丁聪，孙平昌，2，热西提·亚力坤，王畅，张瀛，张晴

（1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.吉林省油页岩及共生能源矿产重点实验室，长春 130061；3.北京师范大学珠海分校 统计学院，广东 珠海 519087；4.吉林大学 经济学院，长春 130012）

随着油气勘探由常规油气向非常规油气跨越，发育于深水的富有机质细粒沉积岩已经成为当前非常规油气勘探的热点[1-3]。细粒沉积岩在沉积岩中占有重要地位，约占沉积岩的2/3[4]。细粒沉积物是指粒径小于62 μm 的黏土级和粉砂级沉积物，其成分主要包含黏土矿物、粉砂、碳酸盐矿物、有机质等[5]，黏土矿物粒径小于4 μm，粉砂粒径为4～62 μm。由细粒沉积物组成的沉积岩称为细粒沉积岩，其中页理发育的称为页岩，页理不发育的称为泥质岩或粉砂岩[6-7]。21 世纪以来，随着页岩油气勘探开发的开展，侧重于页岩岩相的研究成果层出不穷。岩相的划分是进行地球化学特征研究的基础，也是开展沉积环境分析和页岩油气精准勘探的关键[8]。细粒沉积岩的沉积环境研究是一个看似简单，实际上非常复杂的过程[9]，前人根据Barnett 页岩的岩相特征，提出了一个受控于底流、浊流、风暴、悬浮沉降的综合模式[10]，多种沉积动力因素导致细粒沉积岩从宏观到微观均具有较强的非均质性。因此，有必要建立细粒沉积岩岩相与沉积环境的关系，才能更有效地指导页岩相关能源矿产的勘探开发。本文以松辽盆地青山口乡青山口组剖面为研究对象，基于野外实测和地球化学数据，提出细粒沉积岩分类方法，并揭示不同类型岩相的形成环境，旨在对非常规油气的勘探有所裨益。

1 区域地质概况

松辽盆地位于中国东北部，是大型中生代—新生代陆相沉积盆地[11-12]，呈北东—南西向延伸，南北长约750 km，东西宽约370 km，最大面积约26×104km2，中生代—新生界总沉积厚度超过10 km[13]。根据盆地基底性质及盖层的区域地质特征，松辽盆地内部划分为6个一级构造单元，即北部倾没区、中央坳陷区、东北隆起区、东南隆起区、西南隆起区和西部斜坡区（图1a）[13]。

图1 研究区构造位置及露头剖面（据文献［14］修改）Fig.1.Tectonic units in Songliao basin and an outcrop of the study area(modified from Reference[14])

松辽盆地从上侏罗统到第四系的陆相沉积均有发育，其中白垩系是主要沉积地层。下白垩统自下而上依次为火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组和泉头组，上白垩统由下到上发育青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组。本文研究的青山口组可进一步划分为3 段，整体为一套暗色细粒沉积岩，局部可见深湖相油页岩。本文研究对象为青山口组建组剖面，位于吉林省德惠市青山口乡（图1b）。

2 样品及测试分析

测试样品取自松辽盆地东南隆起区青山口剖面青山口组（图1c），该剖面青山口组共划分出54 层（图2），与上覆的姚家组和下伏的泉头组皆为整合接触。青山口组下部为黑、灰黑色泥岩、页岩和泥质粉砂岩夹薄层石灰岩，从下到上，颗粒略有变粗，具反粒序特征；中部以页岩和油页岩为主，夹有白云质石灰岩；上部以泥质粉砂岩、粉砂岩和细砂岩为主，夹有薄层石灰岩。在剖面上，运用浅钻机钻进1 m 取样，所取样为完整的圆柱状，没有呈现出风化特征，比较新鲜。依据GB/T 19145—2003，利用Leco CS-230 碳硫分析仪，对选取的54 块样品进行总有机碳和全碳测试，分别根据酸处理前后重量差、全碳和有机碳含量，估算了岩石中碳酸盐矿物含量，2 种方法所测结果基本一致。应用Rock-eval 6热解仪，依照GB/T 18602—2012，对32 个样品进行岩石热解分析；应用Isoprime 100质谱仪，对25个石灰岩样品进行了碳氧同位素测试，以上试验均在吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室完成。

