劉曉寧，姜在興，袁曉冬，陳 晨，王 成

［中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083］

細?；鹳|(zhì)是火山活動中噴出的細粒碎屑物質(zhì)，一般指直徑小于2 mm 的火山灰和火山塵，成分主要為玻屑、晶屑和巖屑［1］。火山噴出的細?；鹕轿镔|(zhì)可以直接沉積形成凝灰?guī)r，或與湖相其他物質(zhì)沉積形成混合細粒巖［2］。1989 年周中毅便指出，含凝灰質(zhì)的巖層可以作為良好的生油巖［3］，之后多位學者研究發(fā)現(xiàn)作為頁巖油氣儲層的泥頁巖層中可能夾有火山巖薄層［4-5］。近年來，隨著頁巖油氣研究的逐步深入，在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多個盆地頁巖油氣的載體沉積過程中有火山細粒物質(zhì)的參與［6-16］?；鹕?熱液活動提供的深源物質(zhì)與油氣富集在多個盆地展現(xiàn)出強烈的耦合關系［17-20］。

對地球深部物質(zhì)參與油氣形成的機理，國內(nèi)外學者已經(jīng)取得一定的進展。劉全有等研究表明火山-熱液活動攜帶的物質(zhì)和能量對烴源巖發(fā)育、生烴過程、儲集空間改造和頁巖油驅(qū)替有正面效應［21］?；鹕?熱液活動為湖水提供了各類營養(yǎng)物質(zhì)和生命必需元素，對湖泊水體生物大量繁育起到正面作用［22］。帶來的超臨界CO2對沉積物中的有機質(zhì)具有萃取作用，提高了頁巖油氣運聚效率［21，23］。對碳酸鹽巖儲集層的發(fā)育和改造使得儲集層的物性得到明顯改善［24］?；鹕交顒訉μ妓猁}巖形成的促進作用體現(xiàn)在兩個方面：一是火山活動使深源物質(zhì)涌入水體，湖泊中Ca2+和Mg2+等離子富集，為白云石和鐵白云石的形成提供物質(zhì)基礎［25-28］；二是微生物大量繁殖對碳酸鹽巖形成的促進作用。常溫下CO32-很難突破水合層與Mg2+結合，火山細粒物質(zhì)帶來的營養(yǎng)物質(zhì)能夠促使微生物的大量發(fā)育繁殖。藻類、硫酸鹽還原細菌和產(chǎn)甲烷細菌的生物化學作用，促進了白云石和鐵白云石等礦物的生成［29］，生物過程是沉積白云石的主控因素［30］?；鹕絿姲l(fā)帶來的營養(yǎng)物質(zhì)促進了水生微生物的勃發(fā)，生物活動又反過來影響了地質(zhì)成礦作用。

盆地的多源物質(zhì)供給，使富含有機質(zhì)的細粒沉積巖礦物成分復雜，巖石組分多樣［2，18］。由于自身粒度細，細粒沉積地層常被認為僅由陸源遠端的沉積物和湖相內(nèi)源沉積物質(zhì)組成，而忽略了火山活動來源的細粒物質(zhì)部分。細粒沉積巖的沉積學理論和巖石類型識別有待系統(tǒng)性研究。

灤頁1 井在灤平盆地西瓜園組下段獲得了穩(wěn)定的工業(yè)性頁巖油氣流，首次在燕山構造帶中生界發(fā)現(xiàn)油氣。其油氣儲集層為源-儲一體的泥頁巖層段，且在沉積過程中有深源物質(zhì)的參與，與上述富有機質(zhì)湖相細粒沉積巖相似，發(fā)育有火山熱液型甜點段［27］。過去西瓜園組的烴源巖被簡單認識為泥頁巖，使得目前對灤平盆地西瓜園組的石油地質(zhì)研究集中在烴源巖的特征及地球化學分析評價和儲層特征研究［31-32］，西瓜園組下段火山細粒物質(zhì)沉積并未得到重視。近期研究發(fā)現(xiàn)，巖心資料顯示富含頁巖油氣巖層段含有大量的火山碎屑物質(zhì)，且與油氣的分布密切相關。因此，火山細粒沉積如何影響灤平盆地西瓜園組下段的頁巖油氣的形成成為新的命題。本研究通過巖心和薄片觀察，描述了火山細粒物質(zhì)沉積的分布特征。對頁巖油氣細粒沉積巖載體的特征和地化分析，表明含有火山細粒物質(zhì)的層段有機質(zhì)富集程度更高，并闡述了凝灰質(zhì)泥巖有機質(zhì)來源。探究在有機質(zhì)聚集、保存，到生烴和形成頁巖油氣的過程中，火山細粒物質(zhì)沉積造成的影響，從而為整個燕山構造帶其他具有相似背景的陸相斷陷湖盆頁巖油氣尋找有利的儲層提供新的思路。

