孟庆涛, 张训, 杨亮, 高家俊, 刘招君, 胡菲, 邢济麟, 张成铭, 康嘉楠, 崔博, 董秦玮, 张恩威. (2024). 陆相拗陷湖盆细粒沉积有机质富集机制研究: 以松辽盆地长岭凹陷青山口组为例* [J]. 古地理学报, 26(2): 401-415.
MENG Qingtao, ZHANG Xun, YANG liang, GAO Jiajun, LIU Zhaojun, HU Fei, XING Jilin, ZHANG Chengming, KANG Jianan, CUI Bo, DONG Qinwei, ZHANG Enwei. (2024). Mechanism study of organic matter enrichment in fine-grained sediments in continental depression lacustrine basin: an example from the Qingshankou Formation in Changling sag, Songliao Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(2): 401-415.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.02.040
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陆相拗陷湖盆细粒沉积有机质富集机制研究: 以松辽盆地长岭凹陷青山口组为例*
孟庆涛1,2, 张训1, 杨亮3, 高家俊4, 刘招君1,2, 胡菲1,2, 邢济麟3, 张成铭1, 康嘉楠1, 崔博1, 董秦玮1, 张恩威1
1 吉林大学地球科学学院,吉林长春 130061
2 吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室,吉林长春 130061
3 中国石油股份有限公司吉林油田分公司勘探开发研究院,吉林松原 138000
4 中国石油化工股份有限公司东北油气分公司勘探开发研究院,吉林长春 130062

第一作者简介 孟庆涛,女,1984年生,教授,博士生导师,主要从事石油地质学、地球化学和非常规油气资源评价和成矿(藏)理论研究。E-mail: mengqt@jlu.edu.cn。

收稿日期:2023-08-15 修回日期:2023-09-22
基金资助:*吉林省自然科学基金项目(编号: 20230101081JC)、 中国石油集团公司科研项目(编号: JS2021-W-13-JZ-8-16)与吉林大学科技创新研究团队项目(编号: 2021TD-05)联合资助
摘要

松辽盆地作为白垩纪形成的大型陆相拗陷含油气盆地,沉积了巨厚的湖相细粒沉积,近年来在非常规油气方面展现了巨大的勘探潜力,其中青山口组是松辽盆地页岩油的重点攻关层系,细粒沉积有机质富集机制对于非常规油气勘探至关重要。在松辽盆地南部长岭凹陷分别选取位于不同沉积区的 3口井,针对其青一段水进体系域的细粒沉积岩,借助岩心观察、有机地球化学和生物标志化合物等技术手段,讨论在不同沉积环境和水进过程中,有机质来源和有机质保存条件的变化,分析有机质富集的关键控制因素,并建立相关的有机质富集模式。结果表明: 研究区青一段细粒沉积岩有机质丰度较高,有机质类型以 Ⅱ型干酪根为主,整体呈现有机质丰度南低北高、下低上高的特征; 饱和烃中正构烷烃主要表现为单峰、前峰型,具有微弱奇数碳优势; 萜类化合物中以三环萜烷和五环三萜烷为主; 甾类化合物中 C27- 29规则甾烷以 C27规则甾烷丰度最高; 芳香烃中三芴系列化合物以二苯并噻吩为主。研究区青一段细粒沉积岩有机质来源以湖泊内源菌藻类为主,含有一定的陆源高等植物输入,古水体整体为弱还原的半咸水环境。其中,有机质来源和古盐度是控制有机质富集的关键因素。在平面上,半深湖—深湖沉积区相较三角洲外前缘沉积区,受河流影响较弱,陆源输入较弱,水体盐度较高,有机质类型较好,有机质更加富集。在垂向上,随着水体加深,河流影响减弱,水体盐度呈升高的趋势,有机质类型变好,有机质富集。

关键词: 拗陷湖盆; 细粒沉积; 有机质富集; 控制因素; 青山口组一段; 白垩系; 长岭凹陷; 松辽盆地
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)02-0401-15
Mechanism study of organic matter enrichment in fine-grained sediments in continental depression lacustrine basin: an example from the Qingshankou Formation in Changling sag, Songliao Basin
MENG Qingtao1,2, ZHANG Xun1, YANG liang3, GAO Jiajun1, LIU Zhaojun1,2, HU Fei1,2, XING Jilin3, ZHANG Chengming1, KANG Jianan1, CUI Bo1, DONG Qinwei1, ZHANG Enwei1
1 College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China
2 Key Laboratory of Oil Shale and Coexistent Energy Minerals of Jilin Province,Changchun 130061,China
3 Exploration and Development Research Institute,Jilin Oilfield Company,Jilin Songyuan 138000,China
4 Exploration and Development Research Institute of Northeast Oil & Gas Branch of Sinopec,Changchun 130062,China

