2020, Vol. 29
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松辽盆地外围油气地质基础调查成果显示，东北地区下-中侏罗统含煤层系是具有潜力的油气勘探新领域[1-3].辽西地区的金岭寺-羊山盆地（简称金羊盆地），是东北地区下-中侏罗统含煤层系发育最完备的地区之一[4].新一轮的油气基础地质调查成果揭示盆地内北票组是一套优质生烃层系，其暗色泥岩厚度约为800 m，是盆地内的主要含煤层系，也是生油的有利层段[5].针对北票组烃源岩的生烃潜力与地球化学指标，前人已有大量研究，认为北票组有机碳含量高，为中等-好烃源岩；干酪根母质类型以腐殖组为主，是Ⅲ型干酪根；镜质体反射率在1.0%左右.已发现的原油、油砂均来自北票组烃源岩的贡献[5-12].但是，在对金羊盆地西侧SZK04井北票组有机地球化学特征研究过程中，发现了一类与已报道的原油生物标志化合物及原油碳同位素有明显差异的油砂，虽然分析的这类油砂样品较少，但它所代表的地球化学意义值得关注与思考.本文将重点分析这类油砂的地球化学特征，探讨其地球化学意义以及母岩，以期为金羊盆地下一步的油气勘探提供依据.
1 地质背景金羊盆地位于辽西地区，构造上位于燕辽造山带东部，面积约为7340 km2.盆地内主要出露中生代地层，仅在东、西边界附近见古生界和中-新元古界.金羊盆地是东北地区侏罗纪地层发育最完备的盆地之一，自上而下依次发育上侏罗统土城子组，中侏罗统髫髻山组、海房沟组，下侏罗统北票组、兴隆沟组.
SZK04井位于金羊盆地西侧，属于章吉营子凹陷西北部（图 1a、b），该井开孔为北票组灰色砂岩，自上而下钻遇北票组和雾迷山组（图 1c）.在215.6~228 m井段，北票组角砾岩岩心中发现油斑级别的油气显示.
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图 1 金羊盆地构造简图及SZK04井柱状图 Fig.1 Structural sketch map of Jinyang Basin and stratigraphic column of SZK04 well （据文献[10, 13]） 1-第四系（Quaternary）；2-义县组（Yixian fm.）；3-沙海组（Shahai fm.）；4-土城子组（Tuchengzi fm.）；5-北票组（Beipiao fm.）；6-张夏组（Zhangxia fm.）；7-馒头组（Mantou fm.）；8-雾迷山组（Wumishan fm.）；9-泥岩（mudstone）；10-粉砂质泥岩（silty mudstone）；11-粉砂岩（siltstone）；12-中砂岩（medium sandstone）；13-粗砂岩（coarse sandstone）；14-砾岩（conglomerate）；15-灰岩（limestone）；16-角砾岩（breccia）；17-平行不整合（parallel unconformity）；18-正断层（normal fault）；19-逆断层（reverse fault）；20-逆冲推覆断层（thrust nappe fault）；21-油斑（oil spot）；22-剖面位置（section location）；23-岩层产状（stratigraphic occurrence）；24-井位（well location） (From References [10, 13]) |
本研究新发现的油砂样品取自金羊盆地SZK04井215~230 m砾岩岩心段中.为明确新发现油砂的特殊性，选取文献报道的金羊盆地SZK02井油砂[7]、羊D1井油砂[9]、冠山矿区北票组原油[11]、北票组烃源岩[3, 12]一起讨论.
2.2 实验分析方法样品采用超声抽提法，选取油斑、油浸显示的部位敲碎后置于圆底烧瓶中，加入氯仿，连续超声6 h，获得氯仿沥青“A”.沉淀沥青质后，用柱层析法对饱和烃、芳烃、非烃进行族组分分离.对分离出的饱和烃和芳烃分别进行饱和烃色谱、饱和烃色谱-质谱和碳同位素的测定，实验设备及分析条件见文献[14-15].
3 生物标志化合物分布与组成特征 3.1 链烷烃系列的分布与组成特征链烷烃系列是原油的重要组成部分，可以提供有机质来源、沉积环境以及热演化程度等信息[16].油砂样品中链烷烃系列包括正构烷烃系列和类异戊二烯烷烃系列. SZK04井两件油砂样品饱和烃总离子流图分布面貌十分相似（图 2），呈现出前峰型单峰态的分布模式，其正构烷烃系列没有明显的碳数优势，碳数范围在nC12-nC33，主峰碳分别为C15和C18.（nC21+nC22）/（nC28+nC29）分别为4.48、3.10，指示有机质来源以低等水生生物为主；样品OEP、CPI均为1左右，无明显的奇偶优势.
