玛湖凹陷风城组碱湖烃源岩基本特征及其高效生烃

王小军，王婷婷，曹剑

准噶尔盆地是中国西北地区典型的大型叠合含油气盆地[1-2]，其西北缘玛湖凹陷是国内外著名的富烃凹陷。近年来，在斜坡—凹陷区下三叠统百口泉组—上二叠统上乌尔禾组连获勘探突破，大面积成藏特点逐步显现，展现出了新的“玛湖大油气区”轮廓，正在形成新疆油田新的油气基地，为国内外勘探界所瞩目[3]。

前人研究认为，玛湖凹陷内的主力烃源岩为下二叠统风城组（P1f），沉积环境为咸水湖相[4]。然而，随勘探程度的不断加深和研究资料的不断积累，近期有研究者提出，风城组发育于比较特殊的碱湖沉积环境，进一步比对国内外已有实例[5-6]，认为它是古老的碱湖优质烃源岩，同时较之同类实例又有一定独特性，特别是在大油气田发现方面，展示出极重要的基础科学与实践应用研究价值[7]。

尽管前人的研究已取得不少成果，但仍存在不少问题，比如该套烃源岩及其成烃演化特征并不十分清楚，原因在于没有先例可循。如前所述，迄今全球发现的碱湖烃源岩实例并不多，最为典型的是美国大绿河盆地的始新统绿河页岩[8]，该套页岩以分布范围广（70 000 km2）、有机质丰度高（总有机碳含量多高于10%）、有机质类型好（Ⅰ型为主）为特征，但因尚处于未成熟—低成熟演化阶段，因此仅具油页岩意义[9-11]。碱湖烃源岩的特征与成烃演化并不十分清楚，这是陆（湖）相生油理论中欠缺的重要研究内容。有鉴于此，本文力图通过地球化学分析，结合岩石矿物学、生烃母质的研究，分析风城组碱湖烃源岩及其生烃的基本特征。

1 地质背景

玛湖凹陷位于准噶尔盆地中央坳陷西北端[3，12]，其西侧与乌夏断裂带及克百断裂带相邻，西南侧与中拐凸起相接，东南侧分布有达巴松凸起、夏盐凸起和英西凹陷，北面为石英滩凸起（图1）。玛湖凹陷斜坡区地层发育较全，自下而上有石炭系—白垩系，发育了多套潜在烃源岩，由老至新包括石炭系，下二叠统佳木河组、风城组，中二叠统下乌尔禾组[13]。其中主要烃源岩层为下二叠统风城组[14]，厚度800～1 800 m，分布面积约5 000 km2，总体呈西厚东薄的楔状[15]。据其岩性和电性特征，风城组自下而上可分为风一段（P1f1）、风二段（P1f2）和风三段（P1f3）。

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷构造位置

2 风城组碱湖烃源岩岩相学特征

风城组的岩石过去根据粒级通常称之为泥岩，随着研究程度的不断深入，发现其成分相当复杂，主要由陆源碎屑、碳酸盐组分和火山物质3个端元以不同比例混积而成（图2），为发育于碱湖环境的一套较特殊的白云质混积岩。根据不同端元所占比例，又可进一步细分出泥质岩、泥质白云岩、凝灰岩和混积岩4大类（图3）。总体而言，风城组中黏土矿物含量低，有机质结构保存不好。

图2 研究区风城组白云质混积岩组成示意

（1）泥质岩 黏土矿物含量低，正交偏光下亮度较高，几乎见不到干涉色。基质主要由细粒碱性长石和部分碳酸盐矿物组成，较粗的石英长石颗粒在单偏光下无色透明，正交偏光下干涉色为一级灰白，具有一定分选性，但呈现尖锐棱角状且颗粒间不接触，具明显的风成特点。有机质保存较好，可见细胞结构。

（2）凝灰岩 有一定的陆源碎屑和碳酸盐含量，但主要由凝灰质组分构成。正交偏光下，凝灰质组分全消光。含有少量团块状的碳酸盐组分，正交偏光下呈珍珠韵彩的高级白干涉色。

（3）泥质白云岩 主要由碳酸盐矿物特别是白云石组成，部分样品中含有特殊的碱类矿物。原生沉积形成的白云石颗粒细小均匀，部分样品受后期作用影响，白云石部分或全部发生重结晶作用，形成大颗粒的碳酸盐矿物。有机质的保存受到碱性沉积环境的影响。

