李振明,熊 偉,王 斌,宋振響,宋梅遠(yuǎn),孫中良,于洪洲,周 健,吳小奇

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇 無錫 214126;2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214126;3.中國石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214126;4.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015

二疊系風(fēng)城組是準(zhǔn)噶爾盆地重要的烴源巖發(fā)育層系和勘探層系。近年來以風(fēng)城組為源巖,在瑪湖凹陷相繼發(fā)現(xiàn)了斜坡帶砂礫巖油區(qū)和凹陷內(nèi)深層頁巖油區(qū)等多個(gè)億噸級儲(chǔ)量區(qū)[1],在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了從斷裂帶到凹陷區(qū)礫巖—砂巖—頁巖的全序列沉積模式和常規(guī)—非常規(guī)有序共生的全油氣系統(tǒng)成藏模式[1-3],展現(xiàn)了以風(fēng)城組為源巖的巨大勘探潛力。眾多學(xué)者[4-11]已對瑪湖凹陷風(fēng)城組沉積特征、儲(chǔ)集性、生烴特征等方面進(jìn)行了較為全面的研究,認(rèn)為風(fēng)城組是一套“特殊的”優(yōu)質(zhì)烴源巖:①是最古老的廣覆式堿湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖;②具有油多氣少、轉(zhuǎn)化率高、連續(xù)生烴和油質(zhì)輕的生烴特征;③具有三元混積的復(fù)雜巖性和礦物組分;④具有孔隙、裂縫與縫合線三重儲(chǔ)集空間。然而,關(guān)于這套優(yōu)質(zhì)烴源巖在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的分布范圍和沉積演化序列研究較少,部分研究結(jié)果存在爭議,這直接影響了風(fēng)城組烴源巖的生烴及勘探潛力評價(jià),因此仍需進(jìn)一步深入研究。

前人對瑪湖凹陷風(fēng)城組研究顯示,自下而上可分為三段,發(fā)育凝灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)云巖、含堿性礦物巖、含礫泥巖等巖石類型(圖1b),因其特殊的堿性礦物發(fā)育,提出風(fēng)城組發(fā)育全球最古老的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖,具有特殊的成烴特征,是瑪湖百里油區(qū)的物質(zhì)基礎(chǔ)[4,12]。在此認(rèn)識基礎(chǔ)上部署的HSX1、HS1、HS11等井在哈山推覆體中—深層風(fēng)城組中相繼獲得低產(chǎn)油流,顯示出較大的勘探潛力。然而,哈山地區(qū)由于受多期逆沖構(gòu)造疊加影響,地層疊置復(fù)雜,縱向及平面對比困難;位于傳統(tǒng)“盆緣”相帶的風(fēng)城組沉積特征和演化過程研究滯后;與瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖之間的差異與聯(lián)系不明等問題嚴(yán)重制約了油氣勘探。本文基于全巖XRD、元素地球化學(xué)、總有機(jī)碳(TOC)含量、薄片鑒定和巖相組合分析,明確了哈山地區(qū)風(fēng)城組沉積特征,揭示其古沉積環(huán)境及演化過程,初步建立了哈山地區(qū)古環(huán)境演化模式,以期為該區(qū)下一步油氣勘探提供依據(jù)。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣哈山—瑪湖地區(qū)地質(zhì)概況(a)、簡要地層柱狀圖(b)及典型地質(zhì)剖面(c)

1 地質(zhì)概況

哈拉阿拉特山地區(qū)(下文簡稱“哈山地區(qū)”)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣,北以達(dá)爾布特?cái)嗔褳榻缗c和什托洛蓋盆地相接,向西過渡為扎伊爾山,向南過渡為瑪湖凹陷,整體呈北東—南西向位于瑪湖凹陷邊緣的克夏斷階帶之上(圖1a)。

