徐博,曾文倩,刁慧,湯睿,歐戈
中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335
海上油氣勘探開發(fā)是國家的重大戰(zhàn)略部署,東海作為四海之一,其重要性不言而喻。西湖凹陷是東海主要油氣富集區(qū),古近系上始新統(tǒng)平湖組烴源巖是西湖凹陷主力烴源巖之一,沉積盆地中發(fā)育的烴源巖品質(zhì)決定了盆地的生烴潛力[1]。目前,對西湖凹陷的研究側(cè)重于研究其烴源巖的有機地球化學(xué)特征和沉積相特征,對古生產(chǎn)力的分析較為薄弱,因此,利用元素分析古環(huán)境顯得尤為重要。通過統(tǒng)計對比,西湖凹陷的元素分析化驗數(shù)據(jù)覆蓋率以及與有機碳的對應(yīng)性還有待提高。
烴源巖形成時,表層水體的高生產(chǎn)力比底部的還原環(huán)境具有更大的貢獻,從而古生產(chǎn)力的高低對于烴源巖的形成有著至關(guān)重要的作用。中外學(xué)者普遍認為高生產(chǎn)力、保存條件、沉積速率是有機質(zhì)聚集的主要因素[2-8];缺氧保存模式是指沉積速率、水深和水動力條件弱引起的盆地閉塞造成的水體缺氧,其有利于有機質(zhì)的保存[9];高生產(chǎn)力模式是指在古氣候、陸源有機質(zhì)供給和水體的生物生產(chǎn)力等影響下形成的有利于有機質(zhì)保存的缺氧環(huán)境[10-11]。古沉積環(huán)境在一定程度上決定了盆地的初始生產(chǎn)力和氧化還原條件,沉積地球化學(xué)記錄了古環(huán)境的特征及演化信息[12-13]。許多學(xué)者利用主量、微量、稀土元素特征開展古沉積環(huán)境重建[14-16]。
古生產(chǎn)力是漫長地質(zhì)歷史中的生物固定能量的速率[17]。經(jīng)過前人的長期研究,一般評價生產(chǎn)力指示性指標(biāo)有有機碳、微量元素、穩(wěn)定碳同位素、生物標(biāo)志化合物等。本研究主要是通過Ba、Zn、Ti元素,定量計算古生產(chǎn)力的大小,從元素的角度對平湖組的生烴潛力進行判斷和比較。
本文系統(tǒng)開展了元素地球化學(xué)研究,包括主量、微量、稀土元素,對西湖凹陷平湖組烴源巖在垂向上的變化特征以及其與古環(huán)境的關(guān)系進行分析,其中U、V、Cr、Th、Ni等氧化還原敏感元素可用來判斷水體的氧化還原條件,湖相沉積物中有機質(zhì)與U元素存在親密的聯(lián)系,這些元素在還原環(huán)境中不可溶而易于進入沉積物,從而造成在厭氧環(huán)境中強烈富集而在富氧環(huán)境中虧損[15,18]。同時,Ba、Sr、Co等元素可以用來推斷古水深、古鹽度、古氣候、古氧化還原環(huán)境、古水溫、古生產(chǎn)力等[19-23],通過分析和討論西湖凹陷平湖組時期烴源巖的元素化學(xué)特征和古生產(chǎn)力環(huán)境,為烴源巖研究提供了新的思路和方法。
西湖凹陷位于東海陸架盆地東部,大陸架東緣,是中國近海最重要的中、新生代含油氣凹陷之一,呈北北東走向展布,東與釣魚島隆褶帶、沖繩海槽相對,南與釣北凹陷毗鄰,西為海礁隆起和漁山低隆起(圖1),東西寬約70~130 km,南北長約500 km,總面積約5.9×104km2。西湖凹陷呈現(xiàn)東西分帶、南北分塊的構(gòu)造特點,由東向西依次為東部斷階帶、東次凹、中央反轉(zhuǎn)帶、西次凹、西部斜坡帶。已鉆井揭示地層由古到新依次為古新統(tǒng),中下始新統(tǒng)寶石組,中上始新統(tǒng)平湖組,漸新統(tǒng)花港組,中新統(tǒng)龍井組、玉泉組、柳浪組,上新統(tǒng)三潭組和第四系東海群等地層(圖2),本次研究的目的層是平湖組。
圖1 西湖凹陷構(gòu)造圖Fig.1 Division of tectonic units of the Xihu Sag
