王小軍，王婷婷，曹劍

準噶爾盆地是中國西北地區(qū)典型的大型疊合含油氣盆地[1-2]，其西北緣瑪湖凹陷是國內(nèi)外著名的富烴凹陷。近年來，在斜坡—凹陷區(qū)下三疊統(tǒng)百口泉組—上二疊統(tǒng)上烏爾禾組連獲勘探突破，大面積成藏特點逐步顯現(xiàn)，展現(xiàn)出了新的“瑪湖大油氣區(qū)”輪廓，正在形成新疆油田新的油氣基地，為國內(nèi)外勘探界所矚目[3]。

前人研究認為，瑪湖凹陷內(nèi)的主力烴源巖為下二疊統(tǒng)風城組（P1f），沉積環(huán)境為咸水湖相[4]。然而，隨勘探程度的不斷加深和研究資料的不斷積累，近期有研究者提出，風城組發(fā)育于比較特殊的堿湖沉積環(huán)境，進一步比對國內(nèi)外已有實例[5-6]，認為它是古老的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖，同時較之同類實例又有一定獨特性，特別是在大油氣田發(fā)現(xiàn)方面，展示出極重要的基礎(chǔ)科學與實踐應用研究價值[7]。

盡管前人的研究已取得不少成果，但仍存在不少問題，比如該套烴源巖及其成烴演化特征并不十分清楚，原因在于沒有先例可循。如前所述，迄今全球發(fā)現(xiàn)的堿湖烴源巖實例并不多，最為典型的是美國大綠河盆地的始新統(tǒng)綠河頁巖[8]，該套頁巖以分布范圍廣（70 000 km2）、有機質(zhì)豐度高（總有機碳含量多高于10%）、有機質(zhì)類型好（Ⅰ型為主）為特征，但因尚處于未成熟—低成熟演化階段，因此僅具油頁巖意義[9-11]。堿湖烴源巖的特征與成烴演化并不十分清楚，這是陸（湖）相生油理論中欠缺的重要研究內(nèi)容。有鑒于此，本文力圖通過地球化學分析，結(jié)合巖石礦物學、生烴母質(zhì)的研究，分析風城組堿湖烴源巖及其生烴的基本特征。

1 地質(zhì)背景

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地中央坳陷西北端[3，12]，其西側(cè)與烏夏斷裂帶及克百斷裂帶相鄰，西南側(cè)與中拐凸起相接，東南側(cè)分布有達巴松凸起、夏鹽凸起和英西凹陷，北面為石英灘凸起（圖1）?，敽枷菪逼聟^(qū)地層發(fā)育較全，自下而上有石炭系—白堊系，發(fā)育了多套潛在烴源巖，由老至新包括石炭系，下二疊統(tǒng)佳木河組、風城組，中二疊統(tǒng)下烏爾禾組[13]。其中主要烴源巖層為下二疊統(tǒng)風城組[14]，厚度800～1 800 m，分布面積約5 000 km2，總體呈西厚東薄的楔狀[15]。據(jù)其巖性和電性特征，風城組自下而上可分為風一段（P1f1）、風二段（P1f2）和風三段（P1f3）。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷構(gòu)造位置

2 風城組堿湖烴源巖巖相學特征

風城組的巖石過去根據(jù)粒級通常稱之為泥巖，隨著研究程度的不斷深入，發(fā)現(xiàn)其成分相當復雜，主要由陸源碎屑、碳酸鹽組分和火山物質(zhì)3個端元以不同比例混積而成（圖2），為發(fā)育于堿湖環(huán)境的一套較特殊的白云質(zhì)混積巖。根據(jù)不同端元所占比例，又可進一步細分出泥質(zhì)巖、泥質(zhì)白云巖、凝灰?guī)r和混積巖4大類（圖3）?？傮w而言，風城組中黏土礦物含量低，有機質(zhì)結(jié)構(gòu)保存不好。

圖2 研究區(qū)風城組白云質(zhì)混積巖組成示意

（1）泥質(zhì)巖 黏土礦物含量低，正交偏光下亮度較高，幾乎見不到干涉色?；|(zhì)主要由細粒堿性長石和部分碳酸鹽礦物組成，較粗的石英長石顆粒在單偏光下無色透明，正交偏光下干涉色為一級灰白，具有一定分選性，但呈現(xiàn)尖銳棱角狀且顆粒間不接觸，具明顯的風成特點。有機質(zhì)保存較好，可見細胞結(jié)構(gòu)。

