吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩常规地球化学特征

侯丽娟，黄光辉，杜宇斌

（1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北荆州 434000；2.长江大学地球环境与水资源学院，湖北武汉 430100；3.青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌 736202）

吐哈盆地是我国20 世纪90 年代初期发现的富含煤成油资源的含煤沉积盆地，盆地中广泛发育的侏罗系煤系烃源岩是油气形成的物质基础。可是造成该盆地煤成烃现象这一特征，国内外学者对此进行了大量的实验研究，同时也取得了许多颇有成见的研究成果，但多年来也一直对煤成烃的主要贡献组分的确认存在诸多争论。本次研究采集吐哈盆地侏罗系煤系不同层位47 个岩样，主要来源于台北凹陷和托克逊凹陷，进行了全岩有机显微组分分析、岩石热解分析等有机岩石学分析测试，对吐哈盆地部分煤系成烃特征和标志等进行了讨论研究，并提出了一些新的认识。

1 研究区地质概况

吐鲁番-哈密盆地通常被简称为吐哈盆地，它位于塔里木、哈萨克斯坦及西伯利亚三大板块的交汇地带，盆地东西向分布，东西长约600 km，南北长60 km～130 km，总面积为53 000 km2，是天山褶皱带中的大型山间盆地，并含有煤和油气[1]。侏罗系是该盆地中主要的发育,厚度2 000 m～3 000 m，包括侏罗系下统八道湾组、三工河组，中统西山窑组、三间房组、七克台组和上统齐古组、喀拉扎组。按侏罗系的沉积、分布及构造特征，吐哈盆地可划分北部坳陷、艾丁湖斜坡及南湖隆起三个一级构造单元[2]（见图1）。

图1 吐哈盆地构造单元划分

2 烃源岩特征

吐哈盆地地处我国西北，是一个富煤的陆相盆地。其中，分布最广、厚度最大的沉积地层为该盆地的侏罗统，同时盆地内也发育着最重要的烃源岩，与准噶尔盆地侏罗系的成煤模式有着相似之处。该盆地烃源岩以腐植型煤系为主，烃源岩样品包括煤、碳质泥岩、泥岩三种类型。下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组是主要的含煤层系[3]。中侏罗统七克台组湖相至半深湖相沉积，是盆地内的次要烃源岩。

2.1 源岩显微组分组成与含量分布

此次研究所取样品包括泥岩33 个，碳质泥岩5个，煤9 个，分布于八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、西山窑组（J2x）、三间房组（J2s）、七克台组（J2q）。其中，西山窑组（J2x）取得样品有泥岩13 个，碳质泥岩5 个，煤7个。从吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩显微组分含量特征可以看出，研究区烃源岩有机组分主要为壳质组+腐泥组和镜质组，含量最少的则是惰质组（均值介于1.7 %～4.3 %）。从所依据的数据对比来看，八道湾组（J1b）、七克台组（J2q）、三工河组（J1s）、三间房组（J2s）的显微组分中的镜质组含量均低于壳质组+腐泥组。而西山窑组的显微组分含量则相反，其中镜质组组分含量相对较高，介于14.4 %～90.6 %，平均为58.9 %；壳质组+腐泥组组分含量相对较低，介于2.7 %～85.7 %，平均为36.7 %（见表1）。由于该研究区不同层位煤系烃源岩的有机显微组分含量和组成特征不同，从而导致各层位烃源岩生烃潜力也存在差异。造成这一现象的原因，可能跟该层位不同岩性烃源岩沉积时的水体特征有关，符合煤系气源岩的显微组分含量特征。

表1 吐哈盆地侏罗系各层位煤系烃源岩有机显微组分含量类比表

从吐哈盆地侏罗系各层位烃源岩有机显微组分特征来看，西山窑组的大部分样品中含有较大数量的镜质组，壳质组+腐泥组和惰质组含量相对较低，而镜质组中主要以基质镜质体为主[4]。七克台组的绝大部分样品为高壳质组+腐泥组含量，这与它的湖相沉积环境相吻合，说明该研究区当时的沉积时古植物群落、古气候、古地理环境等因素影响了显微组分组成的特征[5]。有可能吐哈盆地侏罗系沉积时期，一方面气候温暖潮湿，高等植物较为发育，为有机质提供了充足的物源；另一方面滨浅湖、湖沼等环境的交替出现，从而导致侏罗系烃源岩显微组分组成的上述特征。

