徐家圍子斷陷沙河子組烴源巖形成古環境及主控因素

摘 要 【目的】明確沙河子組優質烴源巖形成的主控因素，為松遼盆地深層天然氣勘探方向優選提供地質依據?！痉椒ā烤C合利用巖心、有機地球化學和元素地球化學等多種資料，系統研究沙河子組沉積環境和水體環境，明確了斷裂活動、沉積相和古沉積環境對烴源巖有機質豐度、類型的控制作用。【結果】沙河子組發育暗色泥巖和煤巖兩種類型烴源巖，沙I段沉積期斷裂活動強，水體相對局限、深度大，形成的“深水窄盆”鹽度高、還原性好，以半深湖相泥巖為主，沙II段時斷裂活動弱，湖盆面積達到最大，形成的“淺水寬盆”鹽度低、還原性變差，烴源巖以濱淺湖相煤巖為主。【結論】斷裂活動在下降盤為泥巖堆積提供可容納空間，控制了泥巖厚度；沉積環境影響有機質輸入，決定了泥巖有機質類型和煤巖分布；由古鹽度、古水深和氧化還原組成的古沉積環境影響有機質的富集和保存，是導致現今烴源巖質量差異的主要原因。

關鍵詞 微量元素；古環境；烴源巖；控制因素；沙河子組

第一作者簡介 孫立東，男，1981年出生，碩士，高級工程師，石油地質學，E-mail： sunlidong@petrochina.com.cn

通信作者 周翔，男，博士，高級工程師，石油地質學，E-mail： zhouxiang2206@petrochina.com.cn

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

優質烴源巖是油氣形成的基礎，其成因及分布預測更是影響油氣勘探決策的關鍵因素。通常，烴源巖的發育受構造特征、沉積相和沉積環境等因素影響[1?3]，尤其是湖泊面積小、相變迅速的小型斷陷湖盆，環境變化對烴源巖的控制更為明顯。沉積巖中常、微量元素組成是沉積環境變遷在地層中留下的可追溯記錄，利用泥巖中元素含量及相關元素比值可恢復沉積時古沉積環境特征[4]。大量優質烴源巖沉積古環境相關的研究表明，古鹽度、古生產力和氧化還原條件等沉積環境因素通過控制有機質的富集和保存，直接決定了烴源巖的質量[5?8]。徐家圍子斷陷是松遼盆地深層最主要的含氣斷陷，具有沉積環境復雜、烴源巖類型多、非均質性強的特點，不同類型烴源巖的質量及分布影響了該斷陷多類型氣藏的富集。前人對徐家圍子斷陷的構造特征、沉積相和儲層特征進行了大量研究，但對于沙河子組沉積特征及古沉積環境尚未進行深入研究[9]。本次研究在沙河子組烴源巖特征和沉積環境、水體環境恢復的基礎上，討論斷裂、沉積相和古沉積環境對烴源巖形成的控制作用，以期為松遼盆地深層天然氣勘探方向優選提供地質依據。

1 區域地質概況

徐家圍子斷陷構造上位于松遼盆地深層東南斷陷帶，西鄰中央古隆起、東接朝陽溝階地，面積約5 350 km2，天然氣探明地質儲量近3 000×1012 m3，是盆地內發現天然氣資源最多的深部斷陷[10]。徐家圍子斷陷具有“下斷上坳”的二元結構，深層即斷陷期地層依次為火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組和泉頭組。沙河子組是盆地強烈斷陷期沉積的一套含煤湖相碎屑巖，也是盆地深層沙河子組致密氣、營城組火山巖氣、登婁庫組構造氣等多類型氣藏的氣源巖，可分為下部沙I段、上部沙II段2個層段和4個亞段（圖1）。

2 沙河子組烴源巖形成的沉積環境與特征

2.1 沙河子組沉積相類型及分布

沙河子組沉積期為松遼盆地斷陷湖盆發育鼎盛期，研究區發育辮狀河三角洲、扇三角洲、濱淺湖—半深湖和近岸水下扇等四種沉積相，斷陷西側以扇三角洲—濱淺湖、半深湖為主，局部見近岸水下扇；東側則為辮狀河三角洲，向前過渡為濱淺湖—半深湖相（圖2）。沙I下亞段為初始斷陷期，受古地貌影響沉積充填范圍較小，沿徐西斷裂下降盤發育多個小型扇三角洲朵葉體，徐中地區強烈下陷成半深湖，徐東斜坡發育辮狀河三角洲。沙I上亞段時斷陷西側扇三角洲進一步擴大，以扇三角洲前緣最發育，徐東斜坡仍為辮狀河三角洲，徐中地區湖盆范圍擴大，發育濱淺湖、半深湖—深湖。沙II下亞段時東、西兩側發育三角洲平原迅速擴大。沙II上亞段時斷裂活動減弱、湖泊面積減少，僅在三角洲沉積間隙見濱淺湖相。

