查宇铭, 吴欣松, 余达. (2016)松辽盆地松科1井上白垩统烃源岩有机碳含量与沉积速率的关系* [J]. 古地理学报, 18(5): 857-864
Zha Yuming, Wu Xinsong, Yu Da. (2016)Relationship between total organic carbon content and sedimentation rate of the Upper Cretaceous source rocks in Well CCSD-SK-I in Songliao Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(5): 857-864. DOI:10.7605/gdlxb.2016.05.065  
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松辽盆地松科1井上白垩统烃源岩有机碳含量与沉积速率的关系*
查宇铭1,2, 吴欣松1,2, 余达1,2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249

第一作者简介：查宇铭,男,1989年生,中国石油大学(北京)硕士研究生。

通讯作者简介：吴欣松,男,1969年生,中国石油大学(北京)地球科学学院副教授,主要从事石油地质研究工作。

收稿日期:2015-05-20
基金:*国家重点基础研究发展计划“973”项目(编号: 2006CB701406)资助
摘要

与海相盆地相比,陆相湖盆沉积物 TOC和沉积速率关系的研究尚处于探索阶段,尤其是在沉积作用对 TOC的控制机理研究方面还有待深入。首先运用旋回地层学方法,识别了松科 1井南孔上白垩统天文周期,并利用滑动窗口频谱分析方法计算了各窗口的沉积速率及对应的 TOC值。以姥鲛烷和植烷( Pr/Ph)比值作为氧化还原条件的指标,以介形虫壳体的δ 13C作为古生产力大小的指标,对不同环境和不同古生产力条件下 TOC和沉积速率的关系进行了探讨。研究表明: 在还原环境下, TOC主要取决于古生产力高低,而沉积速率的影响相对较小,当古生产力较高时, TOC值一般大于 1%;反之, TOC值小于 1%。但在氧化环境、低古生产力条件下, TOC随着沉积速率先增大后减小,其临界值为 11, cm/ka。

关键词: 沉积速率; 总有机碳; 古生产力; 米兰科维奇旋回; 松科 1井; 松辽盆地
中图分类号:P512 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)05-0857-08
Relationship between total organic carbon content and sedimentation rate of the Upper Cretaceous source rocks in Well CCSD-SK-I in Songliao Basin
Zha Yuming1,2, Wu Xinsong1,2, Yu Da1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;

About the first author：Zha Yuming,born in 1989,is a candidate for master degree. He is mainly engaged in researches on paleoclimate and palaeogeography.

About the corresponding author：Wu Xinsong,born in 1969,is an associate professor of College of Geoscience,China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in petroleum geology.

Fund:[Financially supported by the National Basic Research Program (973 Program)of China(No.2006CB701406)]
Abstract

Compared with study in marine basins,study on the relationship between total organic carbon (TOC) content and sedimentation rate(SR)in continental lacustrine sediments is still in exploration phase,and the controlling mechanism of sedimentation on TOC especially needs intensive study. In this paper,astronomical cycles of the Upper Cretaceous in the southern borehole of Well CCSD-SK-1 were firstly identified with the cycle stratigraphy method; and then SR and the corresponding TOC of each window was calculated by moving-window spectral analysis method. Taking the Pr/Ph ratio as a redox condition index and δ13C of the ostracod shell as a paleo-productivity index,the relationship of SR and TOC in different environments and different paleo-productivity conditions in detail was discussed. Analyses show that TOC is mainly controlled by palaeo-productivity while the influence of SR is very little; in a high palaeo-productivity environment the TOC value is larger than 1% and less than 1% in contrast. But under the oxidation and low palaeo-productivity conditions,the TOC value tends to increase with SR when SR is less than 11,cm/ka and then decreases in a higher SR background.

