内蒙古东北部林西组碳酸盐岩结核的成因及油气地质意义

欧莉华, 伊海生, 夏国清, 钱利军, 邱余波, 张 超

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

内蒙古东北部林西组碳酸盐岩结核的成因及油气地质意义

欧莉华, 伊海生, 夏国清, 钱利军, 邱余波, 张 超

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

内蒙古西乌珠穆沁旗哈日根台苏木地区上二叠统林西组深水外陆棚灰黑色泥页岩沉积中发育大量的碳酸盐岩结核。这些结核呈透镜状、结核状及丘状，在产状上与现代海底发育的及古代的冷泉碳酸盐岩极为相似。通过对碳酸盐岩结核的微观组构、物质成分和碳同位素特征的研究，发现碳酸盐岩结核中发育较多的气孔构造、生物化石及草莓状黄铁矿；碳、氧同位素结果显示碳酸盐岩结核的碳同位素存在明显的负偏，表明其中有有机来源的碳。这些特征与现代海底由于天然气渗漏形成的冷泉碳酸盐岩特征一致，因而推测研究区发育的碳酸盐岩结核为古代海底天然气渗漏形成的冷泉碳酸盐岩。这表明在林西组沉积时期，海底存在天然气水合物，可能与海底早期沉积的灰黑色泥页岩中甲烷的释放有关。烃源岩潜力分析也表明，研究区大量发育的灰黑色泥页岩具有一定的生烃潜力，林西组具有较好的油气勘探前景；但是由于地层时代较老，成岩作用及构造运动的影响，现今的勘探难度较大。

内蒙古东北部；林西组；碳酸盐岩结核；碳同位素

1 区域地质背景及野外剖面特征

林西组包括了大兴安岭地层分区和西乌珠穆沁旗地层分区，是内蒙古晚二叠世主要的岩石地层单位，岩性以砂泥质板岩和砂岩、页岩为主，其中有杂砂岩、泥灰岩夹层，为一套巨厚的海相—海陆交互相沉积岩[4,5]。大兴安岭地层分区以淡黄色粉砂岩、粉砂质板岩、泥质板岩和砂岩为主，局部地区夹中酸性火山岩；西乌珠穆沁旗地层分区以灰黑色、灰黄色泥质板岩、砂砾岩、粉细砂岩、砂岩及泥灰岩为主[6]。林西组由其建组剖面位于林西县东北部的官地而得名，该剖面主要由一套黑色板岩、粉砂岩、砂岩组成。在不同地区林西组被称为索伦组、包尔敖包组和陶海营子组等[6,7]。

内蒙古西乌珠穆沁旗—林西地区的林西组发育良好，岩性相对稳定，主要为一套细碎屑岩沉积，黑色泥页岩含量较高，岩石变质作用较弱。本次研究发现的碳酸盐岩结核位于西乌珠穆沁旗哈日根台苏木南部的塔宾庙林场剖面(图1)。剖面整体为一套陆棚相沉积，可划分为深水外陆棚、中陆棚和浅水内陆棚3个亚相。剖面下部主要为一套深水外陆棚亚相与中陆棚亚相的交互沉积(图2)。外陆棚亚相的岩性主要为深灰色至灰黑色中薄层状粉砂质泥岩及泥页岩，夹黄灰色细砂岩和灰岩透镜体，泥页岩呈鳞片状，水平层理发育，颜色深，有机质含量高，岩石中可见细小的植物叶片化石，可能为藻类生物。中陆棚亚相为灰-深灰色粉-细砂岩与泥岩的互层沉积，多为中薄层状，局部夹颜色较浅的中厚层砂砾岩。碳酸盐岩结核发育于外陆棚沉积中，野外产状有透镜状、结核状和丘状，风化面呈黄褐色、土黄色，新鲜面呈灰色、深灰色，泥微晶结构；结核大小变化很大，其长轴长十几厘米至数米，孤立存在或排列成线状(图2)。碳酸盐岩结核顺层分布，与灰黑色泥页岩围岩之间界限清楚；结核生长处，泥页岩层理发生弯曲变形。

2 结核的显微特征

在显微镜下对采自剖面的碳酸盐岩结核进行了观察。碳酸盐岩结核主要由泥微晶碳酸盐矿物组成，质量分数在50%以上，含较多的黏土矿物，同时含有一定的泥级和粉砂级碎屑石英颗粒。镜下可见较多的气孔状构造，近圆形或椭圆形(图3-A,B)，气孔直径在0.5～6 mm之间，内部被黄铁矿不完全充填；同时可见较多的球形化石(图3-C,D)，少数发育内部结构(图3-D)，直径约0.5～2 mm。扫描电镜下观察可见方解石、菱铁矿、石英及黏土矿物。方解石呈自形-半自形晶，自形晶菱面体直径在10 μm左右；大部分方解石以胶结物的形式存在，多呈半自形晶。菱铁矿呈菱面体形态，晶形好，直径在10 μm左右。石英主要为陆源碎屑石英，粉砂级大小。同时见较多晶形良好的微米级草莓状黄铁矿集合体(图3-E)和具清楚生物结构的化石(图3-F)。

