羌塘盆地中央隆起带下二叠统展金组烃源岩芳烃化合物特征研究

2024-01-02曹竣锋万友利宋春彦

中国煤炭地质 2023年11期

曹竣锋，万友利，张波，宋春彦，孙伟

（1.中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都 610081；2.自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，四川成都 610081；3.长庆实业集团有限公司，陕西西安 710021）

0 引言

芳烃化合物是在烃源岩、原油和煤中普遍存在的重要有机族组分，其在烃源岩和原油中的含量仅次于饱和烃化合物，对判断烃源岩或原油的生烃物质来源［1］、沉积环境［2-3］、评价烃源岩的成熟度［4-5］、分析油气运移等［6-7］具有指示意义。与饱和烃化合物相比，芳烃化合物抗生物降解能力强，能更多地保留烃源岩生物化合物特征［8-9］，具备良好的抗风化、抗热解的能力。芳烃化合物中的烷基萘、含硫芳香烃和稠环芳烃能有效指示烃源岩的生烃物质来源与沉积环境［10］。甲基萘指数、菲系列化合物、硫芴系列化合物、多环芳烃等能有效对烃源岩的成熟度进行评价［11］。其中，硫芴系列化合物具备随成熟度增高而变化的规律，且与镜质体反射率（Ro）之间有良好的线性关系［5］。另外，芳烃类化合物的成熟度参数比饱和烃成熟度参数具有更宽的适用范围，能指示更宽的成熟度区间，指标参数可持续应用到干气阶段，因此其在成熟度上具有更广泛的指示意义［12-13］。

羌塘盆地是青藏高原中面积最大、最有可能取得油气突破的盆地［14］。因地表出露地层主要以中生代为主，因此对盆地内油气地质的研究主要集中在中生界。近年来对盆地沉积演化的研究，实施并取得成果的重要钻井也主要集中在中生界［15-16］。随着研究的深入，发现盆地内的古生代烃源岩也具有较好的生烃潜力。这些古生代烃源岩有机碳含量较高，有机质类型主要为Ⅱ2-Ⅲ型，Ro值大多为1.50%～2.40%，处于高成熟-过成熟阶段［17］。由于羌塘盆地所处藏北，地表样品遭受风化作用和生物降解作用较强。前人对隆鄂尼-昂达尔错古油藏带的油苗及局部发现的古油藏进行油源对比，发现它们都遭受了后期生物降解破坏［18］，导致常用的饱和烃生物标志化合物特征的多解性增加［19］。本文通过利用芳烃化合物抗生物降解能力强的特点，对中央隆起带二叠系烃源岩样品的芳烃地球化学特征进行研究，分析该烃源岩的物质来源、沉积环境以及成熟度特征，为盆地二叠系烃源岩评价提供支持。

1 地质概况

羌塘盆地位于青藏高原北部，东经82°～96°、北纬32°～35°，面积大约22 万km2［14］。盆地南、北分别以班公湖-怒江缝合带和可可西里-金沙江缝合带为界；东、西以中生界地层尖灭线为界。根据航磁异常和大地电磁（MT）基底测深资料，将羌塘盆地自北向南划分为北缘褶皱冲断带、北羌塘坳陷、中央隆起和南羌塘坳陷［20］，整体呈“两坳夹一隆”的构造格局。其中，中央隆起带位于戈木日-玛依岗日—格拉丹东一线，近东西向展布（图1a），被认为是一个形成于二叠纪末期，“有根的”中生代凸起带［14］。早石炭世晚期—早二叠世，羌塘地区处于伸展环境，沿龙木错-双湖发育裂谷，二叠系烃源岩即在裂谷中发育；晚二叠世—早中三叠世，古特提斯开始闭合，沿龙木错-双湖发生碰撞与缝合作用，中央隆起带开始成形［20］，羌塘盆地的南北坳陷拼贴连为一体。

