()中国海相烃源岩发育控制因素

2022-04-12 来源：尚佳旅游分享网

第12卷第3期2005年9月

EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity)

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

Vol.12No.3Sep.2005

中国海相烃源岩发育控制因素

张水昌1,　张宝民1,　边立曾2,　金之钧3,　王大锐1,　张兴阳1,　高志勇1,　陈践发4

1.中国石油勘探开发研究院,北京1000832.南京大学地球科学系,江苏南京210093

3.中国石化石油勘探开发研究院,北京100083

4.中国石油大学(北京)资源与环境学院,北京102200

ZHANGShui2chang1,　ZHANGBao2min1,　BIANLi2zeng2,　JINZhi2jun3,　WANGDa2rui1,　ZHANGXing2yang1,　GAOZhi2yong1,　CHENJian2fa4

11ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Beijing100083,China21DepartmentofEarthSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China31Exploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China

41SchoolofResources&Environment,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102200,China

ZHANGShui2chang,ZHANGBao2min,BIANLi2zeng,etal1DevelopmentconstraintsofmarinesourcerocksinChina1EarthScienceFrontiers,2005,12(3):0392048Abstract:Theformationofsourcerocksislargelydependentonthenatureoforganismsfromwhichkerogenisderivedandthepreservationconditionsoforganicmatter,whicharefundamentallydependentonafavourablecombinationofvariouselementsinwhichorganismsliveandaresubsequentlyburied1Theseelementsincludeclimate,oceaniccurrents,structureandenvironmentalconditions1Theformationofmarineorganic2richsourcerocksiscloselyrelatedtotheoxygencontentintheatmosphere,xerothermicclimate,andtherapidriseofsealevelcausedbyarapidincreaseoftemperaturesandmeltingofglaciers,betweenaglacialageandapostglacialage1Theformationandevolutionofoceaniccurrentsareconsideredasanotherimportantfactorthatcontrolstheformationofmarineorganic2richsourcerocks1Theupwellingofwatersrichingreen2sulfurbacteriaandel2ements,suchasphosphorus,siliconandferrouscompounds,cangreatlyacceleratetheproductivityandburialrateoforganicmatter1AdistributionmodeloftheCambrianupwellinginSouthChinaandTarimBasinandadistributionmodelofanticycloneoceaniccurrentsduringtheformationofthelime2mudmoundsourcerockonthemesa2marginalslopeoftheUpperOrdovicianLianglitageFormationinTarimBasinareproposed1Thesestudiesshowthathigh2qualitysourcerockscandeveloponlyinriftvalleysinpassivecontinentalmargin,in2tracratonicriftvalleys,intracratonicsagbasinsandsagbasinsatthecratonicmargin1Inaddition,afavorableenvironmentforthedevelopmentoforganic2richsourcerocksalsoincludesundercompensationbasins,evapor2itelagoons,mesa2marginalslopes(lime2mudmound)andsemi2blockedorblockedundercompensationbays1Moreover,alowinputofinorganicmatterandalowdepositionalrateareofgreatadvantagetotheformationoforganic2richsourcerocks,andtheslopeseabedlandformfavorstheformationofsourcerocks1

Keywords:marinesourcerock;constraint;paleoclimate;paleo2oceaniccurrent;paleostructure;paleoenviron2ment;TarimBasin;SouthChina

摘　要:烃源岩的形成取决于生烃母质生物的生存环境和有机质良好的保存条件,这两大因素从根本上来说又取决于生物繁殖时和埋藏时的古气候、古洋流、古构造及古环境等各要素的良好匹配。海相高有机质丰度

收稿日期:20050607;修回日期:20050801

(G19990433)基金项目:国家重点基础研究发展规划“973”项目“中国典型叠合盆地油气形成富集与分布预测”

),男,博士,教授级高级工程师,从事油气地球化学研究。E2mail:sczhang@petrochina.com.cn作者简介:张水昌(1961—　

　40　　张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)烃源岩的形成与大气中的中等含氧量、干热的气候、冰期2冰后期之交的气温快速转暖、冰川迅速融化所导致的海平面快速上升等密切相关。大洋环流的形成和演变也是控制海相高有机质丰度烃源岩形成的主要因素,上升洋流富磷、富硅、富铁族元素等营养盐和富绿硫细菌极大地促进了有机质生产力、埋藏率的激增。通过研究,建立了中国华南和塔里木盆地寒武系上升洋流分布模式、塔里木盆地上奥陶统良里塔格组台缘斜坡灰泥丘相源岩形成时的反气旋洋流分布模式。研究发现,优质烃源岩仅发育于被动大陆边缘背景下的裂谷、克拉通内裂谷、克拉通内坳陷盆地和克拉通边缘坳陷盆地。欠补偿盆地、蒸发　湖、台缘斜坡(灰泥丘)和半闭塞—闭塞欠补偿海湾,是高丰度烃源岩发育的有利环境;低的无机物输入和低的沉积速率,有利于高有机质丰度烃源岩形成;呈斜坡的海底地貌,有利于烃源岩形成。

