白楠，徐尚，王雨軒，郭天旭，石萬忠

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；4.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

世界油氣行業(yè)已處于從常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣轉(zhuǎn)化的階段。目前，頁巖氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)(鄒才能等，2013)，而頁巖油則是未來非常規(guī)油氣發(fā)展的主要接替類型之一(宋明水等，2019)。隨著技術(shù)的發(fā)展及研究的深入，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒沉積巖具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性(Wang et al.,2019,2020)，眾多學(xué)者開始關(guān)注其沉積巖相學(xué)、沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理等內(nèi)容(黃小青等，2020；侯啓東等，2020；王宏語等，2018)。

中國陸相細(xì)粒沉積巖具有較大的生烴潛力(Lin et al.,2013)。近年來，已經(jīng)對(duì)渤海灣盆地沙河街組(Li et al.,2020)、鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組(Lin et al.,2013)、準(zhǔn)格爾盆地蘆草溝組(Zhang et al.,2019)、江漢盆地潛江組(Hou et al.,2017)等層位有了一定的認(rèn)識(shí)。與海洋環(huán)境相比，湖泊形成的細(xì)粒沉積巖垂向演化快，對(duì)氣候等環(huán)境因素的變化更為敏感(鄧遠(yuǎn)，2020)。

柴達(dá)木盆地北緣(簡(jiǎn)稱柴北緣)侏羅系發(fā)育，湖相泥頁巖生烴條件良好(Jin et al.,2002;姚宏鑫等，2017)，2013年中國地質(zhì)調(diào)查局在柴北緣?mèng)~卡地區(qū)進(jìn)行了柴頁1井的鉆探，在中侏羅統(tǒng)鉆遇富有機(jī)質(zhì)頁巖，并劃分出3個(gè)有利層段(王勝建等，2016;郭天旭等，2017)，筆者針對(duì)大煤溝組七段，對(duì)其巖相特征和沉積演化模式進(jìn)行了研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

柴達(dá)木中生界盆地起始于中三疊世零星分布的小型山間坳陷(圖1)，早侏羅世末期—中侏羅世，塔里木板塊相對(duì)于柴達(dá)木板塊大規(guī)模東移，區(qū)域擴(kuò)張環(huán)境向擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變，柴北緣南部開始隆起，沉積中心移至魚卡地區(qū)(高先志等，2003;王曉鵬等，2016)。

魚卡凹陷位于柴北緣中部，區(qū)內(nèi)地勢(shì)西高東低,西側(cè)為賽什騰山，北側(cè)和東側(cè)為達(dá)肯大坂山，南側(cè)為綠梁山(圖2)，為一呈北西向展布的斷陷(白悅悅等，2020)，在整個(gè)中侏羅世表現(xiàn)出早期斷陷、后期凹陷的構(gòu)造特征(李猛，2014)，有效勘探面積約430km2。

根據(jù)柴頁1井巖屑錄井資料，結(jié)合巖性和沉積環(huán)境，將大煤溝組劃分為7個(gè)小段，其中一到三段沉積于早侏羅世，四到七段沉積于中侏羅世，以三角洲及湖泊環(huán)境下沉積的砂巖、泥頁巖及煤層為主(Guo et al.,2018;郭天旭等，2018)。大煤溝組七段(1 900～1 990 m)為筆者研究層位，其頂、底部以沉積粉砂巖、泥巖互層為主，中部為一段厚48 m的碳質(zhì)頁巖，其上發(fā)育厚約8 m的油頁巖(圖3)。在整個(gè)柴北緣發(fā)育連續(xù)且穩(wěn)定，以凹陷中心向四周減薄為特征，沉積厚度最大可達(dá)200 m(付小東等，2014)。

圖1 柴西及鄰區(qū)中生界原型盆地演化示意剖面圖(改自段宏亮等，2007)Fig.1 Schematic section of Mesozoic prototype basin evolution in the west of Qaidam basin and its adjacent area (Modified from Duan Hongliang et al.,2007)

圖2 柴達(dá)木盆地北緣區(qū)域地質(zhì)圖(改自李浩涵等，2016)Fig.2 Regional geological map of the northern margin of Qaidam basin (Modified from Li Haohan et al.,2016)

圖3 柴頁1井柴達(dá)木北緣中侏羅統(tǒng)大煤溝組七段綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive column chart of the 7th member of middle Jurassic Dameigou formation at the northern margin of Qaidam from Well CY1

