曹清古，劉光祥，張長江，潘文蕾

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇無錫 214126)

勘探實踐證明，四川盆地具有廣闊的天然氣勘探前景[1－2］?！叭钨Y評”結果指出盆地天然氣總資源量53 477.4×108m3。四川盆地發(fā)育多套烴源巖層系，包括下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)、二疊系、上三疊統(tǒng)及下侏羅統(tǒng)等[3－4］。隨著勘探和研究的日益深入，越來越多的人認為二疊系烴源巖是四川盆地最重要的氣源巖之一[5－7］。因此，查明二疊系烴源巖的資源規(guī)模對于四川盆地油氣勘探前景預測具有重要意義。上二疊統(tǒng)作為二疊系的優(yōu)質烴源巖發(fā)育層位，其研究意義尤為重要。本文擬對這套優(yōu)質烴源巖的環(huán)境控制因素進行分析，旨在為進一步預測其空間分布、資源量計算等提供依據(jù)。

1 晚二疊世龍?zhí)镀趲r相古地理特征

1.1 地層巖性分區(qū)

中二疊世末的華力西運動使得四川盆地大部分地區(qū)整體抬升，康滇古陸進一步隆升、擴大，成為四川盆地上二疊統(tǒng)的主要物源區(qū)。古地勢為南西高、北東低。晚二疊世之初，海平面大幅上升，研究區(qū)內廣泛沉積了一套含煤巖系，沉積層序不斷向古陸周邊地區(qū)上超。沉積相帶由陸到海大致呈東西向展布、南北向延伸[8］。區(qū)域地質研究表明[9］，上二疊統(tǒng)從北東往南西相變清晰(圖1):旺蒼、萬源一線以北，硅質巖發(fā)育，為深水環(huán)境下的大隆組(P3d)分布區(qū);旺蒼、萬源一線與綿竹、達縣、南川一線之間為大隆組和長興組(P3ch)的相變區(qū)，即為硅質巖和灰?guī)r的相變帶;綿竹、達縣、南川一線和樂山、珙縣一線之間為長興組和龍?zhí)督M(P3l)分布區(qū);靠康滇古陸兩側為宣威組(P3x)分布區(qū)。

圖1 四川盆地上二疊統(tǒng)相變示意Fig.1 Lithofacies transition of Upper Permian in Sichuan Basin

圖2 四川盆地晚二疊世龍?zhí)镀?吳家坪期)沉積相帶時空遷移規(guī)律Fig.2 Rhythm of sedimentary facies transition during Longtan phase of Late Permian in Sichuan Basin

1.2 沉積相帶展布特征

根據(jù)本次沉積相研究成果(圖2)，晚二疊世龍?zhí)镀谒拇ㄅ璧貜哪衔魍睎|依次發(fā)育以下沉積相帶:河流相、濱岸沼澤相、潮坪—潟湖相、淺水陸棚相、深水陸棚相及盆地相，在南江—萬源、奉節(jié)—巫山—巴東及武隆—彭水等地區(qū)存在局部低隆，形成臺地相沉積。

從康滇古陸邊緣往北東至成都—遂寧—重慶一帶，廣泛發(fā)育含煤碎屑沉積。該時期主要沉積2種類型的含煤碎屑巖系:陸相含煤巖系、海相或海陸交互相含煤巖系。靠近古陸邊緣的天全—樂山—美姑一帶，為宣威組陸相含煤層系，主要為河流漫灘沼澤相含煤建造。天全—樂山—美姑一帶至成都—遂寧—重慶一帶之間為龍?zhí)督M海陸交互相含煤建造區(qū)，可劃分出2個相帶:濱岸沼澤相帶與潮坪—潟湖相帶。前者主要沉積泥巖、碳質頁巖、巖屑砂巖，夾多層煤層(線)，典型剖面如珙縣大水溝剖面;后者沉積以泥、頁巖夾砂巖、灰?guī)r及煤線為主要特征，如女基井龍?zhí)督M下部主要為以頁巖、泥巖夾煤層為特征的泥炭沼澤亞相沉積，上部為以灰?guī)r、頁巖及含燧石結核灰?guī)r為特征的硅質灰泥坪亞相沉積，總體反映水體相對閉塞的潟湖沉積環(huán)境。