（2）凝灰?guī)r 有一定的陸源碎屑和碳酸鹽含量，但主要由凝灰質(zhì)組分構(gòu)成。正交偏光下，凝灰質(zhì)組分全消光。含有少量團塊狀的碳酸鹽組分，正交偏光下呈珍珠韻彩的高級白干涉色。

（3）泥質(zhì)白云巖 主要由碳酸鹽礦物特別是白云石組成，部分樣品中含有特殊的堿類礦物。原生沉積形成的白云石顆粒細小均勻，部分樣品受后期作用影響，白云石部分或全部發(fā)生重結(jié)晶作用，形成大顆粒的碳酸鹽礦物。有機質(zhì)的保存受到堿性沉積環(huán)境的影響。

（4）混積巖 在風城組所有巖石類型中所占比例最大，根據(jù)巖石中的白云質(zhì)、泥質(zhì)和凝灰質(zhì)組分所占比例，可以進一步劃分出3個亞相（圖2b）。含一定量的火山碎屑，反映火山活動特征；石英、長石碎屑含量相對于泥質(zhì)巖低，也呈尖銳棱角狀；碳酸鹽礦物多受后期成巖作用影響，聚集成較大的團塊或條帶，可能由新生變形作用形成。有機質(zhì)可分為瀝青質(zhì)和顆粒2大類，瀝青質(zhì)可能與微生物作用有關(guān)，藍光激發(fā)下幾乎不顯熒光；顆粒有機質(zhì)顯黃色熒光，總體熒光不是太強。

圖3 研究區(qū)風城組白云質(zhì)混積巖巖相特征

這4種巖石類型在風一段—風三段均有分布，但具體比例隨沉積環(huán)境的演化而各有不同。風一段沉積期為成堿初期階段，巖石主要為白云質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r和混積巖；風二段沉積期為成堿高峰階段，發(fā)育白云巖、泥質(zhì)白云巖和混積巖，以出現(xiàn)大量堿性蒸發(fā)巖礦物為特征；風三段沉積期為成堿消亡階段，發(fā)育泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖和混積巖。風二段沉積期，碳酸鹽礦物含量最高，對應于湖盆的收縮期，堿湖發(fā)育達到最高峰。

3 風城組堿湖烴源巖生烴母質(zhì)組成特征

瑪湖凹陷風城組堿湖生烴母質(zhì)組成特殊，可歸納成2大方面。

（1）生烴母質(zhì)以菌藻類為主（圖4），高等植物豐度低，反映堿湖沉積環(huán)境。其中，藻類屬種多樣，可能包括褶皺藻、溝鞭藻、宏觀底棲藻類的紅藻以及少量疑源類等，成因復雜，兼具內(nèi)源與外源。細菌主要為藍細菌，有膠團群體和藻席，發(fā)育生長紋層，不具鞭毛；沒有真正細胞核，僅有核質(zhì)，位于細胞體的中央部位；其典型特征是藍細菌為原核生物，不具真正細胞核。褶皺藻藻體具明顯粗大的中央莖，向外輻射出側(cè)枝；是一種真核生物，細胞壁分為2層，內(nèi)層由纖維素組成，外層為果膠質(zhì)；典型特征為粗大的中央莖及不同類型側(cè)枝。溝鞭藻為單細胞，具一條橫向或是螺旋形狀的鉤（腰帶）和2條鞭毛；細胞壁（殼壁）被腰帶分成上下2部，一條鞭毛橫向插在腰帶中，另一條由腰帶向下方縱向伸展；典型特征為腰帶和鞭毛。宏觀底棲藻類的紅藻呈樹枝狀，葉狀體具有外部皮層和內(nèi)側(cè)髓部的分化，典型特征為四分孢子囊。疑源類為單細胞，不具板片、橫溝和縱溝，單細胞孢囊，分類位置不明。此外，還有很大一部分為藻質(zhì)來源的無定形體，無固定形態(tài)，邊緣輪廓不清晰；無明顯細胞結(jié)構(gòu)，少數(shù)殘留有藻類結(jié)構(gòu)特征。

