松南長嶺斷陷沙河子組烴源巖發(fā)育特征與成藏啟示

李 浩，胡 燁，王保華，陸建林，王 苗，呂劍虹

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

優(yōu)質(zhì)烴源巖是形成大中型油田的基礎(chǔ)[1-2]。早白堊世火石嶺期以來，松遼盆地長嶺斷陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、多期火山碎屑充填作用。受其影響，長嶺斷陷下白堊統(tǒng)烴源巖形成時(shí)的盆地面貌發(fā)生了巨大變化，烴源巖分布不落實(shí)制約著長嶺斷陷斷陷層(營城組及以下地層)油氣勘探進(jìn)一步突破?；凇霸涂卦础崩碚摚瑹N源巖發(fā)育受烴源巖形成時(shí)期的盆地原型，如盆地類型、古構(gòu)造特征、古沉積環(huán)境控制[3-7]?；謴?fù)烴源巖形成時(shí)期的古構(gòu)造和古沉積環(huán)境對(duì)確定優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育層系及其分布非常關(guān)鍵。利用元素化學(xué)恢復(fù)研究區(qū)主要烴源巖形成時(shí)期古環(huán)境，結(jié)合古構(gòu)造恢復(fù)結(jié)果，建立原長嶺斷陷型下的烴源巖發(fā)育模式，進(jìn)而刻畫殘留烴源巖的分布特征，探索建立多期改造后盆地的盆緣超剝帶(指由于后期構(gòu)造抬升，遭受嚴(yán)重剝蝕的地區(qū)，一般位于斜坡帶)近源油氣成藏模式，有助于認(rèn)識(shí)長嶺斷陷深層優(yōu)質(zhì)烴源巖分布，擴(kuò)大長嶺斷陷深層油氣勘探空間。

1 地質(zhì)背景及烴源巖地球化學(xué)特征

長嶺斷陷位于松遼盆地中央坳陷區(qū)南部(圖1a)，為北西走向的斷—坳疊置的含油氣盆地，整體呈“三凸三洼”的構(gòu)造格局(圖1b)。成盆以來，主要經(jīng)歷了火石嶺期的初始斷陷、沙河子—營城期的強(qiáng)烈斷陷、登婁庫期的斷拗轉(zhuǎn)換、青山口—姚家期的穩(wěn)定拗陷和嫩江—明水期的隆升剝蝕反轉(zhuǎn)階段?；鹗瘞X期和營城期火山作用頻發(fā)，沙河子期為火山活動(dòng)間歇期，表現(xiàn)為快速斷陷，湖盆中央以深湖—半深湖為主，周緣以扇三角洲、水下扇及湖沼相沉積體系為主。沙河子組上、下2段均發(fā)育暗色泥巖，夾灰色細(xì)砂巖、灰色含礫細(xì)砂巖。該套地層在各個(gè)次洼中均有分布，上部的沙二段暗色泥巖分布范圍更廣，厚度更大。

長嶺斷陷下白堊統(tǒng)主力烴源巖發(fā)育于沙河子組，該套烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)碳(TOC)含量在0.3%～16.9%，均值1.6%， 有機(jī)碳含量大于1.0%的樣品數(shù)占比超過66%(426個(gè)樣品實(shí)測(cè)TOC數(shù)據(jù))，生烴潛力S1+S2為0.01～97.9 mg/g，均值1.4 mg/g(圖2)；以高熟—過熟為主，鏡質(zhì)體反射率(Ro)一般為1.1%～2.9%，均值1.5%，熱解最高峰溫(Tmax)均值494 ℃；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2—Ⅲ型為主，干酪根碳同位素值-26.4‰～-21.4‰，均值-23.4‰。

圖1 松遼盆地長嶺斷陷地理位置及構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Location and tectonic units in Changling Fault Depression, Songliao Basin

圖2 松遼盆地長嶺斷陷下白堊統(tǒng) 沙河子組烴源巖TOC與S1+S2關(guān)系Fig.2 Relationship between TOC content and S1+S2 values of K1sh source rocks in Changling Fault Depression, Songliao Basin

2 烴源巖形成環(huán)境及水介質(zhì)條件

烴源巖發(fā)育受古環(huán)境控制，恢復(fù)烴源巖形成時(shí)期的古環(huán)境對(duì)刻畫烴源巖分布非常重要。樣品主要采自沙河子組，巖性主要為灰色泥巖、深灰色泥巖和灰黑色泥巖，類型包括鉆井巖屑和巖塊樣品(圖1b)。其中，巖屑樣品共83個(gè)，采樣間隔為15～30 m；巖塊樣品共78個(gè)。對(duì)上述樣品進(jìn)行金屬元素測(cè)試分析，測(cè)試儀器采用美國VARIAN公司的Vista MPX電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，分辨率為0.009 nm(一級(jí))，測(cè)試均在中國石化無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室完成。

