Question

　烃源岩性质与层序地层学的关系

Answer 1

一、层序地层学的基本概念

层序地层学是在沉积学发展中具全面影响的学科，并被广泛应用于对含油气盆地充填发育史的研究。层序地层学中的4个基本控制因素是全球海平面变化、盆地沉降、沉积物供给以及气候变化。其中盆地沉降作用与全球海平面变化相结合导致相对海平面变化；相对海平面变化直接控制盆地可容空间的变化，而盆地可容空间的变化又控制了沉积层序的形成。沉积层序有两种类型：类型Ⅰ具有陆上暴露与河流复活相伴随的陆上侵蚀作用、沉积相向盆地方向迁移、海岸上超的向下迁移、上覆地层的上超等特征；当海平面下降速度大于盆地沉积速率，海平面下降到陆棚坡折以下，就会形成这种类型的层序界面。类型Ⅱ没有河流复活相伴生的陆上侵蚀和沉积相的向盆地方向迁移，当海平面下降速率等于或略低于盆地沉降速率时就会形成类型Ⅱ界面。沉积层序中可分为不同的沉积体系域，它们包括低位体系域LST、海侵体系域TST、高位体系域HST和陆棚边缘体系域SMST。

层序地层的基本单元是准层序（Parasequence），它是以海泛面（marine flooding surface）及与其相当的面为界的、成因上相关的层或层系的相对整合序列，其表现一般为向上变浅的垂向沉积组合，代表水深逐渐变浅的沉积过程。具有成因相关关系的准层序组合在一起就形成了准层序组（parasquence set）。

层序地层学除了广泛应用于沉积盆地沉积演化的研究，也有人把它引入到对烃源岩成因及性质的研究中（Paisley等，1991,1993;Leckie等，1992;Frank等，1993;Pratt等，1993;Tyson 1995,1996），他们从孢粉相和地球化学研究入手，探讨不同体系域沉积的烃源岩中有机组分及组合、有机碳、生烃潜量等指标的变化规律，进而反映盆地沉积充填过程形成的烃源岩中最有利的层段。

二、上古生界含煤岩系层序地层格架

渤海湾地区石炭—二叠纪沉积受控于华北地台的演化。在经历了从中奥陶世到早石炭世长期抬升剥蚀后于晚石炭世开始下沉并接受沉积，尽管地表经受了长期的风化侵蚀，但根据上古生界地层厚度分析，石炭一二叠纪沉积时仍然存在着一些坳陷区和隆起区（于志海等，1997），这些坳陷和隆起区的存在，促使沉积相类型在平面上分布的变化，而这种变化对盆地内不同地区石炭—二叠纪含煤岩系沉积、煤系烃源岩性质的差异起到了关键的作用。

层序地层学的分析原理和方法起源于对北美被动大陆边缘的研究，而华北石炭—二叠纪含煤岩系形成于内陆表海盆地，二者在沉积格架和沉积特征等方面都有明显差异。因此，对华北石炭—二叠纪含煤岩系层序地层格架的研究应该结合该区的实际。渤海湾盆地石炭—二叠纪沉积时是华北地台的一隅，研究其层序格架更不能脱离开这个整体。近年来，许多研究者对华北石炭—二叠纪层序地层学进行了研究（李思田，1993；武法东，1994；陈世悦等，1995；李增学，1996，程保洲，1997，窦建伟等，1997），总的看，由于研究的出发点、研究区域大小及对层序界面的认识上没有统一，所以，在层序划分方面存在一定的不同。例如，在对煤层是作为陆表暴露面还是作为海泛面的认识上就有分歧，一种意见认为，煤层是陆表暴露期的产物，可以作为陆表暴露面的标志，以此为原则，那些稳定的厚度较大的，可以全区进行对比的煤层可以作为层序界面看待（李思田，1993，程保洲，1997等）；另一种意见认为煤层形成于海泛期，是伴随着海侵体系域的发生而形成的，并终止于最大海泛期，因此，那些稳定的、厚度较大而全区可以对比的煤层可以作为最大海泛面的标志（邵龙义等，1992,1997）。

华北石炭—二叠纪主要含煤岩系层序地层格架具有比较典型的内陆表海沉积特点，与被动大陆边缘盆地相比，其特点表现在：①由于海侵频繁，所以薄层的海陆交互型沉积序列发育，且每个序列的底部为海侵体系域，上部为高位体系域；②由于其广阔的内陆表海地貌特征，使得海侵体系域厚度较小，但分布范围较大；③层序界面类型为I型，缺乏陆棚边缘沉积，广泛发育的是以进积和退积式准层序组成的内陆表海盆地沉积。因此，在选择层序界面时，应该注意以下几个方面：

