燕遼裂陷槽遼西坳陷中元古界黑色頁巖沉積環境和生烴潛力

姜在興，徐杰，劉桐，馬代鑫，牟漢生，孫守亮

1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083

2.中國地質大學（北京）海洋學院，北京 100083

3.中國石化東北油氣分公司，長春 130062

4.中國地質調查局沈陽地質調查中心，沈陽 110034

0 引言

隨著常規油氣藏勘探的程度越來越高，“深地”“深時”和“深?！钡挠蜌饪碧皆谖磥碛蜌饪碧街凶兊糜l重要。早期對于生命演化的研究認為，寒武紀之前的生物無論在豐度還是種類上都不足以形成大規模的烴源巖，導致對前寒武系的烴源巖研究長期被忽視[1-3]。但是近些年來的古生物研究表明，真核生物如疑源類，最早出現于古太古代，但其豐度和種類較低，至中元古代逐漸開始成為重要的有機質來源[4-6]。此外大量研究也證實中元古代存在大氣增氧階段，促使至少在中元古代1.59～1.56 Ga、1.44～1.43 Ga 和1.40～1.36 Ga 三個時期的大氣氧含量達到現今水平的4%以上[7]，而已有研究表明當大氣的氧含量達到現今水平的0.5%～1.0%，就能夠滿足后生動物演化和發育的需要[8-9]。同時由于存在海洋硫化分層及缺氧條件，也有利于有機質的埋藏，中元古代具備優質烴源巖發育和保存條件[10-11]。

近些年在古老地層中取得的一系列勘探突破，也證實了前寒武系也可以發育規模性富含有機質的烴源巖（圖1）[12-14]。例如，在俄羅斯奧涅加湖地區發現距今20 億年前（古元古代）的硬瀝青，這些硬瀝青來自于遭受了變質作用的油頁巖和古油苗，有可能是世界上最古老的規模性烴源巖[15-16]。此外在俄羅斯的東西伯利亞盆地中上元古界里菲系和上元古界震旦系、文德系發現由海相泥頁巖和泥灰巖組成厚層烴源巖，平均TOC 含量為0.5%，局部可達12.9%，是東西伯利亞盆地油氣田群的主力烴源巖之一[17]。澳大利亞北部的McArthur 盆地的Barney Creek 組（16.4 億年，地質年代與我國華北串嶺溝組相當）頁巖氣區的地質儲量達4 000 多億立方米[18]，中元古代Middle Velkerra 組（14.0 億年，地質年代與我國華北下馬嶺組相當）頁巖氣區的地質儲量超百億噸油氣當量[19]。此外在印度—巴基斯坦、西非Taoudeni 盆地，北美和巴西S?o Francisco等也發現大量前寒武系優質烴源巖（圖1）[3,12-13,20]。我國四川盆地安岳氣田震旦系取得了海相碳酸鹽巖氣田突破，證實了中國新元古界震旦系的油氣潛力[21]。然而，目前對于華北地臺發育的燕遼裂陷槽中新元古界尚無商業化油氣突破。因此，本文重點聚焦于燕遼裂陷槽東北段，即現今遼西拗陷部分的中元古界薊縣系—待建系沉積環境和有利生烴條件的研究。

圖1 全球前寒武系烴源巖發現情況（據文獻[12-13]修改）中國華北地區廣泛發育中元古界烴源巖，紅色方框內為研究區Fig.1 Global discoveries of pre-Cambrian source rocks (modified from references [12-13])the North China Craton has extensive Mesoproterozoic source rocks;the red rectangle marks the study area

如上所述，目前在國外已發現大量的前寒武系優質烴源巖，其中部分已經形成規模性油氣藏商業化的勘探突破。尤其是澳大利亞北部McArthur盆地發育兩套中元古代優質烴源巖，油氣潛力巨大，這與我國華北串嶺溝組、洪水莊組和下馬嶺組地質年代相近，可能對我國華北地區的油氣勘探具有借鑒意義。

華北燕遼裂陷槽地區的中新元古界油氣勘探始于20世紀50—60年代，目前已于冀北—遼西拗陷發現上百個油苗點及多個古油藏（如雙洞、龍潭溝、盧家莊等）的存在，證實中—新元古界存在過油氣的生成、運移和破壞，是中國油氣勘探值得關注的一個具有廣闊遠景的能源領域[22-28]。目前在遼西拗陷發現86 處油氣顯示，遼河油田部署的韓1 井、楊1 井和興隆1 井在中新元古界均有油氣顯示[29]。中國地質調查局沈陽中心于遼西坳陷凌源盆地部署的遼凌地3 井（圖2）鉆遇優質洪水莊組（TOC 平均為3.6%；S1+S2平均為8.20 mg/g；Ro平均為0.95%；有效烴源厚度大于30 m）和下馬嶺組烴源巖，證實遼西坳陷中新元古界油氣存在規模性油氣藏的潛力[30]。

