四川盆地晚二疊世龍?zhí)镀诔练e環(huán)境及其源控作用分析

曹清古，劉光祥，張長(zhǎng)江，潘文蕾

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無(wú)錫 214126)

勘探實(shí)踐證明，四川盆地具有廣闊的天然氣勘探前景[1－2］?！叭钨Y評(píng)”結(jié)果指出盆地天然氣總資源量53 477.4×108m3。四川盆地發(fā)育多套烴源巖層系，包括下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)、二疊系、上三疊統(tǒng)及下侏羅統(tǒng)等[3－4］。隨著勘探和研究的日益深入，越來(lái)越多的人認(rèn)為二疊系烴源巖是四川盆地最重要的氣源巖之一[5－7］。因此，查明二疊系烴源巖的資源規(guī)模對(duì)于四川盆地油氣勘探前景預(yù)測(cè)具有重要意義。上二疊統(tǒng)作為二疊系的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育層位，其研究意義尤為重要。本文擬對(duì)這套優(yōu)質(zhì)烴源巖的環(huán)境控制因素進(jìn)行分析，旨在為進(jìn)一步預(yù)測(cè)其空間分布、資源量計(jì)算等提供依據(jù)。

1 晚二疊世龍?zhí)镀趲r相古地理特征

1.1 地層巖性分區(qū)

中二疊世末的華力西運(yùn)動(dòng)使得四川盆地大部分地區(qū)整體抬升，康滇古陸進(jìn)一步隆升、擴(kuò)大，成為四川盆地上二疊統(tǒng)的主要物源區(qū)。古地勢(shì)為南西高、北東低。晚二疊世之初，海平面大幅上升，研究區(qū)內(nèi)廣泛沉積了一套含煤巖系，沉積層序不斷向古陸周邊地區(qū)上超。沉積相帶由陸到海大致呈東西向展布、南北向延伸[8］。區(qū)域地質(zhì)研究表明[9］，上二疊統(tǒng)從北東往南西相變清晰(圖1):旺蒼、萬(wàn)源一線以北，硅質(zhì)巖發(fā)育，為深水環(huán)境下的大隆組(P3d)分布區(qū);旺蒼、萬(wàn)源一線與綿竹、達(dá)縣、南川一線之間為大隆組和長(zhǎng)興組(P3ch)的相變區(qū)，即為硅質(zhì)巖和灰?guī)r的相變帶;綿竹、達(dá)縣、南川一線和樂(lè)山、珙縣一線之間為長(zhǎng)興組和龍?zhí)督M(P3l)分布區(qū);靠康滇古陸兩側(cè)為宣威組(P3x)分布區(qū)。

圖1 四川盆地上二疊統(tǒng)相變示意Fig.1 Lithofacies transition of Upper Permian in Sichuan Basin

圖2 四川盆地晚二疊世龍?zhí)镀?吳家坪期)沉積相帶時(shí)空遷移規(guī)律Fig.2 Rhythm of sedimentary facies transition during Longtan phase of Late Permian in Sichuan Basin

1.2 沉積相帶展布特征

根據(jù)本次沉積相研究成果(圖2)，晚二疊世龍?zhí)镀谒拇ㄅ璧貜哪衔魍睎|依次發(fā)育以下沉積相帶:河流相、濱岸沼澤相、潮坪—潟湖相、淺水陸棚相、深水陸棚相及盆地相，在南江—萬(wàn)源、奉節(jié)—巫山—巴東及武隆—彭水等地區(qū)存在局部低隆，形成臺(tái)地相沉積。

