松嫩平原现代浅水湖泊藻类组合与水体、底泥的耦合关系

2023-02-14张新荣刘嘉康付秀丽苏杨鑫

石油实验地质 2023年1期

王雪，张新荣，刘嘉康，付秀丽，苏杨鑫

1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712；2.吉林大学地球科学学院，长春 130026；3.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 130026；4.吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室，长春 130026

中国页岩油主要分布在二叠系至古近系的多套富有机质陆相湖盆页岩层系中[1-2]，其有机质富集机理研究是油气勘探领域的热点问题[3-5]。研究显示，我国湖相富有机质页岩的成烃生物以藻类为主，不同盐度的湖泊水体均可形成富有机质页岩，但湖盆水体的规模、盐度、深度、生产力、构造、气候背景等差异显著，导致不同页岩油气藏或同一页岩油气藏的不同地方产量不同[6-7]，严重制约了页岩油优选甜点的识别、评价和有效勘探开发[8]。湖盆有机质富集规律、特征及影响因素研究亟待深入开展。

前人从不同角度分析了页岩有机质富集影响因素。BACHU[9]认为水化学性质制约沉积有机质的富集。付秀丽等[10]认为湖泊水体对松辽盆地青一段页岩有机质富集有重要影响。部分学者认为高矿化度(大于100 g/L)油气藏与CaCl2水型有关，高矿化度(30～100 g/L)的NaHCO3水型与原生油气藏有关，低矿化度(小于10 g/L)NaHCO3水型往往与次生油气藏有关[11-12]。蒋恕等[7]发现大部分页岩油气主要富集和产于细粒沉积，且优质页岩油气富集部位常位于远离物源区的浅水区。刘惠民等[13]则认为陆源输入与水介质环境共同控制了湖盆有机质的富集。所以，深入探讨湖盆中的生物群落—水体性质—沉积物的相互关系，对厘清不同湖泊沉积有机质类型—湖泊水体—沉积物的关系，推动页岩油气富集机理和影响因素研究有重要的理论价值。

我国白垩系陆相湖盆富有机质黑色页岩发育在松辽盆地青山口组一段、嫩江组一、二段[1]。青一段有机质具有水生藻类和陆源高等植物双重来源特征，为微咸水—咸水湖盆，岩性以灰黑色泥页岩为主[14]，但不同湖泊亚相有机质含量差异很大。嫩一、二段有机质来源于水生藻菌和介形虫，水体盐度波动较大，岩性为深灰、灰绿色泥页岩、粉砂岩[15]，但不同有机母质生源对沉积环境的依赖程度不同。搞清这些有机质差异原因的一个重要前提是分析湖泊环境演化过程中，藻类群落和水体、沉积物之间的关系。

白垩纪以来，松辽盆地一直处于沉降状态[16]，其上广阔的松嫩湖泊群的物源与白垩纪沉积基本一致，湖底发育一套暗色泥质沉积，水体中发育硅藻、绿藻、蓝藻、裸藻、甲藻等多种水生生物[17]，为研究现代湖泊藻类群落—水体—底泥沉积物之间的耦合关系提供了理想素材和背景。中内泡是松辽盆地内部一个长期沉积的半封闭浅水湖，湖内水生生物繁盛，底淤泥呈灰、深灰、灰黑色，是本区湖泊的典型代表。以中内泡为研究对象，通过湖中藻类产量和丰度、水体矿化度、酸碱度、离子含量以及底泥的粒度、磁化率和色度等的分析，探讨各要素之间的耦合关系，可为该区小规模半封闭浅水湖泊沉积有机质富集影响因素研究提供基础资料，推动陆相湖盆有机质富集机理研究，为松辽盆地白垩纪—新近纪湖泊沉积物中藻类组合对油气的贡献研究提供将今论古的科学依据，指导非常规油气资源的勘探开发。

