雪峰山西侧上奥陶统五峰组烃源岩特征及油气地质意义

杨 平 谢 渊 王传尚 王先辉 刘早学

1．成都地质调查中心 2．武汉地质调查中心 3．湖南省地质调查院 4．湖北省地质调查院

近几年我国南方海相油气勘探成果进一步揭示了南方下组合良好的勘探前景，目前对雪峰山西侧地区的下古生界烃源岩研究工作中有效烃源岩的发育及空间分布的认识，主要是基于有限的剖面和少量盆地内钻井岩心剖面，尚缺乏详细的大比例尺地面油气地质调查所提供的丰富资料进行精细刻画，因此，对该区下古生界有效烃源岩的识别和评价标准、厚度和分布、生排烃史和成烃资源潜力分析等仍需探索，对古生界有效烃源岩对现今油气藏的贡献仍需探讨［1］。前人对五峰组研究主要集中在地层、古生物、层序地层学、生态相、沉积环境以及地球化学等方面，而对其烃源岩特征及分布规律等方面所做工作相对较少。五峰组在研究区主要分布在上扬子东南缘、湘鄂西、黔北及黔东等地区，对出露较好较完整的剖面视岩性和露头情况对其按一定的等间距（2～5m间距，个别较薄层段间距为1m）进行了系统采样，各项测试由中国科学院广州地球化学研究所及中国石油西南油气田公司勘探开发研究院分析实验中心完成。笔者通过有机地球化学分析结果，探讨了该区五峰组烃源岩的生烃潜力及其分布规律、有机质类型、沉积环境及有机质成熟度等。

1 地质概况

研究区大致为长江中上游重庆—万州—宜昌段东南侧的齐岳山与雪峰山之间的区域，地质上处于中国南方四川盆地东南边缘与雪峰山构造带之间的过渡带（图1），该区寒武纪—早奥陶世接受了被动大陆边缘海相沉积，中奥陶世—早志留世沉积受加里东晚期构造运动的控制。上奥陶统上部的五峰组广泛发育于扬子区和江南区，厚度不大但横向分布相当稳定，一般仅数米，个别地区达数十米，主要岩性为黑色笔石页岩和放射虫硅质岩［2］。五峰组沉积时期的古地理格局可分为2个隆起、1个盆地。2个隆起分别为湘西—黔中隆起和川中隆起，1个盆地为中上扬子统一的前陆坳陷盆地。

图1 研究区范围及采样位置图

2 有机质丰度与烃源岩分布规律

奥陶系五峰组烃源岩分布主要受控于该时期沉积环境，烃源岩主要发育位置为深水陆棚或次深海盆地，沉积时不同古地理位置烃源岩厚度及有机质含量有所差异。五峰组沉积时期主要受雪峰隆起及黔中隆起共同控制，该时期准前陆盆地具有向陆一侧迁移特征，该机制控制了黑色页岩的分布规律，在平面上形成一系列的“沟垄”特征，黑色页岩厚度分布及有机质含量具有以下规律：①平面上呈沟垄平行且受前陆盆地迁徙控制，并与前陆盆地长轴方向平行；②根据黑色页岩厚度（图2）可划分3个厚度较大的区域分别为石柱—南川—桐梓（A带）、鹤峰—咸丰—秀山（B带）、桃源—安化—靖州（C带）；③有机质含量较高的区域主要为石柱—南川—习水一线，该区距离川中隆起及黔中隆起均较远，是五峰组沉降中心，水体深度相对较深，有利于有机质保存，该区域与五峰组沉积厚度较大的地区石柱—南川—桐梓一线基本吻合（图3）。

图2 五峰组黑色页岩厚度等值线图

图3 五峰组黑色页岩有机碳含量等值线图

A带如石柱漆辽五峰组为一套深水陆棚相黑色硅质岩及页岩，厚9．5m，总有机碳含量（TOC）介于2．28%～6．15%，平均为4．57%，氯仿沥青“A”含量介于28～690μg／g，生烃潜能（S1＋S2）介于0．02～0．06 mg／g。道真平胜黑色硅质岩及页岩厚度为6．8m，TOC介于3．00%～4．71%，平均值为4．07%，氯仿沥青“A”含量介于14～1 634μg／g，平均为978μg／g，（S1＋S2）介于0．01～0．05mg／g。B带如秀山地区五峰组黑色页岩厚度较石柱地区要大，但其有机质含量相对较低，如季沟树黑色硅质岩及页岩厚13．5m，TOC介于1．35%～3．53%，平均为2．63%，氯仿沥青“A”含量为117μg／g，（S1＋S2）介于0．02～0．07mg／g。回星哨硅质页岩及黑色页岩TOC介于2．12%～3．26%，平均为2．52%。C带具有最大的黑色页岩厚度，普遍大于10m，桃源及靖州等地页岩厚度可达20 m，有机质含量亦较高，如安化存粮冲TOC介于1．42%～3．48%，平均为2．13%（表1）。

