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        珠江口盆地白云凹陷恩平組泥巖元素地球化學(xué)特征及環(huán)境指示意義

        2020-11-06 08:27:10石創(chuàng)龍祖烈朱俊章姜正龍黃玉平
        關(guān)鍵詞:恩平烴源鹽度

        石創(chuàng),龍祖烈,朱俊章,姜正龍,黃玉平

        1.中海石油深海開發(fā)有限公司,深圳 518054

        2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,深圳 518054

        3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院,北京 100083

        巖石中的元素在巖石風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過程中受外部環(huán)境的影響,會發(fā)生規(guī)律性的分散和富集,使得元素的含量或不同元素間的比值出現(xiàn)規(guī)律性變化[1-2]。利用沉積巖中元素含量或比值來表征古沉積環(huán)境變化,恢復(fù)古水深、古氧相、古氣候、古鹽度和埋藏效率等環(huán)境指標(biāo)已在油氣勘探領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

        海上油氣勘探從淺水走向深水已是必然趨勢,深水盆地是當(dāng)今全球油氣勘探的熱點(diǎn)區(qū)[3]。白云凹陷主體位于珠江口盆地深水區(qū),經(jīng)過多年的勘探實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)多個大型油氣藏,特別是荔灣3-1 氣田的發(fā)現(xiàn),拉開了中國深??碧降男蚰唬C實(shí)了白云凹陷的生烴潛力[4-5]。目前,白云凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣分布具有“內(nèi)氣外油、以氣為主、以油為輔”的特點(diǎn)[5]。明確優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布,對于尋找油氣有利聚集帶,指導(dǎo)勘探部署具有重要意義。但白云凹陷鉆遇有效烴源巖鉆井少,僅以單井有限樣本評價凹陷烴源巖,難以揭示凹陷烴源巖全貌。針對以上問題,本文運(yùn)用元素地球化學(xué)的方法研究白云凹陷烴源巖發(fā)育的沉積環(huán)境,確定烴源巖形成背景,進(jìn)而為白云凹陷油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

        1 區(qū)域地質(zhì)概況

        白云凹陷位于珠江口盆地中部坳陷帶,是珠江口盆地規(guī)模最大、埋藏最深的沉積凹陷,水深約200~2 800 m,總體呈NEE 向展布,包括白云主洼、白云東洼、白云南洼和白云西洼4 個次級洼陷[4]。白云凹陷東側(cè)為云荔低隆起,西側(cè)為云開低凸起,南鄰順鶴隆起,北部與番禺低隆起相接(圖1)。凹陷自下而上發(fā)育文昌組、恩平組和珠海組3 套烴源巖,其中,文昌組主要發(fā)育淺湖—半深湖相沉積,恩平組主要發(fā)育河流—三角洲相沉積,同時晚期受東南部海侵影響,珠海組主要發(fā)育三角洲—濱淺海相沉積[6]。前人應(yīng)用有機(jī)地化對白云凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣進(jìn)行分析,確定了恩平組烴源巖對白云凹陷油氣成藏的貢獻(xiàn)[7],同時,由于鉆遇文昌組烴源巖的鉆井極少,珠海組烴源巖僅在白云主洼中心成熟,因此,文章選取恩平組進(jìn)行元素地球化學(xué)分析。

        2 樣品采集與分析測試

        本次研究目的是通過元素地球化學(xué)分析白云凹陷恩平組烴源巖發(fā)育環(huán)境。研究表明,泥巖粒度小對元素的吸附性能好,同時,泥巖孔隙度小,連通性差,受后期孔隙流體影響小,能夠較好地保存原始沉積記錄[8]。因此,選取白云凹陷5 口鉆井共51 個恩平組泥巖樣品進(jìn)行元素測試。W-1 井位于白云西洼,共8 個樣品;W-2 井位于白云東洼,共6 個樣品;W-3 井位于白云主洼,共4 個樣品;W-4 井和W-5 井位于白云南洼,其中,W-4 井共10 個樣品,W-5 井共23 個樣品(圖1)。所有樣品使用德國飛馳公司生產(chǎn)的PULVERISETTE6 行星式球狀研磨儀粉碎研磨至200 目以下的粉末。常量元素測定采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios MAX X 射線熒光光譜儀,偏差小于0.05%。微量元素的測定采用美國賽默飛公司生產(chǎn)的ELEMENT XR 等離子體質(zhì)譜儀,偏差小于0.1%。樣品處理及元素含量測試均在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室完成。

