川东北—鄂西地区下震旦统陡山沱组烃源岩特征及形成环境

张道亮，杨帅杰，王伟锋，付小东，张建勇，李文正

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油天然气股份有限公司 杭州地质研究院，杭州 310023)

陡山沱组是我国新元古界震旦系最为重要的烃源岩层系之一。露头剖面和相关钻井揭示，四川盆地周缘发育陡山沱组厚度较大的黑色泥页岩沉积[1-2]，宜昌地区秭地1、鄂阳页1井等钻井也相继发现陡山沱组页岩有良好的含气性显示[3-4]，因此深化陡山沱组烃源岩分布和地化特征研究显得尤为重要。

前人对陡山沱组地层、岩相古地理、沉积环境等方面开展了一定的研究[5-11]，认为陡山沱组在川东北城口地区和鄂西地区沉积厚度大，地层具有四分性，岩性多为白云岩、暗色泥页岩及粉砂岩，其中烃源岩主要发育在二段和四段。对陡山沱组页岩沉积环境的分析表明，宜昌地区陡二段页岩形成于气候剧烈变动的台地内部，下部页岩形成于氧化环境，上部页岩形成于还原环境[5]；鄂西地区陡山沱组黑色页岩发育在台内盆地，陡二段页岩为贫氧—缺氧环境，陡四段页岩为缺氧环境[6]。但对于川东北地区该套烃源岩的平面分布特征及形成环境的研究相对比较薄弱。上扬子北缘陡山沱组沉积过程为水体加深的海侵序列，镇巴—城口地区陡山沱组总体形成于滨海—陆棚环境[7]，发育潮坪相、斜坡相、陆棚相等沉积体系，黑色页岩形成于浅海—半深海环境[8]。针对上述问题，笔者对川东北—鄂西地区陡山沱组典型剖面进行踏勘和系统采样，通过实验测试，分析烃源岩有机地化、主、微量元素及相关比值的变化特征，明确不同地区陡山沱组烃源岩特征和平面展布，探讨不同地区烃源岩的形成环境及其差异性，以期为川东北—鄂西地区陡山沱组古地理重建和油气勘探提供依据。

1 样品采集与分析

研究区位于中上扬子北缘，主体位置在城口—宜昌一带；构造位置上处于四川盆地北部城巴断裂带内和中扬子区黄陵背斜东南部。区内震旦系地层沿镇巴—城口—镇坪一带和神农架隆起及黄陵背斜周缘出露(图1)[7]。样品主要采自于川东北城口符家沟、陈家湾、五宋村和鄂西宜昌花鸡坡、芝麻坪等剖面，岩性为黑色泥页岩、碳质页岩、硅质泥岩等，主要进行了有机碳含量、主微量元素、成烃生物、干酪根显微组分和成熟度分析测试。

样品测试工作由北京通标标准技术服务有限公司矿产实验室完成，有机碳含量测试采用美国力可CS230碳硫分析仪，执行GB/T19145—2003标准；主量元素测试采用XRF设备，执行GB/T 21114—2007标准；微量元素测试采用电感耦合等离子体质谱仪，执行GB/T 14506.30—2010标准。

图1 川东北—鄂西地质简图据文献[7]修改。

2 陡山沱组烃源岩分布特征

陡山沱组是继南沱组冰期后发生大规模海侵沉积的第一套地层，自下而上可以分为4个岩性段，其中暗色泥页岩主要发育在陡二段和陡四段[5，12]。通过收集露头资料及前人研究成果[1，3，9，13-14]，结合剖面实测对陡山沱组泥页岩厚度进行统计，并编制烃源岩厚度分布图。其中镇巴小洋坝剖面陡山沱组泥页岩厚88 m(图2a)；紫阳紫黄剖面陡山沱组泥岩厚96 m[1]；城口一带泥页岩厚度大，明月剖面陡山沱组黑色页岩厚度可达230 m[13]，符家沟剖面陡山沱组未见到顶界面，暗色泥页岩纵向厚度可达250 m；樟树坪地区陡山沱组泥页岩厚度较薄，总体为0～20 m[14]；宜昌花鸡坡剖面陡山沱组岩性以白云岩和黑色碳质泥页岩为主，烃源岩累计厚度约50 m(图2b)；秭地1井、秭地2井、鄂阳页1井等钻遇陡山沱组页岩厚度在100～150m；鹤峰白果坪一带陡山沱组泥页岩厚度较大。平面上，由于受到汉南古陆和川东古隆起的控制，川东北—鄂西地区陡山沱组烃源岩存在多个厚度中心，其中镇巴—城口一带烃源岩厚度最大，为100～250 m；鄂西宜昌—长阳地区烃源岩厚度在50～150 m。川东古隆起地区五探1井陡山沱组主要为粉砂岩，不发育烃源岩，楼探1井尚未钻穿陡山沱组，但地震剖面显示古隆起两侧陡山沱组地层厚度大，因此推测在古隆起两侧烃源岩厚度为20～100 m(图2a)。

