高演化海相碳酸盐烃源岩地球化学综合判识_以鄂尔多斯盆地为例

中国科学 D 辑 地球科学 2006, 36 (2): 167~176 167

高演化海相碳酸盐烃源岩地球化学综合判识

——以鄂尔多斯盆地为例*

腾格尔

①②**

刘文汇①② 徐永昌① 陈践发①③

(① 中国科学院兰州地质研究所气体地球化学重点实验室, 兰州 730000; ② 中国石化石油勘探开发研究院, 北京100083;

③ 石油大学(北京), 北京 102249)

摘要 针对中国海相碳酸盐岩烃源岩的成熟度高、有机质丰度低等特殊性, 以鄂尔多斯盆地下古生界为例, 通过微量元素富集系数计算、稀土元素的配分模式、元素和碳同位素等的数理统计分析及三维图解等多元综合分析, 结合必要的有机参数, 反演了盆地烃源岩发育环境, 评价碳酸盐岩烃源岩及其分布. 就鄂尔多斯盆地而言, TOC 为0.2%是个重要的界限值, 研究表明: 在TOC>0.2%的层段中, Ba 富集, δ 13C carb 正偏移, δ 13Ｃorg <−28‰, 反映出古生产力、

有机质埋藏量较高, 具较好生烃潜力, 稀土元素分异强, 指示沉降速率低, 有机质保存条件好, 利于烃源岩发 育. 克里摩里组、乌拉力克组具一定规模, 可视为潜在有效烃源岩. 而TOC ＜0.2%的层段, Ba 含量低, δ 13C carb 多为负值, δ 13Ｃorg 为−24‰~−28‰, 指示有机质埋藏量低, 生烃潜力差, 稀土元素分异弱, 沉降速率较快, 多属浅水高能氧化环境, 不利于烃源岩发育. 利用无机与有机地球化学方法综合评价高演化海相有潜力的碳酸盐岩烃源岩及分布是可行的.

关键词 有效烃源岩 沉积环境 微量元素 稳定同位素 判识指标

收稿日期: 2005-03-14; 接受日期: 2005-09-19

* 国家重点基础研究发展规划项目(批准号: 2001CB209102, G1999043306)资助 ** E-mail: tenger67@

中国广布的海相碳酸盐岩层系由于多具高热演化、低有机质丰度等特点, 尤其下古生界经历了多期构造活动和漫长的热演化史, 致使烃源岩发育及分布反映在沉积、生物和地球化学相上就变得尤为复杂, 仅借助现今层位的单一有机地化特征或少量指标分析研究已显得力不从心. 特别是, 烃源岩评价研究中, 生烃潜力、H/C 比值等重要有机地化指标难以奏效,

不少学者试图通过降低有机碳下限值、恢复原始有机质丰度等方法解决其有效性[1,2], 但困难不少, 分歧较大[3,4]. 因此, 海相碳酸盐岩烃源岩评价方法的研究仍是亟待解决的关键问题和热点之一.

沉积环境是控制海相烃源岩发育与分布的重要因素, 如生物生产力、氧化还原条件、沉降速率等作为关键变量是被公认的[5~8]. 本文以鄂尔多斯盆地下

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古生界为例, 将微量元素、碳氧同位素等无机参数及其环境示踪原理引入到烃源岩研究中, 重建烃源岩发育环境, 结合必要的有机参数, 探讨烃源岩发育程度, 旨在探索高演化海相碳酸盐烃源岩的有效评价方法.

1 样品采集、测试及蚀变评估

研究区位于鄂尔多斯盆地西、南缘, 共采新鲜岩样78个(页岩12个, 余者为碳酸盐岩). 样品采自桌子山剖面的桌子山组(O1z)、克里摩里组(O1k)和乌拉力克组(O2w); 平凉剖面的三道沟组(O1s)和乌拉力克组(O2w); 岐山剖面的马家沟组四至六段(O1m4-6); 旬探1井(XT1井)的马六段(O1m6)(图1).

图1 研究区采样剖面及中部气田位置

对上述样品进行了有机碳、热解、常量和微量元素、碳氧同位素等多项测试. 热解、有机碳分析用Rock-Eval热解分析仪和CS-344型碳硫测定仪测试, 精度为±0.5%. 常量、微量元素在3080E3X射线荧光光谱仪和全谱直读等离子光谱仪(ICP)上完成, 精度为±10%. 稀土元素(REE)用等离子质谱仪(ICP-MS)测试, 误差小于5%. 干酪根碳同位素(δ 13C org)、碳酸盐碳同位素(δ 3C carb)、氧同位素(δ 8Ｏ)用MAT-252测定, 精度为±0.2‰. ICP和ICP-MS测定由西安矿产研究所完成, 余者均由中科院兰州地质研究所完成.

上述参数的测定主要基于全岩样品. 应用微量元素法和氧同位素法对碳酸盐岩样品进行了蚀变程度评估1), 所测样品的δ 18Ｏ值都重于−10‰; Fe, Na等元素含量和相关比值相对于碳酸盐岩平均值均未出现显著异常, CaO与MgO, Fe2O3和Sr含量间具良好相关性(γ= 0.71~0.88, γ0.05 = 0.304), 表明微量元素和碳同位素等参数基本反映原始的环境性质及演化. 实际上, 我国中、古生界海相碳酸盐岩层有机质热演化程度普遍较高, 但远未达到真正的变质(石墨化)作用阶段[9], 加之烃源岩是一种细粒沉积岩[5], 其多数元素稳定, 即使在含量上发生一些变化, 相关元素比值和分布形式仍保持平行, 稀土元素尤为如此[10,11]. 岩石中痕量金属分布被认为与其有机质成熟度无关[12]. 碳同位素组成(δ 3C)在成岩后生作用过程中变化较小[13,14]. 因此, 在高演化海相层系中, 这些无机参数较有机质稳定, 有较好保存原始地质信息能力, 以其反映源岩的发育环境具较高的可信度.

2 有机地球化学特征

研究区有机地化特征如表1所示. O1k, 碳酸盐岩样品残余有机碳含量(TOC)为0.11%~0.74%, 63%样品TOC＞0.2%, 平均为0.28%, 其上部黑色页岩TOC 为 1.25%. O2w, 在桌子山剖面上, TOC为0.18%~ 0.88%, 平均为0.59%; 平凉剖面上, TOC为0.09%~ 0.85%, 平均为0.35%. XT1井O1m6的TOC为0.14%~ 0.58%, 平均为0.28%. 而O1z, O1s和岐山O1m1-6的TOC<0.2%. 研究区85%的样品热解峰温(T max)> 460℃, 已达高-过成熟阶段. 氯仿沥青“A”、生烃潜量(S1+S2)、氢指数(IH)等热解参数偏低(除平凉O2w的页岩样), 已失去原有的指示意义.

1) 腾格尔. 海相地层元素、碳同位素分布与沉积环境和烃源岩发育关系——以鄂尔多斯盆地为例. 中国科学院研究生院博士学位论文, 2004