三塘湖盆地石头梅地区巴油页1井二叠系芦草沟组有机相分析

徐银波，毕彩芹，李 锋，张家强，仝立华

(1.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083；
2.中国地质调查局 非常规油气地质重点实验室，北京 100083)

有机相最早于1971年由ROGERS等提出，主要用于描述生油岩中有机质数量、类型与产油气率和油气性质的关系[1]。JONES(1987)根据干酪根H/C原子比和热解氢指数提出了有机相划分方案。为了使有机相适用于盆地分析，郝芳等将其定义为含有一定丰度和特定成因类型的有机质的地层单元，并且基于JONES的划分方案，提出了根据干酪根(有机质)成因类型划分有机相的分类方案[1-2]。有机相是预测和确定三维空间中生油岩的分布，层序界线以及研究盆地构造演化，沉积充填等的有效工具[2]。国内学者已在烃源岩评价、油页岩形成的控制因素分析、含煤地层的成烃潜力研究等方面广泛应用[3-6]。

三塘湖盆地是位于我国西北的陆相含油气盆地，盆内蕴藏丰富的油气资源，包括致密油、页岩油、页岩气、煤层气等非常规能源[7-10]。而芦草沟组被认为是三塘湖盆地重要的烃源岩层，也是油页岩发育的层位[11-12]。目前三塘湖油页岩只开展了零星的勘探和研究工作，如通过油页岩微量、稀土元素分布特征开展了沉积环境、物源和构造背景方面的研究[13-14]，需要在油页岩有机地球化学特征及有机质成因类型等方面进一步开展深入研究。笔者依托三塘湖盆地石头梅矿区的全取心井(巴油页1井)的岩心样品，通过测试分析，开展二叠系芦草沟组有机相类型及特征研究，分析其与油页岩形成的相关性，为本区油页岩下一步勘探开发利用提供一定的参考。

三塘湖盆地是一个北西—南东向展布的狭长盆地，面积约2.3万km2，与准噶尔盆地、吐哈盆地相邻[15]。大地构造上位于西伯利亚板块与哈萨克-准噶尔板块的结合部位，夹持在阿曼太—扎河坝与卡拉麦里巨型缝合带之间[16](图1(a))。盆地所处的大地构造位置决定了其具有复杂的构造演化历史，多期改造造就了现今“南北分带，东西分块”的构造格局[17]。盆地自南向北分为西南逆冲推覆带、中央坳陷带、东北冲断隆起带3个带，而中央坳陷带则可进一步划分出“四凸五凹”9个构造单元[18-19](图1(b))。

三塘湖盆地以古生界为基底，其上发育以陆内河流、湖泊相为特征的二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第三系等陆源碎屑沉积[20-21]。盆地构造演化过程中经历了断陷-拗陷，挤压改造，拗陷，逆冲-走滑等阶段[21-22](图1(c))。三塘湖盆地中二叠世时期为一个以内碎屑为主的欠补偿陆内裂谷型深水湖盆[23]，而芦草沟组沉积期则为其发育的鼎盛期，湖盆范围很大，以半深湖-深湖环境为主[24-25]。其内沉积泥岩、页岩、油页岩、碳酸盐岩、火山碎屑岩等，最大地层厚度可达800 m。芦草沟组从下到上又可进一步分为芦一段、芦二段和芦三段3个岩性段，其中芦二段为油页岩主要发育层位[26]。芦草沟组地层分布于马郎凹陷、条湖凹陷以及三塘湖乡、石头梅和跃进沟等地区，其中油页岩主要发育于石头梅地区[23,27-28]。

巴油页1井位于石头梅凸起西南缘，该井井深410.6 m，取心403.78 m，取心率98.34%，取心完整。对该井泥岩、油页岩进行系统取样之后(图2)，开展了有机碳(TOC)、岩石热解、主量元素、微量元素、稀土元素测试以及含油率测试。

所有样品测试均在吉林大学测试中心完成。运用美国LECO碳硫仪，依据GB/T 19145—2003对样品TOC进行测试，分析误差小于0.2%。运用法国Vinci Rock eval-6热解分析仪，依据GB/T 18602—2012对样品进行热解测试，分析误差小于0.2%。主量元素分析依据GB/T 14506.28，运用熔片法X-射线荧光光谱(XRF)，分析误差小于1%。微量、稀土元素测试依据Q/JUTC 010—2007，采用等离子体质谱法(ICP-MS)，分析误差小于5%。含油率测试运用低温干馏法(SH/T 0508—92)完成，分析误差小于0.4%。

