在巴中--达州一带, 河坝1, 毛坝3, 普光5, 川岳84, 龙会4和天西2等钻井揭穿了吴家坪组, 其与长兴组呈整合接触, 与茅口组呈平行不整合接触(图 2).按照岩性组合结合电性特征, 吴家坪组可分为3个岩性段:下段主要为碳质, 硅质页岩夹灰黑色泥灰岩等, 多呈纹层状, 富含黄铁矿, 自然伽马呈尖峰状中高值(100~350 API), 具低中值电阻率(0.5~12 Ω · m)未发现煤层; 中上段由灰黑色泥灰岩与黑色页岩互层, 二者比例因地而异, 如河坝1井, 中段主要为深灰色泥灰岩与碳质页岩互层, 至上段硅质含量明显增多, 以硅质页岩, 硅质灰岩和白云质灰岩组合为主, 电性呈现出齿状的低--中值(50~90 API)自然伽马和中--高值(5~250 Ω · m)视电阻率.在毛坝3, 普光5井, 中上段主要由微晶灰岩和泥灰岩组成, 其中毛坝3井中段以灰黑色碳质泥灰岩为主, 向上颜色变浅.川岳84, 龙会4, 天西2井中段均以深灰色微晶灰岩和泥灰岩为主, 上段则以黑色页岩为主, 富含黄铁矿.

在上述钻井周围, 如华蓥山(三百梯剖面, 李子亚煤矿, 邻水煤探井8-Ⅲ 井), 广元(长江沟)--旺苍(双汇, 立溪岩)--通江(诺水河)以及川东天西1, 天西3, 天东2, 渡2和门南1井等一带, 吴家坪组下段普遍发育一套含煤层段, 中上段为碳酸盐沉积.其中, 在南部, 华蓥山龙潭煤系是川渝地区富煤区之一, 三百梯, 李子亚煤矿含煤岩系形成时代从龙潭早期延至中期(P₂w中段), 但向北至邻水煤探井8-Ⅲ 井, 仅在吴家坪组下段下部见有薄煤层, 累计厚度不足1, m, 向上相变为黑色页岩和深灰色泥灰岩, 中段为含黄铁矿的深灰色灰岩, 至上段黑色页岩与深灰色灰岩互层, 黑色页岩单层厚度可达5~7 m(图 2).在西北部, 长江沟, 双汇和诺水河等露头剖面上, 吴家坪组下部发育一套含煤线的"王坡页岩", 厚度为数厘米至十几米, 中上段主要为开阔台地相灰色块状灰岩, 常见有层状或结核状燧石.龙4井中, 吴家坪组下段未见煤层, 但底部见厚1, m左右的灰色铝土岩, 向上变为黑色页岩和灰岩, 中段主要为灰色, 深灰色含泥质白云岩, 白云质灰岩夹泥岩等, 上段主要为硅质岩, 泥岩与白云岩互层.在开县--梁平一带, 天西1, 天西3, 天东2, 门南1等钻井的吴家坪组下部均发育多层煤, 单层最厚可达1.5 m(如天西3), 渡2井中吴家坪组下部则为铝土质泥岩与页岩互层, 未见煤层, 厚度可达39 m.

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 川东北地区上二叠统吴家坪组地层对比图Fig.2 Correlation of the Upper Permian Wujiaping Formation in northeastern Sichuan area

选取河坝1, 毛坝3和普光5井吴家坪组的岩屑, 岩心样品进行了系统的有机地球化学分析(表 1, 表2), 建立了相应的综合剖面.

2.2.1 有机碳及还原硫含量

有机碳和还原硫的丰度, 比值及其稳定同位素组成, 广泛应用于古环境分析, 可用其确定陆相, 正常海相和静海相等各种沉积环境.