Key words: sedimentation rate; total organic carbon; palaeo-productivity; Milankovitch cycle; Well CCSD￣SK-I; Songliao Basin

烃源岩有机碳含量(TOC)的大小受到诸多因素的影响, 归纳起来主要是3个方面: 碳的输入量、保存条件、稀释。沉积速率(SR)既会影响碳的输入量, 也会影响保存条件和稀释。

TOC和沉积速率的关系在海相沉积物中的研究已有40余年。Muller和Suess(1979)使用统计方法建立了海相沉积物中有机碳含量、沉积速率、初级生产力、干沉积物密度及其孔隙度的经验公式, 最先确定了TOC与沉积速率的关系。Ibach(1982)通过对深海钻探岩心的分析, 发现当沉积速率较小时, 沉积速率大对有机质的保存作用明显, TOC随沉积速率的增大而增大, 但当沉积速率超过临界值时, 此时稀释起主导作用, TOC随着沉积速率的增大而减小。Stein(1990)的研究表明: 在深水富氧条件下, 有机碳含量与沉积速率存在正相关的关系, 而在深水缺氧条件下两者并不存在这种关系。Betts和Holland(1991)认为海相沉积物的有机质埋藏主要受控于沉积速率: 当沉积速率较小时, 有机碳埋藏速率和沉积速率两者的对数呈线性关系; 而当沉积速率超过10, cm/ka时, 有机碳埋藏速率与沉积速率的关系不显著。Tyson(2001)利用前人研究的不同地区大洋钻探得到的TOC和沉积速率数据, 建立了TOC与沉积速率关系的定量模式。

然而在陆相湖盆中, 湖盆对气候反应更为敏感, 湖平面升降频繁, 导致沉积速率的变化也较海相快。因此, 海相盆地两者关系的认识并不完全适用于陆相湖盆。

中国陆相白垩系第一口科学探井— — 松科1井以其完整的钻井取心, 厘米级的采样与地质地球化学测试分析, 以及高品质的测井资料, 为研究陆相湖盆大规模烃源岩发育机制提供了有利条件。作者运用旋回地层学的方法来计算松科1井垂向上的高频沉积速率, 进而分析陆相湖盆中沉积速率和TOC的关系。

1 地质背景

松辽盆地位于中国东北地区, 西侧为大兴安岭、北— 东侧为小兴安岭、张广才岭和吉林、辽宁省南部丘陵山脉地, 西南部通过渤海湾盆地与海域相连。盆地主轴呈北北东向, 长750, km, 宽330~370, km, 面积约26× 104, km2, 属中、新生代的大型陆相近海湖盆, 期间经历了4个构造演化阶段, 即热隆张裂阶段、伸展断陷阶段、热沉降拗陷阶段和构造反转阶段(高有峰, 2010)。

图1 松辽盆地松科1井位置图(据高有峰等, 2008)Fig.1 Location of Well CCSD-SK-I in Songliao Basin (from Gao et al., 2008)

松科1井(图 1)是国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“ 白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化” 的重要组成部分, 是全球在陆地上实施的第1口陆相白垩系科学钻探井, 位于松辽盆地中央坳陷的齐家— 古龙凹陷内(高有峰等, 2008)。该井“ 一井双孔” , 其中南孔从968.17, m到1915.00, m取心944.23, m, 岩心累计收获率为99.73%。地层从下至上依次为泉头组(K2q)、青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)和嫩江组(K2n)处于构造相对稳定的热沉降拗陷阶段, 发育大规模的烃源岩。前人已经对该区的沉积环境和烃源岩等方面都做过充分的研究, 这些资料为本次研究奠定了坚实的基础。

泉头组是一套以河流相泛滥盆地为主的沉积; 青二、三段是以深灰色到深绿灰色泥岩和含介形虫泥岩为主的浅湖、半深湖沉积; 青一段是以深灰色、橄榄灰色、橄榄黑色泥岩为主的深湖沉积; 姚家组是以灰绿和棕灰色交替的泥岩及粉砂质泥岩为主的浅湖— 三角洲沉积; 嫩江组主要发育深湖— 半深湖相的深灰色到橄榄灰色泥岩。松科1井南孔精细的岩心描述表明米级旋回在南孔所有层段均发育, 优质烃源岩在青山口组和嫩江组均有发育(程日辉等, 2009; 高有峰等, 2009; 王璞珺等, 2009)。