图2 川东北—鄂西陡山沱组烃源岩厚度等值线(a)及地层剖面对比(b)

3 烃源岩有机地球化学特征

川东北—鄂西地区7个野外剖面94个烃源岩样品地球化学分析测试表明，陡山沱组有机碳含量较高，但不同地区存在一定差异(表1)。陡山沱组烃源岩总有机碳含量分布在0.21%～10.40%，平均为2.04%，有30%的样品总有机碳含量在2%以上，达到优质烃源岩的标准(总有机碳含量超过2%)。其中符家沟剖面陡山沱组烃源岩总有机碳含量分布在0.21%～6.14%，平均为1.67%；陈家湾剖面总有机碳含量为1.24%～10.40%，平均为4.73%；五宋村剖面总有机碳含量为0.30%～5.56%，平均为2.23%。鄂西地区烃源岩有机碳含量高，除了一个样品有机碳含量为0.86%外，其余样品总有机碳含量均大于1.0%，有接近40%的样品达到优质烃源岩标准。陡山沱组成烃生物类型多样，发育浮游藻(蓝藻)、球状甲藻、底栖褐藻、疑源类等多种生物微相(图3a-c)，以底栖藻类无定形体和固体沥青为主。裂缝与粒间孔隙中大量充填的固体沥青表明，在地质历史时期其经历了大量生油并有部分液态烃滞留在烃源层内。根据干酪根显微组分分析和镜下鉴定，陡山沱组有机显微组分主要为腐泥组，含量为62%～90%，干酪根碳同位素在-37.93‰～-28.67‰，平均为-31.83‰(表1)，表明干酪根类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型，具有较高的生烃潜力。烃源岩等效镜质体反射率(Ro)在2.39%～3.50%，处于过成熟热演化生气阶段。

表1 川东北—鄂西地区陡山沱组烃源岩有机地球化学特征

图3 川东北—鄂西陡山沱组烃源岩成烃生物及显微组分镜下鉴定结果

4 烃源岩形成环境

4.1 陡山沱组沉积背景

川东北—鄂西地区陡山沱组沉积期具有明显的两隆两坳古地理格局，在盆地西北部和北部分别存在汉南古陆和开江古陆，因而缺少陡山沱组沉积[15]。城口和鹤峰地区发育边缘凹陷，沉积厚度大，尤其是城口高观地区最大可达1 843.6 m，湘鄂西地区陡山沱组厚度一般为100～200 m[10]。从地层剖面对比(图2b)可以看出，自镇巴向城口地区陡山沱组明显加厚，泥页岩厚度大且比较稳定，其间有少量的白云岩及硅质白云岩，主要为深水陆棚沉积。向东至巫溪康家坪、樟树坪一带，地层厚度减薄，主体岩性为白云岩，仅在底部发育数十米的泥页岩，表明沉积水体较浅。宜昌—鹤峰一带，陡山沱组地层变厚，岩性以碳质泥页岩和泥质白云岩、白云岩为主，处于较深水的台内盆地环境。此次研究主要利用微量元素及其比值，分析陡山沱组烃源岩形成时的水动力、古盐度、氧化还原条件等沉积环境因素。

4.2 水动力条件

水动力条件能够反映水深、浪基面等相关信息，有机质往往在水动力弱的低能条件下沉淀[16]。Zr是典型的亲陆惰性元素，其含量与沉积岩粒度呈正相关；Rb常赋存于海水中的黏土、云母等细粒矿物中，在低能环境中沉淀。因此岩石中的Zr/Rb值可用来定量表征水动力变化特征，值越大，反映水动力越强[17]。

从表2可以看出，符家沟剖面烃源岩Zr/Rb值变化不大，在1.06～3.60之间，平均值为1.99，反映自南沱纪冰期结束后海平面迅速上升，城口地区转为深水陆棚环境，从而处于水体能量相对稳定、水动力较弱的沉积环境。此外，从纵向来看(图4)，陡山沱组底部地层主要为厚度较大的砂质页岩，向上逐渐变为黑色碳质页岩、深灰色泥页岩，夹有薄层的白云岩、粉砂质泥岩，砂质含量相对减少，同时烃源岩样品的Zr/Rb值曲线多次波动，整体左倾，也表明自下而上水体加深，能量减弱，上部地层沉积时水体比较稳定、能量较低。宜昌花鸡坡剖面样品Zr/Rb值变化较大，在2.40～14.80，平均值为9.33，远大于符家沟剖面，同时烃源岩纵向累计厚度也小于城口地区，表明陡山沱组沉积时期宜昌地区处于开阔台内盆地环境，海水相对较浅，因此水动力较强。

