DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.023

二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩的分布及形成

丁修建^{1, 2}，柳广弟²，黄志龙²，孙明亮²，陈哲龙²，柳庄小雪²

(1. 中国石油大学 地球科学与技术学院，山东 青岛，266580；

2. 中国石油大学 地球科学学院，北京，102249)

摘要：为了明确烃源岩形成的主控因素，基于烃源岩碳酸盐同位素、生物标志化合物、微量元素等地球化学数据探讨烃源岩的形成，并基于烃源岩实测总有机碳质量分数w(TOC)数据分析烃源岩的分布特征。研究结果表明：二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩分布特征与传统认识明显不同；水体较浅的缓坡带烃源岩厚度最大、有机质丰度最高；赛汉塔拉凹陷为小型断陷湖盆，具有水体浅、物源近、沉积速率大等不同于大型湖盆的沉积环境。有机质陆源输入、水动力条件和氧化还原程度是烃源岩形成的主控因素；水体浅、物源近是小型断陷湖盆烃源岩分布、形成不同于大型湖盆的原因。

关键词：烃源岩分布；烃源岩形成；小型断陷湖盆；赛汉塔拉凹陷；二连盆地

中图分类号：TE121.1            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)05-1739-08

Source rock distribution and formation in Saihantala depression, Erlian Basin

DING Xiujian^{1, 2}, LIU Guangdi², HUANG Zhilong², SUN Mingliang²,

CHEN Zhelong², LIUZHUANG Xiaoxue²

(1. College of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;

2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Abstract: To clarify the main controlling factors involved in formation of source rock, a number of geochemical data were researched on their relationship with source rock formation, including carbonate isotope, biomarker parameters and trace elements, and based on research upon measured total organic carbon content (w(TOC)) in Saihantala depression in Erlian basin, the distribution of source rock was analyzed. The results show that the source rock on gentle slope with shallow water depth is the thickest and has the highest w(TOC). Saihantala depression belongs to small faulted basin with characters of shallow water depth, near provenance and high sedimentary rates which is different from large basins in sedimentary environment. The main controlling factors contributing to formation of source rock consist of terrestrial inputs of organic matter, hydrodynamic conditions and oxidation-reduction degree. The main reasons for the distribution and formation of source rock in small faulted basin are its shallow water and near provenance.

Key words: distribution of source rock; formation of source rock; small faulted lacustrine basin; Saihantala depression; Erlian basin

烃源岩是石油和天然气的来源，是油气生成的物质基础，对烃源岩进行研究在油气勘探和资源评价中都具有重要的意义，其分布和形成一直都是国内外学者研究的热点^[1-5]。关于湖相烃源岩的分布，传统观点认为大型湖盆的湖盆中央水体最深，是盆地的沉积中心和沉降中心，烃源岩厚度最大且性能最好；中小型断陷湖盆的陡侧沉积厚度大、水体深，为湖盆的沉积、沉降中心，烃源岩相对最厚、性能较好，缓侧沉积厚度小，水体浅，烃源岩一般不发育^[6]。二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩分布特征明显不同于传统认识：缓侧虽然水体较浅、地层厚度较小，但是烃源岩厚度较大并且性能较好，陡侧虽然水体深、地层厚度大，但是烃源岩较差而且厚度小。赛汉塔拉凹陷面积仅为2 300 km²，具有独立的沉积体系、沉积中心和边缘相带，为典型小型断陷湖盆，目前在二连盆地中已发现小型断陷盆地多达54个。小型断陷湖盆相对大型湖盆具有面积小、水体浅、物源近、沉积速率大等特殊的沉积特征^[7]。沉积环境控制着烃源岩的形成^[8]，小型断陷湖盆沉积环境的特殊性必然导致烃源岩分布和形成不同于大型湖盆。本文作者基于烃源岩实测TOC数据分析烃源岩的分布特征，通过对生物标志化合物、微量元素、碳酸盐同位素等地球化学数据分析古生产力、有机质陆源输入、氧化-还原程度、水动力条件等在烃源岩形成过程中的控制作用，最终明确二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩形成的主控因素，指出小型断陷湖盆烃源岩分布特殊性的原因，对小型断陷湖盆烃源岩分布预测和油气勘探有一定的指导意义。

