陸相斷陷湖盆生烴潛力的古氣候波動響應研究
——以東濮凹陷古近系文古4井為例

舒徐潔，楊棟棟，程 成，徐田武，衛(wèi) 瑋，王洪作

(1. 南通大學 地理科學學院， 江蘇 南通 226001； 2. 中國石化中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院， 河南 濮陽 457001；3. 合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院， 安徽 合肥 230009； 4. 中石化經緯有限公司 中原測控公司， 河南 濮陽 457001)

古氣候對沉積記錄的影響是多方面的，它能通過改變風化作用的類型和強度來影響沉積物的輸入，通過影響輸入沉積盆地的物質來改變水體的環(huán)境和營養(yǎng)組成來影響生物的發(fā)育，通過直接改變水體的水熱條件來影響生物群落的變化。這些古氣候波動產生的影響都會保存到沉積記錄中，并最終影響沉積巖中有機質的含量和沉積巖的生烴潛力。陸相斷陷湖盆是我國陸相含油氣盆地的重要類型，近年來還成為重要的致密油勘探區(qū)，具有面積小、水體淺、易受短期氣候波動影響的特點(Haoetal., 2011; 林暢松等， 2015)。關于陸相湖盆沉積記錄的古氣候反演研究較多，但這些研究主要關注氣候本身的變化或氣候對生態(tài)系統(tǒng)或其他環(huán)境要素的影響(Carroll and Bohacs, 1999; Fanetal., 2007; 吳偉等， 2012; 羅威等， 2013; 王健等， 2021)，對氣候的生烴潛力影響研究則較為匱乏(劉占紅等， 2007; Haoetal., 2011; 牛杏等， 2018)。東濮凹陷是在中-古生界基底上發(fā)育起來的一個新生代斷陷咸化湖盆，其古近紀地層是重要的油氣富集和勘探層位，在構造穩(wěn)定期沉積記錄主要受短期氣候波動影響。本文以東濮凹陷古近系文古4井(沙三上8～10段)為例，分別用礦物和孢粉作為古氣候指標，有機碳含量作為生烴潛力指標，來探討古氣候波動對陸相斷陷湖盆生烴潛力的影響。

1 地質背景

中生代以來受西太平洋構造域演化制約, 渤海灣盆地區(qū)發(fā)育了眾多的斷陷盆地(周立宏等， 2003)。東濮凹陷是渤海灣盆地南端眾多斷陷盆地中的一個，位于魯、豫兩省交界處，面積約5 300 km2，呈北北東向展布，以新生界地層為主(余海波等， 2020)。盆地具有南寬北窄、東斷西超、東西分帶、南北分塊、隆洼相間的構造格局(圖1)，盆地充填物以古近紀沉積物為主，厚度可達4 000～6 000 m，巖性以粉砂巖、砂巖和泥巖夾膏-鹽巖為主，發(fā)育多套鹽巖，含鹽地層最大累加厚度4 000 m以上，純鹽層最大累加厚度達2 000 m以上。鹽巖在垂向上呈旋回性和韻律性發(fā)育，在橫向上呈分區(qū)性和遷移性展布，鹽巖與砂巖表現(xiàn)為同時異相，呈指狀交叉消長關系，都夾于穩(wěn)定的泥頁巖之間(陳發(fā)亮等， 2000)。近年來隨著致密油/頁巖油等非常規(guī)油氣勘探的不斷深入，在鹽湖盆地中發(fā)現(xiàn)了較為典型的鹽間夾層型致密油，該類型致密油具有砂-泥-碳酸質巖、碳酸鹽巖-膏(質)巖-鹽巖的鹽韻律特征，受短周期內古氣候影響顯著。

2 研究內容與結果

本次研究選取文古4塊的文古4井3 102～3 177 m段為研究對象，該層段對應沙河街組沙三上8～10段，其中發(fā)育有典型的鹽巖沉積韻律(圖2)，其在縱向上主要表現(xiàn)為一套砂-泥-碳酸質巖、碳酸鹽巖-膏(質)巖-鹽巖等水體變淺的沉積旋回。其中Ⅳ級鹽韻律表現(xiàn)為從鹽巖→(含泥)鈣芒硝巖→含白云石泥巖(含泥白云巖)-泥巖→白云巖→鈣芒硝巖→鹽巖的淡化-咸化序列和鹽類礦物的析出順序。在該段鹽巖沉積中主要發(fā)育多種湖相泥巖、頁巖和泥灰(云)巖,包括黑頁巖、富有機質紋層頁巖、鈣質紋層頁巖、灰色鈣質頁巖、灰色頁巖、紋層狀泥灰(云)巖以及灰色塊狀的鈣質/粉砂質泥巖。本次工作對該層段進行了孢粉、全巖礦物、粘土礦物和有機碳含量的分析。

