准中地区二叠系咸化湖盆烃源岩沉积环境及发育模式

Sedimentary environment and development model of source rocks in the Permian saline lacustrine basin in Central Depression of Junggar Basin

摘要

准噶尔盆地中央坳陷(简称“准中地区”)是继玛湖凹陷和吉木萨尔凹陷后寻找第3个咸化湖盆优质烃源灶的重要目标区。基于岩石学、元素地球化学及有机地球化学等综合分析,对准中地区二叠系烃源岩开展系统研究,结果表明: 早二叠世风城组沉积时期(P₁f),沙湾凹陷发育干旱碱湖沉积体系,指示强还原-高盐度水体环境; 向北至盆1井西凹陷,盐度降低但仍属咸水环境。中二叠世夏子街组(P₂x)和下乌尔禾组(P₂w)沉积时期,环沙湾凹陷边缘带呈现协同演化特征,处于微咸水—淡水过渡环境,盐度呈“盆缘→凹陷”增加的正梯度分布,推测凹陷中心深湖—半深湖相带仍维持咸化湖盆环境。基于此,提出2类烃源岩发育模式: (1)风城组“湖深扇小高咸水”模式,干旱气候与咸化水体协同保障有机质保存; (2)夏子街组和下乌尔禾组“湖浅扇大微咸水”模式,表现为受较湿润气候影响,陆源碎屑输入增加,造成初级生产力保存效率下降,烃源岩品质鲜有达到“很好”级别。(3)沙湾凹陷风城组深湖—半深湖相咸化水体为有机质保存提供了有利条件,其烃源岩以Ⅱ型有机质为主,生烃潜力评价达到“极好”级别,处于高-过成熟演化阶段,具备大规模生气能力,有望成为准噶尔盆地深层—超深层油气勘探战略接替领域。

Abstract

The Central Depression of Junggar Basin(hereinafter referred to as “central Junggar Basin”) has become a key target area for identifying the third high-quality hydrocarbon-generation kitchen within saline lacustrine basins,following the discoveries in the Mahu and Jimsar sags. Based on integrated analyses of petrology,elemental geochemistry,and organic geochemistry,a systematic research was conducted targeting Permian source rocks in the central Junggar Basin. Key findings reveal that the Lower Permian Fengcheng Formation(P₁f)in Shawan sag developed under an arid alkaline lacustrine depositional system,evidenced by diagnostic proxies,including elevated Sr/Ba ratios(>1),γ-waxane/C₃₁ hopane ratios averaging 1.14,and δ¹⁵N values exceeding 10‰. These parameters collectively indicate hypersaline water conditions and intense reducing environments. Northward into the West Well Pen 1 sag,paleosalinity decreases while maintaining mesosaline characteristics. The Middle Permian Xiazijie Formation(P₂x)and Lower Wuerhe Formation(P₂w)exhibit co-evolutionary characteristics along depression margins under brackish-to-freshwater transitional settings. A radial paleosalinity gradient is observed(“periphery→depression”),with deep to semi-deep lacustrine facies at the depression center sustaining saline lacustrine conditions. Two distinct source rock development models are established: (1)P₁f “deep lake-small fan-hypersaline water”: synergistic effects of arid climate and hypersaline water preservation facilitated organic matter accumulation;(2)P₂w/P₂x “shallow lake-large fan-low salinity” model: enhanced terrigenous input under relatively humid climate reduced preservation efficiency of primary productivity,limiting hydrocarbon potential to suboptimal levels. (3)P₁f deep-to-semi-deep lacustrine facies in the Shawan sag provide exceptional organic matter preservation under hypersaline settings. These source rocks are dominated by Type II kerogen,exhibit “excellent” hydrocarbon generation potential,and have progressed to high-overmature thermal stages with significant gas-generating capacity. This saline lacustrine system represents a promising strategic replacement domain for deep-to-ultra-deep hydrocarbon exploration in the Junggar Basin.

