川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖地球化學特征及地質意義

王純豪，韓 超，韓 梅3，鐘文健

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590； 2.海洋礦產資源實驗室 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266071； 3. 山東科技大學 電氣與自動化學院，山東 青島 266590)

近年來，我國海相油氣勘探在鄂爾多斯盆地東部、四川盆地西部及塔里木盆地中部等地區取得了重大突破[1]，引起了人們對低有機質豐度、高熱演化程度的海相碳酸鹽巖的關注，其能否作為有效烴源巖成為我國深層海相碳酸鹽巖層系油氣勘探的一個關鍵問題。Jarvie[2]系統分析了樣品在熱演化過程中有機碳含量的變化，認為有機質類型好的樣品到達高熱演化階段后，其有機碳含量最高可降低80%；霍志鵬等[3]通過對塔中地區低豐度碳酸鹽巖評價，認為過成熟階段有效烴源巖的有機碳含量下限值為0.15%。因此，對于高熱演化程度、低有機質豐度的碳酸鹽巖，不可否認其對油氣藏的貢獻。

川西坳陷海相層系因埋藏深且經歷多期構造活動的改造[4]，地質條件復雜，使得該地區海相層系油氣勘探程度較低，制約著對該地區海相層系烴源巖資源潛力的認識。隨著川西地區多口鉆井在雷口坡組陸續獲得高產工業性氣流，說明川西坳陷海相層系具有良好的油氣勘探潛力，但也存在明顯的源、藏不匹配問題[1]，四川盆地碳酸鹽巖層系油氣勘探探明的油氣儲量甚至超過了評價的油氣資源量，研究區深埋藏的高豐度海相烴源巖分布有限，不能合理解釋已探明的大量油氣。

前人對川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖有機地球化學特征及沉積相等方面做了大量的工作，取得了一系列研究成果。孫騰蛟等[4]認為四川盆地海相碳酸鹽巖層系相比其他幾大含油氣盆地，具有發育時間久、厚度大、層系多的特點；王彥青等[5]認為雷口坡組碳酸鹽巖熱演化程度高(Ro>2.0%)，有機質豐度整體較低，有機碳含量大于0.2%的樣品不足20%，小部分樣品有機碳含量大于0.5%可作為優質烴源巖；楊克明[6]認為雷口坡組碳酸鹽巖有機質類型好，具有較高的生烴轉化率，且樣品中的有機酸鹽具有較強的生烴能力；孫春燕等[7]認為雷口坡組發育碳酸鹽巖臺地相沉積體系，主要包含臺內灘、局限潮坪、潟湖等亞相。

雷口坡組高熱演化程度、低有機質豐度的碳酸鹽巖能否作為有效烴源巖，針對這一問題，謝剛平[8]通過對比天然氣地球化學特征及天然氣運移條件認為，雷口坡組天然氣來源除其他層系烴源巖外，還有部分來自雷口坡組碳酸鹽巖。本研究從碳酸鹽巖地球化學特征及沉積環境等方面對雷口坡組碳酸鹽巖進行綜合評價，探討其作為有效烴源巖的可能性，以期為研究區下一步油氣勘探提供參考。

1 地質背景

研究區位于揚子板塊西緣的龍泉山前陸隆起帶與龍門山沖斷帶之間，地理位置大致處于綿竹-新場-豐谷以南、大邑-成都以北的地區，包括5個構造區帶：安縣-鴨子河-大邑斷褶帶、梓潼凹陷、孝泉-豐谷構造帶、成都凹陷、知新場-龍寶梁構造帶[9](圖1)。中三疊世雷口坡期，四川盆地古構造活動強烈，隨著康滇古陸、龍門山島鏈相對下沉，以及江南古陸相對抬升并不斷向西北方向推進，造成龍門山與江南古陸之間相對擠壓，以致形成開江、瀘州古隆起，同時天井山古隆起再次隆升[10]。自此，西高東低的古地理格局得以改變，地形整體呈東高西低、南高北低的特征。

由于受到古陸與眾多古隆起的影響，川西坳陷逐漸形成半封閉的陸表海環境，發育多套以碳酸鹽巖-膏鹽巖為主的沉積旋回[11]。雷口坡組可劃分為四個巖性段[12]，除雷四段頂面受印支運動的影響遭受侵蝕外，總體保留較完整(圖2)。

研究區西部主要為臺地邊緣沉積，中東部主要為局限-蒸發臺地沉積[5](圖3)。其中，大邑-綿竹-江油一線發育臺緣灘亞相，主要巖性為生物碎屑白云巖、藻白云巖、泥晶白云巖等；綿陽-成都一線發育潮坪亞相，主要巖性為泥粉晶白云巖、膏質白云巖、泥質白云巖等。碳酸鹽巖層系厚約150～550 m[4]，一般為350～550 m，大邑-都江堰一帶厚度較大?？傮w上，川西坳陷中段較厚，南段次之，北段較薄(圖4)。

