李苗苗，馬素萍，夏燕青，張曉寶

（1.中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州730000；2.中國科學院大學，北京100049）

泌陽凹陷核桃園組湖相烴源巖微觀形態(tài)特征與形成機制

李苗苗1，2，馬素萍1，夏燕青1，張曉寶1

（1.中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州730000；2.中國科學院大學，北京100049）

利用背散射電子成像技術研究了泌陽凹陷核桃園組湖相烴源巖的微觀特征，結果表明泌陽凹陷核桃園組核三段—核二段湖相烴源巖的有機質形態(tài)以條形和卵形生物碎屑為主。根據(jù)有機質在湖相烴源巖中不同的分布形式，可將泌陽凹陷核桃園組湖相烴源巖劃分為含紋層狀有機質烴源巖、含分散狀有機質烴源巖和過渡類型烴源巖3種類型。根據(jù)烴源巖地球化學分析可知，含紋層狀有機質烴源巖有機碳含量高，形成于水體鹽度較高的咸水環(huán)境中，在外來徑流補給較少的情況下，沉積有機質的主要來源為水生生物，干酪根主要為Ⅰ型；含分散狀有機質烴源巖有機碳含量較低，沉積于水體鹽度較低的淡水環(huán)境中，在外來徑流補給較多的情況下，陸源生物和水生生物為沉積有機質的主要來源，干酪根類型主要是Ⅱ型；過渡類型的烴源巖其沉積環(huán)境則介于上述兩者之間。

湖相烴源巖；微觀特征；形成機制；泌陽凹陷

0 引言

南襄盆地泌陽凹陷是中國著名的“小而肥”的生油凹陷［1］。古近系核桃園組是該凹陷主要的生油層段，其沉積厚度大，油源豐富［2］。對于核桃園組湖相烴源巖的沉積特征、沉積環(huán)境和地球化學特征，許多學者已經(jīng)進行了不同程度的研究［3-8］，但由于該類烴源巖多是細粒泥質巖類沉積，對此類烴源巖的微觀組構和成分特征缺少高分辨率的觀察和描述，從而影響了對其形成機制的進一步探索［9］。這里所說的烴源巖的形成機制是指其形成過程中水體的鹽度、有機質注入量以及生物來源等情況。實際上，烴源巖結構與構造、有機質形態(tài)及有機質分布形式等微觀特征對于了解其形成機制具有重要的意義［10］。近年來，隨著現(xiàn)代測試技術的發(fā)展，特別是背散射電子成像技術的引進與應用，實現(xiàn)了對細粒泥質類烴源巖微觀形態(tài)特征高分辨率的研究［9］。筆者利用背散射電子成像技術對泌陽凹陷核桃園組湖相烴源巖進行研究，揭示出烴源巖在沉積結構和構造、有機質的形態(tài)以及有機質的分布形式等方面的特征，并對該組湖相烴源巖進行地球化學分析，進而討論其微觀形態(tài)特征及形成機制。

1 區(qū)域地質背景

圖1 泌陽凹陷構造位置及采樣位置Fig.1Structural situation and sampling location of Biyang Sag

泌陽凹陷是南襄盆地中的一個次級凹陷［11］，是一個富含油氣的新生代小型斷陷［12］。該凹陷被北西西向栗園—唐河斷裂和北東向栗園—泌陽斷裂所挾持，為一南斷北超的箕狀凹陷（圖1）。泌陽凹陷的沉積地層主要為古近系，自下而上可劃分為大倉房組、核桃園組和廖莊組，其中核桃園組最為發(fā)育［13］。核桃園組分為3段：①核三段分為上、下2個亞段，下亞段又分為5個砂組，巖性為深灰色泥巖、砂質泥巖夾粉砂巖、灰質細砂巖和少量粗砂巖及灰褐色泥質白云巖；上亞段分為3個砂組，巖性為灰色—深灰色泥巖、灰白色礫狀砂巖，砂巖中夾褐色油頁巖，最厚達2 000 m，為半深湖相沉積。②核二段巖性為灰色—淺灰色泥巖與同色細砂巖呈略等厚互層，以泥巖為主，夾深灰色—灰色頁巖、棕褐色油頁巖及灰色泥質白云巖，厚300～840 m，屬淺湖相沉積。③核一段巖性為淺灰色、灰綠色泥巖與淺灰色細砂巖、粉砂巖呈略等厚互層，夾綠色頁巖及劣質油頁巖，厚220～530 m，為濱—淺湖相沉積［14-15］（圖2）。