2 樣品及研究方法

在本次研究中，對(duì)柴頁1井大煤溝組七段(1 900～1 990 m)連續(xù)取得巖心樣70塊，巖性包括粉砂巖、泥巖、碳質(zhì)頁巖和油頁巖。其中33個(gè)樣品巖心垂直于層理面切割為片狀，用于制作普通薄片。利用ZEISS Axio Imager.A2顯微鏡觀察薄片鏡下特征。40個(gè)樣品研磨至200目以上，經(jīng)酸洗、水洗、烘干后使用LECO CS 400碳硫分析儀測(cè)定樣品總有機(jī)碳；使用Rock-RvalⅡ分析儀進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，此部分實(shí)驗(yàn)在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

對(duì)70個(gè)樣品開展XRD實(shí)驗(yàn)，X射線射入礦物中會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，而不同的礦物因?yàn)闃?gòu)造各異會(huì)產(chǎn)生不同的衍射圖譜，本次實(shí)驗(yàn)使用PanalyticalX’Pert PRO MPD儀(檢測(cè)依據(jù)見SY/T6201-2010)進(jìn)行分析，在中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心完成。

3 巖相劃分及特征

筆者綜合樣品有機(jī)質(zhì)豐度、沉積構(gòu)造特征和礦物學(xué)特征三方面對(duì)大煤溝組7段進(jìn)行巖相劃分(姜在興等，2013)。根據(jù)有機(jī)質(zhì)豐度劃分為富有機(jī)質(zhì)(TOC>2%)和貧有機(jī)質(zhì)(TOC<2%)2類；根據(jù)沉積構(gòu)造特征劃分為紋層狀和塊狀2類。大煤溝組7段頂、底粉砂質(zhì)泥巖長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量高(圖3A、圖4A)，劃為硅質(zhì)泥巖相；泥巖、碳質(zhì)泥巖黏土礦物含量高(圖3B、圖3F、圖4A)，劃為黏土質(zhì)泥巖相。油頁巖較為特殊，出現(xiàn)鈣質(zhì)紋層和藻類體富集段(圖3C)、鈣質(zhì)紋層和黏土質(zhì)紋層富集段(圖3D)、黏土質(zhì)紋層和顆石藻富集段(圖3E)3種不同特征，盡管樣品數(shù)較少，依然劃為3種巖相來討論。綜上所述，將大煤溝組七段共劃分出6種巖相類型，分別為貧有機(jī)質(zhì)塊狀硅質(zhì)泥巖相、貧有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相、富有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相、富有機(jī)質(zhì)紋層狀鈣質(zhì)泥巖、富有機(jī)質(zhì)紋層狀富黏土鈣質(zhì)泥巖相及富有機(jī)質(zhì)紋層狀黏土質(zhì)泥巖相(圖4B)。

圖4 (A)大煤溝組七段全巖礦物組成(B)大煤溝組七段巖相劃分結(jié)果圖Fig.4 (A)Mineral composition of the whole rock in the 7th member of Dameigou formation and (B)results of lithofacies division in the 7th member of Dameigou formation

3.1 貧有機(jī)質(zhì)塊狀硅質(zhì)泥巖相

該巖相分布于大煤溝組七段底部，呈灰色塊狀，巖心可見波狀交錯(cuò)層理和蟲跡(圖5A、圖5B)，鏡下可見晶型明顯的石英顆粒，呈次棱角-次圓狀，粒徑100μm左右(圖5C)。XRD結(jié)果為該巖相長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量為60.6%～82.9%，平均含量為71.32%；黏土礦物含量為14.7%～39.4%，平均含量為25.73%；碳酸鹽礦物含量為0～7.7%，平均含量2.95%(表1)。該巖相TOC平均為0.57%，S1+S2為0.33～7.54 mg/g，平均為3.94 mg/g(圖3)，干酪根類型主要為Ⅱ2、Ⅲ型(圖6A)，整體有機(jī)質(zhì)含量低，生烴潛力弱。

3.2 貧有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相

該巖相分布于大煤溝七段頂部與底部，呈灰黑色塊狀，巖心可見平行層理、交錯(cuò)層理及鈣質(zhì)團(tuán)塊產(chǎn)生的變形構(gòu)造(圖5E)，底部發(fā)現(xiàn)植物碳屑(圖5D)。鏡下以長(zhǎng)英質(zhì)礦物和黏土礦物混合為特征，其中石英顆粒粒徑約20 μm，晶形不明顯(圖5F)。XRD結(jié)果為該巖相黏土礦物含量為46.5%～74.8%，平均含量為65.44%；長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量為20.4%～42%，平均含量為26.16%；碳酸鹽礦物含量為0～31.6%，平均含量為8.40%(表1)。該巖相TOC含量為0.30%～3.28%，平均含量為1.01%；S1+S2為0.02～10.59mg/g，平均為3.05 mg/g(圖3)，干酪根類型為Ⅱ2、Ⅲ型(圖6A)，整體有機(jī)質(zhì)含量低，生烴潛力弱。