前人研究表明，三塘湖盆地中二叠统芦草沟组普遍发育古鳕鱼化石，同时可见Tomiella- Kelameilia- Panxiania 介形类化石组合，综合推断其沉积环境为咸水-半咸水的陆缘近海湖[28]。同时指出，中二叠统芦草沟组是湖盆发育的鼎盛期，湖盆范围大，沉积了一套半深湖-深湖环境下的深灰色-黑色岩层[24-25]。

研究区巴油页1井芦草沟组主要岩性为泥岩、泥灰岩、油页岩，中、上部发育砂岩，上部含辉绿岩。岩心中也发现有鱼鳞化石和黄铁矿，整体反映为湖泊相沉积。其中滨浅湖亚相发育于芦草沟组一段底部和芦草沟组三段。芦一段底部为黑色、灰黑色泥岩与灰白色泥灰岩互层。芦三段可见灰绿色、褐色粉砂岩，灰绿色、棕褐色泥岩，同时发育粗砂岩和中砂岩。浅湖亚相发育于芦一段上部和芦二段顶部，其中芦一段上部为黑色、灰黑色泥岩与灰白色泥灰岩互层。泥灰岩层厚小于底部滨浅湖亚相，泥岩厚度大于滨浅湖亚相。芦二段顶部主要为灰色泥岩，其底部为灰绿色辉绿岩。半深湖-深湖亚相发育于芦草沟组二段中下部，整体为黑色泥岩、油页岩、灰色泥岩，为研究区油页岩的主要形成环境(图2)。

图2 巴油页1井综合柱状图及取样位置Fig.2 Sampling position and comprehensive histogram ofborehole Byy1

4.1 有机相类型

有机相是具有一定丰度和特定成因类型的有机质的地层单元，决定有机相类型的最重要参数是干酪根的成因类型[2]。通常利用元素地球化学和Rock- Eval实验结果，分析确定干酪根的类型、有机质来源、有机质丰度和有机质保存条件等，进而确定有机相[31]。笔者根据沉积环境、有机质来源、保存条件以及干酪根类型将芦草沟组划分为B，C，D，E四种有机相类型(表1、图2)。

表1 三塘湖盆地石头梅地区芦草沟组有机相划分

4.2 有机相特征

4.2.1 有机相B

研究区有机相B形成于半深湖-深湖沉积环境。表2显示有机相B具有最高的有机质丰度，TOC含量为3.96%～12.40%，平均为7.46%，生烃潜量(S1+S2)为2.16～94.41 mg/g，平均48.24 mg/g，热解氢指数IH为45.57～806.01 mg/g，平均588.41 mg/g，除2个样外，所有样品的IH都大于500 mg/g。最高热解峰温Tmax为433～448 ℃，平均441.8 ℃。V/(V+Ni)质量分数比<0.46，0.46～0.60，>0.60，分别代表富氧，贫氧和厌氧环境[32]。研究区有机相B的V/(V+Ni)质量分数比为0.65～0.80，平均0.74，表明其保存条件为还原条件。

由于三塘湖盆地芦草沟组地层中发育较多的碳酸盐矿物[33]，在其影响下，Sr会出现偏高的现象[34]，因此Sr/Ba质量分数比判断盐度会出现偏差，本文以B/Ga质量分数比为主要判断参数，B/Ga质量分数比>6，2～6，<2分别为咸水，半咸水和淡水环境[35]，研究区有机相B的B/Ga质量分数比为1.07～4.07，平均2.39，基本都在2～6内，综合判断水体盐度为半咸水条件。前人根据古生物和孢粉组合特征，确定在三塘湖盆地芦草沟组沉积时期的古气候主要为偏炎热的气候条件[22]。在对研究区泥岩Sr/Cu质量分数比分析中发现，虽然受碳酸盐矿物的影响，Sr/Cu质量分数比普遍偏高，但仍有数据在10以下(Sr/Cu质量分数比<10为温暖湿润气候，>10为炎热气候[36])，表明在芦草沟组时期气候是波动的，并非完全处于炎热气候条件，应为温暖湿润-炎热气候。图3(a)显示有机相B有机质类型主要为I型，少量为Ⅱ1型。

