0 引言
近些年来，随着塔里木盆地库车坳陷油气勘探的不断突破，库车坳陷东部地区已成为油气勘探的重要接替区［6］。侏罗系已经是目前库车油气勘探的重要层系，已发现了迪北气藏、吐东气藏等致密砂岩气藏。已有的研究表明，库车东部侏罗系油气主要来源于三叠系—侏罗系煤系烃源岩［7-9］，其中煤系泥岩的贡献占据主导地位。目前对于煤系泥岩的研究认识仍存在一定的不足，主要体现在3个方面：①侏罗系—三叠系煤系泥岩生烃潜力特征缺乏系统评价，孰强孰弱尚未明确；②垂向上，主力烃源岩层位还不确定，如侏罗系阳霞组、克孜勒努尔组均发育煤系泥岩，两者的地球化学特征是否相同；③区域上，不同地区同一层段煤系泥岩地球化学特征可能存在差异，其控制因素还不明确。笔者应用分子地球化学、有机岩石学、元素地球化学等技术方法，分段、分区系统研究了三叠系—侏罗系煤系泥岩地球化学特征及其差异主控因素，对于深化该区带烃源岩潜力及油气源认识，具有重要的指导意义，为后期的区带评价与勘探部署提供重要参考。
1 区域地质背景
库车坳陷位于塔里木盆地北部，南邻塔北隆起，呈东西展布，是一个以中、新生代沉积为主的二级构造单元，在漫长的地质历史时期中经历了多期构造运动，其中以燕山、喜马拉雅2期构造运动影响最为明显，对现今格局的形成起到至关重要的影响［10-12］。研究区位于库车坳陷东段，自北向南分为依奇克里克构造带、秋里塔格构造带、阳霞凹陷、前缘隆起带4个次级构造单元（图1）。沉积地层以新生界和晚中生界地层发育为主，岩性以砂、泥互层为主要特征。三叠系—侏罗系为浅湖—半深湖、湖沼相地层，其中三叠系黄山街组以湖相沉积为主，塔里奇克组以湖沼相沉积为主。侏罗系阳霞组、克孜勒努尔组以湖沼相沉积为主。前人［13］研究认为，晚三叠世、早侏罗世、中侏罗世是区域上重要的3个泛沼期，沉积了厚层的煤系地层，岩性主要为煤系泥岩、炭质泥岩和煤，其中三叠系塔里奇克组（T3 t）、侏罗系阳霞组第4段（J1 y 4）与克孜勒努尔组第3、4段（J2 kz 3+4）是主要的含煤地层分布段（图1）。空间上，研究区烃源岩也主要发育在三叠系—侏罗系的浅湖—半深湖、湖沼相地层中，与自身储层形成“三明治”式生储盖组合配置，具备大面积成藏地质条件［14-15］。
2 样品采集与测试方法
2.1 样品采集
本文研究共采集烃源岩实验样品9个，包括依南2井烃源岩样品3个，库车河剖面露头样品3个以及吐格尔明剖面露头样品3个，取样层系分别位于侏罗系克孜勒努尔组、阳霞组和三叠系塔里奇克组，样品采集位置、井位见图１。
2.2 实验方法
2.2.1 有机岩石学分析
首先对以上所有样品垂直于层理面切割，制备成光片。随后使用配备有DISKUS Fosslil Hilgers软件的Zeiss Axio Imager显微镜分析烃源岩不同的显微组分。基于紫外光下的反射颜色、结构与荧光强度等对显微组分进行鉴定。
2.2.2 气相色谱分析
全油气相色谱分析采用Agilent7890B型气相色谱仪进行测试，色谱柱型号为HP-PONA，50 m×0.25 mm×0.50 μm；载气为氮气；气体流速为1.0 mL/min；进样采用分流模式，分流比为50∶1。升温程序：30 ℃保持15 min，以4 ℃/min速率升至300 ℃，保持30 min。
2.2.3 气相色谱—质谱分析
烃源岩样品清洗烘干后碎至100目，然后用二氯甲烷＋甲醇（体积比9∶1）混合溶剂抽提72 h，以获取其中的可溶有机质。用正己烷沉淀沥青“A”和原油中的沥青质，用充填有氧化铝的固相层析柱进行族组分分离，分别依次加入正己烷、苯和二氯甲烷＋甲醇（体积比9∶1）混合溶剂，分别洗脱出饱和烃、芳香烃和非烃组分。