圖4 研究區(qū)風城組烴源巖生烴母質(zhì)特征

（2）風城組堿湖烴源巖生烴母質(zhì)組成的第二個特點是，微生物的活動（含量）與沉積環(huán)境的堿性呈正比，堿性越強，結(jié)構(gòu)藻類體含量越低，無定形體含量越高。在成堿初期，水體的堿度較弱，生烴母質(zhì)主要以結(jié)構(gòu)藻類體為主，細胞結(jié)構(gòu)清晰，疑源類可清晰觀察到其圓口。成堿初期是一個堿度不斷增強的階段，在此階段中，微生物的活動不斷增強，結(jié)構(gòu)藻類體不斷被改造，無定形體含量增加，此時的無定形體還殘留有一些藻類的結(jié)構(gòu)（細小紋孔）。到堿性最高的強成堿階段，生烴母質(zhì)幾乎全部為無定形體，觀察不到指示來源的殘余結(jié)構(gòu)，根據(jù)對其他階段生烴母質(zhì)的觀察，推測此時的無定形體是由各種藻類、疑源類和少量高等植物經(jīng)細菌改造形成。其后水體再逐漸淡化，發(fā)展至演化終止階段，此時的生烴母質(zhì)特征與成堿初期相似，以結(jié)構(gòu)藻類體為主，無定形體含量降低。

進一步對比常見湖相烴源巖的生烴母質(zhì)組成特征發(fā)現(xiàn)，風城組的這種堿湖生烴母質(zhì)特征展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。湖沼相主要以高等植物為主，典型實例為西北地區(qū)侏羅系煤系；淡水湖相烴源巖生烴母質(zhì)為淡水藻類和高等植物，如柴達木盆地侏羅系；咸水湖相則為咸水藻類和高等植物，如準噶爾盆地蘆草溝組；硫酸鹽鹽湖生烴母質(zhì)主要為浮游生物、藻類、高等植物等，如濟陽坳陷、潛江凹陷和柴達木盆地古近系。與以上這些類型的湖相沉積相比，瑪湖凹陷堿湖烴源巖生烴母質(zhì)獨特，優(yōu)質(zhì)生烴主要有3大物質(zhì)基礎(chǔ)：細菌、藻類和無定形體。細菌將藻類改造成無定形體，是堿湖的生烴母質(zhì)類型區(qū)別于其他湖相烴源巖生烴母質(zhì)類型的最根本特征。

4 風城組堿湖烴源巖地球化學特征

4.1 有機質(zhì)豐度

烴源巖中的有機質(zhì)是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，常見判識其豐度的指標參數(shù)包括總有機碳含量、巖石熱解中的生烴潛量、氯仿瀝青A含量等[16-18]。

在準噶爾盆地瑪湖凹陷，從總有機碳含量、生烴潛量和氯仿瀝青A含量3方面來看（表1），風城組總體都達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖的標準。風一段總有機碳含量為0.03%～1.76%，平均為0.79%；風二段總有機碳含量為0.28%～3.58%，平均為1.03%；風三段總有機碳含量為0.12%～2.73%，平均為0.92%.總有機碳含量風二段最高。

表1 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖有機地球化學特征

風一段、風二段和風三段樣品生烴潛量分別為0.02～17.51 mg/g（均值3.55 mg/g）、0.06～24.58 mg/g（均值5.43 mg/g）、0.01～25.29 mg/g（均值4.10 mg/g）；氯仿瀝青A含量分別為0.011‰～4.564‰（均值1.125‰）、0.060‰～11.088‰（均值 2.017‰）、0.025‰～6.821‰（均值1.247‰）。同樣表現(xiàn)出風二段最優(yōu)。

綜上所述，從總有機碳含量、生烴潛量和氯仿瀝青A含量來看，風城組大部分樣品屬中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖。風一段、風二段和風三段垂向差異明顯，風二段烴源巖最優(yōu)，與堿性沉積旋回的演化相一致。

4.2 有機質(zhì)類型

烴源巖的有機質(zhì)豐度是能否大量生烴的關(guān)鍵，而有機質(zhì)類型則在很大程度上決定著所生烴類的性質(zhì)、組成以及量的大小，常見用來判斷烴源巖有機質(zhì)類型的地球化學參數(shù)包括：熱解氫指數(shù)、干酪根元素比值和干酪根碳同位素等[16，19-21]。本文主要采用熱解氫指數(shù)與熱解氧指數(shù)相關(guān)圖、熱解氫指數(shù)與熱解峰溫相關(guān)圖，以及干酪根碳同位素，結(jié)合生烴母質(zhì)顯微鑒定，來確定風城組烴源巖的有機質(zhì)類型。