成都—遂寧—重慶一帶以東廣大區(qū)域為淺海陸棚相區(qū)，沉積以碎屑巖與灰?guī)r及砂質灰?guī)r混合沉積為主，因此又稱作混積陸棚。碎屑巖系以泥質巖、頁巖為主，緊鄰武隆—彭水低隆的地區(qū)含較多的砂屑。該相區(qū)是四川盆地二疊系烴源巖發(fā)育的最有利地區(qū)，具有水體較深、能量較弱等特點，沉積物以細粒沉積物為主，有利于有機質的賦存，有機質豐度高。關基井龍?zhí)督M以頁巖、泥巖、鈣質泥巖、云質泥巖、厚層塊狀微晶灰?guī)r為主，其中頁巖、泥巖所占比例較大。桐梓坡渡剖面龍?zhí)督M以碳質頁巖、砂質頁巖、泥巖、泥質灰?guī)r、結晶灰?guī)r為主，含黃鐵礦結核或透鏡體。西部綿竹天池剖面龍?zhí)督M以砂質灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖為主，灰?guī)r成分占絕對優(yōu)勢，僅中段夾頁巖層。南川東勝剖面龍?zhí)督M以泥巖、頁巖、砂屑灰?guī)r為主。

淺水陸棚區(qū)以北以東地區(qū)為深水陸棚區(qū)，沉積以碳酸鹽巖為主，碎屑巖較少，灰?guī)r及頁巖多含硅質成分，反映出遠源、深水沉積特征。該相帶為碎屑巖與碳酸鹽巖過渡沉積區(qū)，為龍?zhí)督M與吳家坪組的相變區(qū)。

深水陸棚區(qū)外側往城口以東相變?yōu)榕璧叵喑练e區(qū)，吳家坪組灰?guī)r硅質含量更高，由含硅質過渡為含燧石結核、燧石團塊或燧石透鏡體。

此外，在南江—萬源、奉節(jié)—巫山—巴東及武隆—彭水等地區(qū)存在局部低隆，以臺地相沉積為主。

1.3 烴源巖發(fā)育的有利沉積相帶

眾所周知，烴源巖厚度、有機質豐度及成熟度是評價一套烴源巖優(yōu)劣的三大基本參數(shù)。本文擬討論的是原始沉積環(huán)境對烴源巖發(fā)育的控制作用，因此僅考慮前2項基本參數(shù)。而成熟度是烴源巖后期熱演化過程的產(chǎn)物，屬成巖演化階段范疇。

研究發(fā)現(xiàn)，單純依賴有機質豐度高低難以表征烴源巖發(fā)育規(guī)模。如欠補償盆地相，盡管烴源巖有機質豐度較高，但因沉積厚度薄，烴源巖厚度小，難以成為主力烴源巖;又如臺內洼地相烴源巖厚度較大，但有機質豐度較低，也難以表征有利烴源巖發(fā)育區(qū)與沉積相的關系。因此，為了更加客觀地反映烴源巖的發(fā)育規(guī)模，綜合了厚度與有機質豐度兩方面的因素進行考量，在此引入“有機碳厚度”的概念，即采用有機碳含量與烴源巖厚度之積綜合反映烴源巖的發(fā)育特征。

通過對烴源巖有機碳厚度分布特征疊合沉積相展布(圖3)，表明四川盆地上二疊統(tǒng)烴源巖發(fā)育的有利沉積相帶主要為淺海陸棚相區(qū)(包括淺水陸棚相與深水陸棚相)、潮坪—潟湖相帶，其次為濱岸沼澤相帶，其他相帶烴源巖相對不發(fā)育。

2 上二疊統(tǒng)烴源巖沉積環(huán)境

上文從宏觀上對有利于烴源巖發(fā)育的沉積相帶特征進行了闡述，下面從地球化學特征方面對烴源巖發(fā)育的微觀沉積環(huán)境進行探討。

圖3 四川盆地上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(吳家坪組)沉積相與烴源巖有機碳厚度疊合圖Fig.3 Sedimentary facies during Longtan phase of Late Permian vs.organic carbon thickness of source rocks in Sichuan Basin