圖2 研究區概況圖（a）冀北遼西地區中新元古界分布圖，紅框范圍為燕遼裂陷帶遼西坳陷部分，即本次研究區；（b）研究區野外露頭和鉆井資料分布圖；紅色線為野外露頭和鉆井對比剖面Fig.2 Geographic figure of the study area showing outcrops and drilling wells used in this work(a) distribution of the Mesoproterozoic strata in the northern Hebei and western Liaoning regions.The area within the red box represents the Western Liaoning Depression of the Yan-Liao rift belt,which is the focus of this study;(b) distribution map of outcrops and drilling wells used in the study area;The red line marks the stratigraphic correlation section based on outcrops and wells

目前對于燕遼裂陷槽的研究多集中于冀北地區，前人已對此開展了大量的層序地層格架、沉積環境、微生物巖、油氣生烴潛力、烴源巖分布等研究[11,23,27,31-40]，但在遼西地區只有基于少量野外剖面，如凌源—寧城盆地小莊戶剖面[41]，和幾口鉆井的油氣資源潛力評價[42-43]。顯然，對于遼西凹陷中元古界薊縣系的沉積環境和生烴條件的認識還處于初級階段，這制約了該地區的巖相古地理研究和油氣勘探前景。因此，本文聚焦遼西地區，結合大量的野外露頭和收集的僅有鉆井資料，對遼西地區開展系統的沉積環境分析和生烴條件評價。

1 區域地質背景

在地理范圍上，遼西坳陷位于遼寧省西部朝陽、建昌、喀左、凌源四縣及其周邊中元古界地表露頭區，面積約30 000 km2，處于119°00′～122°00′ E，40°20′～42°00′ N 之間。在區域構造上，遼西坳陷隸屬于華北克拉通北緣，燕遼裂陷帶的東段，西側接連冀北坳陷，東端傾伏于新生代遼河裂谷盆地之下，北為內蒙古地軸，南有山海關隆起（圖2a）。

燕遼地區位于我國華北地區的中北部，基底為太古宙遷西群麻粒巖—片麻巖，燕遼裂陷槽形成于18～8 億年，對應于全球Columbia 超大陸裂解到Rodina 超大陸匯聚—裂解構造背景[44-48]。燕遼裂陷槽先后經歷了早期長城系大陸裂谷階段，中期薊縣系被動陸緣階段，中晚期待建系活動陸緣—陸塊碰撞階段、末期青白口系大陸伸展裂陷階段[44]（圖3）。隨后由于構造抬升，導致部分青白口系景兒峪組及之后地層被剝蝕或無沉積，伴隨著燕山地區在古生代再次沉降，形成大規模的以海相碳酸鹽巖為主的沉積序列。

圖3 華北地區燕遼裂陷槽地層和構造演化綜合柱狀圖（據文獻[40,44])修改）1.灰巖；2.泥質灰巖；3.白云巖；4.灰質白云巖；5.白云質灰巖；6.粉砂質白云巖；7.頁巖；8.粉砂質頁巖；9.砂巖；10.礫巖；11.火山巖；12.花崗巖；13.片麻巖；14.瀝青質；15.疊層石；16.燧石條帶Fig.3 Comprehensive stratigraphic and tectonic evolution history diagram of the Yan-Liao rift belt in the North China Craton (modified from references [40,44])1.limestone;2.marlite;3.dolomite;4.limy dolomite;5.dolomitic limestone;6.silty dolomite;7.shale;8.silty shale;9.sandstone;10.conglomerate;11.volcanic rock;12.granite;13.gneiss;14.asphaltene contents;15.stromatolite;16.chert band

雖然燕遼裂陷槽形成和發育階段伴隨著全球性Columbia 超大陸裂解到Rodina 超大陸匯聚—裂解的多次構造和火山運動，但是研究區整體以穩定升降運動為主，形成了以碳酸鹽巖為主的巨厚的海相地層，部分地區例如天津薊縣標準剖面總厚度可達9 000 m[49]。燕山地區中新元古界根據構造演化的階段不同和巖性組合差異，自下而上可以劃分為4個系和12個組，依次為長城系（常州溝組、串嶺溝組、團山子組、大紅峪組），薊縣系（高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組）、待建系（下馬嶺組）和青白口系（長龍山組、景兒峪組）（圖3）。

