雪峰山西側(cè)上奧陶統(tǒng)五峰組烴源巖特征及油氣地質(zhì)意義

楊 平 謝 淵 王傳尚 王先輝 劉早學(xué)

1．成都地質(zhì)調(diào)查中心 2．武漢地質(zhì)調(diào)查中心 3．湖南省地質(zhì)調(diào)查院 4．湖北省地質(zhì)調(diào)查院

近幾年我國(guó)南方海相油氣勘探成果進(jìn)一步揭示了南方下組合良好的勘探前景，目前對(duì)雪峰山西側(cè)地區(qū)的下古生界烴源巖研究工作中有效烴源巖的發(fā)育及空間分布的認(rèn)識(shí)，主要是基于有限的剖面和少量盆地內(nèi)鉆井巖心剖面，尚缺乏詳細(xì)的大比例尺地面油氣地質(zhì)調(diào)查所提供的豐富資料進(jìn)行精細(xì)刻畫，因此，對(duì)該區(qū)下古生界有效烴源巖的識(shí)別和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、厚度和分布、生排烴史和成烴資源潛力分析等仍需探索，對(duì)古生界有效烴源巖對(duì)現(xiàn)今油氣藏的貢獻(xiàn)仍需探討［1］。前人對(duì)五峰組研究主要集中在地層、古生物、層序地層學(xué)、生態(tài)相、沉積環(huán)境以及地球化學(xué)等方面，而對(duì)其烴源巖特征及分布規(guī)律等方面所做工作相對(duì)較少。五峰組在研究區(qū)主要分布在上揚(yáng)子?xùn)|南緣、湘鄂西、黔北及黔東等地區(qū)，對(duì)出露較好較完整的剖面視巖性和露頭情況對(duì)其按一定的等間距（2～5m間距，個(gè)別較薄層段間距為1m）進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，各項(xiàng)測(cè)試由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所及中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院分析實(shí)驗(yàn)中心完成。筆者通過(guò)有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果，探討了該區(qū)五峰組烴源巖的生烴潛力及其分布規(guī)律、有機(jī)質(zhì)類型、沉積環(huán)境及有機(jī)質(zhì)成熟度等。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)大致為長(zhǎng)江中上游重慶—萬(wàn)州—宜昌段東南側(cè)的齊岳山與雪峰山之間的區(qū)域，地質(zhì)上處于中國(guó)南方四川盆地東南邊緣與雪峰山構(gòu)造帶之間的過(guò)渡帶（圖1），該區(qū)寒武紀(jì)—早奧陶世接受了被動(dòng)大陸邊緣海相沉積，中奧陶世—早志留世沉積受加里東晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。上奧陶統(tǒng)上部的五峰組廣泛發(fā)育于揚(yáng)子區(qū)和江南區(qū)，厚度不大但橫向分布相當(dāng)穩(wěn)定，一般僅數(shù)米，個(gè)別地區(qū)達(dá)數(shù)十米，主要巖性為黑色筆石頁(yè)巖和放射蟲硅質(zhì)巖［2］。五峰組沉積時(shí)期的古地理格局可分為2個(gè)隆起、1個(gè)盆地。2個(gè)隆起分別為湘西—黔中隆起和川中隆起，1個(gè)盆地為中上揚(yáng)子統(tǒng)一的前陸坳陷盆地。

圖1 研究區(qū)范圍及采樣位置圖

2 有機(jī)質(zhì)豐度與烴源巖分布規(guī)律

奧陶系五峰組烴源巖分布主要受控于該時(shí)期沉積環(huán)境，烴源巖主要發(fā)育位置為深水陸棚或次深海盆地，沉積時(shí)不同古地理位置烴源巖厚度及有機(jī)質(zhì)含量有所差異。五峰組沉積時(shí)期主要受雪峰隆起及黔中隆起共同控制，該時(shí)期準(zhǔn)前陸盆地具有向陸一側(cè)遷移特征，該機(jī)制控制了黑色頁(yè)巖的分布規(guī)律，在平面上形成一系列的“溝壟”特征，黑色頁(yè)巖厚度分布及有機(jī)質(zhì)含量具有以下規(guī)律：①平面上呈溝壟平行且受前陸盆地遷徙控制，并與前陸盆地長(zhǎng)軸方向平行；②根據(jù)黑色頁(yè)巖厚度（圖2）可劃分3個(gè)厚度較大的區(qū)域分別為石柱—南川—桐梓（A帶）、鶴峰—咸豐—秀山（B帶）、桃源—安化—靖州（C帶）；③有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域主要為石柱—南川—習(xí)水一線，該區(qū)距離川中隆起及黔中隆起均較遠(yuǎn)，是五峰組沉降中心，水體深度相對(duì)較深，有利于有機(jī)質(zhì)保存，該區(qū)域與五峰組沉積厚度較大的地區(qū)石柱—南川—桐梓一線基本吻合（圖3）。

