页岩油是非常规油气资源的重要组成部分,已成为全球油气勘探的重要接替领域(Cardott,
2012;柳波等,
2014;Zou
et al.,
2019)。近年来,随着勘探理论和技术的进步,中国在陆相咸化湖盆页岩油领域取得了系列重大突破,展现出巨大的资源潜力(金之钧等,
2021;马永生等,
2022;赵文智等,
2023;郭旭升等,
2023,
2024,
2025)。与海相环境相比,陆相湖盆在构造稳定性、沉积物来源等方面受到更多复杂因素的影响,突出表现为盆地规模较小、构造-沉积背景不稳定,加之湖相系统对高频气候变化、湖平面波动、生物来源敏感(Katz and lin,
2014;Zou
et al.,
2019;白龙辉等,
2021;Xiao
et al.,
2024b;Liang
et al.,
2026),使得湖盆沉积物来源的影响因素众多,具有极强非均质性。尤其是咸化湖盆因其独特的水化学条件(富含盐类物质、较强还原环境等),控制了更复杂的沉积物供给和生物群落发育,在物理和化学沉积作用叠加下形成多种矿物组分,包括陆源碎屑、碳酸盐、黏土矿物以及生物化学沉积(如蒸发盐、硅质等)等,多种组分以不同比例和方式混合沉积形成复杂岩石组合,从而形成极具特色的细粒混合沉积体系(Curtis
et al.,
2012;黎茂稳等,
2020;曹剑等,
2025;Wang
et al.,
2026)。水体的盐度波动、频繁的湖平面变化以及多样的物源供给,共同控制了混积体系中岩相的类型、结构构造及空间展布(贾承造等,
2021;朱筱敏等,
2024,
2025)。这些混积岩相不仅是页岩油生成的物质基础,其岩石物性、储集空间发育特征也直接决定了页岩油甜点宏观展布和油气微观分布规律(黎茂稳等,
2020;郭旭升等,
2023;Liang
et al.,
2024)。
中国咸化湖盆页岩油探区普遍发育细粒混合沉积体系,岩石组构粒度细、储集空间尺度小、非均质性强,岩相类型和组合多样化(黎茂稳等,
2022;朱如凯等,
2023;胡涛等,
2024)。尽管前人已在咸化湖盆沉积相划分、烃源岩发育特征等方面取得了丰硕成果,但对于其中复杂混积体系的形成环境,仍存在一些亟待深入研究的科学问题。例如,岩相类型与组构精细表征方面,对复杂岩相类型的系统划分存在多种方案(Zhang
et al.,
2019;张君峰等,
2020;朱相羽等,
2023;胡宗全等,
2024)。形成机理与环境控制因素方面,不同沉积模式控制下形成的岩相类型有何差异、混积体系中不同岩相的形成环境及主控因素仍缺乏深入研究,古气候、水体环境、保存条件、初级生产力以及地质事件等控制因素的耦合关系及其在岩石记录中的响应特征不甚清晰(Peng
et al.,
2021; Peng and Larson,
2022;Wang
et al.,
2023;蒲秀刚等,
2024;Liu
et al.,
2024b)。
有鉴于此,本研究选取中国2大典型咸化湖盆进行对比分析,分别为西部准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组、东部苏北盆地高邮凹陷古近系阜宁组二段,2个页岩油探区均发育复杂混合细粒沉积岩,且近年来均获得较好的勘探突破(支东明等,
2019;唐勇等,
2023;段宏亮等,
2024;孙雅雄等,
2024)。其中吉木萨尔凹陷芦草沟组为互层/夹层型(源储分离型)页岩油体系,而高邮凹陷阜宁组二段为混积页岩型(源储共生型)页岩油体系(郭旭升等,
2024,
2025)。通过系统的岩石学和地球化学分析研究,旨在对比具有不同源储耦合关系的咸化湖盆页岩油混积体系中岩相发育特征差异,并深入剖析各类细粒岩相形成时期的古气候、水体环境等,揭示不同岩相形成的古环境背景及其对页岩油甜点类型的控制作用,最终通过对比不同混合沉积环境中岩相发育及成因差异,构建其沉积模式。本研究对于深化咸化湖盆细粒沉积学理论、明确页岩油甜点段成因与分布预测,进而精确指导勘探选区与评价,均具有一定的理论价值和实践意义。