綦江观音桥与习水土河同处于A带以西，黑色页岩厚度介于2．1～2．7m，与A、B及C带相比黑色页岩厚度总体较薄，缺少硅质岩沉积，表明沉积水体相对较浅，但有机质含量仍然保持较高的水平，如綦江观音桥TOC介于5．03%～9．79%，平均值为8．40%，氯仿沥青“A”含量61μg／g，（S1＋S2）为0．30mg／g，习水土河TOC介于1．68%～3．94%，表明该区五峰组黑色页岩有机质含量不仅与沉积水体深度有关，还有沉积时母质来源及有机质产力有关。

表1 研究区五峰组烃源岩有机地球化学特征表

纵向上道真平胜、秀山季沟树及秀山回星哨等地TOC由下至上逐渐增加，至五峰组顶部为最大值，如道真平胜底部的TOC最小值为1．35%，而顶部的TOC最大值达3．53%，在岩性上底部为1．63m黑色粉砂质页岩，上部为黑色硅质页岩，反映水体逐渐由浅变深的盆地演化过程。

上述数据表明研究区五峰组具有有机质丰度较高、较高氯仿沥青“A”含量及低产烃潜量特征，反映烃源岩成熟度较高，是研究区非常有利的一套烃源岩。

3 有机质类型与沉积环境

奥陶系五峰组烃源岩干酪根显微组成分析结果表明，以腐泥组占优势，含量介于70%～93%，平均为81．1%；其次为沥青组，含量介于7%～26%，平均为18．1%；与震旦系和寒武系干酪根显微组分不同的是开始出现少量的镜质组和惰质组（表2）。该特征可能与奥陶纪晚期维管陆地植物（裸蕨植物门）的出现有关（Zimmermann W，1969）。

表2 五峰组显微组分含量表

各剖面有机显微组成特征如下：石柱漆辽显微组分以腐泥组占优势，含量为70%～80%，次为沥青组，含量为19%～26%，镜质组含量为0～2%，惰质组含量为0～5%，不含壳质组；道真平胜显微组分以腐泥组占优势，含量为71%～90%，次为沥青组含量为10%～23%，镜质组含量为0～2%，惰质组含量为0～4%，不含壳质组。秀山季沟树显微组分腐泥组含量为75%～85%，沥青组含量为17%～25%，不含壳质组、镜质组和惰质组。秀山回星哨显微组分腐泥组含量为76%～90%，沥青组含量为10%～21%，不含壳质组、镜质组和惰质组。上述分析表明五峰组烃源岩显微组分以腐泥组为主，次为沥青组，部分地区含少量的镜质组与惰质组，类型指数TI为89～100，均为腐泥型有机质。

氯仿沥青“A”中族组分质量分数多表现为饱和烃＞非烃＞芳烃（表3），这种高饱和烃、高非烃和低芳烃的族组分分布特征被认为是以富含类脂化合物和蛋白质低等水生生物为来源的腐泥型有机质的特点，其饱和烃与芳香烃的比值可用来判识生油岩类型，比值大于3为腐泥型生油岩，比值在0．5～0．8之间为腐殖型生油岩，混合型生油岩则介于腐泥型与腐殖型之间［3］。所有样品比值为0．91～6．07（平均为3．50），其中石柱漆辽比值为1．97～6．07（平均为4．04），道真平胜比值为2．60～5．00（平均为3．80），秀山季沟树—回星哨比值为2．75～4．0（平均为3．38）。上述数据反映五峰组烃源岩为腐泥型生油岩，而且反映五峰组沉积时期各地具有相似的沉积母质类型与沉积环境。

