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  中国地质 2016, Vol. 43 Issue (1): 298-305  
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杜佰伟, 彭清华, 何江林, 羌塘盆地羌资3井索瓦组泥岩生物标志化合物特征及其地质意义[J]. 中国地质, 2016, 43(1): 298-305. 
DU Bai-wei, PENG Qing-hua, HE Jiang-lin, Characteristics of biomarker compounds in the mudstone of Upper Jurassic Suowa Formation from QZ3 Well in Qiangtang Basin-northern Tibet[J]. Geology in China, 2016, 43(1): 298-305.(in Chinese with English abstract).  

羌塘盆地羌资3井索瓦组泥岩生物标志化合物特征及其地质意义
杜佰伟, 彭清华, 何江林     
中国地质调查局成都地质调查中心 四川 成都 610081
提要: 本文对羌塘盆地羌资3井索瓦组样品开展了详细的有机地球化学特征研究,探讨了其有机母质来源及形成的沉积环境。样品中检测出丰富的正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类化合物和甾类化合物。在GC图谱上,主碳数分别为nC17nC18nC23nC25-OEP值为0.4~1.24-Pr/nC17值为0.68~0.99、Ph/nC18值为0.55~0.98-Pr/Ph为0.50~0.90。萜类化合物以C30藿烷占优势的五环三萜烷为主,含有三环萜烷和伽马蜡烷。甾类化合物以规则甾烷为主-C27、C28和C29规则甾烷构成了不对称的"V"字型-C29ααα 20S/(20S+20R)和C29αββ/(ααα+αββ)的值分别为0.30~0.49、0.40~0.54。饱和烃色谱/质谱特征表明泥岩有机母质来源来源于具有水生生物的混合来源,揭示了其母质形成于一定盐度缺氧还原环境。镜质体反射率与成熟度参数均显示泥岩与沥青处于生油高峰阶段。生物标志物研究显示羌资3井沥青与泥岩在母质性质、沉积环境、成熟度等方面有相近的特征,它们具有较好的亲缘关系。
关键词: 羌塘盆地    索瓦组    生物标志化合物    地质意义    
中图分类号:P534.52            文献标志码:A             文章编号:1000.3657(2016)01.0298.08
Characteristics of biomarker compounds in the mudstone of Upper Jurassic Suowa Formation from QZ3 Well in Qiangtang Basin-northern Tibet
DU Bai-wei, PENG Qing-hua, HE Jiang-lin     
Chengdu Center of China Geological Survey-Chengdu 610081-Sichuan-China
Fund support: Supported by China Geological Survey Program (No. 1212011221106) and National Science and Technology Major Project (No.2011ZX05004001-006).
About the first author: DU Bai-wei, male, born in 1976, senior engineer, mainly engages in the study of petroleum geology; E-mail:dbw88@163.com.
Abstract: In this paper-the authors carried out detailed research on geochemical characteristics of the Suowa Formation mudstones from Well QZ3. The origin of organic matters and the sedimentary environment were investigated according to the characteristics of biomarkers. Abundant biomarkers-including n-alkanes-isoprenoid-terpanes and steranes from mudstones-were detected by GC and GC-MS. The n-alkanes have nC17-nC18-nC23or nC25 as the mean peaks. OEP values vary from 0.4 to 1.24-Pr/nC17 from 0.68 to 0.99-Ph/nC18 from 0.55 to 0.98-and Pr/Ph from 0.50 to 0.90. In the m/z191 GC-MS-C30 hopane is most abundant in the terpanes-with the presence of tricyclic terpanes and gammacerane. In the m/z217 GC-MS-regular steranes are characterized by the highest abundances. The regular steranes C27-C28-C29ααα 20R are distributed in the asymmetric "V" shape. C29ααα 20S/(20S+20R) values vary from 0.30 to 0.49 and C29αββ/(ααα+αββ) from 0.40 to 0.54. GC/MS characteristics of saturated hydrocarbon show that organic matter is characterized by mixed sources composed of phytoplankton-suggesting that organic matter is formed in a low-salinity anoxic environment. Different kinds of parameters indicate that the organic matter of the asphalts and mudstones is the peak of oil generation. At the same time-biomarker parameters of the asphalts and mudstones from QZ3 Well show similar characteristics in such aspects as organic matter source-sedimentary environment and maturity. They have very close genetic relationship.
Key words: Qiangtang basin    Suowa Formation    biomarker    geological significance    

