天然气地球科学 >

2024 , Vol. 35 >Issue 9: 1574 - 1589

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.01.001

天然气地质学

准东吉南凹陷二叠系芦草沟组烃源岩有机质富集机制

  • 张妍 , 1, 2 ,
  • 吴欣松 , 1, 2 ,
  • 康积伦 3 ,
  • 高岗 1, 2 ,
  • 黄志龙 1, 2 ,
  • 樊柯廷 1, 2 ,
  • 李杰 1, 2 ,
  • 马强 3 ,
  • 张伟 3
展开
  • 1. 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249
  • 2. 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249
  • 3. 中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009
吴欣松（1969-），男，安徽宿松人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事油气分布预测、非常规油气储层评价等研究.E-mail： .

张妍（1999-），女，陕西西安人，硕士研究生，主要从事油气藏形成与分布机理研究. E-mail：.

收稿日期: 2023-10-30

  修回日期: 2023-12-28

  网络出版日期: 2024-01-10

收起

Mechanism of organic matter enrichment in the Permian Lucaogou Formation， Ji’nan Sag， eastern Junggar Basin

  • Yan ZHANG , 1, 2 ,
  • Xinsong WU , 1, 2 ,
  • Jilun KANG 3 ,
  • Gang GAO 1, 2 ,
  • Zhilong HUANG 1, 2 ,
  • Keting FAN 1, 2 ,
  • Jie LI 1, 2 ,
  • Qiang MA 3 ,
  • Wei ZHANG 3
Expand
  • 1. College of Geosciences，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
  • 2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
  • 3. Research Institute of Exploration and Development，Tuha Oilfield Company，PetroChina，Hami 839009，China

Received date: 2023-10-30

  Revised date: 2023-12-28

  Online published: 2024-01-10

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The Strategic Cooperation Technology Projects of CNPC and CUPB(ZLZX2020-01-06-03)

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摘要

准噶尔盆地东部（准东）吉南凹陷发育大套二叠系芦草沟组烃源岩，但其芦草沟组烃源岩沉积古环境与有机质富集机理尚不明确。通过总有机碳、岩石热解、主微量元素和饱和烃色谱/质谱等分析手段，对研究区芦草沟组烃源岩沉积古环境、古生产力进行了研究，以此探讨芦草沟组烃源岩有机质富集机理。结果表明：①通过总有机碳和岩石热解参数分析认为吉南凹陷二叠系芦草沟组有机质丰度普遍达到极好，有机质类型以Ⅰ型、Ⅱ1型为主，整体处于低熟—成熟阶段，生烃潜力高。②生物标志物参数分析表明，芦草沟组有机质主要为水生生物和陆源高等植物混合贡献，且芦二段具有更高的陆源有机质输入。③根据主微量元素结合生物标志物相关参数，认为研究区芦一段烃源岩沉积于干旱、半咸水、弱还原的浅水—半深水环境，古生产力较低；芦二段烃源岩沉积于湿润—半干旱、淡水、弱还原—弱氧化的浅水沉积环境，古生产力中等。④根据研究区芦草沟组烃源岩有机质丰度与不同古沉积环境条件的综合研究分析认为，芦一段有机质的富集主要受水生生物的繁盛和保存条件控制；芦二段初始生产力主导了有机质的富集。

关键词： 生物标志物; 有机质富集; 沉积环境; 芦草沟组; 吉南凹陷

本文引用格式

张妍 , 吴欣松 , 康积伦 , 高岗 , 黄志龙 , 樊柯廷 , 李杰 , 马强 , 张伟 . 准东吉南凹陷二叠系芦草沟组烃源岩有机质富集机制[J]. 天然气地球科学, 2024 , 35(9) : 1574 -1589 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.01.001

Abstract

The Lucaogou Formation of the Permian is developed in the Ji’nan Sag， located in the eastern Junggar Basin. However， there remains a lack of clarity regarding the sedimentary paleoenvironment and organic matter enrichment mechanism within this formation. Therefore， this study aims to investigate the sedimentary paleoenvironment and paleoproductivity of the Lucaogou Formation in our study area using various analytical techniques such as total organic carbon analysis， rock pyrolysis， major and trace element analysis， as well as saturated hydrocarbon chromatography/mass spectrometry. This will enable us to gain insights into the mechanisms responsible for organic matter enrichment within the Lucaogou Formation. Our findings reveal that： （1） Based on total organic carbon and rock pyrolysis parameters analysis， it can be concluded that there is generally abundant organic matter within the Lucaogou Formation in Ji’nan Sag with predominantly type I and type II1 kerogen indicating low-mature to mature stages with high hydrocarbon generation potential. （2） Biomarker parameter analysis suggests that aquatic organisms and terrigenous higher plants are major contributors to organic matter composition within the Lucaogou Formation； additionally， higher input of terrigenous organic matter is observed in its second member. （3） Analysis of major and trace elements along with biomarkers-related parameters indicates that source rocks from our study area were deposited under arid or brackish water conditions characterized by weak reduction levels ranging from shallow water to semi-deep water environments with low paleoproductivity； however， wet-semi-arid conditions prevailed during deposition of source rocks from second member accompanied by fresh water settings exhibiting weak reduction-weak oxidation characteristics at shallow depths resulting in moderate paleoproductivity levels. （4） According to the comprehensive study and analysis of the abundance of organic matter in the source rocks of Lucaogou Formation and different paleosedimentary environment conditions in the study area， the enrichment of organic matter in Lu1 Member is mainly controlled by the abundance and preservation conditions of aquatic organisms. The initial productivity of Lu2 Member dominated the enrichment of organic matter.