4.2.2 有机相C

研究区有机相C形成于浅湖沉积环境。表2显示有机相C具有较高的有机质丰度，TOC含量为1.04%～8.20%，平均3.75%，生烃潜量(S1+S2)为0.38～53.99 mg/g，平均11.02 mg/g，IH为15.5～654.67 mg/g，平均220.64 mg/g。最高热解峰温Tmax为426～450 ℃，平均439 ℃。V/(V+Ni)质量分数比为0.52～0.90，平均0.80，表明其保存条件为还原条件，B/Ga质量分数比为1.09～4.42，平均2.56，其中B/Ga质量分数比2以上和2以下各占一半，表明其水体盐度条件为淡水-半咸水条件。Sr/Cu质量分数比为3.01～128.47，平均60.93。表明古气温条件以炎热气候为主，存在温暖湿润时期。有机质判别图解显示其有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅲ型(图3(b))。

4.2.3 有机相D

研究区有机相D形成于滨浅湖沉积环境。表2显示有机相D具有较低的有机质丰度，TOC含量为0.59%～1.61%，平均1.07%，生烃潜量(S1+S2)为0.21～3.85 mg/g，平均1.53 mg/g，IH为28.69～192.52 mg/g，平均89.39 mg/g。最高热解峰温Tmax为424～438 ℃，平均为432 ℃。V/(V+Ni)质量分数比为0.83～0.88，平均0.85，表明其保存条件为还原条件，B/Ga质量分数比为1.25～1.51，平均1.38，均小于2，表明其水体盐度条件为淡水条件。Sr/Cu质量分数比为19.3～33.7，平均为26.54。表明古气温条件为偏炎热的气候条件。有机质判别图解显示其有机质类型主要为Ⅲ型(图3(c))。

4.2.4 有机相E

研究区有机相E形成于滨浅湖沉积环境。随着湖泊的演化，其沉积的泥岩由灰黑色泥岩转变为灰绿色泥岩、棕褐色泥岩。对其中的灰色泥岩测试，结果显示TOC含量为0.48%～0.98%，平均0.73%，生烃潜量(S1+S2)为0.20～0.46 mg/g，平均0.33 mg/g，IH为33.33～46.94 mg/g，平均40.14 mg/g。最高热解峰温Tmax为438～440 ℃，平均为439 ℃。有机质判别图解显示其有机质类型为Ⅲ型(图3(c))。B/Ga质量分数比为1.25～1.34，平均1.30，均小于2，表明其水体盐度条件为淡水条件。Sr/Cu质量分数比为19.20～27.63，平均23.42，表明古气温条件为偏炎热的气候条件。V/(V+Ni)质量分数比为0.47～0.53，平均0.50，显示其为弱氧化水体条件，结合沉积岩性组合中出现的灰绿色泥岩、棕褐色泥岩判断为总体为弱氧化-氧化条件。

4.3 有机相垂向层序

有机相垂向层序指有机相的垂向叠置关系，可以反映有机质的生产能力和保存条件随时间的变化。气候、氧化一还原条件及介质的盐度、酸碱度的变化都可能造成有机相的垂向变化。有机相垂向层序包括垂向上互相叠置的2种有机相的类型及其过渡型式[31]。根据垂向上互相叠置的2种有机相的类型可将有机相垂向层序划分为2种基本类型，即下降型和上升型[2]。而多个有机相组合之下可以出现多种有机相充填序列，如复合下降型，持续下降型、升降型、相对稳定型等[32]。

研究区各有机相有机质丰度显示，有机相B的有机质丰度处于极好烃源岩的范围，有机相C的有机质丰度处于中等-极好烃源岩范围，有机相D和有机相E的有机质丰度处于差烃源岩的范围，且有机相E的有机质丰度略小于有机相D的有机质丰度(图4)。

图4 三塘湖盆地芦草沟组有机质丰度Fig.4 Organic matter abundance of Lucaogou Formation inSantanghu Basin

总体而言，有机相E→D→C→B，有机质丰度逐渐增大。

从4.2节可知有机相B的有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型，有机相C的有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅲ型，有机相D和有机相E的有机质类型为Ⅲ型(图3)。因此有机相B→C→D/E，有机质类型由I逐渐变为Ⅲ型。

