珠江口盆地白云凹陷恩平組泥巖元素地球化學(xué)特征及環(huán)境指示意義

石創(chuàng)，龍祖烈，朱俊章，姜正龍，黃玉平

1.中海石油深海開發(fā)有限公司，深圳 518054

2.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，深圳 518054

3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083

巖石中的元素在巖石風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過程中受外部環(huán)境的影響，會(huì)發(fā)生規(guī)律性的分散和富集，使得元素的含量或不同元素間的比值出現(xiàn)規(guī)律性變化[1-2]。利用沉積巖中元素含量或比值來表征古沉積環(huán)境變化，恢復(fù)古水深、古氧相、古氣候、古鹽度和埋藏效率等環(huán)境指標(biāo)已在油氣勘探領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

海上油氣勘探從淺水走向深水已是必然趨勢(shì)，深水盆地是當(dāng)今全球油氣勘探的熱點(diǎn)區(qū)[3]。白云凹陷主體位于珠江口盆地深水區(qū)，經(jīng)過多年的勘探實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)多個(gè)大型油氣藏，特別是荔灣3-1 氣田的發(fā)現(xiàn)，拉開了中國(guó)深?？碧降男蚰唬C實(shí)了白云凹陷的生烴潛力[4-5]。目前，白云凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣分布具有“內(nèi)氣外油、以氣為主、以油為輔”的特點(diǎn)[5]。明確優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布，對(duì)于尋找油氣有利聚集帶，指導(dǎo)勘探部署具有重要意義。但白云凹陷鉆遇有效烴源巖鉆井少，僅以單井有限樣本評(píng)價(jià)凹陷烴源巖，難以揭示凹陷烴源巖全貌。針對(duì)以上問題，本文運(yùn)用元素地球化學(xué)的方法研究白云凹陷烴源巖發(fā)育的沉積環(huán)境，確定烴源巖形成背景，進(jìn)而為白云凹陷油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

白云凹陷位于珠江口盆地中部坳陷帶，是珠江口盆地規(guī)模最大、埋藏最深的沉積凹陷，水深約200～2 800 m，總體呈NEE 向展布，包括白云主洼、白云東洼、白云南洼和白云西洼4 個(gè)次級(jí)洼陷[4]。白云凹陷東側(cè)為云荔低隆起，西側(cè)為云開低凸起，南鄰順鶴隆起，北部與番禺低隆起相接（圖1）。凹陷自下而上發(fā)育文昌組、恩平組和珠海組3 套烴源巖，其中，文昌組主要發(fā)育淺湖—半深湖相沉積，恩平組主要發(fā)育河流—三角洲相沉積，同時(shí)晚期受東南部海侵影響，珠海組主要發(fā)育三角洲—濱淺海相沉積[6]。前人應(yīng)用有機(jī)地化對(duì)白云凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣進(jìn)行分析，確定了恩平組烴源巖對(duì)白云凹陷油氣成藏的貢獻(xiàn)[7]，同時(shí)，由于鉆遇文昌組烴源巖的鉆井極少，珠海組烴源巖僅在白云主洼中心成熟，因此，文章選取恩平組進(jìn)行元素地球化學(xué)分析。

2 樣品采集與分析測(cè)試

本次研究目的是通過元素地球化學(xué)分析白云凹陷恩平組烴源巖發(fā)育環(huán)境。研究表明，泥巖粒度小對(duì)元素的吸附性能好，同時(shí)，泥巖孔隙度小，連通性差，受后期孔隙流體影響小，能夠較好地保存原始沉積記錄[8]。因此，選取白云凹陷5 口鉆井共51 個(gè)恩平組泥巖樣品進(jìn)行元素測(cè)試。W-1 井位于白云西洼，共8 個(gè)樣品；W-2 井位于白云東洼，共6 個(gè)樣品；W-3 井位于白云主洼，共4 個(gè)樣品；W-4 井和W-5 井位于白云南洼，其中，W-4 井共10 個(gè)樣品，W-5 井共23 個(gè)樣品（圖1）。所有樣品使用德國(guó)飛馳公司生產(chǎn)的PULVERISETTE6 行星式球狀研磨儀粉碎研磨至200 目以下的粉末。常量元素測(cè)定采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios MAX X 射線熒光光譜儀，偏差小于0.05%。微量元素的測(cè)定采用美國(guó)賽默飛公司生產(chǎn)的ELEMENT XR 等離子體質(zhì)譜儀，偏差小于0.1%。樣品處理及元素含量測(cè)試均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖 1 白云凹陷構(gòu)造位置Fig.1 The structural geological map of Baiyun Sag