沉積環(huán)境是控制海相烴源巖發(fā)育和分布的重要因素，即“環(huán)境控源”[10］。生物生產(chǎn)力、海水含氧量(氧化—還原條件)、沉積速率及水動力條件等諸環(huán)境要素共同控制著烴源巖的發(fā)育與分布[11－14］。然而，如何恢復這些控制因素，使之有效地應用于海相油氣勘探仍存在諸多亟待解決的問題。我國海相地層的演化程度較巖石學上真正的變質作用要低得多(Ro＜4%)[15－17］，烴源巖多為一種細粒的沉積巖，在成巖后期，其所含的大部分過渡元素雖然在含量上發(fā)生了一定的變化，但相關元素和分布形式仍保持穩(wěn)定。因此，雖然古生界甚至更為古老地層有機質演化程度普遍較高，但是由于微量元素、稀土元素和碳、氧同位素等無機參數(shù)較有機質更為穩(wěn)定，具有較好的保存原始地球化學信息的能力，其反應古海洋原始地球化學特征及環(huán)境演化的可信度較高。故而，可通過這些無機參數(shù)來恢復古環(huán)境條件，進而分析古環(huán)境與烴源巖發(fā)育關系。

2.1 無機地球化學參數(shù)

2.1.1 常量元素

沉積巖中一些常量元素的分布與沉積環(huán)境密切聯(lián)系[18－19］。如 Al2O3，Na2O，K2O，F(xiàn)e2O3，TiO2等主要賦存于粘土礦物中，代表了陸源泥質。同時Al2O3和Fe2O3的質量分數(shù)反映出沉積環(huán)境的氧化作用強弱。而MnO、FeO的高含量則主要反映還原環(huán)境，MgO質量分數(shù)高主要反映海盆內緣環(huán)境。另外，P2O5是海水的深度指示器，同時P，S元素也是生物生命活動重要的物質，反映海水的原始生產(chǎn)力。

2.1.2 微量元素

一些微量元素及其組合特征也是環(huán)境的指示劑[20－21］，如 Cu，Pb，Zn，Ni，V，Co 等元素及其組合的變化可以反映沉積水體深淺變化。Sr和Ba是化學性相似的同族元素，活動性Sr強于Ba，因此，溶液中Sr和Ba的遷移能力不同，由淡水進入海水時，Ba2+與 SO42－結合生成BaSO4沉淀，陸源的 Ba到達海水中容易沉淀且靠近海岸附近，而SrSO4溶解度較大，比Ba遷移地遠，從而沉淀在較深處，因而沉積物中Sr和Ba的質量分數(shù)比值可以反映沉積水體的相對深淺及沉積環(huán)境。V和Ni組合可反映水體的氧化—還原環(huán)境，一般V/(V+Ni)＞0.46表征為還原環(huán)境，比值越大，還原性越強。

2.1.3 碳、氧同位素

自然界的碳基本上儲藏在有機碳(還原碳)和無機碳(氧化碳)兩大碳庫內，兩者的δ13C平均值大約相差25‰，因此，在影響海相碳酸鹽巖碳同位素的眾多因素中，當時的有機碳氧化與相對埋藏量是最重要的。當有機碳的相對埋藏量大于氧化量時，較多的12C進入有機碳中，使同期海相碳酸鹽巖的δ13C值向正的方向移動，反之則向負的方向移動。此外，沉積介質鹽度的增高會引起碳酸鹽巖δ13C值變大，大氣降水和陸源淡水的注入使δ13C值降低。氧化條件下，有機質中的12C氧化消耗，并以CO2的形式回到海水中，使碳酸鹽巖δ13C值降低;還原條件下，富12C的有機質快速埋藏而導致碳酸鹽巖δ13C值增大。此外生物發(fā)育時消耗海水中富12C的CO2和，并經(jīng)快速埋藏，使碳酸鹽巖δ13C值升高;生物貧乏時海水中CO2和消耗量減少，加之有機質埋藏速率降低，均會導致碳酸鹽巖更富12C，使 δ13C 值減小[22－23］。

氧同位素δ18O值受介質溫度和濃度的影響較大，成巖作用也會使δ18O值發(fā)生較大變化。沉積環(huán)境對氧同位素也有一定的控制作用，沉積環(huán)境中水介質鹽度的增高，蒸發(fā)作用加強，均會使碳酸鹽巖δ18O值明顯變大;大氣降水和陸源淡水的注入會引起水介質鹽度降低，從而使δ18O值變小。

