0 引言
烃源岩是油气产生的物质基础，是石油地质学和油气地球化学领域关注的重点内容［1-2］。目前关于烃源岩的研究国内外已经开展了大量的工作，涉及烃源岩地球化学特征、沉积环境、分布规律以及发育模式等，但研究主要针对海相环境以及大型湖泊等沉积体系，而特殊地质背景（盐湖、碱湖等）和事件作用（火山、热液等）影响下的烃源岩特征、发育机理以及对烃源岩发育的影响机制研究则较少［3-6］。烃源岩发育受多种因素控制，主要为构造和气候条件约束下的有机质供给、有机质保存和有机质稀释等因素［7-11］。其中，有机质供给决定了有机质的原始总量，主要来源于古生产力和陆源有机质输入，如西非大陆架地区海水上涌携带了丰富的营养物质而导致生物勃发，形成了高生产力区域［8］；有机质保存是烃源岩以及优质烃源岩发育的关键，既受控于宏观构造运动和气候条件的影响，又受控于微观水体环境的变迁，如黑海强烈的水体分层导致底部水体环境为强还原条件，有机质降解较少，保存条件好［7-10］；而有机质稀释则主要指伴随物源输入的过程中，大量非有机质的输入会稀释原始的有机质丰度而导致烃源岩质量不佳［11］。
有机质供给是烃源岩形成的基础，而有机质保存是烃源岩形成的关键。近年来国内外学者主要针对海相以及大型湖泊条件进行了有机质保存方面的研究，而关于小型盐湖有机质的富集与保存研究则较少［12-14］。前人［3，5，15-16］大多观点认为盐湖由于水体盐度过高会导致物种数量减少，但生物总量显著提升，即盐湖生产力较高，同时高盐度会引起水体分层，导致水体底部形成还原环境，有利于烃源岩发育与保存。但现代湖泊研究表明盐度与生产力并非简单的正相关关系，过高或过低的盐度可能都不利于生物勃发，不同的水生生物适应的盐度明显不同，生产力的盐度响应有待于进一步深化研究［17］。实际上，湖泊水体较深或者强还原环境未必有利于有机质保存，深水中有机质长距离沉降的过程中可能被氧化，而还原环境中如果含硫酸盐，诱发细菌硫酸盐还原作用，有机质可能被大量降解［7，9-10，18］。前人［3，5，10，12，17，19］通过统计部分盐湖凹陷含盐层位烃源岩发育的特征发现盐湖与烃源岩发育没有必然的关系，含盐层系未必发育烃源岩，而且盐湖烃源岩发育差异很大，不同盐湖烃源岩的TOC明显不同。因此，盐湖烃源岩的发育机理有待于进一步深化研究。
柴达木盆地石油与天然气地质储量丰富，资源潜力巨大，勘探前景广阔，但目前探明率较低，处于勘探早期阶段［20］。虽然柴达木盆地西北区（柴西北）新近系已经取得了一定的勘探成果。勘探实践表明，柴西北区浅层以油为主，深层以气为主，部分构造带油气分布空间上相互叠置（图1），但关于柴西北新近系烃源岩的发育机理研究却较少，何种类型烃源岩或其生烃母质导致该区成为一个既富油又富气的区带还不明确。大多学者［3，12，15］认为烃源岩的发育受湖水盐度控制，盐度越大，有机质丰度越高，优质烃源岩越发育。而关于不同母源生物勃发对应的盐度范围，母源生物的类型与分布以及沉积环境与有机质发育的关系等方面还尚未开展系统研究，有待进一步深化。因此，本文基于有机和无机地球化学数据，对柴西北新近系盐湖相烃源岩的特征以及发育机理进行了系统梳理，对于丰富盐湖烃源岩理论以及页岩油气的勘探开发具有重要的理论和实际意义。
1 区域地质概况