3 元素特征及環(huán)境指示意義

3.1 樣品有效性分析

樣品測(cè)試結(jié)果有效可靠是恢復(fù)古沉積環(huán)境的前提條件，成巖期后的蝕變作用會(huì)影響數(shù)據(jù)判斷沉積環(huán)境的準(zhǔn)確性，因此，在系統(tǒng)分析前需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析[9]。大量研究表明，在后期成巖作用蝕變的影響下，容易造成沉積物中Sr 流失和Mn 富集，一般認(rèn)為Mn/Sr 比值小于10，表明樣品未遭受強(qiáng)烈蝕變[9-11]。對(duì)恩平組所取的51 個(gè)樣品Mn/Sr 比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最大值為8.57，最小值為1.58，平均值為4.22，表明樣品受后期成巖作用影響較小，能夠保持原有特征，分析結(jié)果具有一定代表性。

3.2 古沉積環(huán)境恢復(fù)

根據(jù)測(cè)試化驗(yàn)結(jié)果，以元素地球化學(xué)理論為指導(dǎo)，綜合運(yùn)用對(duì)沉積環(huán)境反映敏感的元素參數(shù)，對(duì)白云凹陷恩平組泥巖樣品進(jìn)行古水深、古氧相、古氣候、古鹽度和埋藏效率等環(huán)境指標(biāo)恢復(fù)，明確白云凹陷恩平組烴源巖發(fā)育的沉積環(huán)境（表1）。

3.2.1 古水深

元素地球化學(xué)研究表明，沉積物在沉積過程中受機(jī)械分異作用、化學(xué)分異作用和生物分異作用的影響，發(fā)生規(guī)律性的聚集和分散，一些元素的比值對(duì)于古水深有較好的指示意義[12]。沉積物中Mn 和Al 的含量具有隨水深增加而增加的規(guī)律,而Fe 和Mg 的含量具有隨水深增加而減少的特征，因此，文章采用（Mn/Fe）×100 和M 值（（MgO/Al2O3）×100）來表征水深變化，其中，（Mn/Fe）×100 隨著水深的增加而增加，M 值隨水深增加而變小[10]。

W-1 井（Mn/Fe）×100 和M 值存在波動(dòng)，總體顯示水深自下而上先增加后減?。籛-2 井（Mn/Fe）×100從下到上逐漸減小，而M 值逐漸增加，表明水深有減小趨勢(shì)；W-3 井M 值較穩(wěn)定，（Mn/Fe）×100 存在1 個(gè)較低值，總體顯示水深變化相對(duì)較??；W-4 井和W-5 井（Mn/Fe）×100 總體上自下而上先減小后增加，M 值變化情況則相反，反映水深早期由深變淺，晚期稍有增加趨勢(shì)（圖2）。以（Mn/Fe）×100 為2.5%分界，對(duì)比各鉆井?dāng)?shù)值發(fā)現(xiàn)，W-3 井（Mn/Fe）×100 大于2.5%，其他各井（Mn/Fe）×100 總體小于2.5%，僅W-4 井和W-5 井恩平組下段個(gè)別樣品大于2.5%。以M 值為6%分界，對(duì)比各鉆井M 值，結(jié)果顯示，W-1 井和W-3 井M 值總體小于6%，其他單井M 值均大于6%（表1，圖2）。兩種參數(shù)分析結(jié)果表明白云主洼恩平期水深最深，其次是白云西洼，白云東洼和南洼水深相對(duì)較淺，白云南洼在恩平期受東南部海侵影響[13]，造成早期水深較深，之后水深波動(dòng)變化，總體呈變淺趨勢(shì)。

