羌塘盆地中央隆起帶下二疊統(tǒng)展金組烴源巖芳烴化合物特征研究

曹竣鋒，萬友利，張 波，宋春彥，孫 偉

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都 610081；2.自然資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室，四川成都 610081；3.長慶實業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西西安 710021）

0 引言

芳烴化合物是在烴源巖、原油和煤中普遍存在的重要有機(jī)族組分，其在烴源巖和原油中的含量僅次于飽和烴化合物，對判斷烴源巖或原油的生烴物質(zhì)來源［1］、沉積環(huán)境［2-3］、評價烴源巖的成熟度［4-5］、分析油氣運移等［6-7］具有指示意義。與飽和烴化合物相比，芳烴化合物抗生物降解能力強(qiáng)，能更多地保留烴源巖生物化合物特征［8-9］，具備良好的抗風(fēng)化、抗熱解的能力。芳烴化合物中的烷基萘、含硫芳香烴和稠環(huán)芳烴能有效指示烴源巖的生烴物質(zhì)來源與沉積環(huán)境［10］。甲基萘指數(shù)、菲系列化合物、硫芴系列化合物、多環(huán)芳烴等能有效對烴源巖的成熟度進(jìn)行評價［11］。其中，硫芴系列化合物具備隨成熟度增高而變化的規(guī)律，且與鏡質(zhì)體反射率（Ro）之間有良好的線性關(guān)系［5］。另外，芳烴類化合物的成熟度參數(shù)比飽和烴成熟度參數(shù)具有更寬的適用范圍，能指示更寬的成熟度區(qū)間，指標(biāo)參數(shù)可持續(xù)應(yīng)用到干氣階段，因此其在成熟度上具有更廣泛的指示意義［12-13］。

羌塘盆地是青藏高原中面積最大、最有可能取得油氣突破的盆地［14］。因地表出露地層主要以中生代為主，因此對盆地內(nèi)油氣地質(zhì)的研究主要集中在中生界。近年來對盆地沉積演化的研究，實施并取得成果的重要鉆井也主要集中在中生界［15-16］。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)的古生代烴源巖也具有較好的生烴潛力。這些古生代烴源巖有機(jī)碳含量較高，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2-Ⅲ型，Ro值大多為1.50%～2.40%，處于高成熟-過成熟階段［17］。由于羌塘盆地所處藏北，地表樣品遭受風(fēng)化作用和生物降解作用較強(qiáng)。前人對隆鄂尼-昂達(dá)爾錯古油藏帶的油苗及局部發(fā)現(xiàn)的古油藏進(jìn)行油源對比，發(fā)現(xiàn)它們都遭受了后期生物降解破壞［18］，導(dǎo)致常用的飽和烴生物標(biāo)志化合物特征的多解性增加［19］。本文通過利用芳烴化合物抗生物降解能力強(qiáng)的特點，對中央隆起帶二疊系烴源巖樣品的芳烴地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，分析該烴源巖的物質(zhì)來源、沉積環(huán)境以及成熟度特征，為盆地二疊系烴源巖評價提供支持。

1 地質(zhì)概況

羌塘盆地位于青藏高原北部，東經(jīng)82°～96°、北緯32°～35°，面積大約22 萬km2［14］。盆地南、北分別以班公湖-怒江縫合帶和可可西里-金沙江縫合帶為界；東、西以中生界地層尖滅線為界。根據(jù)航磁異常和大地電磁（MT）基底測深資料，將羌塘盆地自北向南劃分為北緣褶皺沖斷帶、北羌塘坳陷、中央隆起和南羌塘坳陷［20］，整體呈“兩坳夾一隆”的構(gòu)造格局。其中，中央隆起帶位于戈木日-瑪依崗日—格拉丹東一線，近東西向展布（圖1a），被認(rèn)為是一個形成于二疊紀(jì)末期，“有根的”中生代凸起帶［14］。早石炭世晚期—早二疊世，羌塘地區(qū)處于伸展環(huán)境，沿龍木錯-雙湖發(fā)育裂谷，二疊系烴源巖即在裂谷中發(fā)育；晚二疊世—早中三疊世，古特提斯開始閉合，沿龍木錯-雙湖發(fā)生碰撞與縫合作用，中央隆起帶開始成形［20］，羌塘盆地的南北坳陷拼貼連為一體。