2 樣品采集與測試方法

實驗樣品來自龍深1井、羊深1井和鴨深1井巖心樣品，有機地球化學分析由任丘市邦達新技術有限公司完成，主、微量元素含量分析由武漢上譜分析科技有限責任公司完成。有機碳含量測定執行標準為GB/T 19145—2003，測試儀器為Leco碳硫測定儀；有機顯微組分與瀝青反射率測定執行標準分別為SY/T 5125—1996、SY/T 5124—1995，測試儀器為Axio Scope Al顯微光度計；微量元素含量測定執行標準為GB/T 14506.30—2010，測試儀器為Agilent 7700e質譜儀；主量元素含量測定執行標準為GB/T 14506.28—2010，測試儀器為ZSXPrimusⅡ光譜儀。

3 碳酸鹽巖有機地球化學特征

3.1 有機質類型

采用干酪根顯微組分類型判別法對川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖有機質類型進行表征。通過顯微觀察統計樣品中不同顯微組分的百分含量，依據類型指數TI的大小區分干酪根類型，Ⅰ型干酪根TI值大于80，Ⅱ1型干酪根TI值為40～80，Ⅱ2型干酪根TI值為0～40，Ⅲ型干酪根TI值小于0[13]。

分析結果如表1所示，除個別樣品未檢測到有機質外，其余樣品的有機質類型均為Ⅰ型。綜合前人研究成果認為研究區雷口坡組碳酸鹽巖有機質類型為Ⅰ-Ⅱ1型[4,6,8]，有機質類型好，生烴轉化率高。

3.2 有機質成熟度

川西坳陷中段雷口坡組樣品演化程度高、缺少鏡質體，但往往賦存固態瀝青。依據巖石中瀝青反射率與鏡質體反射率之間的關系，本研究通過測試樣品的瀝青反射率(Rb)，并將其轉化成等效鏡質體反射率(Ro)來判斷有機質的成熟度[14]。測試結果如表2所示，有效測試樣品中等效鏡質體反射率均大于2.0%。結合前人研究成果認為研究區雷口坡組碳酸鹽巖熱演化程度較高[4,6,8]，處于過成熟階段。

圖2 四川盆地中三疊統雷口坡組巖性 特征綜合柱狀圖[12]Fig. 2 Synthetical lithology histogram of gas fields of the Middle Triassic Leikoupo Formation in Sichuan Basin

圖3 研究區雷口坡組沉積相展布圖[5]Fig. 3 Sedimentary facies distribution of Leikoupo Formation in the study area

圖4 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖厚度圖[4]Fig. 4 Thickness map of Leikoupo Formation carbonate rocks in the central western Sichuan Depression

表1 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖有機質類型分析

表2 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖等效鏡質體反射率

3.3 有機質豐度

選取龍深1井、鴨深1井和羊深1井的11件碳酸鹽巖樣品進行有機碳含量測定，結果如圖5所示，有機碳含量為0.02%～0.19%，有機質豐度較低。前人[5-6]對研究區雷口坡組大量碳酸鹽巖樣品分析表明，若以0.2%作為過成熟階段海相烴源巖有機碳含量的下限值，測試樣品有機碳含量大于0.2%的比例約占25%，絕大部分樣品有機碳含量未達到有效烴源巖有機碳含量的下限值。分析認為這與烴源巖類型、熱演化程度相關，雷口坡組實測樣品有機碳含量表示的是烴源巖中剩余有機碳的含量，有機質在漫長的演化過程中持續地生烴和排烴作用，才導致烴源巖中有機碳的含量不斷降低。前人[2-3]通過自然演化剖面和熱模擬試驗分析表明碳酸鹽巖有機碳含量隨熱演化程度的加深而不斷減少，有機質類型越好，有機碳含量下降幅度也越大，最大下降幅度約60～80%。霍志鵬等[3]認為有效烴源巖的生烴潛力隨熱演化程度的加深呈先增加后減小的特征，隨著烴源巖生烴量的增加，當滿足烴源巖最大殘留烴量時開始向外排烴，稱這個臨界點為排烴門限。低豐度的碳酸鹽巖初始生烴量相對較少，到達排烴門限也相對較晚，取排烴量為零時的有機碳含量為有效烴源巖有機碳含量下限值，并通過繪制演化剖面得出過成熟階段有效烴源巖的有機碳含量下限值為 0.15%。

圖5 川西坳陷中段雷口坡組碳酸鹽巖TOC值Fig. 5 TOC content of Leikoupo Formation carbonate rocks in the central western Sichuan Depression

