施 輝李宗星楊元元彭 博胡俊杰方欣欣張 浩魏小潔

1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;

3.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

0 引言

柴達(dá)木盆地是中國西部重要含油氣盆地之一,目前油氣勘探與開發(fā)主要集中在盆地西部古—新近系、北緣侏羅系和東部三湖地區(qū)第四系這3套含油氣系統(tǒng)(付鎖堂等, 2016)。近年來,柴達(dá)木盆地東部(簡稱柴東)石炭系取得了油氣資源調(diào)查的一系列進(jìn)展性認(rèn)識(shí) (馬寅生等, 2012; Li et al., 2014; 劉成林等, 2016;馬立成等,2020),部署的鉆井也獲得了重要的油氣發(fā)現(xiàn)(李宗星等, 2019; 彭博等, 2020),預(yù)示該層系的油氣資源前景較廣闊,有望成為盆地未來油氣勘探的接替領(lǐng)域。

柴東歐南凹陷石炭系的石油地質(zhì)條件優(yōu)越,成藏要素配置良好,是油氣運(yùn)聚成藏的有利次級(jí)構(gòu)造單元(劉成林等, 2021)。凹陷周緣地區(qū)廣泛發(fā)育石炭系野外露頭油苗,經(jīng)油源對比研究確定石油來源于石炭系烴源巖(劉成林等, 2012)。石炭系發(fā)育多套烴源巖層系,包括暗色泥/頁巖、煤和泥灰?guī)r3種巖性類型烴源巖(曹軍等, 2016; 李軍亮等, 2016)。有機(jī)地球化學(xué)測試結(jié)果顯示石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型(Ⅲ型)為主,處于成熟—高成熟演化階段,總體表現(xiàn)為“中等—好”評(píng)價(jià)級(jí)別的烴源巖,具有一定生烴潛力(李軍亮等, 2016);烴源巖抽提物的生物化合物指標(biāo)說明有機(jī)質(zhì)具有陸相和海相混合來源的特點(diǎn),堆積于海陸交匯的半深—深水和弱氧化—弱還原的沉積環(huán)境 (Wang et al., 2018)。

迄今,石炭系烴源巖類型、質(zhì)量評(píng)價(jià)、生烴潛力等方面雖然取得了較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),但在優(yōu)質(zhì)烴源巖形成及分布等研究上仍需深入探索。明確優(yōu)質(zhì)烴源巖形成機(jī)制并揭示其分布規(guī)律是低勘探程度區(qū)帶油氣勘探部署的關(guān)鍵依據(jù),認(rèn)清影響有機(jī)質(zhì)富集的地質(zhì)因素是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。文章針對以上柴東歐南凹陷石炭系油氣資源調(diào)查關(guān)注的科學(xué)問題和制約下一步油氣勘探部署的實(shí)際問題,利用有機(jī)地球化學(xué)、元素地球化學(xué)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)等測試方法,綜合分析了烴源巖礦物組分、有機(jī)質(zhì)豐度、干酪根類型、熱演化程度、形成環(huán)境、TOC與主要礦物關(guān)系等,確定了石炭系海相有機(jī)質(zhì)富集的控制因素,為探討石炭系優(yōu)質(zhì)烴源巖形成機(jī)制和預(yù)測高質(zhì)量烴源巖分布提供了新的切入點(diǎn)。

1 地質(zhì)概況

歐南凹陷位于柴達(dá)木盆地東部德令哈坳陷,呈北西—南東向展布,南、北方向分別以埃北和歐南斷裂為界(圖1),與德令哈、霍布遜凹陷和歐龍布魯克、埃姆尼克凸起等次級(jí)構(gòu)造單元共同組成了“三凹夾兩隆”構(gòu)造格局(圖2)。

圖1 柴達(dá)木盆地東部區(qū)域位置及構(gòu)造分區(qū)Fig.1 Location and tectonic division of the eastern Qaidam basin(a) Elevation map of the Qaidam basin; (b) Structural outline map of the eastern Qaidam basin

圖2 柴東地區(qū)南北向地質(zhì)剖面(AB位置見圖1b)Fig.2 Geological section striking NS in the eastern Qaidam basin (The location of AB is shown in Fig.1b)

