鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)高豐度烴源巖發(fā)育特征與油氣勘探方向

黃軍平，李相博，何文祥，林俊峰，徐耀輝，包洪平，王宏波，章貴松，完顏容，王雅婷

1長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；3中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院；4 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院；5中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 前 言

鄂爾多斯盆地是中國(guó)陸上重要的含油氣沉積盆地，近年來(lái)增儲(chǔ)上產(chǎn)主要集中在下古生界上奧陶統(tǒng)以上層系，特別是上古生界二疊系和中生界三疊系。為了油田的可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)深層勘探，尤其是古老層系（包括下古生界寒武系和中新元古界）的勘探是當(dāng)務(wù)之急。四川盆地、塔里木盆地在深層寒武系均發(fā)現(xiàn)了油氣富集區(qū)，尤其是四川盆地，在高石梯—磨溪構(gòu)造帶震旦系—寒武系接連獲得了一系列重大突破［1］。鄂爾多斯盆地早期在南部旬探1井和耀參1井的寒武系見(jiàn)到一些氣顯示，2016年在盆地南部隴17井寒武系頂部獲得了1.2×104m3/d低產(chǎn)工業(yè)氣流，這充分說(shuō)明了鄂爾多斯盆地深層寒武系具有較好的勘探前景。

以往對(duì)鄂爾多斯盆地寒武系的研究多集中在構(gòu)造演化、巖相古地理等方面［2-6］。部分學(xué)者結(jié)合露頭及鉆井對(duì)盆地南緣寒武系烴源巖做過(guò)一些探討［1,7］，但缺乏對(duì)下寒武統(tǒng)高豐度烴源巖的分布特征及發(fā)育模式等方面的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。本文從華北板塊南緣寒武紀(jì)巖相古地理和烴源巖分布的分析入手，通過(guò)對(duì)陜西商洛、河南三門峽等十余處露頭的野外踏勘，在鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了一套高豐度海相烴源巖，并在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析等手段，對(duì)這套高豐度烴源巖的地球化學(xué)特征、分布特征及發(fā)育模式等進(jìn)行了深入研究，以期為鄂爾多斯盆地深層寒武系下一步的油氣勘探部署提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

古構(gòu)造研究表明，寒武系沉積前華北板塊的南部呈“大隆大坳”相間分布的特征(圖1)，發(fā)育近南北向展布的深水海灣，如富平—洛川海灣，南緣因古秦嶺洋盆擴(kuò)張而成為被動(dòng)大陸邊緣。下寒武統(tǒng)的分布受到深水海灣以及古秦嶺洋臺(tái)緣斜坡古地貌凹槽或斷陷的控制［8-9］。區(qū)域巖相古地理研究揭示，早—中寒武世華北克拉通總體呈西北高、東南低的構(gòu)造-沉積格局，南華北地區(qū)水體相對(duì)較深，發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地相，秦嶺—大別山北緣一帶過(guò)渡為臺(tái)緣斜坡—邊緣海盆地，成為寒武紀(jì)烴源巖發(fā)育的主要地區(qū)［5,10］。

圖1 華北板塊南緣下寒武統(tǒng)沉積前古構(gòu)造格局（據(jù)文獻(xiàn)［8-9］，修編）Fig. 1 Paleotectonic map of pre-Lower Cambrian in southern margin of North China Plate(cited from reference［8-9］, modified)

戴金星等［4］認(rèn)為位于華北板塊南緣的淮南地區(qū)下寒武統(tǒng)馬店組發(fā)育斜坡—盆地相黑色頁(yè)巖，為一套優(yōu)質(zhì)高豐度烴源巖，并認(rèn)為馬店組的地層層序、沉積構(gòu)造環(huán)境與揚(yáng)子板塊的四川盆地寒武系筇竹寺組、塔里木板塊的塔里木盆地寒武系玉爾吐斯組極其相似，這一沉積環(huán)境和構(gòu)造環(huán)境對(duì)于烴源巖的形成和保存是極其有利的，全球海相油氣田的烴源巖多產(chǎn)生于此種沉積構(gòu)造環(huán)境之中。華北板塊南緣普遍存在相當(dāng)于下寒武統(tǒng)馬店組的地層，這套地層是在陸塊裂離環(huán)境中沉積的［11］。前人的研究證實(shí)南華北地區(qū)下寒武統(tǒng)發(fā)育了一套優(yōu)質(zhì)烴源巖［11-13］，鄂爾多斯盆地南緣發(fā)育寒武系烴源巖［1,7］。

