燕遼裂陷帶遼西拗陷中元古界高于莊組生物標志化合物特征及意義

孫守亮，李永飛，張 濤，陳樹旺，唐友軍，郜曉勇，孫求實，孫月成，周鐵鎖，宗文明，石 蕾

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽110034；

2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室/長江大學，湖北 武漢430100；

3.中國石油 遼河油田分公司，遼寧 盤錦124010

0 前言

阿曼及東西伯利亞等大型油氣田的發現證明了前寒武系地層具有巨大的生油氣潛力［1-2］.前寒武系地層作為中國中西部含油氣盆地未來油氣勘探的重要接替領域，亦備受關注［3］.根據以往報道，位于華北地臺北緣的燕遼裂陷帶中—新元古代地層中發現了多處油苗或瀝青點［4-5］.近年來，中國地質調查局沈陽地質調查中心在燕遼裂陷帶遼西拗陷實施的多口地質調查井鉆遇良好油氣顯示，表明該地區中—新元古界地層具備形成規模性油氣的潛力［6］.尤其是部署在遼西拗陷牛營子地區的ND1井，在中元古界高于莊組鉆遇17 m富含油級油氣顯示，是中國最古老的油氣藏，使得高于莊組成為油氣勘探及研究的焦點［7］.

高于莊組屬中元古代薊縣系底部，淺海相碳酸鹽沉積，巖性主要為灰色、黑色泥質白云巖，為燕遼裂陷帶6套潛在烴源巖系（串嶺溝組、高于莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組）之一.相較于洪水莊組、下馬嶺組等海相暗色泥質烴源巖，高于莊組總有機碳含量相對較低，屬于較差烴源巖.但已有研究表明，高于莊組處于成熟—高成熟階段，已大量生排烴［8-10］.本文通過對遼西拗陷遼凌地1井采集新鮮巖心樣品，對高于莊組開展烴源巖生物標志化合物特征研究，以期查明區域上高于莊組的沉積特征及成因，進而準確評價其生烴潛力，為下一步油氣基礎地質調查工作提供依據.

1 地質背景

燕遼裂陷帶位于華北克拉通北部，構造區劃為兩個隆起區（山海關隆起、密懷隆起）及5個拗陷區（圖1）［4-5］.其中，遼西拗陷位于燕遼裂陷帶的東段，面積約為2.9×104km2.以往研究認為，該區中—新元古界地層屬于裂陷槽沉積［11-12］，中元古代海盆的中、西段于1 600 Ma開始首先裂解，之后于1 400～1 200 Ma東段裂開，燕遼裂陷帶最終形成，是中元古代海盆范圍最廣時期［13］.中—新元古代至古生代，燕遼裂陷帶為華北克拉通北緣的裂谷－拗陷帶，構造活動基本以斷裂和升降運動為主，區內沉積了一套巨厚且穩定的中—新元古界海相碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖地層.這套未經變質的沉積巖系出露良好，分布廣泛，厚度一般為4 000～8 000 m［14-15］.

燕遼裂陷帶的中－新元古界烴源巖為頁巖和碳酸鹽巖，頁巖主要發育在串嶺溝組、洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組，碳酸鹽巖主要發育在高于莊組、霧迷山組［16］.燕遼裂陷帶遼西拗陷中元古界鹽酸巖鹽地層的巖性、巖相較為單調，無明顯的變化，但韻律性較強.在數千米的剖面中發育大量的泥粉晶白云巖，作為沉積構造，形態多樣而數量豐富的疊層石非常發育，偶見波浪作用形成的交錯層理.以上特征均說明燕遼裂陷帶遼西拗陷中新元古界沉積環境受潮坪作用控制，古地理背景較為平坦，屬于延伸范圍廣、坡度底、淺水的陸表海碳酸鹽巖臺地沉積環境.

2 樣品與實驗

2.1 樣品特征

圖1 燕遼裂陷帶構造分區及遼凌地1井取樣位置Fig.1 Tectonic divisions of Yanliao rift zone and sampling location of LLD1 well

遼凌地1井位于遼西拗陷牛營子地區的北部，進尺1 723 m，由上至下鉆遇地層為中侏羅統海房溝組、中元古界楊莊組、高于莊組.其中272～889 m為中元古界薊縣系楊莊組（Jxy），巖性主要為灰色及灰紅色白云巖、灰巖、白云質灰巖；889～1 527 m為中元古界薊縣系高于莊組（Jxg），巖性主要為灰色及灰黑色白云巖、灰巖、白云質灰巖，底部灰黑色白云質灰巖中發現多處油氣顯示.針對高于莊組暗色碳酸鹽巖地層采集典型烴源巖樣品13件，開展烴源巖有機地球化學及色譜－質譜測試工作，具體采樣位置見圖1.