石炭紀(jì)沉積時(shí)期,研究區(qū)位于約13.5°N的低緯度地區(qū)(Wang et al., 2016),處于古特提斯洋持續(xù)擴(kuò)張?bào)w制下向北傾斜的被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境(孫嬌鵬等, 2017),依次發(fā)育下石炭統(tǒng)城墻溝組(C1ch,對應(yīng)維憲階)和懷頭他拉組(C1h,對應(yīng)謝爾普霍夫階),以及上石炭統(tǒng)克魯克組(C2k,對應(yīng)巴什基爾階)與扎布薩尕秀組(C2zh,可與太原組對比,對應(yīng)晚石炭世卡西莫夫階—早二疊世早期阿瑟爾階)(青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1991)。歐南凹陷早石炭世C1h以(含生屑)泥晶灰?guī)r夾泥巖沉積為主,晚石炭世C2k則堆積灰?guī)r、砂巖和煤頻繁互層沉積物,晚期(C2zh)在海侵作用下過渡至碳酸鹽巖沉積環(huán)境,總體表現(xiàn)出碎屑巖-碳酸鹽巖混積的陸表海沉積層序(牛永斌等, 2010; 魏小潔等, 2018),組成較良好的生儲(chǔ)蓋組合(圖3)。

圖3 柴東地區(qū)歐南凹陷石炭系巖性剖面及生儲(chǔ)蓋組合(QDD1井)Fig.3 Carboniferous stratigraphic column and source-reservoir-cap assemblages of the Ounan depression, eastern Qaidam basin (Well QDD1)

2 烴源巖特征

此次研究中統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)來源于歐南凹陷及周邊地區(qū)柏樹溝、旺尕秀、石灰溝等野外露頭(23樣次)和CY2、QDC1、QDD1等關(guān)鍵鉆井(338樣次巖屑及巖芯,埋深主要分布于0~3500 m)的石炭系烴源巖樣品測試結(jié)果(總共361樣次)。

2.1 烴源巖巖性及組分

研究區(qū)石炭系31塊烴源巖樣品全巖XRD礦物組分測試結(jié)果顯示(表1,表2):烴源巖包括泥頁巖和灰?guī)r兩種類型巖性,泥頁巖類烴源巖組分以石英(16.4%~88.3%,均值46.8%)和黏土礦物(9.0%~83.6%,均值42.3%)為主,其次為碳酸鹽礦物(0~34.4%,均值7.0%),包括方解石(0~21.8%,均值5.2%)、白云石(0~18.2%,均值1.8%)和菱鐵礦(個(gè)別樣品含),含少量斜長石和黃鐵礦(圖4a)。黏土礦物中高嶺石組分約占全巖總質(zhì)量的16.5% (0~54.4%)、伊/蒙混層含量為14.7%(0~32.8%)、伊利石組分約7.9%(0~18.4%)、綠泥石約為3.3%(0~26.0%)(圖4b)。

碳酸鹽巖類烴源巖主要為石灰?guī)r,方解石含量約占巖石總重量的72.9% (21.3%~99.0%),其次為石英(12.7%)、黏土礦物(8.9%)、白云石(4.2%)和極少量的鉀長石、斜長石、黃鐵礦或菱鐵礦(表1,圖4a)。碳酸鹽巖的黏土礦物組分與泥頁巖有所區(qū)別,伊利石(2.6%)和伊/蒙混層(2.5%)的含量相對較高,其次為高嶺石(1.9%)、綠泥石(0.9%),見表2、圖4b。值得注意的是,不論泥頁巖還是碳酸鹽巖烴源巖樣品均含有相對較豐富的石英礦物組分(表1)。

圖4 石炭系烴源巖礦物組分Fig.4 Compositions of the Carboniferous source rocks(a) Contents of whole rock minerals by XRD analysis; (b) Relative contents of clay-minerals

表1 歐南凹陷及周邊野外露頭和重點(diǎn)鉆井石炭系烴源巖樣品礦物組分Table 1 Whole rock mineral compositions of the Carboniferous source rocks by XRD analysis, Ounan depression

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

柴東歐南凹陷及周邊地區(qū)關(guān)鍵露頭和鉆孔的有機(jī)地球化學(xué)測試結(jié)果表明:石炭系烴源巖總有機(jī)碳(TOC)值分布于0.09%~90.2%之間(N=361樣次,包括表2和部分煤巖樣品),峰值約在0.2%~1.0%(圖5);石炭系烴源巖中氯仿瀝青“A”含量約為0.0015%~0.2% (均值0.022%,N=99樣次,以鉆孔樣品為主),生烴潛量(S1+S2)分布于0.02~10.82 mg/g之間 (均值0.48 mg/g),見圖6。