Mg/Ca质量分数比和∑RΕΕ质量分数都可以指示古气候，其高值代表气温高，低值代表气温低[38-39]。图5为2者交汇，显示了有机相B，C，D，E的气候变化，由于芦一段(lu1)和芦二段(lu2)的有机相C存在一定的差异，因此进行了区分。结果显示有机相B→Clu1→D→Clu2→E，气候逐渐变热。

图5 三塘湖盆地芦草沟组古气候Fig.5 Paleoclimate of Lucaogou Formation in Santanghu Basin

前文所述B/Ga质量分数比可以判断水体盐度，其中有机相D和芦草沟组二段的有机相C水体盐度条件为淡水条件，有机相E的盐度条件与芦二段的有机相C相当，也为淡水条件，而有机相B和芦草沟组一段的有机相C水体条件为半咸水条件。Sr/Ba质量分数比虽因碳酸盐矿物影响无法准确判断水体盐度，但是可以用来判断古盐度的相对高低[40]。根据B/Ga质量分数比和Sr/Ba质量分数比交汇(图6)，有机相E→Clu2→D→B→Clu1，水体盐度升高。

图6 三塘湖盆地芦草沟组水体盐度条件Fig.6 Redox conditions of Lucaogou Formation in Santanghu Basin

从V/(V+Ni)质量分数比反映的氧化还原条件来看，有机相B，C，D总体都处于还原环境。从前文所述，有机相E为弱氧化-氧化条件。除了V/(V+Ni)质量分数比，V/Cr质量分数比也可判断水体还原性的变化，高值代表还原性增强[41]。因此通过V/(V+Ni)质量分数比和V/Cr质量分数比交汇图综合判断氧化还原条件的变化(图7)。从其变化趋势显示，水体还原性的增加与盐度的变化有较好的相关性。有机相E→Clu2→B/D→Clu1，水体还原性增强，保存条件变好。

图7 三塘湖盆地芦草沟组氧化还原条件Fig.7 Salinity conditions of Lucaogou Formation in Santanghu Basin

研究区芦草沟组，自底至顶依次发育了有机相D，C，B，C，E。有机相B以半深湖-深湖沉积为特征，其TOC>4%，生烃潜量(S1+S2)一般>20 mg/g，IH一般>500 mg/g，V/(V+Ni)质量分数比>0.6，有机质类型为I型和Ⅱ1型。有机相C以浅湖沉积为特征，其TOC>1%，生烃潜量(S1+S2)一般大于2 mg/g，IH一般>100 mg/g，V/(V+Ni)质量分数比>0.6，有机质类型为Ⅲ型和Ⅱ1型。有机相D以还原水体条件的滨浅湖沉积为特征，其TOC一般介于0.5%～2.0%，生烃潜量(S1+S2)一般不超过1 mg/g，IH一般<100 mg/g，V/(V+Ni)质量分数比>0.6，有机质类型为Ⅲ型。而有机相E以弱氧化-氧化水体条件的滨浅湖沉积为特征，其TOC<1%，生烃潜量(S1+S2)<0.5 mg/g，IH一般<50 mg/g，V/(V+Ni)质量分数比<0.6，有机质类型为Ⅲ型。

总体而言，研究区芦草沟组自底至顶，有机质丰度(TOC,S1+S2)由小变大再变小，IH由小变大再变小，有机质类型由Ⅲ—Ⅰ—Ⅲ，有机质保存条件由差变好再变差，水体盐度条件由淡水—半咸水—淡水，古气候条件炎热—温湿—炎热，有机相垂向层序为D—C—B—C—E有机相组合，先为上升型后为下降型，整体呈升降型有机充填序列(表1，图8)。相对应的含油率的变化也出现一个先增大后减小的总体变化趋势，底部芦一段的有机相D和有机相C的泥岩含油率小于3.5%，未达到油页岩品位，而芦二段下部的泥岩含油率明显升高，含油率>3.5%的样品有6个，最高含油率8.2%。进入芦二段上部的有机相C后含油率下降，只有一个样品的含油率>3.5%，而芦三段的有机相E的泥岩的含油率则进一步降低，样品的含油率低于2%(图8)。

图8 三塘湖盆地石头梅地区芦草沟组垂向有机相层序Fig.8 Vertical organic facies sequences of Lucaogou Formation in Shitoumei area，Santanghu Basin