图1 研究区地层分布与野外剖面位置图

图2 塔宾庙林场剖面柱状图及碳酸盐岩结核野外照片

3 结核的碳、氧同位素特征

选取剖面中新鲜的碳酸盐岩结核样品进行了稳定碳、氧同位素测试。样品经清洗晾干后，粉碎至200目左右，装入速封口袋备用。碳、氧同位测试在中国石化西南石油局完成。测试方法为磷酸法，取30～50 mg粉末样品于110℃烘干后与100% H3PO4在恒温水塔中平衡反应，收集反应生成的CO2于MAT251同位素质谱仪中进行碳、氧同位素测定，分析精度(质量分数)<0.1‰,δ13C和δ18O数据均相对于PDB标准给出，测试结果如表1所示。

结果显示剖面中碳酸盐岩结核的碳同位素值为-10.42‰～-4.71‰， 氧同位素为-17.55‰～-19.43‰,二者均存在明显的负偏移。由于氧同位素容易受成岩作用影响，不宜作为沉积环境判断的指标；但碳同位素受成岩作用影响较小，可以用于判断沉积物的形成环境。剖面中碳酸盐岩的碳同位素具明显的负偏，与正常海相碳酸盐岩碳同位素值在0‰上下存在明显的不同。

表1 碳酸盐岩结核稳定碳、氧同位素测试结果

图3 碳酸盐岩结核镜下特征

4 讨 论

4.1 碳酸盐岩结核的形成环境

(1)

(2)

2HS-+2Fe2+→2FeS2+H2

(3)

由于碳酸盐岩中的碳主要来源于有机质的碳，其碳同位素继承了有机质的碳同位素，从而表现出明显的δ13C亏损；同时，可能有部分海水来源的碳，导致碳酸盐岩的碳同位变化较大，但仍以负值为主。当海底存在大面积的缺氧环境时，硫酸盐还原细菌大量发育，不断将有机质氧化，可沉积大量的碳酸盐岩。

在现代海洋中由于海底天然气渗漏而广泛发育冷泉碳酸盐岩。研究表明在天然气水合物渗漏过程中，发育独特的生物群落，由于甲烷氧化细菌和硫酸盐还原细菌的作用，天然气被氧化生成CO2，与海水中的Ca2+和Fe2+等离子结合而生成冷泉碳酸盐岩；同时硫酸根离子被还原成HS-，与Fe2+结合生成黄铁矿[10-14]。冷泉碳酸盐岩主要表现为泥晶丘、微生物礁、结核、泥火山、底辟、硬底、烟囱、胶结物和小脉等产状[10-17]，野外通常呈透镜状、丘状或结核状产出，相互独立存在或排列成线状。冷泉碳酸盐岩通常以微晶的碳酸盐矿物为主，最常见的有微晶方解石、微晶文石、微晶白云石等。草莓状黄铁矿是冷泉碳酸盐岩中的标志性矿物，单个草莓状集合体通常由微米级的黄铁矿小球构成[10-12,18]。冷泉碳酸盐岩在地球化学特征上最重要、最明显的特征是碳同位素值与正常海相碳酸盐岩的碳同位素组成有很大的差异。冷泉碳酸盐岩继承了生物成因甲烷碳来源的同位素值，δ13C为-66.7‰～4‰，以负值为主，常常为很低的负值[15,17]。古代冷泉碳酸盐岩具有与现代冷泉碳酸盐岩相似的特征。

研究区碳酸盐岩与冷泉碳酸盐岩的岩石学特征一致，野外产状以透镜状、丘状、结核状为主，碳酸盐岩结核之间排列呈线状。镜下观察以微晶碳酸盐岩矿物为主，可见较多的化石及标志矿物草莓状黄铁矿；且其碳同位素值在-10.42‰～-4.71‰之间，表现为明显的负偏：因此推测这些碳酸盐岩结核可能为古代天然气渗漏过程中形成的冷泉碳酸盐岩。在沉积物沉积早期，由于下部天然气渗漏时海底发育了特有的生物群落，因此结核中存在较多的生物化石。

4.2 油气地质意义

研究区林西组陆棚相黑色泥页岩和泥板岩发育，厚度大，其中塔宾庙林场剖面黑色岩系累计厚度就达440 m以上。这些黑色岩系有机质含量高，可成为较理想的烃源岩。对采自塔宾庙林场剖面的9件黑色泥页岩样品进行了烃源岩潜力分析，分析结果如表2所示。