关键词:海相烃源岩;控制因素;古气候;古洋流;古构造;古环境;塔里木盆地;华南中图分类号:P618113　文献标识码:A　文章编号:10052321(2005)03003910

　　烃源岩分布严格受古气候、古构造、古环境的影出判断,而重点就控制有机高生产力和保存条件的响。20世纪80年代以来,就海相高有机质丰度沉积地层形成的主要控制因素,存在“保存条件”与“生产力”两方面的争论。前者认为主控因素是沉积或底水环境必须为厌氧条件[1～3];后者认为主控因素是有机质生产力[1,4,5]。很多证据表明,将缺氧条件作为一个独立的指标,其与富有机碳沉积层之间的关联性较弱,甚至具有否定缺氧条件与富有机碳沉积层之间存在关联性的趋势;恰恰相反,高有机生物产率与富有机碳沉积层之间却具有更多、更强的关联性证据。因此,国外大多数学者趋同认为:对于烃源岩形成来说,表层水的高有机生产力比底层水的缺氧环境更重要,尽管形成烃源岩的最佳条件是水体分层、底层水缺氧,且表层水高生产力所产生的丰富有机质易在水底保存,但是,只要有机生产力

[6]

各种要素,如:古气候、古洋流、古构造及古环境等对烃源岩发育的影响进行探讨。1　古气候不同气候背景具有不同的沉积类型组合,各个气候带均有高有机质丰度的沉积物堆积。在地质历史上,古气候因大气组成成分的不同、纬度地带性和海陆格局的差异而引起古大气环流形势、气候带的迥异,从而成为控制沉积作用,特别是其中烃源岩发育的重要因素。研究表明,海相高有机质丰度烃源岩的形成与大气中的中等含氧量、干热的气候、冰期2冰后期之交的气温快速转暖、冰川迅速融化所导致的海平面快速上升等密切相关。

高,在含氧的水底也能形成烃源岩。111　大气中中等的氧含量有利于高有机质丰度烃

其实,单纯强调“保存条件”或单纯强调“高有机源岩发育生产力”,即任何一个单因素分析都不能客观地揭示　　在地质历史上,各地质时期的大气圈组成成分高有机质丰度烃源层的形成机理。事实上,良好的是不同的,其中主要表现为O2与CO2含量的消长关保存条件只是形成高有机质丰度沉积的重要条件之一,而非唯一条件;这也就是同为暗色泥岩,同样形成于H2S熏染的强还原环境,有的有机质丰度高、有的有机质丰度低、有的甚至是非源岩的原因;塔里木盆地寒武系—中奥陶统暗色泥岩具高有机质丰度,而上奥陶统“黑被子”具低有机质丰度而为非源

岩便是典型的实例。同理,上涌洋流也只是形成高有机质丰度沉积的重要条件之一,而非唯一条件;这也就是同为上涌洋流作用下的沉积,有的地区具有高的有机质丰度,有的地区却为低有机质丰度的根

图1　地质历史上大气中O2含量

本原因;南美秘鲁、西南非陆架与纽芬兰Grand

变化及其与CO2含量变化的关系

Banks、东北巴西陆架沉积物中有机质含量的鲜明(据Boucot和Gray,2001)

Fig11　RelationshipbetweentheatmosphericO2andCO2variations对比说明了这一点。

inthegeologicalhistory(AfterBoucotandGray,2001)

本文并不就“保存条件”与“生产力”孰主孰次做

张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)　　　41

系。Boucot和Gray(2001)的研究结果表明(图

1)[7],大气氧含量大于30%的石炭—二叠纪和晚白

114　早寒武世分布广泛的缺氧沉积是否与古气候

事件所导致的水体分层有关?

