渤海湾盆地沧东凹陷沙河街组烃源岩特征及沉积环境

赵少泽 ，李勇 ，程乐利 ，牟连刚 ，吴雪松 ，杨朋 ，邵崇建 ，袁雪花

（1.成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059；2.成都理工大学地质学博士后科研流动站，四川 成都 610059；3.长江大学录井技术与工程研究院，湖北 荆州 434023；4.中国石油大港油田分公司，天津 300280；5.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013）

0 引言

渤海湾盆地沧东凹陷具有常规油气、页岩油及低熟油勘探潜力，油源主要为石炭系—二叠系、孔店组二段（孔二段）、沙河街组三段（沙三段）等地层中的烃源岩层［1-4］。孔二段烃源岩是研究区的主力烃源岩层，具有分布面积大、有机质丰度高、有机质类型好、处于中等热演化阶段、富含脆性矿物的特点，湖盆性质、气候、生产力和保存条件共同控制了该套烃源岩的发育，该套烃源岩在近年成功实现了页岩油的开发［1，3-5］。石炭系—二叠系烃源岩以煤系地层为主，具有良好的生油气能力［6-7］。沙三段埋深较浅，其烃源岩成熟度相对较低，前人已在沙河街组储层中发现了来自沙三段烃源岩的原油［8-9］，这说明沙三段烃源岩虽然成熟度相对较低，但仍具有生成和排出低熟油的能力。目前，对沧东凹陷沙三段烃源岩特征及沉积环境的研究相对较少，制约了下步勘探方向优选。

基于此，笔者利用薄片、总有机碳质量分数（TOC）、岩石热解、干酪根镜鉴、镜质组反射率（Ro）、微量元素等资料，分析沧东凹陷沙三段烃源岩岩性特征、有机地化特征和烃源岩的沉积环境，讨论烃源岩有机质富集机制及沉积环境对未熟—低熟烃源岩生烃的控制作用，为沙河街组油气勘探提供参考。

1 区域地质背景

沧东凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷南部，是黄骅坳陷次级构造单元之一，其东西两侧分别被徐黑凸起和沧县隆起包围，北部为孔店凸起，南部与东光凸起构造带相接，是一个NE—SW向展布的狭长条带状断陷盆地。沧东断层和徐西断层为沧东凹陷西部和东部边缘的控盆断层，舍女寺鼻状构造带位于沧东断层南段的下降盘，是一水下高地，孔店构造带是沧东凹陷内最明显的隆起带，呈NNE向沿凹陷的轴向延伸，孔店构造带的东西两侧分别为常庄和沧东次凹，南侧为南皮次凹，南皮次凹还包括小集断裂构造带和乌马营断裂构造带等结构复杂的构造单元［10］。

沙三期强烈的断层活动导致沧东凹陷在该时期拥有较大的可容纳空间［11-12］，为形成细粒沉积岩提供了有利条件。沙三段细粒沉积岩主要分布在沧东断层北段和徐西断层北段的下降盘，即沧东次凹、南皮次凹和常庄次凹周缘。

2 烃源岩特征

2.1 岩性特征

根据姜在兴等［13］的细粒沉积岩分类方案，沙三段烃源岩岩性主要为灰质黏土岩、含灰黏土岩（见图1）。其中，灰质黏土岩、含灰黏土岩的黏土矿物体积分数一般介于60%～80%，方解石、白云石等碳酸盐矿物体积分数相对较大，最大体积分数约为40%，主要为泥、粉晶结构，黏土矿物与碳酸盐矿物混杂分布。此外，还含有体积分数不超过10%的粉砂碎屑颗粒、炭屑（见图1a，1b，1c），由于碳酸盐矿物具有良好的脆性，使得沙三段烃源岩具有较高的脆性，因此，烃源岩薄片中常见微裂缝分布（见图1b）。该套烃源岩较高的方解石、白云石等碳酸盐矿物体积分数指示了湖泊水体盐度可能相对较高。

2.2 有机地球化学特征

利用TOC、岩石热解、干酪根镜鉴、Ro等数据，根据SY/T 5735—1995中的陆相烃源岩地球化学评价方法［14］以及最高热解峰温-氢指数（Tmax-IH）交会图版，分析沙三段烃源岩的有机质丰度、类型和成熟度特征。