2.2 沙河子組烴源巖類型與特征

巖心觀察表明，沙河子組烴源巖分為暗色泥巖和煤巖兩種類型。暗色泥巖包括辮狀河（扇）三角洲前緣分流間灣灰色、灰綠色泥巖和半深湖相灰黑色泥巖三種類型。煤巖分為辮狀河（扇）三角洲平原沼澤煤巖和濱淺湖煤巖兩種類型，是分流河道兩側濕地泥炭沼澤化或湖泊大面積淤淺沼澤化形成的。不同類型烴源巖特征差異明顯，暗色泥巖集中在下部沙I段，沙I下和沙I上亞段半深湖相泥巖TOC普遍大于2%，平均為4.06%和4.36%（表1），為好—很好烴源巖，有機質類型以II型為主，部分為III型（圖3），沙II上和沙II下亞段三角洲前緣分流間灣暗色泥巖有機質豐度較差，TOC平均為2.34%和1.94%，為中等—好烴源巖。煤巖主要在沙II段，沙II上和沙II下亞段濱淺湖相煤巖TOC平均為29.65%和48.86%，全部為III型有機質，沙I下亞段三角洲平原沼澤煤巖厚度薄、分布零散，有機質豐度也相對較低。

沙河子組熱演化程度高，沙I下亞段埋深最大，Ro和Tmax分別介于2.18%～3.91%和480 ℃～598 ℃，平均約2.40%和532 ℃，處于過成熟階段。沙I上亞段Ro 和Tmax 平均為2.28%和480 ℃，達到高—過成熟。沙II下亞段Ro和Tmax分別介于1.35%～3.40%和306 ℃～587 ℃，平均為2.17%和437 ℃，為高成熟階段。沙II上亞段Ro和Tmax平均為1.82 ℃和390 ℃，處于成熟階段。

3 沙河子組沉積期古環境特征

3.1 沙河子組沉積期古氣候條件

沉積巖中常、微量元素組成及相對含量記錄了水體環境的變化，可提供古氣候、古鹽度、古生產力、氧化還原條件等環境變遷的信息[11]。潮濕氣候條件下，沉積巖中Fe、Mn、Cr、V、Ni 和Co 等喜濕元素富集，氣候干燥、水分蒸發時喜干型元素Ca、Mg、K、Na、Sr和Ba析出，利用二者之比即氣候指數C和Sr/Cu比可反映沉積時古氣候。通常溫暖、潮濕氣候下0.610指示半潮濕—半干燥氣候，干燥氣候條件下Clt;0.2[12]。沙河子組不同層段泥巖的氣候指數C和Sr/Cu變化較小，沙I段氣候指數C介于0.05～1.02，平均為0.29，Sr/Cu介于5.36～24.88，平均為14.82，指示其為半潮濕—半干旱氣候（圖4）。沙II 段氣候指數C 和Sr/Cu 分別介于0.02～0.64和5.48～30.72，平均為0.24和18.02，與沙I段相似，表明沙河子組時氣候穩定，為半潮濕—半干旱氣候（圖5a）。

3.2 沙河子組沉積期古鹽度特征

古鹽度通過影響生物種類、繁盛程度控制有機質富集，沉積物中Sr含量、Sr/Ba和Mg/Ca與古鹽度正相關，是水體鹽度的指示[13]。通常Mg/Ca≤0.25時為微咸水，0.25下部沙I段Sr/Ba和Mg/Ca相對較大，介于0.04～0.66和0.56～4.74，平均為0.42和1.16，為咸水—鹽湖環境（圖5b），沙II 段沉積時鹽度降低，Sr/Ba 介于0.02～0.46，平均為0.16，Mg/Ca 介于0.08～2.19，平均0.25，為半咸水—咸水環境。不同層段Sr含量也具有類似特征，沙I段Sr含量較高，從329 μg/g到594 μg/g均有分布，為咸水—鹽湖，而沙II段沉積時Sr含量減小，為半咸水—咸水環境（圖5c）。

