准噶尔盆地哈山地区二叠系风城组细粒沉积特征与演化模式

李振明,熊 伟,王 斌,宋振响,宋梅远,孙中良,于洪洲,周 健,吴小奇

1.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;2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 江苏 无锡 214126;3.中国石化 油气成藏重点实验室,江苏 无锡 214126;4.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257015

二叠系风城组是准噶尔盆地重要的烃源岩发育层系和勘探层系。近年来以风城组为源岩,在玛湖凹陷相继发现了斜坡带砂砾岩油区和凹陷内深层页岩油区等多个亿吨级储量区[1],在此基础上构建了从断裂带到凹陷区砾岩—砂岩—页岩的全序列沉积模式和常规—非常规有序共生的全油气系统成藏模式[1-3],展现了以风城组为源岩的巨大勘探潜力。众多学者[4-11]已对玛湖凹陷风城组沉积特征、储集性、生烃特征等方面进行了较为全面的研究,认为风城组是一套“特殊的”优质烃源岩:①是最古老的广覆式碱湖相优质烃源岩;②具有油多气少、转化率高、连续生烃和油质轻的生烃特征;③具有三元混积的复杂岩性和矿物组分;④具有孔隙、裂缝与缝合线三重储集空间。然而,关于这套优质烃源岩在准噶尔盆地西北缘的分布范围和沉积演化序列研究较少,部分研究结果存在争议,这直接影响了风城组烃源岩的生烃及勘探潜力评价,因此仍需进一步深入研究。

前人对玛湖凹陷风城组研究显示,自下而上可分为三段,发育凝灰岩、灰质泥岩、泥质云岩、含碱性矿物岩、含砾泥岩等岩石类型(图1b),因其特殊的碱性矿物发育,提出风城组发育全球最古老的碱湖优质烃源岩,具有特殊的成烃特征,是玛湖百里油区的物质基础[4,12]。在此认识基础上部署的HSX1、HS1、HS11等井在哈山推覆体中—深层风城组中相继获得低产油流,显示出较大的勘探潜力。然而,哈山地区由于受多期逆冲构造叠加影响,地层叠置复杂,纵向及平面对比困难;位于传统“盆缘”相带的风城组沉积特征和演化过程研究滞后;与玛湖凹陷风城组烃源岩之间的差异与联系不明等问题严重制约了油气勘探。本文基于全岩XRD、元素地球化学、总有机碳(TOC)含量、薄片鉴定和岩相组合分析,明确了哈山地区风城组沉积特征,揭示其古沉积环境及演化过程,初步建立了哈山地区古环境演化模式,以期为该区下一步油气勘探提供依据。

图1 准噶尔盆地西北缘哈山—玛湖地区地质概况(a)、简要地层柱状图(b)及典型地质剖面(c)

1 地质概况

哈拉阿拉特山地区(下文简称“哈山地区”)位于准噶尔盆地西北缘,北以达尔布特断裂为界与和什托洛盖盆地相接,向西过渡为扎伊尔山,向南过渡为玛湖凹陷,整体呈北东—南西向位于玛湖凹陷边缘的克夏断阶带之上(图1a)。

