随着世界范围内非常规油气资源工业化勘探开发的快速发展与能源安全需求的增长, 在中国主要陆内含油气盆地所广泛分布、并作为致密油/气和页岩油/气重要载体的湖相富有机质细粒沉积岩, 成为目前沉积学研究和非常规油气勘探、开发的重点目标(图 1; 邹才能, 2014; 贾承造等, 2018; 孙龙德等, 2019; 朱如凯等, 2019; 邹才能等, 2020; 姜在兴等, 2021)。多数学者建议将粒度小于62 μ m的硅酸盐、硅质、碳酸盐矿物和有机质等称为细粒沉积物, 而由其构成的沉积岩则称为细粒沉积岩(Tourtelot, 1979; Spears et al., 1980; Meyers et al., 1992; Aplin and Macquaker, 2011; 姜在兴等, 2013, 2021)。微观尺度上, 该岩系往往可进一步划分为富含有机质的页岩和相对缺乏有机质的夹层(如粉砂岩与碳酸盐岩)。中国陆内湖相烃源岩系均属于该类沉积岩。区别于海相沉积环境, 湖泊由于离物源较近并且受气候等影响显著, 这类细粒沉积岩, 具有沉积环境不稳定、物质来源复杂和组成成分多样的特点(姜在兴等, 2021), 并表现出与重大地质事件突变密切相关, 往往蕴含有湖平面升降、火山活动、生物活动、气候突变和水体富氧或缺氧等多种地质事件信息(徐文礼等, 2014; 孟楚洁等, 2017; 邱振和邹才能, 2020; 姜在兴等, 2021)。不同物源与成因的极细粒沉积物混合在一起, 为进一步开展研究造成很大困难, 导致针对其缺乏系统性的精细的岩石学、矿物学和沉积学研究, 限制了对其进行油气资源富集机理与勘探方法的研究。

近年来, 随着超微观显微技术、同位素地球化学、现今实例观察与实验室模拟等的开展, 细粒沉积岩多物质来源成因机制逐步被认可。陆地母岩风化物质输入、盆内自生矿物生成(化学及生物沉淀)及火山— 热液深源物质注入的多物源供给, 以不同比例与组合形式共同影响着细粒沉积岩的形成(郑荣才等, 2006; 柳益群等, 2013; Jiao et al., 2018a, 2018b; 姜在兴等, 2021)。在宏观岩石学特征方面, 湖相烃源岩并非由单一的以悬浮沉积方式形成的泥级碎屑远端沉积物构成的泥/页岩, 其中往往会夹有粉砂— 砂级碎屑颗粒构成的夹层或透镜体。该类沉积往往被解释为重力流沉积(Kuenen and Migliorini, 1950; 何起祥, 2010; Talling et al., 2012), 并与地震、火山及风暴等事件性活动有关, 或者与气候原因造成的季节性洪水而形成的异重流有关(Mulder and Syvitski, 1995; 杨仁超等, 2015; Yang et al., 2017)。在上述沉积机理下, 对于烃源岩中最为常见的石英和长石自然被视为陆源搬运成因。但通过微观矿物学研究后表明, 它们成因类型多样, 并非仅有陆源搬运这个唯一来源。例如Schieber(1996)和Schieber等(2000)将北美泥盆系富有机质页岩中的石英作为研究对象, 发现其含量并不具有传统沉积学理论所认为的由物源区向沉积中心递减的特征; 并且石英颗粒多具有自生结构特征, 而非搬运特征, 应是在早期成岩过程中生物作用沉淀、火山物质转化及部分硅酸盐矿物溶蚀后再沉淀等作用形成。上述认识表明细粒沉积岩中物质来源的复杂性, 即便是沉积物中最为常见的石英和长石, 在研究其物源问题时, 也需要综合多方面信息做出客观判断。

受中国区域地质背景影响, 在西北地区和东部地区广泛发育形成于断陷湖盆的碳酸盐质细粒沉积岩(姜在兴等, 2021), 为火山— 热液活动所带来的深源物质参与沉积和成岩提供了有利条件。现代海/湖底火山喷发和热液喷流活动既是全球范围内2类常见的地质现象, 同时也为多类型沉积环境提供了不同性质的深源物质(Wohletz and Sheridan, 1983; Kelley et al., 2001, 2005; Smith, 2018)。随着现代水下探测技术的不断进步, 越来越多的湖/海底的热沉积区(包括火山喷发及相关热液喷流活动)被发现并逐步研究(Kokelaar and Busby, 1992; White and Houghton, 2006; Buckland et al., 2018; Jaime et al., 2018; Smith, 2018)。目前的成果主要集中在对于水下火山喷发及溢流过程描述和近端产物(Wohletz and Sheridan, 1983; White et al., 2000)。而热液喷流作用则以现代海/湖底“ 黑、白烟囱” 及近端块状硫化物, 以及现代陆表热卤水沉积特征为主(Rona et al., 1975; Anders, 1994; Slack, 2012; Jones and Peng, 2015)。受到采样限制、正常沉积物混合难以区分及地质时期样品难以保存等因素, 对于地质时期上述2类地质作用所带来的远离喷口的细粒沉积作用的研究均存在明显的不足(White et al., 2000)。

