松遼盆地北部青山口組黑色頁巖的地質(zhì)特征與海水侵入的成因模式

王 嵐,周海燕,畢 赫,商 斐,李文厚

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083；2.西北大學(xué) 地質(zhì)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)

白堊紀(jì)青山口期是松遼盆地最大的湖侵期,湖盆面積達(dá)到8×104km2,形成大面積分布的黑色頁巖,是盆地重要的烴源巖之一。近年來,隨著勘探程度的提高,勘探開發(fā)的視野逐漸匯聚到烴源巖附近及其層系,“進(jìn)(近)源找油”成為勘探新方向[1-2],為陸相盆地非常規(guī)油氣勘探開辟了新領(lǐng)域。特別是古龍凹陷頁巖油勘探取得突破性進(jìn)展,古龍凹陷從邊緣到中心頁巖層系均見油流[3],成為“源內(nèi)找油”的熱點(diǎn)地區(qū),并引發(fā)了一系列關(guān)于陸相頁巖層系沉積環(huán)境、成因機(jī)制與控制因素等地質(zhì)問題的探究。過去，青山口組地層中未發(fā)現(xiàn)典型的海相化石,因此認(rèn)為松遼盆地是典型的內(nèi)陸封閉性湖盆。近幾十年來，在白堊系地層中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)半咸水微體古生物化石、海綠石以及指向水體咸化的分子化石[4],越來越多的證據(jù)表明，青山口沉積期水體介質(zhì)具有一定鹽度,可能存在湖海溝通事件。水體咸化對(duì)黑色頁巖的地質(zhì)地化特征以及有機(jī)質(zhì)的聚集保存產(chǎn)生怎樣的影響，海侵背景下黑色頁巖的成因模式如何,都是值得探討的問題。本研究從黑色頁巖的地質(zhì)地化特征入手，對(duì)比西部齊家—古龍和東部三肇兩大拗陷的差異,借助沉積學(xué)、古生物學(xué)和地球化學(xué)資料,探討咸化水體對(duì)有機(jī)質(zhì)聚集保存的促進(jìn)作用以及海侵背景下青山口組黑色頁巖的成因機(jī)制。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地位于中國東北境內(nèi),面積約26×104km2,是中國油氣資源最為豐富的陸相沉積盆地。盆地處歐亞板塊內(nèi)部,為下斷上拗的雙重結(jié)構(gòu),具有克拉通內(nèi)裂谷盆地和克拉通內(nèi)復(fù)合型盆地的特點(diǎn)?，F(xiàn)今可劃分6個(gè)一級(jí)構(gòu)造帶和32個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,構(gòu)造平緩，拗隆相間,大型斷裂較少(見圖1A)。中央拗陷區(qū)是盆地發(fā)展過程中沉降占優(yōu)勢(shì)的大型負(fù)向構(gòu)造單元,長期處于盆地的沉降和沉積中心,是黑色頁巖的主要分布區(qū)。松遼盆地的構(gòu)造演化分為斷陷、拗陷和反轉(zhuǎn)3個(gè)階段,相應(yīng)形成了3個(gè)一級(jí)構(gòu)造層序,11個(gè)二級(jí)層序和31個(gè)三級(jí)層序。拗陷期構(gòu)造層序包括泉頭組、青山口組、姚家組和嫩江組,受湖進(jìn)—湖退旋回的控制，形成大型河流、三角洲砂巖與湖泊暗色泥巖、油頁巖交互的巖性組合[5]。青山口期是湖侵的高峰期,沉積的黑色頁巖面積廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、巖性復(fù)雜多樣。青山口組自下而上分為青一、二、三段,其中青一段黑色頁巖分布面積最廣,厚度50～130 m,巖性為黑褐色、灰黑色泥頁巖夾薄層油頁巖、介殼灰?guī)r、粉砂巖及少量白云巖。有機(jī)碳含量高,主頻分布在1.5%～2.5%,氯仿瀝青“A”平均值為0.472%,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主[6]。