Graphical abstract

关键词

沉积环境 / 烃源岩发育模式 / 深层—超深层 / 咸化湖盆 / 二叠系 / 准噶尔盆地

Key words

sedimentary environment / development model of source rock / deep and ultra-deep strata / saline lacustrine basin / Permian / Junggar Basin

0 引言

咸化湖盆烃源岩作为油气资源生成的重要物质基础,已引起全球地质学界广泛关注,相关研究在理论认知与勘探实践层面均取得显著突破。国内的研究主要集中于2类典型的构造背景: (1)东部断陷咸化湖盆,以渤海湾盆地济阳坳陷和东濮凹陷为典型代表(朱德燕等,2015;张洪安等,2017),其中济阳坳陷古近系沙河街组三段、四段烃源岩呈现咸化环境富有机质及早期生烃、排烃特征(倪良田等,2024),为该区亿吨级油田群形成提供了关键物质保障; (2)西部叠合盆地,更多地关注于柴达木盆地西部下干柴沟组及准噶尔盆地玛湖凹陷风城组两大咸化烃源岩体系(舒豫川等,2021;王波等,2023;冯允献等,2025;王东勇等,2025),其中前者因多类型有机质共存及显著的生烃潜力而闻名,其较高的初级生产力与良好的保存条件被认为是有机质富集的关键因素(尹嘉等,2025),而后者则被认为是全球最古老的碱湖沉积之一(曹剑等,2015),特殊的矿物组合与地球化学特征为揭示咸化湖盆演化规律提供了关键证据。此外,对鄂尔多斯盆地延长组二段—三段(金强等,2008)、银额盆地巴音戈壁组(李继东等,2022)及宁南盆地清水营组(吴小力等,2022)等多套层系的研究, 亦证实中国咸化湖盆优质烃源岩发育具有多时代分布特征。在国际上,北美绿河组是碱湖烃源岩研究的典型案例(孟庆涛等,2011;Burton et al., 2014;French et al., 2020),该套页岩岩相垂向旋回特征显著,TOC含量可达10%~25%(French et al., 2020)。干旱气候驱动下的水体分层机制与碳酸盐岩台地发育模式共同促进了有机质的保存与发育(Burton et al., 2014)。

近年来,咸化湖盆烃源岩的成因机制与分布规律,已成为全球油气地质领域的重要科学命题。中国西部叠合盆地特殊的地质构造演化背景与多期次沉积旋回特征,使其成为揭示陆相咸化湖盆烃源灶发育规律的关键研究对象。准噶尔盆地为国内重要的含油气盆地,二叠系已被证实发育玛湖凹陷和吉木萨尔凹陷两大咸化湖盆优质烃源灶。通过持续开展地质理论创新与勘探技术攻关,盆地东部吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组陆相混积岩型页岩油藏已建成为中国首个国家级陆相页岩油示范基地,其有机质富集模式呈现出典型的咸化湖盆沉积特征(王剑等,2020;刘兵兵等,2022;张宸嘉等,2022;谢再波等,2023)。盆地西部玛湖凹陷风城组发现广覆式分布、全球迄今最古老的碱湖相优质烃源灶,实现全含油气系统全面突破,推动建成了十亿吨级大油区(李晓慧等,2022;唐勇等,2022;姜福杰等,2023;倪敏婕等,2023;冯允献等,2025)。

前人研究表明,早—中二叠世准噶尔盆地咸化沉积体系具有显著的时空分异特征, 垂向演化呈现由深湖相向浅湖相渐变的趋势,平面展布则受控于古地貌格局的西高东低配置关系。该演化过程与同期残余洋盆闭合动力学过程及沉积充填响应存在密切成因联系,共同控制着咸化湖盆的形成和迁移及烃源灶的空间配置规律(曹正林等,2024)。目前,关于准中地区是否存在第3个咸化湖盆优质烃源灶以及该区域是否具备资源战略接替区的物质基础等核心科学问题亟待深入论证。本研究聚焦准中地区二叠系主力烃源岩层系,通过建立多参数沉积环境对比格架,刻画层间沉积环境差异; 基于烃源岩地球化学特征系统解析,对不同条件水体环境中形成的烃源岩进行生烃潜力评价,建立烃源岩发育模式, 从而揭示准中地区潜在的优质烃源灶。

1 区域地质特征

准噶尔盆地处于塔里木板块、哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块的交汇处,经历了海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期4个构造旋回的演化,形成了现今具有明显旋回性和阶段性的多期叠合盆地。现今准噶尔盆地范围被盆缘造山带所围限(图 1-A)(王小军等,2022)。

