银额盆地下白垩统巴音戈壁组油页岩有机地球化学特征及成矿条件

2021-08-10于佳琦柳蓉张坤闫旭

世界地质 2021年2期

于佳琦，柳蓉,2，张坤，闫旭

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

0 引言

油页岩是一种富含有机质的、低温干馏可获得油页岩油的细粒沉积岩，其中有机质一般处于未熟--低熟阶段[1--3]。油页岩可发育在海相、陆相沉积环境中，国外以海相为主，中国以陆相为主[2]。同时，作为陆相沉积最细粒的部分，油页岩中保存有丰富的地质信息，是古气候、古环境和古生产力等变化的灵敏指示器和高分辨率的自然档案[4]。因此，可以通过有机地球化学方法来解读油页岩的沉积信息，开展古环境和古湖泊等研究，以揭示有机质来源及成矿条件。

银额盆地是中国勘探程度较低的大中型含油气盆地[5]，其油页岩资源丰富，主要分布于巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组[6]。前人对银额盆地油页岩研究较多，主要针对油页岩特征[6--9]、工业评价及开发利用前景[10--11]、古生物特征[12--13]和地球化学特征[14--15]等，缺少对有机地球化学特征及油页岩成矿条件的系统研究。因此，笔者以银额盆地巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组二段为目的层段，对该层段油页岩的有机地球化学特征进行详细研究，揭示其成矿条件，为该区油页岩预测与勘探提供地质理论依据，进一步丰富油页岩成矿理论。

1 地质背景

银根—额济纳旗盆地，简称银额盆地，位于内蒙古自治区西部，东接狼山，南邻雅布赖山，西至北大山，北靠中蒙边界及洪格尔吉山(图1)，覆盖面积12.3×104km2[16]。根据盆地基底性质、沉积地层和断裂活动等不同，可将银额盆地分为12 个一级构造单元，即绿园隆起、特罗西滩隆起、宗乃山隆起、楚鲁隆起、木巴图隆起、居延海坳陷、务桃亥坳陷、达古坳陷、苏红图坳陷、苏亥图坳陷、尚丹坳陷和查干德勒苏坳陷[17]。

图1 银额盆地构造单元划分及研究区位置图(据文献[12]修改)Fig.1 Division of structural units and location of study area in Yin’e Basin

研究区位于银额盆地楚鲁隆起巴格毛德地区，主要发育下白垩统巴音戈壁组(K1b)、上白垩统乌兰苏海组(K2w)和第四系(Q)，其中巴音戈壁组划分为巴音戈壁组一段 (K1b1) 和巴音戈壁组二段 (K1b2) 两个岩段[14]。研究目的层段巴音戈壁组二段为一套半深湖--深湖相沉积，发育有灰色、灰绿色泥岩，灰黑色油页岩，粉砂质泥岩，细砂岩，泥灰岩，是本区油页岩的主要含矿地层[6,14]。

2 样品与实验方法

研究样品取自银额盆地巴格毛德地区ZK1--5井，共取11个油页岩样品，取样深度为112.29～170.42 m，样品间距0.7～19.2 m。依据1 m混合样品含油率测试分析，研究层段油页岩含油率为4.30%～7.05%，平均含油率为5.28%，根据油页岩质量评价标准[1]，属于中等品质油页岩。本次研究选取的11个样品全部进行了有机碳、全硫及岩石热解分析，从中选取6个具有代表性的样品进行生物标志化合物测试分析。

有机碳及全硫分析由美国LECO公司制造的Leco CS--230碳硫仪完成测试，测试总有机碳(TOC)和全硫(S)的样品共70 mg，粉碎至200目，置于透水坩埚中，用浓度为8%的稀HCl进行预处理以除去样品中的无机碳，直至样品不再冒气泡为止；酸洗后用蒸馏水冲洗至中性，然后将样品置于50℃恒温箱进行干燥处理；将烘干处理好的样品放入Leco CS--230碳硫分析仪自动测试并给出相关结果。岩石热解由Rock--Eval 6热解仪完成，在非等温条件下，通过在开放式热解系统中加热每个样品(70 mg)进行分析，主要获得样品中游离烃(S1)和热解烃(S2)的质量分数及最高热解峰温Tmax。生物标志化合物测试分析前的程序包括有机质抽提和族组分分离，根据族组分分离出的饱和烃的含量多少，加入对应质量的标准物质及二氯甲烷，然后由GC--MS等离子质谱仪完成测试。以上实验均在中国吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室完成。

3 实验结果

3.1 有机地球化学参数

银额盆地巴音戈壁组油页岩有机碳、全硫和岩石热解测试结果(表1，图2)表明：油页岩TOC含量为5.25%～10.90%，平均值为7.66%；S含量为0.06%～1.45%，平均值为0.72%；S/TOC值为0.01～0.19，平均值为0.10；生烃潜量(S1+S2)为26.68～84.16 mg/g，平均值为54.12 mg/g；最高热解峰温Tmax为432℃～439℃，整体在436℃±。