（1）不整合面。由古构造运动形成的不整合面是一等时面，如中奥陶世灰岩顶面的风化面，它可以作为层序的界面。

（2）海侵方向变化反映的沉积事件。在太原组底部灰岩形成后，由于华北地台北升南降，海侵方向由原来的北东方向变为南东方向，并广泛发育厚而稳定的煤层，标志着新的沉积事件的开始，这一界面已通过区域古地理分析识别出来（程宝洲，1997）。

（3）花斑状泥岩。位于石盒子组的花斑状泥岩代表了陆表的暴露阶段，可作为石盒子组缺明显海相沉积，进入陆相沉积为主的标志。

（4）煤层。关于煤层在层序地层格架中的位置是个有争议的问题。从层序地层学基本原理分析，煤层可以形成在海侵体系域发育期（海泛期），并在最大海泛期随着盆地被海水淹没而结束。因此，在海侵体系域形成的煤层可以代表海泛期的开始。但对华北这样坡度极缓、海侵体系域厚度较小，而高位体系域发育的大型内陆陆表海聚煤盆地来说，海侵体系域是不利成煤的，聚煤作用主要发育在进积和退积转折时期构造相对稳定的阶段，这些形成于高位体系域的煤层从总体上来说是形成于海平面相对下降阶段，因此，可以作为暴露面和区域性碎屑体系废弃面结合使用。

（5）海水进退。据钟蓉（1998）研究，华北地台整个晚古生代仅发生1次一级海水进退，而晚石炭世—早三叠世早期共发生4次二级海水进退。并认为这些二级海水进退都与大区域构造运动有关。从层序地层学分析看，这些二级海水进退可作为Ⅲ级层序界面划定时的参考依据。按照上述识别层序界面的原则，参考现有的研究成果并结合华北地台沉积演化特点和研究区沉积特点，选定区域性不整合面、河道冲填相伴的冲刷面、海侵方向转换面等作为三级层序界面；把灰岩、泥岩、煤层分别作为顶底界面划分准层序，进而建立研究区石炭—二叠纪层序地层格架。对研究区来说，在划分准层序时应该注意到陆表海型和滨海平原型及冲积平原型的不同。陆表海型准层序底部为海泛面，其上为台地体系的碳酸盐岩，潮汐沙滩体系中的细碎屑岩、泥岩及煤层；滨海平原型底部为海泛面，其上为潮汐沙滩体系、三角洲体系的碎屑岩沉积，顶部常有煤层；冲积平原型则底部为海泛面（或洪泛面），其上为冲积平原环境形成的不同粒度碎屑岩、泥质岩等。

渤海湾地区石炭—二叠纪含煤岩系层序地层格架见图8-1。根据上述选定的三级界面，可以把研究区划分为4个层序。应该说明的是，由于盆地内各坳陷石炭—二叠纪沉积时受古基底构造影响而有一定差异，因此，在准层序划分方面有差别，但层序格架应该是一致的。

图8-1　渤海湾盆地石炭—二叠纪含煤岩系层序地层格架

（一）层序Ⅰ：包括本溪组及太原组下部最厚的煤层（相当于区域性的B3煤层）

时限包括晚石炭世早期到晚石炭世晚期初。层序I底界面为中奥陶世风化面，顶界面为海侵方向转换面，其中包括海侵体系域和高位体系域。准层序由于各地接受海侵的时间不一致，沉积灰岩的层数不同而有所变化。例如，孔古4井可以划出4个准层序，灰岩层数多，厚度大，表示接受海侵较早而且延续时间较长。但大参1井只能分出3个准层序。在济阳坳陷，晚石炭世早期海侵方向自东向西，接受海侵时间早并延续时间长，可划分为4～7个准层序。

（二）层序Ⅱ：包括太原组中、上部及山西组全部沉积，时代为晚石炭世晚期到早二叠世早期末

其下界面为层序Ⅰ的顶界面，顶界面为山西组和下石盒子组分界的砂岩（俗称“骆驼脖子砂岩”）。晚石炭世晚期，华北地台发生了第二次海侵，海侵规模较大，影响范围广，出现大面积陆表海碳酸盐台地和潮坪沉积。进入早二叠世，随着来自太平洋海域的海侵范围渐渐变小，盆地中陆表海沉积逐渐被潮坪沉积为主所代替，从而进入早期高位体系域沉积阶段。到早二叠世早期末，尽管仍有海水的小规模侵入，但总体上表现为海平面继续下降，沉积相以滨海平原和三角洲类型为主，从而进入晚期高位体系域沉积阶段。

