辽河断陷烃源岩有机地球化学特征

梁明亮，王作栋，郑建京，李晓光，王晓峰，钱宇

（1.中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁盘锦839009）

辽河断陷烃源岩有机地球化学特征

梁明亮1，2，王作栋1，郑建京1，李晓光3，王晓峰1，钱宇1，2

（1.中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁盘锦839009）

为了研究辽河断陷东、西部凹陷烃源岩地球化学特征的差异及其与油气形成的关系，利用Rock-Eval和气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对断陷内古近系沙河街组烃源岩进行了详细的有机地球化学特征研究。通过对18块烃源岩可溶有机质饱和烃进行GC-MS测试和生物标志化合物的分析，并分别在东、西部凹陷烃源岩饱和烃馏分m/z 191和m/z 231质量色谱图中检测到了松香烷和甲基甾烷系列化合物，显示出相同（近）层段烃源岩不同的生物标志化合物特征。研究结果表明：东、西部凹陷相同（近）层段烃源岩形成的古环境、母源输入等存在显著差异，这可能是造成东、西部凹陷烃源岩差异，并影响辽河断陷东、西部凹陷油气藏差异的重要原因。

烃源岩；生物标志化合物；GC-MS测试；沙河街组；辽河断陷

0 引言

辽河断陷位于辽宁省中南部，是渤海湾盆地东北部的一个中、新生代断陷盆地及以古近系为主要勘探目的层的含油气坳陷。作为新生代沉积盆地，辽河断陷具有沉积厚度大、沉降速度快、沉积旋回多和岩相变化大等特点，为河流—三角洲—湖泊相沉积体系［1-2］。西部凹陷与东部凹陷被中央隆起带所分割，近北东向平行排列。作为2个相对独立的地质单元，二者具有相似的构造和沉积背景，但油气储量不同［3］。烃源岩的发育程度和质量差异是辽河盆地东、西部凹陷油气储量不同的重要原因。有机质丰度决定了烃源岩的生烃潜力，同时，烃源岩有机质的生烃过程受有机质类型和热演化程度的影响。古近系是辽河盆地的主力烃源岩层系，它广泛分布在3个凹陷的各个次洼中，并且发育有4套生油层系：沙四段、沙三段、沙二段—沙一段和东营组。

前人虽然对辽河断陷烃源岩进行了大量的研究工作，认为东部凹陷有机质丰度低于西部凹陷，并且缺失优质的沙四段烃源岩［4-6］，但在这2个凹陷的烃源岩中对其生物标志化合物层面的组成特征差异的相关研究仍然值得探讨。笔者通过分析辽河盆地东、西部凹陷沙河街组烃源岩的族组成和饱和烃特征，研究其形成的古环境、母源输入和成熟度等，在分析生物标志化合物的基础上，结合前人对该区构造演化、沉积学和成藏演化等地质特征［7-8］的研究，肯定了关于东部凹陷缺失沙四段优质烃源岩的观点，同时，研究发现在相同的层段，东、西部凹陷烃源岩生物标志化合物所指示其形成的古环境和母源输入等均表现出不同的特征，这可能就是造成东、西部凹陷烃源岩差异，以及影响辽河盆地东、西部凹陷油气储量的重要原因。

图1 辽河断陷东、西部凹陷示意图Fig.1Location and structural units of Liaohe Depression

表1 研究样品的基本地球化学参数Table 1Basic geochemical parameters of the source rock samples

1 样品与实验

1.1 实验样品

沙河街组烃源岩是辽河断陷主力烃源岩，沙三段是沙河街组重要的生烃层［9］。在研究区采集了18个烃源岩样品，其中东部凹陷10块，西部凹陷8块（图1、表1）。样品以沙三段为主（12块），兼顾其他层位（6块）。沙三段早、中期，由于断块活动强烈并快速沉陷，使东、西部湖盆均进入非补偿的半深湖沉积环境，广泛发育浊积岩和巨厚的暗色泥岩；地层厚度为400～1 000 m，最大厚度均大于1 000 m，含有丰富的低等水生生物，是盆地最重要的烃源岩，具有分布广、厚度大的特点。

1.2GC-MS测试

选取大块的烃源岩样品剥去外层，经无水乙醇冲洗，用精制二氯甲烷淋洗后，粉碎至小于150 μm（100目），样品用索氏抽提法抽提72 h提取可溶有机质，抽提物经正己烷沉淀沥青质后，再经柱色层（硅胶∶氧化铝=3∶1）分离，对分离后的饱和烃馏分进行GC-MS测试。气相色谱-质谱仪为美国安捷伦科技有限公司的6890N-GC/5973N-MSD型仪器。分析条件：载气为高纯氦99.999 9%；载气流量为1.2mL/min；色谱进样口温度为280℃；色谱柱为HP-5弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升温程序为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℃；离子源电离能为70 eV；全扫描模式；分析谱库为美国NIST02L。