風一段、風二段和風三段樣品的熱解氫指數(shù)分別為21～794 mg/g，3～982 mg/g和3～801 mg/g，均值分別為241 mg/g，363 mg/g和322 mg/g（表1，圖5）。風城組樣品有機質(zhì)類型從Ⅰ型—Ⅲ型均有分布，表明其有機質(zhì)來源復雜。風二段主要為Ⅰ型—Ⅱ型，有機質(zhì)類型最好；風一段和風三段樣品有機質(zhì)類型分布較為分散，從Ⅰ型—Ⅲ型均有分布，總體表現(xiàn)出風二段有機質(zhì)類型優(yōu)于風三段、風三段優(yōu)于風一段的特征。

有機質(zhì)穩(wěn)定碳同位素主要取決于有機質(zhì)的來源，受熱演化作用影響較小，因此，在烴源巖的成烴演化階段，尤其是其高演化階段，干酪根碳同位素也是反映烴源巖有機質(zhì)類型的一項重要的有效參數(shù)。從瑪湖凹陷樣品干酪根碳同位素分布特征來看（表1，圖5），風二段有機質(zhì)類型最好，主要為Ⅱ型；其次為風三段，Ⅱ1型—Ⅲ型均有分布，主要為Ⅱ2型；再次為風一段，主要為Ⅱ2型—Ⅲ型。需要注意的是，由于風城組發(fā)育于堿湖（堿性鹽湖）沉積環(huán)境，碳同位素整體偏重，因此實際的有機質(zhì)類型要比根據(jù)碳同位素判識的結(jié)果好，而且風城組有機質(zhì)類型的變化趨勢，與巖石熱解氫指數(shù)判識結(jié)果基本一致。

圖5 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖有機質(zhì)類型分布

對風城組樣品巖石薄片和干酪根進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)風城組3段之間存在明顯差異（圖3，圖4），風一段碳酸鹽含量最低，生烴母質(zhì)以結(jié)構(gòu)藻類體為主，見少量孢粉和疑源類；風二段碳酸鹽含量最高，部分樣品碳酸鹽含量超過50%，生烴母質(zhì)以無定形體為主；風三段碳酸鹽含量介于風一段和風二段之間，生烴母質(zhì)多以無定形體為主（部分藻類的結(jié)構(gòu)特征被保留下來，如圓形紋孔、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），見少量結(jié)構(gòu)藻類體。顯微鑒定結(jié)果與地球化學分析相似，風二段有機質(zhì)類型最優(yōu)，其次為風三段，風一段相對較差。

綜合上述，準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組有機質(zhì)來源復雜，有機質(zhì)類型Ⅰ型—Ⅲ型均有分布，以Ⅱ型為主，傾向于生油。風城組有機質(zhì)類型呈風二段優(yōu)于風三段、風三段優(yōu)于風一段的趨勢。

5 風城組堿湖烴源巖高效生烴

5.1 烴源巖生烴潛力

理論而言，烴源巖的生烴能力受諸多因素影響，如烴源巖的分布與厚度，烴源巖中有機質(zhì)的豐度、類型及其熱演化程度等[22]。通常來說，生烴潛力大的烴源巖一般分布廣、厚度大，有機質(zhì)豐度高、類型好、成熟度適中[16]。根據(jù)前文分析，風城組烴源巖的有機質(zhì)豐度都達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖標準，并表現(xiàn)出風二段有機質(zhì)豐度高于風三段、風三段高于風一段的特點。因此，對于生烴，有機質(zhì)數(shù)量不存在問題。從有機質(zhì)類型來看，整體主要為腐泥型，更傾向于生油，也表現(xiàn)出風二段優(yōu)于風三段、風三段優(yōu)于風一段的特點，與有機質(zhì)的豐度變化特點一致。

從有機質(zhì)成熟度看，目前所研究樣品多處于成熟演化階段，但這并不能完全代表凹陷區(qū)烴源巖的熱演化程度，據(jù)此，綜合前人對區(qū)域地溫分布[23-24]和地層層序[13]的研究結(jié)果，選取了瑪湖凹陷沉積中心的虛擬井進行了數(shù)值模擬（圖6）。結(jié)果表明，風城組在二疊紀末期進入生烴門限，在三疊紀末期進入生油高峰期，目前已進入高成熟演化階段（埋深大于5 000 m）。