本次研究系統(tǒng)采集了泌陽凹陷中心沉積區(qū)云1井和云2井古近系核桃園組核三上亞段至核二段烴源巖樣品12塊，主要為褐色泥巖、灰黑色白云質泥巖及泥質白云巖。

圖2 泌陽凹陷新生代地層綜合分析圖［15］Fig.2The comprehensive stratigraphy analysis of Cenozoic in Biyang Sag

圖3 泌陽凹陷湖相烴源巖的有機質形態(tài)Fig.3The forms of organic matter of lacustrine source rocks in Biyang Sag

2 烴源巖微觀特征

利用背散射電子成像技術對烴源巖微觀特征進行高分辨率的研究。其原理為：當入射電子束與靶區(qū)原子接觸時，發(fā)生彈性碰撞，產(chǎn)生背散射電子；背散射電子的數(shù)量（稱為背散射系數(shù)η）主要與靶區(qū)的原子序數(shù)有關，當原子序數(shù)高時，η值就大，圖像就亮，而當原子序數(shù)低時，η值就小，圖像就暗［16］。在烴源巖中，礦物顆粒與有機質顆粒的原子序數(shù)存在差異，所以背散射電鏡圖像能夠清晰地揭示它們之間的關系［9］。本次烴源巖的背散射電鏡分析是在中國石化勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所實驗研究中心完成的，所使用的儀器是PHILIPS XL 30W/TMP型掃描電子顯微鏡。

2.1 有機質的形態(tài)及分布

通過背散射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，泌陽凹陷湖相烴源巖中有機質形態(tài)以條形和卵形生物碎屑為主，可能為炭化藻殘體或筆石殘片（圖3）。

背散射電鏡鏡下不但能識別有機質的形態(tài)，而且可以清晰地觀察到有機質的分布形式。上述有機質在烴源巖中的分布形式以紋層狀和分散狀為主，但也或多或少地存在過渡結構形式，此外還有一些呈不規(guī)則塊狀及片狀分布的有機質和薄膜狀有機質（腐泥組的一種亞組分）（圖版Ⅰ）。

有機質的分布形式受原始有機質分子的形態(tài)、沉積環(huán)境和成巖作用等因素的影響［16］。每個有機質的形態(tài)對沉積物結構均有顯著的影響，如薄而長的微粒有利于形成含紋層狀有機質烴源巖；圓形微粒在埋藏壓力作用下，也能形成含紋層狀有機質烴源巖；低能的沉積環(huán)境未受到劇烈變化的影響，有利于含紋層狀有機質烴源巖的形成；埋藏過程中的壓實作用會使碎屑礦物重新排列，并具有一定的方向性，從而促使含紋層狀有機質烴源巖的形成；溶解作用會破壞有機質的原始微結構，從而形成含分散狀的有機質烴源巖。