2.1 古氣候

在構(gòu)造穩(wěn)定的情況下，氣候?qū)Ω挥袡C(jī)質(zhì)烴源巖分布有很大的影響。古氣候指數(shù)和Sr/Cu為古氣候的敏感指標(biāo)[8-10]，其中，古氣候指數(shù)“C值”為喜濕型元素總豐度與喜干型元素總豐度比值，公式如下：

C=Σ(Fe+Mn+Cr+Ni+V+Co)∕Σ(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)

前人通過對(duì)其他地區(qū)的研究表明，潮濕—半潮濕氣候：1

根據(jù)古氣候指數(shù)與Sr/Cu恢復(fù)研究區(qū)早白堊世沙河子期古氣候特征。如圖3所示，研究區(qū)早白堊世沙河子期主要為潮濕—半潮濕氣候，并有逐漸變干燥的趨勢(shì)。沙一段多數(shù)樣品點(diǎn)落在潮濕—半潮濕的區(qū)域；沙二段樣品點(diǎn)在圖版中分布逐漸發(fā)散，反映沙河子中晚期氣候開始變干燥，但仍以半潮濕氣候?yàn)橹鳌Ｉ澈幼悠诎氤睗竦臍夂驐l件有利于生物勃發(fā)，有助于烴源巖的形成。

2.2 古水深

Fe、Mn、Ca和Mg等元素與湖盆水體的深度和離岸距離有一定的關(guān)系[12-13]。一般而言，隨水深增加，元素豐度比Fe/Mn與(Al+Fe)/(Ca+Mg)會(huì)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。以SL1井為例(表1)，從沙一段到沙二段，暗色泥巖含量逐漸增多， Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)值逐漸降低，反映古水深變深。結(jié)合研究區(qū)沉積層序特征，沙河子中晚期長嶺斷陷古水深最大，較深的古水深有利于烴源巖形成。

圖3 松遼盆地長嶺斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組 湖相烴源巖元素含量比Sr/Cu與古氣候指數(shù)關(guān)系[9,11]Fig.3 Relationship between Sr/Cu ratio and paleoclimate index of lacustrine source rocks in K1sh, Changling Fault Depression, Songliao Basin

2.3 氧化還原條件

還原環(huán)境是有機(jī)質(zhì)保存的有利條件[14-17]。利用元素豐度比V/Cr和Ni/Co恢復(fù)研究區(qū)沙河子組沉積期的氧化還原性。從沙一段到沙二段再到營城組，研究區(qū)湖泊水體還原性表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的特征，而相應(yīng)的金屬元素含量卻表現(xiàn)出 V富集、Cr和Ni不斷虧損，金屬元素含量比V/Cr增大和 Ni/Co降低。顯然，不同于海相地層，研究區(qū)的湖相泥巖的 V/Cr越大，反映的湖泊水體氧化性越強(qiáng)[11]。根據(jù)泥巖顏色和巖性組合特征，結(jié)合古水深變化，確定了研究區(qū)下白堊統(tǒng)湖相烴源巖氧化還原條件的判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)為：富氧環(huán)境，V/Cr>4.25；貧氧環(huán)境，2

2.4 古鹽度

水體鹽度主要對(duì)生物種類與繁殖程度有影響[18-21]。根據(jù)Sr 豐度和元素含量比Sr/Ba恢復(fù)研究區(qū)沙河子期水體古鹽度特征(表2)。長嶺斷陷從沙河子期，經(jīng)歷了從淡水到半咸水逐漸變咸的演化過程(圖5)。沙河子期研究區(qū)不同構(gòu)造帶湖水古鹽度差異較小，反映研究區(qū)可能為廣湖環(huán)境。此外，淡水相環(huán)境一般較咸湖環(huán)境生物種類多，這也有利于研究區(qū)沙河子組富有機(jī)質(zhì)烴源巖的形成。

綜上所述，研究區(qū)沙河子期古環(huán)境總體表現(xiàn)為較大的古水深、潮濕—半潮濕氣候、淡水相、厭氧—貧氧環(huán)境，這為沙河子組富有機(jī)質(zhì)烴源巖的形成提供了優(yōu)越的沉積條件。