研究表明, 河坝1井中吴家坪组总有机碳含量(TOC)为0.32%~4.62%, 平均达1.99%(图 3).毛坝3井中, 吴家坪组下段TOC为1.14%~10.44%, 平均达3.78%; 中段下部TOC为0.29%~0.87%, 平均达0.61%; 仅在4940~4990, m深灰色灰岩段TOC相对较低(0.16%~0.20%), 至上部TOC又增加, 为0.74%~1.24%, 平均0.92%(图 4).普光5井中, 吴家坪组下段TOC为1.39%~4.42%, 平均达2.23%; 中上段与毛坝3井相比TOC总体较低, 仅在中段下部TOC为0.42%~1.26%, 平均达0.96%; 向上TOC均低于0.2%(图 5).另外, 在邻水煤探井8-Ⅲ 井中, 下段TOC为0.54%~6.20%, 平均为2.2%; 中上段TOC为1.97%~3.65%, 平均为2.2%(表 1).

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 川东北地区吴家坪组和须家河组烃源岩有机碳及有机硫含量 Table 1 Organic carbon and organic sulfur content of the Wujiaping and Xujiahe Formations in northeastern Sichuan area 井号 河坝1井 普光5井 毛坝3井 8--Ⅲ 井 层位 吴家坪组 徐家河组 吴家坪组 徐家河组 吴家坪组 徐家河组 吴家坪组 徐家河组 TOC/% 0.64~4.62 0.55~5.39 0.90~4.42 0.50~10.91 0.53~10.44 0.58~5.66 0.85~3.65 3.4~6.66 2.41(13) 1.71(10) 1.70(11) 2.17(41) 2.04(29) 2.43(19) 2.51(10) 5.03(2) S/% 0.34~2.09 0.08~0.32 0.19~1.38 0.02~0.67 0.12~1.10 0.02~0.21 0.54~9.89 0.76~0.89 0.84(13) 0.17(10) 0.64(11) 0.09(41) 0.42(29) 0.07(19) 2.96(10) 0.83(2) C/S 0.54~6.50 4.88~23.74 1.48~6.61 5.73~143.96 1.67~9.63 13.49-108.85 0.20-2.45 4.47-7.48 3.47(13) 9.95(10) 3.03(11) 28.97(41) 4.04(29) 32.57(19) 1.53(10) 5.98(2) 注:表中数据 0.64~4.622.41(13), 0.64~4.62表示范围, 2.41表示平均值, 13为样品数

表1 川东北地区吴家坪组和须家河组烃源岩有机碳及有机硫含量 Table 1 Organic carbon and organic sulfur content of the Wujiaping and Xujiahe Formations in northeastern Sichuan area

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 川东北地区吴家坪组分子地球化学参数表 Table 2 Parameters of molecule geochemistry of the Wujiaping Formation in northeastern Sichuan area 井号 样品号 岩性 深度 /m TOC /% 44α -甲基甾烷 /μ g· g-1 Pr/Ph γ -蜡烷 /C30H 甾/藿 规则甾烷/% 三芴系列组成/% C27 C28 C29 SF F MB3-316 泥质灰岩 4889~4892 0.74 5.01 0.60 1.03 4.79 24 35 41 MB3-330 泥质灰岩 5048~5051 0.59 4.52 0.83 1.03 4.91 24 36 39 MB3-339 碳质页岩 5137~5141 1.72 17.96 0.78 0.17 4.25 21 37 42 71 15 Mb3-26-1 碳质页岩 5186.52 10.44 4.99 0.55 0.78 4.13 35 28 37 83 3 PG5-280-2 泥灰岩 5638~5644 1.03 22.32 0.79 0.10 3.82 35 27 38 PG5-284-2 黑色页岩 5668~5671 2.04 20.44 0.65 0.16 4.35 40 25 34 PG5-285-1 碳质页岩 5676~5679 1.39 6.21 0.58 0.08 2.46 38 25 37 PG5-291 黑色页岩 5735~5740 4.42 6.20 0.82 0.15 3.15 37 25 38

表2 川东北地区吴家坪组分子地球化学参数表 Table 2 Parameters of molecule geochemistry of the Wujiaping Formation in northeastern Sichuan area

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 河坝1井吴家坪组地球化学综合柱状图Fig.3 Comprehensive geochemical column of the Wujiaping Formation of Well Heba 1

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 毛坝3井吴家坪组地球化学综合柱状图Fig.4 Comprehensive geochemical column of the Wujiaping Formation of Well Maoba 3

