鄂尔多斯盆地早奥陶世碳酸盐岩有机质研究

汪　健，黄文辉，傅　迷

(1.桂林理工大学地球科学学院，广西　桂林　541004；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京　100083；3.中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京　100083)



鄂尔多斯盆地早奥陶世碳酸盐岩有机质研究

汪健1，黄文辉2，3，傅迷2，3

(1.桂林理工大学地球科学学院，广西桂林541004；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京100083；3.中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083)

摘要：沉积盆地中分散有机质是油气生成的物质基础，所生成的油气的质量与数量取决于盆地内分散有机质的类型和丰度。有机质类型决定烃源岩的质量的优劣，一个没有优质烃源岩的盆地不是一个具有良好前景的含油气盆地。鄂尔多斯下古生代地层由于受沉积作用和多幕地壳构造的影响，使得研究区奥陶系碳酸盐岩有机质普遍处于高成熟和过成熟作用阶段。鄂尔多斯地区奥陶纪碳酸盐岩形成于海相环境，远离陆源物质供给区，其有机质的生源组成属腐泥类，干酪根类型应归为Ⅰ型为主。通过研究区碳酸盐岩类型热解分析结果得到研究区有机质类型为Ⅲ型，一般认为是高演化程度造成的。为了研究导致碳酸盐岩有机质类型与其生源不一的原因，需要排除热演化的干扰，对有机质类型进行恢复，将结果进行具体分析。本文旨在通过恢复有机质类型，对研究区碳酸盐岩有机质类型转化的因素进行系统的研究。

关键词：碳酸盐岩；有机质类型；有机质恢复

1区域地质概况

鄂尔多斯地区横跨陕、甘、宁、蒙、晋五省(区)，是中国东部构造域和西部构造域的结合部，位于华北、华南两大地质单元的交界附近。大构造上研究区属于中朝准台地的一部分，是一个发育有多种类型沉积，多种沉积体系的大型沉积盆地，其古生代地层分布的范围为：北界巴彦高勒-托克托大断裂，西界石咀山-甜水堡-平凉断裂，南界乾县-韩城-河津断裂，东界离石断裂，面积约23万平方公里。早古生代该区表现为稳定的升降运动，在陆块内部形成典型的克拉通坳陷，从寒武纪到早奥陶世中部以稳定地台型碳酸盐岩沉积为主，西部毗邻秦祈地槽，发育台地边缘相、斜坡相和盆地相[1-2](见图1)。

图1　鄂尔多斯盆地沉积相分布图

鄂尔多斯地区下古生界只有寒武系和奥陶系，缺失志留系[3-4]。寒武系与奥陶系东部为连续沉积，在西缘和南缘存在沉积间断，奥陶系下统冶里组和亮甲山组只在东部、南部及西部贺兰山地区有分布。奥陶系下统与中统之间存在沉积间断，中统平凉组只在西缘和南缘分布，本区内部缺失。奥陶系中统与上统之间也存在沉积间断，奥陶系上统只分布在南缘和北缘。

2有机质生源类型

碳酸盐岩有机质主要来源于单细胞微体浮游藻类，它们形成了早奥陶世海洋中食物链的基础并成为生命演化的主导，存在于碳酸盐岩台地的各类环境中。由于保存环境不同，所保存的藻类残体的数量不同，遭受微生物降解的程度不同，再加上后期的氧化程度也不同，导致碳酸盐岩中有机质的类型不同。奥陶系碳酸盐岩远离陆源物质供给区，形成于海相环境，其主要有机质输入物是富含脂类和蛋白质的藻类、菌类以及海洋动物等[5-15]。

在研究区的泻湖、膏云坪、泥云坪相碳酸盐岩中发现较多的菌藻类。菌藻类具有耐盐、耐高渗透压性，易存在高盐度的咸水水体中，这种高盐度的环境限制了动物群的繁殖和变异，没有捕食藻类的动物存在，使藻类群落广泛生长繁殖，其消耗量达到最小。蒸发台地的膏云坪环境细菌的繁衍繁盛，微生物有机质是最好的生油母质，它们是Ⅰ型有机质的母质来源。