2.2 沉積環(huán)境控制優(yōu)質烴源巖發(fā)育

通過對城口、珙縣、綿竹、南江、石柱、丁山1井、河壩1井、普光5井等多個野外剖面和鉆井的樣品分析測試以及沉積相的分析研究表明，四川盆地上二疊統(tǒng)優(yōu)質烴源巖的發(fā)育直接受控于沉積環(huán)境。

以南江橋亭剖面為例，上二疊統(tǒng)吳家坪組烴源巖的發(fā)育狀況明顯受沉積環(huán)境的控制。同時，測試數(shù)據(jù)(表1)分析表明，常量元素、微量元素及碳氧同位素等無機地球化學特征具有較好的環(huán)境指示意義，也與烴源巖有機碳含量的變化特征相吻合。

吳家坪組上段:未見頂，實測厚度16.6 m，巖性為深灰色薄層狀燧石團塊狀泥灰?guī)r，燧石團塊呈串珠狀嵌于泥灰?guī)r中，含量大致各占50%，沉積相分析認為本段為臺地邊緣斜坡相沉積產(chǎn)物(圖4)。Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2的含量總體較低，反映沉積時細粒粘土物質含量較小，遠離物源區(qū);S，P，Ba含量明顯偏低，一方面反映了海水總體不深，再者原始海洋生產(chǎn)力低下;Sr/Ba比值、V/Cr比值都相對較小，然而 V/(V+Ni)比值為 0.51，大于 0.46，表明仍然處于還原環(huán)境，分析認為吳家坪組上部地層沉積時總體處于弱還原環(huán)境。同時，總有機碳含量偏低，為0.08% ～0.29%，表明臺地邊緣斜坡環(huán)境下烴源巖不發(fā)育。

吳家坪組中段:實測地層厚度50.39 m，巖性總體以深灰色—灰黑色含硅質灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，夾薄層碳質頁巖、硅質巖，局部含生屑。沉積相分析認為本段為深水陸棚相沉積產(chǎn)物。本段樣品SCNJ－58 至 SCNJ－66，其 Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2的含量相對上部地層明顯高;S，P，Ba的含量相對也高，V/(V+Ni)比值、Sr/Ba比值、V/Cr比值均較高，表征了沉積物中細粒粘土物質含量較高、生物生產(chǎn)力較高、海水還原性較強等特點?？傆袡C碳含量相對上部地層明顯高，為好烴源巖。表明深水陸棚環(huán)境

下烴源巖極為發(fā)育。

表1 四川盆地南江橋亭吳家坪組無機地化與有機碳分析測試結果Table 1 Experimental results of inorganic element and TOC in Wujiaping Formation，Qiaoting，Nanjiang，Sichuan Basin

圖4 四川盆地南江橋亭剖面吳家坪組地球化學綜合柱狀圖Fig.4 Synthetical histogram for geochemistry characteristics in Wujiaping Formation on Qiaoting profile，Nanjiang，Sichuan Basin

吳家坪組下段:實測地層厚度33.84 m，巖性以灰黑色含泥質灰?guī)r為主，局部夾碳質頁巖。底部黑色泥巖夾泥灰?guī)r透鏡體，厚約3 m。沉積相分析認為本段主要為淺水陸棚相沉積產(chǎn)物，底部為深水陸棚相。樣品SCNJ－67測試數(shù)據(jù)中S、P含量較高，反映海水古生產(chǎn)力較強，V/(V+Ni)比值0.57代表了較強還原環(huán)境。本段3個樣品總有機碳含量均在0.8% ～0.96%之間，有機質豐度較高，屬較好烴源巖。

本剖面中，δ13C值、δ18O值從下往上具有振蕩漂移特征，反映出海水的振蕩升降旋回，與沉積環(huán)境的變化、相帶的遷移具有較好的相關性。

3 結論

1)晚二疊世龍?zhí)镀?，四川盆地古地理面貌為南西高、北東低。沉積相帶由南西往北東呈弧形帶狀分布，依次為河流相、濱岸沼澤相、潮坪—潟湖相、淺水陸棚相、深水陸棚相以及盆地相，局部高地貌區(qū)形成臺地。