圖1 羌塘盆地構(gòu)造單元劃分（a）、研究區(qū)地質(zhì)簡圖（b）及井下采樣位置Figure 1 Tectonic setting of the Qiangtang Basin（a）、geological map of the study area（b）and sampling sites（c）

研究區(qū)位于中央隆起帶中北部，龍木錯-雙湖板塊縫合線從該區(qū)北側(cè)通過。地表調(diào)查顯示，中央隆起帶主要發(fā)育前泥盆紀(jì)變質(zhì)巖、泥盆系、石炭系以及二疊系。將該區(qū)二疊系劃分為下二疊統(tǒng)展金組和中二疊統(tǒng)龍格組。據(jù)成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所江愛達(dá)日那幅1∶25萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，下二疊統(tǒng)展金組主要為凝灰質(zhì)砂泥巖、基性火山巖，局部夾薄—中層泥晶灰?guī)r、微晶灰?guī)r等，厚度＞648.8m。剖面上可見該組產(chǎn)豐富的古生物化石，包括腕足類、珊瑚類、海綿化石、苔蘚蟲、海百合莖等。展金組可見粉砂巖中發(fā)育沙紋層理，泥灰?guī)r中發(fā)育水平紋層，粉砂巖與泥巖中可見鮑馬序列。

2 樣品的采集與分析

本文中所測試樣品來自地質(zhì)淺鉆所獲取的巖心，淺鉆位置見圖1b。井下展金組由下而上發(fā)育碳酸鹽巖組合-火山角礫巖-細(xì)碎屑巖組合，其中以灰黑—黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖為主的細(xì)碎屑巖段厚約318m。樣品全部采自展金組中細(xì)碎屑巖段，巖性為灰黑—黑色泥巖，采樣位置見圖1c。樣品基礎(chǔ)地球化學(xué)數(shù)據(jù)見表1。

表1 展金組烴源巖的基礎(chǔ)地球化學(xué)參數(shù)Table 1 Geochemical data of source rocks of Zhanjin Formation

所有樣品均在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芳烴化合物測試。先將烴源巖樣品粉碎至100 目，再經(jīng)索氏抽提72h，稱取適量氯仿瀝青“A”放入三角瓶中。用石油醚將不能溶解的組分-瀝青質(zhì)分離出來，再用二氯甲烷與石油醚分離得到飽和烴、芳烴和非烴組分；利用美國Finnigan 公司SSQ-7000 色譜-質(zhì)譜儀對芳烴組分進(jìn)行GC-MS測試。芳烴起始溫度50℃，以3℃/min 升至300℃，恒溫30min。離子源溫度為200℃。質(zhì)譜掃描方式為全掃描和多離子檢測方式。

3 結(jié)果與討論

3.1 芳烴族組成特征

樣品中所檢測到的芳烴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、聯(lián)苯系列、?系列、蒽、螢蒽、芘、苯并［a］芴、苯并［b］芴、甲基芘系列、苯并［a］蒽、苯并螢蒽、苯并［e］芘、苯并［a］芘、苝、惹烯等。

芳烴化合物在質(zhì)量色譜圖上一般分布有3個峰群，根據(jù)3 個峰群的分布特征可分為前峰型（以萘、菲系列為主）、后峰型（以芳香甾萜烷類為主）和雙峰型。樣品的芳烴色譜圖（圖2）中，第二峰群芳烴化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯最高，第一峰群萘系列及第三峰群芳香甾烷類化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，表明芳烴化合物中菲和烷基菲占明顯優(yōu)勢，沉積環(huán)境以海相為主，母質(zhì)來源以水生低等生物為主。