從康滇古陸邊緣往北東至成都—遂寧—重慶一帶，廣泛發(fā)育含煤碎屑沉積。該時(shí)期主要沉積2種類型的含煤碎屑巖系:陸相含煤巖系、海相或海陸交互相含煤巖系?？拷抨戇吘壍奶烊獦?lè)山—美姑一帶，為宣威組陸相含煤層系，主要為河流漫灘沼澤相含煤建造。天全—樂(lè)山—美姑一帶至成都—遂寧—重慶一帶之間為龍?zhí)督M海陸交互相含煤建造區(qū)，可劃分出2個(gè)相帶:濱岸沼澤相帶與潮坪—潟湖相帶。前者主要沉積泥巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、巖屑砂巖，夾多層煤層(線)，典型剖面如珙縣大水溝剖面;后者沉積以泥、頁(yè)巖夾砂巖、灰?guī)r及煤線為主要特征，如女基井龍?zhí)督M下部主要為以頁(yè)巖、泥巖夾煤層為特征的泥炭沼澤亞相沉積，上部為以灰?guī)r、頁(yè)巖及含燧石結(jié)核灰?guī)r為特征的硅質(zhì)灰泥坪亞相沉積，總體反映水體相對(duì)閉塞的潟湖沉積環(huán)境。

成都—遂寧—重慶一帶以東廣大區(qū)域?yàn)闇\海陸棚相區(qū)，沉積以碎屑巖與灰?guī)r及砂質(zhì)灰?guī)r混合沉積為主，因此又稱作混積陸棚。碎屑巖系以泥質(zhì)巖、頁(yè)巖為主，緊鄰武隆—彭水低隆的地區(qū)含較多的砂屑。該相區(qū)是四川盆地二疊系烴源巖發(fā)育的最有利地區(qū)，具有水體較深、能量較弱等特點(diǎn)，沉積物以細(xì)粒沉積物為主，有利于有機(jī)質(zhì)的賦存，有機(jī)質(zhì)豐度高。關(guān)基井龍?zhí)督M以頁(yè)巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖、云質(zhì)泥巖、厚層塊狀微晶灰?guī)r為主，其中頁(yè)巖、泥巖所占比例較大。桐梓坡渡剖面龍?zhí)督M以碳質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r為主，含黃鐵礦結(jié)核或透鏡體。西部綿竹天池剖面龍?zhí)督M以砂質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾頁(yè)巖為主，灰?guī)r成分占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，僅中段夾頁(yè)巖層。南川東勝剖面龍?zhí)督M以泥巖、頁(yè)巖、砂屑灰?guī)r為主。

淺水陸棚區(qū)以北以東地區(qū)為深水陸棚區(qū)，沉積以碳酸鹽巖為主，碎屑巖較少，灰?guī)r及頁(yè)巖多含硅質(zhì)成分，反映出遠(yuǎn)源、深水沉積特征。該相帶為碎屑巖與碳酸鹽巖過(guò)渡沉積區(qū)，為龍?zhí)督M與吳家坪組的相變區(qū)。

深水陸棚區(qū)外側(cè)往城口以東相變?yōu)榕璧叵喑练e區(qū)，吳家坪組灰?guī)r硅質(zhì)含量更高，由含硅質(zhì)過(guò)渡為含燧石結(jié)核、燧石團(tuán)塊或燧石透鏡體。

此外，在南江—萬(wàn)源、奉節(jié)—巫山—巴東及武隆—彭水等地區(qū)存在局部低隆，以臺(tái)地相沉積為主。

1.3 烴源巖發(fā)育的有利沉積相帶

眾所周知，烴源巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度及成熟度是評(píng)價(jià)一套烴源巖優(yōu)劣的三大基本參數(shù)。本文擬討論的是原始沉積環(huán)境對(duì)烴源巖發(fā)育的控制作用，因此僅考慮前2項(xiàng)基本參數(shù)。而成熟度是烴源巖后期熱演化過(guò)程的產(chǎn)物，屬成巖演化階段范疇。

