准噶尔东南缘上二叠统油页岩芳烃地球化学特征及意义

秦建强

(1.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安，710021；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安，710021)

烃源岩中芳烃馏分占总烃量的10%～45%，由数百种化合物组成，具有丰富的地质地球化学信息，被广泛用于反映沉积环境、母质输入、热演化程度、油源对比和生物降解影响等研究中[1-4]。近年来，准噶尔盆地东南缘上二叠统芦草沟组油页岩因其丰富的油页岩资源而备受关注，研究成果颇丰，有关沉积环境、成熟度、母质类型等研究已有报道[5-7]，但尚未见基于芳烃馏分的研究。本文通过对准噶尔盆地东南缘上二叠统芦草沟组油页岩样品抽提物芳烃馏分的GC-MS分析，运用分子有机地球化学方法研究该区油页岩芳烃组分特征，并深入探讨油页岩母质输入、沉积环境以及成熟度特征。

1 地质背景

准噶尔盆地东南缘构造上处于东、西天山过渡带内，位于北天山晚古生代造山带中部[8](图1)。博格达山地区晚二叠世主要为深湖-半深湖亚相沉积，是主要的沉降中心和沉积中心；芦草沟组沉积时期，沉积中心位于三工河地区，物源主要来自南部的伊连哈尔比尕山。准噶尔盆地南缘前陆盆地自晚古生代以来先后经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅多期构造运动，使得该区构造较为复杂，地层褶皱极其强烈[9]。大型逆冲断层作用导致二叠系油页岩伴随博格达山系的形成而出露地表，成为规模巨大的二叠纪油页岩分布带，东西长约125 km，南北宽9～15 km[10]。

图1 准噶尔盆地东南缘西段油页岩含矿区构造地质略图

2 样品与实验

本研究在准噶尔盆地东南缘西段雅玛里克山、水磨沟和三工河3个剖面按基本等间距原则分别采样13个、7个和17个(图1)。所有样品在干燥粉碎后进行索氏抽提72 h，之后用正己烷沉淀去除沥青质，接下来用硅胶/氧化铝柱色层分离成饱和烃、芳烃和非烃馏分。对芳烃馏分进行气相色谱-质谱(GC-MS)分析。

3 地化特征

3.1 芳烃组成特征

准噶尔盆地东南缘三个露头剖面油页岩样品中芳烃馏分主要由萘系列、联苯系列、芴、二苯并噻吩、二苯并呋喃、菲系列、萤蒽、芘和苝系列化合物组成，总离子流图呈双峰型，前峰以菲系列化合物为主，后峰以四环和五环芳烃系列化合物为主(表1)，联苯系列和三芴系列化合物等丰度很低。这可能与露头剖面样品中较低分子量的联苯系列及三芴系列化合物易挥发有关。虽然如此，残余在烃源岩中的芳烃化合物仍能提供母源输入、沉积环境和成熟度等信息。

表1 准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩芳烃组成及芳烃地球化学参数

3.2 母源输入特征

芳烃馏分中检测出较丰富的菲系列、苯并芘以及苯并噻吩，这些可能来自于低等水生生物，说明低等水生生物是该区油页岩母质的重要来源[11]。同时，菲、萤蒽、芘和苝系列化合物的丰度也较高，而这些是陆源高等植物输入的标志物[12]。准噶尔盆地以陆源有机质输入为主的煤及烃源岩中均检测出较丰富的萤蒽、芘和苝系列化合物[11]。显然准噶尔盆地东南缘上二叠统芦草沟组油页岩母质具有混源的特征。

菲系列化合物中2,10-DMP、2,5-DMP和1,7-DMP在色谱图上的峰型可用于母质类型判断，“V”字型分布表明母源以藻类生源输入为主，有机质类型偏腐泥型；阶梯状递减分布则表明原始母质偏腐殖型。图2为三个剖面典型的二甲基菲分布特征，均为“V”字型分布。从三工河剖面到雅玛里克山剖面再到水磨沟剖面，1,7-DMP相对丰度逐渐降低，有阶梯状递减分布特征的趋势，这说明从三工河剖面到水磨沟剖面，油页岩母质具有自腐泥型向腐殖型过渡的趋势。这与前人对该区油页岩有机质划分的类型一致[7]。这种趋势与后文提到的成熟度变化趋势一致，而是否因成熟度不同造成的尚有待于进一步研究。

图2 三个剖面典型样品的二甲基菲

(2,10-DMP，2,5-DMP和1,7-DMP)分布特征

3.3 沉积环境

“三芴”系列化合物由于具有相似的基本碳骨架，可能来源于相同前身物，氧化环境条件下易形成氧芴，还原环境下易形成硫芴。因此三芴系列常用来指示沉积环境特征[12-13]。准噶尔盆地东南缘博格达山北麓二叠系芦草沟组井下样品中检测出这三种化合物，其中氧芴约占总芴50%，硫芴约占40%，芴约占10%[10]，指示弱氧化-还原环境。本文研究样品中三芴系列化合物丰度较低，大部分样品都检测不出芴和硫芴，氧芴丰度也极低。这可能是由于地表风化作用造成芴和硫芴的氧化以及三芴系列的挥发。说明地表剖面样品中的三芴系列化合物不宜用于判断烃源岩的沉积环境特征。