表1 银额盆地巴格毛德地区巴音戈壁组油页岩总有机碳、全硫与岩石热解参数

图2 银额盆地巴格毛德地区巴音戈壁组油页岩有机地球化学参数分布图Fig.2 Distribution of organic geochemical parameters of oil shale of Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

3.2 生物标志化合物特征

3.2.1 正构烷烃及类异戊二烯烷烃

银额盆地巴音戈壁组油页岩饱和烃m/z57质量色谱图(图3)呈单峰分布，正构烷烃碳数分布范围为nC15-nC35，主碳峰数除样品BF--5为nC31，其余样品均为nC27(表2)。长链正构烷烃(nC27-31)相对含量最高，其次为中链正构烷烃(nC21-25)，短链正构烷烃(nC15-19)相对含量最低。∑C21-/∑C22+为0.20～0.29；碳优势指数(CPI)值为2.43～3.16；奇偶优势指数(OEP)值为2.35～3.50；巴音戈壁组油页岩样品中检出的类异戊二烯烷烃为姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)，Pr/Ph值为0.30～0.62，平均值为0.48；Pr/nC17值为0.27～0.55，平均值为0.45；Ph/ nC18值为0.72～2.67，平均值为1.38(表2)。

表2 银额盆地巴音戈壁组油页岩正构烷烃和类异戊二烯烷烃参数

图3 银额盆地巴音戈壁组油页岩饱和烃m/z 57质量色谱图Fig.3 Mass chromatograms(m/z 57)of saturated hydrocarbon of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

3.2.2 甾类化合物

巴音戈壁组油页岩在饱和烃m/z217质量色谱图上(图4)检测出丰富的甾类化合物，其中重排甾烷的丰度较低，规则甾烷(C27-29)为主,ααα--20R构型的C27- C28- C29规则甾烷呈反L型分布(C29> C27> C28)。研究区油页岩C27、C28、C29规则甾烷相对含量分别为0.28～0.35、0.14～0.24、0.46～0.55，平均值分别为0.32、0.18、0.50；∑(C27+C28)/ ∑C29为0.83～1.15，平均值为1.00(表3)。

表3 银额盆地巴音戈壁组油页岩甾、萜类化合物参数

1.14β，17α-重排胆甾烷20S；2.14β，17α-重排胆甾烷20R；3.14α，17β-重排胆甾烷20S;4.14α，17β-重排胆甾烷20R；5.14β，17α-重排麦角甾烷20S；6.14β，17α-重排麦角甾烷20R；7.14α，17β-重排麦角甾烷20S；8.5α， 14α，17α-胆甾烷20S；9.5α，14β，17β-胆甾烷20R；10.5α，14β，17β-胆甾烷20S；11.5α，14α，17α-胆甾烷20R；12.14β，17α-重排谷甾烷20R；13.14α，17β-重排谷甾烷20S；14.5α，14α，17α-麦角甾烷20S；15.5α， 14β，17β-麦角甾烷20R；16.5α，14β，17β-麦角甾烷20S；17.5α，14α，17α-麦角甾烷20R；18.5α，14α，17α-谷甾烷20S；19.5α，14β，17β-谷甾烷20R；20.5α，14β，17β-谷甾烷20S；21.5α，14α，17α-谷甾烷20R。图4 银额盆地巴音戈壁组油页岩饱和烃m/z 217质量色谱图Fig.4 Mass chromatograms(m/z 217)of saturated hydrocarbon of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

3.2.3 萜类化合物

巴音戈壁组油页岩饱和烃m/z191质量色谱图(图5)检测出的萜类化合物主要为五环三萜类化合物，其次为三环萜烷(C30)。五环三萜烷以(18α，21β)和(17α，21β)两种构型的藿烷及(17β，21α)构型的莫烷为主，以C30藿烷占优势，且均没有发现C28藿烷。升藿烷系列C31-C35均有检出，但高碳数(C33-C35)升藿烷丰度极低。非藿烷类的五环三萜类化合物检测到有少量伽马蜡烷和代表陆源高等植物输入的奥利烷[18]。

