辽西金羊盆地北票组油砂芳烃地球化学特征及其地质意义

2020-05-25唐友军刘客孙鹏长江大学资源与环境学院湖北武汉430100

长江大学学报(自科版) 2020年2期

唐友军，刘客，孙鹏 (长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100)

李永飞，孙守亮 (中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110034)

张坤 (仙桃市自然资源和规划局，湖北仙桃 433000)

辽西金岭寺-羊山盆地(以下简称金羊盆地)是松辽外围南部盆地群中较大的盆地之一，呈北东向展布，盆地走向长约200km、宽约40km，总面积约7430km2，是中国北方侏罗系发育最完备的盆地之一[1～3]。大量研究结果表明，金羊盆地的沉积充填序列中，下侏罗统北票组发育的一套湖相泥页岩具有良好的生油气潜力[2～7]。近年来，中国地质调查局沈阳地质调查中心在金羊盆地北部实施的地质调查井(SZK02井、SZK03井、SZK04井)和羊D1井中均取得了油气新发现，其中，SZK02井为下侏罗统北票组油气显示较好的调查井[8,9]，羊D1井油砂产于中侏罗统髫髻山组安山岩裂隙中，可能来源于盆地内下伏的下侏罗统北票组烃源岩的贡献[9]。然而，现在的研究主要集中在北票组烃源岩的地球化学特征和已发现油砂的饱和烃的地球化学特征研究，针对油砂芳烃蕴含的地质地球化学信息研究还未见报道。作为原油和烃源岩沥青抽提物的重要组成部分，芳烃蕴藏着反映可溶有机质的母质类型、沉积环境和成熟度的地质地球化学信息。为此，笔者对SZK02井的4件北票组油砂样品芳烃的地球化学特征进行研究，探讨其生源、沉积环境、成熟度等方面的信息，旨在为金羊盆地油气资源调查和评价提供依据。

1 样品采集与分析方法

研究采集的油砂样品均为粉砂岩，产于金羊盆地北部SZK02井的下侏罗统北票组中。油砂采样位置见图1，油砂饱和烃气相色谱参数见文献[7]。样品分别标记为SZK02-75、SZK02-138、SZK02-159和SZK02-202.5。样品的抽提分离和芳烃气相色谱-质谱(GC-MS)分析均由油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)完成。

对油砂样品进行GC-MS分析前，首先除去岩心样品表面的污染物，取200～300g泥岩样品将其粉碎至100目，用滤纸包裹，进行索式抽提48h得到氯仿沥青“A”后，加入正己烷静置24h沉淀并用脱脂棉过滤沥青质，然后采用硅胶-氧化铝层析柱进行族组成分离，用正己烷冲洗饱和烃，用2∶1(体积比)的二氯甲烷和正己烷混合溶液冲洗得到芳烃，最后进行GC-MS分析。

2 结果与讨论

2.1 油砂芳烃化合物的组成特征

2.2 萘系列化合物

萘系列化合物是原油与烃源岩芳烃化合物馏分中最主要的二环化合物，其中烷基萘系列化合物可以表征沉积有机质的来源、热演化程度和沉积环境等[11]。研究区北票组油砂中萘系列化合物占芳烃总量的1.76%～15.22%，其中样品SZK02-75、SZK02-138的质量分数高于样品SZK02-159和SZK02-202.5的质量分数。

萘和多甲基取代萘系列化合物广泛存在于沉积有机质和原油中，萘系列化合物的质量分数受控于陆源有机质输入量[11]。研究区北票组油砂中检测与鉴定出来的萘系列化合物完整，具体包括萘、一甲基萘、二甲基萘、三甲基萘、四甲基萘、五甲基萘和乙基萘，在所分析的4件样品中，样品SZK02-75、SZK02-138中三甲基萘相对质量分数最高，四甲基萘次之；样品SZK02-159和SZK02-202.5中四甲基萘相对质量分数最高，三甲基萘次之。分布特征如图4所示。

1,2,5-三甲基萘主要来源于高等植物中的双环二萜刺柏酸和五环三萜香树素，由此可将高含量的1,2,5-三甲基萘用作指示高等植物生源输入的标志化合物(Alexander，1988)。据朱扬明等[12]研究成果发现，1,2,5-三甲基萘/1,3,6-三甲基萘在陆相原油中较高，可达0.30以上，煤成油中为0.74～1.48，海相原油中较低(如塔里木盆地海相原油中为0.15～0.29)。研究区油砂中1,2,5-三甲基萘/1,3,6-三甲基萘分别为：样品SZK02-75、SZK02-138为0.25和0.18，SZK02-159和SZK02-202.5为0.33和0.33，下部油砂表现为陆相有机质来源的特征，说明来源不一致。

2.3 菲系列化合物

菲系列化合物主要用于研究原油和烃源岩的成熟度[13,14]，某些化合物对沉积环境和有机母源输入也有指示意义。研究区4件北票组油砂样品中菲系列化合物质量分数占所检测的芳烃馏分化合物的40.71%～52.14%，主要包括菲(P)、惹烯(Re)、甲基菲(MP)、二甲基菲(DMP)和三甲基菲(TMP)等，其相对质量分数有所差异。如图5所示，样品SZK02-75、SZK02-138、SZK02-202.5中各化合物质量分数呈DMP>MP>TMP>P>Re的分布特征；样品SZK02-159中呈DMP>TMP>MP>P>Re的分布特征。

