川西坳陷中段雷口坡组碳酸盐岩地球化学特征及地质意义
2020-02-27王纯豪梅3钟文健
王纯豪，韩 超，韩 梅3，钟文健
(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2.海洋矿产资源实验室 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266071； 3. 山东科技大学 电气与自动化学院，山东 青岛 266590)
近年来，我国海相油气勘探在鄂尔多斯盆地东部、四川盆地西部及塔里木盆地中部等地区取得了重大突破[1]，引起了人们对低有机质丰度、高热演化程度的海相碳酸盐岩的关注，其能否作为有效烃源岩成为我国深层海相碳酸盐岩层系油气勘探的一个关键问题。Jarvie[2]系统分析了样品在热演化过程中有机碳含量的变化，认为有机质类型好的样品到达高热演化阶段后，其有机碳含量最高可降低80%；霍志鹏等[3]通过对塔中地区低丰度碳酸盐岩评价，认为过成熟阶段有效烃源岩的有机碳含量下限值为0.15%。因此，对于高热演化程度、低有机质丰度的碳酸盐岩，不可否认其对油气藏的贡献。
川西坳陷海相层系因埋藏深且经历多期构造活动的改造[4]，地质条件复杂，使得该地区海相层系油气勘探程度较低，制约着对该地区海相层系烃源岩资源潜力的认识。随着川西地区多口钻井在雷口坡组陆续获得高产工业性气流，说明川西坳陷海相层系具有良好的油气勘探潜力，但也存在明显的源、藏不匹配问题[1]，四川盆地碳酸盐岩层系油气勘探探明的油气储量甚至超过了评价的油气资源量，研究区深埋藏的高丰度海相烃源岩分布有限，不能合理解释已探明的大量油气。
前人对川西坳陷雷口坡组碳酸盐岩有机地球化学特征及沉积相等方面做了大量的工作，取得了一系列研究成果。孙腾蛟等[4]认为四川盆地海相碳酸盐岩层系相比其他几大含油气盆地，具有发育时间久、厚度大、层系多的特点；王彦青等[5]认为雷口坡组碳酸盐岩热演化程度高(Ro>2.0%)，有机质丰度整体较低，有机碳含量大于0.2%的样品不足20%，小部分样品有机碳含量大于0.5%可作为优质烃源岩；杨克明[6]认为雷口坡组碳酸盐岩有机质类型好，具有较高的生烃转化率，且样品中的有机酸盐具有较强的生烃能力；孙春燕等[7]认为雷口坡组发育碳酸盐岩台地相沉积体系，主要包含台内滩、局限潮坪、潟湖等亚相。
雷口坡组高热演化程度、低有机质丰度的碳酸盐岩能否作为有效烃源岩，针对这一问题，谢刚平[8]通过对比天然气地球化学特征及天然气运移条件认为，雷口坡组天然气来源除其他层系烃源岩外，还有部分来自雷口坡组碳酸盐岩。本研究从碳酸盐岩地球化学特征及沉积环境等方面对雷口坡组碳酸盐岩进行综合评价，探讨其作为有效烃源岩的可能性，以期为研究区下一步油气勘探提供参考。
1 地质背景
研究区位于扬子板块西缘的龙泉山前陆隆起带与龙门山冲断带之间，地理位置大致处于绵竹-新场-丰谷以南、大邑-成都以北的地区，包括5个构造区带：安县-鸭子河-大邑断褶带、梓潼凹陷、孝泉-丰谷构造带、成都凹陷、知新场-龙宝梁构造带[9](图1)。中三叠世雷口坡期，四川盆地古构造活动强烈，随着康滇古陆、龙门山岛链相对下沉，以及江南古陆相对抬升并不断向西北方向推进，造成龙门山与江南古陆之间相对挤压，以致形成开江、泸州古隆起，同时天井山古隆起再次隆升[10]。自此，西高东低的古地理格局得以改变，地形整体呈东高西低、南高北低的特征。
由于受到古陆与众多古隆起的影响，川西坳陷逐渐形成半封闭的陆表海环境，发育多套以碳酸盐岩-膏盐岩为主的沉积旋回[11]。雷口坡组可划分为四个岩性段[12]，除雷四段顶面受印支运动的影响遭受侵蚀外，总体保留较完整(图2)。
