鄂尔多斯盆地定边地区山西组流体包裹体的拉曼光谱特征

李艳霞， 闫新义， 田毓峰

(1.西安石油大学地球科学与工程学院， 致密油气地质重点实验室， 陕西 西安 710065； 2.长庆实业集团有限公司， 陕西 西安 710018)



鄂尔多斯盆地定边地区山西组流体包裹体的拉曼光谱特征

李艳霞1， 闫新义1， 田毓峰2

(1.西安石油大学地球科学与工程学院， 致密油气地质重点实验室， 陕西 西安 710065； 2.长庆实业集团有限公司， 陕西 西安 710018)

拉曼光谱技术是对流体包裹体进行无损分析的重要手段。本文应用激光拉曼技术对鄂尔多斯盆地定边地区山西组石英矿物颗粒中流体包裹体组分特征进行分析研究，发现该区包裹体主要呈现2种拉曼光谱图：分别是代表芳烃存在的荧光型拉曼光谱图和代表饱和烃存在的饱和烃型拉曼光谱图。从所测得的2种谱图来看，该地层包裹体捕获于煤系烃源岩的生烃演化阶段，进一步分析发现在石英颗粒的Ⅰ期、Ⅱ期次生加大边中的包裹体的拉曼谱图主要显现2250 cm-1±和2945 cm-1±拉曼谱峰，而裂缝中的包裹体除了具有与其相同的峰值之外，在600～1500 cm-1之间亦显示出多个拉曼谱峰，说明存在于这2种构造中的包裹体处于不同的煤系烃源岩演化之中，因此所测包裹体组分不完全相同。该研究测得的拉曼光谱图揭示了研究区山西组地层中流体包裹体的主要组分，并且反映了包裹体被捕获时的成烃流体组分变化特征，对最终确定当时地层的流体环境及其与煤系烃源岩生烃演化之间的关系有着重要意义。

鄂尔多斯盆地流体包裹体； 荧光型拉曼光谱图； 饱和烃型拉曼光谱图； 芳烃； 饱和烃

激光拉曼光谱分析技术具有精度高、使用方便、对样品无损耗等特点，是目前最为先进的单包裹体成分分析测试手段[1]。20世纪70年代，人们开始利用拉曼光谱技术对包裹体进行无损测定分析，Rosasco等最早提出流体包裹体拉曼光谱分析方法，随后一些学者相继发表了关于天然流体包裹体的拉曼分析结果以及拉曼光谱在流体包裹体分析中的应用等成果[2-4]。我国一些学者也对拉曼光谱分析技术开展了大量研究，对其应用于物质的鉴别和定性等方面存在的问题作了详细讨论[5]，并对氯盐溶液、烃类包裹体、饱和烃包裹体、沥青包裹体拉曼光谱图特征进行了详细分析[6-10]。通过对拉曼光谱分析研究发现，大分子烃类物质的拉曼光谱图与大分子烃类物质的含碳数、分子结构的复杂程度没有特别明显的相关性，而是与苯环、烷烃骨架以及环烷基息息相关[11-14]。并根据饱和烃、芳香烃、非烃、沥青质等石油四大组分各自的拉曼光谱图特征，将烃类包裹体拉曼光谱图划分为5种类型：饱和烃型拉曼光谱图、烷烃+沥青型拉曼光谱图、沥青型拉曼光谱图、荧光型拉曼光谱图、甲烷型拉曼光谱图[15]。通过对包裹体的拉曼光谱图进行分析，可以识别包裹体内的流体组分，因此对包裹体被捕获时流体环境及成岩特征研究有重要的指示意义。

本文在前人认知的基础上，应用拉曼光谱技术对鄂尔多斯盆地定边地区山西组地层中的流体包裹体进行拉曼光谱图分析，确定该研究区包裹体的拉曼光谱图特征及其所含的主要组分，并通过包裹体中主要组分判断出研究区包裹体被捕获时所处的地层流体环境。

1 研究区地质概况

研究区定边位于中国第二大盆地——鄂尔多斯盆地的中西部，构造上位于陕北斜坡中部，地层倾角小于1°[9]。山西组形成于海陆转型的过渡时期，由早二叠世晚期沉积而成，自下而上分为山2段和山1段，山2段沉积相类型为辫状河三角洲平原沉积，岩石类型以石英砂岩、岩屑砂岩为主，并有少量岩屑石英砂岩；山1段沉积相类型为辫状河三角洲前缘沉积，岩石类型以岩屑石英砂岩为主，并有少量岩屑砂岩。在晚古生代鄂尔多斯盆地周缘火山活动频繁，该时期华北地台与阴山造山带耦合强烈，在石炭纪—二叠纪期间，华北地台北缘发生了12期火山喷发事件[16]。该研究区地层主要经历了机械压实、溶蚀、硅质胶结等成岩作用，其次还受到压溶作用的影响。