遼西拗陷的地層發育情況與燕遼裂陷槽其他區域類似，長城系—青白口系發育完整。前人的調查研究表明研究區存在串嶺溝組、高于莊組、洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組5 套烴源巖層系，本次研究聚焦于洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組這三套烴源巖層系的沉積環境和生烴潛力。其中洪水莊組與鐵嶺組為整合接觸關系，鐵嶺組沉積之后受到芹裕運動影響導致鐵嶺組頂部遭受剝蝕，因此鐵嶺組與其上覆下馬嶺組呈平行不整合接觸關系[50-52]。多數研究認為下馬嶺組與其上覆龍山組為不整合接觸關系，但是基于地層學、碎屑鋯石測年、鋰同位素和主微量元素的最新研究中指出，下馬嶺組與龍山組并未存在大型不整合面[53]。

本研究基于遼西坳陷35 個野外露頭，6 口鉆井資料（圖2b），通過野外露頭和巖心觀察、鏡下薄片鑒定、有機地化參數對研究區烴源巖沉積環境和生烴潛力開展系統研究。

2 沉積環境研究

2.1 洪水莊組沉積環境

燕遼裂陷帶薊縣系洪水莊組巖性主要為一套黑色頁巖夾白云巖，厚度為100～170 m，沉積中心位于薊縣、興隆、寬城一帶[54]。前人研究認為洪水莊組整體為淺海環境，沉積中心為海灣—潟湖沉積，沉積邊緣為碳酸鹽巖潮坪相沉積[33,55-56]。其他學者對冀北地區洪水莊組黑色頁巖分析也指出，黑色頁巖大部分沉積于缺氧或靜海環境，其沉積時期古生產力水平達到中等—高水平，部分鉆井巖心中可見固體瀝青及滲出的油苗[25,57-58]，認為洪水莊組頁巖沉積于滯留和水體交換循環弱的環境中，對有機質的保存非常有利?？梢娗叭苏J為冀北地區洪水莊組整體環境是一個較為淺水但封閉的環境。

前人的研究多聚焦于冀北地區，目前對于遼西坳陷尚無系統的沉積環境分析。本次對遼西地區洪水莊組的研究表明，水深可能要比前人認識得更深，例如在遼西凌源市孟家窩鋪剖面、遼寧省朝陽市朝陽縣瓦房子鎮尹杖子村、曲家溝村和楊樹底下剖面都揭示了約80 m的洪水莊組黑色頁巖（圖4，5；露頭位置請見圖2b），該套頁巖頁理極為發育，未見厚層白云巖，只在頂部見薄層白云巖、底部見薄層的鈣質粉砂巖和白云巖，指示其處于穩定的沉積環境和較為停滯的水體環境。此外如喀左縣平房子鎮北洞村連續出露近90 m 洪水莊組黑色頁巖（圖4d；露頭位置請見圖2b），只在頂部發育薄層的白云巖和石英砂巖。由于野外露頭的長期風化，洪水莊組頁巖頁理非常發育，但其內部細微沉積特征難以辨認。遼凌地2 井和遼凌地3 井的鉆井巖心同樣揭示了連續的暗色泥巖（圖5，6），部分巖心中可以觀察到層狀黃鐵礦，指示還原的水體環境（圖6b，c）。遼凌地3 井黑色頁巖的薄片觀察可見條帶狀的黑色有機質，指示了強還原的沉積環境和較好的生烴潛力（圖6d，e）。此外洪水莊組在研究區分布范圍廣，地層厚度穩定，可以全區追蹤對比，且未見到明顯的相帶變化，反映了研究區中西部均為穩定的還原環境（圖5）。

圖4 洪水莊組野外露頭特征（a）洪水莊組黑色頁巖，風化嚴重，新鮮面為灰色，遼西凌源市孟家窩鋪剖面；（b）洪水莊組黑色頁巖，向上過渡為鐵嶺組白云巖，朝陽市瓦房子鎮尹杖子村剖面；（c）洪水莊組頁巖，注意新鮮面為黑色，風化面為黃色，朝陽市瓦房子鎮曲家溝西梁；（d）洪水莊組頁巖，頁理發育，喀左縣平房子鎮北洞村剖面Fig.4 The depositional features of the outcrops of the Hongshuizhuang Formation(a) the black shale of the Hongshuizhuang Formation,Mengjiawopu section,Lingyuan city;(b) the black shale of the Hongshuizhuang Formation,Yinzhangzi village,Wafangzi town,Chaoyang city;(c) black shale of the Hongshuizhuang Formation,note the fresh surface is black and the weathered surface is yellow,western ridge of Qujiagou village,Wafangzi town,Chaoyang city;(d) black shale of the Hongshuizhuang Formation with well-developed lamination,Beidong village,Pingfangzi town,Kazuo county

