火山灰对富有机质页岩形成的影响——以西西伯利亚盆地中生界巴热诺夫组为例

梁新平,金之钧, 刘全有,Shpilman Alexander,李 鹏,Morozov Vladimir, Uspensky Boris

(1.北京大学 能源研究院,北京 100871; 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083;3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083; 4.俄罗斯汉特-曼西斯克州国有地下资源合理利用分析研究中心，俄罗斯 秋明 625026; 5.俄罗斯喀山联邦大学 地质与石油技术研究院,俄罗斯 喀山420008)

火山灰是岩浆喷出过程中的细粒碎屑物,直径小于2 mm,由岩石、矿物和火山玻璃碎片组成,分布于相应火山锥体周边或者飘散至距离火山口数千公里的沉降区[1-2]。距离火山口较远的沉降火山灰层,通常为毫米或厘米级,肉眼不可见的多由玻屑和晶屑组成,粒径通常小于125 μm[3-4]。火山灰沉积对富有机质页岩形成的控制作用主要表现在火山灰沉降过程前后在烃源岩形成过程中的影响[5-13]。首先,火山灰本身可为沉积盆地提供物源[5-7];其次，火山灰喷出过程中携带大量碳源(CO2,CH4)以及其他营养物质(N,Si,P)和微量金属元素(Fe,Zn,Mn,Ni,V)等，这些外源物质进入水体引起藻类及细菌大量繁殖,为海洋和湖泊初级生产力的提高提供物质基础[14-18];同时，藻类和细菌的大量勃发消耗水体中氧含量，使得水体由火山喷发时期的弱氧化环境向强还原环境转变，减少有机质氧化和降解,促进了有机质的有效保存[19-20]。尽管火山灰未喷出之前尚未对沉积盆地输入物质，但其酝酿过程中的热能提高了烃源岩发育地区的地温梯度,改变了局部的温度场和压力场,加速了烃源岩热成熟[21]。另外,火山灰引起藻类勃发消耗透光层中CO2使水中CaCO3达到过饱和析出,有利于碳酸盐岩纹层和藻类有机质纹层交互沉积,形成层间裂缝,易于后期页岩油气运移。同时,富硅、富钙质纹层的存在增强了地层的脆性,有利于页岩油气层的压裂改造[8,22]。

常规油气藏研究表明，西西伯利亚“南油北气”的分布特征主要由烃源岩有机质的类型和成熟度控制，沉积旋回形成了最佳的生储盖组合，披覆背斜是主要的含油气圈闭[23-26]；对巴热诺夫组的研究多以烃源岩特征及地球化学评价为主,认为该段有机质含量丰富的主要原因是形成于缺乏陆源碎屑供应的深水缺氧盆地，由构造的快速沉降及海平面的快速上升引起[23-26]，而对该套烃源岩中是否发育火山灰关注不多。近年来，全球范围内富有机质发育的泥页岩中多见火山灰夹层，如美国的Eagle Ford，Macellus页岩、中国鄂尔多斯盆地延长组7段、准噶尔盆地芦草沟组等[6-8]，因此，该区火山灰如何影响富有机质形成引起关注。巴热诺夫组泥页岩的岩心观察发现其富有机质页岩段广泛发育火山灰沉积[27-31],岩心薄片中也见大量沸石等火山灰蚀变矿物。本文结合前期在俄罗斯西西伯利亚盆地汉特-曼西斯克地区巴热诺夫组的岩心。镜下薄片观察,描述了该地层中火山灰发育层段富有机质页岩层段剖面及在平面的分布特征；通过对巴热诺夫组富有机质页岩样品的地质-地球化学分析,阐明了火山灰发育层段及其上下的生物发育与岩石地球化学特征,探讨了该区火山灰对富有机质页岩形成的影响,为火山活动下富有机质层系页岩油气的勘探开发提供参考和借鉴作用。