研究区新生界最大埋深约为9 000 m，其中新近系由下至上主要包括上干柴沟组（N1）、下油砂山组（N2 1）、上油砂山组（N2 2）和狮子沟组（N2 3）［12，17］［图1（b）］。各套地层在盆地内均呈连片分布，是由碎屑岩、黏土岩、碳酸盐岩和盐类沉积物等多种岩石在干燥或半干燥气候条件下组成的滨浅湖—半深湖沉积物［12，17，20-23］。由于古构造、古气候、古物源、古地形等条件的差异性和分割性，柴达木盆地具有一个主沉降中心和多个局部沉降中心，并且沉积中心随时间推移而出现有规律的转移，整体经历了“发生［古新世—始新世早期至渐新世早期（E1+2—E3 1）］—发展［渐新世晚期至上新世早期（E3 2—N2 1）］—消亡［上新世晚期（N2 2—N2 3）］”三大演化阶段［17， 20-23］。其中，新近系N1在研究区以半咸水—咸水浅湖相混积型碳酸盐岩沉积为主，发育灰褐色泥岩和灰质泥岩，夹少量薄层灰色灰质砂岩及厚层状灰色、浅灰色含灰粉砂岩；N2 1上部为灰色粉砂质泥岩与泥灰岩互层，下部为灰色、深灰色泥岩、灰泥岩互层；N2 2以一套浅湖相的灰泥岩与砂泥岩为主，含少量碳酸盐岩；N2 3主要为灰色泥岩，夹少量的钙质泥岩和膏泥岩、含膏泥岩［图1（b）］。
2 烃源岩地球化学特征
2.1 有机质丰度
有机质丰度反映了烃源岩中有机质的相对含量，是决定烃源岩生烃能力的主要因素，目前常用的有机质丰度指标包括总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、总烃含量（HC）以及岩石热解生烃潜力（S 1+S 2）等，其中TOC含量是评价烃源岩普遍采用的有效指标［5，13，16］。根据研究区油泉子构造探井岩心样品X射线衍射全岩分析，N1、N2 1源岩段的碳酸盐岩（白云石+方解石）平均含量为40%，黏土矿物平均含量为28%。同时研究区本身为一咸化湖盆，有机质在盐类、特殊矿物等催化作用下，相同有机碳含量的烃源岩烃转化率高达30%以上，远高于其他盆地淡水湖相烃源岩。基于上述两点分析，综合前人所建立的咸化湖盆与碳酸盐岩烃源岩评价标准，本文研究区将TOC=0.2%作为有效烃源岩下限，TOC>0.6%即为好的烃源岩[20,24-27]。
统计分析研究区4套地层大量的TOC和岩石热解数据，结果表明，柴西北区新近系烃源岩的TOC值主要介于0.2%~2%之间，S 1+S 2值主要介于0.1~10 mg/g之间（图2）。其中，N1烃源岩TOC平均值为0.62%，51%的样品大于0.60%，S 1+S 2平均值为1.411 mg/g，68%的样品大于1 mg/g；N2 1烃源岩TOC平均值为0.61%，63%的样品大于0.60%，S 1+S 2平均值为1.662 mg/g，58%的样品大于1 mg/g；N2 2烃源岩TOC平均值为0.58%，34%的样品大于0.60%，S 1+S 2平均值为1.192 mg/g，39%的样品大于1 mg/g；N2 3的TOC平均值为0.42%，S 1+S 2平均值为0.855 mg/g。TOC值大于0.6%，S 1+S 2值大于2 mg/g的好烃源岩主要分布于N1、N2 1和N2 2，根据咸化湖盆烃源岩评价标准，整体属于好的烃源岩。而N2 3的TOC值整体小于0.6%，S 1+S 2值整体小于2 mg/g，属于较差烃源岩（图2）。
2.2 有机质类型
烃源岩的生烃能力不仅受有机质丰度影响，还与有机质的类型有关，通常用岩石热解最高峰温T max和氢指数（I H）进行有机质类型的划分［5，13，16］。结果显示，柴西北新近系烃源岩I H值大多低于400 mg/gTOC，部分最高可达600 mg/gTOC，T max值分布在400~450 ℃之间，但主体介于420~450 ℃之间（图3），H/C原子比介于1~1.5之间，O/C原子比介于0.05~0.3之间，表明有机质类型以Ⅱ型为主，其次为Ⅲ型。不同组的烃源岩的T max和I H值存在差异，表明有机质类型存在一定不同。其中Ⅱ型有机质主要分布于N1、N2 1和N2 2，结合有机质丰度指标分析，柴西北区新近系好烃源岩的有机质类型主要为II型，其次为III型（图3）。