（4）混积岩 在风城组所有岩石类型中所占比例最大，根据岩石中的白云质、泥质和凝灰质组分所占比例，可以进一步划分出3个亚相（图2b）。含一定量的火山碎屑，反映火山活动特征；石英、长石碎屑含量相对于泥质岩低，也呈尖锐棱角状；碳酸盐矿物多受后期成岩作用影响，聚集成较大的团块或条带，可能由新生变形作用形成。有机质可分为沥青质和颗粒2大类，沥青质可能与微生物作用有关，蓝光激发下几乎不显荧光；颗粒有机质显黄色荧光，总体荧光不是太强。

图3 研究区风城组白云质混积岩岩相特征

这4种岩石类型在风一段—风三段均有分布，但具体比例随沉积环境的演化而各有不同。风一段沉积期为成碱初期阶段，岩石主要为白云质泥岩、凝灰岩和混积岩；风二段沉积期为成碱高峰阶段，发育白云岩、泥质白云岩和混积岩，以出现大量碱性蒸发岩矿物为特征；风三段沉积期为成碱消亡阶段，发育泥质白云岩、白云质泥岩和混积岩。风二段沉积期，碳酸盐矿物含量最高，对应于湖盆的收缩期，碱湖发育达到最高峰。

3 风城组碱湖烃源岩生烃母质组成特征

玛湖凹陷风城组碱湖生烃母质组成特殊，可归纳成2大方面。

（1）生烃母质以菌藻类为主（图4），高等植物丰度低，反映碱湖沉积环境。其中，藻类属种多样，可能包括褶皱藻、沟鞭藻、宏观底栖藻类的红藻以及少量疑源类等，成因复杂，兼具内源与外源。细菌主要为蓝细菌，有胶团群体和藻席，发育生长纹层，不具鞭毛；没有真正细胞核，仅有核质，位于细胞体的中央部位；其典型特征是蓝细菌为原核生物，不具真正细胞核。褶皱藻藻体具明显粗大的中央茎，向外辐射出侧枝；是一种真核生物，细胞壁分为2层，内层由纤维素组成，外层为果胶质；典型特征为粗大的中央茎及不同类型侧枝。沟鞭藻为单细胞，具一条横向或是螺旋形状的钩（腰带）和2条鞭毛；细胞壁（壳壁）被腰带分成上下2部，一条鞭毛横向插在腰带中，另一条由腰带向下方纵向伸展；典型特征为腰带和鞭毛。宏观底栖藻类的红藻呈树枝状，叶状体具有外部皮层和内侧髓部的分化，典型特征为四分孢子囊。疑源类为单细胞，不具板片、横沟和纵沟，单细胞孢囊，分类位置不明。此外，还有很大一部分为藻质来源的无定形体，无固定形态，边缘轮廓不清晰；无明显细胞结构，少数残留有藻类结构特征。

图4 研究区风城组烃源岩生烃母质特征

（2）风城组碱湖烃源岩生烃母质组成的第二个特点是，微生物的活动（含量）与沉积环境的碱性呈正比，碱性越强，结构藻类体含量越低，无定形体含量越高。在成碱初期，水体的碱度较弱，生烃母质主要以结构藻类体为主，细胞结构清晰，疑源类可清晰观察到其圆口。成碱初期是一个碱度不断增强的阶段，在此阶段中，微生物的活动不断增强，结构藻类体不断被改造，无定形体含量增加，此时的无定形体还残留有一些藻类的结构（细小纹孔）。到碱性最高的强成碱阶段，生烃母质几乎全部为无定形体，观察不到指示来源的残余结构，根据对其他阶段生烃母质的观察，推测此时的无定形体是由各种藻类、疑源类和少量高等植物经细菌改造形成。其后水体再逐渐淡化，发展至演化终止阶段，此时的生烃母质特征与成碱初期相似，以结构藻类体为主，无定形体含量降低。

进一步对比常见湖相烃源岩的生烃母质组成特征发现，风城组的这种碱湖生烃母质特征展现出了独特的优势。湖沼相主要以高等植物为主，典型实例为西北地区侏罗系煤系；淡水湖相烃源岩生烃母质为淡水藻类和高等植物，如柴达木盆地侏罗系；咸水湖相则为咸水藻类和高等植物，如准噶尔盆地芦草沟组；硫酸盐盐湖生烃母质主要为浮游生物、藻类、高等植物等，如济阳坳陷、潜江凹陷和柴达木盆地古近系。与以上这些类型的湖相沉积相比，玛湖凹陷碱湖烃源岩生烃母质独特，优质生烃主要有3大物质基础：细菌、藻类和无定形体。细菌将藻类改造成无定形体，是碱湖的生烃母质类型区别于其他湖相烃源岩生烃母质类型的最根本特征。

