燕辽裂陷带辽西拗陷中元古界高于庄组生物标志化合物特征及意义

孙守亮，李永飞，张 涛，陈树旺，唐友军，郜晓勇，孙求实，孙月成，周铁锁，宗文明，石 蕾

1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳110034；

2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室/长江大学，湖北 武汉430100；

3.中国石油 辽河油田分公司，辽宁 盘锦124010

0 前言

阿曼及东西伯利亚等大型油气田的发现证明了前寒武系地层具有巨大的生油气潜力［1-2］.前寒武系地层作为中国中西部含油气盆地未来油气勘探的重要接替领域，亦备受关注［3］.根据以往报道，位于华北地台北缘的燕辽裂陷带中—新元古代地层中发现了多处油苗或沥青点［4-5］.近年来，中国地质调查局沈阳地质调查中心在燕辽裂陷带辽西拗陷实施的多口地质调查井钻遇良好油气显示，表明该地区中—新元古界地层具备形成规模性油气的潜力［6］.尤其是部署在辽西拗陷牛营子地区的ND1井，在中元古界高于庄组钻遇17 m富含油级油气显示，是中国最古老的油气藏，使得高于庄组成为油气勘探及研究的焦点［7］.

高于庄组属中元古代蓟县系底部，浅海相碳酸盐沉积，岩性主要为灰色、黑色泥质白云岩，为燕辽裂陷带6套潜在烃源岩系（串岭沟组、高于庄组、雾迷山组、洪水庄组、铁岭组和下马岭组）之一.相较于洪水庄组、下马岭组等海相暗色泥质烃源岩，高于庄组总有机碳含量相对较低，属于较差烃源岩.但已有研究表明，高于庄组处于成熟—高成熟阶段，已大量生排烃［8-10］.本文通过对辽西拗陷辽凌地1井采集新鲜岩心样品，对高于庄组开展烃源岩生物标志化合物特征研究，以期查明区域上高于庄组的沉积特征及成因，进而准确评价其生烃潜力，为下一步油气基础地质调查工作提供依据.

1 地质背景

燕辽裂陷带位于华北克拉通北部，构造区划为两个隆起区（山海关隆起、密怀隆起）及5个拗陷区（图1）［4-5］.其中，辽西拗陷位于燕辽裂陷带的东段，面积约为2.9×104km2.以往研究认为，该区中—新元古界地层属于裂陷槽沉积［11-12］，中元古代海盆的中、西段于1 600 Ma开始首先裂解，之后于1 400～1 200 Ma东段裂开，燕辽裂陷带最终形成，是中元古代海盆范围最广时期［13］.中—新元古代至古生代，燕辽裂陷带为华北克拉通北缘的裂谷－拗陷带，构造活动基本以断裂和升降运动为主，区内沉积了一套巨厚且稳定的中—新元古界海相碳酸盐岩夹陆源碎屑岩地层.这套未经变质的沉积岩系出露良好，分布广泛，厚度一般为4 000～8 000 m［14-15］.

燕辽裂陷带的中－新元古界烃源岩为页岩和碳酸盐岩，页岩主要发育在串岭沟组、洪水庄组、铁岭组和下马岭组，碳酸盐岩主要发育在高于庄组、雾迷山组［16］.燕辽裂陷带辽西拗陷中元古界盐酸岩盐地层的岩性、岩相较为单调，无明显的变化，但韵律性较强.在数千米的剖面中发育大量的泥粉晶白云岩，作为沉积构造，形态多样而数量丰富的叠层石非常发育，偶见波浪作用形成的交错层理.以上特征均说明燕辽裂陷带辽西拗陷中新元古界沉积环境受潮坪作用控制，古地理背景较为平坦，属于延伸范围广、坡度底、浅水的陆表海碳酸盐岩台地沉积环境.

