地质工程论文：萨尔干组与印干组烃源岩古生产力差异成因探讨

摘    要：　柯坪地区中-上奥陶统萨尔干组与上奥陶统印干组海相烃源岩是塔里木盆地重要的烃源岩组成部分, 对其特征及其成因机制的研究具有重要的科学意义和经济价值。在通过岩石热解分析对比研究萨尔干组与印干组海相烃源岩现今地球化学特征的基础上, 通过微量和稀土元素从地球生物学的角度对其特征差异性成因机制进行了探讨。结果表明, 萨尔干组和印干组黑色页岩现今均处于成熟-高成熟阶段, 萨尔干组的有机质丰度和古生产力水平都比印干组高, 而古氧相和埋藏效率均较差。与印干组相比, Caradoc早期大洋缺氧事件使得柯坪地区同时期沉积的萨尔干组页岩古生产力水平得到了显着提高, 在埋藏效率低、氧化还原条件差的情况下仍为高有机质丰度烃源岩。

　　关键词：　大洋缺氧事件; 古生产力; 印干组; 萨尔干组; 海相烃源岩; 柯坪地区;
 

　　Abstract：　The marine source rocks of Middle-Upper Ordovician Saergan Formation and Upper Ordovician Yingan Formation are very important hydrocarbon source rocks of Tarim Basin.The study of their characteristics and genesis is of great scientific and economic significance.This paper studies the geochemical characteristics of Saergan Formation and Yingan Formation marine source rocks by rock pyrolysis analysis.The genetic analysis was conducted to contrast the different characteristics of Saergan shale and Yingan shale on the basis of trace elements and rare earth elements.The result shows that both Saergan shale and Yingan shale are in the mature-high maturity stage.Both the organic matter abundance and the level of paleoproductivity of Saergan Formation are higher than those of Yingan Formation.However, the condition of paleo oxygenation facies and burial efficiency are worse.Compared with Yingan shale, the paleoproductivity of Saergan shale isobviously enhanced by the early Caradoc oceanic anoxic event in Keping region.Moreover, Saergan shale still contains high organic matter abundance source rock in the conditions of low burial efficiency and poor redox.

　　Keyword：　oceanic anoxic event; paleoproductivity; Yingan Formation; Saergan Formation; marine source rock; Keping region;

　　海相地层一直是油气勘探的重要领域, 我国海相烃源岩具有时代老、有机质丰度低、成熟度高、埋藏深, 而且大多经历了多旋回构造演化导致其保存条件差等特点[1]。海相烃源岩的这些复杂特征给其识别和评价带来了极大的困难, 在一定程度上制约了我国海相地层油气勘探。前人[2,3,4]利用反演法基于最终残存的有机碳含量及其他参数用以反溯在早期成岩阶段结束时的原始有机质含量, 对海相烃源岩开展了大量的研究工作, 取得了丰硕的成果。但是这种方法精确度有限, 并不能准确恢复其原始状态。烃源岩正演分析则立足于从原始生物有机质到沉积有机质再到埋藏有机质演化的角度, 综合运用地球生态学、地球微生物学、分子地球生物学和生物地球化学方法对烃源岩的原始生烃潜力进行评价[5]。该类方法为高演化低残余有机质丰度烃源岩的认识和评价提供了新的探索途径, 前人[6,7,8,9,10,11]用其对海相烃源岩进行了研究, 取得了新的科学性认识。

　　中-上奥陶统萨尔干组和上奥陶统印干组页岩是塔里木盆地奥陶系重要的海相烃源岩, 有关这2套烃源岩的构造背景、沉积环境、空间展布、地球化学特征等方面的研究颇多[12,13,14,15], 但是关于其发育成因机制的研究则鲜有报道。因此, 笔者在分别厘定萨尔干组和印干组海相烃源岩现今地球化学特征的基础上, 针对其热演化程度都很高, 但是有机质丰度差别悬殊的现状, 借助地球生物学方法试图从正演的角度来揭示其有机质丰度差异的原因, 并对其成因机理进行探讨, 以期为烃源岩评价和后期预测提供理论依据和科学支撑。

　　1、 地质背景

　　大湾沟剖面位于塔里木盆地柯坪地区东北部 (图1-a, b) , 是塔里木盆地中-上奥陶统萨尔干组和上奥陶统印干组出露发育最好的剖面。该剖面于2002年被确定为上奥陶统底界全球辅助层型剖面[16], 是开展萨尔干组和印干组研究最佳的切入点, 很具代表性。本次研究以该条剖面为例, 大湾沟剖面依次出露中奥陶统大湾沟组, 中-上奥陶统萨尔干组, 上奥陶统坎岭组、其浪组、印干组和柯坪塔格组, 其中萨尔干组的厚度为8m, 岩性为黑色页岩夹薄层状灰黑色泥质灰岩, 印干组为厚度30 m的黑色页岩、炭质页岩夹薄层泥质灰岩 (图1-c) 。

