渤海灣盆地沾化凹陷湖相泥頁巖地球化學特征及有機質富集規(guī)律

曹婷婷，姚 威，李志明，李 政，黎茂穩(wěn)

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126；3.國家能源頁巖油研發(fā)中心，江蘇 無錫 214126；4.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126；5.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000)

我國東部古近系非常規(guī)頁巖油主要分布于斷陷湖盆的暗色泥頁巖層系[1]。渤海灣盆地沾化凹陷沙三段沉積了面積廣、厚度大、含碎屑組分的碳酸鹽巖，蘊含著大量頁巖油。2011年以來，在東營凹陷和沾化凹陷部署了一系列頁巖油專探井，但頁巖油產量并未達到預期效果，表明前期對東營凹陷和沾化凹陷陸相有機質及頁巖油的富集規(guī)律認識不清。

本文以沾化凹陷羅69井沙三下亞段為研究對象，在對全取心泥頁巖層段巖心觀察的基礎上，結合測井資料劃分了三級層序下的體系域，并在層序格架內運用地球化學分析數據，開展湖相地層不同體系域有機質來源及沉積環(huán)境分析，進而探討了有機質富集規(guī)律，為頁巖油的勘探提供理論指導。

1 地質背景

沾化凹陷位于濟陽坳陷東北部，其北接埕東、埕北凸起，南臨陳家莊凸起，西部以義東斷裂與車鎮(zhèn)凹陷相接，東南部以墾東凸起為界[2-3]。沾化凹陷斷裂較發(fā)育，可將其劃分為多個次一級的洼陷、凸起等構造單元，是一個“北斷南超”的箕狀盆地[4]。始新世早期，構造運動相對穩(wěn)定，湖盆持續(xù)下沉，湖盆發(fā)育進入鼎盛期，陸源碎屑向湖泊注入，帶來了大量營養(yǎng)物質，加上溫暖潮濕氣候的作用，湖中水生生物大量繁盛，為沙四上亞段、沙三下亞段與中亞段及沙一段烴源巖的發(fā)育提供了良好物質基礎[5-6]。鉆井資料顯示濟陽坳陷沙四上亞段、沙三下亞段和沙一段發(fā)育的頁巖層系具有厚度大、有機質類型好、豐度高的特點，頁巖油氣資源潛力較大[7-9]。

2 實驗對象及方法

樣品的分析測試由中國石化無錫石油地質研究所和中國石化勝利油田實驗測試中心完成，各項分析測試方法見文獻[10-12]。其中色譜—質譜分析方法為冷浸泡萃取，選取新鮮樣品，加入二氯甲烷浸泡并超聲后靜置12 h，取萃取溶液進行濃縮后利用Agilent 6890-5795MSD氣相色譜—質譜連用儀分析；分析條件為采用30 m長的DB-5MS石英彈性毛細柱來進行化合物的分離，飽和烴組分的色譜升溫程序為60 ℃保持2 min，以50 ℃/min的速度升溫至140 ℃，然后以3 ℃/min的速度升溫至300 ℃并保持10 min。色譜分析采用J&W DB-5MS色譜柱，質譜儀離子源溫度為230 ℃，電壓為70 eV，設置為50～800道爾頓的全掃描模式，載氣設置為1.0 mL/min的恒流模式。

3 層序地層特征

羅69井沙三下亞段是一個三級沉積旋回[13-14]，基于測井曲線、巖性組合特征可以將沙三下亞段分為3個體系域，分別為湖侵體系域(3 040～3 127 m)、早期高位體系域(2 990～3 040 m)和晚期高位體系域(2 930～2 990 m)。

湖侵體系域巖性主要為含泥灰?guī)r，其黏土礦物含量低(4%～32%)，長英類礦物含量低(5%～27%)，碳酸鹽礦物(方解石+白云石)含量高(37%～89%)；測井曲線上表現為低幅齒狀GR。高位體系域以最大湖泛面與湖侵體系域相隔，其中，最大湖泛面在測井上對應GR極大值。高位體系域沉積時期，水體相對較深，黏土含量相對較高。高位體系域分為早期高位和晚期高位體系域。早期高位體系域巖性主要為泥質灰?guī)r夾含泥灰?guī)r，其黏土礦物含量較高(11%～45%)，長英類礦物含量較高(15%～45%)，碳酸鹽礦物含量為13%～69%；測井曲線上GR高值對應泥質灰?guī)r，低值對應含泥灰?guī)r，電阻率整體較高。晚期高位體系域黏土礦物含量高(11%～48%)，碳酸鹽礦物含量相對較低(12%～66%)，長英類礦物含量(16%～42%)稍高于早期高位體系域，反映了晚期可能有相對較多的陸源碎屑輸入；測井曲線上GR整體較高，而電阻率較低(圖1)。