1.2.1 水下火山活动

除盆地周缘火山活动所带来的火山灰外, 受控于断裂带影响的水下火山作用所带来的深源物质直接参与和影响了细粒沉积岩的物质来源与沉积环境, 然而该过程由于难以直接观测往往被忽略。目前, 该研究领域在中国基本处于空白阶段, 多数研究成果来自于水下火山活动较为丰富的新西兰及西班牙等国学者。不同于水上环境的是, 水下火山喷发搬运介质为水, 形成高水压、高温差的更为复杂的温压条件(White et al., 2000; White and Houghton, 2006)。由于熔浆首先接触的介质由大气变为海/湖水, 并且受上覆水压作用影响, 造成该过程形成的沉积物主要有以下特征: (1)极细的碎屑颗粒。除了喷发初期释压过程产生的破碎外, 当炙热的熔浆与冰冷的海/湖水接触后迅速产生大量水蒸气。该过程会释放出大量能量, 从而发生更为强烈的二次破碎(Houghton and Wilson, 1989; Seghedi, 2011), 形成比陆地上火山喷发物更为细小的颗粒(Wohletz, 1986, 2002)。(2)碎屑颗粒形成多期沉积纹层。由于上覆水压作用, 只有当喷口压力大于水压时, 才能发生喷发作用。因此, 相较于地表火山喷发, 水下喷发不论是产生的喷发物数量或是喷发强度均不同程度减小, 而喷发频率增加, 形成脉动式的喷发(Fisher, 1984)。如1996年Karymskoye湖被观测到该水下火山喷发活动以大约6 s为间隔的6次喷发活动(Belousov and Belousova, 2001)。因此, 上述过程形成单层较薄而层数较多的沉积物, 并与正常湖相沉积物呈纹层状互层, 或以局部的高密度碎屑流至低密度浊流沉积夹于湖相沉积岩中(Pedersen and Surlyk, 1977; White et al., 2000; Marani et al., 2009)。以上沉积特征进一步加剧了细粒沉积岩的横向及纵向的非均质性。然而, 同样受限于极细的粒度以及缺乏现代相关沉积学实例研究, 水下火山喷发沉积研究基本限于喷口本身及较近距离沉积物, 如(1)各类特征明显的水下枕状熔岩; (2)岩浆侵入未固结、弱固结的湿沉积物形成的熔积岩(peperite; Nemeth et al., 2008)。加之由于难以将细粒的火山碎屑沉积与泥级的盆外搬运碎屑区分开来(Heiken and Wohletz, 1991), 导致这类由细粒火山碎屑及正常远离物源的湖相沉积物等一系列几乎不相关的混合沉积物难以研究, 进一步使得地质时期该成因的样品较少被发现并报道。

1.2.2 水下热液喷流活动

热液喷流作用除了形成大众所广泛接受的以化学沉淀为主的喷流沉积岩以外, 同样为细粒沉积岩提供了深源碎屑物质。热液喷流沉积岩(exhalite)最先由White(1955)定义, 主要是指由地球内部热水流体进入海/湖盆水体后发生的化学沉淀作用形成的岩石。随着“ 深海钻探计划” 的开展, 全球诸多大洋的洋中脊附近发现了海底“ 黑烟囱、白烟囱” 型热液喷流沉积物, 并伴随有生物、微生物活动(Rona et al., 1975)及块状硫化物堆积(Fouquet et al., 1999), 被誉为20世纪海洋科学研究的重大发现。近年来, 在中国诸多含油气盆地细粒沉积岩中所广泛发育的纹层状泥晶白云岩即被认为是一类深源(甚至是幔源)热液流体直接沉淀而成(郑荣才等, 2006; 柳益群等, 2011; Wen et al., 2013; Yang et al., 2020)。除此以外, 似乎“ 喷流沉积岩” 这一概念并没有得到延续与发展, 其对湖相细粒沉积岩的影响仅被限制为化学沉淀作用。然而, 柳益群等(2013)在这类“ 化学沉积岩” 中发现了大量区别于火山喷发形成的火山碎屑及热液沉淀所形成的化学沉淀物, 并将其初步定名为喷积岩(岩浆— 热液喷流沉积岩)。该类喷积岩的碎屑颗粒往往呈棱角状自形颗粒分布于各类细粒沉积岩中, 且其沉积规模非常小, 多为纹层状夹层或透镜体分布, 纵横向分布范围十分有限, 这与火山活动造成的分布广泛且厚度巨大的沉凝灰岩明显不同。另外, 其矿物类型非常单一, 由岩浆分异作用形成的火山碎屑岩难以形成单一的矿物组合。该岩类的发现进一步丰富了水下热液喷流作用的研究, 为湖相细粒沉积岩研究提供了新的物源信息。

致密油是当前全球非常规石油发展的亮点领域, 页岩油是未来非常规石油发展的潜在资源(邹才能等, 2015)。然而作为上述2类油气资源载体的湖相细粒沉积岩的非常规油气资源勘探开发仍存在较大问题。陆内湖盆细粒沉积岩中广泛发育有页岩油/气和致密油/气资源。受控于陆内构造地质背景, 中国该类油气与北美相比, 具有储集层连续性差、开发难度大、经济效益差的特点, 并在储集层识别精度和压裂改造工艺等方面还存在一定差距(孙龙德等, 2019)。然而, 尽管这类细粒沉积岩极为致密, 展示出了较差的物性特征, 对其开展油气勘探却往往能获得工业油流。但由于强烈的非均质性导致其产量又很难保持稳定。目前对于其储集层研究主要集中在微观孔隙结构方面, 由于其复杂的矿物组合和沉积作用, 导致了多类型和多尺度的孔隙结构(Mount, 1984; Fan et al., 2019)。而复杂的孔隙结构很大程度造成了其强烈的非均质性(Desbois et al., 2011; Xi et al., 2016; Sakhaee-Pour, 2017; Zhang et al., 2017)。针对以上特征, 具有局部评价及勘探理念的纵向上的“ 甜点段” 和平面上的“ 甜点区” 的概念被提出(邹才能等, 2015; 朱如凯等, 2019)。因此, 探讨陆相湖盆细粒沉积成因与精细的分布特征, 储集层微米— 纳米级储集空间结构, 及其在地球物理(测井与高分辨率三维地震)方面的响应模型, 并建立有针对性的评价方案等方面, 均是湖相富有机质细粒沉积岩非常规油气地质主要面临的挑战与创新重点。而上述一切工作的前提便是基于多物质来源新认识, 开展针对该岩性基础地质学的重新研究。