准噶尔盆地是在石炭系基底之上形成的陆内沉积盆地,其中准中地区二叠系呈现“西厚东薄”的旋回结构,该时期咸化湖盆中心的迁移受控于哈萨克斯坦板块的拼合及古亚洲洋的闭合过程(曹正林等,2024)。准噶尔盆地二叠纪处于前陆盆地剧烈发育期: 早二叠世晚期(风城组沉积时期),在西北缘冲断带与南缘逆冲推覆体系双重控制作用下形成两大前陆盆地格架,发育以碱湖—咸湖沉积为主的湖相沉积体系,且玛湖凹陷保存着迄今最古老的碱湖优质烃源灶(曹剑等,2015);进入中二叠世后,残留海闭合,构造活动转入平静期,盆地进入热沉降主导的稳定发育阶段,芦草沟组(P₂l)和平地泉组(P₂p)沉积于陆相咸化湖盆体系,完整记录了湖盆演化的2个阶段,即早期受控于陆源供给而形成滨浅湖沉积组合,后期因水体循环阻滞逐渐演化为以内生化学沉积为主的高盐度封闭湖盆系统(支东明等,2019)。

准中地区共包含4个次级凹陷,具“东西分块”特征,西部是盆1井西凹陷和沙湾凹陷,东部是东道海子凹陷和阜康凹陷,东、西凹陷之间被莫北凸起—莫索湾凸起—莫南凸起分隔(图 1-B)。西部凹陷下组合地层发育较齐全(图 1-C),玛湖凹陷—盆1井西凹陷—沙湾凹陷以风城组(P₁f)为主力烃源岩。东道海子凹陷中上二叠统暴露剥蚀,缺失佳木河组(P₁j)、风城组(P₁f)和夏子街组(P₂x),以中二叠统下乌尔禾组(P₂w)大型湖泊沉积体系为凹陷内主要烃源岩层系,与下伏巴塔玛依内山组(C₂b)呈不整合接触,为继承性沉降。

2 样品与测试

本研究共采集了包括成6井、庄深1井和征深101井等在内11口井的P₁f、P₂x和P₂w层位共计69块岩心样品,并从胜利油田勘探开发研究院收集了另外10口井部分岩心和岩屑样品的有机地球化学实验数据。21口井的分布位置参见图 1-B。

实验测试分析包括样品前处理(碎样、研磨成粉)、岩石总有机碳分析、岩石热解、镜质体反射率测定、全岩矿物X衍射分析、生物标志化合物检测等,均由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验测试中心承接完成。岩石主量元素、微量元素和稀土元素分析以及岩石稳定氮同位素测定在国家地质实验测试中心完成。

总有机碳分析利用CS230碳硫分析仪完成;测试过程中,将岩心样品用碳化钨研磨盘碎样后再研磨成100目的粉末上机测试,每测定20个样品插入标样检测仪器,执行标准参考GB/T 19145-2022。岩石热解在Rock eval 7热解仪上完成;测试过程中,将80目以下的样品粉末放入热解炉中,按预置的升温过程进行热解,检测依据为GB/T 18602-2012。镜质体反射率检测仪器采用DM4500P偏光显微镜、显微光度计,依据SY/T 5124-2012进行检测。全岩矿物X衍射分析则需要将样品研磨至200目以下,检测仪器是D8 A25型X射线衍射仪,检测依据参考SY/T 5163-2018。

生物标志化合物分析采用Agilent 7890-5977型色谱—质谱联用仪进行,搭载HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm i.d.,内径250 μm,膜厚0.25 μm),汽化温度设定为300 ℃,以氦气为载气,执行标准参照GB/T 18606-2017。样品检测选择离子模式。

主量元素、微量元素、稀土元素测试采用国家地质实验测试中心自主研发的国家级标准方法完成,方法要点包括: 称取试样0.65 g,用偏硼酸锂—四硼酸锂(22∶12)混合熔剂混匀,试样与熔剂比例为1︰9,于1200 ℃左右熔融制成玻璃片,使用X-荧光光谱仪(XRF,型号为帕纳科X射线荧光光谱PW4400)测定主量元素; 微量元素和稀土元素分析需准确称取试样于封闭溶样器的Teflon内罐中,加入HF、HNO₃;装入钢套中,于190 ℃保温24 h;取出冷却后,在电热板上165 ℃蒸干,加入(1︰1)HNO₃再次封闭溶样复溶3 h;溶液转入容量瓶中,使用等离子质谱仪ICP-MS(PerkinElmer NexIon PE300Q)测定。