目前对风城组的研究主要集中在玛湖凹陷,而对哈山地区研究很少。前期受限于钻井、地震、地质资料缺乏,对准噶尔西北缘原型盆地和构造演化认识不全面,特别是对早二叠世盆地性质存在较大争议[13]。早期研究认为,早二叠世发育以现今哈山为边界的前陆盆地,风城组分布范围有限,主要集中在玛湖凹陷中心;而哈山地区位于沉积盆地边缘,主要发育扇三角洲,不具备供烃潜力[12,14-17]。近年来随着勘探程度提高、钻井和地震资料的补充,发现哈山地区同样发育风城组烃源岩,并具有较好的生烃潜力[18-19]。中国石化胜利油田依据火成岩元素分析,确定早二叠世为后造山伸展背景,中晚二叠世为陆内挤压背景,并通过构造建模恢复了哈山构造沉积演化过程,即晚石炭世的古洋壳俯冲碰撞期、早二叠世的碰撞后伸展裂陷期、晚二叠世的构造反转挤压期、三叠纪的冲断叠加改造期、侏罗纪—白垩纪的震荡隆升期以及新生代的左旋走滑调整期[20-23]。依据逆冲推覆叠加和后期走滑的构造解释模型,基本明确了哈山地区整体上具有“南北分带、上下分层、西强东弱”的构造地质特征。由于多层逆冲推覆断层影响,哈山地区地层具有多层楼的结构,具体可细分为前缘超剥带、外来推覆系统、前缘冲断带和准原地叠加系统4个地质结构单元(图1c)[18-19],由此导致风城组垂向叠置、卷入构造面积近1 000 km2。哈山地区由于地层破碎复杂,特别是受逆冲推覆改造影响,地层对比、原始沉积环境以及岩相组合特征仍不明确。

2 样品及研究方法

本文样品主要来自哈山地区HSX1、HS11、HS1、HSX4、HQ6、HQ101、HQ23、HS5等井。由于钻井取心有限且推覆带地层破碎缺失等原因,岩石薄片来自各井不同层段;HSX1井完整钻揭风城组三段(P1f3),地层改造相对较弱,因此作为元素地球化学特征和古环境研究的主要对象连续系统取样79件,进行全岩矿物X衍射(XRD)、岩石热解和元素地球化学等分析测试。其中XRD和岩石热解分析实验均在中国石化石勘院无锡石油地质研究所实验研究中心进行,测试方法分别依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法:SY/T5163—2018》和《岩石热解分析:GB/T 18602—2012》进行;元素地球化学测试通过BrukerS1 TURBOSD X荧光光谱仪进行。

3 岩相类型及沉积特征

3.1 岩石学、矿物学特征

风城组岩性复杂多样,整体表现为陆源碎屑、内源化学沉淀和火山物质为主的三元混合细粒沉积。其中陆源碎屑矿物主要为石英、钾长石、斜长石和黏土矿物;内源化学沉淀主要为方解石、白云石、铁白云石以及部分黄铁矿、菱铁矿等还原指示性矿物和碳钠钙石、碳镁钠石、硅硼钠石、纯碱、石膏、芒硝等咸化碱化的指示性矿物;火山碎屑则主要为沉凝灰岩和火山碎屑岩(图2)。丰富多样的岩石矿物组合表明风城组的沉积环境和物质来源复杂,整体表现为一个半封闭湖湾—咸化湖泊沉积大环境,伴随频繁的火山活动。半封闭湖湾是该地区灰质—云质岩类发育的基础,咸化水体是盐岩、碱性矿物沉积的条件,频繁的火山活动为水体带来丰富的火山物质。不同层段岩性差异较大,表明沉积环境发生过多期次的变化。

通过统计哈山地区钻井风城组岩性厚度比例发现,纵向上,风城组不同层段的矿物含量具有显著差异。风三段泥岩含量很高,砂砾岩含量大于20%,说明风三段整体靠近陆源、处于山前浅水向深水过渡的沉积环境;风二段砂砾岩、泥岩含量相对风三段减少,而云质、凝灰质含量增多,表明风二段整体处于封闭湖盆深水中下部;风一段岩石泥岩含量占比很少,以云质和凝灰质成分为主体,指示风一段整体处于近火山的浅水部分(图3)。

图3 准噶尔盆地哈山地区二叠系风城组 不同层段岩石类型含量比例

3.2 岩相类型及分布

哈山—玛湖地区成岩物质复杂并具有独特性,可以反映不同的沉积环境和物质来源。根据风城组岩矿特征,采用沉积构造、粒度、岩石组分、火山灰含量和有机质丰度相结合的“五组分三端元”的页岩岩相划分方法,其中岩石矿物组分是基础岩相类型,主要反映岩石的沉积物质来源,沉积构造和有机质含量辅助反映不同沉积物质所对应的沉积环境及其有机质富集丰度,整合统一研究有利于明确三者之间的关系。

