東海盆地長江坳陷美人峰組烴源巖沉積環(huán)境與生烴潛力評價

袁靈聰，朱曉軍，蔡進功 ，鐘鍇

1.同濟大學海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

2.同濟大學海洋資源研究中心，上海 200092

0 引言

東海盆地是我國近海面積最大的中—新生代沉積盆地，有著良好的油氣勘探前景[1]。東海盆地分為東部坳陷帶和西部坳陷帶，不同區(qū)域勘探潛力不一，其中東部坳陷帶以西湖凹陷最具勘探潛力，西部坳陷帶以甌江凹陷為主要勘探目標[2]。前人研究表明，東海西部坳陷帶古新統(tǒng)厚度大、分布廣，具有良好的油氣地質(zhì)條件，可能成為下一步的油氣勘探目標[3]。長江坳陷位于西部坳陷帶北部，緊鄰西湖凹陷，在形成機制、演化歷程方面和東部坳陷帶的西湖凹陷表現(xiàn)出較高程度的相似性[3-4]，暗示其可能具有與西湖凹陷相比擬的資源潛力。長江坳陷目前僅有兩口鉆井，其中之一為M1井，該井鉆探設計是為建立長江坳陷地層層序，了解其巖性、地球化學特征及含油氣性。前人對M1井的研究認為，長江坳陷古新統(tǒng)美人峰組烴源巖具有一定生烴潛力[5]。然而，鉆揭的美人峰組厚度達1 783.5 m，不同層段巖性特征差別較大，其中第一段到第四段主要為一套泥質(zhì)巖夾砂質(zhì)巖，第五段到第六段巖性相對較粗。并且，美人峰組不同層段烴源巖有機質(zhì)特征以及影響美人峰組烴源巖發(fā)育的環(huán)境因素均未知，缺乏對美人峰組烴源巖生烴潛力的系統(tǒng)評價，不利于長江坳陷的資源潛力評價。

烴源巖的形成受環(huán)境，如古氣候、氧化還原條件以及古鹽度等條件控制[6]。系統(tǒng)恢復烴源巖形成時期的環(huán)境對確定優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育層系意義重大[7]。本文以M1井美人峰組烴源巖為研究對象，開展巖石薄片、X射線衍射（XRD）、熱解、元素地球化學分析，并結(jié)合前人實測地化數(shù)據(jù)，恢復長江坳陷美人峰組沉積時期的環(huán)境特征，確定影響美人峰組烴源巖發(fā)育的環(huán)境因素，綜合評價美人峰組不同層段烴源巖的生烴潛力，以期提高對長江坳陷美人峰組烴源巖的認識。

1 地質(zhì)概況

長江坳陷位于東海盆地西北部，由昆山凹陷、常熟低凸起、金山北凹陷和金山南凹陷組成，坳陷南北兩側(cè)介于虎皮礁隆起和海礁隆起之間，坳陷東西兩側(cè)為西湖凹陷和浙閩隆褶區(qū)（圖1a）。長江坳陷的構(gòu)造演化大致劃分為晚白堊紀到古新世的斷陷期、始新世的坳陷期、中新世到第四紀的區(qū)域沉降三個發(fā)展階段[5]。長江坳陷中、新生代沉積近萬米，發(fā)育有巨厚的上白堊統(tǒng)、古新統(tǒng)、晚始新統(tǒng)陸相沉積，缺失中下始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)和下中新統(tǒng)。中中新統(tǒng)和上中新統(tǒng)為陸相沉積，上新統(tǒng)和第四系由海陸交互相轉(zhuǎn)為淺海相沉積[4]。

圖1 長江坳陷構(gòu)造綱要及美人峰組地層單元Fig.1 Tectonic map of the Changjiang Depression and units of the Meirenfeng Formation

長江坳陷M1井美人峰組厚度大（2 122.5～3 906.0 m），由上至下巖性變化大，依據(jù)巖性特征差異，將鉆揭的美人峰組地層分為六段（圖1b）。第一段至第四段主要為灰色—黑色泥巖夾砂質(zhì)巖，第五段主要為灰色砂、泥巖交互沉積，第六段巖性具二分性，上部以灰色及雜色泥巖為主，下部為中酸性噴出巖巖礫。第一段至第四段未見明顯沉積構(gòu)造，第五段至第六段巖性逐漸變粗，沉積構(gòu)造發(fā)育，見水平層理、斜層理、楔狀層理。美人峰組主要發(fā)育濱淺湖—半深湖相沉積[5]。