About the first author MENG Qingtao,born in 1984,is a professor at Jilin University.Her studies focus on the evaluation of petroleum geology,geochemistry and evaluation and mineralization of unconventional oil and gas resources.E-mail: mengqt@jlu.edu.cn.

Fund:Co-funded by the Natural Science Foundation of Jilin Province(No. 20230101081JC),the CNPC Funded Project(No.JS2021-W-13-JZ-8-16)and the Program for Jilin University Science and Technology Innovative Research Team(No.2021TD-05)
Abstract

As a large continental depression oil-and gas-bearing basin formed during the Cretaceous period,Songliao Basin contains a huge thickness of lacustrine fine-grained sediments,characterized by great exploration potential for unconventional oil and gas in recent years. The Qingshankou Formation is the key breakthrough layer of shale oil in Songliao Basin,and the mechanism of organic matter enrichment in fine-grained sediments is crucial for unconventional oil and gas exploration. Three wells located in different sedimentary areas in Changling sag of southern Songliao Basin were selected for detailed studies in this study. Based on core observation,organic geochemistry and biomarkers analysis of the fine-grained sedimentary rocks of the Member 1 of Qingshankou Formation(K2 qn1),the transgressive systems tract,and the source and preservation conditions of organic matter in different sedimentary environments and processes were analyzed. Then the key control factors of organic matter enrichment were discussed,and the relevant enrichment models were established. Our results show that the organic matter abundance of fine-grained sedimentary rocks of K2 qn1 was relatively high,and the kerogen is dominated by type Ⅱ. The overall organic matter abundance was low values in the south but high values in the north,low values in the lower part and high values in the upper part. Normal alkanes in saturated hydrocarbons predominantly exhibit single-peak and pre-peak patterns,with a slight odd-carbon preference. The terpenoids are primarily composed of tricyclic terpenoids and pentacyclic triterpenes. C27-29 regular steroids are dominated by C27 regular steroids. The major compound of the trifluorene series in aromatic hydrocarbons is dibenzothiophene. The organic matter in fine-grained sedimentary rocks of K2 qn1 is mostly derived from the endogenous bacteria and algae in lakes,containing a certain amount of terrestrial higher plants. The water body is a weakly reduced,brackish environment. The source of organic matter and salinity are key factors controlling the enrichment of organic matter. Horizontally,the semi-deep lake to deep lake is less affected by riverine influences compared to the delta’s outer front,exhibiting weaker terrestrial input,higher water salinity,superior organic matter types,and greater organic matter richness. Vertically,as the water depth increases,riverine influence diminishes,the water salinity trends upward,the quality of organic matter improves,and organic matter becomes more enriched.

Key words: depression lacustrine basin; fine-grained sediments; organic matter enrichment; control factors; K2 qn1; Cretaceous; Changling sag; Songliao Basin

随着油气勘探由常规油气转向非常规油气, 细粒沉积岩对于页岩油气研究的重要性越来越突出(Picard, 1971; Aplin et al., 2011), 富有机质细粒沉积岩开始成为勘探的热点。国外目前关于细粒沉积体系的研究主要针对海相页岩(Loucks and Ruppel, 2007; Abouelresh and Slatt, 2012), 而中国除四川、塔里木等地区外, 松辽、鄂尔多斯等盆地均发育陆相细粒沉积体系(刘招君等, 2009, 2016)。陆相湖盆具有多物源、相变快等特点(马存飞等, 2022; 王鑫锐等, 2023), 其中陆相断陷湖盆在强烈的断陷作用下, 较高的沉积速率和快速沉降形成的深湖环境有利于有机质的保存, 但其距离沉积物源往往较近, 结构成熟度较低, 不利于细粒沉积岩的广泛发育; 较强的沉积物供给还会对有机质形成“ 稀释” 作用(李凤杰, 2001; 柳蓉, 2007; 林畅松等, 2018)。而陆相拗陷湖盆与断陷湖盆相比, 盆地坡度平缓, 沉积物搬运距离长, 分选好, 深湖区受沉积物供给影响较小, 有利于细粒沉积岩的发育。同时, 在水进体系域和高位体系域时, 大型拗陷湖盆也具备较高的沉积速率和可容纳空间。因此拗陷湖盆深湖区在水进体系域晚期至高位体系域早期往往发育大量富有机质细粒沉积岩(李凤杰, 2001; Zhang et al., 2021)。

