高伽馬蠟烷指數(shù)被解釋為指示沉積期間高度還原和高鹽度條件[27]。

所有樣品均檢測(cè)到豐富的甾烷類化合物，包括規(guī)則甾烷C27～C29(表4，圖6)，規(guī)則甾烷C27～C29的相對(duì)含量多為C27>C29>C28，呈現(xiàn)比較明顯的“L”形分布(圖6)。C29ααα(20R)/C27ααα(20R)分布范圍為0.22～1.07，均值為0.38。C29甾烷的2種典型異構(gòu)體參數(shù)C29ααα20S/(20S+20R)和C29αββ/(αββ+ααα)是反映有機(jī)質(zhì)熱演化程度的典型參數(shù)[26]，本次研究樣品的C29ααα20S/(20S+20R)比值范圍為0.39～0.65，均值為0.48；C29αββ/(αββ+ααα)比值范圍為0.26～0.58，均值為0.39(表4)。

4 討論

4.1 黑色巖系層位

前文已經(jīng)通過野外產(chǎn)狀、巖石學(xué)特征對(duì)黑色巖系頂?shù)捉缇€展開了研究(圖1，2)。野外觀察到黑色巖系位于王坡頁巖之下，與王坡頁巖呈整合接觸，表明其歸屬于茅口組。

此外，本文還對(duì)黑色巖系牙形石生物地層展開研究。茅口組上部牙形石自下而上分別為J.pre-xuanhanensis、J.xuanhanensis和C.postbitterihongshuiensis。已有研究表明C.postbitterihongshuiensis為茅口晚期牙形石[28]，而吳家坪組底部以牙形石C.postbitteripostbitteri的首次出現(xiàn)為標(biāo)志[24]。雖然在吳家坪組底部我們沒有獲得牙形石，但在茅口組頂部發(fā)現(xiàn)的C.postbitterihongshuiensis以及茅口組黑色頁巖內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的J.prexuanhanensis和J.xuanhanensis表明這套黑色巖系也應(yīng)該歸屬于茅口組(圖2d，5)。

4.2 沉積環(huán)境

烴源巖沉積環(huán)境，尤其是水體深度、氧化還原狀態(tài)和鹽度等因素，控制了有機(jī)質(zhì)的來源、豐度以及分布特征[29]，直接影響烴源巖生烴潛力。因此明確黑色巖系沉積環(huán)境顯得尤為重要。前人對(duì)川西北地區(qū)構(gòu)造及沉積相研究結(jié)果表明，茅口晚期，由于受到東吳運(yùn)動(dòng)構(gòu)造拉張影響，四川盆地北西向以及北東向的基底斷裂復(fù)活，川西北地區(qū)可能發(fā)育有北西—南東向的深洼區(qū)[4, 17]。

黑色巖系巖性為灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖、頁巖等，硅質(zhì)巖中大量產(chǎn)出放射蟲(圖3e，f)。放射蟲具有外形分異度低、個(gè)體大、囊壁厚且簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，根據(jù)前人對(duì)放射蟲形態(tài)及生態(tài)研究表明，此類放射蟲多生活在淺?！肷詈^(qū)域[30-31]。

不同種類牙形石生活環(huán)境存在差異，牙形石種類也是判定沉積環(huán)境的重要手段[23]。本次共識(shí)別出3種牙形石，J.prexuanhanensis和J.xuanhanensis主要生活在水體較深的盆地—斜坡環(huán)境，而C.postbitterihongshuiensis主要生活在水體較淺的近臺(tái)緣位置[23]。表明本套黑色巖系主要為深水沉積產(chǎn)物，且自下而上水體逐漸變淺。該認(rèn)識(shí)與茅口晚期全球海平面下降這一全球性事件吻合[32]。