以西湖凹陷平湖組烴源巖為研究對象,元素分析共計28口井,分別是中央反轉(zhuǎn)帶3口井16個樣品,西次凹4口井60個樣品,西部斜坡帶21口井357個樣品。參考GB/T14506.29-2010和SY/T6404-2018標(biāo)準(zhǔn),通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定,主要由中海油實驗中心上海實驗中心完成。有機碳分析41口井共計1800個數(shù)據(jù),參考GB/T19145-2003標(biāo)準(zhǔn),通過碳硫測定儀等設(shè)備測定。
圖2 西湖凹陷地層示意圖Fig.2 Stratigraphic map of Xihu Sag
有機碳含量(TOC)、熱解生烴潛量(S1+S2)、熱解氫指數(shù)(HI)、烴源巖熱解最高峰溫度(Tmax)等參數(shù)可以用來評價有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型以及有機質(zhì)成熟度。平湖組是西湖凹陷的主力烴源巖,垂向上可以看出,泥巖在平下段TOC均值為1.36%,(S1+S2)均值為6.12 mg/g,HI均值為355.36;平中段TOC均值為1.68%,(S1+S2)均值為6.18 mg/g,HI均值為253.03;平上段TOC均值為1.59%,(S1+S2)均值為5.76 mg/g,HI均值為279.61;總體上看,平中段最好,平上段次之(表1,圖3)。煤和碳質(zhì)泥巖作為有機質(zhì)富集體,平上段和平中段要好于平下段(表1)。
表1 西湖凹陷平湖組烴源巖豐度統(tǒng)計Table 1 Organic matter abundance in source rocks of Pinghu Formation in Xihu Sag
選取具有代表性的平湖組上段、中段和下段微量元素制作圖4,可以看出平湖組總體上微量元素Rb、Ba、Zr均表現(xiàn)出明顯的正異常,含量分別為0.063~337.66、165.97~32697、38.5~437.52 μg/g,元素Co、Mo、Sc、Hf相對虧損,含量分別為2.61~42.511、0.15~89.98、0.005~27.52、0.52~12.88 μg/g,而且3個層段的變化趨勢差別不大(表2)。
圖3 平湖組烴源巖有機質(zhì)豐度交會圖Fig.3 Crossplot of organic matter abundance in source rocks of Pinghu Formation
稀土元素可用于古沉積環(huán)境分析是因為其具有穩(wěn)定性,西湖凹陷平湖組選取不同區(qū)塊不同層位具有代表性的數(shù)據(jù)見表3,平湖組下段66個數(shù)據(jù)ΣREE值為57.71~304.18 μg/g,平均值為182.63 μg/g;平湖組中段122個數(shù)據(jù)ΣREE值為76.13~282.9 μg/g,平均值為175.31 μg/g;平湖組上段72個數(shù)據(jù)ΣREE值為73.68~332.23 μg/g,平均值為194.31 μg/g。3個層段的ΣREE均值接近,且都高于北美頁巖的173.21 μg/g。
ΣREE的分異程度可以用輕稀土與重稀土的比值ΣLREE/ΣHREE來反映,平湖組下段66個數(shù)據(jù)ΣLREE/ΣHREE值為6.4~75.51,平均值為14.04;平湖組中段122個數(shù)據(jù)ΣLREE/ΣHREE值為3.77~36.92,平均值為10.15;平湖組上段72個數(shù)據(jù)ΣLREE/ΣHREE值為6.99~37.8,平均值為10.54。三者均表現(xiàn)為輕、重稀土分異顯著,輕稀土元素富集,均高于北美頁巖的7.44,其中平下段的分異性更為突出。
用球粒隕石[23]將稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化后制作圖5,LaN/YbN可以表示圖5的斜率,平湖組下段66個數(shù)據(jù)LaN/YbN值為1.06~52.92,平均值為4.48;平湖組中段122個數(shù)據(jù)LaN/YbN值為0.48~21.43,平均值為2.32;平湖組上段72個數(shù)據(jù)LaN/YbN值為0.42~14.99,平均值為2.19。圖5可以看出輕稀土富集、斜率較大,重稀土虧損、斜率平坦;稀土元素的分配模式在平上段、平中段和平下段相似,負Eu異常,呈“V”型,這也較好地反映了研究區(qū)物源的一致性,且處于構(gòu)造相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境。