2.2 實驗分析方法

將200 g巖樣粉碎為粒徑小于0.09 mm的粉末，裝入濾紙筒并置于脂肪抽取器中，加入不超過2/3容積的氯仿，在75～82℃的水浴中連續抽提72 h，獲得氯仿瀝青“A”.用正己烷沉淀氯仿瀝青“A”的瀝青質后，將其可溶物通過中性氧化鋁和硅膠層析柱，依次用正己烷、二氯甲烷＋正己烷、無水乙醇＋氯仿沖洗，分離出飽和烴、芳香烴和膠質（非烴）.對分離出的飽和烴和芳烴分別進行了飽和烴色譜、飽和烴色譜－質譜和芳烴色譜－質譜分析.實驗設備為Agilent 6890N－5975i質譜儀，試驗分析條件及程序參見文獻［17］.樣品實驗測試工作在長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室完成.烴源巖地球化學分析數據及氣相色譜參數見表1、2.

3 結果與討論

3.1 高于莊組烴源巖有機地球化學特征

長期以來，關于海相碳酸巖鹽有機質豐度的下限標準，一直是困擾我國碳酸鹽巖油氣勘探的一個難題，對其研究一直沒有停止過.梁狄剛等［18］提出烴源巖不必很厚，但必須有高有機質豐度（總有機碳TOC≥0.5%）的層段；張水昌等［19］認為碳酸鹽巖地層中評價烴源巖，沿用0.5%TOC作為有機質豐度下限比較合適；鐘寧寧等［20］提出了碳酸鹽巖烴源巖豐度下限應與泥巖相同，TOC含量大于0.4%.本研究參考金之鈞等［21］的評價標準，將TOC值低于0.5%的層段統一歸為非烴源巖，其中差、中、好3個級別的TOC值域分別定為0.5%～0.8%、0.8%～1.5%和大于1.5%.

本次研究的13件高于莊組樣品（表1），TOC分布范圍為0.29%～1.83%，平均值為0.75%.其中低于0.5%的非烴源巖樣品1件，占0.07%；介于0.5%～0.8%之間共計8件，占61.5%；介于0.8%～1.5%之間的樣品3件，占23.1%；大于1.5%的烴源巖樣品1件.

13件樣品的生烴潛量（S1＋S2）分布范圍0.26×10－3～2.00×10－3，平均為0.61×10－3.其中小于0.5×10－3的樣品7件，占53.8%；在0.5×10－3～2.0×10－3之間的有5件，占38.5%；大于2.0×10－3的僅1件.氯仿瀝青“A”分布在0.011%～0.037%之間，平均為0.025%，所有樣品中氯仿瀝青“A”含量小于0.015%的僅1件，其他12件均處于0.015%～0.05%之間（表1），屬于差—中等烴源巖.

表1 遼凌地1井高于莊組烴源巖地球化學分析數據表Table 1 Geochemical data of the source rocks of Gaoyuzhuang Formation in LLD1 well

表2 遼凌地1井高于莊組烴源巖生物標志物參數表Table 2 Biomarker parameters of the source rocks of Gaoyuzhuang Formation in LLD1 well

另外，由于中新元古界高等植物不發育，有機質成熟度重要指標Ro難以測得，因而本次評價烴源巖演化指標主要依據最大熱解峰溫（Tmax）.遼凌地1井高于莊組烴源巖最大熱解峰溫（Tmax）主要集中在423～494℃，大于465℃的樣品有11個，整體處于成熟—高成熟階段，已大量生排烴.

圖2 高于莊組烴源巖抽提物飽和烴總離子流圖Fig.2 The total ion chromatograms of saturated hydrocarbon from the source rock extracts in Gaoyuzhuang Formation

3.2 正構烷烴及無環類異戊二烯烷烴

正構烷烴是烴源巖抽提物飽和烴餾分中的主要成份，且廣泛分布于菌類、藻類及高等植物等生物體中，可反映生烴母質信息，提供源巖沉積環境和演化特征等多種地質地球化學信息［22］.正構烷烴的分布型態能指示有機質生源信息：來自低等浮游生物和藻類脂肪酸的低碳數的正構烷烴碳數分布范圍小于C20，分布呈前單峰型；而以高等植物為生源母質，則表現為主峰碳靠近高碳數且較豐富，一般呈后單峰型［23］.