2 樣品及實驗方法

本文采集長江坳陷M1井美人峰組烴源巖巖芯樣共11塊（第六段1塊，第四段4塊，第三段1塊，第二段2塊，第一段3塊），開展了熱解、薄片、XRD和元素等一系列分析測試。熱解分析選用ROCK EVAL-VI標準型熱解儀。薄片鑒定選用ZEISS顯微鏡，巖石薄片制備沿垂直巖芯紋層方向磨制。XRD檢測分析選用Panalytical Xpert-MPD衍射儀。微量元素分析在Vista MPX電感耦合等離子發(fā)射光譜儀上進行。另外對干酪根樣的有機元素和碳同位素、巖屑及巖芯樣的鏡質(zhì)體反射率和有機碳含量（相關數(shù)據(jù)由中海油上海分公司提供）進行整理分析，提升對烴源巖特征的認識。

3 巖石礦物特征

烴源巖薄片鑒定表明，美人峰組烴源巖整體呈塊狀構(gòu)造，碎屑顆粒含量較高，均為雜亂無序分布，可見黑色和棕色有機質(zhì)分布于碎屑顆粒間，指示有機質(zhì)為陸源輸入。不同層段巖石礦物特征差別較大，第一段烴源巖碎屑顆粒分選較差，粗顆粒多為棱角—次棱角狀，細顆粒磨圓相對較好（圖2b，e），第二段碎屑顆粒分選及磨圓較第一段更好，粗顆粒含量低于第一段，顆粒粒徑小于第一段（圖2c），第四段粗顆粒含量明顯低于第一段和第二段，顆粒分選及磨圓好于第一段和第二段（圖2a）。前人研究表明，在碎屑顆?？焖俣逊e的情況下，有機質(zhì)很快被堆積物掩埋，有利于有機質(zhì)保存[8]。第一段碎屑顆粒較粗，分選較差，表明相較于第二段和第四段，第一段沉積時期碎屑顆粒堆積速度更快，陸源有機質(zhì)進入水體后，被快速掩埋，有利于有機質(zhì)保存。薄片鏡下觀察，第一段可見大量棕色有機質(zhì)殘片（圖2b，d），在熒光照射下顯橙色（圖2f），而第四段以條帶狀、碎片狀、卵圓狀黑色有機質(zhì)為主（圖2a），該類有機質(zhì)無明顯熒光反應。以上兩種有機質(zhì)均來源于陸生高等植物，黑色有機質(zhì)為高等植物木質(zhì)部分經(jīng)強烈炭化而成的絲質(zhì)體，棕紅色有機質(zhì)為高等植物有機質(zhì)殘片，生烴潛力好于炭化絲質(zhì)體。據(jù)前述薄片有機質(zhì)熒光特征，從第四段到第一段，隨著深度增加，有機質(zhì)類型有變好的趨勢。

圖2 長江坳陷美人峰組烴源巖顯微薄片（a）粗顆粒含量較第一、二段明顯變少，條帶狀、卵圓狀黑色有機質(zhì)，2 730.7 m，第四段；（b）透視光下的棕色有機質(zhì)殘片，雜亂分布于碎屑礦物間，3 802.4 m，第一段；（c）顆粒分選較第一段明顯變好，3 526.3 m，第二段；（d）透視光下的棕色有機質(zhì)殘片，3 693.0 m，第一段；（e）顆粒分選差，多為棱角—次棱角狀，3 802.4 m，第一段；（f）熒光下棕色有機質(zhì)殘片，橙色熒光反應，3 693.0 m，第一段Fig.2 Thin-sections of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