2 黑色頁巖的地質(zhì)特征

2.1 黑色頁巖的巖石學(xué)特征與巖性組合

對(duì)青山口組200余塊頁巖樣品開展微觀結(jié)構(gòu)觀察和礦物含量統(tǒng)計(jì),其礦物組成為長英質(zhì)陸源碎屑礦物、碳酸鹽和黏土礦物,含少量黃鐵礦、菱鐵礦。其中，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%～44%,平均31%;長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～22%,平均13.5%;碳酸鹽巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍較大,0～65%,平均7.64%,主要為方解石,其次為白云石和鐵方解石。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～56%,平均43.8%。 黏土礦物以伊蒙混層為主,其次為伊利石(見圖2A、B),見少量高嶺石、綠泥石、海綠石。黃鐵礦局部富集,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～29.9%,常以集群形式充填在層間縫和介形蟲殼體邊緣(見圖2C)。紋層構(gòu)造是黑色頁巖最常見的沉積構(gòu)造,由黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、陸源碎屑在成巖過程中定向排列形成?？v向上，黏土與有機(jī)質(zhì)紋層、長英質(zhì)礦物紋層以及鈣質(zhì)紋層組成二元或三元結(jié)構(gòu),因礦物成分差異形成明暗相間的紋層,厚度0.2～0.6 mm(見圖2D、E)。部分樣品因生物擾動(dòng)破壞了原有紋層,發(fā)育管狀、腸狀等攪動(dòng)變形構(gòu)造(見圖2F)。

注：a 龍虎泡—大安階地,b 齊家—古龍凹陷,c 中央古隆起,d 三肇凹陷,e 朝陽溝階地圖1 松遼盆地構(gòu)造分區(qū)及青一段沉積相平面圖Fig.1 Structural division of Songliao basin and Sedimentary facies distribution of Qing 1 Member

A 蜂窩狀伊蒙混層,Q2井,青一段,深度1 623 m; B 片狀伊利石,Q2井,青一段,深度1 623 m; C 黃鐵礦顆粒填充介形蟲殼體,H14井,青一段,深度2 071 m; D 黏土礦物與有機(jī)質(zhì)形成的紋層結(jié)構(gòu),因有機(jī)質(zhì)含量高低形成明暗相間的紋層,P5井,青一段,深度1 624.2 m; E 黏土礦物中夾介形蟲殼體形成的波狀紋層,厚度約0.5 mm,H14井,青一段,深度2 065.2 m; F 生物擾動(dòng)破壞紋層結(jié)構(gòu),H14井,青一段,2 046.1 m圖2 青山口組黑色頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征圖版Fig.2 Microscopic characteristics of Qingshankou Formation black shale

依據(jù)頁巖礦物成分與結(jié)構(gòu)構(gòu)造差異,青一段黑色頁巖主要發(fā)育7種巖性,包括油頁巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖(以含介殼泥巖為主)、粉砂質(zhì)泥巖、介殼灰?guī)r、灰?guī)r和白云巖,其中泥巖、含介殼泥巖、粉砂質(zhì)泥巖是頁巖的主體,約占青一段地層厚度的90%,油頁巖、灰?guī)r、白云巖等特殊巖性占比均小于2%[7]。其巖性分布受沉積相帶的控制,與湖盆水體的性質(zhì)、外源物質(zhì)輸入、沉積過程等因素息息相關(guān)。青山口組沉積期,盆地北部沿長軸方向發(fā)育訥河水系,西北發(fā)育齊齊哈爾水系,西部發(fā)育白城水系。三大水系形成的三角洲體系圍繞齊家—古龍凹陷和三肇凹陷湖相區(qū)呈半環(huán)狀分布,控制了盆地北部的沉積相和巖相分布。由湖盆邊緣向盆地中心,依次發(fā)育三角洲前緣、濱淺湖、半深湖、深湖相帶。黑色頁巖主體分布在半深湖—深湖相,即齊家—古龍凹陷和三肇—朝長地區(qū)(見圖1B)。與深湖相相比,半深湖地帶水體較為動(dòng)蕩,底流和濁流頻發(fā),有機(jī)質(zhì)保存條件差；有一定的陸源碎屑輸入,巖性組合為泥巖與粉砂質(zhì)泥巖、含介殼泥巖互層,夾薄層介殼灰?guī)r和粉砂巖油頁巖層薄,單層厚度小于1 m。以泰康隆起帶東緣的T8井為例,其泥巖中夾有多套介殼灰?guī)r,單層厚度達(dá)到0.3～0.5 m(見圖3A),介殼來源與濁流搬運(yùn)有關(guān)。深湖相帶水體安靜缺氧,沉積物輸入能力減弱,有機(jī)質(zhì)保存條件最好,發(fā)育油頁巖和有機(jī)質(zhì)豐度高的泥巖,夾少量含介殼泥巖、灰?guī)r和白云巖條帶。油頁巖單層厚度2～4 m,累計(jì)厚度可達(dá)9 m,在深湖區(qū)分布穩(wěn)定。對(duì)比西部齊家—古龍凹陷和東部三肇凹陷的深湖相黑色頁巖,發(fā)現(xiàn)其巖性組合與前二者存在明顯差異。齊家—古龍凹陷G5井青一段含介形蟲泥巖和介殼灰?guī)r，較發(fā)育,縱向上泥巖與含介殼泥巖互層,夾有薄層介殼灰?guī)r(見圖3B)。朝陽溝地區(qū)CY6井，灰?guī)r、白云巖薄夾層較發(fā)育,縱向上多達(dá)十幾層，但單層厚度薄，0.1～0.5 m(見圖3C),主量元素MgO/GaO達(dá)到0.555。根據(jù)鏡下微觀結(jié)構(gòu)特征及碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)將其定義為準(zhǔn)同生白云巖,是早期形成的灰?guī)r在富鎂離子的水體中交代形成,結(jié)核形態(tài)較完整。形成白云巖要求有Mg2+離子濃度較高的鹵水,這說明三肇地區(qū)的水體鹽度與齊家—古龍凹陷不同,屬于間歇性咸化的微半咸水。青山口組沉積期屬于溫暖潮濕的氣候類型,與現(xiàn)今西部盆地咸化湖盆干冷的氣候類型不同,因此，水體咸化的誘因不可能是氣候干旱造成的水體蒸發(fā)。合理的解釋是，青一沉積期，湖盆存在短暫的湖海溝通,在湖底形成鹽度較高的停滯水層,促進(jìn)碳酸鹽類礦物的沉淀[8]。海侵造成了湖盆東西部鹽度不均一的格局,進(jìn)一步影響了湖盆的化學(xué)沉淀,反映在巖性組合上即為白云巖、灰?guī)r在東部地區(qū)更為發(fā)育。