4 风城组碱湖烃源岩地球化学特征

4.1 有机质丰度

烃源岩中的有机质是油气生成的物质基础，常见判识其丰度的指标参数包括总有机碳含量、岩石热解中的生烃潜量、氯仿沥青A含量等[16-18]。

在准噶尔盆地玛湖凹陷，从总有机碳含量、生烃潜量和氯仿沥青A含量3方面来看（表1），风城组总体都达到了中等—优质烃源岩的标准。风一段总有机碳含量为0.03%～1.76%，平均为0.79%；风二段总有机碳含量为0.28%～3.58%，平均为1.03%；风三段总有机碳含量为0.12%～2.73%，平均为0.92%.总有机碳含量风二段最高。

表1 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组烃源岩有机地球化学特征

风一段、风二段和风三段样品生烃潜量分别为0.02～17.51 mg/g（均值3.55 mg/g）、0.06～24.58 mg/g（均值5.43 mg/g）、0.01～25.29 mg/g（均值4.10 mg/g）；氯仿沥青A含量分别为0.011‰～4.564‰（均值1.125‰）、0.060‰～11.088‰（均值 2.017‰）、0.025‰～6.821‰（均值1.247‰）。同样表现出风二段最优。

综上所述，从总有机碳含量、生烃潜量和氯仿沥青A含量来看，风城组大部分样品属中等—优质烃源岩。风一段、风二段和风三段垂向差异明显，风二段烃源岩最优，与碱性沉积旋回的演化相一致。

4.2 有机质类型

烃源岩的有机质丰度是能否大量生烃的关键，而有机质类型则在很大程度上决定着所生烃类的性质、组成以及量的大小，常见用来判断烃源岩有机质类型的地球化学参数包括：热解氢指数、干酪根元素比值和干酪根碳同位素等[16，19-21]。本文主要采用热解氢指数与热解氧指数相关图、热解氢指数与热解峰温相关图，以及干酪根碳同位素，结合生烃母质显微鉴定，来确定风城组烃源岩的有机质类型。

风一段、风二段和风三段样品的热解氢指数分别为21～794 mg/g，3～982 mg/g和3～801 mg/g，均值分别为241 mg/g，363 mg/g和322 mg/g（表1，图5）。风城组样品有机质类型从Ⅰ型—Ⅲ型均有分布，表明其有机质来源复杂。风二段主要为Ⅰ型—Ⅱ型，有机质类型最好；风一段和风三段样品有机质类型分布较为分散，从Ⅰ型—Ⅲ型均有分布，总体表现出风二段有机质类型优于风三段、风三段优于风一段的特征。

有机质稳定碳同位素主要取决于有机质的来源，受热演化作用影响较小，因此，在烃源岩的成烃演化阶段，尤其是其高演化阶段，干酪根碳同位素也是反映烃源岩有机质类型的一项重要的有效参数。从玛湖凹陷样品干酪根碳同位素分布特征来看（表1，图5），风二段有机质类型最好，主要为Ⅱ型；其次为风三段，Ⅱ1型—Ⅲ型均有分布，主要为Ⅱ2型；再次为风一段，主要为Ⅱ2型—Ⅲ型。需要注意的是，由于风城组发育于碱湖（碱性盐湖）沉积环境，碳同位素整体偏重，因此实际的有机质类型要比根据碳同位素判识的结果好，而且风城组有机质类型的变化趋势，与岩石热解氢指数判识结果基本一致。

图5 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组烃源岩有机质类型分布

对风城组样品岩石薄片和干酪根进行显微观察，发现风城组3段之间存在明显差异（图3，图4），风一段碳酸盐含量最低，生烃母质以结构藻类体为主，见少量孢粉和疑源类；风二段碳酸盐含量最高，部分样品碳酸盐含量超过50%，生烃母质以无定形体为主；风三段碳酸盐含量介于风一段和风二段之间，生烃母质多以无定形体为主（部分藻类的结构特征被保留下来，如圆形纹孔、网状结构），见少量结构藻类体。显微鉴定结果与地球化学分析相似，风二段有机质类型最优，其次为风三段，风一段相对较差。

综合上述，准噶尔盆地玛湖凹陷风城组有机质来源复杂，有机质类型Ⅰ型—Ⅲ型均有分布，以Ⅱ型为主，倾向于生油。风城组有机质类型呈风二段优于风三段、风三段优于风一段的趋势。

