下寒武统黑色岩系沉积环境与控烃差异<br/>——以塔里木盆地西北缘和东北缘为例

下寒武统黑色岩系沉积环境与控烃差异
——以塔里木盆地西北缘和东北缘为例

2022-06-13杨赟昊高志前樊太亮刘旺威

断块油气田 2022年1期

杨赟昊，高志前，樊太亮，刘旺威

（1.中国石化石油物探技术研究院，江苏南京 211103；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；3.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214126）

0 引言

塔里木盆地是中国最大的含油气盆地，周缘受天山、昆仑山、阿尔金山构造活动的影响，盆地现今有4个一级构造单元，即东北坳陷区、中央隆起区、西南坳陷区和东南断隆带[1]。埃迪卡拉纪与寒武纪之交，经历了冈瓦纳超大陆聚合、埃迪卡拉动物群绝灭、小壳动物群出现、海平面上升等若干缺氧事件[2]，由此在塔里木盆地北缘下寒武统底部沉积了一套富有机质的黑色岩系。由于该层系埋藏深度超过8 000 m[3]，构造地质特征复杂，勘探成本高，因而制约了油气勘探的进程。随着深层油气勘探技术的进步，下寒武统黑色岩系的勘探潜力逐步得到关注。鉴于此，笔者通过对西北缘阿克苏-温宿地区和东北缘库鲁克塔格地区多条野外露头剖面的研究及取样分析，对其岩性、沉积相及烃源岩特征开展研究，由此分析两缘控烃模式，为塔里木盆地深层有利目标区勘探提供理论参考。

1 地质概况

塔里木西北缘柯坪地区东起阿克苏和温宿一带，南以柯坪—沙井子断裂分界，西止于阿图什北，北至皮羌—苏巴什一线[4]。研究区横向发育6排构造带（F1—F6）（见图1[5]）。构造带延伸 5～30 km，断距在 2 000 m以内，断裂在西片奥依皮克—于提希剖面呈东西走向，在东片什艾日克—磷矿沟剖面呈北东—南西走向。下寒武统露头多分布在构造断裂带两侧附近，自下而上为玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组[6]，黑色岩系为玉尔吐斯组。

图1 西北缘研究区地质构造及剖面位置

塔里木盆地东北缘库鲁克塔格地区，主要位于库尔勒—若羌以东，罗布庄凸起以北，发育东西走向的兴地深大断裂，南以孔雀河断裂为界，北以辛格尔断裂为界[4]。研究区发育的 2 排断裂构造带（F7，F8）（见图2[7]）近平行方向展布，断距大且断层延伸较远。F7兴地断裂以北出露元古界岩浆岩，以南的下盘一侧为下寒武统黑色岩系至新生界地层；F8孔雀河断裂以南全部为新生界地层。黑色岩系剖面分布在F7，F8之间。下寒武统由下至上依次发育西山布拉克组和西大山组[5]，黑色岩系为西山布拉克组。

图2 东北缘研究区地质构造及剖面位置

2 岩性及沉积相特征

塔里木盆地西北缘和东北缘下寒武统黑色岩系的古生物类型和碳同位素显示[8-9]，西北缘的玉尔吐斯组和东北缘的西山布拉克组为等时沉积，属同期异相型沉积（见表1）。

表1 研究区下寒武统地层关系

塔里木盆地东北缘、西北缘可划分为潮坪、陆棚、斜坡和盆地4种沉积相，以及潮间带、潮下带、浅水陆棚、深水陆棚、上斜坡、下斜坡及欠补偿盆地[10]（见图3）7种沉积亚相。根据野外露头（见图4）及少量钻井资料，将东北缘、西北缘的地层精细划分为Ⅰ—Ⅴ段（见图5）。纵向上可分为两大沉积旋回：Ⅰ—Ⅲ段水体经历了浅—深—浅的过程；Ⅳ—Ⅴ段海平面上升较快，呈现由深水沉积向浅水过渡的特征。