4.3 古盐度

古盐度是指示沉积期古地理环境和古气候的重要指标。微量元素中锶(Sr)的含量可以定性判断水体盐度。在海相咸水中Sr的含量为800～1 000 μg/g，半咸水中为500～800 μg/g；淡水中为100～500 μg/g[18]。Rb/K值也常作为水体盐度判别的有效参数。Rb/K大于0.006为正常海相沉积，0.004～0.006为微咸水，河流相沉积物的该比值为0.002 8[19]。

符家沟剖面陡山沱组样品Sr含量在16.8～297 μg/g，平均为87.58 μg/g，样品Rb/K值在0.001 8～0.009 0，平均为0.003 9；花鸡坡剖面样品Sr含量在118.6～757.5 μg/g，平均为347.81 μg/g，Rb/K值在0.000 3～0.002 1，平均为0.000 7，均指示川东北—鄂西地区陡山沱组烃源岩沉积水体盐度偏低。从Sr含量来看，符家沟剖面水体盐度低于花鸡坡，但Rb/K值指示符家沟剖面盐度相对较大。对Sr元素富集程度的分析表明，符家沟剖面样品Sr富集系数EF(Sr)值为0.2～6.3，平均0.87，大多数样品富集系数小于1；花鸡坡剖面EF(Sr)值为1.3～15.8，平均5.7，所有样品EF(Sr)均大于1，由此推测造成盐度判别不一致的原因可能是符家沟剖面Sr元素相对亏损所致。同时根据区域沉积背景，川东北地区陡山沱组烃源岩厚度大，处于深水陆棚环境，宜昌地区处于台内盆地环境，受河流相淡水影响更大，所以综合认为川东北—鄂西地区陡山沱组烃源岩形成于低盐度水体环境，鄂西地区盐度更低。

4.4 氧化还原条件

氧化还原条件是有机质是否能被保存下来的关键因素。前人对氧化还原指标进行了大量研究，认为Th、U、V、Ni、Cr、Mo等元素对氧化还原环境较为敏感，常用其比值进行氧化还原环境的判别[20]。一般说来，参与判别的相关元素应为自生类型，但是由于沉积岩中微量元素还来源于陆源碎屑，因此需要对氧化还原敏感元素含量和Al或Ti做相关性分析，选择两者相关程度较低的元素进行古环境判别[21-22]。

符家沟剖面样品氧化还原敏感元素中Cr与Al的相关性强，V、U、Mo、Ni等元素与Al的相关性弱，相关系数小于0.5。花鸡坡剖面烃源岩样品中Ni、Co、Cu等元素与Al的相关性强，相关系数大于0.8，Mo、U与Al的相关系数小于0.5，相关程度弱。因此，在选择V、U、Mo等元素进行氧化还原环境判断时，仍然具有一定的可靠性。

4.4.1 氧化还原敏感元素富集程度

由于沉积岩或沉积物中氧化还原敏感元素的富集程度受沉积水体氧化还原环境的控制，因此可以利用其富集程度来指示古水体的氧化还原性质[23]。由于Al元素不受成岩作用影响，且比较稳定，因此常被用作元素富集系数标准化参数[24]，各氧化还原敏感元素的富集系数常用EF(X)=(X/Al)样品/(X/Al)PAAS来计算，当EF(X)>1时，表明X元素相对富集，反之则相对亏损。

表2 川东北—鄂西地区陡山沱组地球化学元素参数分布特征

符家沟剖面烃源岩氧化还原敏感元素富集系数大小顺序为EF(Mo)>EF(V)>EF(U)>EF(Cu)>EF(Cr)>EF(Ni)，其中Mo、V、U、Cu元素富集系数平均值大于1，Mo元素富集系数平均值最大，为9.42；Cr、Ni等元素富集系数平均值小于1(表2)，表现出相对亏损。花鸡坡剖面烃源岩样品氧化还原敏感元素富集系数大小顺序为EF(Mo)>EF(Cr)>EF(U)>EF(V)>EF(Cu)>EF(Ni)，各元素富集系数均大于1(表2)。2个剖面样品都表现出V、U相对于Cu、Ni明显富集的特点，表明陡山沱组烃源岩在沉积时整体处于水体缺氧环境[23]。从纵向剖面可以看出，符家沟剖面地层下部Mo、V、Cu、Ni、Co等元素呈现出相对亏损的波谷形态，中上部地层出现多个富集高峰，而鄂西花鸡坡剖面氧化还原敏感元素变化相对稳定。根据对符家沟剖面陡山沱组稀土元素的分析，样品∑LREE/∑HREE均值为5.56，δEu范围在1.07～3.48，均值为1.61，具有轻稀土富集和明显Eu正异常特征。同时结合城口地区陡山沱组黑色岩系样品大部分落在了(Cu+Co+Ni)-∑REE和U-Th热液特征判别图热水沉积区的研究结果[25]，推测符家沟剖面多个元素富集高峰的出现可能与深部热液作用有关。

