泌陽凹陷核桃園組三段富有機質泥頁巖形成環境及發育模式

譚昭昭，王偉明，李文浩，盧雙舫，何濤華，程澤虎

1.中國石油大學(華東)非常規油氣與新能源研究院，山東青島 266580 2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580

0 引言

在全球碳循環中，有機碳主要保存在沉積有機質中[1]。影響有機質富集的因素有很多，主要包括古生產力，有機質保存條件，陸源碎屑輸入，沉積速率，古氣候及和海(湖)平面升降[2-4]。20世紀80年代以來，關于有機質富集存在兩種學派，其中Calvert[5]和Pedersenetal.[6]等認為海相沉積體系中水體的生物產率是控制海相烴源巖發育的最重要的因素，而不是還原環境控制了沉積物中有機質的分布與發育，但是Demaisoetal.[7]和Tysonetal.[8-9]強調烴源巖形成的主控因素是水體的缺氧環境，而與生物產率無關。目前，越來越多的人認為有機質富集受多因素控制，如Stowetal.[10]認為有機質富集的控制因素為有機質供給、地層水缺氧、有機質快速埋藏等；陳踐發等[11]認為海相烴源巖的形成受到古氣候條件、古生產力、氧化還原環境和沉積速率影響，其中古生產力和氧化還原環境為主控因素；張寶民等[12]認為海洋高生產力是根本，缺氧還原是關鍵，低沉積速率是基礎，前者強調的是生烴母質生物的生存、繁衍環境，后兩者強調的是生烴母質的保存條件，三者缺一不可；Lietal.[13-14]認為南海北部海相烴源巖的形成受控于古氣候條件、古生產力和氧化還原環境及陸源高等植物輸入量，其中前兩者為主要控制因素。

由于湖泊水體范圍較小，其沉積環境要比海洋的沉積環境變化更為頻繁，具體表現為水體鹽度，pH值，湖泊生產力以及陸源碎屑物質的輸入變化顯著[15-16]。Carrolletal.[17]認為坳陷型盆地中有效烴源巖規模和生烴能力受坳陷幅度和湖平面變化的影響，湖盆鼎盛發育期所對應的高位體系域發育期越長，優質烴源巖越發育。Goncalves[16]和 Harrisetal.[18]認為在湖盆晚坳陷階段陸源營養物質的輸入使得初級生產力得到了提高。對于沉積介質環境，張文正等[19-20]通過巖石學和元素地球化學分析后，認為長7段優質烴源巖發育于淡水—微咸水沉積環境的半深湖—深湖亞相。

泌陽凹陷古近系核桃園組三段發育一套富有機質的湖相泥頁巖，是該區主要的生油與儲集巖段。前人主要側重于泥頁巖有機質豐度、類型和成熟度，儲集空間類型，物性特征以及可采性等方面的研究[21-25]，但是對于核桃園組三段沉積時期頻繁的湖泊沉積環境變化導致的湖相泥頁巖強烈的非均質性認識不足，尤其是對于富有機質泥頁巖形成環境及發育模式研究相對薄弱，因此研究該套湖相烴源巖的形成環境，有助于進一步認識泌陽凹陷核桃園組三段富有機質泥頁巖的分布和形成機制，為頁巖油勘探開發提供參考意見。

1 地質背景

泌陽凹陷位于河南省南部，為南襄盆地的一個次級構造單元，是個中新生代的小型斷陷盆地，盆地可以劃分為四個構造帶：南部陡坡構造帶、東部斷裂構造帶、中央深凹陷帶和北部緩坡構造帶(圖1)。前人研究認為，泌陽凹陷核桃園組泥頁巖具備較好的陸相頁巖油形成條件[24-25]，其湖相泥頁巖平面上主要分布在深凹區，縱向上主要發育在古近系核桃園組核二段—核三段[25]，該地層沉積時期湖盆經歷了頻繁的水體鹽度變化，核三段上部、核二段下部發育天然堿礦，水體鹽度相對較大[26-27]。核桃園組三段可細分為Ⅰ～Ⅷ共8個油組，厚度達1 100～1 700 m，巖性主要為灰色泥巖、白云質泥巖、泥質白云巖、頁巖以及粉砂巖[26]，其中2、3油組巖性以泥頁巖和泥質白云巖為主，局部夾少量粉砂巖，泥頁巖段賦存的生物化石種類多、數量豐富，具有較高的有機碳含量，是頁巖油有利的生油和聚集層段[22]。本次研究取芯樣品來自于泌94井和泌頁HF1井核三段，兩口井均位于中部凹陷帶(圖1)，屬于半深湖—深湖沉積亞相。由于核三段沉積時期水體沉積環境不斷發生變化，湖盆內泥頁巖有機質的富集在縱向上存在著較大的非均質性，尤其是總有機碳含量。本文以核桃園組三段2油組和3油組為例，重點探討了兩油組泥頁巖層地球化學特征及形成環境，以期揭示湖盆內富有機質泥頁巖形成的主控因素及其發育模式，為揭示泥頁巖縱向非均質性提供理論依據。

