陸相盆地深水泥巖中有機質(zhì)空間分布特征及來源分析

陸相盆地深水泥巖中有機質(zhì)空間分布特征及來源分析

目前，超層序列、大層序列、層序的劃分以及層序地層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建主要基于地震反射特征、鉆探和鉆孔數(shù)據(jù)以及由古橋反映的沉積旋轉(zhuǎn)回波。對于高精度系統(tǒng)面積和幾乎層序的分類，主要基于盆地邊緣的野外露頭、巖心數(shù)據(jù)和井結(jié)構(gòu)特征。1深水沉積相帶在所有地層層序中,深水體系構(gòu)成了與同時期海(湖)岸線最遠的一個部分,而正是由于其在盆地中的特殊位置,深水體系也是最難用層序地層學(xué)術(shù)語解釋的沉積體系之一深水區(qū)域是凝縮層發(fā)育的最佳相帶,因此,在我國將盆地中油頁巖視為陸相地層的密集段此外,在水深快速增加或基準面降低,使淺水沉積相帶具有普遍不穩(wěn)定性,而導(dǎo)致淺水沉積碎屑物滑塌,孤立于深水沉積中。而這些濁積砂體又是重要的巖性油氣藏,所以國內(nèi)外將研究重點放在深水碎屑巖層序研究之中針對在平靜的高水位時期或構(gòu)造較穩(wěn)定的深水環(huán)境,沉積大套的暗色泥巖,Peter和Bohacs相繼提出了層序地球化學(xué)概念本次研究是在全取心和系統(tǒng)測試基礎(chǔ)上,根據(jù)巖石組合特征、沉積物物性特征、測井曲線組合特征,結(jié)合層序地球化學(xué)分析方法,研究松遼盆地深水環(huán)境層序。2沉積測試及分析松遼盆地是我國最大的含油氣、油頁巖盆地,在三口全取心和測井資料基礎(chǔ)上(圖1),以1m為單元進行詳細的TOC含量、含油率、密度、熱解等測試,在如此豐富數(shù)據(jù)前提下,對松遼盆地青山口組深水沉積進行詳細的層序地層學(xué)研究。2.1上、晚侏羅世構(gòu)造格局松遼盆地在青山口組—嫩江組時期為典型的大型湖盆,沉積范圍分布廣泛。根據(jù)松遼盆地中生代構(gòu)造演化,結(jié)合基地性質(zhì)和蓋層的區(qū)域地質(zhì)特征,松遼盆地進一步劃分為7個一級構(gòu)造單元,即北部傾沒區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)、開魯坳陷區(qū)、中央坳陷區(qū)、西部斜坡帶和西南隆起區(qū)(圖1)。控制松遼盆地演化發(fā)展的主要動力來自地殼深部地幔物質(zhì)的熱動力、泛太平洋板塊向古亞洲板塊俯沖和厄霍次克海的關(guān)閉共同影響松遼盆地主要發(fā)育晚侏羅世、白堊紀和古近紀地層。上侏羅統(tǒng)沉積白城組。下白堊統(tǒng)由底到頂分別為火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組,上白堊統(tǒng)分別為青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組。古近系發(fā)育不全,可見依安組、大安組和泰康組2.2層序地層劃分松遼盆地是大型的裂谷盆地,因其富含豐富的油氣、油頁巖、鈾礦、煤等資源,成為專家學(xué)者研究的重點,對于松遼盆地層序地層研究也取得了豐碩的成果作者對松遼盆地沉積、層序等方面研究30多年,根據(jù)松遼盆地構(gòu)造沉積演化,將其劃分為下部斷陷湖盆層序地層和上部坳陷湖盆層序地層斷陷湖盆地層劃分為1個超層序組、3個超層序和6個層序。盆地主要為扇三角洲和濱淺湖沉積,層序之間可以見到明顯的局部不整合面,層序內(nèi)部主要為淺水沉積,根據(jù)巖石組合、泥巖顏色、測井曲線可以較容易進一步劃分體系域和準層序,本次概不詳述。坳陷湖盆層序根據(jù)西部斜坡區(qū)地震、測井和鉆探資料,劃分出1個超層序組、3個超層序和11個層序。