研究认为，3-甲基菲和2-甲基菲热稳定性高，是Ⅰ型和Ⅱ型干酪根高成熟度阶段甲基菲的产物，然而9-甲基菲和1-甲基菲受有机质生源和沉积环境的影响较大[15,16]。1-甲基菲在煤的陆相油和Ⅲ型有机质中较丰富，然而9-甲基菲和海相有机质有关，但是在半咸水-咸水还原环境的富含菌类和藻类等低等生物的煤中，也能生成9-甲基菲[15,16]。研究区样品中菲系列化合物丰度在芳烃中质量分数较高，并且甲基菲的分布模式呈现为9-甲基菲>2-甲基菲>1-甲基菲>3-甲基菲(见图6)，与中国东部渤海湾盆地中渤南洼陷以低等水生生物为主要生源的甲基菲分布模式类似[15]，反映出研究区下侏罗统北票组油砂生烃母质主要为低等水生生物。

甲基菲指数是常用的芳烃馏分成熟度参数[16]。研究区北票组油砂的甲基菲指数介于0.74～1.03，折算的成熟度介于0.84～1.02，说明北票组油砂成熟度差别不大，都处于成熟阶段。

2.4 联苯系列化合物

联苯系列化合物的生源可能来源于高等植物的木质素[17]。北票组油砂样品中检测到的联苯系列化合物占芳烃总量的2.32%、5.08%、0.43%、1.03%，包括联苯、甲基联苯、乙基联苯和二甲基联苯，其相对质量分数分布如图7所示。从图7中可以看出，油砂中二甲基联苯相对质量分数最高，下部2件油砂样品的二甲基联苯占绝对优势，可能表明上部2件油砂与下部2件油砂在有机质输入上有所不同。

2.5 三芴系列化合物

三芴系列化合物包括芴系列、氧芴(二苯并呋喃)系列和硫芴(二苯并噻吩)系列，是芳烃馏分化合物中研究得最多的化合物之一。依据三芴系列的相对组成特征差异，可用来表征沉积环境的变化(见图8)。一般认为二苯并噻吩/菲(即DBT/P)可以指示原油成油母质的沉积环境[18，19]，在强还原环境尤其是海相碳酸盐地层中，DBT/P>1，在湖相沉积环境，DBT/P<1。研究区的油砂样品DBT/P介于 0.11～0.14之间，Pr/Ph介于2.50～3.54之间。Hughes等[18]提出依据Pr/Ph-DBT/P关系可以识别沉积相带，在Pr/Ph-DBT/P图(见图9)中，研究区样品位于浅湖相和河流、三角洲相区间，总体表明其成烃母质的沉积环境为偏氧化的浅湖相-河流/三角洲沉积环境，这与饱和烃分子化石得出的结论基本一致[7]。

2.6 三芳甾烷系列化合物

三芳甾烷的相对分布特征和C26-三芳甾烷(20S)/C28-三芳甾烷(20S)是沉积环境或物源输入的有效指标[20,21]。在咸水、半咸水环境中形成的有机质中C26三芳甾烷的丰度较高，在淡水环境中形成的有机质中C28三芳甾烷占优势。研究成果揭示，C26-三芳甾烷(20S)/C28-三芳甾烷(20S)在半咸水、咸水湖相烃源岩中为0.57～0.94，在淡水、微咸水样品中C26-三芳甾烷(20S)/C28-三芳甾烷(20S)为0.20～0.45，而煤样品中C26-三芳甾烷(20S)/C28-三芳甾烷(20S)仅为0～0.25[20]。

三芳甾烷的丰度与沉积水体的盐度有关。三芳甾烷在芳烃馏分中的相对丰度与沉积环境水体咸度正相关，较高丰度的三芳甾烷系列可能是盐湖环境的标志物[22]。研究区4件油砂样品的三芳甾烷的相对组成特征略有差异，均检测到较低的三芳甾烷系列化合物，暗示油砂沉积环境水体并不咸和成熟度较高。油砂样品中检测出了较完整的m/z=231三芳甾烷系列(见图10)，但上部油砂样品显示三芳甾烷系列化合物丰度极低，平均占芳烃总量的0.69%，下部油砂样品中三芳甾烷化合物丰度较高，平均占芳烃总量的2.86%。 4件样品的C26(20S)/ C28(20S)分别为0.41、0.23、0.35、0.42，表明北票组油砂生烃母质形成于淡水、微咸水沉积环境。研究区油砂伽马蜡烷指数(伽马蜡烷/C30藿烷)介于0.18～0.25之间，显示其形成于半咸水环境[7]。三芳甾烷参数C28TAS-20S/(20R+20S)也可用于研究原油成熟度，研究区北票组油砂中C28TAS-20S/(20R+20S)为0.50～0.57，平均0.54，反映出油砂成熟度并不高的特征。