鄂尔多斯盆地西峰地区延长组烃源岩两环烷烃分布特征及其生源

吉利明等

摘 要： 鄂尔多斯盆地西南部西峰地区三叠系延长组烃源岩检出丰富的两环烷烃，主要为C12～C14和C15、C16两组两环烷烃。其相对丰度表现出3种源岩模式：①以低碳数两环烷烃为主，出现于长71和长81段非烃源岩；②两组两环烷烃都很丰富，出现于长73段富有机质烃源岩；③以高碳数两环烷烃为主，主要发现于长73段烃源岩，也见于长72和长81段。尽管长7段热演化程度基本一致，但补身烷异构化指数变化明显，表明补身烷重排不仅受热演化的影响，而且受有机质来源和沉积环境的控制。延长组烃源岩具有明显的高补身烷优势，反映了烃源岩的还原性沉积环境。烃源岩高丰度C15、C16两环烷烃的检出则指示该地区晚三叠世发育淡水湖泊。葡萄藻不仅是该地区中生界石油的重要母质来源，而且可能是这些两环类标志物的直接生源。

关键词： 两环烷烃；延长组；烃源岩；生物标志物；三叠系；葡萄藻；西峰地区；鄂尔多斯盆地

中图分类号： P618.13；TE122.1 文献标志码： A

Abstract： A lot of bicyclic alkanes are detected from source rocks of Triassic Yanchang Formation in Xifeng area of southwestern Ordos Basin. They are two groups of bicyclic alkanes mainly including C12-C14 and C15， C16. The relative abundances of the two groups have three kinds of source rock patterns： ①there are mainly bicyclic alkanes with lower carbon number， which are detected from non-source rocks of Chang-71 and Chang-81 sections； ②the two groups both are very rich， and are detected from organic-rich source rocks of Chang-73 section； ③there are mainly bicyclic alkanes with higher carbon number， which are detected from source rocks of Chang-73， Chang-72 and Chang-81 sections. Although the thermal evolutions of Chang-7 section are similar， the change of drimane isomerization index is significant， so that drimane rearrangement is effected not only by the thermal evolution， but also by the source of organic matter and the depositional environment. The source rocks of Yanchang Formation have an obvious advantage of homodrimane， so that the depositional environment is reductive. C15， C16 bicyclic alkanes of source rocks with high abundance are detected in the area， indicating that freshwater lake develops in Late Triassic. Botryococcus braunii is an important parent material of Mesozoic oil in the area， and also may be the direct biological sources of these bicyclic biomarkers.

Key words： bicyclic alkane； Yanchang Formation； source rock； biomarker； Triassic； Botryococcus braunii； Xifeng area； Ordos Basin

0 引 言

鄂尔多斯盆地延长组烃源岩地球化学研究发现，延长组沉积有机质含有较丰富的两环烷烃（包括两环倍半萜），而由混合型母质为主的陆相沉积中的两环倍半萜通常被认为来自于高等植物[1-2]。Alexander等认为两环萜烷是细菌代谢的产物，是成岩作用初期细菌藿烷在微生物参与下，发生降解开环形成的带官能团且具两环结构的产物，以及在成岩作用后期经脱官能团和重排演化而形成的多种异构体化合物[3]。8β（H）-C20高补身烷曾发现于藻煤之中，指示8β（H）-补身烷系列可能具有多种前身物，包括菌藻类母质输入和长侧链三环萜烷、8，14-断藿烷和藿烷系列降解或开环的衍生物等[4]。某些重排补身烷被认为源于被子植物奥利醇的降解或奥利烷的开环[5]。此外，实验室培养的葡萄藻中也检测出C14～C16双环萜烷，C20双环萜烷和C15、C16、C20-8β（H）-补身烷等19种双环萜烷[6]，因此，葡萄藻也成为地质体中这些两环萜烷的可能来源。总之，两环萜烷具有多种成因，细菌和藻类有机质母质输入及其生物降解产物均可能是其重要来源。