盆地主要為沖積平原、濱淺湖和半深湖沉積3松遼盆地深水環(huán)境的層序特征3.1深水環(huán)境的地層序列識別標志3.1.1層序界面識別深水環(huán)境主體為暗色泥巖沉積,精細區(qū)分準層序比較困難,在以往巖性組合分析手段基礎(chǔ)上,結(jié)合測井特征、沉積巖密度、有機地球化學(xué)參數(shù)綜合分析,取得良好的效果。巖石組合。在深水區(qū)域,主要為灰色和深灰色泥巖沉積,部分層段呈現(xiàn)油頁巖層與下部暗色泥巖突變接觸,說明此時水深增大,并伴隨著有機質(zhì)保存條件變好,有機質(zhì)富集程度增大(圖2A),所以說油頁巖層底界面可以作為準層序界面。此外由于基準面快速上升形成的與暗色泥巖中上下突變接觸的濁流砂質(zhì)條帶,或湖泛之初物源碎屑供給不足的情況下發(fā)育的碳酸鹽層可以輔助深水準層序界面識別。生物富集層底界面。一些湖泛作用經(jīng)常造成湖水介質(zhì)環(huán)境的突然變化,如松遼盆地青山口組時期海侵引起的湖泛,使盆地水體快速咸化,從而易于鈣質(zhì)沉積,同時造成生物機集體死亡,形成富含生物化石的鈣質(zhì)沉積,此類界面可以作為準層序界面(圖2B)。有機地球化學(xué)參數(shù)。根據(jù)總有機碳含量(TOC)研究層序的方法比較成熟,本次以1m為單元全取樣測試,為深水層序研究提供精確的依據(jù)。每期準層序為基準面突然升高,繼而緩慢下降。當湖盆基準面突然上升,可容納空間增加,深水的還原條件不僅可以有效保存沉積界面有機質(zhì),同時突然離盆地邊緣距離增加,陸源碎屑和陸源高等植物供給變少,減少有機質(zhì)稀釋,有機質(zhì)類型變好。所以在每期準層序底部往往伴隨著總有機碳(TOC)含量高值,隨著基準面逐漸下降、陸源碎屑供給增多、有機質(zhì)保存條件變差,沉積巖中TOC含量逐漸變少,有機質(zhì)類型逐漸變差。因此TOC含量突然增加點即為準層序界面。有機質(zhì)豐度的改變不僅體現(xiàn)在TOC含量變化,泥巖含油率、生烴潛量(S1+S2)、氫指數(shù)(HI)和氫指數(shù)/氧指數(shù)(S2/S3),也應(yīng)該存在相應(yīng)的變化(圖3)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,有機地球化學(xué)參數(shù)和TOC含量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性,其中含油率和成烴潛力與TOC含量呈線性正關(guān)系,說明其突然增加的坎值處即為準層序界面(圖4)。氫指數(shù)和TOC含量呈對數(shù)正相關(guān),當TOC含量小于4%時,氫指數(shù)變化十分明顯,當TOC含量大于4%時,氫指數(shù)隨有機質(zhì)豐度不會呈現(xiàn)明顯的,表明氫指數(shù)對于劃分有機質(zhì)豐度較低的暗色泥巖準層序更有意義(圖3、圖4)。沉積巖密度。粘土礦物的骨架密度約為2.7g/cm測井特征。在深水泥巖是由粘土礦物顆粒組成,泥巖中的有機質(zhì)可以有效的富集放射性元素3.1.2水進體系域及區(qū)域有機碳環(huán)境作者通過對中國陸相盆地多年研究,1994年首次提出層序四分觀點,分別為低水位體系域(LST)、水進體系域(TST)、高水位體系域(HST)和水退體系域(RST)。在湖相地層中,體系域通常以主湖泛面為界。雖然在深水盆地中,沉積環(huán)境變化較少,主體為暗色泥巖沉積,但是各個體系域有機質(zhì)豐度之間存在一定的差別。低水位體系域之下為層序界面,之上為首次主湖泛面,一般情況由于水體相對較淺,有機質(zhì)供給較少,低水位泥巖有機碳含量較少,此外在陸源碎屑供給較少,水體咸度較高的情況下,湖水含氧帶變淺,高咸度的水體有效地阻止沉積界面有機質(zhì)的氧化分解,同時較少的河流水體供給對于湖水鹽度分層起到促進作用,也有利于富有機質(zhì)泥巖沉積(圖5)。低水位體系域為小型加積或小型進積型準層序組,泥巖顏色相對較淺。