目前對風(fēng)城組的研究主要集中在瑪湖凹陷,而對哈山地區(qū)研究很少。前期受限于鉆井、地震、地質(zhì)資料缺乏,對準(zhǔn)噶爾西北緣原型盆地和構(gòu)造演化認(rèn)識不全面,特別是對早二疊世盆地性質(zhì)存在較大爭議[13]。早期研究認(rèn)為,早二疊世發(fā)育以現(xiàn)今哈山為邊界的前陸盆地,風(fēng)城組分布范圍有限,主要集中在瑪湖凹陷中心;而哈山地區(qū)位于沉積盆地邊緣,主要發(fā)育扇三角洲,不具備供烴潛力[12,14-17]。近年來隨著勘探程度提高、鉆井和地震資料的補(bǔ)充,發(fā)現(xiàn)哈山地區(qū)同樣發(fā)育風(fēng)城組烴源巖,并具有較好的生烴潛力[18-19]。中國石化勝利油田依據(jù)火成巖元素分析,確定早二疊世為后造山伸展背景,中晚二疊世為陸內(nèi)擠壓背景,并通過構(gòu)造建模恢復(fù)了哈山構(gòu)造沉積演化過程,即晚石炭世的古洋殼俯沖碰撞期、早二疊世的碰撞后伸展裂陷期、晚二疊世的構(gòu)造反轉(zhuǎn)擠壓期、三疊紀(jì)的沖斷疊加改造期、侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)的震蕩隆升期以及新生代的左旋走滑調(diào)整期[20-23]。依據(jù)逆沖推覆疊加和后期走滑的構(gòu)造解釋模型,基本明確了哈山地區(qū)整體上具有“南北分帶、上下分層、西強(qiáng)東弱”的構(gòu)造地質(zhì)特征。由于多層逆沖推覆斷層影響,哈山地區(qū)地層具有多層樓的結(jié)構(gòu),具體可細(xì)分為前緣超剝帶、外來推覆系統(tǒng)、前緣沖斷帶和準(zhǔn)原地疊加系統(tǒng)4個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元(圖1c)[18-19],由此導(dǎo)致風(fēng)城組垂向疊置、卷入構(gòu)造面積近1 000 km2。哈山地區(qū)由于地層破碎復(fù)雜,特別是受逆沖推覆改造影響,地層對比、原始沉積環(huán)境以及巖相組合特征仍不明確。

2 樣品及研究方法

本文樣品主要來自哈山地區(qū)HSX1、HS11、HS1、HSX4、HQ6、HQ101、HQ23、HS5等井。由于鉆井取心有限且推覆帶地層破碎缺失等原因,巖石薄片來自各井不同層段;HSX1井完整鉆揭風(fēng)城組三段(P1f3),地層改造相對較弱,因此作為元素地球化學(xué)特征和古環(huán)境研究的主要對象連續(xù)系統(tǒng)取樣79件,進(jìn)行全巖礦物X衍射(XRD)、巖石熱解和元素地球化學(xué)等分析測試。其中XRD和巖石熱解分析實(shí)驗(yàn)均在中國石化石勘院無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)研究中心進(jìn)行,測試方法分別依據(jù)《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法:SY/T5163—2018》和《巖石熱解分析:GB/T 18602—2012》進(jìn)行;元素地球化學(xué)測試通過BrukerS1 TURBOSD X熒光光譜儀進(jìn)行。

3 巖相類型及沉積特征

3.1 巖石學(xué)、礦物學(xué)特征

風(fēng)城組巖性復(fù)雜多樣,整體表現(xiàn)為陸源碎屑、內(nèi)源化學(xué)沉淀和火山物質(zhì)為主的三元混合細(xì)粒沉積。其中陸源碎屑礦物主要為石英、鉀長石、斜長石和黏土礦物;內(nèi)源化學(xué)沉淀主要為方解石、白云石、鐵白云石以及部分黃鐵礦、菱鐵礦等還原指示性礦物和碳鈉鈣石、碳鎂鈉石、硅硼鈉石、純堿、石膏、芒硝等咸化堿化的指示性礦物;火山碎屑則主要為沉凝灰?guī)r和火山碎屑巖(圖2)。豐富多樣的巖石礦物組合表明風(fēng)城組的沉積環(huán)境和物質(zhì)來源復(fù)雜,整體表現(xiàn)為一個(gè)半封閉湖灣—咸化湖泊沉積大環(huán)境,伴隨頻繁的火山活動(dòng)。半封閉湖灣是該地區(qū)灰質(zhì)—云質(zhì)巖類發(fā)育的基礎(chǔ),咸化水體是鹽巖、堿性礦物沉積的條件,頻繁的火山活動(dòng)為水體帶來豐富的火山物質(zhì)。不同層段巖性差異較大,表明沉積環(huán)境發(fā)生過多期次的變化。