1 巴热诺夫组简介

西西伯利亚含油气盆地是目前俄罗斯联邦油气储量最大和产量最高的地台型盆地,其地理位置大体在东经60°以东,90°以西及北纬73°以南,54°以北的范围内。盆地西缘以乌拉尔山脉为界,东缘以叶尼塞河为界,与东西伯利亚山地相邻,南方邻接阿尔泰山系和萨彦岭及哈萨克丘陵地带,北缘为喀拉海,濒临北冰洋。如把盆地向北部海区延伸大陆架部分也包括在内,西西伯利亚盆地总面积可达(4.0～4.2)×106km2,其中沉积盖层厚度超过1 500 m的陆上部分面积超过2.2×106km2[23]。

在西西伯利亚盆地提塘期—早贝利阿斯期(侏罗纪末—白垩纪初),整个盆地发生大规模的海侵,西西伯利亚地区快速沉降,碎屑物质供应相对缺乏,使深水缺氧的欠补偿沉积盆地形成于西西伯利亚地台中部,海水深度超过300 m的深水区面积达1.0×106km2,盆地最深可达7 00 m[24]。盆地中部地区深水缺氧盆地沉积了巴热诺夫组富有机质的黑色硅质/钙质泥页岩,富含伏尔加期及部分贝利阿斯期动物化石;盆地边缘带则沉积了厚度较大的不含砂岩的近岸相贫有机质页岩,厚度在20～50 m(图1)。尽管巴热诺夫组沉积厚度不大，却是西西伯利亚盆地的主要生油岩,其成熟度主要介于0.5%～1.3%,大部分地区迄今为止仍处于生烃阶段[25-26]。西西伯利亚盆地上侏罗统大量干酪根碳同位素丰度研究表明,δ13C介于-28‰～-25‰,说明为混源成因。

图1 西西伯利亚盆地巴热诺夫组-阿巴拉组地质特征

根据俄罗斯国有地下资源分析研究中心-秋明施比利曼分院岩心测试的分析结果,该套地层共有4种组分:干酪根、粘土、硅质和碳酸盐岩,整体有机质含量高,水平层理常见细粒度的层状成分,如硅质、炭质和黄铁矿。全岩XRD-衍射实验表明,石英为主要成岩矿物,硅质含量平均为42%～43%,最高可达到80%;其次为钠长石、似云母矿物(伊蒙混层)和黄铁矿,其他粘土矿物(高岭石和绿泥石)偶见,通常含量不多,平均值为21%～22%;而碳酸盐矿物(方解石和白云石)也偶尔可见,平均为10%[27]。岩相上,巴热诺夫组划分为泥灰岩、碳酸盐岩、硅质泥页岩、钙质-硅质泥页岩、泥质-钙质硅岩以及低粘土质硅岩6类。据Kontrovich(2016)统计，泥灰岩在全区分布不多，其中泥质含量不高，约占55%左右，硅质占30%左右，其他为碳酸盐岩、钠长石、磷灰石、黄铁矿和干酪根等；碳酸盐岩可分为纯碳酸盐岩(占8.8%)和富有机质碳酸盐岩(占1%)，富有机质碳酸盐岩中碳酸盐岩占比50.7%～57.7%，硅质含量可达20%，干酪根含量平均为11.9%；硅质泥页岩中硅质含量在25.7%～47.4%，平均37.6%，泥质含量在25.2%～49.7%，平均为37.6%；钙质-硅质泥页岩中硅质含量平均为37.7%，粘土含量达28.9%；泥质-钙质硅岩中硅质含量平均为41.4%，干酪根含量平均为16.2%，粘土矿物含量平均为20.6%；低粘土质硅岩中粘土含量平均为23.3%，硅质含量平均为43.4%。除此之外，还有一些混合岩相，例如粉砂质泥岩和泥质-硅质碳酸盐岩等。所有岩性中以钙质-硅质泥页岩和泥质-钙质硅岩分布最为广泛，部分岩相中干酪根含量可达27.8%。