3.3 富有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相

該巖相分布于大煤溝七段中下部，為一段碳質(zhì)頁巖，巖心可見水平層理(圖5G)，鏡下以長(zhǎng)英質(zhì)礦物在富黏土基質(zhì)中隨機(jī)分布為特征，晶型不明顯(圖5I)。XRD結(jié)果為該巖相黏土礦物含量為46%～70%，平均含量為63.38%；長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量為46.1%～41.3%，平均含量為26.94%；碳酸鹽礦物含量為0～34.3%，平均含量9.68%(表1)。該巖相TOC含量為2.25%～6.53%，平均為4.16%；S1+S2為1.94～13.92 mg/g，平均為8.01 mg/g(圖3)，干酪根類型為Ⅱ1、Ⅱ2型(圖6A)，整體有機(jī)質(zhì)含量高，生烴潛力強(qiáng)(圖7A)。

3.4 富有機(jī)質(zhì)紋層狀鈣質(zhì)泥巖

該巖相分布于大煤溝組七段油頁巖段底部，鏡下可見明顯紋層，以隱晶碳酸鹽紋層和黏土質(zhì)紋層為主，界限清晰，有時(shí)呈微波狀，同時(shí)可見大量透鏡狀藻類體順層分布，透射光下呈現(xiàn)淡黃色-棕黃色，長(zhǎng)軸約100～500 μm，方向平行于紋層(圖7C)，局部發(fā)現(xiàn)磷灰石，具生物形態(tài)(圖7H)，表明其豐富的生物含量(袁偉等，2016)。XRD結(jié)果為該巖相碳酸鹽礦物平均含量為68.3%；黏土礦物平均含量為24.6%；長(zhǎng)英質(zhì)礦物平均含量為7.1%(表1)。該巖相TOC平均為3.88%；S1+S2平均為14.82 mg/g(圖3)，干酪根類型為Ⅱ1型(圖6A)，整體有機(jī)質(zhì)含量高，生烴潛力強(qiáng)。

3.5 富有機(jī)質(zhì)紋層狀富黏土鈣質(zhì)泥巖相

該巖相分布于大煤溝組七段油頁巖段中部，紋層特征明顯，主要為水平紋層，界限清晰。以富有機(jī)質(zhì)紋層、黏土質(zhì)紋層和隱晶碳酸鹽紋層互層為主(圖7D、圖7E)。其中隱晶碳酸鹽紋層5～40 μm左右，黏土質(zhì)紋層和有機(jī)質(zhì)紋層互層為20～250 μm。XRD結(jié)果為該巖相碳酸鹽礦物平均含量為62.65%；黏土礦物平均含量為28.05%；長(zhǎng)英質(zhì)礦物平均含量為9.30%(表1)。該巖相TOC平均為4.50%；S1+S2平均為17.94 mg/g(圖3)，干酪根類型為Ⅱ1型(圖6A)，整體有機(jī)質(zhì)含量高，生烴潛力強(qiáng)。

表1 大煤溝組七段礦物含量變化表Tab.1 Change of mineral content in the 7th member of Dameigou formation

A.波狀交錯(cuò)層理;B.蟲跡;C.貧有機(jī)質(zhì)塊狀硅質(zhì)泥巖相;D.植物碳屑;E.鈣質(zhì)團(tuán)塊、變形構(gòu)造;F.貧有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相;G.水平層理;H.碳質(zhì)頁巖;I.富有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相圖5 塊狀泥巖相巖心及薄片特征圖Fig.5 Core and thin section characteristics of massive mudstone facies

3.6 富有機(jī)質(zhì)紋層狀黏土質(zhì)泥巖相

該巖相分布于大煤溝組七段油頁巖段頂部，紋層構(gòu)造發(fā)育，主要為有機(jī)質(zhì)紋層與黏土質(zhì)紋層互層。其中，有機(jī)質(zhì)紋層厚度10 μm左右，呈現(xiàn)紅褐色，黏土質(zhì)紋層為20～200 μm，兩者界限明顯(圖7G)。同時(shí)可見大量微生物沿紋層分布(圖7F)，從幾微米到幾十微米不等，呈現(xiàn)同心圓狀，半圓狀，多數(shù)粒徑較小且聚集在一起，少數(shù)粒徑較大為單體存在，具十字消光現(xiàn)象(圖7G)，與顆石藻特征相符(郝詒純等，1993)。