哈山地区风城组整体为碱湖相混合细粒沉积,按照主要特征矿物含量,可以将其基础岩相划分为五大类,即火山岩—沉火山碎屑岩类、云/灰质岩类、含碱性矿物岩类、砂/灰混积岩类和陆源碎屑岩类(图4)。

图4 准噶尔盆地哈山地区二叠系风城组主要岩相类型、特征及纵向分布

(1)火山岩—沉火山碎屑岩类岩相主要岩性为玄武岩、安山岩等中基性火山岩,以及凝灰岩和陆源碎屑混积的凝灰质细粉砂岩等。玄武岩、安山岩等中—基性火山岩常发育气孔—杏仁构造,贫有机质,TOC含量通常小于0.2%。凝灰岩及凝灰质细粉砂岩TOC含量相对较高,一般大于0.5%,为含有机质,块状构造。此类岩相垂向上主要分布在风一段下部和风二段部分层位,表明风城组沉积早期火山活动较频繁,湖体水深相对较浅,是一种近火山沉积。

(2)云/灰质岩类以泥质白云岩为主,层理弱,以块状构造为主,镜下可见大量菱形状微晶白云石;有机质含量较高,不均匀分布,局部富集,TOC含量平均在0.7%～2.8%左右。此类岩相广泛发育在风二段,风一段和风三段局部地区也有发育,表明风二段沉积环境发生改变,火山活动减弱,水体相对咸化,以化学沉淀为主。

(3)含碱性矿物岩类的典型特征是含有反映碱湖沉积的指示性矿物,如碳钠钙石、碳镁钠石、碳氢钠石、天然碱等碱矿以及与热液、碱湖伴生沉积的硅硼钠石。岩心和镜下显示,碱性矿物不均匀状、条带状分布于凝灰质、泥质中形成块状或层状含凝灰质含碱性矿物泥岩,含有机质,TOC含量0.47%～0.87%左右。此类岩相纵向上主要分布在风二上段,表明风二段沉积末期水体进一步局限化,盐度进一步增加而发生碱化;平面上,哈山西段HS11、HSX1和哈山中段HS5等钻井中该岩类均有大量发育,反映现今处于盆缘的哈山地区在风城组沉积期与玛湖凹陷一致,处于湖盆中心。

(4)砂/灰混积岩类的典型特征是具有层状、纹层状的沉积构造,镜下显示灰泥和富有机质泥质不等厚互层状分布,泥质中见细小石英、长石等陆源碎屑颗粒,有机质含量较高。此类岩相纵向上主要分布在风二上段和风三下段,反映风二段沉积末期和风三段沉积早期水体盐度下降以及陆源碎屑输入的增多。

(5)陆源碎屑岩类主要为细粒粉—细砂岩、含灰砂质泥页岩等,陆源碎屑供给充足,内源化学沉淀明显减少,通常具有层状、纹层状沉积构造;镜下可见明显的石英、长石碎屑颗粒,有机质含量较高,局部见有机质和炭屑富集,纵向上主要分布在风三段。

4 古环境演化

4.1 沉积地层元素地球化学特征

早期的沉积环境研究主要根据地层中的原生沉积结构、构造及所含化石来判断不同沉积时期的沉积环境。随着沉积地球化学的发展,目前利用碳氧同位素、常量元素、微量元素对沉积环境的判断已进入精细的研究与评价阶段,从湖泊类型到古水深、古气候、古盐度、古氧化还原环境等方面既可以定性解释,也可以在一定程度上定量评价。特别是对于烃源岩而言,元素地球化学不仅可判断其沉积环境,也可通过分析烃源岩元素组成,判断其是否为富营养水系,进而达到判断是否发育优质烃源岩的目的。