虽然葡萄藻（Botryococcus braunii）在细胞形态上难以区别为不同的类型，但依据其产生明显不同的烃类，可区分为A、B和L等3个化学种。化学种A能产生正构烷烃、类异戊二烯烷烃、环烷烃以及丰富的直链C23～C31为主的正构二烯烃和三烯烃[6-7]。化学种B主要产生C30～C37三萜烯类（葡萄藻烯）[7-9]；葡萄藻烷是化学种B独有的代谢产物——葡萄藻烯完全还原的衍生物，已在中国茂名油页岩等沉积物中发现[10]；此外，化学种B还能合成特殊结构的三萜烯——角鲨烯[11-12]。化学种L则产称为Lycopadiene的四萜烯[7，13]。这些研究表明，葡萄藻除了能直接合成两环萜化合物，还能够产生丰富的萜烯类化合物，他们在成岩作用和细菌降解过程中也可能成为两环类化合物的间接来源。本文选择鄂尔多斯盆地西南部西峰地区不同钻井延长组烃源岩，系统研究了有机地球化学和生物标志物，详细鉴定和分析了两环烷烃与两环倍半萜的分布特征，结合微体古生物研究资料探讨了其成因。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是位于华北西部的中生代大型盆地，古生代之前属于华北地台的西部边缘海；中三叠世，由于古地中海的退出，该地区开始形成陆相坳陷型盆地；进入湖盆发育阶段，中晚三叠世发育的延长组湖相-三角洲相沉积厚度超过1 000 m，其中，暗色泥岩、碳质泥岩及油页岩是本地区中生界油气的重要来源，各种砂岩层及砂体往往形成石油储层[14-15]。依据岩性、电性、标志层及含油气特征，延长组自上而下划分为10个油层组（长1～长10）；各油层组根据内部沉积旋回和岩性组合特点，可进一步细分为2～3个油层段[16]。延长组沉积明显受区域构造活动控制，自长10期盆地开始发育至长1期末盆地消亡，构成完整的沉积旋回。长9期、长7期及长4+5期存在3次水进过程，其中，长7期为最大湖泛期，形成了盆地内广泛分布的重要烃源岩。

西峰油田位于鄂尔多斯盆地西南部（图1），其主力油源是延长组长7段深湖—半深湖相富有机质泥岩与油页岩，而其下紧邻的以砂岩沉积为主的长81段成为该地区主要石油储层[17-19]。该地区延长组长8—长7段有机地球化学研究表明：延长组长82、长81及长71段有机质相对贫乏，但含有较多的陆源有机质，为滨浅湖及三角洲相沉积；长72段和长73段不仅有机质丰度高，而且类型好，形成于深湖—半深湖相还原环境的富有机质暗色泥岩及油页岩中含大量来源于低等水生生物和浮游藻类的腐泥型有机质[20-24]。为了全面反映两环烷烃在延长组不同沉积阶段和不同沉积环境的分布，选择延长组长8—长7段不同层位、不同生烃潜力的样品进行生物标志物分析。

2 样品分析

研究区烃源岩样品主要采自西30井和西44井延长组长8—长7段，并以其他钻井的主要烃源岩层长73段样品为补充，包括西40井、宁4井和正5井及邻区的木9井和镇42井（图1）。

烃源岩可溶有机质抽提采用索氏抽提法。样品用蒸馏水清洗，干燥后粉碎至120目（筛网孔径为0.125 mm）以下；称取50～150 g样品，用精制三氯甲烷溶剂抽提48 h，提取液浓缩并经海绵铜脱硫。氯仿“A”及原油族组分在氧化铝-硅胶填充柱上纯化和分离。正己烷沉淀沥青质后，用石油醚冲洗得到饱和烃馏分。

用美国安捷伦公司生产的6890/5973N型气相色谱-质谱联用仪分析饱和烃生物标志物。 测试条件为：色谱汽化室温度250 ℃，使用HP-5（30 m× 0.25 mm×0.25 μm）弹性石英毛细柱；以4 ℃·min-1 升温速率由80 ℃程序升温至290 ℃，恒温30 min。载气为高纯氦，载气流量1.2 mL·min-1，线速度40 cm·s-1。EI质谱离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，电离能70 eV，进样口温度280 ℃。化合物鉴定使用美国NIST02谱库。色谱-质谱分析过程按常规进行了空白试验，证明基线稳定且无污染。

3 两环烷烃特征

3.1 两环烷烃鉴定

西峰油田长7—长8段潜在烃源岩可溶有机质饱和烃馏分中检出丰富的两环烷烃和两环倍半萜，其在总离子流图上处于20 min之前的正构烷烃nC12与nC16之间（图2）。在质荷比为123的质量色谱图上经常出现C12～C14和C15、C16两组两环烷烃，其相对丰度变化较大，一般C12～C14两环烷烃较低，甚至不出现，但个别样品C12～C14两环烷烃可明显高于C15、C16两环烷烃。源岩中两环类化合物丰度至少与其他萜类化合物相当，许多样品中远超过其他萜类化合物的丰度。依据现有文献资料在质荷比为123的质量色谱图上确定了化合物的结构特征[3，25-26]。