研究区碳酸盐岩有机质的组成主要是菌藻类、动物有机碎屑以及被细菌降解的腐泥基质。在碳酸盐岩的晶间孔或晶间溶孔中还有碳沥青。根据碳酸盐岩中的生物化石组合和有机显微组分的组成特征，可以说明奥陶纪碳酸盐岩中有机质的生源组成属腐泥类，其干酪根类型有Ⅰ型和Ⅱ型。

3有机质类型确定

岩样热解分析资料是一种评价烃源岩有机质类型的有效方法。运用氢指数(IH)、类型指数(S2/S3)和降解率(D)划分烃源岩有机质类型是一种简便而又有效的方法(见表1)。

表1　烃源岩有机质类型热解分类表

注：S2为干酪根热解烃含量，S3为二氧化碳含量，TOC为总有机碳含量

对研究区五口井(即陕17井、陕参1井、李1井、天2井和李华1井)的部分岩芯采样(见图2)，进行碳酸盐岩岩样热解，得到结果如表2所示，对照表1，可见本区部分碳酸盐岩有机质类型为Ⅲ型。

图2　研究区井位及采样分布图

这种似乎是与菌藻类生源不相吻合的有机质类型，是客观实际的反映。一般认为是高演化程度导致的。但是本区有机质热演化程度还没有高到有机质类型不能区分的程度，显然还受到别的因素制约，研究这个问题需要排除热演化的干扰，恢复有机质类型，进行具体分析。

表2　研究区碳酸盐岩有机质热解分类

4有机质类型恢复

从岩样热解分析结果可以看出研究区碳酸盐岩有机质类型与其原始生源有机质类型相比相差甚远。随着热演化作用增强，干酪根不断脱去氢和氧，并富集碳，生烃潜力急剧降低，导致有机质类型“降级”。如果排除有机质热演化对它的影响，就有可能恢复有机质类型的本来面目，即将其恢复到未成熟或低成熟状态的有机质类型[16-28]。

恢复前后烃源岩热解指标计算公式如表3所示，结合研究区碳酸盐岩的热解分析结果进行有机质类型恢复。

表3　恢复前后烃源岩热解指标计算公式

注：S1为原始烃量，S2为干酪根热解烃量，S3为二氧化碳量，COT为有机碳含量，Q为积累热解烃率

由于研究区碳酸盐岩有机质高演化程度和油气运移作用的影响，在对各项指标恢复之前首先要对岩石的原始烃量S1进行恢复，即利用热解模拟实验结果计算已生油量S1，然后利用公式修正其它参数。按研究区的生源类型为Ⅱ型有机质类型为前提，所得恢复后结果见表4。

表4　有机质类型恢复计算结果

对研究区全部岩样进行恢复可知，恢复前研究区下奥陶统碳酸盐岩有机质几乎全为Ⅲ型，恢复后，有机质类型有较大变化，Ⅲ型占70.83%，Ⅱ2型占12.50%，Ⅱ1型占16.67%。恢复后，Ⅲ型干酪根主要分布在灰云坪相带和潮下浅水相带；Ⅱ型干酪根主要分布在膏云坪、泥云坪、潮渠和浅滩相带，在潮下浅水相带也有少量分布。由此可知研究区西部碳酸盐岩有机质主要为Ⅲ型，中部则以Ⅱ型为主。

5有机质类型转化因素

研究区现存的碳酸盐岩干酪根类型属Ⅲ型，经恢复之后与生源类型相比有机质类型下降了一级。导致碳酸盐岩有机质类型与其生源不一的原因可以有两种解释[29-32]。一是高度氧化而使类型转化，二是高度演化使类型转变。若属于后者，那么原来干酪根是属Ⅱ型或Ⅰ裥?，在热演化过程中逐渐转变为Ⅲ型。无论是热演化还是氧化，基本点都是有机质的官能团脱落，芳核增大，不同类型有机质最终都变为Ⅲ型干酪根。显微结构镜质组向惰质组转化是增碳和芳构化过程，是在氧化条件下进行的，同样，海相藻质体也是可以在氧化条件下向“惰质体”转化，变为Ⅲ型干酪根。浅水台地中发育的颗粒碳酸盐岩中部分藻团粒、团块包裹的有机质由于受到包壳的保护而保持为Ⅱ型干酪根。

研究区沉积相分析表明，早奥陶世全区总体为浅水碳酸盐岩台地，水体很浅。由于各地所处环境的“开放性”不同，造成氧化还原条件不同，导致有机质受氧化作用影响程度不同，恢复后有机质类型也不同。

