徐家圍子斷陷沙河子組烴源巖形成古環(huán)境及主控因素

摘 要 【目的】明確沙河子組優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的主控因素，為松遼盆地深層天然氣勘探方向優(yōu)選提供地質(zhì)依據(jù)?！痉椒ā烤C合利用巖心、有機(jī)地球化學(xué)和元素地球化學(xué)等多種資料，系統(tǒng)研究沙河子組沉積環(huán)境和水體環(huán)境，明確了斷裂活動(dòng)、沉積相和古沉積環(huán)境對(duì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型的控制作用。【結(jié)果】沙河子組發(fā)育暗色泥巖和煤巖兩種類(lèi)型烴源巖，沙I段沉積期斷裂活動(dòng)強(qiáng)，水體相對(duì)局限、深度大，形成的“深水窄盆”鹽度高、還原性好，以半深湖相泥巖為主，沙II段時(shí)斷裂活動(dòng)弱，湖盆面積達(dá)到最大，形成的“淺水寬盆”鹽度低、還原性變差，烴源巖以濱淺湖相煤巖為主。【結(jié)論】斷裂活動(dòng)在下降盤(pán)為泥巖堆積提供可容納空間，控制了泥巖厚度；沉積環(huán)境影響有機(jī)質(zhì)輸入，決定了泥巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型和煤巖分布；由古鹽度、古水深和氧化還原組成的古沉積環(huán)境影響有機(jī)質(zhì)的富集和保存，是導(dǎo)致現(xiàn)今烴源巖質(zhì)量差異的主要原因。

關(guān)鍵詞 微量元素；古環(huán)境；烴源巖；控制因素；沙河子組

第一作者簡(jiǎn)介 孫立東，男，1981年出生，碩士，高級(jí)工程師，石油地質(zhì)學(xué)，E-mail： sunlidong@petrochina.com.cn

通信作者 周翔，男，博士，高級(jí)工程師，石油地質(zhì)學(xué)，E-mail： zhouxiang2206@petrochina.com.cn

中圖分類(lèi)號(hào) P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

優(yōu)質(zhì)烴源巖是油氣形成的基礎(chǔ)，其成因及分布預(yù)測(cè)更是影響油氣勘探?jīng)Q策的關(guān)鍵因素。通常，烴源巖的發(fā)育受構(gòu)造特征、沉積相和沉積環(huán)境等因素影響[1?3]，尤其是湖泊面積小、相變迅速的小型斷陷湖盆，環(huán)境變化對(duì)烴源巖的控制更為明顯。沉積巖中常、微量元素組成是沉積環(huán)境變遷在地層中留下的可追溯記錄，利用泥巖中元素含量及相關(guān)元素比值可恢復(fù)沉積時(shí)古沉積環(huán)境特征[4]。大量?jī)?yōu)質(zhì)烴源巖沉積古環(huán)境相關(guān)的研究表明，古鹽度、古生產(chǎn)力和氧化還原條件等沉積環(huán)境因素通過(guò)控制有機(jī)質(zhì)的富集和保存，直接決定了烴源巖的質(zhì)量[5?8]。徐家圍子斷陷是松遼盆地深層最主要的含氣斷陷，具有沉積環(huán)境復(fù)雜、烴源巖類(lèi)型多、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，不同類(lèi)型烴源巖的質(zhì)量及分布影響了該斷陷多類(lèi)型氣藏的富集。前人對(duì)徐家圍子斷陷的構(gòu)造特征、沉積相和儲(chǔ)層特征進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于沙河子組沉積特征及古沉積環(huán)境尚未進(jìn)行深入研究[9]。本次研究在沙河子組烴源巖特征和沉積環(huán)境、水體環(huán)境恢復(fù)的基礎(chǔ)上，討論斷裂、沉積相和古沉積環(huán)境對(duì)烴源巖形成的控制作用，以期為松遼盆地深層天然氣勘探方向優(yōu)選提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