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 普光5井吴家坪组地球化学综合柱状图Fig.5 Comprehensive geochemical column of the Wujiaping Formation of Well Puguang 5

在河坝1, 毛坝3和普光5井中, 吴家坪组烃源岩中还原硫(S)含量为0.12%~2.09%, 平均为0.56%; 碳硫比值(C/S)为0.54~9.63, 平均为3.64(54个样品); 而上三叠统须家河组(T₃x)中S含量普遍低于吴家坪组, 其含量为0.02%~0.67%, 平均为0.10%; C/S则远高于吴家坪组, 达4.88~143.96, 平均达27.10(54个样品).在邻水探煤井8-Ⅲ 井中, 吴家坪组下部含煤段中夹煤线的一个页岩样品(TOC为6.66%)的S为0.89%, C/S为7.48, 与其互层的黑色页岩(TOC为3.40%)的S为0.76%, C/S也达4.47.该段上部富有机质层段中S含量总体变高, 为0.54%~6.62%, 最高达9.89%, 平均为2.96%; 而C/S相对较低, 为0.20~2.45, 平均为1.53(10个样品).前人大量研究也表明(Leventhal, 1983; Raiswell and Berner, 1986), 海相岩石具有较低的C/S比值, 一般变化在0.5~5范围内, 其中静海沉积物比正常海相沉积物具有更低的C/S比值, 且相关曲线可交于C/S相关图的S轴上, 而陆相岩石具很高的C/S比值特征, 一般C/S比值大于10.

2.2.2 有机质碳硫同位素组成

图4和图5中表示了吴家坪组有机质包括干酪根及沥青"A"的碳同位素分布特征.毛坝3井中, 吴家坪组下段干酪根碳同位素值(δ ¹³C干酪根)为-26.8‰ ~-27.5‰ ; 至中上段, δ ¹³C干酪根为-28.3‰ ~-29.5‰ .普光5井中, 下段δ ¹³C干酪根为-26.9‰ ~-28.2‰ , 抽提物沥青"A"的碳同位素值(δ ¹³C沥青"A")为-28.6‰ ~-28.7‰ . 河坝1井中, 吴家坪组碳质泥岩(Hb1-7-4样, 5643, m)的δ ¹³C干酪根为-27.9‰ , δ ¹³C沥青A为-30.0‰ .这些钻井中长兴组, 茅口组的δ ¹³C干酪根分别为-25.6‰ ~-28.8‰ 和-26.5‰ ~-29.0‰ , 平均为-26.9‰ (8个样品), -27.6‰ (5个样品); 而须家河组富有机质泥岩δ ¹³C干酪根为-23.3‰ ~-26.1‰ , 平均为-24.7‰ (7个样品), 较海相层位明显偏重, 正向漂移(δ ¹³C干酪根)平均达3‰ .南川龙潭组含煤段的泥岩δ ¹³C干酪根为-24.3‰ , 与须家河组类似, 也呈典型陆相有机质富 ¹³C 同位素组成的特性.显然, 毛坝3, 普光5和河坝1井中, 吴家坪组有机质碳同位素组成都显示出以菌藻类为主的海相有机质特点, 反映了本区纵向上从二叠系到上三叠统, 横向上自川东北至川南, 有机质由海相向陆相演变的特点, 归因于高等植物混入比例的递增和沉积环境还原性的减弱.高等植物的大量混入或弱还原--亚氧化条件下沉积有机质的腐殖化作用都可导致δ ¹³C干酪根的正漂移(腾格尔等, 2004).

在不同环境条件下形成的黄铁矿具有不同的硫同位素组成, 同位素分馏程度不同.如果它发生在半封闭环境, 硫酸盐的还原速度比硫酸盐供给速度要快, K₁/K₂=1.025, 即可比相应的海水硫酸盐δ ³⁴S低25‰ .当金属离子供给有限时, 即对H₂S是封闭系统, 由于 ³²S-O链首先断裂, 最初形成的H₂S具最低的δ ³⁴S值, 随硫酸盐不断被还原, H₂S逐渐富集³⁴S, 由其形成的黄铁矿相应地富集³⁴S, 如毛坝3井吴家坪组下段(Mb3-26-1样)的黄铁矿 δ ³⁴S 为-13.9‰ , 指示半封闭滞留海相环境下生成的.而开放环境中, 由于硫酸盐得到充分补充, 使硫酸盐的δ ³⁴S基本保持不变, 产生的硫化物δ ³⁴S也相对稳定, 这种环境硫同位素动力分馏系数在 18 ℃ 为1.040~1.060, 即可比相应的海水硫酸盐 δ ³⁴S 低40‰ ~60‰ , 如广元剖面和河坝1井的大隆组的黄铁矿, δ ³⁴S为-25.7‰ ~-29.9‰ .