通過統(tǒng)計(jì)哈山地區(qū)鉆井風(fēng)城組巖性厚度比例發(fā)現(xiàn),縱向上,風(fēng)城組不同層段的礦物含量具有顯著差異。風(fēng)三段泥巖含量很高,砂礫巖含量大于20%,說明風(fēng)三段整體靠近陸源、處于山前淺水向深水過渡的沉積環(huán)境;風(fēng)二段砂礫巖、泥巖含量相對風(fēng)三段減少,而云質(zhì)、凝灰質(zhì)含量增多,表明風(fēng)二段整體處于封閉湖盆深水中下部;風(fēng)一段巖石泥巖含量占比很少,以云質(zhì)和凝灰質(zhì)成分為主體,指示風(fēng)一段整體處于近火山的淺水部分(圖3)。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組 不同層段巖石類型含量比例

3.2 巖相類型及分布

哈山—瑪湖地區(qū)成巖物質(zhì)復(fù)雜并具有獨(dú)特性,可以反映不同的沉積環(huán)境和物質(zhì)來源。根據(jù)風(fēng)城組巖礦特征,采用沉積構(gòu)造、粒度、巖石組分、火山灰含量和有機(jī)質(zhì)豐度相結(jié)合的“五組分三端元”的頁巖巖相劃分方法,其中巖石礦物組分是基礎(chǔ)巖相類型,主要反映巖石的沉積物質(zhì)來源,沉積構(gòu)造和有機(jī)質(zhì)含量輔助反映不同沉積物質(zhì)所對應(yīng)的沉積環(huán)境及其有機(jī)質(zhì)富集豐度,整合統(tǒng)一研究有利于明確三者之間的關(guān)系。

哈山地區(qū)風(fēng)城組整體為堿湖相混合細(xì)粒沉積,按照主要特征礦物含量,可以將其基礎(chǔ)巖相劃分為五大類,即火山巖—沉火山碎屑巖類、云/灰質(zhì)巖類、含堿性礦物巖類、砂/灰混積巖類和陸源碎屑巖類(圖4)。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組主要巖相類型、特征及縱向分布

(1)火山巖—沉火山碎屑巖類巖相主要巖性為玄武巖、安山巖等中基性火山巖,以及凝灰?guī)r和陸源碎屑混積的凝灰質(zhì)細(xì)粉砂巖等。玄武巖、安山巖等中—基性火山巖常發(fā)育氣孔—杏仁構(gòu)造,貧有機(jī)質(zhì),TOC含量通常小于0.2%。凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)細(xì)粉砂巖TOC含量相對較高,一般大于0.5%,為含有機(jī)質(zhì),塊狀構(gòu)造。此類巖相垂向上主要分布在風(fēng)一段下部和風(fēng)二段部分層位,表明風(fēng)城組沉積早期火山活動(dòng)較頻繁,湖體水深相對較淺,是一種近火山沉積。

(2)云/灰質(zhì)巖類以泥質(zhì)白云巖為主,層理弱,以塊狀構(gòu)造為主,鏡下可見大量菱形狀微晶白云石;有機(jī)質(zhì)含量較高,不均勻分布,局部富集,TOC含量平均在0.7%～2.8%左右。此類巖相廣泛發(fā)育在風(fēng)二段,風(fēng)一段和風(fēng)三段局部地區(qū)也有發(fā)育,表明風(fēng)二段沉積環(huán)境發(fā)生改變,火山活動(dòng)減弱,水體相對咸化,以化學(xué)沉淀為主。

(3)含堿性礦物巖類的典型特征是含有反映堿湖沉積的指示性礦物,如碳鈉鈣石、碳鎂鈉石、碳?xì)溻c石、天然堿等堿礦以及與熱液、堿湖伴生沉積的硅硼鈉石。巖心和鏡下顯示,堿性礦物不均勻狀、條帶狀分布于凝灰質(zhì)、泥質(zhì)中形成塊狀或?qū)訝詈屹|(zhì)含堿性礦物泥巖,含有機(jī)質(zhì),TOC含量0.47%～0.87%左右。此類巖相縱向上主要分布在風(fēng)二上段,表明風(fēng)二段沉積末期水體進(jìn)一步局限化,鹽度進(jìn)一步增加而發(fā)生堿化;平面上,哈山西段HS11、HSX1和哈山中段HS5等鉆井中該巖類均有大量發(fā)育,反映現(xiàn)今處于盆緣的哈山地區(qū)在風(fēng)城組沉積期與瑪湖凹陷一致,處于湖盆中心。