根據(jù)露頭、鉆井及地震資料，結(jié)合前人的構(gòu)造、巖相古地理研究成果［5,11,14-15］，編制了華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖分布圖(圖2)。由圖可見(jiàn)，受構(gòu)造背景的影響，古地貌凹槽或斷陷中，烴源巖厚度較大，達(dá)80 m 左右；凹槽或斷陷邊部烴源巖厚度明顯減薄，僅10 m左右，部分剖面厚度更小。

圖2 華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［16］，修編）Fig. 2 Distribution of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of North China Plate(cited from reference［16］, modified)

四川盆地磨溪地區(qū)厚層狀分布的寒武系筇竹寺組和麥地坪組優(yōu)質(zhì)烴源巖受早寒武世南北向裂陷槽（綿竹—長(zhǎng)寧克拉通內(nèi)裂陷）的控制［17］，塔里木盆地寒武系玉爾吐斯組富含有機(jī)質(zhì)的磷質(zhì)沉積和泥頁(yè)巖組合明顯與早寒武世早期形成的區(qū)域伸展構(gòu)造環(huán)境及盆地整體沉降、海侵作用有關(guān)［18］。區(qū)域古構(gòu)造及巖相古地理研究表明，華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖分布受深水海灣和古秦嶺洋臺(tái)緣斜坡的控制。

鄂爾多斯盆地是中新生代和元古宙—古生代的多元復(fù)合型沉積盆地。在中新元古代為裂陷盆地，盆地內(nèi)發(fā)育甘陜裂陷槽和晉陜裂陷槽［19］，這兩個(gè)裂陷槽以低隆相隔；早古生代發(fā)展為克拉通盆地，盆地內(nèi)存在寒武紀(jì)的兩條坳拉槽，即富平—志丹坳拉槽和賀蘭山坳拉槽［1,20］，下寒武統(tǒng)主要分布在盆地南緣，由北向南逐漸增厚。研究表明，無(wú)論是中新元古代的裂陷槽，還是寒武紀(jì)的坳拉槽，它們都控制著烴源巖的發(fā)育［1,19］。早寒武世，鄂爾多斯盆地內(nèi)部并非簡(jiǎn)單的陸表海環(huán)境，也并非全部為碳酸鹽臺(tái)地沉積，由于構(gòu)造分異，在局部地區(qū)發(fā)育海相泥頁(yè)巖沉積［2,5］。

2 下寒武統(tǒng)高豐度烴源巖發(fā)育特征

2.1 烴源巖分布特征

大量野外觀測(cè)資料表明，鄂爾多斯盆地南緣發(fā)育下寒武統(tǒng)辛集組—東坡組黑色硅質(zhì)泥頁(yè)巖（圖3），厚度為2～80 m，其中SiO2含量介于5.9%～77.9%，平均為60.3%。由于經(jīng)歷了較高的熱演化過(guò)程，部分泥頁(yè)巖已變質(zhì)成為板巖或千枚巖。

圖3 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)沉積序列與露頭照片F(xiàn)ig. 3 Sedimentary sequence and outcrop photos of Lower Cambrian in southern margin of Ordos Basin

鉆井、露頭和地震資料揭示，平面上下寒武統(tǒng)烴源巖沿北東向的深水海灣集中分布（圖2），在河南省周家河、陜西省西安—富平—洛川一帶較為發(fā)育，烴源巖最厚可達(dá)80 m，向海灣兩側(cè)逐漸變薄。