在震旦纪,大陆冰盖几乎覆盖了冈瓦纳和劳亚垩世以来主要为成煤高峰期;大气氧含量介于20%　　

早寒武世初,由于古气候迅速～30%的侏罗纪—早白垩世主要为形成烃源岩的高古陆,而在震旦纪末—

峰期,这与全球烃源岩发育的主要时期相一致;而大转暖而冰盖迅速消融。那么,是否因此导致了分布气氧含量介于15%～20%的早古生代,CO2的含量广泛的海洋水体分层?即在早寒武世古气候迅速转最高,主要表现为广阔碳酸盐岩沉积与大气CO2、海暖时,表层水因直接受太阳辐射而迅速变暖,底层水洋水CO2的循环作用,意味着光合作用较弱,故为一因得不到太阳辐射而在长时期内继续保持震旦纪时

的古水温,从而有利于生烃母质生物在表层水的繁般成烃源岩期。

衍、繁盛与底层水的保存,并由此造就了分布广泛的暗色缺氧沉积。这样,早寒武世大范围分布的缺氧

主要反映它与石炭—二叠纪和晚白垩世以来陆生高

沉积,是否与冰期2冰后期之交的古气候事件有关,

等植物、海生藻类的高生产率,以及这种高有机生产

成为寒武系烃源岩研究的一个焦点。力所导致的强光合作用呈正相关。

有机碳的埋藏速率也与大气氧含量正相关,这112　寒武纪源岩的形成主要与干热的古气候有关

寒武纪是地质历史上非常特殊的时期,烃源岩的形成背景具有4个显著特征:处于震旦纪全球性大冰期之后的冰川快速消融期;古气候以干热为主;2　古洋流现代海洋学的研究表明,大洋环流的形成和演

变受控于纬度地带性、大气环流形势、海陆格局等因

伸展盆地发育,不存在大规模碰撞造山运动;大气圈素,也是控制沉积作用,特别是其中烃源岩形成的不

具有高CO2和低O2含量。其中,古气候是一个突出

可忽视的因素。研究也表明,海相高有机质丰度烃

的控制因素。

源岩的形成与沿岸型、赤道辐散带型、反气旋型等上

笔者认为,寒武纪烃源岩主要分布于副热带高

升洋流的关系密切。上升洋流富磷、富硅、富铁族元

压控制的亚热带干燥区;相反,在(低压)气旋控制的

素等营养盐和富绿硫细菌,大大促进了有机质生产

沿岸带、浅水区,往往发育风暴岩而不利于烃源岩发

力、埋藏率的激增。

育,但在处于风暴浪基面之下的相邻较深水区却发

沿岸型上升洋流作用的现代实例,莫过于分布

育碳2硅泥岩优质烃源岩。这是因为副热带高压控于南美洲大陆西侧(南太平洋东岸)的秘鲁上升洋制的热带干燥区导致了范围广阔的赤道洋流辐散带流。秘鲁寒流是南太平洋反气旋型大洋环流的组成的形成,低温、富含营养盐的辐散带上升洋流,极有部分。其成因是:在几乎与秘鲁海岸平行的东南信利于广阔范围内烃源岩的发育。风吹送下,表层海水离岸外流,而与此同时是深层冷113　早古生代源岩主要形成于冰川迅速融化所导水上涌补充,从而形成上升洋流。由于上升洋流从

致的海平面快速上升期下层将营养盐类源源不断地携带至表层水,因而这　　从全球地史演化的角度看,寒武、奥陶、志留纪里的浮游生物(包括浮游动物和浮游植物)非常茂的烃源岩又主要形成于冰期2冰后期之交的气温快盛,吸引了大批秘鲁沙丁鱼(鳀鱼)等冷水性鱼类在速转暖、冰川迅速融化所导致的海平面快速上升期。这里栖息、繁衍,从而形成著名的东南太平洋渔场。其中,以寒武纪—中奥陶世最为典型。由于当时没据统计,秘鲁鳀鱼鱼粉的年产量约占世界鱼粉产量有大规模的碰撞造山、造陆运动,因而其海平面变化的一半。上升洋流对烃源岩发育的重要性是被公认主要受古气候控制,即为典型的“水动型”;而晚奥陶的,然而证实地史时期上升洋流的存在并不容易。世—早志留世,由于板块聚敛、碰撞挤压而出现了大现代上升洋流沉积具富磷、缺氧、富有机质、富含绿规模的造山、造陆运动,因而这两个地质时期的海平硫细菌及存在特殊底栖生物群落的特点,它们大多面升降变化,除了非洲撒哈拉冰盖消融所导致的“水近岸并与季风有关。同时,上升洋流不稳定,表现在动型”外,又叠加了“地动型”的作用。即晚奥陶世—地点和强度上,有时上升流会变为下降流,从而造成早志留世的海平面升降,是古气候事件与古构造事了沉积物的韵律性等特点,值得在古上升洋流研究件联合作用的产物。中类比和借鉴。

