塔东南坳陷侏罗系杨叶组沉积相特征及古环境研究

陈　骥, 姜在兴, 姜正龙, 邱海峻, 姜鹍鹏, 符文康, 毕彩芹

1)中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083;　2)中国地质大学(北京)海洋学院, 北京 100083; 3)中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100029;　4)中国华电集团科学技术研究总院, 北京 100077

塔东南坳陷侏罗系杨叶组沉积相特征及古环境研究

陈骥1,2), 姜在兴1)*, 姜正龙2), 邱海峻3), 姜鹍鹏3), 符文康4), 毕彩芹3)

1)中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083;2)中国地质大学(北京)海洋学院, 北京 100083; 3)中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100029;4)中国华电集团科学技术研究总院, 北京 100077

沉积环境影响着烃源岩的发育情况, 因而研究侏罗系杨叶组沉积时的古环境对塔东南坳陷的勘探开发及有利区块的优选有着重要意义。本文根据区内已有钻井的岩心观察结果、岩电组合特征、分析化验资料和野外露头及古生物特征, 对区内侏罗系杨叶组的沉积相特征及古环境进行了分析研究, 指出了该区沉积相主要发育有辫状河三角洲沉积和湖泊沉积。其沉积环境为陆相淡水环境, 具有较强的还原性; 古气候为温暖半潮湿亚热带气候。提出该区优质烃源岩形成的最有利相带的浅湖-半深湖湖湾环境。通过对沉积相和古环境的研究, 总结了沉积相平面展布特征和四大控制因素。

塔里木盆地; 杨叶组; 沉积相特征; 古环境; 有利烃源岩展布区

塔东南坳陷位于塔里木盆地东南地区(贾承造, 1997; Meng et al., 2001; Arnaud et al., 2003; 高林志等, 2013; 伯英等, 2013), 坳陷内的侏罗系被认为是中、新生代最具潜力的勘探层位(邬光辉等, 2009)。前人对于侏罗系的研究多集中在构造演化、油气成藏和古气候等方面(许怀智等, 2009; 王建国等,2000; 戴霜等, 2013), 而对侏罗系杨叶组沉积相和古环境特征的研究相对较少, 且存在争议(李新宁等, 2007; 程晓敢等, 2008)。

前人的研究已几近详实, 但却有几个基本的地质问题未能给予解答。杨叶组的沉积相带如何划分？古环境是否有利于发育优质烃源岩？若发育优质烃源岩, 那么有利烃源岩展布范围又在哪里？因此, 本文综合野外露头、钻井、测井、古生物资料并结合地球化学数据分析, 重点研究了塔里木盆地东南缘侏罗系杨叶组沉积相特征、古环境及有利烃源岩展布范围, 对该区沉积相的研究和油气勘探具有重要的指导意义。

图1　塔东南坳陷构造单元图(a)、横剖面图(b)和侏罗系岩性柱状图(c)Fig. 1　Structural divisions(a), cross profile(b), and lithologic columnar section of Jurassic strata(c) in the southeast depression of Tarim Basin

图2　塔东南坳陷江尕勒萨依村侏罗系杨叶组叶肢介Euestheria化石(a、b)和野外地质照片(c, 剖面BB’位置见图1　a)Fig. 2　Euestheria fossil (a, b) and outcrop photograph (c, see profile BB’ in Fig. 1a) of Jurassic Yangye Formation in Janggalsay Village of southeast depression of Tarim Basin

1　区域构造特征

塔东南坳陷区位于塔里木盆地东南地区, 北以车尔臣断裂为界, 南与铁克里克断隆及阿尔金断隆相邻, 总体呈北东—南西向展布(潘正中等, 2007)。由西至东依次划分为民丰凹陷、且末凸起、瓦石峡凹陷及罗布庄凸起四个二级构造单元(图1a)。瓦石峡凹陷北以车尔臣断裂为界, 南抵阿尔金山, 西连且末凸起, 总体表现为南高北低、呈北东东向展布;侏罗系向东、西逐渐减薄至剥蚀, 且侏罗系直接覆盖于元古界变质岩之上。民丰凹陷位于塔东南西部,东、西以石炭系的剥蚀线为界, 南起西昆仑山前,北至车尔臣断裂(丁长辉等, 2007)。根据构造横剖面图(图1b), 可以看出侏罗系杨叶组地层主要展布在民丰凹陷东部和瓦石峡凹陷中部。