中二叠世时期，研究区古气候背景为温带-亚热带气候[42]，其气候由乌拉泊组时期的温暖气候转变为井井子沟—芦草沟组时期的炎热气候[22]。早二叠世初期，由于造山后伸展作用的延续，三塘湖地区在拉张的区域背景下形成断陷盆地[21]，中二叠世时期，构造活动平静，湖盆沉积范围扩大[24]。此外，芦草沟组时期盆地为近海陆源湖泊[22]，受海水注入影响，水体较深，水体盐度较大[27]。

在此大背景下，分析有机相的垂向层序发现，海水的注入和气候的变化成为了油页岩形成的重要影响因素。芦草沟组一段有机相D具有低有机质丰度，相对较差的水体保存条件和淡水水体条件。而进入有机相C以后，湖盆水体加深，湖盆范围变大，同时受海水注入的影响，水体盐度迅速升高。盐度的升高带来水体营养元素的增加，使得水中藻类微生物逐渐繁盛，有机质丰度增加，TOC含量和生烃潜量(S1+S2)升高，有机质类型由Ⅲ型变为Ⅲ-Ⅱ1型。同时盐度升高形成的水体分层，使得有机质的保存条件变好，此阶段IH的升高正好表明有机质中湖泊生物贡献的增加和有机质保存条件的变好。但是此阶段，湖泊生物总量较低，湖泊生物量的增速虽然很快，但是增量较小，同时该阶段的水体盐度相对过高，并非最适宜的生物生存繁殖条件，因此增速也未能达到最大值，因此此阶段的有机质丰度和湖泊生物贡献都处于上升期，尚未进入最大阶段。而进入芦草沟组二段的有机相B后，水体盐度虽仍为半咸水条件，但是由于进一步的湖泛，湖泊中淡水注入的增加，水体深度加深，水体盐度相对下降，更有利于湖泊生物的繁盛，同时该时期气候最接近温暖湿润的适宜气候条件，再加上前期积累了一定量的湖泊生物数量，湖泊中生物得以大量繁殖，繁盛度达到最大值。而湖泊的半咸水条件下引起的盐度分层，和深水条件形成的良好保存条件，又使得此时期形成的有机质得以大量保存，因此在此时期有机质丰度最大，TOC和生烃潜量(S1+S2)最高，有机质类型主要为I-Ⅱ1型，有机质来源以湖泊生物为主。有机相B这种以湖泊生物贡献为主的丰富的有机质来源，深水和盐度分层形成的良好的还原保存条件，成为了油页岩形成的良好条件(图9)。而随着有机相B又变成有机相C，水体变浅，水体盐度降为淡水条件，气温升高，气候条件变的炎热，湖泊生物繁盛度下降，有机质的保存条件也变差，其沉积存留的有机质丰度变小，有机质类型变差。而到最后的芦草沟组三段的有机相E，水体进一步变浅，水体条件由还原转变为弱氧化-氧化条件，有机质丰度进一步降低，保存条件更差。

图9 三塘湖盆地芦草沟组油页岩形成模式Fig.9 Formation model of Lucaogou Formation oil shale in Santanghu Basin

(1)研究区芦草沟组可划分出B，C，D，E四种有机相。有机相B有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型，有机质来源主要为湖泊生物，形成于半咸水水体条件和温暖湿润-炎热的气候条件，为半深湖-深湖还原环境；
有机相C有机质类型主要为Ⅱ1-Ⅲ型，有机质来源主要为高等植物和湖泊生物，形成于半咸水-淡水盐度和温暖湿润-炎热气候，为浅湖还原环境；
D有机相有机质类型为Ⅲ型，有机质来源主要为高等植物，形成于淡水条件和炎热气候，为滨浅湖还原环境；
E有机相有机质类型为Ⅲ型，有机质来源主要为高等植物，形成于淡水条件和炎热气候，滨浅湖弱氧化-氧化环境。

(2)研究区芦草沟组，自底至顶，有机质丰度和IH由小变大再变小，有机质类型由Ⅲ—Ⅰ—Ⅲ，有机质保存条件由差变好再变差，水体盐度条件由淡水—半咸水—淡水，古气候条件炎热—温湿—炎热，有机相垂向层序为D—C—B—C—E有机相组合，呈升降型有机充填序列

(3)芦草沟组二段为油页岩的发育层段,相对稳定的构造背景下，温暖湿润的气候条件和海水注入带来的营养元素使得湖泊生物繁盛和湖泊有机质贡献增加，深水水体条件和半咸水引起的盐度分层形成了良好的有机质保存条件，共同促进了B有机相中油页岩的形成。