Key words： Biomarkers; Enrichment of organic matter; Sedimentary environment; Lucaogou Formation; Ji’nan Sag

0 引言

准噶尔盆地是中国西部典型的多烃源叠合盆地，油气资源丰富［1-2］。目前油气发现主要集中在准噶尔盆地西北缘、中央隆起区及南缘冲断带等部位［1-6］，东部隆起区作为油气勘探的重要地区，总体勘探程度相对还较低［7-9］。东部隆起区芦草沟组作为该区重要的烃源岩发育层系，在吉木萨尔凹陷、石钱滩凹陷与吉南凹陷等均有分布，其中针对吉木萨尔凹陷与石钱滩凹陷的芦草沟组烃源岩已开展了较多的研究工作［10-20］，但经过近两年的勘探，吉南凹陷在井井子沟组和梧桐沟组均发现了与芦草沟组烃源岩有关的油气，其中2021年萨探1风险井在井井子沟组试油就获得了日产26.3 m3高产油流［21］，芦草沟组本身也发现了不同成熟度的油气，展示出该地区巨大的油气勘探潜力。
多数学者主要根据主量、微量元素，稀土元素等相关参数及变化趋势对准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩进行了研究，认为该地区芦草沟组沉积时期主要处于半干旱—半湿润的半咸水湖盆环境，沉积水体较深，沉积速率较慢［22-24］，吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩有机质富集主要受古生产力、氧化—还原条件、古气候等因素的影响［24-25］。部分学者针对吉南凹陷从不同角度进行了研究，认为准噶尔盆地吉南凹陷为一个独立的生烃凹陷，芦草沟组为主力烃源岩层，有机质类型为Ⅰ型—Ⅱ1型，成熟度较高，生烃潜力大［21，26］。前人对准噶尔盆地芦草沟组烃源岩有机质富集研究主要集中在吉木萨尔凹陷，对吉南凹陷芦草沟组烃源岩只进行了单一的有机地球化学特征研究，并未对沉积古环境、有机质富集机理进行研究。吉南凹陷作为近些年新发现的含油气区，其勘探程度和研究程度均较低。芦草沟组烃源岩可划分为2个段（芦一段、芦二段），其作为吉南凹陷主力烃源岩，2个段的有机质富集机理及差异尚未明确。因此，本文通过明确吉南凹陷芦一段、芦二段烃源岩的有机质丰度、类型及成熟度，结合烃源岩主量、微量元素与生物标志物相关参数，分析吉南凹陷芦一段、芦二段烃源岩的古沉积环境条件与古生产力，以此来探讨吉南凹陷芦草沟组烃源岩有机质的富集机理及差异，以期为该地区页岩油与常规油气勘探提供一定理论依据。

1 区域地质概况

准噶尔盆地是晚石炭世—第四纪形成的复合型叠合盆地。晚石炭世—早二叠世，受海西期挤压构造作用的影响，早期表现为典型前陆盆地特征，后期基底快速隆升并遭受剥蚀，为地层沉积提供了充足物源。中—晚二叠世，造山作用减弱，进入内陆盆地整体拗陷阶段。由于盆地整体沉降，沉积范围逐渐增大，中、上二叠统向隆起区超覆沉积，多期砂体叠置连片，呈广覆式分布。三叠纪至今为继承性发育的坳陷湖盆。总之，中晚二叠世为断拗转换期，物源条件充足，可为凹陷区提供大量沉积碎屑，地层沉积厚度大，分布范围广［21，27］。吉南凹陷位于准噶尔盆地东部隆起区西南部，勘探面积约为600 km2。吉南凹陷东接古西凸起，西邻三台凸起，北部以吉南凸起为界与吉木萨尔凹陷相隔，南临阜康断裂带东段上盘。与断裂带上盘相比，吉南凹陷构造较为稳定，地层保存完整，主要发育北西—南东向逆冲、北东—南西向走滑2组断裂。北西—南东向逆冲断裂将吉南凹陷分割为南部掩伏鼻隆带和北部洼陷—斜坡带，北东—南西向走滑断裂将北部洼陷—斜坡带进一步分割为多个断块［26］。吉南凹陷由下到上依次发育石炭系巴山组、二叠系乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组、红雁池组、梧桐沟组、三叠系韭菜园组、烧房沟组、克拉玛依组及侏罗系八道湾组等地层（图1），其中二叠系芦草沟组为烃源岩发育层位，岩性主要为咸水湖相灰黑色泥页岩、云质泥岩、泥质云岩等，厚度较大，主要在276.1~322.8 m之间。
图1 准东吉南凹陷区域地质构造