藻類化石組合在指示水體深度方面也非常重要。底棲藻需要吸收陽光進(jìn)行光合作用，生活最大水深可達(dá)200 m，通常生長(zhǎng)于潮下帶水深40～60 m區(qū)域。浮游藻與底棲藻不同，其生態(tài)與體型相關(guān)，按照個(gè)體可分為超微型(2～5 μm)和大型浮游藻，超微型浮游藻個(gè)體小，比表面積大，能夠很好地吸收營養(yǎng)物質(zhì)，主要分布在遠(yuǎn)海地區(qū)。而大型浮游藻細(xì)胞中產(chǎn)生偽空泡，依靠空泡聚集在水面，隨風(fēng)浪飄動(dòng)，主要分布在近岸區(qū)域[33-34]。本套黑色巖系成烴生物以底棲藻為主，含少量大型浮游藻，也表明沉積環(huán)境為淺?！肷詈－h(huán)境。

一般認(rèn)為Pr/Ph值大于3反映氧化環(huán)境，而小于1反映還原環(huán)境[26, 35]。本次樣品中Pr/Ph值范圍為0.3～0.96，均小于1(表4)，表明本套黑色巖系處于還原的環(huán)境中。前人認(rèn)為，不同類型有機(jī)質(zhì)的類異戊二烯類烷烴與其相鄰正構(gòu)烷烴的比值(Pr/nC17與Ph/nC18)具有不同的范圍，并據(jù)此對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行了劃分[36]。本次研究的樣品均落在Pr/nC17—Ph/nC18圖版中的還原環(huán)境區(qū)域(圖7)，反映黑色巖系形成于海相還原環(huán)境。

除樣品XBX-10外，其余樣品中均檢測(cè)到豐富的伽馬蠟烷，伽馬蠟烷一般被認(rèn)為來源于四膜蟲醇[27]，常出現(xiàn)于海相或鹽湖相等高鹽度環(huán)境中[37]，伽馬蠟烷/ C30藿烷值范圍為0.07～0.33，均值為0.20(表4)，樣品XBX-02、04、07、12、13、14伽馬蠟烷指數(shù)均接近0.30，表明沉積水體鹽度含量較高。此外，C29/C30藿烷能較好指示含灰質(zhì)泥巖以及碳酸鹽巖沉積時(shí)氧化還原條件。一般來講抽提可溶有機(jī)質(zhì)中具有高的C29/C30藿烷(>1)指示為缺氧的泥灰?guī)r和碳酸鹽巖沉積環(huán)境。在西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部黑色巖系中C29/C30普遍大于1，也指示這些含灰質(zhì)泥巖沉積時(shí)為缺氧的還原環(huán)境。

圖7 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面 黑色巖系Pr/nC17- Ph/nC18交會(huì)圖 圖版據(jù)文獻(xiàn)[36]。Fig.7 Cross plots of Pr/nC17 vs. Ph/nC18for black rocks in Xibeixiang section, NW Sichuan

綜上所述，此套黑色巖系形成于淺?！肷詈?、具有較高鹽度的還原環(huán)境。

4.3 生烴潛力

4.3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)是烴源巖生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)[38]，是決定烴源巖生烴潛力的主要因素。通常采用總有機(jī)碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”含量、生烴潛量(PG)等對(duì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

總有機(jī)碳含量可能會(huì)受到運(yùn)移烴類影響，從而導(dǎo)致實(shí)測(cè)的TOC虛高。為確定是否受到運(yùn)移烴類影響，一般利用S1/w(TOC)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)S1/w(TOC)比值大于1.5時(shí)，表明樣品中有外來運(yùn)移烴類影響[39]。本次分析結(jié)果顯示S1/w(TOC)范圍為0.01～0.23，均值為0.09，遠(yuǎn)小于1.5，表明未受到運(yùn)移烴類影響。所有樣品總有機(jī)碳含量范圍為1.04%～32.58 %，平均值11.16%(表3)。根據(jù)PETERS等提出的烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[40]，達(dá)到好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(1.0%～2.0%)樣品4件，很好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(2.0%～4.0%)樣品2件，極好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(>4.0%)樣品9件。根據(jù)梁狄剛等針對(duì)上古生界泥質(zhì)烴源巖提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[41]，達(dá)到中等烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(1.0%～2.5%)4件、好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(2.5%～4%)2件、很好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(4%～7%)3件、極好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(>7%)6件。綜合兩類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，黑色巖系達(dá)到了好—極好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。