　　2、 样品采集与测试分析

　　本次研究对大湾沟剖面中-上奥陶统萨尔干组和上奥陶统印干组页岩进行了连续的采样, 为了降低野外地质露头样品遭受风化作用的影响, 采集样品时使用野外汽油取样钻机钻取地表新鲜露头样品, 一共采集萨尔干组黑色页岩样品27个, 印干组黑色页岩样品23个。室内挑选和研磨黑色页岩样品时, 考虑到其岩性的非均质性, 选取颜色深、质地纯的黑色页岩, 并且用小刀轻轻刮去其表面的杂质污染物。烃源岩样品的岩石热解分析、微量和稀土元素测试工作均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成, 其中岩石热解测试统计结果见表1。

　　图1 塔里木盆地柯坪地区大湾沟剖面位置及地层柱状图Fig.1 Location map and stratigraphic column of the Dawangou section in Keping region, Tarim Basin

　　3、 烃源岩地球化学特征

　　3.1、 有机质丰度

　　有机质丰度是衡量烃源岩生烃数量多少的重要指标, 柯坪地区大湾沟剖面中-上奥陶统萨尔干组的有机碳质量分数为0.61%~5.68%, 平均2.66%, 生烃潜量为0.13~5.54 mg/g, 平均2.17mg/g;上奥陶统印干组的有机碳质量分数为0.38%~1.49%, 平均0.72%, 生烃潜量为0.21~1.42mg/g, 平均0.76mg/g。萨尔干组页岩的有机碳质量分数和生烃潜量均明显高于印干组, 按照陈建平等[17]建立的我国古生界海相烃源岩有机质丰度评价等级划分标准, 萨尔干组为中等-好烃源岩, 而印干组则为差烃源岩。同时由图2可以看出, 萨尔干组的有机碳质量分数和生烃潜量变化范围大于印干组, 即萨尔干组烃源岩的非均质性强于印干组, 这可能与沉积时期的海平面升降变化有关。

　　3.2、 有机质成熟度

　　海相沉积地层中缺乏镜质体, 使得传统有效的衡量烃源岩成熟度高低的镜质组反射率参数较难获得。因此, 通过测定镜状体、固体沥青、笔石体和几丁虫壳体等有机组分的反射率, 将其换算为等效镜质体反射率来标定烃源岩的有机质成熟度[18]。张水昌等[12]研究认为柯坪地区中-上奥陶统萨尔干组和上奥陶统印干组页岩的等效镜质组反射率 (VRE) 为1.1%~1.3%;王飞宇等[13]从实测的有机组分反射率换算得到萨尔干组页岩的等效镜质组反射率为1.58%~1.61%;王庆涛等[19]采用催化加氢裂解和实际测量相结合的方法, 确定出萨尔干组和印干组页岩的镜质体反射率为1.1%~1.4%。前人的这些研究成果均表明, 萨尔干组和印干组页岩的热演化程度高, 都处于成熟-高成熟阶段。

　　烃源岩的残余有机碳质量分数和生烃潜量随着其热演化程度的加剧而减少, 柯坪地区萨尔干组和印干组页岩热演化程度相近, 现今均处于成熟-高成熟阶段, 由此可见有机质成熟度并不是导致萨尔干组有机质丰度高于印干组的原因。

　　表1 柯坪地区大湾沟剖面萨尔干组与印干组有机质丰度评价Table 1 Evaluation of Saergan and Yingan formations organic matter abundance at Dawangou section in Keping region

　　图2 柯坪地区大湾沟剖面萨尔干组 (a) 和印干组 (b) 地球生物学特征Fig.2 Geobiological characteristics of Saergan and Yingan formations at Dawangou section in Keping region