2 结果与讨论

2.1 样品的基础地球化学特征

样品在中国科学院油气资源研究重点实验室进行了有机质评价分析，样品的基础地球化学参数如表1所列。其中，乐古2井为石炭系（C）样品，龙深1井和冷185井为中生界（Mz）样品，大26井为沙一段（Es1）样品，双116井为沙二段（Es2）样品，其他均为沙三段（Es3）样品。

用总有机碳（TOC）、氯仿沥青“A”、生烃潜量（S1+S2）、总烃含量和氢指数（IH）等地球化学参数来表征辽河断陷烃源岩有机质丰度［10-11］。利用烃源岩总有机碳与总烃含量关系图（图2），并根据有机质丰度评价标准，确定样品的有机质丰度为好—很好，东部凹陷的荣22井泥岩为非烃源岩，大26井沙一段泥岩为中等烃源岩。泥岩样品的总有机碳质量分数为1.25%～3.50%，氯仿沥青“A”质量分数为0.031%～0.297%，总烃质量分数为（167～2170）×10-6；炭质泥岩和油页岩的总有机碳质量分数为6.82%～33.90%，氯仿沥青“A”质量分数为0.034%～2.727%，总烃质量分数为（1 553～9 859）×10-6（乐古2井样品较低，为73×10-6）。在地球化学研究中，常根据烃源岩中的有机碳含量来划分岩性。本次研究样品以泥岩和炭质泥岩为主，东部凹陷的样品主要为炭质泥岩，西部凹陷的样品主要为湖相泥岩，仅从热解数据来评判，东部凹陷烃源岩质量较好。

图2 烃源岩总有机碳含量与总烃含量关系Fig.2Relationship between CH and TOC content of source rocks

2.2 族组成特征

烃源岩样品索氏抽提的可溶有机质经正己烷沉淀沥青质后，再经柱色层分离为饱和烃、芳烃和非烃，计算其相对质量分数，并根据芳烃甲基菲指数计算得到样品的反射率（Rc）（表2）。

烃源岩样品的族组成特征（表2）显示了不同凹陷烃源岩样品的可溶有机质族组成的差异。图2显示，在东部凹陷，石炭系炭质泥岩（乐古2井）沥青含量极高，饱和烃、芳烃和非烃含量极低，这可能与样品演化程度高及生成的烃类物质在温度、压力等条件控制下聚合成分子量较大的有机质（沥青质）有关；中生代黑色泥岩（龙深1井）可能处在生成烃类物质的合适演化阶段，其饱和烃和芳烃的含量相对较高；桃10井炭质泥岩和油页岩演化程度稍高，已进入生油窗，族组成呈现饱和烃＞非烃＞芳烃＞沥青质的特征；欧24井炭质泥岩沥青和荣22井非烃含量均较高，非烃类物质尚未大量转化成烃，这可能是因为样品演化程度低造成的；其他沙河街组的4个样品，族组成均呈现出非烃＞饱和烃＞芳烃＞沥青质的特征，这可能是因为有机质演化程度较低、非烃类物质尚未发生脱官能团而形成烃类物质造成的。在西部凹陷，从可溶有机质族组成的相对含量可看出，研究样品的演化程度整体高于东部凹陷，其中冷185井中生代灰绿色泥岩、双116井沙二段褐色泥岩、雷10井沙三段褐灰色灰质页岩、洼17井褐灰色泥岩、锦128井深灰色泥岩和张1井油页岩样品，族组成均呈现出饱和烃＞非烃＞芳烃＞沥青质的特征，显示这几个样品有机质类型较好且其演化程度较高，可能已进入生油门限；雷31井炭质泥岩和齐5井灰褐色油页岩以高含量的非烃显示其较低的演化程度。对比研究辽河断陷东部凹陷和西部凹陷不同层位、不同岩性烃源岩样品可溶有机质的相对含量及反射率参数，可看出：西部凹陷样品的演化程度整体高于东部凹陷；从层位上看，石炭纪和中生代样品的演化程度均高于新生界古近系的样品。

表2 研究样品的可溶有机质族组成特征Table 2Composition of soluble organic matter of the source rock samples

表3 样品饱和烃馏分甾萜烷生物标志化合物特征参数Table 3Basic biomarker parameters of terpanes and steroids for the samples