1 地質(zhì)概況

灤平盆地位于河北省承德市，司馬臺-金山嶺長城腳下，緊鄰北京密云區(qū)，為燕山構造帶陸相斷陷湖盆中具有代表性，且地層保存完好的早白堊世伸展盆地。盆地發(fā)育在燕山構造帶北緣，位于尚義-平泉斷裂與豐寧-隆化斷裂間楔形地帶，呈NE-SW 向延伸，長約40 km，寬約20 km，中生代地層殘余面積約為800 km2［31］（圖1）。

圖1 灤平盆地區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Simplified geological map of the Luanping Basin

盆地的基底主要為太古宙變質(zhì)巖以及元古宙侵入巖，中生代開始成盆并接受沉積。自成盆以來，灤平盆地經(jīng)歷了3 次主要裂陷階段。第一裂陷階段為晚侏羅世早期，接受湖相和河流相沉積。第二裂陷階段為晚侏羅世中期—早白堊世早期，盆地沿斷裂大規(guī)模發(fā)育火山沉積，并在火山間歇期發(fā)育湖相沉積，火山作用結束后發(fā)育粗碎屑沉積。第三裂陷階段為早白堊世早期—早白堊世中期，發(fā)育有構造活動引起的中酸性火山巖系，并沉積有扇三角洲-湖泊沉積體系［31，33］。早白堊世時期，受到晚燕山期構造活動影響，灤平盆地接受沉積時伴隨有多期次的火山活動。此外，燕山地區(qū)在灤平盆地附近發(fā)育了許多類型相似的盆地，如赤城盆地和承德盆地等，共同組成了中生代陸相火山-沉積盆地群［34］。

灤平盆地中生代地層自下而上發(fā)育有上侏羅統(tǒng)的九龍山組（J3j）和髫髻山組（J3t），下白堊統(tǒng)的土城子組（K1tc）、張家口組（K1z）、大北溝組（K1db）、大店子組（K1d）和西瓜園組（K1x）［31］。研究目的層段位于西瓜園組。結合錄井資料與野外剖面，西瓜園組在灤平盆地最大殘余厚度約為1 700 m。西瓜園組早期處于第三裂陷期的裂陷和擴張階段，湖盆擴張水體加深，整體處于半深湖-深湖的環(huán)境，沉積地層主要為黑色泥頁巖。由于火山活動，同時沉積有火山巖、火山碎屑巖和混源細粒沉積巖，形成了火山-湖泊沉積體系（圖2）。火山-湖泊作用的沉積層位為西瓜園組下段，西瓜園組底部與下伏大店子組安山巖呈不整合接觸，下部主要發(fā)育火山爆發(fā)期的安山巖、火山角礫巖和火山活動較弱時期的湖相黑色泥頁巖，夾有多期火山凝灰薄層。中部主要發(fā)育受火山作用及火山伴隨的熱液作用影響的火山凝灰質(zhì)薄層，黑色富有機質(zhì)泥頁巖層和白云巖薄層。上部火山活動減弱，主要發(fā)育黑色泥頁巖。

圖2 灤平盆地西瓜園組地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite stratigraphic column of the Xiguayuan Formation in the Luanping Basin

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集

西瓜園組分布非常廣泛，在盆地的大部分區(qū)域均有出露。灤頁1 井位于灤平縣平坊鄉(xiāng)要子溝村西北部S315 省道旁（圖1），井深為1 308.4 m，已進行全井段取心。西瓜園組下段在灤頁1井累計600 m厚，主要巖性為泥頁巖、安山巖、火山角礫巖和白云巖等，含油氣層段的黑色巖系夾有細?；鹕剿樾嘉镔|(zhì)。本研究的主要研究對象為灤頁1 井的巖心。在巖石組合精細研究基 礎 上，對 灤 頁1 井 埋 深700～1 050 m，1 125～1 180 m 和1 240~1 255 m 的巖心段針對性地采集細粒沉積巖樣品共68 塊，按照從淺到深進行編號，樣品巖石類型包括泥頁巖21 塊、粉砂巖16 塊、白云巖11 塊、凝灰?guī)r2塊和混合細粒巖18塊（表1）。

2.2 研究方法

在對全井段巖心進行觀察和系統(tǒng)性鏡下薄片鑒定基礎上，結合掃描電鏡和地化數(shù)據(jù)、全巖衍射數(shù)據(jù)等的分析，描述了不同巖石類型的礦物成分特征、巖石沉積特征，并比較了各巖石的含油性。掃描電鏡在中國地質(zhì)大學（北京）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室觀察完成。全巖衍射分析實驗測試樣品20 塊，在中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫地質(zhì)研究所完成。巖石熱解分析實驗測試樣品50 塊，使用OGE-Ⅱ巖石熱解分析儀，鏡質(zhì)組反射率（Ro）實驗測試樣品13 塊，測定儀器主要采用的是308-PV 顯微光度計，均在中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室完成。微量元素分析測試實驗樣品10 塊，使用高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定，在中國核工業(yè)集團有限公司核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心進行測試。有機碳穩(wěn)定碳同位素（δ13C）分析測試實驗樣品14 塊，由FLASH HT EAMAT 253 IRMS穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀測定（表1）。

