四川盆地北缘亢家洞灯影组四段焦沥青Re-Os定年与烃源岩示踪*

沈安江 李杰 龙晓平 胡安平 刘俊杰 殷启春 龚赞

1. 中国石油杭州地质研究院，杭州 310023 2. 中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室，杭州 310023 3. 中国科学院广州地球化学研究所，同位素地球化学国家重点实验室，广州 510640 4. 中国科学院深地科学卓越创新中心, 广州 510640 5. 大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系，西安 710069 6. 中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016

沉积盆地中油气成藏过程和金属矿产的富集成矿一直是国内外研究的热点之一(Wangetal., 2014, 2016, 2021; Corricketal., 2020; 沈传波等, 2020)。四川盆地北缘发育多套现今处于成熟、过成熟阶段的高有机质丰度烃源岩，具有巨大的油气资源潜力。不过，该地区构造活动强烈，原始沉积盆地经历多期、不同特征的地质事件的叠加改造，构造样式复杂；油气经历多期次聚集、再运移，油气藏分布和形成规律相对复杂；广泛发现的沥青是曾经有过油气运聚成藏过程的证据。复杂的构造、沥青的较高成熟度使盆地模拟、生物标志化合物等建立油气成藏史和进行油源示踪的传统方法的应用受到掣肘。近年来，原油和沥青Re-Os (Selby and Creaser, 2005; Selbyetal., 2005)、 伊利石K(Ar)-Ar (Leeetal., 1985)、锆石和碳酸盐矿物U-Pb等同位素定年方法和团簇同位素(Δ47)测温方法等(沈安江等, 2021)也被用于油气演化史的研究中来。

自Selbyetal. (2005)最早应用以来，以多个原油或低成熟度沥青的Re-Os同位素组成建立等时线的方式对原油生成期和成藏期进行定年的方法已被广泛应用于全球多个含油气盆地(Lillis and Selby, 2013; Cummingetal., 2014; Geetal., 2016, 2018b, 2020; 王杰等, 2016; Liuetal., 2018; Scarlettetal., 2019; Corricketal., 2019，2020; Georgievetal., 2016, 2019, 2021)。随后的研究发现能够利用焦沥青的Re-Os体系建立原油热裂解与焦沥青和干气生成的年龄(Geetal., 2016, 2018a，2021; Shietal., 2020; Suetal., 2020)。Re-Os研究也常常被用来探讨沥青与铅锌矿、铀矿、锑矿和金矿等无机矿床之间的成因联系(Selbyetal., 2005 ; Wangetal., 2017; 黄少华等, 2018a, b; Geetal., 2021)。Rooneyetal. (2012)和Cummingetal. (2014)分别对海相和湖相烃源岩进行了热模拟生烃实验中Re-Os地球化学行为的研究，证明原油在其生成时会继承烃源岩的187Os/188Os；这种继承关系使Os同位素组成成为油源对比的工具。Re-Os定年方法因为其在石油地质学中的应用前景引起了国内相关科研人员的关注(蔡李梅等, 2008; 沈传波等, 2011, 2015, 2019, 2020; 陈玲等, 2012; 刘文汇等, 2013; 王华建等, 2013; 蔡长娥等, 2014; 李真等, 2017; 张涛等, 2017; Lietal., 2021)。

本文拟通过对四川盆地北缘亢家洞灯影组四段古油藏高成熟度沥青的Re-Os研究来限定该区域的油气成藏史，并对沥青的烃源岩进行示踪。

1 地质背景

震旦系灯影组是四川盆地非常重要的勘探层系，川中古隆起发现了近万亿立方米储量规模的天然气。四川盆地北缘作为后备勘探接替区，灯影组具有与川中古隆起相似的古地貌及沉积环境，但勘探程度相对较低，油气成藏地质过程研究亟待进行。四川盆地北缘发育多套优质烃源岩，多处于成熟、过成熟阶段，且有众多地区发现沥青和油苗，如宁强亢家洞和胡家坝、南江杨坝、旺苍正源、南郑梁山和碑坝等地区的震旦系灯影组白云岩中的沥青，广元朝天陈家坝下寒武统沥青，矿山梁构造寒武系和志留系中大型沥青脉和旺苍万家奥陶系沥青等(黄耀综, 2010)。这些沥青和油苗表明该区曾经有大规模的油气运聚成藏过程，油气勘探潜力值得期待。但早期形成的油气藏可能遭受多次改造，因而分布复杂，成藏史研究困难。同时，由于沥青成熟度普遍较高，生物标志化合物等传统油源对比方法的应用受到了限制。因此，本文拟通过对四川盆地北缘亢家洞古油藏高成熟度沥青的Re-Os研究来限定该区域的油气成藏史，并对沥青的烃源岩进行示踪。

