南羌塘盆地侏羅系砂糖狀白云巖古油藏油源研究
——來自芳烴化合物和單體烴碳同位素的證據(jù)

唐友軍，張欣越，季長軍，王霆，何大祥，楊易卓，孫鵬，李博偲，裴冰冰

1.油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100037

羌塘盆地位于特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域東段，石油地質(zhì)特征和中東油氣區(qū)相似，其東南部屬于東南亞油氣區(qū)，這一特定的構(gòu)造環(huán)境與石油地質(zhì)特征決定了羌塘盆地油氣勘探倍受關(guān)注[1-15]。

羌塘盆地油源問題一直以來存在著不同的觀點(diǎn)[1-4]，前人主要用隆鄂尼-昂達(dá)爾錯古油藏帶的油苗及局部發(fā)現(xiàn)的古油藏來進(jìn)行油源對比。研究發(fā)現(xiàn)，它們都遭受了后生生物降解破壞，進(jìn)而導(dǎo)致常規(guī)的飽和烴生物標(biāo)志化合物特征的多解性增加。而芳香烴化合物比飽和烴化合物抗生物降解能力更強(qiáng)，且芳烴化合物亦是原油中的主要有機(jī)成分，也可以表征原油的成烴母質(zhì)來源、成烴環(huán)境以及熱成熟度等多方面信息[16-19]。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，在熱成熟度上具有更廣泛的指示意義[18,19]。為此，筆者在大量的野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，通過精細(xì)分析所采集的羌塘盆地南部坳陷區(qū)域各地層烴源巖及砂糖狀白云巖古油藏樣品的芳烴地球化學(xué)特征和單體碳同位素，對已發(fā)現(xiàn)的油砂進(jìn)行解剖，為羌塘盆地油源研究提供新的證據(jù)。

1 地質(zhì)背景

羌塘盆地古構(gòu)造位置隸屬于特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域東段，東經(jīng)85°～90°，北緯32°～35°。晚三疊世卡尼期以后，中生代羌塘盆地的沉積填充受到班公湖-怒江洋盆的構(gòu)造活動的控制[15]，盆地內(nèi)整體上展現(xiàn)出“兩坳一隆”的構(gòu)造格局：南羌塘坳陷、北羌塘坳陷以及中央隆起帶(見圖1)。南羌塘盆地主要地層包括侏羅紀(jì)沉積填充形成的海相地層，陸相沉積地層為白堊系、古近系、新近系以及第四系[5, 7]。

圖1 南羌塘盆地?zé)N源巖和含油白云巖剖面分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[14]，有改動)Fig.1 Profile distribution map of source rock and oil-bearing dolomite in South Qiangtang Basin (modified according to literature[14])

由于遭受到新特提斯古大洋板塊俯沖消減和印度大陸北向俯沖及碰撞造山作用的影響，整個羌塘盆地在晚白堊世經(jīng)歷了大規(guī)模的逆沖推覆構(gòu)造活動，這一構(gòu)造活動使得盆地油氣藏遭到巨大的破壞，大量的油氣散失，剩余部分最后形成了干瀝青，即隆鄂尼-昂達(dá)爾錯油藏帶，油藏帶以油浸砂糖狀白云巖形式廣泛分布地表，規(guī)模極大，東西斷續(xù)延伸長達(dá)100km，往往以含油白云巖層與灰?guī)r層互層產(chǎn)出，前者油浸狀，顏色較深，后者灰白色[14,15]。

2 樣品與試驗(yàn)方法

研究試驗(yàn)樣品為具有明顯油浸顯示以及油氣味濃厚的古油藏樣品。在敲開的新鮮面中稱取一定量的樣品進(jìn)行粉碎，粉碎至樣品粉末粒徑小于0.06mm；用索氏抽提器對粉末狀樣品進(jìn)行抽提，將粉末狀用抽提好的濾紙包成樣品紙筒，而后加入98∶2(體積比)二氯甲烷和甲醇混合溶劑，原則上不超過容積的2/3，在經(jīng)過72h、55℃恒溫水浴連續(xù)抽提后可得到樣品中可溶有機(jī)質(zhì)；對可溶有機(jī)質(zhì)開展族組分分離，用正己烷除去可溶有機(jī)質(zhì)中的瀝青質(zhì)，除去瀝青質(zhì)之后的可溶組分用活化后硅膠與氧化鋁的層析柱進(jìn)行組分分離：依次用極性逐漸增強(qiáng)的溶劑(正己烷、二氯甲烷∶正己烷= 2∶1(體積比)以及二氯甲烷∶甲醇= 98∶2(體積比))進(jìn)行沖洗，依次得到飽和烴、芳香烴和非烴餾分；再對芳香烴餾分進(jìn)行氣相色譜、色譜-質(zhì)譜試驗(yàn)，分析條件見文獻(xiàn)[20]。