有机质富集一直是国内外研究的重点, 前人研究认为与有机质富集息息相关的3个主要因素为生产力、保存条件和沉积速率的稀释作用(张慧芳等, 2016; 刘招君等, 2019)。除此之外, 对于陆相湖盆而言, 其往往面积较小且靠近物源区, 易受构造和气候变化影响, 生物和陆源供给往往会呈频繁的周期性变化, 有机质富集规律更加复杂。对于细粒沉积岩来说, 其富含的黏土矿物往往会吸附有机质, 从而形成复合体, 阻碍有机质的矿化和微生物分解(Armstrong and Chesters, 1964; Schieber, 2011; 张慧芳等, 2016)。而这一被称为絮凝作用的过程又会受到有机质、盐度和氧化还原性等多种因素的影响。

松辽盆地是大型中生代陆相拗陷湖盆的典型代表, 白垩系发育2套十分重要的陆相细粒沉积体系(Deng et al., 2014; 王浩, 2019; Zhang et al., 2020), 其中青山口组一段发育厚层富有机质细粒沉积岩, 是目前页岩油勘探的首选靶层。长岭凹陷位于中央坳陷区南部, 从南向北依次发育三角洲外前缘— 半深湖— 深湖沉积环境(柳波等, 2021), 该凹陷页岩油勘探程度较高, 沉积学及地球化学等测试数据丰富, 是开展拗陷湖相细粒沉积有机质富集特征及控制因素研究的理想区域。前人针对青山口组一段有机质富集机制研究多集中于东南和东北隆起区(贾建亮, 2012; 孙平昌, 2013; 甄甄, 2013; Xu et al., 2019; 詹卓琛, 2020), 而在中央凹陷区却缺少系统研究, 其有机质富集特征及控制因素尚不明确。鉴于此, 选取长岭凹陷位于不同沉积区的Z1、Z2和Z3这3口系统取心井, 以青山口组一段水进体系域富有机质细粒沉积为研究对象, 开展有机地球化学和生物标志化合物特征分析, 揭示有机质富集特征, 在分析有机质来源及保存等条件在不同沉积背景下的变化规律基础上, 讨论有机质富集的控制因素, 建立有机质富集模式。

1 区域地质概况

松辽盆地位于中国东北部, 是白垩纪亚洲古陆上面积最大、白垩系发育最完整的盆地之一, 是大型中新生代陆相沉积盆地(Watson et al., 1987)。根据盆地内各地区的构造差异, 前人将整个盆地分为中央坳陷区、北部倾没区、西部斜坡区以及西南、东北、东南隆起区6个一级构造带。中央坳陷区上白垩统发育青山口组、姚家组、嫩江组等, 其中青山口组和嫩江组发育多套烃源岩层系, 页岩油勘探潜力巨大(邢济麟, 2019)(图 1)。

图 1 松辽盆地长岭凹陷区域地质背景图(据Feng et al., 2010; 有修改)Fig.1 Regional geological background map of the Changling sag, Songliao Basin(modified from Feng et al., 2010)

长岭凹陷位于中央坳陷区南部, 是重要的生烃凹陷之一, 呈东低西高、南陡北缓的向斜构造形态。在青一段沉积时期, 长岭凹陷发生过大规模的湖侵事件, 因此沉积了厚层的富有机质细粒沉积岩。根据前人研究, 松辽盆地青山口组一段为1个三级层序, 进一步划分为水进、高位和水退体系域(刘婷, 2011; 邵志芳, 2018)。作者研究的重点井Z1、Z2、Z3井由北向南分布, 其中Z1井位于深湖沉积区, Z2井位于半深湖— 深湖沉积区, Z3井位于三角洲外前缘— 半深湖沉积区(柳波, 2021)。依据岩石组合特征和TOC旋回变化作为准层序划分原则, 对3口井青一段进行划分, 其下部水进体系域可划分为3个准层序Y1-Y3(图 2)。

