准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组烃源岩沉积环境分析及物源示踪——来自泥岩地球化学的证据

蔡倩茹,王金铎,张关龙,宋智华,王圣柱,熊峥嵘,倪胜利

1.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257000;2.中国石化 胜利石油管理局 博士后科研工作站,山东 东营 257000

准噶尔盆地是自晚古生代以来经历多期构造运动改造形成的大型叠合盆地,油气资源丰富[1-3]。目前准东北地区的油气勘探正逐渐由浅层中生界向深层石炭系—二叠系扩展,其中石炭系更是极其重要的烃源岩和储层发育层系,具有十分重要的勘探研究意义[4-6]。近年来,随着陆梁隆起南缘滴南凸起的克拉美丽气田以及五彩湾凹陷油气藏的相继发现,证实准东北地区发育的上石炭统巴塔玛依内山组(巴山组)是有利的烃源岩发育层段[7-8]。其中滴中1、滴西8、彩参1等20多口井钻遇巴山组烃源岩,在盆地东北缘的塔克尔巴斯他乌、扎河坝、五彩湾、白碱沟和双井子等露头区也有出露[9-10]。巴山组烃源岩的分布受到断裂和火山岩分布的控制,呈条带状展布,与火山岩互层或形成于火山岩体之间的低洼地带,岩性为泥岩、凝灰质泥岩和碳质泥岩[11]。沉积背景及环境变化是控制烃源岩成因、分布以及有机质类型的主要因素,并且会对储集空间类型、孔隙结构等产生重要影响。因此,沉积环境的分析对于有利烃源岩分布预测具有重要的指导作用,进而决定油气勘探进展。然而,前期研究大多侧重于火山岩成因、大地构造演化以及沉积相分析等,对巴山组沉积环境方面的研究工作较少,存在海相、海陆过渡相和陆相等争议[12-13]。

沉积岩中的主微量、稀土元素在沉积过程中往往受古气候、古水体化学条件、古环境以及古物源的影响,因此沉积岩地化特征是指示沉积演化过程的标志[14-15]。通过对沉积岩中元素分布规律的全面分析,有助于确定沉积环境和演变过程。鉴于此,本文对准噶尔盆地东北缘富蕴地区发育的暗色泥岩进行系统的样品采集工作,结合岩石学特征与地球化学测试分析,恢复巴山组沉积期古气候、古水深以及水体介质的古盐度和古氧化还原条件等,并且进一步探讨构造环境与古沉积环境之间的联系,对准噶尔盆地东北部石炭系油气勘探、开发与评价提供地质依据。

1 地质背景

东准噶尔处于新疆北部,是中亚造山带的重要组成部分。该区自古生代以来经历了多阶段的大洋俯冲、碰撞和后碰撞等复杂的构造演化历史,并形成一系列相关的火山岛弧及增生杂岩[12-13]。上石炭统巴山组沉积时期,火山作用强烈,爆发相、溢流相与火山沉积相交互发育,在火山喷发的间歇期,发育大量的砂、泥岩沉积[11]。受晚古生代洋壳向北俯冲、闭合及板块边界碰撞造山作用控制,准噶尔古陆与西伯利亚板块最终拼合连为一体,准东北地区在晚石炭世之前已经进入陆内演化阶段,表现为裂谷与残留海并存,北陆南海的格局[16-17]。本次研究区位于盆地东北缘的富蕴县,包括五彩城、帐篷沟、白碱沟、扎河坝、尖山沟以及拜尔库都克地区(图1)。该地区的巴山组根据岩性可以分为两段:下部巴一段岩性主要为中基性火山岩,玄武岩占多数,局部发育酸性流纹岩、火山角砾岩和凝灰岩;上部巴二段则以薄层砾岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩为主。