图3 塔里木盆地北缘黑色岩系Ⅱ，Ⅳ段沉积相

图4 塔里木盆地西北缘黑色岩系野外露头地质照片

图5 塔里木盆地西北缘、东北缘下寒武统黑色岩系层段划分及岩性剖面（野外露头部分）

——Ⅰ段。受震旦纪末期柯坪运动的影响，造成地形起伏大，此时巴楚古隆起范围最大。由于西北缘更靠近古隆起，水体较浅，沉积速率变缓，仅在肖尔布拉克露头剖面发育潮下带紫红色白云岩，自西向东水体逐渐变深；而东北缘恰克马克铁什剖面发育的灰色硅质泥岩，镜下可见隐晶质等自生矿物，由下往上黏土矿物质量分数增加，粒度极细，证明其为欠补偿盆地。

——Ⅱ段。此期为第1次大面积海侵时期，海平面上升，古陆范围较Ⅰ段明显缩小，自西向东依次发育深水陆棚—上斜坡—下斜坡—欠补偿盆地相沉积（见图3a）。西北缘以发育泥岩、硅质泥岩、含磷泥岩为主，间夹薄层状石灰岩及白云岩。其中苏盖特布拉克剖面底部见磷块岩（见图4a），属深水陆棚相沉积。昆盖阔坦西剖面底部沉积了一套黑色页岩，夹硅质条带及结核（见图4b）。于提希剖面由硅质泥岩向上过渡为泥灰岩，泥灰岩段处于硫化缺氧的还原环境。肖尔布拉克剖面纵向上具有三分性，呈浅水陆棚—深水陆棚—浅水陆棚过渡的特征，造成有机质难以有效保存，因而其烃源岩品质较昆盖阔坦西剖面及于提希剖面差。东北缘恰克马克铁什剖面下部为灰黑色页岩，上部为硅质岩夹泥岩，发育水动力较弱成因的水平层理。深水硅质岩厚度较Ⅰ段减薄，为欠补偿盆地相沉积（见图3a）。

——Ⅲ段。此期海平面下降，古隆起范围较Ⅱ段明显增大，较Ⅰ段减小，自西向东发育潮下带（局部潮间带）—浅水陆棚—上斜坡—下斜坡—欠补偿盆地相沉积。西北缘以白云岩、石灰岩及石灰岩夹泥岩组合为主，昆盖阔坦西（见图4d）、于提希、苏盖特布拉克、肖尔布拉克剖面以潮下带沉积为主，奥依皮克剖面砂质白云岩处于水动力略强的潮间带，泥岩颜色多为氧化色，表明烃源岩品质较差。东北缘恰克马克铁什剖面相变为灰色硅质岩，属欠补偿盆地相沉积。

——Ⅳ段。此期出现第2次海进，海平面持续上升，古隆起范围急速减小，与Ⅱ段相比，水体变浅，潮坪相沉积不发育，取而代之的是浅水陆棚相占主体（见图3b）。西北缘以泥岩、石灰岩或白云岩的不等厚互层为主（见图4e），发育浅水陆棚相沉积。东北缘恰克马克铁什剖面主要为硅质岩夹泥岩，仍属欠补偿盆地相沉积（见图3b）。

——Ⅴ段。此期海平面下降，但降幅有限，古隆起范围较Ⅳ段略有增大，潮下带最发育，其次是浅水陆棚相。西北缘以白云岩、灰质白云岩、砂质白云岩为主（见图4f），表明潮下带沉积占主体。东北缘恰克马克铁什剖面以硅质岩夹泥岩为主，均属欠补偿盆地相沉积。

