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烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义

符印 王作栋 张婷 王文军 李晓斌 王志勇

符印, 王作栋, 张婷, 王文军, 李晓斌, 王志勇. 烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义[J]. 沉积学报, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
引用本文: 符印, 王作栋, 张婷, 王文军, 李晓斌, 王志勇. 烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义[J]. 沉积学报, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
FU Yin, WANG ZuoDong, ZHANG Ting, WANG WenJun, LI XiaoBin, WANG ZhiYong. Detection and Geological Significance of Carotenoid-Derived Alkanes in the Source Rocks : A case of well Malu 1, Lucaogou Formation, Santanghu Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
Citation: FU Yin, WANG ZuoDong, ZHANG Ting, WANG WenJun, LI XiaoBin, WANG ZhiYong. Detection and Geological Significance of Carotenoid-Derived Alkanes in the Source Rocks : A case of well Malu 1, Lucaogou Formation, Santanghu Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013

烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
基金项目: 

国家自然科学基金项目 42272187

国家自然科学基金项目 42102195

详细信息
    作者简介:

    符印,男,1993年出生,硕士研究生,油气地球化学,E-mail: fuyin18496@163.com

    通讯作者:

    王作栋,男,博士,高级工程师,油气地球化学,E-mail: wzd@lzb.ac.cn

  • 中图分类号: P618.13

Detection and Geological Significance of Carotenoid-Derived Alkanes in the Source Rocks : A case of well Malu 1, Lucaogou Formation, Santanghu Basin

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 42272187

National Natural Science Foundation of China 42102195

  • 摘要: 目的 γ-和β-胡萝卜烷属于类胡萝卜烷,广泛分布于沉积物和原油中,但是低碳数的类胡萝卜烷系列化合物在烃源岩中较为少见,γ-和β-胡萝卜烷以及低碳数类胡萝卜烷系列化合物的来源及其在地质载体中的指示意义尚不明确。 方法 基于三塘湖盆地马朗凹陷马芦1井芦草沟组12件代表性烃源岩样品,通过气相色谱—质谱、岩石热解、镜质体反射率、总有机碳分析,详细表征其地球化学特征,以此获得目标化合物的生源信息。 结果和结论 马芦1井芦草沟组烃源岩有机质丰度高、类型好、处于成熟阶段,并且这些烃源岩样品中富含γ-和β-胡萝卜烷以及低碳数(碳数范围为C13~C25)的类胡萝卜烷系列化合物。根据正构烷烃、萜烷、甾烷等系列生物标志化合物的分布特征,并综合分析其他地球化学参数,认为γ-和β-胡萝卜烷主要来源于细菌。此外,结合烃源岩热演化、微生物化石及火山爆发的证据,提出低碳数类胡萝卜烷系列化合物可能是γ-和β-胡萝卜烷受微生物或热演化作用的产物,该研究可以为探索烃源岩的有机质来源、沉积环境和热演化程度提供新的思路。
  • 图  1  三塘湖盆地构造单元划分及研究区位置[3132]

    Figure  1.  Division of structural units and location of the study area in Santanghu Basin[3132]

    图  2  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩评价图[34]

    Figure  2.  Evaluation diagram of source rocks from well Malu 1 in Santanghu Basin[34]

    图  3  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩饱和烃馏分TIC、m/z 191以及m/z 217质量色谱图

    Figure  3.  Mass chromatograms of saturated hydrocarbon fraction total inorganic carbon (TIC), m/z 191 and m/z 217 in the Lucaogou Formation from well Malu 1 in Santanghu Basin

    图  4  (a)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18关系图[38];(b)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩中C27、C28和C29ααα20R甾烷碳数组成三角图[45]

    Figure  4.  (a) Source rock of the Lucaogou Formation, well Malu 1, Santanghu Basin, relationship between Pr/nC17 and Ph/nC18[38];(b) source rock of the Lucaogou Formation, well Malu 1, Santanghu Basin, distribution of C27, C28 and C29ααα20R steranes[45]

    图  5  (a)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩中GI与Pr/Ph关系图[55];(b)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩中甾烷成熟度参数关系图[45]

    Figure  5.  (a) Relationship between Gammacerane Index (GI )and Pr/Ph in source rocks of the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin[55]; (b) relationship diagram of sterane maturity parameters in source rocks of the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin[45]

    图  6  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组典型烃源岩m/z 125类胡萝卜烷系列质量色谱图

    Figure  6.  Mass chromatogram of m/z 125 carotenoids series of typical source rocks in the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin

    图  7  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩类胡萝卜烷系列质谱图

    Figure  7.  Mass spectra of carotenoids in source rocks from well Malu 1 in Santanghu Basin

    图  8  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩β⁃胡萝卜烷与其他参数关系图

    (a) β⁃carotene/Cmax and 7+8MeC17 / Cmax; (b) β⁃carotene /Cmax and γ⁃carotene / Cmax; (c) γ/β and Ro; (d) β⁃carotene / Cmax and Pr/Ph; (e) β⁃carotene / Cmax and TOC; (f) β⁃carotene / Cmax and GI

    Figure  8.  Relationship between β⁃carotene and other parameters in source rocks from the Lucaogou Formation, well Malu 1, Santanghu Basin

    Fig.8

    图  9  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩典型样品TIC和7⁃+8⁃甲基十七烷质量色谱图