近年来, 火山及热液活动所带来的深源物质与油气的富集在世界范围内诸多含油气盆地均展现出了极强的耦合关系(胡文瑄, 2016; 柳益群等, 2019; 刘全有等, 2019; Procesi et al., 2019; Jiao et al., 2020; 吉利明等, 2021)。Weitze(1985)早在1985年便通过研究世界上著名的富有机质页岩, 包含欧洲的石炭系、侏罗系和白垩系, 美国泥盆系、二叠系、白垩系和新近系, 巴西二叠系和渐新统, 发现其中含有大量的火山碎屑物质(如玻屑、晶屑和岩屑), 并提出火山活动与油气生成存在联系。然而受限于早期人们普遍认为火山活动与油气生成相悖的原因, 该发现与认识并没有得到广泛的接受与重视。随着现代多种勘探技术的提升以及大数据等方法在地学中的使用, 基于对现今诸多实例的观察与研究, Procesi等(2019)将当今全球热流值分布图、现今和地质时期火山口分布图以及大型油气田分布图叠合后发现, 三者在全球范围具有多处重合区域。即火山— 热液活动及其相关的沉积物聚集作用往往发生在构造活跃带, 例如弧后盆地/裂谷盆地和前陆盆地。相应, 大型油田也往往聚集在这些区带发育的当今或地质时期的火山口附近300 km以内(例如美国Guaymas盆地, 意大利Laghi del Vescovo盆地, 中国银琼盆地和澳大利亚Darkes Forest盆地; Procesi et al., 2019)。这类由火山与热液的热能和烃类聚集而成的特殊混合系统(图 2)在全球范围内多处被发现, 并被认为对油气勘探具有极大的研究价值。其由火山口至远端被进一步划分为火山— 热液地热系统(volcano and hydrothermal geothermal system), 沉积岩型地热系统(sediment-hosted geothermal systems)和烃类沉积系统(hydrocarbon sedimentary system)。而烃类物质主要在后2类系统中出现(Procesi et al., 2019)。

图 2

Fig.2

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	图 2 火山— 热液沉积系统与油气系统关系简图(修改自Procesi等, 2019)Fig.2 Relationship sketch between volcanic-hydrothermal sedimentary system and hydrocarbon system(modified from Procesi et al., 2019)

值得注意的是, 中国诸多学者近10年来在国内不同时期的诸多湖相盆地烃源岩中也发现了大量火山— 热液活动产生的深源物质(图 1)。例如中国西北地区新疆三塘湖盆地及准噶尔盆地二叠系芦草沟组和风城组(Liu et al., 2012; 常海亮等, 2016; Jiao et al., 2018a, 2018b, 2020; Li et al., 2021; Zhang et al., 2021), 中部鄂尔多斯盆地三叠系延长组(张文正等, 2010; He et al., 2016; 贺聪等, 2017; 吉利明等, 2021), 北部二连盆地白垩系腾格尔组(钟大康等, 2018; Yang et al., 2020, 2021; Su et al., 2020)及银额盆地下白垩统巴音戈壁组(陈志鹏, 2019), 西南地区酒西盆地白垩系下沟组(郑荣才等, 2006, 2018; Wen et al., 2013; 文华国等, 2014)和东北地区松辽盆地徐家围子断陷营城组(单玄龙等, 2014)。上述不同时期的地层均为所在盆地最重要的烃源岩, 并被视为非常规致密油/页岩油重点勘探目标。因此, 这一系列新发现、新认识所揭示的耦合关系及其所蕴含的地球有机和无机物质相互作用关系的内涵机理成为近年来新的研究热点。

图 1

Fig.1

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	图 1 中国非常规油气资源与火山— 热液深源物质沉积位置分布图(修改自邹才能, 2014)Fig.1 Distribution of Chinese unconventional hydrocarbon resources and volcanic-hydrothermal-originated sediments(modified from Zou, 2014)

目前, 关于深源物质与油气耦合关系的内涵机理研究主要表现在深源物质导致微生物爆发从而提高原始生产力、局部异常升温加速有机质快速转化为干酪根、改善有机质储集空间及条件和提高油气运聚效率等方面(刘全有等, 2019)。

1)火山— 热液活动为湖/海水中提供了大量特殊的深源物质(包含营养盐类, CO₂、CH₄、H₂、NH₃等热液气体和Fe、Mn、Zn、Co、Cu等金属元素; Dick et al., 2013; 刘全有等, 2019), 并局部改变了水体的物理、化学和生物环境(Kokelaar and Busby, 1992; White, 2000)。这些活动所释放出的区别于正常沉积作用的大量营养物质, 丰富了微生物群落, 并可导致藻类大爆发, 促进了初级生产力的提高(Xie et al., 2010; Wright, 2012; Ciotoli et al., 2013; Procesi et al., 2019), 从而为有机质的富集和后期烃类的形成提供了最初的物质保障。例如, 中国南方晚二叠世火山沉积物与蓝藻水华的古地理研究就揭示了火山活动对生命繁盛起到的促进作用(Xie et al., 2010)。与此同时, 藻类爆发又导致水体中严重缺氧, 引起其他水生生物的快速大规模死亡, 进一步提高了有机质的原始物质基础(Lee et al., 2018)。另外, 深部流体所携带的CO₂和CH₄也可在有利条件下聚集并形成重要的无机成因气藏(Dai et al., 2005)。

2)火山— 热液活动所释放的大量能量促进了有机质的早期成熟, 使得油气在几千年内便“ 瞬时” 形成, 被称之为“ 热液石油” (Simoneit, 1984)。该类石油在全球诸多裂谷或海槽被发现, 例如加利福尼亚湾Guaymas盆地、东非裂谷及红海海槽等(Michaelis et al., 1990; Peter et al., 1991; Simoneit et al., 2000)。中国的莺歌海盆地、渤海湾盆地和苏北盆地也均有符合“ 热液石油” 特征的油气资源被发现并报道(张泉兴等, 1989; Zhu et al., 1994; Liu et al., 2017; 刘全有等, 2019)。