亢家洞古油藏位于陕西宁强县，在胡家坝古油藏以西约30km(图1)，构造上处于具有强烈褶皱-冲断构造特征的宁强前陆逆冲断褶带内。该区是四川盆地东北缘龙门山陆内复合造山带后山带的北东延伸，南邻米仓山东西向穹状背斜隆起带。宁强亢家洞的沥青发现于震旦系灯影组四段白云岩的溶蚀孔洞、构造裂隙、微裂隙、层理面及缝合线中(图2)。该区域构造活动强烈，自灯影组沉积以来，经历了5期构造演化阶段(何等发等, 2011, 2020; 孙东, 2011; 姜华等, 2020)：①加里东旋回早期，发生桐湾Ⅰ幕和桐湾Ⅱ幕两期构造运动，分别导致灯二段和灯四段的抬升和剥蚀；②加里东旋回中晚期，寒武纪-奥陶纪发生了3次超覆沉积与3次隆升剥蚀，分别为兴凯运动、郁南运动和都匀运动，志留纪末期的广西运动导致古隆起整体抬升剥蚀。③海西期，泥盆系-石炭系整体隆升剥蚀，石炭纪末受云南运动影响，进一步遭受剥蚀，二叠纪主体处于沉降沉积期；④印支-燕山期，中-晚三叠世之交的印支中期运动完成了古隆起由海相向陆相沉积的转换；⑤喜马拉雅期构造运动引起强烈褶皱抬升。

图1 研究区地质图(据孙东, 2011修改)

图2 宁强亢家洞古油藏灯影组白云岩储层孔隙沥青赋存形态

2 沥青成熟度及Re-Os测试

研究中采用的14个带有沥青的白云岩块取自陕西省汉中市宁强县亢家洞古油藏(表1)。样品一部分磨薄片用于显微观察和沥青反射率测试，一部分在无金属接触下挑选沥青样品用于Re-Os测试。

沥青成熟度和Re-Os测试最终结果如表1。亢家洞古油藏沥青均具有较高成熟度，沥青反射率(Rb)总体在1.36～2.46之间，平均值为1.79；Re含量为0.2×10-9～522.1×10-9，Os含量为213×10-12～7455×10-12，样品Re和Os含量较高。沥青样品187Re/188Os与187Os/188Os分别在5～1600和2.66～4.33的范围内，比值范围较大、放射性成因Os含量高(Selbyetal., 2007)。实验过程中的空白值Re为6.56±1.9 (2σ) pg和 Os为80±20 (2σ) fg,187Os/188Os为0.23±0.13 (2σ)。实验前后时间段实验室空白值Re为11±11 (1SD，n=11) pg和Os为190±80 (1SD，n=4) fg。

表1 亢家洞沥青Re-Os分析数据

3 讨论

3.1 亢家洞沥青Re-Os定年

除广元矿山梁和朝天泥盆系、二叠系的烃源岩处于成熟阶段之外，四川盆地北缘大部分地区的烃源岩都处于过成熟阶段(胡国艺等, 2021)。在宁强的临县南江，王东和王国芝 (2011)研究认为在中寒武世-晚寒武世灯一段藻白云岩有机质成熟生油，但油气生成和保存条件差；寒武纪末-奥陶纪，寒武系烃源岩开始第一次生排烃过程，一直持续到中志留世晚期；随后加里东运动中的抬升可能导致古油藏遭受破坏；地层在二叠纪快速下沉，下寒武统烃源岩进入生烃高峰期，灯影组中第二次聚集来自下寒武统的油气；随着灯影组的继续深埋，液态烃的热裂解贯穿了整个三叠纪，最终转化成焦沥青和干气；地层在侏罗纪继续深埋，至早白垩世抬升持续至今，灯影组及其作为油气运移证据的沥青出露地表(图3)。

图3 宁强亢家洞古油藏演化史(据郭旭升等，2020；王东和王国芝，2011修改)