樣品氯仿瀝青“A”含量處于0.03%～1.05%，均值為0.17%(表3)。根據(jù)PETERS等提出的標(biāo)準(zhǔn)[40]與中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《陸相烴源巖地球化學(xué)評(píng)價(jià)方法：SY/T 5735—1995 》，只有1件為非烴源巖(<0.05%)，中等—好烴源巖(0.05%～0.10%)4件，好烴源巖(≥0.10%)7件，表明黑色巖系為較好—好烴源巖。

所有樣品生烴潛量(PG)范圍為0.14～52.29 mg/g(表3)。根據(jù)PETERS等提出的烴源巖地球化學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[40]，中等烴源巖(3～6 mg/g)3件，好烴源巖(6～12 mg/g)3件，很好烴源巖(12～24 mg/g)2件，極好烴源巖(>24 mg/g)1件。根據(jù)《陸相烴源巖地球化學(xué)評(píng)價(jià)方法：SY/T 5735—1995 》，中等烴源巖(2～6 mg/g)4件，好的烴源巖(6～20 mg/g)5件，最好烴源巖(>20 mg/g)1件，其評(píng)價(jià)結(jié)果與總有機(jī)碳和氯仿瀝青“A”較為相似，表明其為一套較好烴源巖。

綜上，本套黑色巖系有機(jī)質(zhì)豐高，總體上達(dá)到好的烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.2 有機(jī)質(zhì)類型及來源

有機(jī)質(zhì)類型對(duì)烴源巖的生烴潛力和生油氣性有重要影響，是烴源巖評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[38, 40, 42]，本次相關(guān)研究主要從成烴生物以及生物標(biāo)志化合物等方面展開。

成烴生物研究表明，西北鄉(xiāng)剖面茅口組上部黑色巖系成烴生物類型主要為宏觀底棲藻及少量大型浮游藻(圖4)，因此我們判斷其有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主。但是可能由于生烴作用和成熟度的影響，鏡下對(duì)成烴生物進(jìn)行鑒定可能存在誤差，低估浮游藻類含量，從而影響有機(jī)質(zhì)類型的判斷。為保證其準(zhǔn)確性，本文亦使用生物標(biāo)志化合物、巖石熱解參數(shù)確定有機(jī)質(zhì)類型及來源。

從飽和烴色譜圖來看，所有樣品正構(gòu)烷烴均呈現(xiàn)為前峰型(圖6)，主峰碳主要為nC19，部分為nC18和nC20(表4)，表明有機(jī)質(zhì)主要來源為藻類，與顯微鏡下鑒定結(jié)果一致。一般而言，正構(gòu)烷烴中的∑C21-主要來源于水生生物，∑C22+主要來自于陸生植物。本次研究中，∑C21-/∑C22+的范圍0.83～3.27，均值為1.52，僅三件樣品比值略小于1(表4)，表明研究樣品中有機(jī)質(zhì)來源主要為海相藻類，這也與鏡下觀察一致。此外，(nC21+nC22)/(nC28+nC29)也可區(qū)別有機(jī)質(zhì)的主要來源，當(dāng)比值為0.6～1.2時(shí)，為陸相輸入；而比值為1.5～5時(shí)，則為海相輸入[43]。本次研究樣品的比值范圍為1.60～5.61，均值為3.37，均大于1.5(表4)，表明有機(jī)質(zhì)主要來自海相輸入。此外，前人提出Pr/nC17和Ph/nC18交會(huì)圖版也是判定有機(jī)質(zhì)來源的重要指標(biāo)[36]，圖7中所有樣品均落在海相有機(jī)質(zhì)(藻類)區(qū)域，表明有機(jī)質(zhì)來源為海相有機(jī)質(zhì)(如藻類等)。甾烷類化合物分布趨勢(shì)亦可用于指示有機(jī)質(zhì)來源。HUANG等認(rèn)為C29甾烷可能來源于高等植物，而C27甾烷則主要指示水生低等藻類[44]。本次研究中，C29aaa20R/C27aaa20R的比值范圍為0.22～1.07(表4)，顯示有機(jī)質(zhì)來源為海相藻類，所有樣品中C27含量均占優(yōu)勢(shì)，基本均呈現(xiàn)出C27>C29>C28趨勢(shì)，通過使用甾烷C27、C28、C29三元圖[45]，表明黑色巖系有機(jī)質(zhì)來源為浮游生物海藻類(圖8a)。結(jié)合鏡下成烴生物的研究結(jié)果，綜合判斷有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型。

