華北地臺東西部中新元古界生烴條件比較研究

林玉祥，李曉鳳，閆曉霞，郭鳳霞，劉 虎，李秀芹

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

華北地臺東西部中新元古界生烴條件比較研究

林玉祥，李曉鳳，閆曉霞，郭鳳霞，劉 虎，李秀芹

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

通過對華北地臺中新元古界有機質(zhì)豐度、類型、熱演化程度以及生烴演化史等的分析，全面對比了以蒙陜裂陷槽為代表的華北地臺西部和以冀遼裂陷槽為代表的華北地臺東部中新元古界的生烴條件，結(jié)果表明，冀遼裂陷槽中新元古界烴源巖有機質(zhì)豐度高、類型好，為優(yōu)質(zhì)烴源巖；蒙陜裂陷槽中新元古界烴源巖有機質(zhì)豐度低，盡管類型也較好，烴源巖僅為中等-偏差。華北地臺東、西部中新元古界現(xiàn)今熱演化程度較為接近，但其熱演化過程差異較大，東部自晚古生代以后持續(xù)抬升，上覆地層剝蝕殆盡；西部則持續(xù)沉降，至中生代方達(dá)到最高演化程度?？傮w看來，華北地臺中新元古界有利生烴區(qū)首推冀遼裂陷槽，其次為蒙陜裂陷槽和豫陜裂陷槽。

生烴條件；熱演化史；中新元古界；蒙陜裂陷槽；豫陜裂陷槽；冀遼裂陷槽；華北地臺

中新元古代，華北地臺區(qū)形成了一系列裂陷槽，其中冀遼裂陷槽作為華北地臺東部主要沉積區(qū)，規(guī)模最大，發(fā)育了一套海相碳酸鹽巖和碎屑巖沉積序列，其中以冀北地區(qū)最為典型[1-2]。冀遼裂陷槽烴源巖有機質(zhì)豐度高、有機質(zhì)類型好，生烴能力強，資源潛力大[3-5]。蒙陜裂陷槽位于華北地臺西部，在古生界和中生界地層中發(fā)現(xiàn)了大量油氣資源，是我國重要的油氣盆地[6-8]。隨著勘探程度不斷深入，蒙陜裂陷槽中新元古界的油氣勘探也日益得到重視。本文通過冀遼裂陷槽、蒙陜裂陷槽和豫陜裂陷槽的比較研究，對華北地臺中新元古界的生烴條件進行了綜合評價。

1 地層及烴源巖展布特征

中新元古界形成于太古界和古元古界結(jié)晶巖系之上，由一套未變質(zhì)或輕微變質(zhì)的局限海相富鎂碳酸鹽巖夾碎屑巖組成，厚度巨大，但在華北地臺內(nèi)分布范圍較為局限。天津薊縣剖面為中新元古界的標(biāo)準(zhǔn)剖面[9-10]，自下而上包括長城系、薊縣系、青白口系和震旦系(圖1)。

圖1 華北地臺中新元古界地層劃分與對比

1.1 地層特征

冀遼裂陷槽的中新元古界主要由長城系、薊縣系、青白口系組成，缺失震旦系(圖1)。長城系和薊縣系巖性以碳酸鹽巖為主，碎屑巖次之，地層序列完整，與下伏太古界遵化群不整合接觸，屬穩(wěn)定地臺型沉積。青白口系由下部以碎屑巖為主和上部以碳酸鹽為主的海相沉積組成。震旦系在大部分地區(qū)缺失，僅在華北地臺邊緣的局部地區(qū)存在，為一套海相碎屑巖。

蒙陜裂陷槽缺失青白口系。長城系主要為紫紅色、灰白色等厚層塊狀石英砂巖、粉紅色礫巖，以碎屑巖為主。薊縣系主要為厚層塊狀白云巖、疊層石白云巖、藻白云巖夾顆粒白云巖及含泥白云巖，以碳酸鹽巖為主。震旦系主要為冰磧物沉積。

