鄂爾多斯盆地定邊地區(qū)山西組流體包裹體的拉曼光譜特征

李艷霞， 閆新義， 田毓峰

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 致密油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065； 2.長(zhǎng)慶實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710018)

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鄂爾多斯盆地定邊地區(qū)山西組流體包裹體的拉曼光譜特征

李艷霞1， 閆新義1， 田毓峰2

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 致密油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065； 2.長(zhǎng)慶實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710018)

拉曼光譜技術(shù)是對(duì)流體包裹體進(jìn)行無損分析的重要手段。本文應(yīng)用激光拉曼技術(shù)對(duì)鄂爾多斯盆地定邊地區(qū)山西組石英礦物顆粒中流體包裹體組分特征進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)包裹體主要呈現(xiàn)2種拉曼光譜圖：分別是代表芳烴存在的熒光型拉曼光譜圖和代表飽和烴存在的飽和烴型拉曼光譜圖。從所測(cè)得的2種譜圖來看，該地層包裹體捕獲于煤系烴源巖的生烴演化階段，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在石英顆粒的Ⅰ期、Ⅱ期次生加大邊中的包裹體的拉曼譜圖主要顯現(xiàn)2250 cm-1±和2945 cm-1±拉曼譜峰，而裂縫中的包裹體除了具有與其相同的峰值之外，在600～1500 cm-1之間亦顯示出多個(gè)拉曼譜峰，說明存在于這2種構(gòu)造中的包裹體處于不同的煤系烴源巖演化之中，因此所測(cè)包裹體組分不完全相同。該研究測(cè)得的拉曼光譜圖揭示了研究區(qū)山西組地層中流體包裹體的主要組分，并且反映了包裹體被捕獲時(shí)的成烴流體組分變化特征，對(duì)最終確定當(dāng)時(shí)地層的流體環(huán)境及其與煤系烴源巖生烴演化之間的關(guān)系有著重要意義。

鄂爾多斯盆地流體包裹體； 熒光型拉曼光譜圖； 飽和烴型拉曼光譜圖； 芳烴； 飽和烴

激光拉曼光譜分析技術(shù)具有精度高、使用方便、對(duì)樣品無損耗等特點(diǎn)，是目前最為先進(jìn)的單包裹體成分分析測(cè)試手段[1]。20世紀(jì)70年代，人們開始利用拉曼光譜技術(shù)對(duì)包裹體進(jìn)行無損測(cè)定分析，Rosasco等最早提出流體包裹體拉曼光譜分析方法，隨后一些學(xué)者相繼發(fā)表了關(guān)于天然流體包裹體的拉曼分析結(jié)果以及拉曼光譜在流體包裹體分析中的應(yīng)用等成果[2-4]。我國(guó)一些學(xué)者也對(duì)拉曼光譜分析技術(shù)開展了大量研究，對(duì)其應(yīng)用于物質(zhì)的鑒別和定性等方面存在的問題作了詳細(xì)討論[5]，并對(duì)氯鹽溶液、烴類包裹體、飽和烴包裹體、瀝青包裹體拉曼光譜圖特征進(jìn)行了詳細(xì)分析[6-10]。通過對(duì)拉曼光譜分析研究發(fā)現(xiàn)，大分子烴類物質(zhì)的拉曼光譜圖與大分子烴類物質(zhì)的含碳數(shù)、分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度沒有特別明顯的相關(guān)性，而是與苯環(huán)、烷烴骨架以及環(huán)烷基息息相關(guān)[11-14]。并根據(jù)飽和烴、芳香烴、非烴、瀝青質(zhì)等石油四大組分各自的拉曼光譜圖特征，將烴類包裹體拉曼光譜圖劃分為5種類型：飽和烴型拉曼光譜圖、烷烴+瀝青型拉曼光譜圖、瀝青型拉曼光譜圖、熒光型拉曼光譜圖、甲烷型拉曼光譜圖[15]。通過對(duì)包裹體的拉曼光譜圖進(jìn)行分析，可以識(shí)別包裹體內(nèi)的流體組分，因此對(duì)包裹體被捕獲時(shí)流體環(huán)境及成巖特征研究有重要的指示意義。