圖1 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段層序地層柱狀圖

4 地球化學特征

4.1 巖石熱解參數

從熱解數據來看，羅69井取樣段整體上有機質豐度較高，有機碳(TOC)含量普遍大于1%，反映有機質較為富集(圖2)。但各個體系域表現不同：湖侵體系域中的TOC含量基本處于1%～2%之間；高位體系域中TOC含量明顯大于2%，其中早期高位體系域樣品的TOC含量平均值為3.8%，晚期高位體系域TOC含量低于早期高位體系域，平均值為3.6%。熱解參數S1和S2值在湖侵體系域表現為低值，分別為0.03～3.54 mg/g(平均為1.19 mg/g)和1.19～37.93 mg/g(平均為8.71 mg/g)，反映其生烴潛能低，油飽和指數[S1/w(TOC)]較低，為2.18～188.30 mg/g，平均65.44 mg/g。早期高位體系域S1與油飽和指數高，分別為1.2～13.12 mg/g(平均3.46 mg/g)和31.29～220.88 mg/g(平均94.57 mg/g)；S2較高(6.75～56.81 mg/g，平均為19.90 mg/g)，生烴潛能最高。晚期高位體系域S1較低(0.24～4.13 mg/g，平均為1.97 mg/g)，S2高(2.35～78.59 mg/g，平均為22.61 mg/g)，生烴潛能較高，油飽和指數低(28.24～151.84 mg/g，平均為58.44 mg/g)。

圖2 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井取心層段TOC與巖石熱解參數分布特征

4.2 分子地球化學

4.2.1 正構烷烴和類異戊二烯烷烴

羅69井沙三下亞段巖心樣品中正構烷烴的分布在不同體系域中存在差異(表1)。其中，湖侵體系域樣品中正構烷烴分布呈前峰型，主峰碳為C16-C18，在C20-C30碳數之間呈偶碳優(yōu)勢，正構烷烴輕/重比(∑C21-/C22+)較低；早期高位體系域樣品中正構烷烴分布呈前峰雙峰型，前峰主峰碳以C17-C18為主，后峰主峰碳以C25為主，在C20-C30碳數之間呈偶碳優(yōu)勢，∑C21-/C22+高；晚期高位體系域樣品中正構烷烴分布呈后峰型，主峰碳為C23-C25，在C20-C30碳數之間呈奇碳優(yōu)勢，∑C21-/C22+低。

表1 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段不同體系域的分子地球化學參數

在類異戊二烯烴方面，可溶抽提物中Pr/Ph比值在湖侵體系域與早期高位體系域均較低(普遍小于1)，而在晚期高位體系域該數值較高，普遍大于1。

4.2.2 甾、萜烷類化合物

羅69井沙三下亞段巖心樣品中甾烷類化合物整體表現出相對較高含量的規(guī)則甾烷(圖3)，其中，湖侵體系域中規(guī)則甾烷C27、C28與C29呈“V”型，C29ααα甾烷相對含量稍占優(yōu)勢；早期高位體系域規(guī)則甾烷C27、C28與C29呈“V”型，C27ααα甾烷具有明顯的優(yōu)勢分布；晚期高位體系域規(guī)則甾烷C27、C28與C29呈“L”型，C27ααα甾烷具有明顯的優(yōu)勢分布，同時R構型的顯著優(yōu)勢，表明了未熟的特征。

圖3 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下段典型樣品中甾、萜類化合物分布特征

萜類化合物在湖侵體系域中呈現伽馬蠟烷含量高，伽馬蠟烷指數(Gam/C30H)高(0.03～0.23，平均0.11)，C29/C30H普遍大于1(0.85～1.44，平均為1.15)，升藿烷優(yōu)勢明顯(C35/C34H處于0.73～2.78之間，平均1.46)；早期高位體系域中樣品伽馬蠟烷含量極低，Gam/C30H低(0.01～0.06，平均0.04)，C29/C30H小于1(0.38～0.83，平均為0.51)，升藿烷優(yōu)勢不明顯；晚期高位體系域中伽馬蠟烷含量極低，Gam/C30H低，C29/C30H小于1(0.34～0.68，平均為0.56)，無升藿烷優(yōu)勢(圖3)。

