柳益群, 周鼎武, 焦鑫, 冯乔, 周小虎. (2019)深源物质参与湖相烃源岩生烃作用的初步研究*——以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系黑色岩系为例 [J]. 古地理学报, 21(6): 983-998
Liu Yi-Qun, Zhou Ding-Wu, Jiao Xin, Feng Qiao, Zhou Xiao-Hu. (2019)A preliminary study on the relationship between deep-sourced materials and hydrocarbon generation in lacustrine source rocks: An example from the Permian black rock series in Jimusar sag,Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(6): 983-998.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.06.067
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深源物质参与湖相烃源岩生烃作用的初步研究*——以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系黑色岩系为例
柳益群1, 周鼎武2, 焦鑫1, 冯乔2, 周小虎1
1 大陆动力学国家重点实验室,西北大学地质学系,陕西西安 710069
2 山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛 266590

第一作者简介 柳益群,女,1951年生,博士,西北大学地质学系教授,主要从事沉积学、油气储层地质学研究。E-mail: liu-yiqun@263.net。

收稿日期:2019-08-17
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41572086,41802120)资助
摘要

新疆北部地区二叠系芦草沟组的黑色岩系是重要的生烃岩系。在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷,该套岩系主要分布于 3000~3500 m,并可分出 3100~3170 m和 3250~3370 m这 2个致密油层段。两层段黑色岩系的岩性以凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质泥晶白云岩为主,夹丰富的纹层状、透镜状沥青质和藻类。黑色岩系中不仅发育火山喷发的深源碳酸质凝灰物质,而且夹有丰富的热液喷流的深源物质,它们多与泥晶微生物白云岩呈互层状,共同组成了具良好生烃能力的特殊烃源岩系。黑色岩系样品的热解分析表明,其中的游离烃 S1含量较高(最高 8.17 mg/g,平均 1.56 mg/g),裂解烃 S2含量也高( 3.3~76.2 mg/g);总有机碳 TOC为 1.4%~7.9%,生烃潜量 PI也为高值( 0.02~0.51,平均为 0.16),总体指示有机质丰度高、生烃潜能好。生物标志物 C28和 C29甾烷的含量大于 C27,呈反“ L”型,表明有机质类型以藻类和高等植物为主;高成熟度甾烷参数 C2920S/( 20S+ 20R)和 C29ββ/( αα+ ββ)在深源物质丰富的致密油层中较高(平均 0.48和 0.31),而在深源物质少的层位中较低(平均为 0.37和 0.26)。上述 2个层段的地化参数在纵向上的分布特征与镜质组反射率R O的分布规律( 2个致密油层段中深源物质多时R O呈现异常高值)相吻合。综合分析认为,频繁的火山喷发物质和热液喷流的深源物质参与了该区湖相沉积烃源岩的生烃作用过程。

关键词: 凝灰岩; 热液喷流岩; 深源物质; 有机地球化学; 致密油; 吉木萨尔凹陷; 准噶尔盆地
中图分类号:P618.130.2+1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)06-0983-16
A preliminary study on the relationship between deep-sourced materials and hydrocarbon generation in lacustrine source rocks: An example from the Permian black rock series in Jimusar sag,Junggar Basin
Liu Yi-Qun1, Zhou Ding-Wu2, Jiao Xin1, Feng Qiao2, Zhou Xiao-Hu1
1 State Key Laboratory of Continental Dynamics,Department of Geology,Northwest University,Xi’an 710069,China
2 College of Earth Science & Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China

About the first author Liu Yi-Qun, born in 1951,Ph.D.,is a professor of the Geology Department of Northwest University.Now she is engaged in sedimentary and oil and gas reservoir research.E-mail: liu-yiqun@263.net.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 41572086,41802120)
Abstract

The black rock series of the Permian Lucaogou Formation are an important hydrocarbon source rocks in northern Xinjiang. In Jimusar Sag,this suite of rock series is mainly distributed at a depth of 3000-3500 m,and it can be divided into two tight oil reservoirs of 3100~3170 m and 3250~3370 m. The lithology of the two black rock series is mainly tuff,tuffite and tuff micritic dolomite,with rich lamellar,lenticular asphaltene and algae. Further study showed that the black rock series not only developed tuff deep source materials,but also contained abundant hydrothermal deep source materials,most of which were interbedded with microbial dolomite and formed a set of special hydrocarbon source rocks with good hydrocarbon generation ability. Pyrolysis analysis of black rock series samples shows that the free hydrocarbon S1 content is high(the highest is 8.17 mg/g,and 1.56 mg/g on average),and the cracked hydrocarbon S2 content is also high(3.3~76.2 mg/g). TOC is 1.4%~7.9%,and the potential hydrocarbon generation is also high(0.02~0.51,0.16 on average),indicating high abundance of organic matter and good hydrocarbon generation potential. The content of sterane in biomarkers C28 and C29 is greater than that in C27,showing an inverse “L” type,indicating that algae and higher plants were the main types of organic matter. The maturity parameters C29 20S/(20S+20R)and C29 ββ/(αα+ββ)are high in the deep source materials rich layers(mean 0.48 and 0.31),and low in the deep source materials few layers(mean 0.37 and 0.26). In the two tight oil reservoirs, RO value is high when tuff material is abundant. Comprehensive analyses indicate that frequent volcanic eruptions and the deep source materials from hydrothermal are involved in hydrocarbon generation of lacustrine sedimentary source rocks.

