準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組烴源巖沉積環境分析及物源示蹤
——來自泥巖地球化學的證據

蔡倩茹,王金鐸,張關龍,宋智華,王圣柱,熊崢嶸,倪勝利

1.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發研究院,山東 東營 257000;2.中國石化 勝利石油管理局 博士后科研工作站,山東 東營 257000

準噶爾盆地是自晚古生代以來經歷多期構造運動改造形成的大型疊合盆地,油氣資源豐富[1-3]。目前準東北地區的油氣勘探正逐漸由淺層中生界向深層石炭系—二疊系擴展,其中石炭系更是極其重要的烴源巖和儲層發育層系,具有十分重要的勘探研究意義[4-6]。近年來,隨著陸梁隆起南緣滴南凸起的克拉美麗氣田以及五彩灣凹陷油氣藏的相繼發現,證實準東北地區發育的上石炭統巴塔瑪依內山組(巴山組)是有利的烴源巖發育層段[7-8]。其中滴中1、滴西8、彩參1等20多口井鉆遇巴山組烴源巖,在盆地東北緣的塔克爾巴斯他烏、扎河壩、五彩灣、白堿溝和雙井子等露頭區也有出露[9-10]。巴山組烴源巖的分布受到斷裂和火山巖分布的控制,呈條帶狀展布,與火山巖互層或形成于火山巖體之間的低洼地帶,巖性為泥巖、凝灰質泥巖和碳質泥巖[11]。沉積背景及環境變化是控制烴源巖成因、分布以及有機質類型的主要因素,并且會對儲集空間類型、孔隙結構等產生重要影響。因此,沉積環境的分析對于有利烴源巖分布預測具有重要的指導作用,進而決定油氣勘探進展。然而,前期研究大多側重于火山巖成因、大地構造演化以及沉積相分析等,對巴山組沉積環境方面的研究工作較少,存在海相、海陸過渡相和陸相等爭議[12-13]。

沉積巖中的主微量、稀土元素在沉積過程中往往受古氣候、古水體化學條件、古環境以及古物源的影響,因此沉積巖地化特征是指示沉積演化過程的標志[14-15]。通過對沉積巖中元素分布規律的全面分析,有助于確定沉積環境和演變過程。鑒于此,本文對準噶爾盆地東北緣富蘊地區發育的暗色泥巖進行系統的樣品采集工作,結合巖石學特征與地球化學測試分析,恢復巴山組沉積期古氣候、古水深以及水體介質的古鹽度和古氧化還原條件等,并且進一步探討構造環境與古沉積環境之間的聯系,對準噶爾盆地東北部石炭系油氣勘探、開發與評價提供地質依據。

1 地質背景

東準噶爾處于新疆北部,是中亞造山帶的重要組成部分。該區自古生代以來經歷了多階段的大洋俯沖、碰撞和后碰撞等復雜的構造演化歷史,并形成一系列相關的火山島弧及增生雜巖[12-13]。上石炭統巴山組沉積時期,火山作用強烈,爆發相、溢流相與火山沉積相交互發育,在火山噴發的間歇期,發育大量的砂、泥巖沉積[11]。受晚古生代洋殼向北俯沖、閉合及板塊邊界碰撞造山作用控制,準噶爾古陸與西伯利亞板塊最終拼合連為一體,準東北地區在晚石炭世之前已經進入陸內演化階段,表現為裂谷與殘留海并存,北陸南海的格局[16-17]。本次研究區位于盆地東北緣的富蘊縣,包括五彩城、帳篷溝、白堿溝、扎河壩、尖山溝以及拜爾庫都克地區(圖1)。該地區的巴山組根據巖性可以分為兩段:下部巴一段巖性主要為中基性火山巖,玄武巖占多數,局部發育酸性流紋巖、火山角礫巖和凝灰巖;上部巴二段則以薄層礫巖、粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖為主。

