柯坪地區(qū)薩爾干組海相烴源巖的的形成研究,地質(zhì)工程論文摘要：柯坪地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組與上奧陶統(tǒng)印干組海相烴源巖是塔里木盆地重要的烴源巖組成部分,對(duì)其特征及其成因機(jī)制的研究具有重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在通過(guò)巖石熱解分析比照研究薩爾干組與印干組海相烴源巖現(xiàn)今地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上,通過(guò)微量和稀土元素從地球生物學(xué)的角度對(duì)其特征差異性成因機(jī)制進(jìn)行了討論。結(jié)果表示清楚,薩爾干組和印干組黑色頁(yè)巖現(xiàn)今均處于成熟-高成熟階段,薩爾干組的有機(jī)質(zhì)豐度和古生產(chǎn)力水平都比印干組高,而古氧相和埋藏效率均較差。與印干組相比,Caradoc早期大洋缺氧事件使得柯坪地區(qū)同時(shí)期沉積的薩爾干組頁(yè)巖古生產(chǎn)力水平得到了顯著提高,在埋藏效率低、氧化復(fù)原條件差的情況下仍為高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：大洋缺氧事件;古生產(chǎn)力;印干組;薩爾干組;海相烴源巖;柯坪地區(qū);Abstract：ThemarinesourcerocksofMiddle-UpperOrdovicianSaerganFormationandUpperOrdovicianYinganFormationareveryimportanthydrocarbonsourcerocksofTarimBasin.Thestudyoftheircharacteristicsandgenesisisofgreatscientificandeconomicsignificance.ThispaperstudiesthegeochemicalcharacteristicsofSaerganFormationandYinganFormationmarinesourcerocksbyrockpyrolysisanalysis.ThegeneticanalysiswasconductedtocontrastthedifferentcharacteristicsofSaerganshaleandYinganshaleonthebasisoftraceelementsandrareearthelements.TheresultshowsthatbothSaerganshaleandYinganshaleareinthemature-highmaturitystage.BoththeorganicmatterabundanceandthelevelofpaleoproductivityofSaerganFormationarehigherthanthoseofYinganFormation.However,theconditionofpaleooxygenationfaciesandburialefficiencyareworse.ComparedwithYinganshale,thepaleoproductivityofSaerganshaleisobviouslyenhancedbytheearlyCaradococeanicanoxiceventinKepingregion.Moreover,Saerganshalestillcontainshighorganicmatterabundancesourcerockintheconditionsoflowburialefficiencyandpoorredox.Keyword：oceanicanoxicevent;paleoproductivity;YinganFormation;SaerganFormation;marinesourcerock;Kepingregion;海相地層一直是油氣勘探的重要領(lǐng)域,我們國(guó)家海相烴源巖具有時(shí)代老、有機(jī)質(zhì)豐度低、成熟度高、埋藏深,而且大多經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造演化導(dǎo)致其保存條件差等特點(diǎn)[1]。海相烴源巖的這些復(fù)雜特征給其辨別和評(píng)價(jià)帶來(lái)了極大的困難,在一定程度上制約了我們國(guó)家海相地層油氣勘探。前人[2,3,4]利用反演法基于最終殘存的有機(jī)碳含量及其他參數(shù)用以反溯在早期成巖階段結(jié)束時(shí)的原始有機(jī)質(zhì)含量,對(duì)海相烴源巖開(kāi)展了大量的研究工作,獲得了豐富的成果。但是這種方式方法精到準(zhǔn)確度有限,并不能準(zhǔn)確恢復(fù)其原始狀態(tài)。