雪峰山西側上奧陶統五峰組烴源巖特征及油氣地質意義

楊 平 謝 淵 王傳尚 王先輝 劉早學

1．成都地質調查中心 2．武漢地質調查中心 3．湖南省地質調查院 4．湖北省地質調查院

近幾年我國南方海相油氣勘探成果進一步揭示了南方下組合良好的勘探前景，目前對雪峰山西側地區的下古生界烴源巖研究工作中有效烴源巖的發育及空間分布的認識，主要是基于有限的剖面和少量盆地內鉆井巖心剖面，尚缺乏詳細的大比例尺地面油氣地質調查所提供的豐富資料進行精細刻畫，因此，對該區下古生界有效烴源巖的識別和評價標準、厚度和分布、生排烴史和成烴資源潛力分析等仍需探索，對古生界有效烴源巖對現今油氣藏的貢獻仍需探討［1］。前人對五峰組研究主要集中在地層、古生物、層序地層學、生態相、沉積環境以及地球化學等方面，而對其烴源巖特征及分布規律等方面所做工作相對較少。五峰組在研究區主要分布在上揚子東南緣、湘鄂西、黔北及黔東等地區，對出露較好較完整的剖面視巖性和露頭情況對其按一定的等間距（2～5m間距，個別較薄層段間距為1m）進行了系統采樣，各項測試由中國科學院廣州地球化學研究所及中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院分析實驗中心完成。筆者通過有機地球化學分析結果，探討了該區五峰組烴源巖的生烴潛力及其分布規律、有機質類型、沉積環境及有機質成熟度等。

1 地質概況

研究區大致為長江中上游重慶—萬州—宜昌段東南側的齊岳山與雪峰山之間的區域，地質上處于中國南方四川盆地東南邊緣與雪峰山構造帶之間的過渡帶（圖1），該區寒武紀—早奧陶世接受了被動大陸邊緣海相沉積，中奧陶世—早志留世沉積受加里東晚期構造運動的控制。上奧陶統上部的五峰組廣泛發育于揚子區和江南區，厚度不大但橫向分布相當穩定，一般僅數米，個別地區達數十米，主要巖性為黑色筆石頁巖和放射蟲硅質巖［2］。五峰組沉積時期的古地理格局可分為2個隆起、1個盆地。2個隆起分別為湘西—黔中隆起和川中隆起，1個盆地為中上揚子統一的前陸坳陷盆地。

圖1 研究區范圍及采樣位置圖

2 有機質豐度與烴源巖分布規律

奧陶系五峰組烴源巖分布主要受控于該時期沉積環境，烴源巖主要發育位置為深水陸棚或次深海盆地，沉積時不同古地理位置烴源巖厚度及有機質含量有所差異。五峰組沉積時期主要受雪峰隆起及黔中隆起共同控制，該時期準前陸盆地具有向陸一側遷移特征，該機制控制了黑色頁巖的分布規律，在平面上形成一系列的“溝壟”特征，黑色頁巖厚度分布及有機質含量具有以下規律：①平面上呈溝壟平行且受前陸盆地遷徙控制，并與前陸盆地長軸方向平行；②根據黑色頁巖厚度（圖2）可劃分3個厚度較大的區域分別為石柱—南川—桐梓（A帶）、鶴峰—咸豐—秀山（B帶）、桃源—安化—靖州（C帶）；③有機質含量較高的區域主要為石柱—南川—習水一線，該區距離川中隆起及黔中隆起均較遠，是五峰組沉降中心，水體深度相對較深，有利于有機質保存，該區域與五峰組沉積厚度較大的地區石柱—南川—桐梓一線基本吻合（圖3）。

圖2 五峰組黑色頁巖厚度等值線圖

圖3 五峰組黑色頁巖有機碳含量等值線圖

A帶如石柱漆遼五峰組為一套深水陸棚相黑色硅質巖及頁巖，厚9．5m，總有機碳含量（TOC）介于2．28%～6．15%，平均為4．57%，氯仿瀝青“A”含量介于28～690μg／g，生烴潛能（S1＋S2）介于0．02～0．06 mg／g。道真平勝黑色硅質巖及頁巖厚度為6．8m，TOC介于3．00%～4．71%，平均值為4．07%，氯仿瀝青“A”含量介于14～1 634μg／g，平均為978μg／g，（S1＋S2）介于0．01～0．05mg／g。B帶如秀山地區五峰組黑色頁巖厚度較石柱地區要大，但其有機質含量相對較低，如季溝樹黑色硅質巖及頁巖厚13．5m，TOC介于1．35%～3．53%，平均為2．63%，氯仿瀝青“A”含量為117μg／g，（S1＋S2）介于0．02～0．07mg／g。回星哨硅質頁巖及黑色頁巖TOC介于2．12%～3．26%，平均為2．52%。C帶具有最大的黑色頁巖厚度，普遍大于10m，桃源及靖州等地頁巖厚度可達20 m，有機質含量亦較高，如安化存糧沖TOC介于1．42%～3．48%，平均為2．13%（表1）。

