川西北天井山古隆起固体沥青地球化学特征及其地质意义

白晓亮， 杨 光， 周 刚， 郭鸿喜， 孙豪飞， 罗 鑫， 王 晶， 邓思思， 聂 晶

(1. 中国石油西南油气田分公司 勘探开发研究院，四川 成都 610051； 2. 中国石油西南油气田分公司 勘探事业部，四川 成都 610041； 3. 中国石油西南油气田分公司 重庆气矿，重庆 400707 )

0 引言

固体沥青是烃源岩生成的原油，遭受热变质或冷变质形成的残余产物，保留原始的地球化学信息，在油/气源对比、油气成藏及热演化史恢复等研究中具有重要作用[1-5]。固体沥青广泛分布于中国各大含油气盆地，如准噶尔盆地玛湖凹陷三叠系、塔里木盆地奥陶系、四川盆地震旦系—侏罗系[6-11]。川西北地区构造抬升严重，油藏遭受严重破坏，在野外露头中发现固体沥青，如田坝寒武系沥青、何家梁观雾山组沥青、半桶岩平驿铺组沥青、矿山梁寒武系沥青等[12-15]。

川西北地区天井山古隆起形成时间较早，寒武系、泥盆系及二叠系等多套地层野外露头发现固体沥青。根据沥青饱和烃和芳烃化合物分析，饶丹等认为广元等地海相层系油苗和沥青存在早期寒武系烃源岩充注、晚期二叠系烃源岩供给的成藏特征[16]；根据石油地质条件，邓虎成等分析川西北地区泥盆系平驿铺组油砂成藏条件，认为烃源岩为早寒武世和早志留世黑色泥页岩[17]；根据饱和烃和碳同位素分析，戴鸿鸣等认为川西北地区野外露头沥青是寒武系泥质烃源岩在生油高峰期生成的原油，经历不同程度的生物降解和长距离的运移，在多期构造幕作用下形成的[18]；根据沥青和烃源岩地球化学特征分析，王广利等认为川西北固体沥青主要来源于震旦系陡山沱组烃源岩，并遭受严重生物降解[19]；通过沥青、油砂与烃源岩的饱和烃、芳烃生物标识物特征对比，谢增业等认为川西北泥盆系油气来源于下寒武统筇竹寺组和下二叠统烃源岩，以筇竹寺组为主[20]。

人们对川西北野外露头沥青开展沥青成因、沥青地球化学特征研究，主要针对单一层系固体沥青，未开展多层系固体沥青综合研究，并且对沥青与油气生成、构造演化之间的动态关系研究较少，固体沥青地质意义不清。以天井山古隆起野外露头固体沥青为研究对象，通过沥青族组成、沥青色谱色质、沥青碳同位素等分析，开展固体沥青地球化学特征研究，明确固体沥青成因和来源，结合天井山构造演化，建立固体沥青与油气生成、构造演化之间的动态成藏关系，为构造演化复杂地区油气勘探提供指导。

1 区域地质概况

四川盆地是中国西南地区一个大型的低洼含油气盆地，经历多期构造活动，油气资源极其丰富[21-24]。天井山古隆起构造位于川西北地区龙门山断裂带北段(见图1)，地理位置处于四川省青川县和江油市交界处，西南端延伸至江油市二郎庙一带，北东段倾没于青川县马鹿乡以东[25]。天井山位于龙门山北段推覆带，构造活动强烈，区域断裂发育[20-21]。天井山古隆起形成时间早，经历多期构造活动，包括早寒武世古地貌微隆起、中寒武世—中三叠世震荡升降、三叠纪末基本定型、侏罗纪之后的调整改造过程[26-27]。天井山地区发育大量叠瓦状构造，地层抬升剥蚀严重，古隆起核部寒武系—奥陶系地层被剥蚀，被命名为天井山古隆起[28-31]。

图1 研究区构造位置Fig.1 Structural location in the study area

研究区发育震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系和二叠系地层，古隆起部分地层剥蚀严重[32](见图2)。川西北地区古生界主要发育下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组和二叠系三套海相烃源岩，但龙马溪组在川西北地区几乎剥蚀殆尽，供烃能力有限。海相地层油气来源主要依靠筇竹寺组和二叠系两套烃源岩供给[33-35](见图3)。川西北地区下寒武统筇竹寺组烃源岩厚度大于220 m，有机质类型为腐泥型，成熟度高，生油气潜力大。二叠系烃源岩厚度大于100 m，平面分布稳定，成熟度高，也具有较大的生气潜力。

2 固体沥青地球化学特征

2.1 族组成特征

沥青族组成直接与沥青的化学性质有关，母质类型的差异及各类次生变化对沥青的族组成具有较大影响[33]。采集天井山寒武系、泥盆系和二叠系20块野外露头固体沥青样品，进行固体沥青族组成、生物标志化合物、碳同位素等分析测试(见图4和表1)。天井山地区沥青族组成主要以非烃和沥青质为主，饱和烃和芳烃质量分数相对较小，表明在形成过程中遭受严重生物降解。