圖1 準噶爾盆地東北緣地質概況和采樣位置據參考文獻[9]修改。

2 樣品采集與測試方法

本次研究樣品均采自富蘊縣出露的巴山組,主要為新鮮且未經風化的泥巖和粉砂質泥巖。這些巖石樣品在野外露頭中呈灰白色,新鮮面為淺灰色,塊狀構造,泥狀結構。礦物粒度極細,手標本下肉眼難以分辨,巖石致密細膩,可見貝殼狀斷口。偏光顯微鏡下可見巖石薄片樣品主要是由黏土礦物、石英以及填充其間的有機質共同組成(圖2)。其中石英礦物自形程度較差,粒狀,粒徑為0.02～0.03 mm,含量為15%～20%,正交偏光鏡下可見明顯的波狀消光。黏土礦物為黑色不透明顏色,形狀不規則,含量約為60%～70%。有機質物質主要呈條狀或塊狀填充在石英與黏土礦物之間,含量約為15%～20%。通過手標本觀察和鏡下薄片鑒定,重點選取主微量元素分析樣品27件,稀土元素分析樣品8件。樣品檢測在中國石油大學(北京)地球科學學院石油地質實驗室內完成。主量元素測試借助X射線熒光光譜儀(XRF),測試流程遵循國標《硅酸鹽巖石化學分析方法:GB/T 14506.28—2010》,測試精度在2%～4%;微量及稀土元素測試依據美國PE公司DRC-E型電感耦合等離子體質譜(ICP-MS),以國家標準參考物質(GSR3)為標樣進行檢測,遵循巖石、土壤、水系沉積物中微量元素的封閉酸溶ICPMS法測定,測試精度優于5%。實驗結果見表1。

表1 準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組泥巖樣品主微量元素和地球化學指標數據

續表1

圖2 準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組泥巖野外特征(a-c)及巖石薄片(d-f)

3 測試結果分析及沉積環境討論

3.1 古氣候條件

古氣候變化直接影響沉積物供應及水體分層,進而制約著水體種群密度及生物組合,間接影響有機質富集與儲存?；瘜W蝕變指數(CIA)是反映古氣候特征的重要參數,CIA=Al2O3×100/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O),式中CaO*指硅酸鹽礦物中的CaO。一般情況下,CIA值的升高通常與古氣候環境的濕潤程度呈正相關關系;同樣的,化學風化指數[CIW,CIW=Al2O3×100/(Al2O3+CaO*)]和斜長石蝕變指數[PIA,PIA=(Al2O3-K2O)×100/(Al2O3+CaO*+Na2O-K2O)]值的逐漸升高也指示物源區風化程度的持續增強,反映物源區古氣候向溫暖、潮濕環境轉變的趨勢[12]。

研究區內,除了扎河壩地區泥巖樣品的CIA值介于89～106,反映強化學風化背景下的濕熱型氣候,其余地區泥巖樣品CIA值均介于58～82(平均值76),指示中等化學風化背景下的暖濕型氣候[19]。鄰區塔克爾巴斯他烏露頭和盆地內部烏倫古坳陷的巴山組泥巖CIA指數也反映了暖濕型或溫熱型古氣候環境[9,11]。同時,區域內CIW和PIA值也均指示源區以中等風化作用為主(圖3)。在泥巖A-CN-K三角圖解(圖4)中可以看出,平行于A-CN坐標軸的巖石預測風化趨勢線T’(剔除了鉀交代作用的影響)指示除了扎河壩個別點落在強化學蝕變區,其余大部分點落在中等化學蝕變區,與前述觀點一致。

圖3 準噶爾盆地東北緣晚石炭世沉積環境地球化學參數變化

圖4 準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組泥巖A-CN-K三角圖據參考文獻[21]修改;PAAS為后太古宙澳大利亞頁巖。

