川東北—鄂西地區下震旦統陡山沱組烴源巖特征及形成環境

張道亮，楊帥杰，王偉鋒，付小東，張建勇，李文正

(1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.中國石油天然氣股份有限公司 杭州地質研究院，杭州 310023)

陡山沱組是我國新元古界震旦系最為重要的烴源巖層系之一。露頭剖面和相關鉆井揭示，四川盆地周緣發育陡山沱組厚度較大的黑色泥頁巖沉積[1-2]，宜昌地區秭地1、鄂陽頁1井等鉆井也相繼發現陡山沱組頁巖有良好的含氣性顯示[3-4]，因此深化陡山沱組烴源巖分布和地化特征研究顯得尤為重要。

前人對陡山沱組地層、巖相古地理、沉積環境等方面開展了一定的研究[5-11]，認為陡山沱組在川東北城口地區和鄂西地區沉積厚度大，地層具有四分性，巖性多為白云巖、暗色泥頁巖及粉砂巖，其中烴源巖主要發育在二段和四段。對陡山沱組頁巖沉積環境的分析表明，宜昌地區陡二段頁巖形成于氣候劇烈變動的臺地內部，下部頁巖形成于氧化環境，上部頁巖形成于還原環境[5]；鄂西地區陡山沱組黑色頁巖發育在臺內盆地，陡二段頁巖為貧氧—缺氧環境，陡四段頁巖為缺氧環境[6]。但對于川東北地區該套烴源巖的平面分布特征及形成環境的研究相對比較薄弱。上揚子北緣陡山沱組沉積過程為水體加深的海侵序列，鎮巴—城口地區陡山沱組總體形成于濱海—陸棚環境[7]，發育潮坪相、斜坡相、陸棚相等沉積體系，黑色頁巖形成于淺海—半深海環境[8]。針對上述問題，筆者對川東北—鄂西地區陡山沱組典型剖面進行踏勘和系統采樣，通過實驗測試，分析烴源巖有機地化、主、微量元素及相關比值的變化特征，明確不同地區陡山沱組烴源巖特征和平面展布，探討不同地區烴源巖的形成環境及其差異性，以期為川東北—鄂西地區陡山沱組古地理重建和油氣勘探提供依據。

1 樣品采集與分析

研究區位于中上揚子北緣，主體位置在城口—宜昌一帶；構造位置上處于四川盆地北部城巴斷裂帶內和中揚子區黃陵背斜東南部。區內震旦系地層沿鎮巴—城口—鎮坪一帶和神農架隆起及黃陵背斜周緣出露(圖1)[7]。樣品主要采自于川東北城口符家溝、陳家灣、五宋村和鄂西宜昌花雞坡、芝麻坪等剖面，巖性為黑色泥頁巖、碳質頁巖、硅質泥巖等，主要進行了有機碳含量、主微量元素、成烴生物、干酪根顯微組分和成熟度分析測試。

樣品測試工作由北京通標標準技術服務有限公司礦產實驗室完成，有機碳含量測試采用美國力可CS230碳硫分析儀，執行GB/T19145—2003標準；主量元素測試采用XRF設備，執行GB/T 21114—2007標準；微量元素測試采用電感耦合等離子體質譜儀，執行GB/T 14506.30—2010標準。

