火山灰對富有機質頁巖形成的影響
——以西西伯利亞盆地中生界巴熱諾夫組為例

梁新平,金之鈞, 劉全有,Shpilman Alexander,李 鵬,Morozov Vladimir, Uspensky Boris

(1.北京大學 能源研究院,北京 100871; 2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100083;3.中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083; 4.俄羅斯漢特-曼西斯克州國有地下資源合理利用分析研究中心，俄羅斯 秋明 625026; 5.俄羅斯喀山聯邦大學 地質與石油技術研究院,俄羅斯 喀山420008)

火山灰是巖漿噴出過程中的細粒碎屑物,直徑小于2 mm,由巖石、礦物和火山玻璃碎片組成,分布于相應火山錐體周邊或者飄散至距離火山口數千公里的沉降區[1-2]。距離火山口較遠的沉降火山灰層,通常為毫米或厘米級,肉眼不可見的多由玻屑和晶屑組成,粒徑通常小于125 μm[3-4]。火山灰沉積對富有機質頁巖形成的控制作用主要表現在火山灰沉降過程前后在烴源巖形成過程中的影響[5-13]。首先,火山灰本身可為沉積盆地提供物源[5-7];其次，火山灰噴出過程中攜帶大量碳源(CO2,CH4)以及其他營養物質(N,Si,P)和微量金屬元素(Fe,Zn,Mn,Ni,V)等，這些外源物質進入水體引起藻類及細菌大量繁殖,為海洋和湖泊初級生產力的提高提供物質基礎[14-18];同時，藻類和細菌的大量勃發消耗水體中氧含量，使得水體由火山噴發時期的弱氧化環境向強還原環境轉變，減少有機質氧化和降解,促進了有機質的有效保存[19-20]。盡管火山灰未噴出之前尚未對沉積盆地輸入物質，但其醞釀過程中的熱能提高了烴源巖發育地區的地溫梯度,改變了局部的溫度場和壓力場,加速了烴源巖熱成熟[21]。另外,火山灰引起藻類勃發消耗透光層中CO2使水中CaCO3達到過飽和析出,有利于碳酸鹽巖紋層和藻類有機質紋層交互沉積,形成層間裂縫,易于后期頁巖油氣運移。同時,富硅、富鈣質紋層的存在增強了地層的脆性,有利于頁巖油氣層的壓裂改造[8,22]。

常規油氣藏研究表明，西西伯利亞“南油北氣”的分布特征主要由烴源巖有機質的類型和成熟度控制，沉積旋回形成了最佳的生儲蓋組合，披覆背斜是主要的含油氣圈閉[23-26]；對巴熱諾夫組的研究多以烴源巖特征及地球化學評價為主,認為該段有機質含量豐富的主要原因是形成于缺乏陸源碎屑供應的深水缺氧盆地，由構造的快速沉降及海平面的快速上升引起[23-26]，而對該套烴源巖中是否發育火山灰關注不多。近年來，全球范圍內富有機質發育的泥頁巖中多見火山灰夾層，如美國的Eagle Ford，Macellus頁巖、中國鄂爾多斯盆地延長組7段、準噶爾盆地蘆草溝組等[6-8]，因此，該區火山灰如何影響富有機質形成引起關注。巴熱諾夫組泥頁巖的巖心觀察發現其富有機質頁巖段廣泛發育火山灰沉積[27-31],巖心薄片中也見大量沸石等火山灰蝕變礦物。本文結合前期在俄羅斯西西伯利亞盆地漢特-曼西斯克地區巴熱諾夫組的巖心。鏡下薄片觀察,描述了該地層中火山灰發育層段富有機質頁巖層段剖面及在平面的分布特征；通過對巴熱諾夫組富有機質頁巖樣品的地質-地球化學分析,闡明了火山灰發育層段及其上下的生物發育與巖石地球化學特征,探討了該區火山灰對富有機質頁巖形成的影響,為火山活動下富有機質層系頁巖油氣的勘探開發提供參考和借鑒作用。