但是在氫指數(shù)與氧指數(shù)的交會(huì)圖(圖8b)和氫指數(shù)與Tmax交會(huì)圖(圖8c)中所有樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)均接近或落在Ⅲ型有機(jī)質(zhì)類區(qū)域，與成烴生物和生物標(biāo)志化合物研究結(jié)果矛盾。可能是由于樣品均采自野外露頭，受到風(fēng)化作用的影響導(dǎo)致熱解分析過程中S2、S3值偏低以至于IH和IO偏低。風(fēng)化作用對(duì)利用巖石熱解參數(shù)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型研究的影響還需進(jìn)一步詳細(xì)研究。

4.3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率分析結(jié)果表明，除樣品XBX-12外(測(cè)定點(diǎn)數(shù)為9個(gè)，偏低)，剩下8件樣品Ro范圍為1.00%～1.40%，均值為1.21%；Tmax值處于440～460 ℃之間，平均值為449 ℃(表3，圖8)。根據(jù)《陸相烴源巖地球化學(xué)評(píng)價(jià)方法：SY/T 5735—1995 》，本套黑色巖系處于成熟—高成熟階段。此外，巖石熱解Tmax與產(chǎn)率指數(shù)(PI)也常被用來判定烴源巖成熟度[38, 45]，本次研究樣品中PI值為0.02～0.21，均值為0.07，在Tmax和PI的交會(huì)圖版上所有樣品均處于生油窗內(nèi)(圖8d)。

牙形石色變指數(shù)也是判定有機(jī)質(zhì)熱成熟度的重要指標(biāo)，牙形石顏色由淺變深是有機(jī)質(zhì)變質(zhì)作用不斷加深的結(jié)果，并且顏色變化是連續(xù)、漸變、不可逆的。牙形石由自然的淺琥珀色至褐色、深褐色，乃至黑色，最終可演變成灰色、白色，灰?guī)r中牙形石的色變指數(shù)變化范圍為1～4.5。根據(jù)前人總結(jié)出的牙形石顏色與有機(jī)質(zhì)熱成熟度對(duì)應(yīng)關(guān)系[46]，本次研究中，黑色巖系所有牙形石樣品顏色呈現(xiàn)出淡黃褐色—深褐色(圖5)，其色變指數(shù)CAI大致處于1.5～2.5之間，表明樣品處于成熟階段，與前文結(jié)論一致。

此外，生物標(biāo)志化合物參數(shù)也能夠反映有機(jī)質(zhì)熱演化程度。一般而言，正構(gòu)烷烴無明顯奇偶優(yōu)勢(shì)(OEP≈1)可能反映較高的熱演化程度，而正構(gòu)烷烴奇碳優(yōu)勢(shì)(OEP>1)或偶碳優(yōu)勢(shì)(OEP<1)則表明有機(jī)質(zhì)成熟度較低。本次研究中，所有樣品的正構(gòu)烷烴OEP值為0.98～1.18，均值為1.05(表4)，無明顯奇偶優(yōu)勢(shì)，表明有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高。

萜烷的一些參數(shù)也能夠作為有機(jī)質(zhì)成熟度的重要判定指標(biāo)，如三降藿烷的兩個(gè)異構(gòu)體18α-22,29,30三降藿烷(Ts)和17α-22,29,30(Tm)。由于Ts在地層中穩(wěn)定性高于Tm，熱演化過程中，不穩(wěn)定的Tm逐漸向穩(wěn)定的Ts轉(zhuǎn)化[37]，因此，Ts/Tm值與有機(jī)質(zhì)熱成熟度呈正相關(guān)，在成熟度較高時(shí)仍然能夠適用。除XBX-15外，其余樣品Ts/Tm比值為0.35～1.45，均值為0.78(表4)，表明有機(jī)質(zhì)成熟度高。隨著成熟度增加，藿烷ββ構(gòu)型轉(zhuǎn)化為βα和αβ，形成R，S兩種構(gòu)型的混合物直至平衡，同分異構(gòu)體22S/(22S+22R)比值從0升到0.6，在0.6處達(dá)到平衡[47]。本次測(cè)定樣品中C3122S/(22S+22R)變化范圍0.44～0.58，均值為0.52，表明成熟度高，即將達(dá)到平衡。莫烷/藿烷隨著成熟的增高而減小，高于0.8的莫烷/藿烷比值表明處于未成熟階段，比值在0.8～0.15之間表明處于成熟階段，低于0.15表明為高成熟階段[48]。莫烷/藿烷比值范圍為0.05～0.39，均值為0.1(表4)，表明有機(jī)質(zhì)為成熟—高成熟階段。