图4 川东北—鄂西陡山沱组地层元素地球化学综合柱状图

4.4.2 氧化还原敏感元素比值

除了氧化还原敏感元素富集程度可以指示水体的氧化还原性质外，相关微量元素的比值,如Th/U、V/(V+Ni)、δU等，也常用来判断氧化还原环境。Th/U在0～2为缺氧环境，大于2为氧化环境，在强氧化环境中可高达8[26]；V/(V+Ni)在0.46以下为氧化环境，0.46～0.60为贫氧环境，0.60～0.84为缺氧环境，大于0.84为硫化缺氧环境[27]；同时也有学者提出了δU[δU=2U/(U+Th/3)]可以作为氧化还原环境判别指标，认为δU小于1为正常海水环境，δU大于1为缺氧环境[28]。此外，Mo-U共变是近年来古海洋氧化还原判别的新指标，Mo和U在缺氧或硫化环境中往往被还原为低价态而被沉积物捕获，因此EF(Mo)/EF(U)比值可以指示古环境。在氧化条件下，EF(Mo)/EF(U)比值小于现代海水EF(Mo)/EF(U)比值的0.3倍，在还原环境中其比值接近或超过现代海洋的EF(Mo)/EF(U)比值[29]。

研究区微量元素相关比值变化特征如表2所示，符家沟剖面Th/U值为1.05～3.86，平均为2.31，V/(V+Ni)值为0.70～0.99，平均为0.92，δU值为0.88～1.48，平均为1.15；花鸡坡剖面Th/U值为0.43～2.37，平均为1.35，V/(V+Ni)值为0.68～0.87，平均为0.80，δU值在1.12～1.75，平均为1.40。2个剖面样品点总体上都落在缺氧—贫氧区域，个别样品表现出弱氧化的特征，其中符家沟剖面落在贫氧区域的数据点更多(图5a)，表明川东北地区陡山沱组烃源岩形成于缺氧—贫氧的沉积环境，鄂西地区烃源岩发育在缺氧环境中。另外从EF(Mo)-EF(U)共变图(图5b)中看出，符家沟样品EF(Mo)/EF(U)比值范围在1.12～20.01，平均为6.58，大部分样品都落在EF(Mo)/EF(U)比值为1倍海水等值线和3倍海水等值线之间；花鸡坡样品EF(Mo)/EF(U)比值范围在0.42～8.20，平均为2.45，大部分样品落在0.3倍海水等值线和1倍海水等值线之间，个别样品落在次氧化—缺氧海水区域(图5b)，均表明陡山沱组烃源岩沉积时为缺氧—贫氧环境，这与上述其他指标分析结果基本一致。

5 油气地质意义

陡山沱组成烃母质来源于低等水生生物，有机质在水体能量较低的缺氧还原环境中能够被很好地保存下来，从而形成总有机碳含量高、有机质类型好、现今热演化程度高、在川东北—鄂西地区广泛分布且厚度较大的优质烃源岩。该套烃源岩可与生烃凹陷外围灯影组台缘丘滩相储层形成良好的源储配置关系。同时陡山沱组暗色泥页岩既是优质烃源岩，也是良好的页岩气储层段，目前已在宜昌地区获得了钻井含气性显示，表现出极大的勘探潜力。因此陡山沱组烃源岩对中上扬子地区震旦系—寒武系常规、非常规天然气勘探均具有重要地质意义，川东北和鄂西地区是源自陡山沱组天然气资源勘探的有利方向。

图5 川东北—鄂西地区陡山沱组烃源岩氧化还原对比分析

6 结论

(1)川东北—鄂西地区震旦系陡山沱组烃源岩广泛发育，区域厚度为20～250 m，存在镇巴—城口和宜昌—五峰2个厚度中心，根据钻井和地震剖面推测川东古隆起两侧烃源岩厚度为20～100 m。

(2)陡山沱组烃源岩有机质丰度高，总体分布在0.21%～10.40%，平均为2.04%；有机母质来源于低等水生生物，为Ⅰ-Ⅱ1型干酪根；烃源岩现今热演化程度高，处于过成熟阶段，具有良好的生气潜力。

(3)川东北—鄂西地区陡山沱组烃源岩形成环境存在一定差异。川东北地区陡山沱组烃源岩形成于水动力弱、低盐度、缺氧—贫氧的深水陆棚环境；鄂西花鸡坡剖面陡山沱组烃源岩发育于水动力较强、低盐度、缺氧的台内盆地环境。