　　4、 烃源岩形成的地球生物学条件

　　针对柯坪地区萨尔干组有机质丰度明显高于印干组而其热演化程度接近的现状, 尝试从正演的角度借助地球生物学方法来分析探讨萨尔干组高丰度烃源岩的形成原因。

　　4.1、 古生产力

　　Cu、Zn、Ni等营养元素随着生物体而沉积到沉积物中, 在后期的埋藏成岩过程中变化不大, 已经被广泛应用于表征生产力水平的高低[20,21]。柯坪地区大湾沟剖面萨尔干组和印干组页岩的Cu、Zn、Ni元素含量与其有机碳含量和生烃潜量具有相似的变化趋势, 可以用来定性地反映古生产力水平的高低, Cu、Zn、Ni含量越高表示古生产力水平越高;反之则越低。其中, 萨尔干组页岩的w (Cu) 为65.8×10-6~138×10-6, 平均为93.7×10-6, w (Zn) 为61×10-6~148×10-6, 平均为109.8×10-6, w (Ni) 为31.6×10-6~150×10-6, 平均为68.7×10-6 (图2-a) ;印干组的w (Cu) 为60.4×10-6~70.1×10-6, 平均为66.8×10-6, w (Zn) 为70.9×10-6~119×10-6, 平均为91.4×10-6, w (Ni) 为33.4×10-6~54.2×10-6, 平均为45×10-6 (图2-b) 。萨尔干组页岩的Cu、Zn、Ni质量分数均明显高于印干组, 表明萨尔干组页岩的古生产力水平高于印干组。

　　4.2、 古氧相

　　稀土元素 (REE) 的含量、组合及变化规律对沉积环境的变化十分敏感, 因而被广泛应用于古氧相的研究[22]。前人[22,23]研究指出, 稀土元素总量w (ΣREE) 低 (与常用作标准化的平均页岩稀土元素总量数值相比较) , δEu≥1, Ceanom>-0.1指示缺氧环境;反之w (ΣREE) 高, δEu<1, δCe<-0.1代表富氧环境。其中,

　　式 (1) 、 (2) 中:N表示以北美页岩标准化。

　　大湾沟剖面萨尔干组和印干组页岩稀土元素以北美页岩标准化后, 萨尔干组页岩w (ΣREE) (不包括Y) 为80.1×10-6~360.2×10-6, 平均为193.7×10-6, 略高于北美页岩的w (ΣREE) 值173.2×10-6, δEu值为1.04~1.24, 平均为1.11, Ceanom为-0.07~-0.02, 平均为-0.04, 表明其以贫氧环境为主 (图2-a) ;而印干组的w (ΣREE) 为143.1×10-6~180.5×10-6, 平均为165.6×10-6, 低于北美页岩的w (ΣREE) 值, δEu为1.25~1.30, 平均为1.28, Ceanom值为-0.06~-0.04, 平均为-0.05, 显示为厌氧环境 (图2-b) 。比较而言, 印干组的厌氧环境更有利于有机质的保存。

　　4.3、 埋藏效率

　　埋藏效率是指最终保存下来的有机质与初始生产力中总有机质的比值, 较高的埋藏效率反映出有机碳埋藏比例高, 有利于高有机质丰度烃源岩的形成。U/Mo比值与埋藏效率呈负相关, 可作为判断埋藏效率高低的有效替代指标[10,24]。柯坪地区大湾沟剖面萨尔干组黑色页岩的U/Mo比值为2.1~23.1, 平均为7.0 (图2-a) ;而印干组页岩的U/Mo比值为2.0~4.7, 平均为3.3 (图2-b) , 由此可见, 印干组的有机质埋藏效率高于萨尔干组, 更有利于高丰度烃源岩的形成。

　　对比萨尔干组和印干组2套海相烃源岩形成时的地球生物学条件 (表2) , 可以发现柯坪地区萨尔干组页岩形成于古生产力水平高、埋藏效率低的贫氧环境, 现今为一套相对高有机质丰度的烃源岩;而印干组则发育于古生产力水平低、埋藏效率高的厌氧环境, 有机质丰度较低。古生产力的高低差异是导致萨尔干组烃源岩比印干组有机质丰度高的最主要原因。

　　表2 柯坪地区大湾沟剖面萨尔干组与印干组烃源岩地球生物学特征对比Table 2 Comparison of Saergan and Yingan formations source rock geobiological characteristics at Dawangou section in Keping region

　　5、 萨尔干组与印干组烃源岩古生产力差异成因探讨

　　5.1、 碳氧锶同位素指标异常

　　海相碳酸盐岩记录了原始沉积时期古海洋的信息, 其碳氧锶同位素组成是研究地质历史时期生物、化学与环境演化的有效途径[25]。海洋有机碳同位素组成直接受海水溶解碳12 C和13 C变化的影响, 碳同位素的偏移反映了海洋中δ13 C的富集或匮乏, 是全球性重大地质事件发生的结果。王大锐等[26]、王飞宇等[13]的研究表明, 柯坪地区大湾沟剖面中-上奥陶统萨尔干组碳酸盐岩碳同位素发生了2‰~3‰的正向偏移 (图3) , 并且这种现象在塔里木盆地英买力、塔中和塔东地区也广泛发育。华南板块红花园剖面同时期也有相似的δ13C正向偏移显示[27]。Ainsaar等[28]首次报道了波罗的大陆Caradoc早期Eoplacognathus suecicus牙形刺带中也存在相似的正向漂移。Buggisch等[29]建立了西冈瓦纳大陆碳同位素曲线, 在Caradoc早期Lenodus (Amorphognathus) variabilis牙形刺带上部可见δ13 C发生了1.2‰的正向漂移。这与Albanesi等[30]建立的奥陶纪全球碳同位素曲线变化趋势相一致 (图3) 。