2.2 有机质类型

运用岩石热解参数分析的方法可以准确的对烃源岩类型作出评价。根据各显微组分对烃类贡献大小的不同，赋以不同的系数，计算类型指数TI 值为[6]：

TI=［（a×100+b×50+c×（-75）+d×（-100）］/100

式中：a，b，c，d 分别为腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组的相对百分含量。当TI＞80 时为I 型，40～80 为II型，＜40 为III 型。根据该公式，采用两种不同的计算方法，以腐泥组中所含的矿物沥青基质为切入点，一种考虑腐泥组中的矿物沥青基质含量，而另一种则忽略不计（见图2）。可以看出，中侏罗统西山窑组的绝大多数烃源岩样品为III 型有机质，仅有个别样品属于II 型有机质，而其余各层位的主要有机质类型均为II 型，也有少数I 型有机质。从图2 可以看出，矿物沥青基质对煤系烃源岩类型指数的计算有着较大的影响，在不考虑矿物沥青基质含量的情况下，TI 值绝大部分都小于0，该研究区的所有样品类型均变为III 型有机质，这说明矿物沥青基质对烃源岩样品类型存在着不容忽视的影响。此外，西山窑组凡是含有矿物沥青基质的样品点与不含有矿物沥青基质的样品点间距离甚大，说明该层位富含较多的矿物沥青基质。而含有异乎寻常的矿物沥青基质，说明微生物生源烃类含量高，烃源岩有机质类型好、丰度高，被细菌改造作用明显[7]。不同层位，不同岩性的矿物沥青基质的数量上有较大的差异。一般来说，对矿物沥青基质形成较为有利的是强还原环境以及细菌等微生物发育的沉积时期[8]，所以造成此现象的原因可能是其中某些富氢部分导致。在煤系地层中的原始有机质均以高等植物为主，造成矿物沥青基质含量的差异，可能与强还原条件下的微生物作用有关。另外，该地区煤系地层中矿物沥青基质含量泥岩＞碳质泥岩＞煤。

图2 吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩TI 值与深度关系图

2.3 显微组分组成特征及其生烃潜力

众所周知，在煤系地层中最丰富的显微组分含量应该为镜质组，同时，它也是陆相烃源岩主要的有机显微组分。镜质组主要来源于高等植物的木质素组织经过凝胶化作用形成，随着凝胶化作用的加强，结构镜质体含量下降，基质镜质体和均质镜质体含量增加。以基质镜质体+均质镜质体、结构镜质体和镜屑体百分含量为端元，构成了吐哈盆地侏罗系各地层的镜质组组成特征三角图（见图3）。各层位绝大多数样品靠近基质+均质镜质体端元，样品中含有镜屑体，结构镜质体不发育。从西山窑组（J2x）中的样品来看，基质+均质镜质体含量占绝对优势，其中样品所含基质+均质镜质体含量为煤＞碳质泥岩＞泥岩。在西山窑组煤中基质+均质镜质体含量最高可达到90.12 %。

图3 吐哈盆地各层位烃源岩镜质组组成三角图

图4 吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩中均质镜质体含量与Pg 的关系图

但关于吐哈盆地煤系地层基质+均质镜质体生烃问题，曾也有大量大学者进行过研究和讨论，笔者也从另一角度进行说明（见图4），为各个层位烃源岩中均质镜质体与生烃潜量（Pg）关系图。从图4 可以看出，J2x样品中均质镜质体含量与生烃潜量之间存在着线性关系，但该组煤中均质镜质体含量介于2 %～18.8 %，平均仅为10.1 %，碳质泥岩，泥岩中含量则更少，甚至没有，其余各层位没有明显的线性关系。而从图5 中可以看出，J2x 煤和碳质泥岩比J2x 泥岩生烃潜量大，而J2x煤和碳质泥岩的基质+均质镜质体相对含量变化范围较小，分布在57 %～90 %，J2x 泥岩变化范围较大，分布为0 %～88 %。此外，该区样品中煤的生烃潜量是碳质泥岩的4.26 倍，是泥岩的28.25 倍，这也印证了煤成烃的主要贡献者是基质镜质体，不同层位的样品生烃潜量均有随着基质+均质镜质体增加而增加的趋势。在富氢镜质中含有浸染状的发荧光的超微类脂体存在，这类镜质体为油源岩之一[9-12]。有学者研究认为，吐哈盆地侏罗系煤中超微类脂体含量一般为5 %～12 %，部分可达15 %以上[13]。关于镜质组中含有较丰富的超微类脂体，且认为超微类脂体可能主要来自微生物作用高等植物而产生的二级有机质。这和王飞宇等[14]研究认为的超微类脂体的成因意义是基本相同的。从图5 中也看出镜质体并不是煤系地层中泥岩的生烃贡献者，与前文所论述的相符合。