水進體系域之下為首次主湖泛面,之上為最大湖泛面,水進體系域過程中,河流攜帶大量的陸源營養(yǎng)物質(zhì),瞬間提高湖泊生產(chǎn)力,為有機質(zhì)沉積提供大量的來源,水進體系域是可容納空間不斷增大的過程,盆地處于“饑餓”狀態(tài),為有機質(zhì)富集和保存的良好條件。所以在水進體系域泥巖有機碳含量明顯增加,泥巖顏色由底到頂逐漸加深,發(fā)育多層油頁巖。高水位體系域之下為最大湖泛面,之上為湖退下超面,此時可容納空間最大,水體較為穩(wěn)定,沉積界面基本為缺氧環(huán)境,在湖泊透光帶大量繁殖的浮游生物死亡后,沉積到湖底,導(dǎo)致泥巖中有機含量達到最高值。泥巖顏色基本為深灰色—灰黑色,準層序組呈現(xiàn)加積式沉積,發(fā)育多套厚層,優(yōu)質(zhì)油頁巖。水退體系域之下為湖退下超面,之上為層序界面,陸源碎屑供給增多,泥巖中砂質(zhì)含量增大,有機質(zhì)被大量的陸源碎屑稀釋,保存環(huán)境變差,泥巖顏色逐漸變淺,有機碳含量達到最低,為進積式準層序組。3.1.3有機參數(shù)變化對層序的識別作用層序是層序地層中最基本的地層單元,它由不整合及相應(yīng)整合面限定。在地震剖面上,界面之下可見局部削截,之上可見上超現(xiàn)象。測井曲線表現(xiàn)為一定坎值變化。但是在深水沉積區(qū)域沒有存在沉積間斷,沉積巖巖性變化不明顯,所以利用有機參數(shù)進行層序界面識別起到重要的作用。從湖泊邊緣—深水沉積,沉積物中中的有機質(zhì)含量變化具有等時性,即在高生產(chǎn)力背景下,此時整個盆地沉積物中有機質(zhì)含量均是高值,所以說垂向有機質(zhì)變化,是劃分層序的重要證據(jù)。根據(jù)易于識別層序界面的盆地邊部泥巖中有機質(zhì)含量變化旋回特征,對應(yīng)找出深水區(qū)域暗色泥巖有機質(zhì)變化旋回,依此劃出深水層序界面。3.2不同水位體系域沉積型根據(jù)以上層序識別標志,搭建了松遼盆地青山口組高精度層序地層格架。在松遼盆地青山口組識別出5個層序,湖盆相對淺水地帶識別出15個體系域(低水位多因不整合缺失),41個準層序;相對中等深度地區(qū)發(fā)育18個體系域(缺失頂部水退體系域),52個準層序;深水區(qū)域識別出19個體系域,59個準層序(圖5)。層序Ⅰ。缺失低水位體系域,水進體系域發(fā)育分選較好的水進砂體,直接覆蓋在泉頭組頂部紅色泥巖之上,砂巖中含棱角狀泥礫,并見垂直蟲孔,顯示較強的水動力條件,在NGN2井水進砂中可見明顯的油浸,指示青山口底部為良好的油氣儲藏;高水位體系域主體發(fā)育深灰色泥巖,從相對淺水到深水區(qū)均發(fā)育兩套穩(wěn)定的油頁巖;水退體系域深水區(qū)為深灰色泥巖沉積,但有機質(zhì)含量小于1%,NGN1井沉積薄層灰綠色泥巖和砂質(zhì)條帶。層序Ⅱ。低水位體系域為灰色泥巖和薄層富有機質(zhì)泥巖,其原因為水體較為穩(wěn)定且咸度較大,陸源供給較少,適合有機質(zhì)保存和富集;水進體系域相對淺水部分,沉積薄層砂體,泥巖有機質(zhì)含量較低,深水區(qū)域可能受陸源碎屑影響發(fā)育兩套低品位油頁巖;高水位體系域,相對淺水區(qū)域主體為灰黑色泥巖和薄層砂質(zhì)條帶,發(fā)育三套薄層油頁巖,深水區(qū)域為深灰色泥巖沉積,同樣沉積三層油頁巖,此高水位體系域泥巖中的有機碳含量普遍較高;水退體系域,發(fā)育灰色—灰綠色泥巖沉積,NGN2井區(qū)沉積較厚的泥質(zhì)粉砂巖,除NGN1井薄層碳質(zhì)泥巖,泥巖中有機質(zhì)含量普遍偏低。層序Ⅲ。低水位體系域在淺水區(qū)域發(fā)育不完整,底部發(fā)育平行不整合面,主體為淺灰色—灰綠色泥巖沉積,有機質(zhì)含量較低,深水區(qū)域為灰色泥巖、薄層泥灰?guī)r和油頁巖沉積;水進體系域,主體沉積灰色泥巖,NGN2井區(qū)發(fā)育綠灰色泥巖和薄層砂體沉積,此時相對淺水地帶有機質(zhì)含量反而比深水區(qū)高,這預(yù)示著此時湖盆生產(chǎn)力降低,陸源有機質(zhì)供給占主導(dǎo)地位;高水位體系域,淺水區(qū)沉積綠灰色—淺灰色泥巖,夾薄層砂體,深水區(qū)域為灰色泥巖,泥巖中有機質(zhì)含量同樣是淺水區(qū)高于深水區(qū);水退體系域,淺水區(qū)域發(fā)育三角洲砂巖和灰綠色泥巖沉積,深水區(qū)域為灰色泥巖和綠灰色泥巖沉積,從淺水區(qū)域到深水區(qū)域泥巖中有機碳含量普遍偏低。