豫陜裂陷槽長城系由熊耳群組成，主要由一系列陸相噴發(fā)的中—基性火山巖組成。薊縣系巖性主要為砂巖，或夾有頁巖，北大尖組頂部有一層白云巖。青白口系巖性主要為中粒砂巖、粉砂巖和頁巖，崔莊組與北大尖組呈整合接觸。震旦系巖性主要為砂礫巖、白云巖、碎屑巖、泥質(zhì)碳酸鹽巖及粉砂質(zhì)頁巖。

1.2 地層展布

華北地臺東部中元古界呈北東—北東東向狹窄條帶狀展布(圖2)，沉降中心位于薊縣、平泉、沈陽北部和豫西等地區(qū)。薊縣地區(qū)中元古界厚近8 000 m；豫陜裂陷槽中元古界厚逾5 000 m。新元古界厚度有較大變化，冀遼地區(qū)沉積范圍明顯縮小(圖3)，沉積中心也轉(zhuǎn)移到宣化—懷柔一帶；東南部沿郯廬斷裂地層展布范圍明顯擴大，局部地區(qū)新元古界厚度超過8 000 m。

圖2 華北地臺中元古界地層分布

圖3 華北地臺新元古界地層分布

華北地臺西部中元古界厚度比東部小，沉積中心位于地臺邊緣，厚度可達(dá)3 000 m(圖2)。到新元古代，隨著陸內(nèi)裂谷轉(zhuǎn)變?yōu)榇箨戇吘壽晗?，地層展布范圍逐漸縮小，地層變薄，新元古界厚度一般小于400 m(圖3)。

1.3 烴源巖展布

冀遼地區(qū)中新元古界烴源巖主要包括下馬嶺組、鐵嶺組、洪水莊組、霧迷山組和高于莊組。下馬嶺組沉積中心在宣龍坳陷的新保安一帶，暗色泥巖厚度大于300 m，向南向東逐漸變薄，在保定—天津以北尖滅，大部分烴源巖厚度在100～300 m之間(圖4)。鐵嶺組烴源巖厚度多在150～400 m之間，分布范圍比下馬嶺組略大(圖5)。洪水莊組烴源巖分布范圍略小于下馬嶺組，有效烴源巖最大厚度近140 m(圖6)。霧迷山組在冀北平泉一帶厚度超3 000 m，以白云巖為主，有機質(zhì)豐度低，其中暗色泥巖可為烴源巖。高于莊組烴源巖厚度在房山—薊縣一帶超過1 300 m，在冀北寬城一帶超過1 100 m，向西、向南兩側(cè)逐漸減薄，分布范圍大于霧迷山組。

從巖性特征來看，蒙陜裂陷槽薊縣系碳酸鹽巖厚度較大(圖7)，是該區(qū)最具生烴潛力的烴源巖[11]。在陜西隴縣峽口以西的景福山、平?jīng)龃笈_子、甘肅華亭馬峽和崇信的薊縣系沉積厚800～1 400 m，北秦嶺的薊縣系洛南群厚達(dá)1 500 m。

豫陜裂陷槽青白口系地層屬于濱岸—潮坪相碎屑巖建造，形成了分布較廣、沉積厚度較大、層位較穩(wěn)的崔莊組、三教堂組及洛峪口組3套以泥頁巖為主的烴源巖[12]。

圖4 冀遼裂陷槽青白口系下馬嶺組烴源巖分布

圖5 冀遼裂陷槽薊縣系鐵嶺組烴源巖分布

圖6 冀遼裂陷槽薊縣系洪水莊組烴源巖分布

圖7 蒙陜裂陷槽薊縣系碳酸鹽巖分布

對比華北地臺東、西部中新元古界烴源巖巖性發(fā)現(xiàn)，東部地區(qū)有碳酸鹽巖和泥頁巖兩類烴源巖，且泥頁巖有機質(zhì)豐度、生烴潛力高于碳酸鹽巖；而西部地區(qū)烴源巖以碳酸鹽巖為主，碎屑巖基本沒有生烴能力。