綦江觀音橋與習水土河同處于A帶以西，黑色頁巖厚度介于2．1～2．7m，與A、B及C帶相比黑色頁巖厚度總體較薄，缺少硅質巖沉積，表明沉積水體相對較淺，但有機質含量仍然保持較高的水平，如綦江觀音橋TOC介于5．03%～9．79%，平均值為8．40%，氯仿瀝青“A”含量61μg／g，（S1＋S2）為0．30mg／g，習水土河TOC介于1．68%～3．94%，表明該區五峰組黑色頁巖有機質含量不僅與沉積水體深度有關，還有沉積時母質來源及有機質產力有關。

表1 研究區五峰組烴源巖有機地球化學特征表

縱向上道真平勝、秀山季溝樹及秀山回星哨等地TOC由下至上逐漸增加，至五峰組頂部為最大值，如道真平勝底部的TOC最小值為1．35%，而頂部的TOC最大值達3．53%，在巖性上底部為1．63m黑色粉砂質頁巖，上部為黑色硅質頁巖，反映水體逐漸由淺變深的盆地演化過程。

上述數據表明研究區五峰組具有有機質豐度較高、較高氯仿瀝青“A”含量及低產烴潛量特征，反映烴源巖成熟度較高，是研究區非常有利的一套烴源巖。

3 有機質類型與沉積環境

奧陶系五峰組烴源巖干酪根顯微組成分析結果表明，以腐泥組占優勢，含量介于70%～93%，平均為81．1%；其次為瀝青組，含量介于7%～26%，平均為18．1%；與震旦系和寒武系干酪根顯微組分不同的是開始出現少量的鏡質組和惰質組（表2）。該特征可能與奧陶紀晚期維管陸地植物（裸蕨植物門）的出現有關（Zimmermann W，1969）。

表2 五峰組顯微組分含量表

各剖面有機顯微組成特征如下：石柱漆遼顯微組分以腐泥組占優勢，含量為70%～80%，次為瀝青組，含量為19%～26%，鏡質組含量為0～2%，惰質組含量為0～5%，不含殼質組；道真平勝顯微組分以腐泥組占優勢，含量為71%～90%，次為瀝青組含量為10%～23%，鏡質組含量為0～2%，惰質組含量為0～4%，不含殼質組。秀山季溝樹顯微組分腐泥組含量為75%～85%，瀝青組含量為17%～25%，不含殼質組、鏡質組和惰質組。秀山回星哨顯微組分腐泥組含量為76%～90%，瀝青組含量為10%～21%，不含殼質組、鏡質組和惰質組。上述分析表明五峰組烴源巖顯微組分以腐泥組為主，次為瀝青組，部分地區含少量的鏡質組與惰質組，類型指數TI為89～100，均為腐泥型有機質。

氯仿瀝青“A”中族組分質量分數多表現為飽和烴＞非烴＞芳烴（表3），這種高飽和烴、高非烴和低芳烴的族組分分布特征被認為是以富含類脂化合物和蛋白質低等水生生物為來源的腐泥型有機質的特點，其飽和烴與芳香烴的比值可用來判識生油巖類型，比值大于3為腐泥型生油巖，比值在0．5～0．8之間為腐殖型生油巖，混合型生油巖則介于腐泥型與腐殖型之間［3］。所有樣品比值為0．91～6．07（平均為3．50），其中石柱漆遼比值為1．97～6．07（平均為4．04），道真平勝比值為2．60～5．00（平均為3．80），秀山季溝樹—回星哨比值為2．75～4．0（平均為3．38）。上述數據反映五峰組烴源巖為腐泥型生油巖，而且反映五峰組沉積時期各地具有相似的沉積母質類型與沉積環境。