研究發(fā)現(xiàn)，單純依賴有機(jī)質(zhì)豐度高低難以表征烴源巖發(fā)育規(guī)模。如欠補(bǔ)償盆地相，盡管烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，但因沉積厚度薄，烴源巖厚度小，難以成為主力烴源巖;又如臺(tái)內(nèi)洼地相烴源巖厚度較大，但有機(jī)質(zhì)豐度較低，也難以表征有利烴源巖發(fā)育區(qū)與沉積相的關(guān)系。因此，為了更加客觀地反映烴源巖的發(fā)育規(guī)模，綜合了厚度與有機(jī)質(zhì)豐度兩方面的因素進(jìn)行考量，在此引入“有機(jī)碳厚度”的概念，即采用有機(jī)碳含量與烴源巖厚度之積綜合反映烴源巖的發(fā)育特征。

通過(guò)對(duì)烴源巖有機(jī)碳厚度分布特征疊合沉積相展布(圖3)，表明四川盆地上二疊統(tǒng)烴源巖發(fā)育的有利沉積相帶主要為淺海陸棚相區(qū)(包括淺水陸棚相與深水陸棚相)、潮坪—潟湖相帶，其次為濱岸沼澤相帶，其他相帶烴源巖相對(duì)不發(fā)育。

2 上二疊統(tǒng)烴源巖沉積環(huán)境

上文從宏觀上對(duì)有利于烴源巖發(fā)育的沉積相帶特征進(jìn)行了闡述，下面從地球化學(xué)特征方面對(duì)烴源巖發(fā)育的微觀沉積環(huán)境進(jìn)行探討。

圖3 四川盆地上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(吳家坪組)沉積相與烴源巖有機(jī)碳厚度疊合圖Fig.3 Sedimentary facies during Longtan phase of Late Permian vs.organic carbon thickness of source rocks in Sichuan Basin

沉積環(huán)境是控制海相烴源巖發(fā)育和分布的重要因素，即“環(huán)境控源”[10］。生物生產(chǎn)力、海水含氧量(氧化—還原條件)、沉積速率及水動(dòng)力條件等諸環(huán)境要素共同控制著烴源巖的發(fā)育與分布[11－14］。然而，如何恢復(fù)這些控制因素，使之有效地應(yīng)用于海相油氣勘探仍存在諸多亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)海相地層的演化程度較巖石學(xué)上真正的變質(zhì)作用要低得多(Ro＜4%)[15－17］，烴源巖多為一種細(xì)粒的沉積巖，在成巖后期，其所含的大部分過(guò)渡元素雖然在含量上發(fā)生了一定的變化，但相關(guān)元素和分布形式仍保持穩(wěn)定。因此，雖然古生界甚至更為古老地層有機(jī)質(zhì)演化程度普遍較高，但是由于微量元素、稀土元素和碳、氧同位素等無(wú)機(jī)參數(shù)較有機(jī)質(zhì)更為穩(wěn)定，具有較好的保存原始地球化學(xué)信息的能力，其反應(yīng)古海洋原始地球化學(xué)特征及環(huán)境演化的可信度較高。故而，可通過(guò)這些無(wú)機(jī)參數(shù)來(lái)恢復(fù)古環(huán)境條件，進(jìn)而分析古環(huán)境與烴源巖發(fā)育關(guān)系。

2.1 無(wú)機(jī)地球化學(xué)參數(shù)

2.1.1 常量元素

沉積巖中一些常量元素的分布與沉積環(huán)境密切聯(lián)系[18－19］。如 Al2O3，Na2O，K2O，F(xiàn)e2O3，TiO2等主要賦存于粘土礦物中，代表了陸源泥質(zhì)。同時(shí)Al2O3和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映出沉積環(huán)境的氧化作用強(qiáng)弱。而MnO、FeO的高含量則主要反映還原環(huán)境，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高主要反映海盆內(nèi)緣環(huán)境。另外，P2O5是海水的深度指示器，同時(shí)P，S元素也是生物生命活動(dòng)重要的物質(zhì)，反映海水的原始生產(chǎn)力。