2 样品特征及实验准备

本研究所用样品取自鄂尔多斯盆地定边地区山西组石英砂岩岩心，有灰白色砂岩、灰色砂岩2种类型。样品编号分为2种，一种为图中没有比例尺的图片，以“Y411 3819.26 山西组 ×200 裂缝中的包裹体”为例，其中Y代表延长，411表示该井的井号，3819.26表示所取岩心位于地层深度为3819.26 m处，山西组表示样品来自山西组，×200表示样品是在200倍视野下观察的，“裂缝中的包裹体”是对图片内容的描述，(+)表示正交偏光镜下观察，(-)表示单偏光镜下观察。另一种样品图中具有比例尺，因此样品编号中没有标出观察倍数。

将采集的岩心样品制成薄片，对薄片中发育的流体包裹体进行了激光拉曼分析，主要测试对象为石英次生加大边、典型裂缝以及个别粒内中的流体包裹体。测试使用的实验仪器为雷尼绍inVia Reflex显微拉曼光谱仪，采用532 nm激光进行测试，并在使用之前对仪器进行单晶硅校准。分析过程中，由于峰值小于500 cm-1的区域除了硅质的拉曼谱峰外，没有其他有意义的峰值，因此扫描峰值的范围是500～3200 cm-1。所研究样品显微图像如图1所示。

图 1 研究区样品显微图像Fig.1 Microscopic images in studying areaa—Y411 3819.26 山西组 ×200 裂缝中的包裹体(-)； b—Y440 3388.65 山西组 ×100一期加大边(+)； c—Y440 3578.96山西组 加大边中的包裹体 ×500(-)。

3 结果与讨论

3.1 研究区包裹体的拉曼光谱图总特征

通过分析发现，研究区的包裹体以2种类型的拉曼光谱图为主：一种是荧光型拉曼光谱图，谱图总体上呈拱包形态，并在拉曼谱图中看不到特征峰值(见图2)；另一种是饱和烃型拉曼光谱图，在谱图中显现出若干特征峰值(见图3)。对饱和烃型拉曼光谱图特征峰进行详细分析如下。

通过对饱和烃型包裹体拉曼光谱图的进一步研究，发现在石英的Ⅰ期、Ⅱ期加大边中主要显示2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰(注：Ⅰ期、Ⅱ期加大边发育于成岩阶段的早期和中期，是石英颗粒在富含硅质的酸性孔隙流体条件下进行再生长的结果)，如图3所示很少含有其他特征峰(图3为经过基线校准，圆滑后的拉曼光谱图)，而存在于裂缝中的包裹体除了同样含有2个典型的特征峰，大多还显示600～1500 cm-1之间的特征峰，如628 cm-1±、859 cm-1±等(见表1)。

表 1 定边地区研究井段拉曼峰值特征

Table 1 The characteristics of Raman peaks in Dingbian well

井名层位样品深度(m)包裹体所在位置(石英)包裹体主要拉曼峰值(cm-1±)Y409山西组3826.99Ⅰ期加大边2255,2939Ⅰ期加大边627,2247,2944Ⅰ期加大边2250,2945Y575山西组3337.51Ⅰ期加大边2250,2946Ⅰ期加大边2248,2941Ⅱ期加大边2250,2943Y442山西组3388.65Ⅰ期加大边1160,2250,2945Ⅰ期加大边1160,2250,2945Y482山西组3837.45裂缝584,638,792,1057,1161Ⅰ期加大边2250,2946Y482山西组3888.07裂缝627,862,2250,2944裂缝628,859,2250,2946Y443山西组3667.1裂缝696,805,1160,2250,2962裂缝695,806,1160,2259,2962

图 2 荧光型包裹体及其拉曼谱图Fig.2 Fluorescence-type inclusions and their Raman peaksa—Y411 3819.26 山西组 荧光型包裹体图片(-)； b—a所对应的包裹体中气泡部分拉曼谱图；c—同a； d—a所对应的包裹体中液相部分拉曼谱图。

图 3 饱和烃型包裹体及其拉曼谱图Fig.3 Saturated hydrocarbon-type inclusions and their Raman peaksa—Y440 3578.96 山西组 饱和烃型包裹体图片(-)； b—a所对应的包裹体中气泡部分拉曼谱图；c—Y482 3888.07 山西组 饱和烃型包裹体图片(-)； d—c所对应的包裹体中液相部分拉曼谱图。

两种拉曼光谱图是如何形成的？各自代表了怎样的流体环境？以下进行一一讨论。

3.2 荧光型和饱和烃型拉曼光谱图特征

3.2.1 荧光型拉曼光谱图

通过实验测得，所研究的包裹体样品近70%呈现出荧光型拉曼光谱图的特征，即具有荧光拱包，没有特征峰值的出现。据前人研究，结构复杂的芳烃导致了荧光拱包，说明所研究的包裹体被捕获时的流体环境中的烃类组分以芳烃为主。