徐家圍子斷陷構(gòu)造上位于松遼盆地深層?xùn)|南斷陷帶，西鄰中央古隆起、東接朝陽(yáng)溝階地，面積約5 350 km2，天然氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量近3 000×1012 m3，是盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)天然氣資源最多的深部斷陷[10]。徐家圍子斷陷具有“下斷上坳”的二元結(jié)構(gòu)，深層即斷陷期地層依次為火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組和泉頭組。沙河子組是盆地強(qiáng)烈斷陷期沉積的一套含煤湖相碎屑巖，也是盆地深層沙河子組致密氣、營(yíng)城組火山巖氣、登婁庫(kù)組構(gòu)造氣等多類(lèi)型氣藏的氣源巖，可分為下部沙I段、上部沙II段2個(gè)層段和4個(gè)亞段（圖1）。

2 沙河子組烴源巖形成的沉積環(huán)境與特征

2.1 沙河子組沉積相類(lèi)型及分布

沙河子組沉積期為松遼盆地?cái)嘞莺璋l(fā)育鼎盛期，研究區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲、扇三角洲、濱淺湖—半深湖和近岸水下扇等四種沉積相，斷陷西側(cè)以扇三角洲—濱淺湖、半深湖為主，局部見(jiàn)近岸水下扇；東側(cè)則為辮狀河三角洲，向前過(guò)渡為濱淺湖—半深湖相（圖2）。沙I下亞段為初始斷陷期，受古地貌影響沉積充填范圍較小，沿徐西斷裂下降盤(pán)發(fā)育多個(gè)小型扇三角洲朵葉體，徐中地區(qū)強(qiáng)烈下陷成半深湖，徐東斜坡發(fā)育辮狀河三角洲。沙I上亞段時(shí)斷陷西側(cè)扇三角洲進(jìn)一步擴(kuò)大，以扇三角洲前緣最發(fā)育，徐東斜坡仍為辮狀河三角洲，徐中地區(qū)湖盆范圍擴(kuò)大，發(fā)育濱淺湖、半深湖—深湖。沙II下亞段時(shí)東、西兩側(cè)發(fā)育三角洲平原迅速擴(kuò)大。沙II上亞段時(shí)斷裂活動(dòng)減弱、湖泊面積減少，僅在三角洲沉積間隙見(jiàn)濱淺湖相。

2.2 沙河子組烴源巖類(lèi)型與特征

巖心觀察表明，沙河子組烴源巖分為暗色泥巖和煤巖兩種類(lèi)型。暗色泥巖包括辮狀河（扇）三角洲前緣分流間灣灰色、灰綠色泥巖和半深湖相灰黑色泥巖三種類(lèi)型。煤巖分為辮狀河（扇）三角洲平原沼澤煤巖和濱淺湖煤巖兩種類(lèi)型，是分流河道兩側(cè)濕地泥炭沼澤化或湖泊大面積淤淺沼澤化形成的。不同類(lèi)型烴源巖特征差異明顯，暗色泥巖集中在下部沙I段，沙I下和沙I上亞段半深湖相泥巖TOC普遍大于2%，平均為4.06%和4.36%（表1），為好—很好烴源巖，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以II型為主，部分為III型（圖3），沙II上和沙II下亞段三角洲前緣分流間灣暗色泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較差，TOC平均為2.34%和1.94%，為中等—好烴源巖。煤巖主要在沙II段，沙II上和沙II下亞段濱淺湖相煤巖TOC平均為29.65%和48.86%，全部為III型有機(jī)質(zhì)，沙I下亞段三角洲平原沼澤煤巖厚度薄、分布零散，有機(jī)質(zhì)豐度也相對(duì)較低。

沙河子組熱演化程度高，沙I下亞段埋深最大，Ro和Tmax分別介于2.18%～3.91%和480 ℃～598 ℃，平均約2.40%和532 ℃，處于過(guò)成熟階段。沙I上亞段Ro 和Tmax 平均為2.28%和480 ℃，達(dá)到高—過(guò)成熟。沙II下亞段Ro和Tmax分別介于1.35%～3.40%和306 ℃～587 ℃，平均為2.17%和437 ℃，為高成熟階段。沙II上亞段Ro和Tmax平均為1.82 ℃和390 ℃，處于成熟階段。