图 2 松辽盆地长岭凹陷Z1、Z2、Z3井岩性柱状图Fig.2 Lithologic histograms of Wells Z1, Z2, Z3 in Changling sag, Songliao Basin

2 实验样品和测试方法

通过精细的岩心观察, 本次研究共选取144个典型细粒沉积样品开展总有机碳和岩石热解测试分析, 其中Z1井岩心长53.60 m, 取样49个; Z2井岩心长45.92 m, 取样46个; Z3井54.89 m, 取样49个, 取样精度约为1 m。3口井细粒沉积岩的岩性主要为页岩、泥岩和粉砂质泥岩。在此基础上, 挑选34个典型样品开展生物标志化合物分析, 其中Z1井11个, Z2井10个, Z3井13个。所有试验均在吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室测试完成。

总有机碳测试采用Leco CS-230碳硫仪依据GB/T 19145— 2003《沉积岩中总有机碳的测定》完成。将样品研磨至200目, 随后称取少量装入坩埚中, 经稀盐酸淋洗后加入助燃剂和铁屑, 送进碳硫仪燃烧, 获得TOC含量。岩石热解测试采用Rock-eval-6热解仪依据GB/T 18602-2012《岩石热解分析》完成。使样品在氦气中加热到300℃, 平衡3 min, 得到游离烃(S1), 随后升温加热到600℃平衡, 得到裂解烃(S2), 并获得Tmax。

生物标志化合物测试采用GC-MS色谱质谱仪依据GB/T 18606-2017《气相色谱— 质谱法测定沉积物和原油中生物标志物》完成。用二氯甲烷和甲醇(9︰1)溶液进行抽提, 抽提所得溶液经过旋转蒸发之后, 加入正己烷静置12 h, 随后进行离心过滤, 除去沥青质。剩下的溶液通过装有硅胶和氧化铝的层析柱进行分离, 使用正己烷、二氯甲烷和正己烷(2︰1)混合溶液、二氯甲烷和甲醇(2︰1)溶液进行淋洗, 分离饱和烃和芳香烃。随后利用GC-MS色谱质谱仪对饱和烃和芳香烃进行分析。

3 实验结果
3.1 有机质丰度

长岭凹陷青一段细粒沉积岩整体TOC含量较高, 为0.56%~4.27%(平均值为2.00%), 生烃潜量(S1+S2)为0.38~24.37mg/g(平均值为8.62 mg/g)。其中, Z1井TOC和生烃潜量大多为高值(TOC> 2%, S1+S2> 6mg/g), 而Z3井大多相对偏低(TOC< 3%, S1+S2< 6mg/g)。在平面上, 从南向北, 青一段TOC含量和生烃潜量逐渐升高(图 3)。从垂向上来说, 自下而上生烃潜量逐渐增高(Y1-Y3层段生烃潜量平均值分别为6.20mg/g、9.48mg/g、10.08mg/g); TOC含量, Y1层段(平均1.78%)< Y2层段(平均2.05%)< Y3层段(平均2.16%), 呈现出自下而上逐步增加的特征。这反映出研究区青一段整体有机质丰度较高, 并且表现出有机质自南向北、自下而上富集的特征。

图 3 松辽盆地长岭凹陷青一段TOC和S1+S2频率分布
a— 长岭凹陷Z1-Z3井青一段TOC频率分布图; b— 长岭凹陷Z1-Z3井青一段S1+S2频率分布图; c— 长岭凹陷Y1-Y3层段TOC频率分布图; d— 长岭凹陷Y1-Y3层段S1+S2频率分布图Fig.3 Frequency distribution of TOC, S1+S2 of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

3.2 生物标志化合物特征

3.2.1 饱和烃特征

1)正构烷烃及类异戊二烯烃

生物标志化合物中正构烷烃的组成分布特征与有机质来源及成熟度息息相关(王铁冠和钟宁宁, 1990; 张水昌和林永汉, 1995)。长岭凹陷青一段细粒沉积岩正构烷烃主要呈现单峰、前锋型的碳数分布特征(图 4), 以短链和中链正构烷烃为主。在平面上, 由南向北, 长链正构烷烃相对含量逐渐降低; 垂向上, 各层段间短链、中链和长链正构烷烃含量的变化并不明显。此外, 各井和层段的CPI值较为接近, 平均值为1.09, 为微弱的奇数碳优势, 体现研究区青一段整体进入成熟阶段。