表3 五峰组烃源岩族组成参数表

黄汝昌（1997）研究表明各种生物体中δ13Corg值具有不同的特征，海生藻类δ13Corg介于－17‰～－28‰，海洋浮游生物脂肪质具有较低的δ13Corg值（－24‰～－34‰），海洋性自养菌具有最低的δ13Corg值（－34‰～－36‰）。黄第藩根据我国陆相生油岩干酪根碳同位素的大量资料，曾提出用δ13C＝－26‰和δ13C＝－27．5‰作为区分腐殖型、混合型、腐泥型干酪根的2个指标界限。而梁狄刚［4］则将海相混合型与腐泥型干酪根的δ13Corg界限值调整为－29‰。五峰组干酪根δ13Corg主要集中在－32‰～－28‰，且δ13Corg与有机碳含量无明显相关性。因此，五峰组以腐泥型有机质为主，个别为偏腐泥混合型有机质（图4），反映沉积母质以藻类及浮游生物为主。

图4 研究区各层位δ13Corg与TOC关系图

图5 烃源岩正构烷烃同位素值变化图

綦江观音桥和华蓥溪口烃源岩正构烷烃碳同位素具有不同的特征（图5），前者在C19和C20有一个明显变轻的现象，后者在C17～C31区间均有从低碳数到高碳数δ13Corg向右倾斜的趋势，即随着碳数的增加δ13Corg逐渐变轻。这是由于随着热演化程度的增加，相对δ13Corg较轻的高碳数正构烷烃可能存在的裂解使得正构烷烃单体碳同位素组成明显富集13C。熊永强的研究表明［5］，烃源岩生烃初期，液态正构烷烃主要来自干酪根的初次裂解，它们的碳同位素组成不论是在排出油中还是在残留油中，随温度的变化都不明显呈现较相似的分布特征，在生烃高峰期早期形成的沥青质和非烃等组分的二次裂解以及高碳数正构烷烃可能存在的裂解，使得正构烷烃单体碳同位素组成明显富集13C，尤其在高碳数部分呈现出较大的差异。华蓥溪口正构烷烃碳同位素在C17～C28区间明显较綦江观音桥重0．37‰～3．64‰，平均为1．65‰，差别最大出现在C20～C22之间，因此，上述数据表明两地黑色页岩不仅处于高成熟生烃高峰期间，而且随着成熟度增加，其正构烷烃碳同位素值明显变重（图5）。烃源岩中五环三萜烷＞三环萜烷＞四环萜烷，其中三环萜烷中C19相对丰度较低，以C23丰度最高，C23TT／C30藿烷比值为0．19～2．99，C21、C23、C24呈倒“V”字形分布，一般认为三环萜烷的这种分布特征与咸水环境有关，同时也表明了菌藻类等低等生物输入的标志。γ－蜡烷指数为0．11～0．19，表明有机质沉积时水体盐度较高，有机质母源可能为菌藻类等低等浮游生物。C27甾烷含量为29%～37%，平均值33%，C29甾烷含量普遍高于C27甾烷，含量为34%～43%，表现为C29含量＞C27含量＞C28含量，C27甾烷／C29甾烷比值为0．67～1．10。这种分布模式代表了低等水生生物，特别是藻类（褐藻）对有机质母质的影响［6］。

Peters和 Moldowan（1993）认为低 Pr／Ph比值（＜0．6）指示沉积环境为缺氧的而且通常是超盐环境，而当Pr／Ph＞3时指示弱氧化—氧化条件下的陆源有机质的输入，样品检测出大多数样品Pr／Ph＜1（表4），Pr／Ph比值范围介于0．31～0．86，平均值为0．52，因各地沉积环境不同其样品Pr／Ph有所差别，较深水地区如A带道真平胜Pr／Ph为0．38～0．57，石柱漆辽Pr／Ph为0．52～0．59，表明该区沉积环境为缺氧的超盐环境。A带以西如华蓥山溪口和綦江观音桥的Pr／Ph比值较高为0．77～0．86，反映水体深度和还原强度不如A带。据研究表明姥值比Pr／Ph＜1，母质沉积的水体属于还原环境，此时若芳烃参数（DBT／P）＜1，代表海相或湖相泥页岩沉积（2区），若1＜DBT／P＜3为海相碳酸盐岩（泥灰岩）沉积（1B区），而若DBT／P＞3为海相碳酸盐沉积（1A 区）［7］，研究发现以观音桥和溪口为代表样品DBT／P值均小于1，为0．02～0．08，代表为海相泥页岩沉积。