2 東西部生烴條件及其比較

從有機質(zhì)豐度、類型和熱演化程度等方面對華北地臺冀遼裂陷槽、豫陜裂陷槽及蒙陜裂陷槽中新元古界的生烴條件進行比較。發(fā)現(xiàn)華北地臺東部有機質(zhì)豐度高、有機質(zhì)類型好，現(xiàn)今熱演化程度在成熟—過成熟階段之間；西部烴源巖有機質(zhì)豐度偏低、有機質(zhì)類型也較好，基本處于過成熟階段。

2.1 有機質(zhì)豐度

對冀遼地區(qū)烴源巖樣品的總有機碳(TOC)、氯仿瀝青“A”以及生烴潛量等進行分析，可以得出洪水莊組泥、頁巖有機質(zhì)豐度最高(表1)，TOC最高可達(dá)6.1%，為一套好烴源巖；下馬嶺組泥頁巖TOC最高值為16.7%，屬于好烴源巖；鐵嶺組泥頁巖雖然TOC也較高，但厚度較薄；鐵嶺組碳酸鹽巖有機質(zhì)豐度較高，TOC最高值為1.87%，為一套有效油源巖；霧迷山組、高于莊組和串嶺溝組有機質(zhì)豐度較低，但仍有部分樣品達(dá)到了有效烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，例如高于莊組灰?guī)r達(dá)到有效氣源巖標(biāo)準(zhǔn)的樣品占42.1%。

蒙陜裂陷槽的薊縣系有機質(zhì)豐度低，生烴潛量為0.03～0.06 mg/g，生烴能力比較差(表1)。杭錦后旗中元古界烴源巖樣品TOC最高可達(dá)4.6%，平均含量2.3%；固陽縣長城系暗色泥巖TOC高達(dá)1.59%[13]。總體看來，薊縣系埋深大、時代老、有機質(zhì)演化程度高，為高成熟—過成熟海相碳酸鹽巖,可以作為有效氣源巖[13]。

豫陜裂陷槽魯山下湯剖面青白口系崔莊組泥頁巖總厚度15.2 m，其生烴潛力較差(表1)[12]。總體來看，豫陜裂陷槽中新元古界有機質(zhì)豐度較低、烴源巖厚度較小、生油能力較差[14]。

2.2 有機質(zhì)類型

中上元古界烴源巖的生烴母質(zhì)以菌藻類等低等生物為主[15]。冀遼地區(qū)烴源巖干酪根鏡下多呈團塊狀和球粒狀無定形結(jié)構(gòu)，類脂組含量大于60%，類型指數(shù)大于40；有機質(zhì)δ13C為-34‰～-29‰。根據(jù)總烴和碳同位素組成的關(guān)系(圖8)，各套烴源巖樣品有機質(zhì)類型主要分布在Ⅰ型范圍內(nèi)。綜合分析認(rèn)為，冀北坳陷中新元古界有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，少數(shù)為Ⅱ1型。