(4)砂/灰混積巖類的典型特征是具有層狀、紋層狀的沉積構(gòu)造,鏡下顯示灰泥和富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)不等厚互層狀分布,泥質(zhì)中見細(xì)小石英、長石等陸源碎屑顆粒,有機(jī)質(zhì)含量較高。此類巖相縱向上主要分布在風(fēng)二上段和風(fēng)三下段,反映風(fēng)二段沉積末期和風(fēng)三段沉積早期水體鹽度下降以及陸源碎屑輸入的增多。

(5)陸源碎屑巖類主要為細(xì)粒粉—細(xì)砂巖、含灰砂質(zhì)泥頁巖等,陸源碎屑供給充足,內(nèi)源化學(xué)沉淀明顯減少,通常具有層狀、紋層狀沉積構(gòu)造;鏡下可見明顯的石英、長石碎屑顆粒,有機(jī)質(zhì)含量較高,局部見有機(jī)質(zhì)和炭屑富集,縱向上主要分布在風(fēng)三段。

4 古環(huán)境演化

4.1 沉積地層元素地球化學(xué)特征

早期的沉積環(huán)境研究主要根據(jù)地層中的原生沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及所含化石來判斷不同沉積時(shí)期的沉積環(huán)境。隨著沉積地球化學(xué)的發(fā)展,目前利用碳氧同位素、常量元素、微量元素對沉積環(huán)境的判斷已進(jìn)入精細(xì)的研究與評價(jià)階段,從湖泊類型到古水深、古氣候、古鹽度、古氧化還原環(huán)境等方面既可以定性解釋,也可以在一定程度上定量評價(jià)。特別是對于烴源巖而言,元素地球化學(xué)不僅可判斷其沉積環(huán)境,也可通過分析烴源巖元素組成,判斷其是否為富營養(yǎng)水系,進(jìn)而達(dá)到判斷是否發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖的目的。

4.1.1 古鹽度

含鹽度的高低可以很好地反映水體當(dāng)時(shí)的古環(huán)境特點(diǎn),對有機(jī)質(zhì)的富集及保存具有重要影響。Sr/Ba比值分析法目前是表征水體鹽度應(yīng)用最為廣泛的指標(biāo)[24-26]。一般認(rèn)為,Sr/Ba>1為海洋咸水沉積環(huán)境,Sr/Ba<0.5為淡水沉積環(huán)境,Sr/Ba值在0.5～1之間為半咸水沉積環(huán)境[27]。陳洪德等[28]對鄂爾多斯盆地進(jìn)行相關(guān)研究,認(rèn)為當(dāng)Sr/Ba>0.8時(shí)為海水,Sr/Ba在0.5～0.8范圍為混合水,Sr/Ba<0.5為淡水。Rb/K2O比值也常用來指示沉積環(huán)境古鹽度,由于Rb和K元素含量不在同一數(shù)量級,因此計(jì)算Rb/K2O比值時(shí)需將Rb元素含量擴(kuò)大1 000倍進(jìn)行判別:大于6為咸水沉積環(huán)境,4～6為微咸水沉積環(huán)境,小于4為淡水沉積環(huán)境[29]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,哈山西段典型井HSX1縱向上鹽度有較大變化,在風(fēng)一段至風(fēng)二段中部Sr/Ba值和Rb/K2O值較低,風(fēng)二段中上部之后鹽度指示指標(biāo)逐漸增大,在風(fēng)三段下部達(dá)到最大值后又逐漸下降(圖5),指示風(fēng)城組沉積水體鹽度具有淡—偏咸—咸—偏淡的演化過程。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)HSX1井二疊系風(fēng)城組元素地球化學(xué)特征與沉積古環(huán)境演化

4.1.2 古氣候

MgO/CaO比值是古氣候的有效判別指標(biāo):在鉀鹽、鈉鹽等易溶性鹽類參與沉淀的情況下,MgO/CaO的低值指示干熱氣候,高值指示潮濕氣候[30-31]。Rb在風(fēng)化作用中相對穩(wěn)定,而Sr則較易遭受淋濾散失。氣候濕潤時(shí)降水多、風(fēng)化較強(qiáng)烈,Sr容易流失,使Rb/Sr值升高;氣候干旱時(shí)降水較少、風(fēng)化強(qiáng)度相對降低,母巖中殘留更多的Sr,使Rb/Sr值變低。因此,Rb/Sr高值指示濕潤氣候,低值指示干旱氣候[29,32]。Sr/Cu比值對古氣候的變化有靈敏的指示作用,其值越大反映氣候越干旱炎熱,反之則溫暖潮濕[33-34]。