4.1.1 古盐度

含盐度的高低可以很好地反映水体当时的古环境特点,对有机质的富集及保存具有重要影响。Sr/Ba比值分析法目前是表征水体盐度应用最为广泛的指标[24-26]。一般认为,Sr/Ba>1为海洋咸水沉积环境,Sr/Ba<0.5为淡水沉积环境,Sr/Ba值在0.5～1之间为半咸水沉积环境[27]。陈洪德等[28]对鄂尔多斯盆地进行相关研究,认为当Sr/Ba>0.8时为海水,Sr/Ba在0.5～0.8范围为混合水,Sr/Ba<0.5为淡水。Rb/K2O比值也常用来指示沉积环境古盐度,由于Rb和K元素含量不在同一数量级,因此计算Rb/K2O比值时需将Rb元素含量扩大1 000倍进行判别:大于6为咸水沉积环境,4～6为微咸水沉积环境,小于4为淡水沉积环境[29]。

实验结果显示,哈山西段典型井HSX1纵向上盐度有较大变化,在风一段至风二段中部Sr/Ba值和Rb/K2O值较低,风二段中上部之后盐度指示指标逐渐增大,在风三段下部达到最大值后又逐渐下降(图5),指示风城组沉积水体盐度具有淡—偏咸—咸—偏淡的演化过程。

图5 准噶尔盆地哈山地区HSX1井二叠系风城组元素地球化学特征与沉积古环境演化

4.1.2 古气候

MgO/CaO比值是古气候的有效判别指标:在钾盐、钠盐等易溶性盐类参与沉淀的情况下,MgO/CaO的低值指示干热气候,高值指示潮湿气候[30-31]。Rb在风化作用中相对稳定,而Sr则较易遭受淋滤散失。气候湿润时降水多、风化较强烈,Sr容易流失,使Rb/Sr值升高;气候干旱时降水较少、风化强度相对降低,母岩中残留更多的Sr,使Rb/Sr值变低。因此,Rb/Sr高值指示湿润气候,低值指示干旱气候[29,32]。Sr/Cu比值对古气候的变化有灵敏的指示作用,其值越大反映气候越干旱炎热,反之则温暖潮湿[33-34]。

哈山西段HSX1井纵向上古气候指标变化规律与古盐度指标基本一致,在风一段至风二段中部变化不大,Sr/Cu值相对较小,变化不大,MgO/CaO值和Rb/Sr值相对较大,反映处于相对偏湿润—半干旱气候。风二段中上部之后3个指标都有较明显变化,Sr/Cu值明显增大,MgO/CaO值和Rb/Sr值相对降低,反映此阶段气候逐渐干旱。风三段底部之上Sr/Cu值又逐渐降低,MgO/CaO值和Rb/Sr值相对增大,反映风三段沉积中后期气候由干旱转向湿润(图5)。气候整体具有偏湿润—半干旱—干旱—偏湿润的演化过程。

4.1.3 古水深

Mn在湖水中常以Mn2+稳定存在,只有当湖水强烈蒸发而使Mn2+浓度饱和时才会大量沉淀,从而在岩石中显示高值。Fe在潮湿环境中易以Fe(OH)3胶体快速沉淀,所以Fe/Mn高值指示湿润深水环境,低值指示干旱浅水环境[35]。Fe和Al均在陆源碎屑岩中含量较高,其在泥岩中随碳酸盐矿物的富集而减少,反映淡水陆相沉积;而Ca和Mg主要赋存于碳酸盐岩中,特别是Mg离子主要因白云岩或碱性矿物的形成而富集,因此主要反映蒸发咸化的沉积环境。所以(Al+Fe)/(Ca+Mg)高值指示深水淡水沉积,低值指示干旱浅水环境。

哈山西段HSX1井纵向上古水深指标变化规律与古盐度、古气候基本一致,风一段Fe/Mn值和(Al+Fe)/(Ca+Mg)值较高,反映水体较浅,到风二段指标增大,指示水体加深,风二中上段指标逐渐减小,在风二段顶和风三段底达到最小,水体达到相对最浅,此后风三中上段指标逐渐增大,反映水体又逐渐变深(图5)。古水深整体具有较浅—较深—浅—较深的演化过程。