整体而言，西北缘黑色岩系主要发育在Ⅱ段中下部、Ⅳ段的中上部，其中以昆盖阔坦西剖面、于提希剖面、苏盖特布拉克剖面的Ⅱ段黑色岩系最为发育，是主力烃源岩。

3 烃源岩特征

3.1 有机质丰度

揭示玉尔吐斯组的钻井较少，仅有库车坳陷的星火1井及孔雀河斜坡的尉犁1井。星火1井玉尔吐斯组烃源岩厚度近30 m，总有机碳质量分数（TOC）在3.00%～9.00%[11]。西北缘于提希剖面Ⅱ段黑色岩系TOC为0.16%～17.20%，平均2.92%；Ⅳ段TOC为0.07%～2.04%，平均0.60%[12]：显示Ⅱ段黑色岩系有机质丰度更高。昆盖阔坦西剖面Ⅱ段取样分析43块，TOC在1.16%～6.00%；Ⅳ段取样分析12块，2块TOC大于1.00%，4块TOC大于0.50%。苏盖特布拉克剖面因采矿挖掘，玉尔吐斯组坍塌严重，出露情况不如昆盖阔坦西剖面和于提希剖面[13]，根据有关的野外踏勘资料，仅在Ⅳ段测得TOC大于1.00%、厚度为5 m的灰黑色页岩。肖尔布拉克剖面玉尔吐斯组底部为一套灰白色的含磷页岩，TOC 小于 0.50%，可能与风化作用严重有关[13]；但在玉尔吐斯组上部的肖尔布拉克组见到含沥青砂岩，推测该剖面发育玉尔吐斯组烃源岩。

东北缘恰克马克铁什剖面黑色岩系的样品TOC介于0.94%～1.26%，尉犁1井70块样品的TOC平均值为1.19%，TOC较低，生烃潜力不高。

3.2 有机质类型

西北缘不同剖面的热演化程度不同。其中：于提希、苏盖特布拉克剖面干酪根类型为Ⅰ—Ⅱ型，肖尔布拉克剖面烃源岩干酪根类型为Ⅱ—Ⅲ型。与西北缘不同，东北缘干酪根类型均为Ⅱ—Ⅲ型，奇偶均势[14]（OEP值为1.09～1.16），表明页岩样品有机质演化已达成熟或过成熟阶段。

3.3 有机质成熟度

镜质组反射率（Ro）是反映有机质成熟度最有效的指标。由于研究区黑色岩系形成年代早，难以通过传统手段直接测得，需要根据经验公式换算。塔里木盆地西北缘下寒武统黑色岩系Ro在1.300%～1.600%，属于生气阶段，具有良好生烃潜力。东北缘Ro平均为2.286%[15]，处于过成熟阶段，烃源岩可溶烃和热解烃近乎逸散殆尽，生烃潜力较低。

4 烃源岩发育模式

晚震旦世，柯坪运动将西北缘地形抬升。根据野外观测，发现西北缘寒武系/震旦系界面广泛发育平行不整合面，这是造陆运动的体现。综合岩性观察与描述，认为早寒武世西北缘黑色岩系沉积环境为快速海侵作用下的陆棚-碳酸盐岩台地，分布受隆坳地形的影响（见图6[12-13]）。樊奇等[12]通过对西北缘于提希剖面的研究，发现玉尔吐斯组岩石有重晶石、磷结核等，认为其富集了包括 V，U，Ni，Ba，Mo，Cu，Zn 等微量元素，表明塔里木盆地西北缘在早寒武世初期处于缺氧还原和热液活动的海水环境。寒武纪之前，南天山洋已发展为成熟洋盆，推测热液来源于塔里木盆地西北缘和南天山洋之间被动大陆边缘的强烈活动引发深部壳源热液的喷流。沉积期时，热液作用使地温梯度变高，地壳大面积抬升或沉降，呈现隆坳格架。在这一格架下，热液作用有利于激发海洋底栖菌藻的繁盛[7]，同时沉积速率较低的缺氧还原水体环境，也有利于玉尔吐斯组烃源岩的形成。

图6 塔里木盆地北缘下寒武统黑色岩系构造环境模式

东北缘黑色岩系大构造为被动大陆边缘，沉积环境为陆棚-碎屑岩盆地。新元古代广泛沉积碎屑岩盆地沉积物，不发育或较少发育碳酸盐岩，仅在元古代最后一期冰期，即晚震旦世可见。与西北缘不同，寒武系/震旦系沉积转换期形成的角度不整合[16]，是早期造山运动的体现，经历了岩浆活动等（见图6）。盆地经历充填补偿，多套薄层硅质岩与泥岩堆积，体现了盆地的沉积旋回性。上升洋流虽然是形成缺氧环境的重要因素之一，但强烈的岩浆活动破坏了东北缘烃源岩的保存环境。