分子标志化合物分析采用安捷伦7980B-5977B型气相色谱—四级杆质谱联用仪来完成。色谱柱型号：HP-1 MS（60 m×0.32 mm×0.25 μm），起始温度：70 ℃，保持5 min，然后以4 ℃/min速率升至300 ℃，恒温30 min，载气：氦气，气体流速：1.5 mL/min。质谱条件：EI模式，离子源70 eV，离子源温度200 ℃，质量扫描范围为50~500。
2.2.4 主量与微量元素分析
称取500 mg样品置入马弗炉中，加入7 g的熔剂（无水四硼酸锂+无水偏硼酸锂，比例67∶33）灼烧2 h，搅拌均匀，随后加入50%的脱模剂（无水溴化锂）12滴，置于高频熔样机中，熔样并倒模。制备好的样品采用Thermo ARL 9900X射线荧光光谱仪进行测试主量元素。测试微量元素时，称取50 mg的样品用硼酸镶边垫底，在30 t压力下（停留时间30 s），制成试样直径为32 mm，镶边外径为40 mm的样品片。随后在Agilent 7900 ICP-MS仪器上测试微量元素。主量元素和微量元素的分析精密度均优于5%。
3 地球化学基本特征
3.1 有机质丰度
有机碳含量（TOC）是衡量煤系泥岩有机质丰度的主要指标。通过钻井煤系泥岩岩石热解TOC含量统计（图2），库车东部侏罗系克孜勒努尔组3、4段暗色泥岩烃源岩有机碳含量分布在0.01%~5.96%之间，平均为2.05%，其中0.75%≤TOC<3%的中等烃源岩占比51%，3%≤TOC<6%的好烃源岩占比26%。侏罗系阳霞组4段暗色泥岩烃源岩有机碳含量分布在0.05%~5.51%之间，平均为1.72%，其中0.75%≤TOC<3%的中等烃源岩占比55%，3%≤TOC<6%的好烃源岩占比15%。三叠系塔里奇克组暗色泥岩烃源岩有机碳含量分布在0.01%~5.56%之间，平均为1.81%，其中0.75%≤TOC<3%的中等烃源岩占比52%，3%≤TOC<6%的好烃源岩占比20%。由此可见，侏罗系克孜勒努尔组3、4段煤系泥岩TOC含量要略高于侏罗系阳霞组4段和三叠系塔里奇克组煤系泥岩，可能与母质输入和沉积环境有密切关系。
3.2 有机质类型
3.3 有机质成熟度
4 母质与沉积环境
4.1 生物标志物
4.1.1 类异戊二烯烃
姥植比（Pr/Ph）是一个指示沉积环境氧化还原性的地球化学指标。一般而言，还原的沉积环境具有低的姥植比（Pr/Ph<1.0），氧化的沉积环境具有高的姥植比（Pr/Ph>3.0），而弱还原和弱氧化沉积环境的姥植比则介于两者之间（Pr/Ph=1.0~3.0）［19］。
侏罗系煤系泥岩均具有较高的姥植比，但不同层位烃源岩之间仍存在一定差异，反映出沉积时期沉积环境的氧化还原性发生过明显的变化。以依南2井为例（图5），中侏罗统克孜勒努尔组煤系泥岩姥植比相对较高，一般介于3~7之间，显示出它们可能是偏氧化环境下的产物；而下侏罗统阳霞组烃源岩姥植比相对较低，其值一般介于2~3之间，表明它们属于弱还原—弱氧化环境下的产物。中、下侏罗统烃源岩在姥植比上的差异暗示了下侏罗统沉积时期，湖水相对较深，沉积环境的还原性相对较强，而至中侏罗统沉积时期，湖水变浅，并发生明显的沼泽化，结果导致沉积环境的还原性变差。而湖泊的沼泽化必然会在原始有机质的来源和性质上体现出来，这在生物标志物的分布与组成特征上得到了充分的体现。三叠系塔里奇克组煤系泥岩姥植比与阳霞组相当，说明它们之间在沉积环境的氧化还原性上具有一定的可比性。
