曲彥勝

中國(guó)石化勝利油田勘探開發(fā)研究院

0 前 言

從近年來對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地北部烏倫古地區(qū)周緣山系地表露頭的考察以及鉆井揭示地層來看，該區(qū)下石炭統(tǒng)發(fā)育一套海相—海陸過渡相碎屑巖沉積。該套地層厚度大、分布廣，巖性復(fù)雜，以凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖以及沉凝灰?guī)r為主，普遍富含由長(zhǎng)石、石英、橄欖石等礦物組成的火山物質(zhì)。前人通過對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)克拉美麗、五彩灣等氣田的油氣源對(duì)比研究，認(rèn)為下石炭統(tǒng)富火山物質(zhì)泥巖為該地區(qū)的潛在烴源巖［1］。烏倫古地區(qū)發(fā)育的這套富火山物質(zhì)碎屑巖，厚度達(dá)數(shù)千米，巖性變化復(fù)雜，其沉積相序變化、凝灰質(zhì)含量對(duì)烴源巖質(zhì)量的影響及優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的層段尚不清楚。由于烏倫古地區(qū)缺少準(zhǔn)噶爾盆地重要的生油層系二疊系，因此針對(duì)該地區(qū)石炭系烴源巖資源潛力、成因以及分布的研究意義重大。筆者以準(zhǔn)噶爾盆地北部烏倫古地區(qū)重點(diǎn)探井烏參1井為基礎(chǔ)，結(jié)合部分野外出露地層，利用顯微鏡觀察、地球化學(xué)分析等多種手段對(duì)下石炭統(tǒng)富火山物質(zhì)地層開展巖石類型、沉積環(huán)境以及構(gòu)造背景研究，進(jìn)而對(duì)烴源巖的不同類型層段進(jìn)行劃分，并嘗試建立其成因模式，以期對(duì)烏倫古地區(qū)石炭系有利烴源層段的預(yù)測(cè)起到指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

烏倫古坳陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東北部（圖1），處在哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和塔里木板塊的交會(huì)處，屬于準(zhǔn)噶爾—吐哈微板塊的一部分。石炭紀(jì)，烏倫古地區(qū)處于洋殼與陸殼轉(zhuǎn)換期：早石炭世準(zhǔn)噶爾盆地還未形成，自晚古生代開始擴(kuò)張的洋殼在早石炭世末開始閉合，在新疆北部發(fā)育島弧構(gòu)造帶（圖1）。這一時(shí)期北疆大部分處于古亞洲洋，洋盆俯沖導(dǎo)致火山活動(dòng)頻繁，在烏倫古地區(qū)沉積了一套以海相、海陸過渡相為主的混雜火山噴發(fā)物質(zhì)的暗色巖系［2-3］。

通過對(duì)野外露頭和鉆井巖心觀察，發(fā)現(xiàn)這套巖系類似于一套巨厚的凝灰?guī)r沉積，進(jìn)一步通過巖石學(xué)研究認(rèn)為，它實(shí)際上為一套包含火山碎屑巖、正常碎屑巖及沉凝灰?guī)r的復(fù)雜沉積物組合。烏倫古坳陷內(nèi)石炭系厚度大，烏參1井（位置見圖1）鉆探揭示下石炭統(tǒng)姜巴斯套組厚達(dá)1 400余米，以富火山物質(zhì)暗色地層為主，巖心具有黑色、致密、塊狀、裂縫少等特征。這套暗色地層有機(jī)質(zhì)豐度較高（有機(jī)碳含量平均值為0.8%，氯仿瀝青“A”平均值為0.08mg/g），有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ型為主，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高（鏡質(zhì)組反射率為1.3%～2.2%），烴源巖處于高—過成熟階段。 王緒龍［2］、張義杰等［3］認(rèn)為火山爆發(fā)期大量火山灰飄落到水體中與富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)沉積物混合，再次沉積可以形成一種與火山活動(dòng)密切相關(guān)的烴源巖，這類烴源巖可能具有一定的生烴能力。

圖1 新疆北部早石炭世晚期巖相古地理及研究區(qū)位置圖Fig.1 Lithofacies palaeogeography of late Early Carboniferous in Northern Xinjiang and location of study area