圖6 準噶爾盆地瑪湖凹陷埋藏—熱演化史

因此，瑪湖凹陷風城組烴源巖有機質(zhì)豐度高、有機質(zhì)類型以生油為主，成熟度在凹陷區(qū)進入成熟—高成熟演化階段，具備良好的生烴，特別是生油潛力，且風二段生烴潛力最大，其次為風三段，最后為風一段。

5.2 烴源巖高效生烴

根據(jù)上述分析，風城組堿湖混積巖從有機質(zhì)豐度、類型上達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖標準，物質(zhì)基礎(chǔ)良好，但與傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖相比，優(yōu)勢并不顯著。為進一步查明其生烴特點，對總有機碳產(chǎn)烴率進行了分析，結(jié)果表明，風城組烴源巖大致存在3期生烴高峰（兩期生油，一期生氣）（圖7）。第一期為早期成熟油，高峰在鏡質(zhì)體反射率為0.8%左右，對應埋深3 500 m左右，總有機碳產(chǎn)烴率達到470 mg/g；第二期為晚期高熟油，高峰在鏡質(zhì)體反射率為1.3%左右，對應埋深4 500 m左右，總有機碳產(chǎn)烴率達到800 mg/g；第三期為天然氣，鏡質(zhì)體反射率在2.0%左右，對應埋深在5 700 m附近，總有機碳產(chǎn)烴率達到200 mg/g.與傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖的生烴特點[18，25-27]相比，有2個重要的不同點，一是兩期生油，二是高效，特別是第二期高成熟油，總有機碳產(chǎn)烴率達到800 mg/g，幾乎近2倍于傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖7 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖生烴特征

油氣標定也表明，瑪湖凹陷內(nèi)部存在多期成藏，成熟—高成熟油氣連續(xù)運聚（圖7）。儲集層中抽提出2種不同性質(zhì)的原油，一種為黑色，油質(zhì)較重；另一種為黃褐色，油質(zhì)較輕，分別對應著早、晚2期原油充注。此外，對儲集層顯微觀測也發(fā)現(xiàn)，藍光激發(fā)下的薄片可以觀察到2種不同熒光色的有機質(zhì)，分別為偏黃綠色和亮黃色，第一期成熟油，油質(zhì)較重，顏色深，熒光較弱；第二期高熟油，油質(zhì)輕，顏色淺，熒光強。總之，這一油氣連續(xù)充注特征與烴源巖的多期生烴相吻合。

綜上所述，風城組堿湖白云質(zhì)混積巖與傳統(tǒng)湖相烴源巖相比，在基礎(chǔ)地球化學特征上優(yōu)勢并不顯著，但其生烴具有多期性和高效性，存在兩期生油高峰和一期生氣高峰，成熟—高成熟連續(xù)生烴，高效生烴，總有機碳產(chǎn)烴率大，最高峰達到800 mg/g，為目前研究區(qū)建成大油氣區(qū)奠定了資源基礎(chǔ)，未來仍有廣闊的勘探空間。

6 結(jié)論

（1）準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組發(fā)育了一套特殊的堿湖白云質(zhì)混積巖，巖性組合復雜，主要由陸源碎屑、碳酸鹽組分和火山物質(zhì)3個端元以不同比例混積而成，可進一步細分出4大類：泥質(zhì)巖、泥質(zhì)白云巖、凝灰?guī)r和混積巖。

（2）風城組烴源巖具有堿湖特色的生烴母質(zhì)——以菌藻類為特色的生烴母質(zhì)，特別是細菌的參與，是堿湖不同于傳統(tǒng)酸性硫酸鹽鹽湖的關(guān)鍵；微生物的活動（含量）與沉積環(huán)境的堿性相關(guān)，堿性越強，微生物活度越高，結(jié)構(gòu)藻類體含量越低，無定形體含量越高。

（3）風城組烴源巖有機質(zhì)豐度都達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖標準，有機質(zhì)類型偏腐泥型，在凹陷區(qū)達到成熟—高成熟演化，具有良好的生烴潛力。風城組3段的生烴潛力存在一定差異，風二段最優(yōu)，風三段次之，風一段再次之。

（4）風城組烴源巖多期高效生烴，存在3期生烴高峰：早期成熟油、晚期高熟油和晚期天然氣。高成熟油生成階段，總有機碳產(chǎn)烴率峰值達到800 mg/g，幾乎2倍于傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖。

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