Key words: tuffaceous rocks; hydrothermal exhalative rocks; deep-sourced materials; organic geochemistry; tight oil; Jimsuar sag; Junggar Basin

深源物质是指由火山喷发和热液喷流作用导致地球深部泄出物质的总称。现今地球表面火山喷发和热液喷流2种地质作用导致地球深部气、液、固三相物质泄出是众所公认的常见地质现象。无容置疑, 地质历史时期亦应如此。但值得重视的是, 该方面除火山喷发作用研究较深入外, 热液喷流作用研究明显不足, 而涉及火山喷发作用和热液喷流作用与烃源岩生烃作用关系的研究更为薄弱, 对此国内外虽不断有成果报道(Wietze, 1985; Whelan et al., 1988; 熊寿生和卢培德, 1996; 金强等, 1998; 张景廉等, 2000; 侯增谦等, 2003; 郭正府等, 2007; 蒋宜勤等, 2015; 赵岩和刘池洋, 2016; 柳益群等, 2018), 然而一直未受到业界的关注。作者介绍了对准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系湖相黑色岩系中火山和热液喷流作用的深源物质参与烃源岩生烃作用的初步研究, 希望能引起同行的批判和讨论。

准噶尔盆地是中国西部的大型叠合、改造型含油气盆地, 其中二叠系芦草沟组黑色岩系是其主要烃源岩层(匡立春等, 2012), 现被确定为致密油层(陈建平等, 2016), 其在新疆北部地区广泛分布。截至2019年, 研究者普遍认为芦草沟组黑色岩系为深湖— 半深湖相沉积, 然而本课题组多年来的持续研究发现芦草沟组巨厚的纹层状深灰色— 灰黑色含油岩系, 实际上是有丰富火山凝灰物质和热液喷流物质参与的生烃岩系, 是一套自生自储、生储一体的致密油层系, 其厚度稳定在200 m左右, 在北疆地区具有区域的可对比性(方世虎等, 2007; 朱国华等, 2008; 柳益群等, 2011, 2013, 2016①(①柳益群，周鼎武，李红．2016．吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油优势储层成因及分布探讨．克拉玛依油田内部资料); 蒋宜勤等, 2012, 2015; 陈建平等, 2016)。作者选择准噶尔盆地吉木萨尔凹陷, 对二叠系芦草沟组黑色岩系开展深源物质与烃源岩生烃关系的研究探索, 对致密油的形成和富集以及指导油气勘探开发均具有重要的理论意义和实用价值。

1 地质背景

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起之南(图 1), 其北以吉木萨尔断裂为界与沙奇凸起相连, 南以三台断裂与三台凸起相邻, 西为老庄湾断裂、西地断裂与北三台凸起相接, 东部为斜坡过渡到古西凸起。吉木萨尔凹陷是一个在下石炭统褶皱基底之上形成的、在晚古生代— 中新生代叠合沉积基础上、受正断层控制的西断东超的箕状凹陷(匡立春等, 2012; 蒋宜勤等, 2015; 陈建平等, 2016)。吉木萨尔凹陷构造平缓, 上石炭统和二叠系发育良好, 地层厚度(一般500 m左右)受周边断层控制, 由西向东逐渐变薄(图 1)。依据年代地层、古生物地层及岩石地层资料(Aquino et al., 1983; 高福红等, 2009; 杨剑, 2009), 将准噶尔盆地吉木萨尔凹陷的上石炭统— 二叠系沉积盖层自老到新分为: 上石炭统柳树沟组, 发育基性火山岩夹少量薄层深灰色凝灰岩; 中二叠统乌拉泊组与井井子沟组, 发育中酸性火山岩和凝灰岩; 中二叠统芦草沟组, 发育巨厚的纹层状深灰色— 灰黑色沉凝灰岩、凝灰质岩夹白云岩、生物灰岩, 富含吐鲁番鳕鱼、介形虫类等生物化石, 是新疆北部地区重要的含油黑色岩系, 厚度稳定, 厚约200 m。芦草沟组之上的中二叠统条湖组则以近2000 m厚的基性— 超基性火山岩。上石炭统— 二叠系火山岩的岩石组合及岩石地球化学特征研究表明, 该时期准噶尔盆地及邻区处于伸展构造背景(周鼎武等, 2006; 吴小奇等, 2009; 夏林圻等, 2013; Wang et al., 2015), 并控制了区域内断陷— 裂谷盆地的发育, 中二叠统芦草沟组正是上、下2期强烈火山活动间歇期的深湖— 半深湖相沉积建造(柳益群等, 2013)。