图2 研究区地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in the study area

图3 研究区烃源岩厚度分布Fig.3 Thickness distribution of source rocks in the study area

图4 研究区野外露头沥青族组成三角图Fig.4 Group composition triangle diagram of bitumen in the outcrops in the study area

寒武系野外露头沥青，饱和烃质量分数分布在13.30%～18.31%之间，平均为15.22%；芳烃质量分数分布在15.43%～26.06%之间，平均为20.18%；非烃质量分数分布在28.9%～34.44%之间，平均为31.86%；沥青质质量分数分布在16.2%～32.57%之间，平均为24.72%。

泥盆系野外露头沥青，饱和烃质量分数分布在2.44%～7.36%之间，平均为4.17%；芳烃质量分数分布在4.93%～29.45%之间，平均为12.31%；非烃质量分数分布在4.91%～22.22%之间，平均为10.89%；沥青质质量分数分布在38.65%～83.41%之间，平均为66.41%。

二叠系野外露头沥青，饱和烃质量分数分布在7.91%～14.29%之间，平均为10.59%；芳烃质量分数分布在20.57%～27.08%之间，平均为22.84%；非烃质量分数分布在15.11%～27.08%之间，平均为18.87%；沥青质质量分数分布在35.42%～46.81%之间，平均为42.77%。

2.2 生物标志化合物特征

对采集的野外露头样品进行抽提、饱和烃色谱、饱和烃色质分析，数据见表2。由饱和烃总离子流程图(见图5)可以看出，研究区固体沥青饱和烃总离子流程图基线漂移，呈现“鼓包”分布特征，正构烷烃降解严重，表明遭受严重生物降解。野外露头固体沥青Pr/nC17分布在0.61～1.12之间，Ph/nC18分布在0.67～0.99之间，Pr/Ph分布在0.44～0.79之间。萜烷化合物中，三环萜烷化合物分布相对较为完整，主要以C23三环萜烷化合物为主；五环萜烷化合物含量偏低。甾烷化合物中，孕甾烷和升孕甾烷含量较高，C27、C28和C29规则甾烷含量较低，规则甾烷呈“V”型(C29≈C27>C28)和“反L”型(C29>C27>C28)分布。

表1 天井山地区野外露头固体沥青族组成数据

表2 天井山地区野外露头固体沥青色谱色质数据

图5 天井山地区野外露头固体沥青色谱色质Fig.5 Chromatographic of outcrop solid bitumen in Tianjingshan Area

3 固体沥青成因及来源

3.1 固体沥青成因

固体沥青成因总体划分为两大类型：热变质沥青和冷变质沥青[1,36-37]。冷变质沥青主要包括生物降解、氧化、水洗和气侵等作用形成的固体沥青；热变质沥青主要包括热化学蚀变作用(TCA)和热硫酸盐还原作用(TSR)形成的固体沥青。

根据固体沥青地球化学特征，结合地质构造背景，对固体沥青成因进行判识。通常，相比较热蚀变沥青，生物降解形成的沥青饱和烃保存不完整、基线漂移、饱芳比(饱和烃质量/芳烃质量)低。天井山地区野外露头沥青饱和烃总离子流程图基线严重漂移，正构烷烃降解严重，表明遭受严重的生物降解(见图5)。此外，HWANG R J等分析川西北地区ST3井泥盆系井下储层沥青成因[2]，表明泥盆系井下储层沥青属于热蚀变成因，即原油在深埋藏过程中，原油裂解气轻组分形成干气，重组分缩聚形成焦沥青。热蚀变形成的泥盆系井下沥青饱和烃质量分数相对偏高，饱芳比分布在6.41～32.25之间，平均为17.93。天井山野外露头沥青饱芳比分布在0.18～0.83之间，平均为0.53，饱芳比明显偏低，表明正构烷烃降解严重，说明属于生物降解成因(见图6(a))。天井山处于龙门山断裂带，构造活动复杂，断裂发育，侏罗纪之后，天井山地区持续抬升，油藏破坏严重，普遍遭受生物降解，形成野外露头固体沥青。