图2 松辽盆地青山口乡青山口组剖面综合柱状图Fig.2.Comprehensive columnar section of Qingshankou formation in Qingshankou township,Songliao basin

3 结果与讨论

3.1 细粒沉积岩分类

前人多依据矿物成分、沉积构造、颜色、总有机碳含量等特征，对细粒沉积岩进行大类及亚类的划分（表1）。细粒沉积岩分类主要存在3 种方式，一种以定量参数进行划分，主要参数有碳酸盐矿物、黏土矿物、总有机碳、长石+石英含量等；第二种则普遍以总有机碳含量为定量参数，并匹配沉积构造和矿物成分等定性参数，实现半定量细粒沉积岩类型划分；第三种则以定性描述为主，参数包括层理构造、颜色、矿物组成、化石、粒度和纹层等（表1）。

表1 主要细粒沉积岩分类方案Table.1.Summary of classification schemes for fine-grained sedimentary rocks

在应用以上分类方案时，由于细粒沉积岩粒度较小，很少通过粒度统计的方法进行粉砂、黏土矿物和碳酸盐矿物三端元分类，多数是运用X 射线衍射中的石英和长石含量作为粉砂的比重，这显然是不合理。根据初步统计，X 射线衍射获得的长石和石英含量与显微镜下统计及分选法获得的含量基本没有相关性，并鉴于目前X 射线衍射对矿物鉴定没有不确定度和误差，因此，从实验分析角度仅采用X 射线衍射数据进行定量化细粒沉积岩分类，也值得进一步商榷。本文主要根据沉积物来源进行细粒沉积岩分类，细粒沉积物的来源主要包括陆源、内源和生物3 种，其中陆源的沉积物包括碎屑颗粒和黏土，内源沉积多为碳酸盐岩，生物主要包括水生生物和陆源高等植物。本文将陆源碎屑矿物含量、碳酸盐矿物含量和总有机碳含量作为三端元划分岩石类型，并根据非常规油气的烃源岩要求，以总有机碳含量0.5%、2.0%和4.0%为界，划分出极贫有机质、贫有机质、中有机质和富有机质4 大类；然后，根据陆源碎屑和碳酸盐矿物相对含量比，进一步划分为8 亚类：富有机质陆源碎屑细粒岩、富有机质碳酸盐细粒岩、中有机质陆源碎屑细粒岩、中有机质碳酸盐细粒岩、贫有机质陆源碎屑细粒岩、贫有机质碳酸盐细粒岩、极贫有机质陆源碎屑细粒岩和极贫有机质碳酸盐细粒岩（图3）。

图3 松辽盆地青山口组细粒沉积岩分类Fig.3.Classification of fine-grained sedimentary rocks of Qingshankou formation in Songliao basin

按照此分类方案，松辽盆地青山口组主要发育6 类细粒沉积岩，贫有机质陆源碎屑细粒岩最为发育，该类型岩石的累计厚度占岩组总厚度的59.35%；其次为中有机质陆源碎屑细粒岩和极贫有机质陆源碎屑细粒岩，分别占13.8%和15.27%；极贫—贫有机质碳酸盐细粒岩和富有机质陆源碎屑细粒岩较少，中—富有机质碳酸盐细粒岩不发育（表2）。

表2 松辽盆地青山口组细粒沉积岩岩石分类Table.2.Classification of fine-grained sedimentary rocks of Qingshankou formation in Songliao basin