图 4 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩m/z57质谱图
a— Z1井Y1层段; b— Z2井Y2层段; c— Z3井Y3层段Fig.4 Mass chromatograms(m/z57)of fine-grained sedimentary rocks of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)是2种十分常见的生物标志化合物, 常用来反映沉积环境和母质类型等信息(Powell and Mckirdy, 1973)。整体来看, 研究区青一段Pr/Ph均大于1, 呈弱姥鲛烷优势。

2)萜类化合物

萜类化合物是一类广泛存在于生物体内的生物标志, 特征是具有环状分子结构, 其稳定性和抗降解能力均较强(Kolaczkowsla et al., 1990; 王昌军, 2017; 赵青芳等, 2021; 张成铭等, 2022)。根据m/z191质谱图检测出了较为丰富的三环萜烷、五环三萜烷和少量的四环萜烷、伽马蜡烷, 其相对丰度表现为: 四环萜烷< 五环三萜烷< 三环萜烷(图 5)。研究区三环萜烷(TT)包括C19-29TT, 其中, C21TT整体上含量最高, 反映研究区有机质热演化程度较高。四环萜烷的丰度普遍很低, 只有Z3井样品略高。C24四环萜烷/C26三环萜烷(C24Tet/C26TT)为0.03~0.85, 平均值为0.27。

图 5 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩m/z191质谱图
a— Z3井Y1层段; b— Z2井Y2层段; c— Z1井Y3层段Fig.5 Mass chromatograms(m/z191)of fine-grained sedimen-tary rocks of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

图 6 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩m/z217质谱图
a— Z3井Y1层段; b— Z2井Y1层段; c— Z1井Y3层段Fig.6 Mass chromatograms(m/z217)of fine-grained sedi-mentary rocks of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

在五环三萜烷中主要检测出了霍烷系列和一定含量的伽马蜡烷, 霍烷主要有藿烷17α , 21β 和17β , 21α 共2种异构体, 碳数分布介于C27~C31之间, 以C30霍烷占优势, 未检测出C28霍烷和C32以上较高碳数的霍烷。伽马蜡烷指数(GI=伽马蜡烷/C30藿烷)为0.07~0.46, 平均值为0.23。

3)甾类化合物

甾烷类化合物是能够稳定地保存在沉积物中的一类四环化合物, 其往往来源于真核生物, 在研究有机质的来源和成熟度等方面能发挥巨大的作用(Volkman et al., 1988; 卢双舫等, 2008; 高红梅等, 2009; 何川, 2020; 杨海, 2021)。根据m/z217质谱图, 研究区样品中甾类化合物主要为C27~C29规则甾烷、重排甾烷、孕甾烷及升孕甾烷。其中, 规则甾烷含量高于重排甾烷, 规则甾烷以C27甾烷为主, 孕甾烷(C21)含量高于升孕甾烷(C22)。

整体上研究区青一段规则甾烷均呈现C27> C29> C28的“ L型” 碳数分布特征。规则甾烷C27/C29介于1.13~4.96之间, 平均值为2.28。

3.2.2 芳香烃特征

芳香烃类化合物含有一个或者多个芳环, 热稳定性高, 能够提供有机质来源、成熟度和沉积环境等重要信息。三芴系列化合物是较为常见的多环芳香烃化合物, 其中比较重要的是芴(F)、二苯并噻吩(DBT)和二苯并呋喃(DBF)。研究区青一段的三芴化合物均呈现出DBT> F> DBF的分布特征。在平面上, Z1井和Z2井DBT/DBF值大于Z3井; 在垂向上Y3层和Y2层段大于Y1层段。

同时二苯并噻吩属于芳香烃类化合物中一种十分重要的含硫化合物, 二苯并噻吩/菲(DBT/P)值可以反映有机物的硫化程度(Hughes et al., 1995; Song et al., 2017)。研究区青一段DBT/P值均较低, 为0.006~0.018。