2.3 生物标志化合物特征

此次研究，对烃源岩饱和烃特征参数进行了计算，包括五环三萜烷和甾烷系列（表3）、正构烷烃与类异戊二烯烷烃（表4）的相关参数及数据。

表4 样品饱和烃馏分正构烷烃与类异戊二烯烷烃生物标志化合物特征参数Table 4Biomarker parameters of n-alkanes and isoprenoids for the samples

2.3.1 正构烷烃和类异戊二烯烷烃特征

图3 烃源岩样品饱和烃总离子流图Fig.3The total ion current of saturated hydrocarbon of source rocks

图4 烃源岩样品Pr/C17与Ph/C18关系Fig.4Relationship between Pr/C17and Ph/C18of the source rock samples

东部凹陷大多数烃源岩样品的Pr/Ph值为4.00～10.17，包括沙一段和沙三段的泥岩及炭质泥岩，指示其原始有机质来源于氧化环境中的陆源植物输入，水体浅，盐度低，这与极高的C29甾烷和极低的伽马蜡烷指数（G/C30H）相互印证。西部凹陷烃源岩有机质的Pr/Ph值较低，雷31井沙三段煤的Pr/Ph值最高，为3.0，显示其主要以陆源有机质输入为主；Pr/Ph值为1.22～2.43的沙三段和沙四段样品，其有机质沉积于弱氧化环境，具有一定含量的高等植物输入；Pr/Ph值为0.32～0.59的沙二段和沙三段烃源岩样品，其有机质处于水体深、盐度较高的沉积环境，有机质输入以藻类等水生生物为主。从西部凹陷所有样品的Pr/Ph值来看，大多数样品的沉积环境均为弱还原—弱氧化条件，有机质类型为混合型。

结合研究样品的饱和烃总离子流图（参见图3）和对以上正构烷烃和类异戊二烯烷烃特征的分析，其结果表明：研究样品大多经历过一定程度的生物降解，根据生物降解标准来判断［12］，虽然样品的生物降解级别为轻微降解，但这种降解过程实际上已造成了正构烷烃的相对缺失。

2.3.2 三环萜和藿烷

在东部凹陷大多数样品中，三环二萜烷的含量极低甚至不能检出，伽马蜡烷指数也极低，为0.01～0.07；Ts/Tm与C3122S/（S+R）值分别为0.06～0.31和0.14～0.62，显示样品有机质还处在未成熟—低成熟阶段。欧24井样品中检测到C30藿烯和奥利烯，说明样品还保留着原生有机质的成分，演化程度很低。

在西部凹陷，三环萜和五环三萜烷的分布形式存在较大差异，有一部分样品的伽马蜡烷指数较高，为0.11～0.15，三环二萜烷丰度较高，Ts/Tm与C3122S/（S+R）值分别为0.20～1.25和0.56～0.63，表明其有机质处于水体较深、盐度较高的沉积环境，并以藻类等水生生物输入为主，演化程度相对较高；还有一部分样品的伽马蜡烷指数极低，仅为0.02～0.07，未检到三环二萜烷，Ts/Tm与C3122S/（S+R）值分别为0.25～0.71和0.10～0.60，表明样品有机质处于淡水、微咸水的沉积环境。

2.3.3 甾烷

研究表明［13］，C27甾烷来源于水生生物，C29甾烷来源于高等植物，C28甾烷来源于藻类、苔藓及地衣等。根据表3数据绘制甾烷分布三角图（图5），结果显示：西部凹陷饱和烃甾烷的C27＞C28＞C29时，以水生生物为主要来源，C29＞C28＞C27时，以陆源物质为主要来源；东部凹陷沙三段烃源岩的C29＞C28＞C27时，C29甾烷占绝对优势，有机质以陆源物质为主。

甾烷C29ββ/（αα+ββ）与C29ααα20S/20（R+S）参数常用来评价烃源岩和原油的成熟度。众多研究者认为，C29ββ/（αα+ββ）与C29ααα20S/20（R+S）值小于0.2时为低—未成熟，0.2～0.4为低成熟，大于0.4为成熟。几乎所有样品的C2920S/（S+R）与C29ββ/（αα+ ββ）值均大于0.2，而东部凹陷烃源岩C29ββ/（αα+ ββ）值以小于0.4为主，西部凹陷则普遍大于0.4，显示东、西部凹陷烃源岩有机质演化程度的差异，即东部凹陷样品的有机质演化程度低于西部凹陷。