图 1 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷构造单元划分及采样钻井 分布略图(修改自张帅等, 2018)Fig.1 Tectonic units and well location map of Jimusar sag, Junggar Basin(modified after Zhang et al., 2018)

2 样品采集和研究技术方法
2.1 样品采集

吉木萨尔凹陷的二叠系芦草沟组深湖— 半深湖相沉积的纹层状黑色岩系是新疆北部地区重要的含油岩系。该套湖相黑色岩系主要分布于3000~3500 m 深度段, 可分出3100~3170 m和3250~3370 m这2个致密油层段(图 2)。两层段黑色岩系的岩性一直被认为以凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质泥晶白云岩为主, 夹丰富的纹层状、透镜状沥青和藻类。但进一步研究发现, 黑色岩系中不仅富含凝灰质类, 而且夹有丰富的以热液喷流方式沉积的深源物质, 它们多与微生物白云岩间互呈纹层状, 共同组成有丰富深源物质参与的巨厚纹层状致密油层系。

图 2 准噶尔盆地二叠系芦草沟组致密油层及采样层段分布图Fig.2 Distribution of tight oil reservoirs and sampled locations in the Permian Lucaogou Formation in Junggar Basin

在前期钻井岩心及其岩石组合的精细研究基础上, 针对性采集了吉木萨尔凹陷芦草沟组上、下含油层段样品26块(图 2), 样品涉及热液喷爆岩、喷溢岩、喷流岩类; 凝灰质泥晶白云岩类和沉凝灰岩类。岩石新鲜、干净, 未受到污染。

2.2 研究技术方法

针对致密岩石粒度细、胶结作用强的特点, 在对不同岩石类型进行系统的显微镜薄片鉴定基础上, 配合大量的电子探针分析和扫描电镜观察, 根据矿物的产状、成分、形态、大小、结构、构造、次生变化、含油状况等特征, 并结合岩石的结构构造给岩石正确命名, 同时采用以显微镜鉴定为主、配合大量矿物电子探针分析的方法识别特征矿物。

扫描电镜在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

电子探针在西安地质研究所实验测试中心完成, 仪器型号: JXA-8100电子探针仪(15 kV, 束流1× 10-8A, 束斑1 μm)。

色谱— 质谱分析在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室完成。仪器型号: DSQ11, thermal Finnigan。

3 黑色岩系中深源沉积岩的岩石学、矿物学特征与生烃特征

按岩石矿物的组成、形态、结构及构造特征, 可将本区芦草沟组上、下黑色致密油层段中的深源碎屑沉积岩划分为如下不同岩石类型。

3.1 碳酸质喷爆岩与生烃特征

喷爆岩是指深源岩浆— 热液物质流体上涌进入湖(海)底喷流通道并在湖底(海)喷出时, 由于温、压条件骤变导致岩浆— 热物质流中的晶质矿物发生喷爆、喷裂而成的微粒晶质矿物碎屑, 并与含热液流体的湖(海)水混合沉积而成的纹层状微角砾岩(柳益群等, 2013, 2018)。本区的碳酸质喷爆岩包括方解石质和白云石质2种类型, 它们在上、下油层段均可见到。

3.1.1 方解石质喷爆岩与生烃

方解石质喷爆岩中的深源碎屑颗粒(柳益群等, 2013, 2018)主要由自形— 半自形的方解石单晶和方解石集合体组成(图 3-a, 3-b)。单晶方解石(或集合体)大小差异较大, 形态不规则, 多呈角砾状星散分布在黑色基质中, 方解石颗粒内微裂缝发育, 裂缝多被沥青充填; 在角砾状单晶方解石外围见黑色沥青环带和灰色白云石环带。黑色基质由细粉状方解石、少量碱性长石和石墨混合而成。对方解石颗粒中微裂缝的流体包裹体分析显示气相包裹体成分由CH4、N2、H2组成, 液相由水和CH4组成; 微裂缝中流体包裹体测温获得80~480 ℃和200~260 ℃这2个温度峰值, 表明沉积水体中温度是较高的; 在对方解石质喷爆岩中黑色基质所做的扫描电镜和电子探针的测试中, 还发现了少量的炭屑, 炭屑呈细小的板条状, 多数已成石墨(根据电子探针成分分析)。整体看方解石质喷爆岩多呈厚度1~9 mm的纹层夹于黑色泥晶白云岩和沉凝灰岩纹层岩中。在某口钻井约200 m的岩心中, 下油层段按间隔1 m的密度取样, 可见30多个方解石质喷爆岩层。