表4 五峰组烃源岩生物标志化合物类型指标表

4 有机质热演化成熟度

五峰组样品干酪根有机显微组分中沥青组含量介于7%～26%，沥青组含量丰富，沥青反射率Rb介于1．91%～3．57%，平均为2．75%。根据刘德汉经验公式（Ro＝0．668Rb＋0．346）［8］换算为等效镜质体反射率（Ro等效）介于1．37%～2．73%，平均为2．14%，大部分样品达到高成熟阶段，部分为过成熟阶段。干酪根原子比，尤其是H／C是随着热演化程度的增高而减少，对同种母质类型的干酪根未成熟—成熟阶段H／C＞1．0，高成熟阶段 H／C介于1．0～0．5，过成熟阶段H／C＜0．5。华蓥溪口五峰组 H／C介于0．58～0．81，平均0．61，綦江观音桥五峰组 H／C介于0．52～0．65，平均为0．60，反映样品处于高成熟阶段。

甲基菲中1MP和9MP比2MP和3MP的热稳定性小，随着成熟度的增加，1MP和9MP会转化为更稳定的2MP和3MP，因此，可以用几种化合物的相对含量表示成熟度的变化。通过计算甲基菲指数MPI1值［9］，当Rm≥1．35，采用公式经验公式Rc＝0．60×MPI1＋0．40［10］大致可以计算华蓥溪口五峰组有机成熟度Rc为1．74%，綦江观音桥Rc为1．73%。通过计算F1值［F1＝（2MP＋3MP）／（1MP＋2MP＋3MP＋9MP）］，采用公式Ro＝－0．166＋2．242×F1计算的Ro值比Rc值略低，分别为1．59%及0．94%。MDR是一种有效的成熟度参数（Chkhmakhchev A，1994），成熟烃源岩或油 MDR值为2．5左右，过成熟达到15．4，MDR分别为0．61及15．11（表5）。上述数据表明华蓥溪口和綦江观音均未达到过成熟阶段，且前者成熟度略高于后者，该结论与单体烃同位素表现特征是基本一致的。

表5 五峰组芳烃生物标志物参数表

5 结论及油气地质意义

1）五峰组黑色页岩厚度分布及有机质含量具有以下规律：①平面上呈沟垄平行且受前陆盆地迁徙控制并与前陆盆地长轴方向平行；②3个厚度较大的区域分别为石柱—南川—桐梓、鹤峰—咸丰—秀山、桃源—安化—靖州；③有机质含量较高的区域主要为石柱—南川—习水一线；④纵向上大多数剖面有机碳含量由下至上逐渐增加，反映水体逐渐由浅变深的盆地演化过程。

2）有机显微组成分析、干酪根δ13Corg及生物标志物分析表明该研究区五峰组黑色页岩机质类型以腐泥型有机质为主，个别为偏腐泥混合型有机质，烃源岩母质形成于具有一定盐度的海水中，母质来源为菌藻类等低等浮游生物，总体为较强的还原环境且各地水体深度有所差异。

3）等效镜质体反射率为1．37%～2．73%，H／C为0．52～0．65，大部分样品达到高成熟阶段，部分为过成熟阶段。根据芳烃参数计算华蓥溪口和綦江观音桥Rc、Ro及 MDR 分别为1．74%、1．59%、15．11和1．73%、0．94%、0．61，这种不同成熟度的烃源岩其正构烷烃碳同位素明显具有不同的特征，研究表明随着成熟度增加华蓥溪口正构烷烃单体碳同位素在C17～C28区间较綦江观音桥偏重明显0．37‰～3．64‰。

4）扬子地块及其周缘奥陶—志留系五峰组—龙马溪组黑色—暗色含笔石页岩，已被公认为是华南地区“下组合”海相地层中的“三大优质烃源岩”之一，研究五峰组烃源岩分布规律与特征，对于建立烃源岩与古油藏及现今油气藏之间关系，厘定雪峰山西侧地区生储盖组合、含油气系统要素的确定及分布范围均具有较大意义。由于奥陶系五峰组—志留系龙马溪组黑页岩有机质含量较高，大多未达过成熟岩阶段，页岩气资源潜力巨大，是目前中国南方页岩气勘探的有利区块之一，因此，详细研究五峰组烃源岩分布规律、有机质丰度、有机母质类型、沉积环境及有机质成熟度无论对下组合油气勘探还是非常规页岩气的勘探均有重要意义。

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