楊文光 朱利東 密文天 王成善 李亞林黃 輝 武景龍 楊 林 周小琳
(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院,成都610059;2.中國地質(zhì)大學(xué) 青藏高原地質(zhì)研究中心,北京100083)
西藏倫坡拉盆地油氣的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了在海拔高度接近5km的高原存在新生代油藏[1-4],可可西里盆地已證實(shí)有較好的油氣遠(yuǎn)景[5-11]。經(jīng)過近幾年的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)青藏高原存在班公湖-怒江和金沙江2個(gè)主要的新生代陸相含油氣盆地帶,具有較好的油氣資源遠(yuǎn)景和勘探潛力[11]。羊湖盆地和可可西里盆地具有相同的基底[11],受自然條件的限制,其石油地質(zhì)研究程度極低,尚未見烴源巖的研究報(bào)道。對羊湖盆地石油地質(zhì)條件的認(rèn)識不僅是認(rèn)識青藏高原新生代盆地油氣總體情況的重要組成部分,同時(shí)也對了解青藏高原新生代隆升對油氣時(shí)空分布的影響有重要的意義。本文在對羊湖盆地石油地質(zhì)調(diào)查及地球化學(xué)分析的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對羊湖盆地?zé)N源巖的生物標(biāo)志物特征進(jìn)行研究,并對這些生物標(biāo)志物特征所反映的烴源巖的成熟度和沉積環(huán)境意義進(jìn)行探討。
羊湖盆地位于東昆侖山南側(cè)、阿爾金山以東,羊湖-若拉措一線,盆地東西方向長約540km,南北方向?qū)捈s60km,面積約28 000km2。在構(gòu)造背景方面,羊湖盆地位于青藏高原北緣、東昆侖中段的巴顏喀拉陸塊內(nèi),呈東西向展布。西部為阿爾金左旋走滑帶南部的分支斷裂;北部為蘇巴什-木孜塔格-鯨魚湖斷裂帶,與中昆侖微陸塊相鄰;南部邊界為拉竹龍-西金烏蘭-金沙江斷裂帶,與羌塘地塊相鄰。出露的地層主要有泥盆系、二疊系、三疊系、侏羅系、古近系與第四系等(圖1)。
本次野外石油地質(zhì)調(diào)查在羊湖盆地東南緣雪環(huán)湖北側(cè)的沙坡梁、豐草溝實(shí)測了2條古近系雅西措群(Ey)剖面(P01和P02,圖1),2條剖面為上下疊置關(guān)系,自向斜核部向南測量,未見底,頂部與三疊系斷層接觸,實(shí)測地層厚度1.3km。其地層巖性垂向變化為:下部以灰色、黃灰色、灰綠色和灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,夾有褐紅色?。袑幽鄮r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖,有少量灰綠色薄板狀泥灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r出露;中上部為紫紅色?。藓駥哟稚皫r、含礫砂巖、礫巖不等厚互層,夾紫紅色頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。該剖面的雅西措群整體呈現(xiàn)出向上變粗的沉積旋回。潛在烴源巖主要發(fā)育于雅西措群的下部地層(P02),巖性為灰色、黃灰色泥巖、灰黑色泥巖和灰綠色泥灰?guī)r,厚度約為100m[12,13]。
圖1 羊湖盆地區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Outline geological map of the Yanghu basin