表1 灤平盆地灤頁1井樣品實驗內(nèi)容Table 1 Experiment on samples from Well Luanye 1，Luanping Basin

3 西瓜園組下段細粒沉積巖沉積特征與地球化學特征

3.1 巖石類型劃分

西瓜園組下段受火山-湖泊作用影響（圖2），發(fā)育有安山巖、火山角礫巖和細粒沉積巖等。細粒沉積巖主要礦物組成有粘土礦物、長石、石英、白云石和方解石等。本研究依據(jù)姜在興等［35-37］的含碳酸鹽細粒沉積巖成分分類方案，采用粘土、碳酸鹽礦物和粉砂3個端元對研究樣品進行了主要巖石類型劃分。西瓜園組下段細粒沉積巖巖石類型主要發(fā)育巖性有白云巖、粉砂巖、泥頁巖和混合細粒巖（圖3）?；旌霞毩r各礦物組成端元含量仍存在差異（表2），依據(jù)周立宏等［38］對質(zhì)量分數(shù)大于等于25 %且小于50 %的礦物類型以“×××質(zhì)”置于主名稱之前的劃分方法，將混合細粒巖進一步劃分為長英質(zhì)混合細粒巖、碳酸鹽型混合細粒巖和粘土型混合細粒巖。

表2 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段細粒沉積巖礦物成分百分含量（%）Table 2 Mineral compositions（%）of fine?grained sedimentary rocks in the lower member of Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

圖3 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段巖石分類Fig.3 Petrographic classification in the lower member of Xiguayuan Formation in the Luanping Basin

3.2 西瓜園組下段細粒沉積巖分布特征

宏觀上西瓜園組含細粒沉積巖的火山細粒物質(zhì)呈現(xiàn)出兩種沉積結構。一種為紋層狀，與下部的泥頁巖和碳酸鹽巖紋層界限常呈現(xiàn)出沖刷的特征，顆粒順水平層理方向具備一定的定向性，層內(nèi)可觀察到正粒序（圖4a），顯示出側向牽引流沉積的特征；另一種為晶屑散亂分布在細粒沉積巖中，無明顯內(nèi)部結構，呈混雜堆積，顯示出高密度碎屑流的沉積特征（圖4b）［39］。鏡下觀察顯示，火山凝灰紋層存在正粒序結構（圖4c），凝灰?guī)r紋層中出現(xiàn)層間裂縫（圖4d）。礦物成分成熟度低，棱角明顯，磨圓度差，多為自形或出現(xiàn)雞骨狀（圖4e，f）。

西瓜園組火山巖和火山碎屑巖之間發(fā)育有深湖-半深湖相的沉積夾層，形成黑色安山巖、泥頁巖、長英質(zhì)混合細粒巖、火山角礫巖，以及白云質(zhì)混合細粒巖等的巖石組合，表明火山噴發(fā)活動的主體應位于湖盆的水下環(huán)境中，沉積特征符合水下火山噴發(fā)的特性，西瓜園組沉積時期的火山活動為水下噴發(fā)。水下火山活動相較于陸上具有單次量少，但頻繁持久且位置多變的特征，非均質(zhì)性較強［39］。這也是泥頁巖與凝灰質(zhì)頻繁互層的成因。

依據(jù)發(fā)育層位和主要巖性特征，將西瓜園組下段的細粒沉積巖分為3 個層位（圖5）。層位一位于下部兩套火山角礫巖之間，細粒沉積巖總厚度約60 m，主要發(fā)育巖性為長英質(zhì)混合細粒巖。巖心上巖性主要表現(xiàn)為灰白色細粒凝灰?guī)r、黑色泥頁巖和凝灰質(zhì)泥頁巖。結合巖心描述和鏡下觀察，凝灰質(zhì)泥頁巖表現(xiàn)為黑色紋層狀泥巖與厘米級、毫米級紋層狀凝灰?guī)r呈互層或夾層，部分層段甚至是微米級的黑色泥巖與紋層狀灰白色火山細粒物質(zhì)互層。凝灰質(zhì)成分夾層主要為長石和石英晶屑，成分成熟度低，磨圓度差，指示火山物質(zhì)來源。黑色泥巖富有機質(zhì)。凝灰?guī)r中礦物組成主要為晶屑，以長石和石英為主，形態(tài)為棱角狀或次棱角狀，部分礦物顆粒出現(xiàn)港灣狀溶蝕邊，含有少量玻屑和巖屑（圖4e，f）。層位一整體表現(xiàn)出低自然電位（SP）和高電阻率（RILD/RILM）的測井響應特征。