3.2.2 古氧相

沉積巖中一些元素明顯受氧化還原狀態(tài)的控制。氧化條件下V 易于與沉積物結(jié)合形成沉淀，而還原條件下Ni 易于被吸附富集形成沉淀；Th 和U 在還原條件下化學(xué)性質(zhì)相似，但在氧化條件下差異明顯，U 在強(qiáng)還原狀態(tài)下容易富集，不溶于水，在氧化狀態(tài)下易溶于水。一般認(rèn)為V/（V+Ni）＞0.84，代表還原、水體有分層的環(huán)境，0.60＜V/（V+Ni）＜0.84 為亞還原環(huán)境，水體分層弱，V/（V+Ni）＜0.60 為氧化環(huán)境；Th/U 比值在氧化環(huán)境下達(dá)到8，還原環(huán)境下普遍為0～2[14-16]。

表1 白云凹陷恩平組泥巖元素分析計(jì)算Table 1 Element composition of mudstone samples from Enping Formation in Baiyun Sag

圖 2 鉆井古水深地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.2 Vertical variation of geochemical parameters of paleo water depth in drilling wells

W-1 井V/（V+Ni）為0.46～0.69，均值為0.60，且自下而上呈減小趨勢(shì)，指示恩平期由亞還原環(huán)境向氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變；W-2 井V/（V+Ni）為0.67～0.72，均值為0.70，且縱向上較穩(wěn)定，指示亞還原環(huán)境；W-3 井V/（V+Ni）為0.81～0.90，均值為0.83，指示亞還原—還原環(huán)境，古氧相由還原環(huán)境逐漸過渡為亞還原環(huán)境。受凹陷東南方向海侵影響，W-5 井V/（V+Ni）縱向上波動(dòng)較大，由于海侵作用相對(duì)有限，W-4 井受影響相對(duì)較小，W-4 井V/（V+Ni）為0.60～0.84，均值為0.79，W-5 井V/（V+Ni）為0.53～0.81，均值為0.73，均指示亞還原環(huán)境（表1，圖3）。

對(duì)比各鉆井Th/U 和V/（V+Ni）分析結(jié)果，研究區(qū)單井Th/U 總體為4～8，表明白云凹陷恩平期總體處于亞還原環(huán)境，各洼陷恩平期還原性由強(qiáng)到弱依次為白云主洼、白云南洼、白云東洼和白云西洼（圖4），其中，白云南洼受東南部海侵影響，古氧相參數(shù)數(shù)值跨度較大，白云西洼遠(yuǎn)離東南部海水入口，但受河流輸入影響[13]，破壞了水體穩(wěn)定性，恩平期沉積環(huán)境還原性較弱。

3.2.3 古氣候

沉積物中元素信息完整地記錄了沉積期內(nèi)古氣候的變化，在干燥氣候條件下，由于地表水分大量蒸發(fā)，導(dǎo)致沉積物中Sr 和Mg 大量析出沉積在水底，而陸相沉積物中Cu 難以遷移入湖，導(dǎo)致湖泊沉積物中Sr 和Mg 富集，Cu 匱乏，運(yùn)用MgO 含量和Sr/Cu 比值可較好地反映古氣候變化，在干燥氣候條件下，MgO 含量和Sr/Cu 比值較高[16-17]。

W-1 井Sr/Cu 為1.30～3.54，均值為2.46，縱向上較穩(wěn)定；W-2 井Sr/Cu 為7.51 ～11.07，均值為9.03，且自下而上有增大趨勢(shì)，表明氣候逐漸變濕熱；W-3 井Sr/Cu 為4.14～11.38，均值為6.23，且深層Sr/Cu 明顯大于淺層，表明氣候由濕熱向暖濕轉(zhuǎn)變；W-4 井和W-5 井Sr/Cu 均值約為5.25，其中，W-5 井恩平晚期Sr/Cu 增大明顯，表明晚期氣候相對(duì)濕熱（表1，圖5）。

通過MgO 和Sr/Cu 可明顯區(qū)分白云凹陷各洼陷恩平期氣候特征（圖6），W-1 井MgO 和Sr/Cu 均較低，表明白云西洼氣候偏冷潮濕；W-3 井、W-4 井和W-5 井MgO 及Sr/Cu 值顯示白云主洼、白云南洼恩平期氣候總體為暖濕氣候；W-2 井MgO 和Sr/Cu均較高，表明白云東洼氣候濕熱。