1 地质背景
准噶尔盆地吉木萨尔凹陷位于盆地东部隆起的西南部,面积约1500 km
2(匡立春等,
2012)(
图 1-a),凹陷现今地形起伏平缓,地层稳定连续,次级断裂较少发育,为一个相对简单的单斜箕状构造,西部是低洼地带,东部为凹陷斜坡带。凹陷经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅运动等多旋回构造-沉积活动。中二叠世中晚期,凹陷发生强烈的沉降,接受了独立封闭沉积,形成了页岩油的主力烃源岩层芦草沟组(Allen and Natal,
1995)。芦草沟组以咸化深湖相沉积为主,局部为三角洲、浅湖—半深湖相沉积,主体埋深范围为2500~4500 m,地层厚度90~350 m(匡立春等,
2012;支东明等,
2019)。根据产油结果和岩电特征,将产油性能最好的2个混积致密层段定为“上甜点段(主要为P
2 )”和“下甜点段(主要为P
2 )”,2个甜点段中间为大段厚层泥岩,命名为“中部泥岩段”(蒋宜勤等,
2015;张少敏等,
2018;Zhang
et al.,
2023)。上、下甜点段为页岩油规模开发的主要目标,产出的原油主要为稠油,密度在0.88~0.92 g/cm
3之间,凹陷区至斜坡区是当前的主要产区。
苏北盆地位于江苏省东北部,是苏北—南黄海盆地的陆上部分,主要形成于中生代至新生代时期,由中古生代时期在长江下游地区的复杂构造变形所形成(
图 1-b)。在白垩纪末期至古近纪,受太平洋板块俯冲和郯庐断裂带右旋扭动构造变形影响,苏北盆地处于强烈伸展拗陷阶段,发育了多旋回河流三角洲—湖泊沉积体系,自下而上发育泰州组二段、阜宁组二段和阜宁组四段3套暗色泥页岩,且泥页岩的沉积范围在阜宁组二段(简称阜二段,E
1f2)沉积期一度达到最大(Zhu
et al.,
2023;Li
et al.,
2024)。高邮凹陷是苏北盆地南部最为重要的含油气凹陷之一,面积约2670 km
2,其总体呈NE-SW走向,在构造上具有南陡北缓、南断北超的特征,南部边界的真武断裂和吴堡断裂控制着凹陷的沉积沉降特征(朱相羽等,
2023;Liu
et al.,
2024b)(
图 1-b)。阜宁组主要发育于半咸水沉积环境,其中阜二段主体埋深范围3400~3700 m,地层厚度150~350 m,受物源体系和边界断层影响,高邮凹陷阜二段页岩厚度总体由西向东逐渐增厚,由南部深凹区向北部斜坡区减薄(段宏亮等,
2024)。这套页岩沉积后经历了吴堡、真武、三垛、盐城等多期构造运动改造,特别是吴堡期断层和长期活动断层将连续稳定分布的阜二段页岩切割、错断,形成一系列NEE走向断块,复杂的地质条件为页岩油勘探带来了挑战(Zhu
et al.,
2023;段宏亮等,
2024;孙雅雄等,
2024;Li
et al.,
2024)。
2 咸化湖盆混合细粒沉积体系主要岩相类型
准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组岩性复杂多变,大量的陆源物质、碳酸盐物质以及少量的火山碎屑物质频繁交替形成混合细粒沉积体系,笔者前期对吉木萨尔凹陷代表性探井J10025井(
图 1-a)进行了系统分析,通过岩石薄片观测及XRD测试,最终将芦草沟组划分为6个亚类、11小类岩相,其中,块状构造、纹层/层状构造岩石均有发育,块状构造较为常见,块状碳酸盐岩、层状白云质/灰质泥岩、块状凝灰质—粉砂质泥岩、块状粉砂岩为芦草沟组发育最为广泛的4种主要岩相类型,纵向发育厚度占比超过80%,且是目前页岩油勘探开发评价的核心层段,具有代表性(
图 2;
图 3)(张宸嘉等,
2022;Zhang
et al.,
2023;Zhi
et al.,
2023)。
苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩也表现为碳酸盐、长英质、黏土矿物混合沉积,且岩石粒径几乎均小于0.004 mm,纹层构造较为普遍,为典型混积页岩层系(朱相羽等,
2023)。参考前人划分方案,结合江苏油田高邮凹陷的实际生产情况,本次研究以典型探井花页1(HY1)井为例(
图 1-b),通过岩心和薄片观测、XRD矿物组成分析,对页岩岩相进行了划分(
图 2;
图 3)。按照碳酸盐矿物、长英质矿物和黏土矿物3个端元,单层理厚度小于2 mm为纹层状(大于2 mm为层状,无明显层理为块状),综合考虑矿物相对含量与岩石构造特征,遵循三级命名原则(10%,25%,50%),将三端元矿物组分含量均小于50%的页岩划分为混积页岩类,单一矿物组分大于50%的页岩分别命名为长英质页岩、灰云质页岩、黏土质页岩3大类。以长英质页岩为例,若其中碳酸盐矿物或黏土矿物在25%~50%,则进一步划分为含灰云长英质页岩、含黏土长英质页岩(
图 3)。对于混积页岩,采用两端元混积的方式命名,将黏土质矿物端元含量最少的页岩命名为长英质—灰云质混积页岩,依次类推。据此,可见高邮凹陷花页1井主要岩相类型以纹层状混积页岩为主,其次为层状长英质页岩、层状灰云质页岩(
图 2;
图 3)。总体上阜二段发育6类主要岩相类型,分别为纹层状长英质-黏土质混积页岩、纹层状长英质—灰云质混积页岩、层状含长英灰云质页岩、层状灰云质页岩、层状含黏土长英质页岩、层状长英质页岩(
图 2;
图 3)。笔者将重点讨论这6类岩相的生烃潜力和形成环境,并与芦草沟组4类主要岩相进行对比,为表述简洁,后文省略了各岩相沉积构造前缀。
3 不同岩相生烃潜力及形成环境对比
古环境通过影响沉积物质组成、有机质来源控制了沉积体系形成和岩石组构,气候、水体盐度、氧化还原条件等因素形成的不同古环境背景所提供的有机、无机组分控制了岩石沉积物质基础和生烃物质来源,进一步形成具有不同生烃和储集性能的多种岩相,最终影响了页岩油富集潜力。
3.1 不同岩相的生烃潜力和含油性对比
为比较芦草沟组4类主要岩相、阜二段6类主要岩相的生烃潜力及含油性,并探索其沉积环境差异,根据TOC含量和热解测试结果,首先用箱型图进行直观对比分析(
图 4)。
芦草沟组4类岩相生烃潜力和含油性存在明显差异,其中,凝灰质/粉砂质泥岩的总有机碳含量(TOC值)和氢指数(HI值)最高,白云质/灰质泥岩次之,但二者的含油性指标S
1值、含油饱和度指数OSI(S
1×100/TOC)值均较低; 反之,碳酸盐岩、粉砂岩生烃潜量(PG=S
1+S
2)和氢指数较低,二者含油性较好(
图 4-a,4-b)。整体上,粉砂岩、碳酸盐岩具有最好的页岩油富集潜力,充当“储集层”;凝灰质—粉砂质泥岩、白云质/灰质泥岩生烃潜力最好,充当“烃源岩”,但也具有一定的页岩油潜力。因此,于芦草沟组而言,粉砂岩、碳酸盐岩作为物性较好的优质储集岩与生烃潜力较好的凝灰质—粉砂质泥岩、白云质/灰质泥岩形成互层/夹层型混积体系,即源储分离型页岩油体系。泥岩层系中的薄层粉砂岩或碳酸盐岩为有利储集层,由于近源而利于捕获油气形成甜点。
与芦草沟组相比,高邮凹陷阜二段6类岩相整体生烃潜力和含油性差别不大,各指标值显现出较为平均的特征。其中,生烃潜力最好(TOC、PG、HI最高)的岩相为长英质-黏土质混积页岩、含黏土长英质页岩; 其次为长英质—灰云质混积页岩、含长英灰云质页岩,以单一组分为主的岩相即灰云质页岩、长英质页岩的生烃潜力相对较低(
图 4-c,4-d)。从矿物组分来看,即长英质、黏土质含量高的混积页岩生烃潜力最好,比灰云质含量高的页岩生烃潜力好,即长英质≈黏土质>灰云质。对比含油性指标(页岩油潜力OSI值)发现,页岩油潜力最好的岩相为长英质页岩、含黏土长英质页岩、混积页岩,较难区分。总体而言,与芦草沟组相比,高邮凹陷阜二段不同岩相表现出较为相近的生烃潜力和含油性,各类页岩均具有一定的生烃潜力和储集能力,整体表现为源储共生型页岩油,多源供烃,源—储共存,混积页岩自身与相邻页岩向混积体系供烃并富集形成优质甜点。
