0 前言

叶城凹陷位于塔里木盆地西南坳陷昆仑山前东部(图 1)。油气地质调查始于1970年代，由于气候和地理条件等限制，迄今该区整体油气勘探程度仍较低。本区石炭纪—二叠纪发育一套海相碳酸盐岩台地陆棚沉积体系，长期以来该套沉积层被油气勘探者重视。2011年柯东1井在白垩系获高产工业气流^[1]，打破了多年的勘探沉寂，充分证实了叶城凹陷二叠系油气系统发育，具有良好油气前景，为塔里木盆地最有潜力的油气战略接替区之一^[2-4]。前人已经认识到叶城凹陷油气源丰富^[5-9]，然而关于塔里木盆地西南坳陷油源问题一直存在分歧，有学者认为是石炭系^[5]，也有人认为是侏罗系^[6]，还有人认为是石炭系和侏罗系烃源岩混源气^[8]，而重要的二叠系油源却长期被忽视。尽管目前已经推测二叠系可能为本区烃源岩^[10-11]，然而多数研究将整个二叠系烃源岩笼统作为单一的海相碳酸盐岩台地相或湖相烃源岩^[12-15]，未认识到二叠系不同组的烃源岩在沉积相和地球化学特征方面均存在较大差异，其对叶城凹陷油气成藏的贡献也不同。

本文通过对塔西南叶城凹陷二叠系烃源岩的野外地质调查，并结合柯东1井、甫沙2井和阳1井等3口井钻井资料，以地球化学测试分析成果为基础，首次按照地层组对烃源岩细致研究，并对柯东1井进行了油源对比研究。在深化二叠系两套烃源岩的分布范围、地球化学特征等差异的基础上，分析了叶城凹陷东段和西段油气资源潜力不同，这一认识将为下步塔西南油气勘探部署提供重要的依据，对揭示塔里木盆地二叠纪成烃背景具有重要启示作用。

塔西南叶城凹陷二叠系归属于铁克里克地层分区，以新藏公路为界，可划分为叶城地层小区和和田地层小区(图 1)。两区的地层特征存在较大差异^[16]。叶城小区二叠系下统包括塔哈奇组上部、克孜里奇曼组、棋盘组下部；中上统为棋盘组上部和达里约尔组。而和田小区除下部塔哈奇组上部、克孜里奇曼组与西部相似外，中上部则发育普司格组、杜瓦组(表 1)。其中叶城小区棋盘组和和田小区普司格组上段为叶城凹陷二叠系两套主要烃源岩。

图 1 研究区构造位置及取样井点、露头分布图 Figure 1 Location of studied area and distribution of sampling wells and outcrops

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表 1 叶城凹陷二叠系烃源岩发育层位和地层对比 Table 1 Contrast of Permian source rocks horizons in southwest Tarim basin

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本次研究通过对叶城凹陷二叠系开展野外露头、钻井岩心观察等(图 1)，结合区域地质背景，依据岩性相标志、颜色、沉积构造和生物化石等(图 2)，分析了本区二叠系两套主要烃源岩层段的沉积相特征。

a.和什拉甫剖面棋盘组(P1-2q) 暗色泥灰岩样品照片(37°42′44″N，76°24′56″E)，含腕足类生物碎屑、珊瑚、海百合茎等，浅海陆棚相沉积；b.棋盘剖面棋盘组(P1-2q) 暗色泥岩露头照片(37°33′44″N，76°42′27″E)，单层厚度大于30 m，底部发育大量海相腕足化石，浅海陆棚相沉积；c.杜瓦剖面普司格组(P1-3p) 上段与中段分界浅露头照片(37°02′20″N，78°43′42″E)，界面之上为灰黑色泥岩，界面之下为灰色薄层粉细砂岩与灰绿色泥岩互层；d.克里阳剖面普司格组(P1-3p) 上段灰黑色泥岩样品照片(37°08′01″N，77°55′03″E)，浅湖相沉积。剖面位置见图 1。 图 2 叶城凹陷二叠系烃源岩层段露头及样品照片 Figure 2 Photos of outcrops and samples of Permian hydrocarbon sourcerock in the Yecheng depression

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在利用基干剖面建立相模式的基础上，结合钻井资料和地震资料，分析沉积相横向变化规律，编制两套烃源岩层系的沉积相图(图 3)。利用研究区钻井二叠系的地层对比和地震连片解释，预测覆盖区二叠系烃源岩空间分布特征。需要指出的是，本次研究中参考前人广泛应用的标准对有效烃源岩进行确定。其中陆相烃源岩主要参考黄第藩等^[17]提出的我国陆相成熟烃源岩有机质丰度的评价标准。对于海相烃源岩，张水昌等^[18]认为有效烃源岩的厚度不必很大，但有机质丰度必须高(有机碳质量分数大于0.5%)。本文对有效烃源岩的认定和评价采用以上观点。