羌塘盆地目前中国勘探程度最低的大型海相沉积盆地近几年来开展了一些二维反射地震、MT等工作但资料说服力较差而在野外地表路线调查、剖面测量等基本石油地质方面则取得了一些进展[1-8]油气勘探处于盆地远景评价的普查阶段。针对盆地地层随着高原隆升遭受的一系列作用产生的油气评价工作的局限性在托纳木地区开展了羌资3 井的钻探工作以获得该地区地下石油地质资料。笔者对该井泥岩有机地球化学特征进行了研究探讨了泥岩及钻遇沥青的生物标志化合物特征及来源指示希望在了解托纳木地区可能的烃源岩、油气成藏过程或后期遭受破坏等提供地球化学方面的依据。

1 区域地质特征

羌塘盆地位于青海省南部、西藏自治区的北部地区盆地北以拉竹龙—金沙江缝合带为界南部边界为班公湖—怒江缝合带东西则以缺失侏罗纪地层作为盆地界线其面积约22×104 km2[5-7]。盆地总体呈近东西向格局具有南北分带东西分区的构造格局[7-8]由南向北依次为南羌塘坳陷带、中央隆起带和北羌塘坳陷带(图 1)总体表现为“两坳夹一隆”构造格架。托纳木地区则位于北羌塘拗陷中南部处于布若错—多格错仁地层分区区内主要出露索瓦组、雪山组、康托组及第四系[9]

图 1 羌塘盆地区域构造及钻井位置 Fig.1 Tectonic setting of the Qiangtang Basin, showing well position

羌资3井位于西藏双湖县雅曲乡托纳木复式背斜带井口坐标为: 89°15′43.9″E33°36′23.7″N海拔高度5249.91 m。钻井开口为第四系全新统终孔地层为上侏罗统索瓦组泥岩终孔深度为887.4 m。

羌资3井0~90.37 m钻遇第四系其中0~8.58 m钻遇黄色、浅灰色、紫红色黏土和残留坡积物8.58~90.37 m主要为灰至深灰色薄层,中层状黏土。

索瓦组(J3s)地层位于90.37 m以下(未钻穿)其中90.37~312.6 m为一套粉砂岩、砂岩、泥质粉砂岩为主的陆源碎屑岩组合(图 2); 312.6~887.4 m为深灰色、灰黑色薄层状泥岩、粉砂质泥岩、砂岩与灰、深灰色及灰白色泥晶灰岩、泥晶生屑灰岩、介壳灰岩、砂屑灰岩、泥晶鲕粒灰岩等不等厚韵律互层(图 2)。羌资3 井上部粉砂岩、砂岩中见丰富的干沥青显示下部也偶见沥青与泥岩共存。

图 2 羌塘盆地羌资3井索瓦组地层特征及有机地化样品采集位置 Fig.2 Stratigraphic characteristics of the Suowa Formation and organic geochemical sample position fromWell QZ3 in the Qiangtang Basin

笔者从索瓦组样品中选取了9件泥岩和3件沥青使用Agilent6890,5975c气相色谱质谱联用仪进行测试饱和烃色谱,质谱分析按照GB/T 18606,2001《气相色谱质谱法测定沉积物和原油中生物标志物》执行以便探讨样品中泥岩中生物标志物的来源、分布特征,了解泥岩有机质来源及地质意义。样品的测试条件:色谱分析时载入99.99%氦气进样口温度300℃传输线温度280℃。色谱柱为HP~5MS弹性石英毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 mm),在50℃保持1 min,再以15℃/min 升至120℃ ,以3℃/min 升至300℃,保持25 min。测试方式为全扫描。

