川東北地區(qū)二疊系烴源巖沉積環(huán)境及控制因素
——以城口木瓜口剖面為例

彭金寧，張 敏，劉光祥，潘文蕾

(1.長江大學 地球環(huán)境與水資源學院，武漢 430100；2.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

川東北地區(qū)二疊系烴源巖沉積環(huán)境及控制因素
——以城口木瓜口剖面為例

彭金寧1,2，張 敏1，劉光祥2，潘文蕾2

(1.長江大學 地球環(huán)境與水資源學院，武漢 430100；2.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

基于前人研究資料和野外露頭剖面詳細觀測及樣品實測數(shù)據(jù)，以川東北城口木瓜口二疊系剖面為例，通過常量元素(氧化物)、微量元素等參數(shù)進行古環(huán)境條件恢復，分析了古環(huán)境與烴源巖發(fā)育的相關(guān)性，并探討了烴源巖縱橫向分布的主控因素。研究認為： (1)在橫向上，研究區(qū)二疊系深水陸棚相、臺盆相烴源巖最發(fā)育，有機質(zhì)豐度也相對高，臺內(nèi)洼地亞相烴源巖豐度較低；(2)在縱向上，二疊系烴源巖主要發(fā)育于海侵半旋回中，最大海泛時期烴源巖有機質(zhì)豐度指標最好；(3)古生物生產(chǎn)力和有機質(zhì)保存是控制烴源巖有機質(zhì)豐度的主要因素，并且只有當古生產(chǎn)力高，有機質(zhì)保存好時，源巖的有機質(zhì)豐度最好，兩者缺一不可。

古生物生產(chǎn)力；有機質(zhì)保存；烴源巖；二疊系；川東北地區(qū)

1 地質(zhì)概況

川東北地區(qū)面積約為2.5×104km2，范圍包括廣元—南江以南，廣元—閬中以東，閬中—達州以北，向東至盆地邊界(圖1)[1]。川東北地區(qū)海相烴源巖的研究及勘探實踐表明，海相烴源巖主要受控于沉積環(huán)境，即“環(huán)境控源”[2-5]。海相有機質(zhì)富集及烴源巖發(fā)育主要受控于當時的沉積環(huán)境，其中生物生產(chǎn)力、地層水含氧量(氧化—還原條件)、沉積速率及水動力條件等是關(guān)鍵因素，共同控制著烴源巖發(fā)育與分布[2]。烴源巖多為一種細粒的沉積巖，在成巖作用后期，部分過渡性元素在量上發(fā)生了一定的改變，但元素與其形式仍保持平行。因此，對于烴源巖演化程度較高的中國南方海相地層區(qū)，微量元素、稀土元素和碳、氧同位素等無機參數(shù)能較好地反映烴源巖實體所保存的原始地球化學信息、古海洋原始地球化學特征及環(huán)境指示標志，具有較高的可信度[6-11]。本文以城口木瓜口二疊系剖面為例，從沉積相、巖性特征、微量元素以及海平面變化之間的相互關(guān)系入手，分析了古環(huán)境與烴源巖發(fā)育的相關(guān)性，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件，探討烴源巖的沉積環(huán)境與展布，研究烴源巖的主控因素。

圖1 川東北地區(qū)地質(zhì)略圖及剖面分布

2 典型剖面分析

2.1城口木瓜口二疊系剖面

城口木瓜口二疊系剖面縱向上依次發(fā)育棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)、吳家坪(P3w)、長興組(P3ch)。剖面實測地層總厚度321.4 m，共測試樣品39件(圖2)。有機質(zhì)豐度較高的樣品主要分布于3個層段：(1)棲霞組下部，厚度24.55 m，TOC值分布于0.34%～8.02%，平均2.06%(7件樣品)，烴源巖達標率36.86%；(2)吳家坪組下部，厚度18.94 m，TOC值范圍0.44%～3.44%，平均1.28%(6件樣品)，達標率18.66%；(3)茅口組中下部，厚度30.35 m，TOC值為0.56%。