　42　　张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)在地质记录中,上升洋流作用的证据很多,包括:①暖水生物与冷水生物混生,浮游生物与底栖生物混生;②高密度的特殊介壳类及管蠕虫;③特殊的矿物2岩石组合,如碳2硅泥岩组合、碳2硅2磷泥岩组合;④特殊的沉积演化序列,如硅质岩→磷质岩→金属硫化物富集层→黑色页岩→石煤层→重晶石结核层→碳酸盐岩的垂向沉积演化[8];⑤暗色细粒沉积中富含多金属元素或层控多金属矿床,这可以通过元素地球化学分析和沉积地球化学分析来获得证据;⑥深水高有机质丰度暗色细粒沉积中见斜层理;⑦稳定碳、氧同位素分析所获得的较高或很高的古水温证据[9]。关于上升洋流的驱动力,我们认为,被动陆缘背景下沿深大张裂构造带的海底火山喷发和强烈的海底热水流体活动,以及大地热流活动,为上升洋流的形成提供了原始的驱动力;而上升洋流的形成,又像“传送带”一样,将海底热水流体活动区所富集、生物生命活动和繁盛所必需的营养盐,源源不断地携带至沿岸带或开阔大洋的表层水体中,从而促使了表层水中生物,特别是生烃母质生物的勃发。

3　古构造

构造对烃源岩发育的控制作用是显而易见的。构造作用通过对海2陆分异格局、海底地貌格局的控制而控制了海相烃源岩的时空分布。通过控制地球表面海2陆格局、陆地地势分异、冰川类型等下垫面形式的变化,从而引起了古大气环流、气候带,古洋流形式、类型的形成和演变,从而影响了高有机质丰度沉积物的形成和堆积。

业已查明,海相高有机质丰度烃源岩主要发育于被动大陆边缘盆地、克拉通内坳陷盆地和前陆盆地这三类盆地中。其发育、赋存模式如图2所示。而被动大陆边缘背景下的广阔克拉通台地,活动大

陆边缘背景下的前渊深坳陷没有烃源岩发育。311　被动大陆边缘盆地被动大陆边缘盆地的演化是漫长的,在其演化的早期阶段,烃源岩主要发育于克拉通边缘凹陷的欠补偿盆地及裂谷、大陆衰退裂谷中,以及浅缓坡、

),其典型实例是塔里木盆对中国华南下寒武统的研究结果表明,黑色岩深缓坡型台地上(图2a①

系发育于斜坡带上、由同沉积正断层控制的凹陷区,地的下寒武统。在被动陆缘盆地演化的中期阶段,即宁国、湘黔、大巴山南缘和昆明四大地堑中,上升如遇全球性或大区域性海平面上升,则克拉通边缘洋流和沉积环境联合控制了其中高有机质丰度烃源凹陷也可形成欠补偿盆地而发育高有机质丰度烃源

),此方面目前尚未找到典型实例,只作岩的发育;而地堑两侧均存在相对浅水的沉积区。岩(图2a②在苏皖下扬子地区主要同生断裂下降盘的坳陷处,

均发育较厚的石煤层或含有机碳较高的硅质泥岩、含硅泥岩层。例如,在巢湖—泰州断裂的西北侧,贵池—常州断裂的东南侧和临安—马金断裂的西北侧,特别是滁州、青阳南部、石台、马金、开化、安吉、

为预测提出。在被动陆缘盆地演化的晚期阶段,碳

酸盐缓坡型台地可以演化成镶嵌陆架型台地,如果镶嵌陆架型台地被淹没,则可导致远端变陡峭的碳酸盐缓坡发育,而烃源岩只发育于浅缓坡,特别是深

)。其典型实例是塔里木盆地的上缓坡上(图2a③

常山北部、富阳南部、桐庐东部等地区,均发育较好寒武统—下奥陶统。

的石煤层[10];而同沉积断裂的上升盘,黑色岩系发312　克拉通内坳陷盆地育程度较差,往往发育缓斜坡的碳酸盐岩和陆屑混克拉通内坳陷盆地,发育于古老的克拉通基底杂沉积。黑色岩系的有机质主要来源于菌、藻类生上,或奠基于广阔的碳酸盐台地上。其形成机制,既物,台缘斜坡带是有机质聚集的有利场所,缺氧环境可以是被动陆缘背景下的拉张,也可以是挤压背景下的主要起因是藻类的大量发育与有机质降解的耗氧过程[11]。根据古纬度恢复,早寒武世时的华南位于古赤道附近,与现今秘鲁、苏门答腊的纬度相当,这两个地点是上升洋流十分活跃的地区。前人根据牛蹄塘组所保存的丰富海绵、底栖藻类等化石,认为遵