（三）层序Ⅲ：其底界为山西组顶界砂岩（相当于骆驼脖子砂岩）的底，顶界为石千峰组杂砂岩层底，包括了上、下石盒子组，时代为早二叠世晚期到晚二叠世早期

本层序中发育有低位体系域、海侵体系域和高位体系域。低位体系域发育时期，从河道下切充填开始，海水大面积退缩，伴随而来的是三角洲平原、分流河道环境发育，以河流相沉积为主，缺乏煤层分布。层序内发育多个河流体系的完整旋回，每个旋回的顶部都以发育紫红色—灰紫色花斑状泥岩为特征，代表陆表暴露。例如在黄骅坳陷，这种旋回多达8个。在上石盒子组末期有海水侵入，除了形成在华北其他地区常见的含海绵骨针钙质泥岩外，在黄骅坳陷还出现了灰岩（徐13井）沉积，这是发生短暂海侵的最好证据，因此，可作为本层序中的最大海泛面。随着短暂海侵的结束，伴随而来的是高位体系域。

（四）层序Ⅳ：包括石千峰组，时代为晚二叠世晚期

本层序沉积了一套暗紫色—杂色砂岩和泥岩，以河流体系和湖泊体系沉积为主。

三、有机组分组成及生烃性质与层序地层中的关系

为了反映上古生界不同体系域煤系烃源岩有机组分组成、地球化学性质及生烃潜力的变化，选择孔古4井和大参1井作为重点研究对象，进行深入细致的分析研究。

把层序地层学的原理和方法与有机相和孢粉相结合起来研究不同体系域沉积物中有机质的富集、性质及生烃意义是近年来才开始起来的研究领域（Paisley＆Hazael,1990;Leckie,1990;Gorin＆Steffen,1991;Habib,1992;Gregory＆Hart,1992;Gourtinat,1993;Tyson,1995,1996等），但这方面的研究还很不够，用Tyson（1996）的话说就是：“尽管层序地层学已经很好建立发展起来并被广泛用于盆地分析，但到目前为止，有关层序地层学与烃源岩分布及有机相，孢粉相关系方面报道还很少。”

Jones在1987年指出：控制有机相性质的主要因素有：①盆地沉积时的氧化还原条件；②沉积区相对于物源区的远近；③古气候对陆相有机质输入、保存的影响。并依据对源岩中干酪根的综合研究把有机相划分为A、B、C、D等4种主要类型及AB、BC、CD3种过渡类型。Tyson（1995）在Jones划分的有机相基础上，对每种相的地球化学性质和环境特征进行了总结和划定，并通过层序地层和有机相及孢粉相相结合的研究，总结了不同体系域沉积有机质的一系列特征，建立了研究思路和方法。Tyson的研究结果是建立在对具有陆棚坡折沉积，层序界面属于Ⅱ型的层序地层研究基础上的，和华北石炭—二叠纪含煤岩系沉积有一定差异，但许多方面仍然具有共性。金奎励等（1997），张鹏飞，金奎励等（1997）在对我国吐哈盆地和准葛尔盆地早中侏罗世含煤岩系沉积有机相划分研究的基础上，总结了不同沉积有机相煤系烃源岩的有机岩石学、地球化学和沉积环境意义并划定了界限值，这更为从有机相和层序地层的角度分析烃源岩性质建立了可以对比的量上的依据。

（一）有机组分及组成在层序地层中的分布

孔古4和大参1井C—P不同体系域煤系烃源岩有机组分和组成在纵相上的变化见图8-2。从海侵体系域到高位体系域，随着海平面相对上升到相对下降的过程，介质性质由还原-强还原-还原-弱还原，有机相从CB-B-CB-C。

在海侵体系域，随着海平面上升，广泛分布的是碳酸盐岩台地和潮坪沉积，介质的还原性较强，当处于最大海侵期时，介质的还原性最强，也比较稳定，因此，这个稳定的，深度最大、还原性最强阶段形成的煤系泥岩中有机质丰度和类型都应该比较好，但由于华北地台宽缓、广阔的地貌特征和海水进退比较频繁，使得海侵体系域沉积厚度相对较小，因此，主要的煤系烃源岩形成于海侵体系域之后的高位体系域。