圖1 川東北—鄂西地質簡圖據文獻[7]修改。

2 陡山沱組烴源巖分布特征

陡山沱組是繼南沱組冰期后發生大規模海侵沉積的第一套地層，自下而上可以分為4個巖性段，其中暗色泥頁巖主要發育在陡二段和陡四段[5，12]。通過收集露頭資料及前人研究成果[1，3，9，13-14]，結合剖面實測對陡山沱組泥頁巖厚度進行統計，并編制烴源巖厚度分布圖。其中鎮巴小洋壩剖面陡山沱組泥頁巖厚88 m(圖2a)；紫陽紫黃剖面陡山沱組泥巖厚96 m[1]；城口一帶泥頁巖厚度大，明月剖面陡山沱組黑色頁巖厚度可達230 m[13]，符家溝剖面陡山沱組未見到頂界面，暗色泥頁巖縱向厚度可達250 m；樟樹坪地區陡山沱組泥頁巖厚度較薄，總體為0～20 m[14]；宜昌花雞坡剖面陡山沱組巖性以白云巖和黑色碳質泥頁巖為主，烴源巖累計厚度約50 m(圖2b)；秭地1井、秭地2井、鄂陽頁1井等鉆遇陡山沱組頁巖厚度在100～150m；鶴峰白果坪一帶陡山沱組泥頁巖厚度較大。平面上，由于受到漢南古陸和川東古隆起的控制，川東北—鄂西地區陡山沱組烴源巖存在多個厚度中心，其中鎮巴—城口一帶烴源巖厚度最大，為100～250 m；鄂西宜昌—長陽地區烴源巖厚度在50～150 m。川東古隆起地區五探1井陡山沱組主要為粉砂巖，不發育烴源巖，樓探1井尚未鉆穿陡山沱組，但地震剖面顯示古隆起兩側陡山沱組地層厚度大，因此推測在古隆起兩側烴源巖厚度為20～100 m(圖2a)。

圖2 川東北—鄂西陡山沱組烴源巖厚度等值線(a)及地層剖面對比(b)

3 烴源巖有機地球化學特征

川東北—鄂西地區7個野外剖面94個烴源巖樣品地球化學分析測試表明，陡山沱組有機碳含量較高，但不同地區存在一定差異(表1)。陡山沱組烴源巖總有機碳含量分布在0.21%～10.40%，平均為2.04%，有30%的樣品總有機碳含量在2%以上，達到優質烴源巖的標準(總有機碳含量超過2%)。其中符家溝剖面陡山沱組烴源巖總有機碳含量分布在0.21%～6.14%，平均為1.67%；陳家灣剖面總有機碳含量為1.24%～10.40%，平均為4.73%；五宋村剖面總有機碳含量為0.30%～5.56%，平均為2.23%。鄂西地區烴源巖有機碳含量高，除了一個樣品有機碳含量為0.86%外，其余樣品總有機碳含量均大于1.0%，有接近40%的樣品達到優質烴源巖標準。陡山沱組成烴生物類型多樣，發育浮游藻(藍藻)、球狀甲藻、底棲褐藻、疑源類等多種生物微相(圖3a-c)，以底棲藻類無定形體和固體瀝青為主。裂縫與粒間孔隙中大量充填的固體瀝青表明，在地質歷史時期其經歷了大量生油并有部分液態烴滯留在烴源層內。根據干酪根顯微組分分析和鏡下鑒定，陡山沱組有機顯微組分主要為腐泥組，含量為62%～90%，干酪根碳同位素在-37.93‰～-28.67‰，平均為-31.83‰(表1)，表明干酪根類型主要為Ⅰ-Ⅱ1型，具有較高的生烴潛力。烴源巖等效鏡質體反射率(Ro)在2.39%～3.50%，處于過成熟熱演化生氣階段。