據(jù)XRD分析結(jié)果（表1），美人峰組烴源巖由石英、鉀長石、斜長石、黏土礦物、方解石、白云石、硬石膏、菱鐵礦等礦物組成。將烴源巖礦物組成按陸源碎屑（石英、斜長石和鉀長石）、黏土礦物、碳酸鹽礦物（方解石、白云石和菱鐵礦）和硫酸鹽礦物（硬石膏）分類統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，美人峰組碎屑礦物相對含量為59%～82%，平均值為64%；黏土礦物相對含量為15%～36%，平均值為32%；其他礦物平均相對含量為4%（圖3）。美人峰組碎屑礦物含量較高，表明其沉積時期受陸源輸入影響較大。

表1 長江坳陷美人峰組烴源巖XRD礦物成分Table 1 Mineral composition of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

圖3 長江坳陷美人峰組烴源巖礦物相對含量Fig.3 Relative content of mineral components in source rocks of the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

沉積環(huán)境對烴源巖中礦物組成具有明顯控制作用，礦物組成可用于輔助判斷烴源巖形成時的沉積環(huán)境特征[9]。由圖3可見，碎屑礦物含量與深度之間不存在相關性，反映碎屑礦物主要來源于外源輸入。在美人峰組可見菱鐵礦，相對含量1%～3%。菱鐵礦多發(fā)育于有機碳含量豐富、具有弱氧化—弱還原條件的沉積物中[10]，指示美人峰組沉積時期為弱氧化環(huán)境。

4 烴源巖地球化學特征

美人峰組烴源巖有機碳含量為0.08%～2.13%，平均含量為0.72%（圖4a）。從不同層段有機碳含量分布特征來看，第一段至第二段有機碳含量高于其他層段（圖4a，b）。對巖芯樣品的熱解分析表明，烴源巖生烴潛力（S1+S2）分布在0.02～1.34 mg/g之間，從不同層段生烴潛力的分布特征來看，第六段和第一段生烴潛力值高于其他層段，均值分別為1.34 mg/g和0.87 mg/g（圖5）。綜合來看，美人峰組烴源巖整體為中等烴源巖，其中第一段和第二段烴源巖有機質(zhì)豐度最高，第三段和第四段有機質(zhì)豐度較低，第五段和第六段有機質(zhì)豐度較第三段和第四段高。

圖4 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段有機碳分布（a：“x”代表均值；b：N為樣品數(shù)）Fig.4 Distribution of organic carbon abundance of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression:(a)average TOC of different members;(b)N is number of samples

圖5 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段生烴潛力分布（“x”代表均值；N為樣品數(shù)）Fig.5 Distribution of hydrocarbon generation potential of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression:average S1+S2of different members;N is the number of samples

從美人峰組烴源巖的HI、Tmax及前人測試的H/C和O/C等參數(shù)的分布特征（圖6a，c）來看，長江坳陷M1井美人峰組烴源巖有機質(zhì)基本上為III型。前人測試結(jié)果顯示美人峰組烴源巖干酪根δ13C值分布范圍為-25.95‰～-24.43‰（圖6b），根據(jù)干酪根δ13C有機質(zhì)類型劃分標準[11]，美人峰組烴源巖有機質(zhì)類型以III型為主，含少量II型，與前述判別結(jié)果基本一致。綜合有機質(zhì)類型劃分的結(jié)果認為，不同層段烴源巖中有機質(zhì)類型存在差異：美人峰組第四段至第六段烴源巖有機質(zhì)類型均為III型，II型有機質(zhì)主要分布在第一段至第三段。

圖6 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段有機質(zhì)類型Fig.6 Organic matter types of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

美人峰組烴源巖熱成熟度（Ro）分布在0.32%～0.76%，平均值為0.55%，顯示美人峰組烴源巖整體演化程度不高。從不同層段烴源巖鏡質(zhì)體反射率的特征來看，第五段和第六段烴源巖演化程度低，有機質(zhì)處于未熟階段，隨著埋深增加，美人峰組有機質(zhì)演化程度變高，第一段烴源巖有機質(zhì)演化程度最高，已進入成熟演化階段（圖7）。

圖7 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段鏡質(zhì)體反射率Fig.7 Vitrinite reflectance of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

