羌塘盆地上侏羅統(tǒng)白龍冰河組分子地球化學(xué)特征及意義

孫 濤, 王成善, 李亞林, 胡 濱, 魏玉帥

(1. 中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2. 中國地質(zhì)大學(xué) 青藏高原地質(zhì)研究中心, 北京 100083)

0 引 言

羌塘盆地位于青藏高原的羌塘-昌都地塊, 北以拉竹龍-金沙江斷裂縫合帶為界, 南以班公錯-怒江斷裂縫合帶為界, 面積約 18×104km2, 是青藏高原面積最大的海相沉積(殘留)盆地[1–2]。并且由于該盆地位于全球油氣產(chǎn)量最高、儲量最豐富的特提斯構(gòu)造域中段[3–5], 與之毗鄰的西端是著名的中東波斯灣油區(qū), 東端是東南亞眾多的含油氣盆地, 因此具有廣闊的油氣勘探前景[6–11]。

圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)簡圖(據(jù)1∶25萬地質(zhì)圖吐錯幅修改)Fig.1 Sketch map showing location (a) and geological structures (b) of the study area (modified from a 1∶250,000-scale geological map)

羌塘盆地總體構(gòu)造格局為“兩坳夾一隆”——羌北坳陷、中央隆起帶和羌南坳陷[1](圖1a)。東湖地區(qū)位于北羌塘坳陷中部, 較大面積為第四系所覆蓋,是整個盆地中比較穩(wěn)定的構(gòu)造單元(圖 1b)。東湖地區(qū)出露的地層以侏羅系最為發(fā)育(圖 1b)。侏羅紀(jì)第二次大規(guī)模海侵沉積了白龍冰河組, 厚度為 380～1200 m, 沉積中心位于北羌塘坳陷中西部[12–13]。燕山運(yùn)動與喜山運(yùn)動造成盆地不同程度地抬升剝蝕,白龍冰河組地層在盆地內(nèi)廣泛出露[14]。根據(jù)吐錯幅1∶25萬地質(zhì)報告, 白龍冰河組為一套淺海陸棚相灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖及頁巖等, 含有豐富的菊石化石, 時代為晚侏羅世基末里期-堤塘期。

本文擬運(yùn)用有機(jī)地球化學(xué)和有機(jī)巖石學(xué)方法,對羌塘盆地東湖地區(qū)上侏羅統(tǒng)白龍冰河組有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度及生物標(biāo)志化合物分布特征進(jìn)行分析研究, 以便為該地區(qū)油氣資源評價與勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品與實驗

野外實測白龍冰河組剖面的位置見圖1b, 其地層柱狀圖見圖2, 共有10塊灰?guī)r樣品采自該剖面, 采樣位置一并標(biāo)示與圖 2。樣品的有機(jī)巖石學(xué)與有機(jī)地球化學(xué)分析測試全部由中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司勘探開發(fā)研究院生油實驗室完成。

有機(jī)碳的測試分析由LECO CS-200完成; 巖石熱解由Rock-Eval II 完成, 分析流程見Peters[15]。利用Leica MPV Compact II儀器完成鏡質(zhì)組反射率的測定, 流程見Petersen et al.[16]。

巖樣進(jìn)行索氏抽提72 h, 用石油醚沉淀瀝青質(zhì),族組分分離用硅膠、氧化鋁色層柱, 正己烷、苯、無水己醇作沖洗劑, 得到飽和烴、芳烴和非烴。GC分析采用美國 HP-6890氣相色譜儀, 進(jìn)樣溫度 290,檢測器溫度300, HP-5型石英彈性毛細(xì)管柱(25 m×0.32 mm×0.17 μm), 氮氣為載氣。初溫 60,恒溫5 min, 升溫速率為4/m in,終溫 290, 恒溫40 min。GC-MS分析采用MAI95S色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀, 離子源溫度180, 電子能量70 eV。HP-5型石英彈性毛細(xì)管柱(50 m×0.32 mm×0.17 μm), 80恒溫5 min, 升溫速率為8/min, 升溫至120,再以2/min升溫至300, 恒溫21 min。

