吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖常規(guī)地球化學特征

侯麗娟，黃光輝，杜宇斌

（1.長江大學油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，湖北荊州 434000；2.長江大學地球環(huán)境與水資源學院，湖北武漢 430100；3.青海油田鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736202）

吐哈盆地是我國20 世紀90 年代初期發(fā)現(xiàn)的富含煤成油資源的含煤沉積盆地，盆地中廣泛發(fā)育的侏羅系煤系烴源巖是油氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)?？墒窃斐稍撆璧孛撼蔁N現(xiàn)象這一特征，國內(nèi)外學者對此進行了大量的實驗研究，同時也取得了許多頗有成見的研究成果，但多年來也一直對煤成烴的主要貢獻組分的確認存在諸多爭論。本次研究采集吐哈盆地侏羅系煤系不同層位47 個巖樣，主要來源于臺北凹陷和托克遜凹陷，進行了全巖有機顯微組分分析、巖石熱解分析等有機巖石學分析測試，對吐哈盆地部分煤系成烴特征和標志等進行了討論研究，并提出了一些新的認識。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

吐魯番-哈密盆地通常被簡稱為吐哈盆地，它位于塔里木、哈薩克斯坦及西伯利亞三大板塊的交匯地帶，盆地東西向分布，東西長約600 km，南北長60 km～130 km，總面積為53 000 km2，是天山褶皺帶中的大型山間盆地，并含有煤和油氣[1]。侏羅系是該盆地中主要的發(fā)育,厚度2 000 m～3 000 m，包括侏羅系下統(tǒng)八道灣組、三工河組，中統(tǒng)西山窯組、三間房組、七克臺組和上統(tǒng)齊古組、喀拉扎組。按侏羅系的沉積、分布及構(gòu)造特征，吐哈盆地可劃分北部坳陷、艾丁湖斜坡及南湖隆起三個一級構(gòu)造單元[2]（見圖1）。

圖1 吐哈盆地構(gòu)造單元劃分

2 烴源巖特征

吐哈盆地地處我國西北，是一個富煤的陸相盆地。其中，分布最廣、厚度最大的沉積地層為該盆地的侏羅統(tǒng)，同時盆地內(nèi)也發(fā)育著最重要的烴源巖，與準噶爾盆地侏羅系的成煤模式有著相似之處。該盆地烴源巖以腐植型煤系為主，烴源巖樣品包括煤、碳質(zhì)泥巖、泥巖三種類型。下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組是主要的含煤層系[3]。中侏羅統(tǒng)七克臺組湖相至半深湖相沉積，是盆地內(nèi)的次要烴源巖。

2.1 源巖顯微組分組成與含量分布

此次研究所取樣品包括泥巖33 個，碳質(zhì)泥巖5個，煤9 個，分布于八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、西山窯組（J2x）、三間房組（J2s）、七克臺組（J2q）。其中，西山窯組（J2x）取得樣品有泥巖13 個，碳質(zhì)泥巖5 個，煤7個。從吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖顯微組分含量特征可以看出，研究區(qū)烴源巖有機組分主要為殼質(zhì)組+腐泥組和鏡質(zhì)組，含量最少的則是惰質(zhì)組（均值介于1.7 %～4.3 %）。從所依據(jù)的數(shù)據(jù)對比來看，八道灣組（J1b）、七克臺組（J2q）、三工河組（J1s）、三間房組（J2s）的顯微組分中的鏡質(zhì)組含量均低于殼質(zhì)組+腐泥組。而西山窯組的顯微組分含量則相反，其中鏡質(zhì)組組分含量相對較高，介于14.4 %～90.6 %，平均為58.9 %；殼質(zhì)組+腐泥組組分含量相對較低，介于2.7 %～85.7 %，平均為36.7 %（見表1）。由于該研究區(qū)不同層位煤系烴源巖的有機顯微組分含量和組成特征不同，從而導致各層位烴源巖生烴潛力也存在差異。造成這一現(xiàn)象的原因，可能跟該層位不同巖性烴源巖沉積時的水體特征有關(guān)，符合煤系氣源巖的顯微組分含量特征。

表1 吐哈盆地侏羅系各層位煤系烴源巖有機顯微組分含量類比表

從吐哈盆地侏羅系各層位烴源巖有機顯微組分特征來看，西山窯組的大部分樣品中含有較大數(shù)量的鏡質(zhì)組，殼質(zhì)組+腐泥組和惰質(zhì)組含量相對較低，而鏡質(zhì)組中主要以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主[4]。七克臺組的絕大部分樣品為高殼質(zhì)組+腐泥組含量，這與它的湖相沉積環(huán)境相吻合，說明該研究區(qū)當時的沉積時古植物群落、古氣候、古地理環(huán)境等因素影響了顯微組分組成的特征[5]。有可能吐哈盆地侏羅系沉積時期，一方面氣候溫暖潮濕，高等植物較為發(fā)育，為有機質(zhì)提供了充足的物源；另一方面濱淺湖、湖沼等環(huán)境的交替出現(xiàn)，從而導致侏羅系烴源巖顯微組分組成的上述特征。