2.1.2 微量元素

一些微量元素及其組合特征也是環(huán)境的指示劑[20－21］，如 Cu，Pb，Zn，Ni，V，Co 等元素及其組合的變化可以反映沉積水體深淺變化。Sr和Ba是化學(xué)性相似的同族元素，活動(dòng)性Sr強(qiáng)于Ba，因此，溶液中Sr和Ba的遷移能力不同，由淡水進(jìn)入海水時(shí)，Ba2+與 SO42－結(jié)合生成BaSO4沉淀，陸源的 Ba到達(dá)海水中容易沉淀且靠近海岸附近，而SrSO4溶解度較大，比Ba遷移地遠(yuǎn)，從而沉淀在較深處，因而沉積物中Sr和Ba的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值可以反映沉積水體的相對(duì)深淺及沉積環(huán)境。V和Ni組合可反映水體的氧化—還原環(huán)境，一般V/(V+Ni)＞0.46表征為還原環(huán)境，比值越大，還原性越強(qiáng)。

2.1.3 碳、氧同位素

自然界的碳基本上儲(chǔ)藏在有機(jī)碳(還原碳)和無(wú)機(jī)碳(氧化碳)兩大碳庫(kù)內(nèi)，兩者的δ13C平均值大約相差25‰，因此，在影響海相碳酸鹽巖碳同位素的眾多因素中，當(dāng)時(shí)的有機(jī)碳氧化與相對(duì)埋藏量是最重要的。當(dāng)有機(jī)碳的相對(duì)埋藏量大于氧化量時(shí)，較多的12C進(jìn)入有機(jī)碳中，使同期海相碳酸鹽巖的δ13C值向正的方向移動(dòng)，反之則向負(fù)的方向移動(dòng)。此外，沉積介質(zhì)鹽度的增高會(huì)引起碳酸鹽巖δ13C值變大，大氣降水和陸源淡水的注入使δ13C值降低。氧化條件下，有機(jī)質(zhì)中的12C氧化消耗，并以CO2的形式回到海水中，使碳酸鹽巖δ13C值降低;還原條件下，富12C的有機(jī)質(zhì)快速埋藏而導(dǎo)致碳酸鹽巖δ13C值增大。此外生物發(fā)育時(shí)消耗海水中富12C的CO2和，并經(jīng)快速埋藏，使碳酸鹽巖δ13C值升高;生物貧乏時(shí)海水中CO2和消耗量減少，加之有機(jī)質(zhì)埋藏速率降低，均會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽巖更富12C，使 δ13C 值減小[22－23］。

氧同位素δ18O值受介質(zhì)溫度和濃度的影響較大，成巖作用也會(huì)使δ18O值發(fā)生較大變化。沉積環(huán)境對(duì)氧同位素也有一定的控制作用，沉積環(huán)境中水介質(zhì)鹽度的增高，蒸發(fā)作用加強(qiáng)，均會(huì)使碳酸鹽巖δ18O值明顯變大;大氣降水和陸源淡水的注入會(huì)引起水介質(zhì)鹽度降低，從而使δ18O值變小。

2.2 沉積環(huán)境控制優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育

通過(guò)對(duì)城口、珙縣、綿竹、南江、石柱、丁山1井、河壩1井、普光5井等多個(gè)野外剖面和鉆井的樣品分析測(cè)試以及沉積相的分析研究表明，四川盆地上二疊統(tǒng)優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育直接受控于沉積環(huán)境。

以南江橋亭剖面為例，上二疊統(tǒng)吳家坪組烴源巖的發(fā)育狀況明顯受沉積環(huán)境的控制。同時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)(表1)分析表明，常量元素、微量元素及碳氧同位素等無(wú)機(jī)地球化學(xué)特征具有較好的環(huán)境指示意義，也與烴源巖有機(jī)碳含量的變化特征相吻合。

