川东北地区二叠系烃源岩沉积环境及控制因素——以城口木瓜口剖面为例

彭金宁，张 敏，刘光祥，潘文蕾

(1.长江大学 地球环境与水资源学院，武汉 430100；2.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

川东北地区二叠系烃源岩沉积环境及控制因素
——以城口木瓜口剖面为例

彭金宁1,2，张 敏1，刘光祥2，潘文蕾2

(1.长江大学 地球环境与水资源学院，武汉 430100；2.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

基于前人研究资料和野外露头剖面详细观测及样品实测数据，以川东北城口木瓜口二叠系剖面为例，通过常量元素(氧化物)、微量元素等参数进行古环境条件恢复，分析了古环境与烃源岩发育的相关性，并探讨了烃源岩纵横向分布的主控因素。研究认为： (1)在横向上，研究区二叠系深水陆棚相、台盆相烃源岩最发育，有机质丰度也相对高，台内洼地亚相烃源岩丰度较低；(2)在纵向上，二叠系烃源岩主要发育于海侵半旋回中，最大海泛时期烃源岩有机质丰度指标最好；(3)古生物生产力和有机质保存是控制烃源岩有机质丰度的主要因素，并且只有当古生产力高，有机质保存好时，源岩的有机质丰度最好，两者缺一不可。

古生物生产力；有机质保存；烃源岩；二叠系；川东北地区

1 地质概况

川东北地区面积约为2.5×104km2，范围包括广元—南江以南，广元—阆中以东，阆中—达州以北，向东至盆地边界(图1)[1]。川东北地区海相烃源岩的研究及勘探实践表明，海相烃源岩主要受控于沉积环境，即“环境控源”[2-5]。海相有机质富集及烃源岩发育主要受控于当时的沉积环境，其中生物生产力、地层水含氧量(氧化—还原条件)、沉积速率及水动力条件等是关键因素，共同控制着烃源岩发育与分布[2]。烃源岩多为一种细粒的沉积岩，在成岩作用后期，部分过渡性元素在量上发生了一定的改变，但元素与其形式仍保持平行。因此，对于烃源岩演化程度较高的中国南方海相地层区，微量元素、稀土元素和碳、氧同位素等无机参数能较好地反映烃源岩实体所保存的原始地球化学信息、古海洋原始地球化学特征及环境指示标志，具有较高的可信度[6-11]。本文以城口木瓜口二叠系剖面为例，从沉积相、岩性特征、微量元素以及海平面变化之间的相互关系入手，分析了古环境与烃源岩发育的相关性，结合研究区地质条件，探讨烃源岩的沉积环境与展布，研究烃源岩的主控因素。

图1 川东北地区地质略图及剖面分布

2 典型剖面分析

2.1城口木瓜口二叠系剖面

城口木瓜口二叠系剖面纵向上依次发育栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)、吴家坪(P3w)、长兴组(P3ch)。剖面实测地层总厚度321.4 m，共测试样品39件(图2)。有机质丰度较高的样品主要分布于3个层段：(1)栖霞组下部，厚度24.55 m，TOC值分布于0.34%～8.02%，平均2.06%(7件样品)，烃源岩达标率36.86%；(2)吴家坪组下部，厚度18.94 m，TOC值范围0.44%～3.44%，平均1.28%(6件样品)，达标率18.66%；(3)茅口组中下部，厚度30.35 m，TOC值为0.56%。

2.2烃源岩沉积环境及特征

结合前人对研究区二叠系沉积相研究成果[12-18]，宏观沉积相分析表明，川东北地区城口木瓜口二叠系发育以下几种相类型：开阔台地相、台地边缘相、台盆相、浅海陆棚相、棚缘斜坡相、深水盆地相(图2)。

2.2.1 栖霞组

栖霞组纵向上从下往上岩性依次为：黑色泥灰岩、灰黑色含泥质灰岩夹砂屑灰岩、深灰色砂屑灰岩、浅灰色含砂屑灰岩夹角砾状灰岩、浅灰色生屑灰岩夹生物灰岩，岩石颜色越往上越浅，而灰岩颗粒越来越粗，有机质含量越往上越小。底部泥灰岩层段生屑含量很低(图3a)，越往上生屑含量越高，反映了水体由深变浅，水动力由弱到强。沉积相分析可知，底部泥灰岩段为台盆相沉积，中、上部砂屑灰岩及生屑灰岩段为开阔海台地相沉积。

栖霞组底部层段岩性特征反映的海平面升降与灰岩碳、氧同位素曲线反映的海平面升降成正相关关系，Sr/Ba比值的变化特征也反映了由海侵到海退的旋回特征，P、Ba、Cr等元素也反映出生物发育的营养型元素富集，表示了生物的高生产力[19-20]；而高含硫量(最高达2.45%)(图2)表征了沉积水体的强还原性；V/(V+Ni)比值为0.75～0.89，大于0.54，反映出有利于有机质保存的厌氧、贫氧环境。而该段正好为烃源岩有机碳含量较高的层段(图2)。

