渤海灣盆地滄東凹陷沙河街組烴源巖特征及沉積環(huán)境

趙少澤 ，李勇 ，程樂利 ，牟連剛 ，吳雪松 ，楊朋 ，邵崇建 ，袁雪花

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)學(xué)博士后科研流動(dòng)站，四川 成都 610059；3.長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北 荊州 434023；4.中國石油大港油田分公司，天津 300280；5.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

0 引言

渤海灣盆地滄東凹陷具有常規(guī)油氣、頁巖油及低熟油勘探潛力，油源主要為石炭系—二疊系、孔店組二段（孔二段）、沙河街組三段（沙三段）等地層中的烴源巖層［1-4］?？锥螣N源巖是研究區(qū)的主力烴源巖層，具有分布面積大、有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)類型好、處于中等熱演化階段、富含脆性礦物的特點(diǎn)，湖盆性質(zhì)、氣候、生產(chǎn)力和保存條件共同控制了該套烴源巖的發(fā)育，該套烴源巖在近年成功實(shí)現(xiàn)了頁巖油的開發(fā)［1，3-5］。石炭系—二疊系烴源巖以煤系地層為主，具有良好的生油氣能力［6-7］。沙三段埋深較淺，其烴源巖成熟度相對較低，前人已在沙河街組儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了來自沙三段烴源巖的原油［8-9］，這說明沙三段烴源巖雖然成熟度相對較低，但仍具有生成和排出低熟油的能力。目前，對滄東凹陷沙三段烴源巖特征及沉積環(huán)境的研究相對較少，制約了下步勘探方向優(yōu)選。

基于此，筆者利用薄片、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）、巖石熱解、干酪根鏡鑒、鏡質(zhì)組反射率（Ro）、微量元素等資料，分析滄東凹陷沙三段烴源巖巖性特征、有機(jī)地化特征和烴源巖的沉積環(huán)境，討論烴源巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制及沉積環(huán)境對未熟—低熟烴源巖生烴的控制作用，為沙河街組油氣勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，是黃驊坳陷次級(jí)構(gòu)造單元之一，其東西兩側(cè)分別被徐黑凸起和滄縣隆起包圍，北部為孔店凸起，南部與東光凸起構(gòu)造帶相接，是一個(gè)NE—SW向展布的狹長條帶狀斷陷盆地。滄東斷層和徐西斷層為滄東凹陷西部和東部邊緣的控盆斷層，舍女寺鼻狀構(gòu)造帶位于滄東斷層南段的下降盤，是一水下高地，孔店構(gòu)造帶是滄東凹陷內(nèi)最明顯的隆起帶，呈NNE向沿凹陷的軸向延伸，孔店構(gòu)造帶的東西兩側(cè)分別為常莊和滄東次凹，南側(cè)為南皮次凹，南皮次凹還包括小集斷裂構(gòu)造帶和烏馬營斷裂構(gòu)造帶等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)造單元［10］。

沙三期強(qiáng)烈的斷層活動(dòng)導(dǎo)致滄東凹陷在該時(shí)期擁有較大的可容納空間［11-12］，為形成細(xì)粒沉積巖提供了有利條件。沙三段細(xì)粒沉積巖主要分布在滄東斷層北段和徐西斷層北段的下降盤，即滄東次凹、南皮次凹和常莊次凹周緣。

2 烴源巖特征

2.1 巖性特征

根據(jù)姜在興等［13］的細(xì)粒沉積巖分類方案，沙三段烴源巖巖性主要為灰質(zhì)黏土巖、含灰黏土巖（見圖1）。其中，灰質(zhì)黏土巖、含灰黏土巖的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)一般介于60%～80%，方解石、白云石等碳酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)相對較大，最大體積分?jǐn)?shù)約為40%，主要為泥、粉晶結(jié)構(gòu)，黏土礦物與碳酸鹽礦物混雜分布。此外，還含有體積分?jǐn)?shù)不超過10%的粉砂碎屑顆粒、炭屑（見圖1a，1b，1c），由于碳酸鹽礦物具有良好的脆性，使得沙三段烴源巖具有較高的脆性，因此，烴源巖薄片中常見微裂縫分布（見圖1b）。該套烴源巖較高的方解石、白云石等碳酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)指示了湖泊水體鹽度可能相對較高。