表3 五峰組烴源巖族組成參數表

黃汝昌（1997）研究表明各種生物體中δ13Corg值具有不同的特征，海生藻類δ13Corg介于－17‰～－28‰，海洋浮游生物脂肪質具有較低的δ13Corg值（－24‰～－34‰），海洋性自養菌具有最低的δ13Corg值（－34‰～－36‰）。黃第藩根據我國陸相生油巖干酪根碳同位素的大量資料，曾提出用δ13C＝－26‰和δ13C＝－27．5‰作為區分腐殖型、混合型、腐泥型干酪根的2個指標界限。而梁狄剛［4］則將海相混合型與腐泥型干酪根的δ13Corg界限值調整為－29‰。五峰組干酪根δ13Corg主要集中在－32‰～－28‰，且δ13Corg與有機碳含量無明顯相關性。因此，五峰組以腐泥型有機質為主，個別為偏腐泥混合型有機質（圖4），反映沉積母質以藻類及浮游生物為主。

圖4 研究區各層位δ13Corg與TOC關系圖

圖5 烴源巖正構烷烴同位素值變化圖

綦江觀音橋和華鎣溪口烴源巖正構烷烴碳同位素具有不同的特征（圖5），前者在C19和C20有一個明顯變輕的現象，后者在C17～C31區間均有從低碳數到高碳數δ13Corg向右傾斜的趨勢，即隨著碳數的增加δ13Corg逐漸變輕。這是由于隨著熱演化程度的增加，相對δ13Corg較輕的高碳數正構烷烴可能存在的裂解使得正構烷烴單體碳同位素組成明顯富集13C。熊永強的研究表明［5］，烴源巖生烴初期，液態正構烷烴主要來自干酪根的初次裂解，它們的碳同位素組成不論是在排出油中還是在殘留油中，隨溫度的變化都不明顯呈現較相似的分布特征，在生烴高峰期早期形成的瀝青質和非烴等組分的二次裂解以及高碳數正構烷烴可能存在的裂解，使得正構烷烴單體碳同位素組成明顯富集13C，尤其在高碳數部分呈現出較大的差異。華鎣溪口正構烷烴碳同位素在C17～C28區間明顯較綦江觀音橋重0．37‰～3．64‰，平均為1．65‰，差別最大出現在C20～C22之間，因此，上述數據表明兩地黑色頁巖不僅處于高成熟生烴高峰期間，而且隨著成熟度增加，其正構烷烴碳同位素值明顯變重（圖5）。烴源巖中五環三萜烷＞三環萜烷＞四環萜烷，其中三環萜烷中C19相對豐度較低，以C23豐度最高，C23TT／C30藿烷比值為0．19～2．99，C21、C23、C24呈倒“V”字形分布，一般認為三環萜烷的這種分布特征與咸水環境有關，同時也表明了菌藻類等低等生物輸入的標志。γ－蠟烷指數為0．11～0．19，表明有機質沉積時水體鹽度較高，有機質母源可能為菌藻類等低等浮游生物。C27甾烷含量為29%～37%，平均值33%，C29甾烷含量普遍高于C27甾烷，含量為34%～43%，表現為C29含量＞C27含量＞C28含量，C27甾烷／C29甾烷比值為0．67～1．10。這種分布模式代表了低等水生生物，特別是藻類（褐藻）對有機質母質的影響［6］。

Peters和 Moldowan（1993）認為低 Pr／Ph比值（＜0．6）指示沉積環境為缺氧的而且通常是超鹽環境，而當Pr／Ph＞3時指示弱氧化—氧化條件下的陸源有機質的輸入，樣品檢測出大多數樣品Pr／Ph＜1（表4），Pr／Ph比值范圍介于0．31～0．86，平均值為0．52，因各地沉積環境不同其樣品Pr／Ph有所差別，較深水地區如A帶道真平勝Pr／Ph為0．38～0．57，石柱漆遼Pr／Ph為0．52～0．59，表明該區沉積環境為缺氧的超鹽環境。A帶以西如華鎣山溪口和綦江觀音橋的Pr／Ph比值較高為0．77～0．86，反映水體深度和還原強度不如A帶。據研究表明姥值比Pr／Ph＜1，母質沉積的水體屬于還原環境，此時若芳烴參數（DBT／P）＜1，代表海相或湖相泥頁巖沉積（2區），若1＜DBT／P＜3為海相碳酸鹽巖（泥灰巖）沉積（1B區），而若DBT／P＞3為海相碳酸鹽沉積（1A 區）［7］，研究發現以觀音橋和溪口為代表樣品DBT／P值均小于1，為0．02～0．08，代表為海相泥頁巖沉積。