　　王大锐等[26]、赵国伟[31]先后对大湾沟剖面奥陶系碳酸盐岩氧和锶同位素开展了研究, 发现萨尔干组沉积时期δ18 O增幅可达3.5‰~4‰, 87 Sr/86 Sr比值降低了0.000 3左右 (图3) 。这种现象并不局限于柯坪地区, 同时期的塔里木盆地东北部库鲁克塔格剖面δ18 O增幅达2‰~3‰[26]。在世界其他地区的剖面上, 腕足类动物壳体和牙形刺体的δ18 O在Caradoc早期均发生了不同程度的正向波动[32,33] (图3) 。与此同时, 塔里木盆地巴楚和塔中地区87Sr/86Sr比值下降了0.000 8[30], 全球87 Sr/86 Sr比值降低了0.000 9左右[32] (图3) , 由此可见, 柯坪地区萨尔干组时期的δ13C和δ18 O正向偏移、87Sr/86Sr比值降低具有全球性。

　　5.2、 海平面上升

　　胡明毅等[34]在对柯坪地区奥陶系沉积环境和层序地层分析的基础上, 结合碳同位素和微量元素地球化学分析测试结果, 探讨了该区相对海平面变化情况, 发现萨尔干组沉积时期海平面相对上升 (图3) 。这与Haq等[35]研究得到的奥陶纪全球海平面变化趋势一致 (图3) , 表明柯坪地区该时期的海平面上升现象具有全球性。

　　图3 大湾沟剖面Caradoc早期大洋缺氧事件主要表征 (灰色部分代表事件) 与全球性对比Fig.3 Major characteristics of the early Caradoc oceanic anoxic event at Dawangou section (grey rectagles showing the event) and correlation across the world

　　5.3、 海洋生物集群灭绝

　　周志毅等[36]、陈旭等[16]对柯坪地区大湾沟剖面进行了详细的生物化石对比研究, 发现中-上奥陶统萨尔干组发育Pseudoclimacograptus angulatus、Pterograptus elegans等31种笔石, Periodon aculeatus、Protopanderodus varicostatus等6种牙形刺, 头足类、三叶虫、双壳类、腕足类、胞石、疑源类、介形类和腹足类化石均有发育, 海洋生物发生了不同程度的更替和灭绝;与瑞典南部上奥陶统底界的全球层型Fagelsang剖面和美国亚拉巴马州上奥陶统底界的全球辅助层型Calera剖面进行对比后发现, 这是一次分布范围广泛的生物集群灭绝事件。

　　柯坪地区萨尔干组沉积时期δ13 C和δ18 O正向偏移、87Sr/86Sr比值降低、海平面上升、海洋生物集群灭绝, 并且都具有全球性等时的特点, 这是Caradoc早期发生大洋缺氧事件的结果。大洋缺氧事件期间, 海洋中喜氧生物快速灭绝, 厌氧生物则迅速繁殖, 烃源岩原始有机质的数量急速增加, 生产力水平相应增高。与印干组相比, 萨尔干组页岩沉积时发生了明显的大洋缺氧事件, 使得其古生产力得到显着提高, 在埋藏效率和古氧相条件均不利的情况下, 现今仍为高有机质丰度烃源岩。

　　6、 结论

　　(1) 柯坪地区中-上奥陶统萨尔干组和上奥陶统印干组海相黑色页岩均处于成熟-高成熟阶段, 但是萨尔干组为一套高有机质丰度烃源岩, 而印干组的有机质丰度则较低。

　　(2) 相比较而言, 萨尔干组页岩的古生产力水平高, 处于贫氧的保存环境, 埋藏效率低;而印干组的古生产力低, 处于厌氧的状态, 埋藏效率高。古生产力水平的高低差异是导致萨尔干组页岩有机质丰度明显高于印干组的主要原因。

　　(3) Caradoc早期全球性大洋缺氧事件使得柯坪地区同时期沉积的萨尔干组页岩δ13 C和δ18 O正向偏移、87Sr/86Sr比值降低、海平面上升、海洋生物发生不同程度的更替和灭绝, 生产力水平得到显着提高, 形成了现今的萨尔干组高有机质丰度烃源岩。