1 巴熱諾夫組簡介

西西伯利亞含油氣盆地是目前俄羅斯聯邦油氣儲量最大和產量最高的地臺型盆地,其地理位置大體在東經60°以東,90°以西及北緯73°以南,54°以北的范圍內。盆地西緣以烏拉爾山脈為界,東緣以葉尼塞河為界,與東西伯利亞山地相鄰,南方鄰接阿爾泰山系和薩彥嶺及哈薩克丘陵地帶,北緣為喀拉海,瀕臨北冰洋。如把盆地向北部海區延伸大陸架部分也包括在內,西西伯利亞盆地總面積可達(4.0～4.2)×106km2,其中沉積蓋層厚度超過1 500 m的陸上部分面積超過2.2×106km2[23]。

在西西伯利亞盆地提塘期—早貝利阿斯期(侏羅紀末—白堊紀初),整個盆地發生大規模的海侵,西西伯利亞地區快速沉降,碎屑物質供應相對缺乏,使深水缺氧的欠補償沉積盆地形成于西西伯利亞地臺中部,海水深度超過300 m的深水區面積達1.0×106km2,盆地最深可達7 00 m[24]。盆地中部地區深水缺氧盆地沉積了巴熱諾夫組富有機質的黑色硅質/鈣質泥頁巖,富含伏爾加期及部分貝利阿斯期動物化石;盆地邊緣帶則沉積了厚度較大的不含砂巖的近岸相貧有機質頁巖,厚度在20～50 m(圖1)。盡管巴熱諾夫組沉積厚度不大，卻是西西伯利亞盆地的主要生油巖,其成熟度主要介于0.5%～1.3%,大部分地區迄今為止仍處于生烴階段[25-26]。西西伯利亞盆地上侏羅統大量干酪根碳同位素豐度研究表明,δ13C介于-28‰～-25‰,說明為混源成因。

圖1 西西伯利亞盆地巴熱諾夫組-阿巴拉組地質特征

根據俄羅斯國有地下資源分析研究中心-秋明施比利曼分院巖心測試的分析結果,該套地層共有4種組分:干酪根、粘土、硅質和碳酸鹽巖,整體有機質含量高,水平層理常見細粒度的層狀成分,如硅質、炭質和黃鐵礦。全巖XRD-衍射實驗表明,石英為主要成巖礦物,硅質含量平均為42%～43%,最高可達到80%;其次為鈉長石、似云母礦物(伊蒙混層)和黃鐵礦,其他粘土礦物(高嶺石和綠泥石)偶見,通常含量不多,平均值為21%～22%;而碳酸鹽礦物(方解石和白云石)也偶爾可見,平均為10%[27]。巖相上,巴熱諾夫組劃分為泥灰巖、碳酸鹽巖、硅質泥頁巖、鈣質-硅質泥頁巖、泥質-鈣質硅巖以及低粘土質硅巖6類。據Kontrovich(2016)統計，泥灰巖在全區分布不多，其中泥質含量不高，約占55%左右，硅質占30%左右，其他為碳酸鹽巖、鈉長石、磷灰石、黃鐵礦和干酪根等；碳酸鹽巖可分為純碳酸鹽巖(占8.8%)和富有機質碳酸鹽巖(占1%)，富有機質碳酸鹽巖中碳酸鹽巖占比50.7%～57.7%，硅質含量可達20%，干酪根含量平均為11.9%；硅質泥頁巖中硅質含量在25.7%～47.4%，平均37.6%，泥質含量在25.2%～49.7%，平均為37.6%；鈣質-硅質泥頁巖中硅質含量平均為37.7%，粘土含量達28.9%；泥質-鈣質硅巖中硅質含量平均為41.4%，干酪根含量平均為16.2%，粘土礦物含量平均為20.6%；低粘土質硅巖中粘土含量平均為23.3%，硅質含量平均為43.4%。除此之外，還有一些混合巖相，例如粉砂質泥巖和泥質-硅質碳酸鹽巖等。所有巖性中以鈣質-硅質泥頁巖和泥質-鈣質硅巖分布最為廣泛，部分巖相中干酪根含量可達27.8%。