叶城小区西部棋盘组(P_1-2q) 沉积时期该区普遍发育生屑灰岩(图 2a)，深灰色陆棚泥岩，所含生物化石以腕足类最为常见(图 2b)，为浅海陆棚开阔局限台地相沉积，有利于烃源岩发育。棋盘组烃源岩以艾特沟为沉积中心，厚达250 m左右(表 2)。向东至棋盘剖面以东，岩性变为紫红、灰绿色泥岩、泥质粉砂岩、灰岩，夹50 m玄武岩。虽仍属浅海陆棚环境，但颜色偏氧化色，渐变为滨岸相。棋盘剖面烃源岩厚180 m左右，再向东南到普萨煤矿，烃源岩累厚减薄至120 m左右。总体来看，棋盘组海相烃源岩平均厚度大于100 m(图 3a)。

图 3 叶城凹陷棋盘组普司格组下段(a) 和普司格组上段(b) 沉积时期沉积相与烃源岩厚度图 Figure 3 Sedimentary facies and source rock thickness map at the deposition period of Qipan Formation-Lower Pusige Formation (a) and Upper Pusige Formation(b) in the Yecheng depression

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和田小区普司格组(P_1-3p) 下段岩性为紫红色中粗粒长石岩屑砾岩、砂岩、泥质粉砂岩，表现为滨浅湖三角洲亚相，不发育烃源岩。该套沉积与西部叶城小区海相沉积在新藏公路附近以相变接触。新藏公路剖面普司格组下段以灰紫、紫红色厚层块状中砾岩为主，具冲积扇前缘相特征。

晚二叠世时期叶城小区隆升为陆，仅和田小区发育湖相沉积，沉积普司格组上段。乌鲁乌斯塘剖面为该期沉积中心，普司格组上段烃源岩厚565 m(未见顶)(表 2)，岩性主要为灰黑色泥岩，水平层理发育(图 2c)，见鱼类化石。岩性、生物和沉积构造表现为深湖—半深湖相特征。从乌鲁乌斯塘向北、东、西方向，离沉积中心越远，粗碎屑岩类越多，渐变为浅湖滨湖三角洲前缘亚相。

沉积中心向北的甫沙2井，普司格组上段岩性主要为深灰色厚层状泥岩、泥质粉砂岩，岩性略粗，属于半深湖相，烃源岩厚度为392 m。向东的阳1井，普司格组上段深灰色泥岩厚度为360 m。阳1井以东的杜瓦剖面仅上部为浅湖亚相砂泥微相，烃源岩仅厚56 m。向西面的新藏公路剖面，岩性以深灰绿色泥岩、粉砂质泥岩为主，然而夹多层粉细砂岩，属浅湖亚相浅湖砂泥微相，烃源岩厚度约150 m。总体来看，普司格组上段烃源岩平均厚度大于200 m。

本次研究对叶城凹陷野外剖面和2口钻井的二叠系烃源岩进行了系统的有机地球化学分析测试(表 2)。从分析测试结果来看，两套烃源岩在有机碳质量分数、有机质成熟度和生烃潜力等地球化学指标(图 4) 上具有较大差异。

叶城小区二叠系棋盘组烃源岩以深灰色泥岩、泥灰岩为主。和什拉甫剖面有机碳质量分数为0.38%~2.10%，平均0.91%，大多数样品分布在0.50%~1.50%(图 4a)。从有机质丰度看，二叠系棋盘组为差—较好烃源岩。热解生烃潜量(P_g) 平均为0.37 mg/g，说明目前二叠系棋盘组烃源岩现今仍具有一定生烃潜力。最高热解峰温(T_max) 为440～493 ℃，相当于镜质体反射率(R_o) 为0.90%~1.95%，处于成熟—高成熟阶段。该组大多数样品热演化程度过高，艾特沟剖面最高2.50%，达到过成熟阶段。这可能与叶城小区棋盘组沉积时期和沉积期后发育火山岩，导致地温梯度较高有关^[19-21]。由于棋盘组热演化程度高，采用I_HT_max图版法(图 5) 不能反映有机质原始面貌，本文利用干酪根元素组成图版(图 6) 确定烃源岩有机质类型。在图版上可见，除少数样品外基本为Ⅱ₁或Ⅱ₂型。

图 4 叶城小区和什拉甫剖面棋盘组(a) 与和田小区阳1井普司格组上段(b) 烃源岩地球化学指标 Figure 4 Geochemical index of source rocks of Qipan Formation in Section Heshilafu,Yecheng stratigraphic district (a) and Upper Pusige Formation in Well Yang1,Hetian stratigraphic district (b)

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图 5 叶城凹陷二叠系烃源岩IHTmax图版 Figure 5 IHTmax diagram of Permian source rocks in the Yecheng depression

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图 6 叶城凹陷二叠系烃源岩干酪根元素组成图版 Figure 6 Kerogen element composition diagram of Permian source rocks in the Yecheng depression