的挠曲沉降。当大规模海侵发生时,往往在克拉通内

坳陷盆地发育高有机质丰度烃源岩,其典型实例是塔里木中西部中寒武统石膏2盐岩组合中的泥质碳酸盐

)和西部柯坪—岩源岩(图2b④阿瓦提中—上奥陶统

萨尔干组泥页岩源岩,以及四川盆地川南下志留统石

)。义的该组中下部,发育于陆棚水体较深的部位,并属牛栏组内缓坡灰泥丘源岩(图2b⑤

于整体还原背景下的短暂氧化环境的沉积[12,13]。313　前陆盆地沉积、埋藏环境氧化2还原的周期性变化,可能与上在前陆盆地发育的初期阶段,当逆冲楔形体尚升洋流2下降洋流的交替有关。未出露水面前,或尚未达到最大高度时,由于沉积滞

张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)　　　43

后于沉降,前渊凹陷的沉降速率大于或远远大于其积最大的时期。

沉积速率,因而此时的前渊处于欠补偿或称饥饿状层序地层学理论认为,烃源岩一般发育于海侵态,从而形成深水相的泥页岩烃源岩沉积(图2c体系域顶部的凝缩段,即层序的中部,这几乎已成为)。很显然,事实上此时段恰处于被动大陆边缘向层序地层学的经典而为人们所广泛接受(图3)。很⑥

活动大陆边缘的转换时期。之后,随着逆冲楔形体出露水面,以及因强烈俯冲2挤压作用所导致的陆源区剧烈隆升剥蚀,使前渊凹陷的沉降速率等于或远远小于其沉积速率,前渊凹陷则由欠补偿演变为补偿、超补偿盆地而没有烃源岩发育。但与此同时,在前陆盆地前缘隆起的斜坡部位,仍然处于较深水环境,而且远离陆源剥蚀区陆源碎屑的供给而发育台

)。而后,又随着海缘斜坡相泥灰质烃源岩(图2c⑦

平面上升与前渊凹陷的递进式演化,即向克拉通中央方向迁移或推进,这种台缘斜坡相高有机质丰度泥灰质烃源岩也自克拉通边缘向其中央迁移,从而呈现台缘斜坡灰泥丘及其中泥灰质烃源岩的“爬坡”),并会导致源岩分布范围逐渐向台地现象(图2c⑧

中央萎缩变小。

随着逆冲楔形体出露水面,前渊凹陷由欠补偿图3　沉积层序与烃源岩发育的关系

(据Pasley等,1991)[14]

Fig13　Relationshipbetweendepositionalsuccessionsandthe

developmentofsourcerocks(AfterPasleyetal1,1991)[14]

显然,烃源岩发育在最大海侵期海域面积最大的时期。近年来的研究发现,烃源岩发育在最大海侵时海域面积最大的时期,这无疑是正确的、无可辩驳的。但发育于最大海侵期的烃源岩,并不一定位于

演变为补偿、超补偿盆地,还可因强烈俯冲2挤压作层序的中部。对于像早寒武世那样,处于冰期2冰后用的远源效应,导致另一种克拉通内坳陷的形成,即期之交,受气候快速变暖、冰川迅速消融影响,总体挠曲类前陆坳陷的形成。此时,只要远离物源区而表现为快速海侵2缓慢海退型,即“水动型”所控制。沉积速率低,就会在挠曲类前陆坳陷中形成高有机在沉积层序中仅发育海侵和高位体系域,因此,受海质丰度的页岩烃源岩沉积。但是,前陆盆地一旦演平面快速上升控制所发育的烃源岩位于层序的下部化至中期的海相磨拉石阶段和晚期的陆相磨拉石阶甚至底部,中国塔里木、华北、华南三大克拉通下寒段,则整个前陆盆地都没有烃源岩发育,无论是前武统海相烃源岩的赋存位置便说明了这一点。渊,还是前缘隆起,以及挠曲类前陆坳陷中。(2)塔东2井碳2硅泥质烃源岩形成于海平面快速上