图5 烃源岩样品甾烷分布Fig.5The distribution of steranes of source rocks

2.3.4 松香烷与甲基甾烷

在东部凹陷沙三段桃10-1井、桃10-2井、欧24井和荣22井的样品中，检测到松香烷、降松香烷、脱氢松香烷、海松烷、降海松烷、α-扁枝烷等高等植物树脂来源的化合物。因为这些化合物具有较低的生烃活化能，在Ro小于0.6%的低演化阶段就能生烃，它们是烃源岩有机质低演化阶段生成油和气的重要物质基础［14-15］。但西部凹陷烃源岩中却均未检出上述化合物，表明在烃源岩有机质的输入和成岩作用过程中，东部凹陷和西部凹陷存在着明显的不同，亦有可能是由于西部凹陷烃源岩成熟度普遍较高造成上述化合物的缺失。在西部凹陷沙三段雷10井的灰质页岩中检测到丰富的甲基甾烷（C28～C30）系列，即C30（甲基甾烷）＞C29（规则甾烷）＞C27（规则甾烷）＞C28（甲基甾烷）＞C28（规则甾烷）≈C29（甲基甾烷），该样品的伽马蜡烷指数（G/C30H）极低，为0.02，如此丰富的甲基甾烷系列化合物的检出，指示有机质的输入以藻类等水生生物为主，其中淡水沟鞭藻的贡献尤为突出［16］。

在东、西部凹陷沙三段烃源岩中分别检出了松香烷系列和甲基甾烷系列化合物，印证了正构烷烃和类异戊二烯烷烃等生物标志化合物所指示的东、西部凹陷烃源岩在沉积环境、母源输入和成熟度等方面的显著差异，关于这些特殊化合物的生烃贡献和生烃特征的研究值得进一步探讨。

3 结论

（1）通过对烃源岩基本评价参数进行分析，显示了辽河断陷东、西部凹陷相同（近）层段烃源岩有机质丰度的差异性，东部凹陷烃源岩有机质丰度较高。从有机质类型来看，东部以Ⅲ型干酪根为主，母源输入中高等植物贡献较大；西部以Ⅱ型（混合型）干酪根为主，其中水生藻类的贡献较大。从可溶有机质族组成特征和反射率值可以看出，西部凹陷样品的热演化程度整体高于东部凹陷，西部凹陷烃源岩样品大部分已进入生烃门限，而东部凹陷样品大部分处于未成熟—低成熟阶段。

（2）综合分析东、西部凹陷烃源岩样品生物标志化合物特征，认为东部凹陷有机质输入以高等植物为主，其有机质沉积于弱氧化环境；西部凹陷有机质以低等水生生物母源输入及混合型输入为主，大多数样品的沉积环境均为弱还原—弱氧化条件。东部凹陷样品的有机质演化程度低于西部凹陷。

（3）在辽河断陷东、西部凹陷沙三段烃源岩中检测出的松香烷与甲基甾烷，再次显示了东、西部凹陷烃源岩的差异化特征，表明东、西部凹陷相同（近）层段烃源岩形成的古环境、母源输入等存在显著差异，这可能就是造成东、西部凹陷烃源岩差异，并影响东、西部凹陷油气储量的重要原因。

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（本文编辑：杨琦）

Organic geochemistry characteristics of source rocks in Liaohe Depression

LIANG Mingliang1，2，WANG Zuodong1，ZHENG Jianjing1，LI Xiaoguang3，WANG Xiaofeng1，QIAN Yu1，2
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Liaohe Oilfield Company，Panjin 839009，Liaoning，China）

In order to study the characteristics of source rocks for the hydrocarbon formation between western and eastern sags in Liaohe Depression,this paper studied the organic geochemistry characteristics of source rocks of Shahejie Formation by using Rock-Eval and GC-MS detection on saturated hydrocarbons.The GC-MS analysis and biomarker analysis of organic matter saturated hydrocarbon of 18 blocks of source rocks show the different biomarker characteristics of the same formation,and abietanes and methylsteranes compounds were detected in mass chromatogram at m/z 191 and m/z 231 respectively in the eastern and western sags.The results show that there are significant differences in the depositional environment and precursor input between the western and eastern sags in Liaohe Depression,and those might be important reasons for the differences of source rocks and hydrocarbon accumulation betweenwesternandeasternsagsinLiaoheDepression.

sourcerocks；biomarker；GC-MSdetection；ShahejieFormation；LiaoheDepression

TE122

A

1673-8926（2014）04-0110-07

2014-01-29；

2014-03-05

国家自然科学基金项目“低熟烃源岩中特殊含氧内酯物及地质意义”（编号：41072106）资助

梁明亮（1985-），男，中国科学院大学在读博士研究生，研究方向为油气地球化学。地址：（730000）甘肃省兰州市城关区东岗西路382号。电话：（0931）4960921。E-mail：liang.ml@163.com。