4.1.2 甾、萜烷化合物
中侏罗统克孜勒努尔组煤系泥岩一般呈现出富陆源高等植物贡献的C29重排甾烷和规则甾烷，贫藻类贡献的C27甾烷的特征，藿烷系列组成中重排藿烷系列含量较低，贫伽马蜡烷，显示出典型的沼泽环境烃源岩的生物标志物组合特征，三环萜烷系列化合物则呈C19三环萜烷含量占绝对优势，C19/C23三环萜烷含量比值可达4以上，伽马蜡烷/C30藿烷含量比值小于0.1，而下侏罗统阳霞组和三叠系塔里奇克组煤系泥岩三环萜烷系列化合物中C23三环萜烷含量较高，C19/C23三环萜烷含量比值小于1，伽马蜡烷/C30藿烷含量比值大于0.15，图5显示早期湖水分布局限，但水体相对较深，具有一定盐度和还原性较好的沉积特征。由此可见，在生物标志物组成特征上，不同层位煤系泥岩之间的差异是显而易见的。中侏罗统克孜勒努尔组煤系泥岩C27R/C29R、C31H/G和diaC30H/C30H值分别为小于0.30、0.05和0.20。侏罗系阳霞组和塔里奇克组煤系泥岩C24TE/C26TT<1.0、G/C31H>0.30和C27R/C29R>0.60，反映出上三叠统和下侏罗统沉积环境与母质来源明显不同于中侏罗统。
在区域上，同一层位煤系泥岩甾萜烷化合物分布也存在一定的差异，指示在母质构成与沉积环境上的差异性。如图6所示，自西向东，不同层位煤系泥岩（C19+C20三环萜烷）/（C23+C24三环萜烷）、C27/C29规则甾烷、γ-蜡烷/C30藿烷参数均呈现出规律性变化。如克孜勒努尔组煤系泥岩，自西向东（C19+C20三环萜烷）/（C23+C24三环萜烷）分别为1.45、3.04、0.4，C27/C29规则甾烷分别为0.29、0.24、0.68，γ-蜡烷/C30藿烷分别为0.03、0.03、0.06，上述3个参数相互之间基本呈现出此消彼长的特征，可以认为煤系泥岩整体处于淡水环境中，母源构成存在一定差异，东段吐格尔明地区母源构成以低等水生生物为主，西段库车河地区和中段迪北地区以高等植物输入为主。以此类推，阳霞组煤系泥岩整体为淡水环境，低等水生生物与高等植物混合输入，西段库车河地区母质输入更偏向于低等水生生物贡献。三叠系塔里奇克组煤系泥岩形成于微咸水—淡水环境，库车河和迪北地区水体咸度较高，母质类型以低等水生生物为主。由此可见，同为煤系泥岩，在母源构成和沉积环境上的差异性指示不同层段烃源岩对生油、生气的贡献差异，为该地区油气源分析研究提供了参考依据。
4.2 显微组分
图7 库车坳陷东部煤系泥岩样品中显微组分镜下照片（a）依南4井，3 220.8 m，J2 kz，反射单偏光；（b）依西1井，2 906.6 m，J1 y，反射单偏光；（c）克孜1井，2 955.95 m，J1 y，反射单偏光；（d）阳探1井，7 904 m，T3 t，反射单偏光；（e）阳探1井，7 919 m，T3 t，反射荧光；（f）阳探1井，7 925 m，T3 t，反射荧光 Fig.7 Microscopic photos of macerals in mudstone samples from coal measures in the eastern Kuqa Depression |