Fig.1 Regional geological structure map of Ji’nan Sag in eastern Junggar Basin

2 样品采集与实验条件

本文样品采自吉南凹陷中萨3井（4件）、萨8井（4件）、萨101井（3件）、萨105井（3件）、萨探1井（3件）及台701井（5件），共计采集22件二叠系芦草沟组烃源岩样品［图1（b）］。采样间隔每一段大于2 m。样品送至中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室与长江大学地球化学实验室完成分析。首先，将烃源岩样品粉碎至100目分为3份：第一份进行总有机碳分析，利用LECO CS-200碳硫分析仪测定总有机碳（TOC），分析精度为>0.5%［28-29］，先在坩埚中将样品与稀盐酸混合反应以除去无机碳，后用蒸馏水洗涤样品（2 d）以除去残留杂质，之后在烘干箱中以60 ℃的温度干燥24 h，最后在600 ℃下分析样品TOC。第二份研磨样品用岩石热解仪加热以测量游离烃（S 1）、裂解烃（S 2）和T max。其中，T max是裂解烃（S2）最高值对应的温度。将样品置于He中以300 ℃恒温加热3 min，得到表示游离烃的S 1值，将热解炉温度从300 ℃升温至600 ℃，得到表示裂解烃的S 2值［30］。第三份研磨好的样品装入滤纸筒中，经过72 h于75~82 ℃的水浴中用氯仿连续抽提得到氯仿沥青“A”，用正己烷先沉淀沥青质后，将得到的可溶有机质放在层析柱上依次用正己烷、二氯甲烷与正己烷混合溶液进行族组分分离得到饱和烃及芳烃。再用Agilent 6890N-5975IMSD色谱/质谱仪进行气相色谱—质谱（GC-MS）对饱和烃馏分进行分析。色谱柱为HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm），以脉冲不分流方式进样，载气为氦气，采用内标法对饱和烃馏分进行定量。
主量元素丰度采用X射线衍射荧光光谱（XRF）测定。首先用研钵将样品研磨至颗粒规格<74 μm，在105 ℃预干燥2~4 h，置于干燥器中，冷却至室温。取0.4 g样品置于25 mL瓷坩埚中，加入5.2 g无水四硼酸锂、0.4 g氟化锂及0.3 g硝酸铵搅拌均匀，移入铂金合金坩埚中。在合金坩埚中加入1 mL溴化锂溶液，置于电热板上烘干，随后将坩埚置于自动火焰熔样机上，以丙烷气为燃气，氧气助燃，于1 150~1 250 ℃熔融10~15 min。熔融物在坩埚内冷却直接成型，择取部分样片利用AB104L，Axios-mAX波长色散X射线衍射荧光光谱仪测量分析。微量元素采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行测定。首先，用玛瑙研钵将样品研磨至颗粒规格<200目，在60 ℃的恒温下干燥，直到样品重量保持不变。之后，将0.04 g样品置于不锈钢容器中，并与4 mL浓硝酸和6 mL氢氟酸混合以诱导溶解。样品残留物在酸驱动处理器中以160 ℃进行干燥。最终，样品体积用5%硝酸固定在50 mL。利用ELEMENT XR等离子体质谱仪进行分析测定。两种方法分析精度均大于5%［31］。

3 烃源岩有机地球化学与生物标志物特征

3.1　有机地球化学特征

有机质丰度、类型和成熟度是衡量与评价烃源岩生烃潜力的重要参数［32-34］。吉南凹陷芦草沟组烃源岩TOC含量介于0.75%~32.20%之间，平均值为8.67%（n=22）；生烃潜量（S 1+S 2）值介于1.77~287.61 mg/g之间，平均值为70.68 mg/g（n=22）；岩石最高热解峰温（T max）值介于431~447 ℃之间，平均值为440.32 ℃（n=22）；氢指数I H值介于221.33~1 068.69 mg/g之间，平均值为705.51 mg/g（n=22）［表1，图2（a），图2（c），图2（d）］。表明研究区芦草沟组有机质丰度较高，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，整体处于低成熟—成熟阶段。
表1 吉南凹陷芦草沟组烃源岩地球化学参数

Table 1 Geochemical parameters of source rocks in the Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

井号 深度/m 层段 TOC/% （S 1+S 2）/（mg/g） I H/（mg/g） T max/℃
萨8 2 786.45 P2 l 1 2.81 13.71 404.98 431
萨8 2 842.40 P2 l 1 9.01 71.49 757.60 436
萨8 2 844.06 P2 l 1 4.73 26.09 520.51 438
萨8 2 850.68 P2 l 1 6.06 52.62 854.79 439
萨探1 3 040.93 P2 l 2 4.67 28.42 566.81 437
萨探1 3 041.53 P2 l 2 7.56 55.07 695.50 442
萨探1 3 043.47 P2 l 2 6.77 27.34 358.35 442
台701 3 380.16 P2 l 2 0.75 1.77 221.33 441
台701 3 384.03 P2 l 2 11.30 81.37 709.56 445
台701 3 386.55 P2 l 2 32.20 287.61 890.43 446
萨3 3 225.50 P2 l 2 3.00 22.06 703.33 443
萨3 3 226.45 P2 l 2 13.90 113.74 788.35 436
萨105 2 925.32 P2 l 2 23.60 255.50 1 068.69 434
萨105 2 925.72 P2 l 2 3.45 42.22 1 043.48 436
萨105 2 928.28 P2 l 2 2.25 24.61 1 001.33 434
萨101 3 039.85 P2 l 2 6.96 50.99 725.43 446
萨101 3 041.95 P2 l 2 10.10 77.40 758.12 443
萨101 3 044.30 P2 l 2 5.90 37.86 625.08 444
萨3 3 277.81 P2 l 2 5.92 56.40 748.31 443
萨3 3 282.66 P2 l 2 16.20 143.57 874.57 447
台701 3 458.99 P2 l 2 10.70 67.19 620.00 441
台701 3 462.77 P2 l 2 2.98 17.87 584.56 443
图2 吉南凹陷芦草沟组芦一段和芦二段烃源岩有机质丰度、类型及成熟度评价