圖5 遼西坳陷洪水莊組和鐵嶺組地層對比圖（剖面位置請見圖2b）Fig.5 The stratigraphic correlation between wells and outcrops in the Western Liaoning Depression (please find the cross-section location on Fig.2b)

圖6 洪水莊組鉆井、巖心和薄片特征（遼凌地3 井）（a）洪水莊組巖性和測井柱狀圖；（b）黑色頁巖，黃鐵礦發育，410.1 m；（c）黑色頁巖，黃鐵礦發育，464.6 m；（d，e）洪水莊組黑色頁巖鏡下特征，黑色條帶為有機質，正交光，比例尺見右下角，410.1 mFig.6 The core,well log and thin section features of the Hongshuizhuang Formation (well Liaolingdi 3)(a) the lithology and GR logging feature;(b) black shale with well developed pyrite,410.1 m;(d) black shale with well developed pyrite,464.6 m;(d,e) Microscopic feature of the black shale under thin section,cross-polarized light.Please note the black color band are organic rich and the scale bare is located at the lower right corner,3,410.1 m

在喀左縣姜杖子村剖面上洪水莊組頂部可見薄層的暗色泥巖夾透鏡狀的白云巖，白云巖與暗色泥巖呈沖刷切割關系（圖7a，b），部分白云巖透鏡體可見丘狀交錯層理，指示其原始的形成環境為風暴沉積背景，但由于后期受到重力作用而滑塌進入暗色泥巖。該重力流滑塌特征還可見于遼寧省朝陽市朝陽縣瓦房子鎮曲家溝村剖面，白云巖與下伏洪水莊組暗色泥巖呈不規則狀切割關系（圖7c）。白云巖內部呈角礫狀混雜堆積，為碳酸鹽巖臺地前緣斜坡滑塌進入深水海槽（圖7d）。這種呈雜亂排列的角礫狀灰巖代表了斜坡的重力流沉積過程[59]。

圖7 研究區洪水莊組頂部滑塌體野外特征（a）洪水莊組頂部頁巖，夾透鏡狀白云巖，白云巖透鏡體內部見丘狀交錯層理，凌源市姜杖子村剖面；（b）洪水莊組頂部頁巖被白云巖滑塌體切割，凌源市姜杖子村剖面；（c）洪水莊組頂部頁巖被白云巖滑塌體侵蝕，朝陽市瓦房子鎮曲家溝西梁；（d）白云巖滑塌體內部見白云巖角礫，朝陽市瓦房子鎮曲家溝西梁Fig.7 The sedimentary features of the slump deposits on the uppermost part of Hongshuizhuang Formation on outcrops(a) top shale of the Hongshuizhuang Formation interbedded with lens-shaped dolomite,with hummocky cross-stratification observed inside the dolomite lens,Jiangzhangzi village,Lingyuan city;(b) top shale of the Hongshuizhuang Formation cut by dolomite debris flow,Jiangzhangzi village,Lingyuan city;(c) top shale of the Hongshuizhuang Formation eroded by dolomite debris flow,western ridge of Qujiagou village,Wafangzi town,Chaoyang city;(d) dolomite breccia observed inside the dolomite debris flow,western ridge of Qujiagou village,Wafangzi town,Chaoyang city

綜合遼西坳陷洪水莊組特征：（1）巖性以黑色頁巖為主；（2）分布廣泛；（3）風暴巖或角礫狀白云巖滑塌體侵蝕暗色泥巖；（4）黃鐵礦發育等現象，可以判斷遼西坳陷洪水莊組為一套臨近臺地邊緣相的深水海槽沉積，頂部逐漸過渡到臺地斜坡相，相較于前人認為冀北等地區的局限?；驖暫练e，水體更深。無獨有偶，澳大利亞McArthur 盆地中元古Velkerri組，主要由灰黑色富含有機質的紋層狀泥巖與粉細砂巖互層組成，前人研究分析認為其沉積環境是厭氧的水深相對較淺的深海盆地[58]。

2.2 鐵嶺組沉積環境

鐵嶺組主要由一套白云巖、含錳白云巖、錳質頁巖、疊層石白云巖以及白云質灰巖組成，與洪水莊組整合接觸。鐵嶺組沉積之后，受芹裕運動的影響，鐵嶺組與其上的下馬嶺組為不整合接觸。遼西坳陷鐵嶺組根據巖性特征可以分為三段，鐵嶺組底部（鐵一段）以白云巖、含錳白云巖為主，鐵嶺組中部（鐵二段）以灰色、灰綠色泥巖為主，部分地區，如朝陽市瓦房鎮以含錳白云巖和含錳頁巖為主，而鐵嶺組頂部（鐵三段）以疊層石白云巖，白云巖和泥巖薄互層為特點。研究區鐵嶺組厚度一般介于100～350 m之間，向研究區東部逐漸減?。▓D5），可能與芹裕運動抬升有關。根據野外的露頭觀察和部分樣品鏡下微觀特征，研究區鐵嶺組可識別出臺地邊緣顆粒灘相（鐵嶺組底部）、局限臺地潟湖相（鐵嶺組中部）和潮坪相（鐵嶺組頂部）。