2　地层及古生物特征

塔东南坳陷区侏罗系自下而上划分为下统: 莎里塔什组(J1s)、康苏组(J1k); 中统: 杨叶组(J2y)、塔尔尕组(J2t); 上统已剥蚀殆尽(图1c)(周琦等, 2000)。瓦石峡凹陷莎里塔什组呈长条状分布于其格勒克、江尕勒萨依、且末县煤矿等地, 下部为灰色、灰绿色杂乱分布的砾岩, 不发育层理, 砾石磨圆度差,分选度差, 砾石成分也比较复杂, 底部有冲刷构造,这种沉积特征属于典型的近源快速堆积, 其沉积环境为山前洪水冲积。上部为灰色、灰绿色砾岩夹杂粗粒砂岩、偶夹灰色、深灰色粉砂岩、灰黑色粉砂质泥岩。杨叶组(J2y)与下伏的康苏组呈整合接触,很难划分清界线, 杨叶组岩性主要以暗色泥岩、硅质泥岩和黑色页岩为主, 间夹灰色粉砂质泥岩以及泥质粉砂岩透镜体。在泥质粉砂岩透镜体中可见些许平行层理, 在灰色粉砂质泥岩及灰黑色泥页岩中广泛发育水平层理, 并且灰黑色泥页岩中可见少量碳化植物根系碎片。塔尔尕组与下伏杨叶组呈整合接触关系, 底部为一套紫红色粉砂岩夹砂岩沉积。下部为灰色、灰绿色砾岩夹砂岩沉积, 偶夹紫红色粉砂岩, 上部为向上变粗的砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩。

笔者曾在于田普鲁剖面和江尕勒萨依老煤矿剖面等地区发现了双壳类、腹足类、介形类、叶肢介及轮藻等化石(图2a, b)。结合前人的古生物研究基础, 从表1中可见, 侏罗系杨叶组处于半湿润型气候, 整体水体环境为低能或较安静的水体环境。

表1　塔东南坳陷侏罗系杨叶组古生物与沉积环境关系表(据贾承造等, 2004; 杨平等, 2006, 2007)Table 1　Relationship between paleontology and depositional environments of Jurassic Yangye Formation in the southeast depression of Tarim Basin(after JIA et al., 2004; YANG et al., 2006, 2007)

3　沉积相的划分与特征

通过对岩心的详细观察, 结合野外考察(图2c)和对测井相的分析, 在研究区侏罗系杨叶组主要识别出辫状河三角洲相和湖相两种沉积相组合类型,包括4种亚相和7种微相(表2)。

3.1辫状河三角洲相

辫状河三角洲平原为位于陆上的辫状河组合,主要由分流河道微相、河漫微相、心滩微相和沼泽微相组成(姜在兴, 2010)。分流河道微相岩性以含砾砂岩、中砂岩和细砂岩为主, 单层砂体呈正韵律沉积,底部与下伏地层冲刷面接触, 多发育斜层理、槽状交错层理和楔状层理。自然伽马曲线常为顶底突变的箱形; 电阻率曲线表现为高值钟形或箱形。粒度概率曲线为2段式, 跳跃总体含量为40％～50％, 斜率为50°～65°, 反映了分选较好的分流河道沉积(图3a)。

河漫微相岩性以灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩为主, 见斜层理和包卷层理。自然伽马曲线上幅度较低, 电阻率曲线呈明显低值。心滩微相岩性以深灰色砂质泥岩和灰色泥质粉砂岩为主, 发育波纹层理和枕状构造, 自然伽马曲线呈高幅箱形或齿化箱型。沼泽微相岩性主要是深灰色泥岩、砂质泥岩夹煤层, 植物化石丰富, 自然伽马曲线值变化不大, 电阻率曲线呈较低值(图3a)。

辫状河三角洲前缘沉积物是辫状河三角洲的主体。在研究区主要发育水下分流河道、河口坝和水下分流河道间。水下分流河道是分流河道在水下的延伸部分, 岩性较分流河道稍细, 岩性由灰色中-厚层状含砾砂岩、中细砂岩、粉砂岩及泥岩组成, 粒度向上变细, 常见大、中型交错层理。测井曲线上,自然伽马曲线幅度较低, 具弱齿化现象, 电阻率曲线表现为高值带齿箱型。三角洲平原的分流河道入水以后, 携带的沙质在河口沉积而形成河口坝。河口坝微相岩性以粉砂质泥岩、泥质细砂岩和中砂岩组成, 在垂向上一般呈下细上粗的反韵律, 发育槽状交错层理、波纹层理和斜层理。水下分流河道间微相岩性多为暗色泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩。发育水平层理及小型沙纹层理。自然伽马曲线表现为高值, 电阻率曲线呈低值(图3b)。