图 3 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组碳酸质喷爆岩显微特征
a— 上油层段方解石质喷爆岩, 喷爆碎屑为不规则状方解石颗粒及其集合体, J174井, 3197 m, 单偏光; b— 上油层段方解石质喷爆岩, 方解石岩屑大小不均, 较均匀分布在由微晶方解石和石英组成的基质中, J31井, 2895.16 m, 正交偏光; c— 下油层段白云石质喷爆岩, (铁)白云石呈细晶菱形体, 具环带结构, 环内含与基质同成分的黑色沥青和碳质, J174, 3260 m, 单偏光; d— 为c中的环带白云石颗粒对应的电子探针图像, 环带中心为方解石颗粒(Cal, 白色), 外环分为两部分, 内环(灰色)宽度不规则, 由自形的铁白云石(Ank)组成, 外环(黑色)宽度也不规则, 为白云石(Dol)Fig.3 Photomicrographs of explosive rocks derived from carbonatite in the Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag in Junggar Basin

3.1.2 白云石质喷爆岩与生烃

白云石质喷爆岩中的深源碎屑颗粒主要由具有环带的斑状白云石颗粒和白云石集合体组成, 暗色基质为泥晶白云石与沥青的混合物。斑状白云石颗粒大小不一, 形态多样, 具环带结构(图 3-c, 3-d), 环带内为不规则状晶质白云石, 在晶质白云石颗粒内发育微裂缝并见沥青充填(激光拉曼探针验证)充填(图 3-c), 图 3-d则为环带白云石, 内环为方解石颗粒, 外环从铁白云石变为白云石, 记录了含铁量随沉积时期变化的特点, 并且显示出不同沉积时期白云石的含铁量差异。上述表明, 环带核部的斑晶状晶质白云石可能为喷爆碎屑颗粒, 被包绕的沥青和微裂缝充填的沥青可能是同沉积期间深源热物质流喷发并与湖内有机质相互作用导致生烃所致(现代洋底已见类似的“ 热水成因的石油” , 张景廉等, 2000; 侯增谦等, 2003)。对一个具有环带的白云石颗粒的测温显示, 从内环的211.7 ℃向外环渐变为48 ℃(柳益群等, 2018), 显然是热液流体温度变化的记录, 推测这是以喷爆方式而成的白云石颗粒在富含Mg2+、Fe2+的地幔热液环境中经多阶段缓慢结晶形成的结果。

3.2 碳酸质喷溢岩与生烃

喷溢岩是指深源岩浆— 热液物质流体沿喷流通道宁静溢流进入湖(海)底冷凝结晶沉积而成的纹层状、薄层状沉积岩(柳益群等, 2013)。吉木萨尔凹陷芦草沟组的纹层状、薄层状方解石碳酸质喷溢岩发育, 呈薄层、纹层状夹于黑色岩系中。

研究区的碳酸质喷溢岩由相对粗粒的自形— 半自形白云石、方解石颗粒和基质组成(图 4-a, 4-b), 颗粒约占85%。方解石、白云石颗粒大小及分布均匀, 颗粒线条平直, 多具环带结构并呈镶嵌状。粒内见黑色沥青(图 4-c, 4-d); 基质以泥级的方解石、石英、碱性长石为主, 约占15%, 此类型为溢流式富碳酸质流体沉积结晶而成。

图 4 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组碳酸质喷溢岩与烃类的密切关系
a— 白云石质喷溢岩, 环带状白云石镶嵌而成, 内含丰富的沥青, 反射光; b— 为图a的电子探针图片; c— 含黄铁矿方解石质喷溢岩, 方解石颗粒呈镶嵌式, 内含丰富的沥青(黑色, 具生物轮廓); d— 为图c的正交偏光图片, 方解石自形程度较高, 最高干涉色达鲜艳的三级, 呈等粒镶嵌式结构。J174井, 3213.4 mFig.4 Close relationship between carbonate-effusive rocks and hydrocarbon in the Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag in Junggar Basin

伴随碳酸质流体对储集层和有机质热演化具有较大的影响。这些来自地球深部的富CO2热流体具有很强的溶解、扩散能力, 可以萃取岩石中分散的有机质, 同时还可以对生烃起到显著的加氢作用, 从而提高烃类的生成量(高波等, 2001), 碳酸质喷溢岩中的沥青很可能是这种状态的生烃。Sugisaki 和Mimura(1994)的研究还表明, 具有CO2的深部流体中普遍含有地幔烃, 当其通过断裂或者其他通道大量的涌进沉积盆地中时, 势必会增加烃源岩的有效体积, 提高其产烃能力。