本文在前人認(rèn)知的基礎(chǔ)上，應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)對(duì)鄂爾多斯盆地定邊地區(qū)山西組地層中的流體包裹體進(jìn)行拉曼光譜圖分析，確定該研究區(qū)包裹體的拉曼光譜圖特征及其所含的主要組分，并通過包裹體中主要組分判斷出研究區(qū)包裹體被捕獲時(shí)所處的地層流體環(huán)境。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)定邊位于中國(guó)第二大盆地——鄂爾多斯盆地的中西部，構(gòu)造上位于陜北斜坡中部，地層傾角小于1°[9]。山西組形成于海陸轉(zhuǎn)型的過渡時(shí)期，由早二疊世晚期沉積而成，自下而上分為山2段和山1段，山2段沉積相類型為辮狀河三角洲平原沉積，巖石類型以石英砂巖、巖屑砂巖為主，并有少量巖屑石英砂巖；山1段沉積相類型為辮狀河三角洲前緣沉積，巖石類型以巖屑石英砂巖為主，并有少量巖屑砂巖。在晚古生代鄂爾多斯盆地周緣火山活動(dòng)頻繁，該時(shí)期華北地臺(tái)與陰山造山帶耦合強(qiáng)烈，在石炭紀(jì)—二疊紀(jì)期間，華北地臺(tái)北緣發(fā)生了12期火山噴發(fā)事件[16]。該研究區(qū)地層主要經(jīng)歷了機(jī)械壓實(shí)、溶蝕、硅質(zhì)膠結(jié)等成巖作用，其次還受到壓溶作用的影響。

2 樣品特征及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本研究所用樣品取自鄂爾多斯盆地定邊地區(qū)山西組石英砂巖巖心，有灰白色砂巖、灰色砂巖2種類型。樣品編號(hào)分為2種，一種為圖中沒有比例尺的圖片，以“Y411 3819.26 山西組 ×200 裂縫中的包裹體”為例，其中Y代表延長(zhǎng)，411表示該井的井號(hào)，3819.26表示所取巖心位于地層深度為3819.26 m處，山西組表示樣品來自山西組，×200表示樣品是在200倍視野下觀察的，“裂縫中的包裹體”是對(duì)圖片內(nèi)容的描述，(+)表示正交偏光鏡下觀察，(-)表示單偏光鏡下觀察。另一種樣品圖中具有比例尺，因此樣品編號(hào)中沒有標(biāo)出觀察倍數(shù)。

將采集的巖心樣品制成薄片，對(duì)薄片中發(fā)育的流體包裹體進(jìn)行了激光拉曼分析，主要測(cè)試對(duì)象為石英次生加大邊、典型裂縫以及個(gè)別粒內(nèi)中的流體包裹體。測(cè)試使用的實(shí)驗(yàn)儀器為雷尼紹inVia Reflex顯微拉曼光譜儀，采用532 nm激光進(jìn)行測(cè)試，并在使用之前對(duì)儀器進(jìn)行單晶硅校準(zhǔn)。分析過程中，由于峰值小于500 cm-1的區(qū)域除了硅質(zhì)的拉曼譜峰外，沒有其他有意義的峰值，因此掃描峰值的范圍是500～3200 cm-1。所研究樣品顯微圖像如圖1所示。

圖 1 研究區(qū)樣品顯微圖像Fig.1 Microscopic images in studying areaa—Y411 3819.26 山西組 ×200 裂縫中的包裹體(-)； b—Y440 3388.65 山西組 ×100一期加大邊(+)； c—Y440 3578.96山西組 加大邊中的包裹體 ×500(-)。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)包裹體的拉曼光譜圖總特征

通過分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的包裹體以2種類型的拉曼光譜圖為主：一種是熒光型拉曼光譜圖，譜圖總體上呈拱包形態(tài)，并在拉曼譜圖中看不到特征峰值(見圖2)；另一種是飽和烴型拉曼光譜圖，在譜圖中顯現(xiàn)出若干特征峰值(見圖3)。對(duì)飽和烴型拉曼光譜圖特征峰進(jìn)行詳細(xì)分析如下。

通過對(duì)飽和烴型包裹體拉曼光譜圖的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)在石英的Ⅰ期、Ⅱ期加大邊中主要顯示2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰(注：Ⅰ期、Ⅱ期加大邊發(fā)育于成巖階段的早期和中期，是石英顆粒在富含硅質(zhì)的酸性孔隙流體條件下進(jìn)行再生長(zhǎng)的結(jié)果)，如圖3所示很少含有其他特征峰(圖3為經(jīng)過基線校準(zhǔn)，圓滑后的拉曼光譜圖)，而存在于裂縫中的包裹體除了同樣含有2個(gè)典型的特征峰，大多還顯示600～1500 cm-1之間的特征峰，如628 cm-1±、859 cm-1±等(見表1)。