圖2 五峰組黑色頁(yè)巖厚度等值線圖

圖3 五峰組黑色頁(yè)巖有機(jī)碳含量等值線圖

A帶如石柱漆遼五峰組為一套深水陸棚相黑色硅質(zhì)巖及頁(yè)巖，厚9．5m，總有機(jī)碳含量（TOC）介于2．28%～6．15%，平均為4．57%，氯仿瀝青“A”含量介于28～690μg／g，生烴潛能（S1＋S2）介于0．02～0．06 mg／g。道真平勝黑色硅質(zhì)巖及頁(yè)巖厚度為6．8m，TOC介于3．00%～4．71%，平均值為4．07%，氯仿瀝青“A”含量介于14～1 634μg／g，平均為978μg／g，（S1＋S2）介于0．01～0．05mg／g。B帶如秀山地區(qū)五峰組黑色頁(yè)巖厚度較石柱地區(qū)要大，但其有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，如季溝樹黑色硅質(zhì)巖及頁(yè)巖厚13．5m，TOC介于1．35%～3．53%，平均為2．63%，氯仿瀝青“A”含量為117μg／g，（S1＋S2）介于0．02～0．07mg／g。回星哨硅質(zhì)頁(yè)巖及黑色頁(yè)巖TOC介于2．12%～3．26%，平均為2．52%。C帶具有最大的黑色頁(yè)巖厚度，普遍大于10m，桃源及靖州等地頁(yè)巖厚度可達(dá)20 m，有機(jī)質(zhì)含量亦較高，如安化存糧沖TOC介于1．42%～3．48%，平均為2．13%（表1）。

綦江觀音橋與習(xí)水土河同處于A帶以西，黑色頁(yè)巖厚度介于2．1～2．7m，與A、B及C帶相比黑色頁(yè)巖厚度總體較薄，缺少硅質(zhì)巖沉積，表明沉積水體相對(duì)較淺，但有機(jī)質(zhì)含量仍然保持較高的水平，如綦江觀音橋TOC介于5．03%～9．79%，平均值為8．40%，氯仿瀝青“A”含量61μg／g，（S1＋S2）為0．30mg／g，習(xí)水土河TOC介于1．68%～3．94%，表明該區(qū)五峰組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量不僅與沉積水體深度有關(guān)，還有沉積時(shí)母質(zhì)來(lái)源及有機(jī)質(zhì)產(chǎn)力有關(guān)。

表1 研究區(qū)五峰組烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征表

縱向上道真平勝、秀山季溝樹及秀山回星哨等地TOC由下至上逐漸增加，至五峰組頂部為最大值，如道真平勝底部的TOC最小值為1．35%，而頂部的TOC最大值達(dá)3．53%，在巖性上底部為1．63m黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖，上部為黑色硅質(zhì)頁(yè)巖，反映水體逐漸由淺變深的盆地演化過(guò)程。

上述數(shù)據(jù)表明研究區(qū)五峰組具有有機(jī)質(zhì)豐度較高、較高氯仿瀝青“A”含量及低產(chǎn)烴潛量特征，反映烴源巖成熟度較高，是研究區(qū)非常有利的一套烴源巖。

3 有機(jī)質(zhì)類型與沉積環(huán)境

奧陶系五峰組烴源巖干酪根顯微組成分析結(jié)果表明，以腐泥組占優(yōu)勢(shì)，含量介于70%～93%，平均為81．1%；其次為瀝青組，含量介于7%～26%，平均為18．1%；與震旦系和寒武系干酪根顯微組分不同的是開(kāi)始出現(xiàn)少量的鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組（表2）。該特征可能與奧陶紀(jì)晚期維管陸地植物（裸蕨植物門）的出現(xiàn)有關(guān)（Zimmermann W，1969）。