升、有机生产力和埋藏率均增加时。

对塔东2井283215～4996m井段奥陶—寒4　海平面升降与古沉积环境

武—震旦系系统取样,并进行热解有机碳和稳定碳、

海平面升降和古沉积环境,对于高有机质丰度氧同位素分析。结果表明,该井的烃源层段发育在烃源岩发育是至关重要的。其中,前者从根本上决中奥陶统—寒武系,其上厚达167815m(283215～定可容纳空间和沉积物的类型;后者决定海相沉积451110m)的上奥陶统“黑被子”为非源岩,其下20物的类型及其分布特点,特别是提供了生烃母质生m(497610～4996m)为白云岩储集岩。该井的

1318

物生命活动、繁衍、繁盛的环境和埋藏环境,进而决TOC与δδC、O和微量元素含量随深度的变化如定了高有机质丰度烃源岩能否形成及其质量优劣。图4所示。411　海平面升降由图4可见,高TOC井段位于下寒武统(4888

已如上述,海平面升降变化对于海相沉积作用～4976m),自中寒武统(4789～4888m)—下奥陶至关重要。当海平面上升时,海水向陆地侵进,海洋统(4704～4789m),TOC含量呈波动型下降,至下面积扩大而陆地面积缩小,可容纳空间增大,从而有利于烃源岩的发育;反之,则导致可容纳空间减小,从而不利于烃源岩的发育。

(1)高有机质丰度烃源岩形成于最大海侵时海域面

奥陶统顶TOC值降至最低;中奥陶统黑土凹组,为又一个TOC高值段,最高达4133%,且较为均一。然而,下—中寒武统和中奥陶统黑土凹组与TOC

1318

δ所对应的δC、O却总体呈现典型反方向的同步

　44　　变化(图4)。

张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)1318

δδ凹组碳2硅泥岩型烃源岩TOC2C、O的反向变

δ下—中寒武统和中奥陶统黑土凹组TOC2C、化,深刻地揭示了这一点。具体地讲,该井高有机质

181318δδO演变曲线的反方向同步变化,暗示δC、O丰度烃源层段的形成,是高海平面、广海域,强烈海

与生烃母质生物的有机生产率、有机埋藏率之间存底热水喷流活动所产生的丰富营养盐,频繁的开阔在某种内在联系。高TOC含量无疑反映高的有机大洋辐散带上升洋流把含丰富营养盐的底层水源源生产率和高的有机埋藏率;而与其同步反方向变化不断地输运至海洋表层,古气候迅速变暖而古海域

1318

δ的δC、O,则暗示海平面较高,沉积环境属远陆上暖下寒所导致的水体分层,生烃母质生物的高生

海域,表层水中生烃母质生物的光合作用很强。碳产力和高埋藏率等因素正向叠加的结果。同位素分馏与光合作用固碳有关的溶解CO2浓度呈线性关系[15]。光合作用又会强烈排斥13C和18O重水中藻类繁盛时,它会将12C和16O选择性地转移至

412　古沉积环境

(1)沉积环境多种多样,但能够发育烃源岩的环境却

同位素[16]。因为在初级生产力很高的时期,即表层只有少数几类。

多年来的研究表明,尽管地球表面上沉积环境生物类脂中而强烈富集轻同位素,从而使其沉降至丰富多彩、多种多样,但能够发育烃源岩的环境却只1318

海底堆积所形成烃源岩的δC和δO值偏轻。同有少数几类,其中主要有欠补偿浅水与深水盆地、蒸浅缓坡、深缓坡,以及半闭时,13C和18O重同位素可能在浅水区的碳酸盐沉积发　湖和台缘内缓坡、区富集,这可能涉及一个平面上深水区与浅水区轻、塞—闭塞欠补偿海湾,从而构成高有机质丰度烃源

18重13C、O的平衡问题。

岩发育的最有利环境。而且各环境所形成的烃源岩

由此可见,有机质的高产率(TOC从低于有机相类型,可谓千差万别、各不相同。015%升至5%)和高埋藏率,导致了水中的12C和然而,被动大陆边缘背景下的广阔陆表海型台