圖2 展金組烴源巖芳烴化合物質(zhì)量色譜圖Figure 2 Mass chromatogram of aromatic compounds in source rocks of Zhanjin Formation

由各單體芳烴化合物的分布圖（圖3）可見，菲系列是優(yōu)勢主分，其化合物含量占其芳烴總量的42.74%～48.93%，平均值為45.51%。其次為三芴系列，該系列化合物含量占芳烴總量的15.84%～18.78%，平均值為17.43%；其中硫芴、氧芴和芴系列占芳烴總量的平均值分別是3.11%，2.52% 和11.79%。萘系列化合物含量占其芳烴總量的3.80%～11.21%，平均值為7.42%。?及甲基?化合物含量占其芳烴總量的6.18%～9.38%，平均值為7.26%。聯(lián)苯系列化合物含量占其芳烴總量的4.21%～8.43%，平均值為6.41%。三芳甾烷系列化合物含量占其芳烴總量的比例極低，基本都小于1%。其余的芳烴化合物，如熒蒽、芘和苝等系列，其含量均在1%～4%，所占比例并不高。樣品以菲系列化合物為主，說明烴源巖的有機(jī)質(zhì)來源以海相低等水生生物居多；而萘系列化合物被認(rèn)為與陸源高等植物的關(guān)系較為密切［21］，同時檢測出的聯(lián)苯、熒蒽、芘和苝系列等被認(rèn)為是高等植物輸入標(biāo)志的化合物，表明烴源巖的有機(jī)質(zhì)混入有陸生植物。

圖3 展金組各烴源巖樣品芳烴化合物相對豐度分布特征Figure 3 Distribution characteristics of relative abundance of aromatic compounds in source rocks of Zhanjin Formation

前人研究認(rèn)為，隨著降解作用增強(qiáng)，色譜曲線的基線偏離橫坐標(biāo)的幅度會增高，同時常規(guī)芳烴含量降低，三芳甾烷系列含量增加［22］。從色譜圖和芳烴化合物分布情況可見，生物降解作用沒有對本次樣品測試結(jié)果的可靠性產(chǎn)生影響。

3.2 主要芳烴化合物的地球化學(xué)意義

3.2.1 萘系列

樣品檢測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）、乙基萘和卡達(dá)烯。其中，三甲基萘、二甲基萘含量較高，總體上具有TMN＞DMN＞TeMN＞N＞PMN＞MN 的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。物質(zhì)來源上，萘系列、聯(lián)苯系列、惹烯等化合物被認(rèn)為來源于陸源高等植物。同時，樣品中還檢測出高等植物輸入標(biāo)的咔達(dá)烯。萘系列的以上特征，說明展金組烴源巖沉積時處于海相環(huán)境，母質(zhì)來源主要為低等菌藻類，但同時有高等陸源植物輸入。一般情況下，不同的海、陸相環(huán)境，1，2，5-三甲基萘的相對含量具有明顯差異。陸相環(huán)境下該化合物的含量是海相環(huán)境下的一倍，海相環(huán)境中1，2，5-三甲基萘分別占本系列的含量只有5%左右［23］。本次樣品中1，2，5-三甲基萘占本系列的比值在1.94%～3.96%，表現(xiàn)為明顯的海相環(huán)境。

萘系列中有多個指數(shù)可以用于烴源巖或原油的成熟度判斷。甲基萘指數(shù)（MNR，MNR=2-MN/1-MN）是萘系列常用且有效的成熟度參數(shù)。8 個樣品的甲基萘指數(shù)范圍是0.87～1.31，平均值是1.05，與塔里木盆地海相原油的MNR值［24］非常接近。說明烴源巖熱演化程度已基本達(dá)到成熟階段，也驗證了本次樣品中相對低分子質(zhì)量的萘系列化合物未受到較強(qiáng)的生物降解和揮發(fā)影響。另外，甲基萘指數(shù)有隨著溫度升高而增加的特征［25］，還應(yīng)采用其它萘系列指數(shù)來對烴源巖成熟度進(jìn)行判斷。根據(jù)測試結(jié)果，萘系列中二甲基萘比值DNR1（DNR1=2，7+2，6DMN/1，5-DMN）的數(shù)值范圍是3.87～7.19，平均值是5.70，換算成Rca（Rca=0.49+0.09×DMR）數(shù)值范圍是0.84%～1.14%，平均值是1.00%。三甲基萘指數(shù)2（TNR2，TNR-2=1，3，7+2，3，6TMN/1，3，6+1，4，6+1，3，5TMN）的數(shù)值范圍是0.93～1.10，平均值是1.00，換算成Rcb（Rcb=0.4+0.6×TNR2）數(shù)值范圍是0.96%～1.06%，平均值是1.00%。所計算的Rca、Rcb值與Ro實測數(shù)據(jù)非常接近，反映烴源巖達(dá)到成熟階段，但未到高成熟階段（表2）。