（a） 有机碳质量分数与生烃潜量关系；（b）C29甾烷异构化参数关系；（c）T max—I H有机质类型划分；（d）T max与深度交会关系

Fig.2 Evaluation of organic matter abundance， type and maturity of hydrocarbon source rocks of Lu 1 and Lu 2 members in the Luchaogou Formation， Ji’nan Sag

3.2　生物标志物特征

研究区芦草沟组烃源岩样品正构烷烃以前峰型分布为主。芦一段主峰碳数为nC15—nC19，伽马蜡烷含量相对较高，C27—C28—C29规则甾烷含量依次增高，Pr/Ph值介于0.46~1.12之间，平均值为0.88（n=4），C29-αββ/（ααα+αββ）值介于0.22~0.28之间，平均值为0.25（n=4），C29-ααα20S/（ααα20S+ααα20R）值介于0.16~0.24之间，平均值为0.21（n=4）。芦二段主峰碳数为nC19—nC23，伽马蜡烷含量有所降低，C27—C28—C29规则甾烷仍依次递增，少数呈反“L”形分布，Pr/Ph值介于0.62~1.01之间，平均值为0.85（n=18），C29-αββ/（ααα+αββ）值介于0.18~0.27之间，平均值为0.22（n=18），C29-ααα20S/（ααα20S+ααα20R）值介于0.17~0.27之间，平均值为0.22（n=18）［表2，图2（b），图3］。
表2 吉南凹陷芦草沟组正构烷烃及甾、萜烷相关参数

Table 2 Parameters related to n-alkanes, steroids and terpenes in the Lucaogou Formation of Ji’nan Sag

井号 深度/m 层段 A B C D E F G H
萨8 2 786.45 P2 l 1 0.46 1.77 1.54 1.30 1.71 6.53 0.23 0.16
萨8 2 842.40 P2 l 1 1.12 1.99 0.74 1.41 0.39 5.23 0.28 0.24
萨8 2 844.06 P2 l 1 0.96 2.76 1.16 1.02 0.38 5.26 0.26 0.22
萨8 2 850.68 P2 l 1 0.95 2.23 1.19 1.59 0.55 2.19 0.22 0.20
萨探1 3 040.93 P2 l 2 0.74 0.62 1.07 0.69 0.17 1.42 0.27 0.24
萨探1 3 041.53 P2 l 2 0.79 0.77 1.12 0.72 0.16 1.50 0.23 0.25
萨探1 3 043.47 P2 l 2 0.73 0.60 1.14 0.74 0.16 1.73 0.23 0.24
台701 3 380.16 P2 l 2 0.84 2.57 2.23 2.81 0.19 2.40 0.25 0.21
台701 3 384.03 P2 l 2 0.94 0.83 1.70 1.26 0.19 1.78 0.20 0.20
台701 3 386.55 P2 l 2 1.00 2.29 2.48 1.74 0.26 1.41 0.20 0.24
萨3 3 225.50 P2 l 2 0.62 0.39 1.81 0.94 0.22 1.78 0.21 0.18
萨3 3 226.45 P2 l 2 0.72 0.67 1.70 0.99 0.25 1.46 0.22 0.19
萨105 2 925.32 P2 l 2 0.78 1.34 2.83 1.96 0.12 1.83 0.20 0.21
萨105 2 925.72 P2 l 2 1.00 1.14 2.18 2.33 0.09 2.01 0.18 0.20
萨105 2 928.28 P2 l 2 0.85 0.67 2.01 1.30 0.11 1.97 0.23 0.21
萨101 3 039.85 P2 l 2 0.98 0.84 1.96 2.81 0.38 2.09 0.22 0.22
萨101 3 041.95 P2 l 2 0.72 0.92 1.45 1.88 0.25 3.07 0.23 0.23
萨101 3 044.30 P2 l 2 1.01 0.61 3.21 3.81 0.13 2.55 0.20 0.22
萨3 3 277.81 P2 l 2 0.78 0.52 1.45 1.42 0.25 2.13 0.24 0.27
萨3 3 282.66 P2 l 2 0.95 1.14 2.06 2.18 0.28 1.89 0.24 0.27
台701 3 458.99 P2 l 2 0.91 0.78 2.65 1.92 0.25 2.10 0.21 0.17
台701 3 462.77 P2 l 2 0.96 0.72 2.34 1.65 0.31 2.42 0.22 0.18