图1 羌塘盆地构造单元划分（a）、研究区地质简图（b）及井下采样位置Figure 1 Tectonic setting of the Qiangtang Basin（a）、geological map of the study area（b）and sampling sites（c）

研究区位于中央隆起带中北部，龙木错-双湖板块缝合线从该区北侧通过。地表调查显示，中央隆起带主要发育前泥盆纪变质岩、泥盆系、石炭系以及二叠系。将该区二叠系划分为下二叠统展金组和中二叠统龙格组。据成都地质矿产研究所江爱达日那幅1∶25万区域地质调查报告，下二叠统展金组主要为凝灰质砂泥岩、基性火山岩，局部夹薄—中层泥晶灰岩、微晶灰岩等，厚度＞648.8m。剖面上可见该组产丰富的古生物化石，包括腕足类、珊瑚类、海绵化石、苔藓虫、海百合茎等。展金组可见粉砂岩中发育沙纹层理，泥灰岩中发育水平纹层，粉砂岩与泥岩中可见鲍马序列。

2 样品的采集与分析

本文中所测试样品来自地质浅钻所获取的岩心，浅钻位置见图1b。井下展金组由下而上发育碳酸盐岩组合-火山角砾岩-细碎屑岩组合，其中以灰黑—黑色泥岩或粉砂质泥岩为主的细碎屑岩段厚约318m。样品全部采自展金组中细碎屑岩段，岩性为灰黑—黑色泥岩，采样位置见图1c。样品基础地球化学数据见表1。

表1 展金组烃源岩的基础地球化学参数Table 1 Geochemical data of source rocks of Zhanjin Formation

所有样品均在中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司勘探开发研究院生油实验室完成芳烃化合物测试。先将烃源岩样品粉碎至100 目，再经索氏抽提72h，称取适量氯仿沥青“A”放入三角瓶中。用石油醚将不能溶解的组分-沥青质分离出来，再用二氯甲烷与石油醚分离得到饱和烃、芳烃和非烃组分；利用美国Finnigan 公司SSQ-7000 色谱-质谱仪对芳烃组分进行GC-MS测试。芳烃起始温度50℃，以3℃/min 升至300℃，恒温30min。离子源温度为200℃。质谱扫描方式为全扫描和多离子检测方式。

3 结果与讨论

3.1 芳烃族组成特征

样品中所检测到的芳烃化合物主要包括萘系列、蒽、菲系列、芴系列、氧芴系列/二苯并呋喃、硫芴系列/二苯并噻吩、三芳甾烷、联苯系列、䓛系列、蒽、萤蒽、芘、苯并［a］芴、苯并［b］芴、甲基芘系列、苯并［a］蒽、苯并萤蒽、苯并［e］芘、苯并［a］芘、苝、惹烯等。

芳烃化合物在质量色谱图上一般分布有3个峰群，根据3 个峰群的分布特征可分为前峰型（以萘、菲系列为主）、后峰型（以芳香甾萜烷类为主）和双峰型。样品的芳烃色谱图（图2）中，第二峰群芳烃化合物质量分数明显最高，第一峰群萘系列及第三峰群芳香甾烷类化合物质量分数低，表明芳烃化合物中菲和烷基菲占明显优势，沉积环境以海相为主，母质来源以水生低等生物为主。

图2 展金组烃源岩芳烃化合物质量色谱图Figure 2 Mass chromatogram of aromatic compounds in source rocks of Zhanjin Formation

由各单体芳烃化合物的分布图（图3）可见，菲系列是优势主分，其化合物含量占其芳烃总量的42.74%～48.93%，平均值为45.51%。其次为三芴系列，该系列化合物含量占芳烃总量的15.84%～18.78%，平均值为17.43%；其中硫芴、氧芴和芴系列占芳烃总量的平均值分别是3.11%，2.52% 和11.79%。萘系列化合物含量占其芳烃总量的3.80%～11.21%，平均值为7.42%。䓛及甲基䓛化合物含量占其芳烃总量的6.18%～9.38%，平均值为7.26%。联苯系列化合物含量占其芳烃总量的4.21%～8.43%，平均值为6.41%。三芳甾烷系列化合物含量占其芳烃总量的比例极低，基本都小于1%。其余的芳烃化合物，如荧蒽、芘和苝等系列，其含量均在1%～4%，所占比例并不高。样品以菲系列化合物为主，说明烃源岩的有机质来源以海相低等水生生物居多；而萘系列化合物被认为与陆源高等植物的关系较为密切［21］，同时检测出的联苯、荧蒽、芘和苝系列等被认为是高等植物输入标志的化合物，表明烃源岩的有机质混入有陆生植物。