3)关于深源物质对油气储集层的影响, 近20年来研究认为, 深部热液流体对碳酸盐岩储集层的改造使得储集层物性明显改善(Davies and Smith, 2006; 金之钧等, 2007; 朱东亚等, 2009; 胡文瑄, 2016; 蒋裕强等, 2016)。深部岩浆流体水岩反应后所携带的Mg²⁺离子, 沿着深大断裂上涌并与碳酸盐围岩反应后发生白云石化作用, 称为热液白云化作用, 也称为“ 构造— 热液白云岩化” (陈代钊, 2008)。典型实例为纽约州上奥陶统特伦顿— 布莱克里弗群白云岩(Smith, 2006)。该过程主要产生了白云石化晶间孔及热液溶蚀孔, 并对海相成因碳酸盐岩型储集层具有重要的优化作用, 是北美及中东地区大型油田重点勘探目标(Davies and Smith, 2006; 金之钧等, 2007)。中国学者在四川盆地与塔里木盆地的白云岩储集层中同样发现了上述现象(黄思静等, 2007; 朱东亚等, 2009; 焦存礼等, 2011; 蒋裕强等, 2016)。然而, 深源物质对碎屑岩、尤其是中国所广泛发育的湖相细粒沉积岩型致密油层的储集层物性影响的相关研究报道较少。蒋宜勤等(2015)通过研究准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组凝灰岩型致密油层特征后, 提出剩余粒间孔和溶蚀孔发育的凝灰岩、凝灰质白云岩控制了有利储集层和致密油的分布。Yang等(2021)对二连盆地白垩系腾格尔组富含白云石的细粒沉积岩的孔隙特征进行了超微观观察, 划分出热液矿物原生晶间纳米孔、次生溶蚀孔及断裂孔隙3类微观孔隙, 同样发现了热液流体对于这类致密油层的优化作用。Yang等(2020)研究三塘湖盆地二叠系条湖组沉凝灰岩型致密油储集层时, 发现不同类型的沉凝灰岩明显受控于火山口位置, 且火山灰脱玻化后形成的微孔隙是该储集层的重要油气储集空间。Pan等(2021)则针对三塘湖盆地二叠系芦草沟组混合细粒沉积岩的微观孔隙结构特征, 探讨了火山灰对于物性的影响。不难发现, 由于该岩性粒度极细导致初步的微观储集层物性观察存在较大难度, 加之深部流体本身来源复杂且成分多样(胡文瑄, 2016), 使得该类研究成果较少。

4)实验发现以CO₂为主要成分的深部流体对有机质具有很强的溶解能力, 它可以萃取和富集沉积物中的分散有机质并直接运移(Hyatt, 1984; 刘国勇等, 2005; Liu et al., 2017), 形成有利的有机质运聚条件。

综上, 尽管上述火山— 热液活动与油气生成、聚集方面的耦合关系被广泛发现与报道, 其不同原理也进行了科学研究。但目前主要以宏观统计学研究为主, 尚缺乏结合微观岩矿特征信息的精细、综合研究。尤其是缺乏与油气生成关系最为密切的烃源岩的相关研究。因受限于极细粒度带来的深源物质难以识别问题, 在许多盆地中, 火成岩及凝灰岩类仅被作为油气储集层被广泛接受和研究(Ma et al., 2016; Wang et al., 2018), 但是地质时期由火山— 热液活动形成的细粒沉积岩型烃源岩却相对较少被报道及研究。正如Weitze(1985)所述“ 人们在研究这类含火山物质的烃源岩时, 受认识限制, 选择性忽略了它们的存在” 。

三塘湖盆地二叠系芦草沟组主要是由互为细纹层的泥晶白云岩和凝灰质泥/页岩夹凝灰岩组成的典型湖相巨厚(平均200 m)细粒沉积岩系, 同时也是该盆地乃至整个北疆地区重要的一套烃源岩(Hackley et al., 2016; Liu et al., 2018; 陈旋等, 2019; 梁世君等, 2019; Jiao et al., 2020)。随着非常规油气资源的勘探开发理论及技术的不断进步和深入研究, 该套地层被视为陆内湖相多物源混合细粒沉积科学研究及致密油和页岩油勘探、开发的重点目标(Hackley et al., 2016; Liu et al., 2020; Pan et al., 2020; Zhang et al., 2021)。

基于北美页岩油成功经验与勘探开发方案, 芦草沟组展开的非常规油气(包括早期致密油和近期的页岩油)勘探开发依然面临挑战。多项研究成果表明该岩系组合具有总厚度大、TOC含量高及脆性矿物含量极高的特点, 因而展示出很好的致密油开采潜力(Hackley et al., 2016; Tao et al., 2017; Liu et al., 2018; Zhang et al., 2018; 徐雄飞等, 2020)。但是在实际生产过程所采用的水平井压裂技术总体表现出产量递减快、采收率低、开发效益差的特点。近年来, 基于对非常规油气资源的开采需求逐步加剧, 芦草沟组这类既是生油岩又是储集层的纹层状富有机质细粒沉积岩再次被作为目标层位尝试开展页岩油勘探、开发(陈旋等, 2019; 梁世君等, 2019; 徐雄飞等, 2020)。但其岩性复杂以及物性更差(基质孔隙度小于4%)的特征导致其工业开采的条件非常苛刻, 仍处于探索阶段(梁世君等, 2019)。徐雄飞等(2020)认为该区域细粒混合沉积岩岩相分类及有利岩相分布规律研究不足, 制约了源储一体型页岩油藏的勘探。因此, 重新认识芦草沟组中这套细粒沉积岩的精细岩性组合和形成机理对于区内油气生产十分有必要。

关于三塘湖盆地芦草沟组形成机理的研究认识可分为: 以有机地球化学为基础研究方法, 从而探讨该时期湖相沉积物源、古环境、湖盆演化(Li et al., 2015; Hackley et al., 2016; Zhang et al., 2018; Liu et al., 2020); 以精细岩石学、矿学及无机地球化学为主要研究方法, 关注裂谷型湖盆中深源物质参与沉积的特征与方式2个方面(柳益群等, 2013; Jiao et al., 2018a, 2018b, 2020; Zhang et al., 2018; 李哲萱等, 2019)。前者认为芦草沟组沉积早期以纹层状白云岩为主, 表现了高盐度半干旱环境, 后期硅酸盐矿物增多, 代表了淡水逐渐注入的深水环境, 相应的有机质来源也从以光合作用的藻类快速繁殖转变为随淡水注入的陆源有机质(Hackley et al., 2016; Liu et al., 2018); 该湖盆由欠补偿到平衡补偿的演化过程应主要受气候影响(Hackley et al., 2016)。后者基于岩矿微观结构、构造特征结合区域构造背景, 认为芦草沟组的形成受到了拉张背景下岩浆— 热液活动所带来的深源物质的影响。主要认识有:

1)芦草沟组中的纹层状泥晶白云岩具有原生特征, 且富含幔源地球化学信息, 应是一类特殊的幔源热液喷流型原生白云岩(柳益群等, 2011; Liu et al., 2012);

2)首次在芦草沟组中发现了富含岩浆晶质碎屑的夹层, 该套岩类既区别于传统意义的喷流岩, 又不属于陆源搬运碎屑岩, 且其中蕴含了直接来自地球深源物质的信息, 初步定名为喷积岩(岩浆— 热液喷流沉积岩), 并依据形成过程的不同, 将其进一步划分为喷爆岩、喷流岩、喷溢岩、喷混岩以及喷裂岩(柳益群等, 2013);

3)根据不同的矿物成分与沉积特征, 在芦草沟组中初步识别出代表深源超基性— 基性岩浆活动的白云石(图 3-A, 3-B, 3-C)、方解石(图 3-D, 3-E, 3-F)与辉石质喷积岩(图 3-G, 3-H, 3-I), 代表中性的方沸石质喷积岩(图 3-J, 3-K, 3-L)和代表酸性的长英质喷积岩(图 3-M, 3-N, 3-O)(柳益群等, 2013; 焦鑫等, 2017a, 2017b; Jiao et al., 2018a);

图 3

Fig.3

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图 3 三塘湖盆地二叠系芦草沟组喷积岩 图3照片说明:A— 白云石喷积岩岩心纵切面, 具“ 斑状结构” ; B— 图A中2个灰白色斑晶的局部放大, 斑晶并非单一矿物颗粒, 而是更为细小白云石与蒙脱石的集合体; C— 图B中基质部分的放大, 白云石(深灰色)与钠长石(浅灰色)作为骨架颗粒, 蒙脱石作为填隙物; D— 方解石喷积岩岩心纵切面, 具斑状结构, 方解石颗粒(白色)呈星散状顺层定向分布; E— 图D的局部放大, 方解石颗粒呈自形棱角状, 无磨圆, 分选较好。其边部整体平直, 局部具有似港湾状熔蚀(黄色箭头); F— 图E中基质部分的放大, 主要由棱角状自形的长石(板条状)、磨圆较好的石英(Q)和少量自形白云石(菱形)和有机质(黑色)组成。白色颗粒为黄铁矿; G— 辉石质喷积岩薄片照片, 由含硅灰石团块(白色)和不含硅灰石团块(浅褐色)以及深褐色基质部分组成; H— 图G中团块的局部放大, 显示团块呈边界凹凸不平的不规则形状; I— 图H中的局部放大, 显示团块由浅灰色的透辉石及深灰色的硅灰石组成; J— 方沸石喷积岩薄片照片, 方沸石颗粒向上逐渐减少, 而铁白云石(经过染色后呈蓝绿色)和黄铁矿(黑色)逐渐增多; K— 图J中的局部放大, 方沸石呈红色等轴粒状均匀分布, 胶结物为铁白云石(蓝色), 黑色颗粒为黄铁矿; L— 图K同区域正交偏光显微照片, 方沸石全消光, 干涉色为一级灰白色板条状矿物为长石; M— 纹层状泥晶白云岩(浅褐色)与长英质喷积岩(白色)互纹层; N— 长英质颗粒长轴方向略微平行于层理, 部分颗粒呈鸡骨状; O— 长英质喷积岩单层具有正粒序, 与白云岩层界面明显, 并有凹凸不平的剥蚀面。图G、J、K、M、N、O为单偏光照片; 图L为正交偏光照片; 图B、C、E、F、H、I为电子探针背散射照片。图A-C引自焦鑫等, 2017a; 图D-F引自李哲萱, 2020; 其余引自Jiao等, 2018a。Fig.3 Exhalative-sedimentary rocks in the Permian Lucaogou Formation in Santanghu Basin

4)首次在富含有机质的页岩中发现了具明显生物特征的多晶石英颗粒, 结合地球化学特征将其解释为受火山— 热液活动造成的藻类大爆发, 并被同期酸性流体硅化交代形成(Jiao et al., 2018b);

5)依据微观矿物学特征, 初步认为芦草沟组中的富有机质页岩为水下火山喷发后形成的凝灰质页岩, 并与热液喷流沉积以及正常湖相沉积岩互相混合, 形成了芦草沟组这套特殊的纹层状沉积岩(Jiao et al., 2020);

6)TOC与特征微量元素显示了热液活动可为有机质积累提供额外的营养供给(Zhang et al., 2018)。

上述研究从不同角度为切入点, 共同促进了人们对于三塘湖盆地芦草沟组这一复杂的细粒沉积岩的研究与认识, 发现了科学问题及关注点: (1)岩性组合复杂、矿物类别及含量的多变所导致的极强的非均质性, 代表了多物源及复杂的沉积环境。气候转变及火山— 热液活动综合控制着该组形成时期的沉积环境。(2)多次藻类爆发提高了原始生产力, 是芦草沟组富含有机质的主控因素。