3.2 不同岩相的形成环境对比
首先介绍本研究用到的主要指标的理论基础。Sr/Ba值为最常用的古盐度指标,在现代和古代水体环境中都与盐度呈正相关,在咸水和淡水环境中的Sr/Ba值多大于1.0和小于0.6(Wei and Algeo,
2019)。P作为生物体重要的营养元素,其循环与大气氧和海洋溶解氧含量具有密切关系(Lenton
et al.,
2014),C
org/P的摩尔比值也为底层水体氧化还原的有效指标,其值在还原相中通常大于100,最大可达1000;而氧化相中通常小于50,最小可低至10以下(Algeo and Ingall,
2007)。双金属V/Cr值也用于评价氧化还原条件,一般认为V/Cr<2反映含氧环境; V/Cr>4.25则为缺氧状态; 当比值介于2~4.25之间,代表次氧或贫氧状态(Jones and Manning,
1994)。化学蚀变指数(CIA=Al
2O
3/(Al
2O
3+CaO
*+Na
2O+K
2O)×100)常被用来进行古气候和风化强度的重建,主要是基于碱金属和碱土金属元素相对于氧化铝在风化过程中的溶解行为而建立,适用于细粒碎屑岩,其中,氧化物都是摩尔单位,CaO
*代表岩石硅酸盐组分中的CaO含量,当CaO>Na
2O时,CaO
*=Na
2O;当CaO≤Na
2O时,CaO
*=CaO(Nesbitt and Young,
1982;Fedo
et al.,
1995;Xiao
et al.,
2024a)。化学风化越强、气候越温暖湿润时,沉积物的CIA值越高,当CIA值很高时(85~100),沉积物一般沉积在炎热、降水较强的气候中; 在一般温暖湿润的古气候条件下CIA值中等(60~85),在寒冷干旱的古气候条件下CIA值较小(<60)(Nesbitt and Young,
1982)。Sr/Cu值也是有效的古气候指标,Sr在干旱条件下优先富集,Cu在湿润条件下优先富集,Sr/Cu值范围在1.0~5.0、5.0~10.0和>10.0时分别对应暖湿条件、半干湿条件和干热条件(Sawyer,
1986;Zeng
et al.,
2023)。惰性元素Hf的含量多被用作陆源输入贡献的指标(Li
et al.,
2017),主要存在于粗粉砂或极细粒砂中,而且几乎只存在于锆石中,较高的Hf和Zr值表示陆源碎屑流入较高(Wu
et al.,
2022)。此外,受陆源碎屑输入影响较强的区域Fe
2O
3和Al
2O
3含量较高,而生物化学沉淀作用较强的区域CaO和MgO含量较高,因此(Fe
2O
3+Al
2O
3)/(CaO+MgO)值可反映湖盆陆源碎屑沉积和生物化学沉积的相对强度,(Fe
2O
3+Al
2O
3)/(CaO+MgO)>1且值越高时,沉积越受陆源碎屑控制(赵贤正等,
2018;Wei
et al.,
2021)。
芦草沟组4类岩相发育的古环境条件存在明显差异(
图 5),白云质/灰质泥岩和碳酸盐岩沉积水体盐度(Sr/Ba值)较高,碳酸盐岩沉积水体相对更偏氧化环境(C
org/P平均值最低),但波动范围最大(
图 5-a)。这是因为碳酸盐矿物多形成于温暖、清澈、动荡的浅水环境,碳酸盐云坪和生物碎屑颗粒滩等提供了Mg
2+、Ca
2+离子,浅水环境下较强的湖泊蒸发作用使得盐度升高,但比深水沉积环境下发育的泥岩沉积水体循环强烈,与大气接触使得含氧量更高(Turner
et al.,
1987),动荡水体可能是造成碳酸盐岩氧化还原波动范围较大的原因(
图 5-a)。芦草沟组大部分岩相的化学风化强度CIA值波动范围较小(
图 5-b),这可能是晚古生代冰期背景下湖泊整体上较寒冷干旱所致(Xia
et al.,
2023),仅白云质/灰质泥岩的CIA值波动范围明显较大,可能是因为碳酸盐具有多种成因,干旱和强蒸发气候条件下的毛细管浓缩白云化作用、湿润和大气降水淋滤较强条件下形成的回流渗透白云岩化、混合白云化作用、调整白云岩化作用等都有可能形成白云石(Al-Aasm and Packard,