根据显微组分含量统计结果，库车东部煤系泥岩显微组分组成中明显具有镜质组含量高、壳质组和惰性组相对发育、腐泥组贫乏的特点（图8）。绝大多数煤系泥岩镜质组占比为20%~80%，壳质组可达10%~60%，惰质组占比为3%~30%，腐泥组相对含量为0~30%。不同层位煤系泥岩显微组成有一定的差异，侏罗系克孜勒努尔组煤系泥岩中镜质组和惰质组含量较高，一般达30%~80%，侏罗系阳霞组和三叠系塔里奇克组煤系泥岩除了镜质组含量较高之外，与克孜勒努尔组相比，壳质组含量也明显偏高，可见不同层位母质输入的差异。从油气成因的角度来看，侏罗系阳霞组和三叠系塔里奇克组煤系泥岩较侏罗系克孜勒努尔组更富氢，生油能力可能要好于克孜勒努尔组。
另外，在不同地区各显微组分含量也存在明显的差异。从图9可以看出，自西向东，克孜勒努尔组煤系泥岩腐泥组+壳质组含量呈增加趋势，指示吐格尔明一带该套烃源岩更利于生油。阳霞组和三叠系塔里奇克组煤系泥岩呈现出库车河与吐格尔明地区壳质组含量高，迪北段低的特点。总体来说，库车坳陷东部晚三叠世—早侏罗世，库车河与吐格尔明地区沉积环境与母质类型较为相似，对生油条件更有利，迪北段以生气为主。中侏罗世，沉积环境发生变化，吐格尔明地区煤系泥岩生油条件较好，而库车河地区煤系泥岩可能以生气为主。
4.3 元素地球化学
众所周知，烃源岩发育受古气候、古生产力、氧化还原条件以及古盐度等要素控制［21］。研究表明，Sr/Cu可作为古气候变化的灵敏度指标［22-24］， 1<Sr/Cu<10反映潮湿—半潮湿气候，Sr/Cu>10为干燥气候［25］。研究区各层组煤系泥岩微量元素的分布特征表明发育环境的差异性。从图10（a）中可见，晚三叠世塔里奇克期到中侏罗世克孜勒努尔期，3<Sr/Cu<8，整体处于潮湿—半潮湿气候，塔里奇克组、阳霞组Sr/Cu值略低于克孜勒努尔组，反映出前两者沉积时期气候更湿润，植物大量供给，为煤系泥岩发育提供了丰富的有机质。金属元素含量比Ni/Co为判识古湖泊水体氧化还原条件的有效参数，Ni/Co<5为富氧环境，5<Ni/Co<7 为贫氧环境，Ni/Co>7为厌氧环境等［24］。研究区煤系泥岩Ni/Co值介于2~4之间，反映出整体处于富氧环境，但从晚三叠世塔里奇克期到中侏罗世克孜勒努尔期，Ni/Co值呈逐渐增大的趋势，表明水体还原性经历了由强到弱的演化过程，富氧环境更利于煤系泥岩的发育。
5 结论
（1）塔里木盆地库车坳陷东段三叠系—侏罗系煤系泥岩主要发育在三叠系塔里奇克组、侏罗系阳霞组4段和克孜勒努尔组3+4段，有机质丰度高，生烃条件好。不同层段间煤系泥岩间有机碳含量存在一定差异，三叠系塔里奇克组、侏罗系阳霞组4段煤系泥岩有机碳含量要低于克孜勒努尔组，煤系泥岩发育控制因素存在差异。
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（2）不同层段煤系泥岩母质来源构成与沉积环境存在差异。与中侏罗统克孜勒努尔组相比，上三叠统塔里奇克组和下侏罗统阳霞组4段中的煤系泥岩低等水生生物输入比例增加，更富氢，除具备很好的生气能力外，还具备一定的生油能力。上三叠统塔里奇克组到中侏罗统克孜勒努尔组沉积时期，水体还原性经历了由强到弱的演化过程，早期水体相对较深，具有一定盐度和还原性较好的沉积特征，中侏罗世克孜勒努尔期的富氧环境更利于煤系泥岩的发育。
（3）不同地区同一层段煤系泥岩母质来源构成与沉积环境也存在一定差异。整体来说，自西向东，三叠系—侏罗系煤系泥岩低等水生生物的贡献在增加，还原性增强、沉积速率降低，更利于有机质保存，生油条件更好，为区域油气源与分布规律认识提供重要支撑。
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