图1 准噶尔盆地东北缘地质概况和采样位置据参考文献[9]修改。

2 样品采集与测试方法

本次研究样品均采自富蕴县出露的巴山组,主要为新鲜且未经风化的泥岩和粉砂质泥岩。这些岩石样品在野外露头中呈灰白色,新鲜面为浅灰色,块状构造,泥状结构。矿物粒度极细,手标本下肉眼难以分辨,岩石致密细腻,可见贝壳状断口。偏光显微镜下可见岩石薄片样品主要是由黏土矿物、石英以及填充其间的有机质共同组成(图2)。其中石英矿物自形程度较差,粒状,粒径为0.02～0.03 mm,含量为15%～20%,正交偏光镜下可见明显的波状消光。黏土矿物为黑色不透明颜色,形状不规则,含量约为60%～70%。有机质物质主要呈条状或块状填充在石英与黏土矿物之间,含量约为15%～20%。通过手标本观察和镜下薄片鉴定,重点选取主微量元素分析样品27件,稀土元素分析样品8件。样品检测在中国石油大学(北京)地球科学学院石油地质实验室内完成。主量元素测试借助X射线荧光光谱仪(XRF),测试流程遵循国标《硅酸盐岩石化学分析方法:GB/T 14506.28—2010》,测试精度在2%～4%;微量及稀土元素测试依据美国PE公司DRC-E型电感耦合等离子体质谱(ICP-MS),以国家标准参考物质(GSR3)为标样进行检测,遵循岩石、土壤、水系沉积物中微量元素的封闭酸溶ICPMS法测定,测试精度优于5%。实验结果见表1。

表1 准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组泥岩样品主微量元素和地球化学指标数据

续表1

图2 准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组泥岩野外特征(a-c)及岩石薄片(d-f)

3 测试结果分析及沉积环境讨论

3.1 古气候条件

古气候变化直接影响沉积物供应及水体分层,进而制约着水体种群密度及生物组合,间接影响有机质富集与储存。化学蚀变指数(CIA)是反映古气候特征的重要参数,CIA=Al2O3×100/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O),式中CaO*指硅酸盐矿物中的CaO。一般情况下,CIA值的升高通常与古气候环境的湿润程度呈正相关关系;同样的,化学风化指数[CIW,CIW=Al2O3×100/(Al2O3+CaO*)]和斜长石蚀变指数[PIA,PIA=(Al2O3-K2O)×100/(Al2O3+CaO*+Na2O-K2O)]值的逐渐升高也指示物源区风化程度的持续增强,反映物源区古气候向温暖、潮湿环境转变的趋势[12]。

研究区内,除了扎河坝地区泥岩样品的CIA值介于89～106,反映强化学风化背景下的湿热型气候,其余地区泥岩样品CIA值均介于58～82(平均值76),指示中等化学风化背景下的暖湿型气候[19]。邻区塔克尔巴斯他乌露头和盆地内部乌伦古坳陷的巴山组泥岩CIA指数也反映了暖湿型或温热型古气候环境[9,11]。同时,区域内CIW和PIA值也均指示源区以中等风化作用为主(图3)。在泥岩A-CN-K三角图解(图4)中可以看出,平行于A-CN坐标轴的岩石预测风化趋势线T’(剔除了钾交代作用的影响)指示除了扎河坝个别点落在强化学蚀变区,其余大部分点落在中等化学蚀变区,与前述观点一致。

图3 准噶尔盆地东北缘晚石炭世沉积环境地球化学参数变化

图4 准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组泥岩A-CN-K三角图据参考文献[21]修改;PAAS为后太古宙澳大利亚页岩。

SiO2/Al2O3比值可用来反映Si通过化学淋溶搬运的变化情况,当SiO2/Al2O3>4时,岩石中SiO2运移极少,指示干燥的气候环境;而当SiO2/Al2O3<4时,则指示了相对湿润的气候环境导致大量的SiO2迁移[20]。研究区只有个别泥岩样品具有较高的SiO2/Al2O3比值,而大部分样品均远低于4,反映了相对湿润的古气候背景。另一方面,高的Sr含量是水体在干旱气候下蒸发的结果;而在干冷条件下,由于水体的碱性逐渐增强,导致Cu大量析出。因此Sr/Cu被广泛用于恢复古气候,通常Sr/Cu>10指示干燥气候,Sr/Cu<10则代表温湿气候[21]。所有的泥岩样品中除3个具有较高Sr/Cu比值外,其余的Sr/Cu值均介于2～8,平均值为5.93,整体反映温暖湿润的古气候环境。

3.2 古氧化—还原条件

通常情况下,常见的敏感元素主要包括U、Th、Ni、Co、Cu、Zn、Mo等,其富集程度和相互间的比值是反映氧化—还原环境的可靠指标[22-23]。其中,Th、U元素之间化学性质的差异性,导致其在不同环境的赋存状态截然不同。Th在水体中主要以Th4+的形态赋存,对氧化还原条件的敏感性差。相反,U在缺氧条件下以U6+形式与海水中的碳酸根离子结合,导致沉积物在氧化环境中通常亏损U。因此,U/Th比值是指示水体氧化还原条件的重要指标,具体表现为,U/Th>1.25指示缺氧环境,U/Th介于0.75～1.25时为贫氧环境,U/Th<0.75则反映氧化环境[24-25]。测试结果显示,区域内巴山组岩石除两个样品的U/Th比值大于0.75,其余样品的U/Th比值均介于0.17～0.72,表明研究区在晚石炭世应整体处于典型的氧化环境(图3)。

