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  地质与资源 2023, Vol. 32 Issue (5): 547-554, 615  
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doi：10.13686/j.cnki.dzyzy.2023.05.004
引用本文
石蕾, 宗文明, 孙求实, 郜晓勇, 李永飞, 孙守亮, 张涛. 凌源－宁城盆地中元古界铁岭组烃源岩生物标志化合物特征及意义[J]. 地质与资源, 2023, 32(5): 547-554, 615.  
SHI Lei, ZONG Wen-ming, SUN Qiu-shi, GAO Xiao-yong, LI Yong-fei, SUN Shou-liang, ZHANG Tao. THE SOURCE ROCKS OF MESOPROTEROZOIC TIELING FORMATION IN LINGYUAN-NINGCHENG BASIN: Biomarker Characteristics and Implication[J]. Geology and Resources, 2023, 32(5): 547-554, 615.  
凌源－宁城盆地中元古界铁岭组烃源岩生物标志化合物特征及意义
石蕾 , 宗文明 , 孙求实 , 郜晓勇 , 李永飞 , 孙守亮 , 张涛     
中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034
收稿日期：2021-03-02; 修回日期：2021-03-12
基金项目：中国地质调查局项目"东部重点盆地新区新层系油气资源调查评价""(DD20230078)。
作者简介：石蕾(1987-), 女, 满族, 硕士, 工程师, 从事油气地球化学与砂岩型铀矿地质调查方面研究, 通信地址 辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//shih1101@163.com。
通信作者：孙求实(1988-), 男, 高级工程师, 主要从事油气基础地质调查研究, 通信地址 辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//70416484@qq.com。
摘要：采用气相色谱、气相色谱-质谱技术, 对凌源-宁城盆地中元古界铁岭组烃源岩生物标志化合物特征进行研究, 剖析其蕴含有机质生源、沉积环境、有机质热演化程度等方面的信息及地球化学意义.铁岭组烃源岩饱和烃气相色谱以"前峰型"的单峰分布为主, 主峰碳多为nC18, 表明有机质来源以低等生物为主; Pr/Ph比值主要分布于0.16~0.73之间, 植烷优势较明显, 指示为强还原的沉积环境, 少部分为还原环境.铁岭组烃源岩具有长侧链三环萜烷丰富、伽马蜡烷含量高和C27甾烷分布占优势的分子化石组合特征, 伽马蜡烷指数(Ga/C30H)为0.10~0.31, 平均值0.19, 反映出铁岭组烃源岩形成于微咸水-半咸水环境; Ts/Tm比值为0.54~1.19, 平均值为0.88, 表明烃源岩热演化程度较高; 甾烷与藿烷的含量比值主要分布于0.24~0.59之间, 平均值0.42, 表明低等生物藻类的贡献较低, 而细菌等微生物的贡献相对较大.铁岭组烃源岩甾烷呈现C27甾烷占优势的"L"型, 表明生烃母质生源构成是低等水生生物来源的有机质特征.
关键词：生物标志化合物    烃源岩    铁岭组    中元古界    凌源-宁城盆地    
中图分类号：P618.13            文献标志码：A            文章编号：1671-1947(2023)05-0547-09
THE SOURCE ROCKS OF MESOPROTEROZOIC TIELING FORMATION IN LINGYUAN-NINGCHENG BASIN: Biomarker Characteristics and Implication
SHI Lei , ZONG Wen-ming , SUN Qiu-shi , GAO Xiao-yong , LI Yong-fei , SUN Shou-liang , ZHANG Tao     
Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, China
Abstract: Based on gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry, the paper studies the characteristics of biomarker compounds in the source rocks of Tieling Formation in Lingyuan-ningcheng Basin, and analyzes the organic source, sedimentary environment and thermal evolution degree of organic matter, as well as geochemical implication. The saturated hydrocarbon gas chromatography of source rocks is front-peak type unimodal distribution dominated, with the main peak carbon mostly nC18, indicating that the organic matter is mainly derived from lower organism. The Pr/Ph ratio mainly ranges from 0.16 to 0.73, with obviously more phytane, indicating a strongly reducing sedimentary environment. The source rocks of Tieling Formation are characterized by abundant long-side chain tricyclic terpane, high content of gamacerane and dominant distribution of C27 sterane, with Ga/C30H of 0.10-0.31, averagely 0.19, reflecting the source rocks were formed in slight saline water-brackish water environment. The Ts/Tm ratio of 0.54-1.19 (averagely 0.88) shows the thermal evolution degree of source rocks is relatively high. The ratio of sterane/hopane contents is mainly in the range of 0.24-0.59, averagely 0.42, reflecting the lower organism of algae contributes little to organic matter, while the microorganisms such as bacteria contribute a lot. The sterane in the source rocks are L-shape with dominant C27 sterane, indicating the hydrocarbon generating parent material is of lower aquatic biological organism origin.
Key words: biomarker compound    source rock    Tieling Formation    Mesoproterozoic    Lingyuan-Ningcheng Basin    