2000),也与其盐度波动范围最大相对应(
图 5-a)。此外,火山活动导致的大气CO
2浓度的增加以及平均水温的升高也可能导致碳酸盐含量增高(Huber
et al.,
2018),在多种气候条件下,白云质/灰质泥岩均可发育。受陆源碎屑影响最大(Hf含量最高)的2类岩相为粉砂岩和凝灰质/粉砂质泥岩(
图 5-b),二者沉积环境盐度也最低,其中粉砂岩沉积水体含氧程度为4类岩相中最高(
图 5-a),可见水体交换频繁,有机质保存条件相对较差,陆源碎屑带来了大量长英质矿物,因此有机质被稀释,导致其含量降低,缺乏大量生烃的能力,但其较高的储集能力值得关注。
阜二段6类岩相发育的古环境和气候条件也存在一定差异(
图 5-c,5-d),整体上,不同岩相发育环境均为咸化水体、偏含氧的环境(Sr/Ba值几乎均大于0.6,V/Cr值均小于2),其中,含长英灰云质页岩、灰云质页岩发育的水体环境盐度最高(Sr/Ba平均值大于1,最大值大于4)、还原性最强(V/Cr值较多超过4.25)(
图 5-c)。从矿物组分来看,灰云质含量较高的页岩沉积水体盐度最高、最偏还原,黏土质和长英质含量较高的页岩发育的环境盐度相对较低,为弱还原—弱氧化环境,且氧化还原状态的波动范围不大,水体还原程度整体上灰云>黏土≈长英。古气候指标表明,不同岩相沉积时期整体上均为温暖湿润气候(Sr/Cu<10),相对而言,含长英灰云质页岩、灰云质页岩沉积环境最干旱(Sr/Cu值大多超过10)(
图 5-d),与碳酸盐浅水环境对应,干旱气候下蒸发作用较强。而长英质和黏土质含量较高的页岩发育于较为温暖湿润的环境,即长英≈黏土>灰云,这是因为暖湿气候下大气降水、地表淋滤作用增强,携带大量陆源碎屑物质进入湖盆。陆源碎屑输入指标也明显可以看出,含黏土长英质页岩、长英质-黏土质混积页岩受陆源碎屑输入影响最强(
图 5-d),即灰云<长英≈黏土。总之,高邮凹陷阜二段页岩混积特征明显,不同岩相发育环境存在过渡和频繁波动变化,仅按照岩相中主要矿物端元类型来分类对比时,才可比较出明显差异。
3.3 不同岩相的初级生产力水平对比
营养元素Ni、Cu、Zn、P的富集程度即自生含量(非陆源)常用来表征水体初级生产力水平,计算公式为:
=X
sample-X
sample×(X/Al)
PAAS,其中,元素(X/Al)
PAAS表示常用的参考物质后太古代澳大利亚平均页岩PAAS中元素X相对于Al含量的标准值(Tribovillard
et al.,
2006;Xiao
et al.,
2023)。整体来看,芦草沟组2类泥岩的生产力水平明显高于碳酸盐岩、粉砂岩,其中,凝灰质/粉砂质泥岩的生产力水平最高,可能是由于凝灰质为明显的火山碎屑组分,火山喷发带来的营养元素可能促进了水体藻类勃发,为高初级生产力提供了条件。其次为白云质/灰质泥岩,尤其是二者的Cu
auth、Zn
auth平均值和最大值都明显高于碳酸盐岩和粉砂岩(
图 6-a)。4类岩相的生产力指标P
org的特征与其他指标略有差异,凝灰质/粉砂质泥岩的P
org平均值最大,但其他3类岩相的P
org值分布特征差别并不明显(
图 6-a),造成这种现象的一个可能原因是沉积后成岩作用阶段P元素的再迁移作用,沉积物中的P可以在硫化—缺氧条件下溶解到孔隙水中,并从沉积物中向上扩散,最终返回到水体中(Benitez-Nelson,
2000; Tribovillard
et al.,
2006)。Benitez-Nelson(
2000)研究发现,高达99%的有机磷可能在缺氧(硫化物存在)条件下随着有机物的腐烂而释放出来,然后回到水柱中。因此,即使沉积过程中初级生产力较高,但在底栖环境缺氧的条件下,P不一定在沉积物中富集(Tribovillard
et al.,