全岩氮同位素测定采用EA-IRMS联用系统开展,测试仪器由元素分析仪(型号为Vario MICRO cube)和同位素比质谱仪(型号为Elementar isoprime precision)组成。实验过程中,需根据样品含氮量不同而调整其进样量。实验载气采用氦气,燃烧气体为高纯度氧气。将反应炉的燃烧管温度设定为1150 ℃,还原管温度设定为600 ℃。在每组10个样本分析结束后,采用实验标样USGS61(δ¹⁵N=-2.87‰±0.04‰)、USGS62(δ¹⁵N=20.17‰±0.06‰)和USGS64(δ¹⁵N=1.76‰±0.06‰)进行3点氮同位素校准。

3 结果与讨论

3.1 二叠系烃源岩沉积环境

3.1.1 生物标志化合物特征

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)是最常见的类异戊二烯型烷烃。Pr/Ph值常被用于定量表征古沉积环境的氧化还原程度(徐敏,2023),但在一定程度上受热成熟度的影响。Peters等(2004)认为: Pr/Ph<0.8,表征高盐环境或与碳酸盐沉积有关的高还原水体环境; Pr/Ph>3,指示氧化沉积环境下典型的陆源有机质输入。研究区二叠系烃源岩样品的Pr/Ph值分布在0.20~1.38之间,平均0.83,指示还原性沉积环境。

β-胡萝卜烷主要来源于藻类,与缺氧条件或局限海域以及咸化湖盆环境有关。γ-蜡烷是指示水体分层的生物标志化合物,由生活在分层水体界面处的食菌鞭毛虫中的四膜虫醇转化而来,其中高γ-蜡烷也是指示咸化沉积环境的典型生标(Tulipani et al., 2015)。孕甾烷和升孕甾烷是在高盐度水体沉积物中识别出的主要甾烷化合物,但孕甾烷的相对丰度随热演化程度升高而增加,不利于表征高成熟样品的沉积古盐度。γ-蜡烷指数(GI=γ-蜡烷/C₃₀ H)、γ-蜡烷/C₃₁H、β-胡萝卜烷指数(β-胡萝卜烷/C_max)、规则甾烷/藿烷等均可作为评价水体盐度的指标。γ-蜡烷/C₃₁H值大于0.3,被认为是咸水沉积环境(Jiang et al., 2024;王祥等,2024)。藿烷系列化合物Ts和Tm除了常被用作成熟度指标Ts/(Ts+Tm)外,其相对含量还与沉积时的氧化还原环境有关,还原环境中Tm具备明显的优势,而Ts在氧化环境中更为显著。

在前人的研究中,玛湖凹陷P₁f烃源岩抽提物的生物标志化合物具有高甾/藿比和高峰度的β-胡萝卜烷特征,表明该时期藻类勃发,而藻类正是P₁f烃源岩主要的有机质来源(曹剑等,2015;Xia et al., 2021)。在准中地区主力烃源岩层系代表井位的岩石样品可溶有机质的m/z 191质量色谱图(图 2)上,可见明显的γ-蜡烷峰,C₂₀、C₂₁ 和C₂₂孕甾烷的峰型呈“山峰型”分布,以C₂₁孕甾烷为主峰,规则甾烷原始构型C_27-、C_28-、C₂₉ ααα 20R指纹呈“L”型,指示水生生物供给优势。

本研究用作生物标志化合物分析的样品共计168个,其中岩心样品19个,其余为岩屑样品。反映水体盐度的生标参数特征(图 3)表明,准中地区二叠系烃源岩沉积环境层间差异明显,纵向上水体盐度具有随埋深减小而逐渐降低的趋势(图 4)。

以成6井和成601井为代表的东道海子凹陷,P₂w烃源岩的γ-蜡烷指数介于0.13~0.19之间,平均值0.16;γ-蜡烷/C₃₁H值分布在0.30~0.39之间,平均值0.34;Pr/Ph值介于0.20~0.99之间,平均值0.68,指示微咸水—咸水条件下的还原沉积环境; 规则甾烷(C_27-29)/藿烷(C_29-33)介于0.36~0.90之间,平均值0.55;Ts/(Ts+Tm)值介于0.29~0.61之间,平均值0.46。以庄深1井为代表的盆1井西凹陷,P₂w烃源岩岩屑样品的γ-蜡烷指数介于0.11~0.20之间,平均值0.17;γ-蜡烷/C₃₁H值分布在0.24~0.30之间,平均值0.27;Ts/(Ts+Tm)值介于0.41~0.63之间,平均值0.47。以莫深1井为代表的准中地区中部莫西庄凸起,P₂w烃源岩的γ-蜡烷指数介于0.12~0.35之间,平均值0.17;γ-蜡烷/C₃₁H值分布在0.21~0.65之间,平均值0.30,属于淡水—微咸水环境; Pr/Ph值介于0.74~1.38之间,多处于弱还原沉积环境; β-胡萝卜烷指数范围为0.018~0.097,平均值0.045;规则甾烷(C_27-29)/藿烷(C_29-33)介于0.16~0.62之间,平均值0.40;Ts/(Ts+Tm)值介于0.26~0.41之间,平均值0.38。阜康凹陷和沙湾凹陷P₂w烃源岩样品寥寥,个别样品的γ-蜡烷指数为0.2左右。