2.2.3 有机岩石学特征

据毛坝3井吴家坪组有机岩石学分析, 下段显微组分中腐泥组占83%, 以藻类体为主, 次生组分16%, 以固体沥青为主, 充填于孔隙, 裂隙中, 惰性组2.0%; 未见镜质组, 甚至干酪根镜检中也未发现镜质组等高等植物组分(MB3-356样, 5109, m).在中上段, 有机显微组分中腐泥组占33%~62%, 以藻类体为主, 次生组分33%~65%, 以固体沥青为主, 充填于孔隙, 裂隙中; 惰性组3.0%~6.0%(MB3-311样, 4825, m; MB3-320样, 4937, m).这些特征表明它们主要受远离陆源的海相有机质的影响.

2.2.4 生物标志物特征

生物标志物被定义为分子化石, 与生物体的母体有机分子结构差别很小或根本没有差别.因而, 可以广泛利用这些化合物判别有机质来源及其沉积环境.

普光5井和毛坝3井吴家坪组抽提物的饱和烃气相色谱法, 气相色谱-质谱法和色谱-质谱质谱法分析数据表明(表 2):① 类异戊二烯烷烃类中具植烷优势, 姥鲛烷/植烷(Pr/Ph)比值均小于1.0(0.55~0.83).石油或沥青的Pr/Ph一直用以表示母源沉积的氧化还原环境, 一般认为该比值小于1指示缺氧沉积作用, 当伴随高硫含量时尤为如此, Pr/Ph比值大于1指示为氧化条件.② 普遍检测到一定量的γ -蜡烷, 含量为2.06~17.69μ g/g, 沥青"A"γ -蜡烷指数(γ -蜡烷/C₃₀藿烷)变化较大, 为0.08~0.78, 最高达1.03, 指示高盐度局限环境的存在.③ 甾藿烷分布中, 规则甾烷含量明显高于17α (H)-藿烷, 二者比值达2.46~4.91, 该比值通常反映真核生物(主要是藻类和高等植物)与原核生物(细菌)对烃源岩的贡献.④ C₂₇-C₂₈-C₂₉甾烷同系物中, 主要以C₂₇或C₂₈占优势为特色, 含量可达35%~40%, 三峰呈不对称"V"字型, 或者呈左倾"斜线"型分布.⑤ 普遍检测到4α -甲基甾烷, 主要是4α -甲基-24-乙基胆甾烷, 含量为4.52~22.32μ g/g.普光5井的PG5-280-2号样品中还检测到甲藻甾烷和24-正--丙基胆甾烷, 含量分别为2.57 μ g/g和17.59μ g/g.原油或沥青中4α -甲基甾烷可能主要源于活沟鞭藻生物体中的4α -甲基甾醇(Wolf et al., 1986), 也被发现于Pauloua属的定鞭金藻微藻中(Volkman et al., 1990).甲藻甾烷来源于甲藻甾醇, 似乎是唯一由沟鞭藻提供的(彼得斯和莫尔多万, 1995).24-正--丙基胆甾烷是识别海相有机质输入的非常特征的标志, 主要指示海相金藻的来源(Moldowan et al., 1990).

据毛坝3井吴家坪组两个样品(样品号为MB3-339和Mb3-26-1)的芳烃气相色谱-质谱法分析(表 2), 三芴系列组成中以硫芴(SF)含量占绝对优势, 占三芴总含量的71%~83%, 而芴(F)和氧芴(OF)含量分别为3%~15%, 14%~15%, 反映出本地区吴家坪组烃源岩有机质的形成环境为富硫强还原环境.