3 沙河子組沉積期古環(huán)境特征

3.1 沙河子組沉積期古氣候條件

沉積巖中常、微量元素組成及相對(duì)含量記錄了水體環(huán)境的變化，可提供古氣候、古鹽度、古生產(chǎn)力、氧化還原條件等環(huán)境變遷的信息[11]。潮濕氣候條件下，沉積巖中Fe、Mn、Cr、V、Ni 和Co 等喜濕元素富集，氣候干燥、水分蒸發(fā)時(shí)喜干型元素Ca、Mg、K、Na、Sr和Ba析出，利用二者之比即氣候指數(shù)C和Sr/Cu比可反映沉積時(shí)古氣候。通常溫暖、潮濕氣候下0.610指示半潮濕—半干燥氣候，干燥氣候條件下Clt;0.2[12]。沙河子組不同層段泥巖的氣候指數(shù)C和Sr/Cu變化較小，沙I段氣候指數(shù)C介于0.05～1.02，平均為0.29，Sr/Cu介于5.36～24.88，平均為14.82，指示其為半潮濕—半干旱氣候（圖4）。沙II 段氣候指數(shù)C 和Sr/Cu 分別介于0.02～0.64和5.48～30.72，平均為0.24和18.02，與沙I段相似，表明沙河子組時(shí)氣候穩(wěn)定，為半潮濕—半干旱氣候（圖5a）。

3.2 沙河子組沉積期古鹽度特征

古鹽度通過(guò)影響生物種類(lèi)、繁盛程度控制有機(jī)質(zhì)富集，沉積物中Sr含量、Sr/Ba和Mg/Ca與古鹽度正相關(guān)，是水體鹽度的指示[13]。通常Mg/Ca≤0.25時(shí)為微咸水，0.25下部沙I段Sr/Ba和Mg/Ca相對(duì)較大，介于0.04～0.66和0.56～4.74，平均為0.42和1.16，為咸水—鹽湖環(huán)境（圖5b），沙II 段沉積時(shí)鹽度降低，Sr/Ba 介于0.02～0.46，平均為0.16，Mg/Ca 介于0.08～2.19，平均0.25，為半咸水—咸水環(huán)境。不同層段Sr含量也具有類(lèi)似特征，沙I段Sr含量較高，從329 μg/g到594 μg/g均有分布，為咸水—鹽湖，而沙II段沉積時(shí)Sr含量減小，為半咸水—咸水環(huán)境（圖5c）。

3.3 沙河子組沉積期氧化還原條件

貧氧強(qiáng)還原的深水環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)保存，是形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的必要條件。富氧的環(huán)境中V/（V+Ni）≤0.45、V/Cr≥4.25，厭氧的強(qiáng)還原環(huán)境中V/（V+Ni）≥0.60、V/Cr≤2.0，0.45

3.4 沙河子組沉積期古水深特征

不同水體深度下元素的富集呈規(guī)律性變化，F(xiàn)e、K、Al易與黏土礦物結(jié)合在濱岸帶富集，而Mn、Ca和Mg則吸附于黏土礦物中，經(jīng)長(zhǎng)距離搬運(yùn)到湖盆中部沉淀，因此隨水體加深Fe/Mn、（Al+Fe）（/ Ca+Mg）迅速減小。通常3050為淺湖[16]。沙I段Fe/Mn和（Al+Fe）（/ Ca+Mg）分別介于18.74～78.51和1.37～7.31，平均為33.18和5.63，以半深湖—深湖為主；上部沙II 段Fe/Mn 和（Al+Fe）/（Ca+Mg）明顯偏高，分別介于32.39～292.62和3.92～19.82，平均為74.72和7.83，表明沙II段水體變淺（圖5g），隨水深減小，V/Cr增大、還原性減弱（圖5h）。

4 沙河子組烴源巖形成控制因素

4.1 斷裂活動(dòng)形成可容納空間，控制了泥巖的厚度

湖相烴源巖中有機(jī)質(zhì)富集受多種因素控制，其中構(gòu)造活動(dòng)從宏觀上形成可容納空間并決定沉積體發(fā)育，進(jìn)而影響斷陷湖盆烴源巖的形成[17]。沙河子組沉積期徐西、徐中和徐東斷裂活動(dòng)在下降盤(pán)形成巨大可容納空間，是暗色泥巖堆積的主要場(chǎng)所。尤其是沙I下亞段時(shí)，徐西斷裂活動(dòng)強(qiáng)度最大，此時(shí)湖盆面積較小，徐家圍子斷陷迅速下陷，在徐西斷裂下降盤(pán)處形成深凹區(qū)，堆積巨厚的非補(bǔ)償性沉積的暗色泥巖（圖6），最大厚度達(dá)120 m。沙I上亞段時(shí)徐西、徐中斷裂仍保持較高的活動(dòng)強(qiáng)度，沿徐西、徐中斷裂下降盤(pán)形成Da2井、S3井、Xu28井、Xu904井等串珠狀分布的深凹區(qū)，堆積巨厚的濱淺湖、半深湖相泥巖。