研究樣品采自羊湖新生代陸相盆地東南緣雅西措群實(shí)測剖面。根據(jù)剖面沉積特征,雅西措群經(jīng)歷了由半深湖-淺湖—濱湖—河流到?jīng)_積扇的沉積環(huán)境演化。為了降低地表現(xiàn)代有機(jī)物質(zhì)的污染、減小因生物降解和風(fēng)化作用對沉積有機(jī)質(zhì)的影響,用鐵鏟挖開地表覆蓋物采集新鮮面烴源巖樣品。在對實(shí)測剖面進(jìn)行系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了油氣地球化學(xué)測試,并按照碳酸鹽巖有機(jī)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.05%)和泥巖含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.20%)的標(biāo)準(zhǔn)[14]確定潛在烴源巖,結(jié)果見表1。經(jīng)評價(jià),羊湖新生代陸相盆地雅西措群灰色、黃灰色泥巖屬于非—較差烴源巖,灰黑色泥巖為好烴源巖,灰綠色泥灰?guī)r屬于中等—好烴源巖;泥巖烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ和Ⅲ型,泥灰?guī)r烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型相對較好,為Ⅰ-Ⅱ1型;烴源巖總體處于低成熟—成熟階段[12,13]。
對選出的部分烴源巖樣品進(jìn)行詳細(xì)的有機(jī)地球化學(xué)分析。飽和烴生物標(biāo)志物分析采用Agilent 6890N型氣相色譜分析儀和Finnigan SSQ-7000色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。色譜柱為DB5-MS型毛細(xì)管(30m×0.32mm×0.25μm),氦氣作載體。升溫程序:飽和烴的起始溫度為35℃,以10℃/min升至120℃,再以3℃/min升至300℃,恒溫30min。離子源溫度為200℃,色譜質(zhì)譜溫度為250℃。質(zhì)譜掃描方式為全掃描和多離子檢測方式。經(jīng)檢測,正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布范圍寬,烴類有機(jī)組分中還有萜烷、甾烷、類異戊二烯烴等化合物,這對分析有機(jī)質(zhì)來源和沉積與成巖環(huán)境有重要作用。樣品的抽提及飽和烴的測定均在中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院生油實(shí)驗(yàn)室完成。
表1 烴源巖樣品有機(jī)質(zhì)特征及成熟度指標(biāo)Table 1 Organic matter characteristic and maturity index of hydrocarbon source rocks samples
正構(gòu)烷烴是烴源巖中飽和烴組分的重要成分,其分布特征與有機(jī)質(zhì)母源及成熟度有密切關(guān)系。飽和烴氣相色譜的正構(gòu)烷烴峰型特征和主峰碳數(shù)是反映有機(jī)母源的重要指標(biāo)[15]。一般認(rèn)為碳數(shù)小于C22的正構(gòu)烷烴標(biāo)志著菌藻類低等水生生物脂肪酸來源,碳數(shù)大于或等于C22的常為高等植物上表皮蠟來源,一些細(xì)菌也具有長鏈脂肪酸并形成碳數(shù)大于C22正構(gòu)烷烴,但不具有奇偶優(yōu)勢[16,17]。羊湖盆地雅西措群烴源巖正構(gòu)烷烴碳數(shù)范圍在nC16~nC33之間,主峰碳數(shù)有C23、C27、C29、C31等幾種,以后3種居多;CPI值介于1.75~3.98之間,平均為2.94;OEP值介于1.45~6.91之間,平均為4.56(表2),具明顯的奇偶優(yōu)勢。輕重組分比值為0.06~0.24,(C21+C22)/(C28+C29)比值介于0.17~0.94之間,說明重?zé)N組分占有明顯優(yōu)勢,低碳數(shù)組分也有一定的比例。