2 白龍冰河組有機(jī)質(zhì)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)含量

白龍冰河組 10塊樣品有機(jī)碳含量恢復(fù)后, 在0.11%～0.43%之間(表 1), 恢復(fù)系數(shù)采用參照趙政璋等提出的1.5[1], 參照杜柏偉等[14]提出的青藏高原烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn), 見表 2, 樣品有機(jī)質(zhì)豐度多為差-中等標(biāo)準(zhǔn)。由于樣品采集自野外露頭, 風(fēng)化作用對地表露頭樣品有機(jī)質(zhì)含量具有一定影響[17], 所以白龍冰河組樣品可能具有較高的初始有機(jī)碳含量。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是影響烴源巖油氣生成潛力的重要因素。有機(jī)顯微組分分析顯示, 白龍冰河組灰?guī)r顯微組分中含腐泥組為55%～79%, 鏡質(zhì)組為1%～10%,惰質(zhì)組為 17%～40%, 干酪根碳同位素(δ13C)為–24.9‰～ –22.3‰(表 1); 顯然, 白龍冰河組烴源巖有機(jī)質(zhì)類型具有腐植腐泥型(主要為Ⅱ型)特征, 有機(jī)質(zhì)類型良好。

圖2 白龍冰河組實測地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic profile of the Bailongbinghe Formation

表1 羌塘盆地白龍冰河組烴源巖樣品基礎(chǔ)地球化學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Geochemical parameters of source rocks from the Bailongbinghe Formation in the Qiangtang Basin

表2 羌塘盆地?zé)N源巖評價標(biāo)準(zhǔn)[14]Table 2 Evaluation criteria[14] of source rocks in the Qiangtang Basin

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

Ro是反映烴源巖有機(jī)質(zhì)演化和成熟度的經(jīng)典地球化學(xué)指標(biāo), 巖石熱解峰 Tmax值作為本次判識有機(jī)質(zhì)成熟度的輔助指標(biāo)。白龍冰河組10塊樣品中僅有 3塊樣品獲得了 Ro數(shù)據(jù), Ro數(shù)據(jù)在 1.4%～1.5%之間, Tmax值在 489～525 ℃之間(表 1), 這些數(shù)據(jù)表明白龍冰河組樣品有機(jī)質(zhì)成熟度處于高成熟階段。

3 白龍冰河組分子地球化學(xué)特征分析

3.1 有機(jī)質(zhì)生物降解程度和成熟度

生物標(biāo)志化合物以其較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性在地質(zhì)演化過程中殘留下來, 能有效地記錄原始有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)來源、沉積環(huán)境等信息, 但強(qiáng)烈的生物降解作用常會破壞一些生物標(biāo)志化合物的結(jié)構(gòu); 生物標(biāo)志化合物母質(zhì)在不同熱演化階段釋放出的生物標(biāo)志化合物也有所不同[18]。因此, 在運(yùn)用生物標(biāo)志化合物指標(biāo)進(jìn)行分析前, 首先對樣品的有機(jī)質(zhì)生物降解和熱演化程度進(jìn)行討論。

有機(jī)化合物的官能團(tuán)不同, 抗生物降解作用的能力也不同。Peters et al.[19]研究認(rèn)為, 生物降解程度通常為：正構(gòu)烷烴 ＞ 支鏈烷烴 ＞ 無環(huán)異戊二烯烴 ＞藿烷(有 25-降藿烷) ＞ 甾烷(有 25-降藿烷) ＞ 甾烷(無 25-降藿烷) ＞ 藿烷(無 25-降藿烷) ＞ 重排甾烷 ＞芳香甾烷 ＞ 卟啉; 并且分為 10個等級。從總離子流圖色譜(圖 3)可以看出低碳數(shù)正構(gòu)烷烴已明顯受到生物降解, 特別是B-1樣品。

