南华北盆地太原组碳酸盐岩烃源岩地球化学特征

南华北盆地太原组碳酸盐岩烃源岩地球化学特征
曹高社;刘慧慧;邢舟;徐光明
【摘要】In order to clarify the essential features of the carbonate source rocks of Taiyuan Formation in Southern North China Basin and analyze the special background of the organic matter enrichment in these source rocks,through selecting the carbonate source rocks of Taiyuan Formation samples from full-coring coal boreholes in Luoyang area,Pingdingshan area and Yongcheng area at the edge of the Southern North China Basin,it was systematically analyzed and evaluated the samples,and it is revealed the organic matter enrichment background of these source rocks on the basis of the mineralogical analysis and the sedimentary environment analysis of the carbonate source rocks of Taiyuan Formation.The mean organic carbon contents are all greater than 1.00％ in Taiyuan Formation source rocks in different areas of the Southern North China
Basin,however,the contents of the generating hydrocarbon potential and chloroform bitumen "A" is relatively smaller,the mean contents are smaller than 1.0 mg/g and 0.01％ separately.The main organic microstructure composition of kerogen in these source rocks is vitrinite,and it is generally more than 50％,while exinite is usually between 20％ and 50％.Inertinite is a little,and sapropelinite is rarely contained.The vitrinite reflectances (Ro) have large differences in different districts,and the mean values of Ro are respectively 4.57％,2.1％,1.14％ and 1.97％ in Luoyang area,Yuzhou area,Pingdingshan area and Yongcheng area.The carbonate source rocks
of Taiyuan Formation in the Southern North China Basin not only have greatly different from common marine carbonate source rocks` features.The higher organic content of Taiyuan Formation limestone is mainly related with the large amounts of carbon dust,and the reason is related to the strong erosion to the underlying coal bed or carbonaceous mudstone by the limestone which was formed by sudden transgression.%为明确南华北盆地太原组碳酸盐岩烃源岩基本特征,并分析该套烃源岩特殊的有机质富集背景,选取南华北盆地周缘洛阳、禹州、平顶山和永城地区全取心煤炭钻井的太原组碳酸盐岩样品进行系统的有机化分析,并对其进行评价,在对太原组碳酸盐岩矿物学和沉积环境分析的基础上,揭示该套烃源岩有机质富集背景.南华北盆地不同地区太原组碳酸盐岩烃源岩的有机碳平均值均大于1.00％,但生烃潜量和氯仿沥青"A"均较小,平均值分别小于1.00 mg/g和0.01％.干酪根有机显微组分以镜质组为主,一般占50％以上,壳质组一般在20％～50％,惰质组少量,但几乎不含腐泥组.镜质体反射率(Ro)在不同地区差异较大,洛阳地区Ro平均值为4.57％,禹州地区Ro为2.1％,平顶山地区Ro为1.14％,永城地区Ro平均值为1.97％.南华北盆地太原组碳酸盐岩烃源岩与普遍的碳酸盐岩烃源岩差异较大.太原组灰岩中较高的有机质含量主要与其中含有大量的炭屑有关,其原因是突发性海侵形成的灰岩过程中对下伏的煤线或碳质泥岩造成强烈冲刷.
【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(036)002
【总页数】7页(P41-47)
【关键词】太原组;碳酸盐岩;烃源岩;南华北盆地
【作者】曹高社;刘慧慧;邢舟;徐光明
【作者单位】河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454000;河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;河南理工大学资源环
境学院,河南焦作 454000
【正文语种】中文
【中图分类】P575.5
南华北盆地上古生界具有较好的油气勘探潜力[1-3]，上古生界烃源岩的评价对于
资源量评估和勘探方向的选择具有重要意义。

已有研究表明，南华北盆地上古生界的煤岩、暗色泥岩和碳酸盐岩是主要的潜在烃源岩[4-6]，其中煤岩和暗色泥岩具
有厚度稳定，有机质含量高，生烃潜力较大，干酪根为Ⅲ型，演化程度各地差异较大的特点[4,6-8]。

此外，二次生烃也是这两类烃源岩的显著特征，初始成熟度、
生烃潜量和终点成熟度是二次生烃的主要制约参数，并据此预测了南华北盆地的有利生烃区[3-4]。

针对上古生界碳酸盐岩烃源岩仅进行了少量的地化指标分析[4-5]，认为该套烃源岩有机质含量较高，饱和烃含量较低，干酪根元素中H含量较低，
O含量较高，并推测上古生界碳酸盐岩干酪根类型应属II型或III型。