表1 川東北—鄂西地區陡山沱組烴源巖有機地球化學特征

圖3 川東北—鄂西陡山沱組烴源巖成烴生物及顯微組分鏡下鑒定結果

4 烴源巖形成環境

4.1 陡山沱組沉積背景

川東北—鄂西地區陡山沱組沉積期具有明顯的兩隆兩坳古地理格局，在盆地西北部和北部分別存在漢南古陸和開江古陸，因而缺少陡山沱組沉積[15]。城口和鶴峰地區發育邊緣凹陷，沉積厚度大，尤其是城口高觀地區最大可達1 843.6 m，湘鄂西地區陡山沱組厚度一般為100～200 m[10]。從地層剖面對比(圖2b)可以看出，自鎮巴向城口地區陡山沱組明顯加厚，泥頁巖厚度大且比較穩定，其間有少量的白云巖及硅質白云巖，主要為深水陸棚沉積。向東至巫溪康家坪、樟樹坪一帶，地層厚度減薄，主體巖性為白云巖，僅在底部發育數十米的泥頁巖，表明沉積水體較淺。宜昌—鶴峰一帶，陡山沱組地層變厚，巖性以碳質泥頁巖和泥質白云巖、白云巖為主，處于較深水的臺內盆地環境。此次研究主要利用微量元素及其比值，分析陡山沱組烴源巖形成時的水動力、古鹽度、氧化還原條件等沉積環境因素。

4.2 水動力條件

水動力條件能夠反映水深、浪基面等相關信息，有機質往往在水動力弱的低能條件下沉淀[16]。Zr是典型的親陸惰性元素，其含量與沉積巖粒度呈正相關；Rb常賦存于海水中的黏土、云母等細粒礦物中，在低能環境中沉淀。因此巖石中的Zr/Rb值可用來定量表征水動力變化特征，值越大，反映水動力越強[17]。

從表2可以看出，符家溝剖面烴源巖Zr/Rb值變化不大，在1.06～3.60之間，平均值為1.99，反映自南沱紀冰期結束后海平面迅速上升，城口地區轉為深水陸棚環境，從而處于水體能量相對穩定、水動力較弱的沉積環境。此外，從縱向來看(圖4)，陡山沱組底部地層主要為厚度較大的砂質頁巖，向上逐漸變為黑色碳質頁巖、深灰色泥頁巖，夾有薄層的白云巖、粉砂質泥巖，砂質含量相對減少，同時烴源巖樣品的Zr/Rb值曲線多次波動，整體左傾，也表明自下而上水體加深，能量減弱，上部地層沉積時水體比較穩定、能量較低。宜昌花雞坡剖面樣品Zr/Rb值變化較大，在2.40～14.80，平均值為9.33，遠大于符家溝剖面，同時烴源巖縱向累計厚度也小于城口地區，表明陡山沱組沉積時期宜昌地區處于開闊臺內盆地環境，海水相對較淺，因此水動力較強。

4.3 古鹽度

古鹽度是指示沉積期古地理環境和古氣候的重要指標。微量元素中鍶(Sr)的含量可以定性判斷水體鹽度。在海相咸水中Sr的含量為800～1 000 μg/g，半咸水中為500～800 μg/g；淡水中為100～500 μg/g[18]。Rb/K值也常作為水體鹽度判別的有效參數。Rb/K大于0.006為正常海相沉積，0.004～0.006為微咸水，河流相沉積物的該比值為0.002 8[19]。

符家溝剖面陡山沱組樣品Sr含量在16.8～297 μg/g，平均為87.58 μg/g，樣品Rb/K值在0.001 8～0.009 0，平均為0.003 9；花雞坡剖面樣品Sr含量在118.6～757.5 μg/g，平均為347.81 μg/g，Rb/K值在0.000 3～0.002 1，平均為0.000 7，均指示川東北—鄂西地區陡山沱組烴源巖沉積水體鹽度偏低。從Sr含量來看，符家溝剖面水體鹽度低于花雞坡，但Rb/K值指示符家溝剖面鹽度相對較大。對Sr元素富集程度的分析表明，符家溝剖面樣品Sr富集系數EF(Sr)值為0.2～6.3，平均0.87，大多數樣品富集系數小于1；花雞坡剖面EF(Sr)值為1.3～15.8，平均5.7，所有樣品EF(Sr)均大于1，由此推測造成鹽度判別不一致的原因可能是符家溝剖面Sr元素相對虧損所致。同時根據區域沉積背景，川東北地區陡山沱組烴源巖厚度大，處于深水陸棚環境，宜昌地區處于臺內盆地環境，受河流相淡水影響更大，所以綜合認為川東北—鄂西地區陡山沱組烴源巖形成于低鹽度水體環境，鄂西地區鹽度更低。