3.3 沙河子組沉積期氧化還原條件

貧氧強還原的深水環境有利于有機質保存，是形成優質烴源巖的必要條件。富氧的環境中V/（V+Ni）≤0.45、V/Cr≥4.25，厭氧的強還原環境中V/（V+Ni）≥0.60、V/Cr≤2.0，0.45

3.4 沙河子組沉積期古水深特征

不同水體深度下元素的富集呈規律性變化，Fe、K、Al易與黏土礦物結合在濱岸帶富集，而Mn、Ca和Mg則吸附于黏土礦物中，經長距離搬運到湖盆中部沉淀，因此隨水體加深Fe/Mn、（Al+Fe）（/ Ca+Mg）迅速減小。通常3050為淺湖[16]。沙I段Fe/Mn和（Al+Fe）（/ Ca+Mg）分別介于18.74～78.51和1.37～7.31，平均為33.18和5.63，以半深湖—深湖為主；上部沙II 段Fe/Mn 和（Al+Fe）/（Ca+Mg）明顯偏高，分別介于32.39～292.62和3.92～19.82，平均為74.72和7.83，表明沙II段水體變淺（圖5g），隨水深減小，V/Cr增大、還原性減弱（圖5h）。

4 沙河子組烴源巖形成控制因素

4.1 斷裂活動形成可容納空間，控制了泥巖的厚度

湖相烴源巖中有機質富集受多種因素控制，其中構造活動從宏觀上形成可容納空間并決定沉積體發育，進而影響斷陷湖盆烴源巖的形成[17]。沙河子組沉積期徐西、徐中和徐東斷裂活動在下降盤形成巨大可容納空間，是暗色泥巖堆積的主要場所。尤其是沙I下亞段時，徐西斷裂活動強度最大，此時湖盆面積較小，徐家圍子斷陷迅速下陷，在徐西斷裂下降盤處形成深凹區，堆積巨厚的非補償性沉積的暗色泥巖（圖6），最大厚度達120 m。沙I上亞段時徐西、徐中斷裂仍保持較高的活動強度，沿徐西、徐中斷裂下降盤形成Da2井、S3井、Xu28井、Xu904井等串珠狀分布的深凹區，堆積巨厚的濱淺湖、半深湖相泥巖。

沙II下亞段，徐西斷裂活動性減弱，對暗色泥巖的控制也隨之減弱，徐中地區暗色泥巖最大厚度僅為80 m（圖7）。沙II上亞段時隨徐西、徐中斷裂活動進一步減弱，水體持續變淺，暗色泥巖厚度進一步減小，同時沙河子沉積末期徐東斷裂開始活動，造成沙河子地層抬升，造成斷陷西部和南部沙II上和沙II下亞段大范圍抬升剝蝕，僅在Da2、Xu28、Xu401等局部深凹殘留沙II段泥巖。

總體上，徐西、徐中斷裂活動控制了沙I段暗色泥巖的分布，由斷裂活動形成的安達凹陷、徐中凹陷等局部深凹是泥巖富集有利區，遠離斷裂的徐東地區泥巖不發育；沙II段時隨徐西、徐東斷裂活動降低、對泥巖控制減弱，泥巖厚度明顯減??；沙河子沉積期末徐東斷裂活動造成地層抬升、沙II段大范圍剝蝕，泥巖局限在北部安達凹陷和徐中凹陷。

4.2 沉積相影響有機質輸入，決定了烴源巖類型

陸相斷陷湖盆面積小、沉積相變快，不同沉積環境中機質輸入存在差異，決定了烴源巖類型，是影響烴源巖發育的重要因素。沙I下亞段扇三角洲前緣分流間灣泥巖CPI 和OEP 分別介于0.62～1.03 和0.76～1.16，奇偶優勢不明顯，C21+22/C28+29 介于0.85～6.42，ΣC21-/ΣC21+ 介于0.45～1.34，是以nC21為主峰的前峰型（圖8a），母質為低等水生生物和陸源高等植物的混合型母質。沙I上亞段辮狀河三角洲前緣分流間灣泥巖也有類似特征，CPI和OEP平均為0.73和0.85，C21+22/C28+29 介于0.86～5.82，Σ C21-/Σ C21+ 介于0.49～1.26，是以nC21、nC23為主峰的前峰型（圖8b），反映低等水生生物是烴源巖母質的重要來源，同時有部分陸源高等植物混入。沙I 上亞段濱淺湖泥巖C21+22/C28+29 介于1.24～23.66，ΣC21-/ΣC21+ 介于0.69～2.12，正構烷烴是以nC19為主峰的前峰型（圖8c），母質以水生生物為主，有機質類型以II型為主，含少量I型。沙II上亞段半深湖相泥巖正構烷烴是以nC19為主峰的前峰型（圖8d），C21+22/C28+29 介于1.29～24.05，ΣC21-/ΣC21+ 介于0.89～2.29，表明母質以水生生物為主，同時含部分陸源高等植物，有機質類型以II型為主，含少量I型。