2006)。但通过多个生产力指标的综合分析可以看出,芦草沟组凝灰质/粉砂质泥岩和白云质/灰质泥岩沉积时期的初级生产力水平是明显高于碳酸盐岩和粉砂岩的(
图 6-a),高生产力、优良保存条件使得2类泥岩的TOC值显著高于碳酸盐岩和粉砂岩,成为芦草沟组优质烃源岩,为页岩油大量生成提供了物质基础。
Al和Ti作为陆源碎屑输入的典型元素,通常会稀释海洋和湖泊环境中浮游生物重要营养元素的绝对含量,Cu/Al值(以及Cu/Ti、P/Al、P/Ti)消除了陆源碎屑的影响,也是评价初级生产力的有效指标(Tribovillard
et al.,
2006;Zeng
et al.,
2023)。高邮凹陷阜二段6类岩相的生产力水平整体均较高,但也表现出一定差异(
图 6-b),灰云质页岩、含长英灰云质页岩最高; 其次为长英质-灰云质混积页岩、含黏土长英质页岩、长英质页岩、长英质-灰云质混积页岩。从矿物组分来看,灰云>长英≈黏土,可能因为温暖干燥的气候有利于碳酸钙过饱和,促进碳酸盐矿物沉淀,且水体深度适中,阳光直达促进营养盐循环补充,常常能引发藻类勃发,从而具有较高的初级生产力,且灰云质页岩发育于还原程度最高的低能环境(
图 5-c),促进沉积物和有机质保存埋藏。
4 古环境对不同岩相生烃潜力的影响
为更进一步分析不同岩相生烃潜力与形成环境之间的联系,验证古环境条件对有机质聚集和烃源岩发育的影响,进一步对芦草沟组4类岩相和阜二段6类岩相的TOC含量、氢指数与古环境指标进行相关性分析,部分呈现出较为明显的规律性(
图 7;
图 8;
图 9)。
4.1 芦草沟组不同岩相形成环境对生烃潜力的影响
Cu/Zn值也常用来评价湖泊氧化还原条件的变化,水体还原程度越高,Cu/Zn值越大(Tribovillard
et al.,
2006;Zeng
et al.,
2015)。芦草沟组不同岩相沉积时期的水体还原程度均与TOC含量和氢指数呈现出不同程度的正相关性(
图 7-a,7-b),表明良好的保存条件有利于有机质在沉积物中的富集。不同岩相发育时期的水体盐度与还原程度也呈现出一定的正相关关系(
图 7-c),高盐度更容易造成水柱的盐度分层,使水柱底部成为强还原性厌氧环境,有利于有机物的保存(Martins
et al.,
2020)。
对不同岩相的初级生产力水平分析发现,碳酸盐岩、白云质/灰质泥岩的P/Ti值与TOC值有较好的正相关关系,剩下2种岩相的P/Ti值与TOC值并无明显正相关关系(
图 7-d),可见凝灰质/粉砂质泥岩作为烃源岩而言,良好的保存条件可能比生产力水平对其有机质的富集程度影响更大; 碳酸盐岩、白云质/灰质泥岩的碳酸盐含量较高,表层水体循环和大气氧含量波动较强,有机质富集对保存条件变化不敏感,生产力水平是其中有机质富集的主控因素,而凝灰质/粉砂质泥岩和粉砂岩中陆源碎屑含量较高(
图 7-b),稀释并影响了有机质聚集。除了Ni、Cu、Zn、P等营养元素外,水体初级生产力也可使用Al/Ti值评估,这是因为水体中的生物组分可以去除溶解的铝(Murray and Leinen,
1996;Li
et al.,
2022)。芦草沟组热液活动强度对4类岩相沉积时的初级生产力水平分别有一定的促进作用(
图 7-e)。将4类岩相整体来看,热液活动指标(Fe+Mn/Ti值与生产力水平Al/Ti值的正相关关系更明显,
R2已达到0.83(
图 7-f),且(Fe+Mn/Ti>20时,不同岩相的生产力水平与热液活动强度表现出较为明显的正相关关系。由此可说明,芦草沟组沉积期,火山热液活动携带的大量元素快速释放,丰富的营养物质促进了藻类等生物繁盛,促进了生产力提高,缺氧环境和较弱的风化作用进一步保证了有机质的富集埋藏。
综上所述,芦草沟组4类主要岩相中,凝灰质/粉砂质泥岩和白云质/灰质泥岩的生产力水平最高,保存条件也较好,有机质大量聚集,使得二者成为优质烃源岩,TOC含量和氢指数较高; 碳酸盐岩沉积水体盐度也较高,但水体循环较强,粉砂岩受陆源碎屑输入的影响最大,二者由于碳酸盐和长英质矿物含量高,溶蚀孔和矿物粒间孔较为发育(Wu