0 引言

中—新元古代时期由于发生了地球历史上岩石圈的剧烈运动以及气候环境的极端异常变化, 成为了一段非常独特的地质时期. 在元古宙初期, 大气中氧含量总体偏低, 以发育蓝细菌、藻类等低等生物为主. 到新元古代末期, 大气中的含氧量大量增加, 促进了多细胞生物加快演化, 动物开始在地球上出现, 地球-生命系统(Earth-Life System)发生了革命性转折, 并且在这个时期形成了今天地球各大陆的核心[1-5]. 中—新元古代的研究也因此成为当今地球科学领域多学科交叉综合研究的前沿. 在全球范围内据不完全统计, 已有十多个国家和地区发现中新元古界原生油气与油气藏. 在20世纪70年代, 中国学者们在对燕山地区冀北拗陷的石油地质勘查过程中, 在元古宇中共发现了32处液体油苗与固体沥青, 具有大量潜在的中—新元古界油气资源[6-9].

油气地球化学中的生物标志化合物一般是指原油(煤)或沉积有机质中源于活的生物体, 在演化过程中没有或较少发生变化具有一定的稳定性, 基本保存了原始碳骨架的特征, 能够被识别和追踪其原始先质的碳骨架的化合物, 具有特殊的标志性意义. 因其分子结构的特殊性、复杂性, 生物标志化合物在石油地质研究领域主要应用在以下几个方面[10-11]: 1)指示有机质的生物来源特征; 2)指示有机质的沉积环境; 3)反映有机质的成熟演化特征; 4)为油气源提供对比指标; 5)分析油藏原油的次生作用程度. 另外在野外露头样品研究中, 生物标志化合物蕴藏的信息能较准确地反映有机质的来源、沉积环境与热演化[11].

2016—2018年期间, 中国地质调查局沈阳地质调查中心"松辽外围南部盆地群油气基础地质调查"项目组对凌源-宁城盆地开展了基础地质工作, 初步查明本区在中—新元古界发育5套烃源岩. 铁岭组中下部发育大段的黑色及灰色泥岩、黑色页岩, 但鲜有从生物标志化合物角度探讨铁岭组源岩性质的报道. 本文以钻探岩心及野外露头获得的第一手数据, 剖析其生物标志化合物分布特征, 探讨有机质来源、沉积环境、热演化程度等, 为辽西拗陷中—新元古界铁岭组油气地质条件的研究提供支撑.

1 地质概况

凌源-宁城盆地行政区域上北临内蒙古自治区喀喇沁旗, 南接河北省青龙县, 西靠河北省平泉县, 东部与辽宁省建昌县比邻. 在大地构造区划上, 盆地位于燕辽裂陷带东南段, 是隶属于华北克拉通的活动构造单元. 其北为内蒙地轴, 南为华北平原. 区内经历了多期强烈的地壳运动, 区域地质构造复杂. 凌源-宁城盆地地层发育完整, 中新元古界下马岭组、铁岭组、洪水庄组等地层广泛分布, 这些层系被认为是该盆地主要烃源岩[7, 12-13]. 凌源-宁城盆地被多条深大断裂和次级断裂切割成6个构造单元, 从北到南分别为宁城断陷区、黄土梁子断陷区、三十家子断陷区、牛营子凹陷区、老虎洞凹陷区和刀尔登凸起区, 总面积约为6 600 km2(图 1).

图 1 凌源-宁城盆地地质构造图 Fig.1 Geological and structural map of Lingyuan-Ningcheng Basin 1—第四系(Quaternary); 2—白垩系(Cretaceous); 3—侏罗系(Jurassic); 4—古生界并层(Paleozoic); 5—中新元古界并层(Meso-Neoproterozoic); 6—中生代侵入岩(Mesozoic intrusive rock); 7—古生代侵入岩(Paleozoic intrusive rock); 8—太古宙变质岩(Archean metamorphic rock); 9—正断层(normal fault); 10—逆断层(reverse fault); 11—逆冲推覆构造(thrust-nappe structure); 12—推测断层(inferred fault); 13—深大断裂(deep fault); 14—构造分区(tectonic unit); 15—井位(well location); 16—盆地范围(basin range)

辽凌地2井(LLD2)位于凌源-宁城盆地老虎洞凹陷内, 该井为全进取心的地质调查井(图 2), 钻遇地层: 0~7.5 m为第四系(Q); 7.5~380 m为中元古界蓟县系铁岭组(Jxt), 380~496 m为中元古界蓟县系洪水庄组(Jxh), 496~937 m为中元古界蓟县系雾迷山组(Jxw), 937~948 m为中元古界蓟县系杨庄组(Jxy), 948~978.9 m为辉绿岩, 未见底. 剖面P1701位于凌源市三十家子镇孟家窝铺村, 总厚度570 m, 为洪水庄组-铁岭组实测地层剖面; 剖面P1702位于凌源市烧锅地村南部, 总厚度460 m, 为雾迷山组-铁岭组实测地层剖面.