巴热诺夫组各层段镜下均可见明显的沥青质放射虫。放射虫为具有轴伪足的海生单细胞浮游生物,是现今海洋浮游生物的重要组成部分。放射虫死亡之后,其骨架聚集在海洋底部,形成放射虫软泥。地层记录中放射虫的有无和含量高低主要取决于局部的生产率和沉积物的堆积速率。一般情况下，浅层海水对硅质生物有较高的溶解速率，放射虫稳定保存的几率较小，因此浅水放射虫形态一般不多[33]。从奥陶纪开始,它们的骨架被证实促成海洋沉积物和硅质岩沉积[32]。

2 巴热诺夫组火山灰发育特征

巴热诺夫组整合覆盖在格奥尔吉耶夫组或阿巴拉组的泥岩之上,分布非常广泛,为全盆地地震识别标志层,在区域和局部的地震剖面中均有显示,盆地中心发育有深大断裂[23-24],可为地层深部火山喷发创造客观的地质条件。一般认为,西西伯利亚盆地巴热诺夫组富有机质页岩中火山喷出物多以火山玻璃形成赋存,沉积成岩作用促进矿物的转化,使得火山玻璃被次生矿物(蒙脱石、绿泥石和钠长石等)取代,从而导致火山灰层蚀变成粘土、钠长石和更复杂的岩石。这些岩石已经失去了它们的初始外观,难以确定它们的火山起源。部分研究学者认为该期火山灰多形成于水底不间断的火山喷发活动,而部分研究认为可能与盆地边缘强烈的构造运动造成的火山喷发相关，为空降成因[30-31]。据俄罗斯油气地质研究院和秋明地下资源合理利用分析研究中心统计,目前巴热诺夫组火山灰岩心发现的井有30口(图2),钻井的不同小层均有火山灰发现,平面分布广,单井剖面上以中上段居多,层数多但厚度不大,夹层主体表现为与碳酸盐岩、泥页岩和硅质岩同期沉积,且测井曲线特征明显,易于识别。

平面上,巴热诺夫组火山灰井分布集中于盆地沉积中心的深水陆棚区,以中部的汉特-曼西斯克州苏尔古特地区为主,该区TOC含量普遍大于7%,部分地区超过11%(图2),在提塘-早贝利阿斯期西西伯利亚海深水区有机质含量超过15%～20%,有机质的演化程度与邻近区不发育火山灰的井区相比,成熟度(Ro)偏高,多介于0.7%～1.1%(图2)，但生烃潜力高且已达到生油高峰[26],推测火山灰携带的钼、镍等催化元素，促进了有机质的成烃演化。

图2 西西伯利亚盆地巴热诺夫组火山灰分布区[24,31,44]

单井剖面上,巴热诺夫组可划分为6个小层,巴热诺夫组上段的硅质放射岩层岩性由均质向非均质过渡时期发育有多套火山灰夹层,并在火山灰层沉积之后出现泥质页岩(图3)。已有井的资料表明,火山灰夹层最常见于巴热诺夫组4层和5层底部[31],夹层厚度多为厘米级,单层厚度一般小于5 cm,部分粘土化或方沸石化,颜色多为黄褐色或浅灰色(图4),凝灰状但不成层,具黄色荧光,与邻近的黑色硅质泥页岩颜色有明显差异;显微薄片下火山灰夹层矿物成分可见明显的斜长石沸石颗粒,沸石化的斜长石和火山碎屑颗粒共存,自形且形状尖锐的石英颗粒与粘土矿物(一般为伊利石-蒙脱石)共存,偶见高岭石和白云母,黄铁矿颗粒常见精细分散状态。火山灰层段发育之下的1—3层岩性为均质的泥页岩,炭质-泥质硅岩与放射虫夹层、弱白云岩化与次生白云岩化,体现出气候变暖的特征;而在火山灰层段发育之上5层顶部和6层表现为高炭质泥质硅岩,见碳酸盐岩和次生石灰岩(图3)。次生石灰岩一般由交代过程形成，发生去白云石化作用(Ca2+替代Mg2+)。