表2 展金組烴源巖芳烴系列化合物成熟度參數(shù)Table 2 Maturity parameters of aromatic compounds in source rocks of Zhanjin Formation

3.2.2 菲系列

樣品中檢測出了菲（P）、甲基菲（MP）、二甲基菲（DMP）、乙基菲（EtP）等系列化合物，有兩個樣品檢測到了極少量的惹烯（Re）。菲系列化合物內(nèi)部相對豐度由大到小依次為P＞MP＞DMP＞EtP＞Re。因為藻類中含有菲系列化合物的前身物，因此菲系列的來源被認(rèn)為是與低等水生生物關(guān)系更為密切。前人研究認(rèn)為，2-甲基菲和3-甲基菲熱穩(wěn)定性較高，是Ⅰ型和Ⅱ型干酪根高成熟度階段甲基菲的產(chǎn)物；1-甲基菲和9-甲基菲受沉積環(huán)境和生源的影響比較大，1-甲基菲在源于Ⅲ型有機(jī)質(zhì)和煤的陸相油中較豐富，而9-甲基化合物主要和海相有機(jī)質(zhì)有關(guān)［26］。但也有研究認(rèn)為在半咸水—咸水還原環(huán)境富含菌類和藻類等低等生物的煤中，易生成9-甲基菲［27］。本次樣品中菲系列化合物在芳烴中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且甲基菲的分布模式為2-甲基菲＞3-甲基菲＞9-甲基菲＞1-甲基菲，說明烴源巖母質(zhì)主要以低等水生生物為主。

菲系列化合物的參數(shù)指標(biāo)常用于研究原油和烴源巖的成熟度。RADKE 提出甲基菲指數(shù)（MPI）作為成熟度指標(biāo)［9］，KVALHEIM 等提出甲基菲分布分?jǐn)?shù)，即F1和F2，來計算成熟度［12］。但實踐發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)質(zhì)熱演化的不同階段，甲基菲指數(shù)與鏡質(zhì)體反射率間呈現(xiàn)出不同的關(guān)系式，同一甲基菲指數(shù)值推算出2 個不同的鏡質(zhì)體反射率［28］，可以甲基菲比值（MPR）來避免這個問題。將樣品的MPR換算為Rc［29］，結(jié)果見表2。Rc最小值是1.14%，最大值是1.20%，平均值是1.17%，計算結(jié)果與Ro實測值較為一致，反應(yīng)出烴源巖達(dá)到成熟階段。

3.2.3 三芴系列化合物

三芴系列化合物包括芴、硫芴（噻吩類化合物）和氧芴（呋喃類化合物），其相對組成特征是芳烴中最常用的指示沉積環(huán)境的參數(shù)。在測試的樣品中，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%，表現(xiàn)為F＞SF＞OF。前人研究發(fā)現(xiàn)，在弱氧化和弱還原的環(huán)境中，氧芴含量較高；在正常還原環(huán)境中芴系列較為豐富；在強(qiáng)還原環(huán)境中則以硫芴占優(yōu)勢［30］。本次樣品中，芴相對含量占優(yōu)勢，反映出烴源巖形成時處于正常的還原環(huán)境。