1 地理背景

松嫩湖泊群地处温带亚湿润大陆性季风气候区，年均气温3～6 ℃，年均降水量360～480 mm，年均蒸发量1 600～1 900 mm，海拔200 m以下，沼泽湿地广布[16]。中内泡位于松嫩平原东北部，属于大庆湖泊群中的一个，平面上呈葫芦形(图1)，湖泊水域面积约13 km2。水源补给以地表径流和降雨为主，水深平均2.67 m，最深3.2 m，泡内藻类植物繁盛，周围森林覆盖率较低，属于草甸草原系列。周边土壤主要为风沙土、黑钙土和少量草甸土，盐碱化现象显著。

2 样品采集

藻类及水体采样点位于中内泡湖水入水口KKA3、出水口KKA2和湖湾KKA1(图1)，采集时间为2020年10月中旬。KKA1点水深约2.8 m；KKA2点水深约2.3 m，KKA3点水深约1.8 m。以采样点为中心，在10 m2面积范围内用5 L锥形桶相对均匀地从水底向上按照深度等间隔均匀获得水体50L，离心浓缩至500mL容量瓶内，用标准鲁格试液保存。用0.05 mL/滴的滴管制作活动片，在400倍显微镜下进行鉴定统计[18-19]，每个样品统计350粒以上。在大庆油田勘探开发研究院实验室对水样进行离子浓度和水体矿化度测试。

底泥采样点08A1、05A1、07A1分别位于上述样点旁5 m以内，采集时间为2021年3月上旬，用SDI VC-D高频振动钻机钻取24 cm底泥(图1)。原样密封带回实验室进行1 cm间隔分样。所有样品用英国Bartingon MS2B磁化率仪进行低频(0.47 kHz)、高频(4.7 kHz)和频率磁化率测定，测量5次取平均值。同时，采用WR-18型色差仪测得亮度(L*)、红度(a*)和黄度(b*)，测量3次取平均值。钻孔表层10 cm的样品进行X射线沉降粒度分析(SediGraph Ⅲ 5125)，获得Stokes沉降原理下0.1～300 μm粒度质量百分比。

图1 松嫩平原中内泡地理位置及采样点分布Fig.1 Geographical location and sampling distribution of Zhongnei Lake, Songnen Plain

3 实验结果

3.1 水体性质

表1 松嫩平原中内泡湖泊水体主要离子浓度Table 1 Concentration of main ions in water body of Zhongnei Lake, Songnen Plain

3.2 藻类组成

中内泡鉴定出硅藻、黄藻、蓝藻、裸藻、绿藻、隐藻共6门35属54种藻类(表2，图2)。蓝藻占藻类总产量56.07%，硅藻占22.54%，绿藻占16.62%，且以聚球藻属、席藻属、小环藻属、纤维藻属含量居多。松辽盆地白垩系—古近系中的盘星藻(绿藻)和蓝藻对油气资源有一定贡献[20-21]，中内泡绿藻和蓝藻产量占所有藻类的72.69%，高于白垩系的产量，可视为具一定的生油潜能的藻类。但湖内各点藻类种类和产量并不相同。湖湾KKA1藻类产量约7.2×104个/L，以硅藻含量居多，为45%，其次为绿藻33%，蓝藻15%，隐藻、黄藻和其他藻类含量均较低。出水口KKA2藻类产量为5.27×104个/L，以蓝藻含量最高，为66%，其次为硅藻17%，绿藻13%。入水口KKA3藻类植物总产量为9.7×104个/L，以绿藻含量最多，为44%，硅藻为39%，蓝藻为12%，裸藻、黄藻和其他藻类较少(图3a)，可见同一现代湖泊中不同的沉积环境下藻类组合不同，这可能是藻类油气贡献率不同的原因之一。