郭旭升等(2020)认为宁强胡家坝地区筇竹寺组烃源岩在晚志留世(约420Ma)进入初期生油阶段；志留纪末在加里东运动影响下开始抬升，泥盆纪、石炭纪生油停滞；二叠纪区域整体沉降，在二叠纪末(260～250Ma)筇竹寺组烃源岩进入生油高峰，此时油气侧向运移至灯影组储层中形成古油藏；在中三叠世(247～237Ma)烃源岩有机质演化进入高成熟、生湿气阶段，晚三叠世-早侏罗世(237～174Ma)古油藏中原油裂解；晚白垩世至今(100～0Ma)，米仓山隆起构造抬升剥蚀使得古油藏遭到破坏。因此，亢家洞灯影组可能经历过晚志留世、二叠纪末-中三叠世两期油气充注成藏，其油气可能遭受三次改造：晚三叠世-早侏罗世的原油裂解可以形成高成熟度沥青，志留纪末和晚白垩世至今的构造抬升都可能使油气藏遭受轻烃散失、氧化和生物降解等作用形成沥青(图3)。近期，川中古隆起白云石矿物激光原位U-Pb同位素精确测年和团簇同位素(Δ47)测温方法结果表明灯影组经历了志留纪末(约482～468Ma)的石油聚集、二叠纪末-早三叠世(约250Ma)的石油聚集、燕山-喜马拉雅期(约115Ma和41Ma)天然气聚集三个成藏期(沈安江等, 2021)。作为Re和Os主要载体的沥青质(Selbyetal., 2007)，其主要的生成阶段应为二叠纪末(260～250Ma)的生油高峰阶段，晚志留世的初期生油和中三叠世及以后的高成熟阶段生成的沥青质量可能较少；可能在抬升过程中发生的轻烃散失和生物降解对沥青质及Re-Os体系影响有限，而热裂解可能重置Re-Os时钟(Lillis and Selby, 2013; Geetal., 2016)、氧化可能导致Re和Os的流失(Peucker-Ehrenbrink and Hannigan, 2000; Jaffeetal., 2002)。

Re-Os等时线定年要求各样品在要定年的地质过程中达到Os同位素组成(187Os/188Os)的均一、形成足够大的187Re/188Os范围(以使样品的187Os/188Os随时间增长而显著不同)，并且Re-Os 体系在地质过程结束后保持封闭(Mahdaouietal., 2013)。利用IsoplotR (Vermeesch, 2018) 建立Re-Os等时线，亢家洞样品整体上给出了5.7±16.1Ma的年龄(图4、表2)，但样品点较为分散，该年龄可能不具备地质意义。造成亢家洞沥青样品点整体上未呈现良好的线性说明它们可能并不满足Re-Os等时线定年的条件，样品可能不是在同一地质过程中形成、不具有相同的初始187Os/188Os或样品的Re-Os体系不封闭。

图4 宁强亢家洞古油藏沥青样品在187Re/188Os-187Os/188Os相关图上的分布

表2 亢家洞沥青不同样品组合Re-Os等时线年龄及其可能的地质意义

首先，亢家洞古油藏的沥青可能来源于不同的烃源岩。临近的胡家坝古油藏灯四段中部储层沥青的烃源岩可能是灯三段泥岩，而顶部沥青则可能来自筇竹寺组泥岩(郭旭升等, 2020)。不同烃源岩之间的187Os/188Os范围和演化史有可能不同，原油及沥青因此可能会有不同的初始187Os/188Os。此外，来自不同烃源岩的沥青样品之间可能具有不同的生油、演化历史，即它们可能不是同一事件中形成的。因此，来自不同烃源岩的沥青样品不适宜构造同一条等时线进行定年。具有混合烃源岩的沥青样品则Re-Os体系更加复杂，也难以满足Re-Os等时线定年的条件。其次，同一套烃源岩多期生成的原油也不满足等时线定年条件，不应该用于构建同一条等时线(Geetal., 2018b)。虽然亢家洞油气成藏可能以二叠纪末生油高峰阶段为主，但晚志留世的初期生油的叠加可能使亢家洞古油气藏的Re-Os体系变得复杂。再次，沥青在其形成中可能未达到初始187Os/188Os均一。郭旭升等(2020)发现胡家坝古油藏中的沥青有与安哥拉Kwanza盆地的一个近海气藏类似的特征，即在古油藏内部垂向上沥青的丰度程向下减小的趋势。该安哥拉气藏中充满大洋张开背景下的岩浆活动来源的二氧化碳，沥青被认为是在CO2先在圈闭顶部聚集、再向下充注的过程中从原油中沉淀出来并热裂解形成的；沥青之间具有187Os/188Os差异，可以根据沥青质逐步沉淀的性质解释(Mahdaouietal., 2013; DiMarzioetal., 2018; Liuetal., 2019)。而胡家坝古油气藏沥青的形成可能是受埋深地温梯度和热流造成的热裂解(郭旭升等, 2020)，亢家洞古油气藏中的沥青可能也是在相似的地质过程中形成。不过，该过程中Re和Os的同位素平衡的机制及空间尺度都不清楚，但是存在187Os/188Os不能在亢家洞古油藏内或本研究取样范围内达到均一的可能性。最后，构造抬升阶段可能的风化、氧化作用可能会破坏沥青的Re-Os体系、影响Re-Os定年：对含有机质沉积岩的研究表明，风化可以导致沉积岩的Re和Os流失(Peucker-Ehrenbrink and Hannigan, 2000; Jaffeetal., 2002)。