图5 吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩中基质+均质镜质体含量与Pg 的关系图

3 煤系热解参数分布特征

对烃源岩显微组分的热解参数分析方法，是烃源岩生烃演化潜力快速、有效的评价方法，同时也可以为生烃演化潜力因素的讨论提供了参考依据[15-16]。从吐哈盆地侏罗系烃源岩壳质组+腐泥组、基质+均质镜质体的含量与氢指数（IH）和降解率（D）的关系图版来看（见图6，图7）：该区样品中壳质组+腐泥组，基质+均质镜质体含量与氢指数（IH）和降解率（D）线性关系并不明显。其中，J2x 煤和碳质泥岩中的壳质组+腐泥组含量相对泥岩要少与氢指数无正相关性。而作为煤中主要生烃并且富含较多的显微组分基质镜质体的含量与氢指数也存在不明确的对应关系，可能是由于其成分和形成时环境的复杂性导致基质镜质体的生烃特点和潜力存在很大差异所致。结合两图来看，该研究区样品的氢指数和降解率普遍较低。从各个层位烃源岩IH 的分布来看，分布范围较为接近，该研究区煤系泥岩平均值仅71.25 mg/g TOC，介于18.48 mg/g～157.46 mg/g TOC；碳质泥岩IH 平均为68.25 mg/g TOC；煤IH 的平均值为77.49 %，介于43.78 mg/g～166.48 mg/g TOC，可见，煤系烃源岩的IH 分布具有煤＞泥岩＞碳质泥岩的特点。

图6 吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩壳质组+腐泥组含量与IH、D 的关系图

图7 吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩基质+均质镜质体含量与IH、D 的关系图

4 结论

（1）对吐哈盆地侏罗系47 个煤系烃源岩分析其有机岩石学的特征（以西山窑组为例），认为富氢基质镜质体和矿物沥青基质是吐哈盆地的煤成烃的主要贡献者，同时也证实前人认为该研究区的富氢基质镜质体和矿物沥青基质对生烃潜力起着主导因素这一结论。

（2）吐哈盆地侏罗系煤系烃源岩热解数据中，氢指数和降解率并没有明显的高值优势，但有机显微组成中“壳质组+腐泥组”含量相对较高，这一现象除了考虑其环境因素，沉积特点以及有机质来源等，更应该更深层次探究其二级有机质作用等因素。

［1］ 刘玉虎，赵丹丹，刘兴旺，王亚东，郑建京.吐哈侏罗纪原型

盆地演化对烃源岩分布的控制［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2012，34（4）：29-39.

［2］ 王武和，张世焕.吐哈盆地中下侏罗统煤成烃的形成与富集规律［J］.新疆地质，1999，17（1）：28-33.

［3］ 柳益群，冯乔，郝建荣.吐-哈盆地侏罗系油藏煤成油问题的讨论［J］.石油与天然气地质，2002，23（4）：327-331

［4］ 赵长毅，程克明. 吐哈盆地煤成油有机岩石学特征［J］.石油勘探与开发，1995，22（4）：24-27.

［5］ 李贤庆，马安来，熊波，包建平，钟宁宁.新疆三塘湖盆地侏罗系烃源岩显微组分剖析及其生烃模式［J］.西南石油学院学报，1997，19（4）：41-45.

［6］ 尚慧芸，等.有机地球化学和荧光显微镜技术［M］.北京：石油工业出版社，1990.

［7］ 王铁冠，钟宁宁，侯读杰.细菌在板桥凹陷生烃机制中的作用［J］.中国科学（B 辑），1995，25（8）：882-890.

［8］ 李贤庆，熊波，等.低熟源岩中矿物沥青基质的特征与成因中也曾发现［J］.江汉石油学院学报，1997，19（2）：29-35.

［9］ StachE，MacKowskyM -Th，Teichmuller M，Taylor M，GH，ChandraD，& Teichmuller R.Stach＇s Textbook of Coal Petrology，3rd.，Gebruder Bontraeger，Stuttgart，1982，535.

［10］ 赵师庆，等.变质煤中镜质组有机地球化学研究［J］.石油实验地质，1988，10（2）：159-168.

［11］ 赵师庆，王飞宇.镜质组反射率的抑制效应及富氢镜质体的形成模式［J］.淮南矿业学院学报，1990，10（3）：2-10.

［12］ 赵师庆，吴观茂，等.腐殖煤中镜质组一类脂组的过渡显微组分［J］.煤田地质与勘探，1993，21（2）：25-30.

［13］ 赵长毅，程克明，何忠华.吐哈盆地侏罗纪煤系有机质成烃作用［J］.石油勘探与开发，1997，24（4）：23-27.

［14］ 王飞宇. 超微层次有机岩石学及其在烃源岩评价中的应用［J］.石油大学学报（自然科学版），1995，19（S1）：12-17.

［15］ 熊波，等.全岩显微组分定量统计及其在烃源岩评价中的应用［J］.江汉石油学院学报，2001，23（3）：16-20.

［16］ 赵师庆，王飞宇，傅家漠. 不同还原型腐殖煤及其镜质组生烃潜力的研究［J］.煤炭学报，1992，17（4）：101-110.