图3 西西伯利亚盆地巴热诺夫组页岩上、下层段岩性及火山灰发育特征(Nazeim中部地区219井，据VNIGNI,2016)

图4 西西伯利亚盆地中部汉特-曼西斯克地区巴热诺夫组火山灰岩心特征 [29]

测井曲线特征对比研究认为,巴热诺夫组火山灰密集发育的层段GR曲线整体特征基本相似,伽马正异常值的泥页岩层段值异常高,同时具有泥岩的自然电位低值、电阻率高值、声波时差高值等的特征(图3),且在火山灰发育层段之上富有机质页岩TOC高,且优质储层发育,多以叠层或互层显示,测试段产能高,可作为“甜点层”的指示标志。

3 火山灰对巴热诺夫组优质页岩形成的作用机制

3.1 促进古生物的大量繁殖,提高古生产力

藻类大量繁殖和勃发是富有机质页岩形成的物质基础。近年来，火山灰促进生物繁殖甚至爆发已被多家机构论证，如Frogner等(2001)、Zhang 等(2017)和Zeng(2018)均论证了海洋中火山灰携带的铁、钼等营养元素有施肥的作用，促进了自养和异养生物的生长以及大量繁殖，提高了海洋的初级生产力[34-36]。西西伯利亚盆地巴热诺夫组有机质全部由无定型的浮游和细菌类、胶状藻类物质组成,干酪根占岩石总质量的7%～8.5%[23]。在岩心观察中,巴热诺夫组普遍大量发育双壳类软体动物和其他底栖动物,中部层段的硅质放射岩层富含放射虫,与双壳介形虫互层,海底生物扰动作用明显,表现出强黄铁矿化(图3);一般火山灰层段之下放射虫相对较少,而在火山灰发育层段之上放射虫丰度高,类型丰富多样，多以Parvicingulacf.rostrata-P.cf.seria为主,壳饰发育，放射针、刺大多为三片形，具海绵壳体，部分放射虫岩或放射虫硅质岩中呈富集条带状保存或聚集式分布，含量高达90%(图5)。另外，富有机质页岩矿物成分测试表明,磷灰质成分与其他海相火山灰发育地区的富有机质层段页岩中(如东欧地台多玛尼克组、美国Eagle-Ford页岩等)的含量具有一致性[37],达417.85 g/t。磷是细胞膜和遗传物质的重要组成,对水体植物生命代谢具有重要作用,是生态系统初级生产力的重要限制因子。还原环境可以促进活性磷的活化、再生与循环[38],对沉积盆地生物的繁盛和有机质的富集具有积极的意义。巴热诺夫组火山灰发育层段的富有机质中营养元素浓度通常高于其他元素，说明火山灰携带硅和磷等营养元素，促进了海底生物的勃发。

图5 西西伯利亚盆地中部汉特-曼西斯克地区巴热诺夫组放射虫发育特征

另外，巴热诺夫组富有机质页岩中也检测出异常浓度的Ni,V,Mo,Cu,Zr,Cd,Ba,Sr,U等指示深部流体的微量元素,因此认为西西伯利亚盆地巴热诺夫组页岩形成时期存在周期性火山作用[39-41]:火山灰携带营养物质输入水体,促进了生物的大量繁殖甚至爆发,提高了初级生产力,增加了有机质的丰度;后期水体中氧浓度过度消耗,形成缺氧环境从而引起水体中生物的死亡,为富有机质烃源岩的快速形成、大量保存和有效埋藏提供了必要条件[20,42]。

