泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩微观形态特征与形成机制

李苗苗，马素萍，夏燕青，张晓宝

（1.中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049）

泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩微观形态特征与形成机制

李苗苗1，2，马素萍1，夏燕青1，张晓宝1

（1.中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049）

利用背散射电子成像技术研究了泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩的微观特征，结果表明泌阳凹陷核桃园组核三段—核二段湖相烃源岩的有机质形态以条形和卵形生物碎屑为主。根据有机质在湖相烃源岩中不同的分布形式，可将泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩划分为含纹层状有机质烃源岩、含分散状有机质烃源岩和过渡类型烃源岩3种类型。根据烃源岩地球化学分析可知，含纹层状有机质烃源岩有机碳含量高，形成于水体盐度较高的咸水环境中，在外来径流补给较少的情况下，沉积有机质的主要来源为水生生物，干酪根主要为Ⅰ型；含分散状有机质烃源岩有机碳含量较低，沉积于水体盐度较低的淡水环境中，在外来径流补给较多的情况下，陆源生物和水生生物为沉积有机质的主要来源，干酪根类型主要是Ⅱ型；过渡类型的烃源岩其沉积环境则介于上述两者之间。

湖相烃源岩；微观特征；形成机制；泌阳凹陷

0 引言

南襄盆地泌阳凹陷是中国著名的“小而肥”的生油凹陷［1］。古近系核桃园组是该凹陷主要的生油层段，其沉积厚度大，油源丰富［2］。对于核桃园组湖相烃源岩的沉积特征、沉积环境和地球化学特征，许多学者已经进行了不同程度的研究［3-8］，但由于该类烃源岩多是细粒泥质岩类沉积，对此类烃源岩的微观组构和成分特征缺少高分辨率的观察和描述，从而影响了对其形成机制的进一步探索［9］。这里所说的烃源岩的形成机制是指其形成过程中水体的盐度、有机质注入量以及生物来源等情况。实际上，烃源岩结构与构造、有机质形态及有机质分布形式等微观特征对于了解其形成机制具有重要的意义［10］。近年来，随着现代测试技术的发展，特别是背散射电子成像技术的引进与应用，实现了对细粒泥质类烃源岩微观形态特征高分辨率的研究［9］。笔者利用背散射电子成像技术对泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩进行研究，揭示出烃源岩在沉积结构和构造、有机质的形态以及有机质的分布形式等方面的特征，并对该组湖相烃源岩进行地球化学分析，进而讨论其微观形态特征及形成机制。

1 区域地质背景

图1 泌阳凹陷构造位置及采样位置Fig.1Structural situation and sampling location of Biyang Sag

泌阳凹陷是南襄盆地中的一个次级凹陷［11］，是一个富含油气的新生代小型断陷［12］。该凹陷被北西西向栗园—唐河断裂和北东向栗园—泌阳断裂所挟持，为一南断北超的箕状凹陷（图1）。泌阳凹陷的沉积地层主要为古近系，自下而上可划分为大仓房组、核桃园组和廖庄组，其中核桃园组最为发育［13］。核桃园组分为3段：①核三段分为上、下2个亚段，下亚段又分为5个砂组，岩性为深灰色泥岩、砂质泥岩夹粉砂岩、灰质细砂岩和少量粗砂岩及灰褐色泥质白云岩；上亚段分为3个砂组，岩性为灰色—深灰色泥岩、灰白色砾状砂岩，砂岩中夹褐色油页岩，最厚达2 000 m，为半深湖相沉积。②核二段岩性为灰色—浅灰色泥岩与同色细砂岩呈略等厚互层，以泥岩为主，夹深灰色—灰色页岩、棕褐色油页岩及灰色泥质白云岩，厚300～840 m，属浅湖相沉积。③核一段岩性为浅灰色、灰绿色泥岩与浅灰色细砂岩、粉砂岩呈略等厚互层，夹绿色页岩及劣质油页岩，厚220～530 m，为滨—浅湖相沉积［14-15］（图2）。

本次研究系统采集了泌阳凹陷中心沉积区云1井和云2井古近系核桃园组核三上亚段至核二段烃源岩样品12块，主要为褐色泥岩、灰黑色白云质泥岩及泥质白云岩。

图2 泌阳凹陷新生代地层综合分析图［15］Fig.2The comprehensive stratigraphy analysis of Cenozoic in Biyang Sag

图3 泌阳凹陷湖相烃源岩的有机质形态Fig.3The forms of organic matter of lacustrine source rocks in Biyang Sag