根據(jù)保留時間、芳烴標(biāo)準(zhǔn)譜圖及各組分峰的質(zhì)譜圖對各芳烴化合物進(jìn)行鑒別；然后在數(shù)據(jù)分析窗口打開Chromatogram子菜單，選擇化學(xué)工作站積分器，執(zhí)行Integrate命令，對質(zhì)量色譜圖上鑒別好的芳烴化合物的峰進(jìn)行手動積分，最后得到積分后的質(zhì)量色譜圖及積分結(jié)果。每個芳烴化合物的積分結(jié)果即為化合物豐度的定性結(jié)果，通過積分結(jié)果之間的比對即可得出每個化合物的相對豐度。

3 古油藏及相關(guān)烴源巖特征

3.1 古油藏的分布特征

圖2 南羌塘盆地侏羅系古油藏宏觀照片F(xiàn)ig.2 Macroscopic photos of Jurassic paleo-reservoirs in the South Qiangtang Basin

古油藏中見大量液態(tài)原油浸染的砂糖狀白云巖，呈狹長狀的油苗群特點(diǎn)(見圖2)。油藏帶以油浸砂糖狀白云巖形式廣泛分布地表，規(guī)模極大，往往以含油白云巖層與灰?guī)r層互層產(chǎn)出，前者油浸狀，顏色較深，后者灰白色。

3.2 芳烴化合物特征

芳烴類化合物為原油或烴源巖中重要組分之一，其組成及分布特征能提供豐富的地球化學(xué)信息。相對于飽和烴類化合物來說，芳烴組分抗生物降解能力更強(qiáng)，因此，存在生物降解的原油或者古油藏常利用芳烴組分來進(jìn)行油源對比，具有更高的可靠性[21-24]。

3.2.1 芳烴宏觀組成特征

表1 南羌塘盆地古油藏與烴源巖芳烴化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3 南羌塘盆地古油藏與烴源巖芳烴宏觀組成特征圖Fig.3 Macroscopic composition of aromatic hydrocarbons from paleo-reservoirs and source rocks in the South Qiangtang Basin

3.2.2 菲系列化合物特征

菲系列化合物是研究區(qū)烴源巖多環(huán)芳烴中豐度最高的芳烴類化合物。研究表明，烷基菲系列對源巖沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)來源以及熱成熟度具有表征意義[25，26]。在研究區(qū)古油藏樣品的菲系列中，檢測到的菲系列化合物基本上以菲和甲基菲為主。

甲基菲指數(shù)(MPI1)常被應(yīng)用于成熟度表征的指標(biāo)。前人給出了可定量評價成熟度的芳烴指標(biāo)與鏡質(zhì)體反射率之間的換算公式[27，28]，研究區(qū)古油藏樣品的等效鏡質(zhì)體反射率Rc，古油藏Rc分布在0.63%～1.01%之間，平均0.83%(見表2)，表現(xiàn)為低成熟-成熟的古油藏。烴源巖的菲系列亦很好地表征了扎那組和曲色組的成熟度特性。扎那組烴源巖Rc介于0.95%～0.98%之間，表現(xiàn)出成熟的特性，而曲色組烴源巖Rc介于0.64%～0.76%之間，呈現(xiàn)出未熟-成熟的特征。

煤的熱演化程度僅與甲基菲異構(gòu)體的含量有關(guān)，而與菲的含量無關(guān)，并據(jù)此提出了甲基菲比值F1和F2參數(shù)[27]。古油藏F1和F2參數(shù)數(shù)值存在著較大的差異，表明成熟度存在著顯著的差異(見表2)。此外，烴源巖的F1和F2參數(shù)數(shù)值表明扎那組烴源巖的熱演化程度要高于曲色組烴源巖，這與Rc分析結(jié)果具有良好的一致性。

表2 南羌塘盆地古油藏與烴源巖菲系列相關(guān)化合物參數(shù)表

3.2.3 三芴系列化合物特征

三芴系列化合物為芴(F)、硫芴(噻吩類化合物，SF)以及氧芴(呋喃類化合物，OF)，其分布特征主要受控于有機(jī)質(zhì)的沉積環(huán)境。一般而言，硫芴系列在還原性較強(qiáng)的鹽湖相烴源巖中豐度較大，而偏氧化環(huán)境下沉積的烴源巖中氧芴含量較高[29-31]。古油藏樣品中三芴系列呈現(xiàn)出較大的差異，主要表現(xiàn)在硫芴系列化合物與氧芴系列的相對含量差異，表明古油藏可能存在著2種不同的來源；扎那組烴源巖硫芴系列化合物的表現(xiàn)出絕對優(yōu)勢，相對含量介于89.46%～92.13%之間，表明扎那組烴源巖可能形成于還原性較強(qiáng)的水體環(huán)境；曲色組烴源巖硫芴系列的相對含量相差甚微，表征曲色組烴源巖形成水體的還原性要低于扎那組烴源巖(見表3)。