2.2.1 臺地邊緣顆粒灘

臺地邊緣顆粒灘多發育在水深幾米到幾十米之間，通常位于正常浪基面之上，是頻繁受到風浪改造的高能相帶，因此顆粒灘多由磨圓、分選良好的鮞粒及球粒組成，可以成為良好的油氣儲層[59]。遼西坳陷多個剖面的鐵嶺組底部可見顆粒白云巖，風化面呈黃色，新鮮面為灰色（圖8）。顆粒白云巖鏡下可見圓形或橢圓形碳酸鹽顆粒，分選磨圓好，粒徑介于0.5～1 mm，反映了強水動力條件下波浪的反復淘洗（圖8c，d）。

圖8 鐵嶺組底部野外露頭和微觀鏡下特征（a，b）鐵嶺組底部顆粒白云巖，遼西喀左縣姜杖子村剖面；（c，d）鐵嶺組底部顆粒白云巖鏡下微觀特征，薄片取自圖b中巖石；（e）鐵嶺組底部顆粒白云巖；遼西凌源市孟家窩鋪剖面；（f）鐵嶺組底部顆?；規r，為圖5e的局部放大；遼西凌源市孟家窩鋪剖面Fig.8 Outcrop and microscopic features of the basal part of the Tieling Formation(a,b) grain dolostone at the base of the Tieling Formation,Jiangzhangzi village,Kazuo county,western Liaoning;(c,d) microscopic features of grain dolostone at the base of the Tieling Formation,thin sections taken from the rock in Fig.5b;(e) grain dolostone at the base of the Tieling Formation,Mengjiawopu village,Lingyuan city,western Liaoning;(f) grain dolostone at the base of the Tieling Formation,a magnified section of Fig.5e,Mengjiawopu village,Lingyuan city,western Liaoning

2.2.2 局限臺地（潟湖）相

局限臺地（潟湖）相位于臺地礁—灘內側，與開闊海的連通受到限制。其水深在幾米到幾十米之間，由于受到障壁阻擋，波浪作用相對較弱，主要受到潮汐作用的影響，主要的巖性多為灰泥，受到陸源輸入影響也常含灰色泥巖和粉砂巖。遼西坳陷大部分區域的鐵嶺組中部（鐵二段）以暗色泥巖為主，夾薄層白云巖，厚度多為30～70 m（圖5、圖9a，b），單個剖面（喀左縣玉皇廟剖面）最大累計厚度可達120 m（露頭位置見圖2b），為局限臺地（潟湖）相，在相帶上與下伏的鐵嶺組底部顆?；規r相鄰，反映沉積相帶的向陸方向遷移。

圖9 鐵嶺組中部和頂部野外露頭特征（a）鐵嶺組中部灰色頁巖，遼西喀左縣姜杖子村剖面；（b）鐵嶺組中部灰色頁巖，凌源市孟家窩鋪剖面；（c）鐵嶺組中部含錳白云巖和含錳頁巖，朝陽市瓦房子鎮曲家溝剖面；（d）鐵嶺組中部含錳白云巖和含錳頁巖，朝陽市瓦房子鎮曲家溝剖面；（e）鐵嶺組頂部薄層白云巖與泥巖互層，凌源市小莊戶剖面；（f）鐵嶺組頂部疊層石白云巖，喀左縣姜杖子村剖面Fig.9 Outcrop features of the middle and upper parts of the Tieling Formation(a) gray shale in the middle part of the Tieling Formation,Jiangzhangzi village,Kazuo county,western Liaoning;(b) gray shale in the middle part of the Tieling Formation,Mengjiawopu village,Lingyuan city;(c,d) Manganese-bearing dolostone and manganese-bearing shale in the middle part of the Tieling Formation,Qujiagou village,Wafangzi town,Chaoyang city;(e) thin-layered dolostone interbedded with mudstone at the top of the Tieling Formation,Xiaozhuanghu village,Lingyuan city;(f) stromatolite dolostone at the top of the Tieling Formation,Jiangzhangzi village,Kazuo county