研究区西部主要为台地边缘沉积，中东部主要为局限-蒸发台地沉积[5](图3)。其中，大邑-绵竹-江油一线发育台缘滩亚相，主要岩性为生物碎屑白云岩、藻白云岩、泥晶白云岩等；绵阳-成都一线发育潮坪亚相，主要岩性为泥粉晶白云岩、膏质白云岩、泥质白云岩等。碳酸盐岩层系厚约150～550 m[4]，一般为350～550 m，大邑-都江堰一带厚度较大。总体上，川西坳陷中段较厚，南段次之，北段较薄(图4)。
2 样品采集与测试方法
实验样品来自龙深1井、羊深1井和鸭深1井岩心样品，有机地球化学分析由任丘市邦达新技术有限公司完成，主、微量元素含量分析由武汉上谱分析科技有限责任公司完成。有机碳含量测定执行标准为GB/T 19145—2003，测试仪器为Leco碳硫测定仪；有机显微组分与沥青反射率测定执行标准分别为SY/T 5125—1996、SY/T 5124—1995，测试仪器为Axio Scope Al显微光度计；微量元素含量测定执行标准为GB/T 14506.30—2010，测试仪器为Agilent 7700e质谱仪；主量元素含量测定执行标准为GB/T 14506.28—2010，测试仪器为ZSXPrimusⅡ光谱仪。
3 碳酸盐岩有机地球化学特征
3.1 有机质类型
采用干酪根显微组分类型判别法对川西坳陷中段雷口坡组碳酸盐岩有机质类型进行表征。通过显微观察统计样品中不同显微组分的百分含量，依据类型指数TI的大小区分干酪根类型，Ⅰ型干酪根TI值大于80，Ⅱ1型干酪根TI值为40～80，Ⅱ2型干酪根TI值为0～40，Ⅲ型干酪根TI值小于0[13]。
分析结果如表1所示，除个别样品未检测到有机质外，其余样品的有机质类型均为Ⅰ型。综合前人研究成果认为研究区雷口坡组碳酸盐岩有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型[4,6,8]，有机质类型好，生烃转化率高。
3.2 有机质成熟度
川西坳陷中段雷口坡组样品演化程度高、缺少镜质体，但往往赋存固态沥青。依据岩石中沥青反射率与镜质体反射率之间的关系，本研究通过测试样品的沥青反射率(Rb)，并将其转化成等效镜质体反射率(Ro)来判断有机质的成熟度[14]。测试结果如表2所示，有效测试样品中等效镜质体反射率均大于2.0%。结合前人研究成果认为研究区雷口坡组碳酸盐岩热演化程度较高[4,6,8]，处于过成熟阶段。
图2 四川盆地中三叠统雷口坡组岩性 特征综合柱状图[12]Fig. 2 Synthetical lithology histogram of gas fields of the Middle Triassic Leikoupo Formation in Sichuan Basin
图3 研究区雷口坡组沉积相展布图[5]Fig. 3 Sedimentary facies distribution of Leikoupo Formation in the study area
图4 川西坳陷中段雷口坡组碳酸盐岩厚度图[4]Fig. 4 Thickness map of Leikoupo Formation carbonate rocks in the central western Sichuan Depression
表1 川西坳陷中段雷口坡组碳酸盐岩有机质类型分析
表2 川西坳陷中段雷口坡组碳酸盐岩等效镜质体反射率
3.3 有机质丰度
选取龙深1井、鸭深1井和羊深1井的11件碳酸盐岩样品进行有机碳含量测定，结果如图5所示，有机碳含量为0.02%～0.19%，有机质丰度较低。前人[5-6]对研究区雷口坡组大量碳酸盐岩样品分析表明，若以0.2%作为过成熟阶段海相烃源岩有机碳含量的下限值，测试样品有机碳含量大于0.2%的比例约占25%，绝大部分样品有机碳含量未达到有效烃源岩有机碳含量的下限值。分析认为这与烃源岩类型、热演化程度相关，雷口坡组实测样品有机碳含量表示的是烃源岩中剩余有机碳的含量，有机质在漫长的演化过程中持续地生烃和排烃作用，才导致烃源岩中有机碳的含量不断降低。