XRD結(jié)果為該巖相黏土礦物為平均含量為59.60%；碳酸鹽礦物平均含量為27.40%；長(zhǎng)英質(zhì)礦物平均含量為13.00%(表1)。該巖相TOC平均為6.72%；S1+S2平均為22.93 mg/g(圖3)，干酪根類型為Ⅱ1型(圖6A)，整體有機(jī)質(zhì)含量高，生烴潛力強(qiáng)。

圖6 (A)大煤溝組七段各巖相母質(zhì)類型圖和(B)大煤溝組七段各巖相氧化還原條件圖(改自Qin et al.,2018)Fig.6 (A)Parent material types of each lithofacies in the 7th member of Dameigou formation and (B)The redox conditions of each lithofacies in the 7th member of Dameigou formation (Adapted from Qin et al.,2018)

4 討論

4.1 古氣候條件

大煤溝組七段頁巖厚度可達(dá)56 m，下部主要為富有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相(深度1 930～1 978 m)(圖2)，頂部主要為富有機(jī)質(zhì)紋層狀鈣質(zhì)、富黏土鈣質(zhì)、黏土質(zhì)泥巖相(深度1 922～1 930 m)(圖2)。其中頂部巖相碳酸鹽礦物突然大量富集(表1)，紋層構(gòu)造大量發(fā)育(圖7D、圖7E)，在以往的陸相盆地研究中，隱晶質(zhì)碳酸鹽紋層對(duì)指示干旱氣候有一定的意義，其與氣候干濕指數(shù)相關(guān)性強(qiáng)，形成受干旱氣候控制明顯(王勇等，2017)；也有研究者認(rèn)為隱晶質(zhì)碳酸鹽紋層是夏季高溫化學(xué)作用的產(chǎn)物(王慧中等，1998)，屬季節(jié)性紋層。另外，孫鎮(zhèn)城等(2003)在中國西北和東北15處無爭(zhēng)議的新生代—現(xiàn)代內(nèi)陸咸化湖泊沉積物中發(fā)現(xiàn)了10屬顆石藻化石，均反應(yīng)了干旱咸化的沉積環(huán)境。因此,研究區(qū)顆石藻(圖7F、圖7G)的出現(xiàn)也反應(yīng)了這3個(gè)巖相沉積時(shí)氣候條件的突變，即從溫濕向干旱的轉(zhuǎn)換。

4.2 沉積演化模式

鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段是中國陸相非常規(guī)油氣代表性層位，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)10×108t級(jí)源內(nèi)非常規(guī)慶城大油田(付金華等，2020)。長(zhǎng)7段細(xì)粒巖沉積時(shí)氣候濕潤，以淡水還原環(huán)境為主，現(xiàn)階段研究認(rèn)為其高生產(chǎn)力主要來自火山噴發(fā)和熱液活動(dòng)所引起的“肥沃效應(yīng)”，深湖還原環(huán)境則提供了保存條件(葸克來等，2020)。因此，沉積了一套廣泛分布的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

大煤溝組七段沉積演化不同于此，其經(jīng)歷了從淡水向咸水環(huán)境的轉(zhuǎn)換，且在湖水最咸時(shí)有機(jī)質(zhì)豐度最高，這說明一定的咸水條件并不會(huì)完全促使所有生物死亡，個(gè)別適應(yīng)性強(qiáng)的物種在獲得了更大的生存空間后反而會(huì)發(fā)生“勃發(fā)”現(xiàn)象(江繼綱等，2004)，而在生產(chǎn)力高的基礎(chǔ)上，構(gòu)造沉降、水體咸化分層又提供了良好的保存條件(金強(qiáng)等，2008)，最終形成一套優(yōu)質(zhì)烴源巖?，F(xiàn)將大煤溝組七段沉積過程劃分為3個(gè)階段進(jìn)行討論。

A.油頁巖；B.油頁巖；C.藻類體(白色箭頭)；D.隱晶質(zhì)碳酸鹽紋層(白色箭頭)、富有機(jī)質(zhì)黏土紋層(紅色箭頭)；E.紋層構(gòu)造；F.顆石藻(白色箭頭)；G.顆石藻十字消光(白色箭頭)、有機(jī)質(zhì)紋層(紅色箭頭；H.藻類體(白色箭頭)、磷灰石(紅色箭頭)圖7 紋層狀泥巖相巖心及薄片特征圖Fig.7 Core and thin section characteristics of laminated mudstone facies