此外在遼西朝陽市瓦房子鎮地區鐵嶺組中部廣泛發育含錳白云巖和黑色頁巖（圖9c，d），是華北地區主要的錳礦發育區。前人基于海水分層模式將全球各大沉積型錳礦成礦模式總結為極端氣候事件（如冰期—間冰期）、閉塞盆地、最小含氧帶擴張[60-63]。瓦房子鎮含錳白云巖及其黑色頁巖圍巖，結合遼西地區廣泛發育的黑色頁巖沉積，可以推斷瓦房子鎮的含錳白云巖的形成環境為閉塞盆地，這與區域上認為遼西地區鐵嶺組中部為局限臺地潟湖沉積環境相一致。

2.2.3 潮坪相

潮坪相主要發育在鐵嶺組頂部，主要為疊層石白云巖、薄層白云巖和薄層泥巖互層（圖9e，f），其中薄層白云巖和薄層泥巖在垂向上頻繁互層，旋回性明顯，可能受到氣候旋回的控制。該相帶（鐵嶺組頂部）分布范圍不如洪水莊組—鐵嶺組中部（圖5），這是由于后期芹裕運動造成的構造抬升，導致遼西坳陷東部（例如瓦房鎮子鎮一帶）鐵嶺組頂部沉積序列被剝蝕，只在遼西坳陷西部地區廣泛分布[64]。

2.3 下馬嶺組沉積環境

薊縣系下馬嶺組與其下伏鐵嶺組為不整合接觸（圖2、圖10a，b），由于受到芹裕運動影響，下馬嶺組露頭分布范圍較為局限，主要分布在遼西坳陷西南一帶。與鐵嶺組以碳酸鹽巖沉積為主不同，下馬嶺組主要為一套硅質碎屑巖，底部巖性以石英砂巖、粉砂巖和粉砂質頁巖為主，頂部為厚層的灰黑色頁巖夾薄層粉砂巖和白云巖透鏡體，在本研究區下馬嶺組常見輝綠巖脈侵入，在露頭多見輝綠巖的球形風化。研究區下馬嶺組主要發育碎屑濱岸相和淺?！肷詈Ｏ?。

圖10 凌源市溝門子鎮小莊戶村下馬嶺組野外沉積特征（a，b）鐵嶺組與下馬嶺組不整合接觸，底下為白云巖，頂部為石英砂巖；（c）下馬嶺組石英砂巖，可見槽狀交錯層理；（d）厚層石英砂巖向上過渡為薄層灰色頁巖；（e）灰色粉砂質頁巖，風化面發黃，新鮮面為灰色；（f）灰色頁巖夾薄層粉砂質條帶Fig.10 Sedimentary features of the Xiamaling Formation outcrop in Xiaozhuanghu village,Goumenzi town,Lingyuan city(a,b) unconformity between the Tieling Formation and the Xiamaling Formation,with dolomite below and quartz sandstone above;(c) quartz sandstone of the Xiamaling Formation showing trough cross-bedding;(d) the brownish quartz sandstone gradually changes upward to gray silty shale;(e) gray silty shale,note the yellow color is caused by weathering and the fresh surface is gray;(f) gray shale with very thin silty lamination

2.3.1 濱海相

下馬嶺組底部以一套石英砂巖向上過渡為粉砂巖和粉砂質泥巖為特征。石英砂巖呈塊狀，見多種類型的交錯層理，石英顆粒分選磨圓極好，反映了波浪和潮汐的反復淘洗沖刷，為典型的碎屑濱岸相（圖10a～c）。

2.3.2 淺?！肷詈Ｏ?/p>

下馬嶺組中部—頂部以暗色泥巖為主，夾含少量的粉砂巖和白云巖透鏡體，為淺海相沉積，在水深最大處可能為半深海沉積（圖10d～f）。早期前人認為燕遼裂陷槽的北緣被內蒙古地軸所局限，因此多認為下馬嶺組沉積時期為局限的海灣或潟湖沉積。但后期的研究表明內蒙古地軸為后期古生代隆升[65-66]，此外有學者根據冀北下花園地區下馬嶺組的古海洋環境分析此時燕遼裂陷槽與北面廣海連通[7,52,67-68]。結合山海關在中新元古代長期隆起的背景[64]，下馬嶺組時期華北地臺東部山海關—葫蘆島一帶為古隆起，向西和西北逐漸過渡為濱淺海相、淺海相和深海相。