部分烃源岩样品中检出的C12～C14低碳数两环类生物标记物类型极为丰富，包括两环倍半萜和两环烷烃，在质量色谱特征上能够确认的化合物达40个，其中，C12 、C13和C14化合物分别为13、18和9个。低碳数两环烷烃和两环倍半萜化合物以C12和C13为主，C14不仅数量少，而且丰度较低（图3）。高碳数两环萜化合物包括C15补身烷和C16高补身烷系列生物标志物，一般以C15补身烷更为丰富，依据保留时间和质量色谱特征可辨认出13个化合物（图4）。

3.2 两环烷烃分布模式

烃源岩中两环烷烃和两环倍半萜的分布差异较大，表现出3种源岩模式：①以低碳数两环化合物（C12～ C14）为主，高碳数两环化合物（C15、C16）丰度较低（图5）；②低碳数与高碳数两环化合物都很丰富；③以高碳数两环化合物为主，低碳数两环化合物丰度很低，甚至未出现。源岩模式①的样品比较少，出现于延长组长71和长81段，有机碳含量（质量分数，下同）小于1%，有机质类型差，为非烃源岩； 源岩模式②的样品出现于长73段，有机质类型较好，即可以是烃源岩，也可能是低有机碳含量的非烃源岩，一般含丰富的砂质碎屑；源岩模式③的样品占分析样品的多数，主要为长73段的富有机质烃源岩，也见于长72和长81段，有机质类型好。表1列出了所有研究样品的各种生物标志物参数值。两环倍半萜的相关指标是根据质荷比为123的质量色谱计算得到的。两环倍半萜相对丰度（∑（C15-C16）/（5*C30αβ）值）是5个最丰富高碳数两环倍半萜平均丰度与藿烷C30αβ-五环三萜（源岩中丰度最高的藿烷）丰度的比值，补身烷异构化指数（重排补身烷/补身烷值）是两个重排补身烷丰度之和与补身烷丰度之比。

重排补身烷是补身烷在热演化过程发生甲基重排的异构体，常见的2个化合物为4，4，8，8，9-五甲基十氢化萘和4，4，8，9，9-五甲基十氢化萘，两者丰度之和与补身烷丰度的比值通常被认为是反映原油热成熟度的敏感指标；在一定沉积条件下，热演化程度与重排化合物的丰度成正比[2，27-29]。西峰地区延长组烃源岩主要集中于长7段，虽然不同井位现今地层埋深不同，但在地史上经受的热演化程度基本一致（镜质体反射率介于0.76%～0.94%）。数据显示，延长组烃源岩重排补身烷/补身烷值变化较大，分布在0.938～2.818之间（表1），而且即使在同一口钻井中，该参数并未随深度的增加而增大，表明烃源岩重排补身烷/补身烷值可能不仅仅受热演化程度的影响，而且湖相沉积中频繁的陆源有机质输入量变化以及氧化-还原条件的改变都可能直接或间接影响补身烷的异构化程度。

延长组烃源岩高补身烷/补身烷值分布在0.926～3.875之间，平均值为1.914（表1），具有明显的高补身烷优势；一般认为丰富的高补身烷可能代表沉积古环境具有较高的盐度，或者指示缺氧的还原环境[1，30]。大量研究表明，中晚三叠世鄂尔多斯湖盆是一个典型的以淡水为主的大型内陆湖泊，烃源岩高补身烷优势可能主要反映延长组还原性的沉积古环境。二环倍半萜在淡水湖泊、沼泽环境中相对丰度最高，向淡水—微咸水湖泊及咸水湖泊环境演化时其相对丰度降低，且咸水环境形成的原油中C12～C14二环萜烷的相对丰度较大[2]。西峰地区延长组烃源岩中高相对丰度C15～C16两环烷烃的检出指示了淡水湖泊环境。