4 有机质来源及富集环境
4.1 有机质类型及来源

研究区青一段细粒沉积物氢指数平均值介于280.6~340.9mg/g之间, 依据烃源岩有机质类型划分标准(SY/T 5735-2019), 青一段主要为Ⅱ 型干酪根。从平面上看, Z1井和Z2井以Ⅱ 型干酪根为主, Z3井以Ⅱ 2-Ⅲ 型干酪根为主, 同时含有少量的Ⅰ 型干酪根(图 7), 反映出半深湖— 深湖区有机质类型相对更好。垂向上, Y1层段主要为Ⅱ 2-Ⅲ 型干酪根; Y2层段主要为Ⅱ 型干酪根; Y3层段主要为Ⅱ 型干酪根, 具有一部分Ⅰ 型干酪根, 反映出随水体加深、有机质类型变好的趋势。

图 7 松辽盆地长岭凹陷青一段有机质类型判别图Fig.7 Organic matter type differentiation map of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

样品中正构烷烃以短链、中链为主, 且呈单峰、前峰型的分布特征, 指示了以湖泊菌藻类为主要的有机质来源。结合C27-29规则甾烷的相对含量来看, 青一段C27规则甾烷占比最高, 表明湖泊菌藻类有机质为主要来源。规则甾烷C27/C29在平面上, Z1井(平均3.58)> Z2井(平均1.94)> Z3井(平均1.45), 表现出自南向北逐步增大的特征, 在规则甾烷三角图也显示出类似的规律(图 8), 表现出菌藻类有机质输入自南向北增强的特征。在垂向上, 规则甾烷C27/C29, Y1层段(平均2.11)和Y2层段(平均2.02)小于Y3层段(平均2.57), 呈现下弱上强的特征, 反映出菌藻类有机质输入自下向上增强的变化趋势。

图 8 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩C27-29规则甾烷三角图(底图据Yandoka et al., 2015)
a— 长岭凹陷青一段Z1-Z3井规则甾烷三角图; b— 长岭凹陷青一段Z1井规则甾烷三角图; c— 长岭凹陷青一段Z2井规则甾烷三角图; d— 长岭凹陷青一段Z3井规则甾烷三角图Fig.8 C27-29 regular sterane triangles of fine-grained sedimentary rocks of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin (base map after Yandoka et al., 2015)

较高的C29规则甾烷含量表明了陆源有机质的贡献。从DBT/Phe-TS关系图(图 9-d)来看, 研究区青一段总体具有较高的TS值, 有机质硫化程度却较低, 反映了陆源金属离子的存在, 侧面印证了陆源输入对有机质的一定影响。

图 9 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩富集环境关系图
a— 长岭凹陷青一段细粒沉积岩TS-TOC关系图(据Zhang等, 2022); b— 长岭凹陷青一段细粒沉积岩Pr/(n-C17)-Ph/(n-C18)交会图(据Alias等, 2012); c— 长岭凹陷青一段细粒沉积岩GI-Pr/Ph关系图; d— 长岭凹陷青一段细粒沉积岩DBT/Phe-TS关系图(据Song等, 2017)Fig.9 Relationship diagram of enrichment environment of K2qn1 fine-grained sedimentary rocks in Changling sag, Songliao Basin

4.2 古水体盐度

由于咸水中硫酸盐的浓度往往要比淡水中高, 更加有利于含硫有机物和矿物的形成, 从而会使TOC/TS值较低(Berner, 1984; Hofmann et al., 2000; 付小东等, 2004)。因此TOC/TS值可以作为判断古水体盐度的参数, 数值高代表水体盐度低。从TS-TOC关系图(图 9-a)来看, 数据相关性强, 集中分布于图左侧, TOC/TS较低, 平均值为0.81~1.24, 反映了较高的水体盐度(Berner, 1984)。Z3井TOC/TS(平均1.24)大于Z1井(平均0.82)和Z2井(平均0.81), 表明Z3井古水体盐度低于Z1井和Z2井。

伽马蜡烷目前主要被认为是四膜虫醇被还原的产物, 含量越高说明水体盐度越高。因此伽马蜡烷指数(GI=伽马蜡烷/C30藿烷)可以用来判断水体盐度(傅家谟等, 1991)。伽马蜡烷指数GI低于0.2时指示淡水环境, 介于0.2~0.5之间指示半咸水环境, 超过0.5则反映咸水环境(傅家谟等, 1991; Peters and Moldowam, 1992), 研究区青一段伽马蜡烷指数GI介于0.07~0.47之间, 平均值为0.23, 表示其主要为淡水— 半咸水环境。平面上, 伽马蜡烷指数, Z3井(平均0.18)小于Z2井(平均0.25)和Z1井(平均0.26), 呈现南低北高的特征, 反映水体盐度自南向北增大的趋势。垂向上, Y1层段(平均0.21)和Y2层段(平均0.20)伽马蜡烷指数小于Y3层段(平均0.25), 表现出下低上高的特征, 反映水体盐度呈现自下而上略有增大的趋势。