2.3 有机质成熟度
3 古沉积环境
3.1 沉积水体古盐度
通过统计研究区不同组的Sr/Ba值和GI值后发现，柴西北新近系烃源岩的Sr/Ba值分布范围为0.44~3.2，平均值整体大于1，GI值介于0.08~0.81之间，平均值可达0.46，表明研究区新近系沉积期湖泊水体盐度极高，整体可达到咸水级别，几乎不发育淡水环境（图5），这与炎热干旱的气候条件密切相关。
3.2 沉积水体氧化还原环境
4 烃源岩有机质来源
4.1 地球化学指标
通过上述分析可知，柴西北区新近系N1与N2 1烃源岩以II型有机质为主，对生烃贡献较大。通过对研究区不同组烃源岩的TOC与I H进行相关性分析发现，TOC与I H具有一定程度的正相关关系（图7），表明除陆源有机质贡献外，原地水生生物对有机质也有重要贡献。
4.2 微体古生物特征
微体古生物是生成油气的原始物质来源之一，并能为沉积环境分析提供重要信息［3，5，8，15-16，37］。不同类型成烃生物的生烃潜力差异较大，对烃源岩中成烃生物的类型进行分析，可以为烃源岩有机质来源、沉积环境、生烃潜力和油源对比等研究提供佐证［3，5，8，15-16，37］。微体古生物分析是明确有机质来源的最直观手段，通过对研究区烃源岩样品进行粉碎、溶解、制片等过程，在显微镜下判识藻类碎片以及藻类的种属和含量后可以发现，柴西北新近系烃源岩中可见褶皱藻、皱球藻、红藻（II型干酪根）、葡萄球藻和盘星藻等藻类有机质（图9）。其中褶皱藻和皱球藻含量相对较高，红藻和葡萄球藻含量较低（图10），盘星藻数量极少，不具备统计意义。前人研究发现，褶皱藻和皱球藻为绿藻门，具有较强的生油能力，表明研究区烃源岩具有良好的生烃潜力［3，5，8，15-16，37］。
图9 柴西北翼评1井新近系烃源岩微体古生物镜下照片（a） 褶皱藻，2 655.6 m； （b）、（c） 红藻（Ⅱ型干酪根），2 688.5 m；（d）皱球藻，2 655.6 m；（e）葡萄球藻，2 682.0 m；（f）盘星藻，2 682.0 m Fig.9 Micropaleontological microfacies of Neogene source rocks in Well Yiping 1， Northwest Qaidam Basin |
综上所述，通过对烃源岩的TOC与I H特征、甾烷特征和微体古生物特征进行综合分析认为柴西北新近系烃源岩中的有机质主要来源于水生生物和陆源生物，且原地水生生物对有机质丰度起重要的控制作用，具备一定的生油潜力。
5 烃源岩发育的控制因素
5.1 沉积水体盐度
因此，新近系烃源岩沉积时期的水体盐度对烃源岩发育有明显的影响，为了揭示盐度影响烃源岩发育的具体机理，本文进一步开展盐度对生产力和氧化还原程度的影响研究。
5.2 古生产力
水体古生产力的范围及营养水平很大程度上标志着有机质富集程度，尽管不同学者关于二者之间的对应标准还有不同意见，但从生产力范围和营养水平与盐度间的关系看，二者都有随盐度增加而提高的趋势［3，5，15-16］。例如，在我国现有的半咸水湖中，青海湖也具有较高的生产力范围。而在咸化程度更高的咸水湖和盐湖中，虽然盐度高的地区生产力范围不总是最高的，高盐度时期也不对应最高的生产力范围，但现有的沿海和大陆高盐环境仍是高有机质产率的地区［3，5，15-17］。除此之外，生物种属的数量及生物总量对有机质富集也有重要的影响，咸化湖泊中存在的大量藻类和光合细菌正是生产高丰度有机质的基础［3，5，8，15-16］。通常情况下，淡水环境中的生物种属较丰富，而海洋环境和盐湖随着盐度的升高会导致生态环境逐渐恶化，仅有少数水生生物能够适应超过海水盐度的高盐环境。当盐度过高时，生物种属的数量随着水体盐度的升高而降低［3，5，8，15-16，37］。这一特征与研究区烃源岩有机质丰度与盐度的“两段型”关系模式相吻合（图11），从而印证了这一关系的合理性。