        圖 1 白云凹陷構(gòu)造位置Fig.1 The structural geological map of Baiyun Sag

        3 元素特征及環(huán)境指示意義

        3.1 樣品有效性分析

        樣品測試結(jié)果有效可靠是恢復(fù)古沉積環(huán)境的前提條件,成巖期后的蝕變作用會影響數(shù)據(jù)判斷沉積環(huán)境的準(zhǔn)確性,因此,在系統(tǒng)分析前需要對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析[9]。大量研究表明,在后期成巖作用蝕變的影響下,容易造成沉積物中Sr 流失和Mn 富集,一般認(rèn)為Mn/Sr 比值小于10,表明樣品未遭受強(qiáng)烈蝕變[9-11]。對恩平組所取的51 個樣品Mn/Sr 比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最大值為8.57,最小值為1.58,平均值為4.22,表明樣品受后期成巖作用影響較小,能夠保持原有特征,分析結(jié)果具有一定代表性。

        3.2 古沉積環(huán)境恢復(fù)

        根據(jù)測試化驗(yàn)結(jié)果,以元素地球化學(xué)理論為指導(dǎo),綜合運(yùn)用對沉積環(huán)境反映敏感的元素參數(shù),對白云凹陷恩平組泥巖樣品進(jìn)行古水深、古氧相、古氣候、古鹽度和埋藏效率等環(huán)境指標(biāo)恢復(fù),明確白云凹陷恩平組烴源巖發(fā)育的沉積環(huán)境(表1)。

        3.2.1 古水深

        元素地球化學(xué)研究表明,沉積物在沉積過程中受機(jī)械分異作用、化學(xué)分異作用和生物分異作用的影響,發(fā)生規(guī)律性的聚集和分散,一些元素的比值對于古水深有較好的指示意義[12]。沉積物中Mn 和Al 的含量具有隨水深增加而增加的規(guī)律,而Fe 和Mg 的含量具有隨水深增加而減少的特征,因此,文章采用(Mn/Fe)×100 和M 值((MgO/Al2O3)×100)來表征水深變化,其中,(Mn/Fe)×100 隨著水深的增加而增加,M 值隨水深增加而變小[10]。

        W-1 井(Mn/Fe)×100 和M 值存在波動,總體顯示水深自下而上先增加后減?。籛-2 井(Mn/Fe)×100從下到上逐漸減小,而M 值逐漸增加,表明水深有減小趨勢;W-3 井M 值較穩(wěn)定,(Mn/Fe)×100 存在1 個較低值,總體顯示水深變化相對較?。籛-4 井和W-5 井(Mn/Fe)×100 總體上自下而上先減小后增加,M 值變化情況則相反,反映水深早期由深變淺,晚期稍有增加趨勢(圖2)。以(Mn/Fe)×100 為2.5%分界,對比各鉆井?dāng)?shù)值發(fā)現(xiàn),W-3 井(Mn/Fe)×100 大于2.5%,其他各井(Mn/Fe)×100 總體小于2.5%,僅W-4 井和W-5 井恩平組下段個別樣品大于2.5%。以M 值為6%分界,對比各鉆井M 值,結(jié)果顯示,W-1 井和W-3 井M 值總體小于6%,其他單井M 值均大于6%(表1,圖2)。兩種參數(shù)分析結(jié)果表明白云主洼恩平期水深最深,其次是白云西洼,白云東洼和南洼水深相對較淺,白云南洼在恩平期受東南部海侵影響[13],造成早期水深較深,之后水深波動變化,總體呈變淺趨勢。