2.2 烴源巖地球化學(xué)特征

2.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖總有機(jī)碳含量（TOC）較高，分布于0.02%～9.19% 之間（圖4），平均值為3.14%，顯示為一套高豐度烴源巖。部分露頭樣品的TOC 見(jiàn)表1。由于烴源巖樣品均已達(dá)到過(guò)成熟階段［7］，參考Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)系數(shù)1.48［21］，則恢復(fù)后的平均有機(jī)碳含量高達(dá)4.65%，達(dá)到了好—很好烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)。鄂爾多斯盆地南部下寒武統(tǒng)烴源巖，與同處華北板塊南緣的合肥盆地下寒武統(tǒng)馬店組有很好的可比性(圖4)。區(qū)域上華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖TOC 總體較高，尤其在周家河—胡廟—周參6 井—雨臺(tái)山一線，TOC 均值都在2% 以上，最大值在雨臺(tái)山，可達(dá)26.39%，這可能與該區(qū)所處的深水陸棚沉積環(huán)境相關(guān)［7,13］。

圖4 華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖TOC與生烴潛量（S1+S2）分析Fig. 4 Crossplot of TOC and S1+S2 of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of North China Plate

由圖4 可見(jiàn)，這些露頭樣品的生烴潛量（S1+S2）很低，均小于0.10 mg/g，尤其是熱解烴（S2）含量，最高僅有0.05 mg/g；此外，氫指數(shù)（HI）也很低，分布在0～60 mg/g 之間。較高的TOC，較低的生烴潛量和氫指數(shù)，說(shuō)明鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖經(jīng)歷了較高程度的熱演化過(guò)程［22］。

表1 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖實(shí)測(cè)及原始有機(jī)碳含量Table 1 The measured and recovered TOC values of the Lower Cambri?an source rocks in southern margin of Ordos Basin

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

對(duì)高—過(guò)成熟烴源巖而言，干酪根穩(wěn)定碳同位素和有機(jī)元素組成是判別其原始有機(jī)質(zhì)類型的重要指標(biāo)。干酪根碳同位素隨熱成熟度的增高變化不大［11］。鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)東坡組烴源巖干酪根δ13C值分布在-31.6‰～-27.4‰之間（圖5），與合肥盆地寒武系烴源巖相比偏重，與四川盆地、塔里木盆地寒武系烴源巖［23-24］具有較好的可比性。前人研究表明，以底棲藻類為主的烴源巖干酪根δ13C值小于-34‰，以浮游藻類為主的烴源巖干酪根δ13C值大于-30‰［25］，因此推測(cè)鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖的母質(zhì)以低等浮游藻類為主。按照干酪根碳同位素有機(jī)質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)［11］，鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)高豐度烴源巖干酪根類型主要為Ⅱ型，部分為Ⅰ型(圖5)。

從干酪根H/C與O/C原子比關(guān)系圖(圖6)可以看出，鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖H/C 原子比變化范圍較窄，介于0.5～1.1 之間，O/C 原子比較小，介于0.01～0.08之間，有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ型，少量為I型，與塔里木盆地下寒武統(tǒng)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型［24］較為接近。

烴源巖飽和烴色譜/質(zhì)譜分析結(jié)果（圖7）顯示，甾烷/藿烷值約為0.33，20R-C27甾烷>20R-C29甾烷，反映母質(zhì)類型為海洋藻類和細(xì)菌微生物。

圖5 不同地區(qū)寒武系烴源巖干酪根碳同位素組成對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of kerogen isotopic composition of the Cambrian source rocks in different areas

圖6 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖干酪根H/C-O/C原子比范氏圖Fig. 6 Kerogen H/C-O/C atomic ratio (Van Krevelen diagram)of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of Ordos Basin

2.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

廖建波等［7］基于鄂爾多斯盆地南緣西溝剖面寒武系底部烴源巖鏡質(zhì)組反射率和巖石熱解最高峰溫(Tmax)的分析認(rèn)為，下寒武統(tǒng)烴源巖等效鏡質(zhì)組反射率均值為4.13%，處于高—過(guò)成熟階段。筆者研究認(rèn)為鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)辛集組—東坡組烴源巖熱演化程度較高，等效鏡質(zhì)組反射率分布于3.00%～3.74%，處于高—過(guò)成熟階段，與前人認(rèn)識(shí)基本一致。