5 风城组碱湖烃源岩高效生烃

5.1 烃源岩生烃潜力

理论而言，烃源岩的生烃能力受诸多因素影响，如烃源岩的分布与厚度，烃源岩中有机质的丰度、类型及其热演化程度等[22]。通常来说，生烃潜力大的烃源岩一般分布广、厚度大，有机质丰度高、类型好、成熟度适中[16]。根据前文分析，风城组烃源岩的有机质丰度都达到了中等—优质烃源岩标准，并表现出风二段有机质丰度高于风三段、风三段高于风一段的特点。因此，对于生烃，有机质数量不存在问题。从有机质类型来看，整体主要为腐泥型，更倾向于生油，也表现出风二段优于风三段、风三段优于风一段的特点，与有机质的丰度变化特点一致。

从有机质成熟度看，目前所研究样品多处于成熟演化阶段，但这并不能完全代表凹陷区烃源岩的热演化程度，据此，综合前人对区域地温分布[23-24]和地层层序[13]的研究结果，选取了玛湖凹陷沉积中心的虚拟井进行了数值模拟（图6）。结果表明，风城组在二叠纪末期进入生烃门限，在三叠纪末期进入生油高峰期，目前已进入高成熟演化阶段（埋深大于5 000 m）。

图6 准噶尔盆地玛湖凹陷埋藏—热演化史

因此，玛湖凹陷风城组烃源岩有机质丰度高、有机质类型以生油为主，成熟度在凹陷区进入成熟—高成熟演化阶段，具备良好的生烃，特别是生油潜力，且风二段生烃潜力最大，其次为风三段，最后为风一段。

5.2 烃源岩高效生烃

根据上述分析，风城组碱湖混积岩从有机质丰度、类型上达到了中等—优质烃源岩标准，物质基础良好，但与传统湖相优质烃源岩相比，优势并不显著。为进一步查明其生烃特点，对总有机碳产烃率进行了分析，结果表明，风城组烃源岩大致存在3期生烃高峰（两期生油，一期生气）（图7）。第一期为早期成熟油，高峰在镜质体反射率为0.8%左右，对应埋深3 500 m左右，总有机碳产烃率达到470 mg/g；第二期为晚期高熟油，高峰在镜质体反射率为1.3%左右，对应埋深4 500 m左右，总有机碳产烃率达到800 mg/g；第三期为天然气，镜质体反射率在2.0%左右，对应埋深在5 700 m附近，总有机碳产烃率达到200 mg/g.与传统湖相优质烃源岩的生烃特点[18，25-27]相比，有2个重要的不同点，一是两期生油，二是高效，特别是第二期高成熟油，总有机碳产烃率达到800 mg/g，几乎近2倍于传统湖相优质烃源岩。

图7 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组烃源岩生烃特征

油气标定也表明，玛湖凹陷内部存在多期成藏，成熟—高成熟油气连续运聚（图7）。储集层中抽提出2种不同性质的原油，一种为黑色，油质较重；另一种为黄褐色，油质较轻，分别对应着早、晚2期原油充注。此外，对储集层显微观测也发现，蓝光激发下的薄片可以观察到2种不同荧光色的有机质，分别为偏黄绿色和亮黄色，第一期成熟油，油质较重，颜色深，荧光较弱；第二期高熟油，油质轻，颜色浅，荧光强。总之，这一油气连续充注特征与烃源岩的多期生烃相吻合。

综上所述，风城组碱湖白云质混积岩与传统湖相烃源岩相比，在基础地球化学特征上优势并不显著，但其生烃具有多期性和高效性，存在两期生油高峰和一期生气高峰，成熟—高成熟连续生烃，高效生烃，总有机碳产烃率大，最高峰达到800 mg/g，为目前研究区建成大油气区奠定了资源基础，未来仍有广阔的勘探空间。

6 结论

（1）准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组发育了一套特殊的碱湖白云质混积岩，岩性组合复杂，主要由陆源碎屑、碳酸盐组分和火山物质3个端元以不同比例混积而成，可进一步细分出4大类：泥质岩、泥质白云岩、凝灰岩和混积岩。

（2）风城组烃源岩具有碱湖特色的生烃母质——以菌藻类为特色的生烃母质，特别是细菌的参与，是碱湖不同于传统酸性硫酸盐盐湖的关键；微生物的活动（含量）与沉积环境的碱性相关，碱性越强，微生物活度越高，结构藻类体含量越低，无定形体含量越高。

（3）风城组烃源岩有机质丰度都达到了中等—优质烃源岩标准，有机质类型偏腐泥型，在凹陷区达到成熟—高成熟演化，具有良好的生烃潜力。风城组3段的生烃潜力存在一定差异，风二段最优，风三段次之，风一段再次之。

（4）风城组烃源岩多期高效生烃，存在3期生烃高峰：早期成熟油、晚期高熟油和晚期天然气。高成熟油生成阶段，总有机碳产烃率峰值达到800 mg/g，几乎2倍于传统湖相优质烃源岩。

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