蒙陜裂陷槽西南緣薊縣系有機質(zhì)類型為Ⅰ型，鎮(zhèn)探1井和寧探1井無定型組分超過95%，惰質(zhì)組含量極少。

表1 華北地臺中新元古界烴源巖特征

圖8 冀北坳陷中新元古界烴源巖總烴與碳同位素的關(guān)系據(jù)劉寶泉等[30]。

豫陜地區(qū)青白口系崔莊組烴源巖主要為淺?！肷詈３练e的黑色頁巖、泥頁巖，干酪根類型主要為Ⅰ-Ⅱ1型[12,16-18]。

2.3 有機質(zhì)熱演化程度

冀北地區(qū)高于莊組Tmax平均值為492 ℃，大約有72.7%的樣品Tmax>475 ℃，處于以生氣為主的階段；有27.3%的樣品Tmax<475 ℃，處于凝析油階段。寬城化1井和平泉霧迷山組頂部巖樣瀝青反射率(Rb)為0.90%～1.15%，H/C原子比為0.83～1.17，說明該組頂部及上部處于生油階段；Tmax變化范圍為434～550 ℃，平均值為469 ℃，主要處于成熟—高成熟階段，約有47.6%的樣品處于生氣階段。洪水莊組Tmax平均值為453 ℃，略高于鐵嶺組；Rb變化范圍為0.63%～2.66%，大約有85%的樣品Rb<1.30%，處于生油階段。鐵嶺組Tmax平均值為450 ℃，79.2%的樣品Rb<1.30%，75%的樣品H/C原子比大于0.70，處于生油階段。凌源地區(qū)靠近輝綠巖的下馬嶺組樣品Rb高達(dá)2.47%～3.25%，已達(dá)干氣階段，其他地區(qū)下馬嶺組Rb大多為 0.85%～3.36%，約有44%的樣品Rb>2.25%；Tmax為421～550 ℃；86.7%的樣品H/C原子比小于0.60，已達(dá)濕氣—干氣階段[19-22]。

各層烴源巖總的變化趨勢為：隨地質(zhì)年代的變老和上覆地層厚度的增加，H/C原子比逐漸減小，Tmax逐漸增高，干酪根顏色逐漸加深，即熱演化程度逐漸增高。霧迷山組以上地層大多處于以生油為主的階段，霧迷山組下部及下伏地層高于莊組大約處于凝析油—濕氣為主的階段。但下馬嶺組頁巖由于輝綠巖作用，其熱演化程度大大高于下伏地層鐵嶺組、洪水莊組及霧迷山組，已達(dá)以生氣為主的階段。洪水莊組和鐵嶺組一般處于生油主帶的晚期或凝析油帶的早期階段(表1)[23]。

豫陜裂陷槽青白口系與徐淮地區(qū)劉老碑組具有對應(yīng)關(guān)系，兩地同處于南華北盆地的構(gòu)造演化環(huán)境中，其熱演化也具有一致性。徐淮地區(qū)劉老碑組Ro為2.5%～4%，有機質(zhì)處于過成熟階段，但仍處于生氣高峰窗內(nèi)，可作為有效氣源巖；新元古界的烴源巖熱解Tmax為445～447 ℃，約有20%的樣品Ro<1.3%，處于成熟階段，其余樣品Ro在1.3%～3.01%，處于高成熟—過成熟階段[13-17]。由此推測，豫陜裂陷槽的有機質(zhì)也應(yīng)處于成熟—過成熟階段。

蒙陜裂陷槽薊縣系碳酸鹽巖Rb在2.33%～3.6%，Tmax為472～605 ℃，有機包裹體均一溫度為130.2～236.2 ℃，熱演化程度高，已達(dá)成熟—過成熟階段[11,24]。

3 東西部生烴過程及其比較

華北地臺中新元古界經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時期、復(fù)雜的構(gòu)造演化和熱演化過程[25-30]，同時華北地臺東西部在構(gòu)造、熱演化史等方面的差異也造成了東西部生烴過程的差異。

3.1 熱演化史與生烴過程

中元古代—二疊紀(jì)華北地臺為穩(wěn)定克拉通內(nèi)部沉降型盆地形成時期[31]，晚古生代末期，華北地臺東西分異開始，向獨立盆地發(fā)展[32]。在二疊紀(jì)末期冀遼地區(qū)各烴源巖層地溫仍低于生油門限值，沒有成熟。早中三疊世，各烴源巖層相繼進入成熟期，開始生油。進入晚三疊世，由于印支期地臺東部遭受強烈的擠壓作用，地層抬升，地溫有所下降，熱演化進程停滯。到侏羅—白堊紀(jì)，燕山期的高地溫場和斷塊差異升降促使沉降區(qū)熱演化程度進一步增高，各烴源巖層才完全進入成熟期或過成熟期[18,22]。

豫陜裂陷槽崔莊組烴源巖有機質(zhì)熱演化成熟期與華北地臺東部的下馬嶺組基本一致，于三疊紀(jì)末期全部達(dá)到成熟階段。燕山期構(gòu)造運動劇烈，巖漿活動頻繁，使該地區(qū)烴源巖熱演化程度增高，進入生氣階段。