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

利用TOC、巖石熱解、干酪根鏡鑒、Ro等數(shù)據(jù)，根據(jù)SY/T 5735—1995中的陸相烴源巖地球化學(xué)評(píng)價(jià)方法［14］以及最高熱解峰溫-氫指數(shù)（Tmax-IH）交會(huì)圖版，分析沙三段烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度特征。

2.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

沙三段的TOC介于0.26%～10.85%，均值1.99%，介于1.0%～4.0%的樣品個(gè)數(shù)占比超過80%（見圖2a）（總樣本個(gè)數(shù)為405），反映有機(jī)質(zhì)豐度主要為好—最好。巖石熱解生烴潛量（S1+S2）介于 0.04～53.33 mg/g，平均值7.1 mg/g，大于1.00 mg/g的樣品占比約為55%（見圖2b）（總樣本個(gè)數(shù)為85），反映有機(jī)質(zhì)豐度主要介于差—最好，有機(jī)質(zhì)豐度差異較大。氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004%～17.160%，平均值為0.257%，大于0.050%的樣品個(gè)數(shù)占比超過70%（見圖2c）（總樣品個(gè)數(shù)為541），即中等—最好的樣品超過70%?？偀N（HC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 45×10-6～4 447 ×10-6，平均值為 731×10-6，樣品主要在 200×10-6～1 000×10-6（見圖 2d）（總樣品個(gè)數(shù)為59），同樣反映樣品有機(jī)質(zhì)豐度主要為中等—最好。分析表明，沙三段烴源巖有較高有機(jī)質(zhì)豐度。

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

沙三段氫指數(shù)（IH）在 5～1 047 mg/g，根據(jù)陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的分類標(biāo)準(zhǔn)，78個(gè)樣品中有8個(gè)樣品為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，20個(gè)樣品為Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，19個(gè)樣品為Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)，31個(gè)樣品為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，占比分別為10.3%，25.6%，24.4%，39.7%。沙三段烴源巖類型指數(shù)為-77.8～93.7，40個(gè)樣品中有12個(gè)樣品為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，15個(gè)樣品為Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，8個(gè)樣品為Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)，5個(gè)樣品為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，占比分別為30%，37.5%，20%，12.5%。綜上，沙三段烴源巖主要為Ⅰ型與Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，也有少量Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。據(jù)沙三段烴源巖的最高熱解峰溫（Tmax）與 IH交會(huì)圖版（見圖 3a）可以看出，沙三段烴源巖Ⅰ型與Ⅲ型干酪根均有分布，以Ⅰ型與Ⅱ2型為主。有機(jī)質(zhì)類型分析表明，沙三段烴源巖生烴母質(zhì)除了低等水生生物及藻類外，也包括陸源高等植物。這是因?yàn)樯橙跀鄬訌?qiáng)烈活動(dòng)［11-12］，導(dǎo)致物源區(qū)與沉積區(qū)地貌高差較大，造成物源區(qū)剝蝕作用強(qiáng)烈、沉積區(qū)陸源物質(zhì)輸入強(qiáng)烈，湖盆因此可能輸入了大量的陸生高等植物。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

沙三段烴源巖的Tmax一般為420～440℃，表明該套烴源巖處于未熟—低熟階段（見圖3a）。根據(jù)沙三段Ro與埋深關(guān)系（見圖3b），可以看出，沙三段烴源巖埋藏深度一般小于3 000 m，Ro值一般為0.3%～0.7%，Ro大于0.5%的樣品占比約40%，極少有樣品大于0.7%，沙三段烴源巖處于未熟—低熟階段。