高志勇等[52]在河北下花園夏家溝—古城梁剖面的研究中指出下馬嶺組為淺海陸棚—深水陸棚的泥頁巖沉積和風暴—濁流沉積。張水昌等[7]研究指出下馬嶺組沉積時期，冀北—遼西一帶為淺海陸棚—深水海灣沉積，北部和西北部為廣海和深海，東南部為古陸。曠紅偉等[53]也指出北京西山、河北懷來、河北下花園一帶下馬嶺組中部為淺海陸棚。綜合而言，下馬嶺組時期為無障壁海岸沉積，岸線沿山海關—葫蘆島一帶呈北東方向向南北兩側延伸，淺海陸棚—深水盆地向西和西北方向發育。遼西坳陷早期為濱岸相沉積，中晚期以淺海陸棚沉積為主，水深最大時為半深海沉積。

2.4 沉積模式

結合區域地質背景、野外露頭、巖心、薄片觀察以及前人認識，分別建立了遼西坳陷中元古界薊縣系洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組沉積模式。其中洪水莊組為深水海槽—臺地邊緣—潮坪環境，研究區主要發育深水海槽和臺地邊緣相，而淺水潮坪相在研究區的東部和山海關古陸之間發育，但目前缺乏露頭和鉆井資料進一步限定其發育范圍（圖11a）。鐵嶺組為臺地邊緣—潟湖—潮坪沉積環境（圖11b），下馬嶺組為碎屑濱岸—淺海陸棚沉積環境（圖11c）。

圖11 遼西坳陷中元古薊縣系洪水莊組（a）、鐵嶺組（b）和下馬嶺組（c）沉積模式圖Fig.11 Depositional model of the Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation (a),Tieling Formation(b) and Xiamaling Formation(c) in the Western Liaoning Depression

洪水莊組沉積時期水體較深，主要由暗色泥巖夾薄層白云巖組成。洪水莊組頂部出現白云巖的滑塌沉積，反映水體逐漸向上變淺的序列，并從海槽沉積環境過渡為臺地斜坡環境。鐵嶺組底部發育高能碳酸鹽巖臺地邊緣顆粒灘沉積，向中部逐漸過渡為潟湖相灰色泥巖，局部地區由于水體循環閉塞形成含錳白云巖和含錳頁巖，頂部為潮坪相疊層石白云巖、白云巖和泥巖的頻繁互層。因此，洪水莊組和鐵嶺組分別構成了兩個水體整體向上變淺的沉積序列（圖11a，b）。下馬嶺組為無障壁碎屑海岸—淺海陸棚沉積，底部為濱海石英砂巖、粉砂巖沉積為主，向上逐漸過渡為淺海陸棚，巖性以灰色頁巖和粉砂質頁巖為主，海侵最大時水深可達半深海（圖11c）。

3 生烴潛力評價

本次研究收集和整理了176 份遼西坳陷洪水莊組（115 份）、鐵嶺組（23 份）和下馬嶺組（38 份）烴源巖的地球化學數據?？傆袡C碳（TOC）是烴源巖評價的重要指標，統計分析表明洪水莊組TOC介于0.2%～3.9%，平均值為1.8%，屬于好烴源巖的標準（圖12）。洪水莊組的生烴潛量（S1+S2）分布范圍為0.02～33.17 mg/g，平均值為2.58 mg/g，為較好烴源巖。前人分析冀北地區洪水莊組烴源巖地球化學指標后指出TOC平均值為2.4%，S1+S2平均值為2.58 mg/g[27]，略好于本次研究區的相關指標，但兩者的差距并不明顯，可能是冀北地區更處于當時的沉積中心，導致冀北地區洪水莊組黑色頁巖的指標略好于遼西坳陷?？傮w而言，綜合TOC和S1+S2數據認為遼西坳陷洪水莊組整體為較好—好烴源巖。

圖12 遼西坳陷洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組烴源巖有機地化參數分布圖（a）烴源巖TOC和S1+S2分布圖，數據據文獻[69-74]；（b）烴源巖Tmax分布圖，數據據文獻[70-74]Fig.12 Distribution of organic geochemical parameters of source rocks from the Hongshuizhuang Formation,Tieling Formation,and Xiamling Formation in the Western Liaoning Depression(a) distribution map of TOC and S1+S2 of source rocks,data based on references[69-74];(b) distribution map of Tmax in source rocks,data based on based on references[70-74]

相較于洪水莊組，鐵嶺組的TOC 介于0.1%～1.2%，平均值只有0.3%，屬于較差的烴源巖，但是對測試樣品的巖性進行分析，只有部分樣品屬于黑色頁巖，大部分樣品為白云巖或粉砂質泥巖。如對遼西轱轆井剖面的黑色頁巖進行單獨統計，其TOC 介于0.6%～1.2%，平均值為0.9%，屬于中等烴源巖。鐵嶺組整體S1+S2介于0.10～2.20 mg/g，平均 值為0.30 mg/g，屬于非烴源巖；但對鐵嶺組黑色頁巖單獨統計發現，其S1+S2介于0.40～2.20 mg/g，平均值為1.00 mg/mg，屬于差烴源巖?？傮w而言，鐵嶺組黑色頁巖品質不如洪水莊組，屬于差—中等烴源巖。這可能與鐵嶺組黑色頁巖沉積時期雖然為潟湖沉積，但水體相對較淺，容易受到陸源物質輸入和表層大氣的影響，導致烴源巖品質不如洪水莊組。