三芴系列化合物結(jié)構(gòu)相似，被認(rèn)為是來源于同一母質(zhì)。研究認(rèn)為，對于過渡環(huán)境用三芴系列化合物組成三角圖來判別古環(huán)境效果不佳［29］。因此，本次研究運用∑SF/∑（F+SF）系列和∑OF/∑（F+OF）系列關(guān)系相關(guān)性圖（圖4），以及硫芴系列/氧芴系列與Pr/Ph 關(guān)系圖（圖5），來對烴源巖的原始沉積環(huán)境進(jìn)行劃分和判識。樣品中SF/OF 值為0.9～1.64；其對應(yīng)的Pr/Ph 為0.69～1.16。由圖4 及圖5 可見，烴源巖樣品處于正常還原環(huán)境。

圖4 展金組烴源巖∑OF/∑（OF+F）系列與∑SF/∑（SF+F）系列關(guān)系Figure 4 Correlation between ∑OF/∑（OF+F）and ∑SF/∑（SF+F）of source rocks of Zhanjin Formation

圖5 展金組烴源巖硫芴系列/氧芴系列與Pr/Ph關(guān)系Figure 5 Correlation between ∑SF/∑OF and Pr/Ph of source rocks of Zhanjin Formation

硫芴化合物的系列參數(shù)是三芴系列化合物中常用的反映烴源巖成熟度的參數(shù)。硫芴系列參數(shù)與埋深間存在著線性關(guān)系，從而可用作烴源巖成熟度指標(biāo)。根據(jù)Ro與硫芴系列參數(shù)的關(guān)系式［5］，換算的烴源巖等效鏡質(zhì)體反射率Ro（K4，6，%）值為0.84%～0.94%，平均值為0.89%（n=8）；Ro（K2，4，%）值為0.87%～1.12%，平均值為0.95%，達(dá)到成熟階段，與實測Ro結(jié)果較為吻合。

3.2.4 聯(lián)苯系列

所有的樣品中均檢測出了聯(lián)苯系列化合物，含量在4.21%～8.43%，平均值為6.41%。聯(lián)苯系列化合物被視為陸源植物輸入的標(biāo)志物。樣品中的聯(lián)苯化合物含量雖低，仍說明有機(jī)質(zhì)中有陸源物質(zhì)的混入。

3.2.5 多環(huán)芳烴

在本次樣品中也檢測出了一定數(shù)量的多環(huán)芳烴化合物，它們可用作母質(zhì)來源、成熟度、沉積環(huán)境等方面的研究。其中，?系列化合物被認(rèn)為來自低等水生生物，而熒蒽、芘、苝系列化合物被認(rèn)為來自陸生植物。樣品中檢測出多環(huán)芳烴化合物，包括熒蒽（FL）、芘（Py）、苯并芘（BPy）、甲基芘（MPy）、苯并熒蒽（BFL）、苯并蒽（BAn）、苝（Pe）、?和甲基?等，說明烴源巖的有機(jī)質(zhì)來源中，既有低等水生生物，又有陸生高等植物，這與前述研究結(jié)果一致。

多環(huán)芳烴中苝/苯并［e］芘比值與苯并熒蒽/苯并［e］芘比值是芳烴化合物中常用的成熟度研究參數(shù)。苯并熒蒽與苯并［e］芘雖然同為5 個環(huán)的稠合芳烴，但苯并熒蒽有一個環(huán)是五元環(huán)，不如5個環(huán)都是六元環(huán)的苯并（e）芘穩(wěn)定。隨著成熟度增加，苯并熒蒽/苯并（e）比值會明顯減小，Ro在＞0.8%時比值會降到0.3 左右，并保持不變［4］。在本次測試的樣品中，8 個測試樣品中有6 個沒有檢測到苝；而檢測到苝的樣品中，苝/苯并［e］芘比值都是0.011。樣品苯并熒蒽/苯并［e］芘比值范圍在0.025～0.045，平均值是0.033，表明烴源巖樣品的熱演化階段達(dá)到成熟階段，與前文的研究結(jié)果所吻合。