南华北盆地上古生界碳酸盐烃源岩主要赋存于太原组中，岩性主要为(含)生物碎屑泥晶灰岩，累积厚度一般在20～50 m，全区均有分布。

已有的有机碳分析表明，其平均质量分数可达1.42%(6个样品)[4-5]，如果仅从有机碳指标进行评价，上古生界碳酸盐岩应该是一套非常好的烃源岩[9]，因为世界上以碳酸盐岩为烃源岩的
大型油气藏的有机碳质量分数一般在1.4%～4%。

但现实是南华北盆地上古生界
的油气勘探尚没有实质性的油气突破，暗示了上古生界碳酸盐岩烃源岩可能有其特
殊性，对该套烃源岩进行全面的评价具有重要的理论和现实意义。

本文选取南华北盆地周缘洛阳、禹州、平顶山和永城地区,全取心煤炭钻井的太原
组碳酸盐岩样品进行系统的有机化分析，以求对该套烃源岩进行全面的了解，并在对太原组碳酸盐岩矿物学和沉积环境分析的基础上，揭示该套烃源岩特殊的有机质富集背景，为南华北盆地上古生界油气勘探提供基础资料。

南华北盆地太原组以灰岩与细碎屑岩的互层为特色，灰岩的层数和厚度各地差异较大，鉴于此，对太原组不同层位的样品进行了采集(表1)。

样品新鲜无污染，可溶有机质分析主要在胜利油田石油地质测试中心进行，不溶有机质分析主要在中原油田石油地质实验中心进行。

1.1 太原组碳酸盐岩烃源岩评价
(1)有机质含量。

太原组碳酸盐岩烃源岩具有有机碳含量高、变化幅度较大等特点，如表2所示，不同地区有机碳平均值均大于1.00%，但生烃潜量和氯仿沥青“A”均较小，平均值分别小于1.00 mg/g和0.01%。

尽管目前国内外对于碳酸盐岩有机质丰度的评价尚没有统一的标准，但仅从有机碳含量看，无论采用目前的任何标准[9-10]，太原组碳酸盐岩都属于非常好的烃源岩。

但生烃潜量和氯仿沥青“A”却非常低，按Peters [11]根据生烃潜力和氯芳“A”对烃源岩的分类，应属于“不好”烃源岩。

(2)有机质类型。

南华北盆地太原组灰岩的有机显微组分以镜质组为主(表2)，一般占50%以上，最高达90.34%，结构镜质体和无结构镜质体均有大量出现(图1～2)。

壳质组一般在20%～50%，以腐殖无定形体为主(图1(c))，并见有丰富的角质体、菌孢体和植物孢粉(图1(d)～(f))。

惰质组少量，但几乎不含腐泥组。

根据干酪根指数判断，南华北盆地不同地区的太原组灰岩有机质类型几乎全为Ⅲ型。

干酪根碳同位素值均为较小的负值(表2)，也说明太原组灰岩有机质类型为Ⅲ型。

(3)有机质演化程度。

不同地区太原组灰岩的镜质体反射率(Ro)差异较大，洛阳地
区Ro平均值为4.57%，指示已达过成熟阶段，禹州地区Ro为2.1%，表明为高
成熟-过成熟的特征，平顶山地区Ro为1.14%，说明烃源岩处于成熟阶段，永城
地区Ro为1.97%，表明烃源岩处于高成熟-过成熟阶段。

1.2 不同地区太原组碳酸盐岩烃源岩的对比
南华北盆地不同地区太原组碳酸盐岩烃源岩在有机质含量和有机质类型上表现出了相似的特征，具有有机碳含量高、生烃潜量和氯仿沥青“A”较小、有机质类型为III型的特点，但不同地区有机质演化程度差异较大，这与以往根据煤岩和暗色泥
岩分析结果得出的南华北不同地区有机质演化程度差异较大的结论一致[6,8]，可
能与中生代以来岩浆作用造成的局部地区热演化程度较高有关[8,12]。

由于演化程度的差异，就有可能出现矛盾：如果源岩演化程度越高，生排烃的数量越大，则实测的有机质含量就会越低。

这涉及到有机质的恢复问题，由于I，II型有机质生烃
效率较高，多数学者认为有必要对有机质进行恢复[13-14]，但对于III型有机质，有机质生烃效率较低，并且有机质演化过程中，源岩的质量因失水和成岩作用而减小，故进行有机质的恢复意义不大[15]。