值得说明的是,哈山地区其他钻井如HS11、HS5等井,虽然风城组地层有缺失或者重复、沉积环境指标的绝对值具有差异,但在相同层位具有相似的增减变化趋势,在纵向上具有较好的可比性,表明风城组纵向上沉积环境的演化规律的普遍性。

4.2 烃源岩特征及有机质富集因素

对比哈山地区和玛湖地区典型烃源岩特征可以看出,玛湖地区(MY1井)风城组烃源岩TOC含量为0.2%～1.81%,其中风三段、风二段、风一段平均值分别为0.40%,0.93%,0.77%;生烃潜量(S1+S2)为0.16～18.74 mg/g,其中风三段、风二段、风一段平均值分别为1.22、4.61、4.11 mg/g,整体评价为中等倾油型烃源岩,风二段相对品质最好(图6a)。氢指数(IH)与最高热解峰温(Tmax)交会图(图6b)显示,玛湖地区风城组有机质类型主要为Ⅱ1—Ⅱ2型,Tmax值介于406～460 ℃,反映较低的热演化程度。其中埋藏较深的风一段平均Tmax值为430 ℃,小于埋藏较浅的风二段(平均Tmax值为434 ℃)和风三段(平均Tmax值为444 ℃),这种异常指示玛湖地区风城组页岩中存在大量滞留烃,使得实测Tmax值低于真实值[36-38],推测这也是风一段、风二段生烃潜量偏高、显得源岩更“倾油”的原因,实际热演化程度应达到成熟阶段。

图6 准噶尔盆地哈山—玛湖地区二叠系风城组烃源岩评价的TOC—(S1+S2)图版(a)和IH—Tmax图版(b)

哈山地区(HSX1和HS11井)风一段和风二段烃源岩TOC含量主体为0.50%～2.91%,生烃潜量为0.73～13.69 mg/g;而风三段烃源岩非均质性较强,TOC含量为0.23%～6.08%,生烃潜量为0.11～55.1 mg/g,整体评价为中等—好烃源岩。其中哈山地区风二段和部分风三段样品在相同TOC下生烃潜量较玛湖地区低,偏向倾气型源岩;而风一段和部分风三段样品TOC含量和生烃潜量均较玛湖地区高,指示更高的生烃潜力并且可能存在大量滞留烃(图6a)。氢指数与最高热解峰温交会图(图6b)显示,哈山地区风城组有机质类型主要为Ⅱ型,其次是Ⅰ型和Ⅲ型,反映其生烃母质来源的多样性。

优质烃源岩的形成主要受控于三方面因素,即生产力、保存条件和碎屑输入量(稀释程度),进而可以划分为“生产力模式”烃源岩或“保存模式”烃源岩[39-41]。通过对沉积环境指示指标与TOC含量的相关关系研究,初步明确了哈山地区沉积环境对有机质富集的影响。结果显示,风一段和风二段烃源岩主要分布在淡水—半咸水、潮湿—半干旱以及低碎屑输入的深水环境;而风三段由于进入陆相三角洲沉积,沉积环境变化较快,环境指示指标分布较广,整体上环境与风一段和风二段有较大差异,TOC含量相对降低(图7)。总的来说,哈山地区TOC与古盐度指标Sr/Ba、古气候指标Sr/Cu、碎屑输入量指标Ti/Al[42]有明显的负相关关系,而与古水深指示指标Fe/Mn有明显的正相关关系(图7),表明碎屑输入少、温暖湿润、盐度相对较小的深水环境更有利于有机质富集。