3.2 固体沥青来源

川西北地区古生界主要发育下寒武统筇竹寺组和二叠系两套烃源岩。为明确天井山野外露头固体沥青来源，烃源岩地球化学特征部分数据主要采用文献[3,33,38]研究成果。天井山固体沥青属于生物降解成因，正构烷烃降解严重，在研究沥青来源时，谨慎使用。野外露头沥青与烃源岩Pr/nC17-Ph/nC18交会图见图6(b)。由图6(b)可以看出，二叠系烃源岩Pr/nC17和Ph/nC18明显大于下寒武统筇竹寺组烃源岩的，以此可以有效区分两套烃源岩。天井山野外露头沥青来源的母质类型为典型的还原环境，与二叠系烃源岩母质类型相似，由于生物降解使Pr/nC17和Ph/nC18偏大，导致沥青来源判识存在误差。为明确沥青来源，进一步开展甾烷、萜烷生物标志化合物及沥青碳同位素研究。

图6 研究区沥青族组成分布特征与烃源岩Pr/nC17-Ph/nC18交会图Fig.6 Distribution characteristics of bitumen group composition and crossplot of the Pr/nC17-Ph/nC18 in the study area

寒武系烃源岩，Pr/Ph分布在0.39～0.48之间，平均为0.44；γ/C31分布在0.89～1.10之间，平均为0.97；C3122S/(22S+22R)分布在0.57～0.64之间，平均为0.59；三环萜烷C21/C23分布在0.29～0.43之间，平均为0.34。二叠系烃源岩，Pr/Ph分布在0.86～0.95之间，平均为0.91；γ/C31分布在0.59～0.71之间，平均为0.67；C3122S/(22S+22R)分布在0.51～0.59之间，平均为0.55；三环萜烷C21/C23分布在0.98～1.27之间，平均为1.11。

寒武系野外露头沥青，Pr/Ph分布在0.44～0.59之间，平均为0.48；γ/C31分布在0.81～0.94之间，平均为0.88；C3122S/(22S+22R)分布在0.55～0.60之间，平均为0.57；三环萜烷C21/C23分布在0.29～0.40之间，平均为0.34。

泥盆系野外露头沥青，Pr/Ph分布在0.48～0.63之间，平均为0.57；γ/C31分布在0.79～1.01之间，平均为0.88；C3122S/(22S+22R)分布在0.54～0.61之间，平均为0.57；三环萜烷C21/C23分布在0.29～0.41之间，平均为0.35。

二叠系野外露头沥青，Pr/Ph分布在0.50～0.79之间，平均为0.70；γ/C31分布在0.68 ～0.80之间，平均为0.74；C3122S/(22S+22R)分布在0.52～0.56之间，平均为0.54；三环萜烷C21/C23分布在0.57～0.87之间，平均为0.69。

由Pr/Ph和γ/C31、C3122S/(22S+22R)和C21/C23交会图(见图7)可以看出，寒武系、泥盆系野外露头沥青与筇竹寺组烃源岩分布特征相似，表明寒武系、泥盆系野外露头沥青主要来源于下寒武统筇竹寺组烃源岩。二叠系野外露头沥青分布在筇竹寺组和二叠系烃源岩之间，表明属于混源，来源于筇竹寺组和二叠系烃源岩的混合。

图7 研究区野外露头沥青和烃源岩生物标志化合物交会图Fig.7 Biomarker crossplot of outcrop bitumen and source rock in the study area

C27、C28、C29规则甾烷质量分数与烃源岩母质类型相关，常用于沥青来源研究。由于寒武系蓝藻勃发，导致下寒武统筇竹寺组烃源岩C29规则甾烷质量分数偏高，呈现“反L”型[4]。二叠系烃源岩C29与C27规则甾烷质量分数相当，呈“V”型。根据天井山野外露头沥青甾烷化合物分析(见图8)，寒武系和泥盆系野外露头沥青规则甾烷C29>C27>C28，与筇竹寺组烃源岩的相似，表明主要来源于筇竹寺组烃源岩；二叠系野外露头沥青规则甾烷C29≈C27>C28，与二叠系烃源岩的特征相似，表明具有二叠系烃源岩的贡献。

图8 研究区野外露头沥青和烃源岩规则甾烷C27-C28-C29三角图Fig.8 Regular sterane C27-C28-C29 triangle map of outcrop bitumen and source rocks in the study area

沥青碳同位素是用于母质类型判识的最常用指标。下寒武统筇竹寺组烃源岩干酪根碳同位素分布在-36.12‰～-31.69‰之间，平均为-33.64‰；二叠系烃源岩干酪根碳同位素分布在-28.6‰～-26.44‰之间，平均为-27.79‰。寒武系野外露头沥青碳同位素分布在-32.54‰～-30.61‰之间，平均为-31.7‰；泥盆系野外露头沥青碳同位素分布在-32.61‰～-30.74‰之间，平均为-31.67‰；二叠系野外露头沥青碳同位素分布在-30.04‰～-28.92‰之间，平均为-29.62‰。寒武系、泥盆系野外露头沥青碳同位素和下寒武统筇竹寺组烃源岩干酪根碳同素相近，表明寒武系和泥盆系野外露头沥青来源于筇竹寺组烃源岩。二叠系野外露头沥青碳同位素分布在筇竹寺组和二叠系烃源岩干酪根碳同位素之间，表明二叠系野外露头沥青来源于筇竹寺组和二叠系烃源岩的混合(见图9)。