圖4 灤平盆地灤頁1井西瓜園組含凝灰質(zhì)細粒沉積巖沉積特征Fig.4 Sedimentary characteristics of fine-grained rocks from the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

層位二位于安山巖和火山角礫巖之上，細粒沉積巖厚度約165 m，主要發(fā)育白云巖、長英質(zhì)混合細粒巖和白云質(zhì)混合細粒巖等。巖心上主要表現(xiàn)為韻律型紋層狀白云質(zhì)泥頁巖，即紋層狀白云巖、紋層狀黑色富有機質(zhì)泥頁巖與火山細粒物質(zhì)紋層呈互層或夾層。鏡下觀察和全巖衍射結果顯示礦物成分上主要為長英質(zhì)和白云石，粘土礦物較少。白云質(zhì)主要為泥晶白云石紋層或重結晶為亮晶的白云石紋層。層位二整體測井相應特征與層位一相似，表現(xiàn)為低自然電位和高電阻率。

層位三位于西瓜園組下段頂部，細粒沉積巖厚度約180 m，主要發(fā)育泥頁巖和粘土型混合細粒巖。巖心上表現(xiàn)為泥頁巖，夾有少量凝灰質(zhì)層。礦物成分分析表明，層位三的粘土礦物含量較高，可達59.3%，碳酸鹽礦物含量穩(wěn)定在低水平，與下部層位巖石成分有明顯區(qū)別。薄片觀察顯示，本層位細粒凝灰物質(zhì)含量低，受火山作用影響相對減小，此時火山作用減弱。層位一和層位二陸源物質(zhì)輸入相對較少，主要為火山-內(nèi)源湖泊沉積，粘土礦物含量低。層位三整體表現(xiàn)出自然電位相對較高和電阻率相對低的測井響應特征。灤平盆地西瓜園組受火山作用影響較大的地層測井響應特征表現(xiàn)為低自然電位和高電阻率，自然伽馬因凝灰?guī)r紋層與白云巖紋層和泥巖層交互而變化較大。

3.3 西瓜園組下段細粒沉積巖地球化學特征

3.3.1 有機質(zhì)豐度

灤平盆地西瓜園組地層中各種細粒沉積巖的生烴潛力與巖石類型關系密切。層位一發(fā)育的主要為長英質(zhì)混合細粒沉積巖和泥頁巖，平均TOC為1.43%。上部夾凝灰?guī)r紋層的層段表現(xiàn)出了良好的含油氣性，TOC最高可達3.00 %（圖5），屬于好的烴源巖。層位二發(fā)育的韻律型紋層狀白云質(zhì)混合細粒沉積巖有機質(zhì)豐度高，平均TOC為1.54%，最高達2.97%，屬于好的烴源巖。表現(xiàn)為長英質(zhì)凝灰和白云巖互層的細粒沉積巖層有機質(zhì)豐度更高，而較純的白云巖有機質(zhì)含量較低（圖5）。層位三主要發(fā)育粘土型混合細粒沉積巖，有機質(zhì)豐度一般，平均TOC為0.63%，最大為1.47%，為差-中等的烴源巖。

對經(jīng)過鏡下鑒定巖性的50 個細粒沉積巖樣品對比分析，湖相泥巖的TOC在0.5 %～1.81 %，平均為0.64 % ；S1+S2含量在0.01～0.95 mg/g，平均為0.41 mg/g。而含有細粒火山物質(zhì)的細粒沉積巖TOC在0.84%～2.98%，平均為1.92%；S1+S2含量在0.36～5.56 mg/g，平均為2.64 mg/g（表3）。

表3 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段泥巖與含凝灰質(zhì)細粒沉積巖有機質(zhì)豐度Table 3 Organic matter abundance of mudstone and fine?grained tuffaceous sedimentary rocks in the lower member of Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

3.3.2 有機質(zhì)成熟度

灤平盆地西瓜園組下段巖石樣品的Tmax數(shù)值范圍為413～562 ℃，均值為456 ℃（圖5），處于油氣生成階段。灤頁1 井下段巖石樣品Ro數(shù)值分布在0.92 %～1.32 %，均值為1.1（表4），指示為烴源巖進入成熟階段的生油期。結果顯示西瓜園組下段樣品的有機質(zhì)成熟度隨深度增大呈提高趨勢（圖6），受火山作用影響較大的層位一和層位二成熟度總體處于成熟階段，而層位三處于低成熟階段。

圖6 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段Ro值隨深度變化Fig.6 Variation of Ro value with depth in the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

表4 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段Ro值Table 4 Ro value of the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