巴熱諾夫組各層段鏡下均可見明顯的瀝青質放射蟲。放射蟲為具有軸偽足的海生單細胞浮游生物,是現今海洋浮游生物的重要組成部分。放射蟲死亡之后,其骨架聚集在海洋底部,形成放射蟲軟泥。地層記錄中放射蟲的有無和含量高低主要取決于局部的生產率和沉積物的堆積速率。一般情況下，淺層海水對硅質生物有較高的溶解速率，放射蟲穩定保存的幾率較小，因此淺水放射蟲形態一般不多[33]。從奧陶紀開始,它們的骨架被證實促成海洋沉積物和硅質巖沉積[32]。

2 巴熱諾夫組火山灰發育特征

巴熱諾夫組整合覆蓋在格奧爾吉耶夫組或阿巴拉組的泥巖之上,分布非常廣泛,為全盆地地震識別標志層,在區域和局部的地震剖面中均有顯示,盆地中心發育有深大斷裂[23-24],可為地層深部火山噴發創造客觀的地質條件。一般認為,西西伯利亞盆地巴熱諾夫組富有機質頁巖中火山噴出物多以火山玻璃形成賦存,沉積成巖作用促進礦物的轉化,使得火山玻璃被次生礦物(蒙脫石、綠泥石和鈉長石等)取代,從而導致火山灰層蝕變成粘土、鈉長石和更復雜的巖石。這些巖石已經失去了它們的初始外觀,難以確定它們的火山起源。部分研究學者認為該期火山灰多形成于水底不間斷的火山噴發活動,而部分研究認為可能與盆地邊緣強烈的構造運動造成的火山噴發相關，為空降成因[30-31]。據俄羅斯油氣地質研究院和秋明地下資源合理利用分析研究中心統計,目前巴熱諾夫組火山灰巖心發現的井有30口(圖2),鉆井的不同小層均有火山灰發現,平面分布廣,單井剖面上以中上段居多,層數多但厚度不大,夾層主體表現為與碳酸鹽巖、泥頁巖和硅質巖同期沉積,且測井曲線特征明顯,易于識別。

平面上,巴熱諾夫組火山灰井分布集中于盆地沉積中心的深水陸棚區,以中部的漢特-曼西斯克州蘇爾古特地區為主,該區TOC含量普遍大于7%,部分地區超過11%(圖2),在提塘-早貝利阿斯期西西伯利亞海深水區有機質含量超過15%～20%,有機質的演化程度與鄰近區不發育火山灰的井區相比,成熟度(Ro)偏高,多介于0.7%～1.1%(圖2)，但生烴潛力高且已達到生油高峰[26],推測火山灰攜帶的鉬、鎳等催化元素，促進了有機質的成烴演化。

圖2 西西伯利亞盆地巴熱諾夫組火山灰分布區[24,31,44]

單井剖面上,巴熱諾夫組可劃分為6個小層,巴熱諾夫組上段的硅質放射巖層巖性由均質向非均質過渡時期發育有多套火山灰夾層,并在火山灰層沉積之后出現泥質頁巖(圖3)。已有井的資料表明,火山灰夾層最常見于巴熱諾夫組4層和5層底部[31],夾層厚度多為厘米級,單層厚度一般小于5 cm,部分粘土化或方沸石化,顏色多為黃褐色或淺灰色(圖4),凝灰狀但不成層,具黃色熒光,與鄰近的黑色硅質泥頁巖顏色有明顯差異;顯微薄片下火山灰夾層礦物成分可見明顯的斜長石沸石顆粒,沸石化的斜長石和火山碎屑顆粒共存,自形且形狀尖銳的石英顆粒與粘土礦物(一般為伊利石-蒙脫石)共存,偶見高嶺石和白云母,黃鐵礦顆粒常見精細分散狀態。火山灰層段發育之下的1—3層巖性為均質的泥頁巖,炭質-泥質硅巖與放射蟲夾層、弱白云巖化與次生白云巖化,體現出氣候變暖的特征;而在火山灰層段發育之上5層頂部和6層表現為高炭質泥質硅巖,見碳酸鹽巖和次生石灰巖(圖3)。次生石灰巖一般由交代過程形成，發生去白云石化作用(Ca2+替代Mg2+)。

