通过对塔里木盆地西北缘下寒武统玉尔吐斯组沉积地层特征及地球化学分析,研究了玉尔吐斯组沉积时期水体氧化-还原环境及初级生产力的变化特征,探讨了玉尔吐斯组黑色岩系有机质富集机制及烃源岩分布的主要控制因素。塔里木盆地西北缘玉尔吐斯组可分为5段:底部黑色含磷硅质岩段,下部黑色泥岩段,中部灰色白云岩段,上部黑色页岩与灰色微晶灰岩互层段,顶部浅灰色粉晶白云岩段。它们构成一个完整的海侵-海退沉积旋回。氧化-还原指标及热液示踪参数显示玉尔吐斯组黑色岩系不同层段的形成环境存在差异:底部硅质岩形成于缺氧环境,热液活动显著;下部黑色泥岩形成于强缺氧硫化环境,热液活动较强;上部黑色页岩形成于贫氧-氧化环境,热液活动较弱。综合研究表明:玉尔吐斯组黑色岩系沉积时期,水体先变深后变浅,氧逸度先降低后升高,古生产力逐渐减弱,在缺氧的水体条件和热液作用主导的高生产力综合控制下形成了以玉尔吐斯组下部黑色泥岩为代表的优质烃源岩。

上扬子地区下寒武统页岩展现出了良好的页岩气勘探前景,是中国乃至全球开展古老层系海相页岩气勘探研究的重要领域。利用高分辨率层序地层学方法在海相细粒沉积岩中建立高精度层序地层格架,对川西南地区下寒武统进行层序划分与对比,可有效预测富有机质发育层段,指导非常规油气勘探。本文以川西南地区下寒武统麦地坪组-筇竹寺组细粒沉积岩为研究对象,选取金石103井,通过岩心精细描述和高精度薄片分析,将麦地坪组-筇竹寺组划分为磷质岩、弱纹层硅质泥岩、硅质粉砂质泥岩、变形层理泥质粉砂岩、块状硅质粉砂岩、暗纹层粉砂质泥岩、透镜状粒序泥质粉砂岩、波状纹层泥质粉砂岩、贫纹层粉砂质泥岩、富纹层泥质粉砂岩和钙质胶结硅质粉砂岩等11种岩相类型,并以此为基础识别了混积潮坪、泥质深水陆棚、砂泥质深水陆棚、泥质浅水陆棚和砂泥质浅水陆棚5类沉积相;通过岩心精细观察,识别出了3个三级层序界面,包括震旦系-寒武系不整合面SB1、麦地坪组-筇竹寺组岩性突变面SB2和岩性组合转换面SB3。根据岩相叠加样式及沉积构造定量统计,在麦地坪组-筇竹寺组中划分了35个准层序、14个准层序组,总结了由潮汐流控主导的“磷质颗粒灰岩+磷质-钙质砂岩+钙质-磷质泥质粉砂岩”(HST1准层序单元)、受重力流和底流协同作用的“钙质胶结粉砂岩+块状粉砂岩/变形层理泥质粉砂岩+暗纹层粉砂质泥岩”(HST2准层序单元)、受风暴浪作用为主导底流作用协同影响的“透镜状粒序泥质粉砂岩/波状纹层泥质粉砂岩/变形层理泥质粉砂岩+暗纹层粉砂质泥岩”(TST3准层序单元)和受波浪与重力流共同影响的“钙质胶结粉砂岩+富纹层状泥质粉砂岩+贫纹层状粉砂质泥岩”(HST3准层序单元)等4类典型准层序叠加样式,识别了6个体系域,划分出3个完整的三级层序单元。结合沉积相和层序特征,建立了麦地坪组-筇竹寺组“混积陆棚—深水陆棚—浅水陆棚”的演化过程。

寒武纪早期地球环境和生物面貌发生了巨大变化,中上扬子广泛发育的富有机质沉积是重要的烃源岩。了解这套烃源岩的形成与古地理背景、古气候和古海洋之间的耦合关系,明确不同沉积环境有机质富集机理的差异有助于我们认识环境与资源的内在联系,为资源潜力分析提供地质依据。本研究以鄂西-黔东北地区早寒武世沉积剖面为研究对象,通过岩石学、有机地球化学(岩石热解、干酪根碳同位素和总有机碳)和无机地球化学(主量、微量元素和全岩矿物X衍射)方法,识别了烃源岩特征,对比分析了内陆架盆地(或台盆相)和斜坡相有机质富集的主控因素。结果显示,研究区早寒武世有机质已高过成熟,干酪根类型以Ⅰ型为主。内陆架盆地/台盆相的鸭子口剖面Al含量,Ba、Cu、Zn和Ni等营养元素含量,以及黏土含量在有机质富集段无明显变化;Mo、U和V等氧化还原敏感元素和TOC含量在水井沱组下段较高,向上逐渐减小;Th/U值和V/(V+Ni)值分别均小于2和大于0.54,指示水井沱组下段持续缺氧。斜坡相ZK513井Al含量和黏土含量在有机质富集段无明显变化;Ba、Cu、Zn和Ni等营养元素,Mo、U和V等氧化还原敏感元素以及TOC含量的变化趋势耦合,在牛蹄塘组、九门冲组上段分别有明显和略微增大,表明初级生产力增大和水体缺氧硫化。Th/U值和V/(V+Ni)值显示牛蹄塘组缺氧硫化,九门冲组上段整体缺氧。结合古地理背景以及前人的研究认识,认为斜坡相的ZK513井有机质富集的主控因素是较高的生产力和有利保存条件,即上升洋流带来的营养元素促进了初级生产力,形成大量有机质并引发后续的细菌硫酸盐还原作用(BSR)和海水缺氧硫化;内陆架盆地/台盆相的鸭子口剖面初级生产力未明显增强,有机质富集主要受保存条件控制。