近2年内多位学者开始关注到了芦草沟组中深源物质与油气形成之间的耦合关系, 并采用不同研究方法取得了初步的认识。Jiao等(2020)认为芦草沟组烃源岩系中所含有火山— 热液深源沉积物受水下火山喷发、热液喷流作用控制, 这些频繁发生的深源物质注入活动导致该组中岩性及有机质聚集在时间与空间上极强的非均质性。Zhang等(2021)利用大数据分析方法将区内1口重点井中566件烃源岩样品的矿物学和有机地球化学数据进行分析处理, 提出火山活动是形成高质量烃源岩的重要驱动力, 而与热液活动相关的缺氧环境促进了有机质的保存。Pan等(2020)同样认为芦草沟组复杂且相变剧烈的岩性受控于频繁的火山活动, 形成了火山灰与碳酸盐矿物组成的混合沉积岩。火山活动在提高原始生产力、加速烃源岩快速成熟及有机质有利保存环境等方面促进了该组内有机质的富集。Liu等(2020)同样也发现了火山— 热液活动提高了该组的原始生产力, 并发现这些深源物质同时会促进古环境的改变; 提出针对这类特殊的岩石类型, 基于传统的利用元素地球化学特征判断湖相沉积古环境的标准需重新研究和厘定。以上研究通过不同研究手段, 均发现了深源物质在提高原始生产力方面对芦草沟组烃源的提升, 但依然缺乏基于精细岩矿划分前提之下的有机和无机地球化学的综合研究。

笔者研究团队基于以上认识, 初步尝试研究了三塘湖盆地芦草沟组烃源岩的精细岩矿组合以及部分无机和有机地球化学特征, 发现该富有机质细粒沉积岩型烃源岩中含有不同比例的深源物质, 并与有机质的富集存在复杂的关系, 造成看似均一的“ 泥质岩” 具有极强的非均质性。

3.3.1 烃源岩中的深源碎屑及流体

前期研究表明新疆三塘湖盆地二叠系芦草沟组中的细粒沉积岩型烃源岩主要由互为纹层的含白云石或白云质凝灰质页岩、凝灰质白云岩及较纯的白云岩组成(图 4-A)。泥岩和凝灰岩作为夹层夹于上述岩性中。区别于传统认知的以石英和黏土矿物为主要成分的湖相泥质岩, 该烃源岩具有缺乏黏土矿物(黏土平均含量小于5%)且碎屑颗粒以碱性长石为主(主要为钠长石与正长石)的特征。代表了其特殊的物源(以碱性火山活动为主)和未经过强烈的风化和成岩作用(黏土含量极少且以蒙脱石为主)的形成过程。全岩的石英含量较为不均一, 较高的样品往往是含有硅质脉体或透镜体(图 4-B, 4-C, 4-D)。整体上该岩性代表一个复杂的由火山— 热液及正常湖相沉积相互作用的沉积系统。其中的深源物质主要包含深源碎屑和深源流体2类。按来源可分为: (1)火山喷发带来的火山碎屑, 主要为玻屑和晶屑, 偶见岩屑。可呈星散状分布于不同岩性(图 4-F至4-I)或富集于某一纹层并具软变形构造(图 4-J至4-N)呈夹层。(2)热液流体, 主要为富Mg碳酸盐流体沉淀形成的白云石, 其次为富SiO₂流体形成的硅质透镜体及脉体。深源流体主要沉淀除形成了区内广泛分布的热液沉淀型泥晶白云石外, 还在成岩早期对岩层产生了局部的蚀变, 例如浸染围岩(图 4-E), 使白云石重结晶(图 4-O), 生成菱镁矿(图 4-P)和菱锶矿(图 4-Q)等热液蚀变矿物。此外, 一些正常泥质岩中不常见的矿物也在研究层位中被发现。如由钾长石经热液蚀变生成的水铵长石也在多个富有机质泥质岩中被发现(图 4-N)。区别于泥页岩中的草莓状黄铁矿, 研究样品中出现了大量自形黄铁矿颗粒并表现出与硅质或碳酸盐脉体的共生关系(图 4-E, 4-L)。

图 4

Fig.4

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图 4 三塘湖盆地二叠系芦草沟组烃源岩岩石学特征 图4照片说明:A— 芦草沟组烃源岩常为凝灰质页岩(深灰色)和凝灰质白云岩(黄褐色)互纹层组成。白色的纹层富含微晶石英; B— 凝灰质页岩中顺层分布的硅质结核(微晶石英组成)。结核与上下纹层呈整合接触(红色箭头), 表明结核形成于同沉积期或早成岩期至压实作用之前; C— 凝灰质页岩中含不同角度(垂直— 平行)的微晶— 粗晶石英脉体; D— 含少量顺层分布的由微晶黄铁矿构成的透镜体(红色箭头)的黑色泥岩; E— 白色碳酸盐纹层被夹于深灰色页岩中。页岩层中垂直分布被碳酸盐充填的脉体(红色箭头), 可能代表了碳酸盐流体的供给通道。脉体两侧分布着平行层理的透镜体(黄色箭头), 其成分与脉体一致, 应为碳酸盐流体在上移过程中对围岩的浸染沉淀结晶; F— 凝灰质页岩中星散分布有粉砂级长英质碎屑(白色和浅灰色); G— F的局部放大。长英质火山碎屑呈棱角状或鸡骨状并局部与拉长状的黄褐色有机质混在一起; H— 凝灰质泥晶白云岩中白色玻屑与长英质晶屑顺层略平行分布; I— 泥晶白云岩中含大量鸡骨状玻屑、棱角状长英质晶屑呈星散状分布; J— 土黄色凝灰岩与深灰色页岩互纹层。其接触边呈明显且光滑的凹凸状, 代表同沉积变形结构; K— J中方框的局部放大。凝灰岩纹层中, 火山碎屑颗粒均呈棱角状或鸡骨状, 分选和磨圆都很差; L— 含石英脉的凝灰质页岩的页岩部分。所有颗粒均定向排列, 且黄铁矿(白色)含量明显增多; M— 对D中方框的放大。黑色泥岩中可见明显的基性岩岩屑; N— 富含有机质的页岩中的棱角状水铵长石, 其能谱图谱中显示明显的N元素, 代表该长石具有铵根; O— 泥晶白云岩中可见一白云石重结晶带(白色虚线)。虚线以内及其影响的上部的纹层中白云石晶体较粗。表明流体对白云岩的局部改造作用; P— 图O中方框的局部放大, 可见微晶白云石发育区域的孔隙(黑色)度加大, 且部分白云石被蚀变为菱镁矿, 表明局部存在富镁流体; Q— 偶见白云岩孔隙中存在自形石英颗粒以及菱锶矿。Mt-菱镁矿, St-菱锶矿, Dol-白云石, Q-石英。图E、F、H、I、J、K、O为单偏光照片; 图G为正交偏光照片; 图L、M、N、P、Q为电子探针背散射照片; A-N引自Jiao等, 2020。Fig.4 Petrologic features of source rocks in the Permian Lucaogou Formation in Santanghu Basin