烴源巖正演分析則立足于從原始生物有機(jī)質(zhì)到沉積有機(jī)質(zhì)再到埋藏有機(jī)質(zhì)演化的角度,綜合運(yùn)用地球生態(tài)學(xué)、地球微生物學(xué)、分子地球生物學(xué)和生物地球化學(xué)方式方法對(duì)烴源巖的原始生烴潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。該類(lèi)方式方法為高演化低殘存余留有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)提供了新的探尋求索途徑,前人[6,7,8,9,10,11]用其對(duì)海相烴源巖進(jìn)行了研究,獲得了新的科學(xué)性認(rèn)識(shí)。中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組和上奧陶統(tǒng)印干組頁(yè)巖是塔里木盆地奧陶系重要的海相烴源巖,有關(guān)這2套烴源巖的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、空間展布、地球化學(xué)特征等方面的研究頗多[12,13,14,15],但是關(guān)于其發(fā)育成因機(jī)制的研究則鮮有報(bào)道。因而,筆者在分別厘定薩爾干組和印干組海相烴源巖現(xiàn)今地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上,針對(duì)其熱演化程度都很高,但是有機(jī)質(zhì)豐度差異不同懸殊的現(xiàn)在狀況,借助地球生物學(xué)方式方法試圖從正演的角度來(lái)揭示其有機(jī)質(zhì)豐度差異的原因,并對(duì)其成因機(jī)理進(jìn)行討論,以期為烴源巖評(píng)價(jià)和后期預(yù)測(cè)提供理論根據(jù)和科學(xué)支撐。1、地質(zhì)背景大灣溝剖面位于塔里木盆地柯坪地區(qū)東北部(圖1-a,b),是塔里木盆地中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組和上奧陶統(tǒng)印干組出露發(fā)育最好的剖面。該剖面于2002年被確定為上奧陶統(tǒng)底界全球輔助層型剖面[16],是開(kāi)展薩爾干組和印干組研究最佳的切入點(diǎn),很具代表性。本次研究以該條剖面為例,大灣溝剖面依次出露中奧陶統(tǒng)大灣溝組,中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組,上奧陶統(tǒng)坎嶺組、其浪組、印干組和柯坪塔格組,華而不實(shí)薩爾干組的厚度為8m,巖性為黑色頁(yè)巖夾薄層狀灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r,印干組為厚度30m的黑色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r(圖1-c)。2、樣品采集與測(cè)試分析本次研究對(duì)大灣溝剖面中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組和上奧陶統(tǒng)印干組頁(yè)巖進(jìn)行了連續(xù)的采樣,為了降低野外地質(zhì)露頭樣品遭受風(fēng)化作用的影響,采集樣品時(shí)使用野外汽油取樣鉆機(jī)鉆取地表新鮮露頭樣品,一共采集薩爾干組黑色頁(yè)巖樣品27個(gè),印干組黑色頁(yè)巖樣品23個(gè)。室內(nèi)挑選和研磨黑色頁(yè)巖樣品時(shí),考慮到其巖性的非均質(zhì)性,選取顏色深、質(zhì)地純的黑色頁(yè)巖,并且用小刀輕輕刮去其外表的雜質(zhì)污染物。烴源巖樣品的巖石熱解分析、微量和稀土元素測(cè)試工作均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,華而不實(shí)巖石熱解測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。圖1塔里木盆地柯坪地區(qū)大灣溝剖面位置及地層柱狀圖Fig.1LocationmapandstratigraphiccolumnoftheDawangousectioninKepingregion,TarimBasin3、烴源巖地球化學(xué)特征3.1、有機(jī)質(zhì)豐度有機(jī)質(zhì)豐度是衡量烴源巖生烴數(shù)量多少的重要指標(biāo),柯坪地區(qū)大灣溝剖面中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.61%~5.68%,平均2.66%,生烴潛量為0.13~5.54mg/g,平均2.17mg/g;上奧陶統(tǒng)印干組的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%~1.49%,平均0.72%,生烴潛量為0.21~1.42mg/g,平均0.76mg/g。