前人[2-3]通过自然演化剖面和热模拟试验分析表明碳酸盐岩有机碳含量随热演化程度的加深而不断减少，有机质类型越好，有机碳含量下降幅度也越大，最大下降幅度约60～80%。霍志鹏等[3]认为有效烃源岩的生烃潜力随热演化程度的加深呈先增加后减小的特征，随着烃源岩生烃量的增加，当满足烃源岩最大残留烃量时开始向外排烃，称这个临界点为排烃门限。低丰度的碳酸盐岩初始生烃量相对较少，到达排烃门限也相对较晚，取排烃量为零时的有机碳含量为有效烃源岩有机碳含量下限值，并通过绘制演化剖面得出过成熟阶段有效烃源岩的有机碳含量下限值为 0.15%。
图5 川西坳陷中段雷口坡组碳酸盐岩TOC值Fig. 5 TOC content of Leikoupo Formation carbonate rocks in the central western Sichuan Depression
孙敏卓等[15]通过红外光谱法、气相色谱/质谱联用和热重/差热等技术证实碳酸盐岩中普遍存在有机酸盐。碳酸盐岩中有机质在热演化过程中生成的有机酸与碱性矿物发生反应生成有机酸盐，有机酸盐热稳定性高，具有很高的生烃转化率，可作为重要的再生烃源[1,16]。传统的有机碳测定方法往往忽略了有机酸盐这一烃源，测定时不仅除去了样品中的无机碳，还造成大量的有机酸盐流失，以致所测的有机碳含量偏低。泥质烃源岩中富含的有机酸盐含量较低，测定时有机酸盐的流失对其有机碳含量影响很小，但对于低有机质丰度的碳酸盐岩而言，流失的有机酸盐所含的有机碳在总有机碳中占有较大比例，测定时对其有机碳含量值影响较大。
刘文汇等[1]利用新方法和传统方法对国内外不同盆地的海相层系碳酸盐岩样品的有机碳含量进行了测定。实验结果如表3所示，有机碳测定新方法所测得的样品有机碳含量相比传统方法有了大幅提高，不少样品有机碳含量值超过0.2%。因此，有机质类型好的过成熟碳酸盐岩在一定条件下拥有较高的生烃潜力，有望成为有效或优质烃源。
表3 不同方法测得的塔里木盆地寒武系碳酸盐岩TOC值[1]
4 主、微量元素特征及其沉积环境指示意义
4.1 古生产力
研究表明只有生源Ba与古生产力相关，因此在反演古生产力时要扣除陆源Ba含量的影响，建立生源Ba与古生产力的关系，本研究利用Ti从样品的总Ba中扣除陆源部分得出生源Ba含量，具体公式[17]如下：
Babio=Batotal-Titotal×(Ba/Ti)PAAS，
式中，Batotal为样品中总Ba，Titotal为样品中总Ti，(Ba/Ti)PAAS为陆源Ba/Ti比值，取自晚太古代澳大利亚页岩中的两元素比值，(Ba/Ti)PAAS≈0.108 3，Babio为生源Ba。
研究区雷口坡组总Ba和生源Ba含量如表4所示，总Ba含量为4.40～94.2 μg/g，均值31.92 μg/g；生源Ba含量4.36～94.16 μg/g，均值31.90 μg/g。从数据可以看出，总Ba和生源Ba数值差别很小，表明样品中的Ba几乎全都属于生物来源，陆源输入的量很少，为相对开放的低能、弱氧化-还原环境；雷四段生源Ba数值波动较大，最高达94.16 μg/g，最低不足7 μg/g。一般认为Babio<1 000 μg/g时，古生产力水平较高；1 000 对古盐度进行表征通常采用Sr/Ba比值法。一般来说，海相咸水环境Sr/Ba>1；半咸水环境0.6 Sr/Cu的比值是判别古气候的灵敏指标，在海相沉积中，1.3 表4 川西坳陷中段雷口坡组样品元素特征 此外，CaO/(MgO×Al2O3)对古气温变化也有一定的指示意义[19]，其数值可以反映古气温的高低，值越大，所代表的气温相对越高。川西坳陷中段雷口坡组CaO/(MgO×Al2O3)比值(如表4)介于2.15～8.90之间，均值为5.1，表明研究区雷口坡组古气温较高。综上分析表明，川西坳陷中段雷口坡组沉积时期处于炎热干旱的气候中，且雷二、雷四段的炎热干旱程度高于雷三段。 