2 数据和方法

地球与太阳以及其他行星间的万有引力作用导致地球绕太阳的公转运动和地球的自转轴发生周期性的摄动, 表现为地球轨道参数的地轴斜率、偏心率和岁差发生近似周期性的变化(吴怀春等, 2011)。这些变化又会引起气候的周期性变化, 进一步导致地层沉积发生周期性的变化。

古气候变化和地球轨道参数之间有着密切的联系, 因此古气候替代指标可用来进行旋回地层分析。常用的古气候替代指标有磁化率、碳氧稳定同位素、色率以及测井参数等(吴怀春等, 2011)。为了满足计算高频沉积速率的要求, 作者选取采样频率0.125, m对气候反应敏感的GR测井曲线进行频谱分析。由于姚家组存在GR异常点(吴欣松等, 2011), 故而在姚家组采用对岩性反应较好的Th曲线代替GR曲线。松科1井南孔GR数值范围68~176 API, Th的数值范围6.8~19.0 ppm, GR、Th曲线显示出良好的旋回性。

为减少频率假象的影响, 在进行谱分析之前, 作者对GR— Th系列数据进行lg(x+1)的转换来减小噪声(田世峰, 2012)。由于采样没有考虑地层压实等因素, 采样点一般不是原始沉积的等间距采样, 因此选用允许时域不等间距采样的Redfit软件进行频谱分析(Schulz and Mudelsee, 2002)。谱图中主要选择置信度95%的峰值频率进行分析, 对处于90%~95%置信度的数据结果选择性使用。

松科1井南孔有机地化分析由中国科学院广州地球化学研究所完成。TOC测试仪器为CS-400碳硫分析仪, 样品处理过程如下: 取少量样品, 研磨至80目过筛, 以1︰7配制稀盐酸浸泡, 以除去碳酸盐成分(无机碳), 在常温下浸泡直至反应完全。处理好的样品, 在温度20, ℃, 相对湿度为50环境下, 以CS-400碳硫分析仪检测, 检测依据为GB/T19145-2003, 实验主要通过测定燃烧生成CO2的数量, 求得TOC含量(顾健, 2008)。姥鲛烷和植烷(Pr/Ph)比值是在室温下使用HP5890色谱仪分析得到, 介形壳体碳同位素数据来自于Chamberlain等(2013)出版的文献。

3 结果
3.1 米兰科维奇旋回

米兰科维奇旋回分析要求选取的沉积剖面必须是连续沉积, 才能保证后续数据处理的准确性。另外, 如果分析层段时间跨度过大, 整体频谱分析求取的沉积速率不再可信。松辽盆地姚家组和嫩江组沉积相差异大; 青山口组和姚家组之间存在不整合(程日辉等, 2009); 青山口组厚度大, 且青一段和青二、三段沉积环境差异大。因此, 本次将该区的地层按K2n、K2y、K2qn1和K2qn2+3 共4段分别进行频谱分析。

根据同位素定年资料, 松科1井南孔地层年龄为82~93, Ma(He et al., 2012)。作者将前人(Wu et al., 2013)根据Laskar等(2011)提出的方法计算的松辽盆地82~93, Ma轨道周期理论值: 3个偏心率周期— — 405, ka、99, ka和95, ka, 3个斜率周期— — 48, ka、38, ka和36.8, ka, 3个岁差周期— — 22.7, ka、21.5, ka和18.5, ka作为本次研究天文旋回的基准。各层段谱分析图(图 2)的优势峰值与前人计算的轨道周期比值近似相等, 因此松科1井南孔沉积受米兰科维奇旋回控制作用明显。各层段地层对应的天文周期如表1所示。

图2 松辽盆地松科1井南孔上白垩统各段测井曲线频谱分析图Fig.2 Spectrum analysis of the Upper Cretaceous GR-Th series logging data in Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin

表1 松辽盆地松科1井南孔上白垩统嫩江组至青山口组GR-Th曲线频谱分析结果及比例关系 Table1 Spectrum analysis of natural GR-Th logging of the Upper Cretaceous Nenjiang Formation to Qingshankou Formation and proportionate relationship in Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin
3.2 沉积速率的计算

频谱分析中计算沉积速率的方法主要有谱分析法、滑动窗口频谱分析法、高密度滑动窗口法、相位对比法等, 本次研究采用滑动窗口频谱分析的方法。

上文已经证实该区各层段地层沉积受天文旋回控制, 因此可以在各段内分别进行滑动窗口频谱分析。滑动窗口的选取基于以下3个原则: (1)计算出的沉积速率点尽可能多, 保证TOC与沉积速率的关系更准确; (2)滑动窗口的长度尽可能保证曲线的谱峰有足够的分辨率; (3)步长应该在满足第1个原则下, 保证数据点的相关性尽可能的小而不影响结果。经试验, 当窗口为40, m、步长为20, m时效果最好。由此得到的数据如表2所示。

表2 松辽盆地松科1井南孔上白垩统嫩江组至青山口组GR-Th测井曲线滑动窗口频谱分析结果 Table2 Sliding windows of spectral analysis on GR-Th logging from the Upper Cretaceous Qingshankou Formation to the Nenjiang Formation of Borehole CCSD-SK-Is, Songliao basin

利用实测TOC、Pr/Ph数据以及收集到的介形壳体碳同位素数据, 以计算得到相应滑动窗口TOC平均值作为该窗口的TOC值(计算前除去嫩江组油页岩中的TOC高值)。Pr/Ph以及δ 13C也进行了类似的处理, 数据处理结果如表3所示。

表3 松辽盆地松科1井南孔沉积速率及对应TOC、姥鲛烷/植烷和δ 13C数据 Table3 Sedimentation rate and corresponding TOC, Pr/Ph ratios and δ 13C data in Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin
4 讨论

Ibach(1982)的研究表明, 压实校正对研究TOC和沉积速率的关系几乎没有影响, 因此, 作者使用未经压实校正的沉积速率值。为了更好地与海相TOC和沉积速率关系进行对比, 这里采用双对数坐标轴进行投点, 结果如图3所示。

图3 松辽盆地松科1井南孔有机碳含量和沉积速率关系图Fig.3 Relationship between TOC and sedimentation rate of Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin

由于图中数据点分散, 难以定量化TOC和沉积速率的相关关系。但从图3中的包络线可以看出沉积速率和TOC有较弱的相关性, TOC随着沉积速率的增大而增大, 当沉积速率增大至临界值时, TOC有随着沉积速率的增大而减小的趋势。这是因为TOC大小除了受到沉积速率的影响外, 还受到有机质生产及分解等因素的影响。有机质生产主要是指湖泊的古生产力大小, 而有机质的分解则主要受到保存条件的影响。因此作者针对不同环境, 不同古生产力条件下TOC和沉积速率的关系开展进一步的研究。

在还原环境下, 植醇可以产生植烷, 使得植烷优势, 即Pr/Ph< 1代表一种还原环境(Haven et al., 1987)。当表层浮游植物高生产力时, 浮游植物可以通过光合作用吸收到较多的12C, 从而使表层水体溶解无机碳储库中13C含量相对增加, 因此湖相介形虫壳体的高δ 13C值反映湖盆高古生产力(Oana and Deevey, 1960)。由此Pr/Ph、介形壳体δ 13C可以作为氧化还原环境和古生产力的替代指标。宁维坤等(2012)的研究结果表明: 嫩二段和青一段均为高古生产力, 两段的δ 13C均大于3‰ , 因此作者认为δ 13C> 3‰ 指示高古生产力条件, δ 13C< 3‰ 指示低古生产力条件; Pr/Ph> 1指示氧化环境, Pr/Ph< 1指示还原环境。