蒙陜裂陷槽在早奧陶世緩慢沉降，奧陶紀(jì)末大部分地區(qū)抬升，此時有機質(zhì)處于未成熟階段。石炭紀(jì)后盆地持續(xù)沉降，二疊紀(jì)末有機質(zhì)熱演化具有南高北低的特點，南部地區(qū)開始進入成熟期，北部有機質(zhì)熱演化相對較低。三疊紀(jì)受印支運動影響，蒙陜裂陷槽發(fā)生短暫抬升遭受剝蝕后再次劇烈沉降，盆地?zé)嵫莼觿?，大部分地區(qū)有機質(zhì)達(dá)到高成熟或過成熟階段，進入生氣階段，僅北部局部地區(qū)處于低成熟階段。晚白堊世以后由于燕山期和喜馬拉雅期運動，盆地周緣發(fā)生斷陷，形成現(xiàn)今熱演化格局。

3.2 東西部熱演化程度比較

從現(xiàn)今有機質(zhì)熱演化程度來看，華北地臺東部的有機質(zhì)基本都處于成熟—過成熟階段，西部的有機質(zhì)基本都處于過成熟階段。東西部中新元古界盡管現(xiàn)今熱演化程度相似，但熱演化過程差異較大，東部自晚古生代以后持續(xù)抬升，上覆地層剝蝕殆盡，熱演化程度基本處于高成熟—過成熟范圍內(nèi)；西部則持續(xù)沉降，現(xiàn)今達(dá)到最高演化程度，一般達(dá)到過成熟階段[33-34]。

4 生烴有利區(qū)選擇與評價

以有機質(zhì)豐度和成熟度為主要評價標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析認(rèn)為，冀遼裂陷槽的冀北坳陷、冀中坳陷、宣龍坳陷和蒙陜裂陷槽的定邊地區(qū)屬華北地臺中新元古界的有利生烴區(qū)。

4.1 冀北坳陷

烴源巖主要為下馬嶺組及洪水莊組頁巖，另外還有霧迷山組碳酸鹽巖。下馬嶺組頁巖有機碳含量在雙洞背斜和承德縣以西大營鄉(xiāng)一帶有2個高值區(qū)，TOC大于2.0%；化皮背斜帶為低值區(qū)，TOC在0.51%～0.89%。從全坳陷來看，大部分地區(qū)為好烴源巖。洪水莊組頁巖TOC也有2個高值區(qū)，寬城化皮背斜及其周邊TOC最高，其平均值多在4%左右；雙洞背斜是第2個高值區(qū)，TOC大于3.0%。在黨壩向斜內(nèi)TOC多大于2.0%。烴源巖熱演化受火山巖作用影響，演化不均。洪水莊組Rb變化范圍為0.63%～2.66%，平均1.07%，大約有85%的樣品Rb<1.30%，處于生油階段。在凌源縣和承德縣靠近火成巖的樣品已達(dá)干氣階段。利用盆地模擬方法計算出資源量為2.1×108t，資源豐度為7×104t/km2。

4.2 冀中坳陷北部

冀中地區(qū)中新元古界烴源巖主要為高于莊組、霧迷山組、洪水莊組和下馬嶺組。霧迷山組TOC平均為0.07%，氯仿瀝青“A”平均為0.087%。高于莊組鉆井樣品分析TOC為0.09%，氯仿瀝青“A”為0.544%。鐵嶺組碳酸鹽巖TOC平均為0.17%，氯仿瀝青“A”為0.094%。根據(jù)京101井分析結(jié)果，冀中坳陷北部有機質(zhì)豐度較高，霧迷山組TOC平均為0.26%，鐵嶺組TOC平均值為0.85%，下馬嶺組TOC平均值為0.49%。盆地模擬計算出冀中坳陷北部資源量為2.4×108t。