P₂x烃源岩样品来自莫西庄凸起的莫深1井、盆1井西凹陷的庄深1井和沙湾凹陷的征深101井。莫深1井P₂x泥岩岩屑样品的γ-蜡烷指数范围为0.14~0.20,平均值0.17;γ-蜡烷/C₃₁H范围为0.25~0.36,平均值0.29;Pr/Ph值分布在0.86~1.02之间,属于弱还原环境。庄深1井P₂x烃源岩γ-蜡烷指数范围为0.14~0.19,平均值0.16;γ-蜡烷/C₃₁H值普遍低于0.3,范围为0.24~0.42,平均值0.28,且值得注意的是,其中唯一1个岩心样品的γ-蜡烷指数为0.19,γ-蜡烷/C₃₁H值为0.42,指示咸水环境,说明岩屑样品表征的水体盐度可能被低估了。征深101井P₂x烃源岩岩屑样品的γ-蜡烷均高于0.23,γ-蜡烷/C₃₁H值普遍大于0.3,介于0.48~0.53之间,Pr/Ph值普遍低于0.8,处于高盐还原环境(图 3)。

来自哈山地区以及庄深1井和征深101井P₁f的77个样品中,反映盐度的生标参数均指示哈山地区准原地沉积的P₁f烃源岩形成于高盐还原环境: γ-蜡烷指数范围为0.11~1.57,平均值达0.73;γ-蜡烷/C₃₁H值分布在0.21~2.15之间,平均值1.14,远高于咸水阈值0.3;Pr/Ph值介于0.49~0.95之间,平均值0.66;β-胡萝卜烷指数范围为0.199~7.762,平均值2.042;规则甾烷(C_27-29)/藿烷(C_29-33)介于0.28~22.82之间,平均值8.14;Ts/(Ts+Tm)值介于0.02~0.40之间,平均值0.18,具有显著的Tm优势。而来自哈山地区P₁f推覆体(P₁f_T)的样品生标参数表征推覆体的原生沉积环境中水体盐度低于P₁f准原地沉积环境:γ-蜡烷/C₃₁H值介于0.25~0.99之间,平均值0.46;Pr/Ph值介于0.57~0.84之间,平均值0.72。上述特征可能主要归因于推覆体来自盆缘,水体盐度从凹陷中心向盆缘逐渐降低。征深101井P₁f烃源岩埋深大,水体盐度虽不及哈山地区,但也是准中地区咸化程度最高的烃源岩层系: 有限的岩屑样品的γ-蜡烷指数均高于0.2;γ-蜡烷/C₃₁H范围为0.41~0.50,平均值0.46;Pr/Ph值普遍低于0.8,处于咸化还原水体环境。而地处沙湾凹陷和玛湖凹陷之间的盆1井西凹陷则沉积于过渡水体环境中,代表井庄深1井P₁f烃源岩样品生标参数呈咸淡参半的特征: γ-蜡烷指数在0.14~0.23之间,平均值0.17;γ-蜡烷/C₃₁H值介于0.22~0.41之间,平均值0.30;Ts/(Ts+Tm)值介于0.39~0.62之间,平均值0.48。