5 沉積環(huán)境分析

長江坳陷美人峰組烴源巖的Ni/Co介于1.48～1.92，平均值為1.69，V/Cr介于1.31～1.95，平均值為1.6。參考前人對不同沉積環(huán)境元素特征的研究結(jié)果[12-13]，美人峰組烴源巖Ni/Co和V/Cr比值指示其沉積處于弱氧化環(huán)境。美人峰組礦物資料顯示部分層段內(nèi)含菱鐵礦（表1），且美人峰組各段均未檢測到黃鐵礦，表明美人峰組沉積時為弱氧化環(huán)境，與元素判別結(jié)果一致。

美人峰組烴源巖Sr元素豐度分布于125×10-6～252×10-6，均值為194×10-6，以第一段中部、第二段、第四段頂部相對較高；Sr/Ba含量比值分布于0.22～0.42，均值為0.3，以第一段中部、第四段頂部相對較高。根據(jù)美人峰組烴源巖Sr元素豐度和Sr/Ba含量比值，參考古鹽度判識標準[14-15]（表2），美人峰組整體為淡水環(huán)境（圖8），不同層段間鹽度有一定差異。

表2 古鹽度微量元素判斷指標[14-15]Table 2 Trace element indices for paleosalinity recognition[14-15]

圖8 長江坳陷美人峰組烴源巖Sr含量與元素含量比Sr/Ba關系Fig.8 Relationship between Sr and Sr/Ba in source rocks,Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

美人峰組烴源巖Sr/Cu含量比值分布于5.1～12.5，均值為8.3。一般而言，溫濕氣候中存在110[15]。由此來看，美人峰組烴源巖沉積時期整體表現(xiàn)為溫濕氣候。從不同層段Sr/Cu含量比值來看，第一段至第三段的Sr/Cu小于10，表明第一段至第三段沉積時期氣候相對溫濕，第四段底部烴源巖中Sr/Cu高于10，反映第四段底部沉積時為干熱氣候，第五段至第六段的Sr/Cu小于10，表明第五段至第六段沉積時期再次變?yōu)闇貪駳夂?。這些特征表明，美人峰組不同沉積時期古氣候條件有較大差別。

6 烴源巖形成與評價

沉積環(huán)境，包括古水體的氧化還原條件、古鹽度和古氣候等，控制著烴源巖中有機質(zhì)的產(chǎn)生和保存[16]。對反映環(huán)境的微量元素含量及其比值與有機碳含量進行相關性分析，可以確定影響烴源巖發(fā)育的主要控制因素[7]。

美人峰組烴源巖古氣候指標Sr/Cu與TOC有較好的負相關性（圖9e），古鹽度指標Sr豐度和Sr/Ba與TOC有較好的正相關性（圖9c，d），而氧化還原指標V/Cr和Ni/Co與TOC相關性不明顯（圖9a，b），表明古氣候和古鹽度控制著美人峰組優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成，即溫濕的微咸水環(huán)境條件有利于美人峰組優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成。前人研究表明，溫暖潮濕的古氣候條件有利于高等植物發(fā)育[17-18]，咸化水體有利于有機質(zhì)的保存和富集[19]。美人峰組第一段至第三段底部沉積時期氣候相對溫濕，降雨充沛，區(qū)域內(nèi)高等植物發(fā)育，有較多陸源有機質(zhì)輸入，第一段中部至第二段沉積時期鹽度相對較高的水體為有機質(zhì)提供較好的保存條件，在顯微鏡下觀察多為棕色有機質(zhì)殘片，有橙色熒光反應（圖2f），有機質(zhì)類型以III型為主，含少量II型（圖6）。而在美人峰組第四段沉積初期，氣候相對干熱（圖10），降雨較少，區(qū)域內(nèi)高等植物不發(fā)育，陸源碎屑及有機質(zhì)輸入減少，導致有機質(zhì)豐度明顯低于其他層段（圖4），水體鹽度低，有機質(zhì)保存條件變差，陸源輸入的高等植物殘片大都氧化為炭化絲質(zhì)體，無熒光反應（圖2a），有機質(zhì)類型為III型（圖6）。

圖9 長江坳陷美人峰組烴源巖微量元素含量及其比值與TOC關系Fig.9 Relationships between element content and elemental ratio and TOC of source rocks,Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