值得一提的是，在對(duì)鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖進(jìn)行有機(jī)巖石學(xué)分析時(shí)，鏡下觀察到2 種產(chǎn)狀的瀝青：一種呈脈狀分布，表面光滑（圖8a）；另一種呈顆粒狀分布，表面不光滑（圖8b）。這一特征也說(shuō)明鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖經(jīng)歷了較高程度的熱演化過(guò)程，這些瀝青可能是烴源巖中殘留的原油裂解而形成［26-27］。

圖7 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖飽和烴色譜質(zhì)譜圖（周家河剖面）Fig. 7 GC-MS of the saturated hydrocarbon of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of Ordos Basin (Zhoujiahe section)

圖8 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖全巖有機(jī)顯微組分照片F(xiàn)ig. 8 Photos showing organic maceral of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of Ordos Basin

2.3 烴源巖發(fā)育模式

鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖的磷（P）、鋇（Ba）等微量元素含量較高（圖9），反映出具有較高的古生產(chǎn)力水平。

磷是海洋初級(jí)生產(chǎn)力重要的營(yíng)養(yǎng)元素，但是再循環(huán)以及后期成巖作用會(huì)造成磷的遷移，導(dǎo)致有可能低估水體的古生產(chǎn)力水平［28］。鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)高豐度烴源巖中磷的平均含量高達(dá)1 347 μg/g，最高值為32 059 μg/g，遠(yuǎn)高于上揚(yáng)子區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖的平均值（491 μg/g）［29］和北美頁(yè)巖的平均值（740 μg/g）［30］。

圖9 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖微量元素（磷、鋇）分布特征Fig. 9 Content crossplot of trace elements (P and Ba) in the Lower Cambrian source rocks in southern margin of Ordos Basin

這種磷含量的異常，說(shuō)明在該套烴源巖形成時(shí)可能有上升洋流的存在［31］。上升流通常會(huì)攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上涌到富氧的上層水體，進(jìn)而導(dǎo)致表層浮游生物繁盛，生成大量的有機(jī)質(zhì)，為烴源巖的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)［23］。

沉積物中的鋇多以硫酸鋇的形式賦存。通常認(rèn)為隨著有機(jī)質(zhì)的分解，硫酸鋇晶體發(fā)生沉淀，因此鋇含量越高則意味著有機(jī)質(zhì)的輸入量就越大。鋇與有機(jī)質(zhì)豐度之間有很好的正相關(guān)性，但是在缺氧環(huán)境中，如果發(fā)生硫酸鹽還原反應(yīng)，可能會(huì)造成鋇的流失［32］。鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)高豐度烴源巖中鋇的平均含量為952 μg/g，最高可達(dá)9 567 μg/g，遠(yuǎn)高于上揚(yáng)子區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的平均值（773 μg/g）［29］。

磷鈦比（P/Ti）也能有效反映生產(chǎn)力的高低。從圖10可看出，P/Ti值與TOC有較好的正相關(guān)關(guān)系。

綜合區(qū)域構(gòu)造、巖相古地理和地球化學(xué)分析，建立了鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖發(fā)育模式(圖11)。早寒武世陸緣斜坡環(huán)境中，由于上升洋流帶來(lái)了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得深水陸棚區(qū)表層生物，尤其是低等浮游藻類較為繁盛，這就為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供了較高的古生產(chǎn)力。深水陸棚區(qū)水體較深，加上死亡的浮游藻類在降解過(guò)程中消耗了海水中大量的氧氣，形成了缺氧環(huán)境。高生產(chǎn)力和缺氧環(huán)境共同促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的富集，因此，深水陸棚環(huán)境中的烴源巖具有較高的TOC。這與戴金星等［11］關(guān)于寒武紀(jì)早期低等藻類的繁盛是烴源巖具有較高有機(jī)質(zhì)含量的根本原因的觀點(diǎn)不謀而合。

圖10 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖TOC與磷鈦比(P/Ti)關(guān)系圖Fig. 10 Crossplot of TOC and P/Ti of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of Ordos Basin