图3 展金组各烃源岩样品芳烃化合物相对丰度分布特征Figure 3 Distribution characteristics of relative abundance of aromatic compounds in source rocks of Zhanjin Formation

前人研究认为，随着降解作用增强，色谱曲线的基线偏离横坐标的幅度会增高，同时常规芳烃含量降低，三芳甾烷系列含量增加［22］。从色谱图和芳烃化合物分布情况可见，生物降解作用没有对本次样品测试结果的可靠性产生影响。

3.2 主要芳烃化合物的地球化学意义

3.2.1 萘系列

样品检测出的萘系列化合物包括萘（N）、甲基萘（MN）、二甲基萘（DMN）、三甲基萘（TMN）、四甲基萘（TeMN）、五甲基萘（PMN）、乙基萘和卡达烯。其中，三甲基萘、二甲基萘含量较高，总体上具有TMN＞DMN＞TeMN＞N＞PMN＞MN 的相对质量分数分布规律。物质来源上，萘系列、联苯系列、惹烯等化合物被认为来源于陆源高等植物。同时，样品中还检测出高等植物输入标的咔达烯。萘系列的以上特征，说明展金组烃源岩沉积时处于海相环境，母质来源主要为低等菌藻类，但同时有高等陆源植物输入。一般情况下，不同的海、陆相环境，1，2，5-三甲基萘的相对含量具有明显差异。陆相环境下该化合物的含量是海相环境下的一倍，海相环境中1，2，5-三甲基萘分别占本系列的含量只有5%左右［23］。本次样品中1，2，5-三甲基萘占本系列的比值在1.94%～3.96%，表现为明显的海相环境。

萘系列中有多个指数可以用于烃源岩或原油的成熟度判断。甲基萘指数（MNR，MNR=2-MN/1-MN）是萘系列常用且有效的成熟度参数。8 个样品的甲基萘指数范围是0.87～1.31，平均值是1.05，与塔里木盆地海相原油的MNR值［24］非常接近。说明烃源岩热演化程度已基本达到成熟阶段，也验证了本次样品中相对低分子质量的萘系列化合物未受到较强的生物降解和挥发影响。另外，甲基萘指数有随着温度升高而增加的特征［25］，还应采用其它萘系列指数来对烃源岩成熟度进行判断。根据测试结果，萘系列中二甲基萘比值DNR1（DNR1=2，7+2，6DMN/1，5-DMN）的数值范围是3.87～7.19，平均值是5.70，换算成Rca（Rca=0.49+0.09×DMR）数值范围是0.84%～1.14%，平均值是1.00%。三甲基萘指数2（TNR2，TNR-2=1，3，7+2，3，6TMN/1，3，6+1，4，6+1，3，5TMN）的数值范围是0.93～1.10，平均值是1.00，换算成Rcb（Rcb=0.4+0.6×TNR2）数值范围是0.96%～1.06%，平均值是1.00%。所计算的Rca、Rcb值与Ro实测数据非常接近，反映烃源岩达到成熟阶段，但未到高成熟阶段（表2）。

表2 展金组烃源岩芳烃系列化合物成熟度参数Table 2 Maturity parameters of aromatic compounds in source rocks of Zhanjin Formation