圖8 川西北地區(qū)西北鄉(xiāng)剖面黑色巖系有機(jī)質(zhì)類型及成熟度判識(shí)圖Fig.8 Organic matter type and thermal maturity of black rocks in Xibeixiang section, NW Sichuan

甾烷類化合物的分布特征亦能反映有機(jī)質(zhì)熱演化程度。有機(jī)質(zhì)成熟過程中，烴源巖中的甾烷、萜烷類分子發(fā)生了“異構(gòu)化現(xiàn)象”，如甾烷ααα型向αββ、藿烷的ββ型和αβ型轉(zhuǎn)換，側(cè)鏈上R型向R+S型的差向異構(gòu)化，這些都能夠作為衡量有機(jī)質(zhì)成熟度的有效參數(shù)。對(duì)C29甾烷而言，它的兩組異構(gòu)體參數(shù)C2920S/(20S+20R)和C29αββ/(αββ+ααα)會(huì)隨成熟度升高而增加，平衡值分別為0.55和0.7[47]。前人將C2920S/(20S+20R)值達(dá)到0.25和C29αββ/(αββ+ααα)值達(dá)到0.27定為未成熟和低成熟原油的界限，將0.42和0.43 定為低成熟和成熟原油的界限[26]。本次研究樣品中C2920S/(20S+20R)值分布范圍為0.39～0.65，均值為0.48，主體上小于0.55；C29αββ/(αββ+ααα)值分布范圍為0.26～0.58，均值0.39(表4)，小于0.7，表明有機(jī)質(zhì)成熟度為成熟—高成熟。

綜上，可以判斷研究區(qū)的熱演化程度均勻，有機(jī)質(zhì)成熟度為成熟—高成熟。

5 結(jié)論

(1)西北鄉(xiāng)剖面王坡頁巖之下發(fā)現(xiàn)一套黑色巖系(厚23.8 m)，黑色巖系自下而上發(fā)現(xiàn)的牙形石J.prexuanhanensis、J.xuanhanensis、C.postbitterihongshuiensis均為茅口晚期分子，表明該套黑色巖系形成于茅口晚期。

(2)綜合巖石學(xué)、古生物學(xué)以及有機(jī)地球化學(xué)研究表明該套黑色巖系形成于淺?！肷詈?、具有較高鹽度的還原環(huán)境。

(3)該套黑色巖系有機(jī)質(zhì)豐度高，總有機(jī)碳含量為1.04%～32.58%，氯仿瀝青“A”含量為0.03%～1.05%，S1+S2為0.14～52.29 mg/g；有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型；鏡下可見成烴生物主要為底棲藻以及少量大型浮游藻；黑色巖系Ro范圍為1.0%～1.4%，Tmax值為440～460 ℃，牙形石其色變指數(shù)CAI處于1.5～2.5之間，Ts/Tm比值為0.35～1.43，C3122S/(22S+22R)變化范圍0.44～0.58，莫烷/藿烷比值范圍為0.05～0.39，C2920S/(20S+20R)值為0.39～0.65，C29αββ/(αββ+ααα)為0.26～0.58，表明有機(jī)質(zhì)為成熟—高成熟。綜合評(píng)價(jià)為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖。

致謝：感謝西南石油大學(xué)張耀續(xù)在樣品采集過程中的幫助，感謝東北石油大學(xué)馮進(jìn)來老師在樣品的分析測(cè)試過程中的幫助。