圖3 典型井青一段巖性柱狀圖Fig.3 Column section of Qing 1 Member lithology from typical well

2.2 黑色頁巖平面分布與有機(jī)碳的富集規(guī)律

青一段黑色頁巖在中央拗陷區(qū)廣泛分布,其中齊家—古龍拗陷厚度較大,70～130 m,三肇凹陷—朝長地區(qū)厚度為55～100 m(見圖4)。頁巖沉積厚度反映青一沉積期全盆地形成齊家—古龍凹陷和三肇—朝長兩個(gè)沉積中心,齊家—古龍凹陷水體最深,頁巖厚度最大,古龍南部頁巖厚度達(dá)到130 m。三肇凹陷內(nèi)頁巖厚度約55～70 m,朝陽溝階地、長春嶺背斜頁巖厚度達(dá)到100 m,說明當(dāng)時(shí)主要的凹陷沉積中心在古龍凹陷,次級(jí)沉積中心在朝陽溝—長春嶺一帶。

A 龍虎泡—大安階地, B 齊家—古龍凹陷; C 中央古隆起; D 三肇凹陷; E 朝陽溝階地圖4 青一段暗色頁巖厚度分布圖Fig.4 Thickness distribution of black shale of Qing 1 Member

有機(jī)碳數(shù)量高值區(qū)平面分布的范圍大致與深湖范圍相呼應(yīng)。從有機(jī)質(zhì)碳含量看,青一段基本以2%等值線構(gòu)成了齊家—古龍凹陷、三肇凹陷及朝陽溝、長春嶺地區(qū)的有機(jī)碳高值區(qū)。在東西兩大次級(jí)凹陷中,有機(jī)碳的最高值基本與凹陷的沉積中心相匹配,即頁巖沉積厚度最大、水體最深的區(qū)域有機(jī)碳值最高。齊家—古龍凹陷有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于2%,古龍中部有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.5%。三肇—朝長地區(qū)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于3%,三肇南部、朝陽溝階地以及王府賓縣凹陷有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.5%～5.5%的異常高值(見圖5)。整體看來,東西部有機(jī)碳豐度差異較大,三肇—朝長地區(qū)的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于齊家—古龍拗陷,但三肇—朝長地區(qū)黑色頁巖的厚度反而比古龍凹陷薄。此外，油頁巖的分布也呈現(xiàn)同樣的特點(diǎn),三肇—朝長地區(qū)的油頁巖比齊家—古龍凹陷更發(fā)育[9]。有機(jī)質(zhì)的平面分布與外源輸入、水體性質(zhì)以及保存條件有關(guān),東西兩大凹陷有機(jī)碳發(fā)育的不均衡、不對(duì)稱性,說明其沉積期水體環(huán)境存在較大差異。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，海水侵入是造成三肇—朝長地區(qū)水體咸化且有機(jī)碳異常高的主要原因。