4.3 宣龍坳陷

以下花園地區(qū)為例，下馬嶺組烴源巖厚達(dá)百米，有機質(zhì)豐度高，TOC高達(dá)2.0%～6.0%，氯仿瀝青“A”為0.2%～0.35%，有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型，熱演化屬于成熟階段早期，Tmax在431～449 ℃之間，生烴潛力在燕山西段最優(yōu)。洪水莊組頁巖有機質(zhì)豐度僅次于下馬嶺組頁巖，TOC為0.23%～0.70%，氯仿瀝青“A”為0.048%～0.05%，但厚度在十幾米到幾十米之間，為較好烴源巖。鐵嶺組碳酸鹽巖和頁巖的有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型，TOC為0.04%～0.33%，氯仿瀝青“A”為0.036%～0.125%。霧迷山組碳酸鹽巖厚度可達(dá)千米，有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型，TOC為0.08%～0.37%，氯仿瀝青“A”為0.029%～0.173%?？偟膩砜矗堐晗輩^(qū)生烴潛力較好。

4.4 定邊地區(qū)

定邊地區(qū)長城系、薊縣系地層厚度較大，薊縣系TOC一般0.03%～0.4%，平均0.13%，豐度較低；氯仿瀝青“A”小于0.01%，生烴能力較差。但是薊縣系勘探程度低，不排除局部有好的烴源巖存在。

5 結(jié)論

(1)華北地臺東部中新元古界烴源巖具有時代老、有機質(zhì)豐度高的特點，有機質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主，大部分烴源巖處于成熟—高成熟階段；而西部烴源巖有機質(zhì)豐度較低，熱演化程度偏高，處于成熟—過成熟階段。

(2)華北地臺中新元古界下馬嶺組、鐵嶺組、洪水莊組頁巖為好烴源巖，霧迷山組和高于莊組碳酸鹽巖也具有一定生烴潛力。

(3)華北地臺東部中新元古界烴源巖以頁巖為主，其次為碳酸鹽巖；西部具有生烴潛力的烴源巖以碳酸鹽巖為主，而碎屑巖基本沒有生烴能力。

(4)華北地臺東部地區(qū)生烴條件優(yōu)于西部地區(qū)，生烴有利區(qū)主要分布于東部的冀北坳陷和冀中坳陷北部。

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(編輯 徐文明)

Comparative research on hydrocarbon generation conditions of Meso-Neoproterozoic between east and west of North China Platform

Lin Yuxiang, Li Xiaofeng, Yan Xiaoxia, Guo Fengxia, Liu Hu, Li Xiuqin

(College of Geological Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Based on the analysis of the abundance, type, thermal evolution degree of organic matter and the hydrocarbon generation history in Meso-Neoproterozoic in the North China Platform, the western part of the platform represented by the Mengshan Aulacogen was compared with the eastern part represented by the Jiliao Aulacogen in hydrocarbon generation condition. The hydrocarbon source rocks of Meso-Neoproterozoic in the eastern part of the North China Platform are premium source rocks for high abundance and good type of organic matter while the western hydrocarbon source rocks with low abundance of organic matter are only medium to bias, even though their type is also good. Although the thermal evolution of the eastern part is similar to the western part, their thermal evolutions are quite different from the Late Paleozoic: the eastern part uplifted in succession and the overlying strata denuded; while the western part continued to subside and achieved the highest thermal evolution degree in Mesozoic. Generally speaking, the Jiliao Aulacogen is the most favorable hydrocarbon generation area in the North China platform, then the Mengshan Aulacogen and the Yushan Aulacogen.

hydrocarbon generation condition; thermal evolution history; Meso-Neoproterozoic; Mengshan Aulacogen; Jiliao Aulacogen; Yushan Aulacogen; North China Platform

1001-6112(2014)05-0618-08

10.11781/sysydz201405618

2013-07-24；

2014-07-18。

林玉祥(1963—)，男，教授，從事油氣地質(zhì)研究。E-mail: sdkdlyx@126.com。

國家自然科學(xué)基金面上項目(41172108)、國家油氣專項“十二五”課題(2011ZX05033-04,2011ZX05004-01) 和中國石油“十二五”科技攻關(guān)課題(2011A-0203)資助。

TE122.1

A