图2 松嫩平原中内泡主要藻类显微图片硅藻：1，2为针杆藻属；3为直链藻属；4为尖针杆藻；5为桥湾藻属；6为舟形藻属；7，8，9，10为小环藻属；11为小环藻属和脆杆藻属；12，13为针杆藻属；14为羽纹藻属；15为二头脆杆藻；16为针形菱形藻。绿藻：18，19，20，23，24，25为盘星藻属；21，22为微茫藻属；26，27，28，29，30，31，32，33，34，40为栅藻属；35，36，37，38，39为镰形纤维藻属；41为蹄形藻属；42，43为弓形藻属；44为集星藻属。蓝藻：17为席藻属；45，46为色球藻属；47为鱼腥藻属。裸藻：48为扁裸藻属；49为旋纹裸藻。Fig.2 Micrographs of main algaes in Zhongnei Lake, Songnen Plain

3.3 底泥特征

中内泡入水口、湖湾和出水口10～24 cm深的底泥均为深灰色粉砂质淤泥，表层10 cm为深灰色淤泥质粉砂(图3b)，岩性一致。但色度和磁化率存在差异，底泥亮度L*只有05A1孔向上明显降低，均值最大，07A1孔和08A1孔垂向变化不明显，均值较小；红度a*垂向变化均不明显，以07A1孔均值最大，05A1孔最小；黄度b*均向上降低，以05A1孔均值最大(图3c，图4)。低频和高频磁化率以出水口处向上减小显著，其他两处变化不明显，频率磁化率以出水口向上增加显著，其他相对稳定(图3d，图5)。光沉降粒度分析结果显示，本湖泊表层底泥均为细粒沉积，其中入水口处的08A1孔峰值粒径为35.5 μm，湖湾处和出水口附近峰值粒径为31.6 μm(图6)。

图3 松嫩平原中内泡藻类植物组合(a)、底泥泥心(b)及色度均值(c)、磁化率均值(d)特征Fig.3 Characteristics of algal assemblage (a), sediment lithology (b), mean value of chromaticity (c) and mean value of magnetic susceptibility (d) in Zhongnei Lake, Songnen Plain

图4 松嫩平原中内泡泥岩采样点表层10 cm底泥剖面色度随深度变化Fig.4 Chromaticity vs. depth of surface sediments (10 cm thick) in sampling locations in Zhongnei Lake, Songnen Plain

图5 松嫩平原中内泡泥岩采样点表层10 cm底泥剖面磁化率随深度变化Fig.5 Magnetic susceptibility vs. depth of surface sediments (10 cm thick) in sampling locations in Zhongnei Lake, Songnen Plain

图6 松嫩平原中内泡泥岩采样点表层10 cm沉积物光沉降粒度—质量频率分布Fig.6 Partical size by photosedimentation vs. mass frequency of surface sediments (10 cm thick) in sampling locations in Zhongnei Lake, Songnen Plain

4 讨论

4.1 湖泊水体、藻类与底泥关系

中内泡Margalef多样性指数D值平均为6.85，高于标准值(5)[22]，水体清澈，有利于太阳辐射的吸收[23-24]。参考HEISKANEN等北温带湖泊分层研究[24]，以及北美Wingra湖浅水不分层的特点[25]，同气候带的中内泡水体不具备分层条件，湖底沉积物与上层水体热量交换后的全年净热量近于零，结合湖水理化性质及水体的半封闭特征，初步判断该湖为弱酸性半封闭混合型平原微咸水湖。

McNaughton优势度指数，Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数显示，中内泡藻类以蓝藻—硅藻—绿藻为优势，其中入水口和湖湾处丰度高，群落结构稳定，出水口处藻类丰度差，群落结构稳定性较弱。温带湖泊冬季浮游植物以硅藻为优势种群；春季绿藻丰度随温度上升而升高，蓝藻则因硅限制而易成为夏秋的主要优势种群[26-27]。本文采样时间为秋季，秋季中内泡东南风正向西北风转变，北侧入水口向阳避风，水温较高，使得绿藻含量相对较高；西南侧湖湾风力扰动较弱，藻类的相对聚集使硅藻转而繁盛；东南侧下风向的出水口则进一步因硅的限制而导致蓝藻相对富集。可见，中内泡不同位置蓝藻、绿藻、硅藻丰度的不同受水温影响明显，而这又显著受控于当地风场的干扰。