注：A为Pr/Ph；B为 n C 21 - / C 22 +；C为(C19TT+C20TT)/C23TT；D为C24TeT/C26TT；E为伽马蜡烷/C30藿烷；F为C29甾烷/C27甾烷；G为C29⁃αββ/(ααα+αββ)；H为C29⁃ααα20S/(ααα20S+ααα20R)

图3 吉南凹陷芦草沟组芦一段与芦二段烃源岩生物标志物气相色谱—质谱对比

注：Pr为姥鲛烷；Ph为植烷；Ts为C27，18ɑ，藿烷；Tm为C27，17ɑ，藿烷；C30H为C30藿烷

Fig.3 GC-MS comparison of biomarkers in source rocks of Lu 1 and Lu 2 members of Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

4 古沉积环境及有机质来源特征

4.1　古气候条件

利用主量、微量元素数据可分析古气候条件，常用参数有Sr/Cu、Rb/Sr、古气候指数C［C=􀰑（Fe+Mn+Cr+V+Co+Ni）/􀰑（Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na）］、Fe/Mn、Al2O3/MgO等［35-37］。一般认为1.3<Sr/Cu<5、Rb/Sr高值、C>0.80、Fe/Mn高值及Al2O3/MgO高值代表温暖潮湿气候；而Sr/Cu>10、Rb/Sr低值、C≤0.20、Fe/Mn低值及Al2O3/MgO低值指示干燥气候。研究区芦一段Sr/Cu值均大于20，Rb/Sr值低于0.2，反映干旱气候条件，而芦二段Sr/Cu值介于1.78~62.09之间，Rb/Sr值介于0.03~1.28之间，反映温暖潮湿—半干旱的气候条件［表3，图4（a），图5］，此外，Fe/Mn、Al2O3/MgO、C值等参数均指示芦一段气候干旱，而芦二段相对潮湿［图4（b），图4（c）］。
表3 吉南凹陷芦草沟组古环境参数

Table 3 Paleoenvironmental parameters of the Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

井号 深度/m 层段 古气候参数 古盐度参数 古水深参数 古氧相参数 古生产力参数
a b c d e f g h i j k l m n o p
萨8 2 786.45 P2 l 1 0.20 21.87 0.11 2.59 1.22 0.002 98 0.75 0.03 0.85 0.79 1.10 0.62 0.007 5 0.116 9 175.15 160.81
萨8 2 844.06 P2 l 1 0.17 41.28 0.09 1.27 2.20 0.002 94 0.67 0.03 0.80 0.92 1.47 0.71 0.006 4 0.161 2 100.11 270.68
萨8 2 850.68 P2 l 1 0.07 75.05 0.02 0.38 2.11 0.002 82 0.90 0.06 0.18 0.94 1.14 0.68 0.034 2 0.295 0 584.92 346.79
萨3 3 225.50 P2 l 2 0.25 40.52 0.04 0.51 2.49 0.003 62 0.81 0.05 0.30 0.66 2.10 0.81 0.009 3 0.384 2 123.50 171.68
萨3 3 277.81 P2 l 2 0.07 62.09 0.03 5.86 3.18 0.003 24 0.79 0.02 0.77 2.05 0.73 0.54 0.009 9 14.168 2 299.57 338.78
萨101 3 039.85 P2 l 2 0.47 1.78 1.07 4.03 0.23 0.003 10 0.18 0.03 3.77 0.76 1.27 0.68 0.004 7 0.139 6 11.04 398.30
萨101 3 044.30 P2 l 2 0.43 2.25 1.28 7.50 0.21 0.002 91 0.30 0.02 4.85 1.21 0.82 0.59 0.004 5 0.110 1 0.00 337.64
台701 3 384.03 P2 l 2 0.35 2.67 0.67 9.15 0.24 0.002 90 0.29 0.01 4.37 0.65 1.16 0.60 0.006 9 0.265 9 153.01 646.66
台701 3 386.55 P2 l 2 0.08 10.22 0.17 15.51 0.20 0.002 38 0.65 0.02 2.24 0.62 0.57 0.51 0.034 7 2.830 8 1209.55 1 842.70
台701 3 458.99 P2 l 2 0.23 11.98 0.16 1.53 1.25 0.003 13 0.57 0.03 1.02 0.53 1.43 0.69 0.007 1 0.202 8 141.43 612.33
台701 3 462.77 P2 l 2 0.12 42.50 0.03 0.76 2.44 0.003 42 0.78 0.04 0.43 0.70 0.95 0.64 0.009 7 0.470 8 198.16 170.54

注：a为C值；b为Sr/Cu；c为Rb/Sr；d为Al2O3/MgO；e为Sr/Ba；f为Rb/K；g为Ca/（Ca+Fe）；h为Mn/Fe；i为（Al+Fe）/（Ca+Mg）；j为U/Th；k为V/Cr；l为V/（V+Ni）；m为Ba/Al；n为P/Ti；o为Babio；p为初始产率

图4 吉南凹陷芦草沟组芦一段与芦二段烃源岩沉积环境差异区分图

（a）Rb/Sr与Sr/Cu交会图；（b）Fe/Mn与Al2O3/MgO交会图；（c）C值与Rb/Sr交会图；

（d）Rb/K与Sr/Ba交会图；（e）Ca/（Ca+Fe）与Sr/Ba交会图；（f）（Al/Fe）/（Ca+Mg）与Mn/Fe交会图

Fig. 4 The difference of sedimentary environment of source rocks between Lu 1 and Lu 2 members of Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