O被大量消耗;反过来,这种“重”海水又导致了同

地,活动大陆边缘背景下超补偿的前渊坳陷环境均

1318时期浅水区碳酸盐沉积物的δC和δO值明显不利于烃源岩发育。

在沉积环境控制烃源岩发育方面,塔里木盆地增高。　　　

奥陶系提供了典型的实例(图5—图8)。高有机质丰度烃源岩是古地理环境各种综合因寒武—

素的产物,塔东2井下—中寒武统和中奥陶统黑土

(2)碳酸盐台地类型多样,但只有镶嵌陆架型台地、

1318δδ图4　塔东2井寒武—奥陶系TOC、C、O随深度的变化

1318

Fig14　CambrianandOrdovicianTOC,δCandδOvariationswithdepthofWellTadong22

1318

高有机质丰度炭2硅泥质烃源岩层段δC和δO均负漂移

张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)　　　45

分布最广的时期。因此,在讨论该时期烃源岩沉积

环境时,就不得不涉及碳酸盐台地的类型及其与烃源岩发育的关系。碳酸盐台地可划分为5种成因类型:镶嵌陆架型台地、缓坡型台地或无镶嵌陆架型台地、陆表海型台地、孤立型台地和淹没型台地。研究表明,在众多的碳酸盐台地类型中,只有镶嵌陆架型、缓坡型和淹没型三类台地有烃源岩发育。镶嵌陆架型台地的台内洼地,在气候干热、海平面较高时,可发育蒸发　湖有机相烃源岩,此以塔里木中西部地区中寒武统为典型(图5);而在气候湿润时,可发育开阔台地内缓坡灰泥丘有机相烃源岩,此以四川盆地川南地区下志留统石牛栏组为代表。缓坡型台地属于广海向克拉通中央的自然延伸,与广海之间无障壁阻隔。自然而缓坦的缓坡为沿岸型上升洋流的形成提供了古地貌条件,因而无论是中国华南还是塔里木,无论是寒武系还是奥陶系,该类缓坡上皆有烃源岩发育。其典型实例是塔里木中西部地区的下寒武统(图5)。

塔里木寒武系—下奥陶统烃源岩赋存于台盆区

图2　高有机质丰度烃源岩发育的构造模式Fig12　Structuralmodelsforthedevelopmentoforganic2richsourcerocks高有机质丰度烃源岩主要发育于a—被动陆缘盆地、b—内克拉通坳陷盆地和c—前陆盆地中。而且,在这三类原型盆地中,烃源岩的分布规律及赋存特点、几何形态又千差万别。各图中的①—⑧说明详见正文震旦纪—古生代的第一个“淹没层序”中,主要为欠

补偿盆地和蒸发　湖两类环境,源岩具有分布范围

缓坡形台地和淹没台地有利于烃源岩发育。最广、有机质丰度高、成熟度高的特点[17]。中—上

寒武—奥陶纪是碳酸盐岩最为发育、厚度最大、奥陶统烃源岩分别赋存于震旦纪—古生代的第二、

图5　塔里木盆地下—中寒武统沉积古地理与烃源岩分布图

Fig15　DistributionoftheLower2MiddleCambrianpaleogeographicdepositsandsourcerocksintheTarimBasin

　46　　张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)第三个“淹没层序”中。其中,第二个“淹没层序”为个“淹没层序”为良里塔格组台缘缓斜坡灰泥丘2复中奥陶统黑土凹组欠补偿深水盆地—浮游藻有机相合藻有机相和萨尔干组闭塞—半闭塞欠补偿陆源海和一间房组台缘缓斜坡灰泥丘有机相(图6);第三湾—笔石2浮游藻有机相(图7)。这两个“淹没层

图6　塔里木盆地中奥陶统沉积古地理与烃源岩分布图

Fig16　DistributionoftheMiddleOrdovicianpaleogeographicdepositsandsourcerocksintheTarimBasin

图7　塔里木盆地上奥陶统沉积古地理与烃源岩分布图

Fig17　DistributionoftheUpperOrdovicianpaleogeographicdepositsandsourcerocksintheTarimBasin