A 龍虎泡—大安階地, B 齊家—古龍凹陷; C 中央古隆起; D 三肇凹陷; E 朝陽溝階地圖5 青一段有機(jī)碳平均值分布圖Fig.5 Distribution of organic carbon of Qing 1 Member

3 海侵事件對(duì)黑色頁巖形成環(huán)境的影響

3.1 海侵事件提升水體古鹽度

判斷水體古鹽度的元素地化指標(biāo)很多,硼元素含量是適應(yīng)性最廣、應(yīng)用最多的古鹽度指標(biāo)。水體鹽度越高,沉積物吸附的B離子就越多?，F(xiàn)代海洋沉積物B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于80 μg/g,大西洋和印度洋的海相頁巖B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)100～160 μg/g,現(xiàn)代淡水湖相沉積物B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍小于60 μg/g[10]。另外，Ga和Ba元素具有穩(wěn)定性而Sr元素具易遷移性,B/Ga和Sr/Ba比也可作為判斷水體鹽度的輔助指標(biāo)[11]。松遼盆地青一段河流相B元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14～77 μg/g,西部齊家地區(qū)一般在18～96 μg/g,三肇地區(qū)最高達(dá)到159.3 μg/g,中值約55 μg/g。湖盆總體來說屬于低鹽環(huán)境,但三肇—朝長地區(qū)鹽度偏高,利用亞當(dāng)斯鹽度公式計(jì)算古鹽度約5‰～10‰,達(dá)到微咸水—半咸水。對(duì)全盆地5口井樣品的鹽度指標(biāo)進(jìn)行比對(duì),東部的3口井的B元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為94.5，79.9，67.1 μg/g,遠(yuǎn)大于西部地區(qū)。東部樣品 B 元素、B/Ga和Sr/Ba值均落在微咸水—咸水取值區(qū)間,西部樣品的元素比值落在淡水—微咸水取值區(qū)間(見表1),盆地東西部呈現(xiàn)“東咸西淡” 的鹽度不均一、不對(duì)稱格局。對(duì)比兩邊的TOC值,發(fā)現(xiàn)東部地區(qū)半咸水的環(huán)境對(duì)應(yīng)頁巖TOC值高,可見鹽度與有機(jī)質(zhì)的聚集保存具有相關(guān)性。

表1 青山口組東西部水體鹽度指標(biāo)對(duì)比

特定的藻類屬種與水體的鹽度密切相關(guān),其埋藏后形成的有機(jī)分子化合物可以表征水體鹽度。甲藻甾烷是生源專屬性很強(qiáng)的甾烷標(biāo)志化合物,一般出現(xiàn)在富含甲藻的海相沉積物中，指示了含鹽度較高環(huán)境下發(fā)育的藻類的生源貢獻(xiàn)[12-13]。盆地東南部S1井中檢測(cè)到高峰度的甲藻甾烷(見圖6),應(yīng)為海水侵入帶來了海相環(huán)境中生存的甲藻類。前人在青一段地層中發(fā)現(xiàn)較為豐富的收縮式孢囊CleistosphaeridiumSentusidinium,Kiokansium等溝鞭藻屬種,是海水帶入的咸水甲藻屬種,在陸相半咸水環(huán)境下發(fā)生形態(tài)變異,具有較簡單的密集刺狀凸起[14]。

圖6 S1井黑色頁巖生物標(biāo)志化合物特征Fig.6 Biomarker index of S1 well black shale

3.2 海侵事件提升湖盆生產(chǎn)力

湖盆初級(jí)生產(chǎn)力是指浮游生物在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)通過光合作用生產(chǎn)有機(jī)碳的數(shù)量,也即固定能量的速率。高生產(chǎn)力是陸相湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的必要條件。有機(jī)碳法是表征湖盆生產(chǎn)力最常用的方法：

R=C×ρs×(1-Φ)/(0.003 0×S0.30)。

(1)