图5 吉南凹陷芦草沟组萨101井测井曲线与沉积环境参数柱状图

Fig.5 Logging curve and sedimentary environment parameter column of Well Sa101 in Lucaogou Formation， Ji’nan Sag

4.2　古盐度条件

Sr/Ba、Rb/K以及Ca和Fe的相对含量常作为判别古盐度的重要指标［36，38-39］。一般认为，当Sr/Ba<0.6、Rb/K<0.002 8、Ca/（Ca+Fe）<0.4时，为淡水环境；当0.6<Sr/Ba<1、0.002 8<Rb/K<0.004、0.4<Ca/（Ca+Fe）<0.8时，为半咸水环境；当Sr/Ba>1、Rb/K>0.004、Ca/（Ca+Fe）>0.8时，为咸水环境。
吉南凹陷芦一段Sr/Ba值介于1.22~2.20之间，平均值为1.85；Rb/K值介于0.002 82~0.002 98之间，平均值为0.002 9；Ca/（Ca+Fe）值介于0.67~0.90之间，平均值为0.77。芦二段Sr/Ba值介于0.20~3.18之间，平均值为1.28；Rb/K值介于0.002 38~0.003 62之间，平均值为0.003 0；Ca/（Ca+Fe）值介于0.18~0.81之间，平均值为0.55，表明芦一段烃源岩样品处于咸水环境，芦二段烃源岩样品多数处于半咸水—淡水环境［表3，图4（d），图4（e）］。整体上，吉南凹陷芦草沟组水体咸化程度从芦一段向芦二段呈减少趋势。
此外，伽马蜡烷也可作为水中盐度分层的标志，主要来源于以真菌为食的纤毛虫，其含量随盐度的增加而逐渐增加［40-43］。研究区芦一段烃源岩伽马蜡烷指数（伽马蜡烷/C30霍烷）介于0.38~1.71之间，平均值为0.76；而芦二段伽马蜡烷指数介于0.09~0.38之间（表2），平均值为0.21。分析认为芦一段水体咸化程度更高，这与主量、微量元素反映的结果一致［图5，图6（a）］。
图6 吉南凹陷芦草沟组芦一段和芦二段古盐度与古氧化—还原条件判别图

（a）为伽马蜡烷/C30H与Pr/Ph交会图；（b）为Pr/nC17和Ph/nC18相关图

Fig.6 Discriminant diagram of paleosalisity and paleoxidation-reduction conditions of Lu 1 and Lu 2 members of the Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

4.3　古水深条件

沉积物在搬运过程中Mn元素相对Fe元素较为稳定［39，44］。因此，通常沉积区Mn/Fe值随水体深度增加而增大。此外，由于Ca、Mg主要存在于碳酸盐岩中，随着水深的增加以及陆源物质的缺乏，（Al+Fe）/（Ca+Mg）值逐渐降低。一般认为，当（Al+Fe）/（Ca+Mg）>1、Mn/Fe低值时，为浅水环境；当（Al+Fe）/（Ca+Mg）<0.5、Mn/Fe高值时，为深水环境。
吉南凹陷芦一段Mn/Fe值和（Al+Fe）/（Ca+Mg）值分别介于0.03~0.06和0.18~0.85之间，平均值分别为0.04和0.61；芦二段Mn/Fe和（Al+Fe）/（Ca+Mg）值分别介于0.01~0.05和0.30~4.85之间，平均值分别为0.03和2.22，表明芦草沟组整体沉积于浅水—半深水环境，芦二段水体深度比芦一段浅。前人对准噶尔盆地吉木萨尔凹陷沉积相的研究认为芦草沟组整体为三角洲前缘、浅湖—半深湖沉积体系［45-46］，且吉木萨尔凹陷与吉南凹陷在地层组成、构造演化、沉积环境等方面均极为相似，吉木萨尔凹陷内部J10025井芦一段Mn/Fe值介于0.03~0.05之间，平均值为0.04，芦二段Mn/Fe值介于0.01~0.04之间，平均值为0.03［47］，与吉南凹陷芦草沟组古水深参数大致相当，表明芦草沟组整体沉积于三角洲—湖泊过渡相浅水—半深水环境。