圖5 石炭系烴源巖TOC分布直方圖Fig.5 Histogram of TOC for the Carboniferous source rocks

圖6 石炭系烴源巖氯仿瀝青“A”及生烴潛量Fig.6 Plot of chloroform bitumen “A” and “S1+S2” for the Carboniferous source rocks

表2 歐南凹陷及周邊石炭系烴源巖樣品有機(jī)地化特征和黏土礦物組分Table 2 Organic geochemistry characteristics and clay mineral compositions of the Carboniferous source rock samples, Ounan depression

根據(jù)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)的評(píng)價(jià)(國家能源局, 2020),不論從TOC指標(biāo)和氯仿瀝青“A”、生烴潛量等指標(biāo)來看,研究區(qū)石炭系主要發(fā)育“差—中等”級(jí)別烴源巖,少量“好”級(jí)別以上烴源巖,總體而言石炭系烴源巖具有一定生烴潛力。

2.3 有機(jī)質(zhì)類型及成熟度

2.3.1 干酪根類型

顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)石炭系烴源巖樣品中常見無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體,呈破碎顆粒狀、塊狀 (圖7a、7b)、或條帶狀沿頁巖層理面分布(圖7c、7d),鏡質(zhì)體孔隙或裂縫中充填有固態(tài)原瀝青或運(yùn)移瀝青(圖7c);樣品中也觀察到少量絲質(zhì)體或半絲質(zhì)體惰質(zhì)組分(圖7a、7b)。鏡檢結(jié)果顯示研究區(qū)石炭系烴源巖中含大量鏡質(zhì)體,少量惰質(zhì)體和微量腐泥干酪根組分,判定其主要?dú)埩舾承?Ⅲ型)干酪根。

圖7 石炭系烴源巖干酪根鏡下照片F(xiàn)ig.7 Photomicrographs of the Carboniferous kerogens

巖石熱解測試結(jié)果顯示(N=60樣次):石炭系烴源巖樣品的最高熱解峰溫(Tmax)普遍高于450 ℃,說明大部分巖石樣品中的分散有機(jī)質(zhì)處于較高熱演化程度 (Tissot and Welte, 1984),通過Tmax-HI(氫指數(shù))圖版對此類樣品有機(jī)質(zhì)類型的判別失效,少量低Tmax(<450 ℃)烴源巖樣品中有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型(圖8a);OI(氧指數(shù))-HI圖版(圖8b)與O/C(氧/碳原子比)-H/C(氫/碳原子比)范氏圖(圖8c)的判識(shí)結(jié)果也顯示石炭系烴源巖主要發(fā)育Ⅲ型為主的干酪根。

石炭系烴源巖可溶有機(jī)質(zhì)氯仿瀝青“A”族組分(N=99樣次)中飽和烴/芳香烴比值分布于0.44~6.29(均值2.31),而非烴與瀝青質(zhì)組分含量總和約5.35%~65.32%(均值41.13%),根據(jù)烴源巖可溶有機(jī)質(zhì)特征劃分有機(jī)質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)(國家能源局, 2020),表明烴源巖樣品中可溶有機(jī)質(zhì)(氯仿瀝青“A”)的生烴母質(zhì)類型主要為Ⅱ型和少Ⅲ型或Ⅰ型干酪根(圖8d)。

圖8 石炭系烴源巖干酪根類型圖解Fig.8 Plots of kerogen types for the Carboniferous source rocks(a) Plot of Tmax vs. hydrogen index (HI); (b) Plot of oxygen index (OI) vs.hydrogen index (HI); (c) Plot of O/C vs.H/C; (d) Plot of saturated/aromatic component ratios vs.contents of resin and bitumen

以上分析說明:研究區(qū)石炭系烴源巖主要?dú)埩絷懴喔叩戎参锷餅橹黧w的腐殖型(Ⅲ型)干酪根,而烴源巖的抽提可溶有機(jī)質(zhì)卻具有低等水生生物(Ⅱ型和少量Ⅰ型,腐泥型)為生烴母質(zhì)的特征。