圖4 平湖組微量元素分配Fig.4 Trace element distribution in Pinghu Formation
表2 平湖組微量元素分布范圍Table 2 The distribution of trace elements in Pinghu Formation μg/g
淡水相和海水相混合時,淡水中的Ba2+與海水中的結(jié)合生成BaSO4沉淀,而SrSO4溶解度大,會繼續(xù)運移到更遠的海相,通過生物途徑沉積下來,Sr/Ba值與古鹽度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,可以用來指示沉積水體中古鹽度。本次研究采用彭海艷等[24]分析海陸沉積環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn),即陸相沉積Sr/Ba<0.5,海陸過渡相0.5≤Sr/Ba≤0.8,海相沉積Sr/Ba>0.8。
平湖組下段17個樣品Sr/Ba值為0.01~0.28,均值為0.07,為陸相沉積;平湖組中段189個樣品Sr/Ba值為0.01~2.53,均值為0.17,其中大于0.8的只有2個樣品點,介于0.5~0.8的6個樣品都是平湖斜坡構(gòu)造帶的,總體來看為陸相沉積;平湖組上段135個樣品Sr/Ba值為0.01~0.4,均值為0.12,為陸相沉積(圖6)。
Sr/Cu可以用來指示古氣候,一般來說,1.3~5.0指示溫濕氣候,大于5.0則指示干旱氣候。
平湖組下段17個樣品Sr/Cu值為3.03~14.13,均值為6.57,平湖組中段189個樣品Sr/Cu值為0.98~58.45,均值為8.77,平湖組上段135個樣品Sr/Cu值為0.65~41.28,均值為6.14,綜合圖7來看,平湖組均表現(xiàn)為半干旱-半潮濕氣候。
不同元素的遷移和富集能力在不同的水熱條件下是不同的,在暖濕條件下,濕潤氣候型元素Fe、Mn、Cr、V、Co、Ni等含量較高,干旱型氣候型元素Ca、Mg、K、Na、Sr和Ba等大量析出形成各種鹽類沉積在水底,因此其含量較高。將兩者的比值C[25]作為古氣候指數(shù),0.2~0.4為半干旱環(huán)境,0.4~0.6為半干燥-半潮濕環(huán)境,0.6~0.8為半潮濕環(huán)境,0.8~1.0為潮濕環(huán)境。
平湖組下段70個樣品C值為0.142~0.824,均值為0.41,平湖組中段131個樣品C值為0.112~2.335,均值為0.611,平湖組上段110個樣品C值為0.198~5.833,均值為0.734,與Sr/Cu反映一致,指示平湖組古氣候為半干旱-半潮濕氣候(圖8)。
表3 西湖凹陷平湖組烴源巖稀土元素含量Table 3 ΣREE analytical data of source rocks of Pinghu Formation in Xihu Sag
古水體以及沉積物中多種元素的循環(huán)、分異和富集明顯受氧化還原條件的影響。這一特性決定了特征元素的地球化學(xué)行為是古水體氧化還原條件變化的靈敏指示劑,可以作為恢復(fù)古水體氧化還原環(huán)境變化的地球化學(xué)指標(biāo)。
續(xù)表3
圖5 平湖組球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分配模式Fig.5 Distribution of chondrite-normalized rare earth elements in Pinghu Formation
微量元素V/Cr、Ni/Co、U/Th、V/(V+Ni)、V/Sc均可以分析氧化還原環(huán)境[26],具體判別標(biāo)準(zhǔn)見表4。
西湖凹陷平湖組各類參數(shù)(表5,圖9)綜合來看,V/Cr、Ni/Co、U/Th指示平湖組3個層段均表現(xiàn)為富氧的氧化環(huán)境,V/(V+Ni)大部分數(shù)據(jù)則顯示為氧化還原環(huán)境,V/Sc表現(xiàn)為偏氧化的氧化-還原環(huán)境。