2.1 孢粉分析

本次研究共分析了28件巖心樣品，所有樣品中均見到豐富的孢粉化石，經鑒定，含3大類，84屬，其中常見的有29屬(圖3)，其組合特征如下： 被子植物花粉(36.6%～79.6%，平均65.05%)占優(yōu)勢，裸子植物花粉(18.8%～62.7%，平均34.08%)次之，蕨類孢子花粉(0～2.8%，平均0.86%)較少；被子植物花粉類中，櫟粉屬(15.6%～31.2%，平均21.99%)含量明顯多于榆粉屬+脊榆粉屬(2.4%～20.3%，平均10.68%)，小亨氏櫟粉較多，楓香粉屬、樺科、胡桃科等較常見，三孔溝粉屬、網面三孔溝粉屬較多；裸子植物花粉類中，杉粉屬(8.3%～32.4%，平均21.19%)發(fā)育，松科(0～11.9%，平均6.39%)和麻黃粉屬(0～16.4%，平均5.66%)個別樣品豐富；蕨類孢子花粉見少量的水龍骨單縫孢屬、鳳尾蕨孢屬、三角孢屬等。

圖 1 東濮凹陷構造單元劃分圖Fig. 1 Tectonic units diagram of the Dongpu Depression

圖 2 文古4井巖心照片和顯微特征Fig. 2 Photos and microphotograph of rock samples from Wengu 4 wella—黑色紋層狀泥巖中夾鹽巖韻律層; b—鹽韻律段竹節(jié)狀鹽巖; c—紋層狀泥灰?guī)r; d—紋層狀灰?guī)r、亮晶灰?guī)r與泥質泥晶灰?guī)r互層a—black laminated mudstone with salt rock rhythmic layers; b—bamboo-like salt rock with rhythms; c—laminated marl; d—laminated limestone intercalated with sparite and argillaceous limestone

圖 3 東濮凹陷文古4井(3 102～3 177 m)主要孢粉化石Fig. 3 Sporopollen from the Wengu 4 well (3 102～3 177 m) in Dongpu Depression

2.2 全巖和粘土礦物組成

本次研究共對211件巖心樣品進行了全巖和粘土礦物組成分析，結果顯示樣品所含的礦物種類較多(圖4)，但不同層位中各種礦物的含量變化較大，主要包括方解石(0～66%，平均24.6%)、粘土礦物(4%～53%，平均23.7%)和石英(3%～43%，平均16.3%)，其次為白云石(0～70%，平均11.4%)和斜長石(1%～32%，平均8.6%)以及少量巖鹽(0～15%，平均4.3%)和黃鐵礦(0～14%，平均2.9%)。此外，部分層位含有較多的硬石膏(0～78%，平均8.0%)。粘土礦物分析結果則顯示，其主要由伊利石(43%～97%，平均70.4%)組成，其次為伊蒙混層(3%～45%，平均18.1%)，高嶺石(0～26%，平均7.1%)和綠泥石(0～14%，平均4.4%)的含量較低。

2.3 有機碳含量

本次研究共對259件巖心樣品進行了有機碳含量分析，結果顯示其縱向變化較大(0.19%～7.11%，平均1.61%)，具有明顯的波動性，暗示生烴潛力的明顯變化。

3 討論

3.1 古氣候分析

孢粉作為植物的生殖細胞，是推斷植物群面貌和反演古氣候特征的有用指標。本次研究在定量統(tǒng)計的基礎上，利用前人對不同孢粉所反映的植被和氣候特點的總結(葉得泉, 1993; 周山富等, 2007)，對研究區(qū)孢粉組合反映的氣溫帶、干濕度和植被類型進行分析，并以此來分析研究區(qū)該時間段的植被類型和氣候特點。結果顯示，本研究段植被以落葉闊葉(35.5%)和針葉(28.1%)為主，灌木(15.9%)和常綠落葉(14.7%)次之，草本較少(2.5%)； 熱帶-亞熱帶(31.0%)和亞熱帶(32.9%)植被成分較高，暖溫帶(25.0%)次之，熱帶成分很少。干濕度類型則顯示中生(48.7%)成分最高，喜濕(26.8%)和旱生(21.3%)成分次之。因此，孢粉特征反映研究區(qū)處于亞熱帶-暖溫帶半干旱-半濕潤氣候條件區(qū)，植被類型應為針闊混交林。另一方面，全巖礦物中蒸發(fā)相的巖鹽和硬石膏頻繁地出現(xiàn)，粘土礦物則以反映干冷氣候的伊利石為主，反映暖濕氣候的高嶺石較少，這些特點也暗示研究區(qū)整體處于相對干旱的環(huán)境，但期間發(fā)生了頻繁的相對干濕波動。