不过，亢家洞沥青样品在187Re/188Os-187Os/188Os相关图上明显有三个趋势，分别限定了约260Ma、60～70Ma和8～13Ma三个年龄(图4、表2)。其中，约260Ma的Re-Os年龄与指示油气充注的川中古隆起粗晶白云石矿物激光原位U-Pb同位素精确测年的248±27Ma、246.3±1.5Ma(沈安江等, 2021)接近。亢家洞高成熟度沥青Re-Os年龄似乎与原油和低成熟度沥青一样指示区域内烃源岩的主生烃期、原油生成期(王杰等, 2016; Geetal., 2018b, 2020; Liuetal., 2018; Shietal., 2020)， 而非晚三叠世-早侏罗世的液态烃热裂解期(图3)。类似地，Shietal. (2020)中被认为指示原油生成期的Re-Os年龄(414±44Ma)也是由四川盆地中部灯影组具有较高成熟度的沥青样品建立的等时线(图3)。这说明(亢家洞)焦沥青在其形成过程中可能完整地继承了原油的Re-Os同位素体系，没有发生Re-Os时钟的重置。不过，在前人研究中，高成熟度沥青的Re-Os年龄一般被认为指示的是原油热裂解和焦沥青与干气生成的年龄(Geetal., 2016, 2018a, 2021; Shietal., 2020; Suetal., 2020)，原油的Re-Os体系应在热裂解过程中受到破坏并且Re-Os时钟重置，即形成的焦沥青具有均一的187Os/188Os同时具有一定范围的不均一的187Re/188Os。特别地，Geetal. (2018a)对与本研究中亢家洞古油藏地理上相距不远的米仓山酒泠子、楠木树、马元、朱家坝、孔溪沟、汇滩、杨坝等地区焦沥青的Re-Os研究给出了239±150Ma(n=11；MSWD=398)的Re-Os年龄，作者认为是原油热裂解年龄(图3)。Geetal. (2016)认为焦沥青的Re-Os体系与磷灰石裂变径迹有近似的封闭温度，即120～60℃。本研究中60～70Ma 和8～13Ma的Re-Os年龄与四川盆地中部焦沥青约78Ma的Re-Os年龄(Shietal., 2020)处于喜马拉雅期构造运动抬升、灯影组地温持续降低的后期，可能指示在原油在受热裂解形成焦沥青过程的末段中焦沥青Re-Os体系最后封闭的时刻。含油气系统中有机质(原油和沥青)的Re-Os时钟重置机制和Re-Os地球化学行为仍需进一步研究。

3.2 Os同位素组成示踪烃源岩

四川盆地北缘烃源岩发育层数较多，有下震旦统陡山沱组、上震旦统灯三段、下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组、中泥盆统、中二叠统茅口组、上二叠统龙潭组/吴家坪组和大隆组等多套海相烃源岩(胡国艺等, 2021)。已有利用生物标志化合物和有机碳同位素等指标示踪沥青烃源岩的研究表明上覆寒武系筇竹寺组、震旦系灯影组三段及陡山沱组可能是灯影组四段油气的主要烃源岩(戴金星, 2003; 黄耀综, 2010;魏国齐等, 2015; 吴伟等, 2016; 杨跃明等, 2016; 梁霄, 2020; 郭旭升等, 2020)。