地球化學(xué)元素在沉積作用中發(fā)生機械分異作用、化學(xué)分異作用和生物、生物化學(xué)分異作用,這一性質(zhì)決定了元素的聚集和分散與水盆深度具有一定的關(guān)系。
圖6 平湖組Sr/Ba與深度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between Sr/Ba and depth of Pinghu Formation
圖7 平湖組Sr/Cu與深度關(guān)系圖Fig.7 Relationship between Sr/Cu and depth of Pinghu Formation
圖8 平湖組古氣候C值與深度關(guān)系圖Fig.8 Relationship between paleoclimate C value and depth of Pinghu Formation
表4 氧化還原環(huán)境的元素判別指標(biāo)Table 4 Element parameters for redox condition
表5 平湖組氧化還原環(huán)境判識結(jié)果Table 5 The REDOX environment of Pinghu Formation
Nicholls[27]認為,如果沉積物中痕量元素超過以下濃度,即Mo>5 μg/g、Co>40 μg/g、Cu>90 μg/g、Ba>1000 μg/g、Ce>100 μg/g、Pr>10 μg/g、Nd>50 μg/g、Ni>150 μg/g、Pb>40 μg/g,特別是在伴有含量<1 μg/g的U和含量<3 μg/g的Sn時,則其形成的深度可能超過250m。平湖組沉積時期Mo均值 為2.07 μg/g,Co均 值 為17.45 μg/g,Cu均 值為28.31 μg/g,Ba均值為2854.9 μg/g,Ce均值為76.4 μg/g,Pr均值為8.59 μg/g,Nd均值為30 μg/g,Ni均值為40.3 μg/g,Pb均值為24.9 μg/g,除了Ba的含量大于1000 μg/g,其他的元素均小于標(biāo)準(zhǔn)值,由此推斷當(dāng)時的沉積水體并不深。
圖9 平湖組不同參數(shù)與深度關(guān)系圖Fig.9 Relationship between different parameters and depth of Pinghu Formation
在沉積時Fe和Ti的穩(wěn)定性較Mn要弱很多,3種元素的比值就可以用來反映當(dāng)時沉積環(huán)境的水深與搬運距離。Mn/Ti在平湖組上段132個樣品值為0.01~0.86,均值為0.18;平湖組中段186個樣品值為0.01~1.97,均值為0.19;平湖組下段104個樣品值為0.03~1.18,均值為0.15(表6);都為近源堆積,比較均值可以看出水深由淺變深再變淺的過程。Mn/Fe值變化范圍小,均值為0.01,同樣表明平湖組為近岸沉積。
周瑤琪等[28-30]還利用Co含量法定量計算沉積速率,進而定量計算古水深,本次研究采用這種方法推測平湖組沉積時期的古水深[30],公式如下:
式中,H為古水深,Vo為當(dāng)時正常水體沉積速率,選取10mm/a,NCo為正常水體沉積中Co的豐度12 μg/g[31],SCo為樣品中Co的豐度,t為物源Co對樣品的貢獻值,即樣品中La的含量/陸源碎屑中La的平均豐度38.99 μg/g,TCo為陸源碎屑中Co的豐度,物源物質(zhì)在由物源區(qū)搬運到沉積區(qū)的過程中,Co會發(fā)生再分配,其在沉積巖中的再分配系數(shù)WCo受沉積巖的粒徑(d)影響,在同一物源條件下,沉積物的粒度越小,WCo值越大,Co的含量則越高[32],如圖10所示。
表6 平湖組不同層段水深微量元素含量Table 6 Trace element contents in different layers of water depth for Pinghu Formation
對應(yīng)的表達式為:
其中φ=?log2d,d為粒度直徑??紤]到機械分異的影響,需要用WCo代替TCo,樣品均選用泥巖或者粉砂質(zhì)泥巖,故d≈0.01,φ≈6.6,本次φ統(tǒng)一取6,求得WCo≈3.497 μg/g=TCo。