圖11 鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)烴源巖發(fā)育模式（剖面位置見(jiàn)圖1）Fig. 11 Development model of the Lower Cambrian source rocks in southern margin of Ordos Basin (the section position is shown in Fig. 1)

3 油氣勘探方向

華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖具有兩期生排烴特征［16，33-34］：第一次大規(guī)模生排烴時(shí)期為二疊紀(jì)末期—中三疊世，后因印支運(yùn)動(dòng)造成的地層抬升剝蝕而停止生烴；中生代晚期、新生代再次沉降后，存在二次生烴。

二疊紀(jì)—中三疊世，秦嶺尚未隆升，鄂爾多斯陸塊南緣為向南傾斜的簡(jiǎn)單構(gòu)造斜坡，處于盆地南部的慶陽(yáng)古隆起為油氣運(yùn)移指向區(qū)，下寒武統(tǒng)烴源巖生成的油氣可能向慶陽(yáng)古隆起方向運(yùn)移并聚集成藏。在構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)油氣可以進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)移，最遠(yuǎn)可運(yùn)移500 km 并聚集成藏［35-36］?？碧阶C實(shí)，盆地南緣寒武系低產(chǎn)氣流井如隴18 井、隴52 井（井位見(jiàn)圖2）等井主要分布在慶陽(yáng)古隆起附近，具備一定的成藏條件。中新生代，下寒武統(tǒng)烴源巖發(fā)生二次生烴，在構(gòu)造活動(dòng)較弱的富平—洛川海灣及新生代渭河盆地內(nèi)仍有一定的生烴潛力。此外，深水海灣內(nèi)部可能存在中—下寒武統(tǒng)暗色泥頁(yè)巖，具有向海灣兩側(cè)隆起區(qū)供烴的可能。在東西向地震剖面上，寒武系頂部已發(fā)現(xiàn)多個(gè)上傾方向有回傾的鼻隆構(gòu)造［7］。因此，鄂爾多斯盆地南緣慶陽(yáng)古隆起及富平—洛川海灣兩側(cè)的隆起區(qū)可成為深層寒武系油氣運(yùn)聚成藏的有利方向。

4 結(jié) 論

（1）鄂爾多斯盆地南緣下寒武統(tǒng)發(fā)育一套高豐度優(yōu)質(zhì)烴源巖，最厚可達(dá)80 m，在河南周家河、陜西古城和西安—富平—洛川一帶較為發(fā)育。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC均值為3.14%，最高達(dá)9.19%；有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型，干酪根δ13C 值為-31.6‰～-27.4‰，以低等浮游藻類為主。該套烴源巖經(jīng)歷了較高程度的熱演化過(guò)程，處于高—過(guò)成熟階段。

（2）華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖的發(fā)育受古秦嶺洋被動(dòng)陸緣斜坡及深水海灣欠補(bǔ)償環(huán)境的共同控制。上升洋流帶來(lái)了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得深水陸棚區(qū)表層浮游藻類等生物繁盛，為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。由于死亡的浮游藻類在下沉、降解過(guò)程中消耗了水體中的氧氣，同時(shí)由于水體較深，在深部形成了缺氧環(huán)境。表層的高生產(chǎn)力和底部的缺氧環(huán)境共同促進(jìn)了沉積有機(jī)質(zhì)的富集。

（3）華北板塊南緣下寒武統(tǒng)烴源巖具有兩期生排烴特征：第一次大規(guī)模生排烴發(fā)生在二疊紀(jì)末期—中三疊世，此時(shí)秦嶺尚未隆升，而鄂爾多斯盆地南緣慶陽(yáng)古隆起自中奧陶世以來(lái)長(zhǎng)期存在，為油氣運(yùn)移的有利方向；在中生代晚期、新生代發(fā)生二次生烴，構(gòu)造活動(dòng)較弱的富平—洛川海灣及新生代渭河盆地內(nèi)仍有一定生烴潛力。盆地南緣慶陽(yáng)古隆起及富平—洛川海灣兩側(cè)的隆起區(qū)可成為深層寒武系油氣運(yùn)聚成藏的有利方向。