2.2.1 有机质丰度

沙三段的TOC介于0.26%～10.85%，均值1.99%，介于1.0%～4.0%的样品个数占比超过80%（见图2a）（总样本个数为405），反映有机质丰度主要为好—最好。岩石热解生烃潜量（S1+S2）介于 0.04～53.33 mg/g，平均值7.1 mg/g，大于1.00 mg/g的样品占比约为55%（见图2b）（总样本个数为85），反映有机质丰度主要介于差—最好，有机质丰度差异较大。氯仿沥青“A”质量分数为0.004%～17.160%，平均值为0.257%，大于0.050%的样品个数占比超过70%（见图2c）（总样品个数为541），即中等—最好的样品超过70%。总烃（HC）质量分数为 45×10-6～4 447 ×10-6，平均值为 731×10-6，样品主要在 200×10-6～1 000×10-6（见图 2d）（总样品个数为59），同样反映样品有机质丰度主要为中等—最好。分析表明，沙三段烃源岩有较高有机质丰度。

2.2.2 有机质类型

沙三段氢指数（IH）在 5～1 047 mg/g，根据陆相烃源岩有机质类型的分类标准，78个样品中有8个样品为Ⅰ型有机质，20个样品为Ⅱ1型有机质，19个样品为Ⅱ2型有机质，31个样品为Ⅲ型有机质，占比分别为10.3%，25.6%，24.4%，39.7%。沙三段烃源岩类型指数为-77.8～93.7，40个样品中有12个样品为Ⅰ型有机质，15个样品为Ⅱ1型有机质，8个样品为Ⅱ2型有机质，5个样品为Ⅲ型有机质，占比分别为30%，37.5%，20%，12.5%。综上，沙三段烃源岩主要为Ⅰ型与Ⅱ1型有机质，也有少量Ⅲ型有机质。据沙三段烃源岩的最高热解峰温（Tmax）与 IH交会图版（见图 3a）可以看出，沙三段烃源岩Ⅰ型与Ⅲ型干酪根均有分布，以Ⅰ型与Ⅱ2型为主。有机质类型分析表明，沙三段烃源岩生烃母质除了低等水生生物及藻类外，也包括陆源高等植物。这是因为沙三期断层强烈活动［11-12］，导致物源区与沉积区地貌高差较大，造成物源区剥蚀作用强烈、沉积区陆源物质输入强烈，湖盆因此可能输入了大量的陆生高等植物。

2.2.3 有机质成熟度

沙三段烃源岩的Tmax一般为420～440℃，表明该套烃源岩处于未熟—低熟阶段（见图3a）。根据沙三段Ro与埋深关系（见图3b），可以看出，沙三段烃源岩埋藏深度一般小于3 000 m，Ro值一般为0.3%～0.7%，Ro大于0.5%的样品占比约40%，极少有样品大于0.7%，沙三段烃源岩处于未熟—低熟阶段。

3 沉积环境

利用地球化学数据来判断沧东凹陷沙三段烃源岩沉积水体的盐度及氧化还原条件。

3.1 古盐度

采用V，Ga质量分数，Sr，Ba质量分数比值来判断水体盐度。V质量分数低于86 μg/g时指示为咸水环境，高于 110 μg/g 时指示为淡水环境，介于 86～110 μg/g时则指示为半咸水环境；Ga质量分数低于15 μg/g时指示为咸水环境，高于18 μg/g时指示为淡水环境，介于 15～18 μg/g 指示为半咸水环境［15］。Sr/Ba 质量分数比值大于1.0为咸水环境，小于0.5指示淡水环境，介于 0.5～1.0 则指示半咸水环境［16］。

沙三段18个烃源岩样品的微量元素测试结果表明 （见表 1）：V 质量分数为 51.98～97.71 μg/g，平均为65.85 μg/g，仅有1个样品指示半咸水环境，其余皆指示咸水环境。Ga质量分数为 12.88～23.05 μg/g，平均为15.80 μg/g，有2个样品指示为淡水环境，8个样品指示为咸水环境，8个样品指示为半咸水环境。Sr/Ba值为1.07～2.86，平均为1.88，所有样品均指示为咸水环境。综合判断，沧东凹陷沙三期为半咸水—咸水环境。

表1 沧东凹陷沙三段烃源岩TOC及微量元素特征

湖泊咸化可能与炎热干旱的气候环境有关，湖泊水体不断蒸发会出现湖泊水体盐度变高。沙河街组古植被以阔叶、落叶、针叶混生为特征，反映了亚热带—暖温带的古气候背景，同时，孢粉组合分析表明，沧东凹陷在沙三期为温暖湿润的气候环境［17］，这明显不利于高盐度湖泊的形成。湖泊高盐度还可能是额外的盐类向湖泊注入导致的，近海湖泊与海洋有水道相通（或不时受到海侵的影响）就是此类代表［18］，渤海湾盆地在古近纪是一个滨海湖泊，其东侧即为太平洋，何镜宇等［19］、郝诒纯等［20］根据矿物学等证据认为，黄骅坳陷在沙三期发生过海侵，这些证据主要来源于黄骅坳陷北部的歧口凹陷，沧东凹陷位于黄骅坳陷南部，在沙三期，岐口凹陷与沧东凹陷是相通的，因此，沙三期研究区湖水咸化可能是海侵导致的。