2.3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

研究區(qū)石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)整體處于成熟—高成熟熱演化階段。石炭系鉆井巖心和野外露頭烴源巖樣品有機(jī)質(zhì)的鏡質(zhì)體反射率(RO)主要分布于1.08%~2.57%(N=16樣次;圖9),均值為1.58%,表明石炭系烴源巖熱演化程度較高(王利等, 2019),處于高成熟輕質(zhì)油-凝析油-濕氣生烴階段,這與CY2井C2k組所產(chǎn)濕氣和少量凝析油的壓裂試油結(jié)果相一致(李宗星等, 2019)。

圖9 石炭系烴源巖埋深-RO剖面(QDD1井RO數(shù)據(jù)來源于劉奎等(2020))Fig.9 Plot of kerogen RO vs. burial depth for the Carboniferous source rocks (RO data of Well QDD1 is from Liu et al., 2020)

歐南凹陷石炭系烴源巖的干酪根兼具低等水生生物與高等植物的混合生物有機(jī)質(zhì)來源,有機(jī)質(zhì)的熱演化已經(jīng)進(jìn)入高—過成熟階段,說明傾油型低等水生生物為主的腐泥型干酪根已經(jīng)歷了生油窗(RO=0.5%~1.2%;Tissot and Welte, 1984),液態(tài)烴的大規(guī)模生成與排出過程也解釋了凹陷周緣出現(xiàn)豐富油(瀝青)砂出露的現(xiàn)象(馬寅生等, 2012)。傾氣型的腐殖型干酪根已經(jīng)進(jìn)入生氣高峰(RO平均值>1.5%),較高熱演化背景及氣侵作用是導(dǎo)致石炭系烴源巖中氯仿瀝青“A”含量和生烴潛量總體偏低的重要原因。

3 烴源巖沉積環(huán)境

Wang et al. (2018) 根據(jù)CY2井C2k烴源巖有機(jī)質(zhì)的Ph/nC18、Pr/nC17、Pr/Ph和C29/C27等生物標(biāo)志化合物特征認(rèn)為有機(jī)質(zhì)形成于海-陸交互陸棚沉積環(huán)境,由陸源和海源生物有機(jī)質(zhì)所組成。此次研究主要利用歐南凹陷及周邊地區(qū)石炭系烴源巖樣品元素地球化學(xué)測試結(jié)果(N=31樣次),綜合判定研究區(qū)烴源巖主要形成于半咸—咸水、干熱、弱還原—弱氧化過渡帶的海陸交互陸棚沉積環(huán)境,與CY2鉆井烴源巖樣品有機(jī)地化指標(biāo)所判定的結(jié)果基本一致。

3.1 古鹽度

Sr/Ba比值是區(qū)別陸相和海相沉積的常用參數(shù),Sr和Ba元素的化學(xué)性質(zhì)相似,與海水混合后易與海水中豐富的離子反應(yīng)生成SrSO4和BaSO4,但BaSO4的溶解度相對較低。一般而言,Sr/Ba值小于0.6反映淡水沉積,0.6~1.0之間代表半咸水相,海相沉積物該比值大于1.0(Wei and Algeo, 2020)。另外,B/Ga比值亦是指示古鹽度的輔助指標(biāo),沉積水體鹽度隨B/Ga增大而升高(Remírez and Algeo, 2020)。

研究區(qū)石炭系烴源巖樣品Sr/Ba值分布于0.31~52.76(均值7.79),B/Ga值約為0.01~3.18(均值0.53),說明沉積古水體鹽度整體為咸(海)水,僅C2k組部分樣品反映半咸水水體環(huán)境(圖10),石炭紀(jì)沉積古水體鹽度整體處于半咸—咸水狀態(tài)。

圖10 石炭系烴源巖沉積水體鹽度環(huán)境Fig.10 Depositional aqueous salinity for the Carboniferous source rocks

3.2 古氣候

潮濕氣候條件下Fe元素容易以Fe(OH)3沉淀在沉積中,而Mn元素的富集與暖干氣候有關(guān),Fe/Mn比值反映了濕度變化 (Song et al., 2019);Sr/Cu比值變化與溫度關(guān)系密切,該值大于10指示炎熱環(huán)境,而比值范圍1~10之間則代表了相對溫暖的沉積環(huán)境 (Fu et al., 2015)。

石炭系烴源巖Fe/Mn值約為6.36~475.84(均值112.14),Sr/Cu值在1.68~82.02之間變化(均值23.47),見圖11;基于以上判定原則,盡管研究區(qū)石炭紀(jì)氣候變化較頻繁,但整體仍表現(xiàn)為“干熱”的沉積環(huán)境。