3 沉積環(huán)境

利用地球化學(xué)數(shù)據(jù)來判斷滄東凹陷沙三段烴源巖沉積水體的鹽度及氧化還原條件。

3.1 古鹽度

采用V，Ga質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Sr，Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值來判斷水體鹽度。V質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于86 μg/g時(shí)指示為咸水環(huán)境，高于 110 μg/g 時(shí)指示為淡水環(huán)境，介于 86～110 μg/g時(shí)則指示為半咸水環(huán)境；Ga質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于15 μg/g時(shí)指示為咸水環(huán)境，高于18 μg/g時(shí)指示為淡水環(huán)境，介于 15～18 μg/g 指示為半咸水環(huán)境［15］。Sr/Ba 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值大于1.0為咸水環(huán)境，小于0.5指示淡水環(huán)境，介于 0.5～1.0 則指示半咸水環(huán)境［16］。

沙三段18個(gè)烴源巖樣品的微量元素測試結(jié)果表明 （見表 1）：V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 51.98～97.71 μg/g，平均為65.85 μg/g，僅有1個(gè)樣品指示半咸水環(huán)境，其余皆指示咸水環(huán)境。Ga質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12.88～23.05 μg/g，平均為15.80 μg/g，有2個(gè)樣品指示為淡水環(huán)境，8個(gè)樣品指示為咸水環(huán)境，8個(gè)樣品指示為半咸水環(huán)境。Sr/Ba值為1.07～2.86，平均為1.88，所有樣品均指示為咸水環(huán)境。綜合判斷，滄東凹陷沙三期為半咸水—咸水環(huán)境。

表1 滄東凹陷沙三段烴源巖TOC及微量元素特征

湖泊咸化可能與炎熱干旱的氣候環(huán)境有關(guān)，湖泊水體不斷蒸發(fā)會(huì)出現(xiàn)湖泊水體鹽度變高。沙河街組古植被以闊葉、落葉、針葉混生為特征，反映了亞熱帶—暖溫帶的古氣候背景，同時(shí)，孢粉組合分析表明，滄東凹陷在沙三期為溫暖濕潤的氣候環(huán)境［17］，這明顯不利于高鹽度湖泊的形成。湖泊高鹽度還可能是額外的鹽類向湖泊注入導(dǎo)致的，近海湖泊與海洋有水道相通（或不時(shí)受到海侵的影響）就是此類代表［18］，渤海灣盆地在古近紀(jì)是一個(gè)濱海湖泊，其東側(cè)即為太平洋，何鏡宇等［19］、郝詒純等［20］根據(jù)礦物學(xué)等證據(jù)認(rèn)為，黃驊坳陷在沙三期發(fā)生過海侵，這些證據(jù)主要來源于黃驊坳陷北部的歧口凹陷，滄東凹陷位于黃驊坳陷南部，在沙三期，岐口凹陷與滄東凹陷是相通的，因此，沙三期研究區(qū)湖水咸化可能是海侵導(dǎo)致的。

3.2 氧化還原條件

采用微量元素指標(biāo)和生物標(biāo)志物指標(biāo)分析沙三段烴源巖沉積水體的氧化還原條件。V/（V+Ni）大于0.60指示厭氧沉積環(huán)境；V/（V+Ni）大于0.45小于0.60指示貧氧沉積環(huán)境；V/（V+Ni）小于等于0.45指示常氧或富氧沉積環(huán)境［21］。沙三段烴源巖的 V/（V+Ni）介于0.47～0.79，均值0.74，僅1個(gè)樣品指示貧氧環(huán)境，其余樣品指示厭氧環(huán)境（見表1）。姥鮫烷和植烷的比值（Pr/Ph）可以反映沉積水體的氧化還原狀態(tài)，Pr/Ph小于1.0指示缺氧環(huán)境，Pr/Ph大于1.0指示氧化環(huán)境［22］。滄9井沙三段烴源巖飽和烴色譜反映的Pr/Ph為0.72，表明沙三段烴源巖沉積在缺氧還原水體之中 （見圖4a）。由沙三段Pr/nC17和Ph/nC18交會(huì)圖也可以看出（見圖4b）［23］，沙三段烴源巖樣品整體沉積在還原環(huán)境之中。該圖也反映了沙三段的有機(jī)質(zhì)以藻類為主。