et al.,
2021),TOC含量相对较低,但储集物性更好。沉积环境频繁变化导致芦草沟组多源混合细粒沉积体系中发育不同的岩相类型,泥岩类为页岩油生成提供了物质基础,碳酸盐岩和粉砂岩为页岩油赋存富集提供了保障。
4.2 阜二段不同岩相形成环境对生烃潜力的影响
整体上HY1井阜二段混积页岩在暖湿气候下的咸水环境中沉积,不同岩相均表现出陆源碎屑输入与盐度成反比(
图 8-a)、陆源碎屑输入与暖湿气候成正比(
图 8-b)、暖湿气候与盐度成反比的良好趋势(
图 8-c),这是因为咸化湖盆陆源输入以地表径流为主,降低了湖水盐度。当气候越温暖湿润时,大气降水频繁、陆源输入多,湖水盐度降低,气候干旱时反之。所有岩相均表现出这一趋势,证明指标的可靠性。
进一步分析环境对不同岩相有机质富集及生烃潜力的控制机制,高邮凹陷阜二段6种主要岩相整体上形成于弱氧化—弱还原环境,长英质-黏土质混积页岩、含黏土长英质页岩、长英质页岩的TOC含量与还原程度正相关(
图 9-a),证明长英质、黏土质含量较高的页岩有机质聚集受到良好保存条件的控制,黏土矿物具有较大的比表面积和表面电荷,能有效吸附有机质,形成有机质-黏土复合体,这极大地增强了有机质的抗降解能力(付茜等,
2020),同时黏土矿物有助于形成低渗透性的沉积层,阻碍了孔隙水的对流和氧气的扩散,为有机质保存创造了封闭系统。含长英灰云质页岩、灰云质页岩的氢指数HI值也与还原程度正相关(
图 9-b),可能是因为碳酸盐本身TOC背景值较低,但还原性较强的环境抑制了微生物对富氢脂类物质的降解,有助于富氢组分保存(梁新平等,
2025)。同时,强化学风化与长英质-黏土质混积页岩、含黏土长英质页岩、长英质页岩的TOC含量也具有一定正相关关系(
图 9-c),表明暖湿气候下生物繁盛,地表径流增加造成咸化湖盆水体分层更明显,底层缺氧抑制有机质分解,降水量增大导致沉积物快速堆积,有机质被迅速覆盖,减少氧化分解,因此暖湿气候一定程度上驱动长英质、黏土质含量较高的页岩有机质聚集。
从生产力水平来看,长英质-黏土质混积页岩生产力增高利于其有机质富集,但其他岩相不明显(
图 9-d),表明长英质-黏土质混积页岩受到高初级生产力和优良保存条件共同控制,使得它成为阜二段TOC含量最高、生烃潜力最佳的岩相类型(
图 4-a)。而以长英质组分主导的页岩陆源碎屑输入速率相对而言较高,生产力提升造成的有机质富集效应不明显,其有机质富集主要受控于优良保存条件; 而对于灰云质含量占主导的页岩,由于碳酸盐矿物的沉淀速率较快,即使生产力增高产生更多有机质,也易被同时大量形成的方解石、白云石等矿物稀释,导致TOC含量并没有显著提升,但是这些环境下产生的有机质通常是富氢的藻类,其优良的保存条件对有机质聚集具有明显积极响应(
图 9-b)。化学风化指标表明,暖湿气候下所有岩相的生产力反而降低(
图 9-e),可能与阜二段沉积时期对应的全球极热事件(PETM事件,~59-50 Ma)有关(Liu
et al.,
2024a),高温高湿环境加速化学风化,随着大气降水、地表径流增加,陆源碎屑输入增加,生产者也未能适应极端环境,陆源的强烈稀释导致生产力初期快速降低,适应后逐渐恢复,随后气候变暖、陆源输入增强对生产力的副作用便不明显,生产力水平趋于稳定(
图 9-e,9-f)。
综合上述,与芦草沟组4类主要岩相相比,阜二段6类主要岩相形成环境对有机质富集的控制因素响应机制更为复杂,与其复杂气候背景下源储共生、混积页岩更发育的沉积特征密切相关。TOC含量最高的长英质-黏土质混积页岩受高生产力、良好保存条件共同控制,长英质和灰云质含量较高的页岩中有机质富集主要受良好保存条件所控。
5 咸化湖盆混合细粒沉积体系成烃环境对比
吉木萨尔凹陷芦草沟组和高邮凹陷阜二段不同岩相构成不同的混合细粒沉积体系,其有机质来源和聚集机制存在明显差异性,进一步影响了烃源岩的发育模式。基于前述分析,根据有机质聚集环境的不同,分别重建了芦草沟组和阜二段古环境和烃源岩发育模式示意图(
