東海盆地長江坳陷美人峰組烴源巖沉積環境與生烴潛力評價

袁靈聰，朱曉軍，蔡進功 ，鐘鍇

1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092

2.同濟大學海洋資源研究中心，上海 200092

0 引言

東海盆地是我國近海面積最大的中—新生代沉積盆地，有著良好的油氣勘探前景[1]。東海盆地分為東部坳陷帶和西部坳陷帶，不同區域勘探潛力不一，其中東部坳陷帶以西湖凹陷最具勘探潛力，西部坳陷帶以甌江凹陷為主要勘探目標[2]。前人研究表明，東海西部坳陷帶古新統厚度大、分布廣，具有良好的油氣地質條件，可能成為下一步的油氣勘探目標[3]。長江坳陷位于西部坳陷帶北部，緊鄰西湖凹陷，在形成機制、演化歷程方面和東部坳陷帶的西湖凹陷表現出較高程度的相似性[3-4]，暗示其可能具有與西湖凹陷相比擬的資源潛力。長江坳陷目前僅有兩口鉆井，其中之一為M1井，該井鉆探設計是為建立長江坳陷地層層序，了解其巖性、地球化學特征及含油氣性。前人對M1井的研究認為，長江坳陷古新統美人峰組烴源巖具有一定生烴潛力[5]。然而，鉆揭的美人峰組厚度達1 783.5 m，不同層段巖性特征差別較大，其中第一段到第四段主要為一套泥質巖夾砂質巖，第五段到第六段巖性相對較粗。并且，美人峰組不同層段烴源巖有機質特征以及影響美人峰組烴源巖發育的環境因素均未知，缺乏對美人峰組烴源巖生烴潛力的系統評價，不利于長江坳陷的資源潛力評價。

烴源巖的形成受環境，如古氣候、氧化還原條件以及古鹽度等條件控制[6]。系統恢復烴源巖形成時期的環境對確定優質烴源巖發育層系意義重大[7]。本文以M1井美人峰組烴源巖為研究對象，開展巖石薄片、X射線衍射（XRD）、熱解、元素地球化學分析，并結合前人實測地化數據，恢復長江坳陷美人峰組沉積時期的環境特征，確定影響美人峰組烴源巖發育的環境因素，綜合評價美人峰組不同層段烴源巖的生烴潛力，以期提高對長江坳陷美人峰組烴源巖的認識。

1 地質概況

長江坳陷位于東海盆地西北部，由昆山凹陷、常熟低凸起、金山北凹陷和金山南凹陷組成，坳陷南北兩側介于虎皮礁隆起和海礁隆起之間，坳陷東西兩側為西湖凹陷和浙閩隆褶區（圖1a）。長江坳陷的構造演化大致劃分為晚白堊紀到古新世的斷陷期、始新世的坳陷期、中新世到第四紀的區域沉降三個發展階段[5]。長江坳陷中、新生代沉積近萬米，發育有巨厚的上白堊統、古新統、晚始新統陸相沉積，缺失中下始新統、漸新統和下中新統。中中新統和上中新統為陸相沉積，上新統和第四系由海陸交互相轉為淺海相沉積[4]。

圖1 長江坳陷構造綱要及美人峰組地層單元Fig.1 Tectonic map of the Changjiang Depression and units of the Meirenfeng Formation

長江坳陷M1井美人峰組厚度大（2 122.5～3 906.0 m），由上至下巖性變化大，依據巖性特征差異，將鉆揭的美人峰組地層分為六段（圖1b）。第一段至第四段主要為灰色—黑色泥巖夾砂質巖，第五段主要為灰色砂、泥巖交互沉積，第六段巖性具二分性，上部以灰色及雜色泥巖為主，下部為中酸性噴出巖巖礫。第一段至第四段未見明顯沉積構造，第五段至第六段巖性逐漸變粗，沉積構造發育，見水平層理、斜層理、楔狀層理。美人峰組主要發育濱淺湖—半深湖相沉積[5]。

2 樣品及實驗方法

本文采集長江坳陷M1井美人峰組烴源巖巖芯樣共11塊（第六段1塊，第四段4塊，第三段1塊，第二段2塊，第一段3塊），開展了熱解、薄片、XRD和元素等一系列分析測試。熱解分析選用ROCK EVAL-VI標準型熱解儀。薄片鑒定選用ZEISS顯微鏡，巖石薄片制備沿垂直巖芯紋層方向磨制。XRD檢測分析選用Panalytical Xpert-MPD衍射儀。微量元素分析在Vista MPX電感耦合等離子發射光譜儀上進行。另外對干酪根樣的有機元素和碳同位素、巖屑及巖芯樣的鏡質體反射率和有機碳含量（相關數據由中海油上海分公司提供）進行整理分析，提升對烴源巖特征的認識。