所以，尽管南华北盆地不同地区太原组碳酸盐岩烃源岩演化程度差异较大，但由于有机质类型主要为III型，所以可以不考
虑有机质的恢复问题。

从目前实测的不同地区太原组碳酸盐岩烃源岩有机碳含量看，南华北盆地从西向东具有有机碳含量增大的趋势，这可能与太原组沉积时期具有由东向西的海侵作用有关[16]。

上述分析表明，太原组碳酸盐岩烃源岩具有有机质含量高、有机质类型为Ⅲ型的特点，这与普遍的碳酸盐岩烃源岩有机质含量低、有机质类型为I型的特点差异较大。

一般认为，岩石中有机质的富集主要与有机质来源、生物产率和沉积环境有关，所以深入揭示太原组碳酸盐岩烃源岩的矿物学特征和沉积背景就成为揭开这一谜题的关键。

2.1 太原组碳酸盐岩烃源岩的矿物组成
镜下观察，太原组灰岩主要呈生物碎屑结构和泥晶结构，主要的颗粒类型为生物碎屑，分选性较差，除个体较小的虫筵化石较为完整外，其他生物化石完整性差，以有孔虫为主，其次为腕足类、珊瑚、海百合茎等(图2(a))。

方解石是太原组灰岩中最主要的矿物，质量分数>85%，石英在大部分灰岩样品中均有发现，质量分数10%～15%，多呈不规则粒状充填于钙质生物壳体的空腔中，亦见零星的分布于
泥晶方解石基质中的硅质颗粒。

炭屑在样品中普遍存在(图2(a)～(c))，呈不规则粒状或条带状，质量分数为2%～10%。

为了进一步分析太原组灰岩的矿物学特点，将样品切除风化面后粉碎至200目，
再用0.2 mol/L的稀盐酸溶解，搅拌样品，待灰岩还未完全溶解完之前，停止搅拌，加入少量的六偏磷酸钠使黏土矿物等充分悬浮，稍微沉降后，抽取出溶液在抽滤瓶中过滤，过滤完成后，将滤纸上的不溶物质烘干(40 ℃)进行X衍射分析。

这些不
溶物除石英及未完全溶解的方解石之外，碳的特征峰3.36×10-10，2.13×10-10，2.54×10-10的清晰存在(图3)。

所以，可以确定太原组灰岩中较高的有机质含量应主要由大量的炭屑所提供，由于这些炭屑主要由陆生植物经成煤作用形成，使得有机质类型表现为Ⅲ型，干酪根中出现大量的镜质组、腐殖无定形体、菌孢体和植物孢粉。

2.2 太原组碳酸盐岩烃源岩的沉积背景
太原组碳酸盐岩烃源岩的沉积背景可以解释其中大量炭屑的成因。

根据太原组灰岩的沉积序列(图2(d))，灰岩上部多为具水平层理的泥岩或粉砂岩，其上则为薄层的煤线或碳质泥岩，下一个沉积序列的灰岩与上一个沉积序列的煤线或碳质泥岩直接接触，灰岩底部具有侵蚀充填构造[17]。

明显表明，太原组沉积时期沉积环境改变
迅速，海水进退频繁，且由灰岩指示的海侵作用具有突发性[18]，可能为风暴沉积[17]。

海进时，水体加深，水动力较强，生物碎屑破碎，并对下伏的煤线或碳质泥岩产生强烈冲刷，使灰岩中富含炭屑，并很快沉积下来，随后迅速海退。

结合灰岩在横向上厚度变化较快，多呈透镜状产出的特点，太原组灰岩应是由突发性海侵造成的潮道沉积，上部具水平层理的泥岩或粉砂岩则为泥坪沉积，其上的煤线和碳质泥岩为滨海环境的泥炭沼泽沉积。

南华北盆地太原组碳酸盐岩烃源岩除具有与煤岩和暗色泥岩相似的不同地区有机质演化程度差异较大的特点外，还具有有机质含量高、有机质类型为Ⅲ型的特点，这与普遍的碳酸盐岩烃源岩有机质含量低、有机质类型为I型的特点差异较大。

矿物学分析表明，太原组灰岩中较高的有机质含量主要与其中含有大量的炭屑有关，也使得太原组碳酸盐岩烃源岩有机质类型表现为Ⅲ型，干酪根中出现大量的镜质组、腐殖无定形体、菌孢体和植物孢粉。

造成太原组碳酸盐岩烃源岩含有大量炭屑的原因与突发性海侵形成的灰岩对下伏的煤线或碳质泥岩的强烈冲刷有关。

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