圖 3 鉆井古氧相地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.3 Vertical variation of geochemical parameters of paleo-oxygenation facies in drilling wells

圖 4 V/（V+Ni）與Th/U 比值關(guān)系特征Fig.4 Relationship between V/（V+Ni）and Th/U indicating the variation of paleo-oxygenation facies

3.2.4 古鹽度

古鹽度是古環(huán)境分析中的一個(gè)重要指標(biāo)，是反映地質(zhì)歷史時(shí)期海陸變遷的重要參數(shù)。元素Li 和Ni 是咸化湖盆的重要保留元素，可在湖盆中長(zhǎng)時(shí)間保存[18]。一般認(rèn)為L(zhǎng)i＞150 μg/g，Ni＞40 μg/g 代表咸水環(huán)境，90 μg/g＜Li ＜150 μg/g，25 μg/g＜Ni＜40 μg/g，為半咸水環(huán)境，Li＜90 μg/g，Ni＜25 μg/g，為淡水環(huán)境[19]。

W-1 井恩平組Ni 最大值為5.06 μg/g，縱向上分布穩(wěn)定，指示淡水環(huán)境；W-2 井恩平組Ni 分布于30.70～35.5 μg/g，且自下而上無明顯變化，指示半咸水環(huán)境；W-3 井恩平組Ni 最大值為19.70 μg/g，且自下而上Ni 含量增加，水體有咸化趨勢(shì)，但總體指示淡水環(huán)境；W-4 井恩平期總體處于淡水環(huán)境，且自下而上Ni 含量增加，指示水體鹽度升高，底部受海侵影響，造成局部Ni 偏高；W-5 井恩平期受海侵影響顯著，縱向上Ni 含量波動(dòng)明顯，總體處于半咸水環(huán)境（表1，圖7）。

采集5 口鉆井恩平組泥巖樣品Li 元素和Ni 元素分布特征進(jìn)行恩平期水體古鹽度對(duì)比分析，結(jié)果表明，W-1 井、W-3 井全部樣品點(diǎn)和W-4 井大部分樣品點(diǎn)都位于淡水區(qū)；W-2 井全部樣品點(diǎn)和W-5 井大部分樣品點(diǎn)位于半咸水區(qū)；W-4 井和W-5 井部分樣品點(diǎn)位于咸水區(qū)（圖8）。判別圖版分析結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)背景吻合，白云西洼靠近河流入?？冢芎恿鞯斎胗绊?，古鹽度低；白云東洼被隆起圍限，處于相對(duì)封閉的環(huán)境，且氣候較干燥，地表水體蒸發(fā)快，水體鹽度相對(duì)較高；白云南洼恩平期受東南部海侵影響，水體鹽度高，且越靠近東南部海水入口水體鹽度越高。

3.2.5 埋藏效率

埋藏效率的大小與有機(jī)碳埋藏量密切相關(guān)，埋藏效率越高，有機(jī)質(zhì)保存條件越好，有機(jī)碳埋藏量越多[20]。研究表明生物成因鉬與沉積物有機(jī)碳的堆積速率相關(guān)性良好，能夠較好地表征有機(jī)碳埋藏量的變化。生物成因鉬可由沉積物中實(shí)測(cè)鉬和鈦含量經(jīng)陸源校正后獲得[21]，公式如下：

式中：Moxs 為生物成因鉬，單位μg/g；Mo樣品為樣品實(shí)測(cè)鉬含量，單位μg/g；（Mo/Ti）PAAS為太古代晚期澳大利亞頁(yè)巖中Mo 和Ti 平均含量的比值，其中，Mo 和Ti 的PAAS 值分別為1 和10 000 μg/g；Ti樣品為樣品實(shí)測(cè)鈦含量。

圖 5 鉆井古氣候地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.5 Vertical variation of geochemical parameters of paleoclimate in drilling wells

圖 6 MgO 與Sr/Cu 關(guān)系特征Fig.6 Relationship between MgO and Sr/Cu indicating the variation of paleoclimate