    Figure  9.  Mass chromatogram of TIC and 7⁃+8⁃ methyl heptadecane in typical source rocks of the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin

    表  1  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩样品总有机碳、镜质体反射率和热解数据表

    Table  1.   Total organic carbon (TOC), vitrinite reflectance, and pyrolysis data of source rock samples from the Lucaogou Formation in well Malu 1, Santanghu Basin

    样品名称层位岩性深度/mS1/(mg/g)S2/(mg/g)S3/(mg/g)HI/(mg/g)Tmax/℃S1+S2/(mg/g)S2/S3TOC/%Ro/%
    ML1-1P2l深灰色凝灰质泥岩3 460.0~3 461.52.9963.410.42827.8144966.40150.987.660.84
    ML1-2P2l深灰色荧光凝灰岩3 461.9~3 463.72.658.180.42449.4544210.8319.481.820.75
    ML1-3P2l深灰色凝灰质泥岩3 472.4~3 474.42.7425.630.46555.9744328.3755.724.610.61
    ML1-4P2l深灰色凝灰质泥岩3 472.5~3 474.51.2339.010.40723.7545040.2497.535.390.98
    ML1-5P2l灰黑凝灰质泥岩3 504.0~3 504.50.9820.040.23603.6144221.0287.133.320.90
    ML1-6P2l深灰色凝灰质泥岩3 526.4~3 527.40.4526.630.42780.9444927.0863.403.410.92
    ML1-7P2l深灰色凝灰质泥岩3 546.5~3 547.51.2923.110.31521.6744424.4074.554.430.85
    ML1-8P2l含油角砾岩3 581.5~3 583.50.4213.670.28484.7544714.0948.822.821.02
    ML1-9P2l深灰色凝灰质泥岩3 604.5~3 606.51.6185.410.3917.4045387.02284.709.310.94
    ML1-10P2l深灰色凝灰质泥岩3 609.5~3 610.01.2824.790.25659.3144426.0799.163.760.86
    ML1-11P2l深灰色凝灰质泥岩3 624.0~3 624.90.5727.540.35691.9644828.1178.693.980.90
    ML1-12P2l深灰色凝灰质泥岩3 657.1~3 659.00.3015.860.22626.8844916.1672.092.530.85
    注:S1为岩石中的游离烃量(mg/g);S2为岩石中的热解烃量(mg/g);S3为岩石热解产生的二氧化碳含量(mg/g);HI为氢指数(S2/TOC,mg/g);Tmax为岩石热解最高峰温度(℃);S1+S2为生烃潜量(mg/g);S2/S3为岩石热解类型指数;TOC为总有机碳含量(%);Ro为镜质体反射率(%)。
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    表  2  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩饱和烃地球化学参数

    Table  2.   Geochemical parameters of saturated hydrocarbons in source rocks of well Malu 1 in Santanghu Basin

    样品名称Pr/PhPr/nC17Ph/nC18ΣnC21-nC22+γ/Cmaxβ/Cmaxγ/βC19TT/(C19TT+C23TT)7-+8-MeC17/CmaxGIC29ββ/(αα+ββ)C2920S/(S+R)C27/%C28/%C29/%
    ML1-10.960.600.630.870.050.170.290.070.010.100.290.41204040
    ML1-20.600.660.660.370.080.180.420.070.040.140.310.43204040
    ML1-31.100.290.381.610.030.070.470.110.010.090.230.47263836
    ML1-40.670.280.482.120.260.360.730.140.200.250.330.50233641
    ML1-50.680.180.331.900.040.120.340.100.130.150.310.43233542
    ML1-60.800.200.302.070.080.240.350.170.110.150.300.46263737
    ML1-70.510.170.431.580.040.120.340.050.100.200.330.43233245
    ML1-80.660.350.572.250.100.370.270.130.180.310.400.43313237
    ML1-90.420.250.480.680.070.290.260.070.040.270.490.49292843
    ML1-100.460.140.411.790.060.100.610.170.120.240.440.49263242
    ML1-110.610.150.332.790.020.030.560.340.090.210.320.48223642
    ML1-120.730.220.484.590.020.100.230.160.080.370.410.44352639
    注:Pr为姥鲛烷;Ph为植烷;GI为伽马蜡烷/C30藿烷;γ/Cmax,γ为γ⁃胡萝卜烷,Cmax为正构烷烃主峰;β为β⁃胡萝卜烷;γ/β为γ⁃胡萝卜烷/β⁃胡萝卜烷;C19TT、C23TT分别为C19、C23 三环萜;7⁃+8⁃MeC17为7⁃和8⁃甲基C17;C27为C27ααα20R规则甾烷;C28为C28ααα20R规则甾烷;C29为C29ααα20R规则甾烷。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-20
  • 修回日期:  2024-01-18
  • 录用日期:  2024-02-28
  • 网络出版日期:  2024-02-28
  • 刊出日期:  2024-06-10

目录

    烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 42272187

      国家自然科学基金项目 42102195

      作者简介:

      符印,男,1993年出生,硕士研究生,油气地球化学,E-mail: fuyin18496@163.com

      通讯作者: 王作栋,男,博士,高级工程师,油气地球化学,E-mail: wzd@lzb.ac.cn
    • 中图分类号: P618.13

    摘要: 目的 γ-和β-胡萝卜烷属于类胡萝卜烷,广泛分布于沉积物和原油中,但是低碳数的类胡萝卜烷系列化合物在烃源岩中较为少见,γ-和β-胡萝卜烷以及低碳数类胡萝卜烷系列化合物的来源及其在地质载体中的指示意义尚不明确。 方法 基于三塘湖盆地马朗凹陷马芦1井芦草沟组12件代表性烃源岩样品,通过气相色谱—质谱、岩石热解、镜质体反射率、总有机碳分析,详细表征其地球化学特征,以此获得目标化合物的生源信息。 结果和结论 马芦1井芦草沟组烃源岩有机质丰度高、类型好、处于成熟阶段,并且这些烃源岩样品中富含γ-和β-胡萝卜烷以及低碳数(碳数范围为C13~C25)的类胡萝卜烷系列化合物。根据正构烷烃、萜烷、甾烷等系列生物标志化合物的分布特征,并综合分析其他地球化学参数,认为γ-和β-胡萝卜烷主要来源于细菌。此外,结合烃源岩热演化、微生物化石及火山爆发的证据,提出低碳数类胡萝卜烷系列化合物可能是γ-和β-胡萝卜烷受微生物或热演化作用的产物,该研究可以为探索烃源岩的有机质来源、沉积环境和热演化程度提供新的思路。

    English Abstract

    符印, 王作栋, 张婷, 王文军, 李晓斌, 王志勇. 烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义[J]. 沉积学报, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
    引用本文: 符印, 王作栋, 张婷, 王文军, 李晓斌, 王志勇. 烃源岩中类胡萝卜烷系列化合物的检出及其地质意义[J]. 沉积学报, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
    FU Yin, WANG ZuoDong, ZHANG Ting, WANG WenJun, LI XiaoBin, WANG ZhiYong. Detection and Geological Significance of Carotenoid-Derived Alkanes in the Source Rocks : A case of well Malu 1, Lucaogou Formation, Santanghu Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
    Citation: FU Yin, WANG ZuoDong, ZHANG Ting, WANG WenJun, LI XiaoBin, WANG ZhiYong. Detection and Geological Significance of Carotenoid-Derived Alkanes in the Source Rocks : A case of well Malu 1, Lucaogou Formation, Santanghu Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2024, 42(3): 1092-1106. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.013
      • 类胡萝卜素来源于自然界中能够进行光合作用的光合细菌、真核生物以及特殊的非光合作用生物[12]。类胡萝卜素全氢化后会形成类胡萝卜烷[2],γ-和β-胡萝卜烷是其中两个典型化合物。在地质过程中,β-胡萝卜素全氢化后会转变为β-胡萝卜烷(C40H78),存在于地质载体中[23]。目前,国内外不同盆地烃源岩中检出β-胡萝卜烷的相关报道有很多。例如:Murphy et al.[4]首次在科罗拉多州始新世绿河页岩中发现β-胡萝卜烷,认为该化合物不是植物来源,且还原环境有利于其碳结构的保存。Lee et al.[5]在澳大利亚北部McArthur盆地距今16.4亿年的Barney Creek组发现了超过22种不同的C40类胡萝卜素衍生物,但在更深部却未检测到该类化合物,认为C40类胡萝卜素在深部发生了热降解作用。此外,Casilli et al.[6]利用全二维气相色谱—飞行时间质谱在巴西东北部Reconcavo盆地早白垩世Candeias组湖相原油中也检出了丰富的β-胡萝卜烷,指出通过β-胡萝卜烷与C30藿烷比值可以指示古湖沼的咸化程度,比值越大指示咸化程度越高。不仅如此,我国准噶尔盆地、渤海湾盆地、柴达木盆地和四川盆地的沉积地层中也检出高丰度的γ-和β-胡萝卜烷。例如,王国彬等[7]在准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统砂岩中,检测出γ-和β-胡萝卜烷,认为还原环境有利于其富集。蒋文龙等[8]通过黄金管封闭体系热模拟实验探究了β-胡萝卜烷绝对含量和热成熟度的关系,发现γ-和β-胡萝卜烷热稳定性较差,特别是在高熟阶段后期含量骤降。曾文人等[9]对准噶尔盆地石树沟凹陷二叠系平地泉组泥岩的研究表明,高含量的β-胡萝卜烷指示干旱程度大和水体盐度相对较高。马健等[2]在准噶尔盆地渐新世安集海河组泥岩中发现了β-胡萝卜烷等,并结合其他化合物的共生关系探讨了古湖泊的水体环境。此外,β-胡萝卜烷也在原油中大量检出,例如,Zhang et al.[10]对准噶尔盆地下二叠系凤城组原油的研究表明,β-胡萝卜烷/nC21比值与成熟度具有很好的相关性。Liu et al.[11]在吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组原油中也发现了该化合物,认为高丰度的β-胡萝卜烷与光合蓝藻的发育有关。然而,目前对类胡萝卜烷的来源并没有统一的认识,其在地质载体中的指示意义仍不清楚。