圖10 長江坳陷M1井美人峰組有機地化指標及古環(huán)境恢復Fig.10 Organic geochemical indices and identification of paleoenvironment of source rocks by element content,Meirenfeng Formation,MRF-1 well,Changjiang Depression

美人峰組不同層段烴源巖有機質(zhì)特征差別較大。第一段至第二段烴源巖有機質(zhì)豐度整體較高，為中等—好烴源巖，有機質(zhì)進入低成熟—成熟演化階段（圖10），有機質(zhì)類型以III型為主，含少量II型，薄片鏡下觀察為生烴潛力相對較好的有機質(zhì)殘片。第三段至第四段烴源巖有機質(zhì)豐度低于第一段和第二段（圖10），有機質(zhì)以低成熟演化階段為主，有機質(zhì)類型以III型為主，薄片鏡下觀察以生烴潛力較差的炭化絲質(zhì)體為主。第五段至第六段有機質(zhì)豐度整體高于第三段和第四段，有機質(zhì)類型為III型，有機質(zhì)大多處于未熟狀態(tài)（圖10），為無效烴源巖。

據(jù)前述美人峰組各段特征，第一段至第二段沉積時期為溫濕氣候（圖10），區(qū)域內(nèi)高等植物發(fā)育，有大量陸源碎屑及有機質(zhì)輸入，陸源輸入的大量碎屑進入鹽度相對較高的水體中快速堆積，將有機質(zhì)掩埋，有利于有機質(zhì)保存和富集，鏡下觀察有機質(zhì)主要為棕色有機質(zhì)殘片，烴源巖有機質(zhì)豐度高，有機質(zhì)類型以III型為主，含少量II型，有機質(zhì)已進入低成熟—成熟演化階段，為美人峰組最具生烴潛力的層段；第三段至第四段沉積時期，氣候相對干熱，導致陸源碎屑和有機質(zhì)輸入減少，有機質(zhì)豐度降低，有機質(zhì)以低成熟演化階段為主，由于水體鹽度相對較低（圖10），不利于有機質(zhì)保存，薄片鏡下觀察有機質(zhì)主要為生烴潛力相對較差的炭化絲質(zhì)體；第五段至第六段沉積時期，氣候恢復為相對溫濕的狀態(tài)，部分深度范圍內(nèi)烴源巖有機碳含量變高，但有機質(zhì)多處于未熟狀態(tài)（圖10），為無效烴源巖。

從目前鉆探成果來看，美人峰組烴源巖形成受陸源輸入影響較大，有機質(zhì)以III型為主，含少量II型，部分層段已進入成熟演化階段，隨埋深增加，有機質(zhì)成熟度變高（圖10），烴源巖生烴潛力更好。

7 結(jié)論

（1）美人峰組烴源巖發(fā)育于溫暖潮濕的弱氧化淡水環(huán)境，烴源巖Sr豐度、Sr/Ba及Sr/Cu與TOC相關性較大，V/Cr和Ni/Co與TOC相關性不明顯，表明古鹽度和古氣候是控制美人峰組烴源巖發(fā)育的主要環(huán)境因素。

（2）美人峰組第一段和第二段沉積時期氣候溫暖潮濕，水體鹽度較高，有利于有機質(zhì)的保存和富集，有機質(zhì)豐度高，有機質(zhì)類型以III型為主，含少量II型，有機質(zhì)已進入低成熟—成熟演化階段，為美人峰組最具生烴潛力的層段；第三段和第四段沉積時期氣候相對干熱，水體鹽度相對較低，不利于有機質(zhì)保存，有機質(zhì)豐度低，有機質(zhì)類型以III型為主，有機質(zhì)以低成熟演化階段為主，生烴潛力不大；第五段和第六段沉積時期氣候恢復溫濕狀態(tài)，有機質(zhì)豐度較第三段和第四段高，有機質(zhì)類型為III型，但有機質(zhì)處于未熟狀態(tài)，為無效烴源巖。

（3）隨著埋深增加，美人峰組烴源巖有機質(zhì)成熟度變高，預示美人峰組更大埋深處的烴源巖生烴潛力更好。

致謝 審稿專家和編輯老師對本文提出寶貴建議，碩士研究生李塬豐和周龍政參與了部分實驗室樣品處理工作，在此一并感謝。