3.2 细粒沉积岩沉积环境

3.2.1 各类型细粒沉积岩分布特征

（1）富有机质陆源碎屑细粒岩 有机质含量高，总有机碳含量大于4.0%，氢指数高，为576～727 mg/g。岩性包括泥质粉砂岩和含砂泥岩，颜色呈灰色或深灰色，整体为块状构造，仅在泥岩中零星见到断续纹层，镜下观察矿物粒度非常小，比较致密，富含介形虫碎屑。泥质粉砂岩发育在剖面上部，厚约0.55 m；含砂泥岩分布在剖面下部，厚约1.37 m。

（2）中有机质陆源碎屑细粒岩 有机质含量较高，总有机碳含量为2.0%～4.0%，氢指数为363～596 mg/g。岩性以灰色泥岩为主，层厚0.4～1.0 m，大多数泥岩纹层发育，具水平层理（图4a），并含叶肢介和植物化石碎屑，可见明显的砂质条带（图4b，图4c）。该类岩石主要发育在青山口组剖面中上部。

图4 松辽盆地青山口组细粒沉积岩岩石类型Fig.4.Types of fine-grained sedimentary rocks of Qingshankou formation,Songliao basin

（3）贫有机质陆源碎屑细粒岩 有机质含量中等，总有机碳含量为0.5%～2.0%，氢指数为70～655 mg/g，岩性包括贫有机质的泥岩和粉砂岩，颜色以灰色和浅灰色为主，泥岩普遍发育水平层理，含介形虫和叶肢介化石碎屑。部分粉砂岩较纯，具块状层理，其他粉砂岩呈现夹泥质条带的特点（图4d），局部含白云质石灰岩结核。该类岩石在剖面各个部位均有发育，厚约27.71 m。

（4）贫有机质碳酸盐细粒岩 有机质含量中等，总有机碳含量为0.5%～2.0%，氢指数为340～446 mg/g，岩性主要为白云质石灰岩，新鲜面颜色为灰色，遇酸起泡，质地细腻，坚韧不易破碎，外形为夹层状，有半透明感，镜下可看到白云石零星微晶颗粒（图4e），裂缝发育且被亮晶方解石充填，裂缝形态多样。岩层厚约2.36 m。

（5）极贫有机质陆源碎屑细粒岩 有机质含量较低，总有机碳含量小于0.5%，氢指数为388～561 mg/g，岩性包括粉砂质泥岩和细砂质粉砂岩，颜色以灰（黄）色和灰绿色为主，厚约7.14 m，多发育块状层理或透镜状层理，粉砂质泥岩含大量的砂质透镜体（图4f），手标本观察可见互层现象。有些泥岩中的粉砂质纹层中可见方解石胶结物充填于碎屑颗粒间（图4g）。

（6）极贫有机质碳酸盐细粒岩 总有机碳含量小于0.5%，氢指数为291～543 mg/g，岩性以鲕粒石灰岩（图4h）、叠层石石灰岩（图4i）、白云质石灰岩为主，颜色变化较大，有灰色、灰黑色、土黄色及黄褐色。白云质石灰岩和鲕粒石灰岩发育块状构造，厚约1.07 m。鲕粒石灰岩中的鲕粒大多为球形，以正常鲕为主，分布较均匀，有的鲕粒可见白色的生物碎屑作为核部。叠层石由毫米级浅色富碎屑纹层和暗色富有机质纹层构成，浅色和暗色纹层均呈穹隆状。