表3 南羌塘盆地古油藏與烴源巖三芴系列化合物相關(guān)參數(shù)表

3.3 正構(gòu)烷烴單體碳同位素特征

烴源巖及油藏中有機(jī)分子的碳同位素組成主要和母質(zhì)來源類型以及成熟度相關(guān)，而母質(zhì)來源類型又與沉積盆地形成時的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境以及早期成巖過程聯(lián)系密切[32，33]。研究表明，輕度的生物降解作用對單體烴碳同位素組成幾乎不存在影響，因此，單體烴碳同位素組成是油源對比最為可靠的指標(biāo)。其中，應(yīng)用最廣泛的是正構(gòu)烷烴單體烴碳同位素組成，正構(gòu)烷烴是可溶有機(jī)質(zhì)中含量最高的一類化合物，具有很強(qiáng)的代表性[33]。

南羌塘盆地侏羅系古油藏樣品中正構(gòu)烷烴單體碳同位素介于-33.53‰～-24.21‰之間，分布范圍較大(見表4)。整體而言，正構(gòu)烷烴單體碳同位素與正構(gòu)烷烴碳數(shù)無明顯相關(guān)關(guān)系。扎那組烴源巖正構(gòu)烷烴單體碳同位素介于-29.98‰～-24.06‰之間，整體上低于曲色組烴源巖正構(gòu)烷烴單體碳同位素值(見表4)。

表4 南羌塘盆地古油藏與烴源巖正構(gòu)烷烴單體碳同位素特征

4 古油藏的分類及特征

綜合上述古油藏地球化學(xué)特征的分析，將研究區(qū)所采集的古油藏樣品可以分為Ⅰ類和Ⅱ類2個大類，特征如下：

1)Ⅰ類古油藏。主要特征是古油藏中菲系列化合物指示的成熟度相對較低，Rc與F1與F2參數(shù)圖版共同表征了成熟度處于未熟-成熟階段(見圖4)；三芴系列化合物中硫芴系列與氧芴系列的量相差甚微(見圖5)。在單體烴碳同位素分析中，具有較重的碳同位素特征(見圖6)。

2)Ⅱ類古油藏。主要特征是古油藏中菲系列化合物指示的成熟度相對較高，Rc與F1與F2參數(shù)圖版共同表征了成熟度處于成熟-高成熟階段(見圖4)；三芴系列化合物中硫芴系列的相對含量占絕對優(yōu)勢(見圖5)；在單體烴碳同位素分析中，具有較輕的碳同位素特征(見圖6)。

圖4 南羌塘盆地侏羅系古油藏F1與F2關(guān)系圖 圖5 南羌塘盆地侏羅系古油藏三芴系列三角圖Fig.4 Cross-plot of F1 versus F2 of paleo reservoir from the Jurassic strata in the South Qiangtang Basin Fig.5 The triangle diagram of three fluorene series Jurassic strata of paleo-reservoirs from the in the South Qiangtang Basin

5 油源對比

圖6 南羌塘盆地侏羅系古油藏正構(gòu)烷烴單體碳同位素分布特征Fig.6 Carbon isotope distribution characteristics of n-alkane monomers in Jurassic paleo-reservoirs in the South Qiangtang Basin

一般來說，油源對比的依據(jù)就是，

縱使油氣在運(yùn)移、匯聚和演化過程中某些性質(zhì)產(chǎn)生了變化，但油氣與其聯(lián)系緊密的烴源巖之間始終存在著指紋特征等遺傳關(guān)系。南羌塘盆地侏羅系砂糖狀白云巖古油藏盡管遭受了嚴(yán)重的生物降解，但芳烴分子標(biāo)志物與單體烴碳同位素仍然保留著大量的地質(zhì)信息，可以運(yùn)用這些地質(zhì)信息來進(jìn)行油源對比[32-35]。

5.1 芳烴化合物分布特征對比

5.1.1 菲系列化合物對比

Ⅰ類古油藏中，菲系列化合物中2,10-DMP、2,5-DMP和1,7-DMP的峰型(相對豐度)在色譜-質(zhì)譜圖上呈現(xiàn)“階梯狀”分布的特征(見圖7)，甲基菲指數(shù)與甲基菲比值表明古油藏為成熟到高成熟的油藏。研究區(qū)扎那組烴源巖Rc介于0.95%～0.98%之間，表征扎那組烴源巖為成熟的源巖(見圖8)。

圖8 南羌塘盆地古油藏與烴源巖F1與F2關(guān)系圖Fig.8 Cross-plot of F1 versus F2 of paleo-reservoirs and souce rocks in the South Qiangtang Basin