以往通常认为过高的盐度可能会抑制某些水生生物的生长和繁殖，但同时也可能引起某些优势物种的爆发。通过表征盐度的Sr/Ba和GI指数与表征有机质类型的甾烷参数进行相关性分析可知，盐度越高，烃源岩水生有机质的比例越高、陆源有机质的比例越低（图12）。
5.3 氧化还原程度
综合分析柴西北新近系烃源岩的Sr/Ba和GI与Pr/Ph之间的关系，发现Pr/Ph与Sr/Ba和GI相关性较弱，表明湖盆水体氧化还原程度与盐度关系较弱，盐度较高时沉积环境并未表现出强还原特征（图14）。这可能与新近系烃源岩主要为滨浅湖沉积有关，沉积期湖水较浅，水体较动荡，盐度引起的水体分层不稳定，难以在水体底部形成整体稳定的还原环境，但局部存在还原条件。
通过上述分析可知，新近系烃源岩的沉积环境主要为弱还原到还原环境，虽然整体未发育稳定的强还原环境，但氧化还原程度对烃源岩有机质丰度的影响十分明显。随着氧化程度的增强，烃源岩TOC表现出明显的下降趋势，即还原程度越强，烃源岩TOC越高（图15）。
5.4 沉积速率
本文根据地层厚度和沉积时间，计算了研究区新近系各组烃源岩的沉积速率，统计了沉积速率与TOC平均值（图16）。结果显示，烃源岩的TOC随沉积速率增大具有先增大后减小的趋势。当沉积速率小于5 cm/ka时，沉积较为平缓，最为适宜有机质沉积与保存，此时烃源岩的TOC整体较高，部分可达0.8%；沉积速率在5~15 cm/ka时，随着沉积速率增大，烃源岩TOC逐渐降低；而当沉积速率大于15 cm/ka时，TOC降低趋势更为明显，源岩质量变差。综上所述，湖盆沉积较为稳定时期有利于源岩发育，在沉积速率为0~5 cm/ka时，其源岩品质最好，随着沉积速率增加，源岩品质逐渐变差。
6 烃源岩发育模式
综上所述，盐度对烃源岩发育有明显的控制作用，表现为适中的盐度最利于烃源岩发育，盐度对生产力影响明显，盐度越高、生产力越大，烃源岩中水生有机质比例越大。另外，整体适中的沉积速率以及弱还原到还原条件的水体环境有利于有机质的富集与保存，导致柴西北区新近系烃源岩具有良好的质量。
综合烃源岩地球化学特征、沉积环境、有机质来源以及烃源岩发育的控制因素，本文建立了柴西北新近系烃源岩的发育模式。柴西北这类小型浅水咸化湖盆与旧模式存在一定差距，这主要由于沉积环境和地质条件导致。柴西北新近系烃源岩发育于咸水—半咸水小型湖盆，沉积水体较浅，高盐度促进了水生生物生长，导致古生产力较高。同时，较高的水体盐度并没有导致浅水小型湖盆产生整体稳定的盐度分层现象，水体底部整体为弱还原到还原环境，较利于有机质保存。另外，小型浅水湖盆靠近物源处，沉积速率较大，有机质稀释作用明显。因此，适宜的盐度和沉积速率以及偏还原的水体条件是控制烃源岩发育的主要因素：盐度控制有机质生产，沉积速率和氧化还原条件控制有机质丰度，沉积速率越大，稀释作用越明显，导致烃源岩主要分布于沉积中心附近的缓坡带（图17）。