我国中西部盆地深层、超深层油气相态、分布深度和油气贫富差异大,盆地温度场是制约油气成藏及烃源岩成熟演化的关键要素。本文以塔里木盆地和四川盆地寒武系为研究对象,系统解析盆地古、今温度场特征,明确寒武系烃源岩热演化及其差异性,探讨热演化对油气生成及油气相态的控制作用。结果表明,塔里木盆地和四川盆地现今平均热流为(42.5±7.6)和(53.8±7.6) mW/m²,反映了“冷盆”和“温盆”特征。塔里木盆地热流自早寒武世以来呈下降趋势,早二叠世受岩浆活动的影响,出现短暂的峰值。四川盆地寒武纪至早二叠世为稳定低热流,早二叠世末受峨眉山地幔柱热效应的深刻影响,热流快速上升,晚二叠世以来热流下降。由于四川盆地的热状况一直高于塔里木盆地,同时受二叠纪岩浆活动的差异影响,盆地寒武系烃源岩成熟演化、油气生成和相态存在差异。塔里木盆地寒武系烃源岩的热演化具有3种类型:(1)古生代迅速成熟演化定型;(2)早古生代快速演化-后期持续演化型;(3)早古生代和中生代快速演化型。四川盆地寒武系烃源岩的热演化具有3种类型:(1)持续演化型;(2)加里东期热演化停滞-中生代持续演化型;(3)加里东期和印支期热演化停滞-后期持续演化型。极低的地热背景使得塔里木盆地深层-超深层仍存在液态烃保存的有利温度条件。

塔里木盆地塔北及周缘地区奥陶系碳酸盐岩作为有效烃源岩已成为学者们的共识,然而,对碳酸盐岩烃源岩生、残、排烃特征及贡献研究相对较为薄弱。本文通过研究区21口井测井、热模拟参数等数据分析,应用地质地球化学统计分析与数值模拟相结合的方法,分析了生-残-排烃特征,并阐明了不同演化阶段排烃相态特征和排烃量贡献。结果表明:奥陶系碳酸盐岩烃源岩生烃中心位于顺托果勒-顺南缓坡,烃源岩以水溶相、油溶相、扩散相和游离相多种相态的综合排烃,不同相态排烃比例分别为6.5%、0.4%、9.8%和83.3%。结合研究区优势运移通道及优质储层分布区域,顺托果勒低隆起-顺南缓坡断裂展布区以及沙西凸起南部-顺北缓坡带等地区可作为下一步的重点勘探地区。

塔里木台盆区下古生界海相碳酸盐岩地层是我国深层油气勘探的热点领域,但深层-超深层天然气的成因来源判识及成藏过程分析至今仍是天然气地球科学的难点问题。本次研究对塔里木台盆区下古生界天然气的组分及同位素组成进行了测定,结合前人研究成果及地质条件,认为甲烷氢同位素组成(δ²H₁)是研究区更可信的成熟度评价指标,并建立了利用δ²H₁值、烷烃气碳同位素值及干燥系数讨论天然气成因来源、生气机理及次生作用的新模式。研究表明:塔里木台盆区下古生界富集了由不同热演化程度、不同成因类型和不同地球化学组成特征的烃源岩生成的天然气,且大部分天然气藏来源于相对开放的生烃系统的贡献,原油裂解气的贡献相对较低,但受控于碳酸盐岩储层和疏导体系发育的强非均质性,也有部分天然气藏来源于相对封闭的生烃环境且具有较高的原油裂解气的贡献。这些成因来源复杂多样的天然气在运聚成藏过程中还发生了以混合和氧化蚀变为主的次生改造作用。

顺北地区4号断裂带奥陶系油气藏相态复杂,自NE向SW,油气藏相态的变化情况是挥发油藏—低气油比凝析气藏—高气油比凝析气藏—中等气油比凝析气藏。使用地球化学分析方法研究了顺北4号断裂带油气藏的地球化学特征,分析了相态差异性的成因。4号断裂带原油生标含量低甚至缺失,原油生源与1号断裂带原油生源相同。4号断裂带原油成熟度高于1号断裂带原油,等效反射率为1.14%~1.60%。4号断裂带天然气干燥系数由NE向SW 方向渐进增大,天然气成熟度为1.30%~1.70%。天然气中H₂S、CO₂含量由NE向SW方向呈现增加的趋势。全油色谱正构烷烃摩尔分数对数与正构烷烃碳数的关系表明,4号断裂带原油未遭受蒸发分馏作用;4号带原油金刚烷含量分布范围为27.26~523.31 μg/g,原油裂解作用程度为20.5%~95.8%,裂解程度较1号断裂带原油裂解作用高;SB4、SB41X-C和SB42X井原油硫代金刚烷含量为33.76~76.92 μg/g,表明这些油气藏发生了硫酸盐热化学还原(TSR)作用。顺北4号断裂带奥陶系油气藏相态变化与两个因素有关:一是4号断裂带地温梯度呈现两侧略低、中部较高的特点,这使得中部烃源岩生成的油气成熟度较高,中部油气藏原油裂解作用较强;二是中部及SW部油气藏发生了TSR作用,这导致油气藏中CO₂、H₂S和GOR(气油比)增加。