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图 2 SZK04井北票组油砂饱和烃质量色谱图 Fig.2 Saturated hydrocarbon mass chromatogram of the oil sands from Beipiao Formation of SZK04 well |
两件油砂样品Pr/Ph分别为0.4、0.35，显示出一定的植烷优势，指示较为还原的沉积环境，这一参数明显与该地区侏罗系烃源岩形成的地质背景不吻合.而在SZK02井和羊D1井油砂、冠山矿区北票组原油、北票组烃源岩中该比值基本都大于2.0（表 1），代表一种氧化的沉积环境.原油中姥鲛烷（Pr）、植烷（Ph）与相邻正构烷烃的比值也可以反映其来源与成因[17]，从图 3中也能明显看出本文研究的油砂样品中两比值明显高于前人报道的指标，彼此间没有交集.由此可见，两者具有不同的母质来源与沉积环境.
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表 1 金羊盆地北票组油砂饱和烃气相色谱数据 Table 1 Saturated hydrocarbon gas chromatographic parameters of the oil sands from Beipiao Formation |
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图 3 金羊盆地北票组油砂及烃源岩Pr/nC17、Ph/nC18相关关系图 Fig.3 The Pr/nC17-Ph/nC18 diagram of oil sands and source rocks from Beipiao Formation （据文献[17]） 1-SZK04井油砂（oil sands from SZK04 well）；2-SZK02井油砂（oil sands from SZK02 well）；3-羊D1井油砂（oil sands from YD1 well）；4-北票组烃源岩（source rock of Beipiao fm.） (After Reference [17]) |
SZK04油砂中萜烷系列的分布特征见图 4，两件油砂样品的三环萜烷和藿烷系列分布特征相似，三环萜烷中以C23为主峰，C24四环二萜烷含量低；五环三萜烷系列中以C30藿烷为主峰，升藿烷含量随碳数增加而减少，检测到一定含量的伽马蜡烷，Ga/C30H分别为0.42、0.48.富伽马蜡烷、贫重排藿烷的特征表明有机质形成于咸水、还原环境[18].反观已报道的原油及北票组烃源岩中萜烷系列的分布与组成，三环萜烷中以C19、C20为主峰，检测到了丰富的C24四环二萜烷，Ga/C30H约为0.18，具有相对丰富的重排藿烷[3-12].由此可见SZK04井油砂样品的萜烷系列分布和组成与已报道北票组原油及烃源岩的特征不一致.
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图 4 SZK04井北票组油砂样品萜烷质量色谱图 Fig.4 Terpane mass chromatogram of the oil sands from Beipiao Formation of SZK04 well |
甾烷类的生源意义主要反映真核生物（如藻类、浮游动物和高等植物）的贡献，其分布与组成特征与原始生烃母质来源有关，同时受沉积环境的性质及水体古盐度的高低也是受控因素[16].常认为C27甾烷来源于低等水生藻类，C29甾烷则与陆源高等植物有关[19].
SZK04井油砂样品的甾烷分布缺失了部分规则甾烷且甾烷类生物标志化合物浓度较低（图 5）.该特征与已报道的北票组原油及烃源岩甾烷系列呈现出“V”字形分布且C29甾烷丰度略高于C27甾烷的特征截然不同.
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图 5 SZK04井北票组油砂样品甾烷质量色谱图 Fig.5 Sterane mass chromatogram of the oil sands from Beipiao Formation of SZK04 well |
因为有机质碳同位素的主控因素是原始的有机母质来源，那么碳同位素组成特征可以反映其成因类型.已报道的煤系地层中烃源岩及原油碳同位素约为-26‰，而海相沉积环境中生成的烃源岩及原油碳同位素则较轻[20].所分析的两个SZK04井油砂样品氯仿沥青“A”碳同位素分别为-29‰、-31‰；饱和烃组分碳同位素分别为-29.8‰、-30.6‰；芳烃组分碳同位素分别为-28.2‰、-30.8‰.与前人的研究结果对比，发现SZK04井油砂组分碳同位素值明显轻于已发表的北票组烃源岩及原油.
4 SZK04井油砂成因类型及来源分析 4.1 成因类型分析通过生物标志化合物及组分碳同位素可以发现，该类油砂十分特殊，因此亟需确定其成因类型，并追溯其可能的烃源岩层，继而挖掘其在该地区油气勘探中的价值和意义.三环萜烷存在于不同沉积环境的烃源岩抽提物及原油中，且稳定性较强，受成熟度和生物降解的影响较小[21].根据C19-C23三环萜烷相对含量的沉积环境判识图版（图 6A）可以看出，SZK04井油砂的沼泽生烃母质来源应处于海相/咸水湖相的沉积环境，不同于北票组烃源岩及SZK02井油砂的沼泽沉积环境.姥鲛烷植烷比值（Pr/Ph）虽然可能受到多种因素的影响，但依然是指示氧化还原环境的有效参数，且海相原油一般具有硫芴系列高、菲系列低的特点.因此Hughes [22]以二苯并噻吩/菲（DBT/P）和Pr/Ph为指标，按沉积环境和岩性划分了图版，用于判断其沉积环境（图 6B）.基于大量实测样品数据的统计，研究区北票组烃源岩及SZK02油砂中DBT/P值均在0.2之下，大部分样品都小于0.1，表明其成岩环境主要是三角洲相等过渡性相带，岩性以煤为主，而SZK04油砂DBT/P值分别为2.3、2.8.从DBT/P与Pr/Ph交汇图可以看出，SZK04样品测得的数据集中在海相碳酸盐或泥灰岩的相区带中.