3 巖石礦物特征

烴源巖薄片鑒定表明，美人峰組烴源巖整體呈塊狀構造，碎屑顆粒含量較高，均為雜亂無序分布，可見黑色和棕色有機質分布于碎屑顆粒間，指示有機質為陸源輸入。不同層段巖石礦物特征差別較大，第一段烴源巖碎屑顆粒分選較差，粗顆粒多為棱角—次棱角狀，細顆粒磨圓相對較好（圖2b，e），第二段碎屑顆粒分選及磨圓較第一段更好，粗顆粒含量低于第一段，顆粒粒徑小于第一段（圖2c），第四段粗顆粒含量明顯低于第一段和第二段，顆粒分選及磨圓好于第一段和第二段（圖2a）。前人研究表明，在碎屑顆粒快速堆積的情況下，有機質很快被堆積物掩埋，有利于有機質保存[8]。第一段碎屑顆粒較粗，分選較差，表明相較于第二段和第四段，第一段沉積時期碎屑顆粒堆積速度更快，陸源有機質進入水體后，被快速掩埋，有利于有機質保存。薄片鏡下觀察，第一段可見大量棕色有機質殘片（圖2b，d），在熒光照射下顯橙色（圖2f），而第四段以條帶狀、碎片狀、卵圓狀黑色有機質為主（圖2a），該類有機質無明顯熒光反應。以上兩種有機質均來源于陸生高等植物，黑色有機質為高等植物木質部分經強烈炭化而成的絲質體，棕紅色有機質為高等植物有機質殘片，生烴潛力好于炭化絲質體。據前述薄片有機質熒光特征，從第四段到第一段，隨著深度增加，有機質類型有變好的趨勢。

圖2 長江坳陷美人峰組烴源巖顯微薄片（a）粗顆粒含量較第一、二段明顯變少，條帶狀、卵圓狀黑色有機質，2 730.7 m，第四段；（b）透視光下的棕色有機質殘片，雜亂分布于碎屑礦物間，3 802.4 m，第一段；（c）顆粒分選較第一段明顯變好，3 526.3 m，第二段；（d）透視光下的棕色有機質殘片，3 693.0 m，第一段；（e）顆粒分選差，多為棱角—次棱角狀，3 802.4 m，第一段；（f）熒光下棕色有機質殘片，橙色熒光反應，3 693.0 m，第一段Fig.2 Thin-sections of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

據XRD分析結果（表1），美人峰組烴源巖由石英、鉀長石、斜長石、黏土礦物、方解石、白云石、硬石膏、菱鐵礦等礦物組成。將烴源巖礦物組成按陸源碎屑（石英、斜長石和鉀長石）、黏土礦物、碳酸鹽礦物（方解石、白云石和菱鐵礦）和硫酸鹽礦物（硬石膏）分類統計發現，美人峰組碎屑礦物相對含量為59%～82%，平均值為64%；黏土礦物相對含量為15%～36%，平均值為32%；其他礦物平均相對含量為4%（圖3）。美人峰組碎屑礦物含量較高，表明其沉積時期受陸源輸入影響較大。

表1 長江坳陷美人峰組烴源巖XRD礦物成分Table 1 Mineral composition of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

圖3 長江坳陷美人峰組烴源巖礦物相對含量Fig.3 Relative content of mineral components in source rocks of the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

沉積環境對烴源巖中礦物組成具有明顯控制作用，礦物組成可用于輔助判斷烴源巖形成時的沉積環境特征[9]。由圖3可見，碎屑礦物含量與深度之間不存在相關性，反映碎屑礦物主要來源于外源輸入。在美人峰組可見菱鐵礦，相對含量1%～3%。菱鐵礦多發育于有機碳含量豐富、具有弱氧化—弱還原條件的沉積物中[10]，指示美人峰組沉積時期為弱氧化環境。

4 烴源巖地球化學特征

美人峰組烴源巖有機碳含量為0.08%～2.13%，平均含量為0.72%（圖4a）。從不同層段有機碳含量分布特征來看，第一段至第二段有機碳含量高于其他層段（圖4a，b）。對巖芯樣品的熱解分析表明，烴源巖生烴潛力（S1+S2）分布在0.02～1.34 mg/g之間，從不同層段生烴潛力的分布特征來看，第六段和第一段生烴潛力值高于其他層段，均值分別為1.34 mg/g和0.87 mg/g（圖5）。綜合來看，美人峰組烴源巖整體為中等烴源巖，其中第一段和第二段烴源巖有機質豐度最高，第三段和第四段有機質豐度較低，第五段和第六段有機質豐度較第三段和第四段高。