下馬嶺組黑色頁巖的有機地球化學結果顯示了優質烴源巖品質，TOC 介于0.1%～12.6%，平均值為2.3%，屬于好烴源巖。S1+S2測試結果介于0.10～66.00 mg/g，平均值為8.40 mg/g，同樣屬于好烴源巖的標準。這比前人總結的冀北地區下馬嶺組平均TOC為2.1%，平均S1+S2為3.90 mg/g要高[27]，顯示了良好的烴源巖品質和生油潛力。下馬嶺相對洪水莊組和鐵嶺組具有更高的總有機碳含量和生烴潛量，可能與下馬嶺組沉積時期更為豐富活躍的藻類微生物[40]，以及適宜生物勃發的較高氧氣含量有關[7]。

此外對遼西坳陷的烴源巖Tmax參數統計發現，這三套古老烴源巖的熱演化并沒有達到過成熟的階段，反而相當一部分的洪水莊組—下馬嶺組烴源巖處于低成熟階段（圖12）。處于成熟階段（Tmax為435 ℃～445 ℃）約占18%～32%，高成熟階段（445 ℃～480 ℃）約占23%～33%，過成熟的烴源巖占比很小。綜合Tmax數據可得，洪水莊組—下馬嶺組烴源巖大多處于產油和產氣的成熟—高成熟早期階段，前人總結冀北地區的洪水莊組—下馬嶺組的平均Ro介于1.09%～1.14%，其熱演化程度略高于本次研究統計的Tmax參數，可能與冀北地區為當時的沉降中心埋藏更深有關，但兩者的熱演化程度均表明這三套烴源巖均處于成熟—高成熟早期階段，適宜于油氣的生成。

史曉穎等[24]認為中元古代海洋海底普遍缺氧，有利于有機質的保存，因此中元古代的有機質具有較高的埋藏率。王浩等[27]估算中新元古界烴源巖的總生烴量約為1 227.01×108t?？梢娭行略沤绲臒N源巖層系不僅具有高的生烴潛力和適宜的熱演化程度，其資源潛力也非?？捎^。

評價遼西坳陷的油氣潛力同時也需考慮生儲蓋組合，大量的研究表明薊縣系霧迷山組和鐵嶺組白云巖經過成巖作用及后期改造，可以形成大量的溶蝕孔洞，同時受構造應力作用影響形成了大量的裂縫，是燕山地區的優質儲層[75-76]。下馬嶺組底部發育一套濱海相的石英砂巖，是研究區另一套優質的儲集體。而洪水莊組和下馬嶺組的頁巖X衍射測試表明脆性礦物含量平均值為66.8%，有利于后期的壓裂改造，是優質的非常規油氣儲層，同時也是優質的蓋層[40]。因此，薊縣系霧迷山組頂部白云巖、洪水莊組黑色頁巖、鐵嶺組白云巖、待建系下馬嶺組底部石英砂巖和中上部黑色頁巖，組成了多套的生儲蓋組合，利于油氣的生成、儲集和封蓋。由于本文聚焦于烴源巖的沉積環境和生烴潛力評價，故對含油氣系統不再展開分析。

4 結論

（1）研究發現洪水莊組主要為一套富含有機質的黑色頁巖，黃鐵礦非常發育，指示深水海槽沉積。多個露頭點在洪水莊組頂部見白云巖滑塌沉積，表明水深向上變淺，逐漸過渡為碳酸鹽巖臺地斜坡沉積環境。

（2）鐵嶺組底部廣泛發育高能顆粒白云巖沉積，中部以灰色頁巖為主，局部地區灰色頁巖與含錳白云巖交互沉積，頂部為疊層石白云巖和泥巖互層，反映碳酸鹽巖臺地邊緣—潟湖—潮坪沉積環境，并同洪水莊組組成了兩個整體水深向上變淺的沉積旋回。

（3）待建系下馬嶺組為底部石英砂巖、中上部則以灰色頁巖沉積為主，為無障壁碎屑濱岸—淺海陸棚沉積。

（4）有機地化測試數據表明洪水莊組和下馬嶺組黑色頁巖是中—優質烴源巖，鐵嶺組次之。烴源巖熱演化程度多處于成熟—高成熟早期階段，有利于油氣的生成。