碳優勢指數（CPI）為原油或烴源巖可溶有機質中奇數碳正構烷烴和偶數碳正構烷烴的比值，奇偶優勢指數（OEP）為色譜峰中正烷烴奇數碳的質量分數與偶數碳的質量分數之比.因為生物體內的正烷烴奇偶優勢明顯，奇數碳高于偶數碳，而隨著有機質的演化，大分子變成小分子，結構由復雜變為簡單，這種優勢會逐漸消失.故通常用CPI值或OEP值來表征正構烷烴有無奇偶優勢，進而反映有機質的演化程度［24-25］.其值越接近于大于1，則說明其演化程度和成熟度越高，反之越低.遼凌地1井高于莊組烴源巖中正構烷烴奇偶優勢（OEP值）主要介于0.81～1.29之間，平均值為1.09；碳優勢指數CPI值介于0.97～1.23之間，平均為1.08.輕重比∑nC21－/∑nC22＋變化很大，主要分布在1.23～3.14之間，平均值為1.79（表2）.另外，高于莊組烴源巖飽和烴的正構烷烴碳數分布呈前單峰型（圖2），主峰碳多為nC17，部分為nC18，無明顯的碳優勢及奇偶優勢，反映烴源巖成熟度較高，且為低等生物貢獻.

規則的類異戊間二烯烷烴類廣泛分布在現代沉積物、古代沉積巖及原油中.其中含量最多、分布最廣的是iC19的姥鮫烷（Pr）和iC20的植烷（Ph），常用做表征古沉積環境.一般認為，Pr/Ph＜0.6為強還原且超鹽環境，Pr/Ph＝0.6～1.0為還原環境，Pr/Ph＞2者見于偏氧化性環境［26-27］.遼凌地1井高于莊組烴源巖Pr/Ph比值分布在0.55～1.21，平均為0.99，指示主要形成于還原－弱還原環境，部分為強還原環境.

另外，通過Pr/nC17－Ph/nC18交匯圖判識遼凌地1井高于莊組烴源巖有機質類型以II1型為主，且主要集中在偏還原的沉積環境中（圖3）.

圖3 高于莊組烴源巖Pr/nC17－Ph/nC18關系圖Fig.3 The Pr/nC17－Ph/nC18 diagram of source rocks in Gaoyuzhuang Formation

圖4 高于莊組烴源巖抽提物三環萜烷和藿烷系列分布特征Fig.4 Distribution characteristics of tricyclic terpane and hopanes in the source rock extracts of Gaoyuzhuang Formation（m/z＝191，LLD1－1279.9 m）

3.3 萜類化合物

萜烷類化合物廣泛分布于烴源巖抽提物和原油中，目前應用較多的主要是長側鏈三環萜烷、四環萜烷、藿烷類、伽馬蠟烷等.在不同性質烴源巖中，他們的分布和組成特征存在著顯著差異.三環萜烷主要由微生物細胞膜中三環類異戊二烯醇形成，可能與某些菌藻類有一定的成因聯系［28］；四環萜烷一般與陸源有機輸入有關；藿烷來源與細菌中特定的細菌藿烷聚醇有關，如細菌藿烷四醇［29］.

由圖4可知，遼凌地1井不同深度的高于莊組烴源巖樣品具有相似的三環帖烷、藿烷系列分布特征.其中三環萜烷呈C20或C23為主峰的正態分布，且含量較高.從C24TeT/C26TT與（C20＋C21）TT/（C23＋C24）TT關系圖（圖5）可以看出，高于莊組烴源巖中的C24四環二萜/C26三環萜烷值整體偏低，分布于0.42～0.49，平均值為0.45，表明高于莊組多為低等的菌藻類輸入［30］.