2 样品与实验

2.1 样品特征

图1 燕辽裂陷带构造分区及辽凌地1井取样位置Fig.1 Tectonic divisions of Yanliao rift zone and sampling location of LLD1 well

辽凌地1井位于辽西拗陷牛营子地区的北部，进尺1 723 m，由上至下钻遇地层为中侏罗统海房沟组、中元古界杨庄组、高于庄组.其中272～889 m为中元古界蓟县系杨庄组（Jxy），岩性主要为灰色及灰红色白云岩、灰岩、白云质灰岩；889～1 527 m为中元古界蓟县系高于庄组（Jxg），岩性主要为灰色及灰黑色白云岩、灰岩、白云质灰岩，底部灰黑色白云质灰岩中发现多处油气显示.针对高于庄组暗色碳酸盐岩地层采集典型烃源岩样品13件，开展烃源岩有机地球化学及色谱－质谱测试工作，具体采样位置见图1.

2.2 实验分析方法

将200 g岩样粉碎为粒径小于0.09 mm的粉末，装入滤纸筒并置于脂肪抽取器中，加入不超过2/3容积的氯仿，在75～82℃的水浴中连续抽提72 h，获得氯仿沥青“A”.用正己烷沉淀氯仿沥青“A”的沥青质后，将其可溶物通过中性氧化铝和硅胶层析柱，依次用正己烷、二氯甲烷＋正己烷、无水乙醇＋氯仿冲洗，分离出饱和烃、芳香烃和胶质（非烃）.对分离出的饱和烃和芳烃分别进行了饱和烃色谱、饱和烃色谱－质谱和芳烃色谱－质谱分析.实验设备为Agilent 6890N－5975i质谱仪，试验分析条件及程序参见文献［17］.样品实验测试工作在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成.烃源岩地球化学分析数据及气相色谱参数见表1、2.

3 结果与讨论

3.1 高于庄组烃源岩有机地球化学特征

长期以来，关于海相碳酸岩盐有机质丰度的下限标准，一直是困扰我国碳酸盐岩油气勘探的一个难题，对其研究一直没有停止过.梁狄刚等［18］提出烃源岩不必很厚，但必须有高有机质丰度（总有机碳TOC≥0.5%）的层段；张水昌等［19］认为碳酸盐岩地层中评价烃源岩，沿用0.5%TOC作为有机质丰度下限比较合适；钟宁宁等［20］提出了碳酸盐岩烃源岩丰度下限应与泥岩相同，TOC含量大于0.4%.本研究参考金之钧等［21］的评价标准，将TOC值低于0.5%的层段统一归为非烃源岩，其中差、中、好3个级别的TOC值域分别定为0.5%～0.8%、0.8%～1.5%和大于1.5%.

本次研究的13件高于庄组样品（表1），TOC分布范围为0.29%～1.83%，平均值为0.75%.其中低于0.5%的非烃源岩样品1件，占0.07%；介于0.5%～0.8%之间共计8件，占61.5%；介于0.8%～1.5%之间的样品3件，占23.1%；大于1.5%的烃源岩样品1件.

13件样品的生烃潜量（S1＋S2）分布范围0.26×10－3～2.00×10－3，平均为0.61×10－3.其中小于0.5×10－3的样品7件，占53.8%；在0.5×10－3～2.0×10－3之间的有5件，占38.5%；大于2.0×10－3的仅1件.氯仿沥青“A”分布在0.011%～0.037%之间，平均为0.025%，所有样品中氯仿沥青“A”含量小于0.015%的仅1件，其他12件均处于0.015%～0.05%之间（表1），属于差—中等烃源岩.

表1 辽凌地1井高于庄组烃源岩地球化学分析数据表Table 1 Geochemical data of the source rocks of Gaoyuzhuang Formation in LLD1 well

表2 辽凌地1井高于庄组烃源岩生物标志物参数表Table 2 Biomarker parameters of the source rocks of Gaoyuzhuang Formation in LLD1 well

另外，由于中新元古界高等植物不发育，有机质成熟度重要指标Ro难以测得，因而本次评价烃源岩演化指标主要依据最大热解峰温（Tmax）.辽凌地1井高于庄组烃源岩最大热解峰温（Tmax）主要集中在423～494℃，大于465℃的样品有11个，整体处于成熟—高成熟阶段，已大量生排烃.