2.2 烴源巖的類型及特征

根據(jù)烴源巖中有機質的分布形式，可以將泌陽凹陷湖相烴源巖劃分為3種類型，即含紋層狀有機質烴源巖、含分散狀有機質烴源巖和過渡類型烴源巖（圖版Ⅰ-1～Ⅰ-3）。含紋層狀有機質烴源巖為灰黑—黑色白云質泥巖，呈現(xiàn)一定的紋層結構，有機質紋層與礦物顆粒紋層呈不連續(xù)的交替分布；該類烴源巖中含球狀黃鐵礦［10］。含分散狀有機質烴源巖為灰色—灰白色泥質白云巖，無紋層構造，有機質在巖石中分布凌亂且不均勻，無一定規(guī)律；其有機質個體大小不等，主要為5～80 μm，大多與基質沉積混雜在一起。過渡類型烴源巖為深灰—灰黑色泥質白云巖，與紋層狀有機質烴源巖或分散狀有機質烴源巖結構形成對比的是，在其有機質組成界線清晰的部位，該類烴源巖的礦物區(qū)域和有機質區(qū)域無明顯的邊界；背散射電子成像顯示其有機質完全為無形狀的聚集或與礦物基質緊密伴生［16］。

3 烴源巖地球化學特征

3.1 微量元素特征

樣品的微量元素分析是在功能有機分子化學國家重點實驗室（State key laboratory of applied organic chemistry）的全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（IRIS Advantage ER/S）上進行的，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 泌陽凹陷核桃園組湖相烴源巖微量元素統(tǒng)計表［17］Table 1Trace element data of lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag

（1）硼元素（B）含量

水體中的黏土沉積物對硼具有一定的吸附能力，硼含量可作為指示古鹽度的微量元素指標［18］。水體中硼的含量與水體的鹽度存在線性關系，即水體鹽度越高，硼含量就越高，沉積物吸附的硼離子就越多［19］。當硼的質量分數(shù)低于200×10-6時為淡水，高于200×10-6時為咸水［20-21］。由表1可知：研究區(qū)硼的質量分數(shù)變化大，為（40.4～703.0）×10-6，平均為252.13×10-6，整體偏高，反映沉積環(huán)境為干旱—半干旱的鹽湖環(huán)境；含紋層狀有機質烴源巖硼的質量分數(shù)為（163～703）×10-6，平均為385×10-6，表明其鹽度大，沉積環(huán)境主要為咸水環(huán)境；含分散狀有機質烴源巖硼的質量分數(shù)為（40.4～305.0）×10-6，平均為133×10-6，表明其鹽度較小，沉積環(huán)境主要為淡水環(huán)境；過渡類型烴源巖硼的質量分數(shù)為（87.2～353.0）×10-6，平均為174.7×10-6，表明其鹽度不大，沉積環(huán)境介于上述兩者之間。云1井樣品硼的質量分數(shù)為（87.2～500.0）×10-6，平均為272.4×10-6，有機質分布形式為紋層狀和過渡型；云2井樣品硼的質量分數(shù)為（40.4～703.0）×10-6，平均為232×10-6，有機質分布形式主要為分散狀和過渡型。

（2）鍶鋇含量比（Sr/Ba）

Sr元素主要從海水中直接沉淀，而Ba元素則極易被黏土及細碎屑沉積物以吸附的形式富集［22］。通常情況下，Sr/Ba值反映的是海水鹽度的變化［23］，但在無海水入侵的湖相沉積中，Sr/Ba＞1指示咸水沉積環(huán)境，Sr/Ba＜1則指示淡水沉積環(huán)境，異常高值可指示高度堿化條件下的堿湖沉積環(huán)境［24］。由表1可看出：泌陽凹陷古近系核桃園組從核三段到核二段湖相碳酸鹽巖的Sr/Ba值變化較大，為0.26～1.98，表明古沉積水體鹽度變化頻率較高；含紋層狀有機質烴源巖Sr/Ba值為0.48～1.98，平均為1.22，表明該類烴源巖主要沉積于咸水環(huán)境；含分散狀有機質烴源巖Sr/Ba值為0.26～0.71，平均為0.44，表明該類烴源巖主要沉積于淡水環(huán)境；過渡類型烴源巖Sr/ Ba值為0.37～1.24，平均為0.74，說明其沉積環(huán)境介于上述兩者之間。云1井樣品Sr/Ba值為0.48～1.71，平均為0.97；云2井樣品Sr/Ba值為0.26～1.98，平均為0.75。