伴随着海平面的缓慢下降，广泛发育潮坪、潟湖及三角洲沉积。在早期高位体系域，随着碳酸盐岩台地逐渐被滨海潮坪所代替，介质由强还原变为还原，在广阔的滨海潮坪及潟湖地区发育的泥炭沼泽类似于Jones的B、BC相和森林沼泽沉积有机相（金奎励，1997），由于凝胶化作用强，煤中有比较丰富的凝胶化组分和基质镜质体B。同时，较强的凝胶化作用加大了植物遗体的降解，留下大量性质稳定的植物表皮和繁殖器官，并在潮水的冲积下富集起来；而合适的覆水条件有利于某些种属的藻类（Pila藻）生长，所以煤中有较多的壳质组组分及藻类体。在早期高位体系域中形成的泥岩一般以潟湖沉积为主，有利的环境和介质条件利于低等水生生物的生长，因此，沉积的泥岩中腐泥组组分及发荧光的无定形体比较多，所以其生烃性质比较好。

到晚期高位体系域，随着海平面的进一步下降，潮坪泥炭沼泽逐渐被三角洲平原泥炭沼泽所代替，介质还原性减弱，沼泽类型类似于Jones的BC、C相，局部地区出现流水沼泽沉积有机相（金奎励等，1997），煤中凝胶化组分和基质镜质体B减少，惰质组含量增加；在水流作用下，壳质组会在局部地区富集，形成富壳质组的煤甚至残植煤（如苏桥一带、孔西潜山等地）。而此时的泥岩则以形成于三角洲前缘为主，由于水流的作用而带入大量植物碎屑，所以，晚期高位体系域形成的泥岩中常富含高等植物碎屑，干酪根含量较高，但常缺乏腐泥组组分及发荧光的无定形体，有机碳含量可能会比较高，但有机质类型以Ⅲ型为主。

低位体系域中形成的烃源岩由于距物源区较近，常富含植物碎屑，而且氧化的介质条件会使得其中缺乏具荧光的无定形体，它类似于Jones的D、CD相和干燥沼泽沉积有机相（金奎励等，1997），所以烃源岩的生烃性质较差。

图8-2　孔古4、大参1井煤系烃源岩组分组成及生烃性质与层序地层的关系

研究区不同体系域有机组分及组成还与海水进退的规模有关。在层序Ⅰ和Ⅱ，由于海侵规模较大，达到最大海泛期以后海平面下降相对缓慢，在早期高位体系域维持较长时间的碳酸盐岩台地为主的沉积，聚煤作用较差，这一阶段形成的泥岩有机质类型、丰度和生烃性质都最好，而煤（尤其厚煤层）主要形成于晚期高位体系域，因此，在层序Ⅰ、Ⅱ里富含壳质组的煤层都与晚期高位体系域里的流水沼泽沉积有机相有关，而这种流水沼泽沉积有机相的分布一般与潮道、河流等沉积环境有关。

（二）生烃性质与层序地层关系

由于烃源岩的生烃性质与其中有机组分及组成有直接关系，因此，孔古4和大参1井上古生界煤系烃源岩生烃性质与层序地层的关系具有和有机组分和组成相似的变化特征（图8-2）。由图可以看出，在早期高位体系域，氯仿沥青“A”、总烃（HC）、生烃潜量等生烃指标显示一个区间峰，比海侵体系域和晚期高位体系域都好，但晚期高位体系域个别富含壳质组组分的煤层却表现出很好的生烃性质（为孔古4井）。

根据上述分析可以看出，研究区石炭—二叠纪煤系烃源岩有机组分类型、组成及生烃性质与不同体系域的关系是比较密切的（表8-1）。从总的看，由于受沉积环境、介质条件、有机质类型等因素的影响，烃源岩以早期高位体系域的质量最好，晚期高位体系域次之，海侵体系域或由于沉积厚度较小（如层序Ⅱ），或由于以碳酸盐岩沉积为主（如层序I）而表现不明显。从不同烃源岩类型看，泥岩以发育在早期高位体系域和海侵体系域的较好，而煤则由于晚期高位体系域局部地区形成的煤中富集壳质组分而质量较好。进入早二叠世晚期以后的层序Ⅲ和层序Ⅳ由于以陆相沉积为主，因此，烃源岩的质量都较差。这里要说明的是以上所建立的关系是建立在对华北地台晚古生代主要聚煤期研究基础上的，而华北地台晚古生代是典型的内陆表海沉积环境，它和Tyson（1995）等人对具有类型Ⅱ层序界面的沉积层序作为研究对象而建立的孢粉相和有机相与层序地层的关系还有一定的差别。不同地质时代、不同母质类型、不同沉积环境、不同介质条件下形成的烃源岩，其有机组分、组成及生烃性质都会有所差异，因此，应用层序地层学来研究烃源岩性质及变化，必须结合实际情况，进行综合分析。

表8-1　本区煤系烃源岩有机组分，组成及生烃性质与层序地层关系