五環三萜烷是由6個異戊二烯結構單元組成的包含5個環、含有30個碳原子的環烷烴.其可分為藿烷系列和非藿烷系列兩類.藿烷類化合物主要來源于原核生物或細菌，細菌藿四醇是藿烷類化合物的前身.伽馬蠟烷是一種C30的三萜烷，可以反映沉積水介質條件，被認為主要來源于原生動物和光合作用的細菌的四膜蟲醇，通過還原作用形成，其常作為沉積水體鹽度引起的水體分層標志，含量高指示咸水沉積環境［31］.高于莊組烴源巖五環三萜烷以C30藿烷為主峰，且占絕對優勢，升藿烷系列化合物逐漸降低，存在較高的伽馬蠟烷含量.伽馬蠟烷指數（Ga/C30H）分布于0.11～0.18，平均值0.14，整體反映出咸水還原環境.

圖5 高于莊組烴源巖三環萜烷和四環萜烷關系圖Fig.5 Relation between tricyclic terpane and tetracyclic terpane in the source rocks of Gaoyuzhuang Formation

3.4 甾類化合物

甾烷類化合物不直接存在于生物體中，而是由甾醇轉化成中間體甾烯，再由甾烯最終轉化成甾烷或芳香甾烷類化合物.規則甾烷的分布常指示一定的生源信息，例如現代浮游生物中以C27甾醇為主，而在高等植物中以C29甾醇占優勢［32］.雖然在中元古代烴源巖中很少能檢測到甾烷的存在，且存在一定的原生性問題，但本次分析中仍發現了較低豐度的甾烷存在.在m/z217質量色譜圖（圖6）中，遼凌地1井高于莊組烴源巖甾烷、重排甾烷、孕甾烷分布明顯，呈現C27甾烷占優勢的“L”型，C27重排甾烷/C27—C29規則甾烷的平均值為0.19，顯示其母質輸入以低等水生生物貢獻為主.另外，圖中孕甾烷和升孕甾烷含量均較高，可能指示高于莊組為高鹽度的沉積環境［33］.從ααα（R）構型甾烷的C27－C28－C29分布三角圖（圖7）可以看出，高于莊組烴源巖有機質主要形成于為開闊海環境.

圖6 高于莊組烴源巖抽提物甾烷系列分布特征Fig.6 Distribution characteristics of sterane in the source rock extracts of Gaoyuzhuang Formation（m/z＝217）

圖7 高于莊組烴源巖C27－C28－C29－ααα（R）甾烷分布三角圖Fig.7 The ternary diagram of C27－C28－C29－ααα（R）sterane in the source rocks of Gaoyuzhuang Formation

甾烷演化特征可以判斷和劃分有機質的熱演化階段，尤其是甾烷化合物的立體異構化比值是有效的成熟度指標.隨著成熟度的增加，甾烷的α構型向β構型轉化和生物構型R向地質構型S轉化，表現為甾烷C29－αββ/（αββ＋ααα）和C29甾烷ααα20S/（20S＋20R）的比值逐漸增加.Peters等［34］將C29甾烷ααα20S/（20S＋20R）比值為0.25和0.42分別定義為未成熟與低成熟以及低成熟和成熟的界限.遼凌地1井高于莊組烴源巖中甾烷C29－αββ/（αββ＋ααα）分布于0.40～0.47，平均值0.43，C29－ααα20S/（20S＋20R）分布于0.39～0.58，平均值0.47，均已達到平衡狀態，表明烴源巖已經達到成熟階段（圖8）.

圖8 高于莊組烴源巖甾烷成熟度參數相關圖Fig.8 The correlation diagram for sterane maturity parameters of source rocks in Gaoyuzhuang Formation

4 結論

（1）遼凌地1井高于莊組烴源巖TOC分布范圍在0.29%～1.83%，生烴潛量分布范圍0.26×10－3～2.00×10－3，有機質類型為II1型，屬于差—中等烴源巖，整體處于成熟—高成熟階段，已大量生排烴.

（2）高于莊組烴源巖飽和烴的正構烷烴碳數分布呈前單峰型，甾烷、重排甾烷、孕甾烷分布明顯，呈現C27甾烷占優勢的“L”型，C27重排甾烷/C27—C29規則甾烷的平均值為0.19，指示其母質輸入以低等水生生物貢獻為主，綜合萜烷類化合物分布特征，推測高于莊組生源多來自于低等的菌藻類.

（3）較高的伽馬蠟烷含量，及較低的Pr/Ph比值，整體反映出高于莊組形成于咸水還原環境，個別層位可能為強還原環境.