表2 五峰組顯微組分含量表

各剖面有機(jī)顯微組成特征如下：石柱漆遼顯微組分以腐泥組占優(yōu)勢(shì)，含量為70%～80%，次為瀝青組，含量為19%～26%，鏡質(zhì)組含量為0～2%，惰質(zhì)組含量為0～5%，不含殼質(zhì)組；道真平勝顯微組分以腐泥組占優(yōu)勢(shì)，含量為71%～90%，次為瀝青組含量為10%～23%，鏡質(zhì)組含量為0～2%，惰質(zhì)組含量為0～4%，不含殼質(zhì)組。秀山季溝樹顯微組分腐泥組含量為75%～85%，瀝青組含量為17%～25%，不含殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組。秀山回星哨顯微組分腐泥組含量為76%～90%，瀝青組含量為10%～21%，不含殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組。上述分析表明五峰組烴源巖顯微組分以腐泥組為主，次為瀝青組，部分地區(qū)含少量的鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組，類型指數(shù)TI為89～100，均為腐泥型有機(jī)質(zhì)。

氯仿瀝青“A”中族組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)多表現(xiàn)為飽和烴＞非烴＞芳烴（表3），這種高飽和烴、高非烴和低芳烴的族組分分布特征被認(rèn)為是以富含類脂化合物和蛋白質(zhì)低等水生生物為來(lái)源的腐泥型有機(jī)質(zhì)的特點(diǎn)，其飽和烴與芳香烴的比值可用來(lái)判識(shí)生油巖類型，比值大于3為腐泥型生油巖，比值在0．5～0．8之間為腐殖型生油巖，混合型生油巖則介于腐泥型與腐殖型之間［3］。所有樣品比值為0．91～6．07（平均為3．50），其中石柱漆遼比值為1．97～6．07（平均為4．04），道真平勝比值為2．60～5．00（平均為3．80），秀山季溝樹—回星哨比值為2．75～4．0（平均為3．38）。上述數(shù)據(jù)反映五峰組烴源巖為腐泥型生油巖，而且反映五峰組沉積時(shí)期各地具有相似的沉積母質(zhì)類型與沉積環(huán)境。

表3 五峰組烴源巖族組成參數(shù)表

黃汝昌（1997）研究表明各種生物體中δ13Corg值具有不同的特征，海生藻類δ13Corg介于－17‰～－28‰，海洋浮游生物脂肪質(zhì)具有較低的δ13Corg值（－24‰～－34‰），海洋性自養(yǎng)菌具有最低的δ13Corg值（－34‰～－36‰）。黃第藩根據(jù)我國(guó)陸相生油巖干酪根碳同位素的大量資料，曾提出用δ13C＝－26‰和δ13C＝－27．5‰作為區(qū)分腐殖型、混合型、腐泥型干酪根的2個(gè)指標(biāo)界限。而梁狄剛［4］則將海相混合型與腐泥型干酪根的δ13Corg界限值調(diào)整為－29‰。五峰組干酪根δ13Corg主要集中在－32‰～－28‰，且δ13Corg與有機(jī)碳含量無(wú)明顯相關(guān)性。因此，五峰組以腐泥型有機(jī)質(zhì)為主，個(gè)別為偏腐泥混合型有機(jī)質(zhì)（圖4），反映沉積母質(zhì)以藻類及浮游生物為主。