式中，R為生產(chǎn)力,C代表總有機(jī)碳含量,S為沉積速率,ρs為干沉積物密度,Φ為巖石孔隙度。

選取盆地東西部8口井75塊巖心,對(duì)有機(jī)碳、沉積物密度、巖石孔隙度分別取值,根據(jù)沉積埋藏史恢復(fù)后的地層厚度與沉積時(shí)間計(jì)算得到沉積速率[15]。利用公式(1)計(jì)算得到青一段的湖盆生產(chǎn)力為446～1 576 gcm2/a，平均值778.5 gcm2/a,屬于富營養(yǎng)湖盆。齊家—古龍地區(qū)的生產(chǎn)力平均值為794.3 gcm2/a;三肇—朝長地區(qū)的生產(chǎn)力平均值為962.7 gcm2/a,部分樣品計(jì)算生產(chǎn)力達(dá)到1 576 gcm2/a,為超營養(yǎng)狀態(tài)。

三肇—朝長地區(qū)極富營養(yǎng)的湖盆水體與海侵事件關(guān)系密切,海侵帶來氮和磷等刺激藻類生長的營養(yǎng)元素,促進(jìn)藻類勃發(fā),極大提高了湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力,提供大量的有機(jī)質(zhì)來源,為有機(jī)質(zhì)富集創(chuàng)造良好的物質(zhì)條件,著名的綠河頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高的主要原因就是顆石藻的爆發(fā)。藻類勃發(fā)的結(jié)果是在沉積巖中出現(xiàn)紋層構(gòu)造,通常由暗色有機(jī)質(zhì)紋層和淺色陸源碎屑或者碳酸鹽礦物紋層組合成韻律性沉積[16]。三肇—朝長地區(qū)頁巖樣品中發(fā)育藻類有機(jī)質(zhì)與陸源碎屑組成的韻律紋層,鏡下見大量呈亮黃色熒光的藻席(見圖7),在50 μm厚的頁巖中多達(dá)十余層,是藻類季節(jié)性勃發(fā)的佐證。

世界上眾多咸水湖泊都具有很高的生產(chǎn)力，在高鹽度水體中,藻類為適應(yīng)環(huán)境,在細(xì)胞內(nèi)積攢甘油、蛋白質(zhì)等有機(jī)物,以便從高鹽環(huán)境獲得水分維持生長[17]。當(dāng)這些生物細(xì)胞解體后,會(huì)釋放大量有機(jī)質(zhì)。三肇地區(qū)肇深5井、芳深2井、芳深3井產(chǎn)豐富的刺式溝鞭藻[18],屬半咸水溝鞭藻。溝鞭藻對(duì)生油意義重大,是較好的生油母質(zhì)。前人在對(duì)比渤海灣盆地、江漢盆地、百色盆地等生油巖的藻類種屬后得出,含營半咸—咸水溝鞭藻類豐富的生油巖，類型最好,含淡水藻類(不包含輪藻)多的生油巖，類型相對(duì)差[19]。

3.3 海侵事件促進(jìn)底水還原環(huán)境

盡管黏土礦物的吸附作用對(duì)有機(jī)質(zhì)起到了非常有效的保護(hù)作用,但初級(jí)生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)到達(dá)水巖界面的量非常少。據(jù)測(cè)算,到達(dá)5 300 m深海底的初級(jí)生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為2%,到達(dá)100 m深的Michigan湖底的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%[20],絕大多數(shù)在水體中被氧化分解,因而極度缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存非常必要。大量實(shí)例證實(shí),當(dāng)有機(jī)質(zhì)大量堆積在湖盆底部,缺氧甚至硫化的還原條件可減少有機(jī)質(zhì)損耗,形成有機(jī)質(zhì)豐度較高的頁巖。

A 棕褐色藻紋層與碎屑礦物紋層組成韻律層,S1井,青一段,深度540.3 m; B 藻席層呈亮黃色熒光,50 um厚的頁巖中發(fā)育十余層藻席,S1井,青一段,深度540.3 m; C 棕褐色藻紋層連續(xù)分布,S1井,青一段,深度540.3 m; D 藻席層呈亮黃色熒光連續(xù)分布,暗色礦物為黃鐵礦集合體, S1井,青一段,深度540.3 m圖7 S1井藻紋層微觀特征Fig.7 Laminar Algal Distribution Character of S1 well black shale