3.1.2 元素地球化学特征

准中凹陷二叠纪构造相对稳定。在构造稳定的条件下,气候会通过降水量、湖盆蒸发速率、湖流等变化控制盆地沉积充填,还会影响到水体盐度,因此从某种程度上来说,气候变化会影响碱性湖泊的形成。不同气候条件下的沉积物中富集的金属元素含量常呈现规律性变化,古气候指数C[∑喜湿型金属元素丰度/∑喜干型金属元素丰度=Σ(Fe+Mn+Ni+Cr+Co+V)/Σ(Ca+Mg+K+Sr+Ba)]、Al₂O₃/MgO值为反映古气候的常用参数,其中古气候指数C<0.2指示干旱气候(李浩等,2017),而Al₂O₃/MgO值越大则气候越湿润,反之越干旱(谢建磊等,2015;张天福等,2016)。Sr含量对水体盐度变化较为敏感,可作为水体盐度指标,其中Sr含量越低表明气候越潮湿,反之则气候越干旱; Ba含量可能与海洋古生产力以及沉积时期水体蒸发作用有关; Sr/Ba值与古盐度具有良好的正相关关系,大于1.0指示咸水环境,小于0.6属于淡水环境(彭治超等,2018;徐敏,2023)。

准噶尔盆地二叠系各层段古气候指数C、Al₂O₃/MgO和Sr/Ba值变化趋势(图 5)表明,二叠纪由早到晚气候逐渐变得湿润,水体盐度呈持续下降趋势。P₁f沉积时期,气候干旱炎热,水体处于高盐还原状态,具有明显分层现象,具备形成咸化湖盆的条件。

综合其他反映古气候、沉积物成分成熟度、古水深、古生产力和水体盐度的主、微量元素指标,绘制了准中地区二叠系烃源岩层系多维度参数雷达图(图 6),整体特征表明P₁f与P₂x、P₂w烃源岩沉积水体和气候条件存在显著差异(图 6-A,6-B),尤其是气候指标Sr/Cu、Rb/Sr、气候指数“C”、Al₂O₃/MgO、FeO/MnO、CIA和成分成熟度指标ICV、SiO₂/Al₂O₃,以及盐度指标Sr/Ba。相比之下,P₁f沉积时期气候更加干旱,水体咸化程度也更高; P₂w和P₂x烃源岩沉积时期水体和气候条件较为相似(图 6-C),纵向变化特征参见图 5。

曹剑等(2023)发现烃源岩中的氮元素与有机质聚集之间的成因联系,并以氮同位素δ¹⁵N值10‰作为划分近中性组和碱性组的界限。本研究采取的样品中,哈山地区P₁f和征深101井P₁f烃源岩δ¹⁵N>10‰,表明P₁f烃源岩沉积水体环境与哈山地区相似,属于碱湖沉积,而P₂x和P₂w样品则主要集中在近中性组中(图 7-A);结合全岩矿物X衍射含量三角图(图 7-B),沉积于碱湖环境的P₁f烃源岩黏土含量较低(<25%),而近中性组的P₂x和P₂w烃源岩黏土含量偏高但碳酸盐矿物含量低。进一步研究发现,烃源岩δ¹⁵N与碳酸盐矿物含量呈正相关(图 7-C),因此δ¹⁵N为一个判断水体碱度的有效参数。

综上所述,准中地区水体咸化程度从凹陷边缘向凹陷中心呈增强趋势。西部深湖—半深湖相发育的P₁f以碱湖沉积为主,沉积时期气候干旱,发育厚层白云质泥岩与凝灰质粉砂岩互层,整体具有Pr/Ph<1、γ-蜡烷/C₃₁H>0.3、β-胡萝卜烷丰度高的特征,指示强还原咸化水体环境; P₂x和P₂w气候条件相似,P₂x由南向北水体咸度逐渐降低,靠近凹陷中心的深湖—半深湖相以咸水沉积为主,而在湖盆边缘的三角洲相则为淡水沉积(庄深1井),以莫深1井为代表的莫索湾凸起上则过渡为淡水—微咸水环境; P₂w在东部东道海子凹陷形成于微咸水—咸水环境(Pr/Ph>1,γ-蜡烷/C₃₁H略大于0.3),在以征深101为代表的沙湾凹陷形成于咸水环境,在盆1井西凹陷则沉积于淡水环境(γ-蜡烷/C₃₁H<0.3)。

3.2 烃源岩评价

3.2.1 有机质丰度和成熟度

准中地区不同凹陷主力烃源岩层系沉积水体环境差异较大,烃源岩评价标准不可一概而论。本研究采用了“陆相烃源岩地球化学评价方法”(SY/T 5735-2019)和白玉彬等(2024)一文中对淡水—半咸水和咸水—超咸水湖盆水体环境的烃源岩有机质丰度评价标准(表 1)。