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和田小区二叠系普司格上段烃源岩以湖相深灰色泥岩为主。阳1井有机碳质量分数为0.28%~1.92%，平均1.10%。大多数样品分布在0.40%~1.60%。从有机质丰度看，二叠系普司格组烃源岩主体为中等烃源岩，部分样品达到好烃源岩标准。生烃潜力(P_g) 较高，且与有机碳质量分数具有比较好的线性相关关系(图 4b)，分布在0.15~4.95 mg/g，均值2.07 mg/g。T_max为431～449 ℃，相当于镜质体反射率(R_o) 为0.58%~1.00%，处于成熟阶段，目前普司格组烃源岩具有较高生烃潜力。从I_HT_max图版(图 5) 和元素组成图版判断(图 6)，大部分样品有机质类型介于Ⅱ和Ⅲ型之间。其中以高有机碳质量分数样品更偏Ⅲ型，反映了烃源岩来源于陆源高等植物为主的母质信息。

结合区域地质背景，对叶城凹陷二叠系两套烃源岩进行对比(表 3)，其分布特征和地球化学特征均存在较大差异，总体认为普司格组上段烃源岩明显优于棋盘组。

从两套烃源岩的空间分布来看，棋盘组和普司格组上段分别位于叶城凹陷的西部和东部，面积相当。棋盘组海相烃源岩厚度较薄，仅为50~200 m，然而普司格组上段烃源岩厚度达到100~500 m，明显厚于前者。

从地球化学指标来看，棋盘组海相烃源岩与普司格组上段湖相烃源岩有机质丰度相近。然而由于棋盘组处于高—过成熟热演化阶段，成烃转化率高，生烃潜力平均仅为0.24 mg/g，为较差烃源岩。而普司格组上段湖相烃源岩，热演化成熟度中等，目前正处于生油高峰，热解生烃潜力达到2.05 mg/g，为较好烃源岩。

因此叶城凹陷东部的普司格组上段烃源岩厚度和生烃潜力均明显优于西部的棋盘组。普司格组上段与上部白垩系储层和古近系膏泥岩形成良好生储盖配置关系^[22]，其中甫沙—克里阳地区作为烃源岩生烃中心，是叶城凹陷油气勘探最有利区。

本文通过对该区柯东1井原油物理性质、族组成和生物标志化合物特征及烃源岩地球化学特征的综合分析，结合区域地质背景资料，探究石油来源。共对叶城凹陷露头烃源岩和钻井原油样品进行了46项次的地球化学分析测试。

测试结果显示叶城小区甾烷含量低，推测棋盘组由于热演化成熟度太高，甾烷被破坏，本次油源对比分析主要依据藿烷。从叶城凹陷典型烃源岩的五环三萜类m/z 191质量色谱图可见，和田小区普司格组上段普遍含有C₃₀重排藿烷(图 7)。从与柯东1井原油样品比较来看，生物标志物特征非常相似，Ts、C₃₀重排藿烷的相对含量很高。C₃₀重排藿烷的抽提物和原油主要源于氧化—亚氧化的沼泽或湖相烃源岩，在海相烃源岩中含量极低。而叶城小区棋盘组烃源岩萜类化合物中甾烷不发育，且无重排藿烷。

1.Ts；2.Tm；3.C2915(α),21(β) 藿烷；4.C30重排藿烷；5.C3015(α),21(β) 藿烷。 图 7 叶城凹陷不同烃源岩和原油m/z 191 质量色谱图 Figure 7 m/z 191 mass chromatogram of the saturated hydrocarbons in source rock and oil in the Yecheng depression

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从烃类碳同位素分布(图 8) 分析，浅海陆棚相碳酸盐岩及其相关的暗色泥岩，δ¹³C大于陆相成因的烃源岩，一般陆相的烃源岩封闭条件较好。从图 8看出，正构烷烃的碳同位素比值为-34‰~-24‰，其中棋盘组烃源岩碳同位素比值为-29‰~-24‰，普司格组上段烃源岩的碳同位素比值为-34‰~-28‰，二者具有明显的差异。所以，通过正构烷烃碳同位素比值的变化，可以明显地区分两者在沉积环境不同。柯东1井的正构烷烃的碳同位素比值分布于-32‰~-28‰，与普司格组烃源岩吻合。

图 8 叶城凹陷不同烃源岩和原油正构烷烃碳同位素比值 Figure 8 Normal alkane carbon isotope ratio of the saturated hydrocarbons in source rock and oil in the Yecheng depression

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因此基本可以推断柯东1井原油来自于普司格组上段的陆相烃源岩，而不是棋盘组海相烃源岩。

1) 叶城凹陷叶城小区和和田小区二叠系分别以棋盘组和普司格组上段为主力烃源岩，其中棋盘组以浅海陆棚相为主，普司格组上段以湖相为主。

2) 二叠系两套烃源岩有机质丰度均较高，棋盘组海相烃源岩厚度相对较小，处于高成熟阶段，而普司格组上段陆相烃源岩厚度大，处于生油高峰阶段，生烃潜力明显好于棋盘组。叶城凹陷以位于普司格组上段生烃中心的甫沙—克里阳地区为勘探最有利区。

3) 通过正构烷烃碳同位素比值和生物标志化合物分析，普司格组上段烃源岩为柯东1井原油的油源。

本研究工作得到中国地质大学(北京) 康志宏教授和吉林大学王璞珺教授的大力帮助，在此表示衷心感谢！