3.2 形成强还原的沉积环境,促进有富有机质埋藏

巴热诺夫组富有机质页岩存在黄铁矿化、硅化和炭化3种作用[27,44],岩心观察显示巴热诺夫组火山灰发育层段之下岩性主要为炭质与钙质泥页岩互层，见硅质弱白云岩化与次生白云岩互层，黄铁矿发育程度不高，岩心上表现不明显，因此推测为弱氧化或者弱还原环境；而在火山灰发育层段之上草莓状黄铁矿呈层大量发育(图3)于硅质钙质泥页岩中,同时放射虫大量发育，见碳酸盐岩结核，体现海底生物扰动频繁。扫描电镜下黄铁矿以球形-椭球形集合体为主,直径2～10 μm不等,一般由大量等粒的微米-纳米级多面黄铁矿晶体聚集而成,晶内粒间孔隙发育,形状大小不一(图6),部分黄铁矿颗粒被有机质包裹,体现了局部细菌的强还原作用;平面上以盆地沉积的中心部分最为明显,剖面上自下而上草莓状黄铁矿含量逐渐增加,纹层中成层性较好,连续出现,Co/Ni比值小于1,S/Fe比值偏高[37],以正常沉积成因为主。这反映了密闭海底环境中藻类和细菌的大量勃发消耗水体中氧含量，使得水体由火山灰降落时期的弱氧化或还原环境向强还原环境转变，因此减少了有机质氧化和降解,促进了有机质的有效保存和埋藏。

图6 西西伯利亚盆地汉特-曼西斯克地区611井巴热诺夫组上段扫描电镜显微特征(埋深2 359.23 m)

3.3 火山灰携带催化元素促进有机质生烃演化

火山灰形成前后一般伴随岩浆活动及热液喷发,除了携带大量的高温、高压地幔热液以及Fe，Cu，Zn，Ag等多种金属元素,也携带了典型促进烃源岩生烃热演化的微量催化元素如Se，Zr，Ti，V，Co，Mn，Ni，Mo，U等[15-17]。过渡金属氧化物在不同酸碱性条件下大都有半导性、酸碱性和氧化还原性等催化活性。研究表明,过渡金属元素中催化性能最强的是镍元素,烃源岩中含量有1×10-6的镍就能显示出很强的催化力,可吸附气体和有机质,导致其C-C键、C-S键、C-O键断裂,从而达到催化目的[45];实验表明Mo，Se，Zr可明显促进饱和芳香烃降解[46];另外过渡金属的单质、氧化物、硫化物及其他有机化合物都具有显著的催化作用,在炼油厂的裂解和化工上均有广泛应用[45]。

巴热诺夫组页岩平面上火山灰发育井区与邻近区相比,有机质成熟度适中,Ro偏分布于生油高峰带(0.7%～1.1%)(图2),说明有机质中干酪根处于热催化生油阶段。同时，前人研究也表明，该区生烃潜力高，TOC含量多高于7%(图2)，地球化学显示轻烃组分S1一般大于6 mg/g[47]。巴热诺夫组富有机质页岩火山灰夹层层段与不发育火山灰层段相比,多种催化元素含量明显升高，如Ni，Mo，U等(图7)。前人研究表明[30]，在沉积盆地中心的M地区，Ach，Rag，Mah等区块测试巴热诺夫组Ce，Cd，V的含量明显高于同层段的浅水陆棚区，同时硅质放射岩中发现有火山灰，元素测试其中Ni的百分含量约97～170 g/t，其他元素如Mo介于10～46 g/t，Cr位于118～160 g/t，Cd位于4.0～44 g/t，Mn达1390 g/t。可见火山灰携带的催化元素的加入在富有机质页岩埋藏生烃过程中对烃源岩生烃演化具有重要的促进作用。一方面催化元素可改变周围地区的化学场,加速干酪根的生烃速度,缩短反应时间,另一方面可改变不同的反应机理,进而促进了有机质的成烃和演化,加速油气的形成。

图7 西西伯利亚盆地M区1-P井巴热诺夫组岩性-地球化学特征(Predtechenskaya,2016)