胡明安等利用(nC21+nC22)/(nC28+nC29)的比值大小區(qū)別海相或陸相生物成因的母質(zhì)類型,當(dāng)比值為0.6~1.2時(shí),屬于陸相有機(jī)質(zhì)輸入型;當(dāng)比值為1.5~5.0時(shí),則為海相有機(jī)質(zhì)輸入型[17]。雅西措群烴源巖樣品的比值介于0.17~0.94之間,說明主要以陸相有機(jī)質(zhì)輸入為主。雅西措群烴源巖的正構(gòu)烷烴呈現(xiàn)后高雙峰型和后高單峰型2種類型分布(圖2),但以后高單峰型為主。陸源高等植物表皮蠟中含有大量C27、C29及C31正構(gòu)烷烴化合物,呈明顯的奇偶優(yōu)勢[18],因此樣品中的主峰碳數(shù)及其他指標(biāo)表明,總體上反映了以高等植物的輸入為主,并存在一定數(shù)量的低等水生生物輸入,顯示了其有機(jī)質(zhì)來源的多樣性。
通過研究發(fā)現(xiàn)[13],雅西措群下部(P02剖面,位置見圖1)主要發(fā)育了一套湖泊相沉積體系,按各類沉積相標(biāo)志確定的水深變化,可以劃分為淺湖—半深湖亞相、濱湖亞相。湖泊作為封閉的沉積環(huán)境,其中正構(gòu)烷烴的來源比較復(fù)雜,不僅包括水生藻類、微生物和陸地高等植物,還包括水生大型植物。湖泊沉積物中沉水植物和浮水植物相對于所有水生植物和陸地高等植物的輸入比例有一定的指標(biāo)[19-21],沉水/漂?。ǚ菫l危)水生大型植物的正構(gòu)烷烴分布,其最大碳數(shù)以C21、C23或C25最為普遍;而水生大型植物中瀕危植被的正構(gòu)烷烴分布類似于陸生高等植物,可以用沉水/漂浮水生大型植物源相對水生瀕危植物與陸生高等植物源的貢獻(xiàn)值即Paq=(C23+C25)/(C23+C25+C29+C31)區(qū)分。當(dāng)Paq<0.1時(shí),表示陸源類植物多;當(dāng)Paq=0.1~0.4時(shí),則主要是瀕危植物的輸入;當(dāng)Paq=0.4~1時(shí),沉水/漂浮水生大型植物則是主要的生物來源。樣品中Paq的值在0.277~0.654之間,平均為0.414,顯示了沉水/漂浮水生大型植物是主要的生物來源。
樣品中還檢測出了一定含量的類異戊二烯烴(圖2),其中最重要的是姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)。由于姥鮫烷和植烷具有結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性和較高的含量,其原始母質(zhì)來源于植醇,其比值常用于沉積環(huán)境分析[22]。一般認(rèn)為Pr/Ph<1指示缺氧還原沉積環(huán)境,Pr/Ph>1則代表氧化條件[23]。樣品的Pr/Ph在0.11~0.36之間,平均為0.24,顯示了明顯的還原環(huán)境及植烷優(yōu)勢。Pr/nC17值為0.90~1.25,平均為1.056;Ph/nC18值為1.11~2.08,平均為1.685。同時(shí),強(qiáng)烈的植烷優(yōu)勢即植烷含量超過姥鮫烷和nC18是高鹽環(huán)境的標(biāo)志[24],Peters認(rèn)為較低的Pr/Ph比值(<0.6)代表缺氧的并且通常是超鹽環(huán)境[25],因此本次測試結(jié)果顯示出高鹽環(huán)境的標(biāo)志,具有還原環(huán)境的咸水淺湖-半深湖亞相的沉積特征。
表2 烴源巖樣品有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)及生物標(biāo)志物參數(shù)Table 2 Organic geochemical parameters and the biomarker ratios of hydrocarbon source rocks samples