3 構(gòu)造演化特征與烴源巖形成

3.1 湖盆演化類型控制烴源巖的宏觀分布

湖盆演化類型所對(duì)應(yīng)的潛在可容空間(主要是構(gòu)造成因)與沉積物供應(yīng)、沉積速率之間的相對(duì)平衡控制了湖泊的發(fā)生、沉積物發(fā)育和展布。一般而言，均衡補(bǔ)償盆地最有利于形成優(yōu)質(zhì)烴源巖[22-23]。

表1 松遼盆地長嶺斷陷SL1井下白堊統(tǒng)元素標(biāo)志、水體相對(duì)深度及沉積環(huán)境劃分

圖4 松遼盆地長嶺斷陷下白堊統(tǒng)湖相烴源巖元素含量比V/Cr與Ni/Co關(guān)系[11，15-16]Fig.4 Relationship between V/Cr and Ni/Co ratios of lacustrine source rocks in Lower Cretaceous, Changling Fault Depression, Songliao Basin

圖5 松遼盆地長嶺斷陷下白堊統(tǒng)湖相烴源巖元素含量比Sr/Ba與Sr含量關(guān)系Fig.5 Relationship between Sr/Ba ratio and Sr content in lacustrine source rock in Lower Cretaceous, Changling Fault Depression, Songliao Basin

表2 古鹽度微量元素判斷指標(biāo)[18-19]

長嶺斷陷下白堊統(tǒng)烴源巖發(fā)育于具有左行走滑性質(zhì)的斷陷盆地中，從火石嶺期至營城期，長嶺斷陷伸展作用強(qiáng)烈，可容空間增長快，而且控凹斷裂在斷陷期不同演化階段具有繼承性。因此，受控于北北東及北西向控凹斷裂，火石嶺組、沙河子組和營城組3個(gè)時(shí)期的烴源巖宏觀上均呈近南北向展布特征，各組洼陷帶暗色泥巖均較厚，約200～400 m。但受沉積體系演化控制，不同時(shí)期烴源巖平面發(fā)育規(guī)模迥異，從火石嶺期至營城期，研究區(qū)經(jīng)歷了一次大的水進(jìn)與水退的過程，同時(shí)伴有2次大的火山噴發(fā)旋回，對(duì)應(yīng)于火石嶺早期(火一段沉積時(shí)期)與營城組早期、中晚期(營一段和營三段沉積時(shí)期)，該時(shí)期烴源巖相對(duì)欠發(fā)育，平面分布相對(duì)局限。沙河子組沉積晚期為最大湖泛期，是優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的有利時(shí)期，而且平面分布廣。構(gòu)造與沉積演化共同控制了研究區(qū)下白堊統(tǒng)烴源巖宏觀分布格局。探討可容空間(主要是構(gòu)造成因)與沉積物供應(yīng)、沉積速率的相對(duì)平衡對(duì)客觀評(píng)價(jià)烴源巖尤為重要。

根據(jù)長嶺斷陷構(gòu)造演化特征，結(jié)合元素地球化學(xué)特征劃分研究區(qū)不同斷陷時(shí)期的湖盆演化類型(圖6)。沙河子組沉積早期(沙一段沉積時(shí)期)為強(qiáng)烈斷陷期，湖盆快速沉降，可容空間增長快。此外，反映構(gòu)造活動(dòng)性的K和Na元素相對(duì)含量值高，表明此時(shí)湖盆活動(dòng)性較強(qiáng)，可容空間增長快；易被黏土吸附的微量元素Co、Ni和V相對(duì)含量較低，膠體或懸浮物的特征元素Fe和Mn含量較低，表明沉積物供給率較低，供給率小于可容空間增長率，湖盆處于欠補(bǔ)償階段。沙河子組沉積中晚期(沙二段沉積時(shí)期)，構(gòu)造斷陷活動(dòng)較早期減弱，反映構(gòu)造活動(dòng)性的K和Na元素、易被黏土吸附的微量元素Co、Ni和V、膠體或懸浮物的特征元素Fe和Mn的相對(duì)含量值均適中，表明此時(shí)湖盆的沉積物供給率和可容空間增長速率處于均衡狀態(tài)，湖盆處于均衡補(bǔ)償階段，為優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的最有利時(shí)期，因此，從可容空間與沉積物供應(yīng)來看，沙河子組二段亦為優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的最有利層系。

圖6 松遼盆地長嶺斷陷B2井下白堊統(tǒng)泥巖微量元素特征與湖盆演化Fig.6 Trace element characteristics of mudstones in Lower Cretaceous and basin evolution, well B2, Changling Fault Depression, Songliao Basin