薩爾干組頁(yè)巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和生烴潛量均明顯高于印干組,根據(jù)陳建平等[17]建立的我們國(guó)家古生界海相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),薩爾干組為中等-好烴源巖,而印干組則為差烴源巖。同時(shí)由圖2能夠看出,薩爾干組的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和生烴潛量變化范圍大于印干組,即薩爾干組烴源巖的非均質(zhì)性強(qiáng)于印干組,這可能與沉積時(shí)期的海平面升降變化有關(guān)。3.2、有機(jī)質(zhì)成熟度海相沉積地層中缺乏鏡質(zhì)體,使得傳統(tǒng)有效的衡量烴源巖成熟度高低的鏡質(zhì)組反射率參數(shù)較難獲得。因而,通過(guò)測(cè)定鏡狀體、固體瀝青、筆石體和幾丁蟲(chóng)殼體等有機(jī)組分的反射率,將其換算為等效鏡質(zhì)體反射率來(lái)標(biāo)定烴源巖的有機(jī)質(zhì)成熟度[18]。張水昌等[12]研究以為柯坪地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組和上奧陶統(tǒng)印干組頁(yè)巖的等效鏡質(zhì)組反射率(VRE)為1.1%~1.3%;王飛宇等[13]從實(shí)測(cè)的有機(jī)組分反射率換算得到薩爾干組頁(yè)巖的等效鏡質(zhì)組反射率為1.58%~1.61%;王慶濤等[19]采用催化加氫裂解和實(shí)際測(cè)量相結(jié)合的方式方法,確定出薩爾干組和印干組頁(yè)巖的鏡質(zhì)體反射率為1.1%~1.4%。前人的這些研究成果均表示清楚,薩爾干組和印干組頁(yè)巖的熱演化程度高,都處于成熟-高成熟階段。烴源巖的殘存余留有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和生烴潛量隨著其熱演化程度的加劇而減少,柯坪地區(qū)薩爾干組和印干組頁(yè)巖熱演化程度相近,現(xiàn)今均處于成熟-高成熟階段,由此可見(jiàn)有機(jī)質(zhì)成熟度并不是導(dǎo)致薩爾干組有機(jī)質(zhì)豐度高于印干組的原因。表1柯坪地區(qū)大灣溝剖面薩爾干組與印干組有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)Table1EvaluationofSaerganandYinganformationsorganicmatterabundanceatDawangousectioninKepingregion圖2柯坪地區(qū)大灣溝剖面薩爾干組(a)和印干組(b)地球生物學(xué)特征Fig.2GeobiologicalcharacteristicsofSaerganandYinganformationsatDawangousectioninKepingregion4、烴源巖構(gòu)成的地球生物學(xué)條件針對(duì)柯坪地區(qū)薩爾干組有機(jī)質(zhì)豐度明顯高于印干組而其熱演化程度接近的現(xiàn)在狀況,嘗試從正演的角度借助地球生物學(xué)方式方法來(lái)分析討論薩爾干組高豐度烴源巖的構(gòu)成原因。4.1、古生產(chǎn)力Cu、Zn、Ni等營(yíng)養(yǎng)元素隨著生物體而沉積到沉積物中,在后期的埋藏成巖經(jīng)過(guò)中變化不大,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于表征生產(chǎn)力水平的高低[20,21]?？缕旱貐^(qū)大灣溝剖面薩爾干組和印干組頁(yè)巖的Cu、Zn、Ni元素含量與其有機(jī)碳含量和生烴潛量具有類(lèi)似的變化趨勢(shì),能夠用來(lái)定性地反映古生產(chǎn)力水平的高低,Cu、Zn、Ni含量越高表示古生產(chǎn)力水平越高;反之則越低。華而不實(shí),薩爾干組頁(yè)巖的w(Cu)為65.810-6~13810-6,平均為93.710-6,w(Zn)為6110-6~14810-6,平均為109.810-6,w(Ni)為31.610-6~15010-6,平均為68.710-6(圖2-a);印干組的w(Cu)為60.410-6~70.110-6,平均為66.810-6,w(Zn)為70.910-6~11910-6,平均為91.410-6,w(Ni)為33.410-6~54.210-6,平均為4510-6(圖2-b)。薩爾干組頁(yè)巖的Cu、Zn、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯高于印干組,表示清楚薩爾干組頁(yè)巖的古生產(chǎn)力水平高于印干組。4.2、古氧相稀土元素(REE)的含量、組合及變化規(guī)律對(duì)沉積環(huán)境的變化特別敏感,因此被廣泛應(yīng)用于古氧相的研究[22]。