4.3 元素地球化學分布

為了分析沙三下亞段的元素分布特征，應用XRF手持式熒光光譜分析儀對取心段進行間隔為4 cm的高密度測試，同時為了便于分析，對這約4 800個測點進行抽稀顯示，結果發(fā)現(圖4)，湖侵體系域中Ca、S、Sr元素含量最高(平均分別為29.05%，2.39%，0.21%)，Al、Si、Fe元素含量相對較低(平均分別為3.18%，8.80%，1.53%)；早期高位體系域中Ca、Sr元素含量相對降低(平均分別為22.92%和0.11%)，Si、Fe元素含量相對增加(平均分別為11.13%和2.14%)，而S、Al元素含量變化不明顯；而在晚期高位體系域中Ca、S、Sr元素出現低值響應，Si、Fe元素含量達到高值(平均值分別為12.07%和2.43%)。

圖4 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段巖心樣品中無機元素分布特征

5 有機質沉積環(huán)境及富集規(guī)律

5.1 有機質來源

根據指示特定環(huán)境生源輸入的規(guī)則甾烷C27-C29的相對比例來看，C27規(guī)則甾烷在早期高位、晚期高位體系域優(yōu)勢分布明顯，而在湖侵體系域則以C29規(guī)則甾烷占優(yōu)勢，表明早期高位體系域與晚期高位體系域有機質生源以低等水生生物和藻類貢獻為主，這一結果與羅69井沙三下亞段泥頁巖樣品的藻類化石豐度由底向頂逐漸增加的現象一致。據彭麗等[15]的研究，在沙三下亞段，藻類化石豐度整體上有由下往上增加的趨勢，反映古湖泊生產力逐步增強。湖侵體系域中藻類化石種類較少，僅見光面球藻屬、粒面球藻屬和網面球藻屬，豐度較低；早期高位體系域的藻類化石種類變得豐富起來，可見有渤海藻屬、粒面渤海藻、皺網渤海藻和副渤海藻屬，但藻類化石豐度一般；到了晚期高位體系域，浮游藻類豐度達到最大，各種藻類開始繁盛起來。

5.2 有機質沉積環(huán)境

生物體死亡后，體內的生物化學物質受地質環(huán)境的影響而形成分子化石，但仍然保存了有機質來源、沉積和埋藏過程中環(huán)境信息[16]。此外，利用元素含量或元素比值進行的沉積環(huán)境識別已取得了良好的效果[17]。因此，本文將利用分子地球化學與元素地球化學參數，來指示沉積地層的古環(huán)境變化(圖5)。

圖5 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段體系域中古水體介質參數分布

5.2.1 古氣候

沉積巖中的礦物成分或元素含量會隨著氣候的變化而發(fā)生變化，一般來說碳酸鹽礦物的出現標志著氣候由濕潤向干熱轉變，湖水蒸發(fā)作用增強[18-19]，而Fe/Mn比值則受干/濕氣候的影響導致在湖水中的沉淀能力不同，比值高反映的是溫濕氣候，比值低代表干熱氣候[20]。羅69井沙三下亞段泥頁巖取心樣品全巖礦物成分結果指示，沙三下亞段在湖侵體系域時期，碳酸鹽礦物含量高，而石英、長石等陸源碎屑含量較低，表示此時氣候較為干熱，沉積水體較封閉，湖水的蒸發(fā)作用強；早期高位體系域發(fā)育時期，碳酸鹽礦物含量降低，指示此時氣候逐漸由干旱變得濕潤，石英、長石礦物含量的增加也反映了陸源物質輸入的增加，這可能是由于湖平面逐漸升高而帶來的；晚期高位體系域時期碳酸鹽礦物含量持續(xù)降低，陸源碎屑(石英、長石等)含量顯著增加，反映此時的氣候更為濕潤。結合微量元素Fe/Mn比值從下而上也呈現明顯的增加趨勢(圖5)，總體揭示了從湖侵體系域到晚期高位體系域，沙三下亞段的沉積環(huán)境經歷了從干熱—相對濕熱—濕熱的變化。