表2　研究区沉积相类型Table 2　Types of sedimentary facies in the study area

图3　若参1井侏罗系杨叶组辫状河三角洲平原(a)和辫状河三角洲前缘(b)亚相岩性综合柱状图Fig. 3　Braided river plain subfacies (a) and braided river front subfacies (b) of Jurassic Yangye Formation in well Ruocan 1

3.2湖泊相

滨浅湖亚相位于风暴浪基面与洪水期岸线以上广阔的地带。一般来说, 浅湖亚相地处弱还原环境, 沉积物主要受湖流和风暴流作用的影响。通过对位于塔东南坳陷民丰凹陷东北部的民参2井侏罗系杨叶组岩心的观察, 发现该层段岩性主体以灰绿色泥岩和灰褐色泥质粉砂岩为主, 为滨湖和浅湖相沉积(图4a)。粉砂岩粒度概率累积曲线为两段式, 表明水体较浅且沉积环境水体动荡, 为湖泊滩坝沉积。自然电位值和自然伽玛值频繁高低交互, 显现出泥岩薄层和砂岩薄层频繁互动的特征。深侧向电阻率和浅侧向电阻率差值较小, 沉积物钙质成分较少, 反映沉积环境为水体较为安静的开阔环境。

塔东南凹陷中观察杨叶组最好的剖面发育于阿尔金山北缘江尕勒萨依老煤矿侏罗系地质剖面,地层整体发育于阿尔金山元古界变质岩推覆体之下,侏罗系杨叶组地层产状近直立(图2c)。经详实的地质勘察, 做出江尕勒萨依红柳沟老煤矿剖面杨叶组岩性柱状图(图4b), 并对杨叶组共采集13件泥岩样品(图2c), 选取其中具有代表性的10件样品进行有机碳和生烃潜力实验分析。杨叶组泥岩有机碳含量为2.50％～5.00％, 平均值为3.27％; 生烃潜力为2.59～9.17 mg/g, 平均值为6.70 mg/g。纵观杨叶组整套地层, 自下而上沉积较为连续, 无明显沉积间断,下部为紫红色砂岩与紫红-灰色泥岩为主, 泥岩厚度较薄, 均值约50 cm。杨叶组中上部主体为巨厚灰黑-黑色泥岩间夹灰黄色钙质泥岩, 泥岩层厚度一般大于6 m, 触摸泥岩有污手现象, 累计厚度超过200 m。杨叶组泥岩有机碳含量为2.50％～5.00％,平均值3.27％; 生烃潜力为2.59～9.17 mg/g, 平均值为6.70 mg/g。通过镜下薄片观察, 发现样品薄片中岩石空隙被沥青质成分充填, 说明该层段处于湖底的低能带, 沉积物搬运距离较远, 成分成熟度较高。根据杨叶组地球化学数据分析结果以及陆相湖泊烃源岩评判标准(中国石油天然气总公司, 1995)的综合分析, 认为塔东南坳陷中的杨叶组暗色泥岩属于优质烃源岩, 具备良好的生烃潜力。

图4　民参2井侏罗系杨叶组滨浅湖亚相(a)和露头半深湖亚相(b)岩性综合柱状图Fig. 4　Lithologic composite columnar section of shore shallow lake subfacies of Jurassic Yangye Formation in well Mincan 2 (a) and semideep-deep lake subfacies in outcrop (b)

4　古环境分析

目前, 常用的微量元素分析手段是以泥岩中的微量元素B、Sr、Ba、V、Ni、Mn、Zn、Cu的含量大小与变化来研究控制元素运动和变化的各种环境因素。因为单一微量元素指标与环境变迁的相关性较差, 所以微量元素间的比值具有更良好的指示意义而被广泛应用, 主要包括Sr/Ba、V/Ni等(Veizer et al., 1974; Nicholls, 1967, 钟大康等, 2002)。本次对江尕勒萨依红柳沟老煤矿剖面采集的野外样品进行16项常微量元素测试分析, 并求取相应元素比值, 以求得对于古沉积气候条件的合理恢复。常量元素分析采用XRF玻璃熔片法完成, 微量元素采用ICP-MS法完成。