沙II下亞段，徐西斷裂活動(dòng)性減弱，對(duì)暗色泥巖的控制也隨之減弱，徐中地區(qū)暗色泥巖最大厚度僅為80 m（圖7）。沙II上亞段時(shí)隨徐西、徐中斷裂活動(dòng)進(jìn)一步減弱，水體持續(xù)變淺，暗色泥巖厚度進(jìn)一步減小，同時(shí)沙河子沉積末期徐東斷裂開(kāi)始活動(dòng)，造成沙河子地層抬升，造成斷陷西部和南部沙II上和沙II下亞段大范圍抬升剝蝕，僅在Da2、Xu28、Xu401等局部深凹?xì)埩羯矷I段泥巖。

總體上，徐西、徐中斷裂活動(dòng)控制了沙I段暗色泥巖的分布，由斷裂活動(dòng)形成的安達(dá)凹陷、徐中凹陷等局部深凹是泥巖富集有利區(qū)，遠(yuǎn)離斷裂的徐東地區(qū)泥巖不發(fā)育；沙II段時(shí)隨徐西、徐東斷裂活動(dòng)降低、對(duì)泥巖控制減弱，泥巖厚度明顯減小；沙河子沉積期末徐東斷裂活動(dòng)造成地層抬升、沙II段大范圍剝蝕，泥巖局限在北部安達(dá)凹陷和徐中凹陷。

4.2 沉積相影響有機(jī)質(zhì)輸入，決定了烴源巖類(lèi)型

陸相斷陷湖盆面積小、沉積相變快，不同沉積環(huán)境中機(jī)質(zhì)輸入存在差異，決定了烴源巖類(lèi)型，是影響烴源巖發(fā)育的重要因素。沙I下亞段扇三角洲前緣分流間灣泥巖CPI 和OEP 分別介于0.62～1.03 和0.76～1.16，奇偶優(yōu)勢(shì)不明顯，C21+22/C28+29 介于0.85～6.42，ΣC21-/ΣC21+ 介于0.45～1.34，是以nC21為主峰的前峰型（圖8a），母質(zhì)為低等水生生物和陸源高等植物的混合型母質(zhì)。沙I上亞段辮狀河三角洲前緣分流間灣泥巖也有類(lèi)似特征，CPI和OEP平均為0.73和0.85，C21+22/C28+29 介于0.86～5.82，Σ C21-/Σ C21+ 介于0.49～1.26，是以nC21、nC23為主峰的前峰型（圖8b），反映低等水生生物是烴源巖母質(zhì)的重要來(lái)源，同時(shí)有部分陸源高等植物混入。沙I 上亞段濱淺湖泥巖C21+22/C28+29 介于1.24～23.66，ΣC21-/ΣC21+ 介于0.69～2.12，正構(gòu)烷烴是以nC19為主峰的前峰型（圖8c），母質(zhì)以水生生物為主，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以II型為主，含少量I型。沙II上亞段半深湖相泥巖正構(gòu)烷烴是以nC19為主峰的前峰型（圖8d），C21+22/C28+29 介于1.29～24.05，ΣC21-/ΣC21+ 介于0.89～2.29，表明母質(zhì)以水生生物為主，同時(shí)含部分陸源高等植物，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以II型為主，含少量I型。

沙II段煤巖正構(gòu)烷烴是以nC27為主峰的后峰型，指示其為III型干酪根（圖8e，f）。煤巖發(fā)育受沉積環(huán)境控制明顯，斷裂活動(dòng)對(duì)其影響較小。沙I段時(shí)湖盆范圍小，斷陷邊部碎屑物質(zhì)在兩側(cè)三角洲平原堆積，促進(jìn)植物生長(zhǎng)、沼澤化，在巨厚的砂礫巖中形成夾層型薄層煤巖，單層厚度小于2 m、分布范圍窄（圖9）。沙II沉積時(shí)，湖盆范圍大、水體淺，早期沉積淤淺，植物大量生長(zhǎng)并逐漸沼澤化，形成與暗色泥巖頻繁互層的濱淺湖相煤巖，厚3～5 m，最大達(dá)60 m，也是沙河子組煤巖發(fā)育的主要時(shí)期。