圖11 石炭系烴源巖沉積古氣候Fig.11 Depositional paleo-climate for the Carboniferous source rocks

3.3 氧化—還原條件

Fe存在兩種價(jià)態(tài),對氧化還原反應(yīng)較敏感;Fe2+/Fe3+?1為還原環(huán)境,Fe2+/Fe3+>1為弱還原環(huán)境,Fe2+/Fe3+<1為弱氧化環(huán)境,Fe2+/Fe3+?1為氧化環(huán)境(Robinson and Sahota, 2000)。古海洋水體呈分層特性,V/(V+Ni)比值在0.6~0.8范圍指示弱氧化—弱還原過渡狀態(tài),小于0.6為偏氧化條件,而大于0.8為深水還原相 (Hatch and Leventhal, 1992)。

石炭系烴源巖Fe2+/Fe3+值分布于0.16~19.06(均值為4.35),個(gè)別樣品Fe2+/Fe3+值高達(dá)300;V/(V+Ni)比值分布區(qū)間在0.40~0.92(均值0.71),見圖12,總體處于弱還原—弱氧化過渡帶內(nèi),與烴源巖有機(jī)質(zhì)生物標(biāo)志化合物所指示的海-陸交互陸棚沉積環(huán)境相一致。

圖12 石炭系烴源巖沉積氧化—還原狀態(tài)Fig.12 Depositional redox state for the Carboniferous source rocks

4 烴源巖有機(jī)質(zhì)富集

4.1 有機(jī)質(zhì)富集與礦物組分關(guān)系

4.1.1 石英礦物組分

研究區(qū)石炭系烴源巖礦物組分特征表現(xiàn)為相對富集石英礦物(平均含量為47.1%),根據(jù)總有機(jī)碳(TOC)與全巖XRD石英礦物含量的關(guān)系(圖13),高有機(jī)質(zhì)豐度(TOC>5%)烴源巖樣品總有機(jī)碳含量與石英礦物含量之間呈一定正相關(guān)關(guān)系,而低有機(jī)質(zhì)豐度(TOC<5%)與石英礦物并無明顯相關(guān)性,說明石炭系烴源巖發(fā)育兩套不同來源的生物有機(jī)質(zhì)。

圖13 石炭系烴源巖TOC與石英含量的關(guān)系Fig.13 Plot of TOC vs.quartz mineral for the Carboniferous source rocks

石炭系烴源巖主要?dú)埩絷懴喔叩戎参锷餅橹黧w的腐殖型(Ⅲ型)干酪根(圖7),而烴源巖的抽提可溶有機(jī)質(zhì)卻具有低等水生生物(Ⅱ型和少量Ⅰ型,腐泥型)為生烴母質(zhì)的特征(圖8),結(jié)合元素地球化學(xué)反映出明確的海陸交互陸沉積環(huán)境(圖12),推測石炭系烴源巖發(fā)育海相(Ⅱ型干酪根為主)和陸相(Ⅲ型干酪根為主)混源型生物有機(jī)質(zhì)。石炭系高豐度烴源巖TOC隨石英礦物組分增大而升高,該現(xiàn)象與揚(yáng)子地區(qū)古生界海相頁巖所呈現(xiàn)的TOC-石英含量關(guān)系相似(Liu et al., 2019; Khan et al., 2019),反映高豐度(TOC>5%)烴源巖主要富集海相生物有機(jī)質(zhì),且海相生物數(shù)量受到石英(SiO2)礦物的深刻影響,而低豐度(TOC<5%)烴源巖的沉積有機(jī)質(zhì)受陸相高等植物供給控制,與石英礦物含量大小無明顯相關(guān)性。

4.1.2 其他礦物組分

黏土和碳酸鹽礦物是石炭系烴源巖除石英以外最重要的礦物組分,平均含量分別占到44.7%和12.3%。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)與黏土(圖14)、碳酸鹽礦物(圖15)組分含量的分析結(jié)果顯示有機(jī)質(zhì)的賦存與黏土和碳酸鹽礦物之間無顯著關(guān)系,表明烴源巖中黏土和碳酸鹽礦物對生物有機(jī)質(zhì)富集的控制作用較弱。

圖14 石炭系烴源巖TOC與黏土礦物關(guān)系Fig.14 Plot of TOC vs.clay-mineral for the Carboniferous source rocks