圖3 西西伯利亞盆地巴熱諾夫組頁巖上、下層段巖性及火山灰發育特征(Nazeim中部地區219井，據VNIGNI,2016)

圖4 西西伯利亞盆地中部漢特-曼西斯克地區巴熱諾夫組火山灰巖心特征 [29]

測井曲線特征對比研究認為,巴熱諾夫組火山灰密集發育的層段GR曲線整體特征基本相似,伽馬正異常值的泥頁巖層段值異常高,同時具有泥巖的自然電位低值、電阻率高值、聲波時差高值等的特征(圖3),且在火山灰發育層段之上富有機質頁巖TOC高,且優質儲層發育,多以疊層或互層顯示,測試段產能高,可作為“甜點層”的指示標志。

3 火山灰對巴熱諾夫組優質頁巖形成的作用機制

3.1 促進古生物的大量繁殖,提高古生產力

藻類大量繁殖和勃發是富有機質頁巖形成的物質基礎。近年來，火山灰促進生物繁殖甚至爆發已被多家機構論證，如Frogner等(2001)、Zhang 等(2017)和Zeng(2018)均論證了海洋中火山灰攜帶的鐵、鉬等營養元素有施肥的作用，促進了自養和異養生物的生長以及大量繁殖，提高了海洋的初級生產力[34-36]。西西伯利亞盆地巴熱諾夫組有機質全部由無定型的浮游和細菌類、膠狀藻類物質組成,干酪根占巖石總質量的7%～8.5%[23]。在巖心觀察中,巴熱諾夫組普遍大量發育雙殼類軟體動物和其他底棲動物,中部層段的硅質放射巖層富含放射蟲,與雙殼介形蟲互層,海底生物擾動作用明顯,表現出強黃鐵礦化(圖3);一般火山灰層段之下放射蟲相對較少,而在火山灰發育層段之上放射蟲豐度高,類型豐富多樣，多以Parvicingulacf.rostrata-P.cf.seria為主,殼飾發育，放射針、刺大多為三片形，具海綿殼體，部分放射蟲巖或放射蟲硅質巖中呈富集條帶狀保存或聚集式分布，含量高達90%(圖5)。另外，富有機質頁巖礦物成分測試表明,磷灰質成分與其他海相火山灰發育地區的富有機質層段頁巖中(如東歐地臺多瑪尼克組、美國Eagle-Ford頁巖等)的含量具有一致性[37],達417.85 g/t。磷是細胞膜和遺傳物質的重要組成,對水體植物生命代謝具有重要作用,是生態系統初級生產力的重要限制因子。還原環境可以促進活性磷的活化、再生與循環[38],對沉積盆地生物的繁盛和有機質的富集具有積極的意義。巴熱諾夫組火山灰發育層段的富有機質中營養元素濃度通常高于其他元素，說明火山灰攜帶硅和磷等營養元素，促進了海底生物的勃發。

圖5 西西伯利亞盆地中部漢特-曼西斯克地區巴熱諾夫組放射蟲發育特征

另外，巴熱諾夫組富有機質頁巖中也檢測出異常濃度的Ni,V,Mo,Cu,Zr,Cd,Ba,Sr,U等指示深部流體的微量元素,因此認為西西伯利亞盆地巴熱諾夫組頁巖形成時期存在周期性火山作用[39-41]:火山灰攜帶營養物質輸入水體,促進了生物的大量繁殖甚至爆發,提高了初級生產力,增加了有機質的豐度;后期水體中氧濃度過度消耗,形成缺氧環境從而引起水體中生物的死亡,為富有機質烴源巖的快速形成、大量保存和有效埋藏提供了必要條件[20,42]。