2 富火山物質(zhì)烴源巖巖石類型及成因分析

烏倫古地區(qū)下石炭統(tǒng)富火山物質(zhì)巖石，無論在成分上還是結(jié)構(gòu)上都受到火山作用和沉積作用的雙重控制，且二者對(duì)巖石組成的控制強(qiáng)度呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的特點(diǎn)。碎屑物質(zhì)主要來源是火山爆發(fā)降落的火山灰以及陸源碎屑，二者以不同的比例混合［4］。根據(jù)火山碎屑物質(zhì)的含量，將巖石劃分為沉凝灰?guī)r以及凝灰質(zhì)碎屑巖：沉凝灰?guī)r火山碎屑物質(zhì)占50%～90%，形成于火山噴發(fā)活動(dòng)劇烈的環(huán)境，經(jīng)壓實(shí)和膠結(jié)作用成巖，常具層理構(gòu)造［5］；凝灰質(zhì)碎屑巖成分以正常碎屑沉積物為主，火山碎屑占10%～50%，火山作用影響相對(duì)較弱，屬于火山噴發(fā)形成的火山碎屑經(jīng)外動(dòng)力地質(zhì)作用（如風(fēng)、水流等搬運(yùn)和再沉積）而形成的巖石。

烏參1井揭示石炭系厚達(dá)1453m，巖性組合多樣（圖2），代表性較強(qiáng)。通過系統(tǒng)取樣和薄片鑒定，按照火山物質(zhì)、碎屑物質(zhì)的含量把石炭系自下而上劃分為4種巖性組合。

巖性組合Ⅰ 一套以泥巖、凝灰質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖為主的沉積巖組合，厚約300 m，火山碎屑含量小于50%。礦物組成主要包括黏土礦物和石英、長(zhǎng)石等碎屑礦物：黏土含量不足10%，成分以綠泥石為主；石英碎屑清晰可見（圖3a），磨圓度中等，分選較好；含一定量的細(xì)粒巖屑，可能為泥質(zhì)和凝灰質(zhì)蝕變的產(chǎn)物。沉積相以半深海相為主。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷烏參1井下石炭統(tǒng)地球化學(xué)綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive geochemical column of Lower Carboniferous of Well Wucan 1 in Wulungu Depression,Junggar Basin

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷烏參1井下石炭統(tǒng)富火山物質(zhì)烴源巖顯微照片（巖屑）Fig.3 Micrograph of Lower Carboniferous source rocks rich in volcanic materials(detritus)of Well Wucan 1 in Wulungu Depression,Junggar Basin

巖性組合Ⅱ 以凝灰質(zhì)泥巖為主，凝灰質(zhì)含量增加，泥質(zhì)與凝灰質(zhì)含量相當(dāng)，在巖屑中可見次生加大或交代邊（砂巖中常見），正常碎屑物占20%以上，夾少量粉砂質(zhì)泥巖，厚約500 m。黏土礦物見明顯的拉長(zhǎng)現(xiàn)象（圖3b）。于紅梅［6］通過對(duì)長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)組分的顯微構(gòu)造研究認(rèn)為：這種礦物拉長(zhǎng)現(xiàn)象主要是由于碎屑粒徑的減小導(dǎo)致，粒徑越小，顆粒拉長(zhǎng)現(xiàn)象越明顯。砂巖結(jié)構(gòu)中的石英、長(zhǎng)石碎屑磨圓和分選中等，反映火山碎屑物可能經(jīng)過流水搬運(yùn)沉積于岸邊，后被水體或重力作用帶入深水中，搬運(yùn)距離遠(yuǎn)，具有一定水?dāng)y特征［7-8］，為水?dāng)y型遠(yuǎn)火山口沉積相。

巖性組合Ⅲ 以沉凝灰?guī)r為主，火山碎屑物質(zhì)占80%以上，夾少量薄層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥灰?guī)r。巖石發(fā)生脆性破裂，碎裂成角礫，石英、方解石等沿著巖石裂隙灌入形成角礫狀構(gòu)造，礦物拉長(zhǎng)現(xiàn)象明顯（圖3c）?；鹕絿姲l(fā)物質(zhì)被火山噴出的氣流帶入高空，沒有經(jīng)過水流搬運(yùn)作用，而是通過風(fēng)等營(yíng)力搬運(yùn)，顆粒依重力不同而分離，最終降落在陸上或水中以及深海中［8］，導(dǎo)致沉積物分選差、磨圓差，為噴射空降型近火山口沉積相。

巖性組合Ⅳ 一套以火山爆發(fā)相為主的凝灰?guī)r沉積，夾少量薄層角礫巖、沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖等，厚度超過500 m。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：凝灰結(jié)構(gòu)明顯（圖3d），晶屑主要是石英、長(zhǎng)石等，基質(zhì)主要為微小長(zhǎng)英化的火山灰，并且含少量正長(zhǎng)斑巖。