中国石油天然气总公司1995年发布的行业标准将中国陆相含油气盆地低成熟烃源岩wTOC的下限确定为0.4%[19,20]。魏仙样等(2011)在研究内蒙古石炭系—二叠系烃源岩时，考虑到烃源岩演化程度较高，而且所采样品为地表剖面样品，高热演化和风化作用使TOC 发生损失，将wTOC下限确定为0.3%[21]。本文沿用魏仙样等(2011)的观点，也将wTOC下限确定为0.3%。根据分析数据，研究区9个样品中8个样品的wTOC≥0.3%，达到了有效烃源岩的标准。wTOC>0.6%的达到中等烃源岩以上的样品有4个，占样品总数的44%，表明研究区黑色泥页岩具有较好的生烃潜力。

表2 研究区黑色泥页岩生烃潜力测试数据

现代的石油有机成因理论认为，石油是有机质在一定热力作用下降解的产物，因此，对有机质成熟度的判别，成为生油层评价的核心问题之一。通过烃源岩的岩石热解分析所获得的多项参数，如最高峰温(tmax)、氢指数(HCI)、降解率(D)等，均受烃源岩有机质成熟度的影响，能够反映成熟度的变化。其中tmax值被量化地用于烃源岩有机质成熟度的划分，是公认的反映成熟度的重要参数。通常认为：tmax<435 ℃为未成熟阶段，tmax介于435～455 ℃为成熟阶段，介于455～480 ℃为高成熟阶段，tmax>480 ℃为过成熟阶段。研究区烃源岩tmax在337～545 ℃之间，有2个样品的tmax<435 ℃，其他样品皆>455 ℃，达到了高成熟至过成熟阶段，处于生油至生气阶段。

研究区广泛分布的巨厚深水陆棚沉积的暗色泥页岩为烃源岩提供了非常好的岩性基础，也是非常规页岩气的主要勘探目标。烃源岩潜力分析表明，林西组具备一定常规生油气潜力；另外，非常规页岩气的资源潜力也是十分巨大的，是接替松辽盆地油气资源的重要远景区。

碳酸盐岩结核的发育表明，在林西组沉积时，海底已存在天然气渗漏，这些天然气可能来自于早期沉积的黑色泥页岩中甲烷的释放，与成岩早期黑色泥页岩中有机质的分解密切相关。林西组沉积时的海底环境，可能类似于现代南海和墨西哥湾，海底存在大量的天然气水合物，由于天然气水合物的厌氧氧化而形成了冷泉碳酸盐岩。由于林西组时代较老，同时受成岩作用及构造运动的影响，地层发生了一定的变质作用，导致地层中的油气不断丧失，以致其油气勘探难度较大。

5 结 论

成都理工大学博士研究生吴驰华、季长军，硕士研究生文军、邓然、胡旭、毛玲玲、蔡占虎等一起参与了野外工作，在此向他们表示感谢。

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OriginandpetroleumgeologicalsignificanceofcarbonaterockconcretesinLinxiFormation,northeastofInnerMongolia,China

OU Li-hua, YI Hai-sheng, XIA Guo-qing, QIAN Li-jun, QIU Yu-bo, ZHANG Chao

StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

There develop a number of carbonate concretes in the black mud shale sediments on the deep outer continental shelf of Upper Permian Linxi Formation in the sum area of Harigentai village, Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia. These carbonate concretes show lentoid, concretionary and mound structures in the field, similar to the cold spring carbonate rocks formed on the ancient and modern ocean floor. The micro fabric, matter composition and carbon isotopic characteristics are researched in detail. Microscopic observations show that there are many vesicular structures, organisms and pyrite to aggregate in the carbonate concretes. The stable carbon-oxygen isotopic characteristics show that in the carbon isotope exist negative values, indicating the origin of the organic carbon. These features are similar to that of the cold spring carbonate rocks formed on the modern ocean floor because of natural gas seepage. Therefore, the paper infers that the carbonate concretes in study area are the cold spring carbonate rocks formed on the ancient ocean floor because of natural gas seepage. This suggests that during the deposition of Linxi Formation, there were gas hydrates on the ocean floor, which might be relative to the methane release from the deep grey-black mud shale deposited earlier. A potential analysis about hydrocarbon source rocks also show that the deep grey-black mud shale wide developed in study area have a certain hydrocarbon-generating potential, and the Linxi Formation has a relatively good potential for petroleum exploration. But because of the relatively old strata, and the influences of diagenesis and tectogenesis, the petroleum exploration is rather difficult in present.

northeast Inner Mongolia; Linxi Formation; carbonate concretion; carbon isotope

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.04.12

1671-9727(2013)04-0438-07

2013-03-12

中国地质调查局项目(1212010782004)

欧莉华(1982-)，女，博士研究生，沉积学专业, E-mail:olh886@sina.com。

P588.2

A