图2 高于庄组烃源岩抽提物饱和烃总离子流图Fig.2 The total ion chromatograms of saturated hydrocarbon from the source rock extracts in Gaoyuzhuang Formation

3.2 正构烷烃及无环类异戊二烯烷烃

正构烷烃是烃源岩抽提物饱和烃馏分中的主要成份，且广泛分布于菌类、藻类及高等植物等生物体中，可反映生烃母质信息，提供源岩沉积环境和演化特征等多种地质地球化学信息［22］.正构烷烃的分布型态能指示有机质生源信息：来自低等浮游生物和藻类脂肪酸的低碳数的正构烷烃碳数分布范围小于C20，分布呈前单峰型；而以高等植物为生源母质，则表现为主峰碳靠近高碳数且较丰富，一般呈后单峰型［23］.

碳优势指数（CPI）为原油或烃源岩可溶有机质中奇数碳正构烷烃和偶数碳正构烷烃的比值，奇偶优势指数（OEP）为色谱峰中正烷烃奇数碳的质量分数与偶数碳的质量分数之比.因为生物体内的正烷烃奇偶优势明显，奇数碳高于偶数碳，而随着有机质的演化，大分子变成小分子，结构由复杂变为简单，这种优势会逐渐消失.故通常用CPI值或OEP值来表征正构烷烃有无奇偶优势，进而反映有机质的演化程度［24-25］.其值越接近于大于1，则说明其演化程度和成熟度越高，反之越低.辽凌地1井高于庄组烃源岩中正构烷烃奇偶优势（OEP值）主要介于0.81～1.29之间，平均值为1.09；碳优势指数CPI值介于0.97～1.23之间，平均为1.08.轻重比∑nC21－/∑nC22＋变化很大，主要分布在1.23～3.14之间，平均值为1.79（表2）.另外，高于庄组烃源岩饱和烃的正构烷烃碳数分布呈前单峰型（图2），主峰碳多为nC17，部分为nC18，无明显的碳优势及奇偶优势，反映烃源岩成熟度较高，且为低等生物贡献.

规则的类异戊间二烯烷烃类广泛分布在现代沉积物、古代沉积岩及原油中.其中含量最多、分布最广的是iC19的姥鲛烷（Pr）和iC20的植烷（Ph），常用做表征古沉积环境.一般认为，Pr/Ph＜0.6为强还原且超盐环境，Pr/Ph＝0.6～1.0为还原环境，Pr/Ph＞2者见于偏氧化性环境［26-27］.辽凌地1井高于庄组烃源岩Pr/Ph比值分布在0.55～1.21，平均为0.99，指示主要形成于还原－弱还原环境，部分为强还原环境.

另外，通过Pr/nC17－Ph/nC18交汇图判识辽凌地1井高于庄组烃源岩有机质类型以II1型为主，且主要集中在偏还原的沉积环境中（图3）.

图3 高于庄组烃源岩Pr/nC17－Ph/nC18关系图Fig.3 The Pr/nC17－Ph/nC18 diagram of source rocks in Gaoyuzhuang Formation

图4 高于庄组烃源岩抽提物三环萜烷和藿烷系列分布特征Fig.4 Distribution characteristics of tricyclic terpane and hopanes in the source rock extracts of Gaoyuzhuang Formation（m/z＝191，LLD1－1279.9 m）

3.3 萜类化合物

萜烷类化合物广泛分布于烃源岩抽提物和原油中，目前应用较多的主要是长侧链三环萜烷、四环萜烷、藿烷类、伽马蜡烷等.在不同性质烃源岩中，他们的分布和组成特征存在着显著差异.三环萜烷主要由微生物细胞膜中三环类异戊二烯醇形成，可能与某些菌藻类有一定的成因联系［28］；四环萜烷一般与陆源有机输入有关；藿烷来源与细菌中特定的细菌藿烷聚醇有关，如细菌藿烷四醇［29］.

由图4可知，辽凌地1井不同深度的高于庄组烃源岩样品具有相似的三环帖烷、藿烷系列分布特征.其中三环萜烷呈C20或C23为主峰的正态分布，且含量较高.从C24TeT/C26TT与（C20＋C21）TT/（C23＋C24）TT关系图（图5）可以看出，高于庄组烃源岩中的C24四环二萜/C26三环萜烷值整体偏低，分布于0.42～0.49，平均值为0.45，表明高于庄组多为低等的菌藻类输入［30］.