1  地质背景

赛汉塔拉凹陷位于二连盆地中南部，凹陷呈北东走向，东西宽约23 km，南北长约100 km，总体为一舒缓的“S”形^[9]，如图1所示。赛汉塔拉凹陷是二连盆地获工业油流最早的凹陷之一，全国第3次资源评价认为：赛汉塔拉凹陷资源量为6 514×10⁴ t，目前仅探明石油地质储量1 458×10⁴ t，剩余资源量大，资源潜力大，是二连盆地重要的勘探储量接替区之一^[10]。

赛汉塔拉凹陷水体较浅，主要发育滨浅湖沉积，发育少量扇三角洲、近岸水下扇沉积，基本不发育半深湖—深湖沉积^[11-12]。凹陷内由下至上发育地层为二叠系、侏罗系、下白垩统、第四系，其中下白垩统为主力地层，自上而下分为阿尔善组、腾格尔组和赛汉塔拉组。阿尔善组岩性主要为灰色、灰绿色砂砾岩和深灰色泥岩、深灰色含砾泥岩互层；腾格尔组岩性主要为深灰色砂岩、泥质砂岩与深灰色泥岩互层，砂泥岩交互频繁；赛汉塔拉组岩性为杂色砂砾岩与灰色泥岩不等厚互层，如图2所示。

图1  二连盆地赛汉塔拉凹陷构造分带和剖面特征图

Fig. 1  Structural Zones and profile characteristics of Saihantala depression, Erlian Basin

赛汉塔拉凹陷经历了断陷成湖、扩张深陷、萎缩消亡的完整断陷湖盆发育阶段，烃源岩十分发育，凹陷在白垩纪时期频繁升降形成了3套富含有机质的湖相烃源岩，分别为下白垩统阿尔善组、腾一段和腾二段，岩性以暗色泥岩为主。阿尔善组暗色泥岩厚度分布在 26.6~272.35 m之间，平均厚度为121.70 m；腾一段暗色泥岩厚度主要分布在42~528 m 之间，平均厚度为211.39 m；腾二段暗色泥岩厚度主要分布在179.5~1 007.5 m 之间，平均厚度达470.41 m ^[13]。

2  样品数据及分析方法

烃源岩样品取自赛汉塔拉凹陷下白垩统腾格尔组一段(K₁bt₁)，全部进行了总有机碳(TOC)和还原S的测定，对部分样品进行了碳酸盐¹³C丰度测定、全岩微量元素含量测定及饱和烃生物标志化合物检测。

有机碳和还原S的测定使用CS-344型测定仪测试，相对误差分别小于0.5%和2.0%。¹³C丰度测定采用传统的磷酸溶解法，样品与磷酸在25 ℃恒温下反应8 h，测量仪器为Thermo-Finngan MAT253 气体同位素比值质谱仪，同位素值测量采用双录进样法(dual-inlet method)。微量元素的测定执行国家标准GB/T 14506.30—2010“硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定”，测量仪器型号为ELEMENT XR 等离子体质谱分析仪，检测温度为20 ℃，相对湿度为30%。饱和烃生物标志化合物检测执行国家标准GB/T 18606—2001“气相色谱质谱法测定沉积物和原油中生物标志物”，使用仪器为Agilent 7890-5975c 气相色谱质谱联用仪，测试条件为色谱载气，99.999%氦气；进样口温度为290 ℃；传输线温度为250 ℃；色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 mm)；升温程序为于50 ℃保持1 min，然后以15 ℃/min升至120 ℃，再以3 ℃/min升至300 ℃，保持25 min；载气流速为恒定为1 mL/min。质谱，EI源，绝对电压为1 047 V；全扫描。

图2  二连盆地赛汉塔拉凹陷地层综合柱状图

Fig. 2  Generalized stratigraphic column of Saihantala depression, Erlian Basin

3  烃源岩分布特征

赛汉塔拉凹陷烃源岩总有机碳质量分数范围为0.18%~2.95%，平均值约为1.5%，依据中国石油天然气总公司1995《陆相烃源岩地球化学评价方法》认为赛汉塔拉凹陷K₁bt₁烃源岩为好烃源岩。