3.2 后期構(gòu)造掀斜運(yùn)動(dòng)使得洼陷烴源巖出現(xiàn)在斜坡

沙河子組烴源巖形成以后，長嶺斷陷至少發(fā)生了4期構(gòu)造反轉(zhuǎn)，分別為沙河子組沉積末期和營城組沉積末期的局部反轉(zhuǎn)以及嫩江組沉積末期和明水組沉積末期的區(qū)域反轉(zhuǎn)。多期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致沙河子組在不同地區(qū)遭受了不同程度的隆升或剝蝕，長嶺斷陷現(xiàn)今沙河子組“隆凹”格局發(fā)生了改變，原來的沉積中心靠近現(xiàn)今斜坡帶，出現(xiàn)了沙河子組殘留烴源巖位于現(xiàn)今斜坡帶的現(xiàn)象(圖7)。

圖7 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組 抬升剝蝕前后烴源巖分布示意Fig.7 Source rock distribution before and after the uplifting and erosion of Shahezi Formation, Changling Fault Depression, Songliao Basin

3.2.1 斜坡帶發(fā)育反轉(zhuǎn)背斜

地層受到多期擠壓反轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生褶皺變形，而且強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)作用亦產(chǎn)生斷裂形成斷背斜。例如，南部的龍鳳山地區(qū)經(jīng)歷了沙河子組沉積末期和營城組沉積末期2次強(qiáng)烈的擠壓反轉(zhuǎn)，造成該區(qū)原本處于低部位的沙河子組發(fā)生擠壓抬升，營城期前活動(dòng)的龍鳳山斷裂受到擠壓形成反轉(zhuǎn)斷背斜。

3.2.2 斜坡帶沙河子組接觸以“削截”為主

從地層接觸關(guān)系看，沙河子組“超覆”現(xiàn)象在現(xiàn)今斜坡帶并不常見，而是多以“削截”為主(圖8)，表明沙河子組形成后受多期反轉(zhuǎn)發(fā)生掀斜，導(dǎo)致地層遭受剝蝕。

3.2.3 斜坡帶暗色泥巖含量高且有機(jī)碳豐度高，類型較好

從巖性組合與烴源巖地球化學(xué)特征來看，研究區(qū)發(fā)育于斜坡帶的烴源巖具有半深湖—深湖相的特征，具有暗色泥巖發(fā)育程度高、富有機(jī)質(zhì)且以偏腐泥型為主要特征。以東嶺斜坡S103井為例，該井沙河子組井段累積暗色泥巖厚度420 m，泥地比高達(dá)61%，有機(jī)碳含量為0.5%～2.0%，均值1.1%，規(guī)則甾烷呈“L”型分布，αααC27甾烷含量高于C29甾烷，反映母源有機(jī)質(zhì)低等浮游生物較豐富，有機(jī)質(zhì)類型偏腐泥型。

3.2.4 沙河子期盆地由2個(gè)較統(tǒng)一的斷陷構(gòu)成

沙河子組沉積末期和營城組沉積末期，盆地南部的東嶺斜坡和東部的伏龍泉地區(qū)構(gòu)造反轉(zhuǎn)強(qiáng)烈，隆升幅度大，沙河子組遭受強(qiáng)烈剝蝕。利用測(cè)井聲波時(shí)差，結(jié)合地層趨勢(shì)法進(jìn)行地層剝蝕量恢復(fù)，龍鳳山斜坡的B201井、東嶺斜坡的SN109井、查干花南洼西斜坡的SS1井、伏龍泉西斜坡的勝利2井剝蝕量分別為753，307，972，405 m。

應(yīng)用回剝法，結(jié)合剝蝕量恢復(fù)結(jié)果，恢復(fù)沙河子組原始沉積厚度和殘留地層厚度來反映沙河子組沉積末期古地貌和現(xiàn)今地貌?；謴?fù)結(jié)果表明，沙河子組沉積時(shí)期東部前神子次洼、查干花次洼及伏龍泉次洼為統(tǒng)一地塹，受乾安斷裂、查干花斷裂及伏龍泉斷裂控制，地層原始沉積厚度約1 000～1 500 m，伏龍泉次洼和查干花次洼之間的大老爺府凸起為后期隆升形成。西部的長嶺次洼分為南北2個(gè)沉積中心，南部的龍鳳山次洼沙河子組沉積厚度較大，最大厚度近1 000 m。沙河子組沉積前長嶺次洼中部DB10井—DS1井一線可能為古火山，在沙河子組沉積早期長嶺南次洼和北次洼因古火山分隔水體尚未聯(lián)通，至沙河子組沉積中晚期湖平面上升，才形成統(tǒng)一的洼陷。沙河子組沉積末期和營城組沉積末期，受構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，沙河子組遭受不同程度剝蝕，現(xiàn)今殘留沙河子組分布格局表現(xiàn)為幾個(gè)獨(dú)立分割的殘留洼陷。