4.4 氧化還原條件

氧化還原條件是有機質是否能被保存下來的關鍵因素。前人對氧化還原指標進行了大量研究，認為Th、U、V、Ni、Cr、Mo等元素對氧化還原環境較為敏感，常用其比值進行氧化還原環境的判別[20]。一般說來，參與判別的相關元素應為自生類型，但是由于沉積巖中微量元素還來源于陸源碎屑，因此需要對氧化還原敏感元素含量和Al或Ti做相關性分析，選擇兩者相關程度較低的元素進行古環境判別[21-22]。

符家溝剖面樣品氧化還原敏感元素中Cr與Al的相關性強，V、U、Mo、Ni等元素與Al的相關性弱，相關系數小于0.5。花雞坡剖面烴源巖樣品中Ni、Co、Cu等元素與Al的相關性強，相關系數大于0.8，Mo、U與Al的相關系數小于0.5，相關程度弱。因此，在選擇V、U、Mo等元素進行氧化還原環境判斷時，仍然具有一定的可靠性。

4.4.1 氧化還原敏感元素富集程度

由于沉積巖或沉積物中氧化還原敏感元素的富集程度受沉積水體氧化還原環境的控制，因此可以利用其富集程度來指示古水體的氧化還原性質[23]。由于Al元素不受成巖作用影響，且比較穩定，因此常被用作元素富集系數標準化參數[24]，各氧化還原敏感元素的富集系數常用EF(X)=(X/Al)樣品/(X/Al)PAAS來計算，當EF(X)>1時，表明X元素相對富集，反之則相對虧損。

表2 川東北—鄂西地區陡山沱組地球化學元素參數分布特征

符家溝剖面烴源巖氧化還原敏感元素富集系數大小順序為EF(Mo)>EF(V)>EF(U)>EF(Cu)>EF(Cr)>EF(Ni)，其中Mo、V、U、Cu元素富集系數平均值大于1，Mo元素富集系數平均值最大，為9.42；Cr、Ni等元素富集系數平均值小于1(表2)，表現出相對虧損。花雞坡剖面烴源巖樣品氧化還原敏感元素富集系數大小順序為EF(Mo)>EF(Cr)>EF(U)>EF(V)>EF(Cu)>EF(Ni)，各元素富集系數均大于1(表2)。2個剖面樣品都表現出V、U相對于Cu、Ni明顯富集的特點，表明陡山沱組烴源巖在沉積時整體處于水體缺氧環境[23]。從縱向剖面可以看出，符家溝剖面地層下部Mo、V、Cu、Ni、Co等元素呈現出相對虧損的波谷形態，中上部地層出現多個富集高峰，而鄂西花雞坡剖面氧化還原敏感元素變化相對穩定。根據對符家溝剖面陡山沱組稀土元素的分析，樣品∑LREE/∑HREE均值為5.56，δEu范圍在1.07～3.48，均值為1.61，具有輕稀土富集和明顯Eu正異常特征。同時結合城口地區陡山沱組黑色巖系樣品大部分落在了(Cu+Co+Ni)-∑REE和U-Th熱液特征判別圖熱水沉積區的研究結果[25]，推測符家溝剖面多個元素富集高峰的出現可能與深部熱液作用有關。