3.3 云质沉凝灰岩与生烃

通过薄片观察及统计, 吉木萨尔凹陷J174井106个岩石样品中, 云质沉凝灰岩共计63个, 其中60个薄片中均分布有含量较高的有机质, 凝灰物质的周围及其内部均发现有机质碎片, 剩余3个薄片与凝灰质球粒关系密切。薄片中矿物成分统计和含油性分析结果表明, 云质和凝灰质含量均高的岩石薄片中, 有机质碎屑含量也很高, 如含凝灰质泥晶云岩、沉凝灰岩中有机质碎屑含量普遍较高, 样品中含丰富沥青(图 5), 而较纯的泥晶白云岩中有机质碎屑含量较低, 有些甚至不含有机质碎片。这也印证了沉凝灰岩本身可能是有效烃源岩。

图 5 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组云质沉凝灰岩显微特征及与生烃关系
a— 沉凝灰岩中的有机质, 分布极不均匀, 单偏光, J174井, 3723 m; b— 为图a的荧光; c— 显示均匀分布的凝灰质泥晶云岩纹层, 单偏光, J174井, 3721 m; d— 图c的荧光, 荧光不均匀, 在图片的上部和下部较密集; e— 沥青质泥岩夹碳酸质纹层, 有后期细脉穿层, 单偏光, J174井, 3725 m; f— 图e的荧光片, 纹层状, 碳酸质纹层显示荧光Fig.5 Photomicrographs of dolomitic tuffites and their relationship with hydrocarbon generation in the Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag in Junggar Basin

3.4 热液矿物与生烃

除了发育丰富的碳酸质喷爆岩和喷溢岩类外(柳益群, 2018), 在吉木萨尔凹陷的二叠系芦草沟组2个含油层段还出现丰富的热液矿物(图 6)。常见的热液矿物有: 热液环带白云石、热液方沸石、热液菱锶矿等, 多见于碳酸质喷爆物丰富的层位。在这些地段, 高温和富CO2环境利于生物(微生物)繁盛, 并促进了烃类的早期生成。

图 6 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷及邻区二叠系芦草沟组热液环带白云石与油的关系
a— 三塘湖跃进沟热液环带铁白云石, 正交偏光; b— 吉木萨尔凹陷环带铁白云石, 电子探针背散射图像, J174井, 3317.8 m; c— 雾心(黄铁矿)亮边(方解石)方解石, 单偏光, J174井, 3318.6 m; d— 热液环带白云石, 内环(气孔)被凝灰物质充填, 外环为分散状中酸性凝灰物质及玻屑, 正交偏光, J174井, 3317.8 m; e— 反射光下显示的环带白云石, 内环为沥青, 反射光, J174井, 3317.8 m; f— 热液鲕粒白云石, 白云石较纯, 中心包一颗碎屑, 已发生均匀的蛭石化, 鲕粒外为细粒的白云石与蛭石的集合体, 电子探针背散射图像, J174井, 3318.9 m; g— 似鲕粒环带白云石, 内环由细小的针状霓石集合体组成, 外环为泥晶方解石, 正交偏光, J174井, 3318.9 m; h— 不同形态的白云石颗粒呈分散状于黑色油中, 单偏光, J174井, 3322.3 m; i— 岩石具有斑状结构, “ 斑晶” 由细粒的方解石组成, 被油胶结呈悬浮状分布于不同成分基质中, 分布均匀, 正交偏光, J174井, 3322.3 mFig.6 Relationship between hydrothermal dolomite with zonal structure and hydrocarbon in the Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag and adjacent areas in Junggar Basin

4 黑色岩系中的生烃母质

芦草沟组的2个黑色岩系(致密油层段)是新疆北部地区分布最广的一套致密油层系。该套层系有机碳含量平均为5.16%, 其中腐泥组(无定形组分)含量高, 藻类(细菌)繁盛。在对凝灰质微生物白云岩的扫描电镜中可见丰富的白云质微生物(细菌)与碱性长石等凝灰物质混合, 微生物含大量纳米孔, 这些纳米孔与凝灰物质的粒间孔连通, 且普遍含油。推测液态烃是由微生物早期生成并且储集于纳米孔之中。此类凝灰质微生物白云岩的孔隙度多在3.4%左右, 渗透率多在0.045× 10-3μm2, 属于典型的源储一体的优质致密油岩类。

4.1 生烃母质— — 微生物?细菌?

微生物白云岩中的生物可分为(含)微生物(细菌)、白云石化藻类(细菌)(图 7-a, 7-b)以及以石英为主要成分的硅化藻类(图 7-c, 7-d)和以碳为主要成分的碳化藻类(图 7-e, 7-f), 可见油从藻中浸出(图 7-g), 这些藻类和细菌是芦草沟组液态烃的主要贡献者。在凝灰物质喷发期, 碱性的凝灰物质间歇式快速降落, 不仅导致丰富的原生储集空间的形成, 而且炽热的凝灰物质落入富含有机质的滨湖沼泽环境, 使有机质快速成熟形成低熟油, 并很快充填到凝灰岩的原生孔隙中, 一方面使碱性长石等碎屑发生强烈的溶蚀扩大了储集空间, 另一方面, 油充填孔隙后使岩石呈致密状, 抑制了机械压实作用的进行。然而, 由于凝灰物质在纵向上和平面上分布很不均匀, 加之有机质分布的不均一性, 则会出现有机质热演化程度分布不均匀的现象, 从而导致该类致密油的分布具有较强的非均质性。若凝灰物质富集地段的地层瞬间经受较高温度, 则导致有机质达到过成熟阶段, 甚至出现沥青化。总之, 凝灰物质的参与对吉木萨尔凹陷芦草沟组的致密油形成起到重要作用。