栖霞组沉积晚期主要为高水位期的开阔台地相沉积，岩性以砂屑灰岩为主，表现出较强的水动力，对有机质保存较为不利。同时，该层段生物所含的营养型元素较低，如P元素含量仅为几十μg/g，Ba元素含量也很低，这反映出栖霞组沉积晚期生物繁茂程度较早期低；另外，S含量极低，V/(V+Ni)、V/Cr比值降低，属弱氧化—弱还原环境，也揭示出不利于有机质保存，残余有机碳含量分布于0.02%～0.1%之间也反映了这一点(图2)。因此，该层段为非烃源岩。

图2 川东北地区城口木瓜口二叠系剖面地球化学综合柱状

图3 川东北地区城口木瓜口剖面二叠系各组段岩石薄片样品位置见图2。

2.2.2 茅口组

茅口组下部为中—薄层黑色泥灰岩，中上部为团块状灰—灰褐色含泥质生屑灰岩；越往上泥质含量越低，灰岩团块颗粒越大(图3b)。同时，下部的泥灰岩层段颜色较深，反映当时沉积时水体较深，水动力较弱，表现为台盆相沉积环境；上部团块状灰岩颜色较浅，泥质含量也较低，一般含生屑，反映水体比下部泥灰岩段浅，水动力要强，应为台地边缘沉积环境。

微量元素、碳同位素及有机碳含量变化曲线反映茅口早期再次发生海侵(图2)。同时，碳同位素值较P2q有正向漂移，V/(V+Ni)比值为0.67～0.91，V/Cr比值为1.40～2.69，Sr/Ba比值49.80～95.43，均较栖霞组上部层段高，反映茅口期水体比栖霞期要深。从TOC值、碳、氧同位素值等指标可以看出，至茅口期大范围海退之前，整个茅口期海平面变化均较小。

2.2.3 吴家坪组

吴家坪组底部为灰黑色泥灰岩、灰岩与黑色硅质岩互层，下部为深灰色含燧石团块灰岩，中部为灰黑色含生屑含燧石团块灰岩，上部为深灰色含生屑粒屑灰岩。下部层段颜色较深，灰黑色—黑色，具水平层理，硅质岩较发育(图3c)，反映了深水盆地的沉积特征；中部深灰色含燧石团块灰岩为浅海陆棚环境下的沉积产物，灰黑色含生屑夹燧石团块灰岩为陆棚内缘斜坡环境下的沉积产物；上部深灰色含生屑粒屑灰岩(图3d)则为台地边缘环境下的沉积产物。因此，该剖面吴家坪组沉积早、中期为陆棚—深水盆地环境，晚期则转化为开阔海台地环境。

吴家坪组沉积早期发生了又一次的海侵，沉积水体变深，沉积特征表现为水平层理，岩性以硅质岩为主，与岩性特征反映的结果基本一致。此时碳同位素呈正向飘移，Sr/Ba比值也相应增加，反映生物繁盛的元素P、Ba等含量也增加，达到峰值，反映出生物原始生产力较高；硫含量较高，指示P3w早期为强还原环境。从分析测试结果看(图2)，V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co等比值明显增大，也反映了P3w早期为贫氧—厌氧环境，对有机质保存较为有利。因此，吴家坪组下部为烃源岩发育层段。

吴家坪组上部层段为浅海陆棚—陆棚内缘斜坡相沉积，Sr/Ba比值较吴家坪组下部的低，因此，沉积水体相应变浅。同时，P、Ba、Zn、S等元素含量及V/Cr、Ni/Co比值也比吴家坪组下部的深水陆棚—盆地相低(图2)，揭示出吴家坪组上部为低生物生产力，沉积环境为富氧环境，对有机质保存较为不利。其有机碳含量普遍小于0.3%也证实了这一点。因此，吴家坪组上部为非烃源岩层段。

2.2.4 长兴组

长兴组下部为灰黑色、灰色厚层至块状生屑灰岩(图3e)；中部为灰色、浅灰色团块状灰岩夹燧石条带及结核；上部为浅灰色灰岩、砂屑灰岩(图3f)。长兴组岩性组合反映了沉积环境为台地相向台缘相的过渡。在海平面变化上，δ13C、V/Cr、V/(V+Ni)、 Sr/Ba急剧降低，反映了长兴组沉积初期发生了一次较大规模的快速海退，此后再次经历缓慢海侵；至长兴组沉积中、晚期，剖面上岩性组合反映出沉积环境由开阔台地相向台地边缘相过渡(图2)。