姥鮫烷和植烷的比值(Pr/Ph)常用作判斷原始環(huán)境氧化-還原條件的標(biāo)志。姥鮫烷和植烷來源于高等植物的葉綠素和菌藻中的植醇。 在弱氧化環(huán)境中, 植醇進(jìn)一步脫羥形成姥鮫烷; 在還原偏堿性介質(zhì)條件下， 植醇被還原為植烷, 因此高的Pr/Ph值指示有機(jī)質(zhì)形成于氧化環(huán)境,低值指示還原環(huán)境。一般咸水深湖還原環(huán)境Pr/Ph值為0.2～0.8;淡水半咸水深湖還原環(huán)境Pr/Ph值為0.8～2.8;淡水湖沼相弱還原環(huán)境Pr/Ph值2.8～4.0。青一段黑色頁巖的Pr/Ph值為0.64～1.9,整體屬于較強(qiáng)的還原環(huán)境,三肇—朝長地區(qū)5個(gè)樣品Pr/Ph值小于0.8,個(gè)別達(dá)到0.64的極低值,西部樣品0.95～1.9(見圖8),說明湖盆東南部水體的還原性更強(qiáng)。

伽瑪蠟烷的存在指示湖盆沉積時(shí)的強(qiáng)還原、高鹽度環(huán)境,是水體分層的重要指標(biāo)[21]。青一段的頁巖樣品伽馬蠟烷分布廣泛且含量較高,在未熟和低熟源巖中,伽馬蠟烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于200 μg/g。青一段頁巖伽馬蠟烷/C30藿烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08～0.49,高于一些海相原油的伽馬蠟烷/C30藿烷比值。受海侵影響,三肇—朝長地區(qū)5個(gè)樣品伽馬蠟烷/C30藿烷比值較高,達(dá)到0.49,西部樣品伽馬蠟烷/C30藿烷比值相對(duì)較低,為0.08～0.36。海水入侵導(dǎo)致松遼盆地水體的密度分層，上部為淡水,下部為鹽度稍高的水體,這種長期穩(wěn)定的鹽度分層在湖盆底部形成封閉缺氧的環(huán)境, 使有機(jī)質(zhì)具富含伽馬蠟烷的特征。

圖8 東西部樣品分子標(biāo)志化合物指標(biāo)特征Fig.8 Biomarker index of well black shale from west to east of Songliao Basin

4 海水侵入影響下的黑色頁巖成因模式

白堊紀(jì)青山口組沉積期的松遼盆地為大型近海陸相湖盆,長期繼承性發(fā)育的深水凹陷和湖海溝通事件是黑色頁巖形成的重要條件。與鄂爾多斯延長組這類大型淡水湖盆不同,松遼盆地青山口組黑色頁巖屬于受海侵影響的，水體分層的成因模式(見圖9)。白堊紀(jì)全球缺氧事件造成海平面大幅度上升,為近海湖盆與鄰近海域溝通創(chuàng)造了條件。

溫暖潮濕的氣候條件與穩(wěn)定的盆地構(gòu)造背景是黑色頁巖形成的基本要素。孢粉組合顯示，表征暖濕氣候帶的常綠闊葉林在青山口組極為繁盛[22],指示該時(shí)期為亞熱帶氣候。通過古今氣候比對(duì)發(fā)現(xiàn)，青山口組年平均氣溫為14～24℃[23]。近海暖濕氣流帶來豐沛降雨,地表徑流攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)和陸源有機(jī)質(zhì)注入湖中。同時(shí)期構(gòu)造演化使盆地沉降速率增大,湖岸線向盆地邊緣方向推進(jìn),形成了超大型內(nèi)陸湖泊,湖水覆蓋面積為8.7×104km2。在中央拗陷區(qū)整體下拗的背景下,齊家—古龍地區(qū)形成長條形次級(jí)深水凹陷，三肇—朝陽溝地區(qū)形成一個(gè)橢圓形次級(jí)深水凹陷,兩個(gè)深水凹陷長期繼承性發(fā)育,在湖盆下部形成了厚度大且穩(wěn)定的四季缺氧層,為黑色頁巖的形成提供了廣泛發(fā)育的場(chǎng)所。盆地西部接受多水系注入,東部通過缺口與外海相通(見圖6A)。前人結(jié)合盆地的構(gòu)造沉積演化史等研究成果,推測(cè)青山口沉積期海水侵入的通道是三江盆地和佳伊(佳木斯伊通)地塹,經(jīng)由賓縣一帶注入古湖盆[4]。

圖9 松遼盆地黑色頁巖成因模式圖海侵背景下的水體分層模式Fig.9 Genetic model of black shale in Songliao Basin water stratification model under the background of transgression