圖2 樣品總離子流圖色譜和萜烷、甾烷質(zhì)量色譜圖Fig.2 TIC,and terpane and sterane mass chromatograms of samples
樣品檢測出了一定含量的五環(huán)三萜烷系列、三環(huán)萜烷系列、四環(huán)萜烷及伽馬蠟烷等分子標(biāo)志化合物(圖2),其相對豐度為五環(huán)三萜烷>三環(huán)萜烷>四環(huán)萜烷。烴源巖樣品中普遍檢出了三萜烷系列化合物,其碳數(shù)主要分布在nC19~nC30,且以nC20、nC22、nC24、nC25、nC26、nC27、nC29、nC30豐度較高,nC19相對豐度較低,以nC23豐度最高,且nC21、nC23、nC24呈倒“V”字形分布,以13β(H)14α(H)構(gòu)型為主。三環(huán)萜烷系列具有較高的熱穩(wěn)定性和抗生物降解能力,主要來源于原生動(dòng)物細(xì)胞膜(細(xì)菌)及藻類等微生物[26]。所以,三環(huán)萜烷的這種分布特征與咸水環(huán)境及菌藻類低等生物輸入有關(guān),代表了有機(jī)母質(zhì)中具有一定份額的低等生物輸入特征。早期,Aquino Neto等認(rèn)為三環(huán)萜烷是“海相生物標(biāo)志物”[27];但后來的研究發(fā)現(xiàn)在陸相沉積物中也檢測出了三環(huán)萜烷。而張水昌等認(rèn)為陸相地層中該值一般小于0.25[28]。樣品中三環(huán)萜烷/五環(huán)三萜烷值多數(shù)均未超過0.2,反映烴源巖有機(jī)母質(zhì)來源于非海相環(huán)境的低等微生物,同時(shí)也證明了三環(huán)萜烷并非海相所特有。
樣品中四環(huán)萜烷僅檢測到C24成員,其與C26三環(huán)萜烷共同溢出。該類標(biāo)志物含量很低,多呈微量,應(yīng)用不多。有研究表明細(xì)菌生源輸入是形成四環(huán)萜烷的途徑,也有觀點(diǎn)認(rèn)為是由藿烷前驅(qū)物——藿烯中的五元環(huán)熱降解或生物降解作用形成,具有一定的熱穩(wěn)定性[29]。樣品中普遍檢出了伽馬蠟烷。Hills等在科羅拉多綠河油頁巖中發(fā)現(xiàn)伽馬蠟烷后,較高豐度的伽馬蠟烷被認(rèn)為是高鹽度水體沉積的標(biāo)志,或具有鹽躍層的分層水體標(biāo)志[30,31]。羊湖盆地雅西措群烴源巖樣品中,7個(gè)Gam/C31Hop比值可能隨著湖相沉積環(huán)境古鹽度的變化而變化,其數(shù)值平均為0.667(表2),P02-1S1為最高的0.89,代表咸化高峰期所沉積的灰色泥巖;而P02-5S2比值較低(0.36),代表一段相對淡化期的沉積旋回。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)伽馬蠟烷是通過還原四膜蟲醇而形成,而四膜蟲醇存在于某些原生動(dòng)物和光合細(xì)菌的細(xì)胞膜中[29],這也說明了低等生物生源的輸入。
樣品中檢出了大量的藿烷,其碳數(shù)為C27~C35(缺C28),其中包括C31~C35的升藿烷。研究發(fā)現(xiàn)藿烷是由原核生物或細(xì)菌壁中的細(xì)菌藿四醇所形成的,與細(xì)菌等微生物有關(guān)。其中以C30藿烷占優(yōu)勢,其次是C29藿烷。烴源巖樣品中檢出的C31~C35升藿烷相對含量較低,是細(xì)菌等水生低等生物輸入的標(biāo)志[32]。除了C27~C35正常的藿烷系列外,還發(fā)現(xiàn)有18α(H)-30降新藿烷(C29Ts)及C30重排藿烷。中國許多含油氣盆地都普遍含有這類化合物。Moldowan在阿拉斯加Prudhoe灣原油中發(fā)現(xiàn)了18α(H)-30降新藿烷(C29Ts)及17α(H)-30重排藿烷,認(rèn)為來自異養(yǎng)菌或藍(lán)藻細(xì)菌[29,33]。目前普遍認(rèn)為重排藿烷類化合物的形成與黏土礦物催化有關(guān)。藿烷的構(gòu)成表明原始母質(zhì)類型有一定的低等水生生物。