孫敏卓等[15]通過紅外光譜法、氣相色譜/質譜聯用和熱重/差熱等技術證實碳酸鹽巖中普遍存在有機酸鹽。碳酸鹽巖中有機質在熱演化過程中生成的有機酸與堿性礦物發生反應生成有機酸鹽，有機酸鹽熱穩定性高，具有很高的生烴轉化率，可作為重要的再生烴源[1,16]。傳統的有機碳測定方法往往忽略了有機酸鹽這一烴源，測定時不僅除去了樣品中的無機碳，還造成大量的有機酸鹽流失，以致所測的有機碳含量偏低。泥質烴源巖中富含的有機酸鹽含量較低，測定時有機酸鹽的流失對其有機碳含量影響很小，但對于低有機質豐度的碳酸鹽巖而言，流失的有機酸鹽所含的有機碳在總有機碳中占有較大比例，測定時對其有機碳含量值影響較大。

劉文匯等[1]利用新方法和傳統方法對國內外不同盆地的海相層系碳酸鹽巖樣品的有機碳含量進行了測定。實驗結果如表3所示，有機碳測定新方法所測得的樣品有機碳含量相比傳統方法有了大幅提高，不少樣品有機碳含量值超過0.2%。因此，有機質類型好的過成熟碳酸鹽巖在一定條件下擁有較高的生烴潛力，有望成為有效或優質烴源。

表3 不同方法測得的塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖TOC值[1]

4 主、微量元素特征及其沉積環境指示意義

4.1 古生產力

研究表明只有生源Ba與古生產力相關，因此在反演古生產力時要扣除陸源Ba含量的影響，建立生源Ba與古生產力的關系，本研究利用Ti從樣品的總Ba中扣除陸源部分得出生源Ba含量，具體公式[17]如下：

Babio=Batotal-Titotal×(Ba/Ti)PAAS，

式中，Batotal為樣品中總Ba，Titotal為樣品中總Ti，(Ba/Ti)PAAS為陸源Ba/Ti比值，取自晚太古代澳大利亞頁巖中的兩元素比值，(Ba/Ti)PAAS≈0.108 3，Babio為生源Ba。

研究區雷口坡組總Ba和生源Ba含量如表4所示，總Ba含量為4.40～94.2 μg/g，均值31.92 μg/g；生源Ba含量4.36～94.16 μg/g，均值31.90 μg/g。從數據可以看出，總Ba和生源Ba數值差別很小，表明樣品中的Ba幾乎全都屬于生物來源，陸源輸入的量很少，為相對開放的低能、弱氧化-還原環境；雷四段生源Ba數值波動較大，最高達94.16 μg/g，最低不足7 μg/g。一般認為Babio<1 000 μg/g時，古生產力水平較高；1 000

4.2 古鹽度

對古鹽度進行表征通常采用Sr/Ba比值法。一般來說，海相咸水環境Sr/Ba>1；半咸水環境0.6

4.3 古氣候

Sr/Cu的比值是判別古氣候的靈敏指標，在海相沉積中，1.310，代表炎熱干旱的氣候環境[20]。川西坳陷中段雷口坡組Sr/Cu比值為30.85～2 410.50，變化幅度較大，均值為326.69，遠遠高于炎熱干旱氣候的界限(表4)。其中雷三段Sr/Cu均值最低,約為44.17，雷二、雷四段Sr/Cu均值高于350，表明雷二、雷四段沉積時期處于強干旱蒸發環境，與古鹽度分析結果一致。

表4 川西坳陷中段雷口坡組樣品元素特征

此外，CaO/(MgO×Al2O3)對古氣溫變化也有一定的指示意義[19]，其數值可以反映古氣溫的高低，值越大，所代表的氣溫相對越高。川西坳陷中段雷口坡組CaO/(MgO×Al2O3)比值(如表4)介于2.15～8.90之間，均值為5.1，表明研究區雷口坡組古氣溫較高。綜上分析表明，川西坳陷中段雷口坡組沉積時期處于炎熱干旱的氣候中，且雷二、雷四段的炎熱干旱程度高于雷三段。

4.4 氧化還原條件

V/Cr與V/(V+Ni)的值可作為判斷氧化還原環境的特征指標[18，21]，24.25代表厭氧環境；0.450.6代表厭氧環境。研究區雷口坡組V/Cr與V/(V+Ni)比值結果如表4所示，V/(V+Ni)的值介于0.48～0.93之間，均值為0.75；V/Cr的值介于3.06～22.56之間，均值為9.23，說明除個別樣品處于貧氧環境外，大部分樣品處于還原環境。同時，從樣品的干酪根顯微組分中可以看出黃鐵礦普遍發育，進一步表明研究區雷口坡組的沉積環境是有利于有機質保存的還原環境。