晚二叠世初期, 受峨眉地裂运动(罗志立, 1981)和南秦岭勉略洋盆开裂(杜远生等, 1997)等影响, 宣汉--开江一带产生了与大巴山古陆近于平行, 与泸州--开江古隆起近于垂直的一些张性断裂(陈宗清, 2008).在这些张性断裂的产生及其后继承性扩张和下沉作用下, 巴中--达州地区形成了台内凹陷(文中称为"巴中--达州盆地"), 暗示着长兴期广旺--开江--梁平海盆从晚二叠世初期就开始发育, 即在东吴运动, 南秦岭勉略洋盆裂陷, 峨眉地裂运动等构造动力学背景下受同生断裂沉降, 水下隆起阻隔及海平面变化影响等, 在巴中--达州一带形成了广旺--开江--梁平海盆的雏形.

吴家坪期地质环境的变化, 主要表现在古地理变迁和海平面升降活动.首先, 由于东吴运动的隆升剥蚀和海平面升降变化等综合作用, 吴家坪期初期四川盆地地形并非是平坦的, 而形成了广泛的准平原化古地貌和沼泽--浅水环境, 存在多个水下高地或孤岛, 从而导致了这些地区复杂的沉积体系(田雨等, 2010).在此背景下, 巴中--达州盆地形成了水体较深, 相对闭塞的静海环境, 沉积了一套局限盆地相的黑色泥页岩层, 其周缘地区底部有一层很薄的劣质煤系, 如旺苍, 诺水河, 或者与茅口组平行不整合面上分布有铝土岩, 铝土质泥岩等风化残积物, 如龙4井, 渡2井等.其次, 东吴运动后又开始了一次较大的海侵, 是晚二叠世主要地质事件之一.吴家坪期中后期, 随着地壳下沉, 海水由东, 北侧向盆地大规模侵入, 川东北广泛淹没, 使得巴中--达州盆地向西南扩展, 但仍保持了深水, 低能, 还原环境特色, 接受了中上段的富含有机质的黑色泥岩, 碳质页岩, 硅质泥岩和深灰色泥灰岩等.

除了沉积岩石学特征以外, 测井曲线变化也宏观反映了此类沉积环境变化(图 2).富有机质层段的电性特征, 纵向上与灰岩段差异比较明显, 横向上泥页岩段之间相对一致, 即自然伽马曲线多呈尖峰状起伏, 为中--高值, 视电阻率主要为低--中值, 并且自然伽马与电阻率曲线往往具有镜像关系.这与其富含过渡金属和铀, 钍等放射性元素密切相关, 而这些元素的富集就是归因于缺氧的, 富有机质的沉积环境(腾格尔等, 2006).实际上, 上述层段中有机质的高度富集本身就说明了当时其所处的环境不是聚煤的氧化, 酸性环境, 而是有利于大量有机质聚集和保存的缺氧, 低能环境.河坝1, 毛坝3和普光5井中还原硫含量及 C/S 比值的分布特征进一步证实了这一点(表 1, 图3, 图4和图5), 富有机质层段比邻近贫有机质层段和陆相层位具有较高的含硫量和更低的C/S比值, 且有机碳与还原硫之间并未呈现线性关系, 表现出静海沉积特征, 其硫同位素组成同样显示类似环境.同时, 毛坝3, 普光5井吴家坪组中普遍具有较低的Pr/Ph, γ -蜡烷的存在和高丰度的硫芴更有力地反映了本区水体分层, 底水高盐度, 富硫厌氧的沉积环境.

由此可见, 在巴中--达州盆地中, 吴家坪期早期达州一带(川岳84, 普光5, 毛坝3)水体相对较深, 之后逐渐向巴中地区加深, 沉积中心也随之由东向西迁移, 至吴家坪期末期--大隆期初期, 旺苍--巴中一带联通形成了广旺海盆, 而达州一带发展成为沉积泥灰岩, 泥晶灰岩为主(川岳84)的深水陆棚环境.另外, 天西1, 天西3, 天东2和门南1等井的吴家坪组下部均发育多层煤, 中上部也主要为碳酸盐沉积, 表明开江古隆起对西侧巴中--达州盆地一直起着阻隔作用, 使得巴中--达州盆地(河坝1井--川岳84井)与万州以东即鄂西渝东(如云阳19井)处于水下隆起两侧深水沉积区, 至吴家坪期晚期--长兴期早期随着海平面的上升, 碳酸盐的快速堆积和开江古隆起隔挡作用的逐渐消失等有可能连片沉积.