在成巖作用和有機(jī)質(zhì)成熟過程中, 甾萜烷分子會發(fā)生“異構(gòu)化反應(yīng)”, 其異化程度常作為有機(jī)質(zhì)成 熟 度 判 斷 指 標(biāo) , 如 C29αα20S/(20S+20R)和C29ββ/(αα+ββ)為常用的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)。一般認(rèn)為, 隨著熱成熟度的增加, 甾烷 20S/(20S+20R)比值從 0 (生物構(gòu)型樣品)向 0.5變化(0.52～0.55為平衡值)[19]。Seifert et al.[20]認(rèn)為熱力學(xué)作用會促使C29甾烷在 C14和 C17位置發(fā)生異構(gòu)化, 導(dǎo)致 C29ββ/(αα+ββ)比值增大, 該值一般分布在接近 0～0.7之間(0.67～0.71為平衡值)。白龍冰河組灰?guī)rC29αα20S/(20S+20R)值為 0.29～0.46, C29ββ/(αα+ββ)值為 0.36～0.48(表 3),在 C29αα20S/(20S+20R)和 C29ββ/(αα+ββ)關(guān)系圖解(圖4)中, 樣品全部落在成熟區(qū)范圍內(nèi)。但是這兩個指標(biāo)值仍然偏低, 與Ro值(1.4%～1.5%)反映的不一致, 其原因可能是: (1) 在高成熟階段, 瀝青質(zhì)中包裹的生物構(gòu)型生物標(biāo)志化合物會釋放出來, 導(dǎo)致該兩個比值降低; (2) 由于樣品采集自野外露頭, 樣品的污染也可能導(dǎo)致該兩個比值降低。C3117α(H)-升藿烷的22S/(22S+22R)比值常作為有機(jī)質(zhì)未成熟到成熟階段的標(biāo)志, 其值在 0.5～0.54范圍內(nèi)表明進(jìn)入生油階段, 當(dāng)比值為0.57～0.62時則表明已達(dá)到或超過主要的生油階段[19]。白龍冰河組灰?guī)r的 C3122S/(22S+22R)值介于0.51～0.69之間(表 3), 與樣品已進(jìn)入生油階段相一致。

圖4 白龍冰河組灰?guī)r C29ββ/(αα +ββ)與C29 20S/(20S+20R)關(guān)系圖Fig.4 Cross plot of C2920S/(20S+20R) steranes versus C29ββ/(αα +ββ)steranes for the Bailongbinghe Formation limestone samples

3.2 有機(jī)質(zhì)來源及沉積環(huán)境

一般認(rèn)為, C27甾醇主要來源于浮游動物, C28甾醇來源于浮游植物, C29甾醇則在陸源植物中富集[21],所以常規(guī)甾烷三角圖可以用來判斷沉積物或者石油中有機(jī)質(zhì)來源及沉積環(huán)境, 盡管最近的研究表明C29甾醇也可能存在于如硅藻等微藻類中, 但是甾烷的三角圖解對反映沉積物和石油中的有機(jī)質(zhì)來源仍然有用[22]。白龍冰河組灰?guī)r樣品 C27、C28和 C29甾烷的相對含量分別為 30.58%～42.57%、20.85%～31.78%和 25.66%～45.1% (表 3), 其在 C27-C28-C29甾烷相對組成關(guān)系圖(圖5)中, 大多落在混合來源的生物母源范圍內(nèi), 表明樣品有機(jī)質(zhì)為混合來源, 與干酪根顯微鑒定結(jié)果吻合。

伽馬蠟烷廣泛分布于海相蒸發(fā)巖以及與蒸發(fā)巖伴生的碳酸鹽巖環(huán)境[19], 大量伽馬蠟烷的存在常指示有機(jī)質(zhì)沉積時處于強(qiáng)還原超鹽條件, 但很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)并不是所有高鹽度環(huán)境中都含有豐富的伽馬蠟烷[23]。已有研究表明, 生活于化躍面及其底部厭氧環(huán)境中的纖毛蟲是伽馬蠟烷的重要來源[23]。纖毛蟲生活于分層的水體中, 伽馬蠟烷是水體分層的標(biāo)志,同時在高鹽環(huán)境中水體常常是密度分層的, 因此,伽馬蠟烷也常與高鹽環(huán)境伴生[23], 通常咸水與淡水以伽馬蠟烷指數(shù) 0.2作為分界線[24], 白龍冰河組灰?guī)r的伽馬蠟烷指數(shù)在 0.40～0.85之間(表 3), 平均值為0.59, 表明灰?guī)r沉積時水體鹽度較高。