4.1古盐度

在正常沉积条件下, Sr含量高, 指示干旱的气候背景, 而Sr含量低, 则指示潮湿的气候背景。Sr的含量与水体古盐度呈正比, 随着盐度的增加, Sr元素也随之增加。因此, Sr元素在陆相沉积物中的含量明显低于海相。Sr/Ba常用作判别古盐度的指标(罗顺社等, 2010)。V/Ni作为区分海相和陆相沉积岩的指标之一, 其比值在海相中大于淡水相, 与古水体盐度成正相关(郑荣才等, 1999)(见表3)。通过V/Ni和Sr/Ba分析, 样品V/Ni的值在0.09～2.13, 平均值为1.37, 小于2; 样品中Sr/Ba的值在0.14～0.22, 平均值为0.19, 小于1(图5a); 样品中Fe/Mn的值3.28～8.27, 平均值为5.37, 大于5。很明显, 侏罗系杨叶组属于陆相淡水泥岩。

4.2氧化-还原性

通常情况下, 在硫酸盐还原菌的作用下, 通过下述反应:

硫酸盐矿物还原为S2–、H3S或其他低价硫化合物(叶爱娟等, 2006)。因此, 沉积物中S2–的含量高低也常用来反映沉积环境的氧化还原性。根据前人研究(叶爱娟等, 2006), S2–大于0.05％时就表示沉积环境具还原性。Cu、Zn等铜族元素在沉积作用过程中可因介质氧逸度的不同而产生分离, Cu/Zn值随介质氧逸度的升降而变化。据李珉等(2011), Cu/Zn值反映氧化/环境情况见表3。

表3　元素相标志(邓宏文等, 1993; 李珉等, 2011; 黄玉平等, 2013修改)Table 3　Paleoenvironment indicators (modified after DENG et al., 1993; LI et al., 2011; HUANG et al., 2013)

本区生油岩的S2–含量基本上在0.05％以上(图5b), Cu/Zn值范围为0.38～0.59, 平均值为0.5(图5c),反映出本区湖相沉积环境的还原性。根据前人研究(黄玉平等, 2013), 该区的姥植比Pr/Ph为0.4～1.18,这也指示生油岩形成于还原环境。

4.3古气候

在潮湿气候条件下, 沉积岩中Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素含量较高, 而在干燥气候条件下, 由于水分的蒸发, 水介质的碱性增强(张彬等, 2013), Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba被大量析出形成各种盐类沉积在水底, 所以它的含量相对较高, 利用这两类元素的比值计算气候指数“C值”, 进而根据“C值”的大小来判断古气候:

由图5d可以看出, 样品的古气候指数在0.5～0.7之间, 处于半干燥-半潮湿气候与半潮湿气候的过渡阶段, 整体上处于半潮湿气候背景下。

图5　塔东南坳陷烃源岩Sr/Ba(a)、Fe/Mn(a)、V/Ni(a)、S2–(b)、Cu/Zn(c)关系图和古气候分布图(d)Fig. 5　Sr/Ba(a), Fe/Mn(a), V/Ni(a), S2–(b) and Cu/Zn(c) diagrams of hydrocarbon source rocks and paleoclimate distribution map (d) of southeast depression of Tarim Basin

5　沉积环境讨论及沉积相平面展布

通过对沉积相和古环境的研究, 修正了前人关于烃源岩有利展布范围的认识, 提出了本区烃源岩形成的最有利相带为浅湖-半深湖环境。杨叶组烃源岩有四大主控因素, 分别是: (1)古构造控制湖盆的发育及沉积展布; (2)古气候控制有机质的类型和有机质保存条件; (3)沉积环境控制有机质丰度; (4)后期构造运动影响有机质的保存和热演化程度。

(1)古构造条件

在中侏罗世杨叶组时期, 塔东南坳陷受到断裂活动的影响较小, 构造变形较弱, 盆地边缘通常不具备明显的构造坡折带, 沉积范围扩展到最大, 沉积厚度也相对较大, 为有利烃源岩的大规模发育提供基本的地质条件。

(2)古气候条件

研究表明杨叶组沉积时, 塔东南坳陷属于温暖潮湿亚热带气候。微量元素分析表明, 水体盐度低,为淡水环境; 整体处于还原性环境。地层中富含双壳类、介形类和叶肢介等代表半潮湿气候环境的古生物, 古气候温暖潮湿, 有机质丰富, 进而在还原性环境下构成形成有利烃源岩的重要条件。

(3)沉积环境

沉积环境控制水动力条件、温度和阳光等生态要素, 进而控制地层的有机质丰度。滨湖环境由于受到陆源碎屑的影响, 不易形成优质烃源岩。浅湖-半深湖环境拥有较强的阳光及营养物质充足, 生物繁盛, 有机质丰度较高。水体稳定使得沉积环境为还原环境, 有机质保存条件良好。