4 两环烷烃可能生源

Metzger等研究葡萄藻抽提物和加热分解产物，检测出双峰形正构烷烃及系列类异戊二烯烷烃、烯烃、环烷烃、甾烷和萜烷等生物标志物[8，10-11，31-34]。其中，萜烷类包括三环二萜烷及五环三萜烷，并且从采自美国和法国2个同属于化学种A的淡水葡萄藻培养样品提取物中检测出丰富的两环萜烷，包括C14～C16、 C20两环萜烷[6]。不同培养阶段出现的两环萜烷的丰度和结构有所变化：早期生长的葡萄藻以C15两环萜烷为主，主峰为Cl5补身烷，其次是C16高补身烷；成熟葡萄藻则以C20两环萜烷为主，包括多个C20高补身烷异构体。该类化合物在现代葡萄藻体中大量发现，表明葡萄藻可能是地质体及原油中两环萜烷的可能生源之一。鄂尔多斯盆地延长组烃源岩丰富的C14～C16两环倍半萜的检出在一定程度上指示：葡萄藻不仅是该地区中生界原油的重要母质来源[35]，而且可能是这些两环类标志物的直接生源，可能属于能够产生两环类化合物的化学种A葡萄藻。延长组烃源岩中未发现培养葡萄藻中大量出现的C20双环萜烷，可能原因有：①它们的生长环境不同；②烃源岩中带长侧链的C20双环萜可能被完全降解。

倍半萜类在沉积记录中分布广泛，在各种沉积环境均有发现，但由于有机质来源不同，不同沉积物中倍半萜类的分布和组成存在显著差异。一般认为补身烷系列化合物来源于细菌等微生物有机质的输入，碳数组成为C14～C16[36]；来源于陆源有机质的桉叶油烷等碳数组成为C15，4β（H）-桉叶油烷是典型的高等植物来源的生物标志化合物，被认为来源于植物组分β-桉叶油醇[37]。

两环烷烃在澳大利亚不同时代非海相原油中普遍存在。Philp等认为他们是不同程度细菌降解的产物，而原油中同时检出的系列单不饱和三环二萜化合物（C20H34）可能是其直接来源，并认为8β（H）-锥满烷是由锥满醇合成的，很可能为细菌成因[37]。王铁冠曾在藻煤中发现了8β（H）-C20高补身烷，认为长侧链8β（H）-补身烷系列可能具有多种前身物，包括菌藻类母质输入与长侧链三环萜烷、8，4-断藿烷和藿烷系列的降解和开环衍生物等[4]。虽然葡萄藻中藿烷含量极低，但采自美国的化学种A葡萄藻和采自中国抚仙湖的葡萄藻株中已检测出分布完整的长侧链三环萜烷[6]，因此，葡萄藻不仅能够直接合成两环倍半萜，而且其生物降解产物也是两环萜化合物的可能来源。

西峰地区延长组长8—长7段的有机壁微体化石已发现丰富的Botryococcus braunii，化石的高含量层段恰好是本地区主要烃源岩层延长组长72—长73段[35]，进一步指示作为重要成烃母质的葡萄藻可能是烃源岩中两环萜烷的生源之一。中国柴达木盆地第三系原油中也曾检出丰富的两环萜烷，除较高丰度的C16高补身烷外，同样显示出C15补身烷的优势[2]，之后在该地区第三系生油岩中也发现丰富的与成烃母质直接相关的葡萄藻[38]。西峰地区延长组烃源岩中以C15补身烷为优势的大量C14～C16两环萜烷的检出，可能反映了本地区三叠系葡萄藻母质输入的特征。

5 结 语

（1）鄂尔多斯盆地西峰地区三叠系延长组烃源岩含有包括两环倍半萜在内的丰富的两环烷烃，主要出现C12～C14和C15、C16两组两环烷烃，相对丰度表现出3种源岩模式：①低碳数两环烷烃为主，分布于长71和长81段非烃源岩；②两组两环化合物均很丰富，出现于长73段富有机质烃源岩；③以高碳数两环化合物为主，主要发现于长73段烃源岩，也见于长72和长81段Ⅰ型和Ⅱ1型有机质中。

（2）研究区延长组长7段烃源岩热演化程度基本一致，镜质体反射率介于0.76～0.94，但补身烷异构化指数变化较大，分布在0.938～2.818之间，同一口钻井中随深度增加也未显示规律性的变化，表明补身烷重排作用不仅受热演化程度的影响，而且深湖相沉积中陆源有机质输入量变化以及氧化-还原条件的改变都可能对其产生影响。

（3）延长组烃源岩高补身烷/补身烷值分布在0.926～3.875之间，具有明显的高补身烷优势，指示了较强的还原性沉积古环境。延长组烃源岩中高丰度C15、C16两环烷烃的检出指示了淡水湖泊环境。

（4）葡萄藻不仅能够直接合成两环倍半萜，而且其代谢产物中的三环萜及藿烷等生物降解也是两环萜化合物的可能来源。延长组源岩中大量葡萄藻化石的发现指示其可能是该地区两环烷烃和两环倍半萜的重要生物来源。

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