表4 五峰組烴源巖生物標志化合物類型指標表

4 有機質熱演化成熟度

五峰組樣品干酪根有機顯微組分中瀝青組含量介于7%～26%，瀝青組含量豐富，瀝青反射率Rb介于1．91%～3．57%，平均為2．75%。根據劉德漢經驗公式（Ro＝0．668Rb＋0．346）［8］換算為等效鏡質體反射率（Ro等效）介于1．37%～2．73%，平均為2．14%，大部分樣品達到高成熟階段，部分為過成熟階段。干酪根原子比，尤其是H／C是隨著熱演化程度的增高而減少，對同種母質類型的干酪根未成熟—成熟階段H／C＞1．0，高成熟階段 H／C介于1．0～0．5，過成熟階段H／C＜0．5。華鎣溪口五峰組 H／C介于0．58～0．81，平均0．61，綦江觀音橋五峰組 H／C介于0．52～0．65，平均為0．60，反映樣品處于高成熟階段。

甲基菲中1MP和9MP比2MP和3MP的熱穩定性小，隨著成熟度的增加，1MP和9MP會轉化為更穩定的2MP和3MP，因此，可以用幾種化合物的相對含量表示成熟度的變化。通過計算甲基菲指數MPI1值［9］，當Rm≥1．35，采用公式經驗公式Rc＝0．60×MPI1＋0．40［10］大致可以計算華鎣溪口五峰組有機成熟度Rc為1．74%，綦江觀音橋Rc為1．73%。通過計算F1值［F1＝（2MP＋3MP）／（1MP＋2MP＋3MP＋9MP）］，采用公式Ro＝－0．166＋2．242×F1計算的Ro值比Rc值略低，分別為1．59%及0．94%。MDR是一種有效的成熟度參數（Chkhmakhchev A，1994），成熟烴源巖或油 MDR值為2．5左右，過成熟達到15．4，MDR分別為0．61及15．11（表5）。上述數據表明華鎣溪口和綦江觀音均未達到過成熟階段，且前者成熟度略高于后者，該結論與單體烴同位素表現特征是基本一致的。

表5 五峰組芳烴生物標志物參數表

5 結論及油氣地質意義

1）五峰組黑色頁巖厚度分布及有機質含量具有以下規律：①平面上呈溝壟平行且受前陸盆地遷徙控制并與前陸盆地長軸方向平行；②3個厚度較大的區域分別為石柱—南川—桐梓、鶴峰—咸豐—秀山、桃源—安化—靖州；③有機質含量較高的區域主要為石柱—南川—習水一線；④縱向上大多數剖面有機碳含量由下至上逐漸增加，反映水體逐漸由淺變深的盆地演化過程。

2）有機顯微組成分析、干酪根δ13Corg及生物標志物分析表明該研究區五峰組黑色頁巖機質類型以腐泥型有機質為主，個別為偏腐泥混合型有機質，烴源巖母質形成于具有一定鹽度的海水中，母質來源為菌藻類等低等浮游生物，總體為較強的還原環境且各地水體深度有所差異。

3）等效鏡質體反射率為1．37%～2．73%，H／C為0．52～0．65，大部分樣品達到高成熟階段，部分為過成熟階段。根據芳烴參數計算華鎣溪口和綦江觀音橋Rc、Ro及 MDR 分別為1．74%、1．59%、15．11和1．73%、0．94%、0．61，這種不同成熟度的烴源巖其正構烷烴碳同位素明顯具有不同的特征，研究表明隨著成熟度增加華鎣溪口正構烷烴單體碳同位素在C17～C28區間較綦江觀音橋偏重明顯0．37‰～3．64‰。

4）揚子地塊及其周緣奧陶—志留系五峰組—龍馬溪組黑色—暗色含筆石頁巖，已被公認為是華南地區“下組合”海相地層中的“三大優質烴源巖”之一，研究五峰組烴源巖分布規律與特征，對于建立烴源巖與古油藏及現今油氣藏之間關系，厘定雪峰山西側地區生儲蓋組合、含油氣系統要素的確定及分布范圍均具有較大意義。由于奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組黑頁巖有機質含量較高，大多未達過成熟巖階段，頁巖氣資源潛力巨大，是目前中國南方頁巖氣勘探的有利區塊之一，因此，詳細研究五峰組烴源巖分布規律、有機質豐度、有機母質類型、沉積環境及有機質成熟度無論對下組合油氣勘探還是非常規頁巖氣的勘探均有重要意義。

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