3.2.2 饱和烃型拉曼光谱图

根据前人研究，在2700～2970 cm-1区域内有强烈的拉曼谱峰是饱和烃型拉曼谱峰所具有的典型特征，此外，748 cm-1±、804 cm-1±等也属于饱和烃的拉曼谱峰的典型特征之一[7]。748 cm-1±为直链烷烃类特征峰，804 cm-1±为烷烃六环基特征峰[17]。因此，实验所得特征峰2945 cm-1±以及少量748 cm-1±、804 cm-1±的峰值揭示了包裹体中饱和烃的存在。而2250 cm-1±所对应的元素，在石油组分中并没有发现与其对应的组分，已知矿物中也没有与其对应的矿物。一些学者推测其可能是烃包裹体中的一个无机杂质基团—CN的标志之一[7]。在所研究的饱和烃类包裹体中，几乎全部包裹体都具有2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰。也就是说，在包裹体被捕获期间，孔隙溶液中含有大量的饱和烃。

其次，石英次生加大边中的包裹体特征峰以2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰为主，其他峰值少见；而在裂缝中的包裹体相对于石英加大边中的包裹体，在600～1500 cm-1之间呈现出相对较多的特征峰值(见表1)。说明在石英次生加大边发育基本结束时的构造活动阶段，地层流体中的烃类组分相对于加大边发育阶段发生了一些变化。

3.3 两种类型拉曼光谱图的地质意义

荧光型拉曼光谱图和饱和烃型拉曼光谱图，分别代表了以芳烃和饱和烃组分为主的拉曼光谱图。

本区山西组主要富含煤系气源岩供给的煤型气气藏[18-19]。煤系烃源岩在生烃演化过程中，会脱去大量富含苯环结构的芳烃、环烷芳烃，在烃类流体运移过程中，会被捕获、保存在砂岩的石英次生加大边、石英裂缝中，形成包裹体，芳烃组分即代表“化石”流体，代表了当时地质历史时期的成烃流体的变化。同时，煤系烃源岩在生烃演化过程中，也会脱去大量短支链的烷烃组分，这些组分会进一步热裂解形成气态烃类，在烃类流体运移过程中形成饱和烃包裹体，代表了当时成藏过程中饱和烃类流体的变化特征。

因此，荧光型拉曼光谱图和饱和烃型拉曼光谱图证实了山西组包裹体被捕获时，该地层处于煤系烃源岩生烃演化过程中。

4 结论

通过对鄂尔多斯盆地定边地区山西组流体包裹体拉曼光谱图的分析研究，最终得出如下结论：①研究地区山西组中的流体包裹体拉曼光谱图主要分为荧光型拉曼光谱图和饱和烃型拉曼光谱图2种，且将近70%的包裹体拉曼光谱图为荧光型拉曼光谱图；②该研究区显示饱和烃型拉曼光谱图的包裹体，在石英加大边中所测谱峰以2250 cm-1±和2945 cm-1±特征峰为主，在裂缝中的包裹体所测光谱相对于前者在600～1500 cm-1区域中往往显示出若干其他特征峰；③该研究区包裹体被捕获时流体中的烃类组分主要有芳烃和饱和烃；④流体包裹体总体被捕获于煤系烃源岩生烃演化的阶段，且含饱和烃的包裹体捕获于煤系烃源岩进一步热裂解阶段。

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Raman Spectra Characteristics of Fluid Inclusion in the Shaanxi Formation of the Dingbian Area in the Ordos Basin

LIYan-xia1,YANXin-yi1,TIANYu-feng2

(1. Key Geology Laboratory of Tight Oil and Gas, College of Earth Sciences and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China; 2.Changqing Industrial Group LTD., Xi’an 710018, China)

Raman Spectroscopy is an important means of non-destructive fluid inclusions analysis. Composition of fluid inclusions in quartz from the Shaanxi formation of the Dingbian area in the Ordos Basin was determined by the Raman technique. These inclusions show two kinds of Raman spectra, fluorescence-type Raman spectra which indicate aromatic hydrocarbon and saturated hydrocarbon-type Raman spectra which indicate saturated hydrocarbon. According to these two kinds of Raman spectra, the conclusion is that the fluid inclusions were possibly captured during the stage of hydrocarbon generation of coal hydrocarbon source rocks. Peaks of 2250 cm-1± and 2945 cm-1± are the main Raman peaks in the quartz overgrowths during stages Ⅰ and Ⅱ. The inclusions in cracks not only have the same peak with those in quartz overgrowths, but also show multiple Raman peaks between 600 and 1500 cm-1. This indicates that two kinds of fluid inclusions exist in different evolution stages of the coal source rocks with different compositions. The Raman spectra reveal the main composition of fluid inclusions in the Shaanxi Formation of the Dingbian area in the Ordos basin and reflect the composition changes during capture of fluid inclusions. It is of great significance to determine the relationship between the fluid formation environment at that time and the evolution of the coal hydrocarbon source rocks.

fluid inclusion in Ordos Basin; fluorescence-type Raman spectrum; saturated hydrocarbon-type Raman spectrum; aromatic hydrocarbon; saturated hydrocarbon

2015-07-21；

2015-11-01； 接受日期： 2015-11-18 基金项目： 国家自然科学基金资助项目(41372148)； 西安石油大学全日制硕士研究生创新基金资助项目(2014cx130221) 作者简介： 李艳霞，博士，教授，主要从事油气地化及油气成藏等方面的研究。E-mail: lyx4164@xsyu.edu.cn。

0254-5357(2015)06-0678-06

10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.06.012

P571; P575.4

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