图 7 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组黑色岩系中的生烃母质及液态烃
a、b— 白云化藻类, 似元宝状, 排列紧密, 其化学成分以镁为主, 扫描电镜, J174井, 3319.6 m; c— 硅化藻类, 圆或椭圆形, 具六联晶, 轮流消光, 扫描电镜, J174井, 3320 m; d— 硅化藻类集合体(白色), 富含沥青, 大致呈透镜状分布在泥质纹层中, 与油和沥青关系密切, 正交偏光, J174井, 3320 m; e— 微生物白云岩中的薄皮藻, 有裂纹, 外壳极薄且表面布满小球集合体, 扫描电镜, J174井, 3321.2 m; f— 微生物白云岩中的盐藻, 圆形及椭圆形(能谱f1, f2), 扫描电镜, J174井, 3321.2 m; g— 藻类渗出油呈均匀的油滴, 扫描电镜, J174井, 3321.2 mFig.7 Organic matter and liquid hydrocarbon in black rock series in the Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag in Junggar Basin

4.2 黑色岩系中深源沉积岩的有机地化特征

本次研究在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室进行了色谱— 质谱分析, 以便了解黑色岩系的生烃特点及生烃能力。

4.2.1 有机碳与热解特征

吉木萨尔凹陷芦草沟组2个致密油层的17块样品的岩石热解参数值见表 1。所有样品热解峰温Tmax集中分布在439~452 ℃, 表明有机质处于低成熟— 成熟阶段。游离烃(S1)含量介于0.01~8.17 mg/g, 平均为1.56 mg/g, 高者含量达2.2~8.17 mg/g, 这与产烃指数(PI)的高数值(0.02~0.51, 平均为0.16)相吻合; 裂解烃(S2)含量也较高(0.34~76.15 mg/g, 平均15.69 mg/g), 与总有机碳含量TOC的高值(1.21%~7.88%, 平均3.07%)共同说明研究区有机质生烃潜力较高。从TOC与裂解烃S2的交汇图(图 8)中可以看出, 致密油层样品悉数落于好— 极好区间, 说明致密油层既是储集层又是烃源岩层, 属自生自储型致密油层。

表 1 吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油层岩石热解分析数据 Table1 Rock-Eval pyrolysis parameters of source rocks in the Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag

图 8 吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油层样品S2-TOC图解Fig.8 S2 versus TOC distribution of source rocks in the Lucaogou Formation in Jimusar sag

4.2.2 生物标志物分析

鉴于上述致密油层的高有机质丰度及含油特征, 作者对吉木萨尔凹陷芦草沟组的有机质进行了饱和烃GC-MS分析, 尝试对芦草沟组致密油的生烃母质、生烃环境及其生烃特征进行较全面的了解。

1)正构烷烃与生烃母质类型。正构烷烃碳数范围较全(nC12~nC31), 主峰碳为C17, 以低碳数为主, 主体显示单峰型分布特征(图 9, 表 2), 无明显的奇偶碳数优势, 表明生烃母质应主要以低等水生生物的菌、藻类等为主(陈兰等, 2006; 卢双舫和张敏, 2008; 杨剑, 2009; 傅宁等, 2012)。

图 9 吉木萨尔凹陷芦草沟组正构烷烃质量色谱图(样品岩性均为沉凝灰岩)Fig.9 Mass chromatogram of n-alkanes in the Lucaogou Formation in Jimusar sag(sample lithology is tuffite)

表 2 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩饱和烃生物标志化合物部分参数表 Table2 Biomarker parameters of saturated hydrocarbon of source rocks in the Lucaogou Formation in Jimusar sag

2)姥鲛烷和植烷。烃源岩中火山、热液喷流物质的含量可以影响姥鲛烷和植烷的相对含量及其比值(张文正等, 1992; 高福红等, 2009; 徐冠军等, 2010; 冯子辉等, 2011)。在研究区的富凝灰岩层中均检测出较高含量的姥鲛烷和植烷: 在火山、喷流物质较多的烃源岩中植烷相对含量较多, 姥植比为0.9~1.79, 平均为1.22; 在火山、喷流物质较少的烃源岩中姥植比为1.21~3.27, 平均为1.77, 姥鲛烷有一定优势。火山、喷流物质带来的微量元素及气体可使沉积环境发生改变, 火山、喷流物质多的地方隔绝了与外界环境的接触, 因而还原性较强, 有利于有机质的保存和生烃, 而火山、喷流物质较少的层位还原性较差(金强, 1998; 冯子辉等, 2011)。研究区烃源岩层中姥植比多为低值, 应为火山、喷流物质较发育的环境。