        目前对于β-胡萝卜烷的母质来源主要有两种观点。一种观点认为该化合物主要来源于细菌和藻类等,如蓝藻、绿硫细菌、紫色硫细菌、杜氏藻等。例如,Li et al.[12]对准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统凤城组不同成熟度的烃源岩样品进行了研究,认为蓝藻为该化合物的母源。Xia et al.[13]通过有机岩石学和有机地球化学的研究,认为高β-胡萝卜烷和C28/C29甾烷比值指示杜氏藻母源,而高含量的中链单甲基烷烃是蓝藻的典型生物标志物。Ma et al.[14]将纳米比亚陆架现代沉积物中的芳香类胡萝卜素归因于绿硫细菌(Green Sulfur Bacteria,GSB)和紫色硫细菌(Purple Sulfur Bacteria,PSB)来源。另一种观点认为β-胡萝卜烷主要来源于陆源有机质。例如,Moldowan et al.[15]将β-胡萝卜烷解释为陆生有机质的标志。Ding et al.[16]对吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组烃源岩进行分析,结合高的碳优势指数(Carbon Preference Index,CPI),高丰度的C29规则甾烷、高C26与C25三环萜烷的比值(C26TT/C25TT)等,认为该化合物主要来自光合生物和陆生植物。由此可见,类胡萝卜烷的来源及其地质意义还需要更深入地研究。

        同其他生物标志化合物一样[1721],类胡萝卜烷也具有生物继承性,因此,通过详细分析其他生物标志物能够为类胡萝卜烷的来源提供可能的信息。生物标志化合物是由活体生物演化而来,存在于沉积物、岩石及原油中的分子化石,蕴含着丰富的地球化学信息[22]。根据生物标志物参数,结合烃源岩基础地球化学特征,可以为上述问题的解决提供更有价值的见解。因此,借助气相色谱—质谱联用仪和岩石热解分析仪等,对马朗凹陷马芦1井芦草沟组共计12个岩心样品进行系统的有机地球化学分析,并以常规地球化学参数为基础,主要探讨了γ-和β-胡萝卜烷以及C13~C25低碳数类胡萝卜烷分布与组成特征,进一步完善了芦草沟组烃源岩中有机质生源和沉积环境的认识,在此基础上明确类胡萝卜烷的地质意义。

      • 三塘湖盆地位于新疆维吾尔自治区东北部,盆地面积约2.3×104 km2[23],是大型含油气盆地边缘的中小型盆地[2425],位于天山东段,邻近西伯利亚板块与哈萨克—准噶尔板块的结合带[26]。自石炭纪以来经历了复杂的构造演化,二叠纪进入后碰撞裂谷伸展的陆内演化阶段[27],自下而上沉积了芦草沟组和条湖组。在之后的多次挤压、推覆联合作用影响下[28],形成了现今平面上的狭长不规则条形展布,可分为北部隆起带、中央坳陷带和南缘冲断带。马朗凹陷位于三塘湖盆地中央坳陷带东南部,由北部的北部隆起带和南部的南缘冲断带所夹持,被周围多个凹陷—凸起所围限,北邻条山凸起、西起条湖凹陷、东接淖毛湖凹陷。凹陷内发育河流、湖泊及三角洲等陆相沉积。二叠系芦草沟组平行不整合于下伏石炭系卡拉岗组之上,与上覆二叠系条湖组整合接触[29],沉积厚度较大,沉积时期水体盐度较高,受到周缘频繁火山活动的强烈影响[30],形成了一套以火山碎屑岩和碳酸盐岩为主的湖相沉积[31],其记录了天山东段地区古环境演化和构造背景的关键信息[27]

        马芦1井(ML1)位于马朗凹陷的斜坡—洼陷区(图1[3132]。采集深度介于3 460~3 659 m的岩心样品12块,岩性以深灰色泥岩为主(表1)。

        图  1  三塘湖盆地构造单元划分及研究区位置[3132]

        Figure 1.  Division of structural units and location of the study area in Santanghu Basin[3132]

        表 1  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩样品总有机碳、镜质体反射率和热解数据表

        Table 1.  Total organic carbon (TOC), vitrinite reflectance, and pyrolysis data of source rock samples from the Lucaogou Formation in well Malu 1, Santanghu Basin

        样品名称层位岩性深度/mS1/(mg/g)S2/(mg/g)S3/(mg/g)HI/(mg/g)Tmax/℃S1+S2/(mg/g)S2/S3TOC/%Ro/%
        ML1-1P2l深灰色凝灰质泥岩3 460.0~3 461.52.9963.410.42827.8144966.40150.987.660.84
        ML1-2P2l深灰色荧光凝灰岩3 461.9~3 463.72.658.180.42449.4544210.8319.481.820.75
        ML1-3P2l深灰色凝灰质泥岩3 472.4~3 474.42.7425.630.46555.9744328.3755.724.610.61
        ML1-4P2l深灰色凝灰质泥岩3 472.5~3 474.51.2339.010.40723.7545040.2497.535.390.98
        ML1-5P2l灰黑凝灰质泥岩3 504.0~3 504.50.9820.040.23603.6144221.0287.133.320.90
        ML1-6P2l深灰色凝灰质泥岩3 526.4~3 527.40.4526.630.42780.9444927.0863.403.410.92
        ML1-7P2l深灰色凝灰质泥岩3 546.5~3 547.51.2923.110.31521.6744424.4074.554.430.85
        ML1-8P2l含油角砾岩3 581.5~3 583.50.4213.670.28484.7544714.0948.822.821.02
        ML1-9P2l深灰色凝灰质泥岩3 604.5~3 606.51.6185.410.3917.4045387.02284.709.310.94
        ML1-10P2l深灰色凝灰质泥岩3 609.5~3 610.01.2824.790.25659.3144426.0799.163.760.86
        ML1-11P2l深灰色凝灰质泥岩3 624.0~3 624.90.5727.540.35691.9644828.1178.693.980.90
        ML1-12P2l深灰色凝灰质泥岩3 657.1~3 659.00.3015.860.22626.8844916.1672.092.530.85
        注:S1为岩石中的游离烃量(mg/g);S2为岩石中的热解烃量(mg/g);S3为岩石热解产生的二氧化碳含量(mg/g);HI为氢指数(S2/TOC,mg/g);Tmax为岩石热解最高峰温度(℃);S1+S2为生烃潜量(mg/g);S2/S3为岩石热解类型指数;TOC为总有机碳含量(%);Ro为镜质体反射率(%)。
      • 用二氯甲烷淋洗样品表面,除去可能存在的污染物,晾干后将样品粉碎至200目,称取样品30 g,然后在60 ℃恒温水浴锅中用精制后的氯仿索氏抽提72 h。抽提物在恒温箱中烘干后采用柱层析法(硅胶:氧化铝=3∶1,v/v)分离,分别用正己烷、二氯甲烷和甲醇洗脱饱和烃、芳烃和非烃组分。