圖4 研究區(qū)各層位δ13Corg與TOC關(guān)系圖

圖5 烴源巖正構(gòu)烷烴同位素值變化圖

綦江觀音橋和華鎣溪口烴源巖正構(gòu)烷烴碳同位素具有不同的特征（圖5），前者在C19和C20有一個(gè)明顯變輕的現(xiàn)象，后者在C17～C31區(qū)間均有從低碳數(shù)到高碳數(shù)δ13Corg向右傾斜的趨勢(shì)，即隨著碳數(shù)的增加δ13Corg逐漸變輕。這是由于隨著熱演化程度的增加，相對(duì)δ13Corg較輕的高碳數(shù)正構(gòu)烷烴可能存在的裂解使得正構(gòu)烷烴單體碳同位素組成明顯富集13C。熊永強(qiáng)的研究表明［5］，烴源巖生烴初期，液態(tài)正構(gòu)烷烴主要來(lái)自干酪根的初次裂解，它們的碳同位素組成不論是在排出油中還是在殘留油中，隨溫度的變化都不明顯呈現(xiàn)較相似的分布特征，在生烴高峰期早期形成的瀝青質(zhì)和非烴等組分的二次裂解以及高碳數(shù)正構(gòu)烷烴可能存在的裂解，使得正構(gòu)烷烴單體碳同位素組成明顯富集13C，尤其在高碳數(shù)部分呈現(xiàn)出較大的差異。華鎣溪口正構(gòu)烷烴碳同位素在C17～C28區(qū)間明顯較綦江觀音橋重0．37‰～3．64‰，平均為1．65‰，差別最大出現(xiàn)在C20～C22之間，因此，上述數(shù)據(jù)表明兩地黑色頁(yè)巖不僅處于高成熟生烴高峰期間，而且隨著成熟度增加，其正構(gòu)烷烴碳同位素值明顯變重（圖5）。烴源巖中五環(huán)三萜烷＞三環(huán)萜烷＞四環(huán)萜烷，其中三環(huán)萜烷中C19相對(duì)豐度較低，以C23豐度最高，C23TT／C30藿烷比值為0．19～2．99，C21、C23、C24呈倒“V”字形分布，一般認(rèn)為三環(huán)萜烷的這種分布特征與咸水環(huán)境有關(guān)，同時(shí)也表明了菌藻類等低等生物輸入的標(biāo)志。γ－蠟烷指數(shù)為0．11～0．19，表明有機(jī)質(zhì)沉積時(shí)水體鹽度較高，有機(jī)質(zhì)母源可能為菌藻類等低等浮游生物。C27甾烷含量為29%～37%，平均值33%，C29甾烷含量普遍高于C27甾烷，含量為34%～43%，表現(xiàn)為C29含量＞C27含量＞C28含量，C27甾烷／C29甾烷比值為0．67～1．10。這種分布模式代表了低等水生生物，特別是藻類（褐藻）對(duì)有機(jī)質(zhì)母質(zhì)的影響［6］。

Peters和 Moldowan（1993）認(rèn)為低 Pr／Ph比值（＜0．6）指示沉積環(huán)境為缺氧的而且通常是超鹽環(huán)境，而當(dāng)Pr／Ph＞3時(shí)指示弱氧化—氧化條件下的陸源有機(jī)質(zhì)的輸入，樣品檢測(cè)出大多數(shù)樣品Pr／Ph＜1（表4），Pr／Ph比值范圍介于0．31～0．86，平均值為0．52，因各地沉積環(huán)境不同其樣品Pr／Ph有所差別，較深水地區(qū)如A帶道真平勝Pr／Ph為0．38～0．57，石柱漆遼Pr／Ph為0．52～0．59，表明該區(qū)沉積環(huán)境為缺氧的超鹽環(huán)境。A帶以西如華鎣山溪口和綦江觀音橋的Pr／Ph比值較高為0．77～0．86，反映水體深度和還原強(qiáng)度不如A帶。據(jù)研究表明姥值比Pr／Ph＜1，母質(zhì)沉積的水體屬于還原環(huán)境，此時(shí)若芳烴參數(shù)（DBT／P）＜1，代表海相或湖相泥頁(yè)巖沉積（2區(qū)），若1＜DBT／P＜3為海相碳酸鹽巖（泥灰?guī)r）沉積（1B區(qū)），而若DBT／P＞3為海相碳酸鹽沉積（1A 區(qū)）［7］，研究發(fā)現(xiàn)以觀音橋和溪口為代表樣品DBT／P值均小于1，為0．02～0．08，代表為海相泥頁(yè)巖沉積。

表4 五峰組烴源巖生物標(biāo)志化合物類型指標(biāo)表

4 有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度

五峰組樣品干酪根有機(jī)顯微組分中瀝青組含量介于7%～26%，瀝青組含量豐富，瀝青反射率Rb介于1．91%～3．57%，平均為2．75%。根據(jù)劉德漢經(jīng)驗(yàn)公式（Ro＝0．668Rb＋0．346）［8］換算為等效鏡質(zhì)體反射率（Ro等效）介于1．37%～2．73%，平均為2．14%，大部分樣品達(dá)到高成熟階段，部分為過(guò)成熟階段。干酪根原子比，尤其是H／C是隨著熱演化程度的增高而減少，對(duì)同種母質(zhì)類型的干酪根未成熟—成熟階段H／C＞1．0，高成熟階段 H／C介于1．0～0．5，過(guò)成熟階段H／C＜0．5。華鎣溪口五峰組 H／C介于0．58～0．81，平均0．61，綦江觀音橋五峰組 H／C介于0．52～0．65，平均為0．60，反映樣品處于高成熟階段。