在氧化水体中,Ni大多以Ni2+离子或NiCO3形式被有机质所吸附;在还原水体中,Ni则可形成不溶性的NiS,被自生黄铁矿吸收。同时,在还原环境中Co比Ni优先活化,从而造成沉积物中的Ni/Co比值增大。因此,Ni/Co比值也被认为是判断沉积物所在水体氧化还原程度的重要参数,其中Ni/Co<5对应氧化环境,Ni/Co介于5～7对应贫氧环境,而Ni/Co>7则指示缺氧环境[16]。通过对研究区巴山组泥岩Ni/Co比值进行计算,除在一个样品中为7.71,其余样品Ni/Co比值介于0.28～4.22,均值为2.02,揭示了巴山组沉积岩形成于水体氧化环境(图3)。

类似的,Cu在氧化水体中大多以CuCl+离子的形式存在,而在还原水体下Cu2+则进入黄铁矿形成CuS。Zn在海水氧化环境中,以腐殖酸的络合物形式存在;还原环境时则会以Zn的形式存在于黄铁矿中。因此Cu/Zn也常被用来指示沉积期的氧化—还原环境,其中,Cu/Zn<0.21对应还原环境,Cu/Zn比值介于0.21～0.35时为弱还原环境,Cu/Zn>0.35则对应氧化环境[26]。研究区巴山组泥岩除个别样品外,大部分样品的Cu/Zn比值均大于0.35,指示沉积时期应处于典型的氧化环境。同时,在上述微量元素比值进行判识和分析的基础上,进一步将以上判别指标进行交会投点,可以发现在Ni/Co-U/Th图解上(图5a),大部分样品均投入氧化环境中,仅少数样品位于弱氧化或缺氧区域,同样验证了元素比值的判识结果。

图5 准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组泥岩Ni/Co-U/Th(a)[27]、UEF-MoEF(b)[28]、Sr-Ba(c)[29]、V-Ba(d)[30]判别

缺氧环境通常会导致Mo和U元素在沉积物中富集,在氧化条件下含量极低,在Fe3+和Fe2+的氧化—还原界面附近,U富集快于Mo,而在缺氧或硫化环境中则相反[31]。UEF-MoEF协变模式图可以很好地反映盆地沉积过程中的氧化—还原性质[28],其中Mo和U富集系数的计算公式为XEF=(X/Al)样品/(X/Al)平均页岩。研究区样品的UEF、MoEF数据大部分小于1,最高值一般不大于3,在协变模式图中都没有落入缺氧和硫化区域,反映了氧化的水体条件(图5b)。因此,根据多种元素比值和判别方式综合分析,认为准东北缘在巴山组沉积时期处于氧化环境。

3.3 古盐度

Li、Ni、Ga、Sr等元素的含量对沉积水体的盐度具有明显的控制作用,因此沉积岩中这几种元素常被用来判别古沉积环境的水体盐度[21]。通常情况下,在海相(盐水)沉积环境中,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;而在陆相(淡水)沉积环境中,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]。实验结果表明,研究区巴山组泥岩样品中的Li含量除一个样品达到215×10-6外,其余样品均介于(12～65)×10-6,Ni含量除在个别样品中大于40×10-6外,大部分样品中介于(5～34)×10-6,Ga含量介于(13～38)×10-6,Sr含量介于(56～407)×10-6。准东北地区在石炭纪以发育火山岩和碎屑岩沉积为主,不发育碳酸盐岩,对水体中Sr等元素的原始含量没有影响,因此这些微量元素特征均显示巴山组沉积期处于半咸水—淡水环境(图3)。

另一方面,Sr和Ba的化学性质相似,其富集程度也受水体盐度的控制,在咸水环境下,Ba往往会率先析出,而Sr的溶解度整体高于Ba,只有当水体到达一定咸度后才会被析出,因此,Sr/Ba常被用来作为判断沉积环境中水体古盐度的重要指标,Sr/Ba>1.0指示咸水沉积环境;当Sr/Ba值介于0.5～1.0时为半咸水沉积;Sr/Ba<0.5则代表了淡水沉积环境[27]。研究区巴山组除个别泥岩样品的Sr/Ba值大于1,其余大部分样品Sr/Ba值介于0.12～0.80,属于半咸水—淡水环境。同时,Sr-Ba、V-Ba图解也可以指示沉积时的水体盐度和来源,Sr-Ba图解显示研究区巴山组的大部分泥岩样品均落入半咸水—淡水范围内(图5c),V-Ba图解显示巴山组所有泥岩样品均落入陆相区(图5d)。综上所述,准噶尔东北缘巴山组沉积期应属于陆相半咸水—淡水环境。