表 1 定邊地區(qū)研究井段拉曼峰值特征

Table 1 The characteristics of Raman peaks in Dingbian well

井名層位樣品深度(m)包裹體所在位置(石英)包裹體主要拉曼峰值(cm-1±)Y409山西組3826.99Ⅰ期加大邊2255,2939Ⅰ期加大邊627,2247,2944Ⅰ期加大邊2250,2945Y575山西組3337.51Ⅰ期加大邊2250,2946Ⅰ期加大邊2248,2941Ⅱ期加大邊2250,2943Y442山西組3388.65Ⅰ期加大邊1160,2250,2945Ⅰ期加大邊1160,2250,2945Y482山西組3837.45裂縫584,638,792,1057,1161Ⅰ期加大邊2250,2946Y482山西組3888.07裂縫627,862,2250,2944裂縫628,859,2250,2946Y443山西組3667.1裂縫696,805,1160,2250,2962裂縫695,806,1160,2259,2962

圖 2 熒光型包裹體及其拉曼譜圖Fig.2 Fluorescence-type inclusions and their Raman peaksa—Y411 3819.26 山西組 熒光型包裹體圖片(-)； b—a所對(duì)應(yīng)的包裹體中氣泡部分拉曼譜圖；c—同a； d—a所對(duì)應(yīng)的包裹體中液相部分拉曼譜圖。

圖 3 飽和烴型包裹體及其拉曼譜圖Fig.3 Saturated hydrocarbon-type inclusions and their Raman peaksa—Y440 3578.96 山西組 飽和烴型包裹體圖片(-)； b—a所對(duì)應(yīng)的包裹體中氣泡部分拉曼譜圖；c—Y482 3888.07 山西組 飽和烴型包裹體圖片(-)； d—c所對(duì)應(yīng)的包裹體中液相部分拉曼譜圖。

兩種拉曼光譜圖是如何形成的？各自代表了怎樣的流體環(huán)境？以下進(jìn)行一一討論。

3.2 熒光型和飽和烴型拉曼光譜圖特征

3.2.1 熒光型拉曼光譜圖

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，所研究的包裹體樣品近70%呈現(xiàn)出熒光型拉曼光譜圖的特征，即具有熒光拱包，沒有特征峰值的出現(xiàn)。據(jù)前人研究，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳烴導(dǎo)致了熒光拱包，說明所研究的包裹體被捕獲時(shí)的流體環(huán)境中的烴類組分以芳烴為主。

3.2.2 飽和烴型拉曼光譜圖

根據(jù)前人研究，在2700～2970 cm-1區(qū)域內(nèi)有強(qiáng)烈的拉曼譜峰是飽和烴型拉曼譜峰所具有的典型特征，此外，748 cm-1±、804 cm-1±等也屬于飽和烴的拉曼譜峰的典型特征之一[7]。748 cm-1±為直鏈烷烴類特征峰，804 cm-1±為烷烴六環(huán)基特征峰[17]。因此，實(shí)驗(yàn)所得特征峰2945 cm-1±以及少量748 cm-1±、804 cm-1±的峰值揭示了包裹體中飽和烴的存在。而2250 cm-1±所對(duì)應(yīng)的元素，在石油組分中并沒有發(fā)現(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的組分，已知礦物中也沒有與其對(duì)應(yīng)的礦物。一些學(xué)者推測(cè)其可能是烴包裹體中的一個(gè)無機(jī)雜質(zhì)基團(tuán)—CN的標(biāo)志之一[7]。在所研究的飽和烴類包裹體中，幾乎全部包裹體都具有2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰。也就是說，在包裹體被捕獲期間，孔隙溶液中含有大量的飽和烴。

其次，石英次生加大邊中的包裹體特征峰以2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰為主，其他峰值少見；而在裂縫中的包裹體相對(duì)于石英加大邊中的包裹體，在600～1500 cm-1之間呈現(xiàn)出相對(duì)較多的特征峰值(見表1)。說明在石英次生加大邊發(fā)育基本結(jié)束時(shí)的構(gòu)造活動(dòng)階段，地層流體中的烴類組分相對(duì)于加大邊發(fā)育階段發(fā)生了一些變化。