圖5 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段綜合特征Fig.5 Composite stratigraphic column of the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

3.3.3 有機質(zhì)來源

生物標志化合物常用來分析烴源巖的有機質(zhì)母質(zhì)來源、熱演化程度和沉積環(huán)境。本研究通過對具有指示意義的甾類化合物和H/C、O/C 的值進行分析，結合巖心和薄片發(fā)現(xiàn)的化石，探究灤平盆地西瓜園組下段含凝灰質(zhì)細粒沉積巖的有機質(zhì)母質(zhì)來源。

C27，C28和C29規(guī)則甾烷的相對分布可以反映有機質(zhì)的沉積母質(zhì)來源構成［40］。C27和C28甾烷通常來自于低等水生生物和藻類的生源輸入，C29甾烷可以來自于藻類和陸源高等植物。對西瓜園組下段發(fā)育有火山細粒物質(zhì)的樣品進行分析（圖7），C27規(guī)則甾烷的相對含量為29.26 % ～55.60 % ，平均含量為41.11 %；C28規(guī)則甾烷的相對含量為12.68 %～30.8 %，平均含量為25.33 %；C29規(guī)則甾烷的相對含量為18.72 %～45.55 %，平均含量為33.56 %。大多數(shù)樣品的規(guī)則甾烷的分布型式為C27＞C29＞C28，個別樣品中規(guī)則甾烷C28含量大于C29或C29含量大于C27（表5）。西瓜園組下段含凝灰質(zhì)細粒沉積巖的規(guī)則甾烷分布顯示灤平盆地西瓜園組含凝灰質(zhì)細粒沉積巖的有機質(zhì)主要來源于藻類和浮游植物等低等水生生物，同時存在少量的陸源高等植物輸入。

表5 灤平盆地灤頁1井規(guī)則甾烷C27—C29含量Table 5 Regular sterane C27-C29 content in Well Luanye 1，Luanping Bain

圖7 灤平盆地灤頁1井規(guī)則甾烷C27—C29分布三端元圖Fig.7 Ternary plot of regular sterane C27-C29 distribution in Well Luanye 1，Luanping Basin

有機巖石學分析結果顯示，灤平盆地西瓜園組下段含有機質(zhì)頁巖的有機顯微組分主要為殼質(zhì)組的腐殖無定型，由水生生物經(jīng)過生物降解形成的。同時烴源巖干酪根元素分析顯示，H/C 在0.78～1.36，O/C 不超過0.10，根據(jù)Tissot 等［41］運用干酪根有機元素研究有機質(zhì)類型的標準，西瓜園組頁巖油氣烴源巖的原始成烴母質(zhì)來源為藻類和低等水生生物。在巖心觀察中發(fā)現(xiàn)葉肢介化石和植物的莖葉碎屑（圖8a，b），薄片可觀察到富有機質(zhì)泥巖紋層（圖8c，d）。與有機地化分析結果一致，西瓜園組下段凝灰質(zhì)細粒沉積巖的主要有機質(zhì)來源為藻類和浮游植物等低等水生生物，同時存在少量的陸源高等植物輸入。

圖8 灤平盆地灤頁1井西瓜園組生物化石照片F(xiàn)ig.8 Biofossils from the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

4 細?；鹕轿镔|(zhì)對頁巖油氣形成的作用機制

4.1 細?；鹕轿镔|(zhì)促進微生物的繁育，提高古生產(chǎn)力

現(xiàn)代觀測已經(jīng)有大量實證，火山灰會促進微生物的大量繁殖，甚至產(chǎn)生藻類勃發(fā)現(xiàn)象［42-43］。研究表明火山細粒物質(zhì)攜帶的營養(yǎng)元素如鐵、磷和鉬等，會促進自養(yǎng)和異養(yǎng)生物的發(fā)育和大量繁殖［44-45］。藻類勃發(fā)能在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的有機質(zhì)聚集，具有極高的生產(chǎn)力，形成的直接結果為富含藻類的沉積紋層［46］。

西瓜園組下段樣品的營養(yǎng)元素濃度較高，同層位指示來自火山-熱液深源物質(zhì)的Ni，V 和Mo 等微量元素濃度存在異常偏高［32］，表明灤平盆地西瓜園組細粒沉積巖沉積時期受到周期性火山運動，火山碎屑物質(zhì)攜帶營養(yǎng)元素進入湖泊水體中。灤平盆地的水下火山活動，使得細?；鹕轿镔|(zhì)及伴生火山熱液活動攜帶N，P，F(xiàn)e和Ca等生命所需的營養(yǎng)元素進入湖泊水體中，發(fā)生水解作用生成無機鹽類等，轉(zhuǎn)換為水生生物可以吸收的形態(tài)，從而促進灤平盆地水生生物的大量繁盛。