V/Cr与V/(V+Ni)的值可作为判断氧化还原环境的特征指标[18，21]，2 研究区雷口坡期发生多次规模较大的海侵-海退旋回，海侵体系域发育期间，海平面快速上升，使区域内部分地区处于缺氧或贫氧环境中，而且沉积速率很低，有利于沉积有机质的富集和保存。无机地球化学特征表明研究区雷口坡组处于炎热干旱、高盐度、低能、弱氧化-还原的环境，炎热干旱的环境使海水盐度较高，咸水环境对有机质最重要的影响体现在高生物产率及缺氧条件两方面。高盐度海水在重力作用下会产生分层现象，表层水体盐度较小，底层水体盐度较大。表层水体与空气接触溶解氧含量高，有利于嗜盐生物的繁衍，特别是嗜盐藻类具有较高的生物产率；表层水体嗜盐生物的呼吸作用消耗游离氧气，使得底层水体形成缺氧环境，有利于沉积有机质的保存。 样品生源Ba含量变化范围为4.36～94.16 μg/g，平均含量较低。生源Ba值的大小与氧化还原环境相关，在厌氧-贫氧环境下，硫酸盐还原菌将BaSO4中的阴离子还原为硫化氢，使BaSO4发生溶解，导致生源Ba含量较低。正常富氧环境下，BaSO4才能得到较好保存，所测的生源Ba值才能真正揭示沉积时期的古生产力水平。因此，认为研究区雷口坡组碳酸盐岩具有中低等古生产力水平，可以为烃源岩的发育提供一定的物质基础。 研究区雷口坡组高热演化程度、低有机质丰度的碳酸盐岩有机质类型好，具有较强的生烃能力和较高的生烃转化率，虽然单位体积生排烃量相对较少，但碳酸盐岩对烃的吸附作用小，具有较高的排烃效率使得残留烃量也少。应用传统方法测得的研究区样品有机碳含量为0.02%～0.19%，若按照前文提到的有机碳含量下限值0.15%来讨论，所测样品中部分样品仍具有生烃潜力。另外，前人对雷口坡组大量碳酸盐岩样品分析表明，有机碳含量大于0.2%的样品比例约占25%，这些样品有机碳含量相对较高，可作为优质烃源岩。而且研究区雷口坡组碳酸盐岩分布范围广、厚度大，可以有效弥补单位体积生排烃量较少，以及有机质丰度相对较低的不足，提供可观的油气资源。 传统的有机碳测定方法不光除去了样品中的无机碳，还造成大量的有机酸盐流失，以致所测的有机碳含量偏低。有机酸盐不仅有很高的热稳定性，而且还具备很强的生烃能力，可以作为高热演化阶段的再生烃源。结合表3可以看出，有机碳测定新方法所测得的样品有机碳含量相比传统方法测得的有机碳含量有了大幅提高，不少样品有机碳含量值超过0.2%。研究区雷口坡组是碳酸盐岩与膏盐岩共生发育的沉积环境，有利于有机酸在碱性环境下转化为有机酸盐。 相比泥质烃源岩，雷口坡组碳酸盐岩进入排烃门限需要更大的深度，排烃高峰出现的时间相对较晚，使排出的油气损耗量降低，有利于晚期成藏。碳酸盐岩不仅可以生成与排出油气，还能够储集油气。这一特质使得油气运移的距离相对缩短，降低油气在运移过程中的散失量。同时，膏盐岩层作为盖层与碳酸盐岩层共生，可以有效阻止油气逸散。 综上分析认为，川西坳陷中段高热演化程度、低有机质丰度的碳酸盐岩曾发生过生排烃作用，对油气藏的形成作出了一定贡献，不能将其排除在有效烃源岩之外。 1) 生源Ba含量4.36～94.16 μg/g以及样品中存在的大量碳沥青，反映了研究区雷口坡组碳酸盐岩具有中-低等古生产力水平，可为烃源岩的发育提供一定的物质基础。 2) 根据0.79 3) 有机质丰度整体偏低，样品有机碳含量普遍低于0.2%；有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型，有机质成熟度大于2.0%，处于过成熟阶段。研究区雷口坡组碳酸盐岩具有高生烃转化率、高排烃效率、低残留烃量的特点，其排出的油气量对油气成藏具有一定贡献，不能将其排除在有效烃源岩之外。4.2 古盐度
4.3 古气候
4.4 氧化还原条件
5 地质意义
5.1 有机质富集与保存条件
5.2 研究区碳酸盐岩作为有效烃源岩的可行性分析
6 结论