圖4 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段有機碳分布（a：“x”代表均值；b：N為樣品數）Fig.4 Distribution of organic carbon abundance of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression:(a)average TOC of different members;(b)N is number of samples

圖5 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段生烴潛力分布（“x”代表均值；N為樣品數）Fig.5 Distribution of hydrocarbon generation potential of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression:average S1+S2of different members;N is the number of samples

從美人峰組烴源巖的HI、Tmax及前人測試的H/C和O/C等參數的分布特征（圖6a，c）來看，長江坳陷M1井美人峰組烴源巖有機質基本上為III型。前人測試結果顯示美人峰組烴源巖干酪根δ13C值分布范圍為-25.95‰～-24.43‰（圖6b），根據干酪根δ13C有機質類型劃分標準[11]，美人峰組烴源巖有機質類型以III型為主，含少量II型，與前述判別結果基本一致。綜合有機質類型劃分的結果認為，不同層段烴源巖中有機質類型存在差異：美人峰組第四段至第六段烴源巖有機質類型均為III型，II型有機質主要分布在第一段至第三段。

圖6 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段有機質類型Fig.6 Organic matter types of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

美人峰組烴源巖熱成熟度（Ro）分布在0.32%～0.76%，平均值為0.55%，顯示美人峰組烴源巖整體演化程度不高。從不同層段烴源巖鏡質體反射率的特征來看，第五段和第六段烴源巖演化程度低，有機質處于未熟階段，隨著埋深增加，美人峰組有機質演化程度變高，第一段烴源巖有機質演化程度最高，已進入成熟演化階段（圖7）。

圖7 長江坳陷美人峰組烴源巖不同層段鏡質體反射率Fig.7 Vitrinite reflectance of different layers of source rocks in the Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

5 沉積環境分析

長江坳陷美人峰組烴源巖的Ni/Co介于1.48～1.92，平均值為1.69，V/Cr介于1.31～1.95，平均值為1.6。參考前人對不同沉積環境元素特征的研究結果[12-13]，美人峰組烴源巖Ni/Co和V/Cr比值指示其沉積處于弱氧化環境。美人峰組礦物資料顯示部分層段內含菱鐵礦（表1），且美人峰組各段均未檢測到黃鐵礦，表明美人峰組沉積時為弱氧化環境，與元素判別結果一致。

美人峰組烴源巖Sr元素豐度分布于125×10-6～252×10-6，均值為194×10-6，以第一段中部、第二段、第四段頂部相對較高；Sr/Ba含量比值分布于0.22～0.42，均值為0.3，以第一段中部、第四段頂部相對較高。根據美人峰組烴源巖Sr元素豐度和Sr/Ba含量比值，參考古鹽度判識標準[14-15]（表2），美人峰組整體為淡水環境（圖8），不同層段間鹽度有一定差異。

表2 古鹽度微量元素判斷指標[14-15]Table 2 Trace element indices for paleosalinity recognition[14-15]

圖8 長江坳陷美人峰組烴源巖Sr含量與元素含量比Sr/Ba關系Fig.8 Relationship between Sr and Sr/Ba in source rocks,Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

美人峰組烴源巖Sr/Cu含量比值分布于5.1～12.5，均值為8.3。一般而言，溫濕氣候中存在110[15]。由此來看，美人峰組烴源巖沉積時期整體表現為溫濕氣候。從不同層段Sr/Cu含量比值來看，第一段至第三段的Sr/Cu小于10，表明第一段至第三段沉積時期氣候相對溫濕，第四段底部烴源巖中Sr/Cu高于10，反映第四段底部沉積時為干熱氣候，第五段至第六段的Sr/Cu小于10，表明第五段至第六段沉積時期再次變為溫濕氣候。這些特征表明，美人峰組不同沉積時期古氣候條件有較大差別。

6 烴源巖形成與評價

沉積環境，包括古水體的氧化還原條件、古鹽度和古氣候等，控制著烴源巖中有機質的產生和保存[16]。對反映環境的微量元素含量及其比值與有機碳含量進行相關性分析，可以確定影響烴源巖發育的主要控制因素[7]。