哈山西段HSX1井縱向上古氣候指標(biāo)變化規(guī)律與古鹽度指標(biāo)基本一致,在風(fēng)一段至風(fēng)二段中部變化不大,Sr/Cu值相對較小,變化不大,MgO/CaO值和Rb/Sr值相對較大,反映處于相對偏濕潤—半干旱氣候。風(fēng)二段中上部之后3個(gè)指標(biāo)都有較明顯變化,Sr/Cu值明顯增大,MgO/CaO值和Rb/Sr值相對降低,反映此階段氣候逐漸干旱。風(fēng)三段底部之上Sr/Cu值又逐漸降低,MgO/CaO值和Rb/Sr值相對增大,反映風(fēng)三段沉積中后期氣候由干旱轉(zhuǎn)向濕潤(圖5)。氣候整體具有偏濕潤—半干旱—干旱—偏濕潤的演化過程。

4.1.3 古水深

Mn在湖水中常以Mn2+穩(wěn)定存在,只有當(dāng)湖水強(qiáng)烈蒸發(fā)而使Mn2+濃度飽和時(shí)才會(huì)大量沉淀,從而在巖石中顯示高值。Fe在潮濕環(huán)境中易以Fe(OH)3膠體快速沉淀,所以Fe/Mn高值指示濕潤深水環(huán)境,低值指示干旱淺水環(huán)境[35]。Fe和Al均在陸源碎屑巖中含量較高,其在泥巖中隨碳酸鹽礦物的富集而減少,反映淡水陸相沉積;而Ca和Mg主要賦存于碳酸鹽巖中,特別是Mg離子主要因白云巖或堿性礦物的形成而富集,因此主要反映蒸發(fā)咸化的沉積環(huán)境。所以(Al+Fe)/(Ca+Mg)高值指示深水淡水沉積,低值指示干旱淺水環(huán)境。

哈山西段HSX1井縱向上古水深指標(biāo)變化規(guī)律與古鹽度、古氣候基本一致,風(fēng)一段Fe/Mn值和(Al+Fe)/(Ca+Mg)值較高,反映水體較淺,到風(fēng)二段指標(biāo)增大,指示水體加深,風(fēng)二中上段指標(biāo)逐漸減小,在風(fēng)二段頂和風(fēng)三段底達(dá)到最小,水體達(dá)到相對最淺,此后風(fēng)三中上段指標(biāo)逐漸增大,反映水體又逐漸變深(圖5)。古水深整體具有較淺—較深—淺—較深的演化過程。

值得說明的是,哈山地區(qū)其他鉆井如HS11、HS5等井,雖然風(fēng)城組地層有缺失或者重復(fù)、沉積環(huán)境指標(biāo)的絕對值具有差異,但在相同層位具有相似的增減變化趨勢,在縱向上具有較好的可比性,表明風(fēng)城組縱向上沉積環(huán)境的演化規(guī)律的普遍性。

4.2 烴源巖特征及有機(jī)質(zhì)富集因素

對比哈山地區(qū)和瑪湖地區(qū)典型烴源巖特征可以看出,瑪湖地區(qū)(MY1井)風(fēng)城組烴源巖TOC含量為0.2%～1.81%,其中風(fēng)三段、風(fēng)二段、風(fēng)一段平均值分別為0.40%,0.93%,0.77%;生烴潛量(S1+S2)為0.16～18.74 mg/g,其中風(fēng)三段、風(fēng)二段、風(fēng)一段平均值分別為1.22、4.61、4.11 mg/g,整體評價(jià)為中等傾油型烴源巖,風(fēng)二段相對品質(zhì)最好(圖6a)。氫指數(shù)(IH)與最高熱解峰溫(Tmax)交會(huì)圖(圖6b)顯示,瑪湖地區(qū)風(fēng)城組有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1—Ⅱ2型,Tmax值介于406～460 ℃,反映較低的熱演化程度。其中埋藏較深的風(fēng)一段平均Tmax值為430 ℃,小于埋藏較淺的風(fēng)二段(平均Tmax值為434 ℃)和風(fēng)三段(平均Tmax值為444 ℃),這種異常指示瑪湖地區(qū)風(fēng)城組頁巖中存在大量滯留烴,使得實(shí)測Tmax值低于真實(shí)值[36-38],推測這也是風(fēng)一段、風(fēng)二段生烴潛量偏高、顯得源巖更“傾油”的原因,實(shí)際熱演化程度應(yīng)達(dá)到成熟階段。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地哈山—瑪湖地區(qū)二疊系風(fēng)城組烴源巖評價(jià)的TOC—(S1+S2)圖版(a)和IH—Tmax圖版(b)