平下段107個樣品值為0.58~52.66,均值為12.41;平中段187個樣品值為0.1~44.01,均值為14.44;平上段135個樣品值為0.35~54.41,均值為17.33。可以看出隨著地層的加深,水深是逐漸變淺的,這也符合平湖組海陸過渡相背景,構(gòu)造寬緩平坦,煤層廣泛發(fā)育,生物擾動強烈。
由于Co含量受太多因素影響,不能作為判斷水體深淺的絕對參數(shù),因此,單獨從地球化學(xué)角度判斷水深是不夠嚴謹?shù)?,需要其他方法綜合評判。
圖10 物源Co與粒徑大小之間的經(jīng)驗關(guān)系曲線[28]Fig.10 Relationship between the Co fractionation and the grain size in clastic sediments[28]
對古溫度的恢復(fù)有多種方法,比如氧同位素法、微量元素法等。本次研究利用以上方法對平湖組的古水溫進行恢復(fù),對比不同方法恢復(fù)結(jié)果進行校正。
4.5.1 微量元素Sr計算古水溫
利用前人的經(jīng)驗公式T=(2578—Sr)/80.8來計算古水溫[33],平湖組下段109個樣品值為19.24~31.34 ℃,均值為29.84 ℃;平湖組中段189個樣品值為23.91~31.34 ℃,均值為29.7 ℃;平湖組上段135個樣品值為25.24~31.72 ℃,均值為30.09 ℃(圖11),經(jīng)驗公式未考慮大氣降水中含有少量Sr的影響,致使Sr含量偏低,計算出來的古溫度偏高,但是還是可以看出當(dāng)時處在溫暖的氣候環(huán)境,而且沉積環(huán)境相對穩(wěn)定。
4.5.2 氧同位素計算古水溫
利用氧同位素值可以計算古環(huán)境溫度,其計算公式:
計算氧同位素,得到古溫度為56.9~119.34 ℃,平均值為80.81 ℃,明顯高于Sr計算的值,這是因為氧同位素經(jīng)過后期成巖作用后發(fā)生較強烈的交換作用,導(dǎo)致氧同位素值比同期海水偏負有以下兩種原因:其一大氣淡水能夠降低氧同位素;其二埋藏期溫度較高,較重氧同位素進入流體中,較輕氧同位素進入到儲集巖中,導(dǎo)致氧同位素偏負,這降低了氧同位素指示古水溫的意義。
4.5.3 修正氧同位素計算古水溫
校正后的氧同位素可以更好地反映古溫度。碳酸鹽沉淀時,水體和巖石中的氧同位素會發(fā)生交換,用校正后的δ18O值測算古水溫是儲集層成巖作用研究中一種比較成熟的方法[34],其經(jīng)驗公式:
其中,δC是實驗中25 ℃真空條件下碳酸鈣與100%磷酸反應(yīng)后產(chǎn)生的CO2中的δ18O值;δW是25 ℃狀態(tài)下水處于同位素平衡的CO2的δ18O值;二者都采用PDB標(biāo)準(zhǔn)。需說明的是,δW通常取現(xiàn)今標(biāo)準(zhǔn)平均海水(SMO)的δ18O值為零,為更加精確反映成巖環(huán)境古水溫,本次研究δW取新生代更新世間冰期水的δ18O值為?1.2‰進行古溫度測算。
用校正后的氧同位素計算的溫度表明,平湖組下段22個樣品值為8.48~50.16 ℃,均值為25.61 ℃;平湖組中段15個樣品值為6.19~33.46 ℃,均值為17.4 ℃;平湖組上段17個樣品值為8.55~26.06 ℃,均值為16.82 ℃。此方法較Sr計算出來的溫度要低一些,這也輔證了Sr計算出來的溫度受大氣降水的影響會偏高,但是對比單口井的數(shù)據(jù)可以看出,整體趨勢是一致的(圖12)。
圖11 平湖組古水溫與深度關(guān)系圖Fig.11 Relationship between the ancient water temperature and depth of Pinghu Formation
圖12 C-6井兩種方法計算的平湖組古水溫與深度關(guān)系圖Fig.12 Relationship between the ancient water temperature and depth of Pinghu Formation calculated by two methods for Well C-6