随着早二叠世的大规模海退, 古地理变迁和生态环境的剧变, 四川盆地生物演化发生了一系列变化.四川盆地二叠系划分本身就说明了早, 晚二叠世之间发生过重要的生物集群的变革事件, 不同地区有不同的生物组合(胡世忠, 1994; 李国辉等, 2005).其中, 对烃源岩形成具重要影响的有两个方面:

一是四川盆地内陆生植物的繁盛, 吴家坪期高等植物占据了一片天地, 尤其在川中及其以南地区, 沉积了龙潭富煤层系, 表明了本区处于热带温暖潮湿环境, 适合于生物繁衍, 生物产率充足.前人研究(白立新和朱日祥, 1996; 颜佳新等, 1999)也指出, 四川盆地二叠纪处于低纬度区, 为热带暖水沉积环境, 气候温暖潮湿.加之, 四川盆地主体是滨海沼泽, 浅海碳酸盐岩台地环境, 给浮游生物, 底栖生物和高等植物带来了勃勃生机.生物的繁盛给烃源岩的形成提供了重要的有机质来源, 使成烃生物组成和干酪根类型多元化, 形成了腐泥型和腐殖型等多种类型烃源岩.其中, 高等植物和底栖藻类的输入程度直接影响到烃源岩的品质和产物类型.总体上, 川东北地区, 处于清洁, 温暖海水环境, 浮游, 底栖的海洋生物繁衍, 包括蓝绿藻, 底栖宏观藻类等, 随着远离海岸, 沉积物中陆源有机质输入量减少, 相对海相有机质的增多, 在合适的保存条件如巴中--达州盆地中发育成Ⅰ -Ⅱ 型为主的腐泥型, 倾油性烃源岩; 川西南地区主要处于滨海沼泽成煤环境, 沉积有机质以高等植物输入为主, 形成了以Ⅲ 型为主的倾气性龙潭煤系烃源岩.

二是吴家坪初期开始的大规模海侵作用, 使海岸线和龙潭煤系不断地向陆地迁移, 至吴家坪晚期川中及以北地区均被海水淹没, 为晚二叠世多种生物的繁衍昌盛提供了更为广阔的海洋生态领域.成群成带分布的长兴组生物礁就是最好的例证, 因为这些礁体生物的繁衍必然基于吴家坪期高的初级生产力或各种菌藻类的繁盛.上述甾萜烷分布特征也提供了有力的分子地球化学证据.一般情况下, 高含量的甾烷以及高的甾/藿比值(≥ 1)似乎是主要来源于浮游或底栖藻类生物的海相有机质的特征.在C₂₇-C₂₈-C₂₉甾烷同系物中, C₂₇或C₂₈的优势可能与多种多样的浮游或底栖植物群的繁盛有关, 包括沟鞭藻, 金藻等.与C₂₇和C₂₈甾烷比较, 高含量的C₂₉甾烷可以指示高等植物来源.然而, 国内外大量研究已证实, 尽管泥盆纪以前缺乏陆生植物, 但泥盆纪以前岩石和原油中也有丰富的C₂₉甾烷, 一般归因于藻类(彼得斯和莫尔多万, 1995).因此, 笔者测定的几个样品中高含量的C₂₉甾烷并不说明其主要来源于陆源有机质, 结合以腐泥组为主的有机显微组分和偏轻(δ ¹³C干酪根小于-26‰ )的有机质碳同位素特征, 可以预测巴中--达州盆地吴家坪组烃源岩以海相有机质输入为主, 而陆源组分输入少.特别是, 4α -甲基-24-乙基胆甾烷, 甲藻甾烷和24-正--丙基胆甾烷等分子化石的发现直接印证了本区吴家坪期初期就开始明显受到海侵作用和海相有机质输入的影响, 并有沟鞭藻和金藻的贡献.