4 討論

4.1 烴源巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，淡水湖泊是形成優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖的有利環(huán)境［24］，隨著陸相烴源巖研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)陸相盆地的烴源巖大部分都是沉積在咸化湖盆環(huán)境中，學(xué)者提出咸化的湖泊環(huán)境是優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的有利環(huán)境［25-30］。

沙三段烴源巖Sr/Ba與TOC顯示出良好的正相關(guān)性，TOC隨著水體鹽度的增高而變大（見圖5）。這表明海侵導(dǎo)致的湖泊咸化是促進(jìn)有機(jī)質(zhì)富集的重要因素。

咸化的湖泊環(huán)境對烴源巖形成的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在提高湖泊生產(chǎn)力和有機(jī)質(zhì)保存條件變好2個(gè)方面?，F(xiàn)代高鹽度湖泊的生產(chǎn)力普遍高于淡水湖泊［31］，此外，如果是海侵導(dǎo)致的湖泊咸化，海侵還會(huì)為湖泊帶來大量的海洋有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)［32］（見圖6）。如渤海灣盆地東營凹陷的海水入侵帶來了豐富的顆石藻，甚至形成生烴能力極強(qiáng)的顆石藻頁巖［27］。咸化的湖泊環(huán)境還會(huì)造成湖泊水體分層（見圖6），使得湖泊底水缺氧，有利于有機(jī)質(zhì)保存［27-28］。沙三段烴源巖沉積于缺氧的水體環(huán)境中，可能與咸化水體導(dǎo)致的水體分層有關(guān)。同時(shí)，沙三段沉積期溫暖濕潤氣候［17］導(dǎo)致的風(fēng)化作用可能引起陸源營養(yǎng)物質(zhì)或有機(jī)質(zhì)向湖泊供給增加，為有機(jī)質(zhì)富集提供物質(zhì)來源（見圖6）。

4.2 沉積環(huán)境對未熟—低熟烴源巖生烴的控制作用

沙三段烴源巖富含可以早期生烴的物質(zhì)，包括礦物瀝青基質(zhì)和叢粒藻等藻類［33］，它們在未熟—低熟階段就可以大量生烴［34］。沉積環(huán)境對沙三段未熟—低熟烴源巖生烴也具有重要的促進(jìn)作用，主要包括2個(gè)方面：1）咸化湖盆條件下，泥頁巖中含硫有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較高，而C—S鍵能遠(yuǎn)低于C—C鍵能，咸化湖盆條件下造成的含硫有機(jī)質(zhì)富集也為泥頁巖在低溫條件下生烴提供了有利條件［35-39］；2）海侵導(dǎo)致的水體咸化使暗色泥巖富含碳酸鹽礦物，碳酸鹽礦物能夠降低生烴活化能，促進(jìn)低熟有機(jī)質(zhì)生烴［37］，因此，盡管沙三段烴源巖處在未熟—低熟階段，也能大量生烴。以上分析表明，咸化湖泊環(huán)境促進(jìn)了沙三段未熟—低熟烴源巖生烴。

5 結(jié)論

1）渤海灣盆地滄東凹陷沙三段烴源巖巖性主要為黏土巖和碳酸鹽型混合細(xì)粒沉積巖。沙三段的TOC為0.26%～10.85%，S1+S2為 0.04～53.33 mg/g，氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004%～17.160%，HC質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于45 ×10-6～4 447 ×10-6。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ與Ⅱ2型，含少量Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。Ro值一般為0.3%～0.7%，處于未熟—低熟階段。

2）V，Ga質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Sr/Ba比值反映研究區(qū)沙三期為半咸水—咸水的湖泊環(huán)境，海侵可能是湖水咸化的原因，微量元素指標(biāo)和生物標(biāo)志物指標(biāo)反映沙三段烴源巖沉積在缺氧還原環(huán)境之中。

3）研究區(qū)沙三期海侵導(dǎo)致的咸化水體環(huán)境可以提高湖泊生產(chǎn)力，并使得有機(jī)質(zhì)保存條件變好，進(jìn)而促進(jìn)烴源巖中有機(jī)質(zhì)的富集。咸化水體環(huán)境使得烴源巖中富含含硫有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽礦物，可以促進(jìn)未熟—低熟烴源巖早期生烴。