總體上看，烏參1井巖性組合變化規(guī)律明顯：自下而上凝灰質(zhì)的含量逐漸增加，泥質(zhì)含量、粉砂質(zhì)含量逐漸降低，反映受火山活動(dòng)的影響越來越強(qiáng)。

3 富火山物質(zhì)烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征

烏參1井石炭系不同巖石類型烴源巖的有機(jī)碳含量（TOC）、熱解參數(shù)Tmax、鏡質(zhì)組反射率（Ro）及元素?cái)?shù)據(jù)如表1所示?；鹕介g歇期形成的泥巖（巖性組合Ⅰ）以及遠(yuǎn)火山口環(huán)境下形成的凝灰質(zhì)泥巖（巖性組合Ⅱ），其有機(jī)質(zhì)豐度明顯高于近火山口相的沉凝灰?guī)r（巖性組合Ⅲ）以及火山爆發(fā)相的凝灰?guī)r（巖性組合IV）（圖2，表1）。含碳質(zhì)泥巖的正構(gòu)烷烴主峰碳相對(duì)靠前（n C17），代表生源可能以藻類等低等水生生物占優(yōu)勢(shì)；類異戊二烯烷烴Pr/Ph值明顯大于1，指示一種氧化的水體環(huán)境。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷烏參1井石炭系烴源巖地球化學(xué)特征表Table 1 Geochemical characteristics of Carboniferous source rocks of Well Wucan 1 in Wulungu Depression,Junggar Basin

如圖4所示，烏參1井石炭系烴源巖樣品的三環(huán)萜烷相對(duì)含量較高（25.39%～41.37%），伽馬蠟烷相對(duì)含量（峰面積）低（2.87%～6.08%），奧利烷指數(shù)非常低（0.039～0.042），Ts/Tm值低（0.37～0.45），這反映母質(zhì)來源以低等水生生物占優(yōu)勢(shì)。自下而上隨著凝灰質(zhì)含量增加，伽馬蠟烷相對(duì)含量由2.87%增至6.08%，分析認(rèn)為這可能是伴隨火山灰的增加，水體含氧量降低，環(huán)境還原性增強(qiáng)，水體出現(xiàn)分層造成的。

4 富火山物質(zhì)烴源巖構(gòu)造-沉積環(huán)境

對(duì)于火山碎屑巖沉積物來說，由于遭受到強(qiáng)烈的水解，主要元素溶失過多，造成原始物質(zhì)和結(jié)構(gòu)殘留很少，而利用微量元素可以很好地識(shí)別其沉積-構(gòu)造環(huán)境［9］。筆者選取烏參1井不同巖石類型共25塊樣品開展了元素含量測(cè)定，并通過分析特定元素的含量及比值進(jìn)行構(gòu)造-沉積環(huán)境評(píng)價(jià)。

主要稀土元素指標(biāo)如表2所示。烏參1井輕、重稀土元素分異顯著，同時(shí)輕稀土元素（LREE）內(nèi)部分異顯著，重稀土元素（HREE）分異不顯著。由于稀土元素常以懸浮物或與碎屑礦物結(jié)合等形式進(jìn)入水體，因此其在水體中滯留時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響稀土元素的分異程度。烏參1井稀土元素與有機(jī)質(zhì)絡(luò)合導(dǎo)致稀土元素分異顯著，反映其沉積速率較慢，沉積水體為離岸較遠(yuǎn)、安靜的深海環(huán)境。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷烏參1井石炭系烴源巖m/z 191質(zhì)譜圖Fig.4 Mass chromatogram(m/z 191)of Carboniferous source rocks of Well Wucan 1 in Wulungu Depression,Junggar Basin

表2 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷烏參1井石炭系烴源巖稀土元素含量及其構(gòu)造背景判識(shí)表Table 2 REE content and tectonic background of Carboniferous source rocks of Well Wucan 1 in Wulungu Depression,Junggar Basin

主要微量元素Al標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)見表3。從表中看出，相對(duì)于全球上地殼頁(yè)巖微量元素平均含量（UCC），石炭系樣品均富集V、Mn、Cu、Zn等元素， 而虧損Cr、Co、Ni、Ba、Sr等元素，Mn富集系數(shù)較高。 前人研究表明：Mn主要由風(fēng)、河流輸入或者作為大陸架沉積物擴(kuò)散的顆粒物質(zhì)的氧化物外殼，同時(shí)火山碎屑物質(zhì)也可能是金屬M(fèi)n的物質(zhì)來源［10］；Ba能夠隨著高有機(jī)質(zhì)通量輸入到沉積物中，可以反映古生產(chǎn)力的大?。?1］；Cu是營(yíng)養(yǎng)型元素，可以與有機(jī)質(zhì)形成金屬絡(luò)合物而被輸入到沉積物中，高豐度的Cu可以指示高有機(jī)質(zhì)通量和較還原的水體環(huán)境［11］。相對(duì)于沉凝灰?guī)r與凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)泥巖段Mn、Ba元素富集程度更高，這應(yīng)該是由于火山活動(dòng)初期火山碎屑及風(fēng)塵帶來了大量無機(jī)微量元素，促進(jìn)了水生生物的繁殖，使生產(chǎn)力得到提高。