前人[22,23]研究指出,稀土元素總量w(REE)低(與常用作標(biāo)準(zhǔn)化的平均頁(yè)巖稀土元素總量數(shù)值相比擬),Eu1,Ceanom-0.1指示缺氧環(huán)境;反之w(REE)高,Eu1,Ce-0.1代表富氧環(huán)境。華而不實(shí),式(1)、(2)中:N表示以北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化。大灣溝剖面薩爾干組和印干組頁(yè)巖稀土元素以北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化后,薩爾干組頁(yè)巖w(REE)(不包括Y)為80.110-6~360.210-6,平均為193.710-6,略高于北美頁(yè)巖的w(REE)值173.210-6,Eu值為1.04~1.24,平均為1.11,Ceanom為-0.07~-0.02,平均為-0.04,表示清楚其以貧氧環(huán)境為主(圖2-a);而印干組的w(REE)為143.110-6~180.510-6,平均為165.610-6,低于北美頁(yè)巖的w(REE)值,Eu為1.25~1.30,平均為1.28,Ceanom值為-0.06~-0.04,平均為-0.05,顯示為厭氧環(huán)境(圖2-b)。比擬而言,印干組的厭氧環(huán)境更有利于有機(jī)質(zhì)的保存。4.3、埋藏效率埋藏效率是指最終保存下來(lái)的有機(jī)質(zhì)與初始生產(chǎn)力中總有機(jī)質(zhì)的比值,較高的埋藏效率反映出有機(jī)碳埋藏比例高,有利于高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖的構(gòu)成。U/Mo比值與埋藏效率呈負(fù)相關(guān),可作為判定埋藏效率高低的有效替代指標(biāo)[10,24]?？缕旱貐^(qū)大灣溝剖面薩爾干組黑色頁(yè)巖的U/Mo比值為2.1~23.1,平均為7.0(圖2-a);而印干組頁(yè)巖的U/Mo比值為2.0~4.7,平均為3.3(圖2-b),由此可見(jiàn),印干組的有機(jī)質(zhì)埋藏效率高于薩爾干組,更有利于高豐度烴源巖的構(gòu)成。比照薩爾干組和印干組2套海相烴源巖構(gòu)成時(shí)的地球生物學(xué)條件(表2),能夠發(fā)現(xiàn)柯坪地區(qū)薩爾干組頁(yè)巖構(gòu)成于古生產(chǎn)力水平高、埋藏效率低的貧氧環(huán)境,現(xiàn)今為一套相對(duì)高有機(jī)質(zhì)豐度的烴源巖;而印干組則發(fā)育于古生產(chǎn)力水平低、埋藏效率高的厭氧環(huán)境,有機(jī)質(zhì)豐度較低。古生產(chǎn)力的高低差異是導(dǎo)致薩爾干組烴源巖比印干組有機(jī)質(zhì)豐度高的最主要原因。表2柯坪地區(qū)大灣溝剖面薩爾干組與印干組烴源巖地球生物學(xué)特征比照Table2ComparisonofSaerganandYinganformationssourcerockgeobiologicalcharacteristicsatDawangousectioninKepingregion5、薩爾干組與印干組烴源巖古生產(chǎn)力差異成因討論5.1、碳氧鍶同位素指標(biāo)異常海相碳酸鹽巖記錄了原始沉積時(shí)期古海洋的信息,其碳氧鍶同位素組成是研究地質(zhì)歷史時(shí)期生物、化學(xué)與環(huán)境演化的有效途徑[25]。海洋有機(jī)碳同位素組成直接受海水溶解碳12C和13C變化的影響,碳同位素的偏移反映了海洋中13C的富集或匱乏,是全球性重大地質(zhì)事件發(fā)生的結(jié)果。王大銳等[26]、王飛宇等[13]的研究表示清楚,柯坪地區(qū)大灣溝剖面中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組碳酸鹽巖碳同位素發(fā)生了2~3的正向偏移(圖3),并且這種現(xiàn)象在塔里木盆地英買(mǎi)力、塔中和塔東地區(qū)也廣泛發(fā)育。華南板塊紅花園剖面同時(shí)期也有類(lèi)似的13C正向偏移顯示[27]。Ainsaar等[28]初次報(bào)道了波羅的大陸Caradoc早期Eoplacognathussuecicus牙形刺帶中也存在類(lèi)似的正向漂移。Buggisch等[29]建立了西岡瓦納大陸碳同位素曲線(xiàn),在Caradoc早期Lenodus(Amorphognathus)variabilis牙形刺帶上部可見(jiàn)13C發(fā)生了1.2的正向漂移。這與Albanesi等[30]建立的奧陶紀(jì)全球碳同位素曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相一致(圖3)。王大銳等[26]、趙國(guó)偉[31]先后對(duì)大灣溝剖面奧陶系碳酸鹽巖氧和鍶同位素開(kāi)展了研究,發(fā)現(xiàn)薩爾干組沉積時(shí)期18O增幅可達(dá)3.5~4,87Sr/86Sr比值降低了0.0003左右(圖3)。這種現(xiàn)象并不局限于柯坪地區(qū),同時(shí)期的塔里木盆地東北部庫(kù)魯克塔格剖面18O增幅達(dá)2~3[26]。