2.2 有機質(zhì)類型

運用巖石熱解參數(shù)分析的方法可以準確的對烴源巖類型作出評價。根據(jù)各顯微組分對烴類貢獻大小的不同，賦以不同的系數(shù)，計算類型指數(shù)TI 值為[6]：

TI=［（a×100+b×50+c×（-75）+d×（-100）］/100

式中：a，b，c，d 分別為腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組的相對百分含量。當TI＞80 時為I 型，40～80 為II型，＜40 為III 型。根據(jù)該公式，采用兩種不同的計算方法，以腐泥組中所含的礦物瀝青基質(zhì)為切入點，一種考慮腐泥組中的礦物瀝青基質(zhì)含量，而另一種則忽略不計（見圖2）?？梢钥闯?，中侏羅統(tǒng)西山窯組的絕大多數(shù)烴源巖樣品為III 型有機質(zhì)，僅有個別樣品屬于II 型有機質(zhì)，而其余各層位的主要有機質(zhì)類型均為II 型，也有少數(shù)I 型有機質(zhì)。從圖2 可以看出，礦物瀝青基質(zhì)對煤系烴源巖類型指數(shù)的計算有著較大的影響，在不考慮礦物瀝青基質(zhì)含量的情況下，TI 值絕大部分都小于0，該研究區(qū)的所有樣品類型均變?yōu)镮II 型有機質(zhì)，這說明礦物瀝青基質(zhì)對烴源巖樣品類型存在著不容忽視的影響。此外，西山窯組凡是含有礦物瀝青基質(zhì)的樣品點與不含有礦物瀝青基質(zhì)的樣品點間距離甚大，說明該層位富含較多的礦物瀝青基質(zhì)。而含有異乎尋常的礦物瀝青基質(zhì)，說明微生物生源烴類含量高，烴源巖有機質(zhì)類型好、豐度高，被細菌改造作用明顯[7]。不同層位，不同巖性的礦物瀝青基質(zhì)的數(shù)量上有較大的差異。一般來說，對礦物瀝青基質(zhì)形成較為有利的是強還原環(huán)境以及細菌等微生物發(fā)育的沉積時期[8]，所以造成此現(xiàn)象的原因可能是其中某些富氫部分導致。在煤系地層中的原始有機質(zhì)均以高等植物為主，造成礦物瀝青基質(zhì)含量的差異，可能與強還原條件下的微生物作用有關(guān)。另外，該地區(qū)煤系地層中礦物瀝青基質(zhì)含量泥巖＞碳質(zhì)泥巖＞煤。

圖2 吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖TI 值與深度關(guān)系圖

2.3 顯微組分組成特征及其生烴潛力

眾所周知，在煤系地層中最豐富的顯微組分含量應(yīng)該為鏡質(zhì)組，同時，它也是陸相烴源巖主要的有機顯微組分。鏡質(zhì)組主要來源于高等植物的木質(zhì)素組織經(jīng)過凝膠化作用形成，隨著凝膠化作用的加強，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量下降，基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體含量增加。以基質(zhì)鏡質(zhì)體+均質(zhì)鏡質(zhì)體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體百分含量為端元，構(gòu)成了吐哈盆地侏羅系各地層的鏡質(zhì)組組成特征三角圖（見圖3）。各層位絕大多數(shù)樣品靠近基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體端元，樣品中含有鏡屑體，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體不發(fā)育。從西山窯組（J2x）中的樣品來看，基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體含量占絕對優(yōu)勢，其中樣品所含基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體含量為煤＞碳質(zhì)泥巖＞泥巖。在西山窯組煤中基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體含量最高可達到90.12 %。

圖3 吐哈盆地各層位烴源巖鏡質(zhì)組組成三角圖

圖4 吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖中均質(zhì)鏡質(zhì)體含量與Pg 的關(guān)系圖