以上深源碎屑均具有同沉积特征。而深源流体沉积也具有局部性特征, 表现为透镜体或脉体与围岩的整合接触, 以及热液蚀变的范围仅为微观尺度, 可能代表了孔隙水特征, 表明在同沉积期至早成岩期即存在特殊深源物质成分的流体。虽然深源物质可借助偏光显微镜、电子探针和扫描电镜进行定性鉴别, 尤其是光学特征非常明显的玻屑及岩屑, 但在实际研究中仍存在较大的问题: 当颗粒粒度为泥级时, 晶屑与正常搬运的矿物碎屑则极易混淆; 在深源物质的定量分析时存在较大难度; 超显微尺度下的鉴别工作适用于理论研究, 但与实际工业生产需求的区域性尺度相脱节。因此, 深源物质与油气生成关系的首要研究内容, 便是建立不同尺度下烃源岩中深源物质的识别方法。

3.3.2 深源物质与油气生成耦合关系的具体体现

将三塘湖盆地致密油重点开发钻井L1井中芦草沟组近150 m岩心段样品的矿物成分含量、TOC、特殊热液矿物和Sr、Mg同位素(图 5)这些无机与有机地质信息进行了对比研究, 发现其纵向上的变化规律展示出了岩石的无机特征与有机特征存在一定的相关性, 即深源物质与烃类的富集存在明显的耦合关系。首先, 若以水铵长石和自生石英集合体作为火山— 热液活动的标志, 则它们出现的深度往往对应着TOC含量不同程度的升高。其次, TOC含量的变化趋势与Sr、Mg同位素的变化趋势十分一致, 即TOC含量升高则⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和d²⁶Mg值也增高, TOC含量降低则⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和d²⁶Mg值也减小。本应毫无联系的无机同位素特征竟与有机地化特征存在一致的变化趋势。最后, 矿物含量也具有一定的相关性体现, 即: (1)石英的突然升高代表了硅质热液的活动, 对应TOC含量略微升高; (2)总体上当白云石的含量极高时, 往往对应较低的TOC含量; 而个别高白云石且高TOC含量的岩层可能代表了物性较好的白云岩储集层; (3)长石的含量总体较为平稳, 当其与白云石含量差距不大时, 往往对应高的TOC含量, 即碳酸盐与硅酸盐矿物混合程度较高时, TOC含量较高。荧光显示较好的样品以不同物质来源混合程度较高凝灰质泥晶白云岩和富含硅质脉体的含云凝灰质页岩为主, 并呈现出藻席有机质特征(图 5-A至5-D)。而较纯的凝灰岩荧光较差, 微弱的荧光主要沿脉体周围分布(图 5-E, 5-F), 可能代表了热液流体对烃类的运移作用。

图 5

Fig.5

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	图 5 三塘湖盆地L1井二叠系芦草沟组无机与有机特征关系曲线图及代表岩性荧光特征 图中矿物类型及含量来自X衍射结果, TOC与Sr、Mg同位素数据来自全岩岩石裂解和无机地化测试; 浅棕色区域为TOC含量明显升高层位; 浅绿色为TOC含量降低层位。曲线图右侧为主要岩石类型单偏光和荧光显微镜下特征: A 和 B为凝灰质泥晶白云岩; C和D为富含硅质脉体(白色)含云凝灰质页岩; E和F为含硅质脉体凝灰岩。显微照片引自Jiao等, 2020Fig.5 Relation curves between inorganic and organic features, and fluorescence characteristics of typical lithologies in Well L1 in the Permian Lucaogou Formation, Santanghu Basin

此外, 作者发现不同的矿物成分含量也与有机质含量存在一定的相关性(图 6, 图 7)。(1)石英含量的突然升高往往对应自生石英的增多, 代表了硅质热液的活动加强, 对应TOC含量略微升高(图 6中蓝色点均代表有硅质脉体或透镜体, 整体具有极好的生烃潜力)。(2)当白云石的含量极高时, 对应较纯的白云岩样品(图 6中黄色圆点), 往往对应较低的TOC含量。(3)当代表碎屑物质的长石的含量与化学沉淀的白云石含量差距不大时, 往往对应高的TOC含量(图 7), 即硅酸盐与碳酸盐矿物混合程度越高时, 对应TOC含量越高。因此, 通过精细的岩矿特征结合有机质特征分析后发现, 并非深源物质含量越高就一定对应有机质越富集。深源物质对油气的形成影响作用是一个复杂的综合过程, 需要后续大量基础工作的继续研究, 从而进一步认识并理解该过程。

图 6

Fig.6

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	图 6 三塘湖盆地二叠系芦草沟组不同岩性的生烃潜力与总有机碳含量交汇图(据Jiao等, 2020; 有修改)Fig.6 A plot of generative potential vs. total organic carbon of different lithologies in the Permian Lucaogou Formation, Santanghu Basin(modified from Jiao et al., 2020)

图 7

Fig.7

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	图 7 三塘湖盆地芦草沟组长石与碳酸盐矿物含量差值(DFC)和总有机碳含量交汇图(据Jiao等, 2020; 有修改)Fig.7 A plot of the difference between total feldspar and carbonate mineral content(DFC)vs. total organic carbon content in the Lucaogou Formation, Santanghu Basin(modified from Jiao et al., 2020)