美人峰組烴源巖古氣候指標Sr/Cu與TOC有較好的負相關性（圖9e），古鹽度指標Sr豐度和Sr/Ba與TOC有較好的正相關性（圖9c，d），而氧化還原指標V/Cr和Ni/Co與TOC相關性不明顯（圖9a，b），表明古氣候和古鹽度控制著美人峰組優質烴源巖的形成，即溫濕的微咸水環境條件有利于美人峰組優質烴源巖的形成。前人研究表明，溫暖潮濕的古氣候條件有利于高等植物發育[17-18]，咸化水體有利于有機質的保存和富集[19]。美人峰組第一段至第三段底部沉積時期氣候相對溫濕，降雨充沛，區域內高等植物發育，有較多陸源有機質輸入，第一段中部至第二段沉積時期鹽度相對較高的水體為有機質提供較好的保存條件，在顯微鏡下觀察多為棕色有機質殘片，有橙色熒光反應（圖2f），有機質類型以III型為主，含少量II型（圖6）。而在美人峰組第四段沉積初期，氣候相對干熱（圖10），降雨較少，區域內高等植物不發育，陸源碎屑及有機質輸入減少，導致有機質豐度明顯低于其他層段（圖4），水體鹽度低，有機質保存條件變差，陸源輸入的高等植物殘片大都氧化為炭化絲質體，無熒光反應（圖2a），有機質類型為III型（圖6）。

圖9 長江坳陷美人峰組烴源巖微量元素含量及其比值與TOC關系Fig.9 Relationships between element content and elemental ratio and TOC of source rocks,Meirenfeng Formation,Changjiang Depression

圖10 長江坳陷M1井美人峰組有機地化指標及古環境恢復Fig.10 Organic geochemical indices and identification of paleoenvironment of source rocks by element content,Meirenfeng Formation,MRF-1 well,Changjiang Depression

美人峰組不同層段烴源巖有機質特征差別較大。第一段至第二段烴源巖有機質豐度整體較高，為中等—好烴源巖，有機質進入低成熟—成熟演化階段（圖10），有機質類型以III型為主，含少量II型，薄片鏡下觀察為生烴潛力相對較好的有機質殘片。第三段至第四段烴源巖有機質豐度低于第一段和第二段（圖10），有機質以低成熟演化階段為主，有機質類型以III型為主，薄片鏡下觀察以生烴潛力較差的炭化絲質體為主。第五段至第六段有機質豐度整體高于第三段和第四段，有機質類型為III型，有機質大多處于未熟狀態（圖10），為無效烴源巖。

據前述美人峰組各段特征，第一段至第二段沉積時期為溫濕氣候（圖10），區域內高等植物發育，有大量陸源碎屑及有機質輸入，陸源輸入的大量碎屑進入鹽度相對較高的水體中快速堆積，將有機質掩埋，有利于有機質保存和富集，鏡下觀察有機質主要為棕色有機質殘片，烴源巖有機質豐度高，有機質類型以III型為主，含少量II型，有機質已進入低成熟—成熟演化階段，為美人峰組最具生烴潛力的層段；第三段至第四段沉積時期，氣候相對干熱，導致陸源碎屑和有機質輸入減少，有機質豐度降低，有機質以低成熟演化階段為主，由于水體鹽度相對較低（圖10），不利于有機質保存，薄片鏡下觀察有機質主要為生烴潛力相對較差的炭化絲質體；第五段至第六段沉積時期，氣候恢復為相對溫濕的狀態，部分深度范圍內烴源巖有機碳含量變高，但有機質多處于未熟狀態（圖10），為無效烴源巖。

從目前鉆探成果來看，美人峰組烴源巖形成受陸源輸入影響較大，有機質以III型為主，含少量II型，部分層段已進入成熟演化階段，隨埋深增加，有機質成熟度變高（圖10），烴源巖生烴潛力更好。

7 結論

（1）美人峰組烴源巖發育于溫暖潮濕的弱氧化淡水環境，烴源巖Sr豐度、Sr/Ba及Sr/Cu與TOC相關性較大，V/Cr和Ni/Co與TOC相關性不明顯，表明古鹽度和古氣候是控制美人峰組烴源巖發育的主要環境因素。

（2）美人峰組第一段和第二段沉積時期氣候溫暖潮濕，水體鹽度較高，有利于有機質的保存和富集，有機質豐度高，有機質類型以III型為主，含少量II型，有機質已進入低成熟—成熟演化階段，為美人峰組最具生烴潛力的層段；第三段和第四段沉積時期氣候相對干熱，水體鹽度相對較低，不利于有機質保存，有機質豐度低，有機質類型以III型為主，有機質以低成熟演化階段為主，生烴潛力不大；第五段和第六段沉積時期氣候恢復溫濕狀態，有機質豐度較第三段和第四段高，有機質類型為III型，但有機質處于未熟狀態，為無效烴源巖。

（3）隨著埋深增加，美人峰組烴源巖有機質成熟度變高，預示美人峰組更大埋深處的烴源巖生烴潛力更好。

致謝 審稿專家和編輯老師對本文提出寶貴建議，碩士研究生李塬豐和周龍政參與了部分實驗室樣品處理工作，在此一并感謝。