下寒武統黑色巖系沉積環(huán)境與控烴差異
——以塔里木盆地西北緣和東北緣為例

楊赟昊，高志前，樊太亮，劉旺威

（1.中國石化石油物探技術研究院，江蘇 南京 211103；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126）

0 引言

塔里木盆地是中國最大的含油氣盆地，周緣受天山、昆侖山、阿爾金山構造活動的影響，盆地現今有4個一級構造單元，即東北坳陷區(qū)、中央隆起區(qū)、西南坳陷區(qū)和東南斷隆帶[1]。埃迪卡拉紀與寒武紀之交，經歷了岡瓦納超大陸聚合、埃迪卡拉動物群絕滅、小殼動物群出現、海平面上升等若干缺氧事件[2]，由此在塔里木盆地北緣下寒武統底部沉積了一套富有機質的黑色巖系。由于該層系埋藏深度超過8 000 m[3]，構造地質特征復雜，勘探成本高，因而制約了油氣勘探的進程。隨著深層油氣勘探技術的進步，下寒武統黑色巖系的勘探潛力逐步得到關注。鑒于此，筆者通過對西北緣阿克蘇-溫宿地區(qū)和東北緣庫魯克塔格地區(qū)多條野外露頭剖面的研究及取樣分析，對其巖性、沉積相及烴源巖特征開展研究，由此分析兩緣控烴模式，為塔里木盆地深層有利目標區(qū)勘探提供理論參考。

1 地質概況

塔里木西北緣柯坪地區(qū)東起阿克蘇和溫宿一帶，南以柯坪—沙井子斷裂分界，西止于阿圖什北，北至皮羌—蘇巴什一線[4]。研究區(qū)橫向發(fā)育6排構造帶（F1—F6）（見圖1[5]）。構造帶延伸 5～30 km，斷距在 2 000 m以內，斷裂在西片奧依皮克—于提希剖面呈東西走向，在東片什艾日克—磷礦溝剖面呈北東—南西走向。下寒武統露頭多分布在構造斷裂帶兩側附近，自下而上為玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組[6]，黑色巖系為玉爾吐斯組。

圖1 西北緣研究區(qū)地質構造及剖面位置

塔里木盆地東北緣庫魯克塔格地區(qū)，主要位于庫爾勒—若羌以東，羅布莊凸起以北，發(fā)育東西走向的興地深大斷裂，南以孔雀河斷裂為界，北以辛格爾斷裂為界[4]。 研究區(qū)發(fā)育的 2 排斷裂構造帶（F7，F8）（見圖2[7]）近平行方向展布，斷距大且斷層延伸較遠。F7興地斷裂以北出露元古界巖漿巖，以南的下盤一側為下寒武統黑色巖系至新生界地層；F8孔雀河斷裂以南全部為新生界地層。黑色巖系剖面分布在F7，F8之間。下寒武統由下至上依次發(fā)育西山布拉克組和西大山組[5]，黑色巖系為西山布拉克組。

圖2 東北緣研究區(qū)地質構造及剖面位置

2 巖性及沉積相特征

塔里木盆地西北緣和東北緣下寒武統黑色巖系的古生物類型和碳同位素顯示[8-9]，西北緣的玉爾吐斯組和東北緣的西山布拉克組為等時沉積，屬同期異相型沉積（見表1）。

表1 研究區(qū)下寒武統地層關系

塔里木盆地東北緣、西北緣可劃分為潮坪、陸棚、斜坡和盆地4種沉積相，以及潮間帶、潮下帶、淺水陸棚、深水陸棚、上斜坡、下斜坡及欠補償盆地[10]（見圖3）7種沉積亞相。根據野外露頭（見圖4）及少量鉆井資料，將東北緣、西北緣的地層精細劃分為Ⅰ—Ⅴ段（見圖5）?？v向上可分為兩大沉積旋回：Ⅰ—Ⅲ段水體經歷了淺—深—淺的過程；Ⅳ—Ⅴ段海平面上升較快，呈現由深水沉積向淺水過渡的特征。

圖3 塔里木盆地北緣黑色巖系Ⅱ，Ⅳ段沉積相

圖4 塔里木盆地西北緣黑色巖系野外露頭地質照片

圖5 塔里木盆地西北緣、東北緣下寒武統黑色巖系層段劃分及巖性剖面（野外露頭部分）

——Ⅰ段。受震旦紀末期柯坪運動的影響，造成地形起伏大，此時巴楚古隆起范圍最大。由于西北緣更靠近古隆起，水體較淺，沉積速率變緩，僅在肖爾布拉克露頭剖面發(fā)育潮下帶紫紅色白云巖，自西向東水體逐漸變深；而東北緣恰克馬克鐵什剖面發(fā)育的灰色硅質泥巖，鏡下可見隱晶質等自生礦物，由下往上黏土礦物質量分數增加，粒度極細，證明其為欠補償盆地。