3.2 有機地球化學特征

（1）有機碳含量（TOC）

對湖相烴源巖樣品進行有機地球化學分析（表2）。沉積物中有機碳的含量在一定程度上是原始有機質豐度、沉積物的沉積速率及介質的物理化學條件等沉積環(huán)境的綜合反映［25-26］。烴源巖有機碳含量與沉積時的有機質總量及沉積和保存環(huán)境有關，可作為沉積環(huán)境的一種間接判斷指標。

由表2可知：從核三上亞段到核二段，樣品有機碳質量分數(shù)變化較大，為0.26%～5.23%；含紋層狀有機質烴源巖有機碳質量分數(shù)為3.08%～5.23%，平均為4.51%，有機碳質量分數(shù)較高，一般屬于好的烴源巖；含分散狀有機質烴源巖有機碳質量分數(shù)為0.36%～0.85%，平均為0.57%，有機碳質量分數(shù)較低，屬于較差的烴源巖；過渡類型烴源巖有機碳質量分數(shù)為0.26%～0.99%，平均為0.62%，有機碳質量分數(shù)一般不高，也屬于較差的烴源巖。同時，生烴潛量也是反映烴源巖有機質豐度的指標，當生烴潛量介于6～20 mg/g時為好的烴源巖，介于2～6 mg/g時為中等的烴源巖，小于2 mg/g時為差的烴源巖。在表2中，含紋層狀有機質烴源巖的生烴潛量為11.18～25.40mg/g，平均為19.3mg/g，表明其為好的烴源巖；含分散狀有機質烴源巖的生烴潛量為0.67～3.43 mg/g，平均為1.59 mg/g，表明其為差的烴源巖；過渡類型烴源巖的生烴潛量為0.24～1.95mg/g，平均為1.45mg/g，表明其為差的烴源巖。

表2 泌陽凹陷核桃園組湖相烴源巖有機地球化學參數(shù)［17］Table 2Organic geochemistry parameters of lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag

（2）有機質類型

有機質類型是衡量烴源巖質量的重要指標，不同類型的有機質其生烴潛力、產(chǎn)烴類型、門限深度（溫度）和生烴過程都有一定的差異［27］。

本次研究利用烴源巖熱解分析確定烴源巖的有機質類型，判斷標準如表3所列。由表2可知：含紋層狀有機質烴源巖S2/S3為10.02～17.75，平均為12，表明其干酪根多為Ⅰ型；含分散狀有機質烴源巖S2/S3為0.06～2.08，平均為0.77，表明其干酪根多為Ⅱ2型；過渡類型烴源巖S2/S3為0.23～2.61，平均為1.22，表明其干酪根多為Ⅱ2型。

表3 巖石熱解參數(shù)劃分干酪根類型的指標Table 3Kerogen type divided by roke pyrolysis parameters

由表1和表2可知：①當B元素的含量和Sr/Ba的值均較高時，指示鹽度較高的咸水環(huán)境，在此環(huán)境中形成含紋層狀有機質烴源巖，其有機質豐度高，烴源巖干酪根為Ⅰ型。這是由于湖泊的水注入量較低時，水體鹽度升高，加之陸源生物碎屑的影響較小，水生生物作為有機質的主要來源，使得烴源巖干酪根主要為Ⅰ型，并且有機碳含量高，最終形成含紋層狀有機質烴源巖。該類烴源巖主要分布在核三段，且核三段為泌陽凹陷的主要生油層。②當B元素的含量和Sr/Ba的值均較低時，指示鹽度較低的淡水環(huán)境，在此環(huán)境中形成含分散狀有機質烴源巖，其有機質豐度低，烴源巖干酪根為Ⅱ2型。這是因為湖泊的水注入量較高時，水體鹽度降低，加之注入的水體攜帶陸源生物碎屑，使沉積有機質的主要來源為陸源生物碎屑和水生生物，使得烴源巖干酪根類型主要為Ⅱ型，并且有機碳含量低，最終形成含分散狀有機質烴源巖。該類烴源巖主要分布在核二段，核二段是次于核三段的生油層。