圖8 松遼盆地長嶺斷陷斜坡帶沙河子組“削截”特征Fig.8 “Cut-off” features of Shahezi Formation on slope belt, Changling Fault Depression, Songliao Basin

綜上所述，長嶺斷陷沙河子組沉積時(shí)期古構(gòu)造與現(xiàn)今差異大，由東西2個(gè)較統(tǒng)一的斷陷構(gòu)成，現(xiàn)今的東嶺斜坡、查干花東斜坡以及伏龍泉西斜坡為后期構(gòu)造反轉(zhuǎn)掀斜形成，該區(qū)在沙河子組沉積期古水深較大，烴源巖較發(fā)育。從沙河子組烴源巖殘留厚度圖可知(圖9)，研究區(qū)主要發(fā)育5個(gè)烴源巖集中發(fā)育區(qū)，分別是龍鳳山次洼(長嶺南次洼)、長嶺北次洼、查干花次洼、伏龍泉次洼及前神子次洼等。沙河子組烴源巖分布廣，總體呈南厚北薄、西厚東薄分布特征。

3.2.5 最新鉆探成果

SL2井位于伏龍泉地區(qū)西斜坡，該井在沙河子組(新近完鉆的3 080～3 500 m井段)鉆遇了大套黑色、深灰色等暗色泥巖，暗色泥巖厚度332 m，泥地比高達(dá)79%，有機(jī)碳含量為1.5%～3.9%，均值2.4%，具有典型的深湖—半深湖沉積特征，這進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論的合理性。

4 對(duì)油氣成藏的啟示

由于長嶺斷陷經(jīng)歷多期構(gòu)造反轉(zhuǎn)造成沙河子組掀斜，并遭受不同程度的剝蝕。盆地改造后的沙河子組殘留烴源巖出現(xiàn)在現(xiàn)今斜坡帶。這為研究斜坡帶和盆緣超剝帶油氣成藏提供了新的思路。一方面，研究區(qū)現(xiàn)今斜坡帶油氣成藏 “近水樓臺(tái)”，具有優(yōu)越的烴源條件，加之圈閉條件良好，同時(shí)為油氣運(yùn)移指向區(qū)。由此推測(cè)龍鳳山—東嶺斜坡、查干花東斜坡以及伏龍泉西斜坡為有利油氣勘探區(qū)。近年來，龍鳳山斜坡帶B2井與B201井的突破表明了長嶺斷陷斜坡帶具有較大的勘探潛力。另一方面，沙河子組剝蝕線附近的盆緣超剝帶也具有一定的勘探潛力。盆緣超剝帶是一種以地層多次剝蝕和超覆為特點(diǎn)的區(qū)帶結(jié)構(gòu)類型[24]。盆緣超剝帶一般具有“多源供烴、多期充注、復(fù)合輸導(dǎo)”的成藏特征。長嶺斷陷沙河子組超剝帶經(jīng)歷了多次剝蝕和超覆，斷裂、不整合面或淋濾層較發(fā)育，上覆泉頭組和青山口組泥巖蓋層對(duì)超剝帶油氣富集起到良好的封蓋作用，油氣成藏條件尚可。

圖9 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組暗色泥巖厚度等值線Fig.9 Thickness isopach of K1sh dark mudstones, Changling Fault Depression, Songliao Basin

5 結(jié)論

(1)沙河子組沉積時(shí)期，松遼盆地長嶺斷陷總體表現(xiàn)為較大的古水深、潮濕—半潮濕氣候、淡水相、厭氧—貧氧環(huán)境，這為沙河子組富有機(jī)質(zhì)烴源巖的形成提供了優(yōu)越的沉積條件。

(2)長嶺斷陷沙河子組沉積時(shí)期盆地由2個(gè)較統(tǒng)一的斷陷構(gòu)成，湖盆面積較大，烴源巖廣泛發(fā)育。受后期多次反轉(zhuǎn)作用影響，沙河子組發(fā)生掀斜并遭受不同程度的剝蝕，沙河子組殘留烴源巖出現(xiàn)在現(xiàn)今斜坡帶。

(3)斜坡帶和盆緣超剝帶油氣成藏表現(xiàn)為一種新的模式，具有2個(gè)方面的特征：一方面，龍鳳山—東嶺斜坡、查干花東斜坡以及伏龍泉西斜坡富有機(jī)質(zhì)烴源巖較發(fā)育，油氣成藏 “近水樓臺(tái)”，為油氣勘探有利區(qū)；另一方面，沙河子組盆緣超剝帶具備了油氣富集條件，具有一定的勘探潛力。