表3 羌塘盆地白龍冰河組烴源巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)Table 3 Organic geochemical parameters of extractable organic matter in the Bailongbinghe Formation of the Qiangtang Basin

圖5 白龍冰河組樣品中不同碳數(shù)規(guī)則甾烷分布Fig.5 Ternary diagram showing C27, C28, C29 regular sterane compositions of the Bailongbinghe Formation samples

白龍冰河組樣品中檢測出了豐富的類異戊二烯烴(圖3), 其中最重要的是姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph), 它們是常用的古環(huán)境標(biāo)志物。Didyk et al.[25]最早提出了 Pr/Ph比值是一種潛在的環(huán)境指標(biāo), 并認(rèn)為低的Pr/Ph比值指示一種還原的環(huán)境; 之后, ten Haven et al.[26]的研究也注意到高的 Pr/Ph比值與陸相氧化環(huán)境有一定的聯(lián)系。而Peters et al.認(rèn)為, 對生油窗內(nèi)的巖石和原油樣品而言, Pr/Ph比值與沉積環(huán)境的氧化還原反應(yīng)條件對應(yīng)關(guān)系較弱, 高 Pr/Ph比值(＞3.0)表明了在有氧條件下陸源有機(jī)物質(zhì)的輸入, 而低Pr/Ph比值(＜0.8)則代表缺氧, 且通常是超鹽或碳酸鹽沉積環(huán)境[27]。白龍冰河組灰?guī)r樣品 Pr/Ph比值在0.36～0.80之間(表3), 所有樣品的Pr/Ph比值均小于0.8, 暗示了樣品形成于高鹽度強(qiáng)還原水體; 同時,在 Pr/Ph-Pr/nC17-Ph/nC18相對關(guān)系圖解[28](圖 6)中,灰?guī)r樣品全部落在半咸水-咸水有機(jī)質(zhì)的范圍內(nèi), 也表明灰?guī)r形成于鹽度較高的環(huán)境。

4 結(jié)論與意義

(1) 白龍冰河組樣品有機(jī)碳含量在 0.11%～0.43%之間, 有機(jī)質(zhì)豐度為差—中等, 干酪根顯微組分顯示有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型, 有機(jī)質(zhì)類型較好; 鏡質(zhì)組反射率Ro在1.4%～1.5之間, 對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)最大熱解溫度 Tmax在489～525 ℃之間, 顯示有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高, 處于高成熟階段。

圖6 白龍冰河組灰?guī)rPr/Ph-Pr/nC17-Ph/nC18分布圖Fig.6 Ternary diagram of Pr/Ph, Pr/nC17, and Ph/nC18 ratios for the Bailongbinghe Formation limestone samples

(2) C27甾烷、C28甾烷和C29甾烷相對組成關(guān)系顯示了樣品母質(zhì)的混合來源, 與干酪根顯微組分結(jié)果相吻合。

(3) 白龍冰河組樣品中較高的伽馬蠟烷指數(shù)(0.40～0.85)和較低的 Pr/Ph 比值(0.36～0.80), 且在Pr/Ph-Pr/nC17-Ph/nC18相對關(guān)系圖解中, 樣品落在半咸水-咸水的范圍內(nèi), 顯示了樣品沉積時水體具有較強(qiáng)的還原性和較高的鹽度。

(4) 白龍冰河組樣品盡管成熟度較高, 但是考慮到樣品經(jīng)受風(fēng)化作用和生物降解作用, 該區(qū)烴源巖仍具有生成油氣的潛力。東湖周圍較大面積為第四紀(jì)沉積物所覆蓋, 油氣保存條件相對較好, 應(yīng)是下一步研究的重點。

參加野外工作的還有中國地質(zhì)大學(xué)(北京)研究生高遠(yuǎn)、鐘瀚霆、趙斌; 華北油田馬順平、王吉茂等工程師完成了樣品測試工作, 在此一并致謝。

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