西瓜園組下段較厚的凝灰?guī)r層較少，細?；鹕轿镔|(zhì)多以紋層或泥頁巖夾層形式存在，與黑色富有機質(zhì)頁巖、白云巖紋層組成交互紋層。水下火山有多次、持久和小規(guī)模噴發(fā)的特點，多次毫米級及以下的薄層火山灰沉降促使藻類勃發(fā)高頻次出現(xiàn)，藻類勃發(fā)沉降形成的富有機質(zhì)紋層與凝灰質(zhì)層互層，更有利于有機質(zhì)富集與優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成。

西瓜園組下段細粒沉積巖樣品的有機質(zhì)豐度數(shù)據(jù)表明，含有火山細粒物質(zhì)參與沉積的層段有機質(zhì)豐度指標更好，沉積有機質(zhì)更富集（圖5）。對典型的50 塊湖相泥頁巖和含凝灰質(zhì)細粒沉積巖樣品進行分析，從有機質(zhì)豐度來看，灤平盆地西瓜園組泥頁巖的烴源巖評價為中等到差的生油巖，含凝灰質(zhì)細粒沉積巖為好的生油巖。可以得出，含凝灰質(zhì)細粒沉積巖的有機質(zhì)豐度明顯大于湖相泥頁巖（圖9）。

圖9 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段泥巖與含凝灰質(zhì)細粒沉積巖有機質(zhì)豐度對比Fig. 9 Comparison of organic matter abundance between mudstone and fine-grained tuffaceous rocks in the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

4.2 形成還原的沉積環(huán)境，迅速掩埋沉積物，有利于有機質(zhì)的保存

黃鐵礦是一種指示還原性強度的特征礦物。在沉積環(huán)境氧化程度較強時，黃鐵礦幾乎不發(fā)育；在處于貧養(yǎng)環(huán)境時，草莓狀黃鐵礦發(fā)育，粒徑變化大，并且有自形黃鐵礦出現(xiàn)；在水體環(huán)境為缺氧環(huán)境時，黃鐵礦發(fā)育含量較多，以草莓狀黃鐵礦為主，且粒徑較大［47-48］。

西瓜園組下段層位一、層位二的含凝灰質(zhì)細粒沉積巖為黑色或灰黑色，黃鐵礦大量發(fā)育，主要成粒狀，并以紋層狀和脈狀分布，部分層表現(xiàn)出強黃鐵礦化特征（圖10a—d）。掃描電鏡下可觀察到草莓狀黃鐵礦成層大量發(fā)育，形態(tài)以球形和橢球形為主。部分粒徑大小在2～10 μm，一般不超過20 μm，也存在粒徑相對較大的黃鐵礦。指示了湖泊貧氧-缺氧的沉積環(huán)境。

層位三主要發(fā)育灰色灰質(zhì)泥巖、黑色泥巖，及夾含凝灰質(zhì)細粒沉積巖層，部分層段出現(xiàn)指示弱氧化還原環(huán)境的灰綠色和肉紅色泥巖（圖10f）。層位三受火山作用影響較小，巖心和薄片觀察指示黃鐵礦發(fā)育相對較少，還原環(huán)境減弱。

薄片觀察到，在富有機質(zhì)泥巖與凝灰質(zhì)、碳酸鹽巖薄層互層時，泥巖層中黃鐵礦呈現(xiàn)顆粒小但富集的特征，粒徑大小一般不超過5 μm，部分達到5～8 μm，隨泥巖聚集成層狀。而在含凝灰質(zhì)碳酸鹽巖薄層中黃鐵礦常呈顆粒較大，相對較少的特征，粒徑可達50～100 μm，分散在薄層中?？赡苁歉挥袡C質(zhì)泥巖沉積后被含凝灰質(zhì)層迅速掩埋，隔絕了水體創(chuàng)造出更加缺氧的環(huán)境，促使粒徑較小的草莓狀黃鐵礦大量發(fā)育。粒徑較大的黃鐵礦顆粒和粒徑較小的草莓狀黃鐵礦均出現(xiàn)被有機質(zhì)包裹的現(xiàn)象（圖10b，c）。

圖10 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段黃鐵礦發(fā)育特征Fig.10 Development characteristics of pyrite in the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

V/（V+Ni）是無機元素分析中常用的氧化還原環(huán)境指標。西瓜園組下段的凝灰質(zhì)巖中，V/（V+Ni）值在0.72～0.78，平均值為74.88。比值變化較小，指示了穩(wěn)定的缺氧環(huán)境。有機地化分析中常用姥鮫烷（Pr）與植烷（Ph）的比值指示水體沉積環(huán)境，西瓜園組下段凝灰質(zhì)巖Pr/Ph值在0.66～2.29，平均值為1.12（圖11）。表明沉積時水體整體處于強還原-弱還原環(huán)境，其中層位一的凝灰質(zhì)泥巖Pr/Ph值顯著低于層位二的白云巖與火山灰互層，還原性更強，這可能與火山爆發(fā)強度更高有關。