3.2 氧化还原条件

采用微量元素指标和生物标志物指标分析沙三段烃源岩沉积水体的氧化还原条件。V/（V+Ni）大于0.60指示厌氧沉积环境；V/（V+Ni）大于0.45小于0.60指示贫氧沉积环境；V/（V+Ni）小于等于0.45指示常氧或富氧沉积环境［21］。沙三段烃源岩的 V/（V+Ni）介于0.47～0.79，均值0.74，仅1个样品指示贫氧环境，其余样品指示厌氧环境（见表1）。姥鲛烷和植烷的比值（Pr/Ph）可以反映沉积水体的氧化还原状态，Pr/Ph小于1.0指示缺氧环境，Pr/Ph大于1.0指示氧化环境［22］。沧9井沙三段烃源岩饱和烃色谱反映的Pr/Ph为0.72，表明沙三段烃源岩沉积在缺氧还原水体之中 （见图4a）。由沙三段Pr/nC17和Ph/nC18交会图也可以看出（见图4b）［23］，沙三段烃源岩样品整体沉积在还原环境之中。该图也反映了沙三段的有机质以藻类为主。

4 讨论

4.1 烃源岩有机质富集机制

传统观点认为，淡水湖泊是形成优质湖相烃源岩的有利环境［24］，随着陆相烃源岩研究的不断深入，发现陆相盆地的烃源岩大部分都是沉积在咸化湖盆环境中，学者提出咸化的湖泊环境是优质烃源岩形成的有利环境［25-30］。

沙三段烃源岩Sr/Ba与TOC显示出良好的正相关性，TOC随着水体盐度的增高而变大（见图5）。这表明海侵导致的湖泊咸化是促进有机质富集的重要因素。

咸化的湖泊环境对烃源岩形成的促进作用主要体现在提高湖泊生产力和有机质保存条件变好2个方面。现代高盐度湖泊的生产力普遍高于淡水湖泊［31］，此外，如果是海侵导致的湖泊咸化，海侵还会为湖泊带来大量的海洋有机质和营养物质［32］（见图6）。如渤海湾盆地东营凹陷的海水入侵带来了丰富的颗石藻，甚至形成生烃能力极强的颗石藻页岩［27］。咸化的湖泊环境还会造成湖泊水体分层（见图6），使得湖泊底水缺氧，有利于有机质保存［27-28］。沙三段烃源岩沉积于缺氧的水体环境中，可能与咸化水体导致的水体分层有关。同时，沙三段沉积期温暖湿润气候［17］导致的风化作用可能引起陆源营养物质或有机质向湖泊供给增加，为有机质富集提供物质来源（见图6）。

4.2 沉积环境对未熟—低熟烃源岩生烃的控制作用

沙三段烃源岩富含可以早期生烃的物质，包括矿物沥青基质和丛粒藻等藻类［33］，它们在未熟—低熟阶段就可以大量生烃［34］。沉积环境对沙三段未熟—低熟烃源岩生烃也具有重要的促进作用，主要包括2个方面：1）咸化湖盆条件下，泥页岩中含硫有机质的质量分数一般较高，而C—S键能远低于C—C键能，咸化湖盆条件下造成的含硫有机质富集也为泥页岩在低温条件下生烃提供了有利条件［35-39］；2）海侵导致的水体咸化使暗色泥岩富含碳酸盐矿物，碳酸盐矿物能够降低生烃活化能，促进低熟有机质生烃［37］，因此，尽管沙三段烃源岩处在未熟—低熟阶段，也能大量生烃。以上分析表明，咸化湖泊环境促进了沙三段未熟—低熟烃源岩生烃。

5 结论

1）渤海湾盆地沧东凹陷沙三段烃源岩岩性主要为黏土岩和碳酸盐型混合细粒沉积岩。沙三段的TOC为0.26%～10.85%，S1+S2为 0.04～53.33 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数为0.004%～17.160%，HC质量分数介于45 ×10-6～4 447 ×10-6。有机质类型主要为Ⅰ与Ⅱ2型，含少量Ⅲ型有机质。Ro值一般为0.3%～0.7%，处于未熟—低熟阶段。

2）V，Ga质量分数，Sr/Ba比值反映研究区沙三期为半咸水—咸水的湖泊环境，海侵可能是湖水咸化的原因，微量元素指标和生物标志物指标反映沙三段烃源岩沉积在缺氧还原环境之中。

3）研究区沙三期海侵导致的咸化水体环境可以提高湖泊生产力，并使得有机质保存条件变好，进而促进烃源岩中有机质的富集。咸化水体环境使得烃源岩中富含含硫有机质和碳酸盐矿物，可以促进未熟—低熟烃源岩早期生烃。