2 樣品與實驗分析

本次研究的30個泥頁巖樣品來源于泌94井的核桃園組三段2油組(16個)和泌頁HF1井核桃園組三段3油組(14個)，兩口井均位于中部凹陷帶，屬于半深湖—深湖沉積亞相。樣品設計了四個實驗，分別為Rock-Eval(實驗樣品數30個)，GC-MS(實驗樣品數13個)，電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，實驗樣品數21個)以及X熒光光譜(XRF，實驗樣品數21個)分析。Rock-Eval，GC-MS實驗由大慶油田研究院完成，ICP-MS和XRF則在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成，其中XRF儀器采用Thermal 9900型X熒光光譜儀，ICP-MS儀器采用德國耶拿公司的Aurora M90。

圖1 南襄盆地泌陽凹陷構造單元Fig.1 Tectonic units of Biyang sag, Nanxiang Basin

3 結果與討論

3.1 富有機質泥頁巖地球化學特征

Rock-Eval分析被普遍用于區分有機質類型和評價生烴潛力。核桃園組三段2油組泥頁巖氫指數分布在28.81～818.23 mg HC/g TOC，有機質類型從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布(圖2)；而3油組泥頁巖氫指數主要分布在318.12～931.25 mg HC/g TOC，有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主(圖2)，其中水生生物貢獻占主導。核桃園組三段2油組TOC含量分布在0.22%～3.58%，平均值為1.93%(圖3)，但是3油組TOC分布在1.8%～5.09%，平均值為3.37%(圖3)。整體來看，3油組泥頁巖有機質更為富集，且有機質類型更好。

圖2 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖IH-Tmax交會圖Fig.2 Variation of hydrogen index as a function of Tmaxfor shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

圖3 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖TOC分布圖Fig.3 TOC distribution of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

3.2 富有機質泥頁巖形成環境

3.2.1 古水深

古水深分析對于古環境重建和盆地演化研究具有重要意義。近些年來對現代沉積物元素地球化學的研究發現，元素的聚集和分散與水盆深度具有一定的相關性。這一性質主要是元素在沉積過程中所發生的機械分異作用、化學分異作用和生物化學分異作用的結果。例如，金屬元素含量比Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)被廣泛用于古水深研究，它們的比值隨著水體的增加而呈現逐漸減小的趨勢[28-29]。研究區3油組泥頁巖Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)平均值分別為23.01和1.30，而2油組泥頁巖Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)則呈現相對高值，平均值分別為61.09和1.83(表1)，這表明3油組沉積時期，湖盆古水深相對較深，而2油組沉積時期，湖盆古水深相對變淺。

3.2.2 氧化還原環境

有機質在還原環境下能夠較好地聚集并保存下來[7]。Pr/Ph是判斷氧化還原環境的重要參數[30]。2油組和3油組泥頁巖都具有較低的Pr/Ph值，分布在0.36～0.86(表2、圖4a)，表明湖盆底部水體均具有較強的還原性。通常V/(V+Ni)的比值也可以用來指示水體氧化強度，其比值大于0.54為缺氧環境，小于0.54為富氧環境[31]。V/(V+Ni)比值表明2油組和3油組水體環境都處于缺氧環境之下(圖5a、表1)。Ce異常與氧化還原環境有很好的對應關系，Ceanom>-0.1表示Ce富集，反映水體缺氧的還原環境；而Ceanom<-0.1表示Ce虧損，反映水體氧化環境[32-33]。2油組和3油組一共21個樣品，其Ceanom均大于-0.1(表1)，表明湖盆底部水體處于還原環境，有利于沉積有機質的保存。