萘系列化合物在沉积有机质中广泛分布，其来源一般认为是陆源高等植物。多甲基萘被认为来源于高等植物二环倍半萜、五环三萜烷和菌藻类的藿烷类，这些先体在演化过程中首先形成的产物是1,2,5-TMN、1,2,7-TMN，高丰度的1,2,5-TMN、1,2,7-TMN与弱氧化到还原的湖相沉积环境条件有关[14]。准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩中1,2,5-TMN、1,2,7-TMN丰度较低，1,2,5-TMN/1,3,6-TMN比值较低(图3a)，表明其沉积环境为深湖相或海相还原环境[15]。前人关于微量元素的研究此处获得了类似的认识，δEu和δCe负异常，均表明研究区水体环境为较为稳定的还原环境[16]，此外，正构烷烃生物标志化合物也对此有相同的表征，姥鲛烷具有显著优势，显示出水体环境缺氧的还原性特征[17]。

图3 准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩芳烃馏分质谱

3.4 成熟度特征

生物标志化合物作为反映有机质热演化信息的重要载体，随着热演化程度的增加，有机分子侧链断裂，异构化及芳构化逐步发生，因此部分对热演化程度具有较高敏感度的分子具备了良好的成熟度表征价值。相对于饱和烃分子而言，由于芳烃显示的成熟度参数比饱和烃甾萜烷异构化率有更宽的化学动力学范围，因此成熟度参数是芳烃化合物研究中最早涉及的也是非常重要的内容，并且应用范围也更为广泛。自RADKE等提出利用甲基菲指数研究原油或烃源岩的成熟度以来，萘系列参数、菲系列参数、烷基二苯并噻吩系列参数、多环芳烃参数、脱羟基维生素E和三芳甾烷参数等的研究都有相关报道[4,18-22]。

根据峰型分布特征判断成熟度是最直观的一种方法，例如在通常情况下后峰型出现于低成熟样品中，但由于本文研究样品为露头样品，低碳数的联苯系列、萘系列和三芴系列化合物大量挥发，因此TIC图不能准确反映原始烃源岩成熟度。基于菲系列化合物异构化、烷基化及脱烷基化作用而建立的成熟度参数是最常见的芳烃成熟度指标，其可靠性及实用性也较高。RADKE等[23]提出利用菲及甲基菲相对丰度计算成熟度的参数甲基菲指数(MPI1，MPI2)，再由MPI1折算成镜质体反射率RO值，如表1所列三组剖面样品的平均甲基菲指数(MPI1，MPI2)分别为水磨沟(0.47,0.56)，雅玛里克山(0.37，0.43)，三工河(0.33，0.35)。图4显示了三个剖面样品的MPI1和MPI2值，基于MPI1折算的镜质体反射率RO值为0.40%～0.74%，为低熟到成熟阶段，而三工河地区油页岩成熟度最低，水磨沟地区最高。

图4 三个剖面油页岩样品MPI1与MPI2关系

但是由于低熟阶段甲基菲含量较低，因此判断准确性不高，因此引入苯并荧蒽参数对成熟度展开进一步深入分析，由于苯并萤蒽的五环结构中有一个五元环，显然比五个环都是六元环的苯并芘热稳定性差，因此苯并萤蒽/苯并芘比值可以作为良好的成熟度指标[24]。当RO<0.6%时该比值大于1，到中等成熟阶段(RO>0.8%)时，该比值减小到0.13左右达到平衡，之后保持不变[25]。准噶尔盆地东南缘上三叠统芦草沟组油页岩苯并萤蒽/苯并芘比值分布在0.33～0.72之间，亦表明属于低熟到成熟阶段，这一结果与前人研究结果一致[26]，同时也是对前述甲基菲指数判别结果的印证。

前人[7]通过Rock-Eval及正构烷烃成熟度参数研究认为该区油页岩处于低成熟到成熟的热演化阶段。何登发等[27]通过实验获得准噶尔盆地东南缘和博格达山前凹陷上二叠统芦草沟组油页岩RO值0.54%～0.91%，为低熟到成熟阶段。这与本文基于芳烃成熟度参数得出的认识一致。综合分析各成熟度参数特征及前人研究成果，准噶尔盆地东南缘雅玛里克山、水磨沟和三工河地区油页岩有机质处于低成熟到成熟的热演化阶段。

4 结论

(1)准噶尔盆地东南缘上二叠统芦草沟组露头油页岩芳烃以三环、四环和五环化合物为主，菲、萤蒽、芘、苝等系列化合物相对含量较高，联苯系列和三芴系列化合物含量极低。

(2)源岩母质既有低等水生生物，又含陆生高等植物，菲系列化合物中2,10-DMP、2,5-DMP和1,7-DMP均为“V”字型分布，从三工河剖面到雅玛里克山剖面再到水磨沟剖面，1,7-DMP相对丰度逐渐降低，指示油页岩母质具有自腐泥型向腐殖型过渡的趋势。较低丰度的1,2,5-TMN、1,2,7-TMN，表明源岩沉积环境为深湖亚相或海相的还原环境。

(3)样品的MPI1与MPI2具有良好的正相关性，基于MPI1值折算的镜质体反射率RO值为0.40%～0.74%，同时，并萤蒽/苯并芘比值分布在0.33～0.72之间，表明油页岩样品属于低熟到成熟阶段，三工河地区油页岩成熟度最低，水磨沟地区最高，雅玛里克山剖面样品成熟度居于二者之间。