2 生物标志物分布特征

索瓦组泥岩有机碳含量介于0.46%~1.26%,平均值0.67%;氯仿“A”含量较低,其含量为0.0009%~0.0151%,平均为0.0044 %;岩石热解分析表明生烃潜量(S1+S2)非常低,为0.01~0.29 mg/g,均值0.13mg/g,综合这些参数表明,索瓦组泥岩具备一定的生烃能力。干酪根镜检以腐泥组占绝对优势,其次为惰质组,镜质组含量相对较少。有机质类型主要为Ⅱ2型,其次Ⅱ1型,这说明索瓦组泥岩有机质类型较好。镜质体反射率(Ro)普遍较高,Ro值为1.21%~1.78%平均值1.50%表明羌资3井(QZ3)井泥岩有机质处在成熟—高成熟阶段。同时,纵向上,随着深度的增加,镜质体反射率Ro值有逐渐增大的趋势。在GC,MS分析中,检测出它们有完整碳数(nC10~nC35)的正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类及甾类化合物,结果显示它们没有受到明显的生物降解作用,测试的数据能够反映它们的形成特征:

2.1 饱和烃

一般情况下饱和烃特征能直接反映母源物质的信息羌资3井泥岩样品GC图谱中均检出相似分布特征的正构烷烃系列,具有以下特点(表 1,图 3):①碳数分布比较完整,从nC10~nC35均有分布;②泥岩主碳峰为nC18nC23nC25,以nC23nC25占多数,反映了样品有机质多种来源的特征;③饱和烃气相色谱分布形态表现为以单峰形态为主;④泥岩具有较低的$ \sum {{C_{21}} - /\sum {{C_{22}} + } } $,比值变化范围为0.29~1.19,均值为0.66,除一件样品大于1.0 外,其他样品均小于1.0,说明重烃组分占有绝对优势。⑤奇偶优势比OEP值介于0.4~1.24,平均值为1.04,偶碳数优势并不明显(表 1),CPI平均值0.98~1.18,平均1.04,OEP和CPI值基本趋于平衡值,表明烃源岩均已进入成熟阶段。

图 3 羌塘盆地羌资3井泥岩饱和烃色谱和萜甾烷质量色谱图 Fig.3 Saturated hydrocarbon chromatogram, terpane and sterane mass chromatogram of the mudstones fromWell QZ3 in the Qiangtang Basin
表 1 羌塘盆地羌资3井索瓦组泥岩与沥青生物标志物参数 Table 1 Biomarker parameters of the Suowa Formation asphalts and mudstones fromWell QZ3 in the Qiangtang Basin
2.2 类异戊二烯烷烃

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)是常用的古环境标志物,经过大量研究认为姥植比(Pr/Ph)可以作为沉积环境的重要标志[10-13]氧化条件下显示姥鲛烷占优势Pr/Ph值较高而还原环境时则显示植烷占优势Pr/Ph值较低[14-16]。羌资3 井样品中均检测出了含量丰富的类异戊二烯烷烃主要是姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)。各样品的姥植比(Pr/Ph)值均较低介于0.50~0.90(表 1)平均值为0.68具有明显的植烷优势揭示了有机质形成于较强的还原环境。另外Pr/nC17 和Ph/nC18分别为0.68~0.99 和0.55~0.98均值分别为0.81和0.92(表 1)仅1 件样品的值大于1大部分样品显示正构烷烃占优势的特征。根据Pr/nC17 与Ph/nC18 的关系图谱可以得出样品在主要分布在Ⅱ型区域总体反映母质的形成环境为还原环境(图 4)。

图 4 羌塘盆地羌资3井泥岩与沥青Pr/nC17− Ph/nC18判别沉积环境(底图据文献[16]) Fig.4 Determination of organic matter type by Pr/nC17− Ph/nC18 of the Suowa Formation asphalts and mudstones fromWell QZ3 in the Qiangtang Basin (base maps after reference [16])
2.3 萜类化合物

QZ,3 井索瓦组样品中检出丰富的萜烷类化合物主要有五环三萜、三环二萜、长链三环萜、四环萜及少量伽马蜡烷等(图 3)。样品中五环三萜烷碳数分布范围小于C35C35 以后的藿烷一般难以检出。一般认为藿烷类来源于微生物细菌同时高丰度的升藿烷还与沉积时期的强烈的细菌活动有关,羌资3 井样品中藿烷类化合物含量较高同时以C30藿烷占据优势升藿烷从C31~C35均有检出表明了它们有机质存在微生物细菌的贡献。

三环萜烷主要来源于原生动物的细胞膜或藻类等低等水生生物与咸水环境关系较为密切[17-18]。羌资3 井索瓦组样品中三环萜烷丰度较低且数分布为C19~C29通常以C21或C23为主峰(图 3)反映出有机质母质中低等生物来源含量丰富且可能形成于一定盐度环境。