圖11 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段氧化還原性指標隨深度變化Fig. 11 Redox index variation with depth in the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

沉積環(huán)境的氧化-還原性是影響有機質(zhì)保存的重要因素之一。有機質(zhì)的分解主要來自于好養(yǎng)的細菌等微生物。深水區(qū)以缺氧環(huán)境為主，火山活動及伴生的熱液活動，使水體的含鹽度增加，促進水體分層。火山細粒物質(zhì)促使密閉湖底環(huán)境細菌和藻類等微生物大量繁殖，在浮游植物和藻類大量消耗水體中的氧氣后，湖泊水體，尤其是底部水體的還原性進一步增強［49，13］。還原的環(huán)境下，有機質(zhì)在埋藏之前被氧化、分解的損耗會減少［40］。同時火山凝灰物質(zhì)沉積使西瓜園組具有高水平沉積速率，能夠快速掩埋有機質(zhì)。湖相沉積環(huán)境變?yōu)槿毖醐h(huán)境，有機質(zhì)保存在隔絕氧氣的有利環(huán)境中。水體還原性的增強和有機質(zhì)的快速掩埋為有機質(zhì)的保存提供了良好條件［50］。

4.3 提高地層儲集物性，提供頁巖層系內(nèi)烴類運移通道

優(yōu)質(zhì)烴源巖中常見富有機質(zhì)藻類紋層與碳酸鹽紋層互層，如束鹿凹陷沙三段的紋層狀碳酸鹽巖與泥巖互層［51］，渤海灣盆地濟陽凹陷和東營凹陷的古近系沙河街組三段下亞段的油頁巖，由黑色的富含有機質(zhì)紋層和白色的鈣質(zhì)紋層組成［52］；三塘湖盆地蘆草溝組云質(zhì)泥巖也呈現(xiàn)出藻類與碳酸鹽巖紋層狀互層［46］。

對灤頁1 井巖心觀察和鏡下薄片鑒定發(fā)現(xiàn)，西瓜園組下段層位二白云石和鐵白云石等碳酸鹽礦物發(fā)育較多，呈顆粒較小的自形-半自形形態(tài)。一般以泥晶白云質(zhì)紋層形態(tài)出現(xiàn)，部分重結晶形成亮晶白云石紋層。白云石紋層常與黑色富有機質(zhì)泥頁巖紋層和長英質(zhì)凝灰紋層交互，頁理發(fā)育，共同組成了頁巖油氣的優(yōu)質(zhì)儲層。灤頁1 井壓裂試產(chǎn)的6 號層位位于西瓜園組下段層位二，主要沉積特征為凝灰?guī)r紋層、白云巖紋層與富有機質(zhì)黑色泥頁巖紋層交互，有較好的油氣顯示，火山灰與白云石混合同層（圖12a—d）。

這些黑色富有機質(zhì)泥頁巖和白云質(zhì)紋層互層成因與火山活動的影響有關。西瓜園組下段混合細粒巖顆粒主要為粘土-粉砂級，成熟度低，晶屑含量較高，粘土含量很低?；鹕剿聡姲l(fā)后細粒物質(zhì)以濁流的形式被湖水搬運并逐漸沉積，與內(nèi)源沉積的碳酸鹽巖混合，紋層狀交互沉積。湖相泥頁巖中富含藻類勃發(fā)后沉降的大量有機質(zhì)。

火山活動輸入到盆內(nèi)的離子物質(zhì)會在盆內(nèi)微生物活動的參與下結晶生成內(nèi)源自生碳酸鹽巖物質(zhì)，內(nèi)源物質(zhì)的生成是陸相斷陷湖盆充填有碳酸鹽物質(zhì)的穩(wěn)定機制［27-29］。藻類等微生物的勃發(fā)死亡沉降后形成富有機質(zhì)紋層，與火山噴發(fā)活動帶來的凝灰?guī)r紋層和碳酸鹽巖紋層共同形成了交互紋層。水下火山噴發(fā)頻繁和持久的特點，使得層位二長時間保持這種紋層頻繁交互的特征。

對西瓜園組下段礦物成分和烴源巖有機質(zhì)豐度分析時發(fā)現(xiàn)，在碳酸鹽巖與頁巖韻律型紋層狀交互時，細粒沉積巖烴源巖特質(zhì)最好的是碳酸鹽礦物和長英質(zhì)礦物含量比例相近、硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物混合程度高的巖層。這與焦鑫等在三塘湖盆地蘆草溝組中混合細粒巖中的觀察結果一致［53］，也符合大慶油田火石嶺組三單元中碳酸鹽礦物含量約占1 3 的層段含油性最好［54］。