3.2 形成強還原的沉積環境,促進有富有機質埋藏

巴熱諾夫組富有機質頁巖存在黃鐵礦化、硅化和炭化3種作用[27,44],巖心觀察顯示巴熱諾夫組火山灰發育層段之下巖性主要為炭質與鈣質泥頁巖互層，見硅質弱白云巖化與次生白云巖互層，黃鐵礦發育程度不高，巖心上表現不明顯，因此推測為弱氧化或者弱還原環境；而在火山灰發育層段之上草莓狀黃鐵礦呈層大量發育(圖3)于硅質鈣質泥頁巖中,同時放射蟲大量發育，見碳酸鹽巖結核，體現海底生物擾動頻繁。掃描電鏡下黃鐵礦以球形-橢球形集合體為主,直徑2～10 μm不等,一般由大量等粒的微米-納米級多面黃鐵礦晶體聚集而成,晶內粒間孔隙發育,形狀大小不一(圖6),部分黃鐵礦顆粒被有機質包裹,體現了局部細菌的強還原作用;平面上以盆地沉積的中心部分最為明顯,剖面上自下而上草莓狀黃鐵礦含量逐漸增加,紋層中成層性較好,連續出現,Co/Ni比值小于1,S/Fe比值偏高[37],以正常沉積成因為主。這反映了密閉海底環境中藻類和細菌的大量勃發消耗水體中氧含量，使得水體由火山灰降落時期的弱氧化或還原環境向強還原環境轉變，因此減少了有機質氧化和降解,促進了有機質的有效保存和埋藏。

圖6 西西伯利亞盆地漢特-曼西斯克地區611井巴熱諾夫組上段掃描電鏡顯微特征(埋深2 359.23 m)

3.3 火山灰攜帶催化元素促進有機質生烴演化

火山灰形成前后一般伴隨巖漿活動及熱液噴發,除了攜帶大量的高溫、高壓地幔熱液以及Fe，Cu，Zn，Ag等多種金屬元素,也攜帶了典型促進烴源巖生烴熱演化的微量催化元素如Se，Zr，Ti，V，Co，Mn，Ni，Mo，U等[15-17]。過渡金屬氧化物在不同酸堿性條件下大都有半導性、酸堿性和氧化還原性等催化活性。研究表明,過渡金屬元素中催化性能最強的是鎳元素,烴源巖中含量有1×10-6的鎳就能顯示出很強的催化力,可吸附氣體和有機質,導致其C-C鍵、C-S鍵、C-O鍵斷裂,從而達到催化目的[45];實驗表明Mo，Se，Zr可明顯促進飽和芳香烴降解[46];另外過渡金屬的單質、氧化物、硫化物及其他有機化合物都具有顯著的催化作用,在煉油廠的裂解和化工上均有廣泛應用[45]。

巴熱諾夫組頁巖平面上火山灰發育井區與鄰近區相比,有機質成熟度適中,Ro偏分布于生油高峰帶(0.7%～1.1%)(圖2),說明有機質中干酪根處于熱催化生油階段。同時，前人研究也表明，該區生烴潛力高，TOC含量多高于7%(圖2)，地球化學顯示輕烴組分S1一般大于6 mg/g[47]。巴熱諾夫組富有機質頁巖火山灰夾層層段與不發育火山灰層段相比,多種催化元素含量明顯升高，如Ni，Mo，U等(圖7)。前人研究表明[30]，在沉積盆地中心的M地區，Ach，Rag，Mah等區塊測試巴熱諾夫組Ce，Cd，V的含量明顯高于同層段的淺水陸棚區，同時硅質放射巖中發現有火山灰，元素測試其中Ni的百分含量約97～170 g/t，其他元素如Mo介于10～46 g/t，Cr位于118～160 g/t，Cd位于4.0～44 g/t，Mn達1390 g/t。可見火山灰攜帶的催化元素的加入在富有機質頁巖埋藏生烴過程中對烴源巖生烴演化具有重要的促進作用。一方面催化元素可改變周圍地區的化學場,加速干酪根的生烴速度,縮短反應時間,另一方面可改變不同的反應機理,進而促進了有機質的成烴和演化,加速油氣的形成。

圖7 西西伯利亞盆地M區1-P井巴熱諾夫組巖性-地球化學特征(Predtechenskaya,2016)