伽马蜡烷作为C30五环三环萜一种它的形成与水体分层与环境盐度关系密切[12]有分层水体标志的纤毛虫是它的重要来源[19-20]因此伽马蜡烷常被当作指示沉积环境和盐度的可靠的指标。羌资3 井索瓦组烃源岩中都检测出了少量的伽玛蜡烷且伽玛蜡烷/C30 藿烷比值分布范围为0.11~0.18平均0.13(表 1)说明其烃源岩有机母质形成于具有一定盐度的还原环境。

2.4 甾类化合物

一般情况下甾烷分子结构相对稳定不同碳数的甾烷不可能发生明显相互转化。因此甾类化合物常作为研究有机质母质类型及热演化程度的重要参数羌资3 井索瓦组样品中鉴定出的甾烷主要有C27、C28和C29规则甾烷、孕甾烷还含有一定量的重排甾烷(图 3) 。其中C27、C28和C29规则甾烷的相对含量分别为24.54%~50.22%、19.19%~23.9%和26.30%~52.15%(表 1)平均值分别为40.97%、21.81及37.22%其均值相对含量明显为C27>C29>C28在图谱上分布特征呈不对称“V”字型分布(图 3)。C27规则甾烷含量高说明有机质主要来源于藻类等低等水生生物陆生高等生物输入相对较弱。样品中$ \sum {\left( {{C_{27}} + {C_{28}}} \right)/\sum {{C_{29}}} } $的比值为0.92~2.80平均为1.76也反映出有机母质中低等水生生物贡献大的特点[21-22]。同时,结合C27、C28和C29规则甾烷三者之间的关系认为样品投点均落以代表藻类(Ⅶ)与浮游植物为主(Ⅵ)的区域内说明了它们的母质来源于藻类、浮游植物等水生生物的混合型来源(图 5)。因此在索瓦组沉积期盆地内生长的各种水生浮游植物、藻类等死亡后在缺氧条件下堆积、腐烂为泥岩沉积提供了大量的有机质来源也为沥青的最终形成提供了物质基础。

图 5 羌资3井索瓦组沥青与泥岩C27、C28、C29规则甾烷相对含量三角图 Fig.5 Triangular diagram of C27, C28 and C29 regular sterane of the Suowa Formation asphalts and mudstones fromWell QZ3 in the Qiangtang Basin

综合上述分析认为羌资3 井样品形成于还原条件下且具备一定盐度的环境中而其有机母质的构成以藻类、浮游植物等水生生物的混合型为特征尚不能确定是否有高等植物输入。

3 生物标志物与有机质成熟度的关系

羌资3 井索瓦组泥岩镜质体反射率(Ro)质介于1.21%~1.78%平均值1.5%(图 2)处于有机质演化程度较高的阶段。纵向上泥岩镜质体反射率随深度的增加而增加说明泥岩有机质正常的演化过程。羌资3 井奇偶优势比OEP值基本上接近1.0介于0.40~1.24平均值为1.04; CPI 平均值0.98~1.18,平均1.04左右表明烃源岩均已进入成熟阶段。

有机质演化过程一般伴随着甾烷、萜烷分子发生“异构化反应”如藿烷的ββ 型向βα 型和αβ 型转换、甾烷的ααα 型向αββ 型侧链上R型向R+S 型的差向异构化等[10]。因此常用藿烷C31αβ 22S/(22S+22R)、甾烷C29ααα 20S/(20S+20R)和C29αββ /(αββ +ααα)等不同构型化合物的相对丰度来判断有机质成熟度。有研究认为当C29ααα 20S/(20S+20R)和C29αββ/(αββ+ααα)的数值约为0.25 时进入生油门限当它们各自达到平衡状态(C29ααα 20S/(20S+20R))=0.52~0.55C29αββ / (ααα +αββ )=0.7)时此时有机质处于生油高峰时期[10-12]。羌资3 井索瓦组样品中甾烷C29ααα 20S/(20S + 20R) 和C29αββ /(αββ +ααα )分别介于0.30~0.49 和0.40~0.54平均值分别为0.40 和0.47均大于生油门限值且未达到它们的热演化平衡说明有机质处于成熟阶段; 纵向上两者的分布特征也较为近似(表 1)数值变化范围较小说明它们具有一致或相似的热演化程度。同时Ts/(Tm+Ts)比值也是最常用研究的母质热演化程度的指标[10-12]Tm与热演化相关性密切而Ts 则是相对稳定的化合物一般情况下随热演化程度的增加Ts/(Tm+Ts)值逐渐升高约在生油阶段晚期该值达到平衡值。羌资3 井样品中Ts/(Tm+Ts) 值为0.4~0.57(表 1)平均值0.51; C31αβ 22S/(22S+22R)也常作为研究母质热演化程度的指标样品C31αβ 22S/(22S + 22R) 含量为0.47~0.64平均值为0.58。Ts/(Tm+Ts) 与C31αβ 22S/(22S+22R)均显示有机质已接近生油高峰阶段。上述研究结果显示索瓦组样品演化程度处于接近生油高峰阶段。