3.2.2 沉积环境分析

（1）沉积相 综合沉积岩的颜色、原生沉积构造、岩石组合等特征，在青山口组剖面识别出浅湖和半深湖2 种沉积相，剖面中未见厚层暗色泥岩，为较为频繁的泥岩、粉砂岩互层，结合该剖面位于松辽盆地南部边缘地带，认为该区域不存在深湖沉积。其中富有机质陆源碎屑细粒岩和中有机质陆源碎屑细粒岩，普遍发育水平层理，有机质丰度相对较高，并具有高的氢指数（363～727 mg/g，平均为504 mg/g），表明其沉积时水底处于贫氧—缺氧状态，基本不受波浪作用的改造，为半深湖沉积；贫有机质陆源碎屑细粒岩和极贫有机质陆源碎屑细粒岩普遍含有砂质条带，并见透镜状等波浪作用下形成的层理构造，结合其与鲕粒石灰岩和叠层石石灰岩（极贫有机质碳酸盐细粒岩）互层、有机质丰度相对较低、氢指数也相对较小（70～659 mg/g，平均为401 mg/g），表明这套沉积应处于受波浪改造的含氧环境之中，整体为浅湖沉积。

（2）湖泊的封闭与开放性 湖相沉积物碳氧同位素的协变关系可作为古湖盆封闭或开放的良好指标[30]。前人在研究不同时代湖泊水体变化时发现，碳氧同位素的相关系数小于0.7，氧同位素变化波动较大时，湖泊水体处于开放状态[31]。根据泥岩生标数据分析，松辽盆地东南部相对浅水区域水体以半咸水—淡水为主[32]，应具备陆源淡水供给和泄水口，湖泊处于开放状态。而研究区还普遍发育薄层白云质石灰岩，无论是盆地边缘浅水区，还是在长期深水的中央凹陷区均有发育，具有一定的横向可对比性。通常碳酸盐岩多为陆源碎屑供给较少背景下的沉积，本文借助于剖面中碳酸盐岩的碳氧同位素，对湖盆的开放或封闭特征进行分析。研究区样品碳氧同位素的相关系数为0.23，相关性较弱，通过数据的有效性检验，能反映原始湖泊信息[33-34]，且δ18O 波动较大（表3，图5），指示青山口组多数石灰岩沉积于水体滞留时间较短的开放型湖泊中。而多数叠层石及少量石灰岩样品δ13C 偏负，表明某些时期湖盆缺少泄水口，呈现碎屑供给较少的封闭的特征。

图5 青山口剖面青山口组碳酸盐岩δ13C与δ18O相关关系Fig.5.Correlation between δ13C and δ18O in carbonate rocks from Qingshankou profile of Qingshankou formation

（3）古盐度 利用稳定同位素，可以分析碳酸盐沉淀时水介质的性质[35]。根据水体盐度（Z）计算公式[36]：Z=2.048×（δ13C+50‰）+0.498×（δ18O+50‰），当古盐度大于120.00‰时，为咸水环境，古盐度小于120.00‰时为淡水环境。利用该方法计算的青山口组古盐度为111.07‰～146.98‰（表3），平均为126.78‰，绝大多数古盐度高于120.00‰，表明碳酸盐岩成岩环境为咸水环境。浅湖白云质石灰岩的平均古盐度（132.42‰）高于半深湖白云质石灰岩的平均古盐度（129.05‰），分析原因可能为浅湖蒸发作用强，湖水盐度相对偏高。在青山口组剖面青山口组中的各类细粒沉积岩，随着总有机碳含量增大，水体盐度逐渐增大，表明盐度增高促进水底缺氧，有利于有机质保存。

（4）古水温 水体温度对δ18O 影响较大，而对δ13C影响很小，可利用δ18O测定古湖水温度[37]，经验公式为T=16.9-4.38×（δ18O校正+0.27）+0.1×（δ18O校正+0.27）2。由于白垩系碳酸盐岩年代较老，需要对其δ18O 进行“年代效应”校正，一般利用第四纪碳酸盐岩δ18O平均值（-1.20‰）为标准，进行年代校正。本文青山口组δ18O 平均值为-12.53‰，二者差值△δ18O 为-11.33‰。用实测值与△δ18O 相减，即可得到δ18O校正，最后利用经验公式计算出古湖水温度（表3）。计算结果表明，青山口组古湖水温度为1.99～39.64 ℃，主要集中在16～26 ℃，平均温度为21.62 ℃，说明当时该区总体上为温暖或炎热的亚热带气候，这一结论与文献［38］所测松辽盆地白垩纪平均气温一致。在垂向上，浅湖白云质石灰岩的平均温度（17.51 ℃）低于半深湖白云质石灰岩的平均温度（21.51 ℃），这表明研究区水深增大主要受温度上升导致的降雨量增加所控制。