2.2烴源巖沉積環(huán)境及特征

結(jié)合前人對研究區(qū)二疊系沉積相研究成果[12-18]，宏觀沉積相分析表明，川東北地區(qū)城口木瓜口二疊系發(fā)育以下幾種相類型：開闊臺地相、臺地邊緣相、臺盆相、淺海陸棚相、棚緣斜坡相、深水盆地相(圖2)。

2.2.1 棲霞組

棲霞組縱向上從下往上巖性依次為：黑色泥灰?guī)r、灰黑色含泥質(zhì)灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r、深灰色砂屑灰?guī)r、淺灰色含砂屑灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r、淺灰色生屑灰?guī)r夾生物灰?guī)r，巖石顏色越往上越淺，而灰?guī)r顆粒越來越粗，有機質(zhì)含量越往上越小。底部泥灰?guī)r層段生屑含量很低(圖3a)，越往上生屑含量越高，反映了水體由深變淺，水動力由弱到強。沉積相分析可知，底部泥灰?guī)r段為臺盆相沉積，中、上部砂屑灰?guī)r及生屑灰?guī)r段為開闊海臺地相沉積。

棲霞組底部層段巖性特征反映的海平面升降與灰?guī)r碳、氧同位素曲線反映的海平面升降成正相關(guān)關(guān)系，Sr/Ba比值的變化特征也反映了由海侵到海退的旋回特征，P、Ba、Cr等元素也反映出生物發(fā)育的營養(yǎng)型元素富集，表示了生物的高生產(chǎn)力[19-20]；而高含硫量(最高達2.45%)(圖2)表征了沉積水體的強還原性；V/(V+Ni)比值為0.75～0.89，大于0.54，反映出有利于有機質(zhì)保存的厭氧、貧氧環(huán)境。而該段正好為烴源巖有機碳含量較高的層段(圖2)。

棲霞組沉積晚期主要為高水位期的開闊臺地相沉積，巖性以砂屑灰?guī)r為主，表現(xiàn)出較強的水動力，對有機質(zhì)保存較為不利。同時，該層段生物所含的營養(yǎng)型元素較低，如P元素含量僅為幾十μg/g，Ba元素含量也很低，這反映出棲霞組沉積晚期生物繁茂程度較早期低；另外，S含量極低，V/(V+Ni)、V/Cr比值降低，屬弱氧化—弱還原環(huán)境，也揭示出不利于有機質(zhì)保存，殘余有機碳含量分布于0.02%～0.1%之間也反映了這一點(圖2)。因此，該層段為非烴源巖。

圖2 川東北地區(qū)城口木瓜口二疊系剖面地球化學綜合柱狀

圖3 川東北地區(qū)城口木瓜口剖面二疊系各組段巖石薄片樣品位置見圖2。

2.2.2 茅口組

茅口組下部為中—薄層黑色泥灰?guī)r，中上部為團塊狀灰—灰褐色含泥質(zhì)生屑灰?guī)r；越往上泥質(zhì)含量越低，灰?guī)r團塊顆粒越大(圖3b)。同時，下部的泥灰?guī)r層段顏色較深，反映當時沉積時水體較深，水動力較弱，表現(xiàn)為臺盆相沉積環(huán)境；上部團塊狀灰?guī)r顏色較淺，泥質(zhì)含量也較低，一般含生屑，反映水體比下部泥灰?guī)r段淺，水動力要強，應為臺地邊緣沉積環(huán)境。

微量元素、碳同位素及有機碳含量變化曲線反映茅口早期再次發(fā)生海侵(圖2)。同時，碳同位素值較P2q有正向漂移，V/(V+Ni)比值為0.67～0.91，V/Cr比值為1.40～2.69，Sr/Ba比值49.80～95.43，均較棲霞組上部層段高，反映茅口期水體比棲霞期要深。從TOC值、碳、氧同位素值等指標可以看出，至茅口期大范圍海退之前，整個茅口期海平面變化均較小。