图 10)。芦草沟组整体上为晚古生代冰期背景下较寒冷干旱咸化水体环境,烃源岩发育受控于“咸化深水保存—淡化浅水生产力”复合模式,较深水环境中发育的泥岩类生烃潜力最好,有机质保存条件优良,碳酸盐岩和粉砂岩为优质甜点岩相,发育于生产力较高的浅水环境。整体沉积相带存在突变,具颗粒滩等高能碳酸盐沉积微相,不同岩相沉积物质基础差异大,形成夹层/互层型页岩油(
图 10-a)。阜二段页岩混合沉积体系整体表现为“咸化浅水保存—淡化深水生产力”复合模式,长英质-黏土质混积页岩、含黏土长英质页岩生烃潜力最好,发育于相对淡化的深水环境,有机质富集受高生产力和良好保存条件共同控制,生产力较高的含长英灰云质页岩、灰云质页岩发育于相对温暖的咸化浅水环境,有机质富集受良好保存条件控制,整体上阜二段页岩沉积于全球极热事件背景下温暖湿润的咸化水体环境,沉积相带表现为渐变,碳酸盐、黏土质、长英质矿物此消彼长,交替活跃,形成环中有带、层层叠置的源储共生混积型页岩油(
图 10-b)。
相比而言,吉木萨尔凹陷芦草沟组沉积于整体较寒冷干旱的环境下,蒸发浓缩效应更有利于内源碳酸盐的沉淀; 因更高的盐度形成了较强的水体分层和更稳定的化学跃层,有利于还原环境的持久维持。高邮凹陷阜二段沉积期在温湿气候下,较强的地表径流导致了更多长英质碎屑输入; 因相对更频繁的咸、淡水交替,其有机质富集可能更多依赖于高初级生产力而非安静、稳定的水体环境。
6 结论与展望
1)准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组与苏北盆地高邮凹陷阜宁组二段页岩油均为咸化细粒混积体系,但烃源岩沉积环境及发育模式差别大,形成不同类型页岩油甜点。芦草沟组沉积于晚古生代冰期背景下的寒冷干旱环境,热液活动促进其高生产力,形成夹层/互层型沉积; 其优质烃源岩(泥岩类)与甜点(粉砂岩、碳酸盐岩)因深水与浅水环境不同而源储分离。相较而言,阜二段沉积于全球极热事件背景下的温暖湿润环境,以渐变叠置的纹层状混积页岩为特征,各类页岩兼具生烃与储集能力,有机质富集受高生产力与良好保存条件差异控制。
2)对于生产实践而言,准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组混积体系中物性较好的碳酸盐岩、粉砂岩夹层较发育,脆性矿物含量高、储集性能好,是理想的夹层型甜点,勘探开发中应重点关注碳酸盐岩与粉砂岩夹层/互层型甜点的识别与评价,可加强高分辨率层序地层与岩相组合分析,实现甜点段的精准预测。而苏北盆地高邮凹陷阜二段宜开展混积页岩整体评价,特别是纹层状长英质-黏土质混积页岩、层状含黏土长英质页岩,二者虽生烃潜力高,但塑性较强,需结合工程改造与原位转化技术提升开发效果,在勘探选区中,应注重沉积相带渐变背景下岩相组合与保存条件的综合评价。
3)本研究主要强调咸化湖盆动态环境驱动下的细粒混积体系中岩相类型差异发育特征,实际上,受样品数量与分布范围限制,所建立模式在区域推广时需结合更多钻井资料验证,地球化学指标在复杂成岩过程中可能受后期改造影响,存在一定多解性,需多种手段综合判识。咸化湖盆页岩油富集机理与产能控制因素十分复杂,构造热液活动等外源因素、有机质埋藏之后的成烃—成储过程等,都可能对页岩油富集产生正向或负向作用,未来需结合多尺度、多手段综合研究,在不同岩相差异沉积成因基础上,进一步揭示咸化湖盆页岩油差异成烃—富集机理,这也是领域未来值得深入研究的重要方向。
* 国家自然科学基金面上项目(42472202)
中国石油化工股份有限公司科技部项目(P25161)
中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院院控项目(YK-2025-17)
京公网安备11010202008535号
PDF
(12733KB)