2 烃源岩微观特征

利用背散射电子成像技术对烃源岩微观特征进行高分辨率的研究。其原理为：当入射电子束与靶区原子接触时，发生弹性碰撞，产生背散射电子；背散射电子的数量（称为背散射系数η）主要与靶区的原子序数有关，当原子序数高时，η值就大，图像就亮，而当原子序数低时，η值就小，图像就暗［16］。在烃源岩中，矿物颗粒与有机质颗粒的原子序数存在差异，所以背散射电镜图像能够清晰地揭示它们之间的关系［9］。本次烃源岩的背散射电镜分析是在中国石化勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心完成的，所使用的仪器是PHILIPS XL 30W/TMP型扫描电子显微镜。

2.1 有机质的形态及分布

通过背散射电镜观察发现，泌阳凹陷湖相烃源岩中有机质形态以条形和卵形生物碎屑为主，可能为炭化藻残体或笔石残片（图3）。

背散射电镜镜下不但能识别有机质的形态，而且可以清晰地观察到有机质的分布形式。上述有机质在烃源岩中的分布形式以纹层状和分散状为主，但也或多或少地存在过渡结构形式，此外还有一些呈不规则块状及片状分布的有机质和薄膜状有机质（腐泥组的一种亚组分）（图版Ⅰ）。

有机质的分布形式受原始有机质分子的形态、沉积环境和成岩作用等因素的影响［16］。每个有机质的形态对沉积物结构均有显著的影响，如薄而长的微粒有利于形成含纹层状有机质烃源岩；圆形微粒在埋藏压力作用下，也能形成含纹层状有机质烃源岩；低能的沉积环境未受到剧烈变化的影响，有利于含纹层状有机质烃源岩的形成；埋藏过程中的压实作用会使碎屑矿物重新排列，并具有一定的方向性，从而促使含纹层状有机质烃源岩的形成；溶解作用会破坏有机质的原始微结构，从而形成含分散状的有机质烃源岩。

2.2 烃源岩的类型及特征

根据烃源岩中有机质的分布形式，可以将泌阳凹陷湖相烃源岩划分为3种类型，即含纹层状有机质烃源岩、含分散状有机质烃源岩和过渡类型烃源岩（图版Ⅰ-1～Ⅰ-3）。含纹层状有机质烃源岩为灰黑—黑色白云质泥岩，呈现一定的纹层结构，有机质纹层与矿物颗粒纹层呈不连续的交替分布；该类烃源岩中含球状黄铁矿［10］。含分散状有机质烃源岩为灰色—灰白色泥质白云岩，无纹层构造，有机质在岩石中分布凌乱且不均匀，无一定规律；其有机质个体大小不等，主要为5～80 μm，大多与基质沉积混杂在一起。过渡类型烃源岩为深灰—灰黑色泥质白云岩，与纹层状有机质烃源岩或分散状有机质烃源岩结构形成对比的是，在其有机质组成界线清晰的部位，该类烃源岩的矿物区域和有机质区域无明显的边界；背散射电子成像显示其有机质完全为无形状的聚集或与矿物基质紧密伴生［16］。

3 烃源岩地球化学特征

3.1 微量元素特征

样品的微量元素分析是在功能有机分子化学国家重点实验室（State key laboratory of applied organic chemistry）的全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪（IRIS Advantage ER/S）上进行的，统计数据如表1所列。

表1 泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩微量元素统计表［17］Table 1Trace element data of lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag

（1）硼元素（B）含量

水体中的黏土沉积物对硼具有一定的吸附能力，硼含量可作为指示古盐度的微量元素指标［18］。水体中硼的含量与水体的盐度存在线性关系，即水体盐度越高，硼含量就越高，沉积物吸附的硼离子就越多［19］。当硼的质量分数低于200×10-6时为淡水，高于200×10-6时为咸水［20-21］。由表1可知：研究区硼的质量分数变化大，为（40.4～703.0）×10-6，平均为252.13×10-6，整体偏高，反映沉积环境为干旱—半干旱的盐湖环境；含纹层状有机质烃源岩硼的质量分数为（163～703）×10-6，平均为385×10-6，表明其盐度大，沉积环境主要为咸水环境；含分散状有机质烃源岩硼的质量分数为（40.4～305.0）×10-6，平均为133×10-6，表明其盐度较小，沉积环境主要为淡水环境；过渡类型烃源岩硼的质量分数为（87.2～353.0）×10-6，平均为174.7×10-6，表明其盐度不大，沉积环境介于上述两者之间。云1井样品硼的质量分数为（87.2～500.0）×10-6，平均为272.4×10-6，有机质分布形式为纹层状和过渡型；云2井样品硼的质量分数为（40.4～703.0）×10-6，平均为232×10-6，有机质分布形式主要为分散状和过渡型。