2.2.3 吳家坪組

吳家坪組底部為灰黑色泥灰?guī)r、灰?guī)r與黑色硅質(zhì)巖互層，下部為深灰色含燧石團塊灰?guī)r，中部為灰黑色含生屑含燧石團塊灰?guī)r，上部為深灰色含生屑粒屑灰?guī)r。下部層段顏色較深，灰黑色—黑色，具水平層理，硅質(zhì)巖較發(fā)育(圖3c)，反映了深水盆地的沉積特征；中部深灰色含燧石團塊灰?guī)r為淺海陸棚環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，灰黑色含生屑夾燧石團塊灰?guī)r為陸棚內(nèi)緣斜坡環(huán)境下的沉積產(chǎn)物；上部深灰色含生屑粒屑灰?guī)r(圖3d)則為臺地邊緣環(huán)境下的沉積產(chǎn)物。因此，該剖面吳家坪組沉積早、中期為陸棚—深水盆地環(huán)境，晚期則轉(zhuǎn)化為開闊海臺地環(huán)境。

吳家坪組沉積早期發(fā)生了又一次的海侵，沉積水體變深，沉積特征表現(xiàn)為水平層理，巖性以硅質(zhì)巖為主，與巖性特征反映的結(jié)果基本一致。此時碳同位素呈正向飄移，Sr/Ba比值也相應增加，反映生物繁盛的元素P、Ba等含量也增加，達到峰值，反映出生物原始生產(chǎn)力較高；硫含量較高，指示P3w早期為強還原環(huán)境。從分析測試結(jié)果看(圖2)，V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co等比值明顯增大，也反映了P3w早期為貧氧—厭氧環(huán)境，對有機質(zhì)保存較為有利。因此，吳家坪組下部為烴源巖發(fā)育層段。

吳家坪組上部層段為淺海陸棚—陸棚內(nèi)緣斜坡相沉積，Sr/Ba比值較吳家坪組下部的低，因此，沉積水體相應變淺。同時，P、Ba、Zn、S等元素含量及V/Cr、Ni/Co比值也比吳家坪組下部的深水陸棚—盆地相低(圖2)，揭示出吳家坪組上部為低生物生產(chǎn)力，沉積環(huán)境為富氧環(huán)境，對有機質(zhì)保存較為不利。其有機碳含量普遍小于0.3%也證實了這一點。因此，吳家坪組上部為非烴源巖層段。

2.2.4 長興組

長興組下部為灰黑色、灰色厚層至塊狀生屑灰?guī)r(圖3e)；中部為灰色、淺灰色團塊狀灰?guī)r夾燧石條帶及結(jié)核；上部為淺灰色灰?guī)r、砂屑灰?guī)r(圖3f)。長興組巖性組合反映了沉積環(huán)境為臺地相向臺緣相的過渡。在海平面變化上，δ13C、V/Cr、V/(V+Ni)、 Sr/Ba急劇降低，反映了長興組沉積初期發(fā)生了一次較大規(guī)模的快速海退，此后再次經(jīng)歷緩慢海侵；至長興組沉積中、晚期，剖面上巖性組合反映出沉積環(huán)境由開闊臺地相向臺地邊緣相過渡(圖2)。

綜上所述，無論從巖性組合，還是從碳同位素、Sr/Ba等變化曲線，都反映出烴源巖的發(fā)育與海平面上升半旋回有較好的相關(guān)性，而P、Ba、Zn、Ni等微量元素均能較好地指示烴源巖發(fā)育時具有較高的生物生產(chǎn)力。 同時，S含量、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co比值與沉積環(huán)境的還原性具有較好的正相關(guān)性，烴源巖含硫量越高， V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co比值越高，反映出還原環(huán)境就越強。從沉積相看，烴源巖主要發(fā)育于臺內(nèi)凹陷(臺盆相)相帶。