3.4 沉积速率

稀土元素的分异程度是判断沉积速率快慢的重要参数[32],黏土矿物等是稀土元素吸附的主要载体。当沉积速率慢时,在水体中停留时间较长导致REE分异强,当沉积速率快时,在水体中停留时间较短导致REE分异弱。LREE/HREE和(La/Yb)N是反映轻重稀土元素分异的重要指标。本次研究只对扎河坝和拜尔库都克地区巴山组泥岩样品做了稀土元素分析,结果显示这两个地区的LREE/HREE值介于5.67～7.67,平均值为6.63,(La/Yb)N介于5.18～7.77,平均值为6.60,轻—重稀土分异程度中等,表明巴山组泥岩的沉积速率相对稳定(图3)。此外,可根据沉积岩中Co和La含量对具体的沉积速率值进行估算[32],公式如下:

Vs=V0×NCo/(SCo-t×TCo)

(1)

t=SLa/NLa

(2)

式中:V0为正常水体的沉积速率,一般为150～300 m/Ma,前述成果认为研究区巴山组沉积速率中等,因此本次计算V0取200 m/Ma;NCo为正常水体Co的丰度,为20×10-6;SCo为样品中Co的丰度,平均为11.185×10-6;TCo为沉积岩中Co的平均丰度,为4.68×10-6;SLa为样品中La的丰度,平均为35.6×10-6;NLa为沉积岩中La的平均丰度,为38.99×10-6。计算得到样品的平均沉积速率Vs为578.7 m/Ma;t为SLa/NLa比值。

3.5 古水深

元素Zr化学性质稳定,一般以锆石等重矿物的形式存在,在较浅的水体中容易直接沉积;元素Rb化学性质活泼,易迁移,在黏土矿物中较常见,并在较深的水体中更易直接沉积,因此判断古水深一般使用Rb/Zr比值作为参数[20]。Rb/Zr比值的升高也与水体环境的深度呈明显的正相关,与水动力强度呈负相关。研究区巴山组泥岩样品Rb/Zr比值分布于0.05～0.47之间,均值为0.23,反映较浅的水体沉积环境。在沉积速率估算的基础上,根据公式h=3.05×105/Vs1.5[33],计算得到研究区巴山组泥岩沉积时期的平均古水深(h)为21.9 m。

4 构造背景及物源分析

通常情况下,相对稳定的微量元素(La、Sc、Cr、Th、Zr、Co)能够较准确地识别沉积物的原始物源区特征,并且微量元素含量与构造背景之间的对应关系也可为进一步判断沉积环境提供地质约束。在沉积岩微量元素三端元判别图解投图中(图6),研究区巴山组泥岩样品均落入大陆岛弧环境。而前人对乌伦古坳陷、扎河坝、白碱沟以及塔克尔巴斯他乌等地的火山岩微量元素及Sr-Nd同位素进行了系统的研究,Sr-Nd同位素显示,其岩浆来源于亏损地幔,而微量元素特征也具有亏损的特征,但亏损程度要低于岛弧源区,不如板内环境的源区富集,属于后碰撞环境[9, 34-35]。一般来说,岩浆的地壳混染、分离结晶以及继承前次俯冲所保留下的特征都能使得出露岩石具有岛弧特征,再结合沉积岩较浅的古水深环境,认为研究区巴山组的构造环境可能为后碰撞伸展。

图6 准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组泥岩沉积构造环境判别[36]

物源区母岩类型可根据判别函数(F1和F2)及相关图解确定,其中函数F1和F2计算公式如下:

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)