西部坳陷二叠系烃源岩有机质丰度整体差异较小,但由于沉积水体环境不同导致烃源岩评价等级有所差异。基于前文的分析,明确了准中地区钻遇二叠系烃源岩目的层的单井所属的沉积环境,分别对咸水—超咸水环境和淡水—微咸水环境下发育的烃源岩进行评价,发现咸化水体环境下形成的烃源岩相比淡水—微咸水环境沉积的烃源岩具有明显等级优势。咸水环境沉积的P₁f烃源岩能达到“很好—极好”级别,而淡水—半咸水沉积的P₂x和P₂w烃源岩略差,仅少部分达到“很好”烃源岩级别(图 8)。

具体地,咸水条件下发育的“极好”烃源岩集中分布在准中地区西部的沙湾凹陷,以征深101井和征10井样品为代表(图 8-A),其烃源岩品质优于盆1井西凹陷的庄深1井,主要原因是: 沙湾凹陷二叠系烃源岩沉积时期处于深湖—半深湖亚相,水体咸化、碱度高,利于水体分层、有机质保存; 而盆1井西凹陷的庄深1井持续处于三角洲平原—前缘亚相,水体较浅,有机质品质不及深湖—半深湖亚相烃源岩。淡水—微咸水环境下,烃源岩品质集中在“中等—好”范围(图 8-B),东道海子凹陷部分P₂w烃源岩以及盆1井西凹陷沙深1井的部分P₂x烃源岩能达到“很好”级别,整体特征符合自盆缘向凹陷中心烃源岩品质逐渐改善的特征,这与水体环境向凹陷中心咸化程度增加的趋势一致。

二叠系烃源岩样品的lgR_O与深度成正比,烃源岩热演化程度集中在成熟—高成熟阶段(图 9-A)。CPI或OEP值除用作成熟度指标外,也用于判断母质来源类型。当烃源岩CPI或OEP值明显大于1.0(通常以1.2为界)时表征较低热演化程度或者陆源高等植物供给,而值约为1.0则指示海相藻类贡献或热演化程度达到成熟阶段(Peters et al., 2004)。准中地区二叠系烃源岩可溶有机质中,饱和烃的奇偶碳优势指数(OEP_max)介于0.56~1.24之间,平均值1.02,无明显的碳奇偶优势,而CPI_22-32范围在0.85~1.19之间,平均值1.04,两者均反映有机质母质来源不具备显著的陆源高等植物贡献,且有机质主体均已成熟(图 9-B)。甾烷异构体参数C₂₉ ααα 20S/(20R+20S)和C₂₉ αββ/(ααα+αββ)对评估未成熟到成熟阶段的岩石样品的成熟度具有高度专属性(Peters et al., 2004)。在成岩作用过程中,甾烷前系物C-20位发生可逆性外消旋反应,初始生物合成的R构型优势态(20R>99%)通过热驱动过程逐步向R/S=1的热力学平衡态过渡,致使C₂₉ ααα 20S/(20R+20S)值随热演化程度增加从生油窗顶部(R_O≈0.3%)的初始值0持续增加至高成熟阶段(R_O≈1.0%)的平衡值0.52±0.03;当甾烷分子中C-22不对称中心位于非桥接碳位点时,随着热演化程度增加,α-甲基取代态(ααα)通过[1,2]-氢迁移机制向β-甲基取代态(αββ)不可逆转化,导致C₂₉ αββ/(ααα+αββ)值自低成熟阶段(R_O≈0.5%)起始值0.35开始单调递增, 最终收敛于0.67±0.04的热力学平衡值。准中二叠系烃源岩主体已达到成熟阶段,且C₂₉ ααα 20S/(20R+20S)和C₂₉ αββ/(ααα+αββ)均趋近平衡值(图 9-C),与R_O特征相一致,表明烃源岩成熟度达到成熟—高成熟阶段,具备极好的轻质油和天然气潜力,凹陷中心甚至达到高成熟—过成熟阶段,利于天然气勘探。