SiO2/Al2O3比值可用來反映Si通過化學淋溶搬運的變化情況,當SiO2/Al2O3>4時,巖石中SiO2運移極少,指示干燥的氣候環境;而當SiO2/Al2O3<4時,則指示了相對濕潤的氣候環境導致大量的SiO2遷移[20]。研究區只有個別泥巖樣品具有較高的SiO2/Al2O3比值,而大部分樣品均遠低于4,反映了相對濕潤的古氣候背景。另一方面,高的Sr含量是水體在干旱氣候下蒸發的結果;而在干冷條件下,由于水體的堿性逐漸增強,導致Cu大量析出。因此Sr/Cu被廣泛用于恢復古氣候,通常Sr/Cu>10指示干燥氣候,Sr/Cu<10則代表溫濕氣候[21]。所有的泥巖樣品中除3個具有較高Sr/Cu比值外,其余的Sr/Cu值均介于2～8,平均值為5.93,整體反映溫暖濕潤的古氣候環境。

3.2 古氧化—還原條件

通常情況下,常見的敏感元素主要包括U、Th、Ni、Co、Cu、Zn、Mo等,其富集程度和相互間的比值是反映氧化—還原環境的可靠指標[22-23]。其中,Th、U元素之間化學性質的差異性,導致其在不同環境的賦存狀態截然不同。Th在水體中主要以Th4+的形態賦存,對氧化還原條件的敏感性差。相反,U在缺氧條件下以U6+形式與海水中的碳酸根離子結合,導致沉積物在氧化環境中通常虧損U。因此,U/Th比值是指示水體氧化還原條件的重要指標,具體表現為,U/Th>1.25指示缺氧環境,U/Th介于0.75～1.25時為貧氧環境,U/Th<0.75則反映氧化環境[24-25]。測試結果顯示,區域內巴山組巖石除兩個樣品的U/Th比值大于0.75,其余樣品的U/Th比值均介于0.17～0.72,表明研究區在晚石炭世應整體處于典型的氧化環境(圖3)。

在氧化水體中,Ni大多以Ni2+離子或NiCO3形式被有機質所吸附;在還原水體中,Ni則可形成不溶性的NiS,被自生黃鐵礦吸收。同時,在還原環境中Co比Ni優先活化,從而造成沉積物中的Ni/Co比值增大。因此,Ni/Co比值也被認為是判斷沉積物所在水體氧化還原程度的重要參數,其中Ni/Co<5對應氧化環境,Ni/Co介于5～7對應貧氧環境,而Ni/Co>7則指示缺氧環境[16]。通過對研究區巴山組泥巖Ni/Co比值進行計算,除在一個樣品中為7.71,其余樣品Ni/Co比值介于0.28～4.22,均值為2.02,揭示了巴山組沉積巖形成于水體氧化環境(圖3)。

類似的,Cu在氧化水體中大多以CuCl+離子的形式存在,而在還原水體下Cu2+則進入黃鐵礦形成CuS。Zn在海水氧化環境中,以腐殖酸的絡合物形式存在;還原環境時則會以Zn的形式存在于黃鐵礦中。因此Cu/Zn也常被用來指示沉積期的氧化—還原環境,其中,Cu/Zn<0.21對應還原環境,Cu/Zn比值介于0.21～0.35時為弱還原環境,Cu/Zn>0.35則對應氧化環境[26]。研究區巴山組泥巖除個別樣品外,大部分樣品的Cu/Zn比值均大于0.35,指示沉積時期應處于典型的氧化環境。同時,在上述微量元素比值進行判識和分析的基礎上,進一步將以上判別指標進行交會投點,可以發現在Ni/Co-U/Th圖解上(圖5a),大部分樣品均投入氧化環境中,僅少數樣品位于弱氧化或缺氧區域,同樣驗證了元素比值的判識結果。

圖5 準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組泥巖Ni/Co-U/Th(a)[27]、UEF-MoEF(b)[28]、Sr-Ba(c)[29]、V-Ba(d)[30]判別

缺氧環境通常會導致Mo和U元素在沉積物中富集,在氧化條件下含量極低,在Fe3+和Fe2+的氧化—還原界面附近,U富集快于Mo,而在缺氧或硫化環境中則相反[31]。UEF-MoEF協變模式圖可以很好地反映盆地沉積過程中的氧化—還原性質[28],其中Mo和U富集系數的計算公式為XEF=(X/Al)樣品/(X/Al)平均頁巖。研究區樣品的UEF、MoEF數據大部分小于1,最高值一般不大于3,在協變模式圖中都沒有落入缺氧和硫化區域,反映了氧化的水體條件(圖5b)。因此,根據多種元素比值和判別方式綜合分析,認為準東北緣在巴山組沉積時期處于氧化環境。