五环三萜烷是由6个异戊二烯结构单元组成的包含5个环、含有30个碳原子的环烷烃.其可分为藿烷系列和非藿烷系列两类.藿烷类化合物主要来源于原核生物或细菌，细菌藿四醇是藿烷类化合物的前身.伽马蜡烷是一种C30的三萜烷，可以反映沉积水介质条件，被认为主要来源于原生动物和光合作用的细菌的四膜虫醇，通过还原作用形成，其常作为沉积水体盐度引起的水体分层标志，含量高指示咸水沉积环境［31］.高于庄组烃源岩五环三萜烷以C30藿烷为主峰，且占绝对优势，升藿烷系列化合物逐渐降低，存在较高的伽马蜡烷含量.伽马蜡烷指数（Ga/C30H）分布于0.11～0.18，平均值0.14，整体反映出咸水还原环境.

图5 高于庄组烃源岩三环萜烷和四环萜烷关系图Fig.5 Relation between tricyclic terpane and tetracyclic terpane in the source rocks of Gaoyuzhuang Formation

3.4 甾类化合物

甾烷类化合物不直接存在于生物体中，而是由甾醇转化成中间体甾烯，再由甾烯最终转化成甾烷或芳香甾烷类化合物.规则甾烷的分布常指示一定的生源信息，例如现代浮游生物中以C27甾醇为主，而在高等植物中以C29甾醇占优势［32］.虽然在中元古代烃源岩中很少能检测到甾烷的存在，且存在一定的原生性问题，但本次分析中仍发现了较低丰度的甾烷存在.在m/z217质量色谱图（图6）中，辽凌地1井高于庄组烃源岩甾烷、重排甾烷、孕甾烷分布明显，呈现C27甾烷占优势的“L”型，C27重排甾烷/C27—C29规则甾烷的平均值为0.19，显示其母质输入以低等水生生物贡献为主.另外，图中孕甾烷和升孕甾烷含量均较高，可能指示高于庄组为高盐度的沉积环境［33］.从ααα（R）构型甾烷的C27－C28－C29分布三角图（图7）可以看出，高于庄组烃源岩有机质主要形成于为开阔海环境.

图6 高于庄组烃源岩抽提物甾烷系列分布特征Fig.6 Distribution characteristics of sterane in the source rock extracts of Gaoyuzhuang Formation（m/z＝217）

图7 高于庄组烃源岩C27－C28－C29－ααα（R）甾烷分布三角图Fig.7 The ternary diagram of C27－C28－C29－ααα（R）sterane in the source rocks of Gaoyuzhuang Formation

甾烷演化特征可以判断和划分有机质的热演化阶段，尤其是甾烷化合物的立体异构化比值是有效的成熟度指标.随着成熟度的增加，甾烷的α构型向β构型转化和生物构型R向地质构型S转化，表现为甾烷C29－αββ/（αββ＋ααα）和C29甾烷ααα20S/（20S＋20R）的比值逐渐增加.Peters等［34］将C29甾烷ααα20S/（20S＋20R）比值为0.25和0.42分别定义为未成熟与低成熟以及低成熟和成熟的界限.辽凌地1井高于庄组烃源岩中甾烷C29－αββ/（αββ＋ααα）分布于0.40～0.47，平均值0.43，C29－ααα20S/（20S＋20R）分布于0.39～0.58，平均值0.47，均已达到平衡状态，表明烃源岩已经达到成熟阶段（图8）.

图8 高于庄组烃源岩甾烷成熟度参数相关图Fig.8 The correlation diagram for sterane maturity parameters of source rocks in Gaoyuzhuang Formation

4 结论

（1）辽凌地1井高于庄组烃源岩TOC分布范围在0.29%～1.83%，生烃潜量分布范围0.26×10－3～2.00×10－3，有机质类型为II1型，属于差—中等烃源岩，整体处于成熟—高成熟阶段，已大量生排烃.

（2）高于庄组烃源岩饱和烃的正构烷烃碳数分布呈前单峰型，甾烷、重排甾烷、孕甾烷分布明显，呈现C27甾烷占优势的“L”型，C27重排甾烷/C27—C29规则甾烷的平均值为0.19，指示其母质输入以低等水生生物贡献为主，综合萜烷类化合物分布特征，推测高于庄组生源多来自于低等的菌藻类.

（3）较高的伽马蜡烷含量，及较低的Pr/Ph比值，整体反映出高于庄组形成于咸水还原环境，个别层位可能为强还原环境.