3.2.3 水體鹽度

水體鹽度是富有機質形成的一個重要因素，高鹽度的水體能夠使底層水形成一個缺氧環境[34]，有利于有機質的保存，但是同時超咸水環境不易于湖泊生物的生存與繁殖。伽馬蠟烷普遍被用于揭示有機質的沉積環境，高的伽馬蠟烷常常與高鹽度和水體分層有關[30,35-36]。研究區具有相對較高的伽馬蠟烷(圖6)，伽馬蠟烷指數(伽馬蠟烷/C30藿烷)分布在0.22～1.31，平均值0.61(表2)，說明核桃園組三段沉積時期水體具有相對較高的鹽度。但是對比2油組與3油組，不難發現湖泊水體鹽度變化較大，2油組泥巖伽馬蠟烷指數分布在0.52～1.31，平均值為0.93，3油組頁巖伽馬蠟烷指數分布在0.22～0.71，平均值為0.34，明顯低于2油組(圖4b)，表明2油組沉積時期湖泊水體處于分層較好的超咸水環境，而3油組沉積時期則處于微咸水—半咸水環境。Sr與Ba因其在不同沉積環境中地球化學行為的差異而被廣泛應用于古鹽度指示[37]，Sr/Ba比值越高，鹽度越高，反之越低[38]。核桃園組三段2油組泥巖Sr/Ba平均值為1.43明顯高于3油組頁巖(平均值0.77)(圖5b)，進一步證實2油組沉積時期水體屬于超咸水環境，而3油組沉積時期水體處于半咸水—微咸水環境。盡管超咸水環境有利于有機質的保存，但是也抑制了藻類等水生生物的生長，隨著Sr/Ba值的增加，泥頁巖TOC值卻逐漸降低(圖7a)。因此2油組沉積時期高鹽度的水體環境降低了湖泊生產力。

表1 泌陽凹陷核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖常微量元素參數表

注：Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]，CeN、LaN和NdN為球粒隕石標準化值。

表2 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖生物標志物參數表

注：Ga/C30H=伽馬蠟烷/C30藿烷；S/H=甾烷/藿烷；4MSI=4-甲基甾烷/C29甾烷。

圖4 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖生物標志化合物參數分布圖Fig.4 Biomarker parameters distribution of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

圖5 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖常微量元素參數分布圖Fig.5 Major and trace element parameters distribution of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

3.2.4 古生產力

汪品先等[39]指出無論湖底是否缺氧，只要湖水表面存在較高的生產力，湖底就能形成優質烴源巖，而藻類勃發是造成高生物生產力的過程之一[40]。甾烷參數能夠很好解釋海洋和湖泊體系的初級生產力[40-42]，4-甲基甾烷主要來源于藻類[43]，而甲藻普遍被認為是它們的先質[43-44]，核桃園組三段3油組頁巖含有高的4-甲基甾烷，而2油組基本不含4-甲基甾烷(圖6)，4MSI值(4-甲基甾烷/ΣC29甾烷)差異明顯，3油組頁巖4MSI值明顯高于2油組泥巖(圖4c)，表明3油組頁巖甲藻對湖泊古生產力的貢獻更大。此外，甾烷與藿烷的相對含量可以反映藻類和高等植物以及細菌對有機質的貢獻，高的甾烷類/藿烷類化合物比值指示有機質主要來源于浮游生物和底棲藻類等真核生物，低的甾烷類/霍烷類化合物比值與細菌等原核生物有關[45]。3油組頁巖S/H(甾烷/藿烷)平均值為0.86，明顯高于2油組(平均值為0.33)(圖4d)，表明3油組沉積時期湖泊浮游生物更為繁盛，2油組低的S/H值可能與細菌對其有機質貢獻有關，因為2油組沉積時期湖泊水體鹽度較大，而高鹽度湖泊中主要的生物是親鹽型的古細菌和藻類。

湖泊含有豐富的營養元素是其具有較高生產力的前提，湖侵作用帶來的大量營養物質有利于水生生物的繁盛。磷含量和Al/Ti比值被廣泛用于研究古生產力的指標[14,46]。核桃園組三段3油組頁巖P含量和Al/Ti平均值分別為0.18%和25.83，而2油組泥巖為0.09%和22.87(表1)，相比于2油組，3油組沉積時期高的P元素含量及高的Al/Ti比值(圖5c，d)指示湖泊高度富營養化，導致藻類數量增多及藻類型的變化(圖8)。隨著Al/Ti比值的增大，泥頁巖TOC逐漸增大(圖7b)。因此核桃園組三段3油組沉積時期高的湖泊生產力是泥頁巖有機質富集的主控因素。

圖6 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖飽和烴質量色譜圖Fig.6 Mass chromatograms of shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

圖7 核桃園組三段2油組和3油組泥頁巖常微量元素參數與TOC關系圖Fig.7 Relationship of major and trace elements between TOC for shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

3.2.5 陸源有機質的輸入

生物標志化合物是指示有機母質生源的良好指標，通常，來源于陸源高等植物的正構烷烴主峰碳在nC25～nC35之間；來源于藻類等水生生物的正構烷烴主峰碳在nC17～nC23之間[47]。同樣，規則甾烷C27～C29也可以用來判斷有機質母質類型，高含量的規則甾烷C27表明有機質中藻類占優勢，而高含量的C29指示高的陸源高等植物輸入[48]。2油組主峰碳以高碳數為主，且為后峰型或雙峰型，C29占明顯優勢；而3油組則以低碳數為主，前峰型，C27與C29相對均衡(圖6)。表明2油組沉積時期陸源有機質貢獻比3油組大。