4.4　古氧化—还原条件

U/Th、V/Cr和V/（V+Ni）值被认为是判断氧化—还原环境最可靠的参数［48-49］。一般认为，当U/Th<0.75、V/Cr<2、V/（V+Ni）<0.46时，为强氧化环境；当0.75<U/Th<1.25、4.25<V/Cr<2、0.46<V/（V+Ni）<0.60时，为强氧化—弱还原环境；当0.60<V/（V+Ni）<0.89时，为弱氧化—强还原环境；当U/Th>1.25、V/Cr>4.25、V/（V+Ni）>0.89时，为强还原环境。
研究区芦一段U/Th值介于0.79~0.94之间，平均值为0.89；V/Cr值介于1.10~1.47之间，平均值为1.23；V/（V+Ni）值介于0.62~0.71之间，平均值为0.67，主要为弱还原沉积环境。芦二段U/Th值介于0.53~2.05之间，平均值为0.90；V/Cr值介于0.57~2.10之间，平均值为1.13；V/（V+Ni）值介于0.51~0.81之间，平均值为0.63，表明芦二段沉积时期为弱氧化—弱还原沉积环境［表3，图7（a），图7（b）］。UEF/MoEF与Mo/TOC可以反映水体滞留程度，从而指示沉积时期的古氧化还原环境［44，50-51］。一般认为，MoEF/UEF与Mo/TOC会随着水体还原程度的增加而降低。MoEF/UEF和Mo/TOC关系图版表明，吉南凹陷芦草沟组沉积时期整体为滞留水体环境［图7（c），图7（d）］，与弱氧化—弱还原沉积环境的判别结果一致。因此，吉南凹陷芦草沟组烃源岩整体处于弱氧化—弱还原环境，芦一段还原性强于芦二段。
图7 吉南凹陷芦草沟组芦一段与芦二段烃源岩古氧化条件差异区分图

（a）V/Cr与V/（V+Ni）交会图；（b）U/Th与V/（V+Ni）交会图；（c）Mo-EF和U-EF相关图；（d）Mo与TOC相关图

Fig.7 The difference of paleooxidation conditions between the source rocks of Lu 1 and Lu 2 members of Lucaogou Formation， Ji’nan Sag

除此之外，还可以用生物标志物及岩心颜色对沉积古氧相进行判断。其中Pr/Ph值就可反映有机质的沉积环境，Pr/Ph<1.0反映还原环境，Pr/Ph>2.5反映氧化环境，介于两者之间为过渡环境。吉南凹陷芦草沟组烃源岩样品Pr/Ph值介于0.46~1.12之间（表2），均值为0.86，指示弱氧化—弱还原沉积环境。同时，Pr/nC17和Ph/nC18值是反映沉积环境氧化还原条件的常用指标［52］，该参数也指示了弱氧化—弱还原沉积环境［图6（b）］，与主微量元素分析结果一致。且萨101井岩心整体以灰色、深灰色为主（图5），也表明吉南凹陷芦草沟组整体沉积于弱氧化—弱还原环境［图6（b）］。

4.5　古生产力

湖盆水体古生产力、有机质保存条件等古环境因素综合控制着优质烃源岩的形成。本文通过利用Babio［Babio=Ba样品－Ti样品×（Ba/Ti）标准］，Ti矫正营养元素P（P/Ti）值以及通过Al标准化后的Ba（Ba/Al）值评估古生产力强度［44，51，53］。通常认为，当Babio<200 μg/g、P/Ti与Ba/Al为低值时，古生产力较低；Babio>1 000 μg/g、P/Ti与Ba/Al为高值时，古生产力较高。研究区芦一段Babio值介于100.11~584.92之间，平均值为286.73；P/Ti值介于0.12~0.29之间，平均值为0.19；Ba/Al值介于0.01~0.03之间，平均值为0.02。芦二段Babio值介于0~1 209.55之间，平均值为267.03；P/Ti值介于0.11~14.17之间，平均值为2.32；Ba/Al值介于0.004~0.035之间，平均值为0.011（表3）。Babio、P/Ti与Ba/Al均指示吉南凹陷芦一段沉积时期湖盆具低生产力，芦二段沉积时期湖盆表层水体为中等生产力（图8）。综合判断，吉南凹陷芦草沟组沉积时期湖盆表层水体的初级生产力整体偏低，但由芦一段向芦二段古生产力有增加的趋势，芦二段沉积时期湖盆表层水体的初级生产力更高（图5）。
图8 吉南凹陷芦草沟组芦一段与芦二段古生产力差异区分图

（a）初始产率与Babio相关图；（b）P/Ti与Ba/Al交会图

Fig.8 Paleoproductivity difference between Lu1 and Lu2 members of Lucaogou Formation， Ji’nan Sag

4.6　有机质来源

正构烷烃的分布可以反映有机质的来源，短链正构烷烃（<nC21）主要来自于浮游生物［54］，中长链正构烷烃（>nC21）主要来源于大型浮游植物和高等植物［55］。 n C 21 - / C 22 +和陆源水生比［TAR=（C27+C29+C31）/（C15+C17+C19）］常被用于判断有机质来源［56］。吉南凹陷芦草沟组芦一段和芦二段的 n C 21 - / C 22 +值分别介于1.77~2.76和0.39~2.57之间，平均值分别为2.19和0.97；TAR值分别介于0.17~0.27和0.12~1.67之间，平均值分别为0.22和0.72，表明有机质主要来源于浮游生物和高等植物混合贡献，芦二段具有相对较高的陆源高等植物贡献。Pr/nC17和Ph/nC18值也可以反映有机物的来源［52］，该参数反映芦草沟组有机质主要为混合来源［图6（b）］。
C27甾烷主要来源于藻类和低等水生生物，而C29甾烷主要来自陆源高等植物［57］。利用C27—C28—C29甾烷图版可对有机质来源进行判别，结果表明，芦草沟组整体为浮游生物和陆源植物混合贡献（图9）。芦一段和芦二段C29/C27规则甾烷分别介于2.19~6.53和1.41~3.07之间，平均值分别为4.80和1.97，反映芦一段水生生物贡献更高。
图9 吉南凹陷芦草沟组烃源岩C27—C28—C29规则甾烷相对含量分布三角图