甲基菲中1MP和9MP比2MP和3MP的熱穩(wěn)定性小，隨著成熟度的增加，1MP和9MP會(huì)轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的2MP和3MP，因此，可以用幾種化合物的相對(duì)含量表示成熟度的變化。通過(guò)計(jì)算甲基菲指數(shù)MPI1值［9］，當(dāng)Rm≥1．35，采用公式經(jīng)驗(yàn)公式Rc＝0．60×MPI1＋0．40［10］大致可以計(jì)算華鎣溪口五峰組有機(jī)成熟度Rc為1．74%，綦江觀音橋Rc為1．73%。通過(guò)計(jì)算F1值［F1＝（2MP＋3MP）／（1MP＋2MP＋3MP＋9MP）］，采用公式Ro＝－0．166＋2．242×F1計(jì)算的Ro值比Rc值略低，分別為1．59%及0．94%。MDR是一種有效的成熟度參數(shù)（Chkhmakhchev A，1994），成熟烴源巖或油 MDR值為2．5左右，過(guò)成熟達(dá)到15．4，MDR分別為0．61及15．11（表5）。上述數(shù)據(jù)表明華鎣溪口和綦江觀音均未達(dá)到過(guò)成熟階段，且前者成熟度略高于后者，該結(jié)論與單體烴同位素表現(xiàn)特征是基本一致的。

表5 五峰組芳烴生物標(biāo)志物參數(shù)表

5 結(jié)論及油氣地質(zhì)意義

1）五峰組黑色頁(yè)巖厚度分布及有機(jī)質(zhì)含量具有以下規(guī)律：①平面上呈溝壟平行且受前陸盆地遷徙控制并與前陸盆地長(zhǎng)軸方向平行；②3個(gè)厚度較大的區(qū)域分別為石柱—南川—桐梓、鶴峰—咸豐—秀山、桃源—安化—靖州；③有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域主要為石柱—南川—習(xí)水一線；④縱向上大多數(shù)剖面有機(jī)碳含量由下至上逐漸增加，反映水體逐漸由淺變深的盆地演化過(guò)程。

2）有機(jī)顯微組成分析、干酪根δ13Corg及生物標(biāo)志物分析表明該研究區(qū)五峰組黑色頁(yè)巖機(jī)質(zhì)類型以腐泥型有機(jī)質(zhì)為主，個(gè)別為偏腐泥混合型有機(jī)質(zhì)，烴源巖母質(zhì)形成于具有一定鹽度的海水中，母質(zhì)來(lái)源為菌藻類等低等浮游生物，總體為較強(qiáng)的還原環(huán)境且各地水體深度有所差異。

3）等效鏡質(zhì)體反射率為1．37%～2．73%，H／C為0．52～0．65，大部分樣品達(dá)到高成熟階段，部分為過(guò)成熟階段。根據(jù)芳烴參數(shù)計(jì)算華鎣溪口和綦江觀音橋Rc、Ro及 MDR 分別為1．74%、1．59%、15．11和1．73%、0．94%、0．61，這種不同成熟度的烴源巖其正構(gòu)烷烴碳同位素明顯具有不同的特征，研究表明隨著成熟度增加華鎣溪口正構(gòu)烷烴單體碳同位素在C17～C28區(qū)間較綦江觀音橋偏重明顯0．37‰～3．64‰。

4）揚(yáng)子地塊及其周緣奧陶—志留系五峰組—龍馬溪組黑色—暗色含筆石頁(yè)巖，已被公認(rèn)為是華南地區(qū)“下組合”海相地層中的“三大優(yōu)質(zhì)烴源巖”之一，研究五峰組烴源巖分布規(guī)律與特征，對(duì)于建立烴源巖與古油藏及現(xiàn)今油氣藏之間關(guān)系，厘定雪峰山西側(cè)地區(qū)生儲(chǔ)蓋組合、含油氣系統(tǒng)要素的確定及分布范圍均具有較大意義。由于奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組黑頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量較高，大多未達(dá)過(guò)成熟巖階段，頁(yè)巖氣資源潛力巨大，是目前中國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探的有利區(qū)塊之一，因此，詳細(xì)研究五峰組烴源巖分布規(guī)律、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)母質(zhì)類型、沉積環(huán)境及有機(jī)質(zhì)成熟度無(wú)論對(duì)下組合油氣勘探還是非常規(guī)頁(yè)巖氣的勘探均有重要意義。

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