但關(guān)于吐哈盆地煤系地層基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體生烴問題，曾也有大量大學者進行過研究和討論，筆者也從另一角度進行說明（見圖4），為各個層位烴源巖中均質(zhì)鏡質(zhì)體與生烴潛量（Pg）關(guān)系圖。從圖4 可以看出，J2x樣品中均質(zhì)鏡質(zhì)體含量與生烴潛量之間存在著線性關(guān)系，但該組煤中均質(zhì)鏡質(zhì)體含量介于2 %～18.8 %，平均僅為10.1 %，碳質(zhì)泥巖，泥巖中含量則更少，甚至沒有，其余各層位沒有明顯的線性關(guān)系。而從圖5 中可以看出，J2x 煤和碳質(zhì)泥巖比J2x 泥巖生烴潛量大，而J2x煤和碳質(zhì)泥巖的基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體相對含量變化范圍較小，分布在57 %～90 %，J2x 泥巖變化范圍較大，分布為0 %～88 %。此外，該區(qū)樣品中煤的生烴潛量是碳質(zhì)泥巖的4.26 倍，是泥巖的28.25 倍，這也印證了煤成烴的主要貢獻者是基質(zhì)鏡質(zhì)體，不同層位的樣品生烴潛量均有隨著基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體增加而增加的趨勢。在富氫鏡質(zhì)中含有浸染狀的發(fā)熒光的超微類脂體存在，這類鏡質(zhì)體為油源巖之一[9-12]。有學者研究認為，吐哈盆地侏羅系煤中超微類脂體含量一般為5 %～12 %，部分可達15 %以上[13]。關(guān)于鏡質(zhì)組中含有較豐富的超微類脂體，且認為超微類脂體可能主要來自微生物作用高等植物而產(chǎn)生的二級有機質(zhì)。這和王飛宇等[14]研究認為的超微類脂體的成因意義是基本相同的。從圖5 中也看出鏡質(zhì)體并不是煤系地層中泥巖的生烴貢獻者，與前文所論述的相符合。

圖5 吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖中基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體含量與Pg 的關(guān)系圖

3 煤系熱解參數(shù)分布特征

對烴源巖顯微組分的熱解參數(shù)分析方法，是烴源巖生烴演化潛力快速、有效的評價方法，同時也可以為生烴演化潛力因素的討論提供了參考依據(jù)[15-16]。從吐哈盆地侏羅系烴源巖殼質(zhì)組+腐泥組、基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體的含量與氫指數(shù)（IH）和降解率（D）的關(guān)系圖版來看（見圖6，圖7）：該區(qū)樣品中殼質(zhì)組+腐泥組，基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體含量與氫指數(shù)（IH）和降解率（D）線性關(guān)系并不明顯。其中，J2x 煤和碳質(zhì)泥巖中的殼質(zhì)組+腐泥組含量相對泥巖要少與氫指數(shù)無正相關(guān)性。而作為煤中主要生烴并且富含較多的顯微組分基質(zhì)鏡質(zhì)體的含量與氫指數(shù)也存在不明確的對應(yīng)關(guān)系，可能是由于其成分和形成時環(huán)境的復(fù)雜性導致基質(zhì)鏡質(zhì)體的生烴特點和潛力存在很大差異所致。結(jié)合兩圖來看，該研究區(qū)樣品的氫指數(shù)和降解率普遍較低。從各個層位烴源巖IH 的分布來看，分布范圍較為接近，該研究區(qū)煤系泥巖平均值僅71.25 mg/g TOC，介于18.48 mg/g～157.46 mg/g TOC；碳質(zhì)泥巖IH 平均為68.25 mg/g TOC；煤IH 的平均值為77.49 %，介于43.78 mg/g～166.48 mg/g TOC，可見，煤系烴源巖的IH 分布具有煤＞泥巖＞碳質(zhì)泥巖的特點。

圖6 吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖殼質(zhì)組+腐泥組含量與IH、D 的關(guān)系圖

圖7 吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體含量與IH、D 的關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）對吐哈盆地侏羅系47 個煤系烴源巖分析其有機巖石學的特征（以西山窯組為例），認為富氫基質(zhì)鏡質(zhì)體和礦物瀝青基質(zhì)是吐哈盆地的煤成烴的主要貢獻者，同時也證實前人認為該研究區(qū)的富氫基質(zhì)鏡質(zhì)體和礦物瀝青基質(zhì)對生烴潛力起著主導因素這一結(jié)論。

（2）吐哈盆地侏羅系煤系烴源巖熱解數(shù)據(jù)中，氫指數(shù)和降解率并沒有明顯的高值優(yōu)勢，但有機顯微組成中“殼質(zhì)組+腐泥組”含量相對較高，這一現(xiàn)象除了考慮其環(huán)境因素，沉積特點以及有機質(zhì)來源等，更應(yīng)該更深層次探究其二級有機質(zhì)作用等因素。

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