Fig.9 Triangular distribution of C27 -C28 -C29 regular sterane content in source rocks of Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

5 有机质富集模式

有机质的富集常受原始有机质积累能力和保存条件影响。古气候、古盐度、古水深等因素可以控制生物类型和繁盛从而影响古生产力，而氧化还原条件是决定有机质能否保存的关键［25，50-51，58-59］。
芦草沟组烃源岩TOC与古气候指标（Sr/Cu）之间存在负相关关系［图10（a）］，即温暖潮湿的气候条件有利于有机碳的富集，这是由于温暖潮湿的气候条件有利于藻类、细菌等生物的繁殖和生长。研究区TOC随Sr/Ba和Mn/Fe值的增大而减小［图10（b），图10（c）］，表明研究区有机碳主要来源于生长于浅水的淡水生物。TOC含量与（C21+C22）/ （C28+C29）值呈正相关关系［图10（d）］，而与TAR值呈负相关关系［图10（e）］，表明水生生物主导了研究区芦草沟组有机质的富集。综上所述，气候条件更湿润、盐度更低、水深更浅的芦二段更有利于水生生物的生长，尽管芦二段具有相对更多的陆源有机质输入，更繁盛的水生生物生长和更多的陆源有机质输入共同决定了芦二段具有更高的有机碳积累能力，芦二段显著更高的初始生产力也验证了这一点。且古生产力参数与TOC具有较好的正相关关系［图10（f）］，因此芦二段水生生物的繁盛决定了其更高的有机碳富集程度。通常陆源有机质随陆源碎屑物质一同搬运沉积，大量的陆源碎屑也会稀释有机碳含量导致TOC降低，而研究区陆源碎屑输入指标Ti/Al与TOC含量的关系并不明显［图10（g）］，表明研究区陆源碎屑物质的输入没有导致有机碳的稀释。
图10 吉南凹陷芦草沟组烃源岩有机质富集影响因素参数

（a）TOC与Sr/Cu交会图；（b）TOC与Sr/Ba相关图；（c）TOC与Mn/Fe交会图；（d）TOC与（C21+C22）/（C28+C29）交会图；（e）TOC与TAR交会图；（f）TOC与Babio交会图；（g）TOC与Ti/Al相关图；（h）TOC与U/Th相关图；（i）TOC与V/（V+Ni）交会图

Fig.10 Parameter map of influencing factors of organic matter enrichment in Lucaogou Formation， Ji’nan Sag

氧化还原条件直接决定了有机碳是否能够保存，也是有机质富集的重要控制因素，通常还原条件下更有利于有机碳的保存。研究区以水生生物为主要贡献的芦一段的TOC含量随U/Th和V/（V+Ni）值的增大而增大［图10（h），图10（i）］，表明还原环境能够使有机碳更好地保存，因此芦一段有机质的富集主要受水生生物的繁盛和保存条件控制。但芦二段有机碳含量随U/Th和V/（V+Ni）值的增大具有减小趋势，这是由于水体较浅的芦二段沉积时期有一定的陆源有机质输入，水深增大还原性增强时意味着陆源有机质的输入减小且浅水生物的生长受限，因此芦二段有机质的富集主要受水生生物的繁盛和陆源有机质输入共同控制，而整体弱还原—弱氧化的沉积环境对其影响并不大。
综合以上分析，建立吉南凹陷芦草沟组烃源岩有机质富集模式，芦一段古生产力有限，以水生藻类为主，沉积时期弱还原的沉积条件有利于有机质的保存，芦二段沉积时期，水生生物的繁盛和陆源有机质的输入共同决定了其具有较高的初始生产力，合适的陆源供给速率使得有机碳未被陆源碎屑稀释，而整体弱还原—弱氧化的沉积环境对有机质富集的影响不大（图11）。
图11 吉南凹陷芦草沟组烃源岩有机质富集模式

Fig.11 Organic matter enrichment pattern of Lucaogou Formation in Ji’nan Sag

6 结论

（1）准噶尔盆地东部吉南凹陷芦草沟组发育优质烃源岩，有机质整体处于低熟—成熟阶段，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主。
（2）芦草沟组有机质主要来源于水生生物和陆源高等植物混合贡献，且芦二段具有更多的陆源有机质输入。与芦一段沉积时期相比，芦二段沉积时期具有更温暖湿润的气候、更浅的水深、更低的水体盐度、显著更高的古生产力和略强的氧化性。
（3）芦一段沉积时期古生产力有限，以水生藻类为主，弱还原的沉积条件有利于有机质的保存，有机质的富集主要受水生生物的繁盛和保存条件控制；芦二段沉积时期，水生生物的繁盛和陆源有机质的输入共同决定了其具有较高的初始生产力，合适的陆源供给速率使得有机碳未被陆源碎屑稀释，而整体弱还原—弱氧化的沉积环境对有机质富集的影响不大，初始生产力主导了有机质的富集。

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