        3.2.2 古氧相

        沉積巖中一些元素明顯受氧化還原狀態(tài)的控制。氧化條件下V 易于與沉積物結(jié)合形成沉淀,而還原條件下Ni 易于被吸附富集形成沉淀;Th 和U 在還原條件下化學(xué)性質(zhì)相似,但在氧化條件下差異明顯,U 在強(qiáng)還原狀態(tài)下容易富集,不溶于水,在氧化狀態(tài)下易溶于水。一般認(rèn)為V/(V+Ni)>0.84,代表還原、水體有分層的環(huán)境,0.60<V/(V+Ni)<0.84 為亞還原環(huán)境,水體分層弱,V/(V+Ni)<0.60 為氧化環(huán)境;Th/U 比值在氧化環(huán)境下達(dá)到8,還原環(huán)境下普遍為0~2[14-16]。

        表1 白云凹陷恩平組泥巖元素分析計(jì)算Table 1 Element composition of mudstone samples from Enping Formation in Baiyun Sag

        圖 2 鉆井古水深地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.2 Vertical variation of geochemical parameters of paleo water depth in drilling wells

        W-1 井V/(V+Ni)為0.46~0.69,均值為0.60,且自下而上呈減小趨勢,指示恩平期由亞還原環(huán)境向氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變;W-2 井V/(V+Ni)為0.67~0.72,均值為0.70,且縱向上較穩(wěn)定,指示亞還原環(huán)境;W-3 井V/(V+Ni)為0.81~0.90,均值為0.83,指示亞還原—還原環(huán)境,古氧相由還原環(huán)境逐漸過渡為亞還原環(huán)境。受凹陷東南方向海侵影響,W-5 井V/(V+Ni)縱向上波動較大,由于海侵作用相對有限,W-4 井受影響相對較小,W-4 井V/(V+Ni)為0.60~0.84,均值為0.79,W-5 井V/(V+Ni)為0.53~0.81,均值為0.73,均指示亞還原環(huán)境(表1,圖3)。

        對比各鉆井Th/U 和V/(V+Ni)分析結(jié)果,研究區(qū)單井Th/U 總體為4~8,表明白云凹陷恩平期總體處于亞還原環(huán)境,各洼陷恩平期還原性由強(qiáng)到弱依次為白云主洼、白云南洼、白云東洼和白云西洼(圖4),其中,白云南洼受東南部海侵影響,古氧相參數(shù)數(shù)值跨度較大,白云西洼遠(yuǎn)離東南部海水入口,但受河流輸入影響[13],破壞了水體穩(wěn)定性,恩平期沉積環(huán)境還原性較弱。

        3.2.3 古氣候

        沉積物中元素信息完整地記錄了沉積期內(nèi)古氣候的變化,在干燥氣候條件下,由于地表水分大量蒸發(fā),導(dǎo)致沉積物中Sr 和Mg 大量析出沉積在水底,而陸相沉積物中Cu 難以遷移入湖,導(dǎo)致湖泊沉積物中Sr 和Mg 富集,Cu 匱乏,運(yùn)用MgO 含量和Sr/Cu 比值可較好地反映古氣候變化,在干燥氣候條件下,MgO 含量和Sr/Cu 比值較高[16-17]。

        W-1 井Sr/Cu 為1.30~3.54,均值為2.46,縱向上較穩(wěn)定;W-2 井Sr/Cu 為7.51 ~11.07,均值為9.03,且自下而上有增大趨勢,表明氣候逐漸變濕熱;W-3 井Sr/Cu 為4.14~11.38,均值為6.23,且深層Sr/Cu 明顯大于淺層,表明氣候由濕熱向暖濕轉(zhuǎn)變;W-4 井和W-5 井Sr/Cu 均值約為5.25,其中,W-5 井恩平晚期Sr/Cu 增大明顯,表明晚期氣候相對濕熱(表1,圖5)。

        通過MgO 和Sr/Cu 可明顯區(qū)分白云凹陷各洼陷恩平期氣候特征(圖6),W-1 井MgO 和Sr/Cu 均較低,表明白云西洼氣候偏冷潮濕;W-3 井、W-4 井和W-5 井MgO 及Sr/Cu 值顯示白云主洼、白云南洼恩平期氣候總體為暖濕氣候;W-2 井MgO 和Sr/Cu均較高,表明白云東洼氣候濕熱。