综上所述，无论从岩性组合，还是从碳同位素、Sr/Ba等变化曲线，都反映出烃源岩的发育与海平面上升半旋回有较好的相关性，而P、Ba、Zn、Ni等微量元素均能较好地指示烃源岩发育时具有较高的生物生产力。 同时，S含量、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co比值与沉积环境的还原性具有较好的正相关性，烃源岩含硫量越高， V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co比值越高，反映出还原环境就越强。从沉积相看，烃源岩主要发育于台内凹陷(台盆相)相带。

3 烃源岩发育控制因素探讨

结合南江桥亭剖面、旺苍立溪岩剖面(图1)，对比研究了二叠系烃源岩主要发育层段的TOC值、沉积相、海侵—海退旋回、生物繁茂程度(表1)，认为：(1)二叠系烃源岩发育于台盆相、深水陆棚相、开阔台地相带内的台内洼地、台缘斜坡等相带，其中烃源岩最发育且有机质丰度相对较高的相带为深水陆棚相、台盆相，其他相带烃源岩丰度较低；(2)在纵向上，海侵半旋回过程中烃源岩最发育，源岩的有机质丰度在最大海泛时期达到最好；只有极少数层段烃源岩海退半旋回中较为发育，如南江吴家坪组、旺苍茅口组中上部烃源层；(3)烃源岩有机碳含量与硫含量呈正相关关系(图4)，反映出烃源岩形成于还原环境；(4)生物原始生产力和有机质保存控制着源岩有机质的丰度，只有生产力高、有机质保存好，源岩有机质的丰度才高；而生物生产率较低、有机质保存好，或者有机质保存差、生物生产力高，烃源岩的有机质丰度均较低。

表1 川东北地区二叠系烃源岩发育层段及其主控因素分析

注：表中数据意义为“平均值/样品数”。

图4 川东北地区二叠系岩样有机碳与硫含量的关系

图5 川东北地区二叠系岩样氧化物与有机碳含量的关系

此外，沉积岩中常量元素的含量与沉积环境也具有较好的相关性。如，Al2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、TiO2等主要赋存于黏土矿物中，代表了陆源泥质。由氧化物与有机碳含量相关图(图5)可知，氧化物含量与源岩有机质的丰度呈现出较好的相关性，反映了烃源岩的发育程度与泥质含量呈正相关关系。

4 结论

(1)沉积特征、岩石学特征、碳酸盐的碳、氧同位素及微量元素特征等反映出研究区烃源岩主要发育于海侵半旋回中，最大海泛时期有机质丰度最高，与强还原环境和高的古生物生产力相对应。

(2)研究区二叠系烃源岩纵向上主要发育与分布受沉积旋回控制，往往海侵半旋回中较为发育，古生物生产力和有机质的保存控制着烃源岩有机质丰度的高低；横向上沉积相(沉积环境)控制着烃源岩的展布，以台盆相、深水陆棚相最为发育。

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(编辑徐文明)

SedimentaryenvironmentsandcontrollingfactorsofPermiansourcerocksinnortheasternSichuanBasin: A case study of Muguakou profile in Chengkou

Peng Jinning1,2, Zhang Min1, Liu Guangxiang2, Pan Wenlei2

(1.DepartmentofGeochemistry,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100; 2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

Based on previous analyses as well as filed outcrop observations and sample tests, a case study of the Permian profile in the Chengkou area of the northeastern Sichuan Basin was carried out. Palaeoenvironment was restored according to the parameters of macroelement (oxidizing material) and microelement, and the relationship between palaeoenvironment and source rock development was analyzed. The controlling factors for the vertical and horizontal distributions of source rock were discussed. Several conclusions were made as followed. 1) On plane map, the source rocks of deepwater marine shelf and interplatform basin facies had the highest organic matter abundance and were most widespread in Permian in the study area. The source rocks of innerplatform depression subfacies had lower organic matter abundance. 2) Vertically, the Permian source rocks mainly developed in transgressive hemicycle, and reached the highest organic matter abundance during the maximum flooding period. 3) Organic matter abundance was controlled by ancient biological productivity and organic matter preservation condition. Both of the 2 factors were necessary for high organic matter abundance.

ancient biological productivity; organic matter preservation; source rock; Permian; northeastern Sichuan Basin

1001-6112(2014)01-0095-07

10.11781/sysydz201401095

2013-05-20；

：2014-01-06。

彭金宁(1979—)，男，在读博士，工程师，从事海相油气地质研究。E-mail: pjinning@163.com 。

中国石化科技部项目“四川盆地二叠系烃源岩及其资源潜力研究”(P08065)资助。

TE122.1

：A