3.2.2 菲系列

样品中检测出了菲（P）、甲基菲（MP）、二甲基菲（DMP）、乙基菲（EtP）等系列化合物，有两个样品检测到了极少量的惹烯（Re）。菲系列化合物内部相对丰度由大到小依次为P＞MP＞DMP＞EtP＞Re。因为藻类中含有菲系列化合物的前身物，因此菲系列的来源被认为是与低等水生生物关系更为密切。前人研究认为，2-甲基菲和3-甲基菲热稳定性较高，是Ⅰ型和Ⅱ型干酪根高成熟度阶段甲基菲的产物；1-甲基菲和9-甲基菲受沉积环境和生源的影响比较大，1-甲基菲在源于Ⅲ型有机质和煤的陆相油中较丰富，而9-甲基化合物主要和海相有机质有关［26］。但也有研究认为在半咸水—咸水还原环境富含菌类和藻类等低等生物的煤中，易生成9-甲基菲［27］。本次样品中菲系列化合物在芳烃中质量分数最高，且甲基菲的分布模式为2-甲基菲＞3-甲基菲＞9-甲基菲＞1-甲基菲，说明烃源岩母质主要以低等水生生物为主。

菲系列化合物的参数指标常用于研究原油和烃源岩的成熟度。RADKE 提出甲基菲指数（MPI）作为成熟度指标［9］，KVALHEIM 等提出甲基菲分布分数，即F1和F2，来计算成熟度［12］。但实践发现，在有机质热演化的不同阶段，甲基菲指数与镜质体反射率间呈现出不同的关系式，同一甲基菲指数值推算出2 个不同的镜质体反射率［28］，可以甲基菲比值（MPR）来避免这个问题。将样品的MPR换算为Rc［29］，结果见表2。Rc最小值是1.14%，最大值是1.20%，平均值是1.17%，计算结果与Ro实测值较为一致，反应出烃源岩达到成熟阶段。

3.2.3 三芴系列化合物

三芴系列化合物包括芴、硫芴（噻吩类化合物）和氧芴（呋喃类化合物），其相对组成特征是芳烃中最常用的指示沉积环境的参数。在测试的样品中，硫芴（SF）的含量是13.24%～20.91%，平均值是17.89%；氧芴（OF）的含量平是12.26%～17.27%，平均值是14.51%；芴（F）的含量是61.83%～72.06%，平均值是67.6%，表现为F＞SF＞OF。前人研究发现，在弱氧化和弱还原的环境中，氧芴含量较高；在正常还原环境中芴系列较为丰富；在强还原环境中则以硫芴占优势［30］。本次样品中，芴相对含量占优势，反映出烃源岩形成时处于正常的还原环境。

三芴系列化合物结构相似，被认为是来源于同一母质。研究认为，对于过渡环境用三芴系列化合物组成三角图来判别古环境效果不佳［29］。因此，本次研究运用∑SF/∑（F+SF）系列和∑OF/∑（F+OF）系列关系相关性图（图4），以及硫芴系列/氧芴系列与Pr/Ph 关系图（图5），来对烃源岩的原始沉积环境进行划分和判识。样品中SF/OF 值为0.9～1.64；其对应的Pr/Ph 为0.69～1.16。由图4 及图5 可见，烃源岩样品处于正常还原环境。

图4 展金组烃源岩∑OF/∑（OF+F）系列与∑SF/∑（SF+F）系列关系Figure 4 Correlation between ∑OF/∑（OF+F）and ∑SF/∑（SF+F）of source rocks of Zhanjin Formation

图5 展金组烃源岩硫芴系列/氧芴系列与Pr/Ph关系Figure 5 Correlation between ∑SF/∑OF and Pr/Ph of source rocks of Zhanjin Formation

硫芴化合物的系列参数是三芴系列化合物中常用的反映烃源岩成熟度的参数。硫芴系列参数与埋深间存在着线性关系，从而可用作烃源岩成熟度指标。根据Ro与硫芴系列参数的关系式［5］，换算的烃源岩等效镜质体反射率Ro（K4，6，%）值为0.84%～0.94%，平均值为0.89%（n=8）；Ro（K2，4，%）值为0.87%～1.12%，平均值为0.95%，达到成熟阶段，与实测Ro结果较为吻合。