3.3 兩種類型拉曼光譜圖的地質(zhì)意義

熒光型拉曼光譜圖和飽和烴型拉曼光譜圖，分別代表了以芳烴和飽和烴組分為主的拉曼光譜圖。

本區(qū)山西組主要富含煤系氣源巖供給的煤型氣氣藏[18-19]。煤系烴源巖在生烴演化過程中，會(huì)脫去大量富含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳烴、環(huán)烷芳烴，在烴類流體運(yùn)移過程中，會(huì)被捕獲、保存在砂巖的石英次生加大邊、石英裂縫中，形成包裹體，芳烴組分即代表“化石”流體，代表了當(dāng)時(shí)地質(zhì)歷史時(shí)期的成烴流體的變化。同時(shí)，煤系烴源巖在生烴演化過程中，也會(huì)脫去大量短支鏈的烷烴組分，這些組分會(huì)進(jìn)一步熱裂解形成氣態(tài)烴類，在烴類流體運(yùn)移過程中形成飽和烴包裹體，代表了當(dāng)時(shí)成藏過程中飽和烴類流體的變化特征。

因此，熒光型拉曼光譜圖和飽和烴型拉曼光譜圖證實(shí)了山西組包裹體被捕獲時(shí)，該地層處于煤系烴源巖生烴演化過程中。

4 結(jié)論

通過對(duì)鄂爾多斯盆地定邊地區(qū)山西組流體包裹體拉曼光譜圖的分析研究，最終得出如下結(jié)論：①研究地區(qū)山西組中的流體包裹體拉曼光譜圖主要分為熒光型拉曼光譜圖和飽和烴型拉曼光譜圖2種，且將近70%的包裹體拉曼光譜圖為熒光型拉曼光譜圖；②該研究區(qū)顯示飽和烴型拉曼光譜圖的包裹體，在石英加大邊中所測(cè)譜峰以2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰為主，在裂縫中的包裹體所測(cè)光譜相對(duì)于前者在600～1500 cm-1區(qū)域中往往顯示出若干其他特征峰；③該研究區(qū)包裹體被捕獲時(shí)流體中的烴類組分主要有芳烴和飽和烴；④流體包裹體總體被捕獲于煤系烴源巖生烴演化的階段，且含飽和烴的包裹體捕獲于煤系烴源巖進(jìn)一步熱裂解階段。

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Raman Spectra Characteristics of Fluid Inclusion in the Shaanxi Formation of the Dingbian Area in the Ordos Basin

LIYan-xia1,YANXin-yi1,TIANYu-feng2

(1. Key Geology Laboratory of Tight Oil and Gas, College of Earth Sciences and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China; 2.Changqing Industrial Group LTD., Xi’an 710018, China)

Raman Spectroscopy is an important means of non-destructive fluid inclusions analysis. Composition of fluid inclusions in quartz from the Shaanxi formation of the Dingbian area in the Ordos Basin was determined by the Raman technique. These inclusions show two kinds of Raman spectra, fluorescence-type Raman spectra which indicate aromatic hydrocarbon and saturated hydrocarbon-type Raman spectra which indicate saturated hydrocarbon. According to these two kinds of Raman spectra, the conclusion is that the fluid inclusions were possibly captured during the stage of hydrocarbon generation of coal hydrocarbon source rocks. Peaks of 2250 cm-1± and 2945 cm-1± are the main Raman peaks in the quartz overgrowths during stages Ⅰ and Ⅱ. The inclusions in cracks not only have the same peak with those in quartz overgrowths, but also show multiple Raman peaks between 600 and 1500 cm-1. This indicates that two kinds of fluid inclusions exist in different evolution stages of the coal source rocks with different compositions. The Raman spectra reveal the main composition of fluid inclusions in the Shaanxi Formation of the Dingbian area in the Ordos basin and reflect the composition changes during capture of fluid inclusions. It is of great significance to determine the relationship between the fluid formation environment at that time and the evolution of the coal hydrocarbon source rocks.

fluid inclusion in Ordos Basin; fluorescence-type Raman spectrum; saturated hydrocarbon-type Raman spectrum; aromatic hydrocarbon; saturated hydrocarbon

2015-07-21；

2015-11-01； 接受日期： 2015-11-18 基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372148)； 西安石油大學(xué)全日制碩士研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014cx130221) 作者簡(jiǎn)介： 李艷霞，博士，教授，主要從事油氣地化及油氣成藏等方面的研究。E-mail: lyx4164@xsyu.edu.cn。

0254-5357(2015)06-0678-06

10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.06.012

P571; P575.4

A