階段A沉積時(shí)期，發(fā)育貧有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)、硅質(zhì)泥巖相。Ⅱ2、Ⅲ型干酪根類型指示有機(jī)質(zhì)主要來源于陸源高等植物(圖6A)，生標(biāo)參數(shù)指示為氧化環(huán)境(圖6B)。波狀交錯(cuò)層理、變形層理、蟲跡、植物碳屑等現(xiàn)象(圖5A～圖5F)表明其沉積時(shí)水動(dòng)力擾動(dòng)強(qiáng)，水體較淺，以三角洲前緣、淺湖環(huán)境為主。該階段沉積時(shí)氣候溫暖潮濕，陸源輸入豐富，河流攜帶著豐富的溶解氧一同進(jìn)入湖泊，通過水體循環(huán)使湖水處于富氧環(huán)境，有機(jī)質(zhì)被大量氧化，無法保存，因此，TOC含量低，生烴潛力弱(圖8)。

階段B沉積時(shí)期，發(fā)育富有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相，Ⅱ1、Ⅱ2型干酪根類型指示有機(jī)質(zhì)來源既有陸源高等植物又有浮游生物(圖6A)，生標(biāo)參數(shù)指示為過渡環(huán)境(圖6B)，可見水平層理發(fā)育(圖5G)，指示低能環(huán)境下的懸浮沉積。該階段沉積時(shí)氣候保持溫濕，但在魚卡地區(qū)整體斷陷、凹陷的控制下，湖盆沉降，湖水加深，沉積環(huán)境向半深湖-深湖環(huán)境轉(zhuǎn)換。此時(shí)陸源輸入減弱，湖底氧氣被消耗完且得不到補(bǔ)充，形成靜水還原環(huán)境，改善了有機(jī)質(zhì)的保存條件。因此，TOC含量高，生烴潛力強(qiáng)(圖8)。

圖8 大煤溝組七段沉積演化模式圖Fig.8 Sedimentary evolution model of the 7th member of Dameigou formation

階段C沉積時(shí)期，發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層狀鈣質(zhì)、富黏土鈣質(zhì)、黏土質(zhì)泥巖相。Ⅱ1型干酪根類型指示有機(jī)質(zhì)主要來源于浮游生物(圖6A)，生標(biāo)參數(shù)指示為還原環(huán)境(圖6B)。該階段沉積時(shí)氣候干旱，水體變咸，咸化湖泊會(huì)在重力作用下形成上下分層(金強(qiáng)等，2008)。其中，上層為含鹽量低、富含藻類、生產(chǎn)力較高的淡水水體(顆石藻、藻類體及生屑磷灰石的發(fā)現(xiàn)都說明了此時(shí)的高生產(chǎn)力)，下層為含鹽量高的缺氧還原環(huán)境水體，具有良好的保存條件，有機(jī)質(zhì)在上層形成后懸浮沉積到下層且不會(huì)被氧氣消耗掉，對(duì)于烴源巖來說是非常好的保存環(huán)境。因此，TOC含量最高，生烴潛力最強(qiáng)(圖8)。

5 結(jié)論

(1)利用沉積構(gòu)造特征、總有機(jī)碳和礦物組成將大煤溝組七段泥巖劃分為6種巖相：包括貧有機(jī)質(zhì)塊狀硅質(zhì)泥巖相、貧有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相、富有機(jī)質(zhì)塊狀黏土質(zhì)泥巖相、富有機(jī)質(zhì)紋層狀鈣質(zhì)泥巖、富有機(jī)質(zhì)紋層狀富黏土鈣質(zhì)泥巖相和富有機(jī)質(zhì)紋層狀黏土質(zhì)泥巖相。

(2)大煤溝組七段可劃分為3個(gè)沉積階段，其中階段A沉積于溫濕氣候，陸源輸入穩(wěn)定，多以粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層為主；階段B沉積時(shí)受構(gòu)造沉降影響，湖水變深，陸源輸入逐漸減弱，沉積了一套碳質(zhì)泥巖，具有較高的生烴潛力；階段C則沉積于干旱氣候，此時(shí)湖水咸化分層，沉積了一套油頁巖，紋層發(fā)育，生烴潛力最高。

(3)不同氣候-構(gòu)造條件形成不同性質(zhì)的湖盆，進(jìn)而控制優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育分布，干旱氣候引起的“藻類勃發(fā)”可以帶來豐富的生產(chǎn)力，而水體咸化分層和構(gòu)造沉降形成的深水還原環(huán)境則為大煤溝組七段有機(jī)質(zhì)保存提供了最有利條件。