哈山地區(qū)(HSX1和HS11井)風(fēng)一段和風(fēng)二段烴源巖TOC含量主體為0.50%～2.91%,生烴潛量為0.73～13.69 mg/g;而風(fēng)三段烴源巖非均質(zhì)性較強(qiáng),TOC含量為0.23%～6.08%,生烴潛量為0.11～55.1 mg/g,整體評價(jià)為中等—好烴源巖。其中哈山地區(qū)風(fēng)二段和部分風(fēng)三段樣品在相同TOC下生烴潛量較瑪湖地區(qū)低,偏向傾氣型源巖;而風(fēng)一段和部分風(fēng)三段樣品TOC含量和生烴潛量均較瑪湖地區(qū)高,指示更高的生烴潛力并且可能存在大量滯留烴(圖6a)。氫指數(shù)與最高熱解峰溫交會(huì)圖(圖6b)顯示,哈山地區(qū)風(fēng)城組有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型,其次是Ⅰ型和Ⅲ型,反映其生烴母質(zhì)來源的多樣性。

優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成主要受控于三方面因素,即生產(chǎn)力、保存條件和碎屑輸入量(稀釋程度),進(jìn)而可以劃分為“生產(chǎn)力模式”烴源巖或“保存模式”烴源巖[39-41]。通過對沉積環(huán)境指示指標(biāo)與TOC含量的相關(guān)關(guān)系研究,初步明確了哈山地區(qū)沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)富集的影響。結(jié)果顯示,風(fēng)一段和風(fēng)二段烴源巖主要分布在淡水—半咸水、潮濕—半干旱以及低碎屑輸入的深水環(huán)境;而風(fēng)三段由于進(jìn)入陸相三角洲沉積,沉積環(huán)境變化較快,環(huán)境指示指標(biāo)分布較廣,整體上環(huán)境與風(fēng)一段和風(fēng)二段有較大差異,TOC含量相對降低(圖7)?？偟膩碚f,哈山地區(qū)TOC與古鹽度指標(biāo)Sr/Ba、古氣候指標(biāo)Sr/Cu、碎屑輸入量指標(biāo)Ti/Al[42]有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與古水深指示指標(biāo)Fe/Mn有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖7),表明碎屑輸入少、溫暖濕潤、鹽度相對較小的深水環(huán)境更有利于有機(jī)質(zhì)富集。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)富集的影響

4.3 沉積演化模式及地質(zhì)意義

哈山地區(qū)風(fēng)城組垂向巖相演化和元素地球化學(xué)特征表明,風(fēng)城組為典型咸化堿湖多源混合細(xì)粒沉積建造,發(fā)育多種巖相組合,水體古鹽度、古氣候、古水深具有協(xié)同演化趨勢,垂向上可劃分為5個(gè)演化階段(圖8):第1階段為風(fēng)一段沉積早期,湖平面相對較低,氣候半干旱,陸源碎屑供應(yīng)較少,火山碎屑—沉火山碎屑巖發(fā)育。第2階段為風(fēng)一段沉積晚期,湖平面升高,氣候偏潮濕,火山物質(zhì)提供營養(yǎng)鹽,湖盆中心富有機(jī)質(zhì)暗色泥巖發(fā)育,整體均為淡水—低鹽度沉積組合階段。第3階段為風(fēng)二段沉積早期,氣候轉(zhuǎn)為半干旱,湖平面降低,水體鹽度逐漸增加,以層/塊狀云灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)白云巖沉積為主,為初成堿階段。第4階段為風(fēng)二段沉積晚期和風(fēng)三段沉積早期,湖盆萎縮、氣候相對更干旱、鹽度進(jìn)一步增加形成堿湖,環(huán)境更局限,沉積形成典型堿性礦物,為強(qiáng)成堿階段。咸化環(huán)境使水體分層更明顯,有機(jī)質(zhì)保存更好,發(fā)育紋層狀富有機(jī)質(zhì)頁巖。第5階段為風(fēng)三段沉積中晚期,湖平面再次升高,氣候相對濕冷,鹽度降低,為堿消亡階段。黏土礦物從風(fēng)一段—風(fēng)二段—風(fēng)三段逐漸增高,指示陸源碎屑物質(zhì)逐漸增多,粒度變大,發(fā)育扇三角洲體系。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地哈山—瑪湖地區(qū)二疊系風(fēng)城組沉積演化模式示意