圖9 南羌塘盆地古油藏及烴源巖三芴系列三角圖Fig.9 The triangle diagram of three fluorene series of paleo-reservoirs and source rocks in the South Qiangtang Basin

Ⅱ類古油藏中，菲系列化合物中2,10-DMP、2,5-DMP 和1,7-DMP 的峰型(相對豐度)在色譜-質(zhì)譜圖上呈現(xiàn)“V”型分布的特征(見圖7)，甲基菲指數(shù)根據(jù)公式計算得出了Rc介于0.64%～0.76%之間，平均0.70%，表現(xiàn)為低成熟-成熟的古油藏(見圖8)。研究區(qū)侏羅系曲色組烴源巖二甲基菲系列也呈現(xiàn)出2,10-DMP、2,5-DMP 和1,7-DMP的“V”型分布特征(見圖7)，表明其為低熟-成熟的烴源巖。

5.1.2 三芴系列分子標(biāo)志物對比

羌塘盆地南部研究區(qū)古油藏和烴源巖中三芴系列化合物豐富，但是硫芴系列與氧芴系列分布不同。根據(jù)2種古儲層類型，可以分別找到具有相同分布特征的烴源巖。

在Ⅰ類古油藏中，古油藏中三芴系列呈現(xiàn)出相對高氧芴低硫芴的分布特征，表征原有來源與弱還原環(huán)境下形成的有機(jī)質(zhì)。南羌塘盆地研究區(qū)曲色組的分布特征與Ⅱ類古油藏分布相似(見圖9)，表明Ⅱ類古油藏主要為曲色組的烴源巖貢獻(xiàn)在Ⅱ類古油藏中，硫芴規(guī)則甾烷含量很高的特征，表明原油的源巖沉積環(huán)境的還原性強(qiáng)。研究區(qū)扎那組烴源巖中三芴系列三角圖中也表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律(見圖9)。

5.2 單體烴碳同位素對比

原油或者烴源巖在地質(zhì)熱演化的進(jìn)程中，會遭受到溫度、壓力和生物降解影響。可能會導(dǎo)致生物標(biāo)志化合物特征發(fā)生較大改變，使得油源對比結(jié)果不準(zhǔn)確。而單體烴碳同位素受后期次生作用的影響相對較小，因此，單體烴碳同位素被常被用來研究有機(jī)質(zhì)沉積時的水體環(huán)境、生烴母質(zhì)來源及油源對比[32-35]。

前人研究指出，以陸源高等植物為主要貢獻(xiàn)的有機(jī)質(zhì)中碳同位素相對較重；低等水生藻類或細(xì)菌貢獻(xiàn)為主的有機(jī)質(zhì)中碳同位素較輕。Ⅰ類古油藏單體烴碳同位素與上三疊統(tǒng)扎那組單體烴碳同位素曲線相關(guān)性較大，而與下侏羅統(tǒng)曲色組烴源巖的單體烴碳同位素曲線存在著較大差異(見圖10)；對Ⅱ類古油藏而言，下侏羅統(tǒng)曲色組烴源巖的單體烴碳同位素曲線與其存在著一定的相關(guān)性，而與上三疊統(tǒng)扎那組單體烴碳同位素曲線存在較大差異性。單體烴碳同位素對比說明，扎那組烴源巖對Ⅰ類古油藏存在較大的貢獻(xiàn)，而Ⅱ類古油藏主要來源于曲色組烴源巖(見圖10)。

6 結(jié)論

1)依據(jù)芳烴化合物和單體烴碳同位素的特征，南羌塘盆地古油藏分為2大類：Ⅰ類古油藏主要特征是甲基菲指數(shù)較大、高硫芴低氧芴以及單體碳同位素相對較重，表明生烴母質(zhì)以高等植物碎屑貢獻(xiàn)為主，是形成于還原條件下的成熟有機(jī)質(zhì)；Ⅱ類古油藏甲基菲指數(shù)相對較小，三芴系列具有高氧芴低硫芴的分布特征及相對較輕的單體烴碳同位素特征，表征母質(zhì)來源以低等水生藻類和細(xì)菌為主。

圖10 南羌塘盆地古油藏及烴源巖正構(gòu)烷烴單體碳同位素分布特征Fig.10 Carbon isotope distribution characteristics of n-alkane monomers in paleo-reservoirs and source rocks in the South Qiangtang Basin

2)多參數(shù)的油源研究表明，羌塘盆地的古油藏的油源可能為上三疊統(tǒng)扎那組、下侏羅統(tǒng)曲色組，其中曲色組的烴源巖貢獻(xiàn)相對較大，表明南羌塘坳陷中的下侏羅統(tǒng)曲色組以及上三疊統(tǒng)扎那組具有很好的油氣勘探前景。