圖15 石炭系烴源巖TOC與碳酸鹽礦物關(guān)系Fig.15 Plot of TOC vs.carbonate-mineral for the Carboniferous source rock

4.2 石英與有機(jī)質(zhì)賦存關(guān)系

微觀鏡下觀察發(fā)現(xiàn),石炭系泥質(zhì)烴源巖樣品除黏土礦物、有機(jī)質(zhì)(OM)和隱晶質(zhì)礦物外,還發(fā)育大量粒徑為1~100 μm的硅質(zhì)生屑顆粒,呈圓球狀或似球狀且順層狀定向分布(圖16a);單個(gè)硅質(zhì)生屑顆內(nèi)可見規(guī)則化生物腔體,腔體內(nèi)充填生物有機(jī)質(zhì)(圖16b)。

圖16 石炭系泥質(zhì)烴源巖鏡下照片F(xiàn)ig.16 Photomicrographs of the Carboniferous source rocks(a) Mudstone, C2zh, outcrop Baishugou; (b) Mudstone, C2k, Well QDC-1, 3580 m; (c) Mudstone, C2k, outcrop Shihuigou; (d) Mudstone, C2k, Well QDC-1, 3580 m Qtz-Quartz; OM-Organic matter; BSi-Biogenic sillica; Kln-Kaolinite; I/S-Illite/Smectite mixed clay

硅質(zhì)生屑是放射蟲、海綿、硅藻及硅鞭毛藻等海洋浮游硅質(zhì)生物殘骸所組成,又稱為生物硅(SiO2·nH2O),原始成分多為蛋白石,成巖過程中逐漸從蛋白石A(無定形)演化成蛋白石CT(無序形)、玉髓(隱晶)、燧石(微晶石英)等(臧家業(yè)等, 2020)。 據(jù)統(tǒng)計(jì) (Tréguer and De La Rocha, 2013),硅質(zhì)生物供給海洋約50%以上的初級(jí)生產(chǎn)力,在邊緣海-近岸地區(qū)該比例高達(dá)75%,是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要來源。

掃描電鏡(SEM)下顯示石炭系泥質(zhì)烴源巖中富含放射蟲微體化石(圖16c、16d),中心囊和格子殼(網(wǎng)格狀)內(nèi)常半充填有機(jī)質(zhì),說明有機(jī)質(zhì)賦存和富集應(yīng)該受到硅質(zhì)生物的影響。

4.3 硅質(zhì)成因

海相泥頁巖中硅質(zhì) (SiO2)一般具有陸源、熱液和生物共3種來源(Hesse, 1989),熱液沉積區(qū)沉積物Fe、Mn元素較富集,而反映陸源物質(zhì)的Al、Ti元素含量相對變小。純熱水來源硅質(zhì)沉積物Al/(Al+Fe+Mn)比值約為0.01,而純遠(yuǎn)洋生物硅沉積的相關(guān)元素比值增到0.60,基于此通過Al-Fe-Mn三角成因判別圖解是有效識(shí)別熱液成因硅質(zhì)和生物成因硅質(zhì)的有效方法 (Adachi et al., 1986)。文中挑選了全巖XRD石英礦物含量大于50%的石炭系硅質(zhì)烴源巖樣品(N=10樣次),利用Al-Fe-Mn三角成因判別圖解(圖17)發(fā)現(xiàn)這些硅質(zhì)泥/頁巖樣品中SiO2主要為生物成因,說明柴東地區(qū)歐南凹陷及其周緣地區(qū)石炭系海-陸交互陸棚相泥頁巖或碳酸鹽巖烴源巖中發(fā)育生物成因硅質(zhì)及相對應(yīng)的海洋生物有機(jī)質(zhì)。

圖17 石炭系高SiO2烴源巖樣品硅質(zhì)來源Al-Fe-Mn三角成因判別圖解Fig.17 Al-Fe-Mn ternary plot of the Carboniferous source rocks with high SiO2