前人［3，5，15-16］研究大多认为盐湖对烃源岩发育有明显的促进作用，但具体影响作用在不同湖盆存在差异。WARREN［38］在对比总结世界上数百个咸化（含油气）盆地的基础上，发现内陆断陷咸化湖盆，在断陷最深的地方沉积最厚的盐，盐源一类为入湖水系携带进去，另一类为深部物质沿深大断裂进入。由于盐主要沉积于最深处，使得有机质得到较好保存，易形成优质的烃源岩。我国咸化湖盆优质烃源岩与盐岩厚度均呈正相关关系，即盐度对烃源岩形成有明显的促进作用（表1）。东濮凹陷古近系咸化时期主要为沙河街组，在沙一段和沙三段咸化程度最高，达到了盐岩析出结晶的程度，在凹陷中心发育了多套巨厚的、分布广泛的膏盐层；烃源岩越靠近膏盐岩，烃源岩有机质丰度越高。当烃源岩与膏盐岩距离超过30~40 m时，烃源有机质丰度受膏盐岩的影响明显减弱，同样说明膏盐岩发育区烃源岩有机质丰度高［39］。
表1 咸化湖盆烃源岩地球化学特征与发育特征Table 1 Geochemical characteristics and development of source rocks in saline lacustrine basin |
| 盆地 | 凹陷 | TOC/% | 类型 | 盐类 | 烃源岩与盐度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 渤海湾盆地 | 东濮凹陷 | 平均1.5 | II1型为主 | 石盐 | 促进烃源岩发育 |
| 江汉盆地 | 潜江凹陷 | 平均1.2 | II型为主 | 石膏 | 促进烃源岩发育 |
| 渤海湾盆地 | 东营凹陷 | 平均1.0 | I型—II型 | 石膏 | 促进烃源岩发育 |
| 准噶尔盆地 | 吉木萨尔凹陷 | 平均3.6 | II型为主 | 碳酸盐岩 | 盐度与烃源岩发育没有明显关系 |
| 柴达木盆地 | 柴西坳陷西北区 | 平均0.8 | II型为主 | 碳酸盐岩 | 适宜盐度促进烃源岩发育 |
东营凹陷沙河街组盐湖沉积有机质类型主要为I—II1型，泥岩有机质类型主要为II型，膏盐泥岩有机质丰度高于泥岩，表明盐湖促进了烃源岩发育［42］。东营凹陷沙河街组沉积时期，盐明显提高了水体生产力，沉积环境为富硫化氢的缺氧环境，有机质保存条件好，有利于优质烃源岩发育［43］。芦草沟组为微咸水沉积，芦草沟组岩心未见石膏和石盐，碳酸盐含量较高（平均为35%），镜下见石盐。整体上稳定，纵向上波动较小，由下至上先增大后减小再增大，烃源岩有机质丰度（TOC）与氢指数（I H）变化与盐度相关性较弱。综合对比上述盐湖相烃源岩发育可知，盐度较大的湖泊，盐度明显促进烃源岩发育（东濮、潜江和东营）。中等盐度的湖盆，例如本文研究的柴西北区与我国东部咸化湖盆相比，总体咸化程度较低，较纯的盐岩分布局限，厚度也较小，上述沉积特征决定了只有在适宜的盐度下才可发育优质烃源岩。较低的湖泊盐度与烃源岩发育没有明显关系（吉木萨尔）（表1）。
7 结论
（1）柴西北新近系烃源岩的TOC值主要介于0.2%~2%之间，不同层组烃源岩品质差异较大，基于多种地球化学与岩石学手段分析，优质烃源岩主要分布于N1，以II型有机质为主，其次为III型有机质，整体达到成熟演化阶段，N2 1和N2 2源岩质量次之，N2 3最差。
（2）柴西北新近系烃源岩沉积环境为弱还原—还原环境，主要为半咸水—咸水沉积体系，有机质来源以水生和陆源有机质混合为主，且原地水生生物对烃源岩中有机质有重要贡献，具体为褶皱藻和皱球藻。
（3）适宜的盐度和沉积速率以及偏还原的水体条件是控制柴西北新近系烃源岩发育的主要因素。盐度控制有机质生产，沉积速率和氧化还原条件控制有机质丰度。综合烃源岩地球化学特征和烃源岩发育的控制因素，建立了柴西北新近系烃源岩的发育模式，优质烃源岩主要分布于沉积中心附近的缓坡带。
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