早奥陶世马家沟期之后，全区抬升暴露于地表，长期遭受风化剥蚀、大气淡水淋滤和向下渗流，埋藏在地下的岩石也因古岩溶作用而遭氧化，特别是在隆起区两侧碳酸盐岩中出现很多经受氧化的标志(见表5)：黄铁矿被氧化为褐铁矿，岩石中普遍有褐铁矿浸染的黄铁矿假晶；大气淡水淋滤和渗流出现了许多去云化和去膏化的现象；岩石中出现许多溶孔、溶缝和溶蚀的现象。

表5　碳酸盐岩经受暴露之后的氧化标志

研究区早奥陶世碳酸盐岩沉积物在沉积-成岩阶段的强氧化作用，促使其干酪根类型转化，此后在热演化程度达到高成熟阶段，又使有机质类型降级，成为目前实测的Ⅲ型干酪根。沉积-成岩阶段的氧化作用是促使干酪根类型转化的主要因素之一，而有机质的高演化程度则使各类有机质之间差别缩小，趋向均一化，Ⅱ型干酪根向Ⅲ型干酪根转化。

6结论

研究区碳酸盐岩有机质类型实验结果为Ⅲ型，这是由于生源组成、沉积与成岩作用和高热演化等多种作用综合影响所致。如果排除热演化的干扰，所恢复的有机质类型则反映出不同条件下形成不同的有机质类型。

研究区干酪根类型由Ⅱ型转变为Ⅲ型的主导因素在不同地区可以是不同的。沉积环境充氧或受大气淡水淋滤渗透影响大的地区，碳酸盐岩类型在未成熟阶段已转为Ⅲ型，如天1井、天2井分布区，陕参1井附近。受大气淡水影响小的地区在未成熟阶段干酪根类型已转变为Ⅱ型，如陕17井。前者大多分布在隆起区的外侧边缘，后者则分布在局限台地。浅水台地中发育的颗粒碳酸盐岩中部分藻团粒、团块包裹的有机质由于受到包壳的保护而保持为Ⅱ型干酪根。

在沉积和成岩过程中经受过强烈氧化作用改造的碳酸盐岩，其有机质类型为Ⅲ型，如开阔海、灰云坪相的碳酸盐岩有机质；如未经过后期强烈演化，保持还原条件的沉积成岩环境，碳酸盐岩有机质则为Ⅱ型，如膏云坪泥云坪等沉积相高能浅滩环境的碳酸盐岩有机质也可为Ⅱ型。

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(责任编辑：李丽，范君)

Study on the Organic Matter Types of Early Ordovician Carbonate Rocks in Ordos Basin

WANG Jian1, HUANG Wen-hui2,3, FU Mi2,3

(1.College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China; 2.School of Energy Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083,China;3.Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism, Ministry of Education, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083,China)

Abstract:Dispersed organic matter in sedimentary basins is the material base of oil and gas production, the quality and quantity of oil and gas produced depend on the type and abundance of the dispersed organic matter in the basins. Organic matter types determine the quality of source rocks, and a basin without good source rocks is not an oil and gas bearing basin with good prospect. Due to the influence of sedimentation and multiphase tectonic effects on lower Paleozoic strata in Ordos, in Ordovician carbonate rocks organic matter is generally in high mature and over mature stage. The Ordovician carbonate rocks in Ordos area formed in a marine environment, which are far away from the terrigenous material supply area, the organic matter source composition belongs to a kind of sapropelic kerogen, which should be mainly classified as type I. By the analysis of the type of carbonate rocks in the studied area, the type of organic matter in the studied area is type III, which is generally considered as a high degree of evolution. In order to study the reasons of different types of organic matter in carbonate rocks and their origin, it is needed to eliminate the interference of thermal evolution and recover the type of organic matter and make a concrete analysis of the results. The aim of this paper is to study the factors of the transformation of organic matter in carbonate rocks in the studied area by recovering the type of organic matter.

Key words:carbonate rocks；organic matter type；organic matter recovery

收稿日期：2015-01-31

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41472136)

作者简介：汪健(1987-)，男，安徽淮南人，在读硕士，研究方向：能源地质评价。

中图分类号：P618

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2016)01-0013-06