3.4 火山灰发育层段利于发育富有机质交互纹层

富有机质页岩优质储层中常见有机质纹层与碳酸盐岩纹层互层[8,22,48]。浮游藻类包括硅藻、颗石藻和沟鞭藻等，其分布广泛且生长具有季节性，特定条件和时期的生成和富集具有很强的排他性。在温暖潮湿的还原环境下,火山灰中营养元素的加入使水体中浮游生物大量繁殖甚至勃发，浮游植物中藻类数量在短时间内快速增多，死亡沉降之后大量有机质聚集，形成有机质纹层；同时，大量的藻类勃发使光合作用加强,消耗掉透光层中的CO2,使得CaCO3达到过饱和而结晶析出,形成碳酸盐岩沉积纹层。如此多期的火山灰反复加入造成了火山灰层、碳酸盐岩沉积纹层与有机质纹层的交互沉积。巴热诺夫组的富有机质页岩全盆地大面积分布，属于海侵时期的深海陆棚相。火山灰发育层段剖面上位于巴热诺夫组中上层，平面上主要位于盆地的沉积中心区。在已经发现火山灰的井岩心观察中，该层段交互纹层都非常发育，主要由厘米级灰褐色火山灰薄层、黑色的富含有机质纹层和白色钙质纹层组成,富有机质纹层中藻类丰富,见丝网状体,呈连续水平状,钙质纹层为微晶方解石,厚度比富有机质纹层稍大,钙质结核中黄铁矿发育(图8)。火山灰的降落本身为沉积盆地提供直接物质基础,加之藻类勃发形成富有机质纹层与碳酸盐岩纹层交互沉积,有利于发育层间孔缝,形成页岩油气运移的重要通道，提高富有机质页岩层段的物性;同时,碳酸盐岩纹层的存在增强了地层的脆性,有利于页岩层的压裂改造[49]。

图8 西西伯利亚盆地汉特-曼西斯克地区611井巴热诺夫组岩心薄片镜下特征(埋深2 359.23 m)

4 结论

1)西西伯利亚盆地巴热诺夫组富有机质页岩中发育火山灰沉积，平面上火山灰发育井区TOC多大于7%,成熟度介于0.7%～1.1%;单井剖面上火山灰与页岩的互层具有自然电位和自然伽马值正异常、电阻率低值、声波时差高值的特征;镜下薄片火山灰蚀变矿物沸石发育,指示火山活动的化学元素如Ge,Co,Ni,Mn等含量异常，且整体火山灰发育层段之上的页岩中放射虫丰度高于火山灰发育层段之下的页岩。

2)巴热诺夫组火山灰的发育与优质页岩的形成存在一定的关系：火山灰可促进巴热诺夫页岩形成时期古生物的大量繁殖,在消耗营养物质之后又大量死亡,为烃的形成奠定了物质基础;火山灰沉积后期形成强还原的沉积环境促进富有机质保存埋藏，其携带的具有催化作用的微量元素加速了烃源岩成烃演化过程。同时，火山灰在促进藻类勃发过程中消耗掉大量CO2并析出CaCO3结晶，形成泥页岩交互纹层，利于页岩油气运移并提高地层的脆性。

3)尽管巴热诺夫组火山灰及其伴生作用可促进富有机质形成和成烃演化，但火山灰主要由快速沉降期的构造运动引起，盆地内火山灰来源和分布模式有待判定，火山灰对富有机质纹层状泥页岩的成源-成储的作用时间范围和影响规模仍不明确。因此，未来研究不仅应考虑构造和沉积的共同作用，同时还需考虑沉积环境对火山灰后期蚀变作用进而对排烃和压裂的影响，以应用于后期开发。

致谢:感谢俄罗斯秋明国有地下资源合理利用分析研究中心和喀山大学地质与石油技术学院提供数据资料和样品,感谢审稿专家对本文的审核并提出的建设性意见。