2)上二疊統(tǒng)烴源巖的分布狀況、品質等明顯受到沉積相帶的控制與制約。優(yōu)質烴源巖主要發(fā)育于淺海陸棚、潮坪—潟湖及沼澤環(huán)境。常量元素、微量元素及碳氧同位素等的測試分析結果進一步驗證了優(yōu)質烴源巖的發(fā)育嚴格地受沉積環(huán)境的制約。

[1]馬永生，蔡勛育.四川盆地川東北區(qū)二疊系—三疊系天然氣勘探成果與前景展望[J］.石油與天然氣地質，2006，27(6):741－750.

[2]郭彤樓.川東北地區(qū)臺地邊緣礁、灘氣藏沉積與儲層特征[J］.地學前緣，2011，18(4):201－211.

[3]魏國齊，劉德來，張林，等.四川盆地天然氣分布規(guī)律與有利勘探領域[J］.天然氣地球科學，2005，16(4):437－442.

[4]劉光祥，陶靜源，潘文蕾，等.川東北及川東區(qū)天然氣成因類型探討[J］.石油實驗地質，2002，24(6):512－516.

[5]朱揚明，顧圣嘯，李穎，.等四川盆地龍?zhí)督M高熱演化烴源巖有機質生源及沉積環(huán)境探討[J］.地球化學，2012，41(1):35－44.

[6]騰格爾，秦建中，付小東，等.川東北地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組烴源巖評價[J］.古地理學報，2010，12(3):334－345.

[7]付小東，秦建中，騰格爾，等.四川盆地北緣上二疊統(tǒng)大隆組烴源巖評價[J］.石油實驗地質，2010，32(6):566－571.

[8]郭正吾.四川盆地形成演化[M］.北京:地質出版社，1994.

[9]四川省地質礦產(chǎn)局.四川省區(qū)域地質志[M］.北京:地質出版社，1991.

[10]騰格爾，劉文匯，徐永昌，等.海相地層無機參數(shù)與烴源巖發(fā)育環(huán)境的相關研究:以鄂爾多斯盆地為例[J］.石油與天然氣地質，2005，26(4):411－421.

[11]梁狄剛，張水昌，張寶民，等.從塔里木盆地看中國海相生油問題[J］.地學前緣，2000，7(4):534－547.

[12]陳踐發(fā)，張水昌，鮑志東，等.海相優(yōu)質烴源巖發(fā)育的主要影響因素[J］.海相油氣地質，2006，11(3):49－54.

[13]趙文智，王兆云.高效氣源灶及其對形成高效氣藏的作用[J］.沉積學報，2005，23(4):709－718.

[14]秦建中，騰格爾，付小東，等.海相優(yōu)質烴源層評價與形成條件研究[J］.石油實驗地質，2009，31(4):366－372.

[15]Hunt J M.Petroleum geochemistry and geology[M］.New York:Freeman，1979:62－273.

[16]Demaison G J，Moor G T.Anoxic envieronments and oil source bed genesis[J］.AAPG Bulletin，1980，64(8):1179－1209.

[17]李榮西.有機質熱演化與極低級變質作用[J］.地質科技情報，1996，15(3):64－66.

[18]趙一陽，鄢明才.中國淺海沉積物地球化學[M］.北京:科學出版社，1994.

[19]王中波，楊守業(yè)，李從先，等.南黃海中部沉積物巖心常量元素組成與古環(huán)境[J］.地球化學，2004，33(5):483－490.

[20]張長江，劉光祥，曾華盛，等.川西地區(qū)二疊系烴源巖發(fā)育環(huán)境及控制因素[J］.天然氣地球科學，2012，23(4):626－633.

[21]騰格爾，劉文匯，徐永昌，等.缺氧環(huán)境及地球化學判識標志的探討:以鄂爾多斯盆地為例[J］.沉積學報，2004，22(2):365－372.

[22]吳智勇.化學地層學及其研究進展[J］.地層學雜志，1999，23(3):234－240.

[23]李榮西，魏家庸，肖家飛，等.海進體系域碳氧同位素地球化學響應:以黔西南地區(qū)三疊系為例[J］.地球科學與環(huán)境學報，2007，29(1):1－5.