3.3 沉積背景討論

在研究區(qū)地表及井下分別采集了展金組烴源巖樣品。樣品的鏡檢結(jié)果顯示，干酪根類型主要為Ⅱ2-Ⅲ型干酪根［31-32］，是有較多陸源植物混入的干酪根類型，這與海相環(huán)境中烴源巖一般為I 型干酪根矛盾；即便用干酪根碳同位素分析對干酪根類型進(jìn)行驗證，結(jié)果也是如此［32］。利用芳烴化合物抗風(fēng)化、抗生物降解能力強(qiáng)的特點，對烴源巖有機(jī)質(zhì)來源進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其以海相低等水生生物為主，但有大量陸源植物輸入，與干酪根鏡檢結(jié)果吻合，說明展金組沉積時并不完全是淺海斜坡相或臺地邊緣斜坡相［33］。

對羌塘地塊東部二疊紀(jì)玄武巖的地球化學(xué)研究表明，羌塘地塊板內(nèi)裂谷的打開時間在早二疊世，中二疊世進(jìn)入裂谷演化階段，晚二疊世關(guān)閉［34］。鉆孔資料顯示展金組由下而上發(fā)育碳酸鹽巖組合-火山角礫巖-細(xì)碎屑巖組合，火山角礫巖的出現(xiàn)說明展金組烴源巖在沉積時裂谷已經(jīng)開啟。在裂谷的開啟過程中，受拉張作用的影響形成了斷塊或者地塹，使得裂谷邊緣具有陡峻的地貌特征。在下二疊統(tǒng)角木茶卡剖面，可見從臺地相的鮞?；?guī)r、礫屑灰?guī)r、生物灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，直接進(jìn)入到盆地相的基本沒有大化石的薄層泥晶灰?guī)r夾硅質(zhì)條帶，并與鈣屑濁積巖和枕狀玄武巖互層，缺乏中間的臺地邊緣和斜坡相；這種比較快的相變一般都反映了地形的陡峭［35］。

綜上，本文認(rèn)為展金組烴源巖在沉積時，可能處于靠近裂谷邊緣的高陡斜坡位置（圖6）。因為靠近裂谷邊緣，使得烴源巖在海相沉積環(huán)境中輸入較多的陸源植物；而裂谷邊緣的地形陡峭，造成該組地層在沉積構(gòu)造上見有大量鮑馬序列發(fā)育。

圖6 展金組烴源巖沉積背景示意圖Figure 6 Sedimentary background of source rocks of Zhanjin Formation

4 結(jié)論

1）展金組泥巖樣品中所檢測到的芳烴化合物主要包括萘系列、菲系列、三芴系列、苯系列、?系列、多環(huán)芳烴等芳烴化合物。芳烴化合物中，以菲系列為優(yōu)勢主分，其次為三芴系列、萘系列以及聯(lián)苯系列等。從芳烴化合物的組成來看，烴源巖有機(jī)質(zhì)主要以海相低等水生生物為主，同時混入陸源植物。

2）對主要的芳烴化合物進(jìn)行物源參數(shù)分析，認(rèn)為烴源巖的有機(jī)質(zhì)來源主要是低等水生生物，高等陸源植物對烴源巖的母質(zhì)來源也有一定貢獻(xiàn)。較高的菲系列化合物含量、芴系列相對含量占優(yōu)勢，以及沉積環(huán)境判別圖綜合顯示，展金組烴源巖形成于還原條件下的海相環(huán)境。

3）根據(jù)萘系列、菲系列以及三芴系列等多種芳烴成熟度指標(biāo)研究結(jié)果，認(rèn)為展金組烴源巖處于成熟階段，未達(dá)到高成熟階段，這與實測Ro值一致。

4）根據(jù)展金組烴源巖芳烴化合物的研究結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)背景，認(rèn)為烴源巖在沉積時，處于靠近裂谷邊緣的高陡斜坡位置，使得烴源巖在海相沉積環(huán)境中，輸入較多的陸源植物。