3.4 火山灰發育層段利于發育富有機質交互紋層

富有機質頁巖優質儲層中常見有機質紋層與碳酸鹽巖紋層互層[8,22,48]。浮游藻類包括硅藻、顆石藻和溝鞭藻等，其分布廣泛且生長具有季節性，特定條件和時期的生成和富集具有很強的排他性。在溫暖潮濕的還原環境下,火山灰中營養元素的加入使水體中浮游生物大量繁殖甚至勃發，浮游植物中藻類數量在短時間內快速增多，死亡沉降之后大量有機質聚集，形成有機質紋層；同時，大量的藻類勃發使光合作用加強,消耗掉透光層中的CO2,使得CaCO3達到過飽和而結晶析出,形成碳酸鹽巖沉積紋層。如此多期的火山灰反復加入造成了火山灰層、碳酸鹽巖沉積紋層與有機質紋層的交互沉積。巴熱諾夫組的富有機質頁巖全盆地大面積分布，屬于海侵時期的深海陸棚相。火山灰發育層段剖面上位于巴熱諾夫組中上層，平面上主要位于盆地的沉積中心區。在已經發現火山灰的井巖心觀察中，該層段交互紋層都非常發育，主要由厘米級灰褐色火山灰薄層、黑色的富含有機質紋層和白色鈣質紋層組成,富有機質紋層中藻類豐富,見絲網狀體,呈連續水平狀,鈣質紋層為微晶方解石,厚度比富有機質紋層稍大,鈣質結核中黃鐵礦發育(圖8)。火山灰的降落本身為沉積盆地提供直接物質基礎,加之藻類勃發形成富有機質紋層與碳酸鹽巖紋層交互沉積,有利于發育層間孔縫,形成頁巖油氣運移的重要通道，提高富有機質頁巖層段的物性;同時,碳酸鹽巖紋層的存在增強了地層的脆性,有利于頁巖層的壓裂改造[49]。

圖8 西西伯利亞盆地漢特-曼西斯克地區611井巴熱諾夫組巖心薄片鏡下特征(埋深2 359.23 m)

4 結論

1)西西伯利亞盆地巴熱諾夫組富有機質頁巖中發育火山灰沉積，平面上火山灰發育井區TOC多大于7%,成熟度介于0.7%～1.1%;單井剖面上火山灰與頁巖的互層具有自然電位和自然伽馬值正異常、電阻率低值、聲波時差高值的特征;鏡下薄片火山灰蝕變礦物沸石發育,指示火山活動的化學元素如Ge,Co,Ni,Mn等含量異常，且整體火山灰發育層段之上的頁巖中放射蟲豐度高于火山灰發育層段之下的頁巖。

2)巴熱諾夫組火山灰的發育與優質頁巖的形成存在一定的關系：火山灰可促進巴熱諾夫頁巖形成時期古生物的大量繁殖,在消耗營養物質之后又大量死亡,為烴的形成奠定了物質基礎;火山灰沉積后期形成強還原的沉積環境促進富有機質保存埋藏，其攜帶的具有催化作用的微量元素加速了烴源巖成烴演化過程。同時，火山灰在促進藻類勃發過程中消耗掉大量CO2并析出CaCO3結晶，形成泥頁巖交互紋層，利于頁巖油氣運移并提高地層的脆性。

3)盡管巴熱諾夫組火山灰及其伴生作用可促進富有機質形成和成烴演化，但火山灰主要由快速沉降期的構造運動引起，盆地內火山灰來源和分布模式有待判定，火山灰對富有機質紋層狀泥頁巖的成源-成儲的作用時間范圍和影響規模仍不明確。因此，未來研究不僅應考慮構造和沉積的共同作用，同時還需考慮沉積環境對火山灰后期蝕變作用進而對排烴和壓裂的影響，以應用于后期開發。

致謝:感謝俄羅斯秋明國有地下資源合理利用分析研究中心和喀山大學地質與石油技術學院提供數據資料和樣品,感謝審稿專家對本文的審核并提出的建設性意見。