图 2 辽凌地2井铁岭组岩性柱状图 Fig.2 Lithological column of Tieling Formation in LLD2 well
2 样品与实验分析

本次在铁岭组共采集12件样品分别来自P1701剖面4件、P1702剖面1件、辽凌地2井7件, 样品详细信息见表 1. 对12件样品分别进行氯仿抽提、族组成分离、饱和烃色谱、饱和烃色谱-质谱等分析. 上述实验分析均在长江大学地球化学教育部重点实验室完成.

表 1 铁岭组样品基本信息 Table 1 Basic information of the samples from Tieling Formation
3 地球化学特征

P1701剖面样品总有机碳(TOC)主要分布于0.21%~0.82%之间, 平均值0.47%. LLD2井样品TOC主要分布于0.53%~0.94%之间, 平均值0.70%(表 2). 总体看来, 铁岭组样品有机质丰度较低, 多为差烃源岩, LLD2井烃源岩品质优于P1701剖面和P1702剖面, 其中风化作用可能对P1701剖面和P1702剖面样品的有机地化参数存在一定影响. P1701剖面样品等效镜质体反射率值(Ro)主要分布于1.45%~1.62%之间, 平均值1.54%. LLD2井样品Ro主要分布于2.08%~2.18%之间, 平均值2.13%, 有机质热演化处于高—过成熟演化阶段.

表 2 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩地球化学分析数据 Table 2 Geochemical data of the source rocks from Tieling Formation in Lingyuan-Ningcheng Basin
4 生物标志化合物特征 4.1 正构烷烃和无环异戊二烯类烷烃

正构烷烃广泛分布于细菌、藻类和高等植物的生物体内, 其分布与组成特征能提供烃源岩有机母质来源和成熟度方面的信息. 无环异戊二烯类烷烃的生源和成因具有多样性, 小于或等于C20的规则类异戊二烯烷烃主要来自于植醇[10, 14-15]. 本次研究的铁岭组样品拥有完整的正构烷烃、姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)等化合物, 但受生物降解作用的影响, P1701剖面铁岭组正构烷烃低碳数部分基本缺失, 部分参数失去意义, 比如轻重比、峰型和主峰碳数等. LLD2井铁岭组烃源岩正构烷烃保存较好, 因此其正构烷烃参数可信. 本次样品轻重比∑nC21-/∑nC22+变化很大, 主要分布于1.25~4.18之间, 平均值2.02. 主峰碳多为nC18, 部分为nC17, 多为前单峰型(图 3), 反映铁岭组样品为低等生物贡献. Pr/nC17-Ph/nC18交汇图图 4指示有机质来源以腐泥型为主. 并含少量腐殖型, 即有机质类型为Ⅰ型及Ⅱ1型. P1701剖面Pr/Ph比值均小于0.5, LLD2井Pr/Ph比值分布于0.30~0.75, 平均值0.46, Ph优势明显(图 5), 指示为强还原的沉积环境, 少部分为还原环境.

图 3 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩饱和烃气相色谱图 Fig.3 Saturated hydrocarbon gas chromatogram of the source rocks in Tieling Formation
图 4 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩Ph/nC18与Pr/nC17相关图 Fig.4 The Ph/nC18-Pr/nC17 diagram of source rocks in Tieling Formation 1—P1701剖面铁岭组(Jxt in P1701 section); 2—LLD2井铁岭组(Jxt in LLD2 well)
图 5 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩Pr/Ph比值分布直方图 Fig.5 The Pr/Ph distribution histogram of source rocks in Tieling Formation 1—P1701剖面铁岭组(Jxt in P1701 section); 2—LLD2井铁岭组(Jxt in LLD2 well)
4.2 长侧链三环萜烷和四环萜烷

一般侧链三环萜烷具有菌藻类微生-物生源, 四环萜烷系由细菌起源的藿烷类降解形成[10, 16]. 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩长侧链三环萜烷较丰富, 碳数组成为C19—C30, 以C23三环萜丰度高为特征. 不同深度样品中化合物的分布存在一定的差异. C24四环萜烷丰度与C26三环萜烷丰度相当, 指示有机质来源以细菌类为主(图 6).