在世界其他地區(qū)的剖面上,腕足類(lèi)動(dòng)物殼體和牙形刺體的18O在Caradoc早期均發(fā)生了不同程度的正向波動(dòng)[32,33](圖3)。與此同時(shí),塔里木盆地巴楚和塔中地區(qū)87Sr/86Sr比值下降了0.0008[30],全球87Sr/86Sr比值降低了0.0009左右[32](圖3),由此可見(jiàn),柯坪地區(qū)薩爾干組時(shí)期的13C和18O正向偏移、87Sr/86Sr比值降低具有全球性。5.2、海平面上升胡明毅等[34]在對(duì)柯坪地區(qū)奧陶系沉積環(huán)境和層序地層分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合碳同位素和微量元素地球化學(xué)分析測(cè)試結(jié)果,討論了該區(qū)相對(duì)海平面變化情況,發(fā)現(xiàn)薩爾干組沉積時(shí)期海平面相對(duì)上升(圖3)。這與Haq等[35]研究得到的奧陶紀(jì)全球海平面變化趨勢(shì)一致(圖3),表示清楚柯坪地區(qū)該時(shí)期的海平面上升現(xiàn)象具有全球性。圖3大灣溝剖面Caradoc早期大洋缺氧事件主要表征(灰色部分代表事件)與全球性比照Fig.3MajorcharacteristicsoftheearlyCaradococeanicanoxiceventatDawangousection(greyrectaglesshowingtheevent)andcorrelationacrosstheworld5.3、海洋生物集群滅絕周志毅等[36]、陳旭等[16]對(duì)柯坪地區(qū)大灣溝剖面進(jìn)行了具體的生物化石比照研究,發(fā)現(xiàn)中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組發(fā)育Pseudoclimacograptusangulatus、Pterograptuselegans等31種筆石,Periodonaculeatus、Protopanderodusvaricostatus等6種牙形刺,頭足類(lèi)、三葉蟲(chóng)、雙殼類(lèi)、腕足類(lèi)、胞石、疑源類(lèi)、介形類(lèi)和腹足類(lèi)化石均有發(fā)育,海洋生物發(fā)生了不同程度的更替和滅絕;與瑞典南部上奧陶統(tǒng)底界的全球?qū)有虵agelsang剖面和美國(guó)亞拉巴馬州上奧陶統(tǒng)底界的全球輔助層型Calera剖面進(jìn)行比照后發(fā)現(xiàn),這是一次分布范圍廣泛的生物集群滅絕事件?？缕旱貐^(qū)薩爾干組沉積時(shí)期13C和18O正向偏移、87Sr/86Sr比值降低、海平面上升、海洋生物集群滅絕,并且都具有全球性等時(shí)的特點(diǎn),這是Caradoc早期發(fā)生大洋缺氧事件的結(jié)果。大洋缺氧事件期間,海洋中喜氧生物快速滅絕,厭氧生物則迅速繁衍,烴源巖原始有機(jī)質(zhì)的數(shù)量急速增加,生產(chǎn)力水平相應(yīng)增高。與印干組相比,薩爾干組頁(yè)巖沉積時(shí)發(fā)生了明顯的大洋缺氧事件,使得其古生產(chǎn)力得到顯著提高,在埋藏效率和古氧相條件均不利的情況下,現(xiàn)今仍為高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖。6、結(jié)論(1)柯坪地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)薩爾干組和上奧陶統(tǒng)印干組海相黑色頁(yè)巖均處于成熟-高成熟階段,但是薩爾干組為一套高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖,而印干組的有機(jī)質(zhì)豐度則較低。(2)相比擬而言,薩爾干組頁(yè)巖的古生產(chǎn)力水平高,處于貧氧的保存環(huán)境,埋藏效率低;而印干組的古生產(chǎn)力低,處于厭氧的狀態(tài),埋藏效率高。古生產(chǎn)力水平的高低差異是導(dǎo)致薩爾干組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度明顯高于印干組的主要原因。(3)Caradoc早期全球性大洋缺氧事件使得柯坪地區(qū)同時(shí)期沉積的薩爾干組頁(yè)巖13C和18O正向偏移、87Sr/86Sr比值降低、海平面上升、海洋生物發(fā)生不同程度的更替和滅絕,生產(chǎn)力水平得到顯著提高,構(gòu)成了現(xiàn)今的薩爾干組高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖。以下為參考文獻(xiàn)：[1]李晉超,馬永生,張大江,等.中國(guó)海相油氣勘探若干重大科學(xué)問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