根据以上计算公式,计算出F1和F2的值,F1—F2图解[31]揭示研究区泥岩主要来自成熟大陆石英质物源区(图7a)。同时根据扎河坝和拜尔库都克泥岩稀土元素与微量元素比值Co/Th-La/Sc,在Y轴上,其落在长英质火山岩与安山岩之间,在X轴上,其落在花岗岩与长英质火山岩之间,且处于花岗岩的沉积改造加强方向(图7b),说明泥岩组分中含有长英质。综上所述,本次研究的巴山组泥岩样品的母岩类型主要为沉积岩和长英质火山岩,形成于后碰撞构造背景,由挤压环境转变为伸展环境,地壳减薄,亏损的软流圈地幔上涌,后经过岩石圈地幔,可能受到混染作用或卡拉麦里洋壳俯冲时所带的流体或熔体的改造,使得其具有岛弧特征。与此同时发生大规模的断裂活动,喷出大量火山岩,而后火山作用减弱,在火山间隙发育低洼地带形成湖盆,形成沉积物的可容空间。

图7 准噶尔盆地东北缘上石炭统巴山组泥岩沉积物源区判别

5 烃源岩地球化学特征

石炭纪期间受卡拉麦里碰撞造山和后碰撞演化的影响,准东北缘构造运动强烈,发育多条NW—SE走向的断裂,并导致多期火山喷发,形成多个凸起和凹陷相间排列的构造格局,控制晚石炭世三角洲—湖泊—沼泽相沉积,在凹陷或火山岩之间的低洼地带发育巴山组泥岩沉积[9,11]。此外,巴山组沉积时期虽然水体深度较浅,且处于氧化环境,但是温暖湿润的古气候条件有利于植物的大规模繁殖,且沉积速率稳定,为有机质碎屑的稳定堆积和输入提供了有利条件,促进了有机质的富集。根据本次野外获得的烃源岩样品测试分析,结合盆地内相关研究成果综合分析,巴山组TOC含量为0.56%～8.92%,平均为2.08%;氯仿沥青“A”含量为0.001 5%～0.057 7%,平均为0.013 5%;生烃潜量(S1+S2)为0.05～2.01 mg/g,平均值为0.34 mg/g。综上认为巴山组烃源岩有机质丰度中等,具有一定的生烃潜力。有机显微组分结果表明,镜质组占主要组分,平均含量为90.36%,惰质组平均含量为15%,其余组分基本为0。计算得出干酪根类型指数(TI)基本小于0,指示应主要为Ⅲ型干酪根,少量Ⅱ2或Ⅱ1型,以高等植物来源为主,陆相来源输入明显增多,反映了古气候条件和陆内构造背景的控制。同时,有机质的热演化程度对于油气资源评价至关重要,研究区巴山组烃源岩实测Ro介于0.67%～2.78%,平均值为1.63%;样品Tmax分布于436～566 ℃,平均值为506 ℃,处于成熟—高成熟演化阶段,说明产气潜力较好。

6 结论

对准噶尔盆地东北缘野外露头区的上石炭统巴山组烃源岩样品中的主微量元素和稀土元素进行了分析研究,得出了以下结论:

(1)化学蚀变指数(CIA)、化学风化指数CIW)、斜长石蚀变指数(PIA)、SiO2/Al2O3值、微量元素 Sr/Cu 值和A-CN-K图解中均显示巴山组沉积期为温暖湿润的古气候环境,母岩经历了中等程度的化学风化作用。

(2)U/Th、Ni/Co、Cu/Zn等微量元素比值以及Ni/Co-U/Th图解、UEF-MoEF协变模式图均显示研究区巴山组沉积时期以氧化环境为主;同时,根据Li、Ni、Ga、Al、Sr/Ba比值、Sr-Ba和V-Ba图解显示其为半咸水—淡水环境。通过Rb/Zr比值、Co元素计算出古水深,发现巴山组沉积时期水体相对较浅,且沉积速率相对稳定。

(3)通过主微量元素的F1-F2函数图解结合微量元素Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc和Co/Th-La/S图解以及区域地质演化特征,揭示研究区巴山组母岩类型主要为沉积岩和长英质火山岩,物源可能主要是来自于卡拉麦里岛弧酸性火成岩区的风化产物。

(4)研究区巴山组烃源岩有机质类型基本以Ⅲ型干酪根为主,少量Ⅱ2或 Ⅱ1型,以高等植物来源为主;有机质丰度中等,TOC含量平均为2.08%,具有一定的生烃潜力。同时,较高的Ro和Tmax值显示研究区烃源岩处于成熟—高成熟演化阶段,具有较好的生气潜力。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

该科研工作主要由蔡倩茹主持;实验测试由王金铎、张关龙、宋智华、熊峥嵘、倪胜利完成;手稿由蔡倩茹、王金铎、张关龙、王圣柱起草和修订。所有作者均已阅读论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.