图9 研究区野外露头沥青与烃源岩干酪根碳同位素分布特征Fig.9 Distribution characteristics of carbon isotopes of outcrops bitumen and kerogen of source rocks in the study area

4 固体沥青与油气生成、构造演化之间的动态关系

天井山野外露头沥青是由烃源岩生成的原油遭受生物降解形成的。作为原油次生变化的产物，固体沥青包含油气形成和演化的重要地质信息。由ST3井热埋藏演化史(见图10)可以看出，下寒武统筇竹寺组烃源岩在志留纪末期进入生烃门限(Ro=0.7%)；二叠纪初期，烃源岩达到生烃高峰期(Ro=1.0%)；三叠纪末期，烃源岩进入高成熟阶段早期(Ro=1.3%)；侏罗纪末期，烃源岩进入过成熟阶段(Ro=2.0%)。三叠纪中期，烃源岩达到生烃门限；侏罗纪早期，烃源岩进入生烃高峰期；侏罗纪末期，烃源岩进入高成熟阶段早期；白垩纪中期，烃源岩进入过成熟阶段。

构造演化研究[13]表明，天井山古隆起在印支早期(晚三叠—早侏罗世)开始逐渐抬升隆起，下寒武统筇竹寺组烃源岩处于大量生油阶段，二叠系烃源岩处于低成熟阶段，下寒武统筇竹寺组烃源岩生成的原油运移至天井山古隆起成藏，形成寒武系和泥盆系古油藏；晚侏罗—早白垩世，天井山古隆起进一步隆起抬升，二叠系烃源岩生成的原油运移至天井山古隆起，与早期筇竹寺组生成的原油混合，形成二叠系混合型古油藏；新生代末期，受喜马拉雅构造运动的影响，天井山古隆起进一步剧烈抬升剥蚀，早期形成的古油藏遭受严重生物降解，形成现今多层系固体沥青(见图11)。

5 地质意义

川西北地区天井山古隆起是在加里东运动形成的，在印支期形成的构造圈闭是古油藏聚集成藏的重要场所。随后，在喜马拉雅构造运动的影响下，天井山古隆起急剧抬升，古油藏遭受破坏，形成多层系固体沥青。多层系固体沥青的形成与动态演化，对于川西北地区天井山下一步勘探开发具有重要的地质意义：

(1)天井山古隆起固体沥青是古油藏遭受生物降解形成的，多层系野外露头沥青的发现，表明天井山古隆起曾经有大面积的古油藏聚集，进一步证明天井山古隆起是油气运移的有利区块，但后期构造抬升，保存条件变差，油藏遭受大面积破坏。

(2)固体沥青的存在类似于充填黏土或胶结物，充填于储集层孔隙，导致储层物性变差，非均质性增强，进而影响后期油气聚集。天井山古隆起部位沥青堵塞储集空间，形成沥青致密封堵带。在古隆起的翼部，由于沥青带封堵，保存较好的地区具有隐蔽性古油藏勘探的可能性，为川西北古油藏的勘探提供指导。

(3)多层系沥青出露，为川西北天井山地区非常规沥青砂的勘探提供新方向。

图11 天井山古隆起多层系固体沥青形成演化模式Fig.11 Formation and evolution model of multilayer solid bitumen in Tianjingshan palaeo-uplift

6 结论

(1)川西北地区天井山古隆起固体沥青族组成主要以非烃和沥青质为主，饱和烃和芳烃含量较少。固体沥青正构烷烃降解严重，饱和烃总离子流程图基线严重漂移。萜烷化合物中，三环萜烷化合物分布较为完整，主要以C23三环萜烷化合物为主，五环萜烷化合物含量偏低。甾烷化合物中，孕甾烷和升孕甾烷含量较高，C27、C28和C29规则甾烷含量较低，规则甾烷呈“V”型(C29≈C27>C28)和“反L”型(C29>C27>C28)分布。

(2)天井山古隆起固体沥青是由古油藏遭受严重生物降解形成的。寒武系和泥盆系野外露头沥青来源于下寒武统筇竹寺组烃源岩，二叠系野外露头沥青来源于筇竹寺组和二叠系烃源岩的混合。

(3)天井山古隆起多层系固体沥青的发现对后续油气藏勘探与开发具有地质意义。天井山古隆起经历大面积的古油藏聚集。古油藏破坏形成固体沥青，沥青堵塞孔隙空间，进而有效封堵翼部古油藏，古隆起翼部保存较好的地区是川西北下一步古油藏勘探开发的有利区块，为川西北地区非常规油矿砂资源开采提供方向。