表3 青山口剖面青山口组碳酸盐岩样品碳氧同位素组成特征Table.3.Carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rock samples from Qingshankou profile of Qingshankou profile of Qingshankou formation

3.3 细粒沉积岩生烃潜力

根据总有机碳含量、岩石热解参数等数据，对研究区细粒沉积岩开展有机地化特征分析。总有机碳含量和生烃潜力（S1+S2）是评价细粒沉积岩有机质丰度的重要参数[39-40]，研究区细粒沉积岩的总有机碳含量为0.20%～4.93%，平均为1.24%；岩石生烃潜力（S1+S2）为0.42～36.2 mg/g，平均为7.58 mg/g。根据生烃潜力与总有机碳含量的关系（图6），研究区青山口组中—富有机质陆源碎屑细粒岩属于好烃源岩，贫有机质陆源碎屑细粒岩为中等—好烃源岩，贫有机质碳酸盐细粒岩为中等烃源岩，极贫有机质陆源碎屑细粒岩和极贫有机质碳酸盐细粒岩有机质丰度和生烃潜力极低，为非烃源岩。

图6 青山口剖面青山口组细粒沉积烃源岩品质分析Fig.6.Quality analysis of fine-grained sedimentary source rocks from Qingshankou profile of Qingshankou formation

有机质类型是决定有机质生烃能力和生烃属性的重要因素[41-42]。利用氢指数—最大热解温度和热解烃含量—总有机碳含量图解对有机质类型进行研究[43]，对比发现研究区细粒沉积岩有机质类型主要为Ⅱ1型，其中少量富有机质陆源碎屑细粒岩、贫有机质陆源碎屑细粒岩和极贫有机质陆源碎屑细粒岩的有机质类型为Ⅰ型（图7），均属于易于生油的有机质类型。

图7 青山口剖面青山口组细粒沉积岩有机质类型Fig.7.Types of organic matters in fine-grained sedimentary rocks from Qingshankou profile of Qingshankou formation

松辽盆地细粒沉积岩类型多样，是常规油气勘探的烃源岩，也与油页岩、页岩油气等非常规油气资源密切相关。该区中—富有机质陆源碎屑岩有机质丰度较高，有机质类型较好。松辽盆地青山口组各类型细粒沉积岩分布相对稳定，从盆地边缘到深埋区，位于生油窗口（约1 500 m）的中—富有机质陆源碎屑岩可成为自生自储的页岩油气层段，可作为松辽盆地页岩油气下一步勘探的重点。

4 结论

（1）建立了以总有机碳、碳酸盐矿物和陆源碎屑矿物为三端元的细粒沉积岩分类方案，研究区青山口组发育极贫、贫、中和富有机质陆源碎屑细粒岩，极贫和贫有机质碳酸盐细粒岩6 种类型，其中以中等、贫和极贫有机质陆源碎屑细粒岩为主。

（2）青山口组中—富有机质细粒岩和贫有机质碳酸盐细粒岩多为半深湖沉积，贫有机质陆源碎屑细粒岩和极贫有机质细粒岩属浅湖沉积，研究区碳酸盐岩沉积于温带—亚热带的开放性咸水环境中。

（3）青山口组细粒沉积岩有机质类型以Ⅱ1型为主，中—富有机质陆源碎屑细粒岩属于易于生油的好烃源岩，贫有机质陆源碎屑细粒岩为中等—好烃源岩，贫有机质碳酸盐细粒岩为中等烃源岩，建议将位于生油窗范围内的中—富有机质陆源碎屑细粒岩作为松辽盆地页岩油气勘探的重点目标。