根據(jù)孫嬌鵬等(2017)研究認(rèn)識(shí),石炭紀(jì)時(shí)期,歐南凹陷處于宗務(wù)隆裂陷槽(向北)和柴達(dá)木古陸(向南)之間,形成“南山-北?！钡墓诺乩砀窬?受到柴達(dá)木古陸陸源碎屑供給和宗務(wù)隆海槽自北向南海侵超覆的影響。南邊古陸不僅向凹陷及周邊提供陸源碎屑物質(zhì),還供給陸源高等植物沉積有機(jī)質(zhì);北邊海槽的海洋硅質(zhì)生物殘骸或富硅洋流通過上升流被輸入至歐南凹陷,堆積了海洋低等水生物沉積有機(jī)質(zhì)(圖18)。海洋硅質(zhì)生物(放射蟲為主,圖16c、16d)的參與顯著提高了石炭系沉積物初級(jí)生產(chǎn)力,是石炭系泥頁巖富集海相生物有機(jī)質(zhì)的重要影響因素。

圖18 歐南凹陷石炭紀(jì)大地構(gòu)造背景及古地理示意簡圖Fig.18 Schematic diagram showing the Carboniferous tectonic setting and paleogeography

由于柴東歐南凹陷及周邊地區(qū)石炭系為海-陸過渡型沉積物,靠近古陸附近的(粉砂質(zhì))泥頁巖雖然石英礦物含量較高(>50%),但可能富含陸源石英顆粒,有機(jī)質(zhì)含量(TOC值)相對較低;受海洋硅質(zhì)生物活動(dòng)影響較大的區(qū)域不僅石英礦物含量高(生物硅),有機(jī)質(zhì)豐度也高(圖13)。

石炭紀(jì)是全球重要聚煤期,發(fā)育典型混合海洋和陸地生物有機(jī)質(zhì)的烴源巖,以Ⅰ和Ⅱ型干酪根為主的海相有機(jī)質(zhì)生烴效率和潛力顯著高于以Ⅲ型干酪根為主體的陸相有機(jī)質(zhì)(秦建中等, 2009; Gross et al., 2015)。海洋硅質(zhì)生物的繁盛與Si輸入源、海洋地形、水介質(zhì)條件、氣候溫度、生物活動(dòng)等諸多因素相關(guān),Si是維持海洋硅質(zhì)殼體浮游生物群落的必需營養(yǎng)元素,Si輸入源及輸送路徑對硅質(zhì)生物的生長繁盛起到關(guān)鍵影響作用(臧家業(yè)等, 2020)?；诖苏J(rèn)識(shí),明確石炭紀(jì)柴東歐南凹陷的Si輸入源(陸地、大氣和熱液)可能是認(rèn)識(shí)石炭系海相有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律并預(yù)測優(yōu)質(zhì)烴源巖分布的關(guān)鍵突破口,對石炭系區(qū)域性油氣勘探具有一定指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

(1)柴達(dá)木盆地東部歐南凹陷及周緣地區(qū)石炭系主要發(fā)育“差—中等”級(jí)別和少量“好”級(jí)別以上泥頁巖和碳酸鹽巖烴源巖(TOC峰值0.2%~1.0%),泥頁巖烴源巖富石英礦物組分;石炭系烴源巖干酪根整體處于“成熟—高成熟階段” (RO均值1.58%),殘留Ⅲ型干酪根,烴源巖抽提的氯仿瀝青“A”主要來自于Ⅱ型干酪根。

(2)研究區(qū)石炭系烴源巖形成于咸水、干熱、弱還原—弱氧化過渡帶的海陸交互陸棚沉積環(huán)境,分散有機(jī)質(zhì)由海相(Ⅱ型干酪根為主)和陸相(Ⅲ型干酪根為主)混源型生物有機(jī)質(zhì)組成,高豐度(TOC>5%)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度隨石英礦物組分增大而升高。

(3)研究區(qū)石炭系泥質(zhì)烴源巖中富含硅質(zhì)生物化石(放射蟲等),生物腔體內(nèi)充填有機(jī)質(zhì),高硅質(zhì)(SiO2>50%)烴源巖中硅質(zhì)為生物成因,推測石炭紀(jì)硅質(zhì)生物的參與引起海相生物有機(jī)質(zhì)的富集并極大提高了沉積物初級(jí)生產(chǎn)力。

(4)Si是維持海洋硅質(zhì)殼體浮游生物群落的必需營養(yǎng)元素,以研究區(qū)石炭紀(jì)Si輸入源及輸送路徑為突破口可能是認(rèn)識(shí)石炭系海相有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律并預(yù)測優(yōu)質(zhì)烴源巖分布的有效途徑,對石炭系區(qū)域性油氣勘探具有一定指導(dǎo)意義。