3)萜烷和甾烷。在研究区烃源岩中检测出完整的萜烷和甾烷系列化合物(图 10), 其中三环二萜烷反映含丰富的菌藻类微生物(Aquino et al., 1983), 而甾烷系列中常用C27、C28、C29甾烷的相对比例确定特定环境的生源输入(路俊刚等, 2010), 其中C27指示低等水生浮游生物, C28指示湖泊中藻类的富集程度, C29则指示陆源高等植物。研究区的甾烷系列中的C28与C29的含量相近, 介于35%~40%之间, C27的含量在20%左右, 因此大部分烃源岩样品中甾烷相对含量为C28> C29> C27, 表明研究区除含丰富的低等水生生物和菌藻类生物外, 可能还含有一定量的高等植物。但是由于火山、热液喷流物质的存在, 可能对C27甾烷有一定的影响, 导致其含量偏低。

图 10 吉木萨尔凹陷芦草沟组萜烷系列(191)质谱图(样品岩性为沉凝灰岩)Fig.10 The 191 mass spectrometry of terpanes in the Lucaogou Formation in Jimusar sag(samples are tuffite)

萜烷Ts/甾烷Tm是判别热演化程度的可靠指标。Ts/Tm小于1是低成熟烃源岩的特征, 随着热演化程度增加, Tm逐渐消失, Ts相对增加。但是该参数有一定的局限性, 因为Ts常形成于富含黏土矿物的沉积物中, 所以来源于“ 碳酸质” 或来源于“ 碳酸质型原油” 中的Ts/Tm值较低(< 0.1), 而来源于碎屑岩或来源于碎屑岩原油中的Ts/Tm值较高(> 2)。研究区烃源岩Ts/Tm值在0.14~0.55之间, 平均值为0.25, 整体反映了以碳酸质型原油为主的特征(图 11)。

图 11 吉木萨尔凹陷芦草沟组甾烷系列(217)质谱图(样品岩性为沉凝灰岩)Fig.11 The 217 mass spectrometry of gonane in the Lucaogou Formation in Jimusar sag(samples are tuffite)

甾烷异构化参数C2920S/(20S+20R)和C29β β /(α α +β β )是常用的成熟度参数(陈致林和李素娟, 1994; 路俊刚等, 2010; 王汇彤等, 2014; 陈建平等, 2015)。有机质未成熟阶段, C2920S/(20S+20R)和C29β β /(α α +β β )< 0.2; 有机质低成熟阶段该参数分别为0.2~0.4和0.25~0.4; 而大于0.4时为有机质成熟阶段。分析结果表明: C2920S/(20S+20R)在研究区火山凝灰物质多的层位中较高(0.46~0.52, 平均值0.48), 在火山凝灰物质少的层位中数值较低(0.36~0.38, 平均值0.37); C29β β /(α α +β β )呈现同样的分布规律, 在火山、热液喷流物质多的层位中数值较高(0.28~0.38, 平均值0.31), 而在火山、热液喷流物质少的层位中略低(0.24~0.28, 平均值0.26)。上述结果表明研究区的火山、热液喷流物质对甾烷成熟度参数C2920S/(20S+20R)和C29β β /(α α +β β )有明显的影响(图 12)。

图 12 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的甾烷异构化参数特征C2920S/(20S+20R)与C29β β /(α α +β β )
红色点为甜点段样品, 蓝色点为非甜点段样品Fig.12 Crossplot of C2920S/(20S+20R)and C29β β /(α α +β β ) of source rocks in the Lucaogou Formation in Jimusar sag (red spots for sweet point, blue for non-sweet)

综上所述, 吉木萨尔中二叠统芦草沟组的烃源岩以低等水生菌藻类生源为主, 兼有部分高等植物生源, 其烃源岩热成熟度达到了成熟阶段, 生成的石油以低熟油为主。

5 芦草沟组的烃源岩镜质体反射率(RO)异常带

对吉木萨尔凹陷钻遇芦草沟组镜质体反射率(RO)研究显示, 镜质体反射率(RO)随深度加大出现了2个异常带(图 13)。从平面上看, 由东向西地层深度加大, 但热演化程度相当, 表明凹陷东部地层后期有抬升; 从纵向上看, 在所有钻井的RO深度曲线中均具有随深度增加而温度增加的趋势。由东部的J31井(2708~2745 m)向西北变为: J174井(3110~3350 m), J251井(3593~3630 m), J30井(4018~4056 m), 最终到J36井(4150~4250 m), 整体显示出2个温度异常带: “ 上温度异常带” 的最大裂解温度Tmax范围在439 ℃左右, 对应的镜质体反射率集中在0.53%左右; 而“ 下温度异常带” 的最大裂解温度Tmax范围在452 ℃, 其镜质体反射率集中在1.03%左右。这2个深度段恰好与2个“ 甜点段” 对应。甜点段中凝灰物质和热液喷流物质的含量均在60%~80%之间; 而非甜点段中的凝灰物质较少, 多数层段含量在30%以下。这一现象不仅证明深源物质的参与导致了上下2个“ 甜点段” 温度异常, 而且进一步表明深源物质参与并促进了致密油的形成。