3.3 古鹽度

Li、Ni、Ga、Sr等元素的含量對沉積水體的鹽度具有明顯的控制作用,因此沉積巖中這幾種元素常被用來判別古沉積環境的水體鹽度[21]。通常情況下,在海相(鹽水)沉積環境中,Li含量大于150×10-6,Ni 含量大于40×10-6,Ga含量小于8×10-6,Sr含量介于(800～1 000)×10-6;而在陸相(淡水)沉積環境中,Li含量小于90×10-6,Ni含量介于(20～25)×10-6,Ga含量大于17×10-6,Sr含量介于(100～500)×10-6[15]。實驗結果表明,研究區巴山組泥巖樣品中的Li含量除一個樣品達到215×10-6外,其余樣品均介于(12～65)×10-6,Ni含量除在個別樣品中大于40×10-6外,大部分樣品中介于(5～34)×10-6,Ga含量介于(13～38)×10-6,Sr含量介于(56～407)×10-6。準東北地區在石炭紀以發育火山巖和碎屑巖沉積為主,不發育碳酸鹽巖,對水體中Sr等元素的原始含量沒有影響,因此這些微量元素特征均顯示巴山組沉積期處于半咸水—淡水環境(圖3)。

另一方面,Sr和Ba的化學性質相似,其富集程度也受水體鹽度的控制,在咸水環境下,Ba往往會率先析出,而Sr的溶解度整體高于Ba,只有當水體到達一定咸度后才會被析出,因此,Sr/Ba常被用來作為判斷沉積環境中水體古鹽度的重要指標,Sr/Ba>1.0指示咸水沉積環境;當Sr/Ba值介于0.5～1.0時為半咸水沉積;Sr/Ba<0.5則代表了淡水沉積環境[27]。研究區巴山組除個別泥巖樣品的Sr/Ba值大于1,其余大部分樣品Sr/Ba值介于0.12～0.80,屬于半咸水—淡水環境。同時,Sr-Ba、V-Ba圖解也可以指示沉積時的水體鹽度和來源,Sr-Ba圖解顯示研究區巴山組的大部分泥巖樣品均落入半咸水—淡水范圍內(圖5c),V-Ba圖解顯示巴山組所有泥巖樣品均落入陸相區(圖5d)。綜上所述,準噶爾東北緣巴山組沉積期應屬于陸相半咸水—淡水環境。

3.4 沉積速率

稀土元素的分異程度是判斷沉積速率快慢的重要參數[32],黏土礦物等是稀土元素吸附的主要載體。當沉積速率慢時,在水體中停留時間較長導致REE分異強,當沉積速率快時,在水體中停留時間較短導致REE分異弱。LREE/HREE和(La/Yb)N是反映輕重稀土元素分異的重要指標。本次研究只對扎河壩和拜爾庫都克地區巴山組泥巖樣品做了稀土元素分析,結果顯示這兩個地區的LREE/HREE值介于5.67～7.67,平均值為6.63,(La/Yb)N介于5.18～7.77,平均值為6.60,輕—重稀土分異程度中等,表明巴山組泥巖的沉積速率相對穩定(圖3)。此外,可根據沉積巖中Co和La含量對具體的沉積速率值進行估算[32],公式如下:

Vs=V0×NCo/(SCo-t×TCo)

(1)

t=SLa/NLa

(2)

式中:V0為正常水體的沉積速率,一般為150～300 m/Ma,前述成果認為研究區巴山組沉積速率中等,因此本次計算V0取200 m/Ma;NCo為正常水體Co的豐度,為20×10-6;SCo為樣品中Co的豐度,平均為11.185×10-6;TCo為沉積巖中Co的平均豐度,為4.68×10-6;SLa為樣品中La的豐度,平均為35.6×10-6;NLa為沉積巖中La的平均豐度,為38.99×10-6。計算得到樣品的平均沉積速率Vs為578.7 m/Ma;t為SLa/NLa比值。