——Ⅱ段。此期為第1次大面積海侵時期，海平面上升，古陸范圍較Ⅰ段明顯縮小，自西向東依次發(fā)育深水陸棚—上斜坡—下斜坡—欠補償盆地相沉積（見圖3a）。西北緣以發(fā)育泥巖、硅質泥巖、含磷泥巖為主，間夾薄層狀石灰?guī)r及白云巖。其中蘇蓋特布拉克剖面底部見磷塊巖（見圖4a），屬深水陸棚相沉積。昆蓋闊坦西剖面底部沉積了一套黑色頁巖，夾硅質條帶及結核（見圖4b）。于提希剖面由硅質泥巖向上過渡為泥灰?guī)r，泥灰?guī)r段處于硫化缺氧的還原環(huán)境。肖爾布拉克剖面縱向上具有三分性，呈淺水陸棚—深水陸棚—淺水陸棚過渡的特征，造成有機質難以有效保存，因而其烴源巖品質較昆蓋闊坦西剖面及于提希剖面差。東北緣恰克馬克鐵什剖面下部為灰黑色頁巖，上部為硅質巖夾泥巖，發(fā)育水動力較弱成因的水平層理。深水硅質巖厚度較Ⅰ段減薄，為欠補償盆地相沉積（見圖3a）。

——Ⅲ段。此期海平面下降，古隆起范圍較Ⅱ段明顯增大，較Ⅰ段減小，自西向東發(fā)育潮下帶（局部潮間帶）—淺水陸棚—上斜坡—下斜坡—欠補償盆地相沉積。西北緣以白云巖、石灰?guī)r及石灰?guī)r夾泥巖組合為主，昆蓋闊坦西（見圖4d）、于提希、蘇蓋特布拉克、肖爾布拉克剖面以潮下帶沉積為主，奧依皮克剖面砂質白云巖處于水動力略強的潮間帶，泥巖顏色多為氧化色，表明烴源巖品質較差。東北緣恰克馬克鐵什剖面相變?yōu)榛疑栀|巖，屬欠補償盆地相沉積。

——Ⅳ段。此期出現第2次海進，海平面持續(xù)上升，古隆起范圍急速減小，與Ⅱ段相比，水體變淺，潮坪相沉積不發(fā)育，取而代之的是淺水陸棚相占主體（見圖3b）。西北緣以泥巖、石灰?guī)r或白云巖的不等厚互層為主（見圖4e），發(fā)育淺水陸棚相沉積。東北緣恰克馬克鐵什剖面主要為硅質巖夾泥巖，仍屬欠補償盆地相沉積（見圖3b）。

——Ⅴ段。此期海平面下降，但降幅有限，古隆起范圍較Ⅳ段略有增大，潮下帶最發(fā)育，其次是淺水陸棚相。西北緣以白云巖、灰質白云巖、砂質白云巖為主（見圖4f），表明潮下帶沉積占主體。東北緣恰克馬克鐵什剖面以硅質巖夾泥巖為主，均屬欠補償盆地相沉積。

整體而言，西北緣黑色巖系主要發(fā)育在Ⅱ段中下部、Ⅳ段的中上部，其中以昆蓋闊坦西剖面、于提希剖面、蘇蓋特布拉克剖面的Ⅱ段黑色巖系最為發(fā)育，是主力烴源巖。

3 烴源巖特征

3.1 有機質豐度

揭示玉爾吐斯組的鉆井較少，僅有庫車坳陷的星火1井及孔雀河斜坡的尉犁1井。星火1井玉爾吐斯組烴源巖厚度近30 m，總有機碳質量分數（TOC）在3.00%～9.00%[11]。西北緣于提希剖面Ⅱ段黑色巖系TOC為0.16%～17.20%，平均2.92%；Ⅳ段TOC為0.07%～2.04%，平均0.60%[12]：顯示Ⅱ段黑色巖系有機質豐度更高。昆蓋闊坦西剖面Ⅱ段取樣分析43塊，TOC在1.16%～6.00%；Ⅳ段取樣分析12塊，2塊TOC大于1.00%，4塊TOC大于0.50%。蘇蓋特布拉克剖面因采礦挖掘，玉爾吐斯組坍塌嚴重，出露情況不如昆蓋闊坦西剖面和于提希剖面[13]，根據有關的野外踏勘資料，僅在Ⅳ段測得TOC大于1.00%、厚度為5 m的灰黑色頁巖。肖爾布拉克剖面玉爾吐斯組底部為一套灰白色的含磷頁巖，TOC 小于 0.50%，可能與風化作用嚴重有關[13]；但在玉爾吐斯組上部的肖爾布拉克組見到含瀝青砂巖，推測該剖面發(fā)育玉爾吐斯組烴源巖。