4.3 古沉積環(huán)境條件差異對(duì)烴源巖質(zhì)量的控制作用

優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成是古氣候、古鹽度、古生產(chǎn)力等有機(jī)質(zhì)輸入和氧化—還原條件、沉積—沉降速率等保存條件綜合作用的結(jié)果[18]。沙河子組沉積時(shí)為半潮濕—半干旱環(huán)境、氣候波動(dòng)較小，各層段間氣候指數(shù)C和Sr/Cu與TOC相關(guān)性較差（圖10a），暗示沙河子組沉積時(shí)氣候波動(dòng)較小、對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響有限。

Sr含量和Mg/Ca等古鹽度參數(shù)與TOC正相關(guān)（圖10b），表明古鹽度有利于有機(jī)質(zhì)富集。較高的鹽度促進(jìn)Ba、P等營(yíng)養(yǎng)元素的輸入，其中P作為藻類(lèi)繁盛必須的限制性元素，是引發(fā)低等水生生物勃發(fā)、形成較高的古生產(chǎn)力的必要條件[19]。沙I段泥巖母質(zhì)中藻類(lèi)等低等水生生物含量較高，較高古生產(chǎn)力指標(biāo)P/Al也與TOC正相關(guān)（圖10c），而沙II段煤巖母質(zhì)為陸源高等植物，TOC與P/Al關(guān)系不明顯。同時(shí)，較高的鹽度造成水體中鹽度分層、限制水體對(duì)流，形成有利于沙I段有機(jī)質(zhì)保存的強(qiáng)還原環(huán)境。

沙I段時(shí)強(qiáng)烈的斷裂活動(dòng)形成的半深湖—深湖既是烴源巖堆積的有利場(chǎng)所，同時(shí)深水、咸水條件下形成的強(qiáng)還原環(huán)境也是有機(jī)質(zhì)保存的有利條件[20]。TOC與Fe/Mn、（Al+Fe）/（Ca+Mg）等古水深指標(biāo)關(guān)系表明，由下部沙I段到上部沙II段，隨水體變淺、鹽度降低、還原性減弱，沙II 段煤巖TOC 也迅速降低（圖10d）。V/Cr和Pr/Ph等氧化還原指標(biāo)也具有類(lèi)似的變化特征，進(jìn)一步證實(shí)沙河子組下部沙I段沉積時(shí)強(qiáng)烈斷陷形成的“深水窄盆”鹽度高、還原性強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)保存條件好（圖10e，f），上部沙II段斷裂活動(dòng)弱，形成的“淺水廣盆”鹽度低、還原性較差，泥巖中有機(jī)質(zhì)部分氧化、質(zhì)量變差，而以濱淺湖相煤巖為主。由古鹽度、古水深和氧化還原組成的古環(huán)境差異影響有機(jī)質(zhì)富集和保存，是導(dǎo)致下部沙I段泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，而上部沙II段泥巖有機(jī)質(zhì)豐度變差、煤巖發(fā)育的主要原因。

5 結(jié)論

（1） 沙河子組暗色泥巖集中在下部沙I段，有機(jī)質(zhì)豐度高，以II型干酪根為主，普遍達(dá)到過(guò)成熟階段；煤巖主要分布在上部沙II段，為III型干酪根，處于成熟—過(guò)成熟階段。

（2） 沙I段沉積期斷裂活動(dòng)強(qiáng)，形成的“深水窄盆”水體深、鹽度高、還原性好，有利于半深湖相泥巖有機(jī)質(zhì)的富集和保存；沙II段沉積期斷裂活動(dòng)弱，形成“淺水廣盆”水體淺、鹽度低、還原性較差，不利泥巖發(fā)育，而以湖泊大面積淤淺沼澤化形成的煤巖為主。

（3） 斷裂下降盤(pán)可容納空間大，是泥巖堆積的主要場(chǎng)所，控制了烴源巖厚度；沙I段時(shí)深水的高鹽、強(qiáng)還原環(huán)境有利于泥巖中有機(jī)質(zhì)富集，沙II段時(shí)水體變淺、鹽度和還原性降低，泥巖質(zhì)量隨之變差，而以煤巖為主。

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