3.5 古水深

元素Zr化學性質穩定,一般以鋯石等重礦物的形式存在,在較淺的水體中容易直接沉積;元素Rb化學性質活潑,易遷移,在黏土礦物中較常見,并在較深的水體中更易直接沉積,因此判斷古水深一般使用Rb/Zr比值作為參數[20]。Rb/Zr比值的升高也與水體環境的深度呈明顯的正相關,與水動力強度呈負相關。研究區巴山組泥巖樣品Rb/Zr比值分布于0.05～0.47之間,均值為0.23,反映較淺的水體沉積環境。在沉積速率估算的基礎上,根據公式h=3.05×105/Vs1.5[33],計算得到研究區巴山組泥巖沉積時期的平均古水深(h)為21.9 m。

4 構造背景及物源分析

通常情況下,相對穩定的微量元素(La、Sc、Cr、Th、Zr、Co)能夠較準確地識別沉積物的原始物源區特征,并且微量元素含量與構造背景之間的對應關系也可為進一步判斷沉積環境提供地質約束。在沉積巖微量元素三端元判別圖解投圖中(圖6),研究區巴山組泥巖樣品均落入大陸島弧環境。而前人對烏倫古坳陷、扎河壩、白堿溝以及塔克爾巴斯他烏等地的火山巖微量元素及Sr-Nd同位素進行了系統的研究,Sr-Nd同位素顯示,其巖漿來源于虧損地幔,而微量元素特征也具有虧損的特征,但虧損程度要低于島弧源區,不如板內環境的源區富集,屬于后碰撞環境[9, 34-35]。一般來說,巖漿的地殼混染、分離結晶以及繼承前次俯沖所保留下的特征都能使得出露巖石具有島弧特征,再結合沉積巖較淺的古水深環境,認為研究區巴山組的構造環境可能為后碰撞伸展。

圖6 準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組泥巖沉積構造環境判別[36]

物源區母巖類型可根據判別函數(F1和F2)及相關圖解確定,其中函數F1和F2計算公式如下:

F1=30.638TiO2/Al2O3-12.541Fe2O3/

Al2O3+7.329MgO/Al2O3+12.031Na2O/

Al2O3+35.402K2O/Al2O3-6.382

(3)

F2=36.500TiO2/Al2O3-10.879Fe2O3/

Al2O3+30.875MgO/Al2O3-5.404Na2O/

Al2O3+11.112K2O/Al2O3-3.89

(4)

根據以上計算公式,計算出F1和F2的值,F1—F2圖解[31]揭示研究區泥巖主要來自成熟大陸石英質物源區(圖7a)。同時根據扎河壩和拜爾庫都克泥巖稀土元素與微量元素比值Co/Th-La/Sc,在Y軸上,其落在長英質火山巖與安山巖之間,在X軸上,其落在花崗巖與長英質火山巖之間,且處于花崗巖的沉積改造加強方向(圖7b),說明泥巖組分中含有長英質。綜上所述,本次研究的巴山組泥巖樣品的母巖類型主要為沉積巖和長英質火山巖,形成于后碰撞構造背景,由擠壓環境轉變為伸展環境,地殼減薄,虧損的軟流圈地幔上涌,后經過巖石圈地幔,可能受到混染作用或卡拉麥里洋殼俯沖時所帶的流體或熔體的改造,使得其具有島弧特征。與此同時發生大規模的斷裂活動,噴出大量火山巖,而后火山作用減弱,在火山間隙發育低洼地帶形成湖盆,形成沉積物的可容空間。