表3 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷石炭系微量元素Al標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果及全球?qū)Ρ萒able 3 Al standardized data of trace elements of the Carboniferous in Wulungu Depression,Junggar Basin and the global contrast單位:10-4

5 火山噴發(fā)旋回對(duì)烴源巖發(fā)育的影響

通過烏倫古地區(qū)石炭系巖性特征、地球化學(xué)特征等分析，認(rèn)為石炭系發(fā)育一套有機(jī)質(zhì)豐度高、偏腐泥型的泥巖，具有一定生烴潛力。早石炭世早期，烏倫古地區(qū)基本無火山活動(dòng)，水體環(huán)境較安靜［16］，生源以藻類等水生生物為主。隨著布爾津以及克拉美麗等地區(qū)洋殼的俯沖，火山活動(dòng)開始增強(qiáng)，初期火山作用以水下噴發(fā)為主，僅有少量的水上噴發(fā)，沉積物普遍經(jīng)歷了水流的搬運(yùn)作用，分選好、磨圓度高，大量的火山碎屑及陸源碎屑物質(zhì)被風(fēng)、洋流搬運(yùn)至距離島弧較遠(yuǎn)的洋盆中?；鹕交顒?dòng)初期，凝灰質(zhì)泥巖中Mn、Ba和Cu元素較富集，反映火山灰?guī)砹舜罅康牡V物和微量元素，這增加了水體中的營(yíng)養(yǎng)成分，可促進(jìn)生物的繁殖與生長(zhǎng)，使得海洋古生產(chǎn)力增加。同時(shí)，大量火山物質(zhì)的涌入也導(dǎo)致水體缺氧程度增加，水體出現(xiàn)分層，有機(jī)質(zhì)處于較強(qiáng)的還原環(huán)境之中。這個(gè)時(shí)期形成的凝灰質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型以混合型為主，生烴潛力較大。隨著洋盆進(jìn)一步縮減以及火山作用的增強(qiáng)，火山大量露出水面，以水上噴發(fā)為主，大量火山灰在風(fēng)等營(yíng)力作用下被搬運(yùn)至遠(yuǎn)海中沉積下來。這個(gè)時(shí)期的沉積物主要以凝灰物質(zhì)為主，形成一套以凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r為主的巖性組合，火山物質(zhì)含量普遍較高。該套巖層有機(jī)質(zhì)豐度低，有機(jī)質(zhì)類型以混合型為主，生烴潛力小。

6 結(jié) 語

對(duì)于富火山物質(zhì)烴源巖，既不能簡(jiǎn)單等同于泥質(zhì)巖類，也不能籠統(tǒng)歸于沉凝灰?guī)r類。由于富含火山物質(zhì)烴源巖形成于特殊的構(gòu)造-沉積環(huán)境，在火山噴發(fā)旋回的不同階段，大量的火山灰與泥質(zhì)沉積物以不同的比例混合，因此應(yīng)該進(jìn)行火山旋回期次的劃分以及巖性的識(shí)別。

本次研究通過對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷烏參1井石炭系1400余米厚的富火山物質(zhì)烴源巖的巖石類型、構(gòu)造-沉積環(huán)境等的分析，將烴源巖劃分為4類巖性組合。其中，形成于火山噴發(fā)初期的遠(yuǎn)火山口相沉積巖，以凝灰質(zhì)泥巖為主，形成于水體較還原、生產(chǎn)力較高的水體環(huán)境，有機(jī)質(zhì)豐度較高（TOC平均為1.03%），相對(duì)于其他火山旋回形成的沉凝灰?guī)r具有更高的生烴潛力。結(jié)合火山沉積相的平面分布規(guī)律，可以很好地預(yù)測(cè)這套富火山物質(zhì)烴源巖的分布。該項(xiàng)研究對(duì)于開展新疆北部石炭系普遍混有火山物質(zhì)的烴源巖的生烴潛力評(píng)價(jià)，確定有利烴源巖分布及油氣勘探方向具有指導(dǎo)作用。