        对饱和烃馏分进行气相色谱—质谱(GC-MS,安捷伦,6890N-5973N)分析。仪器检出限为10-6~10-9 g,色谱进样口温度为300 ℃。载气为99.999%高纯氦气,载气流量1.2 mL/min,色谱柱为KD-5(30 m×0.32mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱。程序升温条件:80 ℃起始以每分钟4 ℃升至290 ℃,保持30 min。质谱离子源为EI源,离子源温度为230 ℃。四极杆温度为150 ℃;离子源电子能量为70 eV。扫描方式为全扫描(Full scan),质谱与色谱接口温度为300 ℃,谱库为NIST14。

        热解采用ROCK-EVAL 6型岩石热解仪(测试标准为GB/T18602—2012)。镜质体反射率检测仪器为德国蔡司—显微光度计(Axio Scope A1 & J M,测试标准SY/T 5214—2012)。总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)使用ELTRA CS-1进行测定(测试标准GB/T 19145—2022)。所有实验均在中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心地球化学分析测试平台完成。

      • 总有机碳含量和生烃潜量(S1+S2)常被用来作为烃源岩有机质丰度评价的重要参数[33]。如表1所示,研究样品的TOC含量介于1.82%~9.31%,平均值为4.42%。S1+S2介于10.83~87.02 mg/g,平均值为32.48 mg/g,(表1图2),氢指数(HI,mg/g)介于449.45~917.40 mg/g,平均值为653.62 mg/g(表1),综合表明马芦1井芦草沟组烃源岩为优质烃源岩。有机质类型可以通过岩石热解类型指数(S2/S3)进行划分。整体上,样品的S2/S3介于19.48~284.70,平均值为94.35,指示有机质类型为Ⅰ~Ⅱ1型(表1)。镜质体反射率(Ro,%)和岩石热解最高峰温度(Tmax,℃)可以有效判识烃源岩中有机质的成熟度[3536]。研究样品的Tmax介于442 ℃~453 ℃,平均值为447 ℃。Ro值介于0.61%~1.02%,平均值为0.87%,表明马芦1井芦草沟组烃源岩正处于成熟阶段,即生油窗内(表1)。

        图  2  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩评价图[34]

        Figure 2.  Evaluation diagram of source rocks from well Malu 1 in Santanghu Basin[34]

      • 正构烷烃是马芦1井源岩样品饱和烃馏分中的优势组分。图3是本次研究中典型烃源岩样品饱和烃总离子流图(TIC)及m/z 191、m/z 217质量色谱图。烃源岩样品中正构烷烃系列的碳数分布在nC13~nC32,大多数样品中正构烷烃的主峰碳分布在nC16~nC21图3a~c)。一般来说,细菌和藻类主要产生低碳数正构烷烃(nC15~nC21),大型水生生物以nC21~nC25等为主[37],而陆生高等植物来源的正构烷烃以nC27~nC35等奇碳数为优势[22,37]。研究样品主峰碳均小于nC27图3a~c),表明陆源植物对于有机质贡献较小。不同有机质来源具有不同的正构烷烃组成,且正构烷烃系列的分布与组成受成熟度的影响显著。ΣnC21-nC22+指标常被用来判识水生生物和陆生高等植物的相对贡献,比值越大表明水生生物的贡献越大。研究样品的ΣnC21-nC22+介于0.37~4.59,平均值为1.89,说明马芦1井芦草沟组烃源岩有机质来源主要为细菌和藻类等低等水生生物,也有部分陆源高等植物的贡献。

        图  3  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩饱和烃馏分TIC、m/z 191以及m/z 217质量色谱图

        Figure 3.  Mass chromatograms of saturated hydrocarbon fraction total inorganic carbon (TIC), m/z 191 and m/z 217 in the Lucaogou Formation from well Malu 1 in Santanghu Basin

        姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)与相邻正构烷烃的比值(Pr/nC17和Ph/nC18)可以用来判断有机质的类型[38]。研究样品的Pr/nC17介于0.14~0.66,平均值为0.29,Ph/nC18介于0.30~0.66,平均值为0.46(表2)。Pr/nC17和Ph/nC18关系图表明,马芦1井芦草沟组烃源岩样品有机质类型为I~II1型(图4a),这与前文烃源岩热解参数中得出的结论较为一致。