對比前人[5,12]對瑪湖凹陷風(fēng)城組研究成果,可以看出哈山地區(qū)沉積環(huán)境演化與瑪湖凹陷高度相似。典型堿性礦物的發(fā)育指示風(fēng)城組沉積期哈山地區(qū)與瑪湖凹陷均處于湖盆中心范圍,而并非以往認(rèn)識的湖盆邊緣。廣泛分布的火山碎屑和硅硼鈉石反映頻繁的火山活動(dòng)和熱液活動(dòng)[43],指示早二疊世盆地西北緣可能仍處于拉張的構(gòu)造背景,進(jìn)一步證實(shí)其伸展裂陷的盆地原型屬性[23,44],而非以現(xiàn)今哈山為邊界的前陸盆地;盆地邊界和有利烴源巖分布范圍向北大范圍拓展,風(fēng)城組古沉積相圖和資源潛力可能需要進(jìn)一步研究確定。

5 結(jié)論

(1)哈山地區(qū)風(fēng)城組巖性復(fù)雜,整體表現(xiàn)為陸源碎屑、內(nèi)源化學(xué)沉淀和火山物質(zhì)為主的三元混合細(xì)粒沉積,可分為火山巖—沉火山碎屑巖類、云/灰質(zhì)巖類、含堿性礦物巖類、砂/灰混積巖類以及陸源碎屑巖類等五大類基礎(chǔ)巖相。其中火山巖—沉火山碎屑巖類主要分布在風(fēng)一段下部和風(fēng)二段部分層位,云/灰質(zhì)巖類廣泛發(fā)育在風(fēng)二段,含堿性礦物巖類主要分布在風(fēng)二上段,砂/灰混積巖類主要分布在風(fēng)二上段和風(fēng)三下段,陸源碎屑巖類主要分布在風(fēng)三段。

(2)風(fēng)城組沉積水體古鹽度、古氣候、古水深具有協(xié)同演化趨勢,垂向上可劃分為5個(gè)演化階段。第1～2階段為淡水—低鹽度階段;第3階段鹽度逐漸增加,為初成堿階段;第4階段鹽度最高,為強(qiáng)成堿階段;第5階段鹽度降低,為堿消亡階段。

(3)哈山地區(qū)風(fēng)城組沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)富集具有控制作用,總體上,碎屑輸入少、溫暖濕潤、鹽度相對較小的深水環(huán)境更有利于有機(jī)質(zhì)富集。

(4)哈山地區(qū)風(fēng)城組巖相組合特征及古沉積環(huán)境演化序列與瑪湖凹陷高度相似,風(fēng)二段典型成巖礦物的出現(xiàn)表明哈山地區(qū)發(fā)育除瑪湖凹陷外的另一湖盆中心,證實(shí)其伸展裂陷的盆地原型屬性;同時(shí)拓展了盆地邊界和有利烴源巖分布范圍,堅(jiān)定了哈山探區(qū)尋求頁巖油勘探突破的信心。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’ Contributions

王斌和熊偉參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);李振明完成實(shí)驗(yàn)操作;宋梅遠(yuǎn)和孫中良參與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析;于洪洲和周健參與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化;李振明和宋振響參與論文寫作和修改;吳小奇參與論文修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by WANG Bin and XIONG Wei. The experimental operation was completed by LI Zhenming. The experimental data were organized and analyzed by SONG Meiyuan and SUN Zhongliang. YU Hongzhou and ZHOU Jian participated in the visualization of the experimental results. The manuscript was drafted and revised by LI Zhenming and SONG Zhenxiang. WU Xiaoqi participated in the revision of paper. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.