這種韻律型紋層狀白云質(zhì)細粒沉積巖存在大量巖性界面，有利于形成層間裂縫。裂縫可以作為頁巖油氣的運移通道，也是油氣的良好儲集空間。部分層面裂縫殘留有瀝青質(zhì)，可能曾作為油氣運移的通道。碳酸鹽巖紋層的大量發(fā)育和凝灰?guī)r紋層的沉積，本身也可以作為良好的儲層，油氣儲集在白云石的晶間孔和凝灰質(zhì)粒間孔中（圖12e，f），儲集層與烴源巖空間上臨近，生烴母質(zhì)排出的烴類可就近富集在內(nèi)源的碳酸鹽巖，源-儲一體［27］。此外還提高了地層的脆性，為頁巖油氣開發(fā)時的壓裂改造提供良好的條件。

圖12 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段富有機質(zhì)頁巖紋層與碳酸鹽巖紋層交互特征Fig.12 Interbedding characteristics of organic-rich shale lamina and carbonate lamina in the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

4.4 細粒火山物質(zhì)中的過渡金屬元素能夠催化有機質(zhì)成烴演化

過渡金屬元素（如Fe，Ti，V，Cr，Co，Ni，Mn 和Mo等）的單質(zhì)、氧化物、硫化物和其他有機化合物都具有顯著的催化效果。過渡金屬元素的單質(zhì)、氧化物、硫化物和其他有機化合物都具有顯著的催化效果［55］。

西瓜園組的微量元素分析顯示，下段受火山和伴生熱液等深源物質(zhì)影響，過渡金屬元素含量較高，且相比上部正常湖相沉積的泥巖明顯增多（圖13）。研究層段Ni 的含量在23.96～42.14 μg/g，平均為29.07 μg/g（表6），而Ni元素的催化效果最強，烴源巖中具有1 μg/g的Ni就具有很強的催化能力，高的Ni元素含量已經(jīng)具備促進源巖生烴的能力；其他過渡金屬元素含量同樣處于較高水平，V 的含量在63.78～128.24 μg/g，平均為87.67 μg/g；Mo的含量變化較大，最大為12.08 μg/g；Cr 的含量在35.39～190.41 μg/g，平均為74.09 μg/g。各種過渡金屬元素通過吸附有機質(zhì)和氣體，改變源巖中的干酪根裂解加氫的反應機理，縮短反應時間，達到了催化的效果。

表6 灤平盆地灤頁1井西瓜園組下段微量元素含量Table 6 Trace element content in the lower member of the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

圖13 灤平盆地灤頁1井西瓜園組過渡金屬元素含量Fig.13 Contents of transitional metal elements changing with depth in the Xiguayuan Formation in Well Luanye 1，Luanping Basin

陸相頁巖油氣地層成熟度普遍偏低［45］，灤平盆地西瓜園組也具有同樣的特點，下段的細粒沉積巖平均Ro為1.05%，處于成熟階段。過渡金屬元素對有機質(zhì)演化的催化作用使得烴源巖提前排烴，促進頁巖油氣生成［27］。

5 結論

1）灤平盆地西瓜園組細粒沉積巖主要為泥頁巖、凝灰質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖，夾有凝灰?guī)r和白云巖薄層。頁巖油氣甜點層位是有火山細粒物質(zhì)沉積的層段，受到水下火山活動的影響。這些層位的巖樣有機質(zhì)更加富集，TOC多大于1.5%，為好的烴源巖。

2）西瓜園組下段沉積過程中，細?；鹕轿镔|(zhì)參與帶來了營養(yǎng)物質(zhì)，促使藻類和游植物等低等水生生物大量繁育，提供了基礎有機質(zhì)來源，增加古生產(chǎn)力；湖泊水體的沉積環(huán)境向還原性變強的方向發(fā)展，同時快速掩埋有機質(zhì)，為有機質(zhì)的埋藏和保存提供有利條件；所攜帶的過渡金屬元素對有機質(zhì)向烴類的演化具有催化作用，加速烴源巖排烴，促進陸相頁巖油氣形成；通過大量的生物化學反應，沉積白云巖紋層，并與富有機質(zhì)的頁巖、凝灰?guī)r紋層形成交互。紋層狀凝灰?guī)r和白云巖可以作為頁巖油氣良好儲層，且提高了地層的脆性，便于工業(yè)開采時的壓裂改造。

3）受火山作用影響的黑色泥頁巖地層有較大的勘探潛力，其中含油氣性最好的層段為碳酸鹽巖紋層與富有機質(zhì)頁巖交互層位，燕山構造帶中與灤平盆地相似的沉積盆地可尋找韻律型白云質(zhì)和灰質(zhì)泥頁巖作為油氣勘探目標。