为了研究凹陷内不同部位烃源岩的分布特征，依据凹陷内主干断裂把凹陷划分为深洼带、近洼缓坡带和远洼缓坡带，其中，深洼带以控凹主断层和二级断层为界，是凹陷中水体最深的部位；近洼缓坡带为靠近深洼带的“二级台阶带”，以二级断层为界，水体较浅；远洼缓坡带处于近洼缓坡带的缓坡一侧，水体最浅，如图1和图3所示。赛汉塔拉凹陷烃源岩总有机碳分布剖面图(图3)显示近洼缓坡带烃源岩有机碳质量分数w(TOC)最高，其中S71井和S1井烃源岩w(TOC)几乎全部大于凹陷平均值；深洼带烃源岩w(TOC)明显低于近洼缓坡带，深洼带中部的S68井仅有部分烃源岩w(TOC)大于平均值，S79井烃源岩TOC均小于平均值；远洼缓坡带烃源岩w(TOC)最小，S22井烃源岩w(TOC)远小于平均值。综上可知：赛汉塔拉凹陷中近洼缓坡带烃源岩有机质丰度最高，其次为深洼带，远洼缓坡带烃源岩有机质丰度最低。

图3  二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩有机碳分布剖面图

Fig. 3  Profile of TOC source rock in Saihantala depression, Erlian Basin

一般认为有机碳总质量分数大于0.5%的暗色泥岩可以作为烃源岩，因此，以0.5%作为w(TOC)下限统计了各井烃源岩厚度，实测TOC数据较少的井运用“△lgR”方法预测烃源岩w(TOC)，基于各井烃源岩厚度编制了赛汉塔拉凹陷烃源岩等厚图，如图4所示。

图4  二连盆地赛汉塔拉凹陷K₁bt₁烃源岩等厚图

Fig. 4  Source rock isopach map of K₁bt₁ in Saihantala depression, Erlian Basin

由烃源岩等厚图可知赛汉塔拉凹陷烃源岩厚度为0~450 m，其中近洼缓坡带烃源岩厚度最大可达400 m；深洼带烃源岩厚度明显小于近洼缓坡带厚度，深洼带烃源岩厚度主要分布于100~200 m；远洼缓坡带烃源岩厚度最小，在靠近近洼缓坡带的位置有少量烃源岩发育，大部分部位不发育烃源岩。

4  主要控制因素

为了研究小型断陷湖盆烃源岩分布特殊性的原因及其形成，基于赛汉塔拉凹陷烃源岩碳酸盐同位素、生物标志化合物、微量元素等地球化学数据，分别探讨了古生产力、有机质陆源输入、氧化-还原程度和水动力条件在烃源岩形成中的作用。

4.1  古生产力

古生产力是指地质历史时期生物在能量循环过程中固定能量的速率，即单位面积、单位时间内所产生的有机物的量^[14]。古生产力反映了有机质的生产能力，是影响烃源岩形成的重要因素，一般认为古生产力越高，越有利于烃源岩的形成^[15-17]。古生产力定量恢复难度较大，研究中多选取地球化学参数作为替代指标来探讨古生产力^[18]。本文选用烃源岩碳酸盐的δ¹³C和微量元素Ba作为古生产力替代指标。

浮游植物在光合作用过程中会优先吸收¹²C，从而导致水体中¹³C富集，当浮游植物勃发即生产力较高时水体中¹³C富集，故一般认为烃源岩中碳酸盐的δ¹³C可以反映原地古生产力，碳酸盐的δ¹³C越大，古生产力越大^[19-21]。统计了赛汉塔拉凹陷烃源岩碳酸盐的δ¹³C与w(TOC)的关系发现二者相关性较差，随着δ¹³C增大，w(TOC)几乎没有任何变化趋势，如图5(a)所示。

微量元素也是重要的古生产力替代指标^[22]。钡(Ba)元素是应用最早、也是目前运用最为广泛的微量元素古生产力替代指标^[23]。统计了凹陷内实测烃源岩Ba元素质量分数与w(TOC)关系，如图5(b)所示。由图5(b)可见：烃源岩Ba元素质量分数与w(TOC)相关性较差，随着Ba质量分数的增大，w(TOC)没有明显的变化趋势。