中内泡底泥岩性单一，均为深灰色细粒沉积，但磁化率反映了沉积物超顺磁颗粒(SP)的分布特征[28]，入湖沉积物中较高的超顺磁SP颗粒含量和出水口附近较低超顺磁颗粒含量，与粒度组成负相关。色度L*反映了湖湾底泥沉积物中有机质含量高于入水口和出水口，红度a*和黄度b*反映了中内泡底泥中铁的氢氧化物含量很小，处于弱氧化还原环境[29]。

将中内泡硅藻、绿藻、蓝藻的含量、湖泊底泥色度、磁化率和粒度参数进行皮尔逊相关分析，可知泡内底泥的色度、磁化率以及粒度的均值、峰值与藻类之间有很强的相关性(表4)。藻类中，硅藻与绿藻呈正相关，与蓝藻呈负相关，反映了硅藻和绿藻伴生共存，与蓝藻的生存环境相差较大。硅藻、绿藻和底泥的亮度L*显著负相关，与底泥红度a*显著正相关；蓝藻和底泥亮度L*正相关，与红度a*负相关，可见底泥的颜色越暗，其水体中的硅藻和绿藻的含量越高，蓝藻含量则越少。硅藻、绿藻和底泥磁化率呈显著正相关，蓝藻则相反，说明中内泡内磁化率较高的底泥，对应含量较高的硅藻和绿藻，而磁化率相对低的底泥则对应较高含量的蓝藻。硅藻与沉积物粒度标准偏差负相关，绿藻反之，蓝藻则无关，说明较低的沉积物分选对应较低的硅藻含量，较高的分选程度对应较高的绿藻含量。由此可见，中内泡水体中，湖泊底泥沉积物的亮度较小，红度较大，有机质含量多时，水体流动性相对强，则绿藻繁盛，反之则硅藻繁盛；当底泥亮度大，红度小，有机质含量少时，蓝藻则相对繁盛。这在一定程度上解释了入水口附近绿藻含量高，湖湾处硅藻含量高，出水口附近蓝藻含量高的现象。

4.2 对中新生代陆相湖盆油页岩富集因素研究的启示

泥页岩沉积时期的水生生物是富有机质泥页岩形成的重要前提，其群落结构特点与沉积环境和陆源碎屑密切相关。中内泡位于松嫩平原腹地，属于弱酸性半封闭混合型平原微咸水湖泊，流域物源供给相对稳定。泡内蓝藻优势发育在出水口附近，群落结构稳定性较弱。硅藻优势发育在湖湾，绿藻则发育在湖水入口附近，二者群落结构较稳定。本文分析这种差异可能与当地风场对湖泊水体的控制作用有关，即湖湾处或避风处有机质丰度最大，风场下风口方向易于蓝藻富集、避风向阳处易于绿藻富集，因此古地形和古风场对浅湖相非常规油页岩有机质富集存在一定影响。

松辽盆地白垩系青山口组一段有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根为主[14,30]，其中水体相对较浅的东南隆起区油页岩中的湖生藻类以层状藻占优势，丰度比中央凹陷区高。白垩系嫩江组油页岩沉积时期嫩一段和嫩二段下部有机质类型为Ⅰ型干酪根，绿藻、蓝藻构成的层状藻为主要来源，嫩二段上部有机质为Ⅲ型干酪根，结构藻占相对优势[31]。同种湖相地层，同种水化学类型，但有机质丰度不同，本文的研究结果促使人们可以从古地形和风场角度分析其影响因素。同样，银额盆地下白垩统巴音戈壁组深灰色浅湖—深湖密集段油页岩[32]，鄂尔多斯盆地长7 段上部局部富有机质页岩的细粒砂岩[33]，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组粉细砂岩、泥岩和碳酸盐岩组成的混积岩[34]，渤海湾盆地古近系沙四上亚段咸水湖盆有机质藻类丰富的灰质泥岩、粉砂质灰岩和混合细粒岩[35]等，也可以尝试从古地形和古风场的角度分析有机质富集机制。