松辽盆地东南部上白垩统含油页岩系有机质富集环境动力学

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松辽盆地上白垩统青山口组和嫩江组发育厚层的富有机质暗色泥岩,尤其松辽盆地东南部在这两组地层下部沉积了品质较好的厚层油页岩。这套含油页岩系由于有机质含量丰富,且干酪根成熟度较低,蕴含了丰富的古环境信息,是开展有机质富集环境动力学的最佳层段。开展含油页岩系有机质富集环境动力学研究,首先要弄清研究区的沉积环境,在岩心和野外剖面观察、测井曲线分析和系统的地球化学测试基础上,识别出本区主要发育湖泊相,可分为滨湖、浅湖、半深湖-深湖3种沉积亚相。此外还发育风暴沉积、火山灰沉积、介形虫迅速卸载沉积和震积岩四种事件沉积和三角洲沉积。结合地球化学数据,建立盆地不同沉积演化阶段的沉积相-有机相-地球化学相,其中油页岩最易形成的相类型为半深湖-深湖相—A-B(湖泊生物为主)—咸水-半咸水还原环境(青一段)和半深湖-深湖—A-B—半咸水-淡水还原环境(嫩一、二段)。等时层序地层格架的建立是揭示横纵向沉积环境演化的基础,研究区在青山口和嫩江组沉积时期多数区域为半深湖-深湖沉积,但深水沉积是最难用层序地层学术语解释的沉积体系。泥岩中的有机质蕴含着丰富的湖平面变化信息,根据TOC含量的变化特征,搭建了深水区域高精度层序地层格架。根据层序格架内油页岩展布特征,在水进体系域末期,发育劣质薄层油页岩,其展布面积逐渐增大;高水位体系域油页岩的展布面积达到最大,厚度大、品质好;水退体系域发育劣质薄层油页岩,且分布范围逐渐减少。有机质来源分析是研究有机质富集环境动力学的前提,在光片显微组分统计基础上,结合正构烷烃各碳链的相对含量及单体碳同位素、藿烷/甾烷的比值和有机元素比值,确定青山口组和嫩江组有机质主要来自于湖泊生物,以层状藻为主,含少量的结构藻、甲烷菌、蓝藻菌和绿硫菌等,同时还有少量孢子体、叶绿体、荧光体等陆源有机质注入。运用系统的HI、S2、Tmax、OI等指数和相关的生物标志化合物参数,油页岩发育层段(层序I、V、VI)有机质丰度高,干酪根主要为I型,随着湖平面下降,在层序II、III、、VII、VIII,有机质类型逐渐由I型过渡为III型,在每个层序内部由LST到RST,有机质类型及丰度也呈现先变好后继而变差的趋势。通过横向对比,深水区域有机质类型和来源更为稳定,浅湖区域沉积物中有机质类型变化较大。结合系统的光片鉴定和生标参数特征,反映有机质类型变差并非主要由于陆源有机质注入影响,而是保存条件逐渐变差,氧化作用等破坏有机质中氢元素造成的。高精度反演有机质富集环境动力学,需要赋予沉积地层精确的时间尺度,旋回地层分析是确定沉积时代的有效手段,泥岩中有机质丰度变化反映古气候的演化,是研究旋回地层学最有效的数据,根据TOC旋回变化,大周期TOC旋回主要受长偏心率控制,对应的沉积时限基本在为405Ka左右,小周期TOC旋回受短偏心率控制,对应的沉积时限基本在100Ka左右,依此建立青山口组浮动天文标尺。根据各个层段的沉积年限,并运用“岩石骨架体积率”的概念,计算不同沉积相带和盆地演化阶段的沉积速率(V),在深水区域当V<7cm/Ky时,沉积速率对有机质富集没有影响,当V>7cm/Ky时,随着沉积速率增加,陆源碎屑稀释并破坏有机质,影响有机质富集;在浅湖区域,随着V的增加,有机质丰度逐渐减少,高有机质丰度泥岩主要的V区间为5-10.6cm/Ky。在光片观察的基础上,深湖-半深湖区,陆源有机质含量占总有机质组分的8.0%左右,而浅湖区域藻类占有机质显微组分的相对含量与TOC呈对数关系,依此可将陆源有机质含量剔除,并根据HI方法对氧化作用等造成的有机破坏量进行恢复。通过有机碳法计算古湖泊生产力,深湖区油页岩形成时对应的古湖泊生产力大于2210C/m2a,半深湖大于1977C/m2a,浅湖区域大于1773C/m2a。根据生产力在层序格架内演化特征,油页岩形成于超富营养型水体中。在深水区域,由青山口组底部到顶部水体营养程度逐渐由超富营养型变为中养型,浅湖区域在青山口组顶部可能因为陆源营养元素或底泥释放导致湖泊生产力增高,但因保存条件较差,沉积物中的有机质丰度相对较低。在有机质来源、古湖泊生产力、沉积速率等研究的基础上,结合岩心、地球化学资料对本区的古气候、古地理及水体条件演化进行研究,综合分析这些环境因素之间的相互关系,建立本区的含油页岩系有机质富集环境动力学模式,主要分为两种模型:咸水有机质富集环境动力学模型(模型I)和半咸水-淡水有机质富集环境动力学模型(模型II)。模型I对应的典型层段为青山口一段含油页岩系,其环境动力学为在温暖湿润的古气候背景下(古温度为19-27℃),形成于超富营养型水体和较深透光带中的超高湖泊生产力,提供大量的有机质,随着湖平面的抬升,盆地基本为欠补偿-补偿沉积环境,咸水环境在半深湖-深湖区域形成盐度分层,造成缺氧环境,形成绝佳的保存条件,较小的沉积速率又避免有机质被稀释破坏,因而沉积品质好,厚度中等的油页岩;模型II对应的典型层段为嫩一、二段,其环境动力学为温湿的古气候背景(古温度18.70℃),陆源营养物质供给促进湖泊极高生产力,形成大量的有机质,湖平面大规模抬升,形成欠补偿-补偿沉积环境,半咸水-淡水环境使得含氧界面下降,水体氧化作用破坏部分有机质,较快的沉积速率促使有机质快速沉降、埋藏和保存,从而形成中等品质,厚度较大的油页岩。青二、三段、嫩二段上部和嫩三段水体主要为半咸水-淡水环境,但是水体营养程度的降低或者保存条件变差,均导致沉积物中有机质丰度降低;姚家组虽然在炎热的古气候背景下水体为半咸水,但是由于水深较小,强烈的氧化作用几乎将有机质全部破坏,从而导致沉积物中几乎不存在有机质。
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