        圖 3 鉆井古氧相地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.3 Vertical variation of geochemical parameters of paleo-oxygenation facies in drilling wells

        圖 4 V/(V+Ni)與Th/U 比值關(guān)系特征Fig.4 Relationship between V/(V+Ni)and Th/U indicating the variation of paleo-oxygenation facies

        3.2.4 古鹽度

        古鹽度是古環(huán)境分析中的一個重要指標(biāo),是反映地質(zhì)歷史時期海陸變遷的重要參數(shù)。元素Li 和Ni 是咸化湖盆的重要保留元素,可在湖盆中長時間保存[18]。一般認(rèn)為Li>150 μg/g,Ni>40 μg/g 代表咸水環(huán)境,90 μg/g<Li <150 μg/g,25 μg/g<Ni<40 μg/g,為半咸水環(huán)境,Li<90 μg/g,Ni<25 μg/g,為淡水環(huán)境[19]。

        W-1 井恩平組Ni 最大值為5.06 μg/g,縱向上分布穩(wěn)定,指示淡水環(huán)境;W-2 井恩平組Ni 分布于30.70~35.5 μg/g,且自下而上無明顯變化,指示半咸水環(huán)境;W-3 井恩平組Ni 最大值為19.70 μg/g,且自下而上Ni 含量增加,水體有咸化趨勢,但總體指示淡水環(huán)境;W-4 井恩平期總體處于淡水環(huán)境,且自下而上Ni 含量增加,指示水體鹽度升高,底部受海侵影響,造成局部Ni 偏高;W-5 井恩平期受海侵影響顯著,縱向上Ni 含量波動明顯,總體處于半咸水環(huán)境(表1,圖7)。

        采集5 口鉆井恩平組泥巖樣品Li 元素和Ni 元素分布特征進(jìn)行恩平期水體古鹽度對比分析,結(jié)果表明,W-1 井、W-3 井全部樣品點(diǎn)和W-4 井大部分樣品點(diǎn)都位于淡水區(qū);W-2 井全部樣品點(diǎn)和W-5 井大部分樣品點(diǎn)位于半咸水區(qū);W-4 井和W-5 井部分樣品點(diǎn)位于咸水區(qū)(圖8)。判別圖版分析結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)背景吻合,白云西洼靠近河流入???,受河流淡水輸入影響,古鹽度低;白云東洼被隆起圍限,處于相對封閉的環(huán)境,且氣候較干燥,地表水體蒸發(fā)快,水體鹽度相對較高;白云南洼恩平期受東南部海侵影響,水體鹽度高,且越靠近東南部海水入口水體鹽度越高。

        3.2.5 埋藏效率

        埋藏效率的大小與有機(jī)碳埋藏量密切相關(guān),埋藏效率越高,有機(jī)質(zhì)保存條件越好,有機(jī)碳埋藏量越多[20]。研究表明生物成因鉬與沉積物有機(jī)碳的堆積速率相關(guān)性良好,能夠較好地表征有機(jī)碳埋藏量的變化。生物成因鉬可由沉積物中實(shí)測鉬和鈦含量經(jīng)陸源校正后獲得[21],公式如下:

        式中:Moxs 為生物成因鉬,單位μg/g;Mo樣品為樣品實(shí)測鉬含量,單位μg/g;(Mo/Ti)PAAS為太古代晚期澳大利亞頁巖中Mo 和Ti 平均含量的比值,其中,Mo 和Ti 的PAAS 值分別為1 和10 000 μg/g;Ti樣品為樣品實(shí)測鈦含量。

        圖 5 鉆井古氣候地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.5 Vertical variation of geochemical parameters of paleoclimate in drilling wells

        圖 6 MgO 與Sr/Cu 關(guān)系特征Fig.6 Relationship between MgO and Sr/Cu indicating the variation of paleoclimate

        公式(1)計(jì)算得到白云凹陷各井恩平期Moxs 含量(表1),Moxs含量均值由高到低依次為W-5 井、W-2 井、W-4 井、W-3 井和W-1 井。結(jié)果表明白云東洼由于受隆起圍限,保存條件好,埋藏效率高;白云南洼恩平期受東南部海侵影響,埋藏效率波動,但總體偏好;白云主洼恩平期埋藏效率相對中等;白云西洼恩平期埋藏效率相對最低。