湖盆西部和西北部發(fā)育三大水系,北部芮河水系規(guī)模最大,西部英臺(tái)水體、西北齊齊哈爾水系次之。河流攜帶大量淡水入湖,在齊家—古龍地區(qū)形成淡水為主的次級(jí)拗陷。同期，東部三肇—朝長地區(qū)因海水侵入造成鹽度升高,為微咸水—半咸水,整個(gè)盆地形成了東西次級(jí)拗陷鹽度分異的格局,即水體東咸西淡。海水從東南方向侵入，帶來豐富的鹽和硫等營養(yǎng)成分,頁巖中見大量藍(lán)藻、綠藻、裸藻和半咸水甲藻,介形蟲、魚磷魚骨和葉肢介發(fā)育,表明湖泊營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富,浮游生物極度繁盛,初級(jí)生產(chǎn)力高。生物勃發(fā)產(chǎn)生大量的有機(jī)質(zhì)堆積,在湖盆水流不暢、長期缺氧的還原條件下,藻類有機(jī)質(zhì)和部分陸源高等植物有機(jī)質(zhì)得以保存下來。高鹽度水體促使湖泊產(chǎn)生鹽度分層,使上部淡水層與盆底咸水層無法進(jìn)行水體交換,進(jìn)一步加強(qiáng)了湖底的強(qiáng)還原環(huán)境,抑制了氧化和細(xì)菌的分解作用,最大限度地保存有機(jī)質(zhì)。同時(shí)，湖盆生物勃發(fā)加劇了氧氣的消耗,使有機(jī)質(zhì)在極度缺氧、甚至硫化的環(huán)境中得到較好的保存(見圖6B)。

前人研究認(rèn)為,海侵事件是眾多近海盆地優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的重要因素，海侵事件促使有機(jī)質(zhì)豐度增高，類型變好，規(guī)模變大，優(yōu)化了烴源巖的質(zhì)量。在中國陸相湖盆中不乏優(yōu)質(zhì)烴源巖與湖盆咸化或者超鹽度相關(guān)的實(shí)例,包括渤海灣盆地、柴達(dá)木盆地、江漢盆地、蘇北盆地和珠江口盆地等,除煤系地層外,優(yōu)質(zhì)烴源巖均與咸化湖盆有關(guān)[24]。

5 松遼盆地海侵事件與白堊紀(jì)全球缺氧事件的關(guān)系

白堊紀(jì)全球海洋是一個(gè)高溫水體,其浮游生物豐度和海平面高度都為顯生宙之最,因而形成了全球穩(wěn)定分布的高質(zhì)量烴源巖[25]。全球超過 90% 的可采油氣儲(chǔ)量產(chǎn)自 6 套不同層系的烴源巖,其中白堊系以 29% 的比例居首[26]。白堊紀(jì)古海洋分別在阿普特期—阿爾必期(Aptian-AlbianOAE1)、塞諾曼期—土侖期(Cenomanian-TuronianOAE2)、科尼亞克期—桑頓期(Coniacian-SantonianOAE3)發(fā)生多次大洋缺氧事件,形成分布在各大洋盆地的富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖[27]。其中Cenomanian-Turonian期大洋缺氧事件達(dá)到全球規(guī)模,其形成的頁巖規(guī)模巨大,在特提斯大陸邊緣、歐洲陸棚區(qū)、美國內(nèi)部盆地、非洲邊緣海岸和太平洋盆地均有記錄。缺氧事件造成沉積物特征具有一致性,即在同一時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)生物、碳同位素和總有機(jī)碳含量的異常,特別是碳穩(wěn)定同位素的正向偏移。碳同位素正向偏移是由于富含輕碳的有機(jī)質(zhì)在沉積圈中大量埋藏,造成在大氣海洋體系中沉積物富集重碳的結(jié)果。在全球缺氧事件地層中,海相頁巖有機(jī)碳同位素在Cenomanian-Turonian界線處出現(xiàn)正向偏移,偏移幅度達(dá)到3‰～4‰；伴隨著有機(jī)碳同位素的正向偏移,微體生物發(fā)生不同程度的更替和滅絕[28-29]。