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图 6 金羊盆地北票组油砂与烃源岩地球化学参数交汇图 Fig.6 Geochemical parameter crossplots of the oil sands and source rocks from Beipiao Formation （据文献[21-24]） 1-SZK04井油砂（oil sands from SZK04 well）；2-SZK02井油砂（oil sands from SZK02 well）；3-北票组烃源岩（source rock of Beipiao fm.）；Ⅰ-海相/咸水湖相（marine/ saltwater lacustrine facies）；Ⅱ-淡水湖相（freshwater lacustrine facies）；Ⅲ-沼泽相（swamp facies）；Ⅳ-河流/三角洲相（river/delta facies） (From References [21-24]) |
芳烃中的三芴系列是判断原油母质原始沉积环境的良好指标.在弱还原和氧化环境中氧芴含量可能较高，在正常还原环境中芴系列较为丰富，在强还原环境中则以硫芴占优势[23].利用三芴系列相对含量三角图可以区分出海相、盐湖相、咸水湖相、淡水湖相以及沼泽相等差异显著的典型环境（图 6C）.图中可以明显观察到北票组烃源岩及SZK02样品都以高氧芴（OF）为特征，而SZK04井则以高硫芴（SF）为特征，表明其形成于还原性水体环境中.采用SF/（SF+F）与OF/（OF+F）关系图[24]也可以较好区分样品的沉积环境（图 6D），北票组烃源岩样品和SZK02样品主要集中在煤系地层氧化环境中，而SZK04样品则集中在高盐度强还原的环境中，这与三芴系列图得出的结果是一致的.
甾烷与藿烷的比值可以用于指示烃源岩及原油中细菌类和藻类的相对贡献. SZK04井两个油砂样品中甾藿比较低，分别为0.19和0.20.藿烷被认为是原核生物的生物标志化合物，来自古细菌，而甾烷则是真核生物的生物标志化合物，该特征表明油砂有机质的来源应以细菌输入为主.检测不到常规甾烷可能是由于沉积时期真核生物极少，原核生物大规模发育所致.综上所述，SZK04井油砂应为海相还原环境沉积的烃源岩贡献，且有机质的来源应以细菌输入为主.
4.2 来源分析SZK04井油砂具有Pr/Ph较低，三环萜烷系列中C23为主峰，C24Te/C26TT比值低的特征.由于油砂样品中规则甾烷系列基本缺失，且甾/藿极低小于0.2，反映出其母质来源中细菌类的贡献较大.结合这一特殊的特征，经大量文献比对发现仅在前寒武的岩样中均发现该类特征[25-27]. Brocks [25]的研究表明，细菌是新元古代低温时代以前唯一的初级生产者，在此之前的并未检测到C27-C29规则甾烷或只发现少量的C27甾烷.在两次冰期间隙，海洋中磷酸盐含量上升及藻类爆发才开始有了甾烷类化合物的记录.无独有偶，在华北中-新元古界烃源岩中也发现了类似的特征[26]，在附近的凌源-宁城盆地也发现了中-新元古界的油气显示[27-28]. Grantham等[29]认为烃源岩及原油中甾烷碳数分布随地质年代而变化，在前寒武系地层中C28、C29甾烷含量极低，从前寒武纪开始，C28/C29甾烷比值随时间增加而增加. SZK04油砂的来源可能来自中-新元古界烃源岩，由于在金羊盆地中-新元古界地层并无露头，无法判断具体来自哪一套烃源岩.因此，在以后的油气勘探中可以关注中-新元古界的烃源岩分布及形成的地质条件，为寻找这类特殊的海相原油提供有用的线索.
5 结论1）金羊盆地SZK04井在北票组底部砾岩中发现的油砂具有姥植比低、藿烷系列化合物丰富、伽马蜡烷含量较高、甾烷系列化合物缺失且碳同位素较轻的特征，明显不是北票组烃源岩的贡献.
2）经成因分析认为SZK04井油砂应为海相还原环境沉积的烃源岩贡献，且有机质的来源应以细菌输入为主，推测可能来自中-新元古界烃源岩，建议在下一步的油气勘探关注中-新元古界的烃源岩分布.
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