吳家坪組上段:未見(jiàn)頂，實(shí)測(cè)厚度16.6 m，巖性為深灰色薄層狀燧石團(tuán)塊狀泥灰?guī)r，燧石團(tuán)塊呈串珠狀嵌于泥灰?guī)r中，含量大致各占50%，沉積相分析認(rèn)為本段為臺(tái)地邊緣斜坡相沉積產(chǎn)物(圖4)。Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2的含量總體較低，反映沉積時(shí)細(xì)粒粘土物質(zhì)含量較小，遠(yuǎn)離物源區(qū);S，P，Ba含量明顯偏低，一方面反映了海水總體不深，再者原始海洋生產(chǎn)力低下;Sr/Ba比值、V/Cr比值都相對(duì)較小，然而 V/(V+Ni)比值為 0.51，大于 0.46，表明仍然處于還原環(huán)境，分析認(rèn)為吳家坪組上部地層沉積時(shí)總體處于弱還原環(huán)境。同時(shí)，總有機(jī)碳含量偏低，為0.08% ～0.29%，表明臺(tái)地邊緣斜坡環(huán)境下烴源巖不發(fā)育。

吳家坪組中段:實(shí)測(cè)地層厚度50.39 m，巖性總體以深灰色—灰黑色含硅質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，夾薄層碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖，局部含生屑。沉積相分析認(rèn)為本段為深水陸棚相沉積產(chǎn)物。本段樣品SCNJ－58 至 SCNJ－66，其 Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2的含量相對(duì)上部地層明顯高;S，P，Ba的含量相對(duì)也高，V/(V+Ni)比值、Sr/Ba比值、V/Cr比值均較高，表征了沉積物中細(xì)粒粘土物質(zhì)含量較高、生物生產(chǎn)力較高、海水還原性較強(qiáng)等特點(diǎn)?？傆袡C(jī)碳含量相對(duì)上部地層明顯高，為好烴源巖。表明深水陸棚環(huán)境

下烴源巖極為發(fā)育。

表1 四川盆地南江橋亭吳家坪組無(wú)機(jī)地化與有機(jī)碳分析測(cè)試結(jié)果Table 1 Experimental results of inorganic element and TOC in Wujiaping Formation，Qiaoting，Nanjiang，Sichuan Basin

圖4 四川盆地南江橋亭剖面吳家坪組地球化學(xué)綜合柱狀圖Fig.4 Synthetical histogram for geochemistry characteristics in Wujiaping Formation on Qiaoting profile，Nanjiang，Sichuan Basin

吳家坪組下段:實(shí)測(cè)地層厚度33.84 m，巖性以灰黑色含泥質(zhì)灰?guī)r為主，局部夾碳質(zhì)頁(yè)巖。底部黑色泥巖夾泥灰?guī)r透鏡體，厚約3 m。沉積相分析認(rèn)為本段主要為淺水陸棚相沉積產(chǎn)物，底部為深水陸棚相。樣品SCNJ－67測(cè)試數(shù)據(jù)中S、P含量較高，反映海水古生產(chǎn)力較強(qiáng)，V/(V+Ni)比值0.57代表了較強(qiáng)還原環(huán)境。本段3個(gè)樣品總有機(jī)碳含量均在0.8% ～0.96%之間，有機(jī)質(zhì)豐度較高，屬較好烴源巖。

本剖面中，δ13C值、δ18O值從下往上具有振蕩漂移特征，反映出海水的振蕩升降旋回，與沉積環(huán)境的變化、相帶的遷移具有較好的相關(guān)性。

3 結(jié)論

1)晚二疊世龍?zhí)镀?，四川盆地古地理面貌為南西高、北東低。沉積相帶由南西往北東呈弧形帶狀分布，依次為河流相、濱岸沼澤相、潮坪—潟湖相、淺水陸棚相、深水陸棚相以及盆地相，局部高地貌區(qū)形成臺(tái)地。

2)上二疊統(tǒng)烴源巖的分布狀況、品質(zhì)等明顯受到沉積相帶的控制與制約。優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育于淺海陸棚、潮坪—潟湖及沼澤環(huán)境。常量元素、微量元素及碳氧同位素等的測(cè)試分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育嚴(yán)格地受沉積環(huán)境的制約。

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