公式（1）計(jì)算得到白云凹陷各井恩平期Moxs 含量（表1），Moxs含量均值由高到低依次為W-5 井、W-2 井、W-4 井、W-3 井和W-1 井。結(jié)果表明白云東洼由于受隆起圍限，保存條件好，埋藏效率高；白云南洼恩平期受東南部海侵影響，埋藏效率波動(dòng)，但總體偏好；白云主洼恩平期埋藏效率相對(duì)中等；白云西洼恩平期埋藏效率相對(duì)最低。

3.3 古環(huán)境演化的石油地質(zhì)意義

圖 7 鉆井古鹽度地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.7 Vertical variation of geochemical parameters of paleosalinity in drilling wells

圖 8 Li 與Ni 關(guān)系特征Fig.8 Relationship between Li and Ni indicating the paleosalinity

烴源巖的形成受古水深、古氧相、古氣候和古鹽度等古環(huán)境因素的影響。水深的增加造成洼陷可容納空間的增大，砂體搬運(yùn)距離減小，泥巖含量增高，具備形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的有利條件[8]；烴源巖發(fā)育環(huán)境的氧化還原條件直接影響烴源巖品質(zhì)，還原環(huán)境有利于烴源巖有機(jī)質(zhì)的保存，表現(xiàn)為烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高；濕熱氣候有利于湖盆中藻類發(fā)育和陸上植物生長(zhǎng)，為優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)，在濕熱的氣候條件下，大量的陸上植被能較好保持水土，減少無機(jī)屑對(duì)烴源巖有機(jī)質(zhì)的稀釋，利于有機(jī)質(zhì)保存[22]；咸化水體易發(fā)生水體分層現(xiàn)象，淺層水體鹽度低，可發(fā)育種類豐富的水生生物，深層水體鹽度高，水生生物較少，分解有機(jī)質(zhì)的細(xì)菌含量相對(duì)較低，脂類化合物等生油組分得以保存，產(chǎn)甲烷菌受到抑制而不發(fā)育，易于形成有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好的烴源巖[23-24]。

元素地球化學(xué)特征分析結(jié)果表明，白云主洼恩平期水深較深，可容納空間較大，具備形成規(guī)模烴源巖的有利場(chǎng)所，其他次洼水深相對(duì)較淺，烴源巖規(guī)模相對(duì)較??；白云東洼恩平期氣候濕熱，白云主洼和南洼恩平期氣候暖濕，有利的氣候條件易于藻類和陸上植物發(fā)育，為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供物質(zhì)保障，白云西洼恩平期受河流淡水輸入的影響，氣候偏冷潮濕，藻類和陸上植被發(fā)育受限；白云東洼和南洼恩平期水體鹽度相對(duì)較高，咸水層有機(jī)質(zhì)分解慢，有利于類脂物的保存與生烴轉(zhuǎn)化，同時(shí)，白云南洼恩平期在海侵作用下帶來大量海洋浮游生物，為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)[25-26]，白云主洼和西洼恩平期總體處于淡水環(huán)境，白云西洼恩平期受河流淡水輸入的影響，水體鹽度更低。古氧相和埋藏效率的分析結(jié)果顯示，白云東洼恩平期湖盆較封閉，受外界影響較小，總體處于亞還原環(huán)境，埋藏效率高，有利于有機(jī)質(zhì)的保存；白云主洼恩平期水深較大，利于還原條件的保持，埋藏效率中等，白云南洼恩平期受海侵影響，古氧相和埋藏效率參數(shù)波動(dòng)變化，總體偏好；白云西洼由于河水輸入破壞了水體穩(wěn)定性，沉積環(huán)境還原性較弱，埋藏效率較低，有機(jī)質(zhì)保存條件相對(duì)較差。

4 結(jié)論

（1）白云主洼恩平期水深相對(duì)最深，處于亞還原—還原的淡水環(huán)境，暖濕氣候，埋藏效率相對(duì)中等，有利于大規(guī)模較有利烴源巖的形成和保存。

（2）白云東洼和白云南洼恩平期水深較淺，總體處于亞還原的半咸水環(huán)境，氣候溫暖潮濕，埋藏效率高，為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成和保存創(chuàng)造了條件，烴源巖總體規(guī)模小于白云主洼。

（3）白云西洼恩平期水深略大于東洼和南洼，處于弱還原淡水環(huán)境，氣候偏冷潮濕，埋藏效率相對(duì)最低，烴源巖形成和保存條件相對(duì)較差。