4 讨论

索瓦组泥岩在埋藏过程中达到生油门限以后有机质开始转化为油气其生物标志化合物依然保持着烃源岩沉积时的特征因此研究羌资3 井索瓦组泥岩与沥青的生物标志物参数的异同可以确定它们是否具备亲缘关系。研究结果显示羌资3 井索瓦组泥岩与沥青的饱和烃质量色谱图谱(m/z191、m/z217)分布具有一定的相关性(图 3)生物标志化合物参数特征也较为相似(表 1图 6)。泥岩与沥青类异戊二烯烷烃、伽马蜡烷/C30藿烷、规则甾烷C27、C28、C29等参数表明它们母质形成沉积环境与母源输入具有较好的一致性(图 4图 5)反映了沥青与泥岩之间具有亲缘关系的特点。同时泥岩与沥青中反映成熟度的生物标志化合物参数Ts/(Ts+Tm)、C31αβ22S/(22S + 22R)、C29ααα20S/(20S + 20R) 和C29αββ/(αββ+ααα)在数值上差异也较小(表 1图 6)表明羌资3井沥青与泥岩处于相同的成熟演化阶段。

图 6 羌塘盆地羌资3 井索瓦组沥青与泥岩生物标志化合物参数指纹图 Fig.6 Comparison of biomarkers index fingerprints of the Suowa Formation mudstones and asphalts fromWell QZ3 in the Qiangtang Basin

综上研究认为羌资3 井泥岩与沥青无论是母质类型、沉积环境及成熟度参数均表现出较好的亲缘关系(图 6)沥青很有可能是索瓦组泥岩的达到生油门限以后生成的油气遭到破坏或运移通道中油气的残留部分当其轻质组分逸失以后形成了如今的沥青。因此泥岩与沥青的亲缘关系反映了该套泥岩具备较好的生烃的能力。

5 结论

(1)羌塘盆地羌资3 井泥岩和沥青中富含正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类化合物及甾类化合物。碳数分布比较完整从nC10~nC35均有分布表现为以单峰形态为主; 植烷优势非常明显C30藿烷占据优势普遍存在伽马蜡烷规则甾烷为主其含量且较为明显的显示甾烷C27>甾烷C29>甾烷C28

(2)羌塘盆地羌资3 井泥岩和沥青生物标志物特征说明其母质来源于藻类、浮游植物等水生生物的混合尚不能确定是否有高等植物混合输入。其母质来源形成于具有一定盐度的还原环境有利于有机质的埋藏和保存。

(3)镜质体反射率和生物标志化合物均显示羌资3井泥岩有机质处于或接近生油高峰阶段。

(4)羌塘盆地羌资3 井泥岩和沥青生物标志化合物特征说明它们具备一定的亲缘关系沥青可能是泥岩生成的油气轻组分逸失的产物反映了该泥岩具备较好的生烃能力这对于北羌塘坳陷侏罗系油气资源研究具有非常积极的意义。

致谢: 项目在实施过程中自始至终得到了成都地质调查中心王剑研究员、谭富文研究员的指导与帮助;西藏地勘局地热地质大队在钻井中也给予了大力支持;在文章撰写过程中与陈文彬高级工程师进行了多次有益的探讨; 同时, 审稿专家及编辑部杨艳老师对论文提出了宝贵修改意见, 在此一并致以诚挚的谢意!

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