1.18α(H), 21β(H)-22, 29, 30-三降藿烷(Ts)；2.17α(H) ,21β(H)-22, 29, 30-三降藿烷(Tm)；3.三环萜烷(C30)；4.17α(H), 21β(H)-30-降藿烷；5.18α(H) , 21β(H)-30-降新藿烷(C29Ts)；6.17β(H), 21α(H)-30-降莫烷；7.奥利烷；8.17α(H), 21β(H)-C30藿烷；9.17β(H), 21α(H)- C30莫烷；10.17α(H), 21β(H)-29-升藿烷22S；11.17α(H), 21β(H)-29-升藿烷22R；12.伽马蜡烷；13.17β(H), 21α(H)-29-二升藿烷22S+22R；14.17α(H), 21β(H)-29-二升藿烷22S；15.17α(H), 21β(H)-29-二升藿烷22R；16.17α(H), 21β(H)-29-三升藿烷22S；17.17α(H), 21β(H)-29-三升藿烷22R；18.17α(H), 21β(H)-29-四升藿烷22S；19.17α(H), 21β(H)-29-四升藿烷22R；20.17α(H), 21β(H)-29-五升藿烷22S。图5 银额盆地巴音戈壁组油页岩饱和烃m/z 191质量色谱图Fig.5 Mass chromatograms(m/z 191)of saturated hydrocarbon of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

4 讨论

4.1 有机地球化学特征

4.1.1 有机质丰度

有机质丰度代表岩石中有机质的相对含量，常用来衡量和评价岩石的生烃潜力[19]。TOC、S1+S2与HI是评价有机质丰度的常用指标[19--20]。巴音戈壁组油页岩TOC、S1+S2与HI相关性好(图2)，TOC平均值为7.66%，S1+S2与HI平均值分别为54.12 mg/g、690.21 mg/g，反映研究区油页岩有机质丰度较高，生烃潜力较好。

4.1.2 有机质成熟度

有机质成熟度表示沉积有机质向油气转化的热演化程度[19--20]。巴音戈壁组油页岩岩石热解参数Tmax值为432℃～439℃，整体在436℃±，说明有机质处于未成熟--低成熟阶段。正构烷烃测试分析结果显示CPI值为2.47～3.16，OEP值为2.35～3.50，表现为明显的奇数碳优势，结合巴音戈壁组油页岩OEP与CPI交汇图(图6)，指示研究区油页岩有机质处于未成熟阶段。

图6 银额盆地巴音戈壁组油页岩OEP与CPI交汇图(据文献[21]修改)Fig.6 Plot of OEP versus CPI of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

随着热演化程度的增加，甾类、萜类化合物会发生由热稳定性差的生物构型到稳定的地质构型的异构体转变[22--23]。甾类化合物中C29ααα20S/(20S+20R)比值随着成熟度的增加由0开始变化，在0.55±达到平衡值[24--25]。萜类化合物中Ts/(Ts+Tm)与C3122S/(22S+22R)也是衡量有机质成熟度的常用指标，Ts/(Ts+Tm)比值约在生油阶段晚期达到0.5[26]，C3122S/(22S+22R)比值在0.6±达到平衡值[25]。研究区油页岩甾烷C29ααα20S/(20S+20R)比值为0.02～0.11， Ts/(Ts+Tm)比值为0.23～0.34，藿烷C3122S/(22S+22R)比值为0.24～0.40，均表明油页岩有机质处于未成熟阶段(表3)。

综上表明，巴音戈壁组二段油页岩有机质成熟度较低，处于未成熟--低成熟阶段。

4.2 油页岩成矿条件

4.2.1 有机质来源

湖泊沉积物中有机质来源可划分为湖盆内源有机物和外源有机物。内源有机物主要包括细菌、藻类和大型水生植物等水生生物，外源有机物主要为陆源输入的陆生高等植物[27]。目前主要通过岩石热解以及生物标志化合物等方法来判别有机质来源。

一般认为，Ⅰ型有机质主要来源于湖相藻类和细菌等低等水生生物，Ⅱ型有机质为水生生物和陆生植物的混合来源，Ⅲ型有机质则来源于陆源高等植物[19,28]。岩石热解参数Tmax与HI交汇图表明巴音戈壁组油页岩有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，反映其有机质以细菌和藻类等水生生物来源为主，也有少部分陆生高等植物来源(图7)。

图7 银额盆地巴音戈壁组油页岩HI与Tmax交汇图(据文献[29]修改)Fig.7 Plot of HI versus Tmax of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

正构烷烃的碳数分布规律可以较准确地判断有机质母质类型，短链正构烷烃(nC15-19)来源于细菌和藻类，中链正构烷烃(nC21-25)来源于水藓、泥炭藓等水生植物，长链正构烷烃(nC27-31)来源于陆源高等植物[30--31]。研究区油页岩∑C21-/∑C22+为0.20～0.29，高碳数正构烷烃占优势，且中、长链正构烷烃所占比例较高，说明水生植物与陆生高等植物对有机质来源的贡献较大。前人研究表明长链正构烷烃并非只来源于陆生高等植物，细菌和藻类等低等水生生物也可以形成长链正构烷烃[32--35]。对于不成熟的油页岩，仅根据正构烷烃分布不能判断有机质的母源构成[36]，还需要结合其他指标综合论证。