3.2.2 有机质类型和母质来源

依据岩石热解法,准中地区二叠系烃源岩有机质类型以Ⅱ-Ⅲ型为主(图 10-A),但阜康凹陷和沙湾凹陷二叠系烃源岩热演化程度较高,常规的岩石热解法已无法判别其有机质类型。根据对烃源岩可溶有机质中Pr/nC₁₇、Ph/nC₁₈以及规则甾烷C_27-、C_28-、C₂₉ ααα 20R生标特征的分析(图 10-B,10-C),准中地区二叠系烃源岩母质来源以还原环境下的Ⅱ型有机质为主,集中分布在“混合型”母质类型区域,且从沙湾凹陷→盆1井西凹陷→莫索湾凸起→东道海子凹陷东北斜坡区,具有向Ⅱ/Ⅲ混合型有机质过渡的特征,烃源岩类型主要由沉积相控制。

3.3 烃源岩发育模式

受莫北凸起—莫索湾凸起的分隔作用影响,准中地区的4个次级凹陷呈东西分块的“田”字格局分布,其中西部凹陷以P₁f为主力烃源岩,而东部凹陷则以P₂w供烃为主。早二叠世准中地区处于典型的前陆盆地演化阶段,以碱湖—咸湖沉积为主,在干旱气候背景下,持续蒸发作用促使水体咸化并形成密度分层结构。生物标志化合物组合(β-胡萝卜烷、γ-蜡烷)的检出证实其形成于高盐度强还原沉积环境。纵向演化特征显示,自P₁f到P₂w存在渐进式的咸化程度衰减过程: 西部凹陷P₁f呈现典型的中心强碱湖向边缘弱咸湖过渡的空间分异特征,垂向序列上则表现为自下而上的盐度递减特征。早二叠世P₁f烃源岩发育期受控于残余洋盆萎缩的背景下的干旱气候,形成了“湖深扇小高咸水”的烃源岩发育模式。深层咸水环境有效抑制了有机质降解,母质来源以水生浮游生物(藻类、细菌)为主导,陆源高等植物输入有限,有机地球化学参数显示干酪根类型以Ⅱ型为主。这种封闭的高盐度水体系统通过限制氧化剂补给,实现了有机质的有效保存。

中二叠世构造活动趋于平静,盆地转入稳定沉降阶段,整体构造格局转变为“北隆南坳”的斜坡型样式。受暖湿气候的影响,盆地周缘发育大型退覆式扇三角洲体系,填平补齐式沉积致使湖盆扩张,盆缘陆源碎屑输入量显著增强,导致湖盆水体浑浊度升高和水动力条件强化。一方面悬浮颗粒持续沉降形成机械稀释效应,另一方面强烈水体扰动加剧了沉积界面氧化条件,双重作用下初级生产力产物的保存效率大幅下降。与此同时,陆源有机质与水生有机质在混合过程中因吸附竞争和氧化暴露时间延长,最终导致复合有机质体系的整体埋藏效率呈现非线性衰减特征。陆源有机质输入占比提升导致有机质类型向Ⅲ型倾斜,最终保存下来的有机质以Ⅱ-Ⅲ型为主。P₂x/P₂w水体盐度较P₁f呈淡化趋势,水体盐度由凹陷中心向盆缘斜坡呈负梯度变化,形成“湖浅扇大微咸水”的烃源岩发育模式(图 11)。

4 结论

1)二叠纪,准中地区水体咸化程度由凹陷中心深湖—半深湖相向盆缘三角洲相逐级递减; 垂向上,水体盐度由深及浅呈下降趋势,气候由干旱向湿润演变。风城组发育于干旱气候下的深湖半深湖碱湖环境,水体具高盐强还原特征(Pr/Ph<1,γ-蜡烷/C₃₁H>0.3); 夏子街组和下乌尔禾组沉积时期气候条件相似,中心相带的深湖—半深湖亚相为微咸水—咸水环境,边缘三角洲相带则过渡为淡水环境(γ-蜡烷/C₃₁H<0.3)。

2)沙湾凹陷风城组形成于气候干旱的碱湖环境,其水体咸化有利于有机质保存,烃源岩潜力达到“极好”级别(TOC>1.0%),烃源岩热演化程度整体达到高成熟—过成熟阶段,具备大规模生成轻质油或凝析油以及天然气的潜力。沙湾凹陷咸化湖盆有望成为准噶尔盆地深层—超深层油气勘探战略接替区。

3)通过沉积环境对比和生烃潜力评价建立了“湖深扇小高咸水”(风城组)和“湖浅扇大微咸水”(夏子街组/下乌尔禾组)2类烃源岩发育模式。前者受干旱气候与咸化环境协同作用,实现了有机质的有效保存; 后者受湿润气候影响和陆源输入增加,初级生产力产物的保存效率大幅下降。

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