图7 准噶尔盆地哈山地区二叠系风城组沉积环境对有机质富集的影响

4.3 沉积演化模式及地质意义

哈山地区风城组垂向岩相演化和元素地球化学特征表明,风城组为典型咸化碱湖多源混合细粒沉积建造,发育多种岩相组合,水体古盐度、古气候、古水深具有协同演化趋势,垂向上可划分为5个演化阶段(图8):第1阶段为风一段沉积早期,湖平面相对较低,气候半干旱,陆源碎屑供应较少,火山碎屑—沉火山碎屑岩发育。第2阶段为风一段沉积晚期,湖平面升高,气候偏潮湿,火山物质提供营养盐,湖盆中心富有机质暗色泥岩发育,整体均为淡水—低盐度沉积组合阶段。第3阶段为风二段沉积早期,气候转为半干旱,湖平面降低,水体盐度逐渐增加,以层/块状云灰岩、白云岩、泥质白云岩沉积为主,为初成碱阶段。第4阶段为风二段沉积晚期和风三段沉积早期,湖盆萎缩、气候相对更干旱、盐度进一步增加形成碱湖,环境更局限,沉积形成典型碱性矿物,为强成碱阶段。咸化环境使水体分层更明显,有机质保存更好,发育纹层状富有机质页岩。第5阶段为风三段沉积中晚期,湖平面再次升高,气候相对湿冷,盐度降低,为碱消亡阶段。黏土矿物从风一段—风二段—风三段逐渐增高,指示陆源碎屑物质逐渐增多,粒度变大,发育扇三角洲体系。

图8 准噶尔盆地哈山—玛湖地区二叠系风城组沉积演化模式示意

对比前人[5,12]对玛湖凹陷风城组研究成果,可以看出哈山地区沉积环境演化与玛湖凹陷高度相似。典型碱性矿物的发育指示风城组沉积期哈山地区与玛湖凹陷均处于湖盆中心范围,而并非以往认识的湖盆边缘。广泛分布的火山碎屑和硅硼钠石反映频繁的火山活动和热液活动[43],指示早二叠世盆地西北缘可能仍处于拉张的构造背景,进一步证实其伸展裂陷的盆地原型属性[23,44],而非以现今哈山为边界的前陆盆地;盆地边界和有利烃源岩分布范围向北大范围拓展,风城组古沉积相图和资源潜力可能需要进一步研究确定。

5 结论

(1)哈山地区风城组岩性复杂,整体表现为陆源碎屑、内源化学沉淀和火山物质为主的三元混合细粒沉积,可分为火山岩—沉火山碎屑岩类、云/灰质岩类、含碱性矿物岩类、砂/灰混积岩类以及陆源碎屑岩类等五大类基础岩相。其中火山岩—沉火山碎屑岩类主要分布在风一段下部和风二段部分层位,云/灰质岩类广泛发育在风二段,含碱性矿物岩类主要分布在风二上段,砂/灰混积岩类主要分布在风二上段和风三下段,陆源碎屑岩类主要分布在风三段。

(2)风城组沉积水体古盐度、古气候、古水深具有协同演化趋势,垂向上可划分为5个演化阶段。第1～2阶段为淡水—低盐度阶段;第3阶段盐度逐渐增加,为初成碱阶段;第4阶段盐度最高,为强成碱阶段;第5阶段盐度降低,为碱消亡阶段。

(3)哈山地区风城组沉积环境对有机质富集具有控制作用,总体上,碎屑输入少、温暖湿润、盐度相对较小的深水环境更有利于有机质富集。

(4)哈山地区风城组岩相组合特征及古沉积环境演化序列与玛湖凹陷高度相似,风二段典型成岩矿物的出现表明哈山地区发育除玛湖凹陷外的另一湖盆中心,证实其伸展裂陷的盆地原型属性;同时拓展了盆地边界和有利烃源岩分布范围,坚定了哈山探区寻求页岩油勘探突破的信心。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’ Contributions

王斌和熊伟参与实验设计;李振明完成实验操作;宋梅远和孙中良参与实验数据整理和分析;于洪洲和周健参与实验结果可视化;李振明和宋振响参与论文写作和修改;吴小奇参与论文修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed by WANG Bin and XIONG Wei. The experimental operation was completed by LI Zhenming. The experimental data were organized and analyzed by SONG Meiyuan and SUN Zhongliang. YU Hongzhou and ZHOU Jian participated in the visualization of the experimental results. The manuscript was drafted and revised by LI Zhenming and SONG Zhenxiang. WU Xiaoqi participated in the revision of paper. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.