沙II段煤巖正構烷烴是以nC27為主峰的后峰型，指示其為III型干酪根（圖8e，f）。煤巖發育受沉積環境控制明顯，斷裂活動對其影響較小。沙I段時湖盆范圍小，斷陷邊部碎屑物質在兩側三角洲平原堆積，促進植物生長、沼澤化，在巨厚的砂礫巖中形成夾層型薄層煤巖，單層厚度小于2 m、分布范圍窄（圖9）。沙II沉積時，湖盆范圍大、水體淺，早期沉積淤淺，植物大量生長并逐漸沼澤化，形成與暗色泥巖頻繁互層的濱淺湖相煤巖，厚3～5 m，最大達60 m，也是沙河子組煤巖發育的主要時期。

4.3 古沉積環境條件差異對烴源巖質量的控制作用

優質烴源巖的形成是古氣候、古鹽度、古生產力等有機質輸入和氧化—還原條件、沉積—沉降速率等保存條件綜合作用的結果[18]。沙河子組沉積時為半潮濕—半干旱環境、氣候波動較小，各層段間氣候指數C和Sr/Cu與TOC相關性較差（圖10a），暗示沙河子組沉積時氣候波動較小、對有機質富集的影響有限。

Sr含量和Mg/Ca等古鹽度參數與TOC正相關（圖10b），表明古鹽度有利于有機質富集。較高的鹽度促進Ba、P等營養元素的輸入，其中P作為藻類繁盛必須的限制性元素，是引發低等水生生物勃發、形成較高的古生產力的必要條件[19]。沙I段泥巖母質中藻類等低等水生生物含量較高，較高古生產力指標P/Al也與TOC正相關（圖10c），而沙II段煤巖母質為陸源高等植物，TOC與P/Al關系不明顯。同時，較高的鹽度造成水體中鹽度分層、限制水體對流，形成有利于沙I段有機質保存的強還原環境。

沙I段時強烈的斷裂活動形成的半深湖—深湖既是烴源巖堆積的有利場所，同時深水、咸水條件下形成的強還原環境也是有機質保存的有利條件[20]。TOC與Fe/Mn、（Al+Fe）/（Ca+Mg）等古水深指標關系表明，由下部沙I段到上部沙II段，隨水體變淺、鹽度降低、還原性減弱，沙II 段煤巖TOC 也迅速降低（圖10d）。V/Cr和Pr/Ph等氧化還原指標也具有類似的變化特征，進一步證實沙河子組下部沙I段沉積時強烈斷陷形成的“深水窄盆”鹽度高、還原性強、有機質保存條件好（圖10e，f），上部沙II段斷裂活動弱，形成的“淺水廣盆”鹽度低、還原性較差，泥巖中有機質部分氧化、質量變差，而以濱淺湖相煤巖為主。由古鹽度、古水深和氧化還原組成的古環境差異影響有機質富集和保存，是導致下部沙I段泥巖有機質豐度較高，而上部沙II段泥巖有機質豐度變差、煤巖發育的主要原因。

5 結論

（1） 沙河子組暗色泥巖集中在下部沙I段，有機質豐度高，以II型干酪根為主，普遍達到過成熟階段；煤巖主要分布在上部沙II段，為III型干酪根，處于成熟—過成熟階段。

（2） 沙I段沉積期斷裂活動強，形成的“深水窄盆”水體深、鹽度高、還原性好，有利于半深湖相泥巖有機質的富集和保存；沙II段沉積期斷裂活動弱，形成“淺水廣盆”水體淺、鹽度低、還原性較差，不利泥巖發育，而以湖泊大面積淤淺沼澤化形成的煤巖為主。

（3） 斷裂下降盤可容納空間大，是泥巖堆積的主要場所，控制了烴源巖厚度；沙I段時深水的高鹽、強還原環境有利于泥巖中有機質富集，沙II段時水體變淺、鹽度和還原性降低，泥巖質量隨之變差，而以煤巖為主。

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