        表 2  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩饱和烃地球化学参数

        Table 2.  Geochemical parameters of saturated hydrocarbons in source rocks of well Malu 1 in Santanghu Basin

        样品名称Pr/PhPr/nC17Ph/nC18ΣnC21-nC22+γ/Cmaxβ/Cmaxγ/βC19TT/(C19TT+C23TT)7-+8-MeC17/CmaxGIC29ββ/(αα+ββ)C2920S/(S+R)C27/%C28/%C29/%
        ML1-10.960.600.630.870.050.170.290.070.010.100.290.41204040
        ML1-20.600.660.660.370.080.180.420.070.040.140.310.43204040
        ML1-31.100.290.381.610.030.070.470.110.010.090.230.47263836
        ML1-40.670.280.482.120.260.360.730.140.200.250.330.50233641
        ML1-50.680.180.331.900.040.120.340.100.130.150.310.43233542
        ML1-60.800.200.302.070.080.240.350.170.110.150.300.46263737
        ML1-70.510.170.431.580.040.120.340.050.100.200.330.43233245
        ML1-80.660.350.572.250.100.370.270.130.180.310.400.43313237
        ML1-90.420.250.480.680.070.290.260.070.040.270.490.49292843
        ML1-100.460.140.411.790.060.100.610.170.120.240.440.49263242
        ML1-110.610.150.332.790.020.030.560.340.090.210.320.48223642
        ML1-120.730.220.484.590.020.100.230.160.080.370.410.44352639
        注:Pr为姥鲛烷;Ph为植烷;GI为伽马蜡烷/C30藿烷;γ/Cmax,γ为γ⁃胡萝卜烷,Cmax为正构烷烃主峰;β为β⁃胡萝卜烷;γ/β为γ⁃胡萝卜烷/β⁃胡萝卜烷;C19TT、C23TT分别为C19、C23 三环萜;7⁃+8⁃MeC17为7⁃和8⁃甲基C17;C27为C27ααα20R规则甾烷;C28为C28ααα20R规则甾烷;C29为C29ααα20R规则甾烷。

        图  4  (a)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18关系图[38];(b)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩中C27、C28和C29ααα20R甾烷碳数组成三角图[45]

        Figure 4.  (a) Source rock of the Lucaogou Formation, well Malu 1, Santanghu Basin, relationship between Pr/nC17 and Ph/nC18[38];(b) source rock of the Lucaogou Formation, well Malu 1, Santanghu Basin, distribution of C27, C28 and C29ααα20R steranes[45]

        规则甾烷的分布同样反映了有机质来源的差异[3941]。一般认为,C27和C28规则甾烷来源于水生藻类,C29规则甾烷与陆生高等植物的输入相关[42]。但近年来研究表明,C29规则甾烷也可能来源于浮游生物,比如Volkman[43]和Zeng et al.[44]均发现部分细菌和藻类等也能产生含量较高的C29甾醇。马芦1井芦草沟组烃源岩中孕甾烷和升孕甾烷含量较低,以C27、C28、C29规则甾烷为主(图3g~i),相对含量分别为27%~35%、26%~40%、36%~45%。由此可知,马芦1井芦草沟组烃源岩有机质主要来源于浮游生物和细菌,陆源植物对有机质贡献较小(图4b)。此外,样品总离子流图均出现“UCM”(未分辨复杂化合物)鼓包(图3a~c),产生这一现象的原因可能是在沉积过程和成岩初期阶段,原始有机质受到了细菌的改造[46],也可能是由研究样品中生物标志物丰富导致的。

        三环萜系列的相对含量同样可以判别生物来源。C19或C20三环萜烷在陆源有机质中相对丰富[47],而C23三环萜烷的优势通常是存在于海相或咸水湖相沉积的烃源岩及其原油[20,4849],因此C19TT/(C19TT+C23TT)是判断沉积物陆相有机质输入的有效参数[34]。研究样品的C19TT/(C19TT+C23TT)参数介于0.05~0.34,平均值为0.13,说明陆源有机质贡献较低,主要为细菌和藻类的贡献。

        正构烷烃、类异戊二烯烷烃、甾烷和萜烷的相关生物标志化合物结果,共同表明马芦1井芦草沟组烃源岩的有机质主要为细菌和藻类的贡献,有少量陆源植物的输入。

      • Pr和Ph是重要的类异戊二烯烷烃化合物。植醇在缺氧状态下形成Ph,有氧状态下形成Pr[5051],氧化还原条件的不同会导致二者相对丰度的变化,因此Pr/Ph可以用来反映烃源岩原始有机质的沉积环境。一般认为,Pr/Ph>3.00指示富氧环境,Pr/Ph<0.80指示缺氧环境,Pr/Ph介于0.80~3.00指示贫氧环境[5051]。研究样品的Pr/Ph值介于0.40~1.10,平均值为0.68,小于0.80,指示马芦1井芦草沟组烃源岩发育于还原环境,沉积水体较深(图4a),与Ma et al.[52]和Ding et al.[34]的研究观点一致。

        伽马蜡烷来源于原生动物,其含量的高低可以指示咸水环境、水体分层以及古盐度[53]。伽马蜡烷的相对含量能够用伽马蜡烷指数(GI,伽马蜡烷/C30藿烷)衡量[54],该值越大表明水体盐度越高且水体分层显著。研究样品的GI值介于0.09~0.37,平均值为0.21,说明马芦1井芦草沟组烃源岩沉积于微咸水—半咸水环境,并且有一定程度的水体分层(图5a)。