5 地質意義

5.1 有機質富集與保存條件

研究區雷口坡期發生多次規模較大的海侵-海退旋回，海侵體系域發育期間，海平面快速上升，使區域內部分地區處于缺氧或貧氧環境中，而且沉積速率很低，有利于沉積有機質的富集和保存。無機地球化學特征表明研究區雷口坡組處于炎熱干旱、高鹽度、低能、弱氧化-還原的環境，炎熱干旱的環境使海水鹽度較高，咸水環境對有機質最重要的影響體現在高生物產率及缺氧條件兩方面。高鹽度海水在重力作用下會產生分層現象，表層水體鹽度較小，底層水體鹽度較大。表層水體與空氣接觸溶解氧含量高，有利于嗜鹽生物的繁衍，特別是嗜鹽藻類具有較高的生物產率；表層水體嗜鹽生物的呼吸作用消耗游離氧氣，使得底層水體形成缺氧環境，有利于沉積有機質的保存。

樣品生源Ba含量變化范圍為4.36～94.16 μg/g，平均含量較低。生源Ba值的大小與氧化還原環境相關，在厭氧-貧氧環境下，硫酸鹽還原菌將BaSO4中的陰離子還原為硫化氫，使BaSO4發生溶解，導致生源Ba含量較低。正常富氧環境下，BaSO4才能得到較好保存，所測的生源Ba值才能真正揭示沉積時期的古生產力水平。因此，認為研究區雷口坡組碳酸鹽巖具有中低等古生產力水平，可以為烴源巖的發育提供一定的物質基礎。

5.2 研究區碳酸鹽巖作為有效烴源巖的可行性分析

研究區雷口坡組高熱演化程度、低有機質豐度的碳酸鹽巖有機質類型好，具有較強的生烴能力和較高的生烴轉化率，雖然單位體積生排烴量相對較少，但碳酸鹽巖對烴的吸附作用小，具有較高的排烴效率使得殘留烴量也少。應用傳統方法測得的研究區樣品有機碳含量為0.02%～0.19%，若按照前文提到的有機碳含量下限值0.15%來討論，所測樣品中部分樣品仍具有生烴潛力。另外，前人對雷口坡組大量碳酸鹽巖樣品分析表明，有機碳含量大于0.2%的樣品比例約占25%，這些樣品有機碳含量相對較高，可作為優質烴源巖。而且研究區雷口坡組碳酸鹽巖分布范圍廣、厚度大，可以有效彌補單位體積生排烴量較少，以及有機質豐度相對較低的不足，提供可觀的油氣資源。

傳統的有機碳測定方法不光除去了樣品中的無機碳，還造成大量的有機酸鹽流失，以致所測的有機碳含量偏低。有機酸鹽不僅有很高的熱穩定性，而且還具備很強的生烴能力，可以作為高熱演化階段的再生烴源。結合表3可以看出，有機碳測定新方法所測得的樣品有機碳含量相比傳統方法測得的有機碳含量有了大幅提高，不少樣品有機碳含量值超過0.2%。研究區雷口坡組是碳酸鹽巖與膏鹽巖共生發育的沉積環境，有利于有機酸在堿性環境下轉化為有機酸鹽。

相比泥質烴源巖，雷口坡組碳酸鹽巖進入排烴門限需要更大的深度，排烴高峰出現的時間相對較晚，使排出的油氣損耗量降低，有利于晚期成藏。碳酸鹽巖不僅可以生成與排出油氣，還能夠儲集油氣。這一特質使得油氣運移的距離相對縮短，降低油氣在運移過程中的散失量。同時，膏鹽巖層作為蓋層與碳酸鹽巖層共生，可以有效阻止油氣逸散。

綜上分析認為，川西坳陷中段高熱演化程度、低有機質豐度的碳酸鹽巖曾發生過生排烴作用，對油氣藏的形成作出了一定貢獻，不能將其排除在有效烴源巖之外。

6 結論

1) 生源Ba含量4.36～94.16 μg/g以及樣品中存在的大量碳瀝青，反映了研究區雷口坡組碳酸鹽巖具有中-低等古生產力水平，可為烴源巖的發育提供一定的物質基礎。

2) 根據0.79

3) 有機質豐度整體偏低，樣品有機碳含量普遍低于0.2%；有機質類型為Ⅰ-Ⅱ1型，有機質成熟度大于2.0%，處于過成熟階段。研究區雷口坡組碳酸鹽巖具有高生烴轉化率、高排烴效率、低殘留烴量的特點，其排出的油氣量對油氣成藏具有一定貢獻，不能將其排除在有效烴源巖之外。