（2）锶钡含量比（Sr/Ba）

Sr元素主要从海水中直接沉淀，而Ba元素则极易被黏土及细碎屑沉积物以吸附的形式富集［22］。通常情况下，Sr/Ba值反映的是海水盐度的变化［23］，但在无海水入侵的湖相沉积中，Sr/Ba＞1指示咸水沉积环境，Sr/Ba＜1则指示淡水沉积环境，异常高值可指示高度碱化条件下的碱湖沉积环境［24］。由表1可看出：泌阳凹陷古近系核桃园组从核三段到核二段湖相碳酸盐岩的Sr/Ba值变化较大，为0.26～1.98，表明古沉积水体盐度变化频率较高；含纹层状有机质烃源岩Sr/Ba值为0.48～1.98，平均为1.22，表明该类烃源岩主要沉积于咸水环境；含分散状有机质烃源岩Sr/Ba值为0.26～0.71，平均为0.44，表明该类烃源岩主要沉积于淡水环境；过渡类型烃源岩Sr/ Ba值为0.37～1.24，平均为0.74，说明其沉积环境介于上述两者之间。云1井样品Sr/Ba值为0.48～1.71，平均为0.97；云2井样品Sr/Ba值为0.26～1.98，平均为0.75。

3.2 有机地球化学特征

（1）有机碳含量（TOC）

对湖相烃源岩样品进行有机地球化学分析（表2）。沉积物中有机碳的含量在一定程度上是原始有机质丰度、沉积物的沉积速率及介质的物理化学条件等沉积环境的综合反映［25-26］。烃源岩有机碳含量与沉积时的有机质总量及沉积和保存环境有关，可作为沉积环境的一种间接判断指标。

由表2可知：从核三上亚段到核二段，样品有机碳质量分数变化较大，为0.26%～5.23%；含纹层状有机质烃源岩有机碳质量分数为3.08%～5.23%，平均为4.51%，有机碳质量分数较高，一般属于好的烃源岩；含分散状有机质烃源岩有机碳质量分数为0.36%～0.85%，平均为0.57%，有机碳质量分数较低，属于较差的烃源岩；过渡类型烃源岩有机碳质量分数为0.26%～0.99%，平均为0.62%，有机碳质量分数一般不高，也属于较差的烃源岩。同时，生烃潜量也是反映烃源岩有机质丰度的指标，当生烃潜量介于6～20 mg/g时为好的烃源岩，介于2～6 mg/g时为中等的烃源岩，小于2 mg/g时为差的烃源岩。在表2中，含纹层状有机质烃源岩的生烃潜量为11.18～25.40mg/g，平均为19.3mg/g，表明其为好的烃源岩；含分散状有机质烃源岩的生烃潜量为0.67～3.43 mg/g，平均为1.59 mg/g，表明其为差的烃源岩；过渡类型烃源岩的生烃潜量为0.24～1.95mg/g，平均为1.45mg/g，表明其为差的烃源岩。

表2 泌阳凹陷核桃园组湖相烃源岩有机地球化学参数［17］Table 2Organic geochemistry parameters of lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag

（2）有机质类型

有机质类型是衡量烃源岩质量的重要指标，不同类型的有机质其生烃潜力、产烃类型、门限深度（温度）和生烃过程都有一定的差异［27］。

本次研究利用烃源岩热解分析确定烃源岩的有机质类型，判断标准如表3所列。由表2可知：含纹层状有机质烃源岩S2/S3为10.02～17.75，平均为12，表明其干酪根多为Ⅰ型；含分散状有机质烃源岩S2/S3为0.06～2.08，平均为0.77，表明其干酪根多为Ⅱ2型；过渡类型烃源岩S2/S3为0.23～2.61，平均为1.22，表明其干酪根多为Ⅱ2型。