        3.3 古環(huán)境演化的石油地質(zhì)意義

        圖 7 鉆井古鹽度地球化學(xué)參數(shù)縱向變化Fig.7 Vertical variation of geochemical parameters of paleosalinity in drilling wells

        圖 8 Li 與Ni 關(guān)系特征Fig.8 Relationship between Li and Ni indicating the paleosalinity

        烴源巖的形成受古水深、古氧相、古氣候和古鹽度等古環(huán)境因素的影響。水深的增加造成洼陷可容納空間的增大,砂體搬運(yùn)距離減小,泥巖含量增高,具備形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的有利條件[8];烴源巖發(fā)育環(huán)境的氧化還原條件直接影響烴源巖品質(zhì),還原環(huán)境有利于烴源巖有機(jī)質(zhì)的保存,表現(xiàn)為烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高;濕熱氣候有利于湖盆中藻類發(fā)育和陸上植物生長,為優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ),同時,在濕熱的氣候條件下,大量的陸上植被能較好保持水土,減少無機(jī)屑對烴源巖有機(jī)質(zhì)的稀釋,利于有機(jī)質(zhì)保存[22];咸化水體易發(fā)生水體分層現(xiàn)象,淺層水體鹽度低,可發(fā)育種類豐富的水生生物,深層水體鹽度高,水生生物較少,分解有機(jī)質(zhì)的細(xì)菌含量相對較低,脂類化合物等生油組分得以保存,產(chǎn)甲烷菌受到抑制而不發(fā)育,易于形成有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好的烴源巖[23-24]。

        元素地球化學(xué)特征分析結(jié)果表明,白云主洼恩平期水深較深,可容納空間較大,具備形成規(guī)模烴源巖的有利場所,其他次洼水深相對較淺,烴源巖規(guī)模相對較?。话自茤|洼恩平期氣候濕熱,白云主洼和南洼恩平期氣候暖濕,有利的氣候條件易于藻類和陸上植物發(fā)育,為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供物質(zhì)保障,白云西洼恩平期受河流淡水輸入的影響,氣候偏冷潮濕,藻類和陸上植被發(fā)育受限;白云東洼和南洼恩平期水體鹽度相對較高,咸水層有機(jī)質(zhì)分解慢,有利于類脂物的保存與生烴轉(zhuǎn)化,同時,白云南洼恩平期在海侵作用下帶來大量海洋浮游生物,為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)[25-26],白云主洼和西洼恩平期總體處于淡水環(huán)境,白云西洼恩平期受河流淡水輸入的影響,水體鹽度更低。古氧相和埋藏效率的分析結(jié)果顯示,白云東洼恩平期湖盆較封閉,受外界影響較小,總體處于亞還原環(huán)境,埋藏效率高,有利于有機(jī)質(zhì)的保存;白云主洼恩平期水深較大,利于還原條件的保持,埋藏效率中等,白云南洼恩平期受海侵影響,古氧相和埋藏效率參數(shù)波動變化,總體偏好;白云西洼由于河水輸入破壞了水體穩(wěn)定性,沉積環(huán)境還原性較弱,埋藏效率較低,有機(jī)質(zhì)保存條件相對較差。

        4 結(jié)論

        (1)白云主洼恩平期水深相對最深,處于亞還原—還原的淡水環(huán)境,暖濕氣候,埋藏效率相對中等,有利于大規(guī)模較有利烴源巖的形成和保存。

        (2)白云東洼和白云南洼恩平期水深較淺,總體處于亞還原的半咸水環(huán)境,氣候溫暖潮濕,埋藏效率高,為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成和保存創(chuàng)造了條件,烴源巖總體規(guī)模小于白云主洼。

        (3)白云西洼恩平期水深略大于東洼和南洼,處于弱還原淡水環(huán)境,氣候偏冷潮濕,埋藏效率相對最低,烴源巖形成和保存條件相對較差。

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