烃源岩碳酸盐的δ¹³C和微量元素Ba质量分数与烃源岩w(TOC)相关性均较差表明：赛汉塔拉凹陷古生产力与烃源岩有机质丰度相关性较差，即古生产力在烃源岩形成过程中的作用不大，不是控制烃源岩形成的主要因素。

图5  二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩总有机碳含量与古生产力指标关系

Fig. 5  Relationship between w(TOC) and pale-productivity proxies for source rock in Saihantala depression, Erlian Basin

4.2  有机质陆源输入

大量的有机质陆源输入是湖相盆地区别海相盆地的重要特征，小型断陷湖盆由于面积较小，距物源较近，具有更多的有机质陆源输入。C₂₇规则甾烷与C₂₉规则甾烷的质量分数可以反映有机质来源，较高质量分数的C₂₇规则甾烷常常代表水生环境下的浮游生物或藻类的贡献，较高质量分数的C₂₉甾烷则反映陆源高等植物的贡献较大^[24]。本文选用C₂₇规则甾烷与C₂₉规则甾烷质量分数比w(C₂₇)/w(C₂₉)反映陆源有机质输入程度，该值越大，陆源有机质输入越少，值越小，陆源有机质输入越少。

赛汉塔拉凹陷烃源岩w(C₂₇)/w(C₂₉)与w(TOC)的关系如图6所示。从图6可见：w(C₂₇)/w(C₂₉)和w(TOC)呈现明显的正相关关系，即随着w(C₂₇)/w(C₂₉)的增大，烃源岩w(TOC)有增大的趋势。可见赛汉塔拉凹陷中有机质陆源输入对烃源岩的形成有一定的控制作用；随着w(C₂₇)/w(C₂₉)的逐渐增大，有机质陆源输入逐渐变小，烃源岩w(TOC)逐渐增大。

4.3  有机质保存

有机质的保存条件是影响有机质聚集和烃源岩形成的重要因素，有机质的保存条件主要指氧化-还原程度和水动力条件^[25]。

图6  二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩总有机碳含量与有机质陆源输入指标关系图

Fig. 6  Relationship between TOC and terrestrial organic matter input proxies for source rock in Saihantala depression, Erlian Basin

4.3.1  氧化-还原程度

沉积环境的氧化-还原程度是影响烃源岩形成的重要条件，一般认为强还原环境有利于烃源岩形成^[26]。本文通过微量元素质量比m(U)/m(Th)和m(Co)/ m(Ni)以及还原S的质量分数w(S^2-)表征沉积环境的氧化-还原程度。Th在低温地表环境中是不易发生迁移的元素，多富集在抗风化矿物中，氧化环境中含量较高，而U常在还原环境中沉淀下来，因此m(U)/m(Th)可以反映沉积水体的氧化-还原程度，一般认为m(U)/m(Th)越大，沉积环境的还原性越强^[27]。m(Co)/ m(Ni)也一直被用来反映沉积环境的氧化-还原程度，一般认为该值越大，沉积环境的还原性越强。除此以外，还原S也是反映沉积环境的氧化-还原程度的常用指标，沉积环境中硫(S)是一种非常活泼的变价元素，在不同的氧化-还原程度下呈现不同的价态，价态最低的S^2-俗称还原S。一般认为还原S含量越高，沉积环境的还原程度越强^[28-31]。

赛汉塔拉凹陷烃源岩m(U)/m(Th)与w(TOC)的关系如图7(a)所示，可见w(TOC)与m(U)/m(Th)具有一定的正相关关系，随着m(U)/m(Th)的增大，w(TOC)有明显的增大趋势。m(Ni)/m(Co)与w(TOC)的关系如图7(b)所示，可见w(TOC)与m(Ni)/m(Co)同样具有正相关关系，随着m(Ni)/m(Co)的增大，w(TOC)有明显的增大趋势。还原S与TOC也显示出正相关关系，随着还原S含量的增加，w(TOC)有明显的增大趋势，如图7(c)所示。综上可知：赛汉塔拉凹陷烃源岩形成过程中受氧化-还原程度影响明显，还原程度越强的沉积环境越利于烃源岩的形成。

图7  二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩总有机碳质量分数与氧化-还原程度指标关系

Fig. 7  Relationship between TOC and oxidation-reduction proxies for source rock in Saihantala depression, Erlian Basin