層序Ⅳ。低水位在淺水區(qū)缺失,相對水深區(qū)域沉積灰綠色泥巖和灰色泥巖旋回沉積;水進體系域,淺水區(qū)域為NGN1井區(qū)為灰綠色泥巖,NGN2井區(qū)為淺灰色泥巖和灰綠色泥巖旋回沉積,深水區(qū)域主體為灰色泥巖和薄層綠灰色泥巖、砂質(zhì)條帶沉積;高水位體系域,盆地邊緣為三角洲砂巖沉積,相對深水區(qū)為灰色泥巖沉積,薄層灰綠色泥巖條帶,泥巖中有機質(zhì)含量整體較低;水退體系域盆地邊緣缺失,相對深水區(qū)為灰綠色泥巖和砂巖條帶沉積。層序Ⅴ。低水位盆地邊緣缺失,相對深水區(qū)為灰綠色泥巖沉積;水進體系域,盆地邊緣為三角洲砂巖沉積,NGN2井區(qū)發(fā)育灰綠色泥巖,相對深水區(qū)沉積淺灰色粉砂質(zhì)泥巖;高水位體系域,主要是灰白色三角洲砂巖和灰綠色泥巖沉積;水退體系域僅發(fā)育在Zk0833區(qū)域,發(fā)育灰綠色三角洲砂巖沉積。根據(jù)5個層序組合特征表明,青山口底部經(jīng)過短暫的快速水進,湖盆基準面快速上升,在層序Ⅰ高水位中達到最大,并在層序Ⅱ前期湖泊基準面幾乎保持不變,在層序Ⅱ水退體系域中發(fā)生明顯水退,層序Ⅲ—層序Ⅴ湖泊基準面持續(xù)下降,并在層序Ⅴ達到最低,湖盆迅速消失,繼而發(fā)育姚家組紅層沉積。3.3不同水位體系域有機質(zhì)類型及分布特征通過對層序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ有機質(zhì)類型分析,其在層序內(nèi)存在一定的演化規(guī)律(圖6)。有機質(zhì)類型可以有效地反映有機質(zhì)來源層序Ⅰ。泉頭組頂部有機質(zhì)類型主要為Ⅲ型,說明在泉頭組頂部淺水區(qū)域,陸源高等植物是湖泊沉積有機質(zhì)的主要來源;水進體系域,有機質(zhì)類型較為分散,主要為Ⅱ和少量的Ⅰ型,揭示有機質(zhì)來源發(fā)生變化,陸源有機質(zhì)供給所占比例逐漸減少,湖泊自生生產(chǎn)力逐漸占主導(dǎo)地位;高水位體系域,有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型和一部分Ⅱ型,表明此時湖泊浮游生物成為有機質(zhì)絕對來源,陸源有機質(zhì)影響微乎其微;水退體系域有機質(zhì)主要為Ⅱ型,但主要集中在中下部,說明陸源有機物供給影響逐漸明顯,但湖泊自身有機質(zhì)還是處于主導(dǎo)地位。層序Ⅱ。低水位體系域有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ型,在本層序中泥巖有機質(zhì)豐度較大,且整體為灰色泥巖沉積,表明低水位時期雖然湖泊基準面相對較淺,但是湖水咸度較大,易于形成鹽度分層,同時陸源碎屑和有機質(zhì)供給較少,湖泊自身有機質(zhì)沉積且被良好的保存;水進體系域有機質(zhì)類型較為分散,半數(shù)集中在Ⅱ型區(qū)域中下部,半數(shù)分布在Ⅱ型干酪根區(qū)域上部和Ⅰ型區(qū)間,說明水進過程中打破水體鹽度分層,陸源有機質(zhì)供給和湖泊浮游生物沉積對沉積物有機質(zhì)貢獻都很明顯;高水位體系域有機質(zhì)類型集中在Ⅱ型干酪根區(qū)域上部和Ⅰ型區(qū)間,此時湖泊自生生物沉積又占據(jù)主要地位,陸源有機質(zhì)供給影響甚微。水退體系域和高水位體系域有機質(zhì)類型相似,說明此時強制性水退并沒有明顯的陸源有機質(zhì)輸入。層序Ⅲ。這段時期沉積較層序Ⅰ、Ⅱ,基準面明顯下降,由于生物生產(chǎn)力降低、保存條件變差和沉