3.2.6 陸源碎屑的稀釋作用

源區陸源碎屑物質的輸入對于有機質的富集起到很重要的作用，主要是因為陸源碎屑輸入的同時帶來了大量的營養物質，使得藻類大量繁殖，但過多的陸源碎屑物質輸入會對生產力造成一定的稀釋作用[14,21]。通常，可以利用元素的遷移和沉積分異原理進行陸源碎屑物質輸入程度的定性研究。元素鈦(Ti)主要集中在黏土礦物中，需通過水流的搬運才能入湖，因而可以用來指示陸源碎屑物質的輸入程度[38]。一般而言，Ti元素含量越高，陸源碎屑物質輸入越多[3]。核桃園組三段2油組Ti元素含量(0.28%～0.55%，平均值0.35%，表1)高于3油組(0.19%～0.37%，平均值0.24%)，說明2油組沉積時期陸源碎屑物質的輸入量相對較高，對湖泊生產力稀釋作用更強，從而使有機質富集程度降低。

3.3 富有機質泥頁巖發育模式

在核桃園組三段3油組沉積時期，湖盆整體處于湖侵體系域，相對低的Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)值表明湖泊水體較深，水體處于微咸水—半咸水環境(伽馬蠟烷指數分布為0.22～0.71，Sr/Ba<1)，水體分層穩定，Pr/Ph<1，Ceanom>-0.1，V/(V+Ni)平均值為0.70，均指示湖泊底部水體處于缺氧的還原環境(圖9A)，有利于有機質的保存。高的P含量和Al/Ti值說明湖泊具有較高的生產力，生物標志化合物上具有高含量的4-甲基甾烷和高的甾烷/藿烷值，表明湖泊浮游生物極其繁盛(圖9A)，該時期湖泊高生產力是有機質富集的主控因素。

在核桃園組三段2油組沉積時期，湖盆整體處于湖退體系域，湖泊水體蒸發強烈且沉降速率較低，使得湖盆水體鹽度較大(高的伽馬蠟烷指數和高的Sr/Ba值)，分層明顯，限制水體循環，形成缺氧環境(Pr/Ph<1，Ceanom>-0.1，V/(V+Ni)平均值為0.75)，分層水體和缺氧環境有利于有機質的保存，但是高鹽度水體環境在一定程度上抑制了藻類的生長，降低了湖泊生物產率(圖9B)。與3油組相比，2油組泥頁巖沉積時期相對較低含量P和Al/Ti值表明湖泊具有中等生產力(圖9B)。此外生物標志化合物上具有低的甾烷/藿烷值，湖泊浮游生物不發育。從陸源有機質的貢獻來看，核桃園組三段2油組正構烷烴主峰碳以高碳數為主，多為后峰型或雙峰型，規則甾烷C29占明顯優勢，說明其陸源有機質的貢獻相對較大。高含量的陸源碎屑物質輸入(高含量的Ti，平均值為0.35%)在一定程度上稀釋了湖泊生產力，不利于有機質的富集(圖9B)。

圖8 H80，2 431.89 m，泌頁HF1井3油組頁巖反射熒光顯微照片Fig.8 Maceral photographs of shale at 2 431.89 m (H80, Biye HF1 Well) from 3 beds in the third member of Hetaoyuan Formation

圖9 泌陽凹陷核桃園組三段2油組與3油組富有機質泥頁巖發育模式A. 3油組富有機質頁巖發育模式；B. 2油組富有機質泥巖發育模式Fig.9 Deposition models for rich-organic shale from beds 2 and 3 in the third member of Hetaoyuan Formation

4 結論

(1) 核桃園組三段2油組泥頁巖有機質類型從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布，TOC平均值為1.93%；而3油組泥頁巖有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，TOC平均值為3.37%。整體來看，3油組泥頁巖有機質更為富集，且有機質類型更好。

(2) 核桃園組三段2、3油組沉積時期水體處于超咸水—微咸水環境，水體分層穩定，但是從3油組到2油組沉積時期，湖泊水體深度逐漸變淺，水體由微咸水向超咸水轉化。整體上，湖泊處于缺氧的還原環境，有利于有機質的保存。

(3) 3油組沉積時期湖泊高的生產力是有機質富集的主要控制因素，而2油組沉積時期湖泊具有中等生產力，一定的陸源有機質的輸入為該時期富有機質泥頁巖的形成提供了條件。