黄耀综(2010)认为米仓山隆起周缘及宁强亢家洞的震旦系沥青来自于寒武系筇竹寺组烃源岩，而与上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组烃源岩在生物标志化合物特征上明显不同；可能整个米仓山隆起的震旦系沥青与宁强震旦系沥青都是同一生油源所致，该片区都同属于一个生烃中心。郭旭升等(2020)通过生物标志化合物及有机碳同位素分析认为，与亢家洞古油藏紧邻的胡家坝灯影组古油藏油气主要来自于侧向的优质筇竹寺组烃源岩，不排除灯影组三段泥质烃源岩供烃的可能。其中，灯四段中部储层沥青与灯三段泥岩有可对比性，顶部沥青与筇竹寺组泥岩有可对比性。梁霄(2020)认为整个川西坳陷北段不同层系不同相态古油藏可划归于一个受早期天井山古隆起控制的完整古油藏系统，宁强胡家坝、南江杨坝灯影组储层沥青都来自于下寒武统筇竹寺组烃源岩。张少妮(2013)认为马元铅锌矿区灯影组沥青来自于下寒武统筇竹寺组(郭家坝组)而非震旦系灯影组。

四川盆地北缘烃源岩有机质以及古油藏沥青大部分都具有高成熟度，而不同类型有机质在高成熟度阶段生物标志化合物特征趋同，给油源对比增加了难度。根据生油时原油对烃源岩Os同位素组成的继承关系，一般可以利用生油时烃源岩和原油二者的Os同位素组成的对比来给原油示踪烃源岩(Rooneyetal., 2012; Cummingetal., 2014; Liuetal., 2018; Shietal., 2020)。通过对比威远和川中地区灯影组中限定了生油年龄的沥青和潜在烃源岩在生油期的Os同位素组成，Shietal. (2020)认为该地区的沥青的烃源岩是筇竹寺组而非麦地坪组。Shietal. (2020)研究中的筇竹寺组、麦地坪组和灯影组三段烃源岩在263Ma时的187Os/188Os分别在1.34～2.86、1.14～1.22和0.91～1.85的范围内(表3)。同时间段，14个亢家洞沥青样品中有3个187Os/188Os为负值，若非风化，则表明沥青的年龄远小于263Ma (表2趋势3)；有3个样品187Os/188Os低于2 (0.46、 0.80和1.24)的样品，若非风化， 则其中1.20的样品有可能来自于麦地坪组和灯影组三段烃源岩；有8个样品187Os/188Os在2.09～3.37之间，与筇竹寺组烃源岩样品吻合，均高于同期麦地坪组和灯影组三段测试样品值，因此很可能来自于筇竹寺组烃源岩。

表3 四川盆地筇竹寺组、麦地坪组和灯影组三段烃源岩(由Shi et al., 2020数据计算)与亢家洞沥青在263Ma时的Os同位素组成关键统计数据对比

根据烃源岩展布特征及有机地球化学综合指标，下寒武统筇竹寺组是四川盆地北缘的一套优质烃源岩：厚度较大，在100～300m之间；有机质类型好，以Ⅰ型为主；有机质丰度高，平均总有机碳含量(TOC)可达7%；成熟度高，50%以上样品的(等效)镜质体反射率Ro超过2.0% (黄耀综, 2010; 刘树根等, 2018; 梁霄, 2020; 胡国艺等, 2021)。

4 结论

宁强县亢家洞古油藏的高成熟度沥青构建了约260Ma、60～70Ma和8～13Ma三个Re-Os等时线年龄，前者与区域内盆地模拟等手段限定的寒武系烃源岩的生烃高峰期相吻合，后两者可能指示焦沥青形成过程中Re-Os体系最后封闭的时刻。同时，在263Ma时亢家洞大部分沥青与筇竹寺组烃源岩样品的187Os/188Os分别处于2.09～3.37和1.34～2.86的范围内，两者187Os/188Os 较一致，筇竹寺组有较大可能是亢家洞古油藏沥青的主要烃源岩。相比之下，灯影组三段和麦地坪组烃源岩同时期的187Os/188Os 比前两者要低，可能不是亢家洞沥青的主要烃源岩。

致谢感谢李腾飞博士、戴梦宁博士和赵冰爽博士为本研究实验过程中提供的帮助。感谢王长明教授和两位评审人给予的建设性意见。