4.3.2  水动力条件

水动力条件同样是影响烃源岩形成的重要因素，一般多选用m(Zr)/m(Rb)代表水动力条件^[32]。Zr是典型的亲陆惰性元素，主要以锆石等稳定重矿物形式沉淀于高能环境中，Rb则主要赋存于黏土、云母等细粒或轻矿物中，主要沉淀于低能环境中，因此，可以选用m(Zr)/m(Rb)反映水动力条件。在震荡的高能环境中，m(Zr)/m(Rb)较高；在安静的低能环境中，m(Zr)/m(Rb)较低^[33]。

赛汉塔拉凹陷烃源岩m(Zr)/m(Rb)与w(TOC)的关系如图8所示。由图8可见：w(TOC)与w(Zr)/w(Rb)呈现明显的负相关关系，即随着m(Zr)/m(Rb)的增大，水动力逐渐由相对安静的低能环境向相对震荡的高能环境过渡，烃源岩w(TOC)逐渐降低。可见水动力条件在烃源岩形成过程中有重要意义，是控制烃源岩形成过程中的主要因素之一。

图8  二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩总有机碳质量分数与水动力条件指标关系

Fig. 8  Relationship between mass fraction of TOC and hydrodynamic proxies for source rock in Saihantala depression, Erlian Basin

5  讨论

赛汉塔拉凹陷中古生产力不是烃源岩形成的控制因素，有机质陆源输入、氧化-还原程度、水动力条件是烃源岩形成的主控因素，共同控制烃源岩的形成。

赛汉塔拉凹陷剖面不同构造带上各井陆源有机质输入、氧化-还原程度、水动力条件替代指标的平均值如图9所示。从图9可见：近洼缓坡带w(C₂₇)/w(C₂₉)最大，陆源有机质输入最少，还原程度最强，水动力最弱，最有利于烃源岩形成，因此，近洼缓坡带的烃源岩最好而且厚度最大；深洼带w(C₂₇)/w(C₂₉)较大，陆源有机质输入较少，还原程度较强，水动力较弱，较有利于烃源岩形成，因此，深洼带烃源岩较好，厚度较大；远洼缓坡带w(C₂₇)/w(C₂₉)最小，陆源有机质输入最多，氧化程度最强，水动力最强，不利于烃源岩形成，因此，远洼缓坡带烃源岩最差，厚度最小。

赛汉塔拉小型断陷湖盆水体浅、物源近，沉积环境受物源影响大，其中深洼带受陡侧物源影响，远洼缓坡带受缓侧物源影响，均呈现有机质陆源输入较多、水体偏氧化、水体动力强的特征，不利于烃源岩的形成；近洼缓坡带距离陡侧物源和缓侧物源均较远，受物源影响较小，陆源有机制输入小，较远洼缓坡带和深洼带还原性强、水动力相对较弱，有利于烃源岩的形成，烃源岩性能最好并且厚度最大。大型湖盆水体深、物源远，湖盆中央的深水区一般为强还原环境，水体安静，烃源岩最好且厚度最大。因此，水体浅、物源近是造成小型断陷湖盆烃源岩的分布和形成不同于大型湖盆的原因。

图9  二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩形成主控因素综合剖面图

Fig. 9  Integrated profiles of main controlling factors of source rock in Saihantala depression, Erlian Basin

6  结论

1) 二连盆地赛汉塔拉凹陷属于小型断陷湖盆，烃源岩分布特征与传统认识明显不同：水体较浅的缓坡带烃源岩厚度最大，有机质丰度最高。

2) 陆源有机质输入、氧化-还原程度、水体动力条件是二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩形成过程中的主控因素，陆源有机质输入小、偏还原、水动力弱的近洼缓坡带最有利于烃源岩形成。此外，古生产力不是赛汉塔拉凹陷烃源岩形成的主控因素。

3) 水体浅、物源近是小型断陷湖盆烃源岩分布、形成不同于大型湖盆的原因。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2014-05-14；修回日期：2014-07-20

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB239005)；国家科技重大专项(2011ZX05001-001) (Project (2014CB239005) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2011ZX05001-001) supported by the National Science and Technology Major Program)

通信作者：丁修建，博士，从事油气藏形成机理与分布规律研究；E-mail: dingxj129@foxmail.com