3.2 古氣候對生烴潛力的影響

為進一步揭示研究區(qū)該時段的氣候波動情況，并探討氣候波動與沉積巖生烴潛力之間的聯(lián)系，本文以反映干旱氣候條件的特征花粉麻黃粉屬和蒸發(fā)相礦物(石鹽+硬石膏)來表征氣候的相對干濕波動狀況，同時，由于綠泥石指示更為干旱的氣候(Xuetal., 2017)，其與伊利石的比值也被用來反映干旱程度的變化(圖4)。另一方面，沉積巖中有機碳含量的高低是評價其生烴能力的最基礎指標(劉占紅等， 2007)，根據有機碳的含量可以對烴源巖的有機質豐度進行初步評價，結果顯示，有機質相對富集的層段有6個，相對貧乏的層段也有6個，它們分別與氣候指標反映的相對潮濕和相對干旱相對應(圖5，圖中除麻黃粉屬為個點直接相連外，其余都是采用局部加權回歸擬合出來的曲線，紅線代表最大可能的趨勢線，兩條藍線圍起來的部分代表95%的置信區(qū)間，真實曲線在這一范圍內的概率為95%)，表明研究區(qū)沉積巖生烴潛力與短期氣候波動之間存在密切的成因聯(lián)系，相對潮濕的氣候條件更有利于有機質的富集和生烴潛力的提高。

優(yōu)質烴源巖一般具有有機質豐度高、分布穩(wěn)定(厚度不一定大)的特征，是形成大、中型油田的物質基礎。基于海相沉積的研究，人們提出了有機質富集的3個主要觀點，即生產力模式(Calvertetal., 1995)、保存模式(Demaison and Moore, 1980)和疊加模式(Ingall and Jahnke, 1997)，它們分別認為高生產力、保存條件及生產力和保存條件的共同作用是有機質富集的主控因素。而對于湖相烴源巖，其保存模式主要強調因地理隔離、古水深變化或生物作用等因素引起水體缺氧，從而導致優(yōu)質烴源巖形成(馬小祥等， 2019)，而生產力模式主要強調富有機質的形成是由于湖泊表層水體具較高的生產力，只要生產力高，即使湖泊水體還原性較弱也可形成優(yōu)質烴源巖(胡濤等， 2021)。對東濮凹陷沙三段的有機質富集機制研究表明生產力越大，有機質富集程度越高(胡濤等， 2021)。本文的研究顯示在盆地處于構造穩(wěn)定期，其性質和保存條件均處于相對穩(wěn)定的前提下，相對潮濕氣候期更有利于有機質的富集，支持氣候通過生產力模式來實現(xiàn)對有機質的控制，因為相對潮濕的氣候能提供更好的溫熱條件，有利于生物的繁殖，從而提高水體和盆地周圍的生產力，最終提高沉積盆地的有機質豐度。同時，相對潮濕的氣候條件能夠增強風化作用的強度，從而通過提高營養(yǎng)物質的輸入，改變水體的環(huán)境和營養(yǎng)組成來影響生物的發(fā)育，以提高水體的生產力。另一方面，以長石和石英為代表的陸源碎屑物質輸入與有機質含量具有相反的變化趨勢(圖4)，則可能是因為陸源碎屑對有機質具有一定的稀釋作用(Fuetal., 2015; 丁江輝等， 2019)。

圖 4 東濮凹陷文古4井(3 102～3 177 m)的礦物組成Fig. 4 Mineralogy from the Wengu 4 well (3 102～3 177 m) in Dongpu Depression

圖 5 文古4井有機碳含量與孢粉、礦物組成之間的聯(lián)系Fig. 5 The correlation between organic carbon, sporopollen and mineral compositions from Wengu 4 well in Dongpu Depression

4 結論

本文通過對東濮凹陷文古4井沙三上8～10段綜合的微體古生物、礦物學和有機地球化學分析，探討了短期氣候波動對陸相斷陷湖盆沉積巖生烴潛力的影響，結果顯示該研究層段整體形成于較為干旱的氣候環(huán)境中，但發(fā)生了6次明顯的相對干旱和相對潮濕波動，同時，有機碳含量具有明顯的波動性。兩者的對比分析顯示，相對潮濕的氣候更有利于有機質的富集，氣候主要通過生產力模式來控制有機質的富集和沉積巖的生烴潛力。研究結果表明，對于處于構造穩(wěn)定期的陸相斷陷(咸化)湖盆，在其性質和沉積物保存條件都相對穩(wěn)定的前提下，相對潮濕的氣候條件下形成的烴源巖可能是更好的勘探層位。