樣品中檢測到C21~C22孕甾烷系列、C27~C29規(guī)則甾烷、重排甾烷系列及一定量的4-甲基甾烷系列,主要以規(guī)則甾烷為主。其中C27~C29規(guī)則甾烷中,5α-C27/5α-C29比值在0.18~1.41之間(表2),平均為0.976,所有樣品的質(zhì)量色譜圖上均呈不對稱的“V”字形分布。
在甾烷類中,不同層位的烴源巖中普遍檢出了孕甾烷(C21H36)和升孕甾烷(C22H38),但含量較低,其生源物主要是水生低等生物,一般認(rèn)為孕甾烷是由微生物中的孕甾酮轉(zhuǎn)化而來。此外,還檢出了C27重排甾烷,但含量很少。在Pr/Ph值<0.5的厭氧強(qiáng)還原地層中,由于黏土的酸性催化作用受到抑制,因而重排甾烷較少[34],考慮到樣品的Pr/Ph平均值僅為0.24,推測可能是還原的沉積環(huán)境抑制了重排甾烷的含量。
m/z231質(zhì)量色譜圖上檢測出一定含量的4-甲基-24-乙基膽甾烷(C30),但沒有發(fā)現(xiàn)4-甲基-23,24-二甲基膽甾烷(C30)(甲藻甾烷)。Summons等在對海相和陸相源巖中的C30甾烷組成對比發(fā)現(xiàn),海相源巖和原油主要為4-甲基-24-乙基膽甾烷和甲藻菌烷,而未成熟非海相油頁巖和原油中C30甾烷僅以4-甲基-24-乙基膽甾烷占優(yōu)勢[35]。雅西措群當(dāng)時(shí)的湖相沉積環(huán)境可能是未檢出甲藻甾烷的原因。Moldowan等在已知形態(tài)特征的早寒武世化石中發(fā)現(xiàn)了溝鞭藻生源的生物標(biāo)志物,其中就有4-甲基-24-乙基膽甾烷[36,37];同時(shí),C28甾烷含量在白堊系和侏羅系中的增加可能與不斷增加的多種浮游植物群有關(guān)(如硅藻)[37,38]。而在雅西措群烴源巖中4-甲基-24-乙基膽甾烷(C30)及C28甾烷都有檢出,說明當(dāng)時(shí)有一定的低等藻類生源的輸入,其中,5α-C28/5α-C29比值在0.09~0.56之間,平均為0.407,反映了C28甾烷具有一定的豐度。
此外,甾烷類化合物具有一定的熱穩(wěn)定性,在成巖過程中不易發(fā)生改變。在規(guī)則甾烷中,一般認(rèn)為,C27甾烷占優(yōu)勢反映以低等水生生物的輸入為主,C29甾烷占優(yōu)勢則反映存在陸生高等植物有機(jī)質(zhì)的輸入為主[39]。羊湖盆地雅西措群烴源巖樣品甾烷C27/C29的值既有>1的情況,如P02-3S1等5個(gè)樣品,也有P02-5S4等2個(gè)樣品比值<0.6的特征(表2),這反映了有機(jī)母質(zhì)構(gòu)成中既有較高比例的高等植物,又有一定比例的低等水生生物混合輸入的特點(diǎn)。
正構(gòu)烷烴的分布受熱演化的影響而呈規(guī)律性變化,隨著成熟度的增加,正構(gòu)烷烴的奇偶優(yōu)勢逐漸消失,CPI和OEP值接近于1.0,輕/重組分比值逐漸增大。因此,其分布特征一定程度上能夠指示成熟度。羊湖盆地雅西措群烴源巖正構(gòu)烷烴OEP值均>1且最高接近7,平均為4.56;CPI值最高接近4,具明顯的奇碳優(yōu)勢;輕/重組分比值相差懸殊(表2),表明有機(jī)質(zhì)具有未成熟階段的基本特征。
C29甾烷C20上的立體異構(gòu)化作用隨著成熟度的增加而明顯進(jìn)行。甾烷生物構(gòu)型的ααα-20R逐漸向地質(zhì)構(gòu)型的ααα-20S異構(gòu)體轉(zhuǎn)變,20S/(20S+20R)值升高;而熱不穩(wěn)定的αα-構(gòu)型向ββ-構(gòu)型的C29甾 烷 轉(zhuǎn) 變,C2920Rββ/(αα+ββ)值 也 升高[40],對于未熟-低熟烴源巖20S/(20S+20R)更有效。羊湖盆地雅西措群烴源巖甾烷參數(shù)C2920S/(20S+20R)分布于4.61%~38.26%之間,平均為27.28%,樣品 P02-5S2和 P02-5S4甾烷參數(shù)低于20%,其余樣品均介于30%~40%之間,總體上顯示了未成熟-低成熟階段。對于另一生物標(biāo)志物參數(shù)指標(biāo) C29甾烷20Rββ/(αα+ββ),其比值介于20.37%~39.95%之間,平均為33.44%,也顯示了類似于C2920S/(20S+20R)的結(jié)果。