图 13 吉木萨尔凹陷芦草沟组深度与RO关系图Fig.13 Relationship between well depth and RO in the Lucaogou Formation in Jimusar sag

6 结论与讨论
6.1 吉木萨尔凹陷芦草沟组是深源物质参与的特殊烃源岩

吉木萨尔凹陷芦草沟组纹层状黑色岩系是一套有丰富火山喷发和热液喷流深源物质参与的非正常湖相环境沉积的特殊烃源岩系, 属自生自储, 生、储不分的致密油层系。深源热物质以深源碎屑和流体2种方式参与了湖相沉积和成岩作用过程。

6.2 深源沉积岩与优质烃源岩有良好耦合关系

依据吉木萨尔凹陷芦草沟组2个致密油层中深源沉积岩的上述综合分析初步认为, 由火山喷发和热液喷流导致的地球内部泄出的深源物质与沉积层中优质烃源岩有良好耦合关系, 亦即有丰富火山喷发和热液喷流的深源物质参与的烃源岩是优质生油岩段(“ 甜点” )。此认识不仅丰富了对沉积物源的认知, 而且对深入了解致密油的形成和富集并指导油气勘探开发具有重要的理论意义和实用价值。

6.3 深源物质参与烃源岩生烃机理的讨论

深源物质与优质烃源岩有良好耦合关系是客观存在的现象, 其生烃机理有待深入研究。

前人在准噶尔盆地二叠系芦草沟组中确认了“ 一种新型生油岩— — 凝灰质岩” (周中毅等1989), 认为火山灰可迅速掩埋水生有机质, 减少了成岩期的氧化和菌解, 并使蓝绿藻中的大量胡萝卜素得以保存, 提高了生油能力; 另有学者对中国陆相盆地火山喷溢— 喷流活动(熊寿生等, 1998)和火山活动与油气生成关系的研究, 初次提出了“ 半无机成因天然气” (熊寿生等, 1998)、“ 有机— 无机混合成因石油” (金强等, 1998)等认识, 并认为火山喷溢— 喷流和火山活动的高温无机气液具有加温、加氢和催化作用(金强等, 1998; 万从礼和金强, 2003; 翟庆龙, 2003); 王鹏等(2011)则认为“ 沉凝灰岩” 是一类“ 新型烃源岩” , 提出火山喷发使生物快速大量死亡造成有机质富集, 火山灰中的矿物质和微量元素又给生物提供了营养促其再发育, 是促成生烃岩的主要因素。张景廉等(2000)通过实验表明, 热液对碳酸盐岩和沉积有机质的作用均有油气生成。

国外学者以欧洲、美国和巴西的海相烃源岩研究为例, 提出火山活动释放SO2或SO2和CO2, 沉降火山灰造成缺氧环境以及保存大量有机物质, 火山灰蚀变为表面活性很高的黏土矿物(蒙脱石)均可提高烃源岩的生烃能力(Wietze, 1985)。全球大洋底热液喷流研究发现, “ 在洋脊系统, 已观察到热水成因的石油” ; “ 热水成因的石油与热水喷流及硫化物堆积丘密切共生, 产出于被氧化硅胶结的碎屑裂隙中” (Simoneit et al., 1988; 侯增谦等, 2003)。Simoneit等(1988)指出, 沉积物中的有机质经热水活动热裂解形成石油和天然气是许多海相环境出现的一种地质过程。吉木萨尔凹陷芦草沟组2个致密油层中深源沉积岩的矿物学、岩石学特征及其与生烃的关系为火山— 热液喷流活动参与有机质生烃过程提供了样本。

上述粗略搜集的国内外学者的研究成果, 提供了地球深源物质以火山喷发和热液喷流的方式进入地壳沉积区, 并通过多期的物理、化学作用参与了烃源岩的形成; 深源热物质流体对微生物、细菌等生烃母质的作用是致密油形成的不可忽视原因之一。无机质参与并促进有机质生成油气, 可能是有机和无机生油理论长期争论之后值得关注、深入探索的又一油气成因新类型。

致谢 承蒙广州地球化学研究所的卢红研究员对有机地球化学数据的合理解释, 在此致以诚挚的谢意!感谢审稿专家给本文提出的宝贵意见!

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