综合以上信息, 作者认为藻类是芦草沟组中细粒沉积岩的主要生烃母质, 尤其是在富烃类的含白云石凝灰质页岩和凝灰质白云岩中尤为明显。这与Liu 等(2017)通过有机地球化学方法得出该区芦草沟组中由藻类繁盛爆发所导致的较高生产率的结论一致。此外, 细粒沉积岩中白云石 δ13CPDB值的正异常(Liu et al., 2012; Jiao et al., 2020)也被认为与产甲烷菌的活动有关(Irwin et al., 1977; Mazzullo, 2000)。因此, 推测火山— 热液活动所带来的深源物质与微生物具有极强的关系, 尤其影响了藻类的生成与分布。研究表明火山— 热液活动可以向水体中注入大量营养物质, 从而短时间内提高微生物的生产率, 导致诸如藻类的大爆发(Xie et al., 2010)。同样, 火山— 热液活动同样能释放或导致热变质作用或直接来自幔源的CO₂和热来源的CH₄(Procesi et al., 2019), 从而提高烃类的产生和影响烃类的聚集。最后, 热液活动同时会通过流体的催化裂解作用影响烃类的生成(Santillan-Jimenez et al., 2019)。因此, 三塘湖盆地的芦草沟组中烃类的生成与分布很可能直接受控于水下火山— 热液活动。包含火山活动、热液活动和正常湖相沉积的地区应视为烃类生成与聚集的最有效区域。上文中不同岩石类型所具有的不同的生烃潜力也支持了这种认识, 即混合程度最高的岩石类型具有更高的生烃潜力, 而来源较单一的白云岩和凝灰岩则生烃潜力最差。并且, 由于水下火山— 热液活动区别于陆上活动, 具有单次量少但频繁持久发生且位置的多变性特征, 导致有利聚集生成有机质的岩性组合在纵向上和横向上经常发生变化, 导致了极强的非均质性, 从而加大了该类致密油层的勘探与开发难度。

目前对于湖相烃源岩中的火山— 热液深源物质的认识及其与油气生成关系的机理研究, 依然存在以下问题:

1)不同尺度下对于烃源岩的深源物质的识别仍存在较大难度。在细粒沉积岩中区别正常陆源碎屑、湖水沉淀及深源物质的不同碎屑颗粒与化学沉淀物, 不但需要超微观尺度的结构、构造观察, 而且需要基于原位分析的同位素地球化学研究的协助, 方能得到较为可靠的结论认识。但由于人们往往仅简单地视烃源岩为泥质岩的固有思路, 使得针对该岩性的微观岩石学、矿物学研究较少。此外, 目前所广为使用的激光剥蚀原位同位素提取方法的束斑大小(~20 μ m)难以满足以泥级颗粒为主的该类烃源岩。因此, 从研究思路及技术方法均一定程度上限制了该方向的研究。

2)目前广泛使用的关于陆内湖相烃源岩的沉积学理论及诸多评价指标, 主要是建立在常规陆源物质风化、搬运、沉积和成岩过程基础之上的, 依然使用“ 常规” 的思路来解决这类“ 非常规” 岩性的问题必然会产生有争议的结论。例如, 在沉积模式建立时, 关于物源的探讨, 石英与长石的含量不能简单地视为陆源物质的注入, 用以反映淡水的注入、气候的改变等因素, 应注意其不同的微观结构、构造特征和地球化学特征, 并建立相应的沉积模式; 在烃源岩的地球化学特征研究时, 往往会使用不同微量元素的比值用以反映各类古地理特征。然而, 深源物质的直接注入带来了特殊的元素, 局部改变了水体地球化学元素的组成, 影响了各类量化指标的准确性。因此, 建议避免仅用单一的技术手段和理论方法对烃源岩开展研究。

3)由于目前对湖相烃源岩的基础岩矿特征认识存在上述不足, 导致深源物质与油气形成内涵机理的研究仍相对滞后。前文已述, 目前该机理认识多是建立在事实观察基础之上的统计学研究, 初步的理论认识尚缺乏实验室模拟加以证明。因此, 如何利用深源物质与油气的耦合关系为油气勘探开发工作提供生产指导基本处于空白阶段。

1)需重新认识中国所广泛分布的陆内湖相烃源岩岩矿组合特征与沉积、成岩机理。研究烃源岩中不同来源物质的识别方法, 从而进一步对烃源岩进行精细的岩性划分, 为研究烃源岩中油气的生成与聚集机理提供扎实的地质学基础资料。应注意在沉积学基础框架内, 结合全新的研究思路开展这类受深源物质影响的沉积岩的基础研究。

2)开展基于精细岩石学、矿物学基础之上的深源物质对油气形成影响因素的研究, 从而探讨该现象所蕴含的地球有机与无机物质相互作用与转化的内涵机理, 为拓展中国陆相生油理论提供新的研究思路。

3)综合前文所述, 并依据实际生产的需求和可操作性, 针对陆内湖相细粒沉积岩型烃源岩的勘探与开发提出以下建议: (1)除关注物性较好的常规储集层外, 应重新考量致密型生储一体的烃源岩层。该类型岩层虽然表现出较差的物性, 但其中的总有机碳含量极高, 应具有较高的开发潜力。现需对勘探方法和开采工艺进行改进。(2)区域上在地震剖面上寻找可能代表了火山— 热液活动的沉积建造体作为勘探目标, 其主要影响区域具有较高的生烃潜力。(3)重新探索并建立针对该类致密油及页岩油评价指标。例如加大单井纵向上的小层勘探取代对物性显示较好的甜点段的水平井开发。以矿物(主要指长石和碳酸盐类矿物)混合程度较高的岩性作为纵向上的目标小层。也可使用特殊指示型“ 示烃” 矿物作为火山— 热液参与的优质层位, 如自生石英、水铵长石和方沸石等。

致谢 衷心感谢2位评审专家提出的宝贵修改意见。感谢中国石油天然气股份有限公司吐哈油田分公司康积轮、马强和徐雄飞高级工程师, 中国石油勘探开发研究院白斌和张天舒高级工程师, 他们在基础资料收集和研究过程中给予作者极大的帮助!