Tm (17αH-22,29,30-三 降 藿 烷 )與 Ts(18αH-22,29,30-三降藿烷)的比值也能反映非煤系地層中的成熟度。在后生作用階段,Ts的穩(wěn)定性比 Tm 好,Ts的分子能比 Tm 高18.4kJ/mol[41],隨成熟度的升高Ts/Tm值逐漸增大。羊湖盆地雅西措群烴源巖的Tm/Ts比值在0.96~21.85之間,換算為Ts/(Tm+Ts)后反映烴源巖中有機(jī)質(zhì)仍處于未成熟階段。同時(shí),對于C31藿烷22S/22R參數(shù)進(jìn)行測算,其比值在0.09~1.14之間,平均為0.711,換算為C31藿烷22S/(22S+22R)比值為0.415,而接近或達(dá)到平衡時(shí)的S/(S+R)值需在0.57~0.60[42],因此,可以發(fā)現(xiàn)與以上指標(biāo)所反映的成熟度相一致。
關(guān)于烴源巖成熟度的判別,需要說明的是,使用生物標(biāo)志化合物這單一指標(biāo)來判別有一定局限性,還應(yīng)結(jié)合鏡質(zhì)體反射率(Ro)、巖石熱解峰溫(tmax)以及干酪根中腐泥組分顏色等成熟度指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷。綜合各種成熟度指標(biāo)和參數(shù)分析表明,羊湖盆地雅西措群烴源巖總體處于低成熟-成熟階段[12,13]。
通過對羊湖新生代陸相盆地?zé)N源巖的生物標(biāo)志物特征分析,并對這些生物標(biāo)志物特征所反映的成熟度和沉積環(huán)境意義的探討,得出以下認(rèn)識:
a.羊湖盆地雅西措群烴源巖正烷烴碳數(shù)范圍在nC16~nC33之間,具明顯的奇偶優(yōu)勢。輕重組分比值說明重?zé)N組分占有明顯優(yōu)勢,低碳數(shù)組分也有一定的比例,呈后高雙峰型和后高單峰型分布,但以后高單峰型為主,總體上反映了以高等植物的輸入為主,并存在一定的低等水生生物輸入,顯示了其有機(jī)質(zhì)來源的多樣性,水生大型植物是主要的生物來源。同時(shí),具有明顯的還原環(huán)境及植烷優(yōu)勢,符合高鹽環(huán)境的標(biāo)志,具有咸水半深湖-淺湖亞相的沉積特征。
b.萜類化合物相對豐度為五環(huán)三萜烷>三環(huán)萜烷>四環(huán)萜烷,且nC21、nC23、nC24呈倒“V”字形分布,烴源巖樣品中檢出的藿烷等反映了細(xì)菌等水生低等生物輸入;而烴源巖樣品甾烷的地球化學(xué)指標(biāo)反映了有機(jī)母質(zhì)構(gòu)成中既有較高比例的高等植物,又有一定比例的低等水生生物混合輸入的特點(diǎn)。
c.通過對甾烷參數(shù) C2920S/(20S+20R)、OEP、Ts/Tm及C31藿烷22S/(22S+22R)比值等指標(biāo)分析,并結(jié)合鏡質(zhì)體反射率、巖石熱解峰溫以及干酪根中腐泥組分顏色等有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷,烴源巖主體處于低成熟-成熟階段。
趙西西、王立成、戴緊根、孟峻、孫俊、徐瑞等參加了野外采樣工作,中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院生油實(shí)驗(yàn)室完成了本文樣品測試工作,伊海生教授給予了有益的建議和指導(dǎo),在此一并致謝。
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