结合前人研究, 松辽盆地青一段下部水体盐度相对较高(Xu et al., 2015; Wu et al., 2023)。TOC/TS和伽马蜡烷指数GI反映出三角洲外前缘区的Z3井水体盐度相对较低。这可能是由于Z3井离物源区较近、受到河流注入稀释作用影响。从垂向上来看, 随着水进过程, 水体盐度呈现向上增高的趋势。通常来说, 水体盐度的变化与古气候变化和海侵事件有关(王璞珺等, 1995; 冯承承, 2021; 王岚等, 2022)。在青一段沉积时期, 松辽盆地处于温暖潮湿的气候环境(Xu et al., 2015), 同时前人在青一段时期发现了丰富的C30 4-去甲基甾烷和多种C28-C31 4-甲基甾烷, 表明青一段时期很有可能存在海侵(Hou et al., 2000; Hu et al., 2015)。

4.3 氧化还原性

一般而言, Pr/Ph< 1表示缺氧环境, Pr/Ph> 3表示氧化环境(Didyk et al., 1978)。研究区青一段Pr/Ph平均值为1.37, 结合Pr/(n-C17)-Ph/(n-C18)交会图(图 9-b)来看, 数据点分布集中, 表明研究区主要为贫氧— 缺氧条件。

通常, 芴的化学性质比较活泼, 在淡水— 微咸水的湖相偏还原环境中较为富集, 在海相或盐湖相的强还原环境中容易与硫发生取代反应形成二苯并噻吩(DBT), 而在滨浅湖或沼泽相等偏氧化环境中容易发生氧化反应形成二苯并呋喃(DBF)(姜乃煌等, 1994; 王骏等, 2015)。研究区青一段DBT> F> DBF的三芴化合物分布特征表明青一段偏向于缺氧环境。

平面上, Z1井(平均1.32)和Z2井(平均1.22)的Pr/Ph小于Z3井(平均1.47), 表明半深湖— 深湖区还原性更强; DBT相对含量也表现为Z1井(平均90%)> Z2井(平均80%)> Z3井(平均77%)。垂向上, Pr/Ph(Z1:1.34; Z2:1.39; Z3:1.33)与DBT(Z1:84%; Z2:81%; Z3:81%)的相对含量变化幅度较小, 没有明显的变化趋势。

5 有机质聚集模式
5.1 有机质聚集的影响因素

长岭凹陷青一段湖相细粒沉积岩有机质丰度和成熟度较高, 有机质类型主要以Ⅱ 型干酪根为主, 有机质来源以湖泊菌藻类为主, 形成于淡水— 半咸水贫氧— 缺氧环境。从图 10可以看出规则甾烷C27/C29、GI和TOC呈一定程度的正相关, 而Pr/Ph值与TOC相关性较差, 表明有机质来源对有机质富集起到主要控制作用。

图 10 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩有机质富集影响因素相关性图
a— Z1-3井C27/C29与TOC相关性图; b— Z1-3井GI与TOC相关性图; c— Z1-3井Pr/Ph与TOC相关性图Fig.10 Correlation between factors influencing organic matter enrichment of fine-grained sedimentary rocks of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

5.2 有机质聚集模式

综合松辽盆地长岭凹陷青一段湖相细粒沉积岩的有机质丰度、来源、富集环境和主控因素分析, 建立了青一段水进过程初级生产力有机质聚集模式(图 11)。

图 11 松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩有机质聚集模式
a— 长岭凹陷Y1准层序; b— 长岭凹陷Y2准层序; c— 长岭凹陷Y3准层序Fig.11 Organic matter enrichment pattern of fine-grained sedimentary rocks of K2qn1 in Changling sag, Songliao Basin