4.1 还原环境条件下TOC与沉积速率的关系

图4是Pr/Ph< 1时, TOC与沉积速率的关系图。从图中可以看出数据整体上相关性仍然较弱, 为了明确这种关系, 这里将该部分数据分为高生产力和低生产力2个部分讨论。从图4中可以看出, 高生产力的数据基本上对应于lgTOC> 0(即TOC> 1%), 而低生产力数据对应于lgTOC< 0(即TOC< 1%)。图4中存在1个异常点A, 此异常点的δ 13C=2.9‰ , 这可能是由于替代指标的误差造成的。

图4 松辽盆地松科1井南孔还原环境下有机碳含量和沉积速率关系图Fig.4 Relationship between TOC and sedimentation rate under reduction environments in Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin

4.2 氧化环境条件下TOC与沉积速率的关系

图5-a为氧化环境(即Pr/Ph> 1)下, TOC与沉积速率的关系图, 该图中TOC随沉积速率的变化与Ibach(1982)研究海相两者关系中的粉砂质黏土— 硅藻土的变化曲线极为相似, 但拟合程度不高, 为此进一步探讨不同古生产力的影响。在低古生产力的氧化环境下(图 5-b), lgSR以1.03为临界(SR约11, cm/ka), 在沉积速率较小时, TOC随着沉积速率的增大不断增长(趋势A), 当沉积速率增大至11, cm/ka时, TOC随沉积速率增大而减小(趋势B), 两种趋势的相关系数R2分别为0.89和0.66。对于图5-b中第2种继续增大的异常趋势(趋势C)可能是由于嫩江组的海侵事件(涂玉洁, 2012)增强了该区有机质输入量的结果。在高古生产力、氧化环境下(图 5-c), TOC和沉积速率的关系时, 沉积速率对TOC基本无影响(异常点B除外)。

图5 松辽盆地松科1井南孔氧化环境下有机碳含量和沉积速率关系图
注: 图5-b中点①对应嫩二段第1次海侵事件, 点②对应嫩一段第2次海侵事件Fig.5 Relationship between TOC and sedimentation rate under oxidation environments in Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin

图5-c中的异常点B除了Pr/Ph(≈ 1)与其他点的条件无差异, 造成这种异常的原因可能是氧化还原条件的差异。为了明确原因, 下面将高生产力不同环境下的数据进行对比(图 6), 还原条件下的TOC值高于氧化条件下的值。

图6 松辽盆地松科1井南孔高生产力条件下有机碳含量和沉积速率关系图Fig.6 Relationship between TOC and sedimentation rate under high palaeoproductivity conditions in Borehole CCSD-SK-Is, Songliao Basin

5 结论

松科1井白垩系烃源岩TOC和沉积速率关系的研究表明:

1)研究区内烃源岩TOC和沉积速率确实存在某种关系, 这种关系受到古生产力和氧化还原环境的影响。

2)在还原环境下, 沉积速率对TOC的影响相对较小, 此时古生产力大小对有机碳含量起着控制作用: 高古生产力对应的TOC值一般大于1%; 低古生产力对应的TOC值一般小于1%。

3)在氧化环境下, 古生产力对TOC仍存在影响。在古生产力较高的氧化环境中, TOC不随沉积速率变化而变化。而在古生产力较低的氧化环境中, 当沉积速率较小(小于11, cm/ka)时, 由于近地表微生物分解作用减弱, TOC随着沉积速率的增大而增大; 当沉积速率增大至11, cm/ka时, TOC随沉积速率变化出现了两种趋势, 一种是由于沉积速率增大, 单位质量烃源岩中的有机碳含量下降, TOC随着沉积速率的增大而减小, 而另一种则是由于嫩江组发生的海侵事件带来了大量的有机质, 导致TOC能维持原来增大的趋势。

4)丰富的有机质来源以及快速变化的湖平面等因素导致松辽古湖盆中TOC和沉积速率的关系相对海相沉积盆地更为复杂。

(责任编辑 庞凌云 李新坡)

作者声明没有竞争性利益冲突.

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