        图  5  (a)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩中GI与Pr/Ph关系图[55];(b)三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩中甾烷成熟度参数关系图[45]

        Figure 5.  (a) Relationship between Gammacerane Index (GI )and Pr/Ph in source rocks of the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin[55]; (b) relationship diagram of sterane maturity parameters in source rocks of the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin[45]

      • 甾烷和藿烷的立体异构体会随着成熟度的增加发生立体构型转化,因此其异构化参数可以用来指示有机质的热演化程度。C295α,14α,17α(H)-甾烷在C-20上的异构化作用使得C29S/(S+R)比值与成熟度呈正相关关系,从大于0的低值逐渐增加到约0.5的高值(0.52~0.55为平衡值)[5657]。研究样品的C29S/(S+R)比值介于0.41~0.50,平均值为0.46,C29ββ/(ββ+αα)介于0.23~0.49,平均值为0.35。相比于C29S/(S+R),C29ββ/(ββ+αα)参数不仅受成熟度的影响,而且生物降解也会影响该参数的变化,导致该参数偏低[22]。根据图5b判断,无论是C29S/(S+R)还是C29ββ/(ββ+αα)指标,均指示研究样品处于成熟阶段(表2)。

        有机质生烃作用实际上是干酪根在热作用下发生的侧链断裂的降解过程,同时促使生物标志物分子向更稳定的结构转化[58]。生物成因的藿烷前驱物其C-22位上的H原子为R构型,随着热演化程度的增加,该H原子从生物构型R型会逐渐向稳定的地质构型S型转化[59]。C31藿烷22S/(22S+22R)这一参数仅适用于低演化阶段,所以不再适用于本次研究。

        综合C29S/(S+R)和Ro指示结果,并结合热解Tmax指标,表明马芦1井芦草沟组源岩样品处于成熟阶段。

      • 在马芦1井芦草沟组烃源岩样品中检出了丰富的γ-和β-胡萝卜烷,二者在色谱图中相继出现(图6)。β-胡萝卜烷有两个紫罗兰酮环,结构稳定,而γ-胡萝卜烷只有一个紫罗兰酮环,结构相对不稳定。β-胡萝卜烷的基峰是69,分子离子峰是558,γ-胡萝卜烷的基峰是57,分子离子峰是560[60]图7)。γ-和β-胡萝卜烷指数(γ-胡萝卜烷/Cmax,β-胡萝卜烷/Cmax;Cmax为正构烷烃主峰)常用来衡量二者的相对含量。研究样品的β-胡萝卜烷指数介于0.02~0.26,平均值为0.07,γ-胡萝卜烷指数介于0.03~0.37,平均值为0.18。考虑到γ-和β-胡萝卜烷相关性较强(图8b),所以二者的母质来源以及沉积环境可能是相似的。有学者用二者比值来衡量成熟度[6061],研究样品中γ-和β-胡萝卜烷比值(γ/β)介于0.23~0.73,该比值与Ro相关性较弱(图8c),说明用γ/β指示成熟度不够可靠。

        图  6  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组典型烃源岩m/z 125类胡萝卜烷系列质量色谱图

        Figure 6.  Mass chromatogram of m/z 125 carotenoids series of typical source rocks in the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin

        图  7  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩类胡萝卜烷系列质谱图

        Figure 7.  Mass spectra of carotenoids in source rocks from well Malu 1 in Santanghu Basin

        图  8  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩β⁃胡萝卜烷与其他参数关系图

        Figure 8.  Relationship between β⁃carotene and other parameters in source rocks from the Lucaogou Formation, well Malu 1, Santanghu Basin

        细菌是样品中γ-和β-胡萝卜烷可能的母质来源[2122,34,62]。蓝藻(cyanobacteria)又被称为蓝细菌,它的典型生物标志化合物为中链单甲基烷烃,即7-和8-甲基取代的十七烷[1213,15,63]。样品7-和8-甲基取代的十七烷明显高于其位置取代的单甲基十七烷(图9)。7-和8-甲基十七烷指数[(7-+8-)MeC17/Cmax]可以衡量7-和8-甲基十七烷相对含量,样品中该参数介于0.01~0.20,平均值为0.09,略低于吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组的烃源岩(0.01~0.35,平均值为0.14)[34],暗示两套湖相烃源岩中有机质来源可能略有差别。γ-和β-胡萝卜烷含量高的样品中,(7-+8-甲基十七烷)/Cmax比值较高,显示较好的相关性(图8a)。不仅如此,国内外众多学者也曾提出中链单甲基烷烃与蓝藻来源有关[34,44,62,6466]。此外,准噶尔盆地二叠系烃源岩蓝藻对有机质贡献的相关报道已有很多。如Xia et al.[67]在玛湖凹陷二叠系烃源岩样品中发现中链单甲基烷烃,认为该化合物指示有机质来源存在蓝藻的贡献。Ding et al.[34]研究了准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组半咸水湖相沉积物中的高丰度胡萝卜烷,提出尽管高等植物和微藻都是胡萝卜素的可能前体,但7-和8-甲基十七烷的检出指示蓝藻可能是芦草沟组胡萝卜烷类化合物的主要生物来源。支东明等[6870]认为准噶尔盆地芦草沟组在石炭纪—二叠纪为统一的沉积盆地,具有相似的沉积环境和沉积建造。因此,三塘湖盆地的芦草沟组有机质也可能来源于蓝藻等水生生物,即胡萝卜烷化合物可能来自蓝藻。