5.2.1 Y1准层序

Y1准层序形成于水进体系域早期, 整体有机质丰度较低(平均1.78%), 为淡水— 半咸水的缺氧环境(GI: 0.21; Pr/Ph: 1.34)。有机质来源中, 陆源有机质占有较大比重(C29规则甾烷占比28%), 反映此时具有中等的陆源供给, 但湖泊菌藻为主要有机质来源(C27规则甾烷占比50%)。南部三角洲外前缘区, 由于较强的河流注入作用, 大量的含氧淡水使得水体盐度较低(GI平均值为0.18)、缺氧条件受到一定破坏(Pr/Ph值平均值为1.54)、陆源有机质含量较高(C29规则甾烷占比33%)、有机质丰度较低(TOC平均值为1.55%)。

北部半深湖— 深湖区, 受河流注入影响较弱, 盐度较高(GI平均值为0.23)、陆源有机质含量相对较低(C29规则甾烷占比24%), 因此有机质丰度相对较高(TOC平均值为1.91%)。

5.2.2 Y2准层序

Y2准层序形成时期, 与Y1时期相比, 湖泊菌藻类有机质占比上升(规则甾烷C27/C29平均值为2.34), 而水体盐度和氧化还原环境未有明显变化(GI: 0.21; Pr/Ph: 1.39), 显示此时有机质丰度升高(TOC平均值为2.05%)与有机质类型的变化密切相关。陆源有机质占有较大比重(C29规则甾烷占比27%), 反映此时仍为中等陆源供给。南部三角洲外前缘区, 水体盐度略微降低(GI平均值为0.14), 在总体盐度变化不大(GI: 0.20)的前提下, 表明此时河流淡水的注入加强。有机质丰度升高(TOC平均值为2.04%), 而陆源有机质占比不变(C29规则甾烷占比33%), 表明陆源有机质输入增加的同时, 菌藻类有机质也发生了增长, 这可能是由于河流带来的营养盐促进了水生生物的繁殖(冉祥滨等, 2011)。半深湖— 深湖区域, 与Y1时期相比, 湖泊加深, 水体盐度略微上升(GI平均值为0.27)、陆源有机质占比减少(C29规则甾烷占比22%), 有机质类型变好, 有机质丰度上升(TOC平均值为2.06%)。

5.2.3 Y3准层序

Y3准层序沉积时期, 接近最大湖泛面, 有机质丰度最高(TOC含量为2.16%)。相较于之前, 水体盐度升高(GI平均为0.25), 陆源有机质占比较低(C29规则甾烷占比24%), 反映此时为低— 中等陆源供给。南部三角洲外前缘— 半深湖区, 水体加深, 河流淡水输入减弱, 水体盐度上升(GI平均值为0.18), 由淡水转变为淡水— 半咸水环境。菌藻类有机质占比相对减少(规则甾烷C27/C29平均值为1.43), 因此有机质丰度降低(TOC平均值为1.67%)。半深湖— 深湖区, 与Y2层段沉积时期相比, 湖泊加深, 盐度变化不大(GI平均值为0.27), 而菌藻类有机质占比增加(C27规则甾烷占比60%), 因此有机质丰度升高(TOC平均值为2.36%)。

6 结论

1)松辽盆地长岭凹陷青一段细粒沉积岩有机质丰度和成熟度较高, 有机质类型以Ⅱ 型干酪根为主, 整体呈现有机质丰度南低北高、下低上高的特征。

2)长岭凹陷青一段细粒沉积岩中测出大量饱和烃和芳香烃, 饱和烃中正构烷烃主要表现为单峰、前峰型微弱奇碳优势的碳数分布, 短链、中链正构烷烃含量较高, 具有低Pr/Ph值的特征; 萜类化合物中以三环萜烷和五环三萜烷为主; 甾类化合物中C27-29规则甾烷以C27规则甾烷丰度最高。芳香烃中, 三芴系列化合物以二苯并噻吩为主, 而二苯并呋喃含量极低。

3)长岭凹陷青一段细粒沉积岩有机质来源以湖泊菌藻类为主, 含有一定的陆源高等植物输入, 古水体整体为贫氧— 缺氧的淡水— 半咸水环境。其中, 有机质来源是控制有机质富集的关键因素。

4)建立了长岭凹陷青一段水进体系域时期初级生产力有机质聚集模式。在平面上, 半深湖— 深湖沉积区相较三角洲外前缘沉积区, 受河流影响较弱, 陆源输入较弱, 水体盐度较高, 有机质类型较好, 有机质富集。在垂向上, 随着水体加深, 河流影响减弱, 有机质类型变好, 有机质富集。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 龚承林)

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