東北緣恰克馬克鐵什剖面黑色巖系的樣品TOC介于0.94%～1.26%，尉犁1井70塊樣品的TOC平均值為1.19%，TOC較低，生烴潛力不高。

3.2 有機質類型

西北緣不同剖面的熱演化程度不同。其中：于提希、蘇蓋特布拉克剖面干酪根類型為Ⅰ—Ⅱ型，肖爾布拉克剖面烴源巖干酪根類型為Ⅱ—Ⅲ型。與西北緣不同，東北緣干酪根類型均為Ⅱ—Ⅲ型，奇偶均勢[14]（OEP值為1.09～1.16），表明頁巖樣品有機質演化已達成熟或過成熟階段。

3.3 有機質成熟度

鏡質組反射率（Ro）是反映有機質成熟度最有效的指標。由于研究區(qū)黑色巖系形成年代早，難以通過傳統手段直接測得，需要根據經驗公式換算。塔里木盆地西北緣下寒武統黑色巖系Ro在1.300%～1.600%，屬于生氣階段，具有良好生烴潛力。東北緣Ro平均為2.286%[15]，處于過成熟階段，烴源巖可溶烴和熱解烴近乎逸散殆盡，生烴潛力較低。

4 烴源巖發(fā)育模式

晚震旦世，柯坪運動將西北緣地形抬升。根據野外觀測，發(fā)現西北緣寒武系/震旦系界面廣泛發(fā)育平行不整合面，這是造陸運動的體現。綜合巖性觀察與描述，認為早寒武世西北緣黑色巖系沉積環(huán)境為快速海侵作用下的陸棚-碳酸鹽巖臺地，分布受隆坳地形的影響（見圖6[12-13]）。樊奇等[12]通過對西北緣于提希剖面的研究，發(fā)現玉爾吐斯組巖石有重晶石、磷結核等，認為其富集了包括 V，U，Ni，Ba，Mo，Cu，Zn 等微量元素，表明塔里木盆地西北緣在早寒武世初期處于缺氧還原和熱液活動的海水環(huán)境。寒武紀之前，南天山洋已發(fā)展為成熟洋盆，推測熱液來源于塔里木盆地西北緣和南天山洋之間被動大陸邊緣的強烈活動引發(fā)深部殼源熱液的噴流。沉積期時，熱液作用使地溫梯度變高，地殼大面積抬升或沉降，呈現隆坳格架。在這一格架下，熱液作用有利于激發(fā)海洋底棲菌藻的繁盛[7]，同時沉積速率較低的缺氧還原水體環(huán)境，也有利于玉爾吐斯組烴源巖的形成。

圖6 塔里木盆地北緣下寒武統黑色巖系構造環(huán)境模式

東北緣黑色巖系大構造為被動大陸邊緣，沉積環(huán)境為陸棚-碎屑巖盆地。新元古代廣泛沉積碎屑巖盆地沉積物，不發(fā)育或較少發(fā)育碳酸鹽巖，僅在元古代最后一期冰期，即晚震旦世可見。與西北緣不同，寒武系/震旦系沉積轉換期形成的角度不整合[16]，是早期造山運動的體現，經歷了巖漿活動等（見圖6）。盆地經歷充填補償，多套薄層硅質巖與泥巖堆積，體現了盆地的沉積旋回性。上升洋流雖然是形成缺氧環(huán)境的重要因素之一，但強烈的巖漿活動破壞了東北緣烴源巖的保存環(huán)境。

5 結論

1）塔里木盆地西北緣、東北緣下寒武統黑色巖系的差異性體現在巖性上，西北緣以薄層泥頁巖和薄層碳酸鹽巖互層為主，東北緣主要為硅質巖、頁巖等。體現在沉積環(huán)境上，西北緣為潮坪、陸棚的淺水沉積，有陸源碎屑物質輸入，距離古陸較近；東北緣為深海盆地-斜坡的深水沉積，表現為持續(xù)的海進過程。

2）塔里木盆地西北緣黑色巖系厚度在15～25 m，Ⅰ段僅在肖爾布拉克剖面等附近發(fā)現，經歷造陸運動使黑色巖系連片分布。東北緣Ⅰ—Ⅴ段黑色巖系較西北緣厚，在50～70 m，各段之間的厚度沒有明顯變化，經歷強烈的造山運動，黑色巖系近乎不發(fā)育。

3）從發(fā)育模式看，塔里木盆地西北緣隆坳格架下的熱液作用有利于激發(fā)水體底棲藻的大量繁盛，缺氧的水體環(huán)境有利于玉爾吐斯組烴源巖的形成；東北緣盆地充填補償作用雖使烴源巖沉積厚度增加，但強烈的巖漿活動破壞了有機質保存環(huán)境。因此，西北緣黑色巖系中烴源巖的品質優(yōu)于東北緣。