3 烴源巖發(fā)育控制因素探討

結(jié)合南江橋亭剖面、旺蒼立溪巖剖面(圖1)，對比研究了二疊系烴源巖主要發(fā)育層段的TOC值、沉積相、海侵—海退旋回、生物繁茂程度(表1)，認為：(1)二疊系烴源巖發(fā)育于臺盆相、深水陸棚相、開闊臺地相帶內(nèi)的臺內(nèi)洼地、臺緣斜坡等相帶，其中烴源巖最發(fā)育且有機質(zhì)豐度相對較高的相帶為深水陸棚相、臺盆相，其他相帶烴源巖豐度較低；(2)在縱向上，海侵半旋回過程中烴源巖最發(fā)育，源巖的有機質(zhì)豐度在最大海泛時期達到最好；只有極少數(shù)層段烴源巖海退半旋回中較為發(fā)育，如南江吳家坪組、旺蒼茅口組中上部烴源層；(3)烴源巖有機碳含量與硫含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖4)，反映出烴源巖形成于還原環(huán)境；(4)生物原始生產(chǎn)力和有機質(zhì)保存控制著源巖有機質(zhì)的豐度，只有生產(chǎn)力高、有機質(zhì)保存好，源巖有機質(zhì)的豐度才高；而生物生產(chǎn)率較低、有機質(zhì)保存好，或者有機質(zhì)保存差、生物生產(chǎn)力高，烴源巖的有機質(zhì)豐度均較低。

表1 川東北地區(qū)二疊系烴源巖發(fā)育層段及其主控因素分析

注：表中數(shù)據(jù)意義為“平均值/樣品數(shù)”。

圖4 川東北地區(qū)二疊系巖樣有機碳與硫含量的關(guān)系

圖5 川東北地區(qū)二疊系巖樣氧化物與有機碳含量的關(guān)系

此外，沉積巖中常量元素的含量與沉積環(huán)境也具有較好的相關(guān)性。如，Al2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、TiO2等主要賦存于黏土礦物中，代表了陸源泥質(zhì)。由氧化物與有機碳含量相關(guān)圖(圖5)可知，氧化物含量與源巖有機質(zhì)的豐度呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，反映了烴源巖的發(fā)育程度與泥質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)沉積特征、巖石學特征、碳酸鹽的碳、氧同位素及微量元素特征等反映出研究區(qū)烴源巖主要發(fā)育于海侵半旋回中，最大海泛時期有機質(zhì)豐度最高，與強還原環(huán)境和高的古生物生產(chǎn)力相對應。

(2)研究區(qū)二疊系烴源巖縱向上主要發(fā)育與分布受沉積旋回控制，往往海侵半旋回中較為發(fā)育，古生物生產(chǎn)力和有機質(zhì)的保存控制著烴源巖有機質(zhì)豐度的高低；橫向上沉積相(沉積環(huán)境)控制著烴源巖的展布，以臺盆相、深水陸棚相最為發(fā)育。

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(編輯徐文明)

SedimentaryenvironmentsandcontrollingfactorsofPermiansourcerocksinnortheasternSichuanBasin: A case study of Muguakou profile in Chengkou

Peng Jinning1,2, Zhang Min1, Liu Guangxiang2, Pan Wenlei2

(1.DepartmentofGeochemistry,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100; 2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

Based on previous analyses as well as filed outcrop observations and sample tests, a case study of the Permian profile in the Chengkou area of the northeastern Sichuan Basin was carried out. Palaeoenvironment was restored according to the parameters of macroelement (oxidizing material) and microelement, and the relationship between palaeoenvironment and source rock development was analyzed. The controlling factors for the vertical and horizontal distributions of source rock were discussed. Several conclusions were made as followed. 1) On plane map, the source rocks of deepwater marine shelf and interplatform basin facies had the highest organic matter abundance and were most widespread in Permian in the study area. The source rocks of innerplatform depression subfacies had lower organic matter abundance. 2) Vertically, the Permian source rocks mainly developed in transgressive hemicycle, and reached the highest organic matter abundance during the maximum flooding period. 3) Organic matter abundance was controlled by ancient biological productivity and organic matter preservation condition. Both of the 2 factors were necessary for high organic matter abundance.

ancient biological productivity; organic matter preservation; source rock; Permian; northeastern Sichuan Basin

1001-6112(2014)01-0095-07

10.11781/sysydz201401095

2013-05-20；

：2014-01-06。

彭金寧(1979—)，男，在讀博士，工程師，從事海相油氣地質(zhì)研究。E-mail: pjinning@163.com 。

中國石化科技部項目“四川盆地二疊系烴源巖及其資源潛力研究”(P08065)資助。

TE122.1

：A