图 6 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩萜烷系列分布图 Fig.6 Terpanes series distribution of the source rocks in Tieling Formation
4.3 五环三萜烷系列

五环三萜烷系列碳数主要分布范围为C27—C35, 重要的萜烷有藿烷类、伽马蜡烷、奥利烷等, 其中藿烷类主要来源于原核生物或细菌, 伽马蜡烷则被当做沉积水体盐度与分层的标志, 为咸水、还原环境的标志物[17].

铁岭组烃源岩中藿烷系列化合物总体上以C30藿烷占绝对优势, C31以上化合物较低, 且随碳数增高呈递减型分布(图 6), 是碎屑岩有机质来源的典型特征. P1701剖面铁岭组烃源岩中伽马蜡烷指数(Ga/C30H)分布于0.00~0.18, 平均值0.12. LLD2井铁岭组烃源岩中Ga/C30H分布于0.21~0.35, 平均值0.25(表 2), 整体反映出铁岭组烃源岩形成于微咸—半咸水环境.

Ts/Tm(18αH-22, 29, 30-三降藿烷/17αH-22, 29, 30-三降藿烷)丰度比随有机质热演化程度增高而升高, 常用于评判相同沉积环境下有机质成熟度的高低. 铁岭组烃源岩Ts/Tm丰度比为0.54~1.19(表 2), 平均值0.88, 表明烃源岩热演化程, 度较高, 与样品测试Ro值评判有机质成熟度已达到高—过成熟阶段吻合较好.

4.4 甾烷系列

甾烷来源于真核生物中的甾醇, 水生藻类和高等植物中均含有其先质物. 受有机质输入的影响, 甾烷碳数的分布可用来指示物源. C27甾烷主要来源于水生藻类, 而C29甾烷主要来源于高等植物, C28甾烷通常在咸水湖湘中含量较高[10, 16-17]. 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩C27-C29规则甾烷呈现C27甾烷占优势的"L"型, 即C27甾烷丰度较高, 说明生烃母质的来源是以低等水生生物输入占优势的有机质为特征(图 7). 根据C27-C28-C29甾烷相对含量有机质划分图[10, 18], 可以看出凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩有机质类型以Ⅱ型为主, 且为开阔海环境的低等生物输入(图 8).

图 7 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩甾烷系列分布图 Fig.7 Steranes series distribution of the source rocks in Tieling Formation
图 8 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩C27-C28-C29ααα(R)构型甾烷相对质量分数三角图 Fig.8 The triangular diagram for C27-C28-C29ααα(R) sterane distribution of the source rocks in Tieling Formation 1—P1701剖面铁岭组(Jxt in P1701 section); 2—LLD2井铁岭组(Jxt in LLD2 well)

甾烷与藿烷的比值可指示真核生物, 低的甾藿比意味着低等生物藻类的贡献相对较低, 而细菌等微生物的贡献相对较大[10]. 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩甾烷与藿烷的含量比值主要分布于0.24~0.59之间, 平均值0.42(图 9), 表明低等生物藻类的贡献相对较低, 而细菌等微生物的贡献相对较大, 也反映出烃源岩在早期成岩阶段可能经历了较强烈的细菌改造作用而有利于腐殖型有机质发生腐泥化, 从而增强其生烃潜力[10, 19-20].

图 9 凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩甾烷/藿烷分布图 Fig.9 Sterane/hopane distribution histogram of the source rocks in Tieling Formation
5 结论

通过对凌源-宁城盆地铁岭组烃源岩的生物标志化合物特征及所揭示的母质来源、沉积环境、成熟度等方面的地质意义剖析, 得出以下几点认识.

(1) 铁岭组烃源岩具有长侧链的三环萜烷丰度高、伽马蜡烷含量高和C27甾烷分布占优势的生物标志物组合特征.

(2) 铁岭组烃源岩伽马蜡烷比值介于0.10~0.31, 平均值为0.19, 说明铁岭组烃源岩形成于微咸水—半咸水环境; Pr/Ph比值主要介于0.16~0.73之间, 植烷优势较明显, 指示为强还原的沉积环境, 少部分为还原环境.

(3) Pr/nC17、Ph/nC18表明有机质来源以混合有机质为主; Ts/Tm比值为0.54~1.19, 平均值为0.88, 表明烃源岩热演化程度较高; 饱和烃气色相以"前峰型"的单峰分布为主, 主峰碳以C18和C17为主, 甾烷/藿烷比值介于0.24~0.59之间, 平均值0.42, C27甾烷丰度较高呈现占优势的"L"型, 表明生烃母质生源构成是低等水生生物来源, 并且细菌等微生物的贡献比低等生物藻类的贡献大.

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