圖7 準噶爾盆地東北緣上石炭統巴山組泥巖沉積物源區判別

5 烴源巖地球化學特征

石炭紀期間受卡拉麥里碰撞造山和后碰撞演化的影響,準東北緣構造運動強烈,發育多條NW—SE走向的斷裂,并導致多期火山噴發,形成多個凸起和凹陷相間排列的構造格局,控制晚石炭世三角洲—湖泊—沼澤相沉積,在凹陷或火山巖之間的低洼地帶發育巴山組泥巖沉積[9,11]。此外,巴山組沉積時期雖然水體深度較淺,且處于氧化環境,但是溫暖濕潤的古氣候條件有利于植物的大規模繁殖,且沉積速率穩定,為有機質碎屑的穩定堆積和輸入提供了有利條件,促進了有機質的富集。根據本次野外獲得的烴源巖樣品測試分析,結合盆地內相關研究成果綜合分析,巴山組TOC含量為0.56%～8.92%,平均為2.08%;氯仿瀝青“A”含量為0.001 5%～0.057 7%,平均為0.013 5%;生烴潛量(S1+S2)為0.05～2.01 mg/g,平均值為0.34 mg/g。綜上認為巴山組烴源巖有機質豐度中等,具有一定的生烴潛力。有機顯微組分結果表明,鏡質組占主要組分,平均含量為90.36%,惰質組平均含量為15%,其余組分基本為0。計算得出干酪根類型指數(TI)基本小于0,指示應主要為Ⅲ型干酪根,少量Ⅱ2或Ⅱ1型,以高等植物來源為主,陸相來源輸入明顯增多,反映了古氣候條件和陸內構造背景的控制。同時,有機質的熱演化程度對于油氣資源評價至關重要,研究區巴山組烴源巖實測Ro介于0.67%～2.78%,平均值為1.63%;樣品Tmax分布于436～566 ℃,平均值為506 ℃,處于成熟—高成熟演化階段,說明產氣潛力較好。

6 結論

對準噶爾盆地東北緣野外露頭區的上石炭統巴山組烴源巖樣品中的主微量元素和稀土元素進行了分析研究,得出了以下結論:

(1)化學蝕變指數(CIA)、化學風化指數CIW)、斜長石蝕變指數(PIA)、SiO2/Al2O3值、微量元素 Sr/Cu 值和A-CN-K圖解中均顯示巴山組沉積期為溫暖濕潤的古氣候環境,母巖經歷了中等程度的化學風化作用。

(2)U/Th、Ni/Co、Cu/Zn等微量元素比值以及Ni/Co-U/Th圖解、UEF-MoEF協變模式圖均顯示研究區巴山組沉積時期以氧化環境為主;同時,根據Li、Ni、Ga、Al、Sr/Ba比值、Sr-Ba和V-Ba圖解顯示其為半咸水—淡水環境。通過Rb/Zr比值、Co元素計算出古水深,發現巴山組沉積時期水體相對較淺,且沉積速率相對穩定。

(3)通過主微量元素的F1-F2函數圖解結合微量元素Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc和Co/Th-La/S圖解以及區域地質演化特征,揭示研究區巴山組母巖類型主要為沉積巖和長英質火山巖,物源可能主要是來自于卡拉麥里島弧酸性火成巖區的風化產物。

(4)研究區巴山組烴源巖有機質類型基本以Ⅲ型干酪根為主,少量Ⅱ2或 Ⅱ1型,以高等植物來源為主;有機質豐度中等,TOC含量平均為2.08%,具有一定的生烴潛力。同時,較高的Ro和Tmax值顯示研究區烴源巖處于成熟—高成熟演化階段,具有較好的生氣潛力。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

該科研工作主要由蔡倩茹主持;實驗測試由王金鐸、張關龍、宋智華、熊崢嶸、倪勝利完成;手稿由蔡倩茹、王金鐸、張關龍、王圣柱起草和修訂。所有作者均已閱讀論文的最后版本并同意提交。

The study was mainly organized by CAI Qianru. The experimental operation was completed by WANG Jinduo, ZHANG Guanlong, SONG Zhihua, XIONG Zhengrong and NI Shengli. The manuscript was drafted and revised by CAI Qianru, WANG Jinduo, ZHANG Guanlong and WANG Shengzhu. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.