表3 岩石热解参数划分干酪根类型的指标Table 3Kerogen type divided by roke pyrolysis parameters

由表1和表2可知：①当B元素的含量和Sr/Ba的值均较高时，指示盐度较高的咸水环境，在此环境中形成含纹层状有机质烃源岩，其有机质丰度高，烃源岩干酪根为Ⅰ型。这是由于湖泊的水注入量较低时，水体盐度升高，加之陆源生物碎屑的影响较小，水生生物作为有机质的主要来源，使得烃源岩干酪根主要为Ⅰ型，并且有机碳含量高，最终形成含纹层状有机质烃源岩。该类烃源岩主要分布在核三段，且核三段为泌阳凹陷的主要生油层。②当B元素的含量和Sr/Ba的值均较低时，指示盐度较低的淡水环境，在此环境中形成含分散状有机质烃源岩，其有机质丰度低，烃源岩干酪根为Ⅱ2型。这是因为湖泊的水注入量较高时，水体盐度降低，加之注入的水体携带陆源生物碎屑，使沉积有机质的主要来源为陆源生物碎屑和水生生物，使得烃源岩干酪根类型主要为Ⅱ型，并且有机碳含量低，最终形成含分散状有机质烃源岩。该类烃源岩主要分布在核二段，核二段是次于核三段的生油层。

4 结论

（1）泌阳凹陷核桃园组核三上亚段至核二段湖相烃源岩的有机质形态以条形和卵形生物碎屑为主，可能为炭化藻残体或笔石残片。有机质在烃源岩中的分布形式主要为纹层状和分散状，也有过渡类型，此外还有一些呈不规则块状及片状分布的有机质和薄膜状有机质。

（2）泌阳凹陷核桃园组核三上亚段至核二段湖相烃源岩可划分为3种类型，即含纹层状有机质烃源岩、含分散状有机质烃源岩和过渡类型的烃源岩。

（3）根据各类烃源岩的微观特征，结合微量元素及有机地球化学数据分析，含纹层状有机质烃源岩有机碳含量高，形成于水体盐度较高的咸水环境中，在外来径流补给较少的情况下，沉积有机质的主要来源为水生生物，干酪根主要为Ⅰ型；含分散状有机质烃源岩有机碳含量较低，形成于水体盐度较低的淡水环境中，在外来径流补给较多的情况下，陆源生物和水生生物为沉积有机质的主要来源，干酪根类型主要为Ⅱ型；过渡类型的烃源岩其沉积环境则介于上述两者之间。

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图版Ⅰ说明：泌阳凹陷湖相烃源岩的有机质分布形式。1.有机质呈纹层状分布，云2井，1 705 m，扫描电镜，×500；2.有机质呈分散状分布，云2井，1 711 m，扫描电镜，×1 000；3.有机质呈过渡类型分布，云1井，2 072 m，扫描电镜，×400；4.有机质呈块状分布，云1井，2 105 m，扫描电镜，×600

（本文编辑：于惠宇）

Microscopic morphology and formation mechanism of lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag

LI Miaomiao1，2，MA Suping1，XIA Yanqing1，ZHANG Xiaobao1
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The study on the lacustrine source rocks of Hetaoyuan Formation in Biyang Sag was carried out by using backscattered electron imaging technology.The study results show that the shape of organic matter mainly denominated in trip,oval biological detritus.The organic matter in source rocks distributed in different forms,so according to the distribution characteristics of organic matters,the source rocks in Biyang Sag can be subdivided three types,including lamination source rocks,scattering organic matter source rocks and intermediate forms source rocks.Meanwhile, according to the analysis of geochemical data,the lamination source rocks is with high organic carbon content,formed in high salinity saltwater environment,with fewer external runoff,the main source of sedimentary organic matter is aquatic organisms,and the kerogen is mainly typeⅠ;scattering organic matter source rocks is with low content of organic carbon,deposited in low salinity freshwater environment,with more external runoff,the main source of sedimentary organic matter are terrestrial and aquatic organisms,and the kerogen is mainly typeⅡ;while the sedimentaryenvironment of intermediate forms source rocks is intermediate between the lamination source rocks and the scattering organic matter source rocks.

lacustrine source rocks；microscopic characteristics；formingmechanism；BiyangSag

TE122.1+13

A

1673-8926（2014）03-0045-06

2014-02-23；

2014-03-25

中国科学院油气资源研究重点实验室开放基金项目“湖相碳酸盐岩烃源岩沉积环境及控制因素”（编号：KFJJ2010-05）资助

李苗苗（1989-），女，中国科学院大学在读硕士研究生，研究方向为油气地球化学及油气地质学。地址：（730000）甘肃省兰州市城关区东岗西路382号。E-mail：410936836@163.com

马素萍（1978-），女，博士，副研究员，主要从事油气地球化学及油气地质学的研究工作。E-mail：spma@lzb.ac.cn。