黑色頁巖碳同位素正偏的現(xiàn)象在青山口組也同樣存在。萬曉樵等通過青山口組有機(jī)碳穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)與生物地層綜合比對(duì),指出青山口組碳同位素正向偏移與介形類Cyprideapanda和Triangulicyprisfusiformis的消失界面基本吻合,并與全球Cenomanian-Turonian界線穩(wěn)定同位素正偏表現(xiàn)一致[30]?？谆莸雀鶕?jù)茂206井青一段頁巖的樣品分析,發(fā)現(xiàn)黑色頁巖干酪根碳穩(wěn)定同位素出現(xiàn)明顯正向偏移,偏移量達(dá)到2.27‰[31]。黃清華等在朝73—朝87井中也發(fā)現(xiàn)了干酪根碳穩(wěn)定同位素正偏現(xiàn)象[32]。眾多證據(jù)表明,青山口組地層可與白堊紀(jì)古海洋Cenomanian-Turonian(OAE2)界線事件層進(jìn)行橫向?qū)Ρ?處于海平面上升且氣候溫暖潮濕的成礦期(見圖10)。該時(shí)期大洋擴(kuò)張速率提升且洋中脊體積急劇增加,導(dǎo)致全球海平面上升130～350 m,水體深度增加100～250 m。海水向陸地大幅度侵漫,通過盆地東南部的缺口與松遼古湖盆湖海溝通,青一段富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖即為白堊紀(jì)全球缺氧事件在內(nèi)陸湖盆沉積體系中的響應(yīng)。越來越多的地質(zhì)學(xué)家意識(shí)到，松遼盆地青山口的湖海溝通現(xiàn)象以及晚白堊系地層中發(fā)現(xiàn)少量只生活在海相咸水環(huán)境的化石(如貪食吉林魚和巨口哈馬魚[33]),是佐證海侵的有力證據(jù)。同時(shí)，海相化石的稀有說明海水侵入的短暫性和事件性,因而生物種屬和地層巖性仍以陸相淡水、微咸水特征為主。

6 結(jié)論

1)松遼盆地青山口組黑色頁巖面積廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高,是頁巖油勘探的熱點(diǎn)地區(qū)。盆地東西部黑色頁巖有機(jī)碳豐度和巖性組合存在差異。西部齊家—古龍凹陷頁巖厚度大,有機(jī)碳豐度中—高,頁巖中粉砂巖、介殼灰?guī)r夾層發(fā)育;東部三肇—朝長地區(qū)頁巖厚度相對(duì)薄,有機(jī)碳豐度極高,頁巖中灰?guī)r、白云巖薄夾層發(fā)育。

2)海侵事件影響了研究區(qū)黑色頁巖的形成與分布。海侵事件提升了水體的古鹽度,使盆地水體呈“東咸西淡”的鹽度不均一格局,使溝鞭藻等大量生活于半咸水環(huán)境的藻類勃發(fā),進(jìn)而促進(jìn)了古湖盆的生產(chǎn)力,提供了更多的有機(jī)質(zhì)來源；同時(shí)，長期穩(wěn)定的鹽度分層為有機(jī)質(zhì)的保存提供了良好條件。

3)松遼盆地青山口組黑色頁巖屬于受海侵影響的水體鹽度分層成因模式。長期繼承性發(fā)育的深水凹陷提供了黑色頁巖的可容空間;溫暖潮濕的氣候下，多支水系注入為湖盆帶來陸源碎屑物質(zhì)和有機(jī)質(zhì),是黑色頁巖形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。海水侵入帶來的營養(yǎng)元素促使藻類勃發(fā),大量有機(jī)質(zhì)與黏土礦物絡(luò)合物堆積到湖底,在鹽度分層、極度缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境中保存下來,形成了大面積分布的富有機(jī)質(zhì)頁巖。

圖10 松遼盆地白堊系與全球白堊紀(jì)大洋缺氧事件期次對(duì)比圖(據(jù)文獻(xiàn)[30]修改)Fig.10 Comparison of Oceanic Anoxic Events between Songliao Basin and Global ocean

4)白堊紀(jì)缺氧事件在全球范圍形成了穩(wěn)定的烴源巖,其產(chǎn)生的可采油氣儲(chǔ)量占總油氣資源量的29%。缺氧事件的典型標(biāo)志是生物滅絕、碳同位素正向偏移和總有機(jī)碳含量的異常增大。青山口組頁巖碳同位素正偏現(xiàn)象在多井中普遍存在，且與Cenomanian-Turonian期大洋缺氧事件時(shí)間一致。由此可推斷，青山口組黑色頁巖是白堊紀(jì)全球缺氧事件在陸相湖盆的響應(yīng)。