對比3種方法計算的古水溫,氧同位素直接計算出來的古水溫明顯偏高,利用Sr恢復(fù)的古水溫雖然沒有氧同位素極端的那么高,但依舊偏高,利用校正后的氧同位素極端的溫度最低,
將Sr和氧同位素校正后的兩種古水溫平均后,平湖組下段為27.73 ℃,平湖組中段為23.55 ℃,平湖組上段為23.46 ℃,表明平湖組沉積時期是溫暖氣候。
古生產(chǎn)力是指地質(zhì)歷史時期生物在能量循環(huán)過程中固定能量的速率。Ba是一種惰性元素,在沉積環(huán)境中可以高效率的長時間保存下來,通常陸源輸入和生物成因是Ba的主要來源,而只有生物成因的才能反映古生產(chǎn)力,主要來自陸源輸入的元素Ti在水中的溶解度低,可以用來扣除樣品中的陸源Ba。
除了Ba之外,與生物生長發(fā)育相關(guān)的營養(yǎng)元素,例如Cu和Zn等元素的強烈富集暗示曾有較高含量的有機質(zhì)將其大量帶到沉積物中,隨后在還原條件下沉積物中的Cu、Zn等被保存下來,因此,它們可作為指示古生產(chǎn)力水平高低的元素替代指標(biāo)[35-36]。
本次研究采用以下公式:
式中,Xxs代表某生源元素的校正含量,Xtotal表示實際測定的元素總含量,Titotal表示實測樣品中Ti元素的總含量,(X/Ti)PAAS則表示新太古代澳大利亞頁巖中需要校正的元素X與Ti元素平均含量的比值,根據(jù)Taylor和Mclennan等研究[37],Ba、Zn、Ti 的PAAS值分別為650、85、6000 μg/g,如果Xxs為正,說明該元素相對PAAS呈海相自生富集或火山熱液富集;其值為負,說明樣品中該元素含量主要由陸源物質(zhì)貢獻[19]。
Baxs平湖組下段104個樣品值為?284.36~28784.1,均值為3208.53;平湖組中段189個樣品值為?329.11~32697,均值為2569.16;平湖組上段132個樣品值為?373.81~12857.04,均值為1534.1。Znxs平湖組下段85個樣品值為18.43~1101.04,均值為120.14;平湖組中段189個樣品值為27.04~2333.08,均值為99.53;平湖組上段135個樣品值為17.17~489.59,均值為97.33。除了34個Baxs值為負外,其余均為正,通常Baxs含量為1000~5000 μg/g時,沉積環(huán)境具有高生產(chǎn)力,200~1000 μg/g具有中等生產(chǎn)力。綜合來看平湖組的生產(chǎn)力都較高,具有較高的生烴潛力,相比較而言平湖組下段高于中段、上段,為烴源巖的供應(yīng)提供了優(yōu)質(zhì)的物質(zhì)條件。
對比C-3井的古生產(chǎn)力和有機碳數(shù)據(jù)可以看出,兩者之間并沒有很好的相關(guān)性(圖13)。
圖13 C-3井平湖組古生產(chǎn)力、TOC與與深度關(guān)系圖Fig.13 Relationship between the Paleoproductivity、TOC and depth of Pinghu Formation calculated by two methods for Well C-3
(1)平湖組上段、中段和下段的ΣREE、ΣLREE/ΣHREE均表現(xiàn)為輕、重稀土分異顯著,輕稀土元素富集,重稀土相對虧損,負Eu異常,反映構(gòu)造相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境。
(2)微量元素研究表明平湖組沉積于氧化的淡水沉積環(huán)境,而且當(dāng)時的沉積水體并不深,為近岸沉積。
(3)Sr經(jīng)過后期沉積丟失變小,計算出來的古水溫會偏高;用校正后的氧同位素計算的溫度比元素Sr計算出來的溫度相比較要低。將兩種方法計算出來的古水溫平均后,平湖組下段為27.73 ℃,平湖組中段為23.55 ℃,平湖組上段為23.46 ℃,表明平湖組沉積時期是溫暖氣候。
(4)生源Baxs的值可以看出平湖組具有較高的古生產(chǎn)力,生烴潛力好;相比較而言平湖組下段高于中段、上段,為烴源巖的供應(yīng)提供了優(yōu)質(zhì)的古環(huán)境條件。