张水昌,张宝民,边立曾,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(3)　　　47

序”的源岩分布,总体上具有自盆地向台地迁移且以古构造及古环境等各要素的良好匹配。台地上发育为主、有机质丰度较高且纵横向非均质性强、成熟度适中的特点。

(3)海底地貌。

古气候深刻地影响着古大洋环流的形势,从而成为控制沉积作用,特别是其中烃源岩形成的不可忽视的因素。海相高有机质丰度烃源岩的形成与大

海底地貌为海相沉积特别是其中的高有机质丰气中的中等含氧量,与干热的气候,与冰期2冰后期度烃源岩的形成提供了场所。对于烃源岩发育场所之交的气温快速转暖、冰川迅速融化所导致的海平而言,无非是地貌洼地与缓斜坡两类。这两种地貌面快速上升等密切相关。寒武纪烃源岩主要形成于类型主要由内动力地质作用(如褶皱运动、断裂活副热带高压控制的热带干燥区,这导致了范围广阔动)造成,其次由外营力(如冰川的刻蚀作用等)造的赤道洋流辐散带的形成,低温、富含营养盐的辐散成。地貌洼地有利于形成高有机质丰度烃源岩,可带上升洋流,极有利于广阔范围发育烃源岩。同时,奥陶、志留纪烃源岩,又主要形成于冰期2冰后以欠补偿盆地、陆源海湾、蒸发　湖为实例。缓斜坡寒武、冰川迅速融化所导致的海海底地貌有利于形成高有机质丰度烃源岩,可以中期之交的气温快速转暖、

国华南为典型代表。例如,中国华南下寒武统的高平面快速上升期。中国的海相高有机质丰度烃源有机质丰度泥岩,特别是其中的碳2硅泥页岩,主要岩,一般多属于水动型(快速海进2缓慢海退型)所导发育在古斜坡背景下(图8)。(4)沉积速率。

者,皆具有欠补偿沉积的特征。致。大洋环流的形成和演变也是控制海相高有机质丰度烃源岩形成的主要因素,上升洋流富磷、富硅、有机质生产力、埋藏率的激增。通过研究,建立了塔

研究表明,古今中外,凡是高有机质丰度烃源岩富铁族元素等营养盐和富绿硫细菌,故大大促进了塔可见,低的无机物输入和低的沉积速率,可使单里木早寒武世高海面时期的上升洋流分布模式、早奥陶世低海面时期的上升洋流分布位时间、单位体积内的有机质得到高度“浓缩”。从里木晚寒武—塔里木塔中低隆晚奥陶世良里塔格沉积期台而有利于高有机质丰度烃源岩的形成。在这一方模式、

面,烃源岩的纹层状构造和在沉积剖面上的低沉积缘斜坡灰泥丘相源岩形成时的反气旋洋流分布模速率,可以提供充足的证据。

式,以及中国华南寒武纪碳2硅泥岩形成与分布的上升洋流模式。

研究发现,高丰度烃源岩仅发育于被动大陆边缘背景下的裂谷、克拉通内裂谷、克拉通内坳陷盆地

烃源岩的形成取决于生烃母质生物的生存环境和克拉通边缘坳陷盆地。如华北中—新元古界洪水和有机质良好的保存条件,这两大因素从根本上来庄组和下马岭组烃源岩发育于面向蒙古洋、背靠华说又取决于生物繁殖时和埋藏时的古气候、古洋流、北克拉通的裂谷和克拉通边缘坳陷中;塔里木盆地

5　结论

图8　中国华南早寒武世高有机质丰度烃源岩2石煤层的发育模式

Fig18　DevelopingmodeloftheLowerCambrianorganic2rich

sourcerockandstonecoalbedinSouthChina

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下—中寒武统的原型盆地类型为克拉通边缘坳陷盆地、克拉通内坳陷盆地和克拉通内裂谷盆地;华南地区烃源岩主要发育在克拉通边缘坳陷盆地和边缘海盆地。前陆盆地烃源岩发育于前陆盆地的早期,与下伏地层往往不整合,早期的页岩上超于不同层位之上,页岩上部和顶部的有机碳丰度更高。在华南地区,奥陶纪黑色页岩自下而上为宁国页岩、庙坡—胡乐页岩和五峰页岩,存在爬坡现象。

欠补偿盆地、蒸发　湖、台缘斜坡(灰泥丘)和半闭塞—闭塞欠补偿海湾,是高丰度烃源岩发育的有利环境;低的无机物输入和低的沉积速率,有利于高有机质丰度烃源岩形成;呈斜坡的海底地貌,有利于烃源岩形成。例如,华南的高丰度碳2硅泥岩,事实上发育于斜坡背景下;华南早泥盆世海湾内环境分异明显,斜坡和陆棚上发育的欠补偿盆地是烃源岩发育的有利部位。而且海湾有内部缓斜坡、外部陡斜坡和中心相的区别。

国家“973”重点基础研究发展规划项目“中国典型叠合(G19990433)的支持;美国盆地油气形成富集与分布预测”布鲁克核文国家实验室化学部R1L1Wang博士对碳氧同位

素数据的解释给予了帮助,在此一并致谢。References:

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