甾类化合物C27、C28规则甾烷主要来源于水生生物，而C29规则甾烷主要来源于陆源高等植物[37]。研究区油页岩规则甾烷∑(C27+C28)/∑C29比值为0.83～1.15，整体在1±，结合规则甾烷C27- C28- C29相对含量三元图(图8)可知，巴音戈壁组油页岩有机质为浮游生物与陆生高等植物混合来源。

图8 银额盆地巴音戈壁组油页岩规则甾烷C27--C28--C29相对含量三元图(据文献[38]修改)Fig.8 Ternary diagram of regular steranes (C27--C28--C29) of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

萜类化合物中，三环萜烷是指示细菌和藻类等低等水生生物生源的可靠标志[26,39]；藿烷类化合物也指示细菌对有机质输入的贡献[40]；伽马蜡烷的前身物是四膜虫醇，来源于原生动物、光合硫细菌等低等生物体中[26,31]；奥利烷则是陆源高等植物输入的标志[18]。巴音戈壁组油页岩高丰度的藿烷系列(C27-35)、中等丰度的三环萜烷(C30)以及低丰度的伽马蜡烷均反映了细菌对有机质输入的重要作用，低丰度的奥利烷表明了沉积有机质部分来源于陆生高等植物。

综合以上分析，巴音戈壁组二段油页岩有机质来源为细菌和藻类等低等水生生物、浮游生物以及陆生植物的混合来源。

4.2.2 古湖泊盐度

S/TOC比值为衡量古湖泊盐度的有效指标，淡水环境下S/TOC<0.1，海相高盐环境下S/TOC>0.5，半咸水环境下S/TOC比值为0.1～0.5[41]。研究区油页岩S/TOC比值为0.01～0.19，反映沉积时期水体整体为淡水--半咸水环境。油页岩中有机质含量高，导致S/TOC比值较小，故衡量古水体盐度还需要结合其他指标加以论证。

萜类化合物中伽马蜡烷既是水体分层的标志，也能指示环境盐度[42--43]。通常，伽马蜡烷指数<0.2指示淡水--半咸水环境，>0.2指示半咸水--咸水环境[44]。研究层段下部油页岩(161.94～170.42 m)伽马蜡烷指数为0.25～0.37，平均值为0.31，上部油页岩(120.45～157.37 m)伽马蜡烷指数为0.11～0.16，平均值为0.14，指示下部为半咸水环境，向上逐渐过渡为淡水环境，油页岩沉积时期古湖泊逐渐淡化(表3)。

4.2.3 古湖泊氧化还原环境

通常，姥鲛烷/植烷比值(Pr/Ph)可判别古水体的氧化还原条件，Pr/Ph<0.8指示缺氧还原环境，Pr/Ph>3.0指示典型的氧化环境，而Pr/Ph为0.8～3.0时需综合其他证据判别水体氧化还原性[32]。研究区油页岩Pr/Ph比值为0.30～0.62，均<0.8，表现为明显的植烷优势，指示研究区油页岩沉积时期整体处于缺氧还原条件。甾类化合物中重排甾烷的形成与沉积水体的氧化还原环境有关，其主要形成于富氧的酸性介质中，还原条件不利于其形成[45--47]。研究区油页岩重排甾烷丰度低，也指示沉积时期古湖泊水体的还原性。类异戊二烯烃与其相邻的正构烷烃比值(Pr/nC17和Ph/nC18)也可以用来指示水体的氧化还原条件[48]，研究区油页岩Pr/nC17比值为0.27～0.55， Ph/ nC18比值为0.72～2.67，结合Pr/nC17与Ph/nC18交汇图(图9)，表明研究区油页岩形成时期沉积环境为藻类富集的还原环境。综合有机碳及全硫参数与生物标志化合物特征表明，巴音戈壁组二段油页岩形成于淡水--半咸水、还原环境。

图9 银额盆地巴音戈壁组油页岩Pr/nC17与Ph/nC18交汇图(据文献[48]修改) Fig.9 Plot of Pr/nC17 versus Ph/nC18 of oil shale of Bayingebi Formation in Yin’e Basin

研究区油页岩伽马蜡烷的检测表明古湖泊存在水体分层，研究层段下部油页岩沉积于半咸水环境，盐度分层使底层水循环停滞，氧气难以进入，故湖底呈缺氧还原环境。而研究层段上部沉积环境为淡水环境，湖泊还原程度相对较差。研究层段下部油页岩TOC含量明显高于上部油页岩(图2，表1)，说明盐度分层下缺氧的底层水更有利于有机质的保存。

综上所述，淡水--半咸水条件下，盐度分层引起的底层水还原环境是银额盆地巴音戈壁组二段油页岩成矿的有利条件。