3.2.4 联苯系列

所有的样品中均检测出了联苯系列化合物，含量在4.21%～8.43%，平均值为6.41%。联苯系列化合物被视为陆源植物输入的标志物。样品中的联苯化合物含量虽低，仍说明有机质中有陆源物质的混入。

3.2.5 多环芳烃

在本次样品中也检测出了一定数量的多环芳烃化合物，它们可用作母质来源、成熟度、沉积环境等方面的研究。其中，䓛系列化合物被认为来自低等水生生物，而荧蒽、芘、苝系列化合物被认为来自陆生植物。样品中检测出多环芳烃化合物，包括荧蒽（FL）、芘（Py）、苯并芘（BPy）、甲基芘（MPy）、苯并荧蒽（BFL）、苯并蒽（BAn）、苝（Pe）、䓛和甲基䓛等，说明烃源岩的有机质来源中，既有低等水生生物，又有陆生高等植物，这与前述研究结果一致。

多环芳烃中苝/苯并［e］芘比值与苯并荧蒽/苯并［e］芘比值是芳烃化合物中常用的成熟度研究参数。苯并荧蒽与苯并［e］芘虽然同为5 个环的稠合芳烃，但苯并荧蒽有一个环是五元环，不如5个环都是六元环的苯并（e）芘稳定。随着成熟度增加，苯并荧蒽/苯并（e）比值会明显减小，Ro在＞0.8%时比值会降到0.3 左右，并保持不变［4］。在本次测试的样品中，8 个测试样品中有6 个没有检测到苝；而检测到苝的样品中，苝/苯并［e］芘比值都是0.011。样品苯并荧蒽/苯并［e］芘比值范围在0.025～0.045，平均值是0.033，表明烃源岩样品的热演化阶段达到成熟阶段，与前文的研究结果所吻合。

3.3 沉积背景讨论

在研究区地表及井下分别采集了展金组烃源岩样品。样品的镜检结果显示，干酪根类型主要为Ⅱ2-Ⅲ型干酪根［31-32］，是有较多陆源植物混入的干酪根类型，这与海相环境中烃源岩一般为I 型干酪根矛盾；即便用干酪根碳同位素分析对干酪根类型进行验证，结果也是如此［32］。利用芳烃化合物抗风化、抗生物降解能力强的特点，对烃源岩有机质来源进行研究，发现其以海相低等水生生物为主，但有大量陆源植物输入，与干酪根镜检结果吻合，说明展金组沉积时并不完全是浅海斜坡相或台地边缘斜坡相［33］。

对羌塘地块东部二叠纪玄武岩的地球化学研究表明，羌塘地块板内裂谷的打开时间在早二叠世，中二叠世进入裂谷演化阶段，晚二叠世关闭［34］。钻孔资料显示展金组由下而上发育碳酸盐岩组合-火山角砾岩-细碎屑岩组合，火山角砾岩的出现说明展金组烃源岩在沉积时裂谷已经开启。在裂谷的开启过程中，受拉张作用的影响形成了断块或者地堑，使得裂谷边缘具有陡峻的地貌特征。在下二叠统角木茶卡剖面，可见从台地相的鲕粒灰岩、砾屑灰岩、生物灰岩和生物碎屑灰岩，直接进入到盆地相的基本没有大化石的薄层泥晶灰岩夹硅质条带，并与钙屑浊积岩和枕状玄武岩互层，缺乏中间的台地边缘和斜坡相；这种比较快的相变一般都反映了地形的陡峭［35］。

综上，本文认为展金组烃源岩在沉积时，可能处于靠近裂谷边缘的高陡斜坡位置（图6）。因为靠近裂谷边缘，使得烃源岩在海相沉积环境中输入较多的陆源植物；而裂谷边缘的地形陡峭，造成该组地层在沉积构造上见有大量鲍马序列发育。