        图  9  三塘湖盆地马芦1井芦草沟组烃源岩典型样品TIC和7⁃+8⁃甲基十七烷质量色谱图

        Figure 9.  Mass chromatogram of TIC and 7⁃+8⁃ methyl heptadecane in typical source rocks of the Lucaogou Formation from well Malu 1, Santanghu Basin

        考虑到γ-胡萝卜烷和β-胡萝卜烷结构相似,可能有相近的母质来源,推测γ-胡萝卜烷也可能来源于蓝藻[34]。此外,Wang et al.[71]在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷东南部二叠系芦草沟组岩心样品中发现了Microcystis(微囊藻,一种绿色浮游蓝藻),认为在地质时期发生过蓝藻的藻华,支持了γ-和β-胡萝卜烷蓝藻来源的观点。不仅如此,大量研究表明芦草沟组沉积于区域火山活动频繁时期。例如,Zhang et al.[72]通过成因矿物学以及X射线衍射等方法证明三塘湖盆地二叠系芦草沟组沉积时期发生过火山和热液活动。火山活动会带来大量的营养元素(如Fe和Mg等微量元素)[73],能够促进蓝藻的繁殖,进而导致高丰度的胡萝卜烷形成[73]。一些学者还在蓝藻中检出了系列2-甲基藿烷类化合物(2-甲基藿烷,2-甲基藿多醇)[21,34,74],认为该系列化合物是蓝藻的另一个重要生物标志化合物。但也有学者研究表明,蓝藻的种类较多,并非所有的种属都可以产生2-甲基藿烷类化合物[74]。在本次研究中同样未检出该系列化合物,可能是因为蓝藻的种属不同而导致的[74]。因此,胡萝卜烷是否来源于蓝藻还需更多更深入的研究。

        通常认为β-胡萝卜烷存在于缺氧咸化湖相的沉积环境[75]。本次研究中β-胡萝卜烷指数高的样品,其GI值和Pr/Ph值指示了微咸水—半咸水和还原环境(图8e,f),其他学者的研究数据也有这样的特点[1112,34],说明适当的咸水和还原环境有利于蓝藻的繁殖,并进一步导致β-胡萝卜烷含量偏高。然而,研究样品中β-胡萝卜烷指数和TOC之间没有非常明显的正相关关性(图8e),说明烃源岩中的有机质是混合输入来源,这与本次的研究结果一致。

        值得注意的是,在马芦1井芦草沟组12个烃源岩样品中均检出了丰富的低碳数类胡萝卜烷系列化合物(系统命名为1,1,3-三甲基-2-类异戊二烯烷基环己烷),其碳数范围为C13~C25,其中C12、C17、C23、C28、C32、C37类胡萝卜烷化合物缺失。此外,样品大多数以C18和C19类胡萝卜烷为主峰[5,60]

        根据前文描述,研究样品以细菌和藻类为主要母质,UCM鼓包指示样品发生了一定程度的微生物降解,所以马芦1井芦草沟组低碳数类胡萝卜烷系列化合物可能是有机质受微生物改造而形成的。Xie et al.[76]曾在准噶尔盆地二叠系芦草沟组油页岩中发现了完整的微生物化石,这两种微生物化石在结构上与甲烷营养古菌和硫酸盐还原菌的细胞类型相似,但大小不同。此外,马芦1井芦草沟组出现类胡萝卜烷系列化合物也有可能是热演化导致的,因为芦草沟组沉积于区域火山活动频繁时期[7778],且烃源岩正处于成熟阶段,热演化可能让高分子量的类胡萝卜烷发生烷基侧链断裂,进而向低分子量类胡萝卜烷转化。Jiang et al.[60]曾经在克拉玛依油样中发现了丰富的类胡萝卜烷系列化合物,提出热演化可能是该系列化合物形成原因。因此,马芦1井芦草沟组烃源岩中的低碳数类胡萝卜烷系列化合物,可能是γ-和β-胡萝卜烷受微生物或热演化作用的产物。

      • (1) 三塘湖盆地马朗凹陷马芦1井芦草沟组烃源岩中有机质以细菌和藻类低等水生生物为主,有机质类型为Ⅰ~Ⅱ1型,沉积于微咸水—半咸水还原的湖相环境。烃源岩有机质丰度高且类型好,目前正处于成熟阶段,属于优质烃源岩。

        (2) 三塘湖盆地芦草沟组烃源岩中普遍含有较高丰度的γ-和β-胡萝卜烷。7-和8-甲基十七烷的分析表明,γ-和β-胡萝卜烷可能来源于包括蓝藻在内的细菌和藻类等水生生物。三塘湖盆地二叠系芦草沟组烃源岩沉积期间火山活动频发,而火山活动会带来大量的营养元素,促进这些水生生物的生长,产生了较多的胡萝卜素,进而导致高丰度β-胡萝卜烷的形成。

        (3) 综合生物标志化合物、岩石热解参数以及Ro分析,马芦1井芦草沟组烃源岩中低碳数类胡萝卜烷系列化合物(C13~C25)的形成可能与微生物或热演化作用有关。

    参考文献 (78)

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