5.2.2 鹽度

Sr/Ba通常用來指示古水體鹽度及水體氧化還原條件[17]?？傮w來看，羅69井沙三下亞段在湖侵體系域中Sr/Ba比值平均為3.32，指示較高鹽度的水體環(huán)境；早期高位體系域中Sr/Ba比值相對降低(平均為1.83)，反映半咸水環(huán)境；晚期高位體系域中Sr/Ba比值持續(xù)降低(平均為1.50)，指示半咸水環(huán)境。

5.2.3 氧化還原條件

以Ph和Pr為代表的植烷系列類異戊二烯烷烴是光合生物中葉綠素的植醇側鏈的成巖產物，植醇在還原條件下脫水成植烯，加氫還原形成植烷；在氧化條件下先形成植烷酸，進而脫羧基形成姥鮫烷。故姥鮫烷和植烷的分布特征可以反映沉積環(huán)境的氧化還原條件，Pr/Ph<1或Pr/Ph>1分別指示還原和氧化沉積環(huán)境。

羅69井沙三下亞段在湖侵體系域時具偶碳優(yōu)勢，同時Pr/Ph比值小于0.6，指示了還原的環(huán)境，同時較高的伽馬蠟烷指數(Gam/C30H)反映存在水體分層的現象；早期高位體系域中Pr/Ph比值接近0.6亦指示了還原環(huán)境，但伽馬蠟烷指數較低，指示水體分層不明顯；晚期高位體系域中Pr/Ph比值大于1，指示弱氧化環(huán)境，低伽馬蠟烷指數可能指示了水體分層不明顯(圖5)。

5.3 有機質富集規(guī)律

湖盆沉積物中的有機質來源、有機質豐度、礦物成分、微量元素含量隨著構造作用、物源供給、古氣候及古湖平面的改變而發(fā)生周期性的變化[17]，造成了不同體系域的有機質富集程度發(fā)生變化。

湖侵體系域發(fā)育于干旱的氣候條件下，水體鹽度高。較高的含鹽度伴隨著水的分層作用和底水氧含量的減少，導致湖侵體系域整體呈缺氧、分層的咸水環(huán)境。盡管這種環(huán)境為有機質的保存提供了優(yōu)質的條件，但較為嚴苛的生存環(huán)境導致生物物種較為單一，藻類等水生生物含量低，造成有機質較為貧乏，有機碳含量整體較低。

早期高位體系域形成于氣候相對濕潤的環(huán)境，對生物的生存與繁盛十分有利，外源物質的輸入為有機質的富集提供了充足的物質基礎；較高的湖平面為大套富有機質泥頁巖的發(fā)育提供了充足的可容納空間；沉積水介質的半咸水弱還原特征，為沉積有機質的埋藏和保存提供了有利條件。因此，這種發(fā)育條件下形成的有機質母源類型好、豐度高，具備較高的生烴潛力；熱解參數中較高的油飽和指數與游離烴含量，也指示其屬于頁巖油勘探的有利層段。

晚期高位體系域發(fā)育在較為開放的環(huán)境中，濕潤的氣候及相對淡化的水體環(huán)境有利于生物的發(fā)育；而陸源碎屑輸入所帶來的營養(yǎng)物質也為生物的繁盛提供了良好條件，造成沉積有機質數量較高，但由于水體介質的含氧量相對較高，呈弱氧化環(huán)境，導致大量死亡的有機質不能得到較好的保存，其有機碳平均含量稍低于早期高位體系域。

6 結論

(1)渤海灣盆地沾化凹陷沙三下亞段層序可劃分為湖侵、早期高位、晚期高位體系域。其中湖侵體系域泥質含量低、碳酸鹽含量高，而高位體系域則相反。

(2)元素地球化學與分子地球化學揭示，沾化凹陷沙三下亞段的湖侵體系域發(fā)育于高鹽度、分層且還原的水體中，藻類發(fā)育少；早期高位體系域發(fā)育于還原的半咸水環(huán)境，藻類相對發(fā)育；晚期高位體系域發(fā)育于弱氧化的半咸水環(huán)境，藻類發(fā)育程度高。

(3)生產力和保存條件共同控制了沾化凹陷沙三下亞段有機質的富集，二者缺一不可。湖侵體系域缺乏大量的藻類，而晚期高位體系域缺乏良好的保存條件，對比而言，早期湖侵體系域二者兼具，為有機質富集提供了有利的環(huán)境，也為頁巖油的富集提供了良好的物質基礎。