(4)后期构造运动

侏罗系杨叶组地层受燕山运动的影响, 在水平构造挤压作用下, 阿尔金山快速抬升, 烃源岩被巨厚的地层埋藏, 地温升高, 开始生成油气。逆冲断层附近由于逆冲推覆作用而产生的摩擦热也影响着油气的生成, 有利于有机质的热演化。

瓦石峡凹陷杨叶组发育半深湖相烃源岩(图6),属于有利烃源岩, 生烃中心位于江尕勒萨依地区,有很强的生烃潜力, 认为该地区是有利烃源岩展布区域。烃源岩是油气富集的先决条件, 控制油气的分布层位和富集地区。程晓敢等(2008)认为辫状河三角洲呈北北西向展布, 而瓦石峡构造带和若羌构造带的辫状河三角洲沉积与江尕勒萨依地区半深湖沉积相邻, 易于形成下生上储的生储盖组合, 为有利的油气远景区。

图6　塔东南坳陷中侏罗世杨叶组沉积相平面图Fig. 6　Plan view of sedimentary facies of Jurassic Yangye Formation in southeast depression of Tarim Basin

6　结论

(1)塔东南坳陷侏罗系杨叶组主要发育辫状河三角洲相和湖泊相, 并划分出辫状河三角洲平原亚相、辫状河三角洲前缘亚相、滨湖亚相和半深湖亚相及分流河道、分流河道间、河漫、心滩、水下分流河道、水下分流河道间和河口坝等沉积微相。通过野外考察, 在塔东南坳陷瓦石峡凹陷江尕勒萨地区发现的优质侏罗系杨叶组烃源岩所在区域属于浅湖-半深湖沉积。

(2)江尕勒萨依侏罗系杨叶组烃源岩中的叶肢介化石正是其形成于安静环境的最好的证据。地球化学分析表明其沉积环境为陆相淡水环境, 具有较强的还原性; 结合沉积相及构造特征, 可以断定为浅湖-半深湖环境。

(3)提出杨叶组烃源岩形成的四大控制因素, 初步搞清了优质烃源岩主要分布在江尕勒萨依一带,该区是塔东南凹陷侏罗系有利烃源岩展布区域。瓦石峡构造带和若羌构造带发育辫状河三角洲沉积,为有利油气远景区, 对于指导该区油气勘探具有重要意义。

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Sedimentary Facies Characteristics and Palaeoenvironment of Jurassic Yangye Formation in the Southeastern Depression of the Tarim Basin

CHEN Ji1,2), JIANG Zai-xing1)*, JIANG Zheng-long2), QIU Hai-jun3), JIANG Kun-peng3), FU Wen-kang4), BI Cai-qin3)
1) School of Energy Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 2) School of Ocean Sciences, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 3) Oil and Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100029; 4) China Huadian Science and Technology Institute, Beijing 100077

Depositional environment is directly related to the development of source rock, and hence the study of the depositional environment has important significance for optimizing the favorable exploration blocks. The authors studied sedimentary facies characteristics and palaeoenvironment of Jurassic Yangye Formation on the basis of core observation, lithologic-electric logging features, test data, outcrop and palaeontological features. It is pointed out that the study area has developed two types of sedimentary facies: braided delta river facies and lake facies. The palaeoenvironment was a terrestrial freshwater environment characterized by strong reducibility. The paleoclimate was in a warm-humid climate background. A viewpoint confirmed by the field investigation is given, arguing that the optimum sedimentary facies were the shallow to half-deep lakes. Based on investigating the source rock sedimentary facies and palaeoenvironment, the authors have summarized the flat facies characteristics and the four main controlling factors.

Tarim Basin; Yangye Formation; sedimentary characteristics; paleoclimate; beneficial hydrocarbon source rock exhibition area

P534.52; P531; P532

A

10.3975/cagsb.2015.03.09

本文由国家“十二五”科技重大专项重点油气勘探新领域储层地质与评价“薄互层-细粒储层地质与评价”(编号: 2011ZX05009-002)资助。

2014-10-20; 改回日期: 2014-12-25。责任编辑: 张改侠。

陈骥, 男, 1988年生。博士研究生。主要从事沉积和石油地质方面的研究。通讯地址: 100083, 北京市海淀区学院路29号。E-mail: chenji2007@foxmail.com。

姜在兴, 男, 1962年生。博士生导师。主要从事沉积学和层序地层学方面的研究。E-mail: jiangzx@cugb.edu.cn。