圖4 川東北—鄂西陡山沱組地層元素地球化學綜合柱狀圖

4.4.2 氧化還原敏感元素比值

除了氧化還原敏感元素富集程度可以指示水體的氧化還原性質外，相關微量元素的比值,如Th/U、V/(V+Ni)、δU等，也常用來判斷氧化還原環境。Th/U在0～2為缺氧環境，大于2為氧化環境，在強氧化環境中可高達8[26]；V/(V+Ni)在0.46以下為氧化環境，0.46～0.60為貧氧環境，0.60～0.84為缺氧環境，大于0.84為硫化缺氧環境[27]；同時也有學者提出了δU[δU=2U/(U+Th/3)]可以作為氧化還原環境判別指標，認為δU小于1為正常海水環境，δU大于1為缺氧環境[28]。此外，Mo-U共變是近年來古海洋氧化還原判別的新指標，Mo和U在缺氧或硫化環境中往往被還原為低價態而被沉積物捕獲，因此EF(Mo)/EF(U)比值可以指示古環境。在氧化條件下，EF(Mo)/EF(U)比值小于現代海水EF(Mo)/EF(U)比值的0.3倍，在還原環境中其比值接近或超過現代海洋的EF(Mo)/EF(U)比值[29]。

研究區微量元素相關比值變化特征如表2所示，符家溝剖面Th/U值為1.05～3.86，平均為2.31，V/(V+Ni)值為0.70～0.99，平均為0.92，δU值為0.88～1.48，平均為1.15；花雞坡剖面Th/U值為0.43～2.37，平均為1.35，V/(V+Ni)值為0.68～0.87，平均為0.80，δU值在1.12～1.75，平均為1.40。2個剖面樣品點總體上都落在缺氧—貧氧區域，個別樣品表現出弱氧化的特征，其中符家溝剖面落在貧氧區域的數據點更多(圖5a)，表明川東北地區陡山沱組烴源巖形成于缺氧—貧氧的沉積環境，鄂西地區烴源巖發育在缺氧環境中。另外從EF(Mo)-EF(U)共變圖(圖5b)中看出，符家溝樣品EF(Mo)/EF(U)比值范圍在1.12～20.01，平均為6.58，大部分樣品都落在EF(Mo)/EF(U)比值為1倍海水等值線和3倍海水等值線之間；花雞坡樣品EF(Mo)/EF(U)比值范圍在0.42～8.20，平均為2.45，大部分樣品落在0.3倍海水等值線和1倍海水等值線之間，個別樣品落在次氧化—缺氧海水區域(圖5b)，均表明陡山沱組烴源巖沉積時為缺氧—貧氧環境，這與上述其他指標分析結果基本一致。

5 油氣地質意義

陡山沱組成烴母質來源于低等水生生物，有機質在水體能量較低的缺氧還原環境中能夠被很好地保存下來，從而形成總有機碳含量高、有機質類型好、現今熱演化程度高、在川東北—鄂西地區廣泛分布且厚度較大的優質烴源巖。該套烴源巖可與生烴凹陷外圍燈影組臺緣丘灘相儲層形成良好的源儲配置關系。同時陡山沱組暗色泥頁巖既是優質烴源巖，也是良好的頁巖氣儲層段，目前已在宜昌地區獲得了鉆井含氣性顯示，表現出極大的勘探潛力。因此陡山沱組烴源巖對中上揚子地區震旦系—寒武系常規、非常規天然氣勘探均具有重要地質意義，川東北和鄂西地區是源自陡山沱組天然氣資源勘探的有利方向。

圖5 川東北—鄂西地區陡山沱組烴源巖氧化還原對比分析

6 結論

(1)川東北—鄂西地區震旦系陡山沱組烴源巖廣泛發育，區域厚度為20～250 m，存在鎮巴—城口和宜昌—五峰2個厚度中心，根據鉆井和地震剖面推測川東古隆起兩側烴源巖厚度為20～100 m。

(2)陡山沱組烴源巖有機質豐度高，總體分布在0.21%～10.40%，平均為2.04%；有機母質來源于低等水生生物，為Ⅰ-Ⅱ1型干酪根；烴源巖現今熱演化程度高，處于過成熟階段，具有良好的生氣潛力。

(3)川東北—鄂西地區陡山沱組烴源巖形成環境存在一定差異。川東北地區陡山沱組烴源巖形成于水動力弱、低鹽度、缺氧—貧氧的深水陸棚環境；鄂西花雞坡剖面陡山沱組烴源巖發育于水動力較強、低鹽度、缺氧的臺內盆地環境。