4 結論

（1）泌陽凹陷核桃園組核三上亞段至核二段湖相烴源巖的有機質形態(tài)以條形和卵形生物碎屑為主，可能為炭化藻殘體或筆石殘片。有機質在烴源巖中的分布形式主要為紋層狀和分散狀，也有過渡類型，此外還有一些呈不規(guī)則塊狀及片狀分布的有機質和薄膜狀有機質。

（2）泌陽凹陷核桃園組核三上亞段至核二段湖相烴源巖可劃分為3種類型，即含紋層狀有機質烴源巖、含分散狀有機質烴源巖和過渡類型的烴源巖。

（3）根據(jù)各類烴源巖的微觀特征，結合微量元素及有機地球化學數(shù)據(jù)分析，含紋層狀有機質烴源巖有機碳含量高，形成于水體鹽度較高的咸水環(huán)境中，在外來徑流補給較少的情況下，沉積有機質的主要來源為水生生物，干酪根主要為Ⅰ型；含分散狀有機質烴源巖有機碳含量較低，形成于水體鹽度較低的淡水環(huán)境中，在外來徑流補給較多的情況下，陸源生物和水生生物為沉積有機質的主要來源，干酪根類型主要為Ⅱ型；過渡類型的烴源巖其沉積環(huán)境則介于上述兩者之間。

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圖版Ⅰ說明：泌陽凹陷湖相烴源巖的有機質分布形式。1.有機質呈紋層狀分布，云2井，1 705 m，掃描電鏡，×500；2.有機質呈分散狀分布，云2井，1 711 m，掃描電鏡，×1 000；3.有機質呈過渡類型分布，云1井，2 072 m，掃描電鏡，×400；4.有機質呈塊狀分布，云1井，2 105 m，掃描電鏡，×600

（本文編輯：于惠宇）

Microscopic morphology and formation mechanism of lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag

LI Miaomiao1，2，MA Suping1，XIA Yanqing1，ZHANG Xiaobao1
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The study on the lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag was carried out by using backscattered electron imaging technology.The study results show that the shape of organic matter mainly denominated in trip,oval biological detritus.The organic matter in source rocks distributed in different forms,so according to the distribution characteristics of organic matters,the source rocks in Biyang Sag can be subdivided three types,including lamination source rocks,scattering organic matter source rocks and intermediate forms source rocks.Meanwhile, according to the analysis of geochemical data,the lamination source rocks is with high organic carbon content,formed in high salinity saltwater environment,with fewer external runoff,the main source of sedimentary organic matter is aquatic organisms,and the kerogen is mainly typeⅠ;scattering organic matter source rocks is with low content of organic carbon,deposited in low salinity freshwater environment,with more external runoff,the main source of sedimentary organic matter are terrestrial and aquatic organisms,and the kerogen is mainly typeⅡ;while the sedimentaryenvironment of intermediate forms source rocks is intermediate between the lamination source rocks and the scattering organic matter source rocks.

lacustrine source rocks；microscopic characteristics；formingmechanism；BiyangSag

TE122.1+13

A

1673-8926（2014）03-0045-06

2014-02-23；

2014-03-25

中國科學院油氣資源研究重點實驗室開放基金項目“湖相碳酸鹽巖烴源巖沉積環(huán)境及控制因素”（編號：KFJJ2010-05）資助

李苗苗（1989-），女，中國科學院大學在讀碩士研究生，研究方向為油氣地球化學及油氣地質學。地址：（730000）甘肅省